2.2.1. HSPF 유역모형

HSPF (Hydrological Simulation Program-Fortran) 유역모 형의 적용모듈은 크게 3가지로 구분되며, 투수지역의 수문·수질을 모의하는 PERLND 모듈과 불투수층에 대한 IMPLND 모듈, 그리고 수체에 해당하는 RCHRES 모듈로 구성된다. HSPF는 준분포형 모형으로서, 소유역의 각 구성요소를 하나 의 덩어리로 간주하여 투수층(PERLND)과 불투수층(IMPLND) 으로부터 유출된 유량 및 수질을 RCHRES로 전달하는데, 이를 받아들이는 RCHRES는 기존의 수체모형과 같이 거리 에 따라 다구간화 되는 것이 아니라, 기본적으로 한 소유 역 당 단일구간으로 구성되기 때문에 수체 내에서 반응의 기회가 적다(Fig. 2(a)). 이러한 준분포형 모형의 특징을 보 완하기 위해 ^{Son et al. (2008)}은 유역모형의 소유역을 작게 분할하여 그만큼 수계구간을 다구간화함으로써, 수체에서의 반응기회를 증가시키고, 그 규모를 변화시키며 수질모의결 과에 미치는 영향을 분석하였으나, 유의한 결과를 얻을 수 없었다. 이에 ^{Jeon et al. (2011)}은 인위적으로 소유역 내 RCHRES를 분할하여 다구간화 하고, 이를 통해 한 소유역 내에서 더욱 많은 반응을 할 수 있도록 모형을 수정하여 연구한 바 있다(Fig. 2(b)). 그럼에도 불구하고, 기술지침에 따 라 산정된 배출부하량을 수체로 전량 입력할 경우 RCHRES 내에서 오염물질을 저감시킬 수 있는 기작 및 그 정도에는 한계가 있기 때문에 유달 과정을 유역모형에서 재현하는데 충분하지 않았다.

Fig. 2. Schematic representation of of single- and multiple-segmentation.

이런 이유로 현재 많은 연구자들이 유달율을 통해 미리 산정된 유달부하량을 수체구간(소유역 출구)에 입력하는 방 법을 활용하고 있으며, 소유역 내 분포된 다양한 오염원으 로부터 산정된 배출부하량이 유달 과정, 특히 유하거리 및 시간을 비롯한 유달 특성에 따라 저감되는 현상을 표현하 기 위해서는 유역 모형의 RCHRES에서 별도의 추가적인 기작이 필요하다.

2.2.2. HSPF BMP Reach Toolkit과 적용방법

HSPF는 매우 포괄적이고 높은 적용성을 가진 유역모형 이며, 토지(PERLND, IMPLND)에서의 BMPs 적용을 표현 하기 위한 BMPRAC 등의 모듈이 별도로 제공되지만, 침사 지나 침투시설 등을 포함하여 하천구간에서의 BMPs 시설 을 직접적으로 적용하기에는 한계가 있었다(^{Lee, 2011}). 이 에 ^{U. S. EPA. (2007)}는 유하구간에서의 구조적 LID(Low impact development; 저영향개발)시설 적용이나, 하천구간 에서 BMP 등을 통한 오염물질 저감을 표현할 수 있도록 HSPF의 UCI(Users control input)파일을 수정할 수 있는 Web-based toolkit을 개발하여 홈페이지 상에서 제공하였으 며, BASINS ver.4.11(2015년 9월 25일)부터는 WinHSPF 자체에 그 기능이 포함되어 BMP Reach Toolkit이라는 이 름의 추가적인 모듈로 제공하고 있다(^{U. S. EPA., 2015}).

HSPF의 하천구간인 RCHRES는 유역 토지(PERNLD, IMPLND)로부터 각 경로(표면유출, 중간유출, 기저유출)에 따른 비점오염 배출량과 유역 내부에 위치한 점오염시설 배출량, 상류 하천으로부터의 전달량을 INFLO라는 이름의 Gate를 통해 받아들인다(Fig. 3). INFLO Gate를 통해 입력 된 유량(IVOL)과 수질(ICON)은 완전히 혼합되어 반응한 후, OFLO라는 이름의 Gate를 통해 하류 하천으로 전달한 다. 이 때 OFLO는 경우에 따라 전달 경로 및 방법을 달리 할 수 있도록 총 5개가 지원된다(^{Bicknell et al., 1996}).

Fig. 3. Flow diagram for the HYDR section of the RCHRES application module.

BMP Reach Toolkit은 저류지나 침강지, 침투도랑과 같은 침투시설, 혹은 독립적인 수로를 선택적으로 표현할 수 있 으며, 이러한 침투형 시설 혹은 수로를 통해 침투되는 양 은 별도의 Gate(OFLO2)를 통해 사라지게 하고, 침투되지 않는 양은 전달 Gate(OFLO1)를 통해 하류로 전달할 수 있 으며, 이 때 저감시설을 통한 저감률을 식 (1)과 같이 표현 할 수 있다.

여기서, OFLO2를 통해 저감되는 양은 침투율과 거리에 따 른 하상면적, 시간에 따른 함수로 결정되며, 침투율의 함수 는 Maryland Method 혹은 Green-Ampt Method를 선택하여 적용할 수 있다. 이러한 방법을 응용하여, 물은 두 Gate (OFLO1, OFLO2)의 양을 모두 하류로 전달하되 오염물질은 침투되지 않은 양만 전달하면 시간과 거리에 따라 희석과 유사한 효과를 얻을 수 있는데, 이는 곧 하천으로 유입된 배출부하량이 수계구간의 특정지점에 도달할 때까지 시간과 거리에 따라 감소하는 유달 과정을 간접적으로 재현하는데 이용될 수 있다(Fig. 4).

Fig. 4. The concept of delivery process using hypothetic RCHRES.

유달과정 재현을 필요로 하는 오염원은 주로 유역 내 산 재되어 있는 점오염원, 특히 소규모 점오염원 등이 큰 비중 을 차지하고 있는데, 이러한 오염원으로부터 배출되는 오염 물질은 유역말단에 있어서 거리가 짧을수록 더욱 많은 양 이 유달될 수 있는 반면, 거리가 멀수록 그 영향은 상대적 으로 낮아진다. 즉 오염원의 공간적 분포가 오염물질의 유 달에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 하나의 소유역 내 실제 소 하천을 고려하여 유달을 위한 가상적인 하천구간(Hypothetic RCHRES; 이하 유달 RCHRES)을 연장하고, 이를 기준으로 공간적 구획을 나누어 해당하는 범위 안의 오염원으로부터 배출되는 배출량이 각각 입력될 수 있도록 하였다(Fig. 5).

Fig. 5. The multi-segmentation concept of hypothetic RCHRES for pollutants delivery.

이 때 모형에 입력하는 배출량은 기술지침에 따라 산정 하였다. 한편, 토지계로 대표되는 비점오염원(표면유출)과 중간유출, 기저유출을 통한 오염물질 유입은 유역모형 본래 의 기능으로서 토지이용에 따라 모의가 가능하다.

2.4.1. 유역모형 구축

본 연구의 대상지역은 금호A 유역의 지류인 북안천이지만, 북안천의 기준유량시점은 금호A지점에서 기준유량이 나타 나는 시기로 선정해야 하므로, 금호A 유역까지 함께 모형 을 구축하였다. Thiessen 분석 결과 금호A 단위유역은 영 천기상대의 영향권에 해당하여, 기상대의 시간별 강수량, 평균기온, 풍속, 일사량 및 상대습도, 전운량 등을 수집하 고 WDM(Watershed Data Management) database를 구축하 였다. 또한 1:5,000 수치지도로부터 해상도 30×30 m의 수 치고도모델(Digital Elevation Model, DEM)을 생성한 후 BASINS에 적용하여 대상유역의 소유역을 구성하였다(Fig. 6(a), 6(b)). 소유역의 분할에 있어서는 3단계 기본계획을 참고하여 단위유역 및 각 소유역 구성에 반영하였으며, 특 히 대상유역인 북안천 유역은 모형의 상세한 보정을 위해 ｢낙동강수계 축산계 오염배출부하량의 수체영향 분석 및 최적관리방안 연구｣(^{NIER, 2012})에서 수행된 세부 모니터링 지점을 고려하였다. 토지이용도는 환경부에서 2008년 제작 된 중분류 토지피복도를 활용하였으며(Fig. 6(c)), 각 환경 기초시설의 점오염원 자료는 전국오염원조사(2005~2013) 자료를 활용하여 소규모 하수도(마을하수도) 수준까지 고려 하였다. 또한 유역 배출부하량 자료는 3단계 기본계획에 제시된 자료를 이용하였다. 한편, 금호A 유역 내 위치하고 있는 영천호의 경우, 댐 모의를 구성하지 않고 영천호 방 류유량과 수질을 이용하여 점오염 형태로 입력하였다.

Fig. 6. DEM, sub-basins and landuse of Geumho-A watershed.

북안천 유역은 10개 소유역으로 분할하되, 유달 RCHRES 및 그 구획은 3차 하천 이상의 소하천 구간을 고려하여 총 21개 구간으로서 구성하였으며, Fig. 7에 나타낸 바와 같다. 21개의 유달 RCHRES는 해당유역에 대해 별도의 BASINS 를 구축하고, 소유역 분할 과정에서 본 모형 내 소유역보다 더욱 상세하게 분할하여 HSPF의 BMP Reach Toolkit 모듈 을 적용한 후, 하천형상과 특성, 거리 인자 등을 추출하여 본래 모형에 통합하였다.

Fig. 7. Boundary of hypothetic RCHRES and subbasins of Buk-an stream.

2.4.2. 유역모형의 보정 및 검증

유역모형의 보정 및 검증지점은 Fig. 1에 나타낸 바와 같 으며, 유량은 북안천 유역의 말단지점 (P7)과 금호A 지점 에서 보·검증하였다. 북안천 유역의 말단지점은 2단계 및 3단계 기본계획 수립 과정에서 유달율 산정을 위해 모니터 링이 수행되었으며, 이행평가를 위해 지속적으로 모니터링 되고 있어 비교적 다년간의 자료가 축적되어 있다. 또한 금호A 유역의 말단지점은 환경부 수질총량측정망 지점으 로, 8일 간격의 모니터링 자료를 취득하여 보정 및 검증에 활용하였으며, 유출량 모의는 2011년부터 2013년(3년)은 보 정, 2008년부터 2010년(3년)은 검증 기간으로 선정하였다. 북안천 유역의 수질 보정 및 검증은 낙동강수계 축산계 오 염배출부하량의 수체영향 분석 및 최적관리방안 연구 보고 서(^{NIER, 2012})를 참고하여, 6개 모니터링 지점(P1~P6)에 서 2012년 5월부터 10월까지 수행된 15회 현장조사 결과 를 이용하여 소유역 수질을 보정하는데 보완적으로 활용하 였다. 한편, 북안천 유역의 말단지점(P7)의 수질은 상류의 6개 지점과 같은 2012년에 보정하고, 2013년을 검증기간으 로 설정하였다.

매개변수의 보정은 시행착오법에 의해 이루어졌으며, 이 는 모형의 다양한 변수를 변화시켜 상관계수 및 결정계수 등의 최적점을 찾는 방법으로 반복횟수가 충분할 경우 전 체 근사 최적점에 도달 가능한 방법이나, 시간이 많이 소 요된다는 단점이 있다(^{Lee and Shin, 2009}). 모형효율 평가 를 위한 결정계수는 ^{U. S. EPA. (2011)}에서 제안한 상대오 차(%, %Difference)를 이용하였는데, HSPF모형의 적용사례 및 연구자료를 바탕으로 ^{Donigian (2000)}은 일반적인 모형 효율의 범위와 신뢰구간을 Table 2와 같이 제시한 바 있다. 상대오차 산정방법은 식 (4)와 같으며, 이 때 O는 관측 값 을, P는 모의 값을 의미한다.