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HSPF의 대규모 유역 적용:
체사픽만(Chesapeake Bay) 유역모형
성 충 현
Postdoctoral researcher, Virginia Tech [email protected]
1. 서 론
대표적인 유역모형 중 하나인, HSPF (Hydrologic Simulation Program – Fortran)은 1960년대 스탠포드 유역모형(Stanford Watershed Model) 을 기반으로 하여, 이후 여러 수질 기작 및 WDM (Watershed Data Management) 파일 시스템들이 추가되면서 발전해 왔다(USEPA, 2001b).
개념적(conceptual), 총괄형(lumped), 프로세스 기반(process-based) 모형으로 분류되며, 미국 환경청(USEPA)에서는 오염총량 산정을 위한 공식 모형으로 이용되고, 국내에서도 널리 적용되는 모형이다.
대부분의 HSPF 적용은 중소규모 유역에 집중되어 왔다. 예를 들어, 미국 오염총량 산정은 이행평가 및 예산 등의 현실적 상황에 따라 대규모 하천의 전체유역보다는 중소하천 또는 대규모 하천의 일부구간에 대해 초 점을 맞추어 왔다. 한편, HSPF는 토지이용분류 및 소유역 개수에 따라 기본계산단위의 수가 결정되는데, 모형의 내부구조상 기본계산단위가 일 정 개수이상이 되면 모형 구동이 보장되지 않는다는 한계가 있다. 이러한 기존 유역모델링의 공간적 범위의 특성 및 모형의 물리적 한계는 HSPF 의 대규모 유역 적용의 기회를 사실상 제한해 왔다.
지속가능한 수자원의 이용과 보전을 위해서는 유역통합관리가 필요하 고, 이를 위해서는 체계적이며 일관된 모델링 체계가 중요하다. 또한 세 부유역의 수문 및 수질특성을 충실히 입력하고 재현해 낼 수 있는 유연하 고 검증된 모형을 기본으로 한 대규모 유역모델링이 필수적이다. 본 기사 에서는 HSPF의 대유역 적용사례인 미국 체사픽만(Chesapeake Bay) 유 역모형에 대해 소개하고자 한다.
Figure 1. Schematic map of the Chesapeake Bay Watershed
2. 체사픽만(Chesapeake Bay) 유역
미국 동부해안에 인접한 체사픽만 유역은 미국 6개주(뉴욕, 펜실베니아, 웨스트버지니아, 버지 니아, 메릴랜드, 델라웨어)에 걸쳐 놓여 있으며, 수도인 워싱턴D.C.를 포함하는 166,000 km2의 규모이다. 이는 남한 전체의 약 1.6배에 해당하는 면적 이다. Susquehanna강, Potomac강, Rappahannock 강, York강, James강 등의 미국의 유서깊은 강
을 포함한다. 체사픽만 유역의 토지이용은 대략 산림 70%, 농경지 23%, 도시지역 6.4%의 비율 로 구성되며, 지난 20년간 도심지가 서서히 증가 하는 경향을 보여주고 있다. 유역평균 연강수량 은 1,079 mm이며, 내륙지역의 1,037 mm에서 해안가의 1,143 mm까지의 지역적 편차를 보인 다. 연평균 기온은 위도에 따라 8.5°C에서 14.1°C 의 분포로 나타난다(USEPA, 2010).
체사픽만은 미국 연안지역 중에 최대면적을 자
랑하는 만이다. 미국 전체 어업 생산량의 약 5%
를 차지하며, 환경적 지리적 측면에서 매우 큰 주 목을 받아왔다. 배후 유역의 오염부하량 증가와 만의 입구가 상대적으로 작은 지형적 특성 때문 에, 수질오염문제가 점점 부각되었으며, 1980대 에 이르러서는 체사픽만의 오염문제를 근본적으 로 해결하기 위한 통합된 유역관리의 필요성이 대두되었다. 1987년의 체사픽만 협정(Chesapeake Bay Agreement)을 시작으로 가장 최근의 체사 픽만 오염총량개발(USEPA, 2010)까지의 프로 젝트 등을 바탕으로 통합유역관리 체계가 구축 및 개선되어 오고 있으며, 미환경청을 필두로 여 러 관계기관의 참여하에 생태환경적으로 건전하 며 지속가능한 체사픽만의 보전을 위한 노력이 계속되고 있다.
3. 체사픽만 유역 모델링 기법 소개
CBWM (Chesapeake Bay Watershed Model) (USEPA, 2010; Shenk et al., 2012)은 체사픽 만 유역의 수문과 수질을 모의하기 위해 HSPF모 형을 기반으로 만들어졌으며, 지속적으로 모형의 개선이 이루어지고 있다. 현재 Phase 5.3버젼까 지 개발되었으며, 최신의 CBWM버젼은 체사픽 만 세부유역단위의 입력자료를 모형에 적용하고 동시에 대규모 유역평가가 가능하도록 개선되었 으며, 연도별 토지이용 변화를 고려할 수 있도록 구축되었다. 본 기사에서는 5.3버젼의 유역모형 을 중심으로 대해 소개하고자 한다.
3.1 HSPF 구조
CBWM의 유역모델링 방식을 설명하기 앞서, 우선 HSPF의 구조에 대한 이해가 필요하다. HSPF
는 크게 투수 및 불투수지형으로부터의 유출현상 을 모의하는 PERLND (Pervious land), IMPLND (Impervious land)와 하천, 저수지 등을 포함하 는 수체내의 수리 및 수질을 모의하는 RCHRES 의 3가지의 계산모듈로 구성된다(Figure 1) (USEPA, 2001b). 각 계산모듈은 물의 흐름, 유사, 수질항 목 등을 모의하는 세부계산 섹션(Section)을 포 함하며, 관개나 시비 같은 여러 가지 인간활동에 대한 모의를 Special-action 등의 부가적인 섹션 을 통하여 유연하게 반영할 수 있다. 각 PERLND 와 IMPLND의 기본계산단위(Hydrologic Response Unit, HRU)은 토지이용 및 소유역 구분에 따라 그 개수가 정해진다. 예를 들어, 1번 소유역에 토 지이용을 8가지로 구분하였다면, 1번 소유역의 HRU의 개수는 8개가 되는 식이다. 다만, 정의된 소유역 내에서HRU의 공간적 분포는 고려되지 않는다. 각 HRU에서 계산된 수문 및 수질결과는 지형 및 소유역별로 정의된 각 단위RCHRES로 전달되며, 각 단위RCHRES들은 하천연결망에 따라 상류에서 하류로 계산결과가 차례로 전해지 면서 전체 유역의 수문수질이 모의된다. 이때 계 산을 위한 기본 시간단위는 1분부터 1일까지 설정 이 가능하며, 주로 기본계산단위로 1시간이 이용 된다. 시간단위 모의를 위해서는 시간단위 강우, 기온, 증발산 자료가 필수이며, 기타 기상자료들 은 일단위로 입력된다. 기상, 유량, 수질자료 등 의 유역모델링을 위한 시계열입출력 자료들은 주 로 WDM 파일의 형태로 저장되며, UCI (User Create Interface) 파일에서 각 계산모듈별로 필요한 자 료가 링크된다. 또한 UCI 파일에는 각 계산섹션 의 매개변수와 PERLND, IMPLND, RCHRES 간의 연결관계 등이 정의되며, 모델링 전반의 입 출력 부분이 구성된다. 따라서, 보통 HSPF를 이 용한 유역모델링의 경우 하나의 UCI 파일에 유역
Figure 2. Main modules of HSPF
의 모든 입력자료가 링크되고, 필요한 매개변수 가 설정된다. 서론에서 언급되었다시피, UCI상 에 일정정도 이상의 HRU가 정의되면 HSPF의 내부 메모리 할당 부분에서 에러가 발생하게 된 다. 공식적인 자료는 없으나, HSPF 사용자 그룹 의 전반적인 경험에 의하면 일반적으로 HRU가 1000개 이상이 되면 에러가 발생할 확률이 높아 지는 것으로 알려져 있다. 이러한 프로그램상 내 재적 문제점을 해결하기 위해 유역을 몇 개로 나 누어 HRU 개수를 줄여서 모형을 구성하는 방법 들이 이용되어 왔다. 즉, 다수의 UCI 파일을 만 들어 유역모형을 구성하고, 상류유역의 계산이 끝나면 하류유역에 계산결과를 적용하는 방식이 다. 하지만, 이러한 방법은 각 UCI 파일 결과를 외부에서 링크시켜주기 때문에, UCI의 개수가 많아지게 되면 모형의 구동효율이 떨어지는 단점 이 있다.
3.2 CBWM 구조
기본적으로 CBWM은 HSPF 버젼 11을 바탕으 로 하고 있다. HSPF 버젼 11까지는 리눅스, 유닉 스, 윈도우즈 등 여러 컴퓨터 환경에서 구동이 가 능하도록 유지관리되었으나, 미환경청의 지원을 받으며 HSPF 12가 되면서, EPA의 유역통합모 델링툴인 BASINS (USEPA, 2001a)와 연동되도
록 만들어지면서 현재 HSPF는 오직 윈도우즈 시 스템에서의 모형 구동만을 위해 모형이 개발되고 있다. CBWM의 경우 초기개발버젼이 계산시간 등의 효율성 등을 고려하여 리눅스 시스템을 기 반으로 구성되었고, 계속해서 리눅스 환경에서 구동되도록 모형이 유지관리되고 있어서, 현재 HSPF와 컴퓨터 구동환경에서 차이가 있다.
대규모 유역모델링을 가능하게 하기 위해서 Phase 5 CBWM에서는 각 HRU에 대해 UCI 파 일을 정의하여, 소유역별(Land segment, Lseg) 및 단위하천별(River segment, Rseg) 모의가 개별적으로 실시되도록 만들어졌다. CBWM에서 Lseg 는 모형의 입력자료 구축을 위해 이용되는 기본 통계자료의 최소단위인 County 경계와 지 형 등을 고려하여 총 308개로 구성되어 있고, 토 지이용은 농경지의 경우 정밀한 오염부하 평가를 위해 작물재배시기, 시비량, 재배방법 등을 고려 하여 11가지로 세분화하고, 도심지도 5가지로 구 분하는 등 총 25개로 구분되어 있다. 따라서, CBWM에서 정의된 HRU는 7,392개(308×25) 로 구성된다. 다만, Lseg내에서 토지이용의 공간 적 분포는 고려되지 않기에, Rseg로 결과를 보낼 때 확률적 기법을 적용하여 토지이용의 공간분포 를 반영해준다. 단위하천(Rseg)의 경우 2.8 m3/s 이상의 평균유량이 흐르는 하천 및 기존의 유량 과 수질 측정지점 등을 고려하여 총 1,244개로
Figure 3. The Phase 5 Chesapeake Bay Watershed Model
세분화하여 약 170 km2 수준의 유역평가가 가능 하도록 모형이 구성되었으며, 총 287개소의 관측 지점자료가 모형의 보정에 사용되었다.
각 Lseg 및 Rseg별로 모의가 완료되면 지형 및 하천흐름에 따라 계산된 결과가 상류에서 하 류로 전달되도록 코드가 개발되었다. 이때, 개별 Lseg에서 계산된 결과는 Phase 5에서 개발된 ETM (External transfer module)을 이용하여 Rseg 로 전달된다. ETM은 각 HRU에서 계산된 수문 및 수질결과를 Rseg상에 편입된 면적비율 을 적용하여, 각 Rseg의 구동을 위한 입력자료로 제공해 준다. 이것은 대유역을 다수의 UCI 파일 로 구성하여 발생하는 모형구동의 효율성 저하효 과를 일부분 개선하는 역할을 수행하며, 연도별 토지이용변화도 가능하게 만들었다. CBWM은 1984년부터 2005년까지 22년간에 대해 모형이 구축되어 있으며, 30 m 해상도의 시계열 위성영 상을 바탕으로 구축한 1982년부터 2005년부터 까지 매 2~3년마다의 토지이용변화자료를 제공 한다. 이러한 토지이용변화를 모형의 재구동없이 모의연도마다 토지이용변화를 자동으로 고려할 수 있으며, 이 부분도 기존 HSPF와 크게 차별되
는 부분이다.
또한 미래 시나리오 분석을 위해 시나리오빌더 (Scenario Builder)툴을 제공하며, 토지이용, 오 염부하, BMP (Best Management Practice) 등 의 변화에 대한 시나리오를 설정하고 관심지역 및 관심수질항목 등에 관한 모의결과를 사용자가 추출할 수 있다. 더불어, 대규모 유역에 대한 모 형보정을 위한 자동보정모듈, 모형의 구동효율 증가를 위한 병렬처리기능, 소유역별 개별 모델 링, 모델링 결과의 후처리 기능 등의 기존 HSPF 에서 지원되지 않는 대규모 유역모델링을 위한 부가적인 기능이 추가되었다.
4. CBWM 유역모형의 이용과 활용
Phase 5 CBWM은 체사픽만 유역의 정밀한 수 문 및 수질 환경을 모의할 수 있도록 구성되어 있 으며, http://ches.communitymodeling.org/
models/CBPhase5/index.php에서 자유롭게 이 용이 가능하다. 모형의 모든 소스코드, 관련 메뉴 얼과 보고서, 그리고 1984년부터 2005년까지의 모든 기상, 수문,수질 입력자료가 공개되어 누구
나 사용할 수 있다. 또한 모형 사용자를 위한 메 일링그룹(https://lists.sourceforge.net/
lists/listinfo/npsource-cbpmodel)이 꾸준히 운영되고 있어서 처음 모형을 이용하는 사람의 경우에도 모형 구동에 관한 기술지원을 받을 수 있다.
기본적으로 체사픽만 유역내에서 수질에 영향 을 미칠 수 있는 대단위 개발계획이나 수질관리 를 위한 사업시, 체사픽만 오염총량과의 연관성 을 검토하게 되어 있다. 2010년 기준으로, 체사 픽만 유역에 속한 중소규모 오염총량개발 및 이 행평가 사업들이 CBWM 모형을 이용하여 진행되 었고, 이 과정에서 최소 150개의 유역관리 시나 리오와 70개 이상의 이행계획들이 만들어졌다 (Shenk et al., 2012). 또한 개별 중소규모 모델 링 과정에서 구축된 모형입력자료들은 CBWM 에 재반영되어 대규모 유역의 합리적이면서 정밀한 모델링이 가능하도록 선순환되는 구조로 운영되 고 있어, 체사픽만 전체유역에 대한 일관된 통합 모델링을 추구하고 있다.
국내의 경우 중소규모 유역단위의 유역모델링 이 주를 이루고, 관계기관 및 사업별로 유역모델 링이 이루어지는 것이 현실이다. 장기적이며 일 관된 통합유역관리를 위해서는 체사픽만 유역모 델링과 같이 위로부터 아래로의(Top-down) 유 역평가툴과 다시 아래로부터의 피드백을 위한 모 델링 프레임웍이 우선되어야 한다. 또한 개발된 모형은 관련사업의 종료 후 어느 한구석에 잘 보
관해두기보다는 누구나 이용할 수 있고 구축된 입력자료 및 결과를 능동적으로 그리고 지속적으 로 이용할 수 있는 제반여건이 조성되어야 할 것 이다. 왜냐하면, 지속가능한 환경 보전과 관리를 위해서는 꾸준한 관심과 노력이 계속되어야 하기 때문이다.
참고문헌
1. Shenk G.W., Wu J. and Linker L.C., 2012.
Enhanced HSPF Model Structure for Chesapeake Bay Watershed Simulation. J Environ Eng-Asce, 138(9):949-957. DOI:Doi 10.1061/(Asce)Ee.1943- 7870.0000555.
2. U.S. Environmental Protection Agency (USEPA), 2001a. Better Assessment Science Integrating point and Nonpoint Sources (BASINS) Version 3.0 User's Manual, EPA-823-B01-001, Washington, D.C., Office of Water, USEPA.
3. U.S. Environmental Protection Agency (USEPA), 2001b. Hydrological Simulation Program - Fortran (HSPF) User's Manual Version 12, Washington, D.C., Office of Water, USEPA.
4. U.S. Environmental Protection Agency (USEPA), 2010. Chesapeake Bay Phase 5.3 Community Watershed Model. EPA 903S10002 - CBP/
TRS-303-10. U.S. Environmental Protection Agency, Chesapeake Bay Program Office, Annapolis MD.
December 2010.
