울산시의 주요 생활용수공급댐인 사연댐 상류 수몰지역 내에 국보 285호인 반구대 암각화가 위치하고 있다. 표고 53~57 m에 위치한 암각화 보존을 위한 여러 가지 방안 중, 사연댐 수위를 60 m에서 52 m로 낮추어 물 밖으로 끄집어내는 안이 주로 검토되어 왔다. 댐의 수위를 인위적으로 조절하는 경우 저수량 및 용수공급량 감소와 더불어 부영양화로 인해 수질이 나빠지게 된다. 본 연구에서는 사연댐 수위조절에 따른 수질악화로 댐의 기능상실과 수질변화로 인해 예상되는 여러 가지 문제점을 검토하였다. Vollenweider 모델과 CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) 모델을 이용하여 수위조절시 변화가 예측되는 대표적인 수질지표인 BOD 및 COD 그리고 조류성장의 주 원인이 되는 총인과 총질소의 농도변화를 분석하였다. 그 결과 사연댐의 수위를 60 m에서 52 m로 조절하는 경우, COD의 농도는 약간 낮아지지만 총질소와 총인은 약 130% 이상 농도가 증가되는 것으로 나타났다. 이러한 변화는 심각한 조류문제를 일으킬 수 있으며, 사연댐의 수질관리를 영양염류의 농도를 대상으로 하는 경우 수질이 악화되는 것으로 나타났다.
울산시의 주요 생활용수공급댐인 사연댐 상류 수몰지역 내에 국보 285호인 반구대 암각화가 위치하고 있다. 표고 53~57 m에 위치한 암각화 보존을 위한 여러 가지 방안 중, 사연댐 수위를 60 m에서 52 m로 낮추어 물 밖으로 끄집어내는 안이 주로 검토되어 왔다. 댐의 수위를 인위적으로 조절하는 경우 저수량 및 용수공급량 감소와 더불어 부영양화로 인해 수질이 나빠지게 된다. 본 연구에서는 사연댐 수위조절에 따른 수질악화로 댐의 기능상실과 수질변화로 인해 예상되는 여러 가지 문제점을 검토하였다. Vollenweider 모델과 CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) 모델을 이용하여 수위조절시 변화가 예측되는 대표적인 수질지표인 BOD 및 COD 그리고 조류성장의 주 원인이 되는 총인과 총질소의 농도변화를 분석하였다. 그 결과 사연댐의 수위를 60 m에서 52 m로 조절하는 경우, COD의 농도는 약간 낮아지지만 총질소와 총인은 약 130% 이상 농도가 증가되는 것으로 나타났다. 이러한 변화는 심각한 조류문제를 일으킬 수 있으며, 사연댐의 수질관리를 영양염류의 농도를 대상으로 하는 경우 수질이 악화되는 것으로 나타났다.
The Bangudae Petroglyphs, national treasure No. 285 is located within submerged upper districts of Sayeon dam supplying the main residential water in Ulsan. Of the many ways for the reservation of Petroglyphs located the altitude at 53~57 m, the plan that we take it out of the water lowering the wat...
The Bangudae Petroglyphs, national treasure No. 285 is located within submerged upper districts of Sayeon dam supplying the main residential water in Ulsan. Of the many ways for the reservation of Petroglyphs located the altitude at 53~57 m, the plan that we take it out of the water lowering the water level from 60 m to 52 m has been examined mainly in case of controlling artificially the water level of the dam. In this paper, we examined expected problems from the loss of dam function and the change of water quality from water deterioration caused by the water level control of the Sayeon dam. Using the model of Vollenweider and CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor), we analyzed the density change of BOD and COD, representative water quality index and the TP and TN, the main reason of algae growth. The result showed that the density of COD lowered a little but the density of TP and TN went up over 130% when controlling the water level from 60 m to 52 m. These changes cause a serious algae problem and if doing the water quality management as the density of TN and TP, the water quality would become worse. Water storage and supply residential water decreases, and the water quality becomes worse because of eutrophic state.
The Bangudae Petroglyphs, national treasure No. 285 is located within submerged upper districts of Sayeon dam supplying the main residential water in Ulsan. Of the many ways for the reservation of Petroglyphs located the altitude at 53~57 m, the plan that we take it out of the water lowering the water level from 60 m to 52 m has been examined mainly in case of controlling artificially the water level of the dam. In this paper, we examined expected problems from the loss of dam function and the change of water quality from water deterioration caused by the water level control of the Sayeon dam. Using the model of Vollenweider and CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor), we analyzed the density change of BOD and COD, representative water quality index and the TP and TN, the main reason of algae growth. The result showed that the density of COD lowered a little but the density of TP and TN went up over 130% when controlling the water level from 60 m to 52 m. These changes cause a serious algae problem and if doing the water quality management as the density of TN and TP, the water quality would become worse. Water storage and supply residential water decreases, and the water quality becomes worse because of eutrophic state.
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문제 정의
그동안 사연댐의 수위를 60 m에서 52 m로 낮추는 경우, 저수량 감소로 인한 용수공급량의 부족현상과 감소량의 추정이 주된 관심사였었고 수질도 악화될 것으로 막연히 예상만 하여왔다. 본 연구에서는 수위조절에 따른 수질악화로 울산시 주요 상수원인 사연댐의 기능상실과 수질변화로 인해 예상되는 여러 가지 문제점을 검토하는데 주안점을 두었다. 이를 위해 사연댐 수위조절시 변화가 예측되는 대표적인 수질지표인 BOD, COD 그리고 조류성장의 원인이 되는 영양염류인 총인(TP)과 총질소(TN)의 농도변화를 대상으로 수치모델을 활용하여 예측하였다.
제안 방법
일반적으로 호소의 오염도 평가는 부영양화의 예측과 유기물 및 영양염류의 농도 변화를 기준으로 결정되며, 본 연구에서는 Vollenweider 모델을 통한 부영양화를 예측하였다. 그리고 COD나 영양염류의 예측은 물질수지에 근거한 호소를 하나의 반응기로 가정하고 접근하는 방법인 CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) 모델을 통해 간단한 경향을 파악하였다.
대청호 본류 7개 지점과 유입지류 8개 지점을 선정하여 측정된 환경부 수질자료 분석을 통해 시·공간적 변이와 유입지류에 의한 대청호 수질의 영향을 분석하여 대청호 수질개선 방안을 제시하였다(Kim et al., 2012).
또한 CSTR 모델에서 가장 중요한 용출부하량 자료는 실측된 자료가 없기 때문에 저수면적의 0～50%로 단계적 가정하에서 용출부하량을 결정하였다. 그리고 수질항목별 반응계수는 Table 10과 같이 연 평균값을 기준으로 보정 후 예측을 시행하였다.
그리고 CSTR 수질예측 모델의 입력자료는 실험과 직접측정을 통해 결정해야 한다. 본 연구의 수질 및 유량자료는 기존 보고서의 실제 측정자료를 활용하였고, 기타 반응계수 및 용출계수 등의 자료는 기존 문헌에서 추출하여 사연댐 수질예측에 적용하였다. 수질 및 유입 유량에 관한 입력자료는 Table 7에 제시하였으며, 사연댐 수질자료는 환경부 측정망 사연2 지점의 2009∼2010년까지 3년 평균농도를 근거로 하였다.
울산시 상수도본부의 사연댐 유·출입 유량자료와 2008∼2010년까지 환경부 수질측정망 자료, 그리고 한국수자원공사의 대곡 및 사연댐 상류지역 수질조사 보고서의 자료를 근거로 사연댐 수위조절시 예상되는 수질변화를 Vollenweider 모델과 CSTR 모델로 예측하였다.
본 연구에서는 수위조절에 따른 수질악화로 울산시 주요 상수원인 사연댐의 기능상실과 수질변화로 인해 예상되는 여러 가지 문제점을 검토하는데 주안점을 두었다. 이를 위해 사연댐 수위조절시 변화가 예측되는 대표적인 수질지표인 BOD, COD 그리고 조류성장의 원인이 되는 영양염류인 총인(TP)과 총질소(TN)의 농도변화를 대상으로 수치모델을 활용하여 예측하였다.
이에 대한 연구로는 댐저수지 유역의 오염부하 특성조사를 강우기와 비강우기로 나누어 섬진강댐 저수지 상류 유입하천에 대한 수질조사와 BOD, COD, T-N과 T-P에 대한 분석을 실시하였다(Lee and Kang, 2000). 보령 담수호의 수질보전을 위해 각 소유역 농업용저수지의 수질분석을 통한 갈수기 농업유역과 관개기간 동안 하천 및 농경지로 유입되는 오염원의 적정 관리방안을 제시하였고(Choi et al.
일반적으로 호소의 오염도 평가는 부영양화의 예측과 유기물 및 영양염류의 농도 변화를 기준으로 결정되며, 본 연구에서는 Vollenweider 모델을 통한 부영양화를 예측하였다. 그리고 COD나 영양염류의 예측은 물질수지에 근거한 호소를 하나의 반응기로 가정하고 접근하는 방법인 CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) 모델을 통해 간단한 경향을 파악하였다.
대상 데이터
사연댐의 수질모델을 구성하기 위해서 Fig. 4와 같은 유역도를 근거로 수질조사 및 유량조사 자료를 활용하였다. 수질측정지점으로 구량천, 반곡천, 대곡천2 지점이 있으며, 구량천, 반곡천의 수질 자료는 한국수자원공사의 보고서에서 조사된 자료를 이용하였고(K.
수질모델 자료로 입력하기 위한 각 지점별 수질자료는 2008∼2010년까지의 한국수자원공사 보고서와 환경부 수질측정망 자료를 평균하여 사용하였다.
4와 같은 유역도를 근거로 수질조사 및 유량조사 자료를 활용하였다. 수질측정지점으로 구량천, 반곡천, 대곡천2 지점이 있으며, 구량천, 반곡천의 수질 자료는 한국수자원공사의 보고서에서 조사된 자료를 이용하였고(K.W.R.C., 2008～2010), 대곡천2 지점은 환경부 수질측정망 자료를 사용하였다. 수질모델 자료로 입력하기 위한 각 지점별 수질자료는 2008∼2010년까지의 한국수자원공사 보고서와 환경부 수질측정망 자료를 평균하여 사용하였다.
그 이유는 두 기관의 측정지점은 도일하나 환경부에서는 매월 1회씩 정기적으로 분석하지만 한국수자원공사는 부정기적으로 분석하므로 평균하여 변수를 단순화시켰다. 유량자료는 울산시 상수도사업본부 사연댐 자체유입량 자료와 한국수자원공사 보고서의 구량천과 반곡천 유량자료를 분석하여 유량배분을 계산한 후 모델에 적용하였다.
이론/모형
사연댐 수위를 60 m에서 52 m로 조절할 경우의 수질변화를 예측하기 위해 Vollenweider 모델과 CSTR 모델을 활용하여 분석하였다. 일반적으로 댐이나 호소를 대상으로 수질변화를 예측하는 모델로는 미국 EPA에서 개발한WASP 모델과 미육군 공병단에서 개발한 WQRRS, CEQUAL-W2모델 등 2차원, 3차원 동적수질모델로 판단하는 것이 적절하지만, 물질수지에 근거한 1차 반응역학 개념의 CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) 모델을 통해 경향파악을 시도하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
안동댐을 대상으로 호소수의 오염물질 중 대표인자인 BOD, T-N, T-P 시·공간적 거동을 파악하기 위해 WASP7 모델을 이용하여 저수지의 수위와 방류조건에 따른 수질변화를 예측하였다(Kim, 2008).
호소 수질예측을 위해 동적수질모델을 적용할 경우, 계절변화에 따른 수질데이터와 유황자료 등 다양한 입력자료를 통해 수체내 복잡한 수질 메커니즘을 수치해석적 방법으로 분석하여야 한다. 하지만 현재 이러한 복잡한 수질예측 변수자료의 산출과 실측자료 부족 그리고 동적모델의 구동에 따른 시간적 제한 등으로 현 상황에서 시뮬레이션하기에는 불가능하므로 본 연구에서는 1차원 모델인 CSTR 모델을 활용하였다. CSTR 모델은 기존의 상업화된 동적수질모델과 비교하여 상대적인 수질예측의 정확도와 신뢰성은 떨어지지만 호소내 오염물질 농도를 증가시키는 유입부하와 오염물질 농도를 감소시키는 유출, 반응, 침강, 용출 등을 고려할 수 있다.
성능/효과
CSTR 모델 예측결과, 사연댐을 수위조절 할 경우 체류시간은 151.5일에서 68.9일로 약 55% 감소하였다. 비점오염원이나 기타 급격한 오염유입량의 변화가 없는 조건에서 댐내부의 용출부하량 변화에 따라 COD는 전반적으로 감소하며, 총질소(TN)와 총인(TP)의 경우는 증가하는 경향을 보였다.
CSTR 모델을 이용하여, 사연댐의 수위를 조절하는 경우에 대한 수질변화에 대한 분석결과, 체류시간은 151.5일에서 68.9일로 약 55% 감소하는 것으로 나타났다. 체류시간 감소와 유입 오염부하량을 고려한 상황에서 COD 농도는 수위조절시 용출부하량 0%일 때 3.
질소와 인 같은 영양염류는 COD와 같은 유기물과는 달리 댐 내의 조류번성을 유발시키는 원인물질이며, 수위조절로 인한 농도증가는 현재보다 심각한 조류문제를 유발시킬 수 있는 것으로 판단된다. 따라서 COD 보다는 영양염류 농도를 기준으로 수질관리를 평가할 경우, 사연댐 수위조절은 수질을 더욱 악화시키는 것으로 나타났다.
9일로 약 55% 감소하였다. 비점오염원이나 기타 급격한 오염유입량의 변화가 없는 조건에서 댐내부의 용출부하량 변화에 따라 COD는 전반적으로 감소하며, 총질소(TN)와 총인(TP)의 경우는 증가하는 경향을 보였다. 특히, 용출부하량이 거의 없는 상태에서도 영양염류의 증가가 진행되는 것은 사연댐의 영양염류 농도보다 유입되는 영양염류의 농도가 높아 사연댐 수위조절시 호소내 가장 중요한 부영양화 문제가 상대적으로 심각해질 개연성이 높은 것으로 판단된다.
사연댐의 측정된 2008∼2010년까지 연평균 총인 농도로 부영양화를 판단할 경우, 전술된 USEPA 자료와 Vollenweider 영양도 분류기준에 근거하면 현재 중영양 단계에 있는 것으로 판단된다. 사연댐 수위조절로 인한 Vollenweider 모형의 평가 결과, Fig. 5에 나타낸 바와 같이 현재 중영양상태에서 60 m에서 52 m로 수위가 낮아질 경우에도 동일한 영양상태인 중영양상태를 유지하는 것으로 판단된다. 하지만 상대적으로 수위가 52 m로 조절될 경우에는 부영양화(Eutrophication) 가능성이 더 높아지는 것으로 나타났다.
사연댐의 Vollenweider 모델 적용 결과, 60 m에서 52 m로 수위가 낮아질 경우 급격한 부영양상태로 변화하는 것이 아니라 현재의 중영양상태를 유지하는 것으로 나타났다. 하지만 수위가 52 m로 조절될 경우에는 상대적으로 부영양화(Eutrophication) 가능성이 더 높아지는 것으로 분석되었다.
97 mg/L에 비해 약 225% 높은 것으로 조사되었다. 수위를 60 m에서 52 m로 조절하고 용출부하량 0%로 가정할 경우, 질소의 예측된 농도는 1.34 mg/L로서 평균농도 대비 약 138%로 급격히 증가하는 것으로 분석되었다. 따라서 수위조절로 인한 체류시간 감소가 오히려 사연댐 내부 질소 농도를 증가시키는 원인이 되는 것으로 판단된다.
016 mg/L에 비해 약 144% 높은 것으로 조사되었다. 수위조절로 인한 사연댐 내부 인농도 0.016 mg/L에 대해 분석한 결과 용출부하량 0%일 때 0.018 mg/L이고 용출부하량 50%일 때 0.021 mg/L 로서 약 113～131%로 급격히 증가하였으며, 체류시간 감소가 사연댐 내부 인 농도를 증가시키는 것으로 나타났다.
특히, 용출부하량이 거의 없는 상태에서도 영양염류의 증가가 진행되는 것은 사연댐의 영양염류 농도보다 유입되는 영양염류의 농도가 높아 사연댐 수위조절시 호소내 가장 중요한 부영양화 문제가 상대적으로 심각해질 개연성이 높은 것으로 판단된다. 즉 COD 농도는 수위조절시 용출부하량 0%일 때 3.79 mg/L에서 3.64 mg/L로 4%정도 낮아졌으며, 질소는 수위조절시 용출부하량 0%일 때 0.97 mg/L에서 1.34 mg/L로 138% 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 인의 경우는 0.
질소의 경우는 COD의 경우와 달리 최근 3년간 사연댐 평균 유입농도가 2.18 mg/L로 내부 평균농도 0.97 mg/L에 비해 약 225% 높은 것으로 조사되었다. 수위를 60 m에서 52 m로 조절하고 용출부하량 0%로 가정할 경우, 질소의 예측된 농도는 1.
9일로 약 55% 감소하는 것으로 나타났다. 체류시간 감소와 유입 오염부하량을 고려한 상황에서 COD 농도는 수위조절시 용출부하량 0%일 때 3.79 mg/L에서3.64 mg/L로 4%정도로 약간 낮아지는 경향을 보였다. 이는 사연댐으로 유입되는 외부 유입수질이 사연댐 내부 평균 COD 농도보다 양호하여 나타난 결과로 판단된다.
후속연구
사연댐을 1차원 완전혼합반응조 형태의 개념으로 접근한 CSTR 수질예측 모델의 한계성과 문헌자료에 근거한 반응계수 산정 그리고 퇴적물 분석이 없는 상태에서 가정한 용출면적 등을 고려하면, 향후 3차원 동적모델을 활용한 정밀한 조사분석과 예측을 통해 보다 정확한 수질변화분석이 필요한 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
댐의 인위적 수위조절이나 가뭄 등에 의해 저수량이 감소하는 경우 나타날 수 있는 문제점은?
5만톤 감소하게 되므로, 이를 보충하기 위한 대체 수원으로 운문댐의 물을 끌어오는 계획이다. 댐의 인위적 수위조절이나 가뭄 등에 의해 저수량이 감소하는 경우, 부영양화로 댐의 수질이 나빠지게 된다.
2025 수도정비 기본계획의 일환으로 연계되어 있는 사업은?
2009년 12월 국토해양부가 고시하였던 ‘2025 수도정비 기본계획’의 일환으로 ‘대구·경북지역 맑은 물 공급사업’은 ‘울산지역 맑은물 공급사업’과도 직접 연계되어 있다. 그런데 2011년 한국개발연구원의 용역결과 대구·경북 맑은 물 공급사업의 경제성이 없는 것으로 평가되어 두 사업 모두 중단된 상태이다.
2013년 한국의 강우현상의 지역별 양극화 현상은 어떻게 나타났는가?
2013년 우리나라의 강우현상을 살펴보면 지역별 양극화 현상이 매우 뚜렷하다. 6월 중순경 까지는 남부지역을 중심으로 비교적 많은 비가 내릴 때 중부지역은 거의 비가 내리지 않았으나, 지난 2개월 동안은 오히려 중부지역은 한 달 넘게 장마가 지속된 반면 울산, 포항 및 경주 등 동남부 지역은 극심한 폭염과 여름 가뭄현상이 나타나고 있다. 수년전 환경부에서는 수자원의 효율적 이용과 관리를 위해 우리나라를 9개 권역으로 나누어 각 권역별로 공동으로 이용할 수 있는 합리적인 안을 마련한 바 있으나, 정부 유관부처의 이해관계와 각 지자체간의 수리권 다툼으로 활용되지 못하고 있는 실정이다.
참고문헌 (12)
Bachmann, R.W., and D.E. Canfield, Jr. (1979). Role of Sedimentation in the Phosphorus Budget of Natural and Artificial Iowa Lakes, Project A-063-1A, Iowa State Univ. Ames, IA, p. 95
Chapra, S.C., and Tarapchak, S.J. (1976). "A Chlorophyll a Model and Its Relationship to Phosphorus Loading Plots for Lakes." Watre Res. Res., Vol. 12, No. 6, pp. 1260-1264.
Choi, J.K., Son, J.G., Koo, J.W., and Kim, Y.J. (2001). "Water quality of the agricultural reservoirs in Boryung watershed." J. of Korean Society of Rural Planning, Vol. 7, No. 1, pp. 89-98.
Higgins, J.M., and Kim, B.R. (1981). "Phosphorus Retention Models for Tennessee Valley Authority Reservoirs." Water Res. Res. Vol. 17, No. 3, pp. 571-576.
Kim, G.H., Lee, J.H., and An, K.G. (2012). "Spatio-temporal fluctuations with influences of inflowing tributary streams on water quality in Daecheong reservoir." J. Korean Society for Integrative Biology, Vol. 45, No. 2, pp. 158-173.
Kim, H.S., and Hwang, S.J. (2004). "Seasonal variation of water quality in a shallow eutrophic reservoir." J. Korean Society for Integrative Biology, Vol. 37, No. 2, pp. 180-192.
Kim, S.J. (2008). A prediction of the quality of water according to both a water level of a reservoir and a outflow condition. Master's thesis. University of Kyungil, Hanyang-gup, Gyeongsan-si, Gyeongbuk, Korea.
Korea Water Resources Corporation (2008-2010). Report of water quality monitoring of the upper region of Daegok and Sayoun Dam.
Lee, Y.S., and Kang, B.S. (2000). "Characteristics of pollutant load from a dam feservoir watershed-Case study on Seomjinkang dam reservoir-." J. of Korean Water Resources Association, Vol. 33, No. 6, pp. 757-764.
Rast, W., and Lee, G.F. (1978). Summary Analysis of the North Americal (US Portion) OECD Eutrophication Project: Nutrient Loading-Lake Response Relationship and Trophic State Indices, USEPA, Corvallis Environmental Reserch Laboratory, Corvallis, OR 454, pp. EPA-600/3-78-008
USEPA. (1974). The Relationship of Phosphorus and Nitrogen to the Trophic State of Northeast and North-Central Lakes and Reservoirs, National Eutrophication Survey Working Paper No. 23.
Yi, J.U., and Kwon, D.S. (2007). "Effects on conservation and flood control systems according in normal water level change from Daechung multi-purpose reservoir." J. of Korea Water Resources Association, Vol. 40, No. 1, pp. 1-10.
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