[논문 리뷰] HydroPol2D -- Distributed Hydrodynamic and Water Quality Model: Challenges and Opportunities in Poorly-Gauged Catchments

Marcus N. Gomes, César Ambrogi Ferreira Lago외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 21.

Hydrology and Watershed Management StudiesEnvironmental Science인용 수 3

한 줄 요약

HydroPol2D는 데이터가 부족한 도시화된 유역에서 강우_RUNOFF의 양과 오염물질 이동을 시뮬레이션하기 위해 설계된 분산형 2차원 수문학적 및 수질 모델이다. 그는 그린-앰프 침투 모델, 축적 및 씻어냄 과정, 동역학 기반 유량 동역학을 통합하여, 1년 주기 강우사건에서 총 퇴적물 농도(TSS) 농도(456 ± 260 mg·L⁻¹·km⁻²)와 높은 첫 번째 흐름 효과(전체 TSS의 89% ± 10%가 총 유량의 30%에서 씻겨남)를 강력하게 시뮬레이션한다.

ABSTRACT

Floods are one of the deadliest natural hazards and are fueled by excessive urbanization. Urban development decreases infiltration by reducing pervious areas and increases the accumulation of pollutants during dry weather. During wet weather events, there is an increase in the levels of pollution concentrations and stormwater runoff that eventually reach creeks and rivers. Polluted stormwater runoff may be sources of water supply. Modeling the quantity and quality dynamics of stormwater runoff requires a coupled hydrodynamic module capable of estimating the transport and fate of pollutants. In this paper, we evaluate the applicability of a distributed hydrodynamic model coupled with a water quality model (HydroPol2D). First, the model is compared to GSSHA and WCA2D in the V-Tilted catchment, and the limitation of the critical velocity of WCA2D is investigated. We also applied the model in a laboratory wooden board catchment, focusing on the validation of the numerical approach to simulate water quality dynamics. Then, we apply HydroPol2D in the Tijuco Preto catchment, in Sao Carlos - Brazil, and compare the modeling results with the full momentum solver of the Hydrologic Engineering Center - River System Analysis (HEC-RAS). The model implementation, the governing equations, and the estimation of input data are discussed, indicating the challenges and opportunities of the application of distributed models in poorly-gauged catchments. For a 1-yr return period of rainfall and antecedent dry days and assuming an uncertainty of $40\%$ in the water quality parameters, the results indicate that the maximum concentration of total suspended solids (TSS), the maximum load and the mass of the pollutant washed in $30\%$ of the volume are, $456~\pm~260~\mathrm{mg.L^{-1}.km^{-2}}$, $\mathrm{2.56 \pm 0.4~kg.s^{-1}.km^{-2}}$, and $\mathrm{89\%~\pm~10\%}$, respectively.

연구 동기 및 목표

• 데이터가 부족한 도시화된 유역에 적합한 분산형 수문학적 및 수질 모델을 개발하기 위해.
• 기존 모델인 WCA2D와 같이 유속의 임계값 제한이 시뮬레이션 정확도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 목재 보드 유역에서의 실험적 데이터를 기반으로 수질 모듈을 검증하기 위해.
• 관측 데이터가 제한된 실제 도시 유역(Tijuco Preto, 브라질)에 HydroPol2D를 적용하기 위해.
• 다양한 강우 및 건조 일수 조건에서 표면 유역, 오염물질 농도 및 하중의 시공간 역학을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 수문학적 시뮬레이션을 위한 명시적 유한체적 방법을 사용한 2차원 평균 수심 근사 식의 해법 구현.
• 도시 불透수 및 투수 표면에서의 유역 생성을 시뮬레이션하기 위해 그린-앰프 침투 모델을 통합.
• 실험 데이터에 기반한 경험적 계수를 캘리브레이션하여 총 퇴적물(TSS)의 축적 및 씻어냄 모듈을 통합.
• 복잡한 지형에서 수치적 안정성과 성능을 확보하기 위해 선형화 방법과 적응형 시간 단계를 사용.
• 모델의 강건성 평가를 위해 오염물질 매개변수에 대해 ±40%의 불확실성 정량화를 적용.
• 성능 및 정확도를 검증하기 위해 벤치마크 사례에서 HEC-RAS 전체 동량 해법기 및 GSSHA/WCA2D와의 비교 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유속을 임계값으로 제한할 경우 홍수 시뮬레이션에서 모델 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 HydroPol2D 수질 모듈은 통제된 실험실 조건에서 TSS의 축적 및 씻어냄 역학을 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ3 HydroPol2D는 관측 데이터가 제한된 실제 데이터 부족 도시 유역에서 유역의 양과 질을 얼마나 잘 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ4 1년 주기 강우 및 이전 건조 일수 조건 하에서 주요 오염물질 이동 역학, 특히 첫 번째 흐름 현상은 어떠한가?
• RQ5 씻어냄 매개변수의 불확실성은 TSS 하중 및 농도 추정의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 유속을 임계값으로 제한하는 것은 모델 성능을 심각하게 저하시켜, 이러한 제약 조건이 정확한 홍수 시뮬레이션에 적합하지 않음을 시사한다.
• HydroPol2D 수질 모듈은 목재 보드 유역에서의 실험 데이터에 기반하여 성공적으로 캘리브레이션 및 검증되었으며, TSS의 축적 및 씻어냄 과정을 시뮬레이션할 수 있음을 확인하였다.
• 5일의 이전 건조 일수를 가진 1년 주기 강우사건에서, 하류에서의 최대 TSS 농도는 456 ± 260 mg·L⁻¹·km⁻²로, km² 단위로 정규화되었다.
• 하류에서의 최대 TSS 하중은 2.56 ± 0.4 kg·s⁻¹·km⁻²였으며, 이는 피크 유량 시 높은 오염물질 수출을 나타낸다.
• 씻어냄 비율 계수는 0.63 ± 0.11이었고, 이벤트 평균 농도(EMC)는 131.59 ± 16 mg·L⁻¹이었으며, 이는 뚜렷한 오염물질 이동을 확인한다.
• 전체 TSS 질량의 89% ± 10%가 총 유량의 30%에서만 씻겨나왔으며, 이는 Tijuco Preto 유역에서 강한 첫 번째 흐름 현상이 있음을 입증한다.