회복탄력성 분석 기반 담수호 수질 평가 프레임워크 개발 Development of a Framework for Evaluating Water Quality in Estuarine Reservoir Based on a Resilience Analysis Method원문보기
Although there have been a lot of efforts to improve water quality in the estuarine reservoir, overall the water quality problems of the estuarine reservoirs remain. So, it is essential to establish water quality management plans under a comprehensive understanding of the environmental characteristi...
Although there have been a lot of efforts to improve water quality in the estuarine reservoir, overall the water quality problems of the estuarine reservoirs remain. So, it is essential to establish water quality management plans under a comprehensive understanding of the environmental characteristics of the estuarine reservoir. Therefore, in this study, a resilience analysis framework for evaluating the estuarine reservoir's water quality was suggested for improving existing assessment method for water quality management plan. First, as a result of analyzing the static resilience to each scenario, it was found that from the S3 scenario in which dredging was conducted considerably, the resilience of about 30% more than the current estuarine reservoir system was restored. Second, as a result of analyzing the dynamic resilience, if cost and time are considered, there is no significant difference in robustness and resourcefulness, so it can be seen that the resilience of the estuarine reservoir can be efficiently improved by simply performing dredging up to the level of Scenario 3. Finally, as a result of comparing static and dynamic resilience, since static resilience is only presented as a single value, the differences and characteristics of the resilience capacity of the estuarine reservoir might be overlooked only by the static resilience analysis. However, in the aspect that it is possible to interpret the internal recovery capacity of the estuarine reservoir in multiple ways with various indicators (robustness, redundancy, resourcefulness, rapidity), evaluating water quality based on dynamic resilience analysis is useful.
Although there have been a lot of efforts to improve water quality in the estuarine reservoir, overall the water quality problems of the estuarine reservoirs remain. So, it is essential to establish water quality management plans under a comprehensive understanding of the environmental characteristics of the estuarine reservoir. Therefore, in this study, a resilience analysis framework for evaluating the estuarine reservoir's water quality was suggested for improving existing assessment method for water quality management plan. First, as a result of analyzing the static resilience to each scenario, it was found that from the S3 scenario in which dredging was conducted considerably, the resilience of about 30% more than the current estuarine reservoir system was restored. Second, as a result of analyzing the dynamic resilience, if cost and time are considered, there is no significant difference in robustness and resourcefulness, so it can be seen that the resilience of the estuarine reservoir can be efficiently improved by simply performing dredging up to the level of Scenario 3. Finally, as a result of comparing static and dynamic resilience, since static resilience is only presented as a single value, the differences and characteristics of the resilience capacity of the estuarine reservoir might be overlooked only by the static resilience analysis. However, in the aspect that it is possible to interpret the internal recovery capacity of the estuarine reservoir in multiple ways with various indicators (robustness, redundancy, resourcefulness, rapidity), evaluating water quality based on dynamic resilience analysis is useful.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 담수호의 수질 기준을 초과하며 수질 악화를 겪고 있는 담수호의 상류 구역을 수질 악화에 따른 회복탄력성 분석을 위한 연구대상지로 한정하고 시나리오별 수질 모의 결과를 분석하였다. 수질 개선 방안별 수질 모의결과 (Fig.
하지만 준설에 따른 내부 부하 저감은 호내로 재부유 하거나 용출되는 부하량을 줄이는 것과 더불어 담수호의 회복탄력성을 높이기 위한 내적 역량을 높이는 것으로 그 상대적 차이를 파악하는 것도 중요하다. 따라서 본 연구에서는 이런 점을 보완하고 수질 개선 대안별로 회복탄력 능력의 향상 등을 비교하기 위하여 동적 회복탄력성 기반으로 수질 개선 대안을 평가하였다.
하지만 준설은 담수호의 내부부하량을 저감하고, 수질 악화 시에 수질 회복 하는 역량을 높여줄 수 있는 중요한 요인이다. 따라서 본 연구에서는 준설을 일정 수준 이상 시행한 시나리오 S3과 S4에 대해 정적 및 동적 회복탄력성을 분석하였다.
광범위하게 사용될 수 있는 회복탄력성 개념은 각 연구자가 연구 목적에 맞게 새롭게 정의하고, 그 적용성을 평가하는 것이 필요하다. 따라서 연구자는 각 연구 분야에 회복탄력성의 개념을 새롭게 적용하는 데 있어서 절차를 규정하기 위하여 프레임워크를 제시하고 있다. Hashimoto et al.
(2003) 과 Simonovic and Arunkumar (2016)은 정적 회복탄력성 분석 방법의 한계를 보완하기 위하여 동적 회복탄력성 분석 방법을 각 연구에 도입하였으며, 강건성 (robustness), 여분성 (redundancy), 자원효율성 (resourcefulness), 신속성 (rapidity) 4가지 차원 (dimension)을 통해 회복탄력성을 비교, 분석한 바 있다. 따라서, 본 연구에서는 담수호 수자원의 효율적 활용을 위한 회복탄력성의 정량적인 평가를 위해, 담수호 수자원 시스템에서의 회복탄력성을 새롭게 정의하고 수질 개선 방안별 담수호의 정적 및 동적 회복탄력성 변화 분석을 통해 새롭게 정의한 회복탄력성 평가 프레임워크의 적용성을 평가하였다.
앞선 시나리오별 수질 분석 결과를 목표 수질 달성 여부에 대해 살펴보았으며, 본 절에서는 시나리오별 동적 회복탄력성에 대한 분석을 진행하였다. 앞선 결과에서 본 바와 같이상류 구역 (GW3)의 연평균 수질로만 각 시나리오를 분석할 경우, 현재 상태를 유지하는 시나리오 S0을 포함하여 시나리오 S1-S4가 목표 수질 0.
가설 설정
Butler et al. (2014)와 Sweetapple et al. (2016)에 따르면 회복탄력성 회복은 극한의 상태 혹은 예외적인 상태 (exceptional conditions)에 대해 분석하는 것이 유의미하다고 기술한바 있으므로 본 연구에서는 각 수질 개선 대안별로 연평균 수질을 상회하는 조건에 대해 담수호의 기능 손실로 보았고, 대안별 연평균 수질 농도를 초과하는 시점부터 다시 연평균 수질 농도를 만족하는 시점까지를 담수호의 수질 회복능력이라 가정하였다. 즉, 회복탄력성 분석의 대상이 되는 구간은 Fig.
11의 녹색원과 같이 수질이 악화되는 구간으로 설정하였다. 따라서 본 연구에서는 정적 및 동적 회복탄력성을 분석하기 위하여, 각 시나리오별 연평균 수질을 현재 담수호 시스템에서 수질 악화를 겪고 있지 않은 기준으로 가정하였고, 연평균 수질을 크게 초과하는 두 시점을 대상으로 하였다.
제안 방법
간월호 호소 모델에 대하여 환경부 수질측정망 자료를 이용하여 2015년-2017년 보⋅검정을 실시하였다. 2016년-2017년까지 온도자료에 대해 먼저 보정을 수행하고, 이후 DO, T-P, PO4-P 순으로 EFDC 모델의 다양한 매개변수를 보정하였다. 단, EFDC 모형의 경우 호내 수질의 변화는 외부에서 유입하는 오염물질 뿐만 아니라 내부 기작에 따른 계절별 변화에 따른 수질 변화, 조류 변화, 기상 변화 등에도 영향을 받으므로 본 연구의 분석 대상 물질은 아니나 T-N, Chl-a 등의 자료에 대해서도 모의 유사성을 가질 수 있도록 매개변수를 보⋅검정하였다.
EFDC 모형을 이용한 수위 모의를 위하여 EFDC 모형의 격자를 구성하였으며, 한국농어촌공사로부터 제공 받은 최신 측량 자료를 이용하여 격자를 추출하였다 (Fig. 6). 1,879개의 수평방향격자와 5개의 수직방향격자로 총 9,395개의 격자로 구축하였다.
간월호 호소 모델에 대하여 환경부 수질측정망 자료를 이용하여 2015년-2017년 보⋅검정을 실시하였다.
4(b)). 간월호의 경우 수위가 높아지는 시기 및 해양쪽의 조위가 낮아 호내와 호외부가 수위차가 클 때 배수갑문을 통한 방류를 실시하고 있으며, 호내 수위 자료는 배수갑문을 통한 방류 시기에만 기록하고 있으므로 본 자료를 수집하여, 수위 모의를 위한 보정에 활용하였다.
1). 기존의 수질 개선 방안의 평가 방식을 보완하기 위하여 본 연구에서 제안하는 프레임워크에서는 수질이 악화하는 구간에 대하여, 시스템의 회복 역량을 평가하는 방법 추가하였다. 또한 회복탄력성 분석 시에 정적 및 동적 회복탄력성을 함께 비교함으로써 수자원 시스템의 역량을 다각적으로 해석하고, 수질 개선 대안을 평가하는 체계를 구축하였다.
단, EFDC 모형의 경우 호내 수질의 변화는 외부에서 유입하는 오염물질 뿐만 아니라 내부 기작에 따른 계절별 변화에 따른 수질 변화, 조류 변화, 기상 변화 등에도 영향을 받으므로 본 연구의 분석 대상 물질은 아니나 T-N, Chl-a 등의 자료에 대해서도 모의 유사성을 가질 수 있도록 매개변수를 보⋅검정하였다.
담수호의 수질 개선 방안별 회복탄력성 분석에 앞서 호내지점별로 시나리오별 수질 모의 결과를 비교하였다. 본 연구에서는 총 4개의 수질 개선 시나리오를 검토하였다 (Table 2).
연평균 수질을 초과하여 담수호 수자원 시스템의 기능적 손상이 일어나는 두 가지 경우를 본 연구에서는 개별 대상으로 분석하였는데, Simonovic and Arunkumar (2016)에 따르면 시스템의 성능 손실이 일어나고 시스템의 성능이 일정 회복한 후 다시 발생하는 시스템의 성능 손실 사건은 회복탄력성 분석을 위해 개별적으로 분석할 필요가 있다고 한 바 있다. 따라서 Simonovic and Arunkumar (2016)의 연구를 참조하여, 본 연구에서는 2015년의 두 번의 수질 악화 상황을 대상으로 앞선 식 (1)과 식 (2)를 개별적으로 적용하여 동적 회복탄력성을 분석하였다. 만약 두 가지 경우를 개별적으로 분석하지 않는다면, 첫 번째 사건 (event)에서의 시간이 지속하여, 식 (2)에서 (t-t0)의 값이 상대적으로 큰 값을 나타내게 되므로 두번째 사건에서의 회복탄력성의 값이 매우 작게 나타나 왜곡된 결과를 제시할 수도 있다.
또한 간월호의 경우, 앞서 기술한 바와 같이 호내 중간에 연결도로를 포함하고 있고, 제방으로 이루어져 좁은 수로 3개로 상류와 하류가 이어지기 때문에 호내 지점별 수질 특성이 상이하다. 따라서 간월호를 3개 구역으로 나누었으며, 수질 (조류 및 용출) 모의 매개변수를 구역별로 구성하였다.
기존의 수질 개선 방안의 평가 방식을 보완하기 위하여 본 연구에서 제안하는 프레임워크에서는 수질이 악화하는 구간에 대하여, 시스템의 회복 역량을 평가하는 방법 추가하였다. 또한 회복탄력성 분석 시에 정적 및 동적 회복탄력성을 함께 비교함으로써 수자원 시스템의 역량을 다각적으로 해석하고, 수질 개선 대안을 평가하는 체계를 구축하였다.
특히, 담수호의 수자원의 시간적 변화에 따른 회복탄력성을 분석하기 위하여 동적 회복탄력성을 4가지 지표와 함께 분석하였다. 마지막으로 정적 회복탄력성과 동적 회복탄력성 결과 비교를 통해 동적 회복탄력성 방법의 효용성을 평가하였다.
본 연구에서 담수호의 수자원 관리 방안의 효율성 및 수질 개선 효과를 분석하기 위하여 기존 방식인 수질 개선 시나리오별 연평균 수질을 평가하는 방법과 새롭게 제안한 회복탄력성의 개념을 통한 평가 방법을 이용하였다. 특히, 담수호의 수자원의 시간적 변화에 따른 회복탄력성을 분석하기 위하여 동적 회복탄력성을 4가지 지표와 함께 분석하였다.
본 연구에서는 Fig. 2와 같이 시간별 회복탄력성의 변화를 확인하기 위해 우선, 식 (1)와 같이 시간별 시스템의 기능적 손실 (loss of performance)을 산정하였다. 본 연구에서는 시스템의 기능 저하로부터 회복되는 시점까지 총 소요되는 시간 (t0 -tR) 동안에 총 회복탄력성 손실량 값을 정적 회복탄력성의 값으로 정의하였다.
본 연구에서는 간월호 2 (중류, GW2) 지점과 간월호 3 (상류, GW3) 지점에 대하여 수질 보⋅검정을 수행하였으며, 목적함수는 (Observed Ave.)/(Simulated Ave.)의 값인 O/S를 이용하였다.
본 연구에서는 수질 개선 방안별 수자원의 활용 능력을 상대적으로 평가하기 위해 회복탄력성의 개념을 적용하였으며, 회복탄력성 개념 및 적용 절차를 규정하기 위한 프레임워크를 설계하였다 (Fig. 1). 기존의 수질 개선 방안의 평가 방식을 보완하기 위하여 본 연구에서 제안하는 프레임워크에서는 수질이 악화하는 구간에 대하여, 시스템의 회복 역량을 평가하는 방법 추가하였다.
2와 같이 시간별 회복탄력성의 변화를 확인하기 위해 우선, 식 (1)와 같이 시간별 시스템의 기능적 손실 (loss of performance)을 산정하였다. 본 연구에서는 시스템의 기능 저하로부터 회복되는 시점까지 총 소요되는 시간 (t0 -tR) 동안에 총 회복탄력성 손실량 값을 정적 회복탄력성의 값으로 정의하였다.
담수호의 수질 개선 방안별 회복탄력성 분석에 앞서 호내지점별로 시나리오별 수질 모의 결과를 비교하였다. 본 연구에서는 총 4개의 수질 개선 시나리오를 검토하였다 (Table 2). 현재 간월호에서는 Fig.
14와 같다. 본 연구에서는 회복탄력성 손실량의 총합을 통해 정적 회복탄력성을 산정하였고, 동적 회복탄력성 분석을 위한 보조 지표로서 강건성 (robustness), 자원효율성 (resourcefulness), 신속성 (rapidity) 3가지 차원을 활용하였다. 회복탄력성 변화에 따른 지표들을 살펴보면, 수질이 악화할 시에 시스템의 최대 악화 정도가 준설을 통해 개선됨을 확인할 수 있었으며, Fig.
식 (1)에서 산정한 시간별 손실량을 통해 아래 식 (2)와 같이, 시간별 회복탄력성 값을 앞선 Attoh-Okine et al. (2009)이제안한 방법과 유사하게 회복탄력성 분석 시점까지 소요되는 시간 (t-t0)을 고려하여, 시스템 손실량 (ρ(t))을 0에서 1 사이의 값으로 표준화한 회복탄력성 (r(t)) 산정 방법을 제안하였다.
2015년의 경우 초기에는 모형의 초깃값에 따른 영향을 고려하여, 2015년의 관측값 중 80일이 경과한 시점의 관측값을 검정에 활용하였다. 우선, 보정을 위하여, 온도, DO, 수질 항목 순으로 보정을 수행하였으며, EFDC 모형에서 수질 모의 시 조류 (algae)의 거동에 영향을 많이 받기 때문에 chl-a, T-N 등의 기타 수질 자료도 관측값을 참조하여, T-P 보정에 활용하였다. 보⋅검정 결과 (Fig.
본 연구에서 담수호의 수자원 관리 방안의 효율성 및 수질 개선 효과를 분석하기 위하여 기존 방식인 수질 개선 시나리오별 연평균 수질을 평가하는 방법과 새롭게 제안한 회복탄력성의 개념을 통한 평가 방법을 이용하였다. 특히, 담수호의 수자원의 시간적 변화에 따른 회복탄력성을 분석하기 위하여 동적 회복탄력성을 4가지 지표와 함께 분석하였다. 마지막으로 정적 회복탄력성과 동적 회복탄력성 결과 비교를 통해 동적 회복탄력성 방법의 효용성을 평가하였다.
본 연구에서는 총 4개의 수질 개선 시나리오를 검토하였다 (Table 2). 현재 간월호에서는 Fig. 9의 지점과 같이 준설을 시행하고 있 으며, 본 연구에서는 수질 개선을 위한 선제적 시나리오로서, 준설의 수행 정도를 시나리오로 구분하였다.
대상 데이터
간월호 호내 자료를 수집하기 위하여, 환경부 및 농어촌공사에서 제공하는 자료를 수집하였으며, 수질 자료는 Fig. 4(a) 과 같이 환경부에서 매월 1회 관측하는 3개 지점의 자료를 수집하였다. 간월호 유역에서는 유역 외부에서 들어오는 외부 유입수는 없으며, 간월호 내부의 양수장에서 취수하는 취수량을 유역 내 농업용수 관개량으로 이용하고 있다.
6). 1,879개의 수평방향격자와 5개의 수직방향격자로 총 9,395개의 격자로 구축하였다. 간월호의 수위 모의를 위하여 배수갑문 조작일지와 양⋅배수장 자료를 활용하였으며, 2015년부터 2017년까지 수위 모의를 수행하였다 (Fig.
O/S의 경우에는 1에 가까울수록 모형의 정확도가 높다고 할 수 있다. EFDC 모형의 경우 초기값에 영향을 많이받으므로 2016-2017년 자료에 대해 보정을 위한 자료로 활용 하였고, 2015년의 경우 검정을 위한 자료로 활용하였다. 2015년의 경우 초기에는 모형의 초깃값에 따른 영향을 고려하여, 2015년의 관측값 중 80일이 경과한 시점의 관측값을 검정에 활용하였다.
간월호 유역에서는 유역 외부에서 들어오는 외부 유입수는 없으며, 간월호 내부의 양수장에서 취수하는 취수량을 유역 내 농업용수 관개량으로 이용하고 있다. 간월호 유역 내 양수장은 5개로 궁리양수장, 사기양수장, 석포양수장, 지산양수장, 간월양수장 등이 위치하고 있으며, 농어촌공사에서 제공하는 양수장 운영 자료를 2015-2017년까지 자료 수집하였다 (Fig. 4(b)).
간월호의 수위 모의를 위하여 배수갑문 조작일지와 양⋅배수장 자료를 활용하였으며, 2015년부터 2017년까지 수위 모의를 수행하였다 (Fig. 7).
본 연구 유역 내에는 총 4개 하천 (도당천, 둔당천, 와룡천 및 청지천)에 각각 1개의 유량 및 수질 관측지점이 존재하며, 2011년-2018년까지부터 월 1회 측정한 자료를 수집하였다. 또한 서산시 및 홍성군에서 제공하는 유역 내 공공하수처리장 및 축산분뇨처리시설의 일별 방류량 및 수질 자료도 수집하여, 모형에 점오염원 입력자료로 활용하였다.
본 연구 유역 내에는 총 4개 하천 (도당천, 둔당천, 와룡천 및 청지천)에 각각 1개의 유량 및 수질 관측지점이 존재하며, 2011년-2018년까지부터 월 1회 측정한 자료를 수집하였다. 또한 서산시 및 홍성군에서 제공하는 유역 내 공공하수처리장 및 축산분뇨처리시설의 일별 방류량 및 수질 자료도 수집하여, 모형에 점오염원 입력자료로 활용하였다.
본 연구의 대상지로는 수질 악화 문제에 따른 다목적 용수 공급 및 주변부 농경지에 용수공급 실패와 친환경적 이용이 우려되는 서해안에 위치한 간월호 (천수만)을 선정하였다. 천수만의 경우 간척공사 이후 조류 속도 감소로 인한 퇴적물세립화 (Song et al.
데이터처리
우선, SWAT 모형을 이용하여 담수호 상류 유역으로부터 유입량과 수질을 해석의 재현성을 높이기 위하여 수문 및 수질 관측값을 이용하여 보⋅검정을 수행한다.
이론/모형
또한 EFDC 모형을 이용한 호소 수위 및 수질 모의 결과도 Hwang (2020)의 결과를 활용하였으며 보⋅검정 결과는 부록에 수록하였다.
담수호의 방안별 회복탄력성을 분석하는 것은 실제 관측하는 것이 가장 정확하다고 할 수 있으나, 시간 및 비용 한계를 지니고 있으므로 수문 및 호소 모형을 이용하여 각 방안별 평가를 수행하는 것이 가장 효율적이라 할 수 있다. 본 연구에서는 유역 모형으로 SWAT 모형, 호소 모형으로는 EFDC 모형을 이용하였으며, 국내 유역에 적용하여 검증된 바 있다 (Hwang et al., 2018; Shin et al., 2018; Shin et al., 2019). Fig.
본 연구에서는 유역 유입량 및 수질 모의는 SWAT 모형을이용하였으며, 보검정 결과는 Hwang (2020)의 결과를 활용하였다. 또한 EFDC 모형을 이용한 호소 수위 및 수질 모의 결과도 Hwang (2020)의 결과를 활용하였으며 보⋅검정 결과는 부록에 수록하였다.
성능/효과
간월호 상류 구역 (GW3) 및 중류 구역 (GW2)에 대하여 2015년의 시나리오별 간월호 T-P 수질 변화를 모의한 결과, 상류의 경우 T-P의 연평균 수질 농도는 아무 대책을 적용하지 않은 경우, 0.183 mg/L로 나타났으며, 호소수 농업용수 수질 기준인 0.1 mg/L (호소 생활환경기준 4등급, 농업용수 수질기준)를 초과하는 것으로 나타났다. 간월호 중류의 경우, 간월호 상류와는 달리 2015년 관측 평균 수질이 0.
1 mg/L (호소 생활환경기준 4등급, 농업용수 수질기준)를 초과하는 것으로 나타났다. 간월호 중류의 경우, 간월호 상류와는 달리 2015년 관측 평균 수질이 0.101 mg/L로 수질이 목표 수질 기준을 소폭 초과하고 있는 수준이며, 수질 개선방안을 통해 연평균 수질이 대체적으로 목표 수질 기준인 0.1 mg/L를 만족하는 것으로 나타났다. 이는 상류의 경우, 앞서 기술한 바와 같이 중간에 제방으로 차단되어 있고, 일부 수로를 통해서만 호소수가 순환하므로 상류에 위치한 하수처리장 방류수 및 비점오염원들이 체류되고 오염물질의 침전량이 많아 오염물질의 유입부하뿐만 아니라 내부부하량이 높게 나타났다.
12와 같다. 결과를 살펴보면, 세 가지 시나리오 (S0, S3, S4)에서 유사한 시점에서 각각의 수질 평균을 초과하는 것으로 나타났으나, 다시 수질 평균을 만족하는 시점은 각 시나리오별로 다르게 나타났다. 또한 준설을 시행한 시나리오의 경우 (S3, S4), 290일 주변에서 수질 수준을 회복하는 것으로 나타났으나 현재 상태의담수호 수자원 시스템은 수질 수준을 회복하기까지 상당한 시간이 소모되는 것을 확인할 수 있다.
또한 동적 회복탄력성을 분석해 보면, 담수호 수자원의 수자원 활용 기간을 확보하기 위해서는 담수호의 준설을 시나리오 S3보다 더 진행해야 할 것으로 보이나 비용 및 시간적인 문제를 고려한다면 강건성 및 자원 효율성에서 큰 차이를 보이고 있지 않으므로 준설을 시나리오 3 수준까지 시행하는 것만으로도 담수호의 회복탄력성을 효율적으로 높일 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 연중 수자원의 활용 측면에서는 시나리오 S3 정도의 수질 개선 방법도 충분히 고려할 수 있을 것이라 보여진다.
우선, 정적 회복탄력성 값을 비교해보면 준설을 상당히 시행한 S3에서부터 현재 기준으로 약 30% 이상의 회복탄력성을 회복하는 것으로 나타났으며, 담수호의 내적 회복능력이 상당 부분 개선됨을 알 수 있다. 또한 동적 회복탄력성을 분석해 보면, 담수호 수자원의 수자원 활용 기간을 확보하기 위해서는 담수호의 준설을 시나리오 S3보다 더 진행해야 할 것으로 보이나 비용 및 시간적인 문제를 고려한다면 강건성 및 자원 효율성에서 큰 차이를 보이고 있지 않으므로 준설을 시나리오 3 수준까지 시행하는 것만으로도 담수호의 회복탄력성을 효율적으로 높일 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 연중 수자원의 활용 측면에서는 시나리오 S3 정도의 수질 개선 방법도 충분히 고려할 수 있을 것이라 보여진다.
결과를 살펴보면, 세 가지 시나리오 (S0, S3, S4)에서 유사한 시점에서 각각의 수질 평균을 초과하는 것으로 나타났으나, 다시 수질 평균을 만족하는 시점은 각 시나리오별로 다르게 나타났다. 또한 준설을 시행한 시나리오의 경우 (S3, S4), 290일 주변에서 수질 수준을 회복하는 것으로 나타났으나 현재 상태의담수호 수자원 시스템은 수질 수준을 회복하기까지 상당한 시간이 소모되는 것을 확인할 수 있다. 이는 수질 기준을 초과 하는 담수호의 수자원 활용성이 낮다고 가정할 경우, 현재 담수호 시스템의 경우 수자원 활용성이 상당히 떨어짐을 알 수있고 준설로 인해 긴 기간은 아니지만 수자원 활용성을 높일수 있는 것으로 나타났다.
마지막으로 정적 회복탄력성과 동적 회복탄력성을 함께 고려해본다면 정적 회복탄력성은 하나의 값으로만 제시되기 때문에 시나리오 S3와 S4가 큰 차이를 보이고 있지 않으나, 동적 회복탄력성을 함께 비교함으로써 신속성의 차이를 확인할수 있었고, 정적 회복탄력성 해석만으로는 담수호의 회복 역량의 차이와 특징을 간과하는 부분이 생길 수도 있다는 것을 확인하였다. 따라서, 담수호 수자원 관리 계획의 목표에 따라 담수호의 내적 회복 역량을 다각적으로 해석이 가능하다는 점에서 동적 회복탄력성 기반의 시스템 해석이 효용적 가치를 지닌다고 할 수 있다.
보⋅검정 결과 (Fig. 8), 보정 값이 두 지점 모두 0.95 이상의 값으로 나타나, 보정이 잘 수행되었다고 볼 수 있다 (Table 1).
세 가지 시나리오에 대해 총 회복탄력성 손실량 값을 구해보면, S0 시나리오의 경우 (–)2.84로 나타났고, S3 시나리오의 경우 (–)2.20 그리고 S4 시나리오의 경우 (–)2.09로 나타났다.
따라서 본 연구에서는 담수호의 수질 기준을 초과하며 수질 악화를 겪고 있는 담수호의 상류 구역을 수질 악화에 따른 회복탄력성 분석을 위한 연구대상지로 한정하고 시나리오별 수질 모의 결과를 분석하였다. 수질 개선 방안별 수질 모의결과 (Fig. 10), T-P의 연평균 수질 농도는 시나리오별로 각각, S1 0.182 mg/L, S2 0.179 mg/L, S3 0.175 mg/L, S4 0.172 mg/L 로 나타났다. 상류 구역 (GW3)에 대해서 준설을 실시할 경우, 2015년에 여전히 목표 수질 기준인 0.
연평균 수질 평가를 통해 간월호 상류에서 준설 시나리오만을 적용한 S1-S4 시나리오는 모든 시나리오에서 연평균 목표 수질을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 하지만 준설은 담수호의 내부부하량을 저감하고, 수질 악화 시에 수질 회복 하는 역량을 높여줄 수 있는 중요한 요인이다.
앞선 회복탄력성 분석 결과를 요약해 보면 Table 3과 같다. 우선, 정적 회복탄력성 값을 비교해보면 준설을 상당히 시행한 S3에서부터 현재 기준으로 약 30% 이상의 회복탄력성을 회복하는 것으로 나타났으며, 담수호의 내적 회복능력이 상당 부분 개선됨을 알 수 있다. 또한 동적 회복탄력성을 분석해 보면, 담수호 수자원의 수자원 활용 기간을 확보하기 위해서는 담수호의 준설을 시나리오 S3보다 더 진행해야 할 것으로 보이나 비용 및 시간적인 문제를 고려한다면 강건성 및 자원 효율성에서 큰 차이를 보이고 있지 않으므로 준설을 시나리오 3 수준까지 시행하는 것만으로도 담수호의 회복탄력성을 효율적으로 높일 수 있다는 것을 알 수 있다.
13과 같다. 우선, 회복탄력손실량 변화를 살펴보면, 앞선 수질 모의 분석 결과와 유사하게 현재 상태의 담수호는 수질이 악화되는 상황에서 다시 평균 수질을 회복하지 못하고 360일경까지 회복탄력성 손실이 이어지는 것으로 나타났다. 하지만 준설을 시행하는 경우 Event#2가 발생하기 전에 이미 회복되는 (resilience 값이 0이상) 것을 확인할 수 있고 Event#2 역시 준설을 시행하지 않은 현재 시점보다 회복하는 기간이 더 짧은 것을 확인할 수 있다.
하지만 준설을 시행하는 경우 Event#2가 발생하기 전에 이미 회복되는 (resilience 값이 0이상) 것을 확인할 수 있고 Event#2 역시 준설을 시행하지 않은 현재 시점보다 회복하는 기간이 더 짧은 것을 확인할 수 있다. 이는 담수호 시스템이 회복탄력성을 가질수록 앞선 수질 악화 상황이 향후 수질 악화 상황에도 영향을 미쳐 수자원 활용 가능성을 높일 수 있다는 것을 보여준다.
또한 준설을 시행한 시나리오의 경우 (S3, S4), 290일 주변에서 수질 수준을 회복하는 것으로 나타났으나 현재 상태의담수호 수자원 시스템은 수질 수준을 회복하기까지 상당한 시간이 소모되는 것을 확인할 수 있다. 이는 수질 기준을 초과 하는 담수호의 수자원 활용성이 낮다고 가정할 경우, 현재 담수호 시스템의 경우 수자원 활용성이 상당히 떨어짐을 알 수있고 준설로 인해 긴 기간은 아니지만 수자원 활용성을 높일수 있는 것으로 나타났다.
정적 회복탄력성과 동적 회복탄력성을 비교한 결과, 정적 회복탄력성이 단일 값으로 제시되는 만큼 각 시나리오별 특징을 간과할 수 있다는 점과 동적 회복탄력성은 회복 능력의 시간적 변화 및 다각적인 해석이 가능다는 점을 확인할 수 있었다. 또한 동적 회복탄력성 분석 결과를 통해, 시나리오 S3와 S4가 동적 회복탄력성 지표 산정 결과 간에 큰 차이를 보이고 있지 않으므로 담수호 준설에 따른 시간 및 비용적 한계를 고려한다면 준설은 시나리오 S3의 수준에서 고려하고 추가적으로 담수호의 회복탄력성을 높이기 위한 방안을 검토 하는 것이 효율적인 담수호 수질 개선 방안으로 보인다.
후속연구
또한 회복탄력성 기반 프레임워크를 기반으로 담수호의 회복탄력성을 평가하고 회복탄력성을 높일 수 있는 수질 개선 방안을 도출하는 것은 담수호 수자원 시스템의 지속가능성을 평가 할 수 있는 중요한 도구라 할 수 있다. 따라서본 연구에서 제안한 프레임워크는 추후 담수호 수자원 시스템의 회복탄력성 분석 연구에 기초 자료로 활용될 수 있을 것이며, 담수호의 지속가능한 수자원 관리를 위한 의사결정 지원을 돕는 도구로 활용 가능할 것이다.
정적 회복탄력성과 동적 회복탄력성을 비교한 결과, 정적 회복탄력성이 단일 값으로 제시되는 만큼 각 시나리오별 특징을 간과할 수 있다는 점과 동적 회복탄력성은 회복 능력의 시간적 변화 및 다각적인 해석이 가능다는 점을 확인할 수 있었다. 또한 동적 회복탄력성 분석 결과를 통해, 시나리오 S3와 S4가 동적 회복탄력성 지표 산정 결과 간에 큰 차이를 보이고 있지 않으므로 담수호 준설에 따른 시간 및 비용적 한계를 고려한다면 준설은 시나리오 S3의 수준에서 고려하고 추가적으로 담수호의 회복탄력성을 높이기 위한 방안을 검토 하는 것이 효율적인 담수호 수질 개선 방안으로 보인다. 즉, 목표 수질을 달성하고 담수호의 수질 회복탄력성을 더욱 효율적으로 높이기 위해서는 호내 준설을 통한 내부부하량 감소뿐만 아니라 오염물질의 호내 유입 저감 등의 담수호의 수질 회복 능력을 도울 수 있는 추가적인 유역 관리 방안들이 주요하게 검토되어야 한다.
또한 동적 회복탄력성 분석 결과를 통해, 시나리오 S3와 S4가 동적 회복탄력성 지표 산정 결과 간에 큰 차이를 보이고 있지 않으므로 담수호 준설에 따른 시간 및 비용적 한계를 고려한다면 준설은 시나리오 S3의 수준에서 고려하고 추가적으로 담수호의 회복탄력성을 높이기 위한 방안을 검토 하는 것이 효율적인 담수호 수질 개선 방안으로 보인다. 즉, 목표 수질을 달성하고 담수호의 수질 회복탄력성을 더욱 효율적으로 높이기 위해서는 호내 준설을 통한 내부부하량 감소뿐만 아니라 오염물질의 호내 유입 저감 등의 담수호의 수질 회복 능력을 도울 수 있는 추가적인 유역 관리 방안들이 주요하게 검토되어야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
간월호를 3개 구역으로 나누며, 수질 (조류 및 용출) 모의 매개변수를 구역별로 구성한 이유는?
단, EFDC 모형의 경우 호내 수질의 변화는 외부에서 유입하는 오염물질 뿐만 아니라 내부 기작에 따른 계절별 변화에 따른 수질 변화, 조류 변화, 기상 변화 등에도 영향을 받으므로 본 연구의 분석 대상 물질은 아니나 T-N, Chl-a 등의 자료에 대해서도 모의 유사성을 가질 수 있도록 매개변수를 보⋅검정하였다. 또한 간월호의 경우, 앞서 기술한 바와 같이 호내 중간에 연결도로를 포함하고 있고, 제방으로 이루어져 좁은 수로 3개로 상류와 하류가 이어지기 때문에 호내 지점별 수질 특성이 상이하다. 따라서 간월호를 3개 구역으로 나누었으며, 수질 (조류 및 용출) 모의 매개변수를 구역별로 구성하였다.
담수호 수질 개선 결과를 평가하는 기존 방식을 설명하시오.
일반적으로 담수호 수질 개선 방안을 검토하는 절차는 문제를 정의하고, 시나리오를 구성하여 수문 및 수질 모형을 통해 대안별 수질 개선 결과를 평가하여 오고 있다. 담수호 수질 개선 결과를 평가하는 기존 방식은 (a) 특정 시기, (b) 목표 시기나 (c) 목표 유량 등을 기준으로 목표 수질 달성 여부를 장래 예측 년도 (b 혹은 c)의 평균값 (혹은 모의 기간 (a) 동안의 평균값)으로 평가해왔다 (Yoon and Ham, 2000; Choi et al., 2019). 하지만 연평균 수질 기준 (criteria)의 만족 여부를 통한 평가 방식은 담수호 수질의 시기별 중요성을 간과하기 쉽다.
담수호가 수질 오염 문제를 겪고 있는 이유는?
하구에 위치한 담수호는 오염 물질의 지속적인 유입 및 내 부부하 증가로 인해 수질 오염 문제를 겪고 있으며, 관리 기관 및 연구자들은 담수호의 수질을 개선하기 위한 다양한 노력을 기울이고 있다 (Hwang, 2020). 일반적으로 담수호 수질 개선 방안을 검토하는 절차는 문제를 정의하고, 시나리오를 구성하여 수문 및 수질 모형을 통해 대안별 수질 개선 결과를 평가하여 오고 있다.
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