1. 개요

1.1 개발 목적

분포형 모델이 갖는 느린 계산속도의 단점을 개선함과 동시에 준분포형 모델에서의 공간연산단위의 불균일한 단점을 보완하여 분포형 모델과 준분포형 모델의 장점을 혼용한 복합형 유역모델
국내 환경특성을 고려한 유역모델
분포형 유역모델 CAMEL을 중대규모 유역에 적용할 수 있도록 격자단위의 물질이동을 최소화하고, 하천 모의 구조를 변경

1.2 개발 및 적용

시화호 유역 (해양수산부, 2011 ~ 2021)
새만금 유역 (금강유역환경청, 2020 ~ 2021)
한강 유역 (국립생태원, 2020 ~ 2021)
대청호 유역 (금강유역환경청, 2021)
한산만 유역 (국립수산과학원, 2021)
인북천 유역 (환경기술원,2021)
금강 유역 (해양수산부, 2014 ~ 2019)
자란만 유역 (국립수산과학원, 2017 ~ 2019)
강진만 유역 (국립수산과학원, 2016)
새만금 유역 (농어촌 연구원, 2013 ~ 2015)

1.3 소개

Distributed models represent watersheds using a network of numerous, uniform calculation units to provide spatially detailed and consistent evaluations across the watershed. However, these models have a disadvantage in general requiring a high computing cost. Semi-distributed models, on the other hand, delineate watersheds using a simplified network of non-uniform calculation units requiring a much lower computing cost than distributed models. Employing a simplified network of non-uniform units, however, semi-distributed models cannot but have limitations in spatially-consistent simulations of hydrogeochemical processes and are often not favoured for such a task as identifying critical source areas within a watershed. Aiming to overcome these shortcomings of both groups of models, a hybrid watershed model STREAM (Spatio-Temporal River-basin Ecohydrology Analysis Model) was developed in this study. Like a distributed model, STREAM divides a watershed into square grid cells of a same size each of which may have a different set of hydrogeochemical parameters reflecting the spatial heterogeneity. Like many semi-distributed models, STREAM groups individual cells of similar hydrogeochemical properties into representative cells for which real computations of the model are carried out. With this hybrid structure, STREAM requires a relatively small computational cost although it still keeps the critical advantage of distributed models.

하천이나 호수 등의 수체로 오염물질을 배출하는 오염원은 크게 점오염원과 비점오염원으로 구분된다. 점오염원(point sources)은 폐수배출시설, 하수발생시설, 축사 등으로 관거･수로 등을 통하여 일정한 지점으로 수질오염물질을 배출하는 배출원을 말하며, 비점오염원(nonpoint sources or diffuse sources)은 도시, 도로, 농지, 산지, 공사장 등으로서 불특정 장소에서 불특정하게 수질오염물질을 배출하는 배출원을 말한다. 점오염원은 배출 경로가 명확하여 비교적 쉽게 관리할 수 있다. 이에 반하여 비점오염원으로부터의 오염물질 배출은 강우유출 과정과 직간접적으로 연관되어 있어 정확한 배출경로를 확인하기 어려운 특징이 있다. 우리나라의 경우 지난 수십 년간의 수질관리 정책으로 점오염원에 대해 성공적인 관리 성과를 이루었으나, 상대적으로 비점오염원에 대한 관리는 아직 미흡한 상황이다. 비점오염원이 하천 오염부하에서 차지하는 비율은 2010년 BOD 기준 약 68%인 것으로 보고되고 있다(MOE, 2012). 비점오염 유출은 강우 특성과 변화에 따라 시간적으로 변동된다. 이와 함께 비점오염 유출은 공간적으로 배출이 균일하지 않은 특징이 있다. 비점오염 유출이 공간적으로 균일하지 않고 변동되는 특징을 보이는 것은 동일한 물리적 특성을 갖는 토지라 하더라도 유역 내 위치에 따라 지하수위, 토양 함수량, 강우유출량 등이 다르기 때문이다. 이로 인하여 유역 내 특정 지역이 유역에서 차지하는 면적이 작음에도 불구하고 유역 오염부하의 상당 부분을 기여하는 경우가 발생한다. 이러한 지역을 주오염원지역(critical source areas)으로 규정할 수 있는데, 유역 내 비점오염을 효과적으로 저감하기 위해서는 주오염원지역의 공간적 분포와 각 주오염원지역에서의 오염기작을 파악하는 것이 필수적이다. 비점오염의 유출은 시공간적인 변동 특성을 갖기 때문에, 유역 내에서 주오염지역의 분포를 파악하기 위해서는 비점오염 유출의 시공간적 변동에 영향을 미치는 다양한 요소들이 함께 고려되어야 한다. 이와 함께 주오염지역 을 관리하기 위해서는 다양한 관리기법에 대한 적용 효과를 사전에 평가하고 이로부터 최적의 관리기법을 도출할 수 있어야 한다. 따라서 비점오염 유출 과정에서 나타나는 매우 복잡한 수문 현상과 오염물질 거동 양상을 분석, 평가하며 동시에 다양한 관리기법 시나리오를 정량적으로 평가할 수 있는 과학적 도구가 요구되는데, 이에 대한 가장 효과적이고 정확한 방법은 유역모델을 이용하는 것이다. 유역모델은 유역분할구조에 따라 크게 총괄형 모델(lumped model)과 분포형 모델(distributed model)로 구분된다. 경우에 따라서는 총괄형 모델 중 소유역 단위를 세분하여 공간 이질성을 반영한 모델을 준분포형 모델(semi-distributed model)로 구분하여 총괄형, 준분포형, 분포형 모델로 유역 분할구조를 분류하기도 한다(Cunderlik, 2003; Jajarmizadeh et al., 2012; Paudel et al., 2011). 대상유역 전체를 단일한 공간단위로 가정하는 총괄형 모델은 유역모델 개발 초기에 많이 사용되었으나, 컴퓨터 성능 향상 등으로 인하여 최근에는 그 사용이 현저히 줄어들고 있다. 준분포형 모델은 대상 유역을 소유역으로 구분하거나 소유역을 수문특성이 유사한 단위로 더욱 세분하는 구조를 채택한다. 이에 따라 계산 속도가 빠른 장점을 갖는다(Cunderlik, 2003; Jajarmizadeh et al., 2012). 그러나 준분포형 모델의 경우 비교적 큰 유역에서 전체적인 수문현상을 해석하는 데에는 적합하지만, 소유역 내부의 수문현상을 해석할 수 없기 때문에 인구밀집도가 높고 토지이용이 집약적인 지역에서 유역관리 목적으로 이용하기에는 한계가 있다. 준분포형 유역모델로는 SWMM(Huber and Dickinson, 1988; Rossman, 2010), LASCAM (Viney et al., 2000), HSPF (Bicknell et al. 1997, 2005), SWAT (Neitsch et al. 2009, 2002), INCA (Wade et al., 2002; Whitehead et al., 1998) 등이 알려져 있다. 여기서 제시된 준분포형 모델은 유역분할구조를 총괄형과 분포형 2가지로 구분할 경우 총괄형 모델로 구분된다. 분포형 모델은 대상 유역을 일정 크기의 격자로 구분하고 각각의 격자로부터 수문현상을 계산한다. 분포형 모델로는 AnnAGNPS (Bingner et al., 2015; Cronshey and Theurer, 1998),ANSWERS-2000 (Bouraoui and Dillaha, 2000), ACRU2000 (Campbell et al., 2001), SHETRAN (Bathurst et al., 1995; Birkinshaw and Ewen, 2000; Birkinshaw, 2010), MikeSHE (DHI 1998, 2007) 등이 보고되어 있으며, 국내 연구진이 참여한 모델로는 GRISMORM (Kim and Chae, 2000), GRIEROM (Kim and Steenhuis, 2001), CAMEL (Koo et al., 2005), ModKIMSTORM (Jung et al., 2008), DANSAT (Cho and Mostaghimi, 2009) 등이 제시되어 있다.

분포형 모델은 유역을 세분화한 정방형 격자를 계산단위로 하기 때문에 유역 내부의 공간적 이질성을 표현할 수 있는 장점이 있으나, 이에 따라 유역 면적이 커질수록 계산량이 기하급수적으로 증가하는 단점을 함께 갖는다. 이에 반해 준분포형 모델은 대상 유역을 소유역으로 분할하거나 (e.g. LASCAM or SWMM) 소유역을 더 세분하여 HRUs (hydrologic response units) 또는 그와 유사한 단위로 구분한 후(e.g. HSPF, AnnAGNPS, SWAT or INCA), 각 소유역 또는 HRUs를 기본 계산단위로 사용하기 때문에 계산 속도가 상대적으로 빠른 장점이 있다. 그러나 이 경우에 소유역이나 HRUs는 크기와 모양이 일정하지 않기 때문에 특정 매개변수의 평균치를 각 계산단위에서 산정하기 위한 집성 정도가 불균일해질 수밖에 없다. 따라서 특정 프로세스에 대한 계산이 대상 유역 내에서 일관된 방법으로 평가될 수 없어, 주오염지역 선정과 같이 유역 내부를 평가하는 데에 한계를 갖는다. 이와 함께 유역의 비점오염 관리를 위해 주오염지역에 최적관리기법을 도입했을 때, 준분포형 모델의 경우 공간적 최소 계산단위가 최적관리기법을 도입한 공간적 범위보다 클 가능성이 많기 때문에 적절한 최적관리기법 선정을 위한 시나리오 평가에 어려움이 있을 수 있다. 따라서 중대규모의 유역관리에 있어 분포형 모델이 갖는 공간적 이질성의 표현 능력과 준분포형 모델이 갖는 빠른 계산속도가 함께 적용될 수 있다면, 그 적용성에 큰 장점을 가질 것이다. 이러한 점을 고려하여 분포형 모델이 갖는 느린 계산속도의 단점을 개선함과 동시에 준분포형 모델에서의 공간적 연산단위의 크기와 모양이 불균일한 단점을 보완하기 위해 분포형 모델과 준분포형 모델의 장점을 혼용한 복합형 유역모델 STREAM (Spatio-Temporal River-basin Ecohydrology Analysis Model)을 개발하였다. 한편, 현재 국내에서 많이 사용되고 있는 SWAT, HSPF, SWMM 등의 유역모델은 대부분 외국에서 개발된 모델로 국내 적용에 있어 몇 가지 한계를 지닌다. 그 대표적 예로는 우리나라의 전형적인 농업지역과 도시지역에서 발생하는 특정 수문현상(논의 물꼬 조작, 우하수관로 차집 및 월류 등)을 동시에 모의할 수 없다는 것이다. 우리나라는 산지 비율이 높고 고밀도 토지이용으로 인해 유역 내에 도시지역과 농업지역이 함께 혼재되어 있는 경우가 많은데, 이 두 지역에서 상이하게 나타나는 수문, 수질현상을 함께 모의할 수 있는 유역모델을 찾아보기 어렵다. 우리나라 농업지역에서는 논, 밭의 둑으로 인해 물길이 인위적으로 차단되거나, 저수지, 제수문, 보 등으로 인해 물 흐름이 제한되는 경우가 많다. 그러나 우리나라와 토지이용 형태가 다른 외국에서 개발된 모델의 경우 이 부분을 제대로 반영하지 못하고 있는 것이 대부분이다. 또한 도시지역에 있어서도 합류식, 분류식 관거 시스템에 의한 우수 흐름과 불투수지 표면에서의 오염물질 축적과 유출 과정을 명확히 반영할 필요가 있는데, 기존 모델의 경우 이에 대한 고려가 미흡하다. 이에 본 연구에서 제시하는 유역모델 STREAM은 국내의 토지이용 특성을 감안하여, 도시지역에서의 관망과 농촌지역에서의 논, 밭, 저수지, 제수문 등에 의한 강우유출 현상을 함께 모의할 수 있도록 설계되었다.