[논문]감쇠계수 등가추적법을 이용한 조류 생장/소멸 수치모의

박인환; 김성훈; 송창근

doi:10.14346/jkosos.2018.33.4.78

감쇠계수 등가추적법을 이용한 조류 생장/소멸 수치모의
Numerical Simulation of Growth/Decay of Algae using Equivalent Tracking Method of Decay Coefficient 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.33 no.4, 2018년, pp.78 - 83

박인환 (한국건설기술연구원 국토보전연구본부) , 김성훈 (K-water 융합연구원) , 송창근 (인천대학교 안전공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Previous researches on the analysis of algae concentration were restricted to applying single-valued decay coefficient during simulation period, and the accuracy as well as the applicability were severely challenged. In this study, an equivalent tracking method of decay coefficient was proposed by introducing the time-series decay coefficients and restart option. Dye module in EFDC model was employed to route the temporal variation of Chl-a concentration. It was shown that the simulation results can be significantly improved up to 46% when the equivalent tracking method was activated.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 조류의 생장 및 소멸 반응을 감쇠계수의 변화를 통해 재현하는 등가추적법을 개발하고, 중·단기 조류 농도 해석 시 발생하였던 모의결과의 오차를 감소할 수 있는 방법을 제시하였다. 이를 통해 조류의 생장 및 소멸 반응을 모의할 때 감쇠계수를 단일값으로 입력하는 것이 얼마나 큰 오차를 수반하게 되는지 확인할 수 있었다.

제안 방법

수질모델에 입력되는 다양한 수질인자들의 선택에 어려움이 있으며 수질모델에 포함된 여러 매개변수들은 모의결과의 불확실성을 높이는 요인으로 작용하게 된다. 따라서 본 연구에서는 여러 매개변수를 보정하는 대신 Dye 모형의 감쇠계수만을 보정하여 Chl-a의 농도변화를 모의하는 방법을 제안했으며, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 첫째, 조류의 생장/소멸에 대한 Chl-a 농도의 증감을 감쇠계수의 변화를 통해 재현할 수 있다.
기존 연구에서는 모의기간 동안의 감쇠계수를 상수로 입력하여 모의결과의 정확성이나 모형의 적용성 측면에서 많은 제약이 있었다. 본 연구에서는 EFDC Dye 모형에서 감쇠계수를 시계열 자료로 입력하는 방법을 통해 조류의 생장/소멸 계산 정확도를 높였다. 이를 위해 계산 구간을 분할하여 특정 감쇠계수를 입력하고, Restart옵션을 이용하여 다음 계산구간의 초기 입력 자료를 생성하였다.

대상 데이터

이 구간은 금호강과 진천천이 유입되어 복잡한 흐름이 발생하는 영역으로, 동수역학 해석모형의 유량 입력 자료를 확보하기 위하여 2015년 9월 18일에 ADCP를 이용하여 유속과 수심 등을 실측하였다. 측정된 유량은 낙동강 본류(Q_N)에서 75.
조류의 생장 및 소멸을 모의하기 위한 모형의 적용 영역으로 현장 실측자료¹⁰⁾가 확보되어 있고, 조류의 생장이 이슈화되고 있는 낙동강 강정고령보 ~ 달성보 구간(Fig. 2)을 선정하였다.

이론/모형

동수역학 해석모형의 적용을 위한 매개변수인 수평난류점성계수의 계산을 위해 Smagorinsky 모형을 사용했으며, 강정고령보~달성보 구간의 매개변수 보정결과¹⁰⁾에 따라 Smagorinsky 상수(AHD)는 0.1, 난류동점성계수(AHO)는 0.4 m²/s로 입력했다. 그리고 준3차원 수치 모의를 위해 연직 Layer를 10개로 지정하여 모의를 수행했다.
조류의 생장 및 소멸은 생장률, 기초대사율, 섭식률, 침강속도, 외부유입량 등 복잡한 요인들에 의해 좌우되므로 영향인자 및 매개변수의 결정에 많은 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 다양한 매개변수의 보정이 필요한 수질모델을 이용하는 대신 수질모델과 같은 지배방정식을 사용하는 Dye모형⁹⁾에 포함된 감쇠계수만을 조절하여 조류농도의 변화를 해석하였다.

성능/효과

첫째, 조류의 생장/소멸에 대한 Chl-a 농도의 증감을 감쇠계수의 변화를 통해 재현할 수 있다. 둘째, 감쇠계수의 변화에 비례하여 Chl-a의 농도가 변화하기 때문에 매개변수의 보정이 비교적 간편하다. 셋째, 모의기간에 따라 감쇠계수를 시계열 자료로 입력하여 Chl-a의 농도변화를 비교적 잘 나타낼 수 있었다.
둘째, 감쇠계수의 변화에 비례하여 Chl-a의 농도가 변화하기 때문에 매개변수의 보정이 비교적 간편하다. 셋째, 모의기간에 따라 감쇠계수를 시계열 자료로 입력하여 Chl-a의 농도변화를 비교적 잘 나타낼 수 있었다. 수 년간의 실측 자료가 확보되어 있는 경우 대상 하천의 적정 감쇠계수의 범위를 추정하고 매개변수를 검보정하는데 본 연구에서 제안한 등가추적법이 유용하게 이용될 수 있으며, 또한 조류 농도의 중장기 거동을 예측하는 경우 상방한계를 설정하는데에도 큰 도움이 될 것으로 판단된다.
따라서 본 연구에서는 여러 매개변수를 보정하는 대신 Dye 모형의 감쇠계수만을 보정하여 Chl-a의 농도변화를 모의하는 방법을 제안했으며, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 첫째, 조류의 생장/소멸에 대한 Chl-a 농도의 증감을 감쇠계수의 변화를 통해 재현할 수 있다. 둘째, 감쇠계수의 변화에 비례하여 Chl-a의 농도가 변화하기 때문에 매개변수의 보정이 비교적 간편하다.

후속연구

그러나 EFDC에서는 감쇠계수의 시간변화를 주기위해서 Restart옵션을 통해 계산을 나눠진행해야 하는 불편함이 있다. 따라서 Dye모형의 지배방정식에 포함된 생성/소멸항의 감쇠계수를 시간에 대한 함수로 입력하는 해석엔진의 개선이 필요하며, 이에 따라 감쇠계수의 시계열 입력을 위한 전처리과정의 변경 또한 필요하다. 그리고 수질모니터링 결과로부터 조류농도의 년 단위 변화가 누적된다면 감쇠계수 시계열자료 변화 또한 용이해질 것으로 판단된다.
셋째, 모의기간에 따라 감쇠계수를 시계열 자료로 입력하여 Chl-a의 농도변화를 비교적 잘 나타낼 수 있었다. 수 년간의 실측 자료가 확보되어 있는 경우 대상 하천의 적정 감쇠계수의 범위를 추정하고 매개변수를 검보정하는데 본 연구에서 제안한 등가추적법이 유용하게 이용될 수 있으며, 또한 조류 농도의 중장기 거동을 예측하는 경우 상방한계를 설정하는데에도 큰 도움이 될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수질해석모형의 목적은?	수질해석모형은 수체 내에 일어나는 수질 현상을 해석하기 위한 도구로 오염물의 물리․생물․화학적 변화에 대한 현장조사와 연구결과를 정성적으로 이론화하여 수학적으로 표현하고 컴퓨터 프로그램을 이용한 해석과정을 통해 대상 지역의 수질 및 생태 변화를 예측하고 평가하는데 사용된다.
	수질해석모형이란?	수질해석모형은 수체 내에 일어나는 수질 현상을 해석하기 위한 도구로 오염물의 물리․생물․화학적 변화에 대한 현장조사와 연구결과를 정성적으로 이론화하여 수학적으로 표현하고 컴퓨터 프로그램을 이용한 해석과정을 통해 대상 지역의 수질 및 생태 변화를 예측하고 평가하는데 사용된다.
	수질해석모형의 활용 분야는?	수질해석모형은 다음과 같은 분야에 활용될 수 있다. 첫째, 다양한 가상 시나리오 구축을 통해 독성물질유출과 같은 실제 현장에서 구현할 수 없는 실험을 가상으로 실행함으로써, 녹조현상과 같은 수질사고 발생시의 상수원 관리 방안으로 활용될 수 있다1). 둘째, 하천사업계획의 실행이나 감조하천에서의 조위 및 유량조건2)에 따른 오염원의 영향 범위 및 정도를 예측하기 위해 실제 구조물을 직접 설치하거나 해체하지 않고도 수리 구조물에 의한 수질 영향을 예측할 수 있어 경제성이 높다. 셋째, 수질측정이 어려운 미계측 구간이나 결측값이 발생한 기간의 수질 농도 추정이 가능하다. 위와 같은 장점들을 바탕으로 수질해석모형은 수질문제가 발생하는 지역에 대한 추가적인 수질 모니터링및 연구 필요성 검토 등에 활용될 수 있을 뿐만 아니라 비점오염원 처리시설 등과 같은 환경기초시설 설치에 따른 수질개선 효과를 예측하여 하천 오염원 저감대책의 규모를 결정하는데 기여할 수 있다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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National Institute of Environmental Research, Development and Application of Validation Technique for Advection-diffusion of Dissolved Pollutants using Tracer Experiments (II), 11-1480523-002553-01, 2015.

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