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국가 물환경관리정책 지원을 위한 수질모델링 기술의 발전방향
정세웅 ( Chung Sewoong ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-
전 지구적으로 인간의 직접적 및 간접적 활동이 하천, 호수, 저수지, 하구 등 수 환경에 미치는 영향은 지속적으로 증가하고 있다. 특히 지난 50년은 이러한 인위적 영향이 가장 강하고 급격히 일어난 시기였으며, 유역의 기후·수문 및 토지이용 변화와 함께 수질 오염, 부영양화, 생물다양성 감소와 생태계 서비스 악화 등 다양한 문제를 야기하고 있다. 이러한 인간활동에 의한 수환경의 잠재적 변화를 과학적으로 이해하고 예측하기 위한 수 생태시스템(aquatic ecosystems) 해석 모델(유역, 수리·수질, 생태 모델을 포괄)의 수요는 빠르게 증가하고 있으며 연구개발도 확대되고 있다. 수 생태시스템 모델 중 고전적 보존법칙과 역학적 이론에 근거한 수질모델은 외부의 교란에 대한 대상 수체의 물리적, 화학적, 생물학적 반응 관계를 모의 해석하는 과학적 도구에 해당한다. 전 세계적으로 수질모델링 기술은 수량·수질 통합관리를 위해 필요한 핵심 요소 기술로써 비용적 측면과 현실적인 이유로 현장실험을 통해 파악하기 어려운 환경문제를 컴퓨터의 가상공간에서 해석하는데 활발히 이용되고 있다. 국내에서도 수자원 계획 및 정책의 평가, 하천유지유량(수질, 생태 필요 수량) 산정, 수질오염총량관리, 환경영향평가, 기후변화에 따른 수환경 취약성 평가, 댐과 보 등의 시설물 운영, 수질예보 등에서 기술개발 수요와 활용도가 증가하고 있다. 최근 컴퓨터 기술의 발전과 함께 수질모델은 3차원 수리해석과 연동된 수질, 생태모델링이 가능한 수준까지 발전하였다. 그러나, 모델의 복잡도(complexity) 증가에 따른 모의 결과의 불확도(uncertainty) 문제, 저산소(hypoxia)와 녹조(algal bloom)와 같은 복잡한 수질 및 수생태 해석에 대한 지식적 한계(knowledge gaps), 불투명한 결정론적(deterministic) 모델링 과정에 대한 이해당사자들의 불신 등의 문제는 수질모델이 국가 물환경관리를 위한 정책 지원에 실질적으로 활용되는데 중요한 걸림돌이 되고 있다. 이러한 문제는 비단 국내에서만의 문제는 아니며, 최근 들어 다양한 연구논문들이 수질모델의 이러한 한계점을 극복할 수 있는 대안을 제시하고 있다. 본 주제발표의 목적은 수질모델의 필요성과 원리를 간략히 소개하고, 문헌과 사례 조사를 통해 최근의 연구동향을 고찰한 후, 과학적 국가 물환경 관리 정책 지원을 위한 수질모델의 발전방향에 대한 소견을 제시하는데 있다. 수질모델의 발전방향은 매개변수의 민감도와 모델 불확도의 정량화, 고빈도·고해상도 센서 자료를 이용한 입력자료 불확도 최소화, 수체-퇴적물 물질교환과 조류 생태모델링의 고도화, 모델링 과정의 투명성 제고, 역학적 모델과 자료기반 모델(인공지능 및 기계학습)의 강점을 결합한 새로운 개념의 모델링 기법을 최신 연구사례를 중심으로 제시하고자 한다.
국가 물환경관리정책 지원을 위한 수질모델링 기술의 발전방향
정세웅 ( Sewoong Chung ),김성진 ( Sungjin Kim ),박형석 ( Hyungseok Park ),서동일 ( Dongil Seo ) 한국물환경학회(구 한국수질보전학회) 2020 한국물환경학회지 Vol.36 No.6
Water quality models are scientific tools that simulate and interpret the relationship between physical, chemical and biological reactions to external pollutant loads in water systems. They are actively used as a key technology in environmental water management. With recent advances in computational power, water quality modeling technology has evolved into a coupled three-dimensional modeling of hydrodynamics, water quality, and ecological inputs. However, there is uncertainty in the simulated results due to the increasing model complexity, knowledge gaps in simulating complex aquatic ecosystem, and the distrust of stakeholders due to nontransparent modeling processes. These issues have become difficult obstacles for the practical use of water quality models in the water management decision process. The objectives of this paper were to review the theoretical background, needs, and development status of water quality modeling technology. Additionally, we present the potential future directions of water quality modeling technology as a scientific tool for national environmental water management. The main development directions can be summarized as follows: quantification of parameter sensitivities and model uncertainty, acquisition and use of high frequency and high resolution data based on IoT sensor technology, conjunctive use of mechanistic models and data-driven models, and securing transparency in the water quality modeling process. These advances in the field of water quality modeling warrant joint research with modeling experts, statisticians, and ecologists, combined with active communication between policy makers and stakeholders.
박형석 ( Hyungseok Park ),정세웅 ( Sewoong Chung ),김동민 ( Dongmin Kim ),최선화 ( Sunwha Choi ) 한국농공학회 2016 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2016 No.-
국내 대부분의 농업용 저수지는 부영양화와 높은 유기물 오염도를 보이고 있으며, 일부 저수지에서는 녹조 및 악취 발생 등으로 인해 용수 활용에 제약을 받고 있다. 저수지의 수질개선을 위해 다양한 물리적, 화학적, 생물학적 신 기술들이 개발 및 적용되고 있지만, 처리규모의 한계, 유지관리의 어려움, 경제성 등의 이유로 실용화에 어려움을 겪고 있다. 본 연구의 목적은 현장 추적자 실험을 통해 농업용 저수지의 수질개선을 위해 개발 중인 수질개선 장치들의 제트류의 물리적 영향 반경을 평가하는데 있으며, 연구결과는 수처리 장치들의 적절한 규모 및 설치 위치를 선정하는데 활용될 수 있다. 실험은 충청남도의 J저수지와 경기도 M저수지에서 시범적용중인 마이크로버블발생 장치 및 부유식수처리 장치를 대상으로 하였다. 각 저수지 별로 용이한 조사를 위해 10 m 간격으로 가이드라인을 설치하였으며, Rhodamin WT를 희석한 염료를 주입하여 시간경과에 따른 수심별 Rhodamin(ug/L), 수온(℃), DO(mg/L)변화를 다항목수질측정장치(YSI6600)로 측정하였다. 실험기간동안 기상장치(WS-Pro2_Plus)를 설치하여 풍향 및 풍속을 측정하였다. J저수지에 주입된 염료는 15분 경과 후 30~40 m의 거리까지 이동(5 cm/s)하였으며, 이후 후방에서 유입되는 제트류의 영향으로 이류(Advection)와 주변 수체와의 농도차에 따른 확산(Diffusion)효과로 약 1시간 후 80~120 m 지점까지 이동(2~3 cm/s)하였다. 수온 측정결과 40 m이내의 구간에서 상층과 하층간의 수온차이가 발생하지 않았으며, 50 m이후 구간에서 미약하지만 상층의 수온이 중층 및 하층보다 높은 것으로 조사되었다. 따라서, J저수지에 마이크로버블 제트류의 직접적인 영향반경은 40 m이내, 이류-확산에 의한 물리적 영향반경은 80~120 m로 판단된다. 또한, M저수지에 설치된 부유식 수질개선장치 제트류의 직접적인 영향반경은 60 m, 이류-확산에 의한 물리적인 영향반경은 약 100~120 m로 평가되었다.
박형석 ( Hyungseok Park ),정세웅 ( Sewoong Chung ),윤성완 ( Sungwan Yoon ) 충북대학교 산업과학기술연구소 2015 산업과학기술연구 논문집 Vol.29 No.2
So-oak stream is considered as a major contaminated tributary that flows into Chooso Bay of Daechung Reservoir which shows a frequent cyanobacteria bloom every summer. The objectives of this study were to characterize the point and nonpoint sources of pollutants from the So-oakcheon watershed and select the priority regions for the reduction of the limiting nutrient. As a result, the limiting nutrient for algal growth in the Chooso Bay was identified as phosphorus as the mean T-N/T-P ratio was 60.3. The non-point sources were found to be a main source of phosphorus contributing 88.4% of total phosphorus discharge to the watershed. In particular, the livestock manure was most significant nonpoint sources of phosphorus in the watershed. Geographical information system (GIS) was used to represent the priority regions and local towns that need urgent pollution control and management based on the amount of T-P discharge loading rate. The priority regions were found to be TMDL unit watershed of Geumbon F15, F11, and F16 in order. In ages.