[논문]EFDC-WASP을 이용한 낙동강 살리기 사업에 따른 수질 변화 예측 모델링

서동일; 김민애

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물과 미래 : 한국수자원학회지 = Water for future, v.44 no.3, 2011년, pp.24 - 31

초록
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본 연구는 낙동강의 4대강 살리기 사업에 의한 수질 변화를 예측하기 위하여 미국환경부에서 사용하는 3차원 수리동역학 모델 EFDC와 수질모델 WASP7을 연계 하는 방법을 택하였다. 수질모의결과, 사업에 의하여 전반적으로 BOD5 농도는 다소 감소하고 TN과 TP 농도는 거의 유사한 수준을 나타내었다. BOD5 농도의 감소는 체류시간이 증가함에 따라 유기물의 산화 또는 분해에 제공되는 시간이 증가되어 나타난 영향으로 분석된다. TN과 TP는 침강 또는 식물의 흡수 등에 의해 수체에서 제거되나 사업에 의해 크게 영향을 받지 않은 것으로 분석되었다. Chl-a 농도는 금호강이 유입되기 전 상류에서는 사업에 의해 심각한 수준으로 증가하는 것으로 분석되었으나, 금호강 유입 이후 이러한 증가 경향은 상당 부분 둔화되는 것으로 나타났으며 낙동강 하구언부근에서는 사업으로 인하여 Chl-a 농도가 감소되는 것으로 나타났다. Chl-a 농도의 변화는 TN 및 TP 농도가 사업에 의해 전반적으로 크게 차이가 나지 않음에 따라 영양염류의 농도변화에 의한 영향은 크게 작용하지 않은 것으로 판단되며, 보 건설에 의한 체류시간의 증가와 준설 또는 수심의 증가에 따른 광량의 감소가 복합적으로 작용한 결과에 의한 것으로 분석된다.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 낙동강의 4대강 살리기 사업에 의한 수질변화를 예측하기 위하여 USEPA(미국환경부)에서 사용하는 방법으로서 3차원 수리동역학 모델 EFDC 와 수질모델 WASP7을 연계 사용하여 사업전·후의 수리 및 수질변화특성을 예측하였다.
본 연구에서는 낙동강의 지점별 및 시기적 영향을 정확하게 분석하기 위해 USEPA(미국환경부)에서 사용하는 방법을 택하여 3차원 수리동역학적 변화를 예측할 수 있는 EFDC 모델과 3차원적 수질예측을 위해 WASP 모델을 연계하여 사용하였다. 본 연구에서는 4대강 사업에 의해 낙동강의 조류농도 변화특성에 대하여 보고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 낙동강의 지점별 및 시기적 영향을 정확하게 분석하기 위해 USEPA(미국환경부)에서 사용하는 방법을 택하여 3차원 수리동역학적 변화를 예측할 수 있는 EFDC 모델과 3차원적 수질예측을 위해 WASP 모델을 연계하여 사용하였다. 본 연구에서는 4대강 사업에 의해 낙동강의 조류농도 변화특성에 대하여 보고자 한다.

대상 데이터

수리 및 수질모델을 합리적으로 사용하기 위해서는 정확한 입력자료가 필수적이나 우리나라 자연하천의 경우 자료가 충분하지 않은 것이 일반적인 현실이다. 본 연구에서는 입력자료의 구성을 위해 정부의 자료를 사용하였다. 지형자료의 구성을 위해서는 부산지방국토관리청(2009)자료를 사용하였으며, 환경부(2007)와 환경부 물환경정보시스템 홈페이지, 국토해양부(2007)에서 관리하는 자료를 참고하여 낙동강으로 유입되는 주요지천 및 하수처리장 방류수 그리고 낙동강의 각종 취수장 등을 구성 하였다.
본 연구의 대상지역은 Fig. 3에 나타난 바와 같이 안동댐 방류지점에서 낙동강하구언까지 약 334km의 낙동강 본류구간을 대상으로 하였으며 8개의 보 (상주보, 낙단보, 칠곡보, 강정보, 달성보, 합천보, 함안보)가 낙동강에 건설될 예정이다.
본 연구에서는 입력자료의 구성을 위해 정부의 자료를 사용하였다. 지형자료의 구성을 위해서는 부산지방국토관리청(2009)자료를 사용하였으며, 환경부(2007)와 환경부 물환경정보시스템 홈페이지, 국토해양부(2007)에서 관리하는 자료를 참고하여 낙동강으로 유입되는 주요지천 및 하수처리장 방류수 그리고 낙동강의 각종 취수장 등을 구성 하였다. 본 연구에 사용된 입력자료는 서동일 (2009) 이 마스터플랜 수립당시 사용하였던 자료를 기본으로 구성하였으며 강우의 영향을 고려하기 위하여 서동일등 (2003) 이 용담댐의 수질모델링에 적용한 방법을 이용하였다.

이론/모형

지형자료의 구성을 위해서는 부산지방국토관리청(2009)자료를 사용하였으며, 환경부(2007)와 환경부 물환경정보시스템 홈페이지, 국토해양부(2007)에서 관리하는 자료를 참고하여 낙동강으로 유입되는 주요지천 및 하수처리장 방류수 그리고 낙동강의 각종 취수장 등을 구성 하였다. 본 연구에 사용된 입력자료는 서동일 (2009) 이 마스터플랜 수립당시 사용하였던 자료를 기본으로 구성하였으며 강우의 영향을 고려하기 위하여 서동일등 (2003) 이 용담댐의 수질모델링에 적용한 방법을 이용하였다.

성능/효과

제한인자는 0 과 1 사이의 수치로 나타내며 0에 가까울수록 조류의 성장에 미치는 영향이 작아진다. Fig. 6에 나타난 바와 같이 낙동강에서는 질소농도가 전체적으로 높아 조류성장에 필요한 질소가 수체 내에 충분하여 성장제한인자는 거의 1에 가깝게 나타났으며 조류성장의 결정적인 제한요소로 작용하지 않는 것으로 나타났다. 반면 인농도의 성장제한인자는 질소 농도에 비하여 현저하게 작은 값으로 나타나 낙동강 상류에서는 인농도가 조류성장의 주제한인자로 분석된다.
WASP7은 Fig. 1에 나타난 바와 같이 기존 WASP 모형의 부 모델인 부영양화모델(EUTRO), 독성모델(TOXIC) 외에 Advanced EUTRO, Heat, Periphyton, Simple Toxicants, Nonionizing Toxicants, Organic Toxicants와 Mercury 등 모두 8개의 부 모델을 선택적으로 사용하도록 구성되었으며, 결과를 표현할 수 있는 postprocessor기능이 보완되었다. 본 연구에서 사용된 WASP7의 EUTRO 수질 모듈에서 고려되는 수질인자와 상호관계는 Fig.
따라서 각 구간의 증가율 그림은 가운데가 오목한 형태를 나타내고 있다. 구간별로 체류시간은 상주보에서 달성보까지 평균 6배 이상 증가하는 것으로 분석되었으며 낙단보에서 강정보까지는 평균 10배 이상 증가한 것으로 분석되었다. 합천보와 함안보는 약 4배가량, 낙동강 하구언은 약 1.
낙단보부터는 Chl-a 농도가 현저하게 증가하는 것이 나타나고 있으며 체류시간이 9배가까이 대폭 증가한 것이 가장 큰 원인으로 판단된다. 구미보, 칠곡보 및 강정보의 체류시간은 사업에 의해 모두 10배 이상 증가하였으며, 이 구간에서는 Chl-a 농도가 대폭 상승하는 경향을 나타내었다.
낙동강 최상류인 상주보 지점에서는 수질이 양호 하여 사업에 의해 체류시간이 6배 이상 증가하여도 Chl-a 농도의 변화가 크게 나타나지 않았다. 낙단보 부터 강정보 지점까지는 Chl-a 농도가 평균 15 mg/L 이하로서 양호한 수준이었으나 TP농도가 하류로 가면서 증가되고 또한 사업에 의해 체류시간이 10배 이상 증가하여 Chl-a 농도가 급격하게 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 금호강이 유입되고 난 달성보 지점부터는 영양염류농도가 급격하게 높아져서 사업전후 Chl-a 변화의 결정적인 요인은 아닌 것으로 분석되며, 7배 가량 증가된 체류시간의 영향으로 Chl-a 농도가 증가한 것으로 분석된다.
5는 낙동강 본류의 EFDC 모델을 이용하여 분석한 사업전 · 후 체류시간(Residence Time)과 수심(Water Depth)의 증가율을 나타낸 것이다. 낙동강의 살리기 사업의 보 및 준설 공사에 의해 체류시간은 갈수기(1월, 2월, 11월, 12월)에 특히 크게 증가하였으며 평수기(3월, 4월, 5월, 10월)에 또한 증가한 것으로 나타나고 있으며 풍수기(6월, 7월, 8월, 9월)에는 체류시간의 증가가 상대적으로 크지 않은 것으로 나타났다. 따라서 각 구간의 증가율 그림은 가운데가 오목한 형태를 나타내고 있다.
모의 결과, 사업에 의하여 전반적으로 BOD5 농도는 다소 감소하고 TN과 TP 농도는 거의 유사하며, Chl-a 농도는 상류 및 중류 지역에서는 증가하고 하류지역에서는 감소하는 경향을 나타내는 것으로 예측되었다. BOD5 농도의 감소는 체류시간이 증가함에 따라 유기물의 산화 또는 분해에 제공되는 시간이 증가되어 나타난 영향으로 분석된다.
구간별로 체류시간은 상주보에서 달성보까지 평균 6배 이상 증가하는 것으로 분석되었으며 낙단보에서 강정보까지는 평균 10배 이상 증가한 것으로 분석되었다. 합천보와 함안보는 약 4배가량, 낙동강 하구언은 약 1.7배가량 체류시간이 증가된 것으로 분석되었다. 낙동강에서 구미보의 수심증가율이 20배 이상으로 특히 큰 것으로 나타났으며, 낙단보, 칠곡보 그리고 강정보 등 중류 지역의 수심증가율은 8배 이상으로 나타나고 있다.

후속연구

낙동강의 보 건설 및 준설에 의한 체적증가는 외부에서 유입되는 오염부하에 대한 완충 능력을 증가시킬 수 있으나 체류시간의 증가는 부영양화에 부정적인 영향을 미칠 수도 있다. 그러나 위와 같은 현상은 낙동강 내에서 시기별 및 지점별로 서로 다른 경향을 나타낼 것으로 보이며, 모델링에 의해 종합적이면서 또한 각각의 경우를 분석하는 노력이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	낙동강에 4대강 살리기 사업에 의해 다수의 보가 하천 내에 건설되고 준설이 실시됨에 따라 하천내의 무엇이 변화할 것이라고 예상되는가?	낙동강에 4대강 살리기 사업에 의해 다수의 보가 하천 내에 건설되고 준설이 실시됨에 따라 하천 내의 수리동역학적 특성 및 수질특성이 변화할 것으로 예상되며, 적절한 수질관리 대책을 수립하기 위해서는 사업에 의한 수리 및 수질 특성 변화를 예측하고 시나리오를 분석할 있는 모델링 시스템을 구축하는 것이 필요하다.
	낙동강에 4대강 사업에 의해 어느정도의 보가 설치될 예정인가?	낙동강에는 4대강 살리기 사업에 의해 4대강 살리기 추진본부(2009)에서 발표한 바에 의하면 전국에 설치될 예정인 수중보 16개소 중 8개소(상주보, 낙단보, 칠곡보, 강정보, 달성보, 합천보, 함안보)가 설치될 예정으로 국토해양부 4대강 살리기 사업의 총 예산의 약 63% (9.7억원/15.
	Environmental Fluid Dynamics Code모델은 어떻게 구성되는가?	EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code) 모델은 초기에 하구 및 해양에서의 적용을 위해 Virginia Institute of Marine Science(Hamrick, 1992a)에서 개발된 3차원 수리동역학모델이다. EFDC 모델은 Hydrodynamics, Water Quality, Sediment Transport, Toxic 총 4개의 모듈로 구성 되며, Dynamics 모듈의 모델링 결과인 수심, 유속, 혼합 등의 자료들은 수질모의(Water Quality), 부유사 이동(Sediment transport), 독성물질(Toxics) 모의를 위한 입력 자료로 사용된다. EFDC는 Full version과 Hydro Version이 있으며 EFDC-Hydro version은 수질모델링을 위해 WASP 수질모델과 연계하여 사용이 가능하도록 구성되어 있다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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