The Unpleasant Tastes and Odors Predictions of Algae in Shallow Lentic Waterbodies Using 2/3-Dimensional Hydrodynamic-Ecological Models and the Water Quality Dynamics Assessments

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The recent increase in algal bloom in stagnant water areas, especially the proliferation of blue-green algae, may lead to by-products such as toxic or tastes and odors that could disrupt the water supply. The most well-known taste and odor compounds (T&Os) are 2-methylisoborneol (2-MIB) and trans-1,10-dimethyl-trans-9-decalol (geosmin), both of which can be detected by humans even when they are in extremely low concentrations (10 ng/L or below), thereby implying an urgent need to develop a technique for predicting these compounds. In this study, two/three-dimensional (2/3D) models were used to reflect the complex physical characteristics of shallow lentic waterbodies to establish a modeling technique that predicts the algae and T&Os they produce. To analyze the spatiotemporal characteristics of water quality, algae, and T&Os, and to apply the data to the modeling, field investigation and modeling using the 2D CE-QUAL-W2, 3D estuary, lake, and coastal ocean model (ELCOM) and the computational aquatic ecosystem dynamic model (CAEDYM) were simultaneously carried out. The target areas were Jinyang Reservoir, three dams on the North Han River (Euiam, Cheongpyeong and Paldang Dam), and eight weirs on the Nakdong River (Sangju, Nakdan, Gumi, Chilgok, Gangjeong Goryeong, Dalseong, Hapcheon Changnyeong and Changnyeong Haman Weir). Modeling results demonstrated that the models had appropriately reproduced the actual algae and T&Os in all reservoirs and regulated river, and realistically described the physical parameters of the T&Os and their effects on water quality. Applying modeling to the prediction technique is likely to allow efficient future management of raw water and operation of dams and weirs. Further, a high-resolution hydrodynamic-water quality-ecological model was used to assess the spatiotemporal water quality and behavior of algae, targeting areas of the Hapcheon Changnyeong Weir in the Nakdong River, the Seungchon Weir in the Yeongsan River, and Gyeongin-Ara Waterway (GAW), an artificial waterway. A dynamic analysis was carried out to determine the correlations among flow rate, retention time, and nutrients distribution. The findings led to potential solutions to address the formation of stagnant water areas in specific locations and the management of multifunctional weirs. GAW exhibits complex hydrodynamic characteristics as it is a point at which the flows of fresh water and sea water converge. Moreover, as an artificial waterway, its water quality and fish ecology also display highly unique characteristics. A sophisticated 2D model with respect to the water level was applied to successfully simulate the water movement in GAW and the hypoxic phenomenon during the summer season; based on the results, the fish habitats were quantified according to the volumetric rate. The modeling technique used in this study was determined to be readily applicable to shallow lentic waterbodies, and will prove useful in the efficient and scientific management of water quality and ecology in future.

국문 초록 (Abstract)

최근 정체 수역에서 증가하고 있는 녹조현상, 특히 남조류의 번성은 독소나 이취미 물질과 같은 부산물을 생산하며, 이로 인해 수돗물 공급에 차질을 빚기도 한다. 대표적인 이취미물질은 2-MIB와 geosmin으로 알려져 있으며 매우 낮은 농도에서 사람에게 감지되기 때문에 이를 예측할 수 있는 기술의 개발이 시급하게 요구되고 있다. 본 연구에서는 2/3차원 모형을 이용하여 수심이 얕고 정체된 수역에서의 복잡한 물리적 특성을 반영하여 조류와 조류 이취미 물질을 예측하는 모델링 기술을 정립하고자 하였다. 수질, 조류, 이취미 물질의 시공간적 발생특성을 파악하고 이를 모델링에 적용하기 위하여 현장조사를 병행하였으며, 2차원 CE-QUAL-W2 모형과 3차원 ELCOM?CAEDYM 모형을 적용하였다. 2차원 CE-QUAL-W2는 이취미를 모의하기 위하여 소스코드를 수정하여 개선 후 적용하였으며, ELCOM-CAEDYM은 대사물질 모의기능을 적용하였다. 대상지는 진양호, 북한강 수계 3개 댐 (의암댐 ～ 팔당댐), 낙동강 수개 8개보 (상주보 ～ 창녕함안보)를 연구대상으로 적용하였다. 모델링 결과, 전체 댐과 보에서 모델이 실제 조류와 이취미의 발생을 적절하게 재현하였으며, 이취미가 발생하는 물리적 요인과 수질의 영향을 실제와 유사하게 설명하는 것으로 나타났다. 모델링을 이용한 예측기술은 향후 원수 관리 및 댐과 보의 운영에 효율적으로 적용될 수 있을 것으로 판단된다. 한편, 고해상도의 수리-수질-생태 모형을 적용하여 시공간적인 수질과 조류 클로로필의 거동을 평가하는 연구를 수행하였으며, 낙동강의 합천창녕보와 영산강의 승촌보, 인공기수역으로 운영되는 경인아라뱃길을 연구 대상지로 하였다. 유속, 체류시간, 영양염 분포와 조류발생의 상관성을 동적으로 해석 할 수 있었으며, 이를 통해 공간적으로 발생하는 정체수역의 형성과 이를 해소하기 위한 다기능 보의 운영방안을 모색할 수 있었다. 경인아라뱃길은 담수와 해수가 유입하며 수리적으로 매우 복잡한 특징을 나타내며, 인공기수역으로서 수질과 어류생태 역시 매우 독특한 특성을 보인다. 수심방향으로 정교한 2차원 모형을 적용하여 경인아라뱃길의 수체 거동 특성과 하절기 빈산소 현상을 성공적으로 모의하였으며 이를 어류 서식처의 체적비로 정량화 하는데 이용하였다. 본 연구에서 적용된 모델링 기법은 수심이 얕고 정체된 수역에서 적용성이 높았으며 향후 과학적인 수질 및 수생태 관리에 효율적으로 적용될 수 있을 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• OVERALL INTRODUCTION 1
• CHAPTER 1 : Predicting Taste and Odor Compounds in a Shallow Reservoir Using a Three-Dimensional Hydrodynamic Ecological Model 7
• 1.1. Introduction 8
• 1.2. Materials and Methods 11
• 1.3. Results of the Field Survey for Algae and Taste and Odor Compounds 20
• 1.4. Model Prediction Results for Algae and Taste and Odor Compounds 27
• 1.5. Conclusions 47
• CHAPTER 2 : Development and Applicability Evaluation of a Model for Short-term Predicting Taste and Odor Compounds Using a Two-Dimensional Model 51
• 2.1. Introduction 52
• 2.2. Materials and Methods 54
• 2.3. Results and Discussion 63
• 2.4. Conclusions 83
• CHAPTER 3 : Long-term Prediction of Geosmin for Multiple Dams and Calculation of Model Parameters Using a Two-Dimensional Model 85
• 3.1. Introduction 86
• 3.2. Materials and Methods 88
• 3.3. Results and Discussion 97
• 3.4. Conclusions 114
• CHAPTER 4 : Modeling Summer Hypoxia Spatial Distribution and Fish Habitat Volume in Artificial Estuarine Waterway 117
• 4.1. Introduction 118
• 4.2. Materials and Methods 121
• 4.3. Results and Discussion 129
• 4.4. Conclusions 155
• CHAPTER 5 : Evaluation of Applicability of High Resolution 3-Dimensional model for Analysis of Water quality and Algae Dynamics in a Regulated River 157
• 5.1. Introduction 158
• 5.2. Materials and Methods 160
• 5.3. Results and Discussion 168
• 5.4. Conclusions 179
• CHAPTER 6 : Modeling of the Flushing Effect of Multifunctional Weir Operation on Algae Removal 181
• 6.1. Introduction 182
• 6.2. Materials and Methods 186
• 6.3. Results and Discussion 194
• 6.4. Conclusions 210
• OVERALL DISCUSSION AND CONCLUSIONS 213
• REFERENCES 219
• ABSTRACT 241