저수지 수온성층 해석능력 제고를 위한 적정 EFDC 매개변수 선정 Estimation of Proper EFDC Parameters to Improve the Reproductability of Thermal Stratification in Korea Reservoir원문보기
본 연구에서는 대표적 3차원 수리 수질해석모형인 EFDC의 수온성층해석 능력 제고를 위해 적정 매개변수를 도출하고자 하였다. 이를 위해 태양복사 분포, 하상 초기온도, 활성 하상 수온층 깊이, 열전달계수 등 태양에너지와 관련된 5가지 매개변수에 대하여 용담호 수온성층해석 결과를 비교 분석하였다. 모의기간은 2005년 6월부터 12월까지였으며 수온 성층 재현성 수행 결과는 통계 지표인 AME, RMSE, $R^2$을 적용하여 비교하였다. 그 결과 IASWRAD는 하상으로 분포하는 경우, 활성 하상 수온층 깊이는 10m를 사용하는 것이 타당할 것으로 판단되었다. 본 연구에서 도출된 결과는 EFDC 모형의 수온성층모의시 적용 가이드라인으로 활용될 수 있을 것이다.
본 연구에서는 대표적 3차원 수리 수질해석모형인 EFDC의 수온성층해석 능력 제고를 위해 적정 매개변수를 도출하고자 하였다. 이를 위해 태양복사 분포, 하상 초기온도, 활성 하상 수온층 깊이, 열전달계수 등 태양에너지와 관련된 5가지 매개변수에 대하여 용담호 수온성층해석 결과를 비교 분석하였다. 모의기간은 2005년 6월부터 12월까지였으며 수온 성층 재현성 수행 결과는 통계 지표인 AME, RMSE, $R^2$을 적용하여 비교하였다. 그 결과 IASWRAD는 하상으로 분포하는 경우, 활성 하상 수온층 깊이는 10m를 사용하는 것이 타당할 것으로 판단되었다. 본 연구에서 도출된 결과는 EFDC 모형의 수온성층모의시 적용 가이드라인으로 활용될 수 있을 것이다.
In this study, a methodology was devised to overcome that difficulty for thermal stratification modeling using EFDC. For the increase of reproductability for thermal stratification analysis, the effect of parameter such as distribution of solar radiation, depth of active bed temperature layer, heat ...
In this study, a methodology was devised to overcome that difficulty for thermal stratification modeling using EFDC. For the increase of reproductability for thermal stratification analysis, the effect of parameter such as distribution of solar radiation, depth of active bed temperature layer, heat transfer coefficients were analyzed. The simulation period was from June to December in 2005 and statistical index is used to analyze the model results. The results showed that distribution of solar radiation is zero and depth of active bed temperature layer is 10 m are suitable for simulation of thermal stratification in Yongdam Dam reservoir. This study results can be used for guideline to analyze the thermal stratification of large dam reservoir in Korea.
In this study, a methodology was devised to overcome that difficulty for thermal stratification modeling using EFDC. For the increase of reproductability for thermal stratification analysis, the effect of parameter such as distribution of solar radiation, depth of active bed temperature layer, heat transfer coefficients were analyzed. The simulation period was from June to December in 2005 and statistical index is used to analyze the model results. The results showed that distribution of solar radiation is zero and depth of active bed temperature layer is 10 m are suitable for simulation of thermal stratification in Yongdam Dam reservoir. This study results can be used for guideline to analyze the thermal stratification of large dam reservoir in Korea.
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문제 정의
본 연구에서는 대표적 3차원 수리 수질해석모형인 EFDC의 수온성층해석 시 필요한 적정 매개변수를 산정하고자 하였다. 이를 위해 금강유역의 대표적 다목적댐인 용담댐유역에 연구모형을 적용하여 수온성층해석에 대한 적정성을 제고하고자 하였다.
본 연구에서는 동일한 입력 조건에서 수온 모의를 수행하여 실측 수온과 비교 검토를 실시하였다. 그 결과는 Fig.
본 연구에서는 활성 하상 수온층의 깊이인 DABEDT값을 변화시켜 수온 모의를 수행하여 실측 수온과 비교 검토하였다. 이때 적용값은 제시된 적용범위인 1~10 m 에서 최대값인 10 m, 최소값인 1 m, 중간값인 5 m를 비교하였다.
본 연구의 적용성을 검토하고자 금강유역에 있는 용담 다목적댐에 대해 모의를 실시하였다. 용담다목적댐은 유역면적 930 km2로서 금강유역 면적 9,886 km2의 약 9.
본 연구에서는 대표적 3차원 수리 수질해석모형인 EFDC의 수온성층해석 시 필요한 적정 매개변수를 산정하고자 하였다. 이를 위해 금강유역의 대표적 다목적댐인 용담댐유역에 연구모형을 적용하여 수온성층해석에 대한 적정성을 제고하고자 하였다. 본 연구에서 도출된 결과를 요약하면 다음과 같다.
또한 계산시간의 증대와 수위 및 온도변화의 보정에 따른 다수의 시행착오의 요구로 인해 적정 매개변수 산정에 대한 노력은 아직 부족한 상황이다. 이에 본 연구에서는 EFDC를 이용한 수온성층 해석시 필요한 적정 매개변수를 산정하고 이를 통해 수온성층해석에 대한 적정성을 제고하고자 하였다.
제안 방법
2) 본 연구에서는 수온 관련 매개변수인 IASWRAD, DABEDT, TBEDIT, HTBED1, HTBED2 등 총 5개의 매개변수에 대하여 수온성층해석 결과를 비교 분석하였다. 모의기간은 2005년 6월부터 12월까지였으며 수온 성층 재현성 수행 결과는 통계 지표인 AME, RMSE, R2을 적용하여 실측치와 모의치를 비교하였다.
본 연구에서 사용된 매개변수는 Table 1과 같이 구분될 수 있으며 이들 매개변수들을 중심으로 해석 결과 값에 미치는 영향을 분석하였다. 각 매개변수들은 Table 1에 제시된 기준값을 기본적으로 사용하였으며 다른 매개변수의 기준값에 대해 해당 매개변수를 적용범위(Hamrick, 2007) 내에서 변화시키면서 Fig. 2에 표시된 댐 축지점에서의 관측값과 모의값의 변화양상을 도시하였다. 또한 수온 성층 재현성 수행 결과는 통계 지표인 AME, RMSE, R2를 적용하여 정량적으로 제시하고자 하였다.
운동방정식에 동력학적으로 연결된 난류운동에너지, 난류길이 스케일, 염도, 그리고 온도 이송 방정식 또한 함께 풀어진다. 또한 부유물질 또는 용존물질에 대한 Eulerian 이송 전환방정식도 동시에 해를 구한다. 이송 방정식의 이송항에 대해서는 중앙차분법을 사용하거나 positive definite upwind difference 방법을 사용한다.
2에 표시된 댐 축지점에서의 관측값과 모의값의 변화양상을 도시하였다. 또한 수온 성층 재현성 수행 결과는 통계 지표인 AME, RMSE, R2를 적용하여 정량적으로 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 EFDC 모형에서 태양에너지와 관련된 수온 관련 매개변수인 IASWRAD, DABEDT, TBEDIT, HTBED1, HTBED2 등 총 5개의 매개변수에 대하여 비교 분석을 실시하였다. 본 연구에서 사용된 매개변수는 Table 1과 같이 구분될 수 있으며 이들 매개변수들을 중심으로 해석 결과 값에 미치는 영향을 분석하였다. 각 매개변수들은 Table 1에 제시된 기준값을 기본적으로 사용하였으며 다른 매개변수의 기준값에 대해 해당 매개변수를 적용범위(Hamrick, 2007) 내에서 변화시키면서 Fig.
그 중 가장 밀접한 관계를 갖는 에너지원은 태양에너지일 것이다. 본 연구에서는 EFDC 모형에서 태양에너지와 관련된 수온 관련 매개변수인 IASWRAD, DABEDT, TBEDIT, HTBED1, HTBED2 등 총 5개의 매개변수에 대하여 비교 분석을 실시하였다. 본 연구에서 사용된 매개변수는 Table 1과 같이 구분될 수 있으며 이들 매개변수들을 중심으로 해석 결과 값에 미치는 영향을 분석하였다.
따라서 EFDC 모형에서 하상의 초기온도인 TBEDIT의 적정 값 산정이 수온 모의에 필수적이다. 하상의 초기 온도인 TBEDIT 값은 Table 1에서 적정 적용범위를 10～20℃로 제시하고 있어, 본 연구에서는 용담호의 심수층 온도를 고려하여 최소값인 10℃로 적용하였다.
대상 데이터
1) 용담댐 유역에 Orthogonal-Curvilinear 좌표계를 이용하여 수평격자는 372개, 수직격자는 40개, 총 14,880개의 격자를 구성하였다. 구축된 모형의 지형 및 물수지 재현성을 검토해 본 결과 RMSE는 1.
본 연구에서는 실제 형상의 재현성 증대를 위하여 직교곡선좌표를 이용하였다. 그리고 모의수행의 시간적 제약성 극복과 재현성 확보를 위해 기존연구(서동일 등, 2009; 안기홍, 2011; 한국수자원공사, 2009)의 연구결과를 활용하여 수평격자는 372개를 사용하였고, 수온 성층에 재현성 증대를 위하여 40개로 구성하여 총 14,880개의 격자로 모의를 실시하였다. Fig.
데이터처리
2) 본 연구에서는 수온 관련 매개변수인 IASWRAD, DABEDT, TBEDIT, HTBED1, HTBED2 등 총 5개의 매개변수에 대하여 수온성층해석 결과를 비교 분석하였다. 모의기간은 2005년 6월부터 12월까지였으며 수온 성층 재현성 수행 결과는 통계 지표인 AME, RMSE, R2을 적용하여 실측치와 모의치를 비교하였다. 적용범위는 EFDC Technical Memorandum(Hamrick, 2007)에서 제시된 적용범위를 활용하였다.
본 연구에서는 활성 하상 수온층의 깊이인 DABEDT값을 변화시켜 수온 모의를 수행하여 실측 수온과 비교 검토하였다. 이때 적용값은 제시된 적용범위인 1~10 m 에서 최대값인 10 m, 최소값인 1 m, 중간값인 5 m를 비교하였다. 그 결과는 Fig.
하상과 바닥층사이의 대류열전달계수인 HTBED1값을 변화시켜 수온 모의를 수행하여 실측 수온과 비교 검토하였으며, 이때 적용값은 Table 1에서 제시하고 있는 적용 범위인 0.001～0.005에서 최대값인 0.005, 최소값인 0.001, 중 간값인 0.0025를 비교하였다. 모의 결과는 Fig.
하상과 바닥층사이의 열전달계수(m/s)인 HTBED2값을 변화시켜 수온 모의를 수행하여 실측 수온과 비교 검토하였으며, 이때 적용값은 Table 1에서 제시된 적용범위인 1.0E-7~15E-에서 최대값인 15E-7, 최소값인 1.0E-7, 중간값인 7.0E-7을 비교하였다. 비교 결과 평균적으로 R2 은 HTBED2 값 1.
이론/모형
3은 지형격자 구성의 적정성과 수위계산에 대한 검토를 위해 수위-체적관계곡선식과 실제 관측수위를 비교한 결과이다. 모의치와 실측치의 비교는 통계지표인 AME, RMSE, R2를 적용하였다. 그 결과 RMSE는 1.
EFDC에 적용되는 좌표계는 데카르트 좌표와 직교곡선좌표 등이 있다. 본 연구에서는 실제 형상의 재현성 증대를 위하여 직교곡선좌표를 이용하였다. 그리고 모의수행의 시간적 제약성 극복과 재현성 확보를 위해 기존연구(서동일 등, 2009; 안기홍, 2011; 한국수자원공사, 2009)의 연구결과를 활용하여 수평격자는 372개를 사용하였고, 수온 성층에 재현성 증대를 위하여 40개로 구성하여 총 14,880개의 격자로 모의를 실시하였다.
또한 부유물질 또는 용존물질에 대한 Eulerian 이송 전환방정식도 동시에 해를 구한다. 이송 방정식의 이송항에 대해서는 중앙차분법을 사용하거나 positive definite upwind difference 방법을 사용한다. EFDC 모형은 유체의 이동, 염분 및 온도 모의 외에도 흡착성 또는 비 흡착성 부유물질의 이동, 오염원 유입에 의한 희석, 부영양화 기작, 독성 오염물질의 이동/반응 등에 대한 모의가 가능하다.
입력조건으로는 유입 수온은 기온자료로부터 산정한 회귀식을 사용하였고, 수온계산 방법은 Full-Heat Balance 방식을 이용하였다. 모의기간은 2005년 6월부터 12월까지이다.
모의기간은 2005년 6월부터 12월까지였으며 수온 성층 재현성 수행 결과는 통계 지표인 AME, RMSE, R2을 적용하여 실측치와 모의치를 비교하였다. 적용범위는 EFDC Technical Memorandum(Hamrick, 2007)에서 제시된 적용범위를 활용하였다.
성능/효과
3) 태양열복사 수심별 분포를 나타내는 IASWRAD의 경우 수층에서 하상으로 분포하는 경우를 적용하였을 때 R2가 0.947로 수온성층현상을 좀더 정확히 묘사하였다. 그리고 활성 하상 수온층 깊이의 경우는 여름철에는 큰 영향이 없었지만 수온이 낮아지는 9월부터는 값이 적을수록 많은 오차가 나타남으로서 용담호의 경우 10 m를 사용하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
구축된 모형의 지형 및 물수지 재현성을 검토해 본 결과 RMSE는 1.931× 107 m3/s, 0.793 m, AME는 1.894 × 107 m3/s, 0.603m로 전반적으로 실제 양상을 잘 묘사하는 것으로 나타났다.
그 결과 RMSE는 1.931× 107, 0.793, AME는 1.894 × 107, 0.603로 전반적으로 실제 양상을 잘 묘사하는 것으로 나타났다.
5와 Table 4에 나타내었다. 그 결과 평균적으로 R2은 DABEDT 값 1 m인 경우 0.928이었으며, 5m인 경우 0.941이었으며, 10m인 경우 0.947로 나타났다. 특히 6~8월의 경우 큰 영향은 없지만 기온이 낮아지는 9월부터는 DABEDT 값이 적을수록 많은 오차가 나타났다.
4와 같으며, Table 3은 태양복사열 분포 매개변수에 따른 수온 성층 재현성 수행 결과를 통계 지표인 AME, RMSE, R2을 적용하여 비교한 결과이다. 그 결과 평균적으로 R2은 IASWRAD 값이 0인 경우 0.947이었으며, 1인 경우 0.922로 매개변수 중 태양복사열 분포를 나타내는 IASWRAD의 경우, 용담호에서는 월별 투명도를 고려해볼 때 표층의 태양복사열이 하층부까지 전달되지 않으므로 0을 적용하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
그리고 활성 하상 수온층 깊이의 경우는 여름철에는 큰 영향이 없었지만 수온이 낮아지는 9월부터는 값이 적을수록 많은 오차가 나타남으로서 용담호의 경우 10 m를 사용하는 것이 타당할 것으로 판단된다. 그리고 하상과 바닥층 사이의 대류열 및 열전달계수인 HTBED1과 HTBED2의 경우 매개변수 값의 변화에 따른 재현성 수행결과는 시나리오별로 차이가 거의 없는 것으로 나타났다.
947로 수온성층현상을 좀더 정확히 묘사하였다. 그리고 활성 하상 수온층 깊이의 경우는 여름철에는 큰 영향이 없었지만 수온이 낮아지는 9월부터는 값이 적을수록 많은 오차가 나타남으로서 용담호의 경우 10 m를 사용하는 것이 타당할 것으로 판단된다. 그리고 하상과 바닥층 사이의 대류열 및 열전달계수인 HTBED1과 HTBED2의 경우 매개변수 값의 변화에 따른 재현성 수행결과는 시나리오별로 차이가 거의 없는 것으로 나타났다.
0E-7을 비교하였다. 비교 결과 평균적으로 R2 은 HTBED2 값 1.0E-7인 경우 0.947이었으며, 7.0E-7인 경우 0.947이었으며, 15E-7인 경우 0.948로 나타났다. 시나리오별 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.
후속연구
4) 본 연구에서는 용담호에 대한 적정 매개변수를 도출하였고 이는 국내 깊은 저수지에서 나타나는 수온성층해석 능력을 제고시키는데 활용될 수 있을 것이다. 그러나 각 매개변수에 대한 보다 추가적인 민감도 분석과 계절적인 특성을 고려하여 다르게 적용하는 등의 추가연구가 필요할 것으로 판단된다.
4) 본 연구에서는 용담호에 대한 적정 매개변수를 도출하였고 이는 국내 깊은 저수지에서 나타나는 수온성층해석 능력을 제고시키는데 활용될 수 있을 것이다. 그러나 각 매개변수에 대한 보다 추가적인 민감도 분석과 계절적인 특성을 고려하여 다르게 적용하는 등의 추가연구가 필요할 것으로 판단된다.
그러나 국내 저수지의 형태가 일반적으로 매우 복잡하고 지류와의 합류부분이 넓어 종방향과 수직방향으로의 해석만으로 실시되는 기존의 모의기법으로는 호내의 유체거동을 충분하게 해석하기 어렵다. 특히 본류의 흐름경로에서 벗어난 지역에서의 유체거동은 영양염류의 체류시간에 많은 영향을 미치기 때문에 이에 대한 보다 정확한 해석이 필요하다. 이에 최근 들어 보다 정확하고 과학적인 수리해석 능력을 도모하고자 3차원 수리 수질모형에 대한 관심이 증대되고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대표적 3차원 수리 수질모델로는 어떤 모델이 있는가?
대표적 3차원 수리 수질모델로는 EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)모델이 있다. 해양모델로부터 발달해 온 대표적 3차원 모델인 EFDC는 개발 당시부터 소스코드와 사용설명서를 모든 연구자들에게 공개해왔으며, 미국 환경부는 모델의 발전을 위하여 격자구성, 실행 그리고 결과의 표현 등을 위한 GUI(Graphic User Interface)를 개발하고 있어, 지속적인 발전이 예상된다.
다양한 저수지의 수질거동을 효과적으로 설명하기 위해서는 어떤 분석이 선행되어야 하는가?
다양한 저수지의 수질거동을 효과적으로 설명하기 위해서는 저수지 수체에 유출 입하는 물의 수리학적 순환관계와 오염물질의 이송, 확산, 반응과정에 대한 과학적인 인과관계 분석이 선행되어야 한다. 예를 들어, 저수지 내로 유입한 탁수의 밀도류 진행경로, 두께, 이동속도 등 수리학적 거동 특성은 유입량의 규모, 저수지 지형, 취수위치와 취수량, 그리고 수온 성층구조에 영향을 받는다.
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