[논문]EFDC 모형을 이용한 낙동강에서의 성층현상 재현성 평가

최현구; 한건연; 박준형

doi:10.12652/ksce.2017.37.3.0561

EFDC 모형을 이용한 낙동강에서의 성층현상 재현성 평가
Reproducibility Evaluation of Stratification Using EFDC Model in Nakdong River 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.37 no.3, 2017년, pp.561 - 573

최현구 (경북대학교 방재연구소) , 한건연 (경북대학교 건설환경에너지공학부) , 박준형 (국립재난안전연구원 R&D기획평가센터)

초록
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낙동강에서 다기능보의 건설과 하도의 준설로 인해 수심은 더욱 깊어졌으며 유속이 느려져 지체시간 또한 증가하였다. 이로 인해 수심이 깊은 일부구간에는 성층현상이 발생하였으며, 또한 녹조현상을 가중시키는 원인이 되었다. 본 연구에서는 저수지와 하구언에서 성층현상 재현성이 입증된 3차원 수리 수질 해석모형인 EFDC 모형을 낙동강에 적용하여 성층현상의 재현성을 평가하고자 하였다. 낙동강 수온 및 DO 성층화 현상을 재현하기 위해 낙동강 중 하류부에 EFDC 모형을 구축하고 성층화에 민감한 주요 매개변수에 대한 민감도 분석을 수행하였으며, 민감도 분석을 통해 최적의 매개변수를 선택하여 성층화를 재현하였다. 본 연구의 결과는 다양한 성층교란 시나리오 분석의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Nakdong River was recently dredged with multi-functional weirs construction. Therefore, the depth was deepened and the lag time also increased. As a result, stratification occurred in some sections with deep water depth, and it also caused the increase of algal bloom phenomenon. The purpose of this study is to evaluate reproducibility of stratification in the Nakdong River by applying the EFDC model, which is a three-dimensional hydraulic and water quality analysis model proving the reproducibility of stratification phenomena in reservoirs and estuaries. In order to reproduce the Nakdong river water temperature and DO stratification, EFDC model was constructed in the downstream part of the Nakdong river and sensitivity analysis was performed on key parameters sensitive to stratification. Sensitivity analysis was used to reproduce stratification by selecting optimal parameters. The results of this study can be used as basic data for the analysis of various destratification scenarios.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 저수지와 하구언에서 성층현상 재현성이 입증된 3차원 수리·수질 해석모형인 EFDC 모형을 이용하여 환경이 변화된 낙동강에 적용 하여 성층현상의 재현성을 평가하고자 하였다.
수리모의 결과를 보상류 500 m 지점에서 실측자료와 비교하였기 때문에 수온과 DO의 결과도 이와 가장 유사한 지점에서 비교하고자 하였다.

가설 설정

수온 경계자료는 선행연구(Ahn et al., 2011)에 서 수행된 것과 같이 기온과 수온을 선형관계로 가정하여 분석을 수행하였으며, 적용한 선형방정식은 Eq.
DO 경계자료는 수온 경계자료를 분석한 지점과 동일한 지점에서 분석을 수행하였으며, 수온과 DO의 실측자료를 이용하여 2차 방정식으로 가정하였으며 Eq.

제안 방법

격자의 평균크기는 횡방향 약 150 m, 종방향 약 450 m이며, 연직층은 성층화를 충분히 재현할 수 있도록 10개 층으로 구성하였고, 각 층의 높이가 등간격인 σ-좌표계를 적용하였다.
모형의 초기 수위조건은 대상기간 중 가장 빠른 시간인 2015년 8월 31일 0시의 각 보 상류 500 m에 위치한 수위관측소의 수위를 적용하였으며, 각 보별 강정고령보 19.55 EL.m, 달성보 14.06 EL.m, 합천창녕보 10.60 EL.m, 창녕함안보 5.15 EL.m를 적용하였다(Fig. 2).
본 연구에서 수온 입력자료는 연속된 실측자료가 존재하는 지점의 자료와 기온과의 상관분석을 통해 생성하였고, DO 입력자료는 동일 지점에서 수온과 DO의 상관관계를 이용하여 생성하였다.
본 연구에서는 시나리오 분석을 수행하기 위한 전단계로 3차원 수리·수질 모델인 EFDC 모형으로 낙동강에 서의 성층현상이 재현가능한지에 대한 평가를 수행하였다.
상류단 경계조건은 칠곡보로 유입되는 유량과 수온, DO 자료를 적용하였고, 하류단 경계조건은 창녕함안보의 방류량을 적용하였다.
수리현상의 모의가 잘 수행된 것으로 판단하여 이를 기반으로 수온 및 DO의 성층화 재현을 수행하였다.
수온과 DO의 재현에 앞서 수리모의를 수행하였으며, 실측 수위와 비교를 수행하였다.
수위는 각 보의 조고를 보정해가며 실측자료와 비교하여 보정하였으며, 실측자료는 각 보 상류 500 m에 위치한 자동관측망의 수위값을 활용하여 비교하였다.
염분, 수온과 DO의 성층화, 영양염류, Chl-a를 재현 및 모의하고, TMDL를 수행하기 위한 다양한 시나리오 분석에 적용하였다.
지형자료의 구축을 위해서 2012년 4대강 사업 준공 후의 실측단면을 포함한 HEC-RAS 자료와 2012 년과 2013년에 수행된 보 인근 상세 실측자료를 이용하여 가장 최근의 지형을 반영할 수 있도록 하였다.
측방경계조건은 금호강, 회천, 황강, 남강의 유입량과 수온, DO 자료를 적용하였으며, 내부경계조건으로는 가동보의 수문방류량, 어도방류량, 발전방류량, 고정보를 통한 월류량을 적용하였다.
(2) 수온과 DO 성층 재현을 위해 성층화와 관련된 매개변수, 수온 계산 옵션에 대해서 민감도 분석을 수행하였으며, 적합한 매개 변수의 범위을 산정하여 성층화 재현에 적용하였다.
3과 같이 구축하였으며, 기압, 건구온도(기온), 상대습도, 강우량, 일사량, 운량을 입력하였고, 증발산량은 실측자료가 없어 모형에서 자동 계산하는 방법을 적용하였다.
각 경계조건의 수리량은 실측자료를 사용하였으나, 수온 및 DO의 경우에는 연속된 실측자료가 없어 수온은 기온과의 상관관계로 분석하였고, DO는 수온과의 상관관계로 분석을 수행하여 입력 자료를 구축하였다.
격자구성은 칠곡보 상류 1 km에서 창녕함안보 하류 1 km까지 약 118 km 구간에 대해서 격자와 지형을 구축하였으며, 격자망은 낙동강 본류구간에서 횡방향 6개, 종방향 255개로 구성하여 총 1,590개로 격자망을 구축하였다.
본 연구에서는 주로 결정계수(R2), NSEC (Nash-Sutcliffe Efficiency Coefficient), RMSE (Root Mean Square Error), PBIAS (Percent BIAS, %)와 같이 4개의 지표를 이용하였으며, 각각의 결과 분석과 상관이 없다고 판단되면 4개의 지표를 전부 사용하지 않고 몇 개의 지표만을 사용하여 분석결과를 정리하였다.
본 연구에서는 EFDC 모형을 이용하여 낙동강의 수온 및 DO 성층화를 재현하였다.
성층화를 재현하는 기간은 2015년 6차 펄스방류가 포함된 8월 31일에서 9월 3일까지 총 4일에 대해서 모의를 수행하였다.
수리모의는 2015년 6차 펄스방류 기간인 2015년 8월 31일 0시부터 9월 3일 24시까지 4일에 대해 모의를 수행하였다.
앞서 구축된 경계조건과 민감도 분석에서 결정된 매개변수를 이용하여 낙동강에서의 수온과 DO의 성층화를 재현하고 실측자료와 비교를 수행하였다.
앞서 구축된 경계조건을 이용하여 초기 모형을 구축하였으며, 실측자료와 비교해가며 모형의 주요 매개변수의 민감도 분석을 수행하였다.

대상 데이터

수온과 DO의 실측자료는 보상류 1 km 지점의 실측자료를 이용하였으며, 500 m 상류의 실측자료가 있음에도 1 km 상류 지점의 위치를 설정한 이유는 보상류 쪽으로 전파되는 수리, 수질 영향을 분석하기 위해서 선택하게 되었다.
수온자료는 실시간 수질정보시스템(www.koreawqi.go.kr)과 물환경정보시스템(water.nier.go.kr)의 자료를 활용하였고, 기온자료는 기상청(www.kma.go.kr)의 자료를 이용하여 분석하였다.

이론/모형

이송 방정식의 이송항에 대해서는 중앙차분법을 사용하거나 positive definite upwind difference 방법을 사용한다.
여기서, 재포기 계수인 Kr은 O’Connor and Dobbins (1958) 방법을 적용하며, 포화산소 농도인 DOs는 Genet et al. (1974)이 제시한 실험식을 적용하였다.

성능/효과

(4) 본 연구에서는 활용가능한 실측자료가 한정적이고, 여러 가지 가정으로 인해 정확도 높은 수온과 DO 성층 재현을 하지는 못하였지만, 자연현상을 적절히 재현할 수 있었다.
밀도류의 모의 결과를 수온과 비교해보면 수온이 높은 곳은 물의 밀도가 낮으며, 반대로 수온이 낮은 곳은 물의 밀도가 높게 나타났다.

후속연구

향후 활용가능 수량과 다기능보의 펄스방류, 댐에 의한 flushing, 댐-보 연계운영 등에 따른 시나리오 분석을 통하여 다양한 상황에 대한 최적 성층교란 방법을 도출할 수 있다면, 수질.녹조 관리 의사결정에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
본 연구의 결과는 다양한 성층교란 시나리오 분석의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	4대강 사업 이후 낙동강에서 나타난 문제는 무엇인가?	4대강 사업 전에는 낙동강에서 성층현상이 발생하지 않았지만, 다기능보의 건설과 하도의 준설로 인해 낙동강의 수심은 더욱 깊어졌으며 유속이 느려져 지체시간 또한 증가하였다. 이로 인해 수심이 깊은 곳과 다기능보 인근에는 성층현상이 발생하였으며, 또한 녹조현상을 가중시키는 원인이 되었다. 낙동강에서의 성층현 상을 교란하기 위해서는 다기능보에 저장되어있는 유량을 일시에 고유량으로 방류하는 펄스방류, 지류에 위치한 다목적댐에 의한 방류(Flushing), 댐-보의 연계운영을 통한 방류 등을 고려할 수 있다.
	성층현상은 무엇인가?	성층현상이란 저수지 또는 하구언과 같이 수심이 깊고 유속이 느리며 물의 체류시간이 긴 정체수역에서 나타나는 특징으로 수온의 변화에 따른 물의 밀도차에 의하여 물의 위치가 거의 고정되는 현상이라고 할 수 있다. 수심이 깊은 호소에서 하절기와 동절기에 성층현상이 뚜렷이 나타나며, 따뜻한 표층과 찬물의 심수층으로 층이 나눠지면서 두 개의 층사이에 변온층이 존재하게 된다.
	여름철에 발생하는 성층현상의 문제는 무엇인가?	표층은 표면의 흐름과 바람의 영향을 받아 재포기가 이루어지지만, 심수층은 재포기가 안되므로 DO가 부족하게 되고 때로는 혐기상태에 이르게 되는 현상이다. 여름철에 발생하는 성층현상은 물의 수직이 동이 원활하지 않아 표층의 온도가 더욱 올라가게 되어 남조류의 성장에 좋은 여건을 만들어 녹조(algal bloom)현상을 유발하는 원인이 될 수 있다. 이렇게 성층현상이 발생하면 심수층의 DO 고갈문제와 녹조현상 등 수질문제를 유발할 수 있기 때문에 수체의 혼합을 유발하여 성층화를 교란시켜야 한다.

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