유량 및 수질자료가 부족한 미계측 유역의 수질환경 평가를 간편하게 수행할 수 있는 대유역 수질관리를 위한 수질모형 Modified-WASP5을 개발하고, 금강하구 수질재현에 활용을 통해 그 적용성을 입증하였다. Modified-WASP5은 부하모형과, 수리모형, 수질모형으로 구성되어 있으며, 부하모형은 동리 단위로 조사된 점원 및 비점원 자료와 배출원 단위를 입력하여 소유역 배출부하량을 계산하고, 이를 통계적으로 구한 유달함수에 대입하여 유달부하량을 출력한다. 부하모형의 결과, 금강하구 유역의 BOD, TN, TP의 총 유달부하량의 상대오차는 각각 44%, 32%, 26%이고 상관계수는 0.91, 0.96, 0.87을 보였다. 위와 같은 결과를 볼 때, 자료의 분산이 나타나기는 하나, 제한된 자료로부터 실측치와 계산치가 유사한 경향을 가지므로 미계측 유역에 적용이 가능하다고 판단된다. 수리계산에 필요한 유량자료에 있어서, 경계조건으로 분류되는 상류 소유역의 유랑관측자료가 존재하지 않으므로, 부득이하게 비유량 방법을 이용하였으나, 별다른 유출입 유량이 없는 경우에도 하류에서 유량이 급등하는 등 실제 상황을 정확히 재현하는데는 어려움이 따른다. 이러한 특이 값을 제거한 후, 측정지점에 대한 비유량을 각각 구하고 이들 비유량의 평균을 사용하였으나, 현재 가용한 자료의 제한성으로 더 나은 결과를 계산할 수 없다. 수질모형의 결과, 공주와 강경의 평균 BOD 농도는 2.6mg/L 및 2.8mg/L, 모의결과는 각각 2.5mg/L와 2.4 mg/L로 나타나 개발모형에 대한 호수 및 하천구간의 예측에 무리가 없음을 확인하였다. 이와 같이, 본 연구에서는 하천과 호수가 연계된 수계에 적용이 가능한 동적 수질모형(WASP-M)을 개발하여 WASP5의 범용성을 높였으며, 개발된 부하모형과 수질모형을 이용하여 대청호 및 금강하구 유역에 적용한 결과, 그 적용성이 입증되었으며, 위에서 언급한 과제들이 연구개선 될 경우 우리나라 수계에 범용으로 적용가능하고, 미계측 유역의 수질환경평가에 이용될 수 있을 것이다.
유량 및 수질자료가 부족한 미계측 유역의 수질환경 평가를 간편하게 수행할 수 있는 대유역 수질관리를 위한 수질모형 Modified-WASP5을 개발하고, 금강하구 수질재현에 활용을 통해 그 적용성을 입증하였다. Modified-WASP5은 부하모형과, 수리모형, 수질모형으로 구성되어 있으며, 부하모형은 동리 단위로 조사된 점원 및 비점원 자료와 배출원 단위를 입력하여 소유역 배출부하량을 계산하고, 이를 통계적으로 구한 유달함수에 대입하여 유달부하량을 출력한다. 부하모형의 결과, 금강하구 유역의 BOD, TN, TP의 총 유달부하량의 상대오차는 각각 44%, 32%, 26%이고 상관계수는 0.91, 0.96, 0.87을 보였다. 위와 같은 결과를 볼 때, 자료의 분산이 나타나기는 하나, 제한된 자료로부터 실측치와 계산치가 유사한 경향을 가지므로 미계측 유역에 적용이 가능하다고 판단된다. 수리계산에 필요한 유량자료에 있어서, 경계조건으로 분류되는 상류 소유역의 유랑관측자료가 존재하지 않으므로, 부득이하게 비유량 방법을 이용하였으나, 별다른 유출입 유량이 없는 경우에도 하류에서 유량이 급등하는 등 실제 상황을 정확히 재현하는데는 어려움이 따른다. 이러한 특이 값을 제거한 후, 측정지점에 대한 비유량을 각각 구하고 이들 비유량의 평균을 사용하였으나, 현재 가용한 자료의 제한성으로 더 나은 결과를 계산할 수 없다. 수질모형의 결과, 공주와 강경의 평균 BOD 농도는 2.6mg/L 및 2.8mg/L, 모의결과는 각각 2.5mg/L와 2.4 mg/L로 나타나 개발모형에 대한 호수 및 하천구간의 예측에 무리가 없음을 확인하였다. 이와 같이, 본 연구에서는 하천과 호수가 연계된 수계에 적용이 가능한 동적 수질모형(WASP-M)을 개발하여 WASP5의 범용성을 높였으며, 개발된 부하모형과 수질모형을 이용하여 대청호 및 금강하구 유역에 적용한 결과, 그 적용성이 입증되었으며, 위에서 언급한 과제들이 연구개선 될 경우 우리나라 수계에 범용으로 적용가능하고, 미계측 유역의 수질환경평가에 이용될 수 있을 것이다.
This study was carried out to develop a water quality simulation model for the evaluation of an ungauged watershed. For this purpose, the WASP5 model was selected and modified. The model consists of three sub-models, LOAD-M, DYN-M, and EUT-M. LOAD-M, an empirical model, estimates runoff loadings usi...
This study was carried out to develop a water quality simulation model for the evaluation of an ungauged watershed. For this purpose, the WASP5 model was selected and modified. The model consists of three sub-models, LOAD-M, DYN-M, and EUT-M. LOAD-M, an empirical model, estimates runoff loadings using point and non-point source data of villages. The Geum River Estuary watershed was selected to calibrate and verify the Modified-WASP5. The LOAD-M model was established using field data of water quality and quantity at the gauging stations of the watershed and was applied to the ungauged watersheds, taking the watershed properties into consideration. The result of water quality simulation using Modified-WASP5 shows that the observed average BOD data from Gongju and Ganggyeong were 2.6 mg/L and 2.8 mg/L, and the simulated data were 2.5 mg/L and 2.4 mg/L, respectively. Generally, simulation results were in good agreement with the observed data. This study focused on formulating an integrated model for evaluating ungauged watersheds. Even though simulation results varied slightly due to limited availability of data, the model developed in this study would be a useful tool for the assessment and management of ungauged watersheds.
This study was carried out to develop a water quality simulation model for the evaluation of an ungauged watershed. For this purpose, the WASP5 model was selected and modified. The model consists of three sub-models, LOAD-M, DYN-M, and EUT-M. LOAD-M, an empirical model, estimates runoff loadings using point and non-point source data of villages. The Geum River Estuary watershed was selected to calibrate and verify the Modified-WASP5. The LOAD-M model was established using field data of water quality and quantity at the gauging stations of the watershed and was applied to the ungauged watersheds, taking the watershed properties into consideration. The result of water quality simulation using Modified-WASP5 shows that the observed average BOD data from Gongju and Ganggyeong were 2.6 mg/L and 2.8 mg/L, and the simulated data were 2.5 mg/L and 2.4 mg/L, respectively. Generally, simulation results were in good agreement with the observed data. This study focused on formulating an integrated model for evaluating ungauged watersheds. Even though simulation results varied slightly due to limited availability of data, the model developed in this study would be a useful tool for the assessment and management of ungauged watersheds.
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문제 정의
유지하고, 건설부 및 환경부 유량 . 수질 측정망 자료로부터 회귀하여 설정한 유달함수를 측정지점 상류유역에 확대 적용함으로써 미계측 유역의 배출 및유달 구조 해석의 어려움을 해결하고자 한다. 또한 계산 구획별 반응계수의 도입, 국내에서 실측하고 있는 수질항목으로의 입 .
또한 계산 구획별 반응계수의 도입, 국내에서 실측하고 있는 수질항목으로의 입 . 출력 수정 , 그리고 배열의 크기 확장을 통하여 하천구간의 예측이 가능하도록 기존 WASP5 모형을 수정한 Modified-WASP5를 개발하고, 이 모형을 실측자료로부터 구한 유달함수와 연결함으로써 대규모 유역관리에 사용할 수 있도록 하나의 시스템으로 통합하여 실용성을 높이며, 금강하구 유역에 적용하여 개발모형의 적합성을 검토하고자 한다.
가설 설정
계산된 배출부하량을 수질관측지점의 실측유달 부하량과 비교하여 구한 수질관측지점 유역의실측 유달율을, 유역의특성인 유량, 면적 등의 관계식으로 부터 구한 부하함수의 회귀계수와 소유역의 특성을 사용하여 미계측 상류 소유역에 적용시킴으로써, 소유역별 유달부하량을 구한다. 배출부하량은 오염원과 해당 원단위를 곱하여 구하였으며, 토지용도별 배출부하량은 강우량에 비례한다고 가정하여 년 강우량에 대한 원 강우량의 비율로써 가중치를 주었다. Fig.
제안 방법
유입량을 입력자료로 하여 계산구획별 유속, 수심을 계산한다. DYNHYD5와 다른 점에는 상류와 하류 조건이 Junction번호의 크기에 따라 내부에서 뒤바뀌는 것과 출력화일(*.DDF 및 *.HYD)의 Junction 유량 결과 출력을 정정한 것이 있으며, 입력 가능한 가변유량의 개수를 충분히 확장하여 하천의 지류가 다수 존재할 경우에도 적용할 수 있도록 하였고, 시간별 관심구획의 유량, 수위, 유속, 부피를 별도로 출력하게 함으로써, 통계처리나 도표 작성이 편리하도록 하였다. 소유역의 유량이 존재하지 않으므로, 부하모형에서 계산한 비유량을 입력하여 계산구획별 유속, 수심을 계산하였으며, 수리모형의 보정계수는 Manning의 n과 계산 시간 간격이 있으며, 조도계수의 경우 하천구간은 0.
MSP모형의 기본 값을 기초로 반응계수를 선정하고, 수질측정값과 계산값이 일치되도록 조정하였다. EUTRO5 모형에서는 반응상수가 전체 구획에 동일하게 사용되나 EUT-M 모형에서는 반응상수가 계산구획별로 다르게 입력될 수 있으므로 범위로 표시되었다.
폐수처리장, 인구, 축산 현황 자료와 각각의 배출원단위를 이용하여 일(월)별 배출부하량을 계산한다. 계산된 배출부하량을 수질관측지점의 실측유달 부하량과 비교하여 구한 수질관측지점 유역의실측 유달율을, 유역의특성인 유량, 면적 등의 관계식으로 부터 구한 부하함수의 회귀계수와 소유역의 특성을 사용하여 미계측 상류 소유역에 적용시킴으로써, 소유역별 유달부하량을 구한다. 배출부하량은 오염원과 해당 원단위를 곱하여 구하였으며, 토지용도별 배출부하량은 강우량에 비례한다고 가정하여 년 강우량에 대한 원 강우량의 비율로써 가중치를 주었다.
또한, 하천모형인 QUAL2모형처럼 수리조건 및 지형조건에 따라 구획 별로 반응계수를 입력할 수 있도록 하고, 국내에서 측정흐}. 는 항목으로 경계조건의 수질을 변경하여 내부에서 계산되는 CBOD, ON, OP의 값을 입력한 BOD, TP, TP, Chl-a로써 자동 계산하도록 하였다. 경계농도변경에 따른 계산은 다음의 식 (6)~(8)을 이용하였다.
따라서, 본 연구에서는 환경부의 오염총량관리 기준원 단위 (Ministry of Environment, 1999a)를 사용하여 오염원 해석을 수행함으로서 오염부하량 산정의 객관성을 유지하고, 건설부 및 환경부 유량 . 수질 측정망 자료로부터 회귀하여 설정한 유달함수를 측정지점 상류유역에 확대 적용함으로써 미계측 유역의 배출 및유달 구조 해석의 어려움을 해결하고자 한다.
EUTR05와 다른 점에는 변수의 배열을 충분히 확장하여 하천의 지류가 디수 존재하는 대규모 수계에도 적용할 수 있도록 하였으며, 시간별 관심구획의 수질 결과를 별도로 출력하게 함으로써, 통계처리나 도표작성이 편리하도록 한 것이 있다. 또한, 하천모형인 QUAL2모형처럼 수리조건 및 지형조건에 따라 구획 별로 반응계수를 입력할 수 있도록 하고, 국내에서 측정흐}. 는 항목으로 경계조건의 수질을 변경하여 내부에서 계산되는 CBOD, ON, OP의 값을 입력한 BOD, TP, TP, Chl-a로써 자동 계산하도록 하였다.
HYD)의 Junction 유량 결과 출력을 정정한 것이 있으며, 입력 가능한 가변유량의 개수를 충분히 확장하여 하천의 지류가 다수 존재할 경우에도 적용할 수 있도록 하였고, 시간별 관심구획의 유량, 수위, 유속, 부피를 별도로 출력하게 함으로써, 통계처리나 도표 작성이 편리하도록 하였다. 소유역의 유량이 존재하지 않으므로, 부하모형에서 계산한 비유량을 입력하여 계산구획별 유속, 수심을 계산하였으며, 수리모형의 보정계수는 Manning의 n과 계산 시간 간격이 있으며, 조도계수의 경우 하천구간은 0.030, 하구언구간은 0.020으로 하였으며 , 계산시간 간격은 60초로 하여 보정하였다.
수리모형 (DYN-M)은 연속방정식과 모멘텀방정식을 연립하여 유량과 수위를 구하며, WASP5의 부모형인 DYNHYD5 모:형의 기본식과 해법을 그대로 적용하였으며, 수정 . 개발모형인 DYN-M에서는 DYNHYD5를 대규모 유역관리에 사용할 수 있도록 배열의 크기를 확장하고, 보정 및 결과의 표현을 자유롭게 할 수 있도록 입 .
유량 및 수질자료가 부족한 미계측 유역의 수질 환경평가를 간편하게 수행할 수 있는 대유역 수질 관리를 위한 수질모형 Modified-WASP5을 개발하고, 금강하구 수질재현에 활용을 통해 그 적용성을 입증하였다.
유출 . 유입량을 입력자료로 하여 계산구획별 유속, 수심을 계산한다. DYNHYD5와 다른 점에는 상류와 하류 조건이 Junction번호의 크기에 따라 내부에서 뒤바뀌는 것과 출력화일(*.
미처리 사업장, 하 . 폐수처리장, 인구, 축산 현황 자료와 각각의 배출원단위를 이용하여 일(월)별 배출부하량을 계산한다. 계산된 배출부하량을 수질관측지점의 실측유달 부하량과 비교하여 구한 수질관측지점 유역의실측 유달율을, 유역의특성인 유량, 면적 등의 관계식으로 부터 구한 부하함수의 회귀계수와 소유역의 특성을 사용하여 미계측 상류 소유역에 적용시킴으로써, 소유역별 유달부하량을 구한다.
폐수처리장, 인구, 축산 현황으로 구분하여 동리별로 정리하였고(Ministry of Environment, 2000), 해당 동리의 오염부하가 어느 구획으로 배출되는지 표시하였다. 배출원단위는 연구자나 연구기관 별로 그 발표 결과가 상이하므로, 환경부의 오염총량관리 기준원 단위 (Ministry of Environment, 1999b)를 사용하여 오염부하량 산정의 객관성을 유지하였다.
대상 데이터
2와 같이 2 kmS. 균등하게 분할하였으며, 금강본류 구간을 70개, 유입지천구간 424개의 격자를 갖도록 구성하였다. 상 .
모형의 적용 대상 유역인 금강하구 유역은 유량 관측지점 및 수질 관측지점이 유역면적에 비하여 적어 미계측 소유역이 많고, 금강하구는 하천과 호수의 특성을 동시에 지니므로, 본 연구의 목적에 적합하여 대상 유역으로 선정하였다. 금강하구 유역은 행정구역상 대전광역시, 충청남북도, 전라북도 일부를 포함하며 유역면적이 약 5, 700 kn?(2, 257개 동리)이다.
사용한 자료는 환경부 측정망 수질이며, 환경연감에 월별로 수록된 자료를 사용하였다(Ministry of Environment, 1997; 1998; 1999). 수질자료 중 1998 년 자료는 모형의 보정에 사용하였으며, 1997년 및 1999년 자료는 모형의 검증에 각각 사용되었다.
1997; 1998; 1999). 수질자료 중 1998 년 자료는 모형의 보정에 사용하였으며, 1997년 및 1999년 자료는 모형의 검증에 각각 사용되었다.
폐수처리장 방류량, 유량 자료가 존재하는 농업용 취입보, 양수장의 일별 유량이 물수지 계산에 사용되었다. 유량자료 중 1998년 자료는 모형의 보정에 사용하였으며, 1997년 및 1999 년 자료는 모형의 검증에 각각 사용되었다.
유량자료는 건설부 측정망 유량이며, 유량연보 (Ministry of Construction and Transportation, 1997; 1998; 1999) 및 수문자료집 (Korea Water Resources Corporation, 1997; 1998; 1999)에 일별로 수록된 자료를 사용하였다.
상 . 하류경계는 분할된 148개 소유역 유입지점, 대청댐방류 1지점, 취수원 57지점, 처리장방류 15지점과 금강하구 1지점으로 구성하였다. 여기서, I는 상수 농업 및 공업용수 취수장, D는 생활하수, 공장폐수, 축산폐수처리장, Q는 유량 측정망, C는 수질 측정망의 위치를 나타낸다.
이론/모형
부하모형의 결과인 유달부하량과 수리모형의 결과인 유량을 입력하여, 각각의 수질항목의 반응계수를 조정해가면서 실측값과 계산값의 편차를 줄이는 시행착오법을 사용하였으며, 그 결과는 Fig. 5와 같다.
수질모형(EUT-M)은 수체 내에 들어있는 물질의시간적, 공간적 변화를 물질수지 방정식으로 계산하며, WASP5의 부모형인 EUTRO5 모형의 기본식을 그대로 준용하였다.
성능/효과
12 mg/L로 나타났다. 개발모형에 대한 하천 구간의 예측에 무리가 없음을 확인하였다.
공주와 강경의 평균 TN 농도는 3.9 mg/L 및 3.9 mg/L로 관측되었으며 , 모의한 결과는 각각 4.7 mg/L 와 4.4 mg/L로 나타났다.
공주와 강경의 평균 TP 농도는 0.12 mg/L 및 0.13 mg/L로 관측되었으며, 모의한 결과는 각각 0.13 m/L와 0.12 mg/L로 나타났다. 개발모형에 대한 하천 구간의 예측에 무리가 없음을 확인하였다.
부하모형의 결과, 금강하구 유역의 BOD, TN, TP의 총 유달부하량의 상대오차는 각각 44%, 32%, 26%이고 상관계수는 0.91, 0.96, 0.87을 보였다. 위와 같은 결과를 볼 때, 자료의 분산이 나타나기는 하나, 제한된 자료로부터 실측치와 계산치가 유사한 경향을 가지므로 미계측 유역에 적용이 가능하다고 판단된다.
수질모형의 결과, 공주와 강경의 평균 BOD 농도는 2.6 mg/L 및 2.8 mg/L, 모의결과는 각각 2.5 mg/L와 2.4 mg/L로 나타나 개발모형에 대한 호수 및 하천 구간의 예측에 무리가 없음을 확인하였다.
실측농도와 계산농도차이는 BOD, TN, TP의 상대오차가 각각 57%, 40%, 51%로 나타났다. 공주와 강경의 평균 BOD 농도는 26mg/L 및 2.
이와 같은 결과를 볼 때, 자료의 분산이 나타나기는 하나, 제한된 자료로부터 실측치와 계산치가 유사한 경향을 가지므로 미계측 유역에 적용이 가능하다고 판단된다.
후속연구
이와 같이, 본 연구에서는 하천과 호수가 연계된 수계에 적용이 가능한 동적 수질모형 (WASP-M)을 개발하여 WASP5의 범용성을 높였으며, 개발된 부하모형과 수질모형을 이용하여 대청호 및 금강히구 유역에 적용한 결과, 그 적용성이 입증되었으며, 위에서 언급한 과제들이 연구개선될 경우 우리나라 수계에 범용으로 적용가능하고, 미계측 유역의 수질환경평가에 이용될 수 있을 것이다.
참고문헌 (12)
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