저수지 탁수모델링에서 실측자료가 없는 경우 유입하천 부유사 농도(SS) 산정을 위해 유량(Q)과 SS 관계식이 자주 사용된다. 일반적으로 하천을 통과하는 SS 부하율은 유량에 의해 변동된다는 가정 하에 유량과 SS의 멱함수(SS=aQb) 관계가 가장 빈번히 적용되고 있다. 그러나 Q-SS 관계는 측정 지점에 따라 배타적 특성을 가지며, 동일 지점에 대해서도 연중 계절적 변동성이 있다. 더욱이, Q-SS 관계는 동일한 수문곡선에서도 유량 상승기와 하강기에 이격현상을 보이기도 한다. 본 연구의 목적은 용담댐 저수지와 소양강댐 저수지 유입 하천에서 강우시 연속 실측한 자료를 바탕으로 Q-SS 관계의 이격현상을 고찰하고, SS 부하율 산정 오차에 미치는 영향을 분석하는데 있다. 연구결과, Q-SS 관계는 홍수사상 동안 높은 분산도와 시계방향의 이격현상을 보였으며, 동일한 유량에 대해 유량 상승기가 하강기보다 SS 농도가 높게 나타났다. 이러한 이격현상은 저수지로 유입하는 SS 부하량 산정에 있어 유의할 만한 오차로 작용하였으며 Q-SS 멱함수는 실측 부하량을 과소평가하는 결과를 가져왔다. 이것은 저수지 탁수모델링에서 중요하게 고려해야 할 사항이다. 본 연구에서는 Q-SS 관계식의 대안으로 탁도-SS관계가 제시되었다. 탁도-SS 관계는Q-SS 관계보다 분산도가 작았으며 실측 부하량과의 오차를 획기적으로 줄였다. 따라서 저수지로 유입하는 SS 부하율의 보다 정확한 산정과 탁수모델링의 신뢰도를 높이기 위해서는 유입 탁도에 대한 실시간모니터링이 필요하다.
저수지 탁수 모델링에서 실측자료가 없는 경우 유입하천 부유사 농도(SS) 산정을 위해 유량(Q)과 SS 관계식이 자주 사용된다. 일반적으로 하천을 통과하는 SS 부하율은 유량에 의해 변동된다는 가정 하에 유량과 SS의 멱함수(SS=aQb) 관계가 가장 빈번히 적용되고 있다. 그러나 Q-SS 관계는 측정 지점에 따라 배타적 특성을 가지며, 동일 지점에 대해서도 연중 계절적 변동성이 있다. 더욱이, Q-SS 관계는 동일한 수문곡선에서도 유량 상승기와 하강기에 이격현상을 보이기도 한다. 본 연구의 목적은 용담댐 저수지와 소양강댐 저수지 유입 하천에서 강우시 연속 실측한 자료를 바탕으로 Q-SS 관계의 이격현상을 고찰하고, SS 부하율 산정 오차에 미치는 영향을 분석하는데 있다. 연구결과, Q-SS 관계는 홍수사상 동안 높은 분산도와 시계방향의 이격현상을 보였으며, 동일한 유량에 대해 유량 상승기가 하강기보다 SS 농도가 높게 나타났다. 이러한 이격현상은 저수지로 유입하는 SS 부하량 산정에 있어 유의할 만한 오차로 작용하였으며 Q-SS 멱함수는 실측 부하량을 과소평가하는 결과를 가져왔다. 이것은 저수지 탁수모델링에서 중요하게 고려해야 할 사항이다. 본 연구에서는 Q-SS 관계식의 대안으로 탁도-SS관계가 제시되었다. 탁도-SS 관계는Q-SS 관계보다 분산도가 작았으며 실측 부하량과의 오차를 획기적으로 줄였다. 따라서 저수지로 유입하는 SS 부하율의 보다 정확한 산정과 탁수모델링의 신뢰도를 높이기 위해서는 유입 탁도에 대한 실시간모니터링이 필요하다.
The relationship between discharge (Q) and suspended sediment (SS) concentration often is used for the estimation of inflow SS concentration in reservoir turbidity modeling in the absence of actual measurements. The power function, SS=aQb, is the most commonly used empirical relation to determine th...
The relationship between discharge (Q) and suspended sediment (SS) concentration often is used for the estimation of inflow SS concentration in reservoir turbidity modeling in the absence of actual measurements. The power function, SS=aQb, is the most commonly used empirical relation to determine the SS load assuming the SS flux is controlled by variations of discharge. However, Q-SS relation typically is site specific and can vary depending on the season of the year. In addition, the relation sometimes shows hysteresis during rising limb and falling limb for an event hydrograph. The objective of this study was to examine the hysteresis of Q-SS relationships through continuous field measurements during flood events at inflow rivers of Yongdam Reservoir and Soyang Reservoir, and to analyze its effect on the bias of SS load estimation. The results confirmed that Q-SS relations display a high degree of scatter and clock-wise hysteresis during flood events, and higher SS concentrations were observed during rising limb than falling limb at the same discharge. The hysteresis caused significant bias and underestimation of SS loading to the reservoirs when the power function is used, which is important consideration in turbidity modeling for the reservoirs. As an alternative of Q-SS relation, turbidity-SS relation is suggested. The turbidity-SS relations showed less variations and dramatically reduced the bias with observed SS loading. Therefore, a real-time monitoring of inflow turbidity is necessary to better estimate of SS influx to the reservoirs and enhance the reliability of reservoir turbidity modeling.
The relationship between discharge (Q) and suspended sediment (SS) concentration often is used for the estimation of inflow SS concentration in reservoir turbidity modeling in the absence of actual measurements. The power function, SS=aQb, is the most commonly used empirical relation to determine the SS load assuming the SS flux is controlled by variations of discharge. However, Q-SS relation typically is site specific and can vary depending on the season of the year. In addition, the relation sometimes shows hysteresis during rising limb and falling limb for an event hydrograph. The objective of this study was to examine the hysteresis of Q-SS relationships through continuous field measurements during flood events at inflow rivers of Yongdam Reservoir and Soyang Reservoir, and to analyze its effect on the bias of SS load estimation. The results confirmed that Q-SS relations display a high degree of scatter and clock-wise hysteresis during flood events, and higher SS concentrations were observed during rising limb than falling limb at the same discharge. The hysteresis caused significant bias and underestimation of SS loading to the reservoirs when the power function is used, which is important consideration in turbidity modeling for the reservoirs. As an alternative of Q-SS relation, turbidity-SS relation is suggested. The turbidity-SS relations showed less variations and dramatically reduced the bias with observed SS loading. Therefore, a real-time monitoring of inflow turbidity is necessary to better estimate of SS influx to the reservoirs and enhance the reliability of reservoir turbidity modeling.
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문제 정의
본 연구의 목적은 용담댐 저수지와 소양강댐 저수지로 유입하는 하천에서 강우시 연속 실측한 자료를 바탕으로 Q-SS 관계의 이격현상을 고찰하고, SS 부하율과 부하량 산정 오차에 미치는 영향을 분석하는데 있다. 또한 Q-SS 관계식의 대안으로써 탁도-SS 관계식을 제시하고, 통계적인 분산정도와 SS 부하율 산정 오차를 비교 평가하였다.
본 연구에서는 용담댐 저수지와 소양강댐 저수지 유입 하천 6개 지점에서 2010년 강우시 각각 2회와 3회 연속 측정한 유량, SS 농도, 탁도 자료를 바탕으로 Q-SS 관계식의 이격현상과 이로 인한 유입 SS 부하율 산정의 불확실성을 고찰하고, SS 부하율 산정의 신뢰도 제고를 위한 탁도-SS 관계식 활용방안을 제시하였다. 본 연구에서 도출된 주요결론을 요약하면 아래와 같다.
제안 방법
본 연구의 목적은 용담댐 저수지와 소양강댐 저수지로 유입하는 하천에서 강우시 연속 실측한 자료를 바탕으로 Q-SS 관계의 이격현상을 고찰하고, SS 부하율과 부하량 산정 오차에 미치는 영향을 분석하는데 있다. 또한 Q-SS 관계식의 대안으로써 탁도-SS 관계식을 제시하고, 통계적인 분산정도와 SS 부하율 산정 오차를 비교 평가하였다. 연구결과는 저수지 유입 유사량 산정의 정확도 제고와 저수지 탁수 모델링의 신뢰도 향상에 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
2010년 용담호 현장조사는 강우시 2회(1회차; 7/11～7/12, 2회차; 8/10～8/12)를 실시하였으며, 소양호 현장 조사는 강우시 3회(1회차; 7/16～7/20, 2회차; 8/15～8/17, 3회차; 8/25～8/27)를 실시하였다. 하천에서의 강우시 조사는 일 강우량이 60mm 이상일 때 강우 사상 당 15회 이상 연속측정 하였으며, 시료는 대표성 있게 채수하기 위하여 각 하천의 좌안, 중앙, 우안의 시료를 고르게 섞어 하나의 시료로 분석하였다. SS 부하가 증가할 시점부터 유량 및 SS 첨두 농도를 확보하도록 1～2시간 간격으로 연속조사를 시행하였고, 첨두 농도를 포함한 부하변동 기간 이외에는 3～6시간 간격으로 조절하여 시행하였다.
하천에서의 강우시 조사는 일 강우량이 60mm 이상일 때 강우 사상 당 15회 이상 연속측정 하였으며, 시료는 대표성 있게 채수하기 위하여 각 하천의 좌안, 중앙, 우안의 시료를 고르게 섞어 하나의 시료로 분석하였다. SS 부하가 증가할 시점부터 유량 및 SS 첨두 농도를 확보하도록 1～2시간 간격으로 연속조사를 시행하였고, 첨두 농도를 포함한 부하변동 기간 이외에는 3～6시간 간격으로 조절하여 시행하였다. 현장측정 항목인 수온, DO, pH, 전기전도도 및 탁도는 YSI6600 meter를 이용하여 측정하였고, 유입하천 유량은 전자파 유속계를 이용한 표면 유속과 회전식 유속계를 이용한 교량법으로 유량을 측정하였다.
SS 부하가 증가할 시점부터 유량 및 SS 첨두 농도를 확보하도록 1～2시간 간격으로 연속조사를 시행하였고, 첨두 농도를 포함한 부하변동 기간 이외에는 3～6시간 간격으로 조절하여 시행하였다. 현장측정 항목인 수온, DO, pH, 전기전도도 및 탁도는 YSI6600 meter를 이용하여 측정하였고, 유입하천 유량은 전자파 유속계를 이용한 표면 유속과 회전식 유속계를 이용한 교량법으로 유량을 측정하였다. 채수한 시료의 탁도는 HACH 2001P meter를 사용하여 실험실에서 재측정하였고, 현장에서 YSI6600 meter로 직접 측정한 것과 비교 자료로 활용하였다.
용담호와 소양호 유입 하천에서 연속 실측한 유량, SS, 탁도 자료를 이용하여 유도한 전체 Q-SS 멱함수 관계식(One type of Q-SS), 유량 증가시기와 감소시기를 구분한 Q-SS 식(Two types of Q-SS), 그리고 탁도-SS 관계식(Turb-SS)을 적용하여 산정한 SS 부하율의 시계열 변화를 실측값과 비교하여 Fig. 7과 Fig. 8에 제시하였다. 탁도-SS 관계식으로 산정한 SS 부하율은 모든 지점에서 실측값과 가장 유사한 형태로 나타났으며, SS의 첨두농도의 발생 시기와 크기를 비교적 정확히 재현하는 것으로 나타났다.
용담호 2차례 강우시 조사 및 소양호 3차례 강우시 조사 기간 동안 저수지로 유입한 총 실측 SS 부하량은 각각 4,947.1 tons와 20,125.5 tons인 반면, 수문곡선 전체자료를 이용한 Q-SS 관계식으로 산정한 SS의 부하량은 3,294.3 tons과 12,025.5 tons으로써 실측값 대비 절대상대오차가 각각 33.4%와 40.2%로 과소평가하였다. 유량 증가시기와 감소시기를 구분하여 2개의 Q-SS 관계식으로 산정한 SS의 부하량은 각각 4,098.
대상 데이터
본 연구 대상지역인 용담호 및 소양호는 각각 금강 상류와 북한강 상류에 위치하고 있으며, 용담호의 주요 유입하천은 금강본류(연화교), 진안천(상도치교), 정자천(석정교), 주자천(주천교) 및 구량천(용암교)의 다섯 개 하천으로 이루어져 있다. 또한 소양호는 인북천과 내린천이 합류되는 인제읍 하류지점의 사구미교 지점에서 소양호 유입유량의 90% 이상이 유입된다.
본 연구에서 용담호와 소양호 유입부에 대한 현장조사 지점은 Fig. 1과 같이 용담호 5지점과 소양호 1지점이다. 실험기간 동안 용담호와 소양호 유역의 강우량과 유입유량은 각각 253.
현장측정 항목인 수온, DO, pH, 전기전도도 및 탁도는 YSI6600 meter를 이용하여 측정하였고, 유입하천 유량은 전자파 유속계를 이용한 표면 유속과 회전식 유속계를 이용한 교량법으로 유량을 측정하였다. 채수한 시료의 탁도는 HACH 2001P meter를 사용하여 실험실에서 재측정하였고, 현장에서 YSI6600 meter로 직접 측정한 것과 비교 자료로 활용하였다. SS의 분석은 수질오염공정시험법(환경부, 2007)에 준하여 분석하였다.
이론/모형
채수한 시료의 탁도는 HACH 2001P meter를 사용하여 실험실에서 재측정하였고, 현장에서 YSI6600 meter로 직접 측정한 것과 비교 자료로 활용하였다. SS의 분석은 수질오염공정시험법(환경부, 2007)에 준하여 분석하였다.
성능/효과
5에 나타내었다. 모든 지점에서 같은 유량에 대한 SS 농도가 유량 증가시기와 유량 하강시기에 다르게 나타나는 현상이 관찰되었다. Q-SS 관계는 홍수사상 동안 높은 분산도를 보였으며 시계방향의 이격현상을 보인다.
Q-SS 관계는 홍수사상 동안 높은 분산도를 보였으며 시계방향의 이격현상을 보인다. 동일한 유량에 대해 유량 상승기가 하강기보다 SS 농도가 높게 나타났으며, 유량 증가시기에 실측한 Q-SS 자료의 회귀식 기울기는 완만한 반면, 유량 감소시기에는 유량감소에 따라 SS 농도가 급격히 떨어지는 경향이 나타났다. 이러한 Q-SS의 이격현상은 저수지로 유입하는 SS 부하량 산정에 있어 유의할 만한 오차로 작용할 수 있다.
6에 나타내었다. 모든 지점에서의 탁도-SS 멱함수 식은 Q-SS 식 보다 좋은 상관관계를 보였으며, 분산도도 훨씬 줄어든 것을 볼 수 있다. 6개의 관측지점에서 Q-SS 식의 결정계수(R2)는 0.
8에 제시하였다. 탁도-SS 관계식으로 산정한 SS 부하율은 모든 지점에서 실측값과 가장 유사한 형태로 나타났으며, SS의 첨두농도의 발생 시기와 크기를 비교적 정확히 재현하는 것으로 나타났다. 반면 Q-SS 관계식을 이용하여 산정한 SS 부하율은 용담호 유입부인 금강본류, 주자천 및 구량천에서는 실측값의 추세를 어느정도 재현하였지만, SS의 첨두 농도를 정확히 산정하지 못하였다.
진안천과 정자천의 경우 유량이 감소하였다가 증가하는 경우가 있어 SS의 부하율이 급하게 변하는 것으로 나타났다. 소양호 유입부인 사구미교에서는 Q-SS 관계식을 이용하여 산정한 SS 부하율이 실측값을 과소평가하는 경향을 보였으며, 유량 상승기와 하강기를 구분하여 회귀식을 적용한 경우 첨두유량 직후 SS 농도가 급격히 감소하는 경향을 보였다.
2%로 다소 줄었으나 여전히 SS 부하량을 과소평가하였다. 한편 탁도-SS 관계식으로 산정한 SS 부하량은 각각 4,926.9 tons와 21,967.2 tons으로써 절대상대오차가 0.4%와 9.2%로 줄어들어 Q-SS 식을 사용하는 것 보다 SS 부하량 산정의 신뢰도가 획기적으로 개선되었다.
1) 용담호의 경우 유역면적비로 각 유입 하천의 유입유량을 산정할 경우, 강우의 공간적 불균일성 때문에 실측 유량과 편차가 발생하였으며, 이는 Q-SS 관계식을 이용하여 SS 농도를 산정할 경우 유량의 오차로 인해 각 하천으로 유입하는SS 부하량 산정의 오차로 작용할 수 있으므로 소유역별 강우량의 공간적 편차를 고려한 유역면적비를 적용하는 것이 바람직하다.
2) 선행연구와 같이 저수지 유입하천의 Q-SS 관계도 홍수사상 동안 높은 분산도와 시계방향의 이격현상을 보였으며, 이러한 이격현상은 저수지로 유입하는 SS 부하율과 부하량 산정에 있어 유의할 만한 오차로 작용하였다.
3) Q-SS 관계식에 비해 탁도-SS 관계식으로 산정한 SS 부하율은 모든 지점에서 실측값과 유사한 시계열 변동특성을 보였으며, SS의 첨두 농도의 발생 시기와 크기를 비교적 정확히 재현하였다.
4) 수문곡선 전체 자료를 이용하여 유도한 Q-SS 멱함 수식은 용담호와 소양호의 SS 부하량을 각각 33.4%와 40.2% 과소평가하였다. 유량 증가와 감소시기를 구분한 Q-SS 식은 절대상대오차를 각각 17.
2%로 줄였으나 여전히 SS 부하량을 과소평가하였다. 그러나 탁도-SS 관계식은 오차를 각각 0.4%와 9.2%로 획기적으로 줄였으며, 저수지 유입 SS 부하량 산정의 신뢰도를 개선하였다.
4m3/s로 나타났다. 유량 조사를 통한 각 하천별 평균 유입유량의 비율(용담호 전체 유역면적에 대한 유입지류의 유역면적비로 산정한 비율)은 금강본류 45.25 (42.95)%, 진안천 3.68 (9.59)%, 정자천 10.26 (15.41)%, 주자천 9.93 (13.58)% 및 구량천 30.88 (18.47)%로 나타나, 실측값의 비율은 유역면적비로 산정한 값과 차이를 보였다. 용담호와 같이 저수지 유입유량이 여러 하천에서 분산되어 유입하는 경우, 모델에 입력되는 각 하천별 유입유량은 저수지 전체 유입유량을 각 지류의 유역 면적비로 환산하여 산정하는 경우가 많다.
후속연구
또한 Q-SS 관계식의 대안으로써 탁도-SS 관계식을 제시하고, 통계적인 분산정도와 SS 부하율 산정 오차를 비교 평가하였다. 연구결과는 저수지 유입 유사량 산정의 정확도 제고와 저수지 탁수 모델링의 신뢰도 향상에 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
또한 탁도-SS 관계식은 Q-SS 관계식과 달리 동일한 수문곡선에서 유량의 증가와 감소시기에 따른 SS 농도의 이격현상을 보이지 않는다. 따라서 유량자료 대신 실시간 탁도 계측자료를 이용할 경우, 저수지로 유입하는 SS 부하율을 보다 정확히 산정할 수 있을 것으로 판단된다.
향후 저수지로 유입하는 SS 부하율의 보다 정확한 산정과 저수지 내에서 탁수의 시공간 분포 모의해석의 신뢰도 향상을 위해서는 유입 탁도에 대한 실시간모니터링과 탁도-SS 관계식 개발이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
탁수의 피해를 줄이기 위한 대책으로 무엇이 있는가?
탁수의 피해를 줄이기 위한 대책으로는 유역 내 토양 침식 조절, 저수구역 내에서 퇴사댐을 건설하여 부유사를 침강시키는 방법, 그리고 선택취수설비 도입 등이 있으며(Yajima et al., 2006; Chung et al.
다목적댐들의 긍정적, 부정적 기능은?
우리나라는 강수의 시 공간적인 불균형을 해소하고 수자원의 안정적 확보를 위해 다양한 형태의 다목적댐 저수지를 건설하여 운영 중에 있다(한국수자원공사, 2007a). 이러한 대형댐들은 용수공급, 홍수조절, 전력생산 등의 긍정적 기능을 담당하기도 하지만, 환경적인 측면에서는 물의 체류 시간 증가, 수온의 성층화, 부영양화, 녹조발생, 탁수의 장기화와 같은 부정적인 영향도 미친다(김윤희 등, 2001; 서동일, 1998; 정세웅 등, 2007; Dyson et al., 2003; Tharme, 2003). 특히, 탁수문제는 최근 기후변화에 따른 집중호우 증가와 댐 유역의 무분별한 개발로 인해 발생 빈도와 강도가 커지면서 사회적 환경적 문제로 대두되고 있다.
탁수모델링의 모의결과에 대한 신뢰도 확보가 어려운 이유는?
, 2006). 그러나 탁수모델링은 저수지의 성층현상, 탁수의 밀도류 거동, 그리고 다양한 크기의 부유입자의 침강특성 등 물리적 기작의 복잡성과 실측자료의 제한성 때문에 모의결과에 대한 신뢰도 확보에 많은 어려움이 있었다(Chung et al., 2009).
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