[논문]대청호의 조류발생 분석

조완희; 염경택; 김진수; 반양진; 정세웅

doi:10.14249/eia.2012.21.3.367

대청호의 조류발생 분석
Study on Algae Occurrence in Daecheong Reservoir 원문보기

환경영향평가 = Journal of environmental impact assessment, v.21 no.3, 2012년, pp.367 - 380

조완희 (한국수자원공사 수자원사업본부 댐.유역관리처) , 염경택 (한국수자원공사 수자원사업본부) , 김진수 (한국수자원공사 수자원사업본부 댐.유역관리처) , 반양진 (한국수자원공사 수자원사업본부 댐.유역관리처) , 정세웅 (충북대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

There are many long and round shape shores due to terrain characteristics in Daecheong reservoir. Therefore it is indicated different spatial distribution of algae every year since the stream is being regulated by these terrain characteristics and reservoir operation about inflow and outflow discharge. Also oversupply of nutrient salt from tributaries of Daecheong reservoir where pollutants were concentrated generates massive growth of algae and depending on hydrological, reservoir operation condition, those proliferated algae at the stagnant tributaries moves to the mainstream of Daecheong reservoir which could create problems of water quality. In this study, it was analyzed the tendency of algae generation by examining algae occurring status for the last 4 years since 2008, and implemented hydraulic analysis at Daecheong reservoir through numerical tracer simulation by applying 3-dimensional hydrodynamic model, ELCOM. Also it was implemented a quantitative analysis of causal relationship based on the algae generation tendency and hydraulic behavior at Daecheong reservoir. Through numerical tracer simulation in this study, it could be noticed the degree of spread of inflow indicated similar trend to the algae occurring status at Daecheong reservoir and verified the different tendency of algae generation in 2011 unlike previous year caused by the rise of water temperature.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

저수지내에서의 수리학적 거동은 하천과는 달리 수온성층과 중층 밀도류의 영향을 받게 된다. 따라서 본 연구에서는 수리 및 수온해석과 관련한 매개변수 및 수리학적 거동 해석을 검증하기 위하여 대청호에서의 수온해석 결과와 수질자동측정장치에서 관측된 실측 수온자료를 비교하였다. 그림 7은 댐앞지점에서의 2011년 수온해석 결과와 실측 수온자료의 비교를 통한 수리 및 수온해석과 관련한 매개변수의 검증 결과를 보여준다.
본 연구 에서는 조류발생에 대한 모의가 아닌 조류발생 경향 및 원인을 분석하기 위하여 조류발생에 영향을 미치는 영양염류의 유입, 수심, 수온, 유속 등이 수체의 수리학적 흐름에 영향을 받는다는 가정하에 저수지내에서의 수리학적 흐름을 나타내는 지표로 화학적 반응을 하지않는 비반응성·보존성 물질인 수치추적자 모의를 통하여 대청호에서의 수리학적 거동에 따른 인과관계를 분석하였다.
앞 절의 조류발생 현황에서 확인한 바와 같이 2008년부터 2010년까지와는 달리 대청호에서의 2011년 조류발생 현황을 살펴보면 8월초부터 대청호 전수역에 조류가 발생하는 양상을 보였다. 본 연구에서는 대청호에서의 이러한 조류발생 원인을 분석하기 위하여 대청호유역의 강우량 및 유입/방류량의 변화을 분석하였고, 보다 정량적인 분석을 위하여 3차원 저수지 수리해석 모형인 ELCOM모형을 적용한 수치추적자(Numerical Tracer) 모의를 통하여 대청호 내에서의 수리학적 거동을 해석하였다.

가설 설정

물에 의한 태양의 단파복 사에너지(파장범위 280~2,800nm)의 광수멸계수 (Kw)는 근 적 외 선 인 NIR(Near infrared radiation, 700~2,000nm), 식물성 플랑크톤의 1차 생산에 사용가능한 광합성에 유용한 에너지인 PAR(photosynthetically active radiation, 400~700nm), 그리고 자외선A(UVA, 320~ 400nm)와 자외선B(UVB, 300~320nm)로 나누어 적용하였다. PAR는 Beer-Lambert Law에 의해 수체내로 감쇠하며 침투하는 것으로 가정하였다.
수치추적자는 저수지내에서의 수리학적 흐름을 나타내는 지표로 농도 범위는 0~1이며, 화학적 반응을 하지않는 비반응성·보존성 물질로 가정하였다.

제안 방법

(3) 본 연구에서는 강우량 및 유입/방류량 변화와 수문방류에 따른 대청호에서의 연도별 수리학적 거동 해석을 수행하였으며, 이를 통하여 대청호에서의 조류발생 경향과 수리학적 거동에 따른 인과관계를 정량적으로 분석하였다. 수치추적자 모의를 통하여 유입유량의 확산정도가 대청호 조류발생 현황과 유사한 경향을 보이는 것을 확인하였고, 이를 통하여 대청호에서 강우로 인하여 유입된 영양염류가 수리학적 거동에 따라 대청호 전수역으로 확산되고, 수온의 변화에 따라 2011년의 조류 발생 경향이 예년과 다르게 나타나게 되었음을 판단하였다.
(4) 본 연구에서는 조류발생에 대한 모의가 아닌 조류발생 경향 및 원인을 분석하기 위하여 조류발생에 영향을 미치는 영양염류의 유입, 수심, 수온, 유속 등이 수체의 수리학적 흐름에 영향을 받는다는 가정하에 3차원 저수지 수리 해석 모형인 ELCOM모형을 적용한 저수지내에서의 수리학적 거동에 따른 인과관계를 분석하였다. 향후 개선된 대청호에서의 조류발생 모의 및 원인 분석을 위해서는 ELCOM모형과 연계되는 수질해석 모형인 CAEDYM모형과의 연계를 통한 3차원 저수지 수리·수질 해석에 따른 추가적인 연구 및 분석이 필요할 것으로 판단된다.
그림 2는 구축된 3차원 계산격자의 형상을 보여준다. 구축된 계산격자의 신뢰도를 평가하기 위하여 대청댐 퇴사량 측정 보고서(한국수자원공 사, 2006)에 제시된 저수위-저수용량 관계와 구축된 계산격자의 저수용량을 비교하였다. AME (Absolute Mean Error)와 RMSE(Root Mean Square Error)는 각각 0.
ELCOM모형을 적용한 대청호에서의 수리학적 거동 해석을 수행하기 위해서는 경계조건 및 초기조건이 요구되며, 경계조건으로는 기상조건 및 유량조건이 적용된다. 기상 경계조건은 대전관측소에서 관측된 시간별 기온, 기압, 운량, 상대습도, 일사량, 풍속, 풍향자료를 적용하였다.
초기 수위는 한국수자원공사 댐통합정보시스템(DIIS)에 제시된 수위자료를 적용하였으며, 초기 수온은 수질자동측정장치에서 측정된 수심별 수온자료를 적용하였다. 모의기간은 4월 1일부터 8월 11일까지 133일로 하였으며, 계산시간 간격은 60초로 하였다. 저수지내에서의 수리학적 거동은 하천과는 달리 수온성층과 중층 밀도류의 영향을 받게 된다.
ELCOM모형의 수온해석은 열역학적 이론에 근거한 물리적 모형이므로 수온 매개변수는 보정을 하지 않고 초기 값을 그대로 사용하였다. 물에 의한 태양의 단파복 사에너지(파장범위 280~2,800nm)의 광수멸계수 (Kw)는 근 적 외 선 인 NIR(Near infrared radiation, 700~2,000nm), 식물성 플랑크톤의 1차 생산에 사용가능한 광합성에 유용한 에너지인 PAR(photosynthetically active radiation, 400~700nm), 그리고 자외선A(UVA, 320~ 400nm)와 자외선B(UVB, 300~320nm)로 나누어 적용하였다. PAR는 Beer-Lambert Law에 의해 수체내로 감쇠하며 침투하는 것으로 가정하였다.
본 연구에서는 2008년부터 최근 4년간의 조류발생 현황을 조사하여 조류발생 경향을 분석하고, 3차원 저수지 수리해석 모형인 ELCOM모형을 적용한 대청호에서의 수리학적 거동 해석을 수행하였으며, 이를 통하여 대청호에서의 조류발생 경향과 수리학적 거동에 따른 인과관계를 정량적으로 분석하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 3차원 저수지 수리해석 모형인 ELCOM모형을 적용한 대청호에서의 수치추적자 (Numerical Tracer) 모의를 통하여 강우량 및 유입/방류량 변화에 따른 대청호에서의 수리학적 거동 해석을 수행하였으며, 이를 통하여 대청호에서의 조류발생 경향과 수리학적 거동에 따른 인과관계를 분석하였다. ELCOM모형을 적용한 대청호에서의 수리학적 거동 해석을 수행하기 위해서는 경계조건 및 초기조건이 요구되며, 경계조건으로는 기상조건 및 유량조건이 적용된다.
본 연구에서는 수치추적자 모의를 통하여 대청호로 유입된 유량의 이송 및 확산정도를 정량적으로 분석하였다. 수치추적자는 저수지내에서의 수리학적 흐름을 나타내는 지표로 농도 범위는 0~1이며, 화학적 반응을 하지않는 비반응성·보존성 물질로 가정하였다.
수치추적자는 저수지내에서의 수리학적 흐름을 나타내는 지표로 농도 범위는 0~1이며, 화학적 반응을 하지않는 비반응성·보존성 물질로 가정하였다. 수치추적자는 유입하천에서 농도 1의 값을 가지고 유입되는 것으로 경계조건을 설정하였으며, 수치추적자의 농도변화를 통하여 대청호에서의 이송 및 확산정도를 확인하였고, 이를 통하여 본 연구에서는 대청호에서의 수리학적 거동을 해석하였다. 그림 8~그림 10은 대청호 수표면에서의 수리학적 거동에 따른 연도별 수치추적자 분포를 보여 준다.
유량 경계조건은 그림 6에 제시된 연도별 유입 및 방류량 자료를 적용하였고, 유입 수온자료는 수질자동측정장치에서 측정된 시간별 수온자료를 적용하였다. 유입량은 유입하천의 유역면적비를 기준으로 본류 87.9%, 소옥천 8.1%, 회인천 8.0%, 주원천 1.0%, 삼산천 0.5%, 품곡천 0.6%로 구분하여 적용하였고, 방류량은 수문방류, 발전방류, 취수(대전, 청주)로 구분하여 적용하였다. 초기 수위는 한국수자원공사 댐통합정보시스템(DIIS)에 제시된 수위자료를 적용하였으며, 초기 수온은 수질자동측정장치에서 측정된 수심별 수온자료를 적용하였다.
또한 횡방향 수질분석 결과에 따르면 대청호 하류부 및 소하천합류부 등에서는 횡방향 수질변화가 크게 나타나는 것으로 확인되었으며, 폭이 넓은 저수지 수역과 만곡부 및 정체수역에서는 횡방향 평균 가정에 따른 해석모형(CE-QUAL-W2 등)의 한계가 지적된 바 있다. 이러한 점을 보완하기 위하여 본 연구에서는 2차원 해석모형이 아닌 3차원 해석 모형을 적용하였다.
이와 같이 저수지의 유입량 및 수질에 따라 물질의 이송·확산 해석 및 조류 발생에 미치는 영향을 규명하기 위해서는 3차원 수리해석 모형을 적용한 저수지 수리 및 수온해석이 요구된다. 이에 따라 본 연구에서는 2008년부터 최근 4년간의 조류발생 현황을 조사하여 조류발생 경향을 분석하고, 3차원 저수지 수리해석 모형인 ELCOM모형을 적용한 대청호에서의 수치추적자 (Numerical Tracer) 모의를 통하여 대청호에서의 수리학적 거동을 정량적으로 분석하였다. 본 연구 에서는 조류발생에 대한 모의가 아닌 조류발생 경향 및 원인을 분석하기 위하여 조류발생에 영향을 미치는 영양염류의 유입, 수심, 수온, 유속 등이 수체의 수리학적 흐름에 영향을 받는다는 가정하에 저수지내에서의 수리학적 흐름을 나타내는 지표로 화학적 반응을 하지않는 비반응성·보존성 물질인 수치추적자 모의를 통하여 대청호에서의 수리학적 거동에 따른 인과관계를 분석하였다.

대상 데이터

ELCOM모형의 적용을 위한 계산격자는 금강 본류와 유입하천인 소옥천, 회인천, 주원천, 삼산천, 품곡천을 포함하여 구성하였다. x방향과 y방향에 대한 격자크기는 150m×150m, 수심방향(z방향)은 1m간격으로 하여 총 128,402개의 계산격자를 구성하였다.
x방향과 y방향에 대한 격자크기는 150m×150m, 수심방향(z방향)은 1m간격으로 하여 총 128,402개의 계산격자를 구성 하였다.
유량자료의 상류단 경계조건은 금강본류, 소옥천, 회인천, 주원천, 삼산천, 품곡천의 유입량이며, 하류단 경계조건은 방류량 및 취수량을 적용하였다. 금강본류 경계조건 유량과 댐 방류량 및 취수량 자료는 한국수자원공사의 댐 운영자료를 수집하여 사용하였으며, 미계측 유역의 유입량은 금강본류 유입량에 대한 유역면적비법으로 산정하여 적용 하였다.
대청호 내에는 기상관측 장비가 설치되어 있지 않으므로, 기상자료는 인근 대전관측소의 자료(기온, 기압, 운량, 상대습도, 일사량, 풍속, 풍향)를 수집하여 적용하였다. 또한 ELCOM모형의 대기-수체 열 교환 계산과 수온예측, 그리고 부유물질의 이송과 확산에 영향을 미치는 주요 매개변수는 표 1과 같다.
유량 경계조건은 그림 6에 제시된 연도별 유입 및 방류량 자료를 적용하였고, 유입 수온자료는 수질자동측정장치에서 측정된 시간별 수온자료를 적용하였다. 유입량은 유입하천의 유역면적비를 기준으로 본류 87.
6%로 구분하여 적용하였고, 방류량은 수문방류, 발전방류, 취수(대전, 청주)로 구분하여 적용하였다. 초기 수위는 한국수자원공사 댐통합정보시스템(DIIS)에 제시된 수위자료를 적용하였으며, 초기 수온은 수질자동측정장치에서 측정된 수심별 수온자료를 적용하였다. 모의기간은 4월 1일부터 8월 11일까지 133일로 하였으며, 계산시간 간격은 60초로 하였다.

성능/효과

(1) 대청호에서의 2011년 조류발생 현황을 살펴보면 조류발생 초기 회남수역 발령 후 수문 및기상상황에 따라 추동, 문의수역으로 확대되었던 예년과는 달리 8월초부터 대청호 전수역에 조류가 발생하는 양상을 보였다. 이는 대전·충청지역의 잦은 강우로 인하여 영양염류가 유입된 후 수온상승 등으로 조류가 번식하기 좋은 조건이 형성되었고 수문방류 등으로 영양염류가 전수역으로 빠르게 확산되었기 때문으로 판단하였다.
(2) 4월 1일부터 8월 11일까지 133일간의 누적강 우량을 살펴보면 2008년에는 432.4mm, 2009년 에 는 688.4mm, 2010년 에 는 621.0mm, 2011년에는 1530.8mm의 강우량을 기록하였고, 2011년의 경우 2008년부터 2010년까지의 강우량에 비하여 2~3배의 강우가 동일기간에 대청호 유역에 발생한 것으로 확인되었다. 2011년의 경우 강우량 증가에 따라 2008년부터 2010년까지의 유입량에 비하여 2~3배의 유입량 증가가 나타났고, 방류량 또한 2008년부터 2010년까지의 방류량에 비하여 3~4배 증가한 것으로 확인되었다.
479 정도 높게 나타나는 것으로 확인되었다. 또한 유입유량의 이송 및 확산 정도를 나타내는 수치추적자 농도는 그림 3과 그림 4에 제시된 대청호 조류발생 현황과 유사한 경향을 나타내는 것으로 확인되었다. 이를 통하여 강우량및 유입/방류량의 변화에 따른 대청호에서의 수리학적 거동의 변화에 따라 영양염류의 유입 및 확산, 수심, 수온, 유속 등이 차이가 발생하여 2011년의 조류발생 경향이 예년과 다르게 나타나게 되었음을 판단하였다.
또한 대청호 유역 내 오염원이 집중되어 있는 소하천 유역으로부터 과다한 영양염의 공급은 정체수역에서 조류의 대량 증식 현상을 일으키며 호소내 수리·수문조건에 따라 소하천 유입 정체수역에서 증식된 조류가 대청호 본류로 이동하면서 증식하여 수질문제를 일으키기도 한다. 또한 횡방향 수질분석 결과에 따르면 대청호 하류부 및 소하천합류부 등에서는 횡방향 수질변화가 크게 나타나는 것으로 확인되었으며, 폭이 넓은 저수지 수역과 만곡부 및 정체수역에서는 횡방향 평균 가정에 따른 해석모형(CE-QUAL-W2 등)의 한계가 지적된 바 있다. 이러한 점을 보완하기 위하여 본 연구에서는 2차원 해석모형이 아닌 3차원 해석 모형을 적용하였다.
(3) 본 연구에서는 강우량 및 유입/방류량 변화와 수문방류에 따른 대청호에서의 연도별 수리학적 거동 해석을 수행하였으며, 이를 통하여 대청호에서의 조류발생 경향과 수리학적 거동에 따른 인과관계를 정량적으로 분석하였다. 수치추적자 모의를 통하여 유입유량의 확산정도가 대청호 조류발생 현황과 유사한 경향을 보이는 것을 확인하였고, 이를 통하여 대청호에서 강우로 인하여 유입된 영양염류가 수리학적 거동에 따라 대청호 전수역으로 확산되고, 수온의 변화에 따라 2011년의 조류 발생 경향이 예년과 다르게 나타나게 되었음을 판단하였다.

후속연구

(5) 본 연구에서와 같이 3차원 저수지 수리해석 모형인 ELCOM모형을 적용한 저수지내에서의 수리학적 거동 해석은 향후 조류차단막, 선택취수 설비 등 수질관련 시설물의 설치 및 운영의 효과분석을 위한 기초자료를 제공할 수 있을 것으로 판단되며, 추가적으로 수질해석 모형인 CAEDYM모형과의 연계를 통한 조류발생 모의 및 예측이 이루어진다면 저수지 내에서의 방재설비 설치, 방재대책 수립, 취수시설 운영기간 조정 등의 판단자료를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
향후 개선된 대청호에서의 조류발생 모의 및 원인 분석을 위해서는 ELCOM모형과 연계되는 수질해석 모형인 CAEDYM모형과의 연계를 통한 3차원 저수지 수리·수질 해석에 따른 추가적인 연구 및 분석이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대청댐에 설치된 수력발전소의 용량은 얼마인가?	9억m 3 , 저수지길이 86km에 달하는 호수로 복합형 본댐과 조정지댐으로 구성되어 있다. 본댐 주변에는 저수지내의 물이 다른 지역 으로 넘치지 못하도록 3개의 부댐이 있으며, 대전과 청주지역으로 용수를 공급하기 위한 도수로와 시설 용량 9만kw의 수력발전소가 있다. 댐의 완공으로댐 하류지역의 홍수조절과 하류 연안 농경지의 농업 용수 및 급격히 증가하고 있는 유역내 인접도시의 생활용수와 공업용수를 공급하고 있다.
	저수지에서 조류가 급격히 성장할 수 있는 요소 세 가지는 무엇인가?	하천과 달리 정체수역인 저수지는 일사량, 수온, 영양염류 등의 적절한 수환경이 조성되면 조류가 급격히 성장하게 된다. 특히, 영양염류가 풍부하고, 수온이 25℃ 이상으로 유지되며, 체류시간이 30일 이상인 정체수역에서는 조류의 급격한 성장으로 인하여 광범위한 녹조를 형성하게 된다.
	조류의 급격한 성장으로 인하여 광범위한 녹조가 형성되는 조건은 무엇인가?	하천과 달리 정체수역인 저수지는 일사량, 수온, 영양염류 등의 적절한 수환경이 조성되면 조류가 급격히 성장하게 된다. 특히, 영양염류가 풍부하고, 수온이 25℃ 이상으로 유지되며, 체류시간이 30일 이상인 정체수역에서는 조류의 급격한 성장으로 인하여 광범위한 녹조를 형성하게 된다. 이러한 녹조 현상은 저수지의 심미적인 경관을 훼손하고 상수원 수에 심한 이취미를 발생시키며, 일부 조류종은 독성물질을 생성하는 등 수생태계의 균형을 파괴하는 원인이 되고 있다.

참고문헌 (19)

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Hipsey, M.R., Romero, J.R., Antenucci, J.P. and Hamilton, D.P., 2006, Computational Aquatic Ecosystem DYnamics Model : CAEDYM, v2 User Manual, Centre for Water Research, University of Western Australia.
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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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