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문제 정의
- 기존연구들은 용담댐이 정상적으로 운영되기 이전에 측정된 하천수질자료만을 근거로 수질모의를 실시하였는데 본 연구에서는 용담댐 저수지의 운영실적과 항천유량 및 수질 조사 결과 등을 수질모형 WASP5에 적용하여 모형상수들을 보정하여 보다 현실적인 수질모의를 하고자 하였다. 전체 저수지 구간의 모의에 필요한 특성자료들의 조사 및 결정의 편의와 기존결과와의 비교를 위해 CE-QUAL-W2 보다 WASP5 가 적합하다고 판단하였다.
- 본 연구에서는 전주권을 포함한 서해안 지역의 용수를 공급하고 있는 용담댐 저수지를 대상으로 수질모형을 이용하여 환경용량을 산정하고 목표수질 달성에 필요한 오염 부하삭감량 추정을 연구하였다. 연구대상인 용담댐 저수지의 수질 모의에 대한 기존 연구들은 다음과 같다.
가설 설정
- 용담댐 저수지의 환경용량은 2004년 현재 용담댐 저수지 유입하천별 오염부하배출 유형이 반복된다고 가정하여 호소 수질 기준의 상수원수 1 ~2등급 COD와 TP를 목표수질로 한 허용부하량으로 산정하였다.
제안 방법
- 추정하였다. 1991년부터 1998년까지는 댐 계획 및 건설 기간으로 용담수위표의 관측자료가 없고, 1999년에 실측 유량이 있으나 관측기간이 짧아 용담댐 유입량을 대표할 수 없으므로 본 연구에서는 Fig. 3과 같이 1966년부터 2003년까지 조사된 유량의 평균치를 장래의 용담댐 유입량으로 설정하였다.
- 하고 전주권 생 . 공용수량을 11.9 CMS로 설정했을 경우에 대한 용담댐 모의운영을 실시하여 대청권 공급량과 여수로방류량을 결정하고, 2002년 8월~2003년 7월에 측정된 수질자료를 보정된 용담댐 저수지 수질모형에 적용하여 신규 연구조건에서의 삭감부하량을 구하였다.
- 신규 유량조건은 댐 계획당시부터 현재까지의 평균유량과 전주권 생 . 공용수량을 11.9 CMS로 설정했을 경우에 대한 용담댐 모의운영을 실시하여 대청권공급량과 여수로방류량을 결정하고, 용담댐 저수지의 장래수질변화를 추정하였다.
- 기존 연구조건'T)에서 오염부하삭감에 따른 수질개선 효과를 파악하기 위하여 관리대상 수질항목들의 오염부하를 전 기간에 걸쳐 일정비율로 삭감하는 방법으로 삭감률에 따른 구획 별 수질변화를 파악하여 방류와 관련된 소구획부분을 Fig. 5 및 Fig. 6에 도시하였다. 그림에서 “Seg 16, Seg 28, Seg 29”는 각각 여수로방류, 전주권 용수공급, 대청권 유지용수방류와 관련된 소구획을 의미하며, Fig.
- 또한 용담댐 상류 소유역들에 대한 삭감부하량의 배분 방법을 검토하기 위하여 Fig. 1의 주요하천별 삭감부하량을 변화시키며 수질목표 대상구획인 취수탑의 수질변화를 분석하였다. 분석결과에서 COD의 경우에는 수질목표 대상구획인 취수탑에 근접한 소유역의 오염부하를 삭감하는 것이 효과적이었고, TP의 경우에는 취수탑과 소유역의 근접 정도가 미치는 영향은 적고 호소 전체에 대한 오염부하 총량의 변화에 따른 영향이 크게 나타났다.
- 용담댐 유역의 기존 유량 조사실적과 저수지 운영계획을 검토하여 장래의 댐 유입량과 방류량을 추정하고 오염물질 유달부하량 산정결과와 저수지 수질측정 결과를 반영하여 호소의 환경용량을 산정하였다. 또한, 유달부하량이 환경용량을 초과할 졍우 목표수질 달성을 위해 삭감해야 하는 촌과부하량을 추정하였다.
- 모의 수질항목은 부영양화 현상을 분석할 수 있도록 DO, BOD, Chl-a, NH3-N, NO3-N, Organic-N, PO4-P, Organic-P로 하였고, 계산시간간격은 0.1 일, 출력시간간격은 5일로 설정하였다. 호소 수질기준에는 COD와 TP가 제시되어 있으나 WASP 모형으로는 이들 변수를 직접 모의할 수 없으므로 BOD, PO4-P, Organic-P를 모의하여 그로부터 COD와 TP를 추정하였다.
- 용담댐 저수지 수체를 3층 42개 구획으로 분할하고 기존 유량조사실적을 검토하여 모이대상 용담댐 저수지유입량을 결정하였고 용수공급계획을 검토하여 용담댐 저수지 방류량을 결정하였다. 목표수질과 수질모형에 반영된 자정작용의 결과로부터 용담댐 저수지의 환경용량을 산정하고 용담댐 저수지유역 배출부하량에 다양한 삭감률을 적용하여 환경용량을 초과하지 않을 용담댐 저수지 오염부하의 목표삭감량을 추정하였다.
- 본 연구에서 보정용 자료의 부하량 경계조건은 2002 -2003 실측수질자료를 적용하고*4 )장래 수질예측 자료는 용담댐 공동조사위원회 b14)의 배출부하량에 비거리 유달계수법으로 유달부하량을 산정해 적용하였다. 유달부하량 W과 배출부하량 We 및 유달거리 L(km)의 관계는 식 (2)와 같으며, 비거리 유달계수 k와 단위유량(Q/A)는 식 (3)과 같이 선형관계를 가진다.
- 본류 및 지류유입 또는 용수공급 및 여수로 방류와 같이 유량의 출입이 있는 구획들에 대해서는 각 구획들의 수질농도를 시간함수로 입력하고 매개변수를 보정해야 하는데, 수자원 공사/는 CE-QUAL-W2 모형으로 BOD, TN, TP를 추정하여 COD/BOD는 대청댐의 실측자료 비율 1.85를 적용하였고, 수자원공사b2)지는 대청댐에서 보정된 WASP5 모형의 매개변수를 적용하고 COD/BOD는 1995-1999 대청댐 실측자료의 비율 2.265를 사용하였다. 국립환경연구원, 은 비거리 유달계수를 이용해 유달부하량을 산정하여 WASP5 모형의 매개변수를 보정하였고, COD추정은 “CODMn = [CBOD + Phyt-C X (O2/C)]x0.
- 삭감부하량은 기존연구의 유량조건'T)과 신규 유량 조건'그을 각각에 대하여 산출하였다. 기존 연구조건인 용담수위표에서 환산된 월평균 유입량과 전주권 공급량 15.
- 용담댐 저수지의 수리 . 수문특성을 수질모형 WASP5에 적용하여 용담댐 저수지 한경용량을 추정을 위한 모의 시스템을 구축하였다. 용담댐 저수지 수체를 3층 42개 구획으로 분할하고 기존 유량조사실적을 검토하여 모이대상 용담댐 저수지유입량을 결정하였고 용수공급계획을 검토하여 용담댐 저수지 방류량을 결정하였다.
- 수자원공사/는 용담댐 저수지를 3층 48구획으로 분할하였고, 수자원공사b》와 국립환경연구원'은 3층 42구획, 전라북도보건환경연구원 4)은 4층 70구획으로 분할하였는데, 본 연구에서는 용담댐 저수지에서 본류에 해당하는 구간을 상층 16개, 중층과 저층 각각 13개로 구성된 42개 구획으로 Fig. 2와 같이 분할하였다. Fig.
- 오염부하삭감에 따른 수질개선 효과를 분석하기 위하여 관리대상 수질항목들의 오염부하를 전기간에 걸쳐 일정 비율로 삭감하는 방법으로 삭감률에 따른 구획별 수질변화를 추정하였다.
- 전체 저수지 구간의 모의에 필요한 특성자료들의 조사 및 결정의 편의와 기존결과와의 비교를 위해 CE-QUAL-W2 보다 WASP5 가 적합하다고 판단하였다. 용담댐 유역의 기존 유량 조사실적과 저수지 운영계획을 검토하여 장래의 댐 유입량과 방류량을 추정하고 오염물질 유달부하량 산정결과와 저수지 수질측정 결과를 반영하여 호소의 환경용량을 산정하였다. 또한, 유달부하량이 환경용량을 초과할 졍우 목표수질 달성을 위해 삭감해야 하는 촌과부하량을 추정하였다.
- 수문특성을 수질모형 WASP5에 적용하여 용담댐 저수지 한경용량을 추정을 위한 모의 시스템을 구축하였다. 용담댐 저수지 수체를 3층 42개 구획으로 분할하고 기존 유량조사실적을 검토하여 모이대상 용담댐 저수지유입량을 결정하였고 용수공급계획을 검토하여 용담댐 저수지 방류량을 결정하였다. 목표수질과 수질모형에 반영된 자정작용의 결과로부터 용담댐 저수지의 환경용량을 산정하고 용담댐 저수지유역 배출부하량에 다양한 삭감률을 적용하여 환경용량을 초과하지 않을 용담댐 저수지 오염부하의 목표삭감량을 추정하였다.
- 용담댐 저수지의 목표수질을 용담댐 저수지 전체에서 만족시키면 수질개선에는 좋겠지만 목표삭감량 증가로 비용부담이 매우 커지므로 용담댐 용수이용계획에서 전주권 용수공급을 위해 물을 취수하는 구획과 대청권 용수공급을 위해 방류하는 구획, 홍수기 여수로 방류가 이루어지는 구획을 목표 수질을 적용할 대상수체의 위치로 검토하였다. 또한 전주권취수탑 구획은 다른 구획들과 인접하여 있으므로 이 부분의 수질이 충족되면 대청댐으로 방류되는 물은 만족할 만한 수질을 유지할 수 있고 다소간의 수질저하가 일어난다 하더라도 대청호까지 유하하는 과정에서 자연정화가 일어난다는 사실을 고려하여, 용담댐 저수지의 취수탑 구획에서 목표수질을 달성하면 용담댐 저수지의 목표수질이 만족될 것으로 판단하였다.
- 용담댐 저수지의 수질등급에 가장 많은 영향을 미치고 있고 부영양화를 유발하는 중요한 영양염류는 TN과와 TP라 할 수 있는데, 질소의 경우에는 토양 및 강우 등과 같은 비점오염원에 의하여 유입되는 양이 전체 오염부하량 중 상당 부분을 점유하고 있기 때문에 수질관리 측면에서는 상대적으로 비점오염원의 비중이 적은 TN을 선정하여 관리하는 것이 효율적이라 할 수 있고, 호소수질기준은 BOD 대신 COD를 제시하고 있으므로 목표수질 기준물질을 COD와 TP로 선정하였다.
- 용담댐 저수지의 지형과 흐름구조를 WASP5에 입력하여 구성된 용담댐 수질모형에서 외부와 접하는 각 구획에서의 수질 항목별 농도의 시간함수는 댐내 실측 자료를 이용하였고, 측정성과가 없는 지점에서는 직상류와 직하류의 평균농도를 적용하거나 저수지내 측정성과의 평균을 적용하였다. 용담댐 수질모형의 반응상수들은 WASP5 설명서'SD에 제시된 일반적인 범위내에서 보정하고 주요상수들을 Table 1에 제시하였다.
- 용담댐 저수지의 현황을 조사하여 저수지경계를 설정하고 유입하천 및 저수지 수질측정 결과와 수질기준을 검토하여 한경용량 산정을 위한 목표수질과 기준물질을 선정하였다. 용담댐 저수지의 수리 .
- 용담댐 저수지의 환경용량은 전술한 COD, TP에 대한 호소 수질 기준 상수원수 1등급과 2등급의 중간을 목표수질로 한 허용부하량으로 산정하였는데, 모의조건은 기존연구'T)의 유량 및 수질조건과 신규 유량'2)및 2002년 8월부터 2003년 7월까지 1년간 용담댐 저수지의 운영실적과 상류하천과 저수지에서 측정된 수질6.7)을 적용한 2가지 경우로 구분하였다.
- 용수공급량과 댐방류량은 수질모형보정 에 는 해 당기간의 운영실적을 적용하였고 장래 조건에 대해서 수자원공사a1)는 전주권 공급량 15.6 CMS와 대청호 유입량과 비례하여 대청권 방류량을 적용하였고, 수자원공사b2)는 전주권 공급량 15.6 CMS와 대청권 방류량 5.0 CMS 이상을, 국립환경연구원3) 은전주권 공급량 15.6 CMS와 대청권 방류량 5.0 CMS, 여수로 방류량 45.04 CMS를, 전라북도보건환경연구원4)은 전주권 공급량 11.9 CMS와 대청권 방류량 8.7 CMS을 적용하였다. 본연구에서는 용담댐 용수배분에 관한 연구실적'15)에 근거하여 대청댐 유지용수 5.
- 전주권을 포함한 서해안 지역의 용수를 공급하고 있는 용담댐 저수지에 대하여 목표수질을 설정하고 유달부하량과 댐 유입량 및 용수공급 실태를 조사하여 수질의 변화과정을 모의함으로서 환경용량과 오염부하 삭감량을 추정한 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 보다 현실적인 수질모의를 하고자 하였다. 전체 저수지 구간의 모의에 필요한 특성자료들의 조사 및 결정의 편의와 기존결과와의 비교를 위해 CE-QUAL-W2 보다 WASP5 가 적합하다고 판단하였다. 용담댐 유역의 기존 유량 조사실적과 저수지 운영계획을 검토하여 장래의 댐 유입량과 방류량을 추정하고 오염물질 유달부하량 산정결과와 저수지 수질측정 결과를 반영하여 호소의 환경용량을 산정하였다.
- 1 일, 출력시간간격은 5일로 설정하였다. 호소 수질기준에는 COD와 TP가 제시되어 있으나 WASP 모형으로는 이들 변수를 직접 모의할 수 없으므로 BOD, PO4-P, Organic-P를 모의하여 그로부터 COD와 TP를 추정하였다. 용담댐 수질모형의 매개변수 보정은 전주권 용수의 취수탑이 위치한 소구획 28을 중심으로 수행하였는데 이는 용담댐 저수지의 물이용에 가장 직접적으로 영향을 미치는 구획이기 때문이다.
- 호소의 목표수질은 COD로 제시되어 있으나 오염부하량은 BOD로 조사되므로 COD기준 환경용량은 BOD로 구하였다. 용담댐 저수지 환경용량은 기존 연구조건에서 BOD 131, 880 kg/일, TP 7, 855 kg/일, 신규 연구조건에서 BOD 4, 694 kg/일, TP 167 kg/일이고, 이 환경용량을 넘지 않는 부하량 삭감률은 기존 연구조건에서 BOD 50.
- 환경용량 산정을 위한 기준물질은 유기물질에 대해서는 호소 수질기준에 제시된 COD를, 부영양화를 유발하는 영양염류에 대해서는 TP를 각각 선정하였다. 따라서 상수원수 1~ 2등급 기준인 COD 1.
대상 데이터
- 1에 제시한 본류와 지류하천별 유입유량으로 구분하여야 한다. 본 연구에서는 총유입량을 Fig. 2에 제시된 금강 본류와 진안천, 정자천, 신지천, 주자천으로 구분하여 모의하였다.
- 용담댐 저수지는 2002년 7월 12일부터 정상적인 운영을 시작하여 기존의 매개변수 보정은 담수이전의 하천수질을 적용해야 하는 한계가 있었으므로, 본 연구에서는 2002년 8월부터 2003년 7월까지 용담댐 저수지의 실측수질을 이용하여 WASP5 모형의 매개변수를 보정하고, COD/BOD는 대청호 실측자료의 비율인 1.85를 사용하였다.
데이터처리
- 각각에 대하여 산출하였다. 기존 연구조건인 용담수위표에서 환산된 월평균 유입량과 전주권 공급량 15.6 CMS, 대청권 하천유지용수 방류량 5.0 CMS, 8월 평균 여수로 방류량 45.04 CMS, 비거리 유달부하량을 적용한 결과는 기존 연구 결과와 비교하였다. 신규 유량조건은 댐 계획당시부터 현재까지의 평균유량과 전주권 생 .
이론/모형
- 한국수자원공사b2)는 용담댐 상류 용담수위표 ‘63~‘90 측정 유량에서 환산한 평균 유입량과 하천수질을 WASP5 모형에 적용하였는데 모형 매개변수는 대청호에서 보정된 결과를 인용하였다. 국립환경연구원°은 용담댐 지점 1999년 실측 유량과 비거리 유달계수를 이용해 산정한 유달부하량을 WASP5 모형에 적용하여 매개변수를 보정하였다 . 전라북도보건환경연구원4)은 용담수위표 '63~'90 측정유량에서 환산한 평균 유입량과 점오염원에 의한 유달부하량을 WASP5 모형에 적용하여 매개변수를 보정하였다.
- 분석하여 추정하여야 한다. 따라서, 환경용량을 추정하기 위해서는 저수지의 수량과 수질을 동시에 모의할 수 있는 수질예측모형을 이용하여야 하며, 본 연구에서는 국내 호소 수질모의에 많이 이용되고 있는 2차원 호소 수질모형 WASP5를 채택하였다.10)
성능/효과
- 5%, TP 47. %, 신규 연구조건에서 BOD 62.3%, TP 67.0%로 나타났다. 이를 기존 연구 결과와 비교하면 과거에는 유량과 오염부하량이 커서 환경용량이 대체로 크게 추정되었고, 본 연구의 삭감부하율은 과거 산정 결과들의 중간에 해당하였다.
- 1) 환경용량 산정의 기준물질은 유기물질에 대해서는 COD 를 부영양화를 유발하는 영양염류에 대해서는 TP를 선정하고, 목표수질은 용담댐 저수지내 취수탑 지점에서 호소 수질 기준 상수원수 1~2등급, COD 1.0-3.0 mgd와 TP 0.01-0.03 mg/L로 설정하였다.
- 2) 용담댐 저수지의 운영실적과 상류하천과 저수지에서 측정된 수질을 근거로 금강본류 저수지구간을 42개 소구획으로 분할하여 용담댐 저수지 수질모형을 WASP5로 구성하고, 보정하여 측정치와 계산치의 상관계수는 BOD 0.73, PO4-P 0.98 이었다.
- 3) 수질모형을 이용하여 구한 용담댐 저수지의 환경 용량은 목표 수질 COD 2.0 mgL와 TP 0.02 mg/L에 대하여 기존 연구조건에서 BOD 131, 880 kg/일, TP 7, 855 kg/일, 신규 연구조건에서 BOD 4, 694 kg/일, TP 167 kg/일이고, 이에 따른 오염부하 삭감률은 기존 연구조건에서 BOD 50.5%, TP 47.2%, 신규 연구조건에서 BOD 62.3%, TP 67.0%로 나타났다. 환경용량은 기존연구보다 작게 추정되었고, 삭감부하율은 기존결과들의 중간에 해당하였다.
- 4) 상수원수 1~2등급의 목표수질을 연중 달성할 오염 부하삭감률은 기존 연구조건에서 BOD 72.0-15.5%, TP 77.8-36.0%이고, 신규 연구조건에서 BOD 81.3-43.7%, TP 84.0-52.0%로 나타났다. 기존연구의 삭감량과 비교하면 BOD는 가장 적고 TP는 4개중 2번째로 적었다.
- 5) 목표삭감부하량의 소유역별 배분에서 TP는 취수탑 구획에 대한 근접도의 영향이 크게 나타났으나 COD는 별다른 차이가 없었다.
- 제시하였다. Table 2에서 COD는 72.0% 삭감하여 1급수, 50.5% 삭감하여 2.0 mg/L, 15.5% 삭감하여 2급수 수질 유지가 가능하고, TP는 77.8% 삭감하여 1급수, 57.5% 삭감하여 0.02 mg/L, 36.0% 삭감하여 2급수 수질유지가 가능함을 알 수 있었다.
- 적용할 대상수체의 위치로 검토하였다. 또한 전주권취수탑 구획은 다른 구획들과 인접하여 있으므로 이 부분의 수질이 충족되면 대청댐으로 방류되는 물은 만족할 만한 수질을 유지할 수 있고 다소간의 수질저하가 일어난다 하더라도 대청호까지 유하하는 과정에서 자연정화가 일어난다는 사실을 고려하여, 용담댐 저수지의 취수탑 구획에서 목표수질을 달성하면 용담댐 저수지의 목표수질이 만족될 것으로 판단하였다.
- 1의 주요하천별 삭감부하량을 변화시키며 수질목표 대상구획인 취수탑의 수질변화를 분석하였다. 분석결과에서 COD의 경우에는 수질목표 대상구획인 취수탑에 근접한 소유역의 오염부하를 삭감하는 것이 효과적이었고, TP의 경우에는 취수탑과 소유역의 근접 정도가 미치는 영향은 적고 호소 전체에 대한 오염부하 총량의 변화에 따른 영향이 크게 나타났다.
- 0%로 나타났다. 이를 기존 연구 결과와 비교하면 과거에는 유량과 오염부하량이 커서 환경용량이 대체로 크게 추정되었고, 본 연구의 삭감부하율은 과거 산정 결과들의 중간에 해당하였다.
- 32 mg/L로 조사되었다. 저수지 내 TN의 평균농도는 호소수질기준 V등급에 해당하는 1.42 mg/L 정도로 유입지천보다 높은 값으로 나타났다. 저수지 내 TP의 평균 농도는 표층이 0.
- 74 mg/L로 가장 높았고, 하층은 주자천 합류부가 L20 mg/L로 가장 낮았다. 조사기간 중에 나타난 COD 농도 변화는 최소 0.20 mg/L에서 최대 4.32 mg/L로 조사되었다. 저수지 내 TN의 평균농도는 호소수질기준 V등급에 해당하는 1.
- 대책이 충분치 못하다. 현재의 수질대책으로 예상되는 용담댐이 수질은 COD 기준 2급수, TN 기준 5급수 초과, TP 기준 3급수로 나타났다.
후속연구
- 수 있는 값들이다. 향후 용담댐 저수지 수질관리에 수량관리에서 용수공급의 신뢰도와 유사하게 정의되는 전 기간의 90~95%와 같은 수질의 확률보장기간을 고려한다면, 목표 수질 관리에 필요한 삭감률과 수처리 시설용량의 상호 보완이 가능할 것으로 보인다.
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