• 대한환경공학회지
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• 제30권5호
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• pp.544-551
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• 2008

QUAL2K는 QUAL2E 모델의 단점을 개선하고 편의성을 향상시킨 모델로 입자성 유기물, 부착조류, 탈질화 및 퇴적층-수체 상호작용 등을 추가 반영하였으며, CBOD는 느린 CBOD와 빠른 CBOD 두 가지로 구분하여 현실화 하였다. QUAL2E와 QUAL2K 모델을 안양천에 적용하여 DO, BOD, Org-N, NH$_3$-N, NO$_3$-N, Org-P, Dis-P 및 Chl-a 등 8개 수질항목을 모의하여 결과를 비교 분석하였다. Org-N, NH$_3$-N, Org-P 및 Chl-a는 두 모델에서 비슷한 결과가 나타났으나, DO, BOD, NO$_3$-N 및 Dis-P는 다른 결과가 나타났다. 이는 QUAL2K에 추가된 부착조류, 탈질화, 퇴적층-수체의 상호작용 및 입자성 유기물의 영향에 기인한 것으로 판단된다. DO는 부착조류의 영향으로 낮게 나타났고, BOD는 입자성 유기물의 영향으로 높게 나타났다. NO3-N은 퇴적층-수체의 상호작용과 탈질화의 영향으로 실측치에 더 가깝게 나타났다. 모의 결과를 단순통계인자를 이용하여 평가하였으며, 대부분 수질항목에서 상대오차와 분산계수가 QUAL2E보다 QUAL2K에서 작게 나타났다. 자연현상을 좀더 실제에 가깝게 모의할 수 있는 QUAL2K 모델은 하천 및 하천화한 호소 수질관리에 적절히 이용할 수 있을 것으로 판단된다.

• 상하수도학회지
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• 제22권1호
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• pp.121-129
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• 2008

하천의 수질은 하천 흐름, 오염원 유입 그리고 하천내부의 수질변화 기작에 따라 변화한다. 일반적으로 하천의 수질모의는 시간의 흐름에 영향을 받지 않는 정상상태에 대하여 실시하나, 실제로 이러한 상황은 존재하지 않는 것이 현실이다. 따라서 하천의 수질상태에 대한 각종 정보가 정확하다고 하여도 수질모델에서 가정하는 근본적인 조건이 다른 경우 오차의 발생은 필연적인 사실이 된다. 본 연구는 하천의 수질모델링에 자주 사용되는 QUAL2E와 미국환경부에서 새로 개발하고 있는 QUAL2K 그리고 저자들이 개발한 CAP 수질모델을 금강의 대청댐 하류 약 30 km 구간에 대한 집중적인 현장 실측을 통해 확보한 자료를 이용하여 적용하여 모델링 결과를 비교하고 해당 지역의 수질모델링에 나타나는 오차의 원인을 밝혀내고자 수행되었다. 전체적으로 BOD5 및 COD의 경우 실측치보다 약간씩 낮게 모의되는 경향을 나타내었으며 TN과 TP의 경우 상대적으로 양호한 모의결과를 보이고 있다. 모델별로는 $BOD_5$와 TP의 경우 QUAL2E모델이, TN의 경우 QUAL2K모델이 가장 작은 오차를 나타내었으나 모델별로 오차정도의 차이가 유의성이 있다고 판단하기는 어렵다고 본다. 본 연구에서 모델링 오차의 가장 큰 원인에는 첫째, 정상상태 수질 모형이 하천의 수리동역학적 유동특성을 잘 반영하기 어렵다는 것과, 둘째, 현장에는 육안으로는 발견되지 않는 수많은 오염원이 존재하며 아직까지는 이를 체계적으로 추적하지 못하고 있다는 것, 셋째, 수질분석을 위해 하안에서 시료채취를 유입지천 또는 오염원이 완전하게 혼합되지 못한 상태에서 시행할 수 있는데 이에 대한 고려가 충분하지 못한 것을 들 수 있다.

• 한국지리정보학회지
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• 제14권2호
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• pp.96-108
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• 2011

환경에 대한 관심이 고조되면서 환경용량을 정량적으로 평가할 수 있는 환경모델링에 대한 관심이 고조되고 있다. 환경 모델링, 특히 수질 모의에 있어 GIS는 정량적인 매개변수 추출과 산출 등을 가능케 하는 중요한 툴임에도 불구하고 표준화된 절차 등의 부재로 적용에 어려움을 겪고 있다. 이로 인해 동일한 모델을 사용하여 동일한 지역을 모의하더라도 연구자마다 다른 결론을 내고 있어 정책 입안시 혼란을 가중시키고 있다. 본 연구에서는 1차원 하천수질예측모델인 Qual2E와 수문형 GIS 툴인 HyGIS를 연계하여 시스템을 구축하고자 하였다. 이를 위해 Qual2E 모델의 구조화 분석을 실시하고 기존 모델링 절차를 표준화 하였으며, Qual2E 모형에 최적화된 데이터모델을 설계 구축하였다. 또한 입력파일과 출력파일을 통제할 수 있는 매개변수 산출 알고리즘을 개발하고 구축하였다. 시스템의 구축시 GIS 데이터의 제어는 GDK를 활용하고 GUI 및 기타 시스템 환경은 Visual Basic 6.0을 활용하였다. 개발된 시스템을 활용하여 시험평가를 수행한 결과, 모델 구동시간이 기존 모델링에 비해 최대 3배 이상 단축되는 것으로 나타났으며, 입력파일 오류 등으로 인한 모델수행 장애는 발생하지 않았다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집
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• pp.2058-2062
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• 2009

1992년 한강수계법이 제정되면서 우리나라에 도입된 오염총량관리제는 현재 2차총량관리 시행계획수립 단계에 이르렀다. 오염총량제에서 수질모델은 수계구간별로 설정된 기준유량과 목표수질 조건을 달성하는 지를 판단할 수 있는 도구로 사용되며, 다양한 모델들이 사용되고 있다. 그 중 하천수질모형으로는 주로 QUAL2E, QUALKO, QUALKO2 모형으로 압축할 수 있다. QUAL2E 모형은 1980년대에 개발되어 국내외로 널리 이용하고 있으나 SOD를 0차나 일정량으로 처리하였고, 부착조류에 의한 용존산소 변화와 부유 조류 사멸시 발생하는 유기물이 고려되지 않았다. 또한 용존산소가 부족한 상태에서 반응이 활발한 탈질화과정이 포함되지 않아 이들 반응에 의해 수질이 영향을 받는 하천에 적용하기에는 한계가 있었다. 그리고 QUAL2E 모델은 여러 개의 지류를 가진 대형 하천에는 적용하기 어려운 단점이 있다. 국내에서는 1999년 QUAL2E 모델에 WASP5의 장점을 접목시켜 QUALKO 모델을 개발하였다. 이 모델은 QUAL2E에 부유성 조류의 사멸로 인한 유기물의 내부증가, 탈질화 반응 및 부착식물의 광합성 호흡 과정을 추가한 것이다. 또한 QUAL2E 모델에서 BOD는 CBOD로 입력되고 모의되므로 bottle BOD의 개념이 결여되어 있으므로 이러한 문제점을 보완하고, 조류의 생산 및 사멸에 의한 내부생산 유기물 증가와 탈질화 반응 과정을 추가한 것이다. 우리나라에서 진행되고 있는 총량관리 대상물질은 2010년까지는 $BOD_5$이며, 2011년부터는 일부 지역에 총인이 포함될 예정이다. 2007년에 실험실에서 측정하는 BOD5나 유기성 질소 또는 유기성 인을 그대로 입력하여 계산되고 출력할 수 있으며, 향후 오염총량제의 관리대상항목으로 논의되고 있는 TOC를 모의할 수 있는 QUALKO2가 개발되었다. 이에 본 연구에서는 향후 활용도가 클 것으로 기대되는 QUALKO2 모형에 기존 QUAL2E-UNCAS 모형에 서 수행할 수 있는 불확실성 해석 기법인 Monte Carlo 모의를 가능하도록 모형을 수정하고자 한다. 실제 하천에서의 수질해석에 대한 단순한 표현인 수학적 모형은 불확실성을 내포하고 있으며, Monte Carlo 해석을 사용하여 모형의 불확실도 정량화와 매개변수의 불확실성을 통계학적으로 기술할 수 있다. 또한 각 지점에 대한 계산결과치들에 대해 빈도 및 누가빈도분포 값을 제시함으로서 모형 예측치들의 전반적인 분포경향을 평가할 수 있으며, 하천수질에 대해서 환경기준치를 위배할 가능성을 산정하는데 활용할 수 있다. 우리나라 실정에 맞는 QUALKO2 모형에 Monte Carlo 모의를 통해 신뢰도 기반의 수질해석을 수행하게 된다면 수질정책의 기초자료 제공에 기여할 것으로 판단된다.

• 한국물환경학회지
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• 제24권1호
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• pp.54-62
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• 2008

It is often believed that a more complex water quality model is better able to simulate reality. The more complex a model, however, the more parameters are involved thus increases the cost and uncertainty of modeling processes. The objective of this study was to compare the performance of two steady-state river water quality models, QUAL2E and QUAL-NIER, that have different complexity. QUAL-NIER is recently developed by National Institute of Environmental Research aiming to enhance the simulation capability of QUAL2E for eutrophic rivers. It is a carbon based model that considers different forms, such as dissolved versus particulate and labile versus refractory, of carbon and nutrients, and the contribution of autochthonous loading due to algal metabolism. The models were simultaneously applied to Nakdong River and their performance was evaluated by statistical verification with field data. Both models showed similar performance and satisfactorily replicated the longitudinal variations of BOD, T-N, T-P, Chl.a concentrations along the river. The algal blooms occurred at the stagnant reaches of downstream were also reasonably captured by the models. Although QUAL-NIER somewhat reduced the magnitude of errors, the hypothesis tests revealed no statistical evidence to justify its better performance. The contribution of autochthonous carbon and nutrient load by algal metabolism was insignificant because the hydraulic retention time is relatively short compare to the time scale of kinetic reactions. The results imply that the kinetic processes included in QUAL-NIER are too complex for the nature and scale of the real processes involved, thus needs to be optimized for improving the modeling efficiency.

• 한국수자원학회논문집
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• 제37권9호
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• pp.719-727
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• 2004

수질모델은 수계내 오염물질의 총량관리를 위한 오염물질관리 목표량 및 허용총량 파악, 그리고 삭감계획의 효과분석 등에 효율적으로 사용할 수 있다. 그러나 선정 또는 개발된 모델의 재현성 제고를 위하여 매개변수의 최적화작업이 필요하다. 본 연구에서는 하천수질관리에 가장 광범위하게 사용되고 있는 미국 EPA에서 개발한 QUAL2E 모델의 반응계수 보정을 위하여 최소자승법을 적용하였으며, 계수가 취할 수 있는 범위를 제약조건으로 갖는 최적화모델을 구축하여 해를 구하였다. 최적화모델의 목적함수 해는 Microsoft Excel의 해 찾기 기능을 사용하여 구하였으며 수질항목에 대한 매개변수의 영향정도를 파악하기 위하여 Monte Carlo 모의를 실시하였다. 이 방법을 안양천 유역에 적용하여 본 결과 빠른 시간 안에 주관성이 배제된 매개변수 값을 확정할 수 있었다.

• 한국GIS학회:학술대회논문집
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• 한국GIS학회 2008년도 공동추계학술대회
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• pp.57-62
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• 2008

이 연구는 우리나라에서 흔히 사용되고 있는 수질모델링 기법 중의 하나인 QUAL2E 모델을 GIS기반의 수질관리 시스템에 적용하여 농촌지역에서 활용 가능한 수질모의 시스템을 개발하는 것을 목표로 한다. 수질모의 시스템의 개발을 위해 기본적으로 지형도, 하천도, 행정구역도, 표준유역도 등으로 이루어진 도형 데이터베이스와 오염원 자료, 환경실측자료 등으로 이루어진 속성 데이터베이스를 구축하였다. 수질모의는 GIS 기반의 농촌수질모의 시스템 상에서 이루어지도록 설계하였으며 간단히 소유역별 배출 오염부하량을 조정함으로써 여러 조건에 대한 수질모의가 가능하다. 대상유역은 삽교천 상류부터 31km 구간이고 총 5개의 소유역을 포함한다. 수리계수 산정은 HEC-RAS를 사용하였으며 수리계수 산정결과는 시스템 상에 미리 저장하여 수질모의 시 자동으로 입력되어 사용된다. 소유역별 배출 오염부하량을 조정함으로써 수질변화 경향 차이를 시스템 상에서 쉽게 확인할 수 있었고, 다양한 삭감시나리오의 작성에 시스템이 활용 가능함을 확인하였다. 향후 연구에서는 체계적이고 효율적인 농촌지역 수질관리 지원을 위하여 수질모의 시스템을 이용한 실질적인 관리방안 마련 연구 및 시스템 보완 개발 연구가 뒤따라야할 것이다.

• 한국환경농학회지
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• 제14권1호
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• pp.7-14
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• 1995

하천 수질관리 모델인 QUAL2E를 남강에 적용한 결과는 다음과 같다. 1. 모델변수의 민감도 분석 결과는 BOD, DO의 경우 BOD decay rate constant, 영양염류인 경우 Org-N oxidation rate constant, $NH_3-N$ oxidation rate constant, Org-P decay rate constant가 각 수질인자에 중요한 변수로 작용하였다. 2. 모델보정 결과를 보면 실측치와 예측치의 상관성은 DO, BOD의 경우 r=0.93, 0.94로 높은 상관성을 보였으며 영양염류인 경우는 질산성 질소가 r=0.61이었으나, 그 외는 r=0.90 이상으로 나타났다. 3. 모델검증 결과는 보정시보다 상관성이 떨어졌으나 DO, $NO_3-N$의 경우 r=0.68, 0.45로 낮고 그 외는 r=0.75이상으로 높은 편으로 나타났다. 4. 유량과 부하량의 변화에 대하여 하류 40.5 Km 이후의 BOD 농도변화는 적었으나, 하수종말처리장 건설이후 유량과 부하량을 변화시켜 수질농도를 예측한 결과 하류 40.5 Km 이후는 함안천의 영향을 받을 것으로 예측되었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집
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• pp.2220-2224
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• 2009

하천의 수질모의를 위해서는 정상상태 모델인 QUAL2E 가 널리 사용되어 왔다. 그러나 우리나라는 기후 특성상 하절기에 강우가 집중되고 경우에 따라서는 댐등에 의해 장기간 수류의 지체현상이 발생하므로 지역 및 시기에 따라 발생하는 수질 문제가 서로 다를 수 있다. 따라서 우리나라의 대부분의 수체에서는 시간에 따라 모의를 할 수 있는 비정상 상태의 수질모델이 적용되어야 할 필요가 종종 발생한다. 미국공병단에서 개발된 CE-QUAL-W2 모델은 2차원 모델로서 수리동역학과 수질반응역학을 한데 묶어서 풀이하였다는 점에서 획기적인 변화로 볼 수 있다. 이 모델은 종방향으로 길고 수심이 깊으며 상대적으로 하폭이 좁은 형태의 수체에 적합하며 하폭방향의 수질 변화를 나타내는 데 사용되지 못하는 단점이 있다. WASP(Water Quality Analysis and Simulation Program) 은 미국 환경부에서 개발한 비정상상태 3차원 수질모델로서 세계적으로 다양한 수체에 널리 사용되어 왔다. 이 모델에서 1차원적 흐름을 예측할 수 있는 DYNHYD 라는 수리학적 부프로그램은 2차원 또는 3차원 상황에서는 사용할 수가 없었음에 따라 수리학적 고려가 빈약한 것이 이 모델의 가장 큰 약점으로 지적되어 왔다. 최근 미국 환경부는 EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code) 라는 3차원 수리동역학 프로그램을 이용하여 대상 수체의 수리학적 거동을 모의하고 그 결과를 WASP7 에 연계시킬 수 있도록 하여 기존의 단점을 대폭 보완하였다. 본 연구에서는 금강 상류에 위치하고 있는 용담호를 대상으로 EFDC 를 이용하여 2005년 1년간 수위 및 수온성층현상을 예측하고 그 결과가 WASP 에 연결되어 사용될 수 있도록 하였다. 적절한 격자의 수를 결정하기 위하여 다양한 경우가 시행착오적으로 시험되었으며 비교적 적은 숫자의 격자로도 수위 및 수온의 모의가 가능하다는 것을 발견하였다.

• 한국환경과학회:학술대회논문집
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• 한국환경과학회 2000년도 정기총회 및 봄 학술발표회
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• pp.177-180
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• 2000