[유역모델] HSPF (Hydrological Simulation Program Fortran)

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오늘은 수질 및 수문 모의에 많이 사용되고 있는 유역 모델(Hydrological Models) 중 하나인 HSPF에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

1. HSPF 모형의 정의

HSPF(Hydrological Simulation Program-Fortran)는 미국 EPA(Environmental Protection Agency)에서 개발한 수문모델분석 모형입니다. 물의 양과 수질 관리를 위해 설계되었으며 시계열 분석이 가능한 반분포형 물리 기반 시뮬레이션 모델입니다. 따라서, HSPF 수문 순환과 수자원에 미치는 영향을 이해하고 관리하기 위한 강력한 도구로 많이 이용되고 있습니다. HSPF는 지정된 유역 또는 배수 지역에서 강수량, 눈녹음, 유거수, 증발산 및 지하수 재충전을 포함한 수문학적 순환을 모의할 수 있고, 토지 이용, 기후 변화, 수자원 관리기법이 수자원에 미치는 영향을 예측하기 위해 주로 이용되고 있습니다. 이 모델에는 사용자가 수자원 예산, 수질, 영양분 순환, 퇴적물 이동 및 토지 이용 변화, 농업 관행 및 도시화와 같은 인간 활동의 영향을 포함하여 수문 순환의 다양한 측면을 시뮬레이션할 수 있는 여러 모듈이 포함되어 있습니다.

2. HSPF의 모형의 구성

HSPF모형은 유역에서 발생하는 다양한 수문학 과정을 시뮬레이션하기 위해 함께 작동하는 여러 상호 관련된 구성 요소로 구성됩니다.

기상 모듈: 기상 모듈은 강수량, 온도, 바람 및 일사량을 포함하여 모델에 입력 데이터를 제공합니다. 이 데이터는 유역의 다양한 수문학적 과정을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다.
토지 이용 모듈: 토지 이용 모듈은 유역의 토지 피복 및 토지 이용을 모형에 지정해서 활동합니다. 여기에는 초목, 토양 유형 및 농업 관행, 도시화 및 임업 관리와 같은 토지 사용 관행에 대한 데이터가 포함됩니다.
수문모듈: 수문모듈은 침투, 증발산, 융설 및 유거수를 포함하여 유역에서 발생하는 다양한 수문학 과정을 시뮬레이션을 모의할 수 있는 것으로 물리적 법칙과 경험적 관계의 조합을 사용하여 이러한 프로세스를 시뮬레이션합니다.
수질모듈: 수질모듈은 유역에서 오염 물질의 이동 및 변화를 모의할 수 있습니다. 기본적인 수질 모의는 퇴적물 이동, 영양분 순환 및 화학반응과 같은 과정이 포함됩니다.
저수조 모듈: 저수조 모듈은 하천 흐름 및 물 저장 조절을 포함하여 유역의 저수지 작동을 시뮬레이션합니다.
채널 routing 모듈: 채널 라우팅 모듈은 유역의 하천 네트워크를 통한 물의 이동을 시뮬레이션합니다. 여기에는 흐름 라우팅 및 퇴적물 운송과 같은 프로세스가 포함됩니다.
결과모듈: 결과모듈은 흐름, 침전물 산출량 및 수질 데이터를 포함하여 모델에서 모의된 결과 값들을 생성합니다.

3. HSPF 실행 프로세스

HSPF의 적용을 위한 모델링 프로세스는 아래에 단계를 통해 실행됩니다.

연구영역 정의: 모델링 프로세스의 첫 번째 단계는 유역 경계와 하천 측정지점 및 기타 데이터 수집 지점의 위치를 포함하여 연구 영역을 정의합니다.
데이터 수집 및 전처리: 다음 단계는 기상 데이터, 토지 이용 및 토지 피복 데이터, 토양 데이터, 지형 데이터 및 하천 흐름 데이터를 포함하여 모델에 필요한 데이터를 수집합니다.
HSPF 입력 파일 만들기: 데이터를 수집하고 처리했으면 다음 단계는 HSPF 모형에 대한 입력 파일을 만드는 것입니다. 이러한 입력 파일에는 연구 지역의 수문학적 과정을 시뮬레이션하는 데 필요한 모든 데이터가 포함됩니다.
HSPF 모형 설정: 다음 단계는 모델 매개변수 정의, 적절한 알고리즘 선택 및 시뮬레이션 기간 지정을 포함하여 HSPF 모형 실행을 위한 기본 설정을 세팅합니다.
유역 delination: 분석하고자 하는 연구대상 유역을 delination 하는 것입니다. 여기에는 유역의 경계를 정의하고 HSPF 모형에서 사용하는 기본 모델링 단위인 하위 유역으로 구분하는 작업이 포함됩니다.
모델 보정: 모형의 결과 값이 실측 데이터와 일치하도록 모형 보정을 통해 모델 매개변수를 조정하게 됩니다. 모형보정은 일반적으로 모형 실행과 모의돈 결과 값들을 실측 데이터와 비교하는 과정으로 필요에 따라 지속적인 매개변수 조정을 통해 모의된 결과 값의 실뢰성을 높이는 반복 프로세스입니다.
모형검증: 모향이 보정된 다음 단계는 모형을 검증하는 것입니다. 여기에는 별도의 실측 데이터를 이용하여 모형을 테스트하여 보정된 모형이 연구 지역의 수문 과정을 정확하게 예측할 수 있는지 확인하게 됩니다.
모형 실행 및 결과분석: 보정된 검증된 완료된 모형은 연구 지역에서 수문 과정을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. 모의된 결과 값을 분석하여 연구 지역의 물 균형, 수질 및 기타 수문학적 과정에 대한 결과를 분석하여 다양한 통찰력을 얻을 수 있습니다.
모형을 이용한 의사 결정 정보 제공: 마지막으로 모형 결과는 토지 사용, 기후 또는 수자원 관리방법의 변화가 어떤 영향을 미칠 수 있는가에 대한 모의 결과 값들을 제공해 주고 이들 결과 값들을 이용하여 수자원 관리 및 토지 이용 계획과 같은 의사 결정이나 정책결정을 위한 기초자료로 사용될 수도 있습니다.

4. HSPF 모형의 장점

포괄적: HSPF는 강우, 유거수, 증발산, 침투, 융설 및 하천 흐름 경로와 같은 광범위한 수문학적 과정을 시뮬레이션할 수 있는 매우 포괄적인 모형
물리적 기반: 물리적 기반 모델로 유역에서 발생하는 물리적 프로세스를 설명하는 수학 방정식을 사용하기 때문에 경험적 또는 통계적 모델에 비해 더 정확하고 견고한 모형
사용자 정의 가능: 모델 매개변수 및 입력 데이터를 조정하여 특정 유역 또는 관심 연구지역에 최적화하여 사용자 정의할 수 있기 때문에 광범위한 유역에 적용할 수 있는 매우 유연한 모형
장기 시뮬레이션: 수문 순환에 대한 기후 변화 및 토지 이용 변화의 영향을 평가하는 데 중요한 장기 시뮬레이션이 가능
다양한 토지 이용 지원: 도시, 농업 및 산림 지역을 포함한 다양한 토지 이용을 시뮬레이션하는 데 사용가능하여 다양한 유역 유형에 적용할 수 있는 다목적 모형
지속적인 시뮬레이션: 시간 경과에 따른 수문학적 순환의 변동성에 대한 모의 가능한 모형

5. HSPF 모형의 단점

복잡성: 매우 복잡한 모형이며 설정하고 실행하려면 상당한 양의 데이터 입력과 전문 지식이 필요하기 때문에 일부 사용자, 특히 수문 모델링에 익숙하지 않은 사용자에게는 어려움을 가지고 있음
모형의 보정: 유의 수문학적 과정을 정확하게 나타내기 위해 반드시 보정과정이 수행되어야 하는데 모형의 보정은 시간이 많이 소요될 수 있으며 상당한 양의 데이터와 전문 지식이 필요
광대한 입력 데이터 요구: 날씨 데이터, 토지 이용 데이터, 토양 데이터 및 하천 흐름 데이터를 포함하여 많은 양의 데이터 입력이 필요하기 때문에 데이터가 충분하지 않은 유역의 경우 모형의 적용이 어려운 단점을 가짐
입력 데이터에 대한 민감도: 입력 데이터의 품질과 정확성에 민감하기 때문에 입력 데이터의 오류 또는 불확실성으로 인해 모형의 결과 값이 부정확하거나 신뢰도가 낮아질 수 있는 단점을 가지고 있음
모형의 불확실성: 다른 모형들과 마찬가지로 유역의 복잡하고 역동적인 수문학적 과정을 표현하는 능력에 있어 불확실성과 한계성을 가지고 있어 모델 출력의 정확성과 신뢰성에 영향
공간 분해능 부족: HSPF모형의 경우 반분포형 모형이기 때문에 유역 규모에 대한 모형 실행에 있어 유역 내 수문학적 과정의 공간적 변동성을 완전하게 반영하지 못하는 단점을 가짐