High-Resolution Nitrate Load Monitoring in a Reservoir Using an Uncrewed Surface Vehicle

Abstract

수량-수질 동시 측정 기술의 부재는 측정 시간과 빈도의 불규칙함에 기인하고 이는 수량과 수질 간의 관계 해석이나 영양염 총량 변화 조사를 어렵게 만든다. 본 연구에서는 수질과 수량 관측의 시공간적 불일치를 극복하기 위해, 수심측정을 위한 음향 도플러 유속계 (ADCP, Acoustic Doppler Current Profiler), 질산염 농도 측정을 위한 YSI EXO2, 그리고 GPS를 결합시킨 무인 보트(Uncrewed Surface Vehicle, USV)를 사용하여 한국 포항 남구에 위치한 달전지에서 2021년 7월부터 2022년 8월까지 총 30번의 수문조사를 실시하였다. 저수지 수심과 질산염 농도를 초당 측정하였지만, YSI EXO2 질산염 센서의 한계를 고려하여 10 미터 해상도의 달전지 수문 지도를 가공하여 시공간적 수심과 질산염 농도 데이터를 얻었다. 본 연구에서는 물 깊이와 질산 농도의 공간적 변동성이 질산염 총량 계산에 미치는 영향을 추정하기 위하여 민감도 실험으로 네 가지 다른 총 영양염 저장량 계산법들을 사용하였다. 본 연구 결과 통해, 달전저수지는 평균 70만톤의 물을 저장할 수 있으며, 시기적으로 1톤에서 6톤 범위의 질산염 부하가 저장되어 있는 것을 추정할 수 있었다. 특히, 수심과 질산염 평균값들을 사용한 질산염 총량 추정은 강한 비가 내린 후에 저수지에 저장된 총 질산염 저장량이 최대 −17%까지 과소평가할 수 있음을 확인하였다. 이 연구는 무인 보트를 활용한 차세대 수질-수량 모니터링 시스템 구현의 가능성과 한계점을 동시에 확인하였다.