• Journal of Environmental Impact Assessment
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• v.30 no.5
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• pp.271-296
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• 2021

Since the thermal stratification in a reservoir inhibits the vertical mixing of the upper and lower layers and causes the formation of a hypoxia layer and the enhancement of nutrients release from the sediment, changes in the stratification structure of the reservoir according to future climate change are very important in terms of water quality and aquatic ecology management. This study was aimed to develop a data-driven inflow water temperature prediction model for Daecheong Reservoir (DR), and to predict future inflow water temperature and the stratification structure of DR considering future climate scenarios of Representative Concentration Pathways (RCP). The random forest (RF)regression model (NSE 0.97, RMSE 1.86℃, MAPE 9.45%) developed to predict the inflow temperature of DR adequately reproduced the statistics and variability of the observed water temperature. Future meteorological data for each RCP scenario predicted by the regional climate model (HadGEM3-RA) was input into RF model to predict the inflow water temperature, and a three-dimensional hydrodynamic model (AEM3D) was used to predict the change in the future (2018~2037, 2038~2057, 2058~2077, 2078~2097) stratification structure of DR due to climate change. As a result, the rates of increase in air temperature and inflow water temperature was 0.14~0.48℃/10year and 0.21~0.41℃/10year,respectively. As a result of seasonal analysis, in all scenarios except spring and winter in the RCP 2.6, the increase in inflow water temperature was statistically significant, and the increase rate was higher as the carbon reduction effort was weaker. The increase rate of the surface water temperature of the reservoir was in the range of 0.04~0.38℃/10year, and the stratification period was gradually increased in all scenarios. In particular, when the RCP 8.5 scenario is applied, the number of stratification days is expected to increase by about 24 days. These results were consistent with the results of previous studies that climate change strengthens the stratification intensity of lakes and reservoirs and prolonged the stratification period, and suggested that prolonged water temperature stratification could cause changes in the aquatic ecosystem, such as spatial expansion of the low-oxygen layer, an increase in sediment nutrient release, and changed in the dominant species of algae in the water body.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2022.05a
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• pp.466-466
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• 2022

2018년 물관리 일원화를 위한 정부조직법 개정으로 기존 국토교통부의 「수자원의 조사·계획 및 관리에 관한 법률」 등의 사무가 환경부로 이관되었다. 과거 부처별로 나누어진 물 관리 체계에 따라 부처간 업무중복, 과잉투자 등 수량과 수질에 대한 분리된 관리체계의 한계점으로 유역 상류에 설치된 댐의 경우 저류된 댐 용수의 수질악화의 문제가 발생하였다. 또한, 물관리 일원화 이후, 「제2차 물환경관리 기본계획」에서는 2025년까지 주요 상수원 수질을 좋음(I)등급 달성을 목표로 제시하였고, 이와 연계하여 평가지표 등에 설정한 댐 수질목표를 2025년까지 매우좋음(Ia) 등급 달성을 위해서는 댐 상류 주요 오염원에 대한 과학적 분석이 필요하며 이에 대한 관리대책 마련이 시급한 상황이다. 본 연구의 공간적 범위인 사연댐은 울산공업지구의 공업용수 확보를 위해 1965년 준공되어 울산 일원에 100,000m³/일 이상의 공업용수를 공급하는 수원시설이며, 대곡댐은 기존 울산지역에 공업용수로 사용하던 사연댐의 물을 생활용수로 전환하고, 대곡·사역댐의 연계운영을 통해 연간 66백만의 생활용수를 공급하기 위한 수원시설이다. 수질 목표기준의 경우 대곡댐은 좋음(Ib), 사연댐은 매우좋음(Ia)로 설정되어 있으나, 2015~2019년까지의 TOC, T-P의 평균 달성률을 살펴보면 대곡댐은 TOC 45.8%, T-P 27.1%의 목표수질 달성률을 나타내었고, 사연댐은 TOC 및 T-P 모두 0%로 목표수질을 달성하지 못한 것으로 조사되었다. 본 연구에서는 대곡·사연댐 상류 유역을 대상으로 유역의 특성 및 오염원 발생 특성을 파악하고, 이에 따른 물환경관리 종합대책을 수립하기 위하여 1) 유역 물환경 기초자료 조사와, 2) 모니터링을 통한 댐유역 오염 원인분석을 수행하였다. 그 결과를 바탕으로 소유역별 오염부하량을 분석하고 개선대책(안)을 도출하였다. 이 때, 개선대책의 효과를 분석하기 위해서 유역 모형(HSPF)과 호소수질(AEM3D) 모형을 활용하여 수질모델 구축 및 보정을 수행하였고, 개선 대책(안)에 대한 목표수질 달성여부를 파악하였다. 최종적으로 대곡·사연댐 유역의 호소수질 변화를 파악하고 댐 유역 특성을 고려한 맞춤형 물환경관리 종합대책을 제시하였다.

• Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology
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• v.15 no.3
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• pp.124-127
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• 2005

It is demonstrated that the annealing process for Ti in-diffusion to z-cut $LiNbO_3$ at temperature lower than the curie temperature in a platinum (Pt) box can cause a ferroelectric micro-domain inversion at the +z surface and Li out-diffusion, therefore which should be avoided or suppressed for waveguide type periodically poled lithium niobate (PPLN) devices. The depth of the inversion layer depends on the Ti-diffusion conditions such as temperature, atmosphere, the sealing method of $LiNbO_3$ in the Pt box and crystal orientation is experimentally examined. The result shows that the polarization-inverted domain boundary appears at the only +z surface and its thickness is about $1.6{\mu}m$. Also, for the etched $LiNbO_3$, surface the domain shape was observed by the optical microscope and atomic force microscopy (AEM), and distribution of the cation concentrations in the $LiNbO_3$ crystal by the secondary ion mass spectrometry (SIMS).

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.487-487
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• 2021

탁수는 유기물 또는 무기물이 유입되면서 빛의 투과성이 낮아진 수체를 의미한다. 탁수가 발생하게 되면 어류의 폐사, 정수처리 비용의 증가 및 경관의 변화로 인한 피해가 발생하게 된다. 국내에서는 홍수기 또는 태풍 시 유역의 토사가 저수지 상류에서 유입하여 호내의 탁수를 발생시키는 경우가 있는데, 특히 낙동강 유역의 임하호에서 빈번하게 고탁수가 발생하여 왔다. 본 연구에서는 임하호에서 탁수 발생 시 신속 배제를 위한 수치적인 예측 시스템을 소개하고자 한다. 저수지 탁수관리의 기본개념은 용수공급능력을 고려한 고탁수의 신속한 배제이다. 이는 선제적 의사결정을 요구하므로, 지류에서 탁수가 발생한 즉시 향후 상황에 대한 예측이 필요하다. 이러한 예측을 위해 유역관리처는 3단계의 수치해석을 수행한다. 첫 번째는 유역 상류에서 탁수가 감지되었을 때, 호 내 탁수의 분포를 예측하는 것이다. 수심 및 수평방향의 탁수 분포에 대한 상세한 결과가 도출되어야 하기에, 3차원 수치해석 프로그램인 AEM3D를 이용한다. 이때, 과거 고탁수 유입에 대한 자료를 기반으로 산정된 매개변수가 적용된다. 두 번째는 예측된 호내 분포를 초기조건으로 댐 방류량 및 취수탑 위치(선택배제)에 따른 탁수 배제 수치해석을 수행하게 된다. 다양하고 많은 case에 대한 신속한 모의 및 3달 이상의 장기간 예측을 요구하므로, 2차원 수치모델인 CE-QUAL-W2를 활용한다. 이 단계에서 수자원의 안정적 공급이 가능한 범위 내에서 효과적인 탁수 배제 방류 방법 등이 결정되며, 방류 탁도가 예측된다. 세 번째 단계는 방류탁도를 경계조건으로 하여 하류 하천(반변천~내성천 합류 전)의 탁도를 예측하는 것이다. 하천의 탁도 예측은 국내뿐만 아니라 국외에서도 그 사례를 찾아보기가 쉽지 않은데, 이는 중소형의 지류에 대한 입력자료가 충분하지 않고 불확실성이 높기 때문이다. 이에 과거 10여 년의 data를 이용한 회귀분석을 통해 탁수 발생물질(SS)-부유사-유량과의 관계를 도출하고, 2차원 하천모델(EFDC)을 이용하여 수심 평균 탁도를 예측하게 된다. 이러한 세 단계의 예측은 탁수가 호내로 유입됨에 따라 반복되고, 점차 예측 정확도가 향상되게 된다. 세 단계의 과정을 통한 임하호 탁수의 조기 배제는 현재 적지 않은 효과를 거두고 있다고 판단된다. 그러나 탁수를 발생시키는 현탁물질의 종류는 매번 일정하지 않기 때문에, 이러한 예측 시스템에 정확도에 영향을 줄 수 있으므로, 여러 상황을 고려한 딥러닝을 도입하여 탁수 물질에 대한 정보를 예측한다면 보다 합리적인 의사결정 지원 도구가 될 수 있을 것이다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.62-62
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• 2021

산업 고도화로 인하여 복잡하고 다양한 유기물의 사용량이 증가하였으며, 공공수역 내 새로운 오염물질이 유입됨에 따라 생화학적 산소요구량(BOD) 중심의 수질평가에 한계를 나타내었다. 이후 난분해성 물질을 고려한 유기물관리 정책과 총량관리의 필요성이 제기되었고 국내 하천과 호소에서는 총 유기탄소(TOC)를 유기물 관리지표로 설정하였다. 그러나 부영양 하천과 호소에서 TOC는 외부 부하뿐만아니라 식물플랑크톤의 과잉성장에 의해 증가할 수 있는 항목이므로 TOC 관리정책 추진을 위해서는 유기물의 기원에 대한 파악이 필요하다. 특히, 국내 하천에서 나타나고 있는 난분해성 유기물 오염도의 증가 추세에 대응한 실효성 있는 유기물 오염관리 정책을 수립하기 위해서는 다양한 유기물의 근원을 정확하게 파악하는 것이 매우 중요하다. 본 연구의 목적은 금강 수계 최대 상수원인 대청호를 대상으로 3차원 수리-수질 모델을 적용하여 유기탄소 성분 별 유입과 유출, 내부생성 및 소멸량을 평가하고 저수지시스템에서의 유기탄소 물질수지를 해석하는 데 있다. 유기탄소 물질수지 해석을 위해 AEM3D 모델을 사용하였으며 2017년을 대상으로 입력자료를 구축한 후 보정을 수행하였고 2018년을 대상으로 모델을 검정하였다. 모델은 유기탄소를 입자성, 용존성, 그리고 난분해성과 생분해성으로 구분하여 모의하며 유기물질 성상별 실험결과를 이용하여 입력자료를 구축하였다. 유기탄소 물질수지 해석을 위해 4가지의 탄소성분과 조류 세포 내 탄소의 질량 변화율을 계산하였다. 이를 위해 외부 유입·유출부하율, 수체 내 생성(일차생산, 재부상, 퇴적물과 수체 간 확산) 및 소멸률(POC 및 조류 침강, DOC 무기화, 탈질)을 고려하였다. 모델은 2017년과 2018년의 물수지를 적절히 재현하였으며 저수지의 성층구조를 잘 재현해내면서 전반적인 수온, 수질을 적절하게 모의하였다. 연간 TOC 부하량 중 내부기원 부하량은 2017년 68.4 %, 2018년은 높은 강우량의 영향으로 55.0%로 산정되었다. 내부 소멸 기작 중 침전으로 인한 손실이 가장 높은 것으로 나타났으며, 2017년과 2018년 각각 31.3%, 29.0%로 나타났다. TOC의 공간분포는 Chl-a 농도 분포와 유사하게 나타났으며, 댐 설치로 형성된 정체수역은 유역의 유기물 순환에 많은 영향을 미치는 것으로 평가되었다. TOC 관리 정책 기초자료 확보를 위해서는 향후 유역-저수지 시스템을 연계한 유기물 물질순환 심층 연구가 필요하다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2023.05a
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• pp.148-148
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• 2023

산업 고도화로 인하여 복잡하고 다양한 유기물의 사용량이 증가하였으며, 공공수역 내 새로운 오염물질이 유입됨에 따라 생화학적 산소요구량(BOD) 중심의 수질평가에 한계를 나타내었다. 이후 난분해성 물질을 고려한 유기물관리 정책과 총량관리의 필요성이 제기되었고 국내 하천과 호소에서는 총 유기탄소(TOC)를 유기물 관리지표로 설정하였다. 그러나 부영양 하천과 호소에서 TOC는 외부 부하뿐만아니라 식물플랑크톤의 과잉성장에 의해 증가할 수 있는 항목이므로 TOC 관리정책 추진을 위해서는 유기물의 기원에 대한 파악이 필요하다. 한편, 우리나라와 같이 몬순 기후대에 속한 댐 저수지의 경우 강우시 유입하는 탁수에 의해 다량의 유기물과 인이 유입되기도 하지만 식물플랑크톤의 제한요인 중 광량에 많은 영향을 미친다. 식물플랑크톤의 광합성은 수체 내 유기탄소 내부생성에 매우 중요한 요소이나 점 단위의 실험적 방법을 활용한 유기탄소 순환 해석은 저수지의 시·공간적인 변동성을 고려하기에 한계가 있다. 본 연구의 목적은 금강 수계 최대 상수원인 대청호를 대상으로 3차원 수리-수질 모델을 적용하여 유기탄소 성분 별 유입과 유출, 내부생성 및 소멸량을 평가하고 탁수가 저수지에서의 유기탄소 순환에 미치는 영향을 분석하는데 있다. 유기탄소 물질수지 해석을 위해 AEM3D 모델을 사용하였으며 2018년을 대상으로 입력자료를 구축한 후 보정 및 검정을 수행하였다. 모델은 유기탄소를 입자성, 용존성, 그리고 난분해성과 생분해성으로 구분하여 모의하며 유기물질 성상별 실험결과를 이용하여 입력자료를 구축하였으며 유기탄소순환 해석을 위해 4가지의 탄소성분과 조류 세포 내 탄소의 질량 변화율을 계산하였다. 이를 위해 외부 유입·유출부하율, 수체 내 생성(일차생산, 재부상, 퇴적물과 수체 간 확산) 및 소멸률(POC 및 조류 침강, DOC 무기화, 탈질)을 고려하였으며 탁수의 영향을 분석하기 위해 탁수 포함여부 시나리오를 구성하고 유기탄소 생성 및 소멸기작별 변동성을 비교 분석하였다. 모델은 2018년의 물수지를 적절히 재현하였으며 저수지의 수온 및 탁도 성층구조를 잘 재현해내면서 전반적인 수질을 적절하게 모의하였다. 탁수를 고려하였을 시 연간 TOC 부하량 중 내부기원 부하량은 56% 수준이였으나 탁수를 배제한 경우 내부기원 부하량은 82%로 나타났다. 특히, 연평균 Chl-a 농도가 44~48% 차이가 발생하면서 1차생산량이 약 4배가량 증가하였다. 몬순지역에서의 탁수는 체류시간이 긴 성층 저수지에서 식물플랑크톤 성장제어에 큰 영향을 미쳤으며 전반적인 유기탄소 순환을 해석하는데 있어 매우 중요한 인자로 작용하였다.