[논문]극한사상에 대한 탁수 저감 및 관리기술 개발 소개

정세웅; 박형석

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물과 미래 : 한국수자원학회지 = Water for future, v.50 no.6, 2017년, pp.50 - 57

정세웅 (충북대학교 환경공학과) , 박형석 (충북대학교 환경공학과)

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문제 정의

본 글의 목적은 국토교통부의 재정지원으로 진행 중인 “기후변화 대비 수자원 적응기술 개발 연구단(2014~2019)”의 제3세부과제 “기후변화 대비 유역관리 적응기술”의 단위과제인 “극한사상에 대한 탁수 저감 및 관리기술 개발”의 내용을 소개하는데 있다.
본 연구에서는 소양호를 대상으로 초기 저수위 및 선택취수 설비 운영에 따른 탁수영향을 평가하였으며, 그림 3의 절차에 따라 탁수 피해를 최소화 할 수 있는 운영 안을 제시하였다. 향후, 범위를 확장하여 댐-보-하천 연계 시스템에 대한 탁수 관리 및 대응 기술을 개발하고자 한다.
본 연구에서는 탁수 거동예측 기술의 고도화를 목표로 기존 탁수예측모형(W2)의 유사 모의 기능을 분석하고 모델 수정을 통해 예측 성능을 개선하고자 하였다. 기존 W2모델은 여러 개의 그룹으로 구분하여 SS 모의가 가능하나, 사용자가 결정할 수 있는 변수는 침강속도상수이다.

제안 방법

따라서, 기후변화로 예상되는 극한 탁수사상에 대한 탁수 예측모델의 성능개선을 위해서 기존 모델의 구조 및 소스코드를 분석하였으며, 수온에 따른 밀도 변화 모의 기능(Stoke’s 식) 및 점착성 유사 모의 기능(Hwang and Mehta 식)을 추가 하였다.
극한사상에 대한 저수지와 하류 하천의 장기 탁수 발생 예측 및 관리기술 개발을 위해 북한강 수계의 소양강댐 및 의암-청평-팔당댐 구간을 대상으로 W2모델을 구성하였으며, 기왕 최대의 탁수사상이 발생했던 2006년과 2007년 수문사상을 대상으로 모델 검정을 수행하였다. 모델링 결과를 바탕으로 각 저수지별 유입 및 방류 최고 TSS, 탁수 방류일수, 탁수점유율 등 탁수 관련 인자에 대한 평가를 수행하였으며, 그 결과를 기후변화에 따른 탁수영향평가의 지표로 활용하였다.
미래 기후변화에 따른 탁수 영향 평가를 위해 APCC RCP 4.5 HadGEM2_AO 시나리오를 적용하여 SWAT모형을 통해 모의한 2013년 ~ 2099년의 소양강댐의 일 단위 유입 유량자료를 분석하였다. 모의기간동안 평균 일별 유입량은 50.
0 CMS이며, 미래로 갈수록 유입유량의 강도가 커지는 것으로 나타났다. 분석 결과를 토대로 기후변화에 따른 극한수문사상(2053~2054년도)을 선정하여 탁수모델링을 수행하였으며, 소양호 및 하류하천에 미치는 영향에 대해 평가하였다. 2054년에 발생한 탁수사상의 최고 방류 TSS농도는 소양호 2,250 mg/L, 의 암호 548.
따라서, 기후변화로 예상되는 극한 탁수사상에 대한 탁수 예측모델의 성능개선을 위해서 기존 모델의 구조 및 소스코드를 분석하였으며, 수온에 따른 밀도 변화 모의 기능(Stoke’s 식) 및 점착성 유사 모의 기능(Hwang and Mehta 식)을 추가 하였다. 수정된 모델은 연구대상지역인 소양호를 대상으로 적용성을 평가하였다.
, 2013). 이 연구에서 사용한 수치모델은 CE-QUAL-W2이며 오랜 기간 탁도 모델링의 성능향상을 위한 모니터링과 모델링 기술을 개발하였다. 기후변화 연구결과 겨울철의 하천 평균 유출량은 12~20% 증가하는 것으로 전망되었으며, 저수지 내 탁도는 2046~2065년 동안 11%, 2081~2100년 동안 17% 증가하는 것으로 전망되었다.

대상 데이터

극한사상에 대한 저수지와 하류 하천의 장기 탁수 발생 예측 및 관리기술 개발을 위해 북한강 수계의 소양강댐 및 의암-청평-팔당댐 구간을 대상으로 W2모델을 구성하였으며, 기왕 최대의 탁수사상이 발생했던 2006년과 2007년 수문사상을 대상으로 모델 검정을 수행하였다. 모델링 결과를 바탕으로 각 저수지별 유입 및 방류 최고 TSS, 탁수 방류일수, 탁수점유율 등 탁수 관련 인자에 대한 평가를 수행하였으며, 그 결과를 기후변화에 따른 탁수영향평가의 지표로 활용하였다.
본 연구는 3-4 세세부과제인 “극한사상에 대한 유역의 탄력적 대응 및 복원기술 개발”의 단위과제로 포함되어 있으며, 본 단위과제의 연차별 연구 내용은 그림 1과 같다.

성능/효과

기후변화 연구결과 겨울철의 하천 평균 유출량은 12~20% 증가하는 것으로 전망되었으며, 저수지 내 탁도는 2046~2065년 동안 11%, 2081~2100년 동안 17% 증가하는 것으로 전망되었다.
5 HadGEM2_AO 시나리오를 적용하여 SWAT모형을 통해 모의한 2013년 ~ 2099년의 소양강댐의 일 단위 유입 유량자료를 분석하였다. 모의기간동안 평균 일별 유입량은 50.9 CMS, 최대 일별 유입량은 6,668.0 CMS이며, 미래로 갈수록 유입유량의 강도가 커지는 것으로 나타났다. 분석 결과를 토대로 기후변화에 따른 극한수문사상(2053~2054년도)을 선정하여 탁수모델링을 수행하였으며, 소양호 및 하류하천에 미치는 영향에 대해 평가하였다.
뉴욕주는 기후변화에 따른 탁수 적응대책들을 수립하기 위해 수치모델 CE-QUAL-W2와 저수지 운영시스템 Oasis를 연계하여 모의분석을 수행한 바 있다. 이 연구에서는 수리 구조물의 신설과 확장, 운영조건 변경 등 호 내에서 탁수 발생 후 대책에 대한 연구가 진행되었으며, 대책 적용 시 일정부분 탁수저감에 효과가 있는 것으로 나타났다(그림2). 저수지 탁수 모니터링을 위해 원격탐사 기술을 활용하는 연구도 활발하다.

후속연구

특히 4대강 사업으로 댐 하류 하천 구간 내 다기능 보가 연속하여 설치되어 있어 댐 저수지로부터 방류된 탁수는 하천구간에서도 장기화될 가능성이 높다. 따라서 기후변화로 인한 유역의 탁수발생 변화를 정량적으로 분석하고 수자원공급시설의 취약성을 평가할 필요가 있으며, 지속가능한 양질의 수자원 공급을 위해서는 탁수에 대한 체계적인 연구 및 적절한 관리와 저감 기술이 필요하다. 또한, 적응적 상수원 수질관리를 위해서는 유역의 토양유실 억제, 시가화지역의 불투면 저감, 비점오염부하량 삭감 등 정부차원의 보다 적극적인 유역관리 대책 마련이 필요한 것으로 판단된다.
따라서 기후변화로 인한 유역의 탁수발생 변화를 정량적으로 분석하고 수자원공급시설의 취약성을 평가할 필요가 있으며, 지속가능한 양질의 수자원 공급을 위해서는 탁수에 대한 체계적인 연구 및 적절한 관리와 저감 기술이 필요하다. 또한, 적응적 상수원 수질관리를 위해서는 유역의 토양유실 억제, 시가화지역의 불투면 저감, 비점오염부하량 삭감 등 정부차원의 보다 적극적인 유역관리 대책 마련이 필요한 것으로 판단된다.
탁수 저감을 위한 관리 기술은 신속하고 정확한 모니터링과 과학적인 예측 기술, 극한 탁수 발생 시 취·정수장 수처리 대응 기술, 그리고 유역 내 토양 침식량 저감과 저수지로 유입한 탁수의 장기화를 최소화 하는 댐 운영 기술을 포함한다. 미래 기후변화에서도 지속가능한 수자원의 이용과 보존을 위해서는 예상되는 극한 사상에 대해 탁수 피해를 최소화하기 위한 국가적 차원의 대응 전략이 조속히 마련되어야 하며, 본 연구 결과는 이러한 전략 수립과 최적 댐 운영 기술 개발의 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.
본 연구에서는 소양호를 대상으로 초기 저수위 및 선택취수 설비 운영에 따른 탁수영향을 평가하였으며, 그림 3의 절차에 따라 탁수 피해를 최소화 할 수 있는 운영 안을 제시하였다. 향후, 범위를 확장하여 댐-보-하천 연계 시스템에 대한 탁수 관리 및 대응 기술을 개발하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탁수란 무엇인가?	탁수(turbid water, 濁水)란 수중에 존재하는 무기 및 유기 물질에 의해 빛이 산란 또는 흡수되어 그 결과로 빛 투과능이 저하되어 혼탁해 진 상태를 말한다. 탁수를 유발하는 원인물질에는 물 속에 포함된 토양 입자, 입자상 및 용존상 유기물질, 식물성플랑크톤이나 그 밖의 미생물, 퇴적층 부상물질 등이 있다.
	탁수가 발생하는 다양한 사회·환경적 문제는?	국내 하천과 저수지에서 발생하는 장기간 탁수 현상은 상류 유역의 토지이용과 댐을 이용한 수자원 확보 등 인위적인 요인 때문에 발생하는 경우가 많다. 탁수는 유역으로부터 유출된 토사와 비점오염물질을 다량 포함하고 있어 하천과 저수지의 부영양화뿐만 아니라 빛 투과능 저하에 따른 수생태계 1차 생산량 감소, 탁질에 의한 어류 폐사, 어류의 종 다양성 감소, 정수처리 비용 증가, 하천의 관광 어매니티(amenity) 저하 등의 문제 등 다양한 사회·환경적 문제를 유발한다.
	탁수문제는 강수량과 강우강도와 어떤 관계가 있는가?	탁수문제는 기상과 밀접한 관계가 있다. 즉, 강수량이 많을수록 그리고 강우강도가 강할수록 유역에서 토양 침식작용이 활발해져 하천과 저수지의 부유물질 농도와 탁도를 증가시키게 된다(Mimikou et al., 2000).

참고문헌 (13)

Borok, 2014, Turbidity Technical Review : Summary of Sources, Effects, and Issues Related to Revising the Statewide Water Quality Standard for Turbidity
Chung, S.W., J.K. Oh, 2006, Calibration of CE-QUAL-W2 for a Monomictic Reservoir in Monsoon Climate Area, Water Science and Technology, 54(12) pp. 29-37.
de Kok, J. L. and wind, H. G., 2003, Design and application of decision-support systems for integrated water management: lessons to be learnt. Phys. Chem. Earth, 28, pp. 571-578

상세보기
Farrell, G. J. and Stefan, H. G., 1988, Mathematical modeling of plunging reservoir flows, Journal of Hydraulic Research, 26(5), pp. 123-147.
Fernandez, R. L., M. Bonansea, M. Marques., 2014, Monitoring Turbid Plume Behavior from Landsat Imagery. Water Resources Management, 28(10), pp. 3255-3269.

상세보기
Imberger, J. and Patterson, J. C., 1990, Physical Limnology. In Wu, T.[ed.] Advances in Applied Mechanics, 27, pp. 302-475.
Miller, K.A., Yates, D., 2006, Climate Change and Water Resources: A Primer for Municipal Water Providers
Mimikou, M., Blatas, E., Varanaou E., Pantazis, K., 2000, Regional impacts of climate change on water resources quantity and quality indicators. J. Hydrol., 234, 95-109.

상세보기
New York City, 2009, Implicit Climate Change Adaption : Modifying System operations for Turbidity Control
Potes, M., Costa, M. J., and Salgado, R., 2012, Satellite remote sensing of water turbidity in Alqueva reservoir and implications on lake modelling, Hydrol. Earth Syst. Sci., 16, pp. 1623-1633.

상세보기
Samal, N. R., Matonse, Adao. H., Mukundan, R., Zion, M. S., Pierson, D. C., Gelda, R. K. and Schneiderman, E. M., 2013, Modelling potential effects of climate change on winter turbidity loading in the Ashokan Reservoir, NY. Hydrol. Process., 27, pp. 3061-3074.

상세보기
U. S. EPA(2007) Mad River Total Maximum Daily Loads for Sediment and Turbidity
한국정책평가연구원, 2005, 유역관리를 통한 다목적댐 저수지의 효율적인 탁수관리방안.

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