[논문]배수갑문 방류시점 및 방류량에 따른 담수호의 수질변화

김선주; 김성준; 김필식; 이창형

문제 정의

강우시 배수갑문을 개방하는 여러가지 조건들이 담수호의 수질에 미치는 영향에 대해 검토해 보았다. 그러나 담수호의 수질은 지형조건이나 기상 조건, 그리고 유역의 상황에 따라 다양한 특성을 나타내게 된다.
본 연구에서는 강우시 담수호에서 배수갑문의 조작이 호내의 수질에 어떠한 영향을 미치는가를 알아보기 위해 보령담수호의 제원 및 유역자료와 1999년 6월의 실제 강우자료를 이용하여 방류 시점과 방류량을 변화시킨 모의를 수행하였으며, 모의를 위한 기본적인 사항은 다음과 같다.

가설 설정

③ 호소 내·외부에서 수체의 인위적인 혼합은 없으며, 수질의 변화는 강우로 인한 유입과 배수갑문 조작에 의한 유출에 영향을 받는 것으로 가정하였다.
④ 강우로 인한 유입이 있기 전, 담수호의 내수위는 1999년 6월의 평균 배제수위인 -1.0 m를 기준으로 하였으며 배수갑문 개방시 내외의 수위차는 1 m 이상인 것으로 가정하였다.
⑤ '④'의 조건을 토대로 추정한 1일 최대 방류량은 Table 4와 같으며 본 모의에서는 400 ha-m 로 가정하였다.

제안 방법

유추할 수 없었다. 2절의 모의에서는 강우 발생 3일 후부터 방류를 시작하는 것으로 고정시키고 200 ha-m, 400 ha-m, 660 ha-m, 800 ham, 1000 ham, 1200 ham를 방류하는 조건을 가정하여 방류량과 담수호내 수질과의 관계를 추정해 보았다 강우초기부터 방류하는 조건은 방류량을 증가시키는 것이 방류시점을 앞당기는 것과 같은 효과를 나타내는 것으로 모의되었으므로 조건에서 생략하였다.
DYNHYD5 모형의 적용을 위해서 호내와 유입·유출부를 11개의 Junction으로 구분하였으며, 일정 유량 자료(Constant inflow) 대신 변동유량 자료(Variable inflow) 를 입력하여 모의기간 동안의 유입과 유출을 입력하였다.
단면적과 특성길이는 농업기반공사에서 제공한 수심분포도와 현장조사를 통하여 산정하였다 (Table 2).
EPA에서 개발된 WASP5 모형을 선정하여 보령 담수호에 적용하였다. 모형의 입력자료 구성을 위해 실측 기상자료와, SWMM 모의를 통해 산정된 유량, 부하량 자료를 이용하였으며, 모형의 신뢰도 향상을 위해 모의결과와 실제 수질측정값을 비교하는 과정을 거쳤다.
담수호내 수질자료를 이용하였다. 배수갑문 모의조작과 관련된 Segment 6과, 오염부하가 집중적으로 유입되는 Segment 2를 보정 대상지점으로 선정하였으며, 보정을 통해 모의 발생된 수질 항목들의 결과값을 실측 수질농도와 비교하여 RMS, 상대오차(RE) 에 대해서 Table 3에 나타내었다. 한편, 보정 후의 모의치와 실측치를 비교하여 Fig.
배수갑문 조작 모의를 위해 1999년 6월 24일, 25일 양일간의 강우를 이용하였으며, 일정한 방류량 조건에서 방류시점을 다르게 한 모의와, 동일 방류 시점 에서 방류량을 변화시킨 모의를 실시하여, 강우 시 배수갑문 운용에 의한 담수호의 수질변화를 연구하였다.
본 연구에서는 1997년 최종물막이 공사가 완료되어 조성된 하구담수호인 보령호를 연구대상으로 선정하여 WASP5 모형을 적용하였으며, 매개변수보정을 실시하여 모형의 신뢰도를 향상시켰다. 배수갑문 조작 모의를 위해 1999년 6월 24일, 25일 양일간의 강우를 이용하였으며, 일정한 방류량 조건에서 방류시점을 다르게 한 모의와, 동일 방류 시점 에서 방류량을 변화시킨 모의를 실시하여, 강우 시 배수갑문 운용에 의한 담수호의 수질변화를 연구하였다.
본 연구에서는 보령담수호의 수체를 호소의 지형, 수심, 수질분포특성 등을 고려하여 수질 특성이 유사한 공간적 간격으로 구분하였다.
수체간의 이송은 수평증간의 확산과 수직 확산으로 나누어지는데, 본 연구에서는 6개 표수증간의 수평확산과 각 표수층과 저면상층간의 수직 확산을 고려하였다. 단면적과 특성길이는 농업기반공사에서 제공한 수심분포도와 현장조사를 통하여 산정하였다 (Table 2).
수체의 분할은 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 호소 유입부로부터 방조제까지 6개 구간을 상증과 하층으로 총 12개의 Segment로 구분하였다.
1과 같이 9개의 소유역으로 구성되어 있으며, 호내 유입은 4개 방향을, 유출은 배수갑문을 통한 유출만을 고려하였다. 유역내의 매시간 강우자료를 SWMM 모형에 입력하여 유출량을 산정하였으며, 산정된 유출량을 DYNHYD5 모형의 유량자료로 이용하여 WASP5의 흐름자료를 생성하였다.
이상과 같이 구성한 모형을 이용하여 강우 발생 후 방류까지의 경과일수를 변화시킨 조건과, 동일한 경과일수에서 방류량을 조정한 조건을 가정하여 모의를 실시하였으며, 모의 결과를 토대로 강우시 배수갑문 운용에 따른 담수호의 수질변화를 추정할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

모의를 통해 나타난 결과의 비교를 위해 상류부의 Segment 2와 하류부의 Segment 6을 선정하였다. 최상류의 Segment 1은 유입량에 따른 수질의 편차가 너무 크게 나타나므로 비교대상에서 제외 하였다.
모형의 보정을 위해 1999년 6월과 7월에 실측한 담수호내 수질자료를 이용하였다. 배수갑문 모의조작과 관련된 Segment 6과, 오염부하가 집중적으로 유입되는 Segment 2를 보정 대상지점으로 선정하였으며, 보정을 통해 모의 발생된 수질 항목들의 결과값을 실측 수질농도와 비교하여 RMS, 상대오차(RE) 에 대해서 Table 3에 나타내었다.
본 연구의 대상지역인 홍보지구는 우리나라 중서부 북위 36° 21' ~ 36° 24', 동경 126° 28' ~ 126° 42' 사이에 위치하고 있으며, 행정구역상으로 충청남도 보령시와 홍성군에 걸쳐있다.

이론/모형

본 연구에서는 여러 호소수질모형 중 U. S. EPA에서 개발된 WASP5 모형을 선정하여 보령 담수호에 적용하였다. 모형의 입력자료 구성을 위해 실측 기상자료와, SWMM 모의를 통해 산정된 유량, 부하량 자료를 이용하였으며, 모형의 신뢰도 향상을 위해 모의결과와 실제 수질측정값을 비교하는 과정을 거쳤다.

성능/효과

1절의 모의결과, 강우발생 후 최소 2일이 경과한 후에 방류하는 것이 호내 수질관리에 유리하다는 결론을 얻었으나, 유입량 전체를 방류한다는 가정을 전제로 하였기 때문에 방류량과 호내 수질과의 관계는 유추할 수 없었다. 2절의 모의에서는 강우 발생 3일 후부터 방류를 시작하는 것으로 고정시키고 200 ha-m, 400 ha-m, 660 ha-m, 800 ham, 1000 ham, 1200 ham를 방류하는 조건을 가정하여 방류량과 담수호내 수질과의 관계를 추정해 보았다 강우초기부터 방류하는 조건은 방류량을 증가시키는 것이 방류시점을 앞당기는 것과 같은 효과를 나타내는 것으로 모의되었으므로 조건에서 생략하였다.
단기간에 118.5 mm의 강우를 적용시켜 담수호 내의 수질을 모의한 결과 담수호의 상류부는 강우로 인한 유입과 함께 오염농도가 급격히 증가하다가 시간이 지나면서 점차 수질이 안정되어 가는데 비해, 하류부는 강우초기부터 오염물질 농도가 서서히 증가하는 양상을 나타내었다. 이는 유입량과 오염 부하의 상당량이 본류를 통해 상류로부터 유입되므로 상류부는 강우 초기부터 직접적인 영향을 받는데 비하여 하류부는 상류로부터 흘러온 유량과 오염부하가 호소내부를 지나면서 계속적으로 희석되어 초기의 농도증가는 크지 않으나, 결국 유역 내의 모든 오염부하가 집중되기 때문에 농도가 감소하지 않는 것으로 해석된다.
방류량을 조절하여 모의한 결과 대체로 방류량 차이에 따른 농도변화는 미미한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 강우개시 3일 후부터의 방류는 그 양과 관계없이 담수호내의 수질에 미치는 영향이 거의 일정하다는 추정을 가능하게 하며, 이는 강우 개시 3일 후에는 담수호내로 유입된 오염물질이 호소 전체에 충분히 희석되어 호소내 각 지점이 안정적인 수질상태를 유지하기 때문인 것으로 생각된다.
방류시점 변화에 대한 비교 결과 대체로 방류 시점이 늦을수록 담수호의 수질이 양호해 지는 것으로 나타났다. 이는 강우초기에 배수갑문을 개방할 경우 담수호내의 초기 저류량이 방류되면서, 오염도가 높은 유량이 유입되어 결국 초기 저류량과 유입되는 유량이 치환되는 효과를 가져오기 때문인 것으로 판단된다.
방류시점을 고정시킨 상태에서 방류량을 조절하여 모의한 결과 대체적으로 방류량 차이에 따른 농도변화는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. BOD나 T-P에 있어서 방류량의 증가에 따라 오염농도의 미세한 증가가 관찰되기도 하나 농도값의 절대적인 크기를 생각할 때 의미 있는 변화는 아니라고 판단된다.
이와 같은 모의 결과를 토대로 상당한 양의 오염 부하를 유발하는 강우가 있을 경우 담수호가 받는 영향을 최소로 하기 위해서는 강우발생시간부터 최소 1일에서 2일간은 방류를 하지 않는 것이 좋으며, 2일이 지난 이후에 방류를 시작할 때 담수호 수질 관리에 유리하다는 결론을 얻을 수 있다.

후속연구

그러나 담수호의 수질은 지형조건이나 기상 조건, 그리고 유역의 상황에 따라 다양한 특성을 나타내게 된다. 따라서 진정한 의미에서의 담수호에의 수질관리는 배수갑문의 효율적인 관리는 물론 유역에 대한 종합적인 관리가 뒷받침되어야 하며, 이를 위해서는 유역과 담수호의 여러 수질 인자에 대해 보다 많은 연구가 필요할 것이라 생각된다.

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