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문제 정의
- 이와 같이 최근 국내에서도 호소 및 저수지에 대하여 EFDC 모형을 적용한 사례는 많이 있으나, 강우-유출 모형을 이용한 장기유출량 자료의 적용에 따른 호소 내의 수질 거동특성에 대하여 EFDC를 이용한 연구사례는 없는 것으로 파악되고 있다. 따라서 본 연구에서는 강우-유출 모형에 의해 장기유출을 모의하고, 이를 EFDC 모형에 적용하여 호소 내 수질 거동 특성을 파악함으로서 유출이 환경에 미치는 영향의 예측이나 수질관리의 중요한 현상에 대해 신뢰성을 높이고자 한다.
- 본 연구에서는 섬진강 수계 중 섬진강 댐 상류의 운암호를 대상유역으로 정하여 수문과 수온 및 수질 관측자료(DOrg N, NH4 -N, NO3 -N, T-P)를 토대로 HEC-HMS를 이용하여 장기유출 모의를 하였다. 그리고 3차원 수리수질동역학 모델인 EFDC를 이용하여 수온 및 수질(T-N, T-P) 모의를 실시하였다.
제안 방법
- 섬진강 댐 운암호를 대상으로 HEC-GeoHMS 모형을 이용하여 대상 유역의 유역 특성 및 매개 변수를 산정하고 HEC-HMS에 입력하였다. Fig 6의 임실, 장수, 전주, 정읍 기상관측소의 2009년 1월 1일부터 2009년 12월 31일까지의 시간강우량을 Thiessen 가중법을 이용하여 가중치를 적용한 후 직접유출량과 월 일정량 방법을 이용한 기저유출량을 모의를 통해 운암호2, 운암호3 지점에 대하여 장기유출량을 산정하였다.
- HEC-GeoHMS는 HEC(Hydrologic Engineering Center)에서 GIS를 이용하여 복잡한 유역의 지형특성인자와 수문학적 인자를 추출하여 HECHMS 모형의 입력변수를 제공하며 수문학적 처리과정 단계에서는 하상길이, 하상경사, 유역 중심점 등 유역의 각종 수문학적 특성들의 정보를 산출한다. HEC-GeoHMS모형을 이용하여 Fig 2와 같이 대상 유역의 유역 특성 및 매개변수를 산정하였다.
- -N, T-P)를 토대로 HEC-HMS를 이용하여 장기유출 모의를 하였다. 그리고 3차원 수리수질동역학 모델인 EFDC를 이용하여 수온 및 수질(T-N, T-P) 모의를 실시하였다. 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.
- HEC-GeoHMS모형을 이용하여 Fig 2와 같이 대상 유역의 유역 특성 및 매개변수를 산정하였다. 대상유역의 30m DEM을 이용하여 1,000m 분포형 격자로 분할하고 토양도와 토지 이용도를 이용하여 각 격자별 SCS CN계수를 산정하였다. 본 연구에서는 분포형 격자 파일을 생성하기 위하여 SHG (Standard Hydrologic Grid) 방법을 사용하였다.
- EFDC 모형을 이용한 수치모의에 사용되는 지형자료는 실제의 지형을격자망으로 구성하여 표현하게 된다. 본 연구 대상유역의 수리 데이터를 생성하기 위하여 EFDC 모델을 구성하였으며 격자구성을 위해 필요한 지형 파일은 섬진강 하천정비기본계획(2006)의 실측 횡단면과 1:25,000 수치지형도를 참고하여 구성된 격자망에 AutoCAD와 ArcGIS의 Extension 중 Kriging 방법을 이용하여 지형자료를 보간 및 입력하였고 운암호의 수심을 고려하여 3개 층으로 이루어진 3차원 지형을 생성하였다. 섬진강 댐 운암호 외 지류에 대해서는 등수심도 자료가 필요 하지 않기 때문에 운암호로 유입되는 본류에 대한 자료만을 나타내었다.
- 본 연구는 실제 유역 형상 및 매개변수를 고려할 수 있는 HEC-HMS를 이용하여 장기유출량을 산정하고, 흐름방향 보다 수심방향으로의 특성이 강하게 작용하는 댐이나 호소에서는 3차원 수리․수질 모형인 EFDC를 적용하여 호소 내의 수질변화를 모의하였다. EFDC 모델은 3차원 수리 · 수질 모델로 연안, 강, 호수, 하구 등에 적용 가능하며 수리분야와(Harmrick, 1992) 수질분야(Park, et al, 1995)가 개발되고 발전되었으며, 미국 버지니아 주의 제임스강, 요크 강의 하구와 (Hamrick, 1995a,b) 체서피크 만(Hamrick, 1994)에 적용되었다.
- -N, T-P)에 대한 환경부 수질측정망 자료를 이용하였다. 섬진강 댐 관측지점의 실측 수온자료를 이용하여 입력 조건 내 수온모의 및 보정을 실시하였으며, 환경부 수질측정망 지점 중 운암호2, 운암호3 지점의 수질 자료를 이용하여 수질모의를 하였고, 운암호1 지점을 통하여 보정을 실시하였다.
- -N, T-P)에 대한 환경부 수질측정망 자료를 이용하였다. 섬진강 댐 관측지점의 실측 수온자료를 이용하여 입력 조건 내 수온모의 및 보정을 실시하였으며, 환경부 수질측정망 지점 중 운암호2, 운암호3 지점의 수질 자료를 이용하여 수질모의를 하였고, 운암호1 지점을 통하여 보정을 실시하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 본 연구에서의 수질 모의 및 보정은 EFDC를 이용하여 2009년 환경부 수질측정망 수질자료를 이용하였다. 섬진강댐 관측지점의 실측 수온자료를 이용하여 입력조건 내 수온모의 및 보정을 실시하였으며, 환경부 수질측정망 지점중 운암호2, 운암호3 지점의 수질 자료를 이용하여 수질모의를 하였고 운암호1 지점을 통하여 보정을 실시하였다.
- 본 연구의 대상지역은 섬진강 댐 상류유역인운암호로 한반도의 남해안 중서부에 위치하고 있는 섬진강 유역은 우리나라 4대강 유역의 하나로서, 동경 126°51′50″ ~ 127°53′05″, 북위 34°40′26″ ~ 35°50′0″사이에 위치하고 있으며, 동쪽으로 낙동강유역, 서쪽으로 영산강유역과 동진강유역, 북쪽으로 금강유역 및 만경강유역과 각각 경계를 이루고 있다.
- 수온과 수질 모의 및 보정은 EFDC를 이용하여 섬진강 댐 운암호를 대상으로 2009년 1월 1일부터 2009년 12월 31일까지의 수온(입력조건의 수온), 수질(DOrg N, NH4 -N, NO3 -N, T-P)에 대한 환경부 수질측정망 자료를 이용하였다. 섬진강 댐 관측지점의 실측 수온자료를 이용하여 입력 조건 내 수온모의 및 보정을 실시하였으며, 환경부 수질측정망 지점 중 운암호2, 운암호3 지점의 수질 자료를 이용하여 수질모의를 하였고, 운암호1 지점을 통하여 보정을 실시하였다.
이론/모형
- HEC-GeoHMS를 이용하여 구축한 섬진강 댐 운암호 유역의 HEC-HMS에 각 관측소가 차지 하는 면적을 전체 면적으로 나눈 것을 가중값으로 하여 평균한 방법(weighted average)인 Thiessen의 가중법을 적용하고, 시간강우를 Thiessen 면적가중치 방법에 적용하여 유출량을 산정하였으며, 유출량 산정 시 필요한 강우의 손실량 계산은 SCS 방법, 하도 추적은 Muskingum-Cunge 방법을 이용하여 직접유출 (direct runoff)을 산정하였고, 기저유출(base flow)은 월별로 무강우가 지속되는 기간 동안 하천유량의 평균을 월 일정량 방법에 적용하여 장기유출량을 산정하였다.
- HEC-GeoHMS는 HEC(Hydrologic Engineering Center)에서 GIS를 이용하여 복잡한 유역의 지형특성인자와 수문학적 인자를 추출하여 HECHMS 모형의 입력변수를 제공하며 수문학적 처리과정 단계에서는 하상길이, 하상경사, 유역 중심점 등 유역의 각종 수문학적 특성들의 정보를 산출한다. HEC-GeoHMS모형을 이용하여 Fig 2와 같이 대상 유역의 유역 특성 및 매개변수를 산정하였다. 대상유역의 30m DEM을 이용하여 1,000m 분포형 격자로 분할하고 토양도와 토지 이용도를 이용하여 각 격자별 SCS CN계수를 산정하였다.
- 대상유역의 30m DEM을 이용하여 1,000m 분포형 격자로 분할하고 토양도와 토지 이용도를 이용하여 각 격자별 SCS CN계수를 산정하였다. 본 연구에서는 분포형 격자 파일을 생성하기 위하여 SHG (Standard Hydrologic Grid) 방법을 사용하였다.
- 섬진강 댐 운암호를 대상으로 HEC-GeoHMS 모형을 이용하여 대상 유역의 유역 특성 및 매개 변수를 산정하고 HEC-HMS에 입력하였다. Fig 6의 임실, 장수, 전주, 정읍 기상관측소의 2009년 1월 1일부터 2009년 12월 31일까지의 시간강우량을 Thiessen 가중법을 이용하여 가중치를 적용한 후 직접유출량과 월 일정량 방법을 이용한 기저유출량을 모의를 통해 운암호2, 운암호3 지점에 대하여 장기유출량을 산정하였다.
- 섬진강 댐 운암호를 대상으로 HEC-GeoHMS 모형을 이용하여 대상 유역의 유역 특성 및 매개 변수를 산정하고 HEC-HMS에 입력하였다. 임실, 장수, 전주, 정읍 기상관측소의 시간강우량을 Thiessen 가중법을 이용하여 가중치를 산정한 후 직접유출량 및 월 일정량 방법을 이용하여 기저유출량을 모의하여 Fig 9~Fig 10과 같이 장기유출량을 산정하였다. 산정된 유출량과 관촌 수위유량 관측소의 실측자료에 대한 결정계수 R2는 0.
성능/효과
- 1. GIS기반의 강우-유출 모형인 HEC-GeoHMS 와 HEC-HMS를 이용하여 장기유출을 모의하였으며, 관촌 수위유량관측지점과의 상관계수는 0.758~0.789, 결정계수는 0.574~0.623으로 나타났으며 전체적으로 실제 유출량을 잘 반영한 것으로 나타났다. HECGeoHMS와 HEC-HMS를 이용하여 유입량을 산정한다면 실제 유역 형상 및 매개변수를 고려할 수 있기에 유역면적에 비례한 비유량법보다 강우-유출모형을 적용하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
- 2. 3차원 수리수질 동역학 모델인 EFDC를 이용한 운암호 내 수온과 수질의 모의 및 보정 결과 전체적인 경향성은 잘 나타내고 있으나, 8월과 11월에 T-N은 0.50mg/L 이상, T-P는 0.15mg/L 이상 실측값과의 오차를 보였다. 수질 변화의 모의 및 예측하기 위해서는 정확한 입력 자료를 필요로 하지만 수질 관측자료의 경우 월 1회 측정된 기록만이 존재하였고, 수층별로 존재하지 않기에 강우 및 유출량에 의한 비점오염 부하량이 일부 구간에서 적절하게 반영되지 못하였을 것으로 판단되며, 모델링의 정확성 향상을 위해서는 정도 있는 자료구축이 필요할 것으로 확인되었다.
- 3. 호소에서의 수질변화에 대한 모의는 횡방향 보다 수심방향에 대하여 면밀한 모의가 필요하며 3차원 수리․수질 동역학적 모델인 EFDC는 호소 수질 모의에 있어 수심방향으로 수층으로 구분하여 상하간의 수질변화를 비교적 정확하게 모의하는 것으로 나타났다. 대형 취수원인 인공호와 최근 4대강 사업과 같이 장거리에 걸친 수리․수질 특성, 지체 현상 또는 유하시간의 증가에 따른 수질변화, 지류의 희석 및 수공 구조물에 영향에 따른 수질예측 및 관리에 3차원 수리․수질 모델링을 적용하는 것이 유리할 것으로 판단된다.
- 호소에서의 수질변화에 대한 모의는 횡방향 보다 수심방향에 대하여 면밀한 모의가 필요하며 3차원 수리․수질 동역학적 모델인 EFDC는 호소 수질 모의에 있어 수심방향으로 수층으로 구분하여 상하간의 수질변화를 비교적 정확하게 모의하는 것으로 나타났다. 대형 취수원인 인공호와 최근 4대강 사업과 같이 장거리에 걸친 수리․수질 특성, 지체 현상 또는 유하시간의 증가에 따른 수질변화, 지류의 희석 및 수공 구조물에 영향에 따른 수질예측 및 관리에 3차원 수리․수질 모델링을 적용하는 것이 유리할 것으로 판단된다.
- 이는 수질 변화를 모의 및 예측하기 위해서는 정확한 입력 자료를 필요로 하지만, 환경부의 수질측정망의 경우 월 1회 측정된 기록만이 존재하기에 실제 강우 및 유출량에 의한 비점오염 부하량의 거동 형태를 적절하게 반영되지 못하였을 가능성이 높음에 따라 실절적인 평균농도 관측값으로 보기에는 어려움이 있다. 모의결과와 실측수질의 오차범위가 20% 내에 들어오지 못하는 달도 있지만 실측치와 비슷한 수질 거동 특성을 보이는 것으로 판단되었으며, 전체적으로 모의된 수질이 실측결과를 잘 반영하는 것으로 나타났다.
- 모의를 위한 횡단방향으로 104개와 종단방향으로 91개로 한 수평방향으로 1,878개의 Segment와 수심방향을 3개 층으로 구분하여 총 5,634개의 단위격자로 수체를 구분하여 모의하였으며, 직교 곡선좌표계의 직교성 판별을 한 결과 평균값이 4.036 정도(< 25 이하)로 격자구성이 적절히 이루어 졌음을 알 수 있다.
- 수온과 수질 모의 및 보정 결과 수온은 Fig 11과 Table 5와 같이 비교적 보정이 잘 된 것으로 판단되며, 수질 또한 Fig 12와 Table 5와 같이 전체적인 경향성은 잘 나타내고 있다. 수온의 경우 8월부터 11월 사이 구간에 모의된 수온이 높은 경향을 나타냈으며, 수질은 T-N의 경우 8월과 11월 실측값과 0.50mg/L 이상의 오차를 보였으며, T-P의 경우 8월과 11월 실측값과 0.15mg/L 이상의 오차가 있는 것으로 나타났다. 이는 수질 변화를 모의 및 예측하기 위해서는 정확한 입력 자료를 필요로 하지만, 환경부의 수질측정망의 경우 월 1회 측정된 기록만이 존재하기에 실제 강우 및 유출량에 의한 비점오염 부하량의 거동 형태를 적절하게 반영되지 못하였을 가능성이 높음에 따라 실절적인 평균농도 관측값으로 보기에는 어려움이 있다.
후속연구
- 623으로 나타났으며 전체적으로 실제 유출량을 잘 반영한 것으로 나타났다. HECGeoHMS와 HEC-HMS를 이용하여 유입량을 산정한다면 실제 유역 형상 및 매개변수를 고려할 수 있기에 유역면적에 비례한 비유량법보다 강우-유출모형을 적용하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
- 15mg/L 이상 실측값과의 오차를 보였다. 수질 변화의 모의 및 예측하기 위해서는 정확한 입력 자료를 필요로 하지만 수질 관측자료의 경우 월 1회 측정된 기록만이 존재하였고, 수층별로 존재하지 않기에 강우 및 유출량에 의한 비점오염 부하량이 일부 구간에서 적절하게 반영되지 못하였을 것으로 판단되며, 모델링의 정확성 향상을 위해서는 정도 있는 자료구축이 필요할 것으로 확인되었다.
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