[논문]EFDC모형을 이용한 담수화호의 염분분포모의

정기웅; 성충현; 이은정; 박승우

EFDC모형을 이용한 담수화호의 염분분포모의
Simulation of Salinity in Iwon Estuary Lake using EFDC model 원문보기

정기웅 (서울대학교 지역시스템공학부) , 성충현 (서울대학교 지역시스템공학부) , 이은정 (서울대학교 지역시스템공학부) , 박승우 (서울대학교 지역시스템공학부)

본 연구에서는 EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code) 모형을 이용하여 이원 담수화호의 염분분포를 모의하였다. SMS(Surface Water Modeling System) 모형을 이용하여 담수호에 대한 격자망을 구성하였다. 격자체계는 직교좌표계를 사용하였으며, 전체 2,620개의 유효계산격자를 구성하여 모형에 적용하였다. 수위 및 유량에 대한 경계조건은 기상자료와 배수갑문 운용자료를 통해 구축하였으며, 초기조건은 수위 실측자료를 이용하였다. 담수호의 염분모의를 위한 모형의 경계 조건은 호내에 위치한 5개소의 실측자료를 이용하였으며, 유역에서의 유입수염분농도는 0.2 ppt, 방조제 외측으로부터의 유입수 염분농도는 해수조건(30 ppt)을 적용하였다. 염분분포 모의를 위해 2006년부터 2008년까지 3년동안의 염분농도 실측자료를 이용하여 보정과 검정을 실시한 결과, 대상 지역에 대해 EFDC 모형의 적용성이 있는 것으로 나타났다.

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문제 정의

본 연구에서는 EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code) 모형을 이용하여 이원 담수화호의 염분분포를 모의하였으며, 2006년부터 2008년까지의 염분농도 실측자료를 이용하여 보정과 검정을 실시하였다. 3 년간의 실측자료를 바탕으로 이원담수호에 대한 염분분포를 모의하였으며, 향후 완전 담수환경으로 이뤄지는 시기에 담수호내 수환경 관리에 대한 기초자료로 활용하고자 한다.
특히, 방조제 축조 후에 생기는 간척지의 토양은 일반적으로 가용성 염류와 치환성 나트륨이 과다하게 함유되어 있기 때문에 염분 농도가 대단히 높으며, 작물생육에 큰 저해요인이 된다(강예묵, 1993). 따라서 간 척 후의 담수호를 통한 용수활용 및 농지개발을 위해서 호내의 염분분포를 모의할 필요성이 있으며, 이를 활용하여 담수호내 작물 염해피해의 대책수립을 위한 기초자료를 구축할 수 있다.

제안 방법

1) 대상 지역에 대해 2,620개의 격자를 구성하였고, 배수갑문 운용자료 및 수위자료와 5개소의 염분농도 실측자료를 바탕으로 초기조건과 경계조건을 설정하였다.
8개소의 염분농도 실측자료에 대해 보정 및 검정을 실시하였다. 보정기간은 2006년 3월부터 2007년 7월까지이며, 검정은 2007년 8월부터 2008년 7월까지 실시하였다.
격자체계는 직교좌표계를 사용하였으며, 유효계산격자는 2,620개의 93 × 94 격자망(34 m × 30 m), 수직방향으로 4개의 등 간격층으로 구성하였다(그림 2).
이원호 방조제를 통한 방류 및 수문 개통에 따른 염분의 변화를 알기 위해서 염분 농도의 초기치는 담수호내 5개소의 실측자료에 대하여 Thiessen 가중법(Thiessen's weighting method)을 적 용한 값을 입력하였다. 경계조건으로 유입수의 염분농도는 0.2 ppt를 적용하였고, 배수갑문 역유입으로 인한 염분은 해수 조건(30 ppt)으로 입력하였다.
모형에 입력한 수심은 관측된 수위자료와 지형자료를 이용하여 계산하였으며, 초기조건은 실측 자료를 적용하였다. 담수호에 대한 유입량은 유역에서의 유입량, 방조제 누수에 따른 유입량, 배수 갑문 역유입 유량으로 구분하였으며, 유출량은 배수갑문 개폐에 따른 수위변화를 고려하여 적용하였다.
모형에 입력한 수심은 관측된 수위자료와 지형자료를 이용하여 계산하였으며, 초기조건은 실측 자료를 적용하였다. 담수호에 대한 유입량은 유역에서의 유입량, 방조제 누수에 따른 유입량, 배수 갑문 역유입 유량으로 구분하였으며, 유출량은 배수갑문 개폐에 따른 수위변화를 고려하여 적용하였다.
본 연구에서는 EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code) 모형을 이용하여 이원 담수화호의 염분분포를 모의하였고, 모의한 결과에 대해 2006년부터 2008년까지의 실측자료를 바탕으로 보정과 검정을 수행하였다. 본 연구의 결과를 정리하면 다음과 같다.
본 연구에서는 EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code) 모형을 이용하여 이원 담수화호의 염분분포를 모의하였으며, 2006년부터 2008년까지의 염분농도 실측자료를 이용하여 보정과 검정을 실시하였다. 3 년간의 실측자료를 바탕으로 이원담수호에 대한 염분분포를 모의하였으며, 향후 완전 담수환경으로 이뤄지는 시기에 담수호내 수환경 관리에 대한 기초자료로 활용하고자 한다.

대상 데이터

이원담수호는 충남 태안군 원북면 방갈리 민어도에서 이원면 관리 반금봉을 연결하며, 간척농지 개발사업은 1990년에 착공하여 1997년 최종물막이 공사가 완료되었다. 담수호 면적은 282 ha이고, 방조제 길이는 2,981 m이다. 부대시설은 배수갑문, 어도, 진입도로 및 선착장을 갖추고 있다.
8개소의 염분농도 실측자료에 대해 보정 및 검정을 실시하였다. 보정기간은 2006년 3월부터 2007년 7월까지이며, 검정은 2007년 8월부터 2008년 7월까지 실시하였다. 모형보정 및 검정의 목적함수로서 결정계수 (R²), RMSE(root mean square error), RMAE(relative mean absolute error), 효율지수(coefficient of efficiency, EI(Nash, Sutcliffe, 1970) 등의 통계적인 변량을 이용하였다.

이론/모형

Galperin et al.(1988)에 의해 수정된 Mellor-Yamada level 2.5 난류모델(Mellor and Yamada, 1982)을 사용하여 수직혼합을 계산하고, 질량보존법칙을 사용하여 조간대 처리가 가능하며, 수평와동 점성계수는 Smagorinsky(1963)의 식을 이용한다. 내부와 외부모드를 분리하여 계산하는 모드분리법을 적용하여 계산시간을 단축시키며, HEM-3D(Three-Dimensional Hydrodynamic Eutrophication Model)와 연계가 가능하다.
수치모형을 이용한 염분분포를 모의하기 위하여 필요한 기본적인 자료는 지형자료, 평면격자자료, 담수호 경계조건(수위, 염분농도, 유입량) 및 기타 기상자료 등이 있다. SMS(Surface Water Modeling System) 모형을 이용하여 담수호에 대한 격자망을 구성하였다. 격자체계는 직교좌표계를 사용하였으며, 유효계산격자는 2,620개의 93 × 94 격자망(34 m × 30 m), 수직방향으로 4개의 등 간격층으로 구성하였다(그림 2).
보정기간은 2006년 3월부터 2007년 7월까지이며, 검정은 2007년 8월부터 2008년 7월까지 실시하였다. 모형보정 및 검정의 목적함수로서 결정계수 (R²), RMSE(root mean square error), RMAE(relative mean absolute error), 효율지수(coefficient of efficiency, EI(Nash, Sutcliffe, 1970) 등의 통계적인 변량을 이용하였다.
이원호 방조제를 통한 방류 및 수문 개통에 따른 염분의 변화를 알기 위해서 염분 농도의 초기치는 담수호내 5개소의 실측자료에 대하여 Thiessen 가중법(Thiessen's weighting method)을 적 용한 값을 입력하였다.

성능/효과

2) 2006년 3월부터 2007년 7월까지 염분농도에 대한 모형의 보정을 실시한 결과, R2은 측점별로 0.72∼ 0.83로 모의치가 실측치의 경향을 따르도록 모형의 보정을 실시하였다.

후속연구

3) 보정 결과를 바탕으로 2007년 8월부터 2008년 7월까지 염분농도에 대한 모형의 검정을 실시한 결과, R2은 측점별로 0.71∼0.85로 모형 보정 수준과 비슷하게 산정되어 모형의 적용성이 있는 것으로 나타났으며, 이를 이용하여 향후 담수호내 작물 염해피해의 대책수립을 위한 기초자료로 활용할 수 있다.

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