[국내논문]댐 운영을 고려한 금강의 생태.수문학적 변화 평가 : I. 유황변화 분석 Evaluation of Eco-Hydrological Changes in the Geum River Considering Dam Operations: I. Flow Regime Change Analysis원문보기
본 연구에서는 금강의 생태계에 영향을 끼쳤을 가능성이 있는 주요 개발 및 관리 활동들을 기초로 하여 생태수 문학적인 하천평가 시나리오 구성을 위한 개념모델을 제시하였다. 또한 생태수문학적 하천평가를 위하여 여러 지원 프로그램과 함께 유역물수지 모델인 KModSim과 하천생태분석 모델인 RAP을 이용한 분석방법을 개발하였다. 용담댐과 대청댐의 건설 및 운영에 따라 예측되는 유황변화를 분석하기 위하여 다양한 시나리오에 따른 수문분석을 실시한 결과에 의하면, 수통 및 공주지점에서 초과시간 10%에 해당하는 "Percentile 10" 값은 각각 20.5%, 8.0% 감소한 반면, "Percentile 90" 값은 각각 156.3%, 340.8%나 증가하여 저유량의 변화가 크게 나타났으며, 이는 한국의 비조절하천의 특징인 큰 유황변동율을 감소시킨 것으로 나타났다. 후속 논문에서는 생태-수문학적 분석결과를 제시 할 것이다.
본 연구에서는 금강의 생태계에 영향을 끼쳤을 가능성이 있는 주요 개발 및 관리 활동들을 기초로 하여 생태수 문학적인 하천평가 시나리오 구성을 위한 개념모델을 제시하였다. 또한 생태수문학적 하천평가를 위하여 여러 지원 프로그램과 함께 유역물수지 모델인 KModSim과 하천생태분석 모델인 RAP을 이용한 분석방법을 개발하였다. 용담댐과 대청댐의 건설 및 운영에 따라 예측되는 유황변화를 분석하기 위하여 다양한 시나리오에 따른 수문분석을 실시한 결과에 의하면, 수통 및 공주지점에서 초과시간 10%에 해당하는 "Percentile 10" 값은 각각 20.5%, 8.0% 감소한 반면, "Percentile 90" 값은 각각 156.3%, 340.8%나 증가하여 저유량의 변화가 크게 나타났으며, 이는 한국의 비조절하천의 특징인 큰 유황변동율을 감소시킨 것으로 나타났다. 후속 논문에서는 생태-수문학적 분석결과를 제시 할 것이다.
In this study, based on the major activities which might have affected the ecological system of the Geum River, a conceptual model was proposed to guide scenario development for the eco-hydrological river evaluation. Also, an analysis method employing a set of models consisting, with other supportin...
In this study, based on the major activities which might have affected the ecological system of the Geum River, a conceptual model was proposed to guide scenario development for the eco-hydrological river evaluation. Also, an analysis method employing a set of models consisting, with other supporting programs, of KModSim for watershed network analysis and RAP for ecosystem analysis was developed for eco-hydrological river assessment. Then, hydrological analyses with various scenarios were conducted to examine the flow regime changes expected from the construction and operation of the Youngdam Multipurpose Dam (YMD) and Daecheong Multipurpose Dam (DMD) in the Geum River basin. The results indicated that the "Percentile 10" values for 10% exceeding time were decreased by 20.5% and 8.0% at Sutong downstream of YMD and Gongju downstream of DMD, respectively, while "Percentile 90" values for 90% exceeding time were increased by 56.3% and 340.8% at Sutong and Gongju, respectively, resulting in the reduction of the high flow variability typical for unregulated rivers in Korea. The results of eco-hydrological analyses will be presented in the following papers.
In this study, based on the major activities which might have affected the ecological system of the Geum River, a conceptual model was proposed to guide scenario development for the eco-hydrological river evaluation. Also, an analysis method employing a set of models consisting, with other supporting programs, of KModSim for watershed network analysis and RAP for ecosystem analysis was developed for eco-hydrological river assessment. Then, hydrological analyses with various scenarios were conducted to examine the flow regime changes expected from the construction and operation of the Youngdam Multipurpose Dam (YMD) and Daecheong Multipurpose Dam (DMD) in the Geum River basin. The results indicated that the "Percentile 10" values for 10% exceeding time were decreased by 20.5% and 8.0% at Sutong downstream of YMD and Gongju downstream of DMD, respectively, while "Percentile 90" values for 90% exceeding time were increased by 56.3% and 340.8% at Sutong and Gongju, respectively, resulting in the reduction of the high flow variability typical for unregulated rivers in Korea. The results of eco-hydrological analyses will be presented in the following papers.
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문제 정의
본 연구에서는 하천에 가해진 다양한 인위적인 요소들이 하천생태계에 미치는 장단점을 분석하고, 어느 정도의 영향을 미치고 있는지를 정량적으로 파악함으로써 생태적으로 건강한 하천관리를 위한 방안을 마련하기 위하여 하천 시스템을 분석하고 각종 유역관리 모형들을 활용한 하천의 생태수문학적 평가기법을 제시하였다. 연구의 주요 결론을 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
따라서 본 연구에서는 생태수문학적 하천 건강성평가를 전체적인 관점에서 접근하였으며, 첫 번째 부분인 본 논문에서는 금강유역에 대한 개념모델을 설정하고 댐 건설 및 운영으로 인한 유황변화를 중심으로 분석하였다.
2는 대청댐(Daecheong Multipurpose Dam, DMD)과 용담댐(Youngdam Multipurpose Dam, YMD)의 건설을 중심으로 구축된 금강유역 개념모형을 보여주고 있다. 대청댐 건설 이전, 대청댐 건설이후부터 용담댐 건설 이전, 대청댐과 용담댐 건설 이후 등 3개의 시나리오를 기반으로 하도 및 수변공간과 유량변화에 따른 유황분석 등을 통해 변화된 생태시스템을 정량화하여 궁극적으로는 긍정적인 방향으로의 복원을 위한 대응방안을 도출할 수 있도록 구축하였다.
본 연구에서는 금강유역을 대상으로 구축하여 수년간 정밀한 검·보정을 마친 KModSim을 이용하여 댐건설에 따른 유황변화의 모의를 실시하였다(정태성 등, 2007).
댐에 의한 하천 유량변화 분석을 위해 용담댐 하류 15 km에 위치한 수통지점과 대청댐 하류 35 km에 위치한 공주지점에 대하여 댐 건설 시점을 기준으로 비조절 및 조절 유량 조건에 대한 시나리오를 구성하였다. 수통지점은 용담댐 유무에 따라 2개의 시나리오로, 공주지점은 두 댐 모두 없는 경우, 대청댐만 있는 경우와 두 댐 모두 있는 경우에 따라 3개의 시나리오를 구성하였다.
댐에 의한 하천 유량변화 분석을 위해 용담댐 하류 15 km에 위치한 수통지점과 대청댐 하류 35 km에 위치한 공주지점에 대하여 댐 건설 시점을 기준으로 비조절 및 조절 유량 조건에 대한 시나리오를 구성하였다. 수통지점은 용담댐 유무에 따라 2개의 시나리오로, 공주지점은 두 댐 모두 없는 경우, 대청댐만 있는 경우와 두 댐 모두 있는 경우에 따라 3개의 시나리오를 구성하였다.
하천의 생태건강성 평가 연구는 광범위하고 다양한 수리, 수문, 생태자료 및 분석 모델들을 필요로 한다. 본 연구에서는 물수지분석 모델인 KModSim을 이용하여 다양한 시나리오에 대한 하천유량을 산정하고, RAP(River Analysis Package)을 이용하여 하천의 유황변동 및 유량-생태 영향인자에 대한 분석을 실시하였다.
비조절유량 산정을 위한 댐 건설 전 시나리오는 금강수계에 위치한 대청댐과 용담댐이 없다는 가정조건하에서 KModSim을 이용하여 1984년부터 2006년까지 23년간의 유량자료를 수통지점과 공주지점에 대하여 생산하였다. 조절유량 산정을 위한 댐 건설 후 시나리오는 1984년부터 2006년까지 대청댐과 용담댐 운영조건을 가정하고 KModSim을 이용하여 유량자료를 생산하였다.
RAP모형은 하천의 환경유량관리를 목적으로 호주의 eWater CRC (Cooperative Research Centre)에 의해 개발되었으며 하천관리자 및 하천환경, 수리, 수문 관련 과학자와 엔지니어들에게 유용한 몇 개의 모듈로 구성되어 있다(Marsh, 2004). 본 연구에서는 KModSim에서 구한 시나리오별 유량자료를 RAP 모형의 시계열분석모듈을 이용하여 일단위로 분석한 후, 유량지속기간 및 사상분석 등 통계적인 결과를 도출하였다.
여기서 사상이라 함은 설정된 임계치 이상 또는 이하일 경우에 해당하는 기간을 말하며, 각각 고유량 사상(high spell), 저유량 사상(low spell)으로 정의된다. 수통지점과 공주지점에 대해 각각 댐 건설 전(unregulated flow)의 시나리오에서 산정된 10% 및 90% 값을 임계값으로 설정하고 생태계에 잠재적인 영향을 미치는 고유량 사상 및 저유량 사상을 분석하여 Tables 2 and 3에 각각 나타내었다.
1) 국내 최초로 하천의 생태적 건강성을 전체적인 관점(holistic approach)에서 평가하기 위하여 유역물수지분석모형(KModSim) 및 하천 생태환경분석모형(RAP)을 활용한 일련의 분석방법 및 모델링 toolkit을 구축하였다.
2) 금강유역의 하천건강성을 평가하기 위한 개념모델을 생태계에 영향을 미치는 주요 사건을 중심으로 제시하였으며, 이를 토대로 유황변화 시나리오를 개발하고 생태수문학적인 하천의 건강성 평가를 위하여 본 연구에서 개발한 방법을 활용하여 하천의 유황변화를 분석하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 금강유역을 대상으로 구축하여 수년간 정밀한 검·보정을 마친 KModSim을 이용하여 댐건설에 따른 유황변화의 모의를 실시하였다(정태성 등, 2007). 비조절유량 산정을 위한 댐 건설 전 시나리오는 금강수계에 위치한 대청댐과 용담댐이 없다는 가정조건하에서 KModSim을 이용하여 1984년부터 2006년까지 23년간의 유량자료를 수통지점과 공주지점에 대하여 생산하였다. 조절유량 산정을 위한 댐 건설 후 시나리오는 1984년부터 2006년까지 대청댐과 용담댐 운영조건을 가정하고 KModSim을 이용하여 유량자료를 생산하였다.
데이터처리
KModSim 모형을 이용하여 수통과 공주지점에 대해 각 시나리오별, 23년간의 일별유량을 생성한 후, RAP 모형을 이용하여 이 시계열 자료에 대한 통계분석을 실시하였다. 시계열자료의 범위(range)와 퍼진 정도를 분석하기 위하여 수통과 공주지점에 대한 유량지속시간곡선(Flow Duration Curve)을 각각 Figs.
성능/효과
외부의 인위적인 영향이 하천시스템에 가해지면 우선, 하천환경, 수질, 수문조건이 영향을 받게 된다. 두 번째로 첫 번째 영향의 결과로써 홍수터의 지형, 하상의 변동과 더불어 수리적 특성, 유사의 이동 특성 등이 영향을 받는다. 이러한 영향은 홍수터 및 수중에 서식하는 식물에 영향을 끼치고 나아가서는 저서생물, 어류, 조류, 및 포유류에게까지 영향을 미치게 된다.
또한 괄호안의 값들은 댐에 의해 조절된 유량의 비조절 유량과 비교해서 변동된 정도를 나타낸다. 수통지점에서 P90 값은 20.5% 감소하고 P10 값은 156.3% 증가하여 저유량의 증가율이 크게 나타났다. 공주지점에서 고유량의 감소는 10% 이하로 미미한 반면, 저유량의 증가폭은 340.
평균값의 변화는 크지 않지만 CV 값들은 20% 이상 감소하였다. 시계열 분석결과, 수통과 공주 두 지점 모두, 고유량 부분에서는 비조절 유량이 크고, 저유량 부분에서는 조절유량이 크며, 조절 유량이 비조절 유량을 초과하는 변곡점이 약 10〜15%로 나타났다. 공주에서는 대청댐만 있는 경우와 대청댐·용담댐 모두 있는 경우에 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
5와 같다. 홍수기에 해당하는 7월, 8월, 9월은 댐의 홍수조절효과로 인한 유량의 저감을 보이고 있으며, 봄, 가을, 및 겨울에 해당하는 월에는 평균적으로 유량이 증가된 것으로 분석되었다. 변동계수(CV)의 변화는 연중 일관성을 보이지는 않으며, 봄철의 유량변동성은 댐건설이후 상대적으로 줄어든 것으로 분석되었다.
홍수기에 해당하는 7월, 8월, 9월은 댐의 홍수조절효과로 인한 유량의 저감을 보이고 있으며, 봄, 가을, 및 겨울에 해당하는 월에는 평균적으로 유량이 증가된 것으로 분석되었다. 변동계수(CV)의 변화는 연중 일관성을 보이지는 않으며, 봄철의 유량변동성은 댐건설이후 상대적으로 줄어든 것으로 분석되었다.
수통지점의 경우 임계값을 44.16 m3/sec로 설정하고 전 기간에 대하여 고유량 사상을 분석한 결과 댐건설 전 300회에서 274회로 감소하였고, 총 고유량 사상 지속일(total duration of high spell)은 951일에서 804일로 감소된 것으로 분석되었다. 저유량 사상은 임계값으로 6.
16 m3/sec로 설정하고 전 기간에 대하여 고유량 사상을 분석한 결과 댐건설 전 300회에서 274회로 감소하였고, 총 고유량 사상 지속일(total duration of high spell)은 951일에서 804일로 감소된 것으로 분석되었다. 저유량 사상은 임계값으로 6.11 m3/sec을 설정하고 분석한 결과, 저유량 사상에 해당하는 사상은 294회에서 140회로 크게 감소한 것으로 분석되었다(Table 3). 이와 같은 결과는 갈수기에 지속적으로 하천유지유량을 방류하는 댐 운영에 따른 저유량의 증가로 인한 것으로 판단된다.
3) 용담댐과 대청댐의 건설 및 운영에 따라 예측되는 유황변화를 분석하기 위하여 다양한 시나리오에 따른 수문분석을 실시한 결과, 수통 및 공주지점에서 고유량 부분인 "Percentile 10" 값은 각각 20.5%, 8.0% 감소한 반면, 저유량 부분인 "Percentile 90" 값은 각각 156.3%, 340.8%나 증가하여 저유량의 변화가 크게 나타났으며, 이는 한국의 비조절하천의 특징인 큰 유황변동율을 감소시킨 것으로 나타났다.
4) 댐건설 전·후 계절적 유량변동을 분석한 결과, 수통지점의 홍수기에 해당하는 7월, 8월, 9월은 댐의 홍수조절효과로 인한 유량의 저감을 보이고 있으며, 봄과 가을에는 평균적으로 유량이 증가된 것으로 분석되었다.
5) 고유량에 대한 사상분석 결과, 고유량 사상의 변화는 미미한 것으로 나타났다. 저유량에 대한 사상분석 결과, 수통지점에서는 294회에서 140회로 감소하였고, 공주지점에서는 비조절 조건의 170회에서 댐 운영에 따라 4회 이하로 크게 감소한 것으로 나타났다.
5) 고유량에 대한 사상분석 결과, 고유량 사상의 변화는 미미한 것으로 나타났다. 저유량에 대한 사상분석 결과, 수통지점에서는 294회에서 140회로 감소하였고, 공주지점에서는 비조절 조건의 170회에서 댐 운영에 따라 4회 이하로 크게 감소한 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 갈수기에 지속적으로 하천유지유량을 방류하는 댐 운영에 따른 저유량의 증가로 인한 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유황은 하천에서 생물집단을 구성하는데 있어 무엇으로 작용하는가?
유황(flow regime)은 하천에서 생물집단을 구성하는데 있어 물리적 서식조건의 주요한 결정인자로 작용한다(Bunn and Arthington, 2002; Arthington et al., 2006).
생태수문학적 하천평가을 위하여 무엇을 개발하였는가?
본 연구에서는 금강의 생태계에 영향을 끼쳤을 가능성이 있는 주요 개발 및 관리 활동들을 기초로 하여 생태수 문학적인 하천평가 시나리오 구성을 위한 개념모델을 제시하였다. 또한 생태수문학적 하천평가를 위하여 여러 지원 프로그램과 함께 유역물수지 모델인 KModSim과 하천생태분석 모델인 RAP을 이용한 분석방법을 개발하였다. 용담댐과 대청댐의 건설 및 운영에 따라 예측되는 유황변화를 분석하기 위하여 다양한 시나리오에 따른 수문분석을 실시한 결과에 의하면, 수통 및 공주지점에서 초과시간 10%에 해당하는 "Percentile 10" 값은 각각 20.
참고문헌 (11)
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Arthington, A.H., Bunn, S.E., Poff, N.L., and Naiman, R.J. (2006). “The challenges of providing environmental flow rules to sustain river ecosystem.” Ecological Applications, Vol. 16, pp. 1311-1318
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