국가 물환경관리정책 지원을 위한 수질모델링 기술의 발전방향

정세웅 ( Sewoong Chung ),김성진 ( Sungjin Kim ),박형석 ( Hyungseok Park ),서동일 ( Dongil Seo ) 한국물환경학회 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.

이상강우 대응 단기 유출 예측을 통한 탁수발생 예측 및 관리 기술 개발

정세웅(Sewoong Chung),권현한(Hyunhan Kwon),김영도(Youngdo Kim),안종호(Jongho Ahn),조홍래(Honglae Cho),김성진(Sungjin Kim) 대한환경공학회 2022 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.11

국내 댐 저수지 이산화탄소 배출량 산정

정세웅 ( Sewoong Chung ),박형석 ( Hyung Seok Park ) 한국물환경학회(구 한국수질보전학회) 2016 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2016 No.-

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.

농업용 저수지 수질개선장치 제트류의 영향반경 평가

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.

대청호 CO₂ NAF 산정의 주요 영향인자 평가

박형석 ( Hyungseok Park ),정세웅 ( Sewoong Chung ),김성진 ( Sungjin Kim ),이은주 ( Eunju Lee ) 한국물환경학회(구 한국수질보전학회) 2019 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2019 No.-

새만금호 3차원 수리ㆍ수질모델(EFDC)의 수치격자 민감도 분석

전지혜 ( Jihye Jeon ),정세웅 ( Sewoong Chung ) 한국농공학회 2011 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2011 No.-

수치모델은 모델의 이론적 구조, 입력자료, 매개변수의 구성 과정에서 모의 결과에 영향을 미치는 다양한 형태의 불확실성 요소를 내포할 수 있으므로 주요한 입력자료에 대한 민감도 분석이 필요하다. 특히, 해석하고자 하는 수체의 연속된(continuous) 공간적 영역을 이산된(discretized) 형태의 수치 격자로 구성하는 일은 전체 모델링 과정에서 가장 중요한 과정 중 하나이다. 수치격자의 구성은 해석하고자 하는 수체의 지형과 모의 영역에서 일어나는 물리적 및 생지 화학적 현상을 적절히 반영할 수 있어야 한다. 특히, 수리, 수온, 염분도, 수질농도 등의 급격한 변화를 재현 할 수 있어야 한다. 그리고, 계산시간 간격과 수치 해의 안정성, 모의 시간의 효율성, 그리고 복잡한 지형과 수리 구조물, 국부적 취수 및 방류 등도 고려할 필요가 있다. 본 연구는 새만금호 수질관리를 위해 구축한 3차원 수리ㆍ수질 모델인 EFDC(Environmental Fluid Dynamic Code)의 수치격자 해상도가 수리해석, 물질 수송 및 혼합, 그리고 수질 모의결과에 미치는 민감도를 분석하고, 적정한 모델 격자를 결정하는데 있다. 수치해석을 위한 격자의 해상도는 SMS8.0 프로그램을 이용하여 총 활성화된 셀 개수가 406, 1556, 3640개로 나누어 3개의 시나리오를 구성하였으며, 수층은 3개의 Layer로 나누어주었다. 수평방향으로는 직교곡선좌표계, 수직방향으로는 Sigma Stretching좌표계를 사용하였다. 직교곡선 좌표계의 직교성 판별결과 11.42~12.80로 나타나 격자구성이 적절히 이루어졌음을 확인하였다. 상류 유량 경계조건은 HSPF를 이용하여 모의한 만경대교와 동진대교 지점에서의 시 유량을 사용하였고, 배수갑문을 통한 해수와 담수의 유ㆍ출입량은 내측 수위자료로부터 산정한 저수용량을 이용하여 저류함수식으로 산정하였다. 염도자료는 상, 중, 하층에서 측정한 월간 자료로 수직격자 3개에 층별로 입력해주었다. 주요연구 결과는 다음과 같다. 첫째, 수치 추적자 모의결과 격자의 해상도가 높을수록 상류에서 유입하는 담수는 최심하도를 따라 수류가 형성되는 현상을 보였으며, 이로 인해 갑문쪽으로 더 넓게 확산이 일어났다. 또한 하류까지의 도달시간을 비교한 결과 해상도가 높을수록 도달시간이 더 짧게 나타났다. 둘째, 새만금호 내 각 지점별 염도 실측치와 모의치를 시계열로 비교한 결과, 격자의 해상도가 높을수록 만경수역에서 실측치와 유사하게 나타났으며 오차도 감소하였다. 이는 해상도가 높을수록 실제 지형을 잘 반영하기 때문에 염분도의 확산이 더 자세히 모의되는 것으로 판단된다. 셋째, 높은 수치 격자 해상도에서도 해수와 담수가 혼합되는 영역에서 모델은 실측 염분도를 과소 평가하는 경향을 보였는데, 그 원인은 바닥 퇴적층 탈염과 같은 고려되지 않은 염분도 생성 항에 있을 것으로 유추된다. 따라서 염분도 모의결과의 신뢰도를 높이기 위해서는 퇴적층-수체 간 염분 전달 기작에 대한 상세한 조사와 해석이 필요할 것으로 판단된다.

미래 기후변화 전망에 따른 소양호 및 하류구간 탁수영향 분석

박형석 ( Hyung Seok Park ),정세웅 ( Sewoong Chung ) 한국물환경학회 2017 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2017 No.-

낙동강 중하류에서 이산화탄소 순배출 플럭스 산정 및 영향인자 분석

이은주 ( Eunju Lee ),정세웅 ( Sewoong Chung ),박형석 ( Hyungseok Park ),김성진 ( Sungjin Kim ),박대연 ( Daeyeon Park ) 한국물환경학회 2019 한국물환경학회지 Vol.35 No.4

Carbon dioxide(CO₂) emission from rivers to the atmosphere is a key component in the global carbon cycle. Most of the rivers are supersaturated with CO₂. At a global scale, the amount of CO₂ emission from rivers is reported to be five-fold greater than that from lakes and reservoirs, but relevant data are rare in Korea. The objectives of this study is to estimate the CO₂ net atmospheric flux(NAF) from the upstream of Gangjeong-Goryeong Weir(GGW), Dalseong Weir(DSW), Hapcheon-Changnyeong Weir(HCW), and Changnyeong-Haman Weir(CHW) located in Nakdong RiverSouth Korea) using field and laboratory experimentsand to apply data mining techniques to develop parsimonious prediction models that can be used to estimate CO₂ NAF with physical and water quality variables that can becollected easily. As a result, the study sites were all heterotrophic systems that often released CO₂ to the atmosphere, except when the algal photosynthesis was active.The median CO₂ NAF was minimum 391.5 mg-CO₂/m²day at GGW and maximum 1472.7 mg-CO₂/m²day at DSW. The CO₂ NAF showed a negative correlation with pH and Chl-a since the overgrowth of the algae consumed CO₂ in the water and increased the pH. As the parsimonious multiple regression model and random forest model developed, this study showed an excellent performance with the Adj.R² value higher than 0.77 in all weirs. Thus, these methods can be used to estimate CO₂ NAF in the river even if there is no pCO₂ measurement data.

CE-QUAL-W2를 이용한 성층 저수지에서 CO₂의 시공간적 분포 및 물질수지 분석

박형석 ( Hyungseok Park ),정세웅 ( Sewoong Chung ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회지 Vol.36 No.6

Dam reservoirs have been reported to contribute significantly to global carbon emissions, but unlike natural lakes, there is considerable uncertainty in calculating carbon emissions due to the complex of emission pathways. In particular, the method of calculating carbon dioxide (CO₂) net atmospheric flux (NAF) based on a simple gas exchange theory from sporadic data has limitations in explaining the spatiotemporal variations in the CO2 flux in stratified reservoirs. This study was aimed to analyze the spatial and temporal CO₂ distribution and mass balance in Daecheong Reservoir, located in the mid-latitude monsoon climate zone, by applying a two-dimensional hydrodynamic and water quality model (CE-QUAL-W2). Simulation results showed that the Daecheong Reservoir is a heterotrophic system in which CO₂ is supersaturated as a whole and releases CO₂ to the atmosphere. Spatially, CO₂ emissions were greater in the lacustrine zone than in the riverine and transition zones. In terms of time, CO₂ emissions changed dynamically according to the temporal stratification structure of the reservoir and temporal variations of algae biomass. CO₂ emissions were greater at night than during the day and were seasonally greatest in winter. The CO₂ NAF calculated by the CE-QUAL-W2 model and the gas exchange theory showed a similar range, but there was a difference in the point of occurrence of the peak value. The findings provide useful information to improve the quantification of CO₂ emissions from reservoirs. In order to reduce the uncertainty in the estimation of reservoir carbon emissions, more precise monitoring in time and space is required.