2.1. 대상유역

연구 대상유역인 합천호는 경상남도 합천군 대병면에 위치 하고 있으며, 낙동강 하류지역의 생활 및 공업용수, 농업용 수를 공급하고 산업 시설과 농경지의 홍수피해를 조절하기 위하여 낙동강 지류인 황강에 건설된 다목적댐 저수지이다. 합천댐 유역의 면적은 929 km², 총 저수용량이 7억 9,000만 m³, 저수면적은 25 km², 저수지 길이는 30 km, 최대 수심은 약 80 m이다. 용수공급능력은 연간 5억 9,900만 m³이며, 부 산, 창원, 마산, 진해 등 낙동강 하류지역에 용수를 공급하고 있다. 합천댐 유역은 청정지역으로 알려져 있지만 매년 여름 철 태풍의 영향과 주변 농경지의 토사 유출로 인해 장기간 이어지는 탁수현상이 보고되고 있다(^{Kim and Kang, 2013}). 탁수현상은 댐 하류 생태계의 변화, 하천이용도 저하, 하류 지역 정수처리 비용 증가 등의 많은 문제점을 발생시킨다 (^{Hwang et al., 2005}). 또한 유역 하단에 용량이 8000만 m³인 합천댐이 위치하고 있어 수문 및 수질관리가 매우 중요하다. Fig. 1.

Fig. 1. Location of monitoring stations and sub-watershed of Hapcheon dam watershed.

2.2. 모형입력자료

수문과 수질모델링을 위해 필요한 입력자료는 기상자료, 수질농도, 수위, 유량자료, 유역도, 하천도, 수치표고지도 (DEM), 토지피복도이며, HSPF의 BASINS를 이용하여 2000 년 ~ 2016년의 유출량과 수질을 모의하였다. 수위, 유량, 그 리고 유입량, 유역도는 국가수자원종합정보시스템 (^{HRFCO, 2018})에서 수집하였으며 수질자료는 물환경정보시스템 (^{ME, 2018})에서 수집하였다. HSPF에서 사용되는 소유역은 유역도 와 관측소를 기준으로 WinHSPF를 통해 나누어지며 stream network는 하천도를 기준으로 수계의 흐름이 정의된다. HSPF 적용을 위해 기상자료와 오염원자료, 수질자료 등이 필요하며 기상자료는 시간단위 강수량과 일단위 온도, 풍속, 일사량 등을 기상청에서 수집한 후 WDM 파일형태로 변환 시켜 UCI (User’s Control Input) 파일을 통해 입력하였다. 수 질자료는 물환경정보시스템에서 제공하는 합천댐에 위치하 는 총량측정망에서 측정한 자료이며, BOD, T-N, T-P 세 가 지를 수집하였다. 점오염원과 비점오염원 자료는 환경부에서 제공하는 수계오염 총량관리기술 지침을 기초로 각 소유역 별 생활계, 산업계, 축산계, 매립계, 양식계에 대해 산정하였 으며 모형에 사용된 것은 생활계와 축산계이다. HSPF 모형 으로 매개변수를 조정하여 유출량과 점오염원을 고려한 수 질을 예측하고, 비점오염원을 적용시켜 수질을 예측하였다. 실측 수질농도와 비교하였으며, 비점오염원 중 축산계의 저 감시나리오를 적용시켜 수질의 변화양상을 비교분석하였다. 모형의 효율을 평가하기 위해 수문은 평가지표(R², RMSE, RMAE, NSE), 수질은 평가지표(RMSE, RMAE, PBIAS)를 이용하여 적용성 평가를 하였다.

2.3. 모형의 평가지표

HSPF 모형의 보정을 위해 2000년부터 2016년까지의 수문, 수질 실측자료를 이용하였다. 보정기간은 수문의 경우 2011 년 ~ 2014년, 수질의 경우 2013년 ~ 2014년으로 이루어졌으 며 유출량, BOD, T-N, T-P 순으로 일별로 진행하였다. 검정 기간은 수문이 2004년 ~ 2007년까지이고 수질이 2015년 ~ 2016년으로 이루어졌다. 모형의 보정은 최적화기법과 시행착 오법을 이용하는 방법이 있으며, 본 연구에서는 수동보정기 법인 시행착오방법을 이용하여 수문 모의결과를 보정 및 검 정하였으며, 모형의 적합성과 상관성을 평가하기 위한 목적 함수로는 평균제곱근오차(RMSE), Percent BIAS (PBIAS), 상 대평균절대오차(RMAE)를 사용하였고, 각각의 함수의 식은 다음과 같다. Q₀은 실측치, Q_s는 모의치, Q_m은 실측치의 평균, Q_ms는 모의치의 평균, n은 자료의 개수이며, RMSE는 0, RMAE는 0, NSE는 1, PBIAS는 작을수록 오차가 없다는 것 을 나타낸다.

3.1. 발생부하량, 배출부하량 산정

전국오염원 조사 자료를 기준으로 오염원을 생활계, 축산 계, 산업계, 토지계, 양식계, 매립계로 구분하여 12개 소유역 별로 발생부하량과 배출부하량을 산정하였다. 생활계는 주민 등록상의 인구수, 축산계는 한우, 젖소, 돼지 기타(말, 사슴, 산양, 가금, 개) 가축의 사육 두수, 산업계는 산업폐수발생량, 토지계는 5개의 지목(전, 답, 임야, 대지, 기타)의 면적, 양식 계는 양식장 시설면적, 매립계는 매립장 침출수 발생량을 기 준으로 발생부하량과 배출부하량을 산정하였다.

발생부하량 산정 결과 BOD는 59,542 kg/day, T-N은 15,384 kg/day, T-P는 4,010 kg/day로 산정되었으며, Table 1은 대상 유역의 오염원별 발생부하량을 나타내고 있다.

배출부하량은 점오염원과 비점오염원으로 나눌 수 있으며 전국오염원 조사 자료에서 점오염, 비점오염을 구분하여 제공 하고 있다. Table 2는 오염원별 배출부하량을 나타내고 있다. 배출부하량 산정결과 BOD는 6,891.7 kg/day, T-N은 4,932.2 kg/day, T-P는 1,616.8 kg/day로 산정되었다. 축산계의 배출부 하량은 BOD가 3,180.1 kg/day로 전체의 46.1 %를 차지하며, T-N은 2058.4 kg/day로 41.7 %를 차지하고 있으며 T-P에서는 218.1 kg/day로 13.5 %를 차지하는 것으로 조사되었다.

Table 3은 축산계 배출부하량의 점오염, 비점오염 비율을 나타내는 표로 축산계 비점오염 배출부하량은 BOD가 699.6 kg/day, T-N이 267.5 kg/day, T-P는 26.1 kg/day로 축산계의 점오염과 비점오염 배출부하량의 비율은 81.7 %, 18.3 %로 산정되었다. 합천댐 유역의 전체 배출부하량과 모델에 적용 할 축산계 비점오염 배출부하량의 비율을 산정한 결과, 축산 계 비점오염부하량은 전체 배출부하량 대비 BOD는 10.1 % 를 차지하며 T-N은 5.4 %, T-P는 1.6 %를 차지한다. Fig. 2는 오염원별 비점오염 배출부하량을 소유역별로 보여주고 있다.

Fig. 2. The comparison of nonpoint discharge load by pollutant source of BOD, T-N, and T-P for each subwatershed.

3.2. 유달부하량

유달부하량은 배출부하량이 지천을 통하여 대상 유역까지 유입되는 과정에서 자정되어 감소되는데, 이때 대상지점까지 도달한 부하량을 말하며, 유달부하량과 배출부하량의 비율을 유달률이라 한다. 본 논문에서의 유달부하량과 유달률의 산 정방법은 실측기반에 의한 산정방법으로 수립년도 기준으로 산출된 월평균 배출부하량과 해당 시기의 대상유역의 수질 실측자료의 곱으로 산정하였다. Table 4는 합천댐 유역의 월 별 유달부하량과 유달률을 나타내고 있으며 Table 5는 오염 원의 입력을 위해 HSPF에 적용한 생활계와 축산계의 비점 오염 유달부하량을 월별로 나타냈다.

3.3. 수질오염부하량의 모델 적용

점오염원은 합천댐 유역에 위치하는 하수처리장 3개소와 축산분뇨처리장, 폐수종말처리장, 분뇨처리장을 월별 발생유 량과 BOD, T-N, T-P의 농도를 평균하여 점오염원으로 적용 하였다. 비점오염은 산정된 월별 유달부하량을 강우시 강우 유출비의 영향을 크게 받는 것을 고려하여 강우가 발생 하였 을 때 강수량에 따라 차등 배분하고 강우가 발생하지 않은 날은 비점오염 유달부하량이 발생하지 않는 것으로 가정하 였다. 유달부하량은 산정하는 과정에서 kg/day 단위를 가지 는데 유량을 이용하여 mg/L단위로 환산하고 WDM 파일형 태로 변환시켜 UCI (User’s Control Input) 파일을 통해 비점 오염 수질자료를 HSPF에 입력하였다.

3.4. 매개변수 보정 결과

HSPF에서 유량에 관한 매개변수의 민감도 분석을 수행할 경우, LZSN, INFILT, KVARY, DEEPER, UZSN, NSUR, INTFW, IRC 등이 결과에 큰 영향을 미치는 것을 알 수가 있 다. 본 연구에서 사용한 수문 매개변수의 값의 범위를 Table 6에 나타냈다. 수문 매개변수의 값의 범위는 HSPF Technical Note 6 (^{U. S. EPA, 2000})에서 제시한 보정 인자와 범위를 참 고하였다. Table 7은 수질 매개변수의 적용범위를 나타낸 것 으로 민감도 분석 결과 큰 영향을 주는 것으로 판단된 BOD 는 OXRX 모듈의 KBOD, KODSET, REAK, BRBOD, T-N과 T-P는 NUTRX 모듈의 KDNI, CVBPN, KPLNM (지표, 상부, 하부), PLANK 모듈의 KIMP, KMP, BRPO4, ANAER를 중 심으로 매개변수를 보정하였다.

3.5. 수문 보정 및 검정

보정기간에 대한 실측자료와 모의 자료를 비교한 결과 합 천댐 유역의 실측 연평균 유출고는 744.6 mm, 모의 유출고는 712.3 mm로 나타나 –4.6 %오차를 나타내었고 R²는 0.83, RMSE는 2.565 mm/day, RMAE는 0.46 mm/day, NSE는 0.8 로 나타났으며 매우 좋음 수준의 모형효율을 나타냈다. Fig. 3은 실측유출량과 모의유출량의 일별그래프를 나타내고 있으 며, 유출 검정결과를 나타내고 있다.

Fig. 3. Comparison between observed and simulated daily runoff for validation period.

검정기간에 대한 실측자료와 모의 자료를 비교한 결과 실 측 연평균 유출고는 772.2 mm이며, 모의 유출고는 804.0 mm 로 +3.9 %의 오차를 나타내었다. 모형 적합성 평가 결과 R²의 경우 0.78, RMSE는 2.76 mm/day, RMAE는 0.48 mm/day, NSE는 0.81로 나타났으며 검정 또한 좋음 수준의 모형효율 을 나타냈다. 산정된 유출량을 이용하여 합천댐 유입구를 출 구로 하는 하천의 유출량을 합하여 모의한 유입량과 실측 유 입량을 비교한 결과 모의된 연평균 유입량은 700.2 mm이며 유입률은 50.9 %로 실측값에 비해 –0.9 %의 오차를 가졌다. Fig. 4는 실측유출량과 모의유출량의 일별그래프를 나타내고 있으며, 유출 검정결과를 나타내고 있으며 Table 8, 9는 수문 보정 및 검정 결과이다.

Fig. 4. Comparison between observed and simulated daily runoff for validation period.

3.6. 수질 보정 및 검정

모형의 보정을 2013년 ~ 2014년, 검정을 2015년 ~ 2016년 으로 설정하여 합천댐 유역의 실측 수질 농도값과 모의값, 보정결과에 따른 적합성 평가 결과는 Table 10과 같다. BOD 의 모형 적합성 평가결과 보정기간의 RMSE는 1.03 mg/L, RMAE 0.51 mg/L, PBIAS –11.8 %로 나타났으며, 검정기간 의 RMSE는 0.77 mg/L, RMAE 0.40 mg/L, PBIAS –19.8 % 로 나타났다. T-N은 보정기간의 RMSE는 0.92 mg/L, RMAE 0.58 mg/L, PBIAS 24.6 %로 나타났으며, 검정기간의 RMSE 는 0.77 mg/L, RMAE 0.52 mg/L, PBIAS 17.9 %으로 나타났 다. T-P의 보정기간의 RMSE는 0.081 mg/L, RMAE 0.82 mg/L, PBIAS –15.4 %로 나타났으며, 검정기간의 RMSE는 0.035 mg/L, RMAE 0.37 mg/L, PBIAS –22.8 %로 나타났 다. Fig. 5는 비점오염원 중 생활계와 축산계 오염원을 적용 시켰을 때의 BOD, T-N, T-P의 수질 양상을 나타낸다.

Fig. 5. The comparison between observed and simulated point and nonpoint source (population and livestock) for BOD, T-N, T-P calibration and validation period.

3.7. 축산계 비점오염원 저감 시나리오 설정

본 연구에서 산정한 비점오염 유달부하량 중 축산계를 선 정하여 20 % (Scenario 1), 40 % (Scenario 2)저감하여 모형 을 구현하였다. Table 11은 축산계 비점오염부하량의 저감시 나리오 적용 전후에 대한 BOD, T-N, T-P의 시나리오 연도 별 평균 농도를 보여주고 있다. 축산계 비점오염원 저감시나 리오를 적용해 본 결과 BOD의 시나리오 적용전 평균값이 1.39 mg/L, 시나리오 1을 적용하였을 때 1.37 mg/L, 시나리 오 2를 적용하였을 때 1.32 mg/L로 시나리오 1, 2를 적용하 면 각각 2 %, 5%의 저감 효과가 있는 것으로 나타났다. T-N 의 경우 시나리오 적용 전 평균값이 2.21 mg/L, 시나리오 1 을 적용하였을 때 2.18 mg/L, 시나리오 2를 적용하였을 때 2.14 mg/L로 시나리오 1, 2를 적용하면 각각 2 %, 3%의 저 감 효과가 있는 것으로 나타났다. T-P는 시나리오 적용 전 평균값이 0.064 mg/L, 시나리오 1을 적용하였을 때 0.062 mg/L, 시나리오 2를 적용하였을 때 0.060 mg/L로 시나리오 1, 2를 적용하면 각각 2 %, 6 %의 저감효과가 있는 것으로 나타났다.