Two-dimensional Prediction of Harmful Algal Bloom in Eutrophic Rivers

Abstract

하천에서 발생되는 유해성 조류의 성장 지배인자로 주로 인이 고려됨에 따라 인의 유입량 조절을 통해 유해성 조류발생을 억제하는 것이 일반적이다. 그러나 영양염류 부하량이 높은 부영양화 하천에서는 인의 농도가 조류 성장에 필요한 포화농도에 도달함에 따라 인이 유해성 조류 발생에 미치는 영향이 미약해진다. 부영양화 하천에서 유해성 조류의 농도는 수온, 일사량, 하천흐름과 같은 인자에 의해 결정된다. 따라서, 본 연구에서는 2차원 조류거동 해석모델을 개발하여 조류 농도의 시공간적 분포를 모의하고, 이를 통해 수온과 하천흐름이 유해성 조류발생에 미치는 영향을 분석하였다.<br/> 조류거동 해석모델은 2차원 이송-분산 방정식을 기초로 하며, 수온, 인, 질소 거동 해석모델 및 수리동역학 모델과 연동되어 개발되었다. 본 연구에서는 수온이 조류 성장에 미치는 영향을 수치모델을 이용하여 정확 <br/> 하게 구현하기 위해 낙동강 중류에 수질측정소를 구축하였고, 측정된 수질자료를 이용하여 대상지역 조류에 적합한 수온제한함수를 도출하였다. 도출된 수온제한함수는 편포를 지닌 정규분포에 가장 높은 적합도를 보였으며, 규조류와 남조류의 최적 수온은 각각 8.7과 36 °C로 나타났다. 수치모델의 검증을 위해 입력값과 예측값 관계의 공간적 이질성을 고려 가능한 Geographically Weighted Regression (GWR) 기법을 적용하여 RapidEye 인공위성영상으로부터 남조류 농도의 공간분포를 추출하였다. 남조류 농도의 공간분포 예측결과, GWR 기법이 결정계수 0.72를 보임에 따라 결정계수 0.62를 보인 기존 Multiple Linear Regression (MLR) 기법에 비해 높은 예측 정확도를 보였다.<br/> 본 연구에서 개발된 조류거동 해석모델을 이용하여 대상영역인 낙동강 강정고령보 ~ 달성보 구간에서 발생되는 조류 농도의 시공간적 변동성을 모의하였다. 모의결과, 개발된 모델을 통해 조류 농도의 시계열적 변화를 정확하게 예측할 수 있었다. 특히 규조류의 시계열적 변동성은 수온제한함수에서 계산된 성장 가중치에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 매개변수의 민감도 분석결과, 수집된 수질자료로부터 추정된 최적수온이 가장 높은 민감도를 보이는 매개변수로 나타났다. 또한 매개변수의 민감도는 하천정체시간이 길어 높은 Damköhler number 조건에서 높게 나타난 반면, 빠른 유속으로 인해 낮은 Damköhler number 조건에서는 매개변수의 민감도가 낮게 나타났다. 개발된 조류거동 해석모델의 검증을 위해 위성영상으로부터 도출된 남조류 농도의 공간분포 자료와 모델의 모<br/> 의결과를 비교하였다. 비교결과, 개발된 조류거동 해석모델이 위성영상으로부터 도출된 남조류의 농도분포를 정확하게 모의하였으며, 특히 빠른 유속이 존재하는 하천 중앙부에 비해 수심이 얕고 유속이 느려 하천정체시간이 길고 일사효율이 높은 하천양안에서 남조류가 축적되는 현상을 정확히 재현하였다.<br/> 시공간분포 자료를 이용하여 검증된 조류거동 해석모델을 이용한 시나리오 모의를 통해 하천흐름이 유해성 조류발생에 미치는 영향을 분석하였다. 시나리오 모의결과, 대상영역 상류에 위치한 강정고령보의 방류량 증가에 따라 유해성 조류발생 면적과 남조류의 최고 농도가 점진적으로 감소함을 확인할 수 있었다. 보의 방류량을 기저 유량의 약 6배 증가시켰을 때 유해성 조류발생 면적이 10% 이하로 감소하였다. 위의 결과를 통해 보 방류로 인해 높아진 유속이 남조류가 성장하기 위한 정체시간을 감소시킴에 따라 고 농도의 남조류 발생이 억제됨을 확인할 수 있었다.<br/>