[논문]금강 백제보 구간 수온성층 형성과 임계유속 관계

김동민; 박형석; 정세웅

doi:10.15681/kswe.2017.33.4.449

금강 백제보 구간 수온성층 형성과 임계유속 관계
Relationship of the Thermal Stratification and Critical Flow Velocity Near the Baekje Weir in Geum River 원문보기

한국물환경학회지 = Journal of Korean Society on Water Environment, v.33 no.4, 2017년, pp.449 - 459

김동민 (충북대학교 환경공학과) , 박형석 (충북대학교 환경공학과) , 정세웅 (충북대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In Geum River of Korea, three multi-purpose weirs were built at the downstream of Daecheong Reservoir during the Four Major River Restoration Project (FMRRP). The weirs have altered the hydraulic characteristics of the river, and consequently transformed the large areas of flowing ecosystem to deep and wide stagnant environment. In every summer, a thermal stratification occurred near the Baekje Weir having mean depth of 4.0 m, and the surface algal blooms dominated by buoyant cyanobacteria have been frequently formed after the FMRRP. The objective of this study was to investigate the relationship between flow velocity and thermal stability of the waterbody using a three-dimensional (3D) hydrodynamic model (EFDC+) after calibration against the thermistor chain data obtained in 2014. A new Sigma-Zed vertical grid system of EFDC+ that minimize the pressure gradient errors was used to better simulate the thermodynamics of the waterbody. The model reasonably simulated the vertical profiles of the observed water temperatures. The vertical mean flow velocity and the Richardson Number (Ri) that represents the stability of waterbody were estimated for various management water levels and flow rates scenarios. The results indicated that the thermal stability of the waterbody is mostly high ($Ri{\gg}0.25$) enough to establish stratification, and largely depend on the flow velocity. The critical flow velocity that can avoid a persistent thermal stratification was found to be approximately 0.1 m/s.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구의 목적은 금강 중·하류에 위치한 백제보 인근을 대상으로 3차원 수리 모델인 EFDC+를 구축하고, 보 인근에 설치한 수온계 체인으로 측정한 수심별 실측 수온자료를 이용하여 모델을 보정한 후 보의 관리수위와 하천 유량 변화 시나리오에 따른 유속과 수온성층강도 변화를 모의함으로써 수온 성층 해소에 필요한 임계 유속 값을 제시하는데 있다. 모델은 새로운 수직격자 구성방법인 Sigma-Zed를 사용하여 수평과 수직 방향의 수온, 수리변화를 모두 고려하여 모의하였으며, 하천 흐름의 변화에 따라 시·공간적으로 변하는 성층현상에 대해 모델을 보정하고 임계유속을 제시하는데 적용하였다.

제안 방법

본 연구에서 사용한 모델의 지형자료는 국토교통부가 제공한 하천 단면측량자료를 사용하여 연구대상 지역인 백제보에서 상류 8.5 km지점까지의 모델 입력수심을 구축하였고, 수평격자는 수치격자생성 프로그램(CVL_Grid)을 이용하여 구성하였다(DSI, 2016b). 수평방향은 직교곡선좌표계를 사용하였으며 횡단방향의 격자크기는 36.
본 연구에서는 금강 하류에 위치한 백제보를 대상으로EFDC+ 모델의 새로운 수직격자 구성방법인 SGZ를 적용하여 수리모델을 구축하고, 2014년 실측자료를 이용하여 모델을 보정한 후 다양한 보 관리수위와 유량 조건 시나리오에서 수온 성층변화를 모의하고 수체의 안정성과 임계유속을 평가하였다. 본 연구를 통해 도출된 주요 결론은 다음과 같다.

대상 데이터

본 연구대상 지역이 속해 있는 금강유역은 한반도 중서부에 위치하고 있으며, 유역면적은 9,912.15 km2이고 유로 연장은 397.79 km2 이다(DRCMA, 2009). 금강의 중류에 위치한 대청댐 하류에는 2012년에 완료된 4대강 사업으로 세종보, 공주보, 백제보 등 3개의 보가 건설되었으며, 연구대상지역인 백제보는 중·하류에 위치하고 있다(Fig.
본 연구의 대상지역인 백제보 구간은 상류에 인근 주요 도시의 상수원으로 사용하고 있는 용담댐과 대청댐이 위치하고 있다. 대청댐 하류의 금강 본류는 대전과 청주 등의 대형 하수처리장 방류수의 영향을 받는 갑천과 미호천 등의 오염 지류가 유입하면서 높은 영양염류 농도를 보이고있다.
수리해석을 위한 모델의 경계조건은 유입유량과 유출유량, 유입수의 수온, 기상조건 등으로 구성되어 있으며, 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)과 환경부 물환경정보시스템, 기상청 자료를 사용하였다. 본 연구대상 지역의상류에 위치한 본류유입지점은 환경부의 수질측정망이 위치한 공주2지점이며, 상류 유입량은 백제보 수위(저수량)와 총 방류량 자료를 바탕으로 물수지 분석을 통해 산정하였다.

데이터처리

백제보 수온모의를 위해 보정된 모델의 모의결과와 2014년 한 해 동안 백제보 수질측정망 실측 수온을 시계열로 비교하였다(Fig. 6). 모의 결과는 측정지점의 시·공간적인 수온변동과 수온성층이 형성되는 여름철에는 실측값을 적절히 반영하였다.

이론/모형

본 연구의 목적은 금강 중·하류에 위치한 백제보 인근을 대상으로 3차원 수리 모델인 EFDC+를 구축하고, 보 인근에 설치한 수온계 체인으로 측정한 수심별 실측 수온자료를 이용하여 모델을 보정한 후 보의 관리수위와 하천 유량 변화 시나리오에 따른 유속과 수온성층강도 변화를 모의함으로써 수온 성층 해소에 필요한 임계 유속 값을 제시하는데 있다. 모델은 새로운 수직격자 구성방법인 Sigma-Zed를 사용하여 수평과 수직 방향의 수온, 수리변화를 모두 고려하여 모의하였으며, 하천 흐름의 변화에 따라 시·공간적으로 변하는 성층현상에 대해 모델을 보정하고 임계유속을 제시하는데 적용하였다.
백제보 구간의 3차원 수리해석을 위해 Environmental Fluid Dynamics Code (EFDC)모델을 선정하였다. 기존 Full 버전의 모델에서의 수온성층 해석의 어려움을 극복하기 위해 새로운 수직격자 구성방법이 추가된 EFDC+ 모델(DSI,2016a)을 사용하였다.

성능/효과

1) 2014년 실측 자료로 모델을 보정한 결과, EFDC+ 모델은 백제보 수온의 시계열 변동 특성을 성공적으로 모의하였으며, 새로운 수직격자 구조인 SGZ는 수심별 수온 변화를 적절히 재현하였다.
2) 유량 변화 없이 관리수위를 낮추면서 흐름 유속을 증가시켜주었으나 표층의 수온감소에 비해 바닥 층의 온도변화가 미미하여 성층현상은 여전히 지속되었으며, 성층강도는 다소 약화되었으나 여전히 수체는 안정한 상태였다.
3) 백제보 구간에서는 유속 0.1 m/s에서 Ri 값이 0.25 미만으로 수온 성층이 지속적으로 형성되기 어려운 불안정상태였으며 이는 호주 Murray 강 선행연구에서 제시한 임계 유속 0.05 m/s보다 강한 유속에 해당하였다.

후속연구

4) 보 구간에서 수온성층 형성에 따른 수체의 안정성은 수위, 유량 조건뿐만이 아니라 기상조건과 성층 이력에 영향을 받기 때문에 성층 해소를 위한 적정 유량과 임계유속의 결정은 다양한 조건에서 실험과 모델링을 통해 결정해야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수온 성층화 현상은 어떠한 요소들에 영향을 미치는가?	정체 수역에서 발생하는 유해 남조류의 과잉성장 문제인 녹조의 효과적인 관리대책을 마련하기 위해서는 수체 내에서 일어나는 수온 성층에 대한 이해가 매우 중요하다. 수온 성층화 현상은 수체의 수직 난류혼합과 시·공간적인 수온, 체류시간, pH, 용존산소와 영양염류 분포 등에 영향을 미치며 남조류의 우점과도 밀접한 관계가 있다(Martin andMcCutcheon, 1999; Wetzel, 2001; Chung et al., 2014).
	보 구간이 가지는 특성은 무엇인가?	보는 하천의 하폭, 수심, 유속 등 물리적 환경 변화를 초래하였으며, 이로 인해 정체수역이 광범위하게 형성되었다. 특히, 보 구간은 저류량이 증가하고 체류시간이 늘어남에 따라 1차 생산성이 높은 폐쇄성 수역의 특징을 갖게 되었다(BAI, 2013). 이러한 하천의 수리적 인자의 변화뿐만 아니라 최근에는 기후변화에 따른 가뭄과 폭염 등의 수문기상학적 영향이 더해져 하천운영을 더욱 어렵게 하고 있다.
	백제보의 조류 과잉증식으로 인한 수질예보 추이는 어떠한가?	특히 백제보 인근은 평균수심이 약 4 m 정도임에도 불구하고 수온성층이 형성되며, 주변 농촌지역으로부터 비점오염물질이 광범위하게 유입되면서 부영양 상태에 있다. 이로 인해 4대강 사업 이후 수질예보제 운영 결과, 2012년에는 관심단계 4일에서 2013년 관심단계 44일, 2014년 관심단계 15일, 주의단계 6일, 2015년 관심단계 79일, 주의단계 12일, 2016년 관심단계 38일, 주의단계 8일 등 조류의과잉증식으로 인한 문제가 지속적으로 발생되고 있다. 환경부는 하천의 부영양화 문제를 해결하기 위해 비점오염원 대책을 수립하고 하수처리장의 총인 방류수 수질기준을 강화하였다.

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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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