본문 바로가기
KERD
논문KCI 등재

고빈도 자료기반 유입 수온 예측모델 개발 및 기후변화에 따른 대청호 성층강도 변화 예측

Development of High-frequency Data-based Inflow Water TemperaturePrediction Model and Prediction of Changesin Stratification Strength of Daecheong Reservoir Due to Climate Change

이사우|황상철|김지원|정세웅|김성진|김동민|한종수
한국환경영향평가학회 (Korean Society Of Environmental Impact Assessment)|2021.11|환경영향평가 (Journal of Environmental Impact Assessment)|제30권 제5호|pp. 271-296

0

조회

0

다운로드

2

인용

0

참고문헌

키워드

기후변화Climate changeRandom ForestAEM3D하천 수온 예측저수지 수온성층River water temperature predictionReservoir stratification
주제분류환경공학

초록

댐 저수지 수온성층은 수직혼합을 억제하여 저층의 빈산소층 형성과 퇴적물 영양염류 용출을 일으키는 원인이므로 미래 기후변화에 따른 저수지 성층구조의 변화는 수질 및 수생태 관리 측면에서 매우 중요하다. 본 연구의 목적은 대청댐 저수지를 대상으로 고빈도 자료기반의 통계적 저수지 유입 수온 예측 모델을 개발하고, RCP(Representative Concentration Pathways) 기후변화 시나리오를 고려한 미래 유입수온변화와 대청호 성층구조의 변화를 예측하는 데 있다. 대청호 유입 수온 예측을 위해 개발한 Random Forest 회귀 예측모델(NSE 0.97, RMSE 1.86℃, MAPE 9.45%)은 실측 수온의 통계량과 변동성을 적절히 재현하였다. 지역 기후 모델(HadGEM3-RA)로 예측된 RCP 시나리오별 미래 기상자료를 Random Forest 모델에 입력하여 유입 수온을 예측하고 3차원 저수지 수리 모델을 이용하여 기후변화에 따른 대청호의 미래(2018~2037, 2038~2057, 2058~2077, 2078~2097) 수온성층 구조 변화를 예측하였다. 예측결과, 미래 기후 시나리오별로 대기 온도와 저수지 유입 수온의 증가속도는 각각 0.14~0.48℃/10year와0.21~0.43℃/10year의 범위로써 지속적으로 증가하였다. 계절별 분석 결과, RCP 2.6 시나리오의 봄과겨울철을 제외한 모든 시나리오에서 유입 수온은 증가 경향이 통계적으로 유의하였으며, 탄소저감 노력이약한 기후 시나리오로 갈수록 수온의 증가속도가 빨랐다. 저수지 표층 수온의 증가속도는 0.04~0.38℃/ 10year 범위였으며, 모든 시나리오에서 성층화 기간이 점진적으로 증가되었다. 특히 RCP 8.5 시나리오 적용 시 성층일수는 약 24일 증가하는 것으로 전망되었다. 연구 결과는 기후변화가 호소의 성층강도를 강화하고 성층형성 기간을 장기화한다는 선행연구 결과와 일치하며, 수온성층의 장기화는 저층 빈산소층 확대, 퇴적물-수체간 영양염류 용출량 증가, 수체 내 조류 우점종의 변화 등 수생태계 변화를 유발할 수 있음을 시사한다.

Abstract

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°C, 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°C/10year and 0.21~0.41°C/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°C/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.

참고문헌 (63)

  1. 안인경, "3차원 수리⋅수질 모델을 이용한 대청호 유기탄소 순환 및 물질수지 해석", 한국물환경학회지, 36(4), pp.284~299 (2020), 한국물환경학회[DOI]
  2. Blenckner T, "Lake plankton as a tracer to discover climate signals", Internationale Vereinigung für theoretische und angewandte Limnologie : Verhandlungen, 28(3), pp.1324~1327 (2002)
  3. Breiman L, "Random forests", Machine Learning, 45(1), pp.5~32 (2001)
  4. "randomForest: Breiman and Cutler’s Random Forests for Classification and Regression. R package version 4.6-12, Software"[URL]
  5. Caissie D, "Modelling of maximum daily water temperatures in a small stream using air temperatures", Journal of Hydrology, 251(1-2), pp.14~28 (2001)
  6. Mitigation of Climate Change, the Intergovernmental Panel on Climate Change; Vol. Working Group III Contribution to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, "Change IC", ~ (2014)
  7. Climate change 2007: Impacts, adaptation and vulnerability, "Change, IPOC", ~ (2001)
  8. 정남일, "수온 증가가 한강 수계의 어류 서식지에 미치는 영향", 한국물환경학회지, 27(3), pp.314~321 (2011), 한국물환경학회
  9. Chung SW, "The influence of physical and physiological processes on the spatial heterogeneity of a Microcystis bloom in a stratified reservoir", Ecological Modelling, 289, pp.133~149 (2014)
  10. 정세웅, "대청호 상류 하천에서 강우시 하천 수온 변동 특성 및예측 모형 개발", 한국수자원학회 논문집, 39(1), pp.79~88 (2006), 한국수자원학회
  11. 정세웅, "대청호 부영양화 모의를 위한 CE-QUAL-W2 모델의 적용", 한국물환경학회지, 23(1), pp.52~63 (2007), 한국물환경학회
  12. 정세웅, "성층화된 저수지로 유입하는 탁류의 공간분포 특성 및 연직 2차원 모델링", 대한환경공학회지, 26(9), pp.970~978 (2004), 대한환경공학회
  13. The effects of climate change on lake Tahoe in the 21st century: meteorology, hydrology, loading and lake response, Prepared for Jonathan Long Pacific Southwest Research Station, "Coats R", Tahoe Environmental Science Center, 291~ (2010)
  14. Deemer BR, "Greenhouse gas emissions from reservoir water surfaces : a new global synthesis", BioScience, 66(11), pp.949~964 (2016)
  15. Edwards KF, "Phytoplankton growth and the interaction of light and temperature : A synthesis at the species and community level", Limnology and Oceanography, 61(4), pp.1232~1244 (2016)
  16. Fang X, "Simulations of climate effects on water temperature, dissolved oxygen, and ice and snow covers in lakes of the contiguous US under past and future climate scenarios", Limnology and Oceanography, 54(6-2), pp.2359~2370 (2009)
  17. Firoozi F, "Developing a framework for assessment of climate change impact on thermal stratification of dam reservoirs", International Journal of Environmental Science and Technology, 17(4), pp.2295~2310 (2020)
  18. Fischer HB, "Mixing in inland and coastal waters" (1979), Academic Press
  19. Ford PW, "Methane and oxygen dynamics in a shallow floodplain lake : the significance of periodic stratification", Hydrobiologia, 485(1), pp.97~110 (2002)
  20. Gooseff MN, "Modeling the potential effects of climate change on water temperature downstream of a shallow reservoir, Lower Madison River, MT", Climatic Change, 68(3), pp.331~353 (2005)
  21. Lake Kinneret water quality management system, "Hipsey MR", ~ (2006)
  22. Hodges B, "Aquatic ecosystem model: AEM3D v1.0 user manual" (2016), Hydronumerics Pty Ltd
  23. 홍일, "기후변화가 하천 유황과 어류 물리서식처에 미치는 영향 평가", 대한토목학회논문집(국문), 39(1), pp.33~44 (2019), 대한토목학회[DOI]
  24. Huntington TG, "Evidence for intensification of the global water cycle : Review and synthesis", Journal of Hydrology, 319(1-4), pp.83~95 (2006)
  25. Imberger J, "A lake diagnostic system for managing lakes and reservoirs", Water Resources Impact, 6(1), pp.7~11 (2004)
  26. Jeong DI, "Development of a stochastic water temperature model and projection of future water temperature and extreme events in the Ouelle River basin in Québec, Canada", River Research and Applications, 29(7), pp.805~821 (2013)
  27. Jung IW, "Recent trends of mean and extreme precipitation in Korea", International Journal of Climatology, 31(3), pp.359~370 (2011)
  28. 강형식, "기후변화에 따른 낙동강 수계 어류 서식처 영향 분석", 한국수자원학회 논문집, 46(1), pp.1~12 (2013), 한국수자원학회
  29. Kankaala P, "Lake-size dependent physical forcing drives carbon dioxide and methane effluxes from lakes in a boreal landscape", Limnology and Oceanography, 58(6), pp.1915~1930 (2013)
  30. Korean Peninsula Climate Change Prospect Analysis Report, "Korean Climate Data", Korean Climate Data, ~ (2018)
  31. Daecheong Dam sedimentation survey report, "K-water", K-water, ~ (2006)
  32. Dam operational handbook for practitioners, "K-water", K-water, ~ (2020)
  33. 김재윤, "총인부하량을 이용한 인공호의 부영양화 평가", 한국환경과학회지, 12(7) (2003), 한국환경과학회
  34. Climate Change Status and Prospects through the 5th IPCC Report, "Kim JY", The Science & Technology, 76~79 (2013)
  35. 이혜숙, "기상 관측자료 및 RCP 기후변화 시나리오를 고려한 용담댐 유입하천의 유량 및 수온변화 전망", 한국물환경학회지, 32(2), pp.173~182 (2016), 한국물환경학회
  36. Lee SJ, "Enhancement of Water Quality Prediction System for Scientific Management of Water Quality", Proceedings of the Korean Society of Agricultural Engineers Conference, pp.220~220 (2019)
  37. Liaw A, "Classification and regression by randomForest", R News, 2(3), pp.18~22 (2002)
  38. Liu WC, "Prediction of water temperature in a subtropical subalpine lake using an artificial neural network and three-dimensional circulation models", Computers & Geosciences, 45, pp.13~25 (2012)
  39. Lu H, "Hybrid decision tree-based machine learning models for short-term water quality prediction", Chemosphere, 249, pp.126169~ (2020)
  40. Mackey AP, "The prediction of water temperatures in chalk streams from air temperatures", Hydrobiologia, 210(3), pp.183~189 (1991)
  41. Modiri-Gharehveran M, "Effects of climate change on the thermal regime of a reservoir", Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Water Management, 167(10), pp.601~611 (2014), Thomas Telford Ltd
  43. Water quality survey of the Geum River system, "National Institute of Environmtental Research", ~ (2003)
  44. Nijssen B, "Effect of precipitation sampling error on simulated hydrological fluxes and states : Anticipating the Global Precipitation Measurement satellites", Journal of Geophysical Research : Atmospheres, 109(D2), pp.109~ (2004)
  45. Paerl HW, "Climate change : links to global expansion of harmful cyanobacteria", Water Research, 46(5), pp.1349~1363 (2012)
  46. Park HS, "Effect of buoyant turbulence and water quality factors on the CO2 net atmospheric flux changes in a stratified reservoir", Science of The Total Environment, 776, pp.145940~ (2021)
  47. 박형석, "소옥천 유역의 오염제어 대책에 따른 대청호 조류저감 효과 분석", 환경영향평가, 25(4), pp.248~260 (2016), 한국환경영향평가학회[DOI]
  48. Research on water temperature prediction based on improved support vector regression, "Quan Q", Neural Computing and Applications, 1~10 (2020)
  49. Ryu IG, "Characterizing density flow regimes of three rivers with different physicochemical properties in a run-of-the-river reservoir", Water, 12(3), pp.717~ (2020)
  50. 손태석, "유역기반 모형을 이용한 기후변화에 따른 낙동강 유역의 하천유량 영향 분석", 한국수자원학회 논문집, 43(10), pp.865~881 (2010), 한국수자원학회
  51. Stefan HG, "Simulated long term temperature and dissolved oxygen characteristics of lakes in the north-central United States and associated fish habitat limits", Limnology and Oceanography, 41(5), pp.1124~1135 (1996)
  52. Ulańczyk R, "Water Quality and Ecosystem Modelling : Practical Application on Lakes and Reservoirs", Quality of Water Resources in Poland, pp.173~189 (2021)
  53. Watson SB, "Aquatic taste and odor : a primary signal of drinking-water integrity", Journal of Toxicology and Environmental Health Part A, 67(20-22), pp.1779~1795 (2004)
  54. Woolway RI, "A novel method for estimating the onset of thermal stratification in lakes from surface water measurements", Water Resources Research, 50(6), pp.5131~5140 (2014)
  55. Woolway RI, "Phenological shifts in lake stratification under climate change", Nature Communications, 12(1), pp.1~11 (2021)
  56. 양윤모, "갑천 수질 및 표층 퇴적물의 오염도 평가", 환경분석과 독성보건, 24(1), pp.13~25 (2021), 한국환경분석학회[DOI]
  57. Water Temperature Variation of a Stream Entering Soyang Reservoir, "Yi YK", 1063~1067 (2006)
  58. 윤성완, "기후변화가 주암호 수온성층구조에 미치는 영향 예측", 한국물환경학회지, 30(5), pp.491~502 (2014), 한국물환경학회
  59. Yoon WY, "Analyzing the effect of global warming on the thermal stratification in Chungju reservoir", Journal of Korea Water Resources Association, pp.133~133 (2012)
  60. 유경아, "북한강 수계에서 이취미를 유발하는 남조류(Anabaena spiroides)의 증식 특성", 생태와 환경, 46(1), pp.135~144 (2013), 한국수생태학회[DOI]
  61. 윤여정, "기후변화에 따른 소양호의 수온 장기 모의 및 불확실성 정량화", 한국물환경학회지, 36(1), pp.14~28 (2020), 한국물환경학회[DOI]
  62. Yun YJ, "Long-term Simulation of Water Temperature in Soyanggang Reservoir in Response to RCP 4.5 Climate Scenario", Journal of Korea Water Resources Association, pp.265~265 (2019)
  63. Zamani B, "Comparison between two hydrodynamic models in simulating physical processes of a reservoir with complex morphology : Maroon Reservoir", Water, 12(3), pp.814~ (2020)

관련 논문AI추천

지구온난화가 대청호 수온 및 성층구조에 미치는 영향예측윤성완, 정세웅, 차윤철한국환경영향평가학회 · 환경영향평가2013 · 제22권 제4호용담호 수온성층해석을 위한 유입수온 회귀분석 모형 개발김선주, 서동일, 안기홍한국환경영향평가학회 · 환경영향평가2011 · 제20권 제4호취수 수심이 합천호의 수온성층과 방류 수온에 미치는 영향 모델링김혜지, 이혜숙, 정선아한국환경영향평가학회 · 환경영향평가2023 · 제32권 제6호머신러닝를 이용한 낙동강 본류 구간 수문-기상인자 조류 예보체계 연구김경훈, 김덕길, 김수전, 이준형, 이태우, 이호용한국습지학회 · 한국습지학회지2024 · 제26권 제3호수문기상예측자료를 활용한 대청호 Chl-a 3개월 선행예측연구곽재원한국습지학회 · 한국습지학회지2021 · 제23권 제2호기후변화에 따른 미래 하천 수온 예측을 위한 비선형 기온­-수온 상관관계 구축이길하한국환경연구원 · 환경정책연구2014 · 제13권 제2호

이 간행물의 다른 논문 (4건)

환경영향평가 토지환경 분야의 토지이용 평가항목 고찰 연구이동근, 박상진, 정슬기pp. 297-304농촌 난개발요소 경관관리방안에 대한 연구 - 진안군을 사례로 -양희승pp. 305-316산업단지 개발사업의 환경 영향 및 시공간적 입지 특성변화 분석최현진, 박종윤, 박지현pp. 317-327환경영향평가 변경협의 및 재협의 제도 고찰 - 국내외 제도 운용현황을 중심으로 -김진오, 주용준pp. 328-338
원문 보기