Designing an optimal monitoring network for water quality in the estuary

국문 초록 (Abstract)

연안의 물리 및 환경 특성은 조석, 파랑, 담수 배출 등과 같이 다양한 요인에 의해 변화한다. 특히, 금강 하구는 강우에 의한 하구둑 내부 수위의 변화로 인위적인 담수 방류가 이루어지기 때문에 해수와 담수가 서로 혼합되어 담수 영향역의 변화가 매우 큰 해역이다. 이러한 담수 영향역의 변화는 연안의 물리 및 환경 변화에 영향을 미칠 수 있어, 이를 효과적으로 관리하기 위한 모니터링이 수행되어야 한다. 모니터링에는 크게 두 가지 방법이 있는데, 첫째는 현장에서 직접 주기적으로 데이터를 수집하는 정기 현장 관측이다. 다른 하나는, 고정된 지점에 관측소를 설치하여 실시간으로 연속된 자료를 수집하는 실시간 모니터링이다. 일반적으로 정기 현장 관측의 정점은 연구자의 경험에 의존하여 결정되어 왔으며, 실시간 관측소는 접근성을 우선으로 고려하여 육지에 근접한 곳에 설치 및 운영되어 왔다. 문제는 해역의 특성을 효과적으로 반영하고 관리하기 위한 모니터링 정점의 개수와 위치 등을 결정할 수 있는 방법론이 아직 제안된 바가 없다는 점이다. 본 연구에서는 금강하구역을 대상으로 모의된 수치 모델(Delft-3D) 자료를 이용하여 해역의 시·공간적 특성을 효과적으로 반영할 수 있는 현장 관측 및 실시간 모니터링 설계 전략을 제시하였다. EOF 분석은 해역의 시공간적 특성을 나타낼 수 있는 설계 변수를 결정하기 위해 수행하였다. 설계 변수의 시·공간적 특성 변화를 재구성하기 위해서 공간 분포를 연속적으로 구성할 수 있는 객관 분석의 보간 함수를 목적 함수로 구축하고, 이를 특정 설계 영역 안으로 구속시켜 도식적으로 국소 혹은 전역 최소 및 최대치를 도출 해 내었다. 이렇게 재구성된 최적점의 배열을 이용하여 공간 분포를 재구성하고, 이를 참값과 비교하여 적정성 여부를 평가하였다. 또한, 본 연구에서 제안하는 방법론적 접근법으로 취득한 최적점을 종래의 방법으로 결정된 지점과 비교 분석을 수행하였다. 도식적으로 선정 된 정점들로 재구성한 공간 분포는 기존 연구의 방법론을 적용하여 취득한 정점들의 배열보다 공간 분포의 재구성에 더 우수한 성능을 가지고 있음을 확인하였다. 또한, 실시간 관측소는 전역적인 시계열 변동성(계절 변동성) 및 지역적인 시계열 변동성(담수 방류)의 자료 획득이 가능한 특정 영역을 제언하였다. 이러한 방법론적 설계 기법의 개발 및 적용은 보다 공학적이고 합리적인 위치에서의 관측망 구성이 가능함을 시사하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The physical and environmental characteristics of an estuarine area can be affected by various factors such as tide, wave, and freshwater discharge, etc. In particular, Geumgang Estuary (GE) is artificially discharging the freshwater according to the change of water level in the reservoir due to the increase of rainfall, so that the seawater and freshwater are mixed with each other and the change of the freshwater influence area is substantial. Therefore, the physical and environmental changes of an estuarine area may occur, and appropriate monitoring should be carried out to manage them effectively. There are two kinds of the monitoring method. One is periodic on-site field observation which acquired data on the field, and the other is real-time monitoring which obtained the continuous data from the fixed station. In general, the locations of the on-site field observation were set up to cover the whole target area depending on the researchers’ common experience. In addition, real-time monitoring stations were installed close to the land just only considering its accessibility. The problem is that there is no standard framework to determine the number and location of the monitoring points for the purpose of effectively representing and managing the characteristics of an estuarine area. In this study, we propose an optimal design strategy of the on-site field observation and real-time monitoring that can represent the spatial and temporal variability of the freshwater using the numerical model (Delft-3D) data in the GE. The EOF analysis is performed to determine the design variables which can represent the spatial and temporal characteristics. In order to reconstruct the temporal and spatial characteristics of the design variables, an interpolation function of the objective analysis that can construct the continuous spatial distribution is used as an objective function. The constrained optimization method constraining the objective function into the feasible region is graphically applied to find the local or global minimum and maximum solutions. The spatial distribution is reconstructed by using the selected solutions and compared it with the true distribution to evaluate its reconstruction capacity. In addition, the validation of the selected points determined by the present framework is performed by comparing with the points determined by the conventional method. The spatial distribution of the graphically selected points has better performance than the points selected by the conventional optimization methods with the same number of monitoring points. Moreover, the real-time monitoring station can be installed to the specific regions to acquire the global signals (i.e., seasonal variation) and local signals (i.e., freshwater discharge). As a result, the monitoring network of water quality in the estuary can be optimally designed by using the well-organized framework proposed in this study.

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER 1 INTRODUCTION 1
• 1.1 Background of research 1
• 1.2 Necessity of research 4
• 1.3 Objectives of research 11
• CHAPTER 2 METHODOLOGY 14
• 2.1 Numerical model 14
• 2.2 Selection of design variables 18
• 2.3 Interpolation method for constructing the objective function 26
• 2.4 Optimization techniques to find the solutions 35
• 2.4.1 Unconstrained optimization 36
• 2.4.2 Constrained optimization 44
• 2.5 Statistical evaluation 49
• 2.5.1 Taylor diagram 49
• 2.5.2 Target diagram 51
• CHAPTER 3 EXPERIMENTAL SET-UP AND APPLICATION TO THE REAL-FIELD 55
• 3.1 Characteristics of the study area 55
• 3.2 Numerical experiment 64
• 3.3 Design variables 70
• 3.3.1 Decomposition of the spatially dependent variable 74
• 3.3.2 Decomposition of the temporally dependent variable 78
• 3.3.3 Estimation of the design index 89
• 3.4 Construction of the objective and constrained function 101
• 3.5 Finding the optimal solutions 104
• 3.6 Validation of the optimal solutions 115
• CHAPTER 4 SCENARIO-BASED APPROACHES 121
• 4.1 Model scenarios 121
• 4.2 Design variables 124
• 4.3 Finding the optimal solutions 135
• 4.4 Validation of the optimal solutions 146
• CHAPTER 5 DESIGN OF MONITORING NETWORK 157
• 5.1 On-site monitoring network 157
• 5.2 Real-time monitoring station 167
• 5.3 Monitoring network of GE 180
• CHAPTER 6 CONCLUSIONS AND FUTURE STUDY 183
• 6.1 Conclusions 183
• 6.2 Future study 186
• References 188
• Appendix 196
• 국문 초록 223