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문제 정의
- 본 연구에서는 저수지와 하천을 연계하여 유역의 통합적 영향을 분석하고자 하였다.
- 일반적으로 운영 중인 저수지에 대해서는 모형의 입력 자료로서 현재의 유입수질 등의 경계조건을 적용하고 동일한 시간대의 호소 내 수질을 고려하여 모델을 보정한 후 장래 수질변화를 예측한다(Park et al,, 2010). 하지만 본 연구대상지역의 도암댐은 운영이 중단된 상태이기 때문에 저수지 수질에 관한 실측 자료 수집의 한계를 보완하고자 도암댐 유역 내 위치한 환경부 수질측정망 자료를 이용하여 현재 호소의 상황을 재현하고자 하였으며 이 또한 시행착오법을 통해 보정하였다.
가설 설정
- 14은 과거 POSCO 정수장에서 수질개선장치 설치 후 탁도 제거효율을 나타낸 그래프로 90% 이상의 제거효율을 보이고 있다(NanoENtech, 2007). 기존 적용된 수질개선장치와 도암댐 규모를 비교해 보았을 때 본 시나리오에서는 유입되는 수질의 제거효율을 80%로 가정하고 모의를 실시하였다.
제안 방법
- EFDC-WASP 모형 구축을 위해 1:5000 수치지도를 이용하여 도암댐의 유입지점부터 방류지점까지, 그리고 하류 하천은 댐의 방류부를 유입 지점으로 하여 모의구간을 설정하였다. 격자는 호소구간과 하천구간을 각각 구성하였으며, 도암댐 부분은 수평격자 222개, Layer 3개 층으로 총 666개로 구성하였고, 하류 하천 부분은 수평격자 63개, Layer 1개 층으로 총 63개 격자로 구성하였다[Fig.
- 호소 및 하천모형(EFDC-WASP)은 EFDC 모형을 이용하여 저수지와 하류하천 구간의 유동해석을 하였고 수질예측을 위해 WASP 모형을 연계하여 사용하였다(KWF, 2011). SWAT 모형을 이용하여 도암댐 유역에서 유출되는 유량 및 수질(BOD, T-N, T-P, SS 등)을 모의하였고, 이 결과를 이용하여 유량결과는 저수지의 수리모의를 위해, 수질결과는 저수지의 수질 모의를 위한 경계조건으로 입력하였다. 또한 저수지의 모의 결과는 하류하천 구간의 경계조건으로 동일한 방법으로 적용하였다.
- 9 이상의 상관성을 보였다. 개발된 통합모델링시스템의 적용성을 검토하기 위해 도암댐 상류에 시범 운영되고 있는 수질개선장치에 대한 시나리오 모의를 실시하였다. 수질개선 장치가 반영된 결과로 제거 효율은 19～21%를 보였으며 전반적으로 호소구간과 하류하천구간 모두 수질개선장치를 설치할 경우 일정정도의 수질개선효과를 얻을 수 있을 것으로 판단되었다.
- 그리고 토지이용의 변화에 따른 강우-유출 관계를 해석하기 위해 도암댐 유역의 1:25,000 축척의 수치지도로부터 지형관련 Layer인 7000(주곡선), 7004(계곡선), 7217(표고점, 7311(삼각점)을 추출하고 ARC/INFO를 이용하여 Coverage, TIN, Lattice 변환과정을 거쳐 해당유역의 지형특성, 토양 및 토지이용의 공간적 분포 등을 고려한 공간해상도 30 m × 30 m의 DEM과 하천망을 제작하였다.
- 도암댐 저수지로 고탁수가 유입되는 경우 장기간 하류하천으로 탁수가 방류되므로 유역의 토사유출을 포함한 통합모델링시스템을 통한 정확한 수질영향 예측이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 도암댐 유역을 대상유역으로 선정하여 KWF(2011)에서 구축한 각각의 모형들을 보완하여 유역모형, 호소모형, 하천모형을 연계한 통합모델링시스템을 구축하였다.
- 그리고 토지이용의 변화에 따른 강우-유출 관계를 해석하기 위해 도암댐 유역의 1:25,000 축척의 수치지도로부터 지형관련 Layer인 7000(주곡선), 7004(계곡선), 7217(표고점, 7311(삼각점)을 추출하고 ARC/INFO를 이용하여 Coverage, TIN, Lattice 변환과정을 거쳐 해당유역의 지형특성, 토양 및 토지이용의 공간적 분포 등을 고려한 공간해상도 30 m × 30 m의 DEM과 하천망을 제작하였다. 또한 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 토양층을 중심으로 물수지를 파악하는 SWAT 모형의 특성을 반영하기 위해 농촌진흥청에서 제공하는 정밀토양도를 기준으로 유역 내 총 37개의 토양도에 대한 수문학적 토양그룹(A, B, C, D)으로 분류하였으며 토양층의 개수 및 토양층별 깊이를 농업과학기술원의 자료를 이용하여 구축하였다(KWF, 2011).
- 기상자료는 대관령 기상대 자료(2004∼2009년)를 사용하였으며, 도암댐 유역 내 위치한 환경부 수질측정망 자료를 이용하여 모형의 검보정을 수행하였다. 또한 수질개선 장치의 적합성을 검토하기 위해 효율에 따른 시나리오를 반영하여 저수지 및 하류하천의 수질 영향을 예측하였다.
- 또한 저수지의 모의 결과는 하류하천 구간의 경계조건으로 동일한 방법으로 적용하였다. 또한 현재 연구대상지역에 설치되어 시범 운영되고 있는 수질개선장치를 이용하여 시나리오 모의를 진행하였다.
- 또한 호소모형에서의 모의 결과를 하류하천의 유입 경계조건으로 적용하여 호소모형과 하천모형을 연계하였다.
- 호소 및 하천모형은 각각 호소 및 하류하천 구간으로 나누어 보정하였다. 보정기간은 2008년 1월 1일에서 12월 31일까지의 기간으로 설정하였으며, 호소구간 보정 모의를 위한 수리조건은 SWAT 모형의 유출량 결과를 이용하여 일별 유입량으로 입력하였다. 하류하천구간의 수리해석을 위한 유입 경계조건은 EFDC 모형의 저수지 방류량 모의 결과를 적용하였다.
- 본 연구에서는 도암댐 유역의 통합모델링시스템을 구축하기 위하여 유역모형, 호소모형, 하천모형을 연계하였으며, 호소 및 하천은 유량변화에 따른 수질영향을 통합적으로 해석하기 위해 수리모형과 수질모형을 연계하였다. 상류유역은 유역모형인 SWAT을 이용하고, 이 결과를 호소 부분의 유입 경계조건으로 적용하여 호소의 수리 및 수질모형인 EFDC-WASP의 연계를 통해 통합모델링시스템을 구축하였다.
- 본 연구에서는 도암댐 유역의 통합모델링시스템을 구축하기 위하여 유역모형, 호소모형, 하천모형을 연계하였으며, 호소 및 하천은 유량변화에 따른 수질영향을 통합적으로 해석하기 위해 수리모형과 수질모형을 연계하였다. 상류유역은 유역모형인 SWAT을 이용하고, 이 결과를 호소 부분의 유입 경계조건으로 적용하여 호소의 수리 및 수질모형인 EFDC-WASP의 연계를 통해 통합모델링시스템을 구축하였다. 또한 호소모형에서의 모의 결과를 하류하천의 유입 경계조건으로 적용하여 호소모형과 하천모형을 연계하였다.
- 본 연구에서는 저수지와 하천을 연계하여 유역의 통합적 영향을 분석하고자 하였다. 수계단위 탁수예방 기본계획 보고서(MLTM, 2010)에서 제시한 기술지침을 기반으로 유역모형인 SWAT 모형으로 상류구간의 유출 모의를 수행하고, 이 결과를 호소 및 하천모형인 EFDC-WASP의 유입 경계 조건으로 부여하여 저수지 및 하류하천의 수리 및 수질 영향을 모의할 수 있는 통합모델링시스템을 구축하였다.
- 유역유출모의를 위해 3개의 지류(차항천, 대관령천, 용평천)를 포함하는 본류(송천)을 중심으로 소유역을 구성하였으며, 유역 모형의 민감도 분석을 실시한 후 시행착오법을 이용하여 보정하였다. 특히, 유출량의 경우 기저유출은 GW_DELAY를 이용하여 최대한 오차를 줄이려고 했으며, 지표유출의 경우 SOL_AWC 등을 이용하여 최고치의 경향을 최대한 반영하도록 보정하였다.
- 최종적으로 통합수질관리시스템 구축을 검토하기 위해 보정결과를 바탕으로 시나리오를 모의하였다. 시나리오는 보정기간 동안(2008년)의 도암댐 상류부 실측 수질자료를 기반으로 도암댐 상류에 수질개선장치를 설치하여 나타나는 효과를 예측할 수 있도록 구성하였으며 모의 기간은 365일로 설정하였다.
- 유역유출모의를 위해 3개의 지류(차항천, 대관령천, 용평천)를 포함하는 본류(송천)을 중심으로 소유역을 구성하였으며, 유역 모형의 민감도 분석을 실시한 후 시행착오법을 이용하여 보정하였다. 특히, 유출량의 경우 기저유출은 GW_DELAY를 이용하여 최대한 오차를 줄이려고 했으며, 지표유출의 경우 SOL_AWC 등을 이용하여 최고치의 경향을 최대한 반영하도록 보정하였다. Fig.
- 보정기간은 2008년 1월 1일에서 12월 31일까지의 기간으로 설정하였으며, 호소구간 보정 모의를 위한 수리조건은 SWAT 모형의 유출량 결과를 이용하여 일별 유입량으로 입력하였다. 하류하천구간의 수리해석을 위한 유입 경계조건은 EFDC 모형의 저수지 방류량 모의 결과를 적용하였다. Fig.
- 호소 및 하천모형은 각각 호소 및 하류하천 구간으로 나누어 보정하였다. 보정기간은 2008년 1월 1일에서 12월 31일까지의 기간으로 설정하였으며, 호소구간 보정 모의를 위한 수리조건은 SWAT 모형의 유출량 결과를 이용하여 일별 유입량으로 입력하였다.
- 8 참조]. 호소구간과 하천구간 모두 지류가 포함되어 있지 않으므로 경계조건은 유입, 유출 2개로 지정하여 수리 및 수질모의를 실시하였다(KWF, 2011).
대상 데이터
- 하지만 발전 지역인 강릉시 남대천에서 수질 오염 문제가 야기되어 2001년부터 현재까지 발전방류가 중단된 상태이며 중단된 이후부터 송천의 하류 구간으로 자연 방류 중이다. Fig. 2는 도암댐의 수문자료를 분석한 결과로서 도암댐 유역과 가장 밀접한 대관령 기상대의 2009년 기상 자료를 이용하였다. 도암댐의 경우 홍수조절 효과가 미미하여 강우가 집중되는 하절기에 유입량과 방류량이 유사한 형태로 증가하는 것을 확인 할 수 있으며 집중호우과 같은 특정 기간을 제외하고는 EL.
- 본 연구에서는 SWAT 모형의 모의를 위해 강우, 풍속, 기온, 상대습도, 그리고 일사량 자료를 사용하였다. 강우자료는 SWAT 모형에서 유출 및 수문곡선에 큰 영향을 미치는 중요한 입력 자료로서 본 연구에서는 대상유역과 가장 인접한 대관령기상대 자료를 사용하여 2004년부터 2009년까지의 일별 강우자료를 이용하였다. 그리고 토지이용의 변화에 따른 강우-유출 관계를 해석하기 위해 도암댐 유역의 1:25,000 축척의 수치지도로부터 지형관련 Layer인 7000(주곡선), 7004(계곡선), 7217(표고점, 7311(삼각점)을 추출하고 ARC/INFO를 이용하여 Coverage, TIN, Lattice 변환과정을 거쳐 해당유역의 지형특성, 토양 및 토지이용의 공간적 분포 등을 고려한 공간해상도 30 m × 30 m의 DEM과 하천망을 제작하였다.
- EFDC-WASP 모형 구축을 위해 1:5000 수치지도를 이용하여 도암댐의 유입지점부터 방류지점까지, 그리고 하류 하천은 댐의 방류부를 유입 지점으로 하여 모의구간을 설정하였다. 격자는 호소구간과 하천구간을 각각 구성하였으며, 도암댐 부분은 수평격자 222개, Layer 3개 층으로 총 666개로 구성하였고, 하류 하천 부분은 수평격자 63개, Layer 1개 층으로 총 63개 격자로 구성하였다[Fig. 8 참조]. 호소구간과 하천구간 모두 지류가 포함되어 있지 않으므로 경계조건은 유입, 유출 2개로 지정하여 수리 및 수질모의를 실시하였다(KWF, 2011).
- 기상자료는 대관령 기상대 자료(2004∼2009년)를 사용하였으며, 도암댐 유역 내 위치한 환경부 수질측정망 자료를 이용하여 모형의 검보정을 수행하였다.
- 도암댐 유역의 과거 10년(2000년∼2009년) 동안의 수질자료를 분석하였다.
- , 2012). 또한 SWAT모형의 입력 자료는 GIS를 통해 자동으로 구성되는 유역자료, 토양자료 등과 기상, 하도추적, 농업관리 등의 자료로 구성된다. 출력자료는 유역 경계에 의해 구분된 소유역별 자료, 각 하도추적 구간별 결과로 표출된다.
- 본 연구 대상 지역인 도암댐 유역은 행정구역상 강원도 평창군 대관령면에 속하며 유역의 면적은 149.42 km2이고, 유로연장은 22.72 km이다[Fig. 1 참조]. 본류는 송천이고 지류인 차항천, 대관 령천, 그리고 용평천을 포함하고 있다.
- 본 연구에서는 SWAT 모형의 모의를 위해 강우, 풍속, 기온, 상대습도, 그리고 일사량 자료를 사용하였다. 강우자료는 SWAT 모형에서 유출 및 수문곡선에 큰 영향을 미치는 중요한 입력 자료로서 본 연구에서는 대상유역과 가장 인접한 대관령기상대 자료를 사용하여 2004년부터 2009년까지의 일별 강우자료를 이용하였다.
- 최종적으로 통합수질관리시스템 구축을 검토하기 위해 보정결과를 바탕으로 시나리오를 모의하였다. 시나리오는 보정기간 동안(2008년)의 도암댐 상류부 실측 수질자료를 기반으로 도암댐 상류에 수질개선장치를 설치하여 나타나는 효과를 예측할 수 있도록 구성하였으며 모의 기간은 365일로 설정하였다. 본 시나리오에서 사용된 수질개선장치의 제거 효율은 현재 도암댐에서 시범 가동 중인 섬유사공법(3FM)을 바탕으로 적용하였다.
- 도암댐 유역의 과거 10년(2000년∼2009년) 동안의 수질자료를 분석하였다. 환경부 수질측정망 내 도암댐 상류에 위치한 송천1 지점과 하류에 위치한 송천2 지점의 자료를 이용하였으며 그 결과는 Fig. 3과 같다. BOD, T-N, T-P의 경우, 상류의 송천1 지점에서는 수질이 나아지는 경향을 보였으나 하류의 송천2 지점에서는 미세하게 증가하는 경향을 보였다.
이론/모형
- 시나리오는 보정기간 동안(2008년)의 도암댐 상류부 실측 수질자료를 기반으로 도암댐 상류에 수질개선장치를 설치하여 나타나는 효과를 예측할 수 있도록 구성하였으며 모의 기간은 365일로 설정하였다. 본 시나리오에서 사용된 수질개선장치의 제거 효율은 현재 도암댐에서 시범 가동 중인 섬유사공법(3FM)을 바탕으로 적용하였다. 섬유사공법(3FM)은 모래여과기술과 분리막 기술을 혼합한 공법으로 유연성 섬유사를 사용하여 수중의 미립자 및 조류 등의 부유물질을 효과적으로 여과·분리하는 장치를 사용하는 공법이다.
- 본 연구는 수계단위의 탁수예방 기본계획 보고서(MLTM, 2010)을 바탕으로 도암댐 유역 통합모델링시스템을 구축하였으며 모형 적용을 위한 모식도는 Fig. 6과 같다. 유역모의는 유역으로부터 유출되는 비점오염원을 해석하기 위해 기상요소, 지형특성정보, 수문특성, 오염원자료 등을 고려할 수 있는 SWAT 모형을 이용하였다(KWF, 2011).
- EFDC 모형은 내부의 수질 모듈 외에도 WASP 모형과 연계가 가능하도록 소구간의 구성 유동 및 확산에 관한 입력 자료를 제공한다. 본 연구에서는 3차원 수리 해석을 위해 Hydrodynamics 모듈을 사용하였고 EFDC-Hydro 버전을 이용하여 WASP 모형과 연계하였다.
- 6과 같다. 유역모의는 유역으로부터 유출되는 비점오염원을 해석하기 위해 기상요소, 지형특성정보, 수문특성, 오염원자료 등을 고려할 수 있는 SWAT 모형을 이용하였다(KWF, 2011). 호소 및 하천모형(EFDC-WASP)은 EFDC 모형을 이용하여 저수지와 하류하천 구간의 유동해석을 하였고 수질예측을 위해 WASP 모형을 연계하여 사용하였다(KWF, 2011).
- 호소 및 하천모형(EFDC-WASP)은 EFDC 모형을 이용하여 저수지와 하류하천 구간의 유동해석을 하였고 수질예측을 위해 WASP 모형을 연계하여 사용하였다(KWF, 2011).
성능/효과
- 하지만 40일 이후 차츰 효과를 보이며 시간이 지날수록 수질개선정도가 증가하는 추세를 보였다. BOD, TN, TP 및 SS의 기존 농도는 각각 2.68 mg/L, 5.22 mg/L, 0.034 mg/L 및 33.31 mg/L이었으며, 수질개선장치 설치 후 삭감 농도는 각각 2.15 mg/L, 4.17 mg/L, 0.027 mg/L 및 26.65 mg/L로 호소 내 제거효율은 19～20%로 나타났다[Table 4 참조].
- 9 이상으로 높은 상관성을 보였다. 그 외 통계항목 또한 실측치 대비 모의치를 비교한 결과 호소하천모형의 구현이 잘 반영되는 것으로 나타났다.
- 9는 도암댐 유역 강우 및 유출의 보정 결과로서 시간에 따른 강우 그래프이다. 보정기간은 2004년부터 2009년까지로 R2는 평균 0.73으로 비교적 모의치가 실측치의 경향을 잘 따르는 것으로 분석되었고, RMSE는 5.98 mm/day로 나타났다.
- 개발된 통합모델링시스템의 적용성을 검토하기 위해 도암댐 상류에 시범 운영되고 있는 수질개선장치에 대한 시나리오 모의를 실시하였다. 수질개선 장치가 반영된 결과로 제거 효율은 19～21%를 보였으며 전반적으로 호소구간과 하류하천구간 모두 수질개선장치를 설치할 경우 일정정도의 수질개선효과를 얻을 수 있을 것으로 판단되었다.
- 시나리오 적용 시, 입력 자료는 도암댐 상류 유입수질 자료를 사용하고 이에 따른 모의 결과는 댐 축 부분에서 추출하였는데 초반 40일 동안은 갈수기(겨울철) 유량에 따라 댐 축까지 반영되는 도달 시간의 한계 때문이라고 판단된다. 하지만 40일 이후 차츰 효과를 보이며 시간이 지날수록 수질개선정도가 증가하는 추세를 보였다. BOD, TN, TP 및 SS의 기존 농도는 각각 2.
후속연구
- 유역은 여러 가지 요소를 포함하고 있지만 특히 유역관리의 수질모의 및 예측을 위해서는 댐 자체의 수질뿐만 아니라 하류 하천의 수질 영향도 고려하여야 한다. 본 연구의 대상 지역과 같이 농업활동이 활발하거나 레포츠 관광 사업이 발달한 곳은 유역 내의 토지이용, 오염원 현황 및 분포 등 오염물질의 거동을 파악하여 저수지 및 하류 하천의 장래 수질 영향에 대해 예측할 수 있어야 한다. 댐 하류 하천의 경우, 저수지 운영에 따라 하천의 흐름변화가 일어나고 이로 인해 수체의 거동 및 수질 변화가 발생하기 때문에 일반 하천과는 다른 특성을 지니게 된다.
- 유역모의를 위해 사용되는 SWAT 모형과 호소 및 하천 모의를 위해 사용되는 EFDC-WASP 모형은 각각의 수체 및 범위에 있어서 적용성이 높으나 두 모형의 연계를 통해 유역관리를 위한 통합모델링시스템을 구축한 사례는 드물다. 향후 대상유역의 유량 및 수질에 관한 장기 모니터링을 실시하여 본 연구에서 개발된 통합모델링시스템을 검증 및 보완하면 탁수 및 수질을 고려한 저수지운영의 의사결정지원을 위한 도구로써 매우 유용하게 활용될 것으로 판단된다.
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