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문제 정의
- 유역-저수지 통합 모델링 기술을 적용하면 실시간 탁수 유입 및 저수지 거동을 예측할 수 있으며, 유역 내 토지이용 변화에 의한 탁수저감 효과 분석 등에 확대 적용할 수 있는 장점이 있다. 본 연구는 저수지로 유입되는 탁수의 배제 및 저감 방안 수립을 위한 선행연구로서 수행되었으며, 용담호를 대상으로 유역-저수지모델의 연계 모델링 기법을 적용하여 탁수 현상을 모의하여 실제 발생된 탁수현상과 비교 평가함으로써 탁수관리 방안으로서의 활용성을 검증하였다.
- 본 연구에서는 2005년 7월에 발생한 탁수현상을 대상으로 하였으며, 모델 적용을 위해 현장 조사를 실시하였다. 대상 지역의 유입하천 5개 지점과 저수지내의 4개 수질 측정지점을 Fig.
- 본 연구에서는 강우시 저수지로 유입하는 탁수의 농도를 유역모델 HSPF를 이용하여 예측한 후, 그 결과를 저수지 수리 및 수질모델인 CE-QUAL-W2에 적용함으로써 특정 강우시 저수지에 발생할 수 있는 탁수 현상을 예측하고자 하였다. 유역모델 모의 결과를 저수지모델의 입력자료로 이용하여 저수지 내에 형성된 탁수층의 시공간적 분포를 재현함으로서 탁수 예측에 대한 적용성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 유역모델 HSPF와 저수지모델인 CE-QUAL-W2를 결합하여 용담댐을 대상으로 적용함으로써 특정 강우시 저수지에 발생한 탁수현상 분석을 위한 방안으로 적용성을 검증 및 평가하였다.
가설 설정
- 1,2) 저수지모델을 이용하여 탁수 분포 및 거동을 예측하기 위해서는 정확한 경계조건의 입력이 중요하다. 그러나 유입 하천수의 수온과 탁도를 연속적으로 측정하여 경계조건을 생산해 내는 것은 시간 및 비용 측면에서 어려움이 따른다.
- 수체 내 수리 모의는 흐름을 한 방향으로 보며 한 부분의 유입과 여러 방향의 유출 부분으로 구성되어 있다. 그리고 수체의 깊이에 대한 수표면적과 저류되는 수량과의 관계는 변하지 않는다는 가정을 기초로하고 있다. 유역에서의 물수지 기본식은 식 (1)과 같이 표현할 수 있다.
제안 방법
- 강우시 저수지로 유입하는 탁도를 CE-QUAL-W2의 경계조건으로 입력하기 위해 SS(Suspended Solid) 농도로 계산되는 HSPF 모델 결과를 탁도로 환산하였다. 2005년 하절기 유입하천에서 실측된 탁도와 SS 농도값을 이용하여 SS-탁도 상관 관계식을 도출한 후 탁도로 환산하였으며, 적용된 식은 다음과 같다.
- 기상자료는 저수지 내에 설치된 AWS의 기온, 풍향, 풍속자료를 모델에 입력하였다. AWS에서 측정하지 않는 이슬점온도, 운량은 기상청 전주기상대의 측정 자료를 이용하였으며, 3시간 주기로 입력하였다.8)
- CE-QUAL-W2 저수지모델을 용담호에 적용하기 위하여 1 : 5000 수치지형도 정보를 바탕으로 모델 격자를 구성하였다. 금강본류(branch 1)와 유입 경계부(branch 2∼4)로 구분하였고, 수심이 얕은 구량천은 지류(tributary)로 구성하여 경계로 설정하였다(Fig.
- HSPF 유역모델을 적용하여 용담호로 유입되는 유입하천의 토사량 분석을 위하여 주요 유입하천을 고려하여 6개 소유역으로 구분하였다. 공간적으로 변화하는 유역내 수문현상 및 토사발생을 모의하기 위하여 30 m × 30 m DEM(Digital Elevation Model), 하천도 및 유역도를 사용하여각 소유역별 면적, 경사도, 평균길이 등의 지형특성자료를 추출하였다.
- 각 지점에서 수온, DO, 탁도 등을 YSI-6000을 이용하여 주 1회 조사하였고, 표층부터 0.5∼1.0 m 간격으로 수심별 자료를 취득하여 모델 보정자료로 사용하였다.
- 10) 생활계, 산업계, 축산계의 각 오염원을 행정구역별로 산정한 후 소유역별로 구분하여 모델에 입력하였다. 강우시 저수지로 유입하는 탁도를 CE-QUAL-W2의 경계조건으로 입력하기 위해 SS(Suspended Solid) 농도로 계산되는 HSPF 모델 결과를 탁도로 환산하였다. 2005년 하절기 유입하천에서 실측된 탁도와 SS 농도값을 이용하여 SS-탁도 상관 관계식을 도출한 후 탁도로 환산하였으며, 적용된 식은 다음과 같다.
- 공간적으로 변화하는 유역내 수문현상 및 토사발생을 모의하기 위하여 30 m × 30 m DEM(Digital Elevation Model), 하천도 및 유역도를 사용하여각 소유역별 면적, 경사도, 평균길이 등의 지형특성자료를 추출하였다.
- 유출량 보정은 강우에 의해 유역으로부터 유입되는 경우, 직접 하천으로 떨어지는 경우, 증발산이나 지하수로 유출되는 경우를 고려하여 전체적인 물수지를 파악하였다. 그리고 강우시 유역으로부터 하천으로 유입되는 과정에서 지표면 아래로 침투되어 중간 유출 혹은 지하수로 유출되는 과정에서 침투계수, 중간 흐름과 지하수 흐름량 비를 조절하여 첨두유량과 기저유량으로 감소되는 시기와 값 등을 조정하였다. 보정에 사용된 주요 매개변수는 투수지역의 침투능, 중간 유출 및 지하수 유출 비율, 투수층 및 불투수층 지표면의 조도계수 등이 있으며 Table 2에 나타내었다.
- 금강본류(branch 1)와 유입 경계부(branch 2∼4)로 구분하였고, 수심이 얕은 구량천은 지류(tributary)로 구성하여 경계로 설정하였다(Fig. 2).
- 모델 보정에 적용된 주요 매개변수는 Table 4와 같다. 오염물질의 이송과 확산에 관련된 주요수리 매개변수 등은 초기값(Default)을 적용하였고,7) 연직수온본포에 영향을 미치는 광소멸계수(Light extinction coefficient)는 저수지에서 측정된 투명도를 바탕으로 계산하여 시간에 따라 변화되는 값을 적용하였다.
- 용담호 5개 유입 하천에서의 2005년 7∼8월의 탁수가 집중적으로 발생하는 시기를 대상으로 유출량과 부유사 농도를 모의하여 유역모델의 재현성을 검토하였다.
- 본 연구에서는 강우시 저수지로 유입하는 탁수의 농도를 유역모델 HSPF를 이용하여 예측한 후, 그 결과를 저수지 수리 및 수질모델인 CE-QUAL-W2에 적용함으로써 특정 강우시 저수지에 발생할 수 있는 탁수 현상을 예측하고자 하였다. 유역모델 모의 결과를 저수지모델의 입력자료로 이용하여 저수지 내에 형성된 탁수층의 시공간적 분포를 재현함으로서 탁수 예측에 대한 적용성을 평가하였다. 유역-저수지 통합 모델링 기술을 적용하면 실시간 탁수 유입 및 저수지 거동을 예측할 수 있으며, 유역 내 토지이용 변화에 의한 탁수저감 효과 분석 등에 확대 적용할 수 있는 장점이 있다.
- 이 때, 실측유량은 각 유입하천에서 측정되는 수위값과 수위-유량 관계곡선식을 이용하여 산정한 값을 이용하였다. 유출량 보정은 강우에 의해 유역으로부터 유입되는 경우, 직접 하천으로 떨어지는 경우, 증발산이나 지하수로 유출되는 경우를 고려하여 전체적인 물수지를 파악하였다. 그리고 강우시 유역으로부터 하천으로 유입되는 과정에서 지표면 아래로 침투되어 중간 유출 혹은 지하수로 유출되는 과정에서 침투계수, 중간 흐름과 지하수 흐름량 비를 조절하여 첨두유량과 기저유량으로 감소되는 시기와 값 등을 조정하였다.
- 하지만, 유역모델과 저수지모델을 연계 적용함으로써 장래에 발생 가능한 강우에 대하여 탁수층의 위치와 최고 탁도 등을 비교적 쉽고 정확하게 예측할 수 있는 장점을 확인할 수 있었다. 이와 같이 용담댐을 대상으로 HSPF 유역모델 결과를 CE-QUAL-W2 저수지모델의 입력자료로 활용하여 집중강우에 의한 탁수 발생을 예측하고 저수지내 탁수거동을 분석함으로써 저수지 탁수관리방안으로써 활용성을 검증하였다.
- 저수지모델의 재현성은 물수지, 수온 변화 및 탁도에 대하여 검토하였다. 물수지는 수위 변화에 대한 모델 예측값과 실측값을 비교한 결과, 예측 수위와 실측 수위의 차이가 0.
- 공간적으로 변화하는 유역내 수문현상 및 토사발생을 모의하기 위하여 30 m × 30 m DEM(Digital Elevation Model), 하천도 및 유역도를 사용하여각 소유역별 면적, 경사도, 평균길이 등의 지형특성자료를 추출하였다. 토지피복특성은 유역내 침투 및 유실 모의를 위한 자료로, 대분류 토지피복도를 분류한 후에 소유역별로 구분하였다. 유역의 기상현상에 따른 수문 및 유사발생을 정확하게 모의하기 위하여 국가수자원관리종합정보시스템(Water Management Information System, WAMIS)의 각소유역별 AWS(Automatic Weather System)에서 측정한 강우량, 기온, 이슬점온도, 풍속 등의 자료를 이용하였으며 증발량, 일사량은 기상청의 장수 기상관측소 관측자료를 운량은 전주기상대의 관측자료를 이용하였다.
대상 데이터
- 5 m로, 나머지는 1 m 간격으로 구분하였다. 기상자료는 저수지 내에 설치된 AWS의 기온, 풍향, 풍속자료를 모델에 입력하였다. AWS에서 측정하지 않는 이슬점온도, 운량은 기상청 전주기상대의 측정 자료를 이용하였으며, 3시간 주기로 입력하였다.
- 2). 모델 격자는 총 121개의 구획(segment)으로 나누고, 수심방향으로는 52개의 수층(layer)으로 구성하였다. 수층은 최저 수심 15 m 구간은 2.
- 모의 기간은 탁수발생 이전부터 탁수층이 유입한 후 시공간적으로 변화 양상을 보이는 시기를 포함한 2005년 6월 30일부터 7월 31일까지를 대상으로 하였다. 초기조건은 2005년 6월 30일에 실측한 연직 수온 및 탁도 자료를 입력하였으며, 경계조건은 유입 유량, 수온 및 탁도의 HSPF의 모의 결과를 입력하였다.
- 부유사 농도의 재현성을 검토하기 위하여 2005년도 7∼8월에 발생한 강우를 대상으로 모의하였다.
- 연구 대상지는 금강 최상류의 용담호 및 유역으로 북위 35°35'∼36°00', 동경 127°20'∼127°45'의 범위에 위치하고 있다.
- 유역모델의 유량 및 부유사 농도의 모의는 용담댐 저수지의 5개 유입하천에서 2005년 7∼8월을 대상으로 수행하였다.
- 토지피복특성은 유역내 침투 및 유실 모의를 위한 자료로, 대분류 토지피복도를 분류한 후에 소유역별로 구분하였다. 유역의 기상현상에 따른 수문 및 유사발생을 정확하게 모의하기 위하여 국가수자원관리종합정보시스템(Water Management Information System, WAMIS)의 각소유역별 AWS(Automatic Weather System)에서 측정한 강우량, 기온, 이슬점온도, 풍속 등의 자료를 이용하였으며 증발량, 일사량은 기상청의 장수 기상관측소 관측자료를 운량은 전주기상대의 관측자료를 이용하였다.8,9)
- 초기조건은 2005년 6월 30일에 실측한 연직 수온 및 탁도 자료를 입력하였으며, 경계조건은 유입 유량, 수온 및 탁도의 HSPF의 모의 결과를 입력하였다. 유출 유량은 표층에서 취수하는 제 1 발전 및 제 2 발전 방류구를 설정하여 정확한 유출위치를 고려하였고, 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)의 시간별 방류량 자료를 적용하였다.9)
- 모의 기간은 탁수발생 이전부터 탁수층이 유입한 후 시공간적으로 변화 양상을 보이는 시기를 포함한 2005년 6월 30일부터 7월 31일까지를 대상으로 하였다. 초기조건은 2005년 6월 30일에 실측한 연직 수온 및 탁도 자료를 입력하였으며, 경계조건은 유입 유량, 수온 및 탁도의 HSPF의 모의 결과를 입력하였다. 유출 유량은 표층에서 취수하는 제 1 발전 및 제 2 발전 방류구를 설정하여 정확한 유출위치를 고려하였고, 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)의 시간별 방류량 자료를 적용하였다.
데이터처리
- 유역모델의 유량 및 부유사 농도의 모의는 용담댐 저수지의 5개 유입하천에서 2005년 7∼8월을 대상으로 수행하였다. 유량의 재현성은 R2, RMSE 및 RI의 통계값을 이용하여 평가하였으며 부유사 농도의 재현성은 정성적인 방법으로 평가하였다. 유량의 경우, 모델 예측값이 실측값를 대체적으로 잘 모의하는 것으로 나타났으며 토지피복특성이 비교적 단일하고 유역면적이 작은 주자천과 정자천에서 가장 높은 상관성을 나타내었다.
- 유출량 보정 결과, 대체적으로 실측값이 예측값을 잘 모의하는 것으로 나타났으며 모델의 오차는 상관계수(R2, Correlation coefficient), RMSE(Root Mean Square Error) 및 RI(Reliability Index)13)를 이용하였다. RMSE 및 RI의 계산 식은 아래와 같다.
이론/모형
- 용담호 5개 유입 하천에서의 2005년 7∼8월의 탁수가 집중적으로 발생하는 시기를 대상으로 유출량과 부유사 농도를 모의하여 유역모델의 재현성을 검토하였다. 이 때, 실측유량은 각 유입하천에서 측정되는 수위값과 수위-유량 관계곡선식을 이용하여 산정한 값을 이용하였다. 유출량 보정은 강우에 의해 유역으로부터 유입되는 경우, 직접 하천으로 떨어지는 경우, 증발산이나 지하수로 유출되는 경우를 고려하여 전체적인 물수지를 파악하였다.
- 점오염원은 댐수질환경연감의 자료와 오염총량관리계획수립지침 및 수계오염총량관리지침을 이용하여 산정하였다.10) 생활계, 산업계, 축산계의 각 오염원을 행정구역별로 산정한 후 소유역별로 구분하여 모델에 입력하였다.
- 탁수현상의 재현을 위해 CE-QUAL-W2 모델의 보정은 탁수층의 생성위치와 연직 탁도 분포 상의 최고 탁도를 기준으로 실시하였다. 모델 보정에 적용된 주요 매개변수는 Table 4와 같다.
성능/효과
- 230∼250 m 구간에 위치하였으며, 모델 결과도 비교적 정확하게 일치하였다.
- 974의 범위로 수온 예측 결과 보다 낮았지만, 경계조건을 실측치가 아닌 HSPF 모델 결과를 적용한 점을 고려할 때 비교적 양호한 수준인 것으로 판단된다. RI는 최소 1.24, 최대 2.21로 탁수 유입초기에 적합도가 낮게 나타났으나, 탁수 유입이 안정된 이후에는 평균 1.57로 적합도가 신뢰할 수 있는 수준으로 나타났다. 상하류 방향의 공간적인 분포 예측은 저수지 중상류인 St.
- 이는 부유사 농도는 유출량과는 달리 인위적인 요인에 의한 영향을 많이 받기 때문에 정량적으로 평가하기에는 한계가 있기 때문이다. 모델 보정 결과, 모델 예측값이 실측값의 경향을 대체적으로 잘 모의하고 있는 것으로 나타났으며 강우사상에 따라 최고 농도 모의가 대체적으로 정확한 것으로 판단되었다(Fig. 6). 부유사 농도의 보정에 사용된 주요 매개변수는 Table 3에 나타내었다.
- 모델의 오차 정도는 R2는 0.661∼0.974의 범위로 수온 예측 결과 보다 낮았지만, 경계조건을 실측치가 아닌 HSPF 모델 결과를 적용한 점을 고려할 때 비교적 양호한 수준인 것으로 판단된다.
- 저수지모델의 재현성은 물수지, 수온 변화 및 탁도에 대하여 검토하였다. 물수지는 수위 변화에 대한 모델 예측값과 실측값을 비교한 결과, 예측 수위와 실측 수위의 차이가 0.5 m 이내로 비교적 정확한 일치를 보였다(RMSE = 0.41 m). 특히, 7월 2일과 같이 수위가 급격히 상승하는 시기의 수위 변화를 잘 재현하는 것으로 나타나, 홍수기 저수지의 수문현상을 모의하는데 적합한 것으로 판단하였다(Fig.
- 유량의 경우, 모델 예측값이 실측값를 대체적으로 잘 모의하는 것으로 나타났으며 토지피복특성이 비교적 단일하고 유역면적이 작은 주자천과 정자천에서 가장 높은 상관성을 나타내었다. 부유물질 농도 모의 결과, 모델 예측값이 실측값을 대체적으로 잘 모의하는 것으로 나타났으며 강우사상에 따라 최고 농도 모의가 대체적으로 정확한 것으로 판단되었다.
- 부유사 농도의 재현성을 검토하기 위하여 2005년도 7∼8월에 발생한 강우를 대상으로 모의하였다. 소유역별 측정된 부유물질 농도 변화를 보면, 주자천과 정자천에서는 최대 농도가 308.8 mg/L와 600.0 mg/L로 다른 유역에 비하여 낮은 것으로 나타났으며 진안천, 구량천 및 금강 본류에서는 최대값이 각각 4,522.0 mg/L, 1,294.0 mg/L, 2,700.0 mg/L으로 높은 농도의 부유물질이 하천으로 유입되는 것을 알 수 있었다.
- 수온 및 탁도의 모델 결과를 종합하여 볼 때, 탁수층의 생성 위치 및 최고 농도 예측 등의 모델 정확도가 비교적 높아 유역모델과 저수지모델을 연계한 탁수예측 방법의 적용성이 높게 평가되었다. 특히, 수층별 탁도 분포와 시간에 따른 탁도의 감소 양상 등을 실제와 유사하게 예측하는 것으로 나타나 본 연구에 적용된 유역-저수지 통합 모델링 기술은 저수지 관리 및 운영측면에서 활용도가 높을 것으로 판단된다.
- 연직 수온 분포에 대한 모델의 오차 정도를 R2, RMSE 및 RI를 적용하여 재현력을 비교한 결과(Table 5), R2는 0.872∼0.993의 범위로 높은 상관관계를 보였으며, RMSE도 최소 0.89℃, 최대 1.78℃로서 작은 오차범위를 보였다.
- 유량의 재현성은 R2, RMSE 및 RI의 통계값을 이용하여 평가하였으며 부유사 농도의 재현성은 정성적인 방법으로 평가하였다. 유량의 경우, 모델 예측값이 실측값를 대체적으로 잘 모의하는 것으로 나타났으며 토지피복특성이 비교적 단일하고 유역면적이 작은 주자천과 정자천에서 가장 높은 상관성을 나타내었다. 부유물질 농도 모의 결과, 모델 예측값이 실측값을 대체적으로 잘 모의하는 것으로 나타났으며 강우사상에 따라 최고 농도 모의가 대체적으로 정확한 것으로 판단되었다.
- 유역모델과 저수지모델을 연계 적용하여 홍수기의 저수지 물수지, 수온 변화 및 탁도에 대하여 저수지모델의 재현성을 검토한 결과, 탁수 유입에 의한 수온성층의 변화와 탁수층의 위치, 시간에 따른 탁수분포의 변화 양상 등을 실제와 매우 유사하게 모의하였다. 단, 탁수 유입 초기에 일부 구간에서 모델이 최고 탁도를 높게 예측하는 문제점이 있었고, 저수지 유입부 지점(St.
- 232∼250 m 구간은 일정한 수온을 나타내었다. 탁수 유입에 의한 이러한 연직 수온 분포 변화를 모델이 비교적 정확하게 예측하는 것으로 나타났으며, 댐 앞 지점인 St. 1과 중류인 St. 2 및 St. 3, 상류인 St. 4에서의 결과 모두 높은 일치성을 보였다. 연직 수온 분포에 대한 모델의 오차 정도를 R2, RMSE 및 RI를 적용하여 재현력을 비교한 결과(Table 5), R2는 0.
- 41 m). 특히, 7월 2일과 같이 수위가 급격히 상승하는 시기의 수위 변화를 잘 재현하는 것으로 나타나, 홍수기 저수지의 수문현상을 모의하는데 적합한 것으로 판단하였다(Fig. 7).
- 4)에서 예측력이 비교적 낮은 한계점이 나타나기도 하였다. 하지만, 유역모델과 저수지모델을 연계 적용함으로써 장래에 발생 가능한 강우에 대하여 탁수층의 위치와 최고 탁도 등을 비교적 쉽고 정확하게 예측할 수 있는 장점을 확인할 수 있었다. 이와 같이 용담댐을 대상으로 HSPF 유역모델 결과를 CE-QUAL-W2 저수지모델의 입력자료로 활용하여 집중강우에 의한 탁수 발생을 예측하고 저수지내 탁수거동을 분석함으로써 저수지 탁수관리방안으로써 활용성을 검증하였다.
후속연구
- 수온 및 탁도의 모델 결과를 종합하여 볼 때, 탁수층의 생성 위치 및 최고 농도 예측 등의 모델 정확도가 비교적 높아 유역모델과 저수지모델을 연계한 탁수예측 방법의 적용성이 높게 평가되었다. 특히, 수층별 탁도 분포와 시간에 따른 탁도의 감소 양상 등을 실제와 유사하게 예측하는 것으로 나타나 본 연구에 적용된 유역-저수지 통합 모델링 기술은 저수지 관리 및 운영측면에서 활용도가 높을 것으로 판단된다.
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