Journal of Environmental Impact Assessment (환경영향평가)

Korean Society of Environmental Impact Assessment (한국환경영향평가학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Calibration of WASP7 Model using a Genetic Algorithm and Application to a Drinking Water Resource Reservoir

유전알고리즘을 이용한 WASP7 모형의 보정과 상수원 저수지에 대한 적용

  • Bae, Sang-Mok (Department of Health and Environment, Catholic Kwandong University) ;
  • Cho, Jae-Heon (Department of Health and Environment, Catholic Kwandong University)
  • 배상목 (가톨릭관동대학교 보건환경학과) ;
  • 조재현 (가톨릭관동대학교 보건환경학과)
  • Received : 2014.10.08
  • Accepted : 2014.11.26
  • Published : 2014.12.31
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

When the water quality modelling is done with a manual calibration, it is possible that the researcher's opinion may affect the objectivity of the research. Hence, the role of the automatic calibration is highly important. This research applies a technique to automatically calibrate the water quality parameters by implementing an optimization method. This involves estimating the optimum water quality parameters targeting influential parameters towards the lake's BOD, DO, Phosphorus, Nitrogen and Phytoplankton. To accurately calculate the water temperature and hydraulic characteristics of a deep, stratifying lake, EFDC, a 3-dimensional hydraulic model which can be linked to the WASP7 was applied. With EFDC, the segment of the lake is formed and utilized as an input data of the WASP7. For the calibration of the water quality parameters of the WASP7, an influence coefficient algorithm and a genetic algorithm was applied. Of the five water quality variables for calibration, the normalized residuals of the observed and calculated values of DO, TN, CBOD were relatively small and the three water quality variables were calibrated properly. Yet the accuracy of the calibration of TP and Chl-a was relatively low.

수동보정으로 수질모델링을 수행할 때는 연구자의 주관이 개입되어 해당 연구의 객관성에 영향을 줄 소지가 있기 때문에 자동보정에 관심을 갖게 된다. 본 연구에서는 WASP7 모형의 수질 매개변수 보정을 위해서 유전알고리즘과 영향계수법을 적용하였다. 이 방법에서는 대상 호수의 BOD, DO, 인, 질소, 식물성플랑크톤에 큰 영향을 미치는 매개변수를 대상으로 최적 수질 매개변수를 산정한다. 성층현상이 일어나는 대상 호수의 수온과 수리적 특성을 정확하게 계산하기 위해 3차원 수리모형인 EFDC를 적용하였고, 이 모형의 결과는 본 연구에서 이용한 호수수질모형인 WASP7 모형과 연동해서 적용되었다. EFDC와 WASP7의 적용을 위해 동일한 격자망을 구성하였다. WASP7의 보정결과 5개 보정 대상 수질변수 중에서 DO, TN, CBOD에 대한 실측치와 계산치의 상대오차제곱합은 비교적 적었다. 따라서 이 세가지 수질에 대한 보정은 적절히 수행되었으나, TP와 Chl-a에 대한 보정결과는 비교적 정확도가 낮았다.

Keywords

References

  1. 김만식, 한재석. 2003. 인공지능기법을 이용한 수질모형의 최적 매개변수 추정 연구. 환경관리학회지. 9(1), pp.1-9. (Kim, M. S. and Han, J. S. 2003. Study estimation of optimal parameter on water quality model using artificial intelligence technical methods. J. Korean Society of Environmental Administration. 9(1), pp.1-9.)
  2. 김성태, 채수권, 김건흥. 1999. 유전알고리즘을 이용한 QUAL2E 모형의 반응계수 추정. 대한토목학회논문집. 19(2-4), pp.507-514. (Kim, S. T., S. K. Chea and Kim, G. H. 1999. Estimation of QUAL2E Reaction Coefficients ny the Genetic Algorithm. Journal of the Korean Society of Civil Engineers. 19(2-4), pp.507-514.)
  3. 박영기, 최문술, 이장춘. 2000. WASP5 모형에 의한 새만금호의 수질매개변수 추정. 대한환경공학회논문집. 22(4), pp.743-754. (Park, Y. K., Choi, M. S. and Lee, J. C. 2000. Estimation on parameters of water quality in the Saemanguem Lake by WASP5 model. Journal of Korean Society of Environmental Engineers. 22(4), pp.743-754.)
  4. 서동일, 이정우. 2005. WASP7.0을 위한 3차원 수리모델, EFDC-Hydro의 활용에 관한 연구. 대한환경공학회 춘계학술연구발표회. 2005년 4월 28-30일, pp.431-436. (Seo, D. I. and Lee, J. W. 2005. Application of 3-D hydrodynamic Model, EFDC-Hydro for WASP7.0. Conference proceedings of Korean Society of Environmental Engineers. April 28-30, 2005, pp.431-436.)
  5. 심순보, 김연국, 김만식, 심규철. 2001. 유전자알고리즘을 이용한 WASP5/EUTRO5모형의 최적 매개변수의 추정. 대한토목학회논문집. 21(4B), pp.315-326. (Shim, S. B., Kim, Y. K., Kim, M. S. and Shim, K. C. 2001. Estimation of Optimal Parameter on WASP5/EUTRO5 Model using Genetic Algorithm. Journal of the Korean Society of Civil Engineers. 21(4B), pp.315-326.)
  6. 안승섭, 서명준, 박노삼, 정광옥. 2007. 수질예측을 위한 WASP7 모형 매개변수의 추정 연구. 한국환경과학회지. 16(5), pp.623-632. (Ahn, S. S., Seo, M. J., Park, R. S. and Jeong, K. O. 2007. The parameter estimation of WASP model for water quality prediction. Journal of the Environmental Sciences. 16(5), pp.623-632.)
  7. 안승섭, 서명준, 정도준, 박노삼. 2008. WASP7 모형을 이용한 임화호 수질모의에 관한 연구. 한국환경과학회지. 17(6), pp.611-621. (Ahn, S. S., Seo, M. J., Jung, D. J. and Park, R. S. 2008. The research about the water quality prediction at Imha Reservoir using WASP7. Journal of the Environmental Sciences. 17(6), pp.611-621.)
  8. 이건호, 김영관, 이용석, 김동진. 2006. 의암호 내부생성 유기물에 대한 물질수지 분석 및 WASP모델 적용. 대한상하수도학회.한국물환경학회 공동 추계학술발표회 논문집, pp.G-1-G-11. (Yi, G. H., Kim, Y. K., Lee, Y. S. and Kim, D. J. 2006. Balance analysis and application of the WASP model on the internal Organic Matter production in Lake Uiam. Conference proceedings of Korean Society of water and wastewater. Nov. 15, 2006, pp.G-1-G-11.)
  9. 이원호, 한양수, 김진극. 2006. WASP6모형을 이용한 성층화 호소의 수질모의. 한국지반환경공학회 논문집. 7(6), pp.57-65. (Lee, W. H., Han, Y. S. and Kim, J. G. 2006. Water quality modeling of stratification Lake using WASP6 model. Korean Geo-Environmental Society. 7(6), pp.57-65.)
  10. 전경수, 이길성. 1993. 영향계수를 이용한 QUAL2E 모형의 반응계수 추정. 대한토목학회논문집. 13(4), pp. 163-176. (Jun, K. S. and Lee, K. S. 1993. Calibration of QUAL2E reaction coefficients by the influence coefficient algorithm, Journal of the Korean Society of Civil Engineers. 13(4), pp. 163-176.)
  11. 조재현. 1997. 해수유입을 고려한 석호의 수질모델링. 한국수질보전학회지. 13(2), pp.145-153. (Cho, J. H. 1997. Water quality modeling of a lagoon cosidering seawater input. Journal of Korean Society of water environment. 13(2), pp. 145-153.)
  12. 조재현. 1998. 목장지대 주변에 위치한 도암호의 수질관리. 대한상하수도학회지. 12(3), pp.41-47. (Cho, J. H. 1998. Water quality management of Doam Lake around the pasture. Journal of Korean Society of water and wastewater. 12(3), pp.41-47.)
  13. 조재현, 이종호. 2006. SWMM의 유출량 보정을 위한 매개변수 최적화. 환경영향평가. 15(6), pp.435-441. (Cho, J. H. and Lee, J. H. 2006. Parameter optimization for runoff calibration of SWMM. Journal of Environmental Impact Assessment. 15(6), pp.435-441.)
  14. 조재현, 강성효. 2009. 강우유출오염부하를 고려한 호수수질모델링. 환경영향평가. 18(2), pp.59-67. (Cho, J. H. and Kang, S. H. 2009. Lake water quality modelling considering rainfallrunoff pollution loads. Journal of Environmental Impact Assessment. 18(2), pp.59-67.)
  15. 한건연, 백창현. 2004. GIS를 이용한 저수지의 수질관리시스템 구축. 한국공간정보학회지. 12(1), pp.409-420. (Han, K. Y. and Baek, C. H. 2004. Development of water quality management system in Daecheong Reservoir using geographic Information system. The Journal of GIS Association of Korea. 12(1), pp.409-420.)
  16. 한운구, 김규형, 안태봉. 2003. 대청호에서 WASP5 모델 매개변수에 관한 연구. 한국지반환경공학회 논문집. 4(3), pp.69-77. (Han, W. W., Kim, K. H. and Ahn, T. B. 2003. A study on the parameters of WASP5 model in Daechung Reservoir. Korean Geo-Environmental Society. 4(3), pp.69-77.)
  17. Becker, L. and W. W. G. Yeh. 1972. Identification of parameters in unsteady open channel flow. Water Resources Research. 8(4), pp.956-965. https://doi.org/10.1029/WR008i004p00956
  18. Carroll DL. 2004. FORTRAN Genetic Algorithm (GA) Driver, http://cuaerospace.com/carroll/ga.html.
  19. Caruso, B. S. 2003. Water quality simulation for planning restoration of a mined watershed. Water, air, and soil pollution. 150(1/4), pp.221-324. https://doi.org/10.1023/A:1026156905385
  20. Cho, J. H. and Ha, S. R. 2010. Parameter optimization of the QUAL2K model for a multiple-reach river using an influence coefficient algorithm. Science of the Total Environment. 408(8), 1985-1991. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2010.01.025
  21. Goktas, R. K. and Aksoy A. 2007. Calibration and verification of QUAL2E using genetic algorithm optimization. Journal of Water Resources Planning and Management. 133(2), pp.126-136. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9496(2007)133:2(126)
  22. Kannel, P. R., Lee, S., Lee, Y. S., S. R. Kanel and G. J. Pelletier. 2007. Application of automated QUAL2Kw for water quality modeling and management in the Bagmati River, Nepal. Ecological Modelling. 202, pp.185-190.
  23. Liu, S., D. Butler, R. Brazier, L. Heathwaite and S. T. Khu. 2007. Using genetic algorithms to calibrate a water quality model. Science of the Total Environment. 374, pp.260-272. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2006.12.042
  24. Mulligan, A. E. and L. C. Brown. 1998. Genetic algorithms for calibrating water quality models. Journal of Environmental Engineering. 124(3), pp.202-211. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9372(1998)124:3(202)
  25. Ng, A. W. M. and B. J. C. Perera. 2003. Selection of genetic algorithm operators for river water quality model calibration. Engineering Applications of Artificial Intelligence. 16, pp.529-541. https://doi.org/10.1016/j.engappai.2003.09.001
  26. Pelletier, G. and S. Chapra. 2004. QUAL2Kw theory and documentation(version 5.1): A modeling framework for simulating river and stream water quality, from: http://www.ecy.wa.gov/programs/eap/models/.
  27. Tetra Tech Inc. 2007. The environmental fluid dynamics code user manual US EPA version 1.01, USEPA.
  28. Tufford, D. L. and H. N. Mckellar. 1999. Spatial and temporal hydrodynamics and water quality modeling analysis of a large reservoir on the South Carolina (USA) coastal plain. Ecological modelling. 114, pp.137-173. https://doi.org/10.1016/S0304-3800(98)00122-7
  29. USEPA. 2010. Water Quality Analysis Simulation Program (WASP), http://www.epa.gov/athens/wwqtsc/html/wasp.html
  30. Vuksanovic, V., F. D. Smedt and S. V. Meerbeeck. 1996. Transport of polychlorinated biphenyls(PCB) in the Scheldt Estuary simulated with the water quality model WASP. Journal of Hydrology. 174, pp.1-18. https://doi.org/10.1016/0022-1694(95)02759-9
  31. Wool, T. A., R. B. Ambrose, J. L. Martin and E. A. Comer. 2001. The Water Quality Analysis Simulation Program. WASP6 User's Manual, USEPA.