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문제 정의
- 댐 환경영향평가에서 호소 수질을 모의하는 것은 장래의 수질예측을 통해 댐의 건설목적에 부합되도록 수질관리 방안을 모색하는데 그 목적이 있다. 사업자는 예측 수질을 기초로 유역의 오염부하량 삭감 방안을 강구·제시하거나 호소 내 수질개선을 위한 사업의 종류와 규모를 결정하게 된다.
- 본 연구는 건설 예정인 댐 저수지의 수질변화를 예측함에 있어 HSPF로 유역 유출량을 모의하고 EFDC로 호소 내의 유동을 해석한 후 WASP 모델로 수질예측을 수행하는 과정과 수질모의의 사전작업인 수리모형 최적화를 위해 구분하는 격자(cell)수가 수질모의 결과에 미치는 영향을 검토하여 향후의 환경영향평가에 활용하는 방안을 제안하고자 한다.
- 3의 EUTRO 모듈에서는 모의항목이 추가되어 CBOD의 경우 분해속도에 따라 3가지 종류로 구분하여 모의가 가능하다 (그림 4). 본 연구에서는 댐 저수지 수질관리에 직접 활용되고 있는 CBOD, T-N, T-P, Chl-a 등 4개 항목에 대한 모의결과를 제시하였다.
제안 방법
- Active cell은 영주댐(그림 2a)을 수평방향으로 141개의 격자로 분할한 시나리오 1(그림 2b), 568개 격자인 시나리오 2(그림 2c)로 각각 구성하고 각 cell은 상·하층으로 분리하여 유동해석을 하였다.
- 본 연구는 기상요소, 지형특성정보, 유역의 물리·화학적 특성, 수문특성을 고려할 수 있는 HSPF 모델을 이용하여 유역으로부터 유출되는 비점오염원을 정량적으로 해석하였으며, 저수지 유동 해석에는 EFDC 모델을 이용하였고 수질예측을 위하여 WASP 모델을 연동하여 사용하였다. HSPF 모델을 이용하여 영주댐 유역에서 유출되는 유량, BOD, T-N, T-P를 모의하였고, 이 결과를 이용하여 유달부하량을 산정한 후 저수지 수질모의를 위한 경계조건으로 입력하였다. 호소의 유동은 EFDC 모델로 해석한 후 WASP 모델과 연동하여 수질을 예측하였다.
- 건설 예정인 영주댐을 대상으로 HSPF 모형을 이용하여 유역유출을 모의하고 EFDC로 저수지 유동을 모의한 결과를 WASP에 연동시켜 건설 후의 저수지 수질을 예측하였다. 유동모의를 위한 EFDC의 격자수 변화가 WASP에 의한 수질모의 결과에 반영되는 정도를 검토하고자 다른 조건들은 동일하게 적용하면서 EFDC의 active cell 개수가 141개와 568개인 시나리오 1, 시나리오 2로 각각 수행하였다.
- 따라서, 유역의 상황이 유사한 운영 중에 있는 댐의 매개변수를 고려하여 영주댐 건설 후의 수질변화를 예측하고자 하였으나, 이 매개변수도 정확히 영주댐의 유역 상황, 호소의 형상 및 자정 능력 등을 반영하지는 못하며, 일부 그 댐만이 가지고 있는 특성을 반영한 것이기 때문에 영주댐 수질예측에 적용하기에는 무리가 있을 것으로 판단된다. 그러나 우리나라 호소에서 일반적으로 사용되는 매개변수를 비교한 결과 조류사멸율과 같이 각 댐에 따라 상이한 값도 있지만 대부분의 매개변수들은 유사한 것으로 조사되어, 국내에 기 적용한 각 매개변수의 평균값을 사용하여 영주댐 건설 후의 수질변화를 예측하였다(표 2). 또한, 유역의 비점오염원 유출특성을 반영하기 위하여 영주댐 유역에서 강우에 의해 유출되는 비점오염원에 대해서는 유역모델(HSPF)을 이용하여 해석하고, 그 결과를 WASP7.
- 따라서, 본 연구에서는 동일한 모의구간을 대상으로 모의 격자수를 다르게 구성하여 수질을 예측하였으며, 그 결과를 비교·고찰하였다.
- 그러나 우리나라 호소에서 일반적으로 사용되는 매개변수를 비교한 결과 조류사멸율과 같이 각 댐에 따라 상이한 값도 있지만 대부분의 매개변수들은 유사한 것으로 조사되어, 국내에 기 적용한 각 매개변수의 평균값을 사용하여 영주댐 건설 후의 수질변화를 예측하였다(표 2). 또한, 유역의 비점오염원 유출특성을 반영하기 위하여 영주댐 유역에서 강우에 의해 유출되는 비점오염원에 대해서는 유역모델(HSPF)을 이용하여 해석하고, 그 결과를 WASP7.3과 연계 하여 예측하였다.
- 본 연구는 기상요소, 지형특성정보, 유역의 물리·화학적 특성, 수문특성을 고려할 수 있는 HSPF 모델을 이용하여 유역으로부터 유출되는 비점오염원을 정량적으로 해석하였으며, 저수지 유동 해석에는 EFDC 모델을 이용하였고 수질예측을 위하여 WASP 모델을 연동하여 사용하였다.
- 수질모의를 위한 경계농도는 강우에 의한 비점오염원 유입특성이 고려된 연중 수질변화를 모의하기 위하여 강우의 영향이 고려되어 출력된 HSPF 결과를 이용하였다. 유역모델(HSPF)의 모의결과는 일별 수질농도로 출력되어 영주댐의 수질모의시 강우에 의한 오염부하량 증가를 고려하였다.
- 3으로 발전시켜 사용하고 있다. 수질모의를 위한 영향예측시 3차원 수리 해석이 가능한 유동 모델인 EFDC 모델을 이용하여 유동 해석을 실시하였으며, 유동 해석 결과는 부영양화 모의가 가능한 WASP7.3과 연계하여댐 건설 후 저수지 내의 수질변화를 모의하였다.
- 영주댐이 완공된 후 유역의 부하량 증감에 따른 저수지의 수질예측을 위하여 1:5,000 수치지도를 이용하여 담수부의 유입지점부터 방류지점까지 모의구간을 설정하였다. 본류인 내성천과 지류인 토일천이 영주댐으로 유입되는 것으로 구성하였으며, 하천 유지용수 등의 유출은 댐축지점에서 일어나는 것으로 구성하였다.
- 건설 예정인 영주댐을 대상으로 HSPF 모형을 이용하여 유역유출을 모의하고 EFDC로 저수지 유동을 모의한 결과를 WASP에 연동시켜 건설 후의 저수지 수질을 예측하였다. 유동모의를 위한 EFDC의 격자수 변화가 WASP에 의한 수질모의 결과에 반영되는 정도를 검토하고자 다른 조건들은 동일하게 적용하면서 EFDC의 active cell 개수가 141개와 568개인 시나리오 1, 시나리오 2로 각각 수행하였다. 시나리오 1에서 BOD, T-N, T-P 및 Chl-a의연 평균 농도는 각각 0.
- 수질모의를 위한 경계농도는 강우에 의한 비점오염원 유입특성이 고려된 연중 수질변화를 모의하기 위하여 강우의 영향이 고려되어 출력된 HSPF 결과를 이용하였다. 유역모델(HSPF)의 모의결과는 일별 수질농도로 출력되어 영주댐의 수질모의시 강우에 의한 오염부하량 증가를 고려하였다. 입력된 월 평균 농도는 내성천의 경우 BOD 0.
- 유출량은 표 1과 같이 ‘영주댐 건설사업 환경영향평가서’에서 제시한 생활·공업용수, 농업용수 및 하천유지용수를 위한 방류량을 이용하였으며, 유입량은 HSPF의 유역유출 모의결과를 이용하였다(그림 3a).
- HSPF 모델을 이용하여 영주댐 유역에서 유출되는 유량, BOD, T-N, T-P를 모의하였고, 이 결과를 이용하여 유달부하량을 산정한 후 저수지 수질모의를 위한 경계조건으로 입력하였다. 호소의 유동은 EFDC 모델로 해석한 후 WASP 모델과 연동하여 수질을 예측하였다. WASP 모델의 경우 DYNHYD를 이용하여 유동을 해석할 수 있으나, DYNHYD은 1차원 모델로서 수심방향으로 상이한 수질특성을 나타내는 저수지의 물리·화학적 특성을 모의할 수 없는 한계가 있어 3차원 유동해석이 가능하고 WASP 모델과 연동하여 수질을 해석할 수 있는 EFDC 모델을 이용하였다.
대상 데이터
- 영주댐의 총 저수용량은 181백만m3로서 최근에 개발되는 댐으로는 큰 규모에 해당되며, 댐 건설을 위한 환경영향평가는 2009년 12월에 완료되었다. 낙동강 제1지류인 내성천 중류에 위치하고 유역면적 500km2, 저수면적은 10.46km2이다. 영주댐은 낙동강 중·하류 하천의 수질개선 용수를 포함한 각종 용수공급, 홍수조절을 목적으로 하며, 선택취수탑과 연결된 소수력발전기를 통해 상시 방류가 이루어지므로 하류로 공급되는 수량 조절과 수온 상승을 위한 별도의 조절지댐은 계획되어 있지 않다.
- 에 의해 개발·관리되고 있는 3차원 유동모델이며, 수질 모델, 부유사 이동 및 독성물질 모델과 연결된 통합 버전의 모델로도 사용되고 있다. 본 모의에서는 Hydrodynamic 모듈에 대한 유동 모의 결과를 수질모델인 WASP7의 수리 입력 자료로 연계하여 사용하였다.
- 영주댐이 완공된 후 유역의 부하량 증감에 따른 저수지의 수질예측을 위하여 1:5,000 수치지도를 이용하여 담수부의 유입지점부터 방류지점까지 모의구간을 설정하였다. 본류인 내성천과 지류인 토일천이 영주댐으로 유입되는 것으로 구성하였으며, 하천 유지용수 등의 유출은 댐축지점에서 일어나는 것으로 구성하였다. Active cell은 영주댐(그림 2a)을 수평방향으로 141개의 격자로 분할한 시나리오 1(그림 2b), 568개 격자인 시나리오 2(그림 2c)로 각각 구성하고 각 cell은 상·하층으로 분리하여 유동해석을 하였다.
- 유역유출 모의 대상인 BOD, T-N, T-P는 영주댐의 유입 하천인 내성천과 토일천(그림 2a)에서 강우시와 비강우시에 2시간 간격으로 각각 10회씩 실측한 자료로 보정하였다. 보정에 사용한 매개변수는 HSPF에서 제시한 범위에서 시행착오법으로 결정하였다.
- 현재 건설 중인 영주다목적댐 저수지를 대상으로 하였다. 영주댐의 총 저수용량은 181백만m3로서 최근에 개발되는 댐으로는 큰 규모에 해당되며, 댐 건설을 위한 환경영향평가는 2009년 12월에 완료되었다.
이론/모형
- WASP 모델의 경우 DYNHYD를 이용하여 유동을 해석할 수 있으나, DYNHYD은 1차원 모델로서 수심방향으로 상이한 수질특성을 나타내는 저수지의 물리·화학적 특성을 모의할 수 없는 한계가 있어 3차원 유동해석이 가능하고 WASP 모델과 연동하여 수질을 해석할 수 있는 EFDC 모델을 이용하였다.
- 현재 건설 중에 있는 댐의 환경영향평가에서도 다양한 모델기법을 사용하여 건설 후의 수질상태와 보전 방안을 제시하고 있다. 군위댐, 성덕댐과 영주댐에 서는 WASP 모델을, 한탄강 댐은 CE-QUAL-W2 모델을 사용하여 장래 수질을 예측하였다. 호소 수질모의를 위한 모델은 WASP, CE-QUAL-W2, WQRRS, EFDC 등이 있으나, 기존 국내 호소에 대한 적용 사례에서 호소의 수온분포, 탁수 영향예측에는 CE-QUAL-W2를(김윤희 등, 2001; 정선아, 2003), 수질변화나 오염부하량 변화와 같은 부영양화 모의에는 WASP 모델이 주로 사용되고 있다(정팔진 등, 2004; 한건연과 백창현, 2004).
- 유역유출 모의 대상인 BOD, T-N, T-P는 영주댐의 유입 하천인 내성천과 토일천(그림 2a)에서 강우시와 비강우시에 2시간 간격으로 각각 10회씩 실측한 자료로 보정하였다. 보정에 사용한 매개변수는 HSPF에서 제시한 범위에서 시행착오법으로 결정하였다. 수질항목별 모의결과에서, BOD의 경우 내성천과 토일천의 유입 농도 변화경향은 유사하였으며 강우시에 최대 5mg/L가 유입되었다.
- 유역에서 유출되는 오염물질의 부하량을 산정하기 위하여 유역모델인 HSPF(Hydrological Simulation Program-Fortran, Bicknell et al., 2001)를 이용하였다. 1980년에 개발된 HSPF 모형은 서로 다른 기능을 가진 수문순환의 개별 모델들을 결합시킨 수량-수질 복합 유출모델로, 유역분할, 수치고도지도 및 토지이용지도를 생성하고 기상자료를 바탕으로 유역에서의 유량, 부유사, BOD, T-N, T-P 유출량 등을 모의할 수 있다.
성능/효과
- 두 시나리오에 대한 선형회귀분석의 기울기는 모든 항목에서 1 미만으로 나타나 표 3과 같이 시나리오 2의 낮은 예측결과를 반영하였다. BOD, T-N, T-P 및 Chl-a의 기울기는 각각 0.62, 0.98, 0.93 및 0.96 으로서 BOD가 상대적으로 낮았으나 다른 항목은 1 에 근접하는 결과를 보였다. 호소 수질모의를 위한 수리모형의 격자수 증감에 따른 모의 결과는 평균 95%의 유사도를 보이고, 격자수를 증가시키면 다른 항목에 비해 BOD는 상대적으로 낮게 모의되지만 T-N, T-P 및 Chl-a는 유의한 차이가 없었다.
- 703mg/L로 모의되었다. 두 시나리오의 연 평균 농도 차이는 각각 0.073mg/ L(8.5%), 0.032mg/L(2.6%), 0.003mg/L(6.8%) 및 0.644mg/L(4.2%)로 BOD와 T-P가 상대적으로 컸으며, 모든 항목이 4배로 격자수를 증가시킨 시나리오 2에서 감소하는 것으로 나타났다(표 3, 그림 6). 시나리오 2는 모든 항목이 5~6월에 최대로 감소하였으며, T-N과 Chl-a는 8월부터 시나리오 2에서 증가하는 유사한 경향을 보였다(표 3, 그림 7).
- 환경영향평가 단계에서 WASP을 이용한 수질모의는 반응계수에 대한 보정과정 없이 타 적용사례를 이용하여 예측한 후 유출·입량, 유역의 오염원 변화 등의 조건을 적용하여 저수지의 수질변화를 예측하는 과정이며, 수질모의시 입력된 반응계수의 적정성은 댐 건설이 완료된 운영단계에서 검증이 가능하다. 따라서, 건설 예정인 댐의 환경영향평가에서 수행되는 수질모의 과정에서는 단순한 수평 격자수의 증감보다는 수체의 기하학적 구조와 오염부하량, 유출 위치, 유량 증감, 저감 방안 등 다양한 시나리오 하에서 수질변화를 예측하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
- 보정에 사용한 매개변수는 HSPF에서 제시한 범위에서 시행착오법으로 결정하였다. 수질항목별 모의결과에서, BOD의 경우 내성천과 토일천의 유입 농도 변화경향은 유사하였으며 강우시에 최대 5mg/L가 유입되었다. T-N은 초기 강우시에 최대 7mg/L까지 급격히 높아지는 경향을 보이다가 강우가 지속됨에 따라 점차 감소하는 경향을 보였다.
- 96 으로서 BOD가 상대적으로 낮았으나 다른 항목은 1 에 근접하는 결과를 보였다. 호소 수질모의를 위한 수리모형의 격자수 증감에 따른 모의 결과는 평균 95%의 유사도를 보이고, 격자수를 증가시키면 다른 항목에 비해 BOD는 상대적으로 낮게 모의되지만 T-N, T-P 및 Chl-a는 유의한 차이가 없었다.
후속연구
- 따라서, 유역의 상황이 유사한 운영 중에 있는 댐의 매개변수를 고려하여 영주댐 건설 후의 수질변화를 예측하고자 하였으나, 이 매개변수도 정확히 영주댐의 유역 상황, 호소의 형상 및 자정 능력 등을 반영하지는 못하며, 일부 그 댐만이 가지고 있는 특성을 반영한 것이기 때문에 영주댐 수질예측에 적용하기에는 무리가 있을 것으로 판단된다. 그러나 우리나라 호소에서 일반적으로 사용되는 매개변수를 비교한 결과 조류사멸율과 같이 각 댐에 따라 상이한 값도 있지만 대부분의 매개변수들은 유사한 것으로 조사되어, 국내에 기 적용한 각 매개변수의 평균값을 사용하여 영주댐 건설 후의 수질변화를 예측하였다(표 2).
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