효과적인 저수지 수질관리를 위해서는 신뢰도 높은 수리 및 수질모델이 필요하며, 이러한 모델의 성능은 다양한 수문사상에 대하여 적용함으로써 검증할 수 있다. CE-QUAL-W2 모델(이후 W2)은 횡방향 평균 2차원 수리 수질 해석 모델로써 수체의 길이에 비해 폭이 상대적으로 좁고 수심이 깊은 우리나라 대부분의 저수지 지형에 적합한 모델이다. 본 연구의 목적은 기존 연구에서 가뭄년인 2001년과 평수년인 2004년 수문사상에 대하여 보정한 대청호 W2 부영양화모델을 최근 평수년인 2006년과 가뭄년인 2008년을 대상으로 검증하는데 있다. 모델의 검증은 물수지, 수온성층 구조 변화, 부영양화 해석에 중점을 두었으며, 실측자료와 모의결과의 적합성 비교 평가는 결정계수값$(R^2)$, AME(absolute mean error)와 RMSE(root mean square error)를 이용하였다. 저수지 물수지의 적합성을 검증하기 위하여 모의수위와 실측수위를 비교한 결과, $R^2$값이 2006년과 2008년에 각각 0.9945, 0.9972로 나타나 신뢰도가 높은 것으로 확인되었다. 계절별 성층구조 변화 모의 성능을 검증하기 위해 회남수역과 댐 앞 지점에서 수심별 수온의 모의값과 실측값을 비교하였다. 2006년의 경우 모델은 홍수기 동안 안정적으로 수온 성층현상을 모의하였으나, 댐 앞 지점에서 수온 약층이 형성된 구간에서 실측값과 다소 편차를 보였으며, 오차크기는 AME가 $0.561\sim2.088^{\circ}C$, RMSE는 $0.797\sim2.762^{\circ}C$범위였다. 반면, 가뭄년인 2008년에는 전 기간에 걸쳐 모두 안정적으로 저수지 수온 성층현상을 모의하였으며, 오차크기는 AME $0.413\sim1.162^{\circ}C$, RMSE $0.546\sim1.415^{\circ}C$ 범위였다. 조류의 생산성이 높은 표층에서 T-N, T-P 및 Chl-a 농도 모의결과를 장계교, 대정리, 회남대교, 댐 앞, 추동취수탑 및 문의취수탑에서 시계열로 실측값과 비교 검증한 결과, T-N과 T-P는 2006년과 2008년 모두 모든 비교 지점에서 모의값과 실측값의 시계열 변동이 매우 잘 일치하였으며, 홍수기 이외 기간에는 큰 변동 폭을 보이지 않았다. 그러나 기존 연구에서 확인된 바와 같이 7월 이후부터 T-P 모의값이 실측값을 과대 산정하는 경향을 보였는데, 그 원인은 산소 결핍상태에서 저니층에서 용출되는 철(Fe) 또는 망간(Mn)과 같은 이온 성분이 인과 흡착하여 침전되는 기작이 모의과정에 적절히 반영되지 않은 것이 원인으로 판단된다. 조류(Chl-a)농도의 경우, 2006년과 2008년에 모든 지점에서 모델은 조류의 발생과 시계열 변화를 적절히 모의하였으나, 2008년 1월부터 8월까지 댐 앞과 추동 및 문의취수탑에서는 모의값이 실측값을 과대 산정하는 경향을 보였다. 이는 해마다 그리고 계절별로 우점하는 조류 종이 상이한 반면, 모델에서는 이에 대한 매개변수를 적절히 고려하지 못한 것이 원인으로 판단된다.
효과적인 저수지 수질관리를 위해서는 신뢰도 높은 수리 및 수질모델이 필요하며, 이러한 모델의 성능은 다양한 수문사상에 대하여 적용함으로써 검증할 수 있다. CE-QUAL-W2 모델(이후 W2)은 횡방향 평균 2차원 수리 수질 해석 모델로써 수체의 길이에 비해 폭이 상대적으로 좁고 수심이 깊은 우리나라 대부분의 저수지 지형에 적합한 모델이다. 본 연구의 목적은 기존 연구에서 가뭄년인 2001년과 평수년인 2004년 수문사상에 대하여 보정한 대청호 W2 부영양화모델을 최근 평수년인 2006년과 가뭄년인 2008년을 대상으로 검증하는데 있다. 모델의 검증은 물수지, 수온성층 구조 변화, 부영양화 해석에 중점을 두었으며, 실측자료와 모의결과의 적합성 비교 평가는 결정계수값$(R^2)$, AME(absolute mean error)와 RMSE(root mean square error)를 이용하였다. 저수지 물수지의 적합성을 검증하기 위하여 모의수위와 실측수위를 비교한 결과, $R^2$값이 2006년과 2008년에 각각 0.9945, 0.9972로 나타나 신뢰도가 높은 것으로 확인되었다. 계절별 성층구조 변화 모의 성능을 검증하기 위해 회남수역과 댐 앞 지점에서 수심별 수온의 모의값과 실측값을 비교하였다. 2006년의 경우 모델은 홍수기 동안 안정적으로 수온 성층현상을 모의하였으나, 댐 앞 지점에서 수온 약층이 형성된 구간에서 실측값과 다소 편차를 보였으며, 오차크기는 AME가 $0.561\sim2.088^{\circ}C$, RMSE는 $0.797\sim2.762^{\circ}C$범위였다. 반면, 가뭄년인 2008년에는 전 기간에 걸쳐 모두 안정적으로 저수지 수온 성층현상을 모의하였으며, 오차크기는 AME $0.413\sim1.162^{\circ}C$, RMSE $0.546\sim1.415^{\circ}C$ 범위였다. 조류의 생산성이 높은 표층에서 T-N, T-P 및 Chl-a 농도 모의결과를 장계교, 대정리, 회남대교, 댐 앞, 추동취수탑 및 문의취수탑에서 시계열로 실측값과 비교 검증한 결과, T-N과 T-P는 2006년과 2008년 모두 모든 비교 지점에서 모의값과 실측값의 시계열 변동이 매우 잘 일치하였으며, 홍수기 이외 기간에는 큰 변동 폭을 보이지 않았다. 그러나 기존 연구에서 확인된 바와 같이 7월 이후부터 T-P 모의값이 실측값을 과대 산정하는 경향을 보였는데, 그 원인은 산소 결핍상태에서 저니층에서 용출되는 철(Fe) 또는 망간(Mn)과 같은 이온 성분이 인과 흡착하여 침전되는 기작이 모의과정에 적절히 반영되지 않은 것이 원인으로 판단된다. 조류(Chl-a)농도의 경우, 2006년과 2008년에 모든 지점에서 모델은 조류의 발생과 시계열 변화를 적절히 모의하였으나, 2008년 1월부터 8월까지 댐 앞과 추동 및 문의취수탑에서는 모의값이 실측값을 과대 산정하는 경향을 보였다. 이는 해마다 그리고 계절별로 우점하는 조류 종이 상이한 반면, 모델에서는 이에 대한 매개변수를 적절히 고려하지 못한 것이 원인으로 판단된다.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구의 목적은 기존 연구에서 가뭄년인 2001년과 평수년인 2004년 수문사상에 대하여 보정한 대청호 W2 부영양화모델을 최근 평수년인 2006년과 가뭄년인 2008년을 대상으로 검증하는데 있다. 모델의 검증은 물수지 수온성층 구조 변화, 부영양화 해석에 중점을 두었으며, 실측자료와 모의결과의 적합성의 비교 및 평가는 R2, AME 와 RMSE를 이용하였다.
입력자료 구성을 위한 강우량, 유입량, 방류량, 저수지 수위 등과 같은 수문자료와 댐 운영 자료는 WAMIS 데이터베이스에서 수집하였다. 지류의 유입 유량자료는 실측자료를 구할 수 없어 대청댐의 총 유입량을 유역면적비로 환산하여 산정하였다. 또한 풍향과 풍속은 문의 면사무소에 설치한 자동기상관측소(AWS) 자료를 사용하였으며, 그 밖의 기상자료는 대청호에서 서쪽방향으로 8 km 떨어진 곳에 위치한 대전 기상대의 관측 자료를 사용하였다.
대상 데이터
댐 유역은 동경 126˚ 41' ~128° 45', 북위 35° 35' ~ 37° 05'에 위치하고 있으며, 유역면적은 4,134 km2이다.
지류의 유입 유량자료는 실측자료를 구할 수 없어 대청댐의 총 유입량을 유역면적비로 환산하여 산정하였다. 또한 풍향과 풍속은 문의 면사무소에 설치한 자동기상관측소(AWS) 자료를 사용하였으며, 그 밖의 기상자료는 대청호에서 서쪽방향으로 8 km 떨어진 곳에 위치한 대전 기상대의 관측 자료를 사용하였다.
모델의 매개변수로는 운동량 방정식의 평균화 과정에서 발생된 와점성계수 AX, 질량 또는 열 보존 방정식의 평균화 과정에서 발생된 와확산계수 DX, 바닥과 수체간의 마찰계수, 바람의 차단효과를 정량적으로 반영하는 WSC, 물에 의한 광전달 감쇠효과를 나타내는 EXH20과 태양복사에너지 중 저수지 수면으로부터 0.6m 깊이에 흡수되는 비율을 나타내는 BETA, 저수지 바닥층과 수층의 열 교환 계수 CBHE 등이 있으며, 이들 매개변수 값은 선행연구(정세웅 등, 2005)에서 보정한 값을 이용하였다.
입력자료 구성을 위한 강우량, 유입량, 방류량, 저수지 수위 등과 같은 수문자료와 댐 운영 자료는 WAMIS 데이터베이스에서 수집하였다. 지류의 유입 유량자료는 실측자료를 구할 수 없어 대청댐의 총 유입량을 유역면적비로 환산하여 산정하였다.
데이터처리
모델의 검증은 물수지 수온성층 구조 변화, 부영양화 해석에 중점을 두었으며, 실측자료와 모의결과의 적합성의 비교 및 평가는 R2, AME 와 RMSE를 이용하였다.
성능/효과
지금까지 W2모델의 적용 결과, 대부분의 호수에서 조류 관련 반응속도와 매개변수는 초기값을 사용하여도 매우 만족할 만한 결과를 주었다. 따라서 영양염류와 관련한 주요 보정 매개변수는 퇴적층으로부터 인과 암모니아의 용출율이며, 용존산소 농도는 저니층산소요구량(SOD)이 되며, 부영양화 모의에서 고려한 조류는 여름철에 우점하는 남조류(Microcystis)를 대상으로 하였다.
또한, 2006년과 2008년에 모델은 저수지내 각 측정지점에서 T-P 농도의 동적인 변화 추세를 비교적 잘 반영하였고, T-N 농도와 마찬가지로 홍수 유입에 따른 지점별 농도변화를 잘 모의하고 있는 것으로 나타났다.
본 연구에서 사용된 W2모델은 미공병단에서 개발된 횡방향 평균 2차원 수리 · 수질 해석 수치모델로 대청호와 같이 폭이 좁고 긴 우리나라 저수지에 적합하다.
저수지 표층에서 T-N, T-P 및 Chl-a 농도 모의결과를 모든 지점에서 실측값과 시계열로 비교한 결과, T-N과 T-P는 2006년과 2008년에 모든 비교 지점에서 모의값과 실측값의 시계열 변동이 매우 잘 일치하였으며, 홍수기 이외 기간에는 큰 변동 폭을 보이지 않았다.
또한 모델에서 조류와 영양염류, 유기물 모의에 관계되는 매개변수 중 대부분이 온도에 따른 반응속도 보정을 위한 변수와 화학양론 관련 매개변수이므로 고정값으로 고려하였다. 지금까지 W2모델의 적용 결과, 대부분의 호수에서 조류 관련 반응속도와 매개변수는 초기값을 사용하여도 매우 만족할 만한 결과를 주었다. 따라서 영양염류와 관련한 주요 보정 매개변수는 퇴적층으로부터 인과 암모니아의 용출율이며, 용존산소 농도는 저니층산소요구량(SOD)이 되며, 부영양화 모의에서 고려한 조류는 여름철에 우점하는 남조류(Microcystis)를 대상으로 하였다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.