수자원기획처 수자원환경팀 지식소그룹 TEA 환경영향평가와 수질모델링 수자원기획처 수자원환경팀 지식소그룹 TEA

General View of Environmental Modeling 모델링의 필요성 환경오염은 다양한 인자들의 상호 작용에 의해 발생하는 복합적인 메커니즘으로, 정성적인 단일 해석으로는 예측불가 각 인자들의 정량화를 통한 오염물질의 발생, 이동 예측 환경의 미래가치적 성격으로 인하여, 환경과 관련된 현시점의 정책 및 의사결정시, 미래 오염물질 발생패턴 예측 필요 다양한 조건에서 오염물질의 미래 발생패턴 예측

General View of Environmental Modeling 모델링의 역할 1 화합물의 반응과 분리, 그리고 이동을 정량화함으로써, 물질의 이동과 수송형태 구현 2 시간적인 흐름에 따른 물질의 화학적 노출농도 계산 3 다양한 시나리오(오염원 변화) 조건에 따른 미래 환경영향 예측 4 환경정책상의 의사결정 지원도구

Water Quality Modeling 모델의 구조 수리모델 2-1 지형자료등 전처리 모델링 결과 Visualization 수송모델 2-2 1 수질모델 3 2-3 1단계 : 지형 등 입력자료의 가공, 작성 2단계 : 모의대상이 되는 중요한 현상들에 대하여 선택적으로, 단순화, 정량화, 수학적 모델 구축 (수리, 수송, 수질) 3단계 : 모델링 결과를 시각적으로 가시화

단순화의 예 지형의 단순화 반응 매커니즘의 단순화

수학적 모델-1 ◎ 물질수지 모델 물질 유입 물질 유출 대상 부피 물리적, 화학적, 생물학적 반응 축적 = 유입 – 유출 (± 반응) 화합물의 종류에 따라 반응성의 유무 결정 저수지의 경우, ∆V = (∑(Q유입+Q지하수유입)-∑ (Q유출+Q지하수유출)+IA-EA) ∆t ( ∆V : 저장부피의 변화, I : 강우강도, A : 수체의 단면적, E : 증발량, ∆t : 시간증가, Q : 유량 )

수학적 모델-1 (Continued) 생성반응(+) 분해반응(-) 비반응성 물질 물질 종류별 반응 염료 화학반응 생성물 조류 성장 박테리아 성장 기체 흡수 화학적 탈착 화학반응 반응물 BOD 방사선 동위원소 붕괴 침전 박테리아 사멸 유기물 분해 기체 탈취 화학적 흡착 염료 염소, 브롬 TDS 난분해성 유기물 총금속 안정한 동위원소

수학적 모델-2 ◎ 물질의 이동 확산 이송 난류확산 X Z Y X Z Y X 화학물질의 주요 이동현상 – 이송, 난류확산, 확산 이송 : 용존물 또는 미립자가 흐름 방향으로 이동 난류확산 : 용존물질이나 미립자가 미시적 크기의 난류에 의해 혼합 확산 : 전단력에 의해 발생한 속도구배를 가진 수체에서 난류확산 간의 상호작용에 의해 발생하는 더 큰 혼합양상

수학적 모델-3 ◎ 물질의 반응 (CE-QUAL-W2) 초기 물질량 Decay Settling 최종 물질량 Coliform bacteria 등 일반 물질인자 분해 및 침전으로 인한 물질량 감소 ISS Sorption 최종 물질량 Phosphorus Silica Settling ISS (Inorganic Suspended Solids) 침전으로 인한 물질량 감소

수학적 모델-4 ◎ 물질의 반응 (CE-QUAL-W2) 자생 BOD 개념 반영 안됨 ; Qualko에 반영 CBOD Decay Inorganic C Decay Phosphate CBOD Ammonium Decay Nitrate-Nitirite Dissolved Oxygen mortality Algae Sediment Photosynthesis Lablile DOM Settling Inorganic C Phosphate Ammonium Nitrate-Nitirite Silica DO Labile POM excretion

Water Quality Modeling 상용 수질모델링 S/W는, - 1~3단계 각각의 분할 S/W 조합 - 1~3단계 전체 또는 일부 패키지 형태 구 분 예 시 1단계 CAD, ARC-VIEW(ESRI), 엑셀, WMA, SMS 등 2단계 2-2 & 3 : QUAL2E (수리계수 별도모의 필요) 2단계 : CE-QUAL-W2, RMA2/4, WASP 2 & 3단계: EFDC 1, 2 & 3단계 : MIKE3, GEMSS 3단계 SMS (RMA 모델과 연결해 사용), Surfer (시간변화에 따른 모델링 결과 시각화 안됨) Array Viewer (CE-QUAL-W2모델, 저장안됨) 등

수질모델의 사용 유역 모델링 호소수질 모델링 GIS, 수치지도 이용/ 유역내 오염원으로부터의 부하량을 고려 유역모델 : HSPF, BASINS, SWAT, STORM (비점오염원 유출농도 계산, 점오염원 입력) 수역모델 : Qual2E, USGS, RIV-QUAL 등 (각 집수역의 유출농도를 초기농도로 하여, 하천 구간별 모의) 호소수질 모델링 환경영향평가에서, ‘DYNHYD(수리)+WASP5(수질)’ 조합이 주로 사용됨 - 장점: 입력자료가 비교적 간소, 약점: 1-D 수리모의(DYNHYD) - 대안으로, ‘EFDC(수리, 3-D)+WASP7(수질)’ 등장 CE-QUAL-W2 - 장점: 수리/수질 통합모의, 수위변동에 따른 물흐름 반영(조석차 구현 가능) - 약점: 입력자료 방대, 2-D 모델 MIKE3, GEMSS - 장점: 3-D 모델, 전처리/후처리기 확보로 작업량 경감, 기존 모델의 장점 보유 - 약점: 높은 가격, 입력자료 방대, 처리시간 증가

모의대상별 적용사례 (환경영향평가) 모의대상 사용모델 적용사례 수질오염총량제 • 수질 : QUALKO (자생BOD를 반영한 QUAL2E 개량) • 수리 : HEC-RAS - 부유사로 인한 하류하천의 탁도 예측 1. 수리: RMA2, 수질: RMA4 2. 수리&수질&시각화: EFDC *토사유출량 계산: 범용단위식(USLE) 적용 1.성덕댐(’04.7), 감천댐(’04.9) 2. 화북댐 이설도로(’05.11) 군남 홍수조절지(’05. 6) 호소/하류하천 수질모의 • 호소: WASP5 • 하류하천: QUAL2E 성덕댐(’04.7) 군남 홍수조절지(’05.6) 감천댐(’04. 9) 안개일수 산정 1.저수지/하류하천 수온: WQRRS/QUAL2E 2. 유역내 증발산량 산정: 물수지, 열수지 모델, Penman식, WREVAP식(주로 사용), Eagleman의 방법 3. 액상수적의 수분함량 계산 4. 안개일수 산출을 위한 시정모델 적용 (입자크기, 산란정도에 따른 가시거리1km 이내) • 성덕댐(’04.7) : WQRRS + WREVAP식 • 감천댐(’04.9) : WQRRS + WREVAP식 •군남조절지(’05. 6) : WQRRS + WREVAP식

개별 수질모델 S/W 사례 ‘저수지수질예측2’ 강의교재 발췌 (수자원연구원 정선아연구원)

QUAL2E QUAL2E QUAL-I, QUAL-II, Enhanced QUAL-II로 발전 흐름방향의 1차원 정상상태 수질모형 항목에 대한 주야간 변화를 모의가 가능 일반항목 11개, 반응성 및 비반응성 물질등 총 15개 항목에 대하여 모의 가능

WQRRS WQRRS (Water Quality for River-Reservoir System) 수심방향 1차원 호수 수질 모델 정상상태와 비정상상태 수리 및 수질모의 가능 월별 수질 모의는 가능하나 일별 또는 계절별 모의는 곤란 소구간내 완전혼합을 가정 연직방향의 유속과 확산에 의한 수체이동으로 수질변화가 일어난다고 가정 길이 방향으로 긴 수체에 부적합

CE-QUAL-RIV1 CE-QUAL-RIV1 횡방향 평균화 1차원 비정상 상태 모델 하천형 저수지나 하천에 적합 수심방향과 하천 폭 방향의 구배는 무시 수질모델은 다른 수리모델과 연계하여 사용 가능

WASP WASP (Water Quality Analysis Simulation Program) 1차원 수리모델 (DYNHYD)과 1, 2, 3차원 수질 모델 (WASP)로 구성 수질모델은 부영양화모델 (EUTRO)과 독성물질 및 보존성 물질모델 (TOXI)로 구성됨

RMA 2/4 RMA2 RMA4 수심평균화 2차원 비정상상태(dynamic) 모델 자유 수표면 흐름에서 수위와 horizontal velocity를 계산 성층이 없는 수체(unstratified  waterbody)에 적합 RMA4 RMA2 모델의 수리 모의결과에 기초 오염물질 부하량과 위치, 중력에 의한 침강을 고려 시간에 따른 수체 내 수질 분포를 예측 기본적인 advection-diffusion process에 기초한 수질 항목의 모의에 적합

RMA 2/4 RMA 모델은 미국 공병단에서 개발한 수리수질 모델로 1973년 개발된 후 현재까지 개선되어 널리 사용된 모델임 RMA 모델은 수직방향의 흐름을 무시하는 수심평균(depth averaged) 2차원 모델이며, 유한요소법(finite element method)을 기초로 정상상태(steady state) 또는 동적상태(dynamic state)에서의 수체 이동방향과 세기를 예측하고 그에 따른 수질변화를 예측할 수 있도록 개발됨

RMA 2/4 –적용사례(새만금)

RMA 2/4 –적용사례(새만금) 우리나라 서해안은 조석 간만의 차가 크고 지형이 복잡한 특징을 지님 대규모의 방조제 건설은 일차적으로 인접해역의 수리적 특성의 변화 초래 새만금 지구의 방조제 체절공사 진행과 관련되어 방조제 개방구간을 통한 해수소통시 조간대 변화와 희석률 변화 등을 조건별로 검토 조간대의 변화 및 희석률 변화를 예측하기 위해서는 격자의 크기를 줄여 상세한 수리변화를 예측할 수 있는 2차원 모델인 RMA가 적합

RMA 2/4 –적용사례(새만금) 희석률 비교 공사 진행에 따라 희석률 감소 자정능력 저하 St. 1 St. 2 St. 3 사업 시행 전 2.0×10-3 100 4.8×10-3 3.5×10-3 4.5 km 개방 4.7×10-3 98 2.7 km 개방 1.7×10-3 85 3.0×10-3 63 2.7×10-3 77 갑문 개방 1.0×10-3 50 2.6×10-3 54 2.3×10-3 66 다음은 희석률 비교입니다. 희석률 비교 지점은 4호 방조제 건설이 완료된 후 정체가 예상되는 지점으로 St. 1을 선정하였고, 만경수역의 담수가 유입되는 통로인 지점 St. 2, 동진수역의 담수가 유입되는 통로 St. 3 지점을 선정하였고 표에서 보시는 바와 같이 공사진행에 따라 희석률이 감소하여 해수의 자정능력이 떨어짐을 예측할 수 있으며 특히 완정 정체되는 St. 1은 50% 가량의 자정능력이 떨어질 것으로 예상됩니다.

GEMSS GEMSS (Generalized Environmental Modeling System for Surface water) JEEAI(J. E. Edinger Associates, Inc.)에 의해 개발된 3차원 시변화 수리 및 수질 모델링 지원을 위한 통합 시스템 3차원 시변화 수리 모델, GLLVHT를 기반으로 결합된 여러 가지의 수질 모델이 모듈 형태로 포함 GIS Module GIS Data File Grid Generation Module Control File Generator Module Grid File Meteorological Data File Hydrodynamic Data File Transport and Water Quality File Control File 3-D Time-Varying Model Module Output Data File Post Processing Module

GEMSS – 적용사례 (팔당호) 127 20 E 상이한 유량 및 유역 특성을 갖는 남, 북한강 그리고 경안천이 각각 다른 방향으로부터 팔당호로 유입 여름 몬순 기후와 상류에 위치한 댐의 영향으로 인해 시간에 따른 유입량의 변이가 매우 큼 팔당호는 수리 및 수질의 시공간적인 변이가 매우 큰 수체 효과적인 수질 관리 대책 수립을 위해서는 호 내 수리 및 수질 변화 특성과 이들 특성이 수질 변화에 미치는 영향에 대한 규명이 반드시 요구됨 North Branch Han River South Branch 37 30 N Paldang Dam 팔당호의 기본적인 수환경 특성을 살펴보면… 우선 팔당호는 유역면적에 대한 수표면적의 비와 유입유량에 대한 저수용량의 비가 매우 크며, 따라서 호 내 수리 및 수질은 기본적으로 유역으로부터의 강우 및 오염물질 유출에 의해 직접적인 영향을 받게 됩니다. 또한 팔당호는 좁고 긴 형상을 가진 수지형 호수로 상이한 유량 및 수질을 갖는 남, 북한강 그리고 경안천이 각각 다른 방향으로부터 유입되고 있으며, 이들 세 지류의 유량 및 수질은 여름철 집중 강우와 상류 댐에 의한 영향으로 계절에 따른 변이가 매우 큽니다. 결론적으로 팔당호는 국내 외 다른 호수에 비해 호 내 수리 및 수질의 시공간적 변이가 매우 심한 수체이며, 효과적인 수질관리대책 수립을 위해서는 호 내 수리 및 수질 변화 특성과 특히 수리적 특성이 수질 변화에 미치는 영향에 대한 규명이 반드시 요구된다고 판단되었습니다. Kyungan Stream 0 1 2 3 km

MIKE3 MIKE3 수체의 수질, 물질 확산과 이송, 수표면 열교환, 중금속 분포, 부영양화 현상, mud transport 등을 모의할 수 있는 통합적 모델 하천, 저수지, 하구, 항만등 다양한 수체에 적용 가능 nutrient 순환 및 동·식물성 플랑크톤, 저서 식물 등을 고려 MIKE3 Coastal Hydraulics &Oceanography Environmental Sediment Process Waves Water quality Eutrophication Heavy metals Sewer outfalls Cohesive and non- cohesive sediments Effect of waves and currents Littoral transport Impact due to dredging Tidal hydraulics Wind and wave generated current Storm surge Hindcast and forecast Wave agitation in harbors Non-linear transformation Ship movement Design wave parameters