[논문]HSPF 모형을 이용한 옥동천 유역의 유달율 분석

이현지; 김계웅; 송정헌; 이도길; 이한필; 강문성

doi:10.5389/ksae.2019.61.1.009

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The primary objective of this study was to analyze the delivery ratio using Hydrological Simulation Program - Fortran (HSPF) in Okdong-cheon watershed. Model parameters related to hydrology and water quality were calibrated and validated by comparing model predictions with the 8-day interval filed d...

The primary objective of this study was to analyze the delivery ratio using Hydrological Simulation Program - Fortran (HSPF) in Okdong-cheon watershed. Model parameters related to hydrology and water quality were calibrated and validated by comparing model predictions with the 8-day interval filed data collected for ten years from the Korea Ministry of Environment. The results indicated that hydrology and water quality parameters appeared to be reasonably comparable to the field data. The pollutant delivery loads of the watershed in 2015 were simulated using the HSPF model. The delivery ratios of each subwatershed were also estimated by the simple ratio calculation of pollutant discharge load and pollutant delivery load. Coefficients of the regression equation between the delivery ratio and specific discharge were also computed using the delivery ratio. Based on the results, multiple regression analysis was performed using the discharge and the physical characteristics of the subwatershed such as the area. The equation of delivery ratio derived in this study is only for the Okdong-cheon watershed, so the larger studies are needed to apply the findings to other watersheds.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 Location of the study watershed
표 Table 1 Land use of the study watershed
그림 Fig. 2 The DEM for the study watersheds
그림 Fig. 3 The land cover for the study watersheds
표 Table 2 Weather input data of HSPF model
표 Table 3 Calibrated parameter values for the HSPF model simulation
표 Table 4 Statistics of the HSPF model performances for calibration and validation period
그림 Fig. 4 Comparison of the observed with the simulated runoff and water qualities for the calibration period
그림 Fig. 5 Comparison of the observed with the simulated runoff and water qualities for the validation period
그림 Fig. 6 Scatter plots of the observed and simulated runoff and water qualities
표 Table 5 Delivery Ratio using HSPF
표 Table 6 Regression coefficients of multi-regression analysis using MATLAB
표 Table 7 Result of multi-regression analysis using MATLAB
그림 Fig. 7 Relationship between (Q/A) and DR at study watershed
그림 Fig. 8 Relationship between DR and DR_MR at study watershed

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 한강수계 옥동천 유역을 대상으로 HSPF 모형의 보⋅검정을 통하여 소유역별 유달율을 산정하고, 이를 바탕으로 비선형 다중회귀분석을 이용하여 회귀식 기반의 유달율을 산정하여, 유달회귀식을 이용한 유달율 산정의 적용성을 평가하고자 한다

제안 방법

보정된 모형을 통하여 2015년 옥동천 유역의 유달부하량을 산정하고, 수질오염총량관리기술지침에 따라 산정한 배출 부하량을 통하여 소유역별 유달율을 산정하였다. 옥동A05와 옥동A06 소유역의 유달율은 BOD 0.
본 연구에서는 HSPF 모형을 통해 모의한 미계측지점의 유량과 수질의 곱으로부터 산정한 유달부하량과 오염총량관리 기술지침 (NIER, 2014)으로 산정한 일평균 배출부하량의 비로 유달율을 산정한다.
본 연구에서는 옥동천 유역을 대상으로 HSPF 모형을 통해 소유역별 유달율을 산정하고, 이를 이용하여 비선형 다중회귀분석을 통해 유달 회귀식을 도출하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 미계측 유역의 수문⋅수질 모의를 위해 HSPF 모형을 이용한다. 대상유역의 강수량, 기온, 풍속, 이슬 점온도, 일사량, 전운량 등의 기상자료는 유역 내 인접한 기상 관측소인 영월과 태백 기상관측소의 2004∼2015년 자료를 수집하여 Table 2를 참고하여 자료를 가공한다. 유역의 유량 및 수질 자료는 물환경정보시스템에서 제공하는 동일 기간에 대한 자료를 이용한다.
모형의 보정 및 검정에는 총량관리 측정지점인 옥동A 지점의 유량 및 수질 자료를 이용한다. 환경부 수질 측정 지점인 옥동A는 강원 영월군 김삿갓면 옥동리 옥동교로 유역말단에서 약 4 km 상류에 위치하고 있다.
본 연구의 대상지역은 옥동천 유역으로 한강 수계 충주댐 상류에 위치하며, 강원도 영월군, 태백시, 경상북도 봉화군, 영주시, 충청북도 단양군 일대를 포함하고 있다. 산업⋅도시화가 덜 이루어진 편이어서, 토지이용의 대부분이 산림이며, 점⋅비점 배출부하량의 비를 보면 비점 배출부하량이 전체 배출부하량의 80 % 이상을 차지하고 있는 비점오염이 우세한 유역이다.
연구 대상유역은 환경부 지정 단위 유역으로 유역 출구로 부터 약 4 km 상류에 위치한 옥동교에서 국립환경과학원 한 강물환경연구소에서 8일 간격으로 유량 및 수질을 측정하고 있다 (Fig. 1).
유달율 산정을 위한 대상유역은 하수처리장등 수계에 직접적인 영향을 주는 주요 오염원이 배제된 지역을 선택해야 하기 (NIER, 2014) 때문에 보검정한 HSPF 모형의 모의 결과 를 이용하여 상류에 인위적인 유입원이 없는 소유역인 옥동 A05 (ODA05), 옥동A06 (ODA06)을 대상으로 유달율을 산정하였다. 유달부하량은 소유역 말단지점에서 모의된 일별 유량과 수질자료로부터 산정하였으며, 유역의 배출부하량은 소유역별로 수질오염총량관리기술지침에 따라 2015년 전국오염원자료를 바탕으로 산정하였다.
모형의 보정 및 검정에는 총량관리 측정지점인 옥동A 지점의 유량 및 수질 자료를 이용한다. 환경부 수질 측정 지점인 옥동A는 강원 영월군 김삿갓면 옥동리 옥동교로 유역말단에서 약 4 km 상류에 위치하고 있다. 환강물환경연구소에서 8일 간격으로 유량 및 수질을 측정하고 있다.

데이터처리

HSPF 모형 모의를 통해 산정한 소유역별 유달율을 토대로 유역의 유량-면적비 (Q/A)를 변수로 가지는 거듭제곱 형태의 회귀식을 도출하였다. 도출된 회귀식의 회귀계수는 Table 6과 같으며, Fig.
, 2016)을 이용하였다. 식 (3)은 유량과 유역면적을 독립변수로 사용하며 회귀계수가 3개인 식으로 식(3) 형태의 다중회귀식을 도출하기 위하여 옥동A05, 옥동A06 2개 지점에서 모의된 자료를 모아 MATLAB 프로그램을 이용하여 비선형 다중회귀분석을 통해 회귀계수들을 산정하고 회귀식을 도출하였다. 그 결과 도출된 회귀식의 회귀계수는 Table 7과 같으며 결정계수는 3가지 수질 항목 모두 0.

이론/모형

또한, 미계측 기간의 보간 뿐만 아니라 미계측 소유역에 확대 적용하기 위해 사용되는 식 (3) (Hwang et al., 2016)을 이용하였다. 식 (3)은 유량과 유역면적을 독립변수로 사용하며 회귀계수가 3개인 식으로 식(3) 형태의 다중회귀식을 도출하기 위하여 옥동A05, 옥동A06 2개 지점에서 모의된 자료를 모아 MATLAB 프로그램을 이용하여 비선형 다중회귀분석을 통해 회귀계수들을 산정하고 회귀식을 도출하였다.
, 2000). 모형 보정의 검정지표로서 결정계 수 (R²)와 Nash and Sutcliffe (1970)에서 제안한 모형 효율계수 NSE (nash-sutcliffe efficiency)을 이용하여R² > 0.6, NSE > 0.5의 조건이 충족될 때까지 시행착오법을 통하여 매개변수를 조정하여 모형을 보정한다. 모형의 보정 순서는 먼저 유출량에 대하여 보정하고, BOD (biochemical oxygen demand), T-N (total nitrogen), T-P (total phosphorus) 순으로 진행한다.
물환경정보시스템에서 획득한 수문⋅수질자료를 이용하여 HSPF 모형의 보정을 실시하였다. 모형의 보정은 유출량, BOD, T-N, T-P 순으로 진행하였으며, 모형의 적합성을 평가하기 위해 결정계수 (R² ), NSE와 PBIAS를 산정하여 모형의 적용성을 평가하였으며, 모형의 모의치가 실측치를 잘 반영하는 것으로 나타났다.
, 2006). 본 연구에 사용된 HSPF 모형은 미국의 TMDL (total maximum daily load)에 사용되는 모형 중 하나로 유역내 의 토지이용에 따른 특정 오염물질의 비점 오염부하를 계산하며, 강우에 따른 물의 흐름을 하천의 수질오염과 연계하여 모의가 가능하며 광범위한 유역조건에서 적용이 가능한 장점이 있다 (Park et al., 2012).
본 연구에서는 미계측 유역의 수문⋅수질 모의를 위해 HSPF 모형을 이용한다. 대상유역의 강수량, 기온, 풍속, 이슬 점온도, 일사량, 전운량 등의 기상자료는 유역 내 인접한 기상 관측소인 영월과 태백 기상관측소의 2004∼2015년 자료를 수집하여 Table 2를 참고하여 자료를 가공한다.
유달율 산정을 위한 대상유역은 하수처리장등 수계에 직접적인 영향을 주는 주요 오염원이 배제된 지역을 선택해야 하기 (NIER, 2014) 때문에 보검정한 HSPF 모형의 모의 결과 를 이용하여 상류에 인위적인 유입원이 없는 소유역인 옥동 A05 (ODA05), 옥동A06 (ODA06)을 대상으로 유달율을 산정하였다. 유달부하량은 소유역 말단지점에서 모의된 일별 유량과 수질자료로부터 산정하였으며, 유역의 배출부하량은 소유역별로 수질오염총량관리기술지침에 따라 2015년 전국오염원자료를 바탕으로 산정하였다. 소유역별 일평균배출부하량 값을 일괄 적용하였다.

성능/효과

HSPF 모형의 수문⋅수질 모의 결과 옥동A 지점에서의 모의치가 실측치를 잘 반영하는 것으로 나타났다. 모형의 유출량 보정에 비교적 큰 영향을 주는 인자는 LZSN, INFILT, AGWRC, UZSN, DEEPFR, INTFW, IRC 등이었다.
미계측 유역의 유달율 산정을 목적으로 본 연구에서 도출한 유달회귀식의 검증을 위해 모형을 통해 산정한 유달율과 유달회귀식으로 산정한 추정 유달율과의 상관관계를 분석한 결과, 결정계수 (R² )가 BOD 0.67∼0.89, T-N 0.95∼0.96, T-P 0.87∼0.91 로 나타나 도출된 회귀식의 적합성은 높은 것으로 판단된다.
보정한 결과를 보면 BOD, T-N, T-P의 경우 일부 구간을 제외하고는 모의치가 실측치를 잘 반영하는 것으로 나타났다. BOD, T-N, T-P 모두 실측치의 경향을 잘 나타내는 것으로 보이나, T-P의 경우 타 항목에 비하여 전반적으로 모의치가 실측치에 비해 상대적으로 낮게 모의되었다.
본 연구에서 다중회귀분석을 통해 도출한 유달회귀식의 검증 결과 유달회귀식을 이용하여 실측자료가 없는 미계측 유역의 유달율 산정이 가능할 것으로 판단된다. 하지만 본 연구에서는 회귀식을 2015년 오염원자료를 대상으로 도출하였기에 본 연구자료를 사용할 경우 세심한 주의가 필요할 것으로 판단된다.

후속연구

본 연구에서는 옥동천 유역에 대해서만 연구를 진행하였으나, 토지 지목구성 비율에 따라 유달율 변화 양상이 다를 것으로 예상되므로 다른 유역들은 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다. 또한 추후 전국의 미계측 소유역에 본 연구를 적용하기 위해서는 자동보정 방법 등 더 범용성이 있는 접근법이 필요할 것으로 보인다.
복잡한 유역의 수문⋅수질 모의에 적용이 가능하며 여러 연구 및 정책결정에 이용되고 있는 HSPF (Hydrological Simulation Program - Fortran) 등의 유역모형을 이용하여 유달율을 산정할 경우 모든 유량 조건에 대하여 유달율을 산정할 수 있으며 이를 이용하여 상류 미계측 소유역에 적용할 수 있을 것이다.
본 연구는 수질오염총량제의 주 관리지역인 농촌유역의 비점오염원 관리 등 농촌유역의 환경관리를 위한 기초자료로 활용될 것으로 사료된다.
하지만 본 연구에서는 회귀식을 2015년 오염원자료를 대상으로 도출하였기에 본 연구자료를 사용할 경우 세심한 주의가 필요할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 옥동천 유역에 대해서만 연구를 진행하였으나, 토지 지목구성 비율에 따라 유달율 변화 양상이 다를 것으로 예상되므로 다른 유역들은 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다. 또한 추후 전국의 미계측 소유역에 본 연구를 적용하기 위해서는 자동보정 방법 등 더 범용성이 있는 접근법이 필요할 것으로 보인다.
본 연구에서 다중회귀분석을 통해 도출한 유달회귀식의 검증 결과 유달회귀식을 이용하여 실측자료가 없는 미계측 유역의 유달율 산정이 가능할 것으로 판단된다. 하지만 본 연구에서는 회귀식을 2015년 오염원자료를 대상으로 도출하였기에 본 연구자료를 사용할 경우 세심한 주의가 필요할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 옥동천 유역에 대해서만 연구를 진행하였으나, 토지 지목구성 비율에 따라 유달율 변화 양상이 다를 것으로 예상되므로 다른 유역들은 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
강우와 유량에 따라 배출부하량의 값이 다른데 이를 일괄적으로 하나의 값을 이용하는 것은 비현실적인 결과를 초래할 수 있다고 생각된다. 향후 강우와 유량에 따른 배출부하량의 값에 대한 연구가 더 필요할 것으로 보이며 이에 HSPF 모형에서 산정된 소유역의 투수/불투수 지역의 발생부하량과 비교함으로써 한계를 극복할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유달율을 산정하는 방법에는 무엇인 있는가?	유달율을 산정하는 방법은 실측에 의한 방법, 유역모형을 이용하는 방법, 침식 토양을 이용하는 방법, 합리식의 유출계 수를 이용하는 방법, 통계적인 이론을 이용하는 방법 등 다양 하다 (Keem et al., 2009).
	HSPF 모형을 구성하는 모듈은 어떻게 나누어져 있는가?	Environmental Protection Agency; USEPA)에 의해 개발되었다. 투수지형에서의 수문 및 수질을 모의하는 PERLND, 불투수지형의 수문 및 수질을 모의하는 IMPLND 와 수체내의 수리 및 수질을 모의하는 RCHRES로 나누어져 있으며, 각각의 모듈에는 물의 흐름에 관계된 부분과, 토사유출, 영양염류 등 수질에 관계되는 부분으로 구분된다 (Bicknell et al., 2005).
	유달율은 무엇인가?	유달율은 오염원으로부터 배출된 오염물질이 수체의 특정 지점에 도달하는 비율이며, 일반적으로 배출부하량과 유달부하량의 비를 의미한다. 유달율은 해당 유역의 오염물질 유출 특성 지표로서 수질오염총량관리제와 같은 유역관리계획에 서 목표수질 설정 및 할당부하량을 결정하는데 중요한 요소이다 (Jung et al.

참고문헌 (16)

Bicknell, B. R., J. C. Imhoff, J. L. Kittle, A. S. Donigian, and R. C. Johanson, 2005. Hydrologic simulation program-FORTRAN user's manual, v.12.2, Athens, GA., USEPA.
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Choi, D. H., J. W. Jung, K. S. Lee, Y. J. Choi, K. S. Yoon, S. H. Cho, H. N. Park, B. J. Lim, and N. I. Chang, 2012. Estimation of pollutant load delivery ratio for flow Duration using L-Q equation from the Oenam-cheon watershed in Juam lake. Journal of the Environmental Sciences 21(1): 31-39 (in Korean). doi:10.5322/JES.2012.21.1.31.
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Keem, M. S., H. S. Shin, J. H. Park, and S. D. Kim, 2009. Empirical equation for pollutant loads delivery ratio in Nakdong river TMDL unit watersheds. Journal of the Korean Society on Water Quality 25(4): 580-588 (in Korean).
Kwon, H., S. Na, D. Shin, and T. Im, 2016. A study on the calculation ratio of nonpoint sources in the Gumho basin. Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation 16(4): 303-311 (in Korean). doi:10.9798/KOSHAM.2016.16.4.303.

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Park, J. H., H. S. Hwang, D. H. Rhew, and O. S. Kwon, 2012. Estimation of delivery ratio based on BASINS/HSPF model for total maximum daily load. Journal of Korean Society on Water Environment 28(6): 833-842 (in Korean).
Shon, T., J. Park, and H. Shin, 2009. A study on estimation of the delivery ratio by flow duration in a small-scale test bed for managing TMDL in Nakdong river. Journal of the Korean Society on Water Quality 25(5): 792-802 (in Korean).

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