• 한국수자원학회논문집
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• 제55권10호
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• pp.823-833
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• 2022

HSPF (Hydrological Simulation Program-Fortran)는 미국과 우리나라에서 특히 많이 사용하는 유역 수문 및 수질 모델이다. 이 모델은 분산형 모델로서 각 유역의 지형, 지질 및 오염부하특성을 정확하게 반영하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 HSPF의 매개변수 중 조도계수(NSUR), 침투(INFILT), 토양 하부의 증발산(LZETP)에 대하여 실제 용담댐 유역의 토지피복과 토양의 종류에 따라 값을 차등 입력함으로써 단일 값을 입력했을 때에 대비하여 유량, 수문 성분 및 수질의 정확도 향상 여부를 분석하였다. 조도계수와 식물의 밀도를 의미하는 토양 하부의 증발산은 토지피복의 종류에 따라 입력하였고, 침투는 유역의 수문학적 토양 그룹의 분포에 따라 입력하였다. 분석 결과 유량과 수질은 단일 값을 입력했을 때보다 각 매개변수를 토지피복과 토양의 종류별로 차등 설정하였을 때 정확도가 향상되는 것으로 나타났다. 또한, 조도계수(NSUR) 입력에 의해 지표유출과 첨두유량이 증가하였고, 침투(INFILT) 입력에 의해 기저유출이 감소하고 지표유출이 증가하였으며, 증발산(LZETP) 차등 입력으로 중간유출과 지표유출이 증가하고 지하수유출이 감소하는 등 각 매개변수의 설정이 유역 말단의 유량뿐 아니라 모든 수문 성분의 구성 비율에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 유역의 토지피복 및 토양의 비균질한 특성을 정확하게 표현하는 것이 이 모델을 이용한 유량 및 수질 예측의 정확도 제고에 중요하다는 것을 시사한다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2019년도 학술발표회
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• pp.113-113
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• 2019

하천 오염 부하의 양적 증가를 해결하기 위해 환경부는 유역 내 목표 수질을 설정하고 목표 수질한도 내에서 오염물질 배출 총량을 할당하는 수질오염총량제를 도입하였다. 수질오염총량제 시행에 있어 시계열로 발생하는 유출특성을 반영하기 위해 장기유출모형의 적용이 가능한 Hydrologic Simulation Program-Fortran(HSPF)을 수질관리 및 평가 모델로 사용하고 있다. 그러나 HSPF 모델은 실제 다양한 특성을 가진 토양층을 Upper zone과 Lower zone 내에 통합적인 매개변수를 이용하여 유량을 모의하는 문제점이 있다. 이는 토양 내부에서의 유출에 대한 정확한 모의가 이루어지지 않는 결과를 초래할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 국내 토양층에 따른 Available Water Capacity(AWC)에 대한 자료를 구축하고 기존보다 세분화된 토양 관련 매개변수 범위를 제시하였다. 본 연구에서 제시한 토양 관련 매개변수 범위를 반영할 경우 수질오염총량제 시행에 있어 HSPF 모델 모의 시 유역 내의 토양도를 고려하여 보다 정확한 중간유출과 기저유출분석이 가능할 것이라 사료된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2006년도 학술발표회 논문집
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• pp.328-332
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• 2006

환경모델링 기법은 비선형 오염유출현상을 구조화하여 배출특성 규명 및 정책대안의 영향예측 도구로서 활용도가 증가하고 있다. 반면 복잡한 입력 파라미터의 구성은 모형운영에 있어 비정량적 수치를 적용할 수 있는 가능성을 내포하고 있다. 이러한 한계성을 극복하기 위해 최근 들어 GIS와 정보기술의 연계를 통한 자료관리 및 모형 매개변수 산출을 위한 연구들이 활발히 진행 중에 있다. GIS-모델링 분야의 기술적 성장에도 불구하고 정보구축의 시점, 주기, 구축 형태 등의 통일화가 이루어지지 않았다. 따라서 BASINS과 같은 기 구축된 정보 분석체계를 사용하고자 할 때 단위사업별로 구축된 공간정보의 구조해석을 다시 수행해야 하는 문제를 지니고 있다. 이는 구축된 정보를 사용하여 해석하고자 하는 주체가 분명하지 않고, 분석모델에서 요구하는 입력 자료의 구조를 명확하게 해석할 수 있는 정보기술과 분석기술의 연계부족으로 발생한 문제이다. 이에 본 연구의 목적은 NGIS사업을 통해 축척된 지형공간 데이터베이스와 GIS의 공간분석기능을 연계하여 유역 오염원 기상 공간정보의 관리, 유역 오염유출모형인 HSPF(Hydrologic Simulation Program-Fortran)의 운영정보 생성을 지원하는 지능형 정보관리시스템을 개발하는데 있다. 주 연구내용은 시스템 분석 및 설계, 기초 데이터 수집과 DB 구축, 지형 매개변수 산정을 위한 GIS-HSPF의 통합 인터페이스 구축이다. 개발된 KBASIN-HSPF는 EPA에 의해 개발된 BASIN의 유역분할, 하천망생성, 지형특성계수 산정 기능과 함께 우리나라의 지형.오염원.기상정보의 저장구조를 고려한 데이터 모델링, Tissen망에 준한 강우자료 생성 그리고 HSPF 모형운영정보 산정 및 전환기능을 포함하고 있다. KBASIN-HSPF는 유역기반 점.비점오염원 정보를 통합 관리하고자 하는 오염총량관리제의 기술적 정보관리 환경으로 활용가능하며, 기존의 오염유출모델링을 위해 자료준비부터 정보연계, 모형운영까지 분산된 환경에서 수행되었던 것을 통합환경하에서 진행함으로써 정보의 질적보장과 정보전환의 표준화방안을 제시하는 정보분석시스템이다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2019년도 학술발표회
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• pp.421-421
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• 2019

본 연구의 목적은 HSPF 모델을 이용하여 비점오염물질이 수질에 미치는 영향을 평가하는 것이다. 합천댐 유역을 연구대상지역으로 선정하였으며, 입력자료는 유역도, 하천도, 토지이용도, 수치표고모델 및 기상자료 등을 이용하였다. HSPF 모형은 2000년부터 2016년까지의 실측값을 이용하여 보정 및 검증이 이루어졌다. 수문 보정을 위한 매개변수는 사용자 설명서와 참고문헌에 근거하여 선정하였으며, 시행착오법에 의해 수행되었다. 모델의 적용성 평가는 $R^2$, RMSE, RMAE, NSE를 사용하였고 $R^2$가 0.78에서 0.83, RMSE는 2.55에서 2.76mm/day, RMAE는 0.46에서 0.48mm/day, NSE는 0.81에서 0.82까지의 범위로 나타났으며, 연간 유출량이 ${\pm}4%$ 오차 이내로 산정되었다. 수질 모형을 구동하기 위한 수질 자료는 환경부에서 제시한 지침에 따라 생활계, 축산계, 산업계, 토지이용량에 따른 발생 부하량과 배출부하량을 산정하였다. 수질 모형 또한 수문과 같은 기간의 자료를 이용하여 보정 및 검정이 이루어졌다. 보정 결과 연평균 BOD의 차이가 0.22mg/L이고 오차범위는 13%였으며, T-N과 T-P는 0.66mg/L, 0.027mg/L의 차이를 가지며 오차범위는 각각 16%, 13%로 나타났다. 수질항목 중에서도 비점오염 관리의 효과를 평가하기 위해 비점오염물질 중 가장 큰 비중을 차지하는 축산계에 감소 시나리오를 적용하였다. 축산계의 배출부하량 감소율이 20%일때의 BOD, T-N, T-P는 각각 3%, 1%, 3% 감소하였으며 40% 감소율을 적용하였을때는 5%, 3%, 4% 감소하였다. 이러한 수질 해석을 결과를 토대로 효과적인 오염물질 방법을 적용하여 수질 개선과 합천댐 유역의 목표수질을 달성 할 수 있을 것으로 판단된다.

• 환경영향평가
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• 제26권1호
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• pp.68-77
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• 2017

낙동강 전 권역을 209개 유역으로 나누고 각 유역에서 배출되는 비점오염부하 기여율을 산정하기 위해 HSPF모델을 2012년 2013년을 기준으로 보정 및 검증을 실시하였다. 유량의 경우 보정한 결과 R2가 0.71~0.93, 검증은 0.71~0.79로 비교적 양호한 값으로 산정되었다. 수질의 경우는 % difference로 검 보정을 실시하였는데 보정의 경우 DO는 0.4~9.7 %, BOD는 0.5~30.2 % difference, TN은 낙본 C 및 황강 B를 제외 하고는 1.9~28.6 % difference로 나타났고 검증은 DO 0.2~13.7%, BOD는 1.3~23%, TN은 황강 B를 제외한 0.5~24.3%로 비교적 잘 모의 되었다. 그러나 TP는 농도가 다른 항목에 비해 미량이기 때문에 차이의 범위가 크게 나타났는데 보정의 경우 0.8~55.3 % difference이고 검증에서도 같은 결과를 얻었다. 209개 유역별 BOD 연간 누적부하량을 산정한 결과 RCH 123(경상남도 의령군), RCH 121(경상남도 진주시), RCH 92(대구광역시 달성군) 가 높은 것으로 나타났다. 그러나 영양염류에 대한 유역별 연간 누적부하량의 결과들은 BOD 연간 누적부하량 순위와 일치하지 않는 것으로 나타났다. 본류에 위치한 산림, 습지, 농지 등이 많은 유역들이 상대적으로 산림지역이나 습지가 많은 댐 상류지역의 유역들 보다 BOD 비점오염 부하량이 높은 것으로 나타났다. 토지형질을 비롯한 유역 특성들을 나타나는 다른 인자들이 비점오염 부하량과 밀접한 관계가 있는 것으로 나타났다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2011년도 학술발표회
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• pp.99-99
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• 2011

최근에 미국에서 출범한 수질 교환 법은 수질기준을 혁신적인 접근방법으로 만족시키는 법이다. 이 법안은 수질기준을 초과하지 않는 조건에서 한 유역 안 다른 지점들의 점 오염과 비점오염 배출의 교환을 허용한다. 이 법안을 적용하기 위한 방법을 도출하기 위하여 많은 시험 프로그램을 운영하고 있지만 여전히 실제 교환은 상대적으로 적게 이루어지고 있다. 또한 하천내의 비 점오염량의 불확실성으로 인하여 교환 지점을 선정하고 적용하는 데에 큰 어려움이 있다. Hydrological Simulation Program-Fortran (HSPF)은 Soil and Water Assessement Tool (SWAT)과 함께 미국 하천 모델링에 많이 쓰이는 유역 모델로써 특히 HSPF는 각각의 토지 피복도의 퍼센트 투수량을 지정함으로써 도시지역의 유출량을 시뮬레이션 하는데 강점이 있다. 미국 중서부 미조리 주의 퍼시픽시를 포함하고 있는 Brush Creek 유역을 선택하여 퍼시픽시의 도시화 증가로 인한 Brush Creek 유역의 상류와 하류지역의 유출량 및 Sediment 변화를 예측하여 수질관리법을 적용하는 방법을 연구하였다. 이 연구의 특징은 원격탐사 이미지 (QuickBird)로 구현한 최근의 토지 이용을 미래의 도시지역으로 전환한 토지이용도를 사용함으로서 특정 유역을 가장 정확하게 이해하는 시뮬레이션을 가능하도록 한다는 점이다. 각각의 토지이용에서 도시화가 3가지의 강도를 가지고 진행된다는 시나리오를 이용하여 모델링을 하였고 이로 인해 계산된 유출량과 Sediment 양을 이용하여 각각의 토지이용 변화 별 수질 교환단위를 도출 하였다.

• 한국습지학회지
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• 제25권4호
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• pp.297-305
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• 2023

순환관개는 농업유역내 하천수를 상류의 농경지로 재투입시켜 관개용수로써 활용하고 기 사용된 용수는 직접유출 또는 기저유출의 형태로 하천으로 회귀되는 관개방식이다. 순환관개는 용수 및 양분 확보 측면에서 장점이 크지만 순환관개 후 발생하는 회귀수는 과투입된 양분을 함유하고 있어 하천 수질에 악영향을 미칠 것으로 예상된다. 따라서 순환관개에 따른 하천 수질변화에 대한 정량적 분석은 효율적인 농업용수 공급과 수질관리대책 수립을 위해 반드시 필요하다. 유역내 수문 및 오염물질의 순환, 그리고 하천수질에 대한 정량적 영향을 통합적으로 분석하기 위하여 유역모델이 주로 활용되고 있으나 대부분의 유역모델들은 순환관개에 의한 수질 영향을 모의할 수 있는 기능을 제공하고 있지 않다. 이에 본 연구에서는 HSPF(Hydrological Simulation Program-Fortran) 유역모델과 다중 저류지 모델(Multi-reservoir model)을 연계하여 순환관개 시스템 운영에 따른 하천수질 영향을 분석하고자 하였다. 연구 대상 지역은 경상남도 창녕군 계성천 유역내 순환관개를 시행하고 있는 관곡천 소유역으로 농업활동에 의한 오염물질 배출이 주된 지역이다. 먼저 계성천 및 관곡천을 대상으로 구축된 HSPF모델을 활용하여 관개지역에서의 배출수(직접유출 및 기저유출) 및 하천수에 대한 연간 유량 및 수질 변화 시계열 자료를 생성하고 이를 토대로 자체 구축한 다중저류조 모델을 보정한 후 순환관개 모의에 사용하였다. 다중 저류지 모델에서 관곡천 유역을 관개지역과 관곡천 등 두 개의 하위시스템으로 구성하고 순환관개에 따른 하위시스템내 반응(식물흡수, 흡탈착, 및 소멸) 및 하위시스템 간 물 및 물질(질소 및 인)전달 관계를 모의할 수 있도록 하였다. 최종적으로 순환관개 운영 유무에 따라 총 3개의 시나리오를 구성하여 연간 순환관개용수량 변화에 따른 관곡천 수질영향을 분석하였다.

• 한국물환경학회지
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• 제32권6호
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• pp.582-588
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• 2016

The hydrological simulation program FORTRAN (HSPF) is a comprehensive watershed model that employs the hydraulic function table (FTABLE) (depth-area-volume-flow relationship) to represent the geometric and hydraulic properties of water bodies. The hydraulic representation of the HSPF model mainly depends on the accuracy of the FTABLES. These hydraulic representations determine the response time of water quality state variables and also control the scour, deposition, and transport of sediments in the water body. In general, FTABLES are automatically generated based on reach information such as mean depth, mean width, length, and slope along with a set of standard assumptions about the geometry and hydraulics of the channel, so these FTABLES are unable to accurately describe the geometry and hydraulic behavior of rivers and reservoirs. In order to compensate the weakness of HSPF for hydraulic modeling, we generated alternate method to improve the accuracy of FTABLES for rivers, using the surveyed cross sections and rating curves. The alternative method is based on the hydraulics simulated by HEC-RAS using the surveyed cross sections and rating curves, and it could significantly improve the accuracy of FTABLES. Although the alternate FTABLE greatly improved the hydraulic accuracy of the HSPF model, it had little effect on the hydrological simulation.

• 대한환경공학회지
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• 제31권5호
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• pp.358-363
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• 2009

유역관리 계획이 하천 수질에 미치는 영향을 분석하기 위하여 HSPF (Hydrological Simulation Program-Fortran) 모델을 경안천에 적용하였다. BASINS 3.1 GIS 프로그램에 DEM (Digital Elevation Model), 토지이용도, 하천도, 환경기초시설 등을 입력하여 경안천 유역을 총 57개 소유역으로 구분하고 모델 입력 자료를 산출하였다. 먼저 관측된 기상 및 하천 수량 자료를 이용하여 수문 모델의 타당성을 확인한 후 수질 모델을 보정하고 검증하였다. 적용한 수질은 수온, DO, BOD, $NO_3-N$, $NH_3-N$, Org-N, TN 그리고 TP이며, 대부분의 경우 측정치와 예측치가 적절히 일치하였다. 보정 및 검증 완료된 모델을 활용하여 소유역의 수질관리 방안에 따른 경안천 본류의 수질개선 효과를 분석하였다. 적용한 시나리오는 세 가지로, 첫째, 유역관리 활동을 통한 지천 수질개선, 둘째, 환경기초시설의 확충과 처리수질 향상, 그리고 셋째, 이 두 가지를 동시에 적용하는 것이다. 예측결과에 따르면 환경기초시설 확충과 처리수질 향상이 유역관리를 통한 지천 수질개선보다 효과적인 것으로 나타났다. 경안천이 만족할 만한 수질로 개선되기 위해서는 두 가지 방안이 모두 적용되어야 하는 것으로 나타났다.

• 한국물환경학회지
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• 제32권6호
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• pp.570-581
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• 2016

A watershed model was constructed using the Hydrological Simulation Program Fortran to predict the water quality, especially chlorophyll-a concentraion, at major tributaries of the Nakdong River basin, Korea. The BOD export loads for each land use in HSPF model were estimated at $1.47{\sim}8.64kg/km^2/day$; these values were similar to the domestic monitoring export loads. The T-N and T-P export loads were estimated at $0.618{\sim}3.942kg/km^2/day$ and $0.047{\sim}0.246kg/km^2/day$, slightly less than the domestic monitoring data but within the range of foreign literature values. The model was calibrated at major tributaries for a three-year period (2008 to 2010). The deviation values ranged from -31.5~1.6% of chlorophyll-a, -24.0~2.2% of T-N, and -5.7~34.8% of T-P. The root mean square error (RMSE) ranged from 4.3~44.4 ug/L for chlorophyll-a, -0.6~1.5 mg/L for T-N, and 0.04~0.18 mg/L for T-P, which indicates good calibration results. The operational water quality forecasting results for chlorophyll-a presented in this study were in good agreement with measured data and had an accuracy similar with model calibration results.