Water quality prediction of inflow of the Yongdam Dam basin and its reservoir using SWAT and CE-QUAL-W2 models in series to climate change scenarios

Park, Jongtae,Jang, Yujin,Seo, Dongil 한국수자원학회 2017 한국수자원학회논문집 Vol.50 No.10

본 연구에서는 IPCC가 발간한 AR5 의 시나리오 중 임의로 선택된 RCP 4.5와 RCP 8.5 기후변화 시나리오가 용담댐 유역과 호내의 유량과 수질변화에 미치는 영향을 분석 및 그 방법론을 수립하기 위해서 SWAT 모델과 CE-QUAL-W2 모델을 차례로 사용하였다. 기후변화 시나리오는 용담댐 유역에 대해 상세화 된 자료 를 사용하였으며 2016~2095년의 기간을 2016~2035년, 2036~2065년 그리고 2066~2095년의 세 가지의 기간으로 구분하고 또한 각 연도별로 5월과 10 월 사이의 우기(Wet Season)와 11월과 4월 사이의 건기(Dry Season)로 또한 구분하여 분석하였다. 전체 모의 기간에 대해 산술평균한 용담댐 유역의 유량과 TSS 및 TP는 RCP 4.5가 RCP 8.5 보다 큰 것으로 나타나고 TN의 경우 다른 경향을 나타내었다. 반면, 모델의 예측결과를 기간별 또는 연중 강우특성별로 구별하여 분석한 경우에는 각 경우마다 서로 다른 결과를 나타내고 있다. 기후변화 시나리오가 진행됨에 따라 전반적으로 강우일수는 감소하고 강우강도는 증가하여 갈수기에는 오염물질의 유출이 감소하고, 홍수기에는 오염물질의 유출이 증가하여 연간 오염물질 유출량이 홍수기에 집중되는 특성을 나타내었다. 상기와 동일 한 기간에 대해 SWAT 모델에서 생성된 유역의 자료를 CE-QUAL-W2 모델의 경계조건으로 사용하여 용담댐의 수질변화특성을 모의하였다. TSS와 TP농도는 하절기 강우량의 증가에 따라 특히, 높은 값을 나타내는 것으로 분석되었으나, 고형물질에 잘 흡착되지 않는 TN은 다른 경향이 나타났다. 따라서 기후변화에 의한 장래의 유량 및 수질 변화는 전반적인 경향과 더불어 지역적, 시기적 특성을 또한 반영하여 분석하는 것이 바람직하다고 판단되며 이에 따라 갈수 및 홍수에 의한 시기별, 지역별 유량 및 수질 관리 대책이 별도로 필요할 것으로 판단된다. This paper analyzes the impact of two climate change scenarios on flow rate and water quality of the Yongdam Dam and its basin using CE-QUAL-W2 and SWAT, respectively. Under RCP 4.5 and RCP 8.5 scenarios by IPCC, simulations were performed for 2016~2095, and the results were rearranged into three separate periods; 2016~2035, 2036~2065 and 2066~2095. Also, the result of each year was divided as dry season (May~Oct) and wet season (Nov~Apr) to account for rainfall effect. For total simulation period, arithmetic average of flow rate and TSS (Total Suspended Solid) and TP (Total Phosphorus) were greater for RCP 4.5 than those of RCP 8.5, whereas TN (Total Nitrogen) showed contrary results. However, when averaged within three periods and rainfall conditions the tendencies were different from each other. As the scenarios went on, the number of rainfall days has decreased and the rainfall intensities have increased. These resulted in waste load discharge from the basin being decreased during the dry period and it being increased in the wet period. The results of SWAT model were used as boundary conditions of CE-QUAL-W2 model to predict water level and water quality changes in the Yongdam Dam. TSS and TP tend to increase during summer periods when rainfalls are higher, while TN shows the opposite pattern due to its weak absorption to particulate materials. Therefore, the climate change impact must be carefully analyzed when temporal and spatial conditions of study area are considered, and water quantity and water quality management alternatives must be case specific.

CE-QUAL-W2를 이용한 진양호 취수량 변화에 따른 수질영향 분석

탁용훈,김영도,정선아,정세웅 한국수자원학회 2015 한국수자원학회논문집 Vol.48 No.10

저수지의 효과적인 수질관리를 위해서는 신뢰도 높은 수리 및 수질모형이 필요하며, 이러한 모형의 성능은 다양한 수문사 상에 대하여 적용함으로써 검증할 수 있다. CE-QUAL-W2 모형은 횡방향 평균 2차원 수리 및 수질 모형으로써 진양호와 같이 수체의 수심과 길이에 비해 폭이 좁은 저수지에 적합한 모형으로 앞선 연구자들에서 많이 사용되어 왔다. 본 연구에서 는 용수수요가 증가할 것으로 예상되는 남강댐 유역에 대하여 풍수년인 2011년과 평수년인 2009년의 수문사상에 대하여 검보정을 실시하였고, 보정년도인 2011년의 수문사상과 수질 조건을 이용하여 취수량 증가에 대한 영향을 모의하였다. 모의 결과 취수량을 변화시킴에 따라 T-N, T-P 및 Chlorophyll-α 농도는 증가하는 것으로 나타났고, 특히 갈수기에 각각 최대 62.53%, 39.07%, 232.19% 증가하는 것으로 나타났으며, Chlorophyll-α 농도의 변화는 T-P의 변화특성과 비슷한 추세를 보였다. Hydraulic and water quality models with high reliability are necessary for the efficient management of water quality in the reservoir. The model capacity can be demonstrated by the application for the various hydrological conditions. CE-QUAL-W2 model is laterally averaged two-dimensional hydraulic and water quality model. The W2 model, which is suitable for the narrow reservoir like the Jinyang reservoir as compared with the depth and length of waterbody, has been frequently used by many researchers. Namgang watershed is expected to increase the water demand. In this study, the W2 model is validated under two different hydrological conditions; wet year (2011) and normal year (2009). Using hydrological and water quality condition for calibration, 2011, the effect of water intake increase was simulated. The simulation results showed that the increase of water intake led to increase the concentrations in total nitrogen, total phosphorus and Chlorophyll-α concentration. Especially the concentration increase was appeared during the dry season in each of up to 62.53% (Total nitrogen), 39.07% (Total phosphorus) and 232.19% (Chlorophyll-α). The changes of chlorophyll-α is similar to those of total phosphorus concentration.

CE-QUAL-W2를 이용한 충주호의 부유물질 및 부영양화 모의평가

안소라,김상호,윤성완,김성준 한국수자원학회 2013 한국수자원학회논문집 Vol.46 No.11

본 연구의 목적은 충주호 유역을 대상으로 2차원 횡방향 평균 수리 및 수질모형인 CE-QUAL-W2를 이용하여 호소내 수온분포, 부유물질및부영양화과정의변화특성을모의하고모형의적용성을평가하는것이다. 지형및단면자료구축을 위해 충주호를 남한강 본류(branch 1)와 유입 경계부(branch 2∼7)로 구분하여 격자를 구성하였다. 호소 수질모델링을 위한 주요 입력 자료로 기상자료, 호소의 수온과 탁도 초기조건, 하천의 유량과 수온, 수질 경계조건 자료를 구축하였다. 이후실측된수온, 부유물질(SS), 총질소(TN), 총인(TP), 조류(Chl-a)에대하여모형의보정(2010) 및검증(2008)을수행하여모형의적용가능성을평가하였다. 충주호의수온은4월부터표층수온이증가하여7월초에성층현상이발생되고12월에는연직수온분포가일정하게유지되었다. 집중호우발생후에는성층구조가교란되어수온약층이약10 m가량하강하였다. SS는수온과동일한패턴으로집중호우발생후에증가하다가12월에안정화되었으며, 2008년7월에발생된중층밀도류의 분포 현상을 잘 재현하였다. TN, TP의 경우 농도의 범위를 잘 재현하였지만, 모형 내에서 질소성분의 침강속도 및 인의 흡착-침전과정이 적절히 모의되지 않아 오차가 발생하였다. Chl-a의 경우 2010년과 2008년 여름의 조류의 성장패턴을 잘 반영하였지만, 모형이 횡방향 평균 유속과 농도를 사용함에 따른 모형의 한계점이 나타났다. The purpose of this study is to evaluate the suspended solids and eutrophication processes relationships in Chungju lake using CE-QUAL-W2, two-dimensional (2D) longitudinal/vertical hydrodynamic and water quality model. For water quality modeling, the lake segmentation was configured as 7 branches system according to their shape and tributary distribution. The model was calibrated (2010) and validated (2008) using 2 years of field data of water temperature, suspended solids (SS), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) and algae (Chl-a). The water temperature began to increase in depth from April and the stratification occurred at about 10 m early July heavy rain. The high SS concentration of the interflow density currents entering from the watershed was well simulated especially for July 2008 heavy rainfall event. The simulated concentration range of TN and TP was acceptable, but the errors might occur form the poor reflection for sedimentation velocity of nitrogen component and adsorption-sediment of phosphorus in model. The concentration of Chl-a was simulated well with the algal growth patterns in summer of 2010 and 2008, but the error of under estimation may come from the use of width-averaged velocity and concentration, not considering the actual to one side inclination by wind effect.

SWAT과 CE-QUAL-W2 모형을 연계한 충주호의 기후변화에 따른 탁수 영향평가

유영석 ( Youngseok Yu ),박종윤 ( Jongyoon Park ),장철희 ( Cheolhee Jang ),김성준 ( Seongjoon Kim ),( Sora Ahn ) 한국농공학회 2012 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2012 No.-

본 연구에서는 남한강 상류의 충주댐유역(6642km²)을 대상으로 미래 기후변화가 충주호 탁수에 미치는 영향을 평가하고자 한다. 이를 위해 기상청에서 제공하는 MM5(Mesoscale Model version 5) A1B 자료를 제공받아 인공신경망(ANN: Artificial Neural Network)기법을 이용하여 상세화(Downscaling)에 따른 미래 기온, 강수, 상대습도에 대한 일단위 기후변화 시나리오를 작성하였다. 인공신경망 학습기간은 1991 ~ 2005, 검증기간은 2006 ~ 2010, 예측기간은 2011 ~ 2100년 이다. 충주호 탁수 영향평가를 위한 수질모형으로 횡방향 평균 2차원 수리·수질 해석이 가능한 CE-QUAL-W2 모형을 선정하였다. 모형의 적용성 평가를 위해 한국수자원공사에서 제공하는 일별 댐 유입량 및 방류량, 호소의 수온 및 탁도 자료를 제공받아 2008, 2010년을 대상으로 보정 및 검증을 실시하였다. 그 결과, 수온은 성층형성시기와 성층형성구간을 잘 반영하는 것으로 나타났으며, 탁수는 수직분포를 비교적 잘 모의하는 것으로 나타났다. 미래 기후변화에 따른 충주호 경계조건(Boundary Condition)은 수문-수질 모의가 가능한 SWAT(Soil and Water Assessment Tool)모형을 이용하였다. 먼저, 일별 유출량 및 월별 Sediment 자료를 이용하여 모형의 검보정(1998-2010)을 실시하고, 기후변화시나리오 적용에 따른 미래 호소 유입량 및 유입SS 농도를 결정하였다. 여기서, 호소 유입수온은 단계적 선형 회귀분석법으로부터 산정하였다. 기후모형(MM5)과 유역모형(SWAT), 수질모형(CE-QUAL-W2) 연계에 따른 충주호의 미래 탁수거동 분석은 갈수년(2021, 2048, 2073) 풍수년(2027, 2058, 2095)에 해당하는 시나리오를 선택하여 평가했다. 본 연구결과에 의하면 충주호를 대상으로 유역모형과 수질모형을 연계 적용함으로써 미래 탁수관리 방안으로 활용될 수 있음을 검증하였다.

도심수로내 조류발생 예측을 위한 CE-QUAL-W2 모델의 적용

김백중(Kim, Baekjoong),백종석(Baek, Jongseok),이상진(Lee, Sangjin),정선아(Jeong, Suna),김형산(Kim, Hyungsan) 한국방재학회 2017 한국방재학회논문집 Vol.17 No.1

최근 도심지내 물길 확보를 통한 친환경 도심수로 건설이 증가하고 있으며, 도심지내 수로 건설시 안정적인 수량 확보를 위해 해수, 빗물, 하수처리수 등 대체수자원 공급방안이 논의되고 있다. 본 연구에서는 하수재이용수 공급을 통해 도심수로내 유량을 확보할 경우 발생할 수 있는 여러 문제점 중 조류발생에 대한 연구를 수행하였다. 유량 및 Chl-a 농도에 따른 조류성장에 미치는 영향분석을 위해 CE-QUAL-W2 모델을 선정하였으며, 재처리수의 용도별 수질기준, 체류시간 및 수로폭을 고려하여 7월부터 9월까지 모의하였다. 연구결과 체류시간, 유량, Chl-a 농도 조절에 따라 여름철 수로내 조류 성장을 억제할 수 있을 것으로 분석되었다. Nowadays, it is getting popular to construct eco-city where people enjoy waterfront activity through making channel in downtown area. Alternative water supply plan is considered to have stable water supply in channel such as seawater, rainwater, sewage treatment, etc. In this study, the reuse wastewater supply was studied in order to ensure the flow in the city channel. In case of supplying water by reused wastewater, CE-QUAL-W2 model was used to analyze the effect of Chl-a concentration to algae growth from July to September. We made the case of Flow Rate and Chl-a concentration to conduct this study. Finally this study shows that the algae growth decreased in summer by controling the detention time, flow rate and Chl-a concentration.

2차원 수리 수질모델(CE-QUAL-W2)을 이용한 소양호 수온 성층현상과 홍수기 밀도류 이동 현상의 모델링

김윤희,김범철,최광순,서동일 江原大學校 附設 環境硏究所 2001 環境硏究 Vol.18 No.-

The temporal and spatial distribution of water temperature was surveyed and simulated in a deep warm monomitic Reservoir. The great depth (maximum depth of 100 m) and wind-sheltered dendritic shape caused strong summer stratification, Turbid storm runoff during the summer monsoon formed a metalimnion of 20~40m thickness which was distinct from the clearer epilimnion and hypolimnion. The temperature distribution and the movement of density current were simulated by using the 2-dimensional hydrologic model CE-QUAL-W2. Model was calibrated with 1996 date and verified data from 1995-1999 by applying the same set of parameters and constants as in calibration. The model could simulate temperature profiles with excellent agreement. Simulation results of movement of the intermediate density current also satisfactory. It can be concluded that the CE-QUAL-W2 model is useful in the prediction of the temperature distribution and movement of density current in reservoirs, which implies merits for further employment in water quality simulation.

수열에너지의 기술적 잠재량 예측

함세현(Sehyeon Ham),이광빈(Kwangbin Lee),윤린(Rin Yun) 대한설비공학회 2019 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2019 No.-

본 연구에서는 하천수와 원수의 기술적 잠재량을 예측하기 위해 CE-QUAL-W2와 TRNSYS를 이용하여 각각 하천수의 수온회복길이와 원수열원 히트펌프의 냉열 혹은 난방열 생산량을 산출하였다. 하천수의 경우 일 하절기에 약 5000RT의 냉방부하를 위해 히트펌프의 응축열을 식히는데 사용되는 하천수량 10만t/day를 활용하여 5℃를 임의로 상승시켜 공업단지가 밀집한 금강(갑천)에 방류하는 경우를 CE-QUAL-W2를 통해 모사하였고, TRNSYS를 통해서는 서울 광역상수배관 내 원수를 활용한 3000RT급 히트펌프를 시뮬레이션 하였다. 광역상수 배관 내 원수의 유량은 1,620,000 kg/hr로 일정하게 설정하였고, 온도는 시간에 따라 변하는 데이터를 활용하였다. CE-QUAL-W2를 통해 금강에 재방류 후 2~2.5 km지점에서 수온은 거의 회복되며, 이 때 완전히 회복되지 않은 지점도 2.5~2.75 km지점에서 완전히 회복되는 것으로 나타난다. 한편, 본 TRNSYS해석 결과 유량과 온도차 5℃로 산출한 자연적 잠재량과 히트펌프의 운전스케줄과 성능에 의존하는 기술적 잠재량의 비율은 33%로 나타났다.

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.

CE-QUAL-W2를 이용한 충주호의 기후변화에 따른 탁수 및 부영양화 영향평가

안소라,하림,윤성완,김성준 한국수자원학회 2014 한국수자원학회논문집 Vol.47 No.2

본 연구에서는 충주댐을 대상으로 유역모델인 SWAT과 저수지모델인 CE-QUAL-W2를 연계 적용하여 기후변화에 따라 저수지로 유입되는 하천의 유량 및 탁수발생량을 모의하고, 저수지내의 탁수변화 및 부영양화 영향평가를 통한 저수지 수환경 변화를 전망하였다. 먼저 SWAT을 적용하여 강우시 저수지 유입하천의 유량 및 수질을 모의하여 모델의 재현성을 검토하였으며, 모형의 보정(2000~2005)과 검증(2006~2010) 결과 모델 예측값과 실측값이 적절하게 일치하는 것으로 나타났다. SWAT의 결과를 CE-QUAL-W2의 하천유량 및 유입수 수질 경계조건 입력 자료로 활용하고, 보정(2010년)과 검증(2008년)을 통하여 저수지 내 시간에 따른 물수지, 수온 변화, 부유물질(SS), T-N, T-P 및 부영양화(Chl-a) 양상 등을 분석하고 모델의 재현성을 검토하였다. 이후 기후변화 시나리오 적용에 따른 저수지 내 수환경 변화를 모의하기 위한 기후변화 자료로 IPCC AR4 GCM(ECHO-G)을 고해상도 지역기후시나리오로 개선시킨 RCM(MM5)의 A1B 시나리오를 다시 태풍사상을 고려한 인공신경망 기법에 의해 상세화하여 이용하였다. 기후변화 시나리오에 따른 기온증가의 영향으로 미래로 갈수록 상층수온은 증가하는 반면 심층수온은 감소하는 경향을 보였다. SS 최고유입농도는 평수년에 비해 풍수년에 17%, 갈수년에 0.2% 가량 증가하는 것으로 나타났다. 호소내 SS 10mg/L 이상 점유일수는 평수년에 비해 풍수년이 6일, 갈수년이 17일 증가하였고, 점유율 역시 풍수년에 24%, 갈수년에 26% 가량 증가하는 것으로 분석되었다. 미래로 갈수록 기후변화가 충주댐 탁수 장기화에 영향을 미치는 것으로 분석되었다. Chl-a의 최고농도는 평수년에 비해 풍수년에 19%, 갈수년에 3% 가량 조류의 농도가 증가되는 것으로 나타나 조류의 영향이 커지는 것을 알 수 있었다. This study is to evaluate the future climate change impact on turbidity water and eutrophication for Chungju Lake by using CE-QUAL-W2 reservoir water quality model coupled with SWAT watershed model. The SWAT was calibrated and validated using 11 years(2000~2010) daily streamflow data at three locations and monthly stream water quality data at two locations. The CE-QUAL-W2 was calibrated and validated for 2 years(2008 and 2010) water temperature, suspended solid, total nitrogen, total phosphorus, and Chl-a. For the future assessment, the SWAT results were used as boundary conditions for CE-QUAL-W2 model run. To evaluate the future water quality variation in reservoir, the climate data predicted by MM5 RCM(Regional Climate Model) of Special Report on Emissions Scenarios(SRES) A1B for three periods(2013~2040, 2041~2070 and 2071~2100) were downscaled by Artificial Neural Networks method to consider Typhoon effect. The RCM temperature and precipitation outputs and historical records were used to generate pollutants loading from the watershed. By the future temperature increase, the lake water temperature showed 0.5℃ increase in shallow depth while -0.9℃ in deep depth. The future annual maximum sediment concentration into the lake from the watershed showed 17% increase in wet years. The future lake residence time above 10mg/L suspended solids(SS) showed increases of 6 and 17 days in wet and dry years respectively comparing with normal year. The SS occupying rate of the lake also showed increases of 24% and 26% in both wet and dry year respectively. In summary, the future lake turbidity showed longer lasting with high concentration comparing with present behavior. Under the future lake environment by the watershed and within lake, the future maximum Chl-a concentration showed increases of 19 % in wet year and 3% in dry year respectively.

HSPF와 CE-QUAL-W2 모델의 연계 적용을 이용한 용담댐 저수지 탁수현상의 모델 연구

이혜숙(Hye Suk Yi),정선아(Sun A Jeong),박상영(Sang Young Park),이요상(Yo Sang Lee) 大韓環境工學會 2008 대한환경공학회지 Vol.30 No.1

본 연구에서는 용담댐을 대상으로 유역모델 HSPF와 저수지모델 CE-QUAL-W2를 연계 적용함으로써 강우시 저수지로 유입되는 탁수 관리를 위한 방안을 연구하였다. 강우시 저수지 유입하천의 유출량 및 부유사 농도 특성을 분석하기 위하여 유역모델을 적용하여 모델의 재현성을 검토하였으며 유역모델 결과를 저수지모델의 입력자료로 제공하여 저수지모델의 재현성 검토 및 저수지 내 시간에 따른 탁수분포 양상 등을 분석하였다. 유역모델의 유출량 및 부유사 농도의 재현성 검토 결과, 모델 예측값과 실측값이 적절하게 일치하는 것으로 나타났다. 유역모델의 결과를 연계하여 홍수기 저수지의 물수지, 수온 변화 및 탁도를 대상으로 저수지모델의 재현성을 검토한 결과, 탁수에 의한 수온성층의 변화와 탁수층의 위치, 시간에 따른 탁수분포의 변화 양상등을 실제와 매우 유사하게 모의하였다. 이와 같이 유역모델과 저수지모델의 연계 적용은 발생 가능한 강우에 대하여 저수지로 유입되는 유량 및 탁수발생량을 예측할 수 있으며 탁수층의 위치와 최고 탁도 등 저수지내의 탁수변화 양상을 비교적 쉽고 정확하게 예측할 수 있는 장점이 있다. 본 연구결과에 의하면 용담댐을 대상으로 집중강우시 HSPF 유역모델과 CE-QUAL-W2 저수지 모델을 연계 적용함으로써 탁수관리 방안으로 활용될 수 있음을 검증하였다. An integration study of watershed model(HSPF, Hydological Simulation program-Fortran) and reservoir water quality model (CE-QUAL-W2) was performed for the evaluation of turbid water management in Yongdam reservoir. The watershed model was calibrated and analyzed for flow and suspended solid concentration variation during rainy period, their results were inputted for reservoir water quality model as time-variable water temperature and turbidity. Results of the watershed model showed a good agreement with the field measurements of flow and suspended solid. Also, results of the reservoir water quality model showed a good agreement with the filed measurements of water balance, water temperature and turbidity using linkage of the watershed model results. Integration of watershed and reservoir model is an important in turbid water management because flow and turbidity in stream and high turbidity layer in reservoir could be predicted and analyzed. In this study, the integration of HSPF and CE-QUAL-W2 was applied for the turbid water management in Yongdam reservoir, where it is evaluated to be appliable and important.