물리모형 접근법은 수질을 분석·예측하기 위한 전통적인 방법론이다. 대표적인 모형으로 는 EFDC, QUAL2K 및 WASP 등이 있다. 국립환경과학원에서는 EFDC를 기반으로 하는 EFDC-NIER 모델을 개발하여 상시 운영하고 있다. EFDC 모형은 1992년 미국 버지니아해 양연구소에서 개발한 3차원 수리동역학 모형이다.10)
물리모형 접근법에서는 먼저 수체(water body)를 소구역으로 세밀하게 분할한 후 각 소구역 단위에서 수질을 추정한다. 분할된 소구역 단위에서 수질을 결정하는 주요 변수는 오염물질의 유량수지, 열수지, 물질수지이다. 분할한 소구역 안에서 수체의 물리적 특성이 일정해야 하므로, 기초 지자체 단위 이하의 세밀한 분할이 요구된다. 이를 위해서는 매우 세밀한 공간해상도에서의 데이터가 필요하다. 또한 좌표 수준의 정확한 투입지점에 대한 점 오염원 데이터가 있어야 분할된 소구역 내 오염물질 이동에 따른 변화를 적용할 수 있다.
EFDC 모형을 적용하기 위해서는 먼저 모델 격자망을 구성하고, 경계조건을 설정해야 한다. 나은혜 외(2014)는 낙동강 수계를 대상으로 EFDC-NIER 모형을 적용하였고, 신창민 외(2017)는 EFDC 모형을 활용하여 영산강 수계의 수질을 예측하였다.
나은혜 외(2014)는 EFDC-NIER 모형을 적용하여 낙동강 수계의 물 흐름을 예측하였다.
상세한 분석 지점은 칠곡보 및 강정고령보 구간, 남강합류부부터 밀양강합류부까지 약 42km에 해당하는 본포 취수장 구간이다. 칠곡보 및 강정고령보 구간의 분석시기는 2014
10) 국립환경과학원(2012).
년 5월부터 2014년 10월까지이며, 기온·강수량 등 기상데이터, 취수량·방류량 데이터를 이용하여 모델링하였다. 본수 취수장 구간의 분석시기는 2013년 7월부터 2013년 9월까지 이며, 유입량, 방류량과 기상데이터를 활용하여 모델링하였다. 분석결과 칠곡보 및 강정고 령보 구간의 수위변화에 대한 RMSE는 0.12~0.17m이고, 낙동강 본류 취수장 구간의 RMSE는 0.06~0.12m이다. 칠곡보 및 강정고령보 구간의 수온변화에 대한 RMSE는 1.1~1.8℃이고, 낙동강 상류 취수장 구간의 수온변화에 대한 RMSE는 0.9~1.4℃이다. 낙 동강 하류 취수장 구간의 수온변화에 대한 RMSE는 0.1~1.0℃이다.
신창민 외(2017)는 2015년 영산강 수계에서 승촌보와 죽산보의 클로로필a 농도 및 총질 소(TN), 총인(TP) 농도를 예측하기 위해 EFDC-NIER 모형을 적용하였다. 설명변수는 기상 데이터, 수질, 유량 데이터를 활용하였으며, <그림 3-1>과 같은 EFDC 모델의 수질 모듈을 이용하여 예측하였다. TN, TP의 물리 모형 시뮬레이션이 관측값을 잘 재현하였으며, 클로 로필a 농도 또한 편향성 없는 결과를 보였다.
자료: Tetra Tech(2017): 신창민 외(2017), p.221에서 재인용.
<그림 3-1> EFDC 모델의 수질 모듈 모식도
<그림 3-2>는 신창민 외(2017)의 연구 결과로, 그림 안의 붉은색 동그란 점이 실제 관측 값이고 검은색 선이 물리 모형 시뮬레이션 결과이다. TN 농도는 시뮬레이션이 실제 관측값 을 거의 비슷하게 재현하였고, TP 농도 또한 농도의 증감을 비교적 잘 재현하였다. 클로로 필a의 경우 9월 이후에는 시뮬레이션이 실제 관측값을 잘 재현하고 있으나, 승촌보에서 8월까지의 커다란 변동성을 재현하지는 못하였다. 승촌보와 죽산보의 클로로필a 예측 MAE 가 각각 22.41, 18.66mg/m3인 것으로 나타났다. 하지만 일부 시기에서는 예측 정확도가 낮게 나왔으며, 원인은 모델의 초깃값 설정, 보정계수의 불확실성 등으로 예상된다.
자료: 신창민 외(2017), p.226.
<그림 3-2> EFDC 모형을 활용한 영산강 수계 수질 예측 결과
제2장에서 서술하였듯 국립환경과학원에서는 물환경정보시스템에서 측정한 수질데이터 를 공개한다. 하지만 주 단위에서 수시로 업데이트되는 주요 관측지점 개수는 전체 관측지 점 대비 극소수이다. 모형접근법에서 요구하는 공간해상도에는 많이 부족하다 할 수 있다.
강성원 외(2018)에 따르면, 현재 수질오염물질의 발생부하량은 광역지자체 수준 이하의 공 간해상도로 제공받을 수 없기 때문에 좌표수준의 공간해상도에서의 오염물질 발생부하량을 모형에 투입하기 어려울뿐더러 중장기적으로 점 오염원의 위치가 변하는 문제도 있다.