KR20140140361A - 앙상블 유출 예측기법을 적용한 하천 수질예측 시스템 - Google Patents

앙상블 유출 예측기법을 적용한 하천 수질예측 시스템 Download PDF

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KR20140140361A KR20130061119A KR20130061119A KR20140140361A KR 20140140361 A KR20140140361 A KR 20140140361A KR 20130061119 A KR20130061119 A KR 20130061119A KR 20130061119 A KR20130061119 A KR 20130061119A KR 20140140361 A KR20140140361 A KR 20140140361A
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류시완
안정민
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Abstract

본 발명은 앙상블 유출 예측기법을 적용한 하천 수질예측 시스템에 관한 것으로서, 댐 저장수의 방류량 결정에 따른 하류 수질변화를 확률적으로 예측하기 위한 하천 수질예측 시스템에 있어서, 다양한 수문학적 입력자료를 통해 하천의 지류에서 본류로의 유출량을 SSARR(Streamflow Synthesis and Reservoir Regulation)로 계산하되, 앙상블 유출예측(ESP) 기법을 적용하여 상기 유출량을 계산하고, 상기 유출량에 따른 댐 방류량에 의해 변화되는 하천의 하류 수질을 Qual2E로 계산함으로써 수문모형과 수질모형이 통합되어 연계되는 시스템을 사용한 것이며, 방류량과 지류 유입량의 다양한 시나리오를 생성하여 의사결정을 위한 다양한 수질 변화 양상 정보를 얻을 수 있기 때문에, 하천의 합리적인 운영을 위한 기초 자료로 활용될 수 있는 효과가 있다.

Description

앙상블 유출 예측기법을 적용한 하천 수질예측 시스템{Water Quality Forecasting of the River Applying Ensemble Streamflow Prediction}
본 발명은 앙상블 유출 예측기법을 적용한 하천 수질예측 시스템에 관한 것으로서, 상세히는 댐 하류의 체계적인 수질관리를 위해 수문모형과 수질모형의 통합모형을 운영하되, 앙상블 유출 예측기법(ESP 기법)을 이용하여 지류에서 본류로의 유출량을 계산하여 수질모형에 의해 댐 하류 수질예측이 가능하도록 한 앙상블 유출 예측기법을 적용한 하천 수질예측 시스템에 관한 것이다.
전 세계적으로 가뭄과 홍수, 태풍으로 인한 혹독한 피해와 손실은 날로 강도 높게 빈번해 지고 있는 설정이며, 이로 인해 물 안보가 곧 국가 위기관리차원의 주요 이슈로 등장하게 되었다. 좁은 국토 내에서 많은 인구로 인한 적지 않은 물 수요로 압박받고 있는 한국에서는 이미 새로운 수자원개발의 어려움과 공급의 증가, 수질관리에 소요되는 막대한 비용, 한정된 수량의 수자원에 대한 지역간 경쟁 및 물 부족과 수질오염을 둘러싼 이해당사자간의 갈등과 대립 등이 고조되고 있는 상황이다.
유역의 수자원을 지속적으로 확보하고 관리하기 위해서는 기본적으로 유역의 강우-유출 현상을 정확하게 분석하고 신뢰도 높은 유출예측 정보를 생산하는 모의기술이 필요하여, 하천 및 저수지의 유출해석은 다양한 최적화 알고리즘을 활용하여 연구가 진행되었다.
2000년대 초반까지의 연구는 시뮬레이션 위주의 연구였다면 2000년대 중반 이후부터는 정량강수모의를 이용한 실시간 유출예측 연구가 수행되었고, 기상청에서 제공하는 기상예보 자료와 앙상블 기법을 결합한 유출예측 연구를 수행하였다. 이중 앙상블 유출예측은 확률론적 예측 기법으로 National Weather Service (NWS)의 California-Nevada River Forecast Center (RFC)에서 개발되어 유역 물공급 전망의 확률예보 등을 목적으로 활발하게 사용되고 있는 기법이며 국내외 많은 연구자들에 의해 연구가 진행되었다.
또한, 산업화 및 도시화로 인해 하천의 오염원이 증가하여 수원의 자정능력이 감소함에 따라 수질 문제가 심각하게 대두되고 있기 때문에 하천의 정확한 수질예측은 생태 문제와 유지용수 및 상수도 급수문제의 해결을 위한 장기적인 수질의 개선 방향과 분석에 필요하다. 댐 하류 수질개선을 위해서는 하천 내 많은 유량이 필요하며 이를 위해 많은 방류를 할 경우 댐의 저수율은 낮아지게 된다. 따라서 최적의 저수율-댐 하류 수질을 만족하기 위해서는 적정한 방류계획이 필요하며 이를 위해서는 댐 유입 유량예측의 정확성과 댐 방류량에 따른 댐 하류 수질예측은 필수적이다.
그러나 종래의 댐 하류 수질예측에 있어서는 유출과 수질이 분리되어 연구되었고, 신경망 및 유전자 알고리즘과 같은 최적화 이론에 기반했기에 확률적 수질예측을 수행하지 않았다
한국 공개특허공보 제10-2009-0093520호
본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 기본적으로 수질예측은 댐 방류량과 지류유입량의 수질에 의해 계산되고 댐 방류량은 계획방류량 또는 의사결정자에 의해 산정되므로 지류 유입예측을 위해 앙상블 유출예측(ESP)을 활용하되, 과거 발생한 강우사상을 수문모형에 적용하여 강우사상만큼의 지류 유입량 시나리오를 산정하고, 산정된 지류유입량 시나리오를 바탕으로 가중치를 부여하여 확률적 수질예측이 가능하도록 함으로써, 댐 방류량 결정에 따른 하류 수질변화를 확률적으로 예측하기 위한 시스템으로 앙상블 유출 예측기법을 적용한 하천 수질예측 시스템을 제공함에 있다.
즉 댐 하류 구간의 소유역에 대해 유출 예측을 수행하고 예측 결과를 평가할 수 있도록 매개변수를 최적화하여 구축하기 위해, 수문모형과 연계되어 수질 모의가 가능하도록 Visual Basic을 활용하여 수질예측을 위한 Qual2E 모형과 연계되도록 하였으며, Graphical User Interface(GUI)를 설계하여 분석을 위한 기초자료의 수집과 분석에 소요되는 시간을 최소화하여 모델 구동을 효과적으로 수행할 수 있도록 한 앙상블 유출 예측기법을 적용한 하천 수질예측 시스템을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 앙상블 유출 예측기법을 적용한 하천 수질예측 시스템은, 댐 저장수의 방류량 결정에 따른 하류 수질변화를 확률적으로 예측하기 위한 하천 수질예측 시스템에 있어서, 다양한 수문학적 입력자료를 통해 하천의 지류에서 본류로의 유출량을 SSARR(Streamflow Synthesis and Reservoir Regulation)로 계산하되, 앙상블 유출예측(ESP) 기법을 적용하여 상기 유출량을 계산하고, 상기 유출량에 따른 댐 방류량에 의해 변화되는 하천의 하류 수질을 Qual2E로 계산함으로써 수문모형과 수질모형이 통합되어 연계되는 시스템을 사용하는 것을 특징으로 하고 있다.
또 상기 수문학적 입력자료는 강우량, 온도, 각종 용수, 취수량 및 댐 방류량이다.
또 자연유량과 기준유량을 고려한 단위유역의 기준유량을 바탕으로 각 지류의 유량을 산정하기 위해 다음과 같은 식의 면적비 유량법을 사용하는 것이 바람직하다.
Figure pat00001
[여기서, Q는 비유량(㎥/sec), A는 기준유역면적(K㎡), A0는 총유역면적(K㎡), Q0는 기준유량(㎥/sec)]
또 상기 Qual2E에 의해 계산되는 수질항목은 수온, BOD, COD, 조류, 질소 계열(T-N), 인 계열(T-P), DO이다.
또 상기 각 수질항목에 대한 매개변수의 결정은 기준수질이 되는 하천에서의 실측치와 상기 Qual2E에 의한 계산치의 차이가 최소가 될 때까지 반복하는 시산법으로 실시되는 보정에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.
또 상기 수문모형과 수질모형 통합 시스템은 댐 하류의 체계적인 수질관리를 위해, 유역에서 발생하는 오염원 유출과정 해석을 위한 수문모델링 연계와, 오염부하량 산정을 통한 하천수질모델의 입력자료 자동생성, 호소 수질예측을 위한 하천모델의 유입농도 산정, 호소 모델을 통한 호소 장래 수질예측에 이르는 전 과정이 상기 시스템 내에서 일괄 처리되도록 하는 것이 바람직하다.
또 상기 시스템이 장착한 기능은 데이터베이스 시스템과의 연동, 앙상블 유출예측, 방류량 결정, 수질예측인 것이 바람직하다.
또 지류 유입량 예측은 기상전문기관으로부터 제공되는 기상예보 자료를 활용하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또 지류 유입량 예측은 앙상블 유출예측(ESP) 기법의 가중치에 따른 후처리 기법 연구를 통해 확률예측을 수행할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
또 수문모형과 수질모형이 통합되어 연계되는 상기 시스템은 상기 수문모형과 연계되어 수질 모의가 가능하도록 Visual Basic을 활용하여 Qual2E 모형과 연계되도록 하고, GUI(Graphical User Interface)를 설계하여 분석을 위한 기초자료의 수집과 분석에 소요되는 시간을 최소화하도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 앙상블 유출 예측기법을 적용한 하천 수질예측 시스템에 의하면, 방류량과 지류 유입량의 다양한 시나리오를 생성하여 의사결정을 위한 다양한 수질 변화 양상 정보를 얻을 수 있기 때문에, 하천의 합리적인 운영을 위한 기초 자료로 활용될 수 있는 효과가 있다.
또 확률적 수질예측과 표준화된 분석절차로 모의 결과의 객관성 결여와 효율적인 시간적·금전적인 노력의 활용 문제가 근본적으로 해소될 수 있을 것으로 기대되는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 수질예측 시스템을 바탕으로 2008년 공주지점의 수질예측을 수행하기 위해 최근 관측된 5년 평균 오염 부하량으로부터 모의에 필요한 자료를 생성하고 월 단위 정상상태의 수질모의를 수행한 결과, 앙상블 유출예측(ESP) 가중치로 구분된 Rank 범위에 최근 5년간 관측된 공주지점의 BOD, T-N, T-P가 허용오차 안에 포함되어 관측값을 잘 모의해 주는 것으로 나타난 효과가 있다.
도 1은 SSARR 모형의 주요 매개변수 그래프로, (a)는 SMI와 ROP의 관계 그래프, (b)는 BII와 BFP의 관계 그래프
도 2는 수질 모형의 처리 흐름도
도 3은 금강과 지류에서 근래 5년 동안 측정된 수질
도 4는 BOD, T-N, T-P의 매개변수 캘리브레이션
도 5는 본 발명에 따른 하천 수질예측 시스템의 연계 시스템을 보여주는 개념도
도 6은 ESP 기법에 의한 매월 BOD 예측 그래프
도 7은 ESP 기법에 의한 매월 T-N 예측 그래프
도 8은 ESP 기법에 의한 매월 T-P 예측 그래프
이하, 본 발명에 따른 앙상블 유출 예측기법을 적용한 하천 수질예측 시스템의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명에 따른 하천 수질예측 시스템을 위해서 수문 모형으로 장기유출예측 모형은 유역의 저수지운영효과를 고려할 수 있는 SSARR(Streamflow Synthesis and Reservoir Regulation)모형을 적용하였다(USACE, 1991). 상기 SSARR 모형은 미국 공병단에서 1956년 처음 개발된 이래, Windows기반의 GUI 프로그램으로 개선하여 수자원 실무에 활용되고 있다. 본 모형은 미국의 Columbia River(Rockwood, 1961)와 베트남의 Mekong River (Rockwood, 1968) 등과 같은 대하천에 성공적으로 적용된 바 있으며, 국내에서도 한강 유역과 보청천 유역 및 금강유역에 각각 적용한 바 있다.
본 발명의 하천 수질예측 시스템이 적용되는 대상유역은 신뢰성 높은 수문자료를 획득하기 위해 다년간 유역정밀조사와 현장조사를 실시한 바 있는 우리나라의 4대강유역 중 하나인 금강 수계 대청댐 하류 유역을 대상으로 하였으며, 유출모의를 위해 총 7개의 소유역으로 구분하였다. 적용모형의 분석절차는 첫 번째, 강우량, 온도, 각종 용수, 취수량 그리고 댐 방류량을 포함하는 다양한 수문학적 입력 자료의 구축이다. 이러한 입력 자료의 구축이 끝나고 나면 분할된 대상 유역의 강우-유출 관계를 특성 짓는 매개변수가 입력되며, 계산된 유출결과와 관측된 유출결과의 비교를 통해 보정된다.
상기 SSARR 모형의 주요 매개변수는 도 1에 도시한 바와 같이, Soil Moisture Index (SMI)와 Runoff Percent (ROP)의 관계, Base Flow Infiltration Index (BII)와 Base Flow Percent(BFP)이며 그래프 형태로 적용되기에 모의하고자 하는 시점의 초기 매개변수를 산정하기 위해서는 Calibration을 거쳐야 한다. 본 발명에서는 1년간의 Calibration을 거치면 유 역의 초기 매개변수가 산정된다고 가정하였으며 모의하고자 하는 시점의 매개변수가 보정된 이후 다양한 수문학적 시나리오에 따라 장래 수자원의 변화 양상을 조사하기 위해 유출모의와 예측이 수행되고 유역별, 주요 지점별로 결과들이 정리된다.
앙상블 유측 예측(ESP:Ensemble Streamflow Prediction) 기법은 현재의 강설, 토양수분, 온도, 용수수요, 댐, 저수지, 하천과 같은 유역의 전반적인 상태와 재현 가능한 과거의 강우를 결합함으로써 확률론적 예측을 가능하게 하는 예측기법이다. 과거에 발생했던 기상학적 현상이 장래에 일어날 수 있는 현상들의 대표성을 갖는다고 가정하고 있으며, 발생된 유량시나리오에 적절한 확률분포를 선택하면 이를 이용하여 확률예측이 가능하다. 확률론적 통계분석은 수문사상의 발생순서에 관계하지 않고 초과 혹은 비초과 확률만 고려한 것으로 빈도해석 중 경험적인 빈도해석을 통해 생성된 전체 자료를 사용하여 빈도해석을 수행할 수 있다.
상기 앙상블 유출예측(ESP) 기법을 통해 생성된 각 년별 결과자료에 대해 자료를 군집화하지 않고 전체 자료를 누가확률 밀도함수를 이용하여 유역의 유량예측 확률을 분류하였다. 월별 유출결과의 크기에 따른 순위(rank)를 자료의 개수로 나누어 누가확률을 직접 추정할 수 있도록 하였다.
지류의 소유역을 처리를 통한 수질 모형으로 지류를 포함하지 않는 유역에 대하여는 금강 본류로 유입되는 지류의 출구를 고려하여 각 소유역으로 구분하였고, 이는 모형의 Incremental Inflow로 적용하여 중간 유입 형식으로 오염원이 고려되도록 하였다.
아래의 표 1에 지류와 중간유입 유역에 대한 면적비를 나타냈으며, 오염총량 단위유역의 소유역도를 바탕으로 지류의 하도구간에 기여하는 유역을 통합하는 형식으로 소유역을 구분하였다. 자연유량과 기준유량을 고려한 단위유역의 기준유량을 바탕으로 각 지류의 유량을 산정하기 위하여 면적비 유량법을 사용하였다.
Figure pat00002
(1)
여기서, Q는 비유량(㎥/sec), A는 기준유역면적(㎢), A0는 총유역면적(㎢), Q0는 기준유량(㎥/sec)이다.
대청댐 하류에서 지류의 정보
Leteral river River length(km) Stream length(km) Area(㎢) Area ratio
Gap 73.70 33.53 648.87 Basin08×0.864
Miho 89.20 39.13 1855.35 Basin09×1.000
Daegyo 21.64 19.06 65.75 Basin10×0.157
Jungan 29.60 29.60 161.71 Basin11×0.145
Yugu 40.13 15.70 282.60 Basin11×0.254
Ji 50.39 17.80 250.66 Basin11×0.221
Geum 26.78 14.70 165.19 Basin13×0.283
Suksung 20.94 12.10 145.78 Basin13×0.261
Nonsan 57.10 21.45 667.16 Basin12 + Basin13×0.261
Gilsan 23.82 11.40 113.68 Basin14×0.213
수리 및 수질 계수에 있어서, 모의대상 구간은 대청 조정지 댐 부터 금강하구언 구간으로 선정하였으며 수질 모형은 Qual2E를 이용하였고 주하도와 지류를 고려하여 도 2에 도시한 바와 같이, Reach 개수를 16개, Element 개수를 131개로 구축하였다. 대표적인 지류로는 갑천, 미호천, 대교천, 정안천, 유구천, 지천, 금천, 석성천, 논산천 그리고 길산천이 유입되는 것으로 구성하였다.
수질항목으로는 수온, BOD, COD, 조류, 질소 계열, 인 계열, DO를 고려하였다. 모형의 보정은 모의 결과의 신뢰도를 향상시키기 위하여 하천에서의 실측치를 오차가 없는 기준수질로 가정하였다. 이것은 수질모의 결과치에 영향을 주는 반응계수를 포함한 수질영향인자를 조정하여 자연현상과 수학적인 해석간의 차이를 최소화시키는 작업을 함으로써, 대상하천에 대한 모형의 정확도를 높이기 위한 것이다. 하천의 수질모형의 매개변수 결정은 실측치와 모형에 의한 계산치의 차이가 최소가 될 때까지 반복하는 시산법으로 보정을 실시하였다. 구축한 모형의 매개변수 보정을 위하여 환경부 수질관측소의 수질자료를 이용하였다. 본류의 수질에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 지류의 수질이라고 할 수 있다. 따라서 지류에 대한 주요 수질 관측지점에 대하여 수질의 시계열 변동을 분석하기 위하여 환경부 수질측정망 자료를 이용하여 주요 수질항목인 COD, BOD, T-N, 및 T-P에 대하여 도 3에 대표적인 댐 수질 및 지류 수질을 선택하여 제시하였다. 지류와 댐은 계절적인 변동 폭이 크게 나타났으며 갈수기에 주기적으로 수질이 악화되는 현상을 보였다.
대청댐, 갑천, 지천, 석성천을 제외한 지류의 BOD는 증가하는 추세가 나타나며 지류의 대부분은 T-N과 T-P가 감소하는 양상을 보였다. 하지만 대청댐 하류 구간에서 큰 면적비를 차지하는 갑천, 미호천, 논산천의 경우 T-P가 크게 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 본류에서 BOD와 T-P가 증가하는 원인이 지류에서 유입되는 수질때문이라고 판단하였다.
도 4에 도시한 바와 같이, BOD, T-N, T-P의 3가지 수질항목에 대하여 매개변수의 보정을 실시하였으며 모의치와 관측치를 서로 비교하였다. T-N의 경우를 제외하고는 대체로 관측치를 모형이 잘 모의하는 것으로 나타났다. T-N의 경우 관측치가 80∼100㎞ 사이에서 이상치를 보이는데 다른 점오염원의 유입 또는 관측치의 오차일 것으로 판단되지만, 본 발명에서는 관측치의 오차로 가정하고 구간 전·후의 T-N 농도를 고려하여 매개변수를 보정하였다. 금강 유역의 수질 해석을 위한 유량과 유속, 유량과 수심의 관계를 산정하기 위하여 유량 계수법을 적용하였으며 대청댐 하류부터 하구까지 수리 단면에 따라 매개변수를 다음의 표 2와 같이 산정하였다.
유출 계수
Reach
 V = aQb h = cQd Manning n
a c b d 0.027
1 0.0313 0.59 0.0935 0.4907 0.027
2 0.088 0.4164 0.0927 0.4873 0.027
3 0.1089 0.3831 0.1376 0.3982 0.027
4 0.0744 0.3741 0.1693 0.3876 0.027
5 0.0234 0.5516 0.4837 0.2807 0.027
6 0.1326 0.3363 0.2372 0.3222 0.027
7 0.1506 0.3112 0.2485 0.3449 0.027
8 0.0367 0.4653 0.4084 0.3138 0.027
9 0.0426 0.4624 0.4342 0.238 0.027
10 0.005 0.7206 1.7049 0.1079 0.027
11 0.0028 0.7567 3.2566 0.0427 0.026
12 0.0023 0.7762 3.6809 0.0421 0.026
13 0.0019 0.7482 3.6809 0.0421 0.025
14 0.001 0.7545 4.345 0.0251 0.025
15 0.0006 0.7746 5.2256 0.0117 0.025
16 0.0005 0.7567 6.9449 0.0255 0.025
본 발명에 따라 앙상블 기법을 적용하여 수문 모형 및 수질 모형을 연계하여 사용하는 시스템으로 개발된 수문-수질 통합 모형의 개념도는 도 5에 도시한 바와 같다. 즉 도 5에 도시한 바와 같이, 댐 하류의 체계적인 수질관리를 위하여 유역에서 발생되는 오염원 유출과정 해석을 위한 수문모델링 연계와 오염부하량 산정을 통한 하천수질모델의 입력자료 자동생성, 호소 수질예측을 위한 하천모델의 유입농도 산정, 호소 모델을 통한 호소 장래 수질예측에 이르는 전 과정이 시스템 내에서 일괄처리 되도록 하였다.
시스템이 탑재한 기능은 Database 시스템과의 연동, 앙상블 유출예측(ESP), 방류량 결정, 수질예측이다. 시스템은 Database 시스템을 활용하여 각종 수문자료를 확보하고 유출예측을 수행할 시 앙상블 유출예측(ESP) 기법을 활용하도록 하였으며 이를 통해 발생된 예측유출량과 의사결정을 통해 결정된 방류량을 시스템에 연계하여 수질예측을 수행하게 된다. 두 개의 서로 다른 목적으로 사용되는 모형을 연계하여 사용자에게 효율적인 의사결정을 위한 정보를 제공하며 편리한 수문 및 수질 모델링이 가능하도록 하였다.
결론적으로 본 발명에 따라 개발된 시스템 연계 기법을 활용하여 2008년 공주지점의 수질예측을 수행하였다. 공주지점의 BOD, T-N, T-P에 대한 수질예측을 위하여 앙상블 유출예측(ESP) 기법을 활용한 지류별 유역유출유량과 최근 환경부에서 관측하여 제공하고 있는 5년 평균 오염 부하량으로부터 모의에 필요한 자료를 생성하고 월단위 정상상태의 수질모의를 수행하였다. 수질 모의 시 중요한 자료인 유량데이터는 상류에서 유입되는 유량으로써 2008년 대청댐 실적 방류량을 활용하였다.
또한 대청댐 하류구간에 유입되는 10개의 지류유입을 예측하기 위해 앙상블 유출예측(ESP) 기법을 활용하였으며 상정된 지류별 유량의 예는 아래의 표 3과 같다. 아래의 표 3에서와 같 산정된 소유역별 유량을 표 1을 활용하여 각 지류수계별 면적비로 환산하여 지류별 유입 유량을 산정하였다. 일련의 과정은 별도의 절차 없이 시스템 상에서 자동 수행된다. 앙상블 유출예측(ESP) 가중치별로 수질모의를 수행하고 실측치와 비교하였다.
ESP 기법에 의한 유역에서 매월 유출 시나리오의 예
Basin Rank 1월 2월 3월 4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월 12월




8




 0.1 5.775 4.476 3.463 2.74 2.056 2.176 6.607 8.252 5.809 5.375 4.741 3.866
0.2 5.786 4.504 3.695 2.823 2.163 2.209 10.625 8.423 5.92 5.419 4.774 3.866
0.3 5.792 4.539 3.819 2.979 2.234 3.131 21.147 10.509 6.713 5.489 4.782 3.869
0.4 5.806 4.614 3.93 3.067 2.404 6.762 25.247 14.002 10.808 5.536 4.801 3.874
0.5 5.84 4.706 4.11 3.269 2.772 7.216 31.419 25.538 13.736 5.556 4.858 3.917
0.6 5.856 4.806 4.476 3.502 2.938 9.695 41.881 31.971 15.181 5.759 4.993 3.932
0.7 6.034 5.028 4.71 4.32 3.51 12.491 54.722 44.689 23.84 6.34 5.301 4.014
0.8 6.267 5.222 4.888 4.451 4.657 14.449 56.353 50.167 29.856 6.722 5.346 4.104
0.9 6.836 6.273 6.2 6.767 6.524 25.176 66.164 73.461 36.778 10.393 5.609 4.27
1 9.79 8.704 10.082 10.744 9.524 45.841 101.778 110.247 80.001 16.723 11.583 4.366
도 6 내지 도 8은 2008년 1월에서 12월까지 모의한 결과를 공주지점을 기준으로 제시한 것이다. 관측된 BOD는 앙상블 유출예측(ESP) Rank 범위에서 벗어나는 경우가 있으나 지류에 대해 최근 5년 평균 수질자료를 활용하였기에 최근 5년간 관측된 BOD는 앙상블 유출예측(ESP) 가중치별로 산정된 BOD 예측 범위에 포함되고 있어 허용오차 안에서 실측값을 잘 모의해 주는 것으로 판단할 수 있다. T-N과 T-P는 전반적으로 예측 범위에 관측치와 최근 5년간 관측된 T-N 와 T-P 모두 포함된다.
BOD는 현재 금강본류에 대해서 하구둑을 제외한 거의 모든 구간에서 2.9mg/L의 기준농도가 설정되어 있는 상태이며 향후 T-N 및 T-P의 기준이 설정될 전망이다. BOD는 기온이 상승하는 4, 5, 6월에 접어들어 급격하게 상승하는 경향을 보이기 때문에 기준수질을 만족하는 방류량을 구하기 위하여 대청댐 이하 금강 본류에 대하여 모형을 보정하고 방류량을 점진적으로 증가하는 방법으로 수질개선에 필요한 방류량을 예측할 필요가 있을 것으로 사료된다. 수질모의 예측 신뢰도를 높이기 위해 월별로 최적의 매개변수를 산정해야 하며, 생성된 유출 시나리오에 도수분포도를 활용하여 각 년별 결과자료에 대해 자료를 군집화하지 않고 전체 자료를 누가확률밀도함수로 유역의 유량예측 확률을 분류하여 확률예측을 할 필요성이 있다.
또한, 향후 기상청에서 제공하는 기상예보자료를 활용하여 지류 유출예측을 수행할 필요성이 있다.
이와 같이 대청댐 하류 구간을 대상으로 수문모형을 구축하고 수문학적 예측 분야에서 많이 활용되고 있는 확률론적 분석방법인 앙상블 유출예측(ESP) 기법을 활용하여 소유역 유출량을 면적비에 따라 지류 유량이 산정되게 하였고 일련의 과정을 별도의 절차 없이 구축된 수질모형과 연계하여 댐 하류 수질예측이 가능하도록 본 발명의 연계 시스템을 개발하였다. 본 발명에 따른 연계 시스템을 활용할 경우, 확률적 수질예측과 표준화된 분석절차로 모의 결과의 객관성 결여와 효율적인 시간적·금전적인 노력의 활용 문제가 근본적으로 해소될 수 있을 것으로 기대된다.
마지막으로 정리하자면, 본 발명은 수문모형과 수질모형이 통합되어 시스템 내에서 연계되도록 하였고 Database 시스템과의 연동, 앙상블 유출예측(ESP) 유출예측, 방류량 결정, 수질예측을 위한 입력자료 자동생성, 호소 수질예측을 위한 하천모델의 유입농도 산정, 호소 모델을 통한 호소 장래 수질예측에 이르는 전 과정이 일괄처리 되도록 시스템을 설계하였다.
또 개발된 본 발명의 시스템 연계 기법을 바탕으로 2008년 공주지점의 수질예측을 수행하기 위해 최근 관측된 5년 평균 오염 부하량으로부터 모의에 필요한 자료를 생성하고 월 단위 정상상태의 수질모의를 수행한 결과, 앙상블 유출예측(ESP) 가중치로 구분된 Rank 범위에 최근 5년간 관측된 공주지점의 BOD, T-N, T-P가 허용오차 안에 포함되어 관측값을 잘 모의해 주는 것으로 나타났다.
더욱이 향후, 지류 유입량 예측을 위해 기상청에서 제공하는 기상예보자료를 활용하거나 앙상블 유출예측(ESP) 가중치에 따른 후처리 기법 연구를 통해 확률 예측을 수행할 수 있는 기법을 검토하고 적절한 앙상블 유출예측(ESP) 확률을 산정해야 할 것으로 사료된다.
이상과 같이 본 발명에 따른 앙상블 유출 예측기법을 적용한 하천 수질예측 시스템에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

Claims (10)

  1. 댐 저장수의 방류량 결정에 따른 하류 수질변화를 확률적으로 예측하기 위한 하천 수질예측 시스템에 있어서,
    다양한 수문학적 입력자료를 통해 하천의 지류에서 본류로의 유출량을 SSARR(Streamflow Synthesis and Reservoir Regulation)로 계산하되, 앙상블 유출예측(ESP) 기법을 적용하여 상기 유출량을 계산하고,
    상기 유출량에 따른 댐 방류량에 의해 변화되는 하천의 하류 수질을 Qual2E로 계산함으로써 수문모형과 수질모형이 통합되어 연계되는 시스템을 사용하는 것을 특징으로 하는 앙상블 유출 예측기법을 적용한 하천 수질예측 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수문학적 입력자료는 강우량, 온도, 각종 용수, 취수량 및 댐 방류량인 것을 특징으로 하는 앙상블 유출 예측기법을 적용한 하천 수질예측 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    자연유량과 기준유량을 고려한 단위유역의 기준유량을 바탕으로 각 지류의 유량을 산정하기 위해 다음과 같은 식의 면적비 유량법을 사용하는 것을 특징으로 하는 앙상블 유출 예측기법을 적용한 하천 수질예측 시스템.
    Figure pat00003

    [여기서, Q는 비유량(㎥/sec), A는 기준유역면적(K㎡), A0는 총유역면적(K㎡), Q0는 기준유량(㎥/sec)]
  4. 제1항에 있어서,
    상기 Qual2E에 의해 계산되는 수질항목은 수온, BOD, COD, 조류, 질소 계열(T-N), 인 계열(T-P), DO인 것을 특징으로 하는 앙상블 유출 예측기법을 적용한 하천 수질예측 시스템.
  5. 제5항에 있어서,
    상기 각 수질항목에 대한 매개변수의 결정은 기준수질이 되는 하천에서의 실측치와 상기 Qual2E에 의한 계산치의 차이가 최소가 될 때까지 반복하는 시산법으로 실시되는 보정에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 앙상블 유출 예측기법을 적용한 하천 수질예측 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수문모형과 수질모형 통합 시스템은 댐 하류의 체계적인 수질관리를 위해, 유역에서 발생하는 오염원 유출과정 해석을 위한 수문모델링 연계와, 오염부하량 산정을 통한 하천수질모델의 입력자료 자동생성, 호소 수질예측을 위한 하천모델의 유입농도 산정, 호소 모델을 통한 호소 장래 수질예측에 이르는 전 과정이 상기 시스템 내에서 일괄 처리되도록 하는 것을 특징으로 하는 앙상블 유출 예측기법을 적용한 하천 수질예측 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 시스템이 장착한 기능은 데이터베이스 시스템과의 연동, 앙상블 유출예측, 방류량 결정, 수질예측인 것을 특징으로 하는 앙상블 유출 예측기법을 적용한 하천 수질예측 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    지류 유입량 예측은 기상전문기관으로부터 제공되는 기상예보 자료를 활용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 앙상블 유출 예측기법을 적용한 하천 수질예측 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    지류 유입량 예측은 앙상블 유출예측(ESP) 기법의 가중치에 따른 후처리 기법 연구를 통해 확률예측을 수행할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 앙상블 유출 예측기법을 적용한 하천 수질예측 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    수문모형과 수질모형이 통합되어 연계되는 상기 시스템은 상기 수문모형과 연계되어 수질 모의가 가능하도록 Visual Basic을 활용하여 Qual2E 모형과 연계되도록 하고, GUI(Graphical User Interface)를 설계하여 분석을 위한 기초자료의 수집과 분석에 소요되는 시간을 최소화하도록 한 것을 특징으로 하는 앙상블 유출 예측기법을 적용한 하천 수질예측 시스템.
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