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문제 정의
- 이때 생성된 양질의 자료를 이용하여 이요상 등(2008)은 WASP을 이용하여 수질관리시스템을 구축한 바 있으며, 노준우 등(2010)은 1차원 모형을 이용하여 수온변동을 모의한 바 있다. 본 연구도 이러한 연구의 연장에서 용담댐 유역에 적합한 하천유입수온 회귀모형을 개발하고 개발된 모형을 이용한 수온성층화 재현성 여부를 파악하여 향후 수질관리 도구로서 활용성을 가늠해 보고자한다. 특히, 기존에 구축되어 있는 하천유입수온 회귀분석모형과의 통계지표 비교를 통해 정량적인 재현성 검토를 파악하고자 하였다.
- 본 연구에서는 용담호 수온성층화에 영향을 미치는 유입하천 수온을 산정하기 위해 저수지 수온과 기온과의 관계를 고려한 회귀분석모형을 개발하였다. 또한, 개발된 회귀분석모형의 수온성층화 현상 재현성 검토를 위해 3차원 수리·수질해석모형인 EFDC모형을 이용하여 수온성층화 모의를 수행하였다.
- 본 연구도 이러한 연구의 연장에서 용담댐 유역에 적합한 하천유입수온 회귀모형을 개발하고 개발된 모형을 이용한 수온성층화 재현성 여부를 파악하여 향후 수질관리 도구로서 활용성을 가늠해 보고자한다. 특히, 기존에 구축되어 있는 하천유입수온 회귀분석모형과의 통계지표 비교를 통해 정량적인 재현성 검토를 파악하고자 하였다.
제안 방법
- 2. 3차원 모형인 EFDC를 이용하여 기존에 구축된 유입수온모형인 DLine 1 모형과 DLine 3 모형을 본 연구에서 개발된 Imha 모형과 비교·검토하였다.
- 본 연구에서 수행한 회귀분석모형은 용담댐과 지리적 특성이 유사하고 실시간 하천 유입수온 측정이 이루어지고 있는 임하댐과 안동기상대의 자료를 활용하였다. 2005년부터 2009년까지 측정한 유입수온과 기온자료를 활용하여 기온과 수온의 선형관계를 이용한 Imha 모형을 개발하였다. 회귀분석 모형의 상관계수는 0.
- 기온과 수온의 선형관계를 가정하여 하천 유입수온을 예측한 DLine 1 모형, 단계적 회귀분석 기법(Stepwise Linear Regression Method)를 적용한 DLine 3 및 본 연구에서 개발된 Imha 모형을 비교·검토하였다.
- 이에 국내 다목적댐 중 용담댐과 위·경도가 근접하고 연평균기온이 12.55℃로 유사하며, 실시간 하천 유입수온 측정이 이루어지고 있는 임하댐 청송지점의 2005년 1월부터 2009년 12월까지 수온의 시자료와 안동기상대 기온의 시자료로부터 선형 관계의 유입수온 회귀분석모델을 개발하였다.
대상 데이터
- 모의기간은 2005년 6월부터 12월까지 약 7개월간이고, 입력조건으로는 수온계산 방식은 CE-QUAL-W2에서 계산하는 Equilibrium Temperature 식을 사용하였다. 그리고 수직격자수는 40개, 취수탑에서의 취수방법은 해당기간의 취수위치인 15m 중층취수를 사용하였다. 각 월별 수심별 수온성층 재현성 결과는 그림 5와 같으며, 표 2는 유입수온 산정방식에 따른 수온 성층 재현성 수행 결과를 통계 지표인 AME, RMSE, R2을 적용하여 비교한 결과이다.
- 본 연구대상유역인 용담댐 유역은 유역수자원 활용계획 및 과학적인 다목적댐 운영방안을 마련하기 위하여 2001년 수자원 시험유역으로 지정되어 수문자료 생상, 물수지 운영, 수질관측 등 다양한 조사가 수행되었다. 이때 생성된 양질의 자료를 이용하여 이요상 등(2008)은 WASP을 이용하여 수질관리시스템을 구축한 바 있으며, 노준우 등(2010)은 1차원 모형을 이용하여 수온변동을 모의한 바 있다.
- 본 연구를 위한 EFDC 모형의 격자구성은 수평방향 372개, 수직층 10개인 총 3,720개로 구성하였다. 그림 2는 지형격자 구성의 적정성과 수위계산에 대한 검토를 위해 수위-체적관계곡선식과 실제 관측수위를 비교한 결과이다.
- 본 연구에서는‘저수지 3차원 유체거동 및 수질모의 모형 적용성 평가(K-water, 2009)’결과를 이용하여 기존 연구에 사용된 몇 가지 통계형 모형과 물리적 모형을 사용하여 유입수 수온을 예측한 방법 가운데, 기온과 수온의 선형관계를 가정한 DLine 모형, 단계적 회귀분석 기법(Stepwise Linear Regression Method)를 적용한 DLine 3 모형을 본 연구에서 도출한 회귀분석모형과 수온성층재현성 검토에 활용하였다. 본 연구에서 수행한 회귀분석모형은 용담댐과 지리적 특성이 유사하고 실시간 하천 유입수온 측정이 이루어지고 있는 임하댐과 안동기상대의 자료를 활용하였다. 2005년부터 2009년까지 측정한 유입수온과 기온자료를 활용하여 기온과 수온의 선형관계를 이용한 Imha 모형을 개발하였다.
- 본 연구의 대상지역은 금강유역에 있는 용담다목적댐이다. 용담다목적댐은 유역면적 930km2로서 금강유역 면적 9,886km2의 약 9.
데이터처리
- 1. 저수지내 유입되는 하천수의 수온을 기온과의 선형적 상관관계를 고려하여 회귀분석을 실시하였다. 용담댐과 지리적 특성이 유사하고 실시간 하천유입수온 측정이 이루어지고 있는 임하댐과 안동기상대의 자료를 활용하여 실시한 결과 상관계수는 0.
이론/모형
- 또한, 개발된 회귀분석모형의 수온성층화 현상 재현성 검토를 위해 3차원 수리·수질해석모형인 EFDC모형을 이용하여 수온성층화 모의를 수행하였다.
- 기온과 수온의 선형관계를 가정하여 하천 유입수온을 예측한 DLine 1 모형, 단계적 회귀분석 기법(Stepwise Linear Regression Method)를 적용한 DLine 3 및 본 연구에서 개발된 Imha 모형을 비교·검토하였다. 모의기간은 2005년 6월부터 12월까지 약 7개월간이고, 입력조건으로는 수온계산 방식은 CE-QUAL-W2에서 계산하는 Equilibrium Temperature 식을 사용하였다. 그리고 수직격자수는 40개, 취수탑에서의 취수방법은 해당기간의 취수위치인 15m 중층취수를 사용하였다.
- 그림 2는 지형격자 구성의 적정성과 수위계산에 대한 검토를 위해 수위-체적관계곡선식과 실제 관측수위를 비교한 결과이다. 모의치와 실측치의 비교는 통계지표인 AME, RMSE, R2를 적용하였다. 수위-체적관계의 경우 RMSE가 1.
- 본 연구에서는‘저수지 3차원 유체거동 및 수질모의 모형 적용성 평가(K-water, 2009)’결과를 이용하여 기존 연구에 사용된 몇 가지 통계형 모형과 물리적 모형을 사용하여 유입수 수온을 예측한 방법 가운데, 기온과 수온의 선형관계를 가정한 DLine 모형, 단계적 회귀분석 기법(Stepwise Linear Regression Method)를 적용한 DLine 3 모형을 본 연구에서 도출한 회귀분석모형과 수온성층재현성 검토에 활용하였다.
- 수온성층해석의 재현성 평가를 위해 본 연구에서는 대표적인 3차원 모델인 EFDC 모형을 이용하였다. EFDC 모형은 유동 및 물질수송을 모의하는 다변수 유한차분 수치모형으로서 초기에 Virginia Institute of Marine Science(Hamrick, 1992)에서 개발되었으며, 현재는 미국 환경청(EPA)과 Tetra Tech, Inc.
- 저수지 3차원 유체거동 및 수질모의 모형 적용성 평가(K-water, 2009)의 자료를 이용하여 몇 가지 통계형 모형과 물리적 모형을 수온성층 재현성 비교에 활용하였다. 기온과 수온의 선형관계를 가정하여 하천 유입수온을 예측한 DLine 1 모형, 단계적 회귀분석 기법(Stepwise Linear Regression Method)를 적용한 DLine 3 및 본 연구에서 개발된 Imha 모형을 비교·검토하였다.
성능/효과
- 3. 이는 DLine 1 모형의 경우 하천유입 수온과 기온과의 모표본자료의 수가 상대적으로 적어 상관관계를 반영하는데 어려움이 있었던 것으로 생각되고, DLine 3 모형의 경우 독립변수로서의 유량이 포함되어 여름철 급변하는 유입유량으로 인해 정확한 수온을 반영하기 어려웠던 것으로 판단된다.
- 표 1은 수온성층 재현성 비교를 위해 본 연구에서 사용한 유입수 수온 모의 관계식을 나타내고 있다. 개발된 모형을 적용하여 실측자료와 비교 검증한 결과, 본 연구에서 개발한 Imha 모델이 가장 오차가 작았으며, 결정계수가 높게 나타났다. 그러나 모든 모형이 강우시 급격히 떨어지는 하천수온 변화를 모의하는 데는 한계를 보였다.
- 각 월별 수심별 수온성층 재현성 결과는 그림 5와 같으며, 표 2는 유입수온 산정방식에 따른 수온 성층 재현성 수행 결과를 통계 지표인 AME, RMSE, R2을 적용하여 비교한 결과이다. 그 결과 평균적으로 R2은 DLine 1의 경우 0.925, DLine 3의 경우 0.915, Imha 모형의 경우 0.933으로 기존연구에서 수행한 DLine 1과 DLine 3의 경우보다 새로 적용한 Imha 모형이 보다 나은 수온 성층 재현성 수행 결과를 보였다. 또한 수심별 수온 성층화현상의 재현성 측면에서도 기온과 유량과의 관계로 하천 유입수온을 예측하는 DLine 3 모형 보다 나은 결과를 보였다.
- 933으로 기존연구에서 수행한 DLine 1과 DLine 3의 경우보다 새로 적용한 Imha 모형이 보다 나은 수온 성층 재현성 수행 결과를 보였다. 또한 수심별 수온 성층화현상의 재현성 측면에서도 기온과 유량과의 관계로 하천 유입수온을 예측하는 DLine 3 모형 보다 나은 결과를 보였다. 이는 여름철 강수로 인해 유입유량변동이 심한 2005년 상황을 미루어볼 때 독립변수로서의 유량이 정확한 수온을 반영하기에는 어려웠던 것으로 판단된다.
- 933으로 기존연구에서 수행한 DLine 1과 DLine 3의 경우보다 새로 적용한 Imha 모형이 보다 나은 수온 성층 재현성 수행 결과를 보였다. 또한 수심별 수온 성층화현상의 재현성 측면에서도 기온과 유량과의 관계로 하천 유입수온을 예측하는 DLine 3 모형 보다 나은 결과를 보였다. 이는 여름철 강수로 인해 유입유량변동이 심한 2005년 상황을 미루어볼 때 독립변수로서의 유량이 정확한 수온을 반영하기에는 어려웠던 것으로 판단된다.
- 수위-체적관계의 경우 RMSE가 1.931×107, AME는 1.894×107, 실제 관측수위의 경우 RMSE는 0.793, AME는 0.603로 전반적으로 실제 양상을 잘 묘사하는 것으로 나타났다.
- 3차원 모형인 EFDC를 이용하여 기존에 구축된 유입수온모형인 DLine 1 모형과 DLine 3 모형을 본 연구에서 개발된 Imha 모형과 비교·검토하였다. 용담호의 수심별 수온측정이 이루어졌던 2005년 6월부터 약 7개월간 수온 성층화현상의 재현성 여부를 검토한 결과 R2의 경우 DLine 1 모형은 0.925, DLine 3 모형은 0.915, 본 연구에서는 0.933으로 기존 연구에서 수행한 연구결과에 비해 보다 나은 수온성층 재현성 수행 결과를 보였다. 또한 수심별 수온 성층화 현상의 재현성 측면에서도 기온과 유량과의 관계로 하천 유입수온을 예측하는 DLine 3 모형 보다 나은 결과를 보였다.
후속연구
- 그러나 모든 모형이 강우시 급격히 떨어지는 하천수온 변화를 모의하는 데는 한계를 보였다. 강우시 하천수온 변동은 탁수의 밀도류 해석 등과 같은 저수지 수질관리를 위해서는 매우 중요한 요소이므로 이를 뒷받침해 줄 수 있는 실시간 수온 계측이 반드시 필요할 것으로 판단된다.
- 결론적으로, 하천유입 수온의 직접적인 현장 모니터링을 통한 수질모델링 실시가 중요하며, 매년 하천유입 수온과 기온의 상관관계는 강수의 상황에 따라 변화되므로 이에 대한 현장조사가 보다 많이 시행되어져야 할 것으로 판단된다.
- 이는 여름철 강수로 인해 유입유량변동이 심한 2005년 상황을 미루어볼 때 독립변수로서의 유량이 정확한 수온을 반영하기에는 어려웠던 것으로 판단된다. 매년 하천유입 수온과 기온의 상관관계는 강수의 상황에 따라 변화되므로 이에 대한 현장조사가 보다 많이 시행되어져야 할 것으로 판단된다.
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