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문제 정의
- 본 연구에서는 북한강 수계에 위치한 소양호와 그 하류 팔당호 구간을 대상으로 2차원 수리 수질 모델을 구축하고, 대규모 탁수사상 발생에 따른 소양호 하류 댐 저수지군에서의 탁수의 도달시간, 밀도류 거동 특성, 고탁수 지속시간 등에 대한 분석을 수행하였다. 본 논문에서 도출된 주요결론을 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구의 목적은 소양강댐 건설 이후 최대 규모의 탁수가 발생한 홍수사상을 대상으로 북한강 수계의 소양강댐 및 그 하류 댐 저수지군(의암-청평-팔당)에서의 탁수 유동 특성을 분석하고, 탁수의 장기화가 수도권 상수원수에 미치는 영향을 평가하는데 있다. 대규모 탁수사상 발생에 따른 소양호 내 탁수 유동해석과 하류 저수지군에서의 탁수 도달과 지속시간에 대한 수치모의를 위해 W2모델을 적용하였으며, 특히 수도권의 주요 상수원인 팔당호에서 탁수의 도달시간, 밀도류 거동 특성, 고탁수 지속시간 등의 영향을 평가하였다.
제안 방법
- 4) 소양호 및 팔당호대상 밀도류 거동특성을 분석하였다. 2006년 소양호로 유입한 탁수는 EL.
- 대규모 탁수사상 발생 이후 소양호에서 고탁수 방류가 장기화 될 경우 하류 구간에 미치는 영향을 파악하기 위해, 2006년과 2007년 2년에 걸쳐 연속된 수문사상에 대해 탁수 모의를 수행하였다. 소양호의 방류량 및 수질을 의암-청평-팔당호 모델의 경계조건으로 활용하였다.
- 본 연구의 목적은 소양강댐 건설 이후 최대 규모의 탁수가 발생한 홍수사상을 대상으로 북한강 수계의 소양강댐 및 그 하류 댐 저수지군(의암-청평-팔당)에서의 탁수 유동 특성을 분석하고, 탁수의 장기화가 수도권 상수원수에 미치는 영향을 평가하는데 있다. 대규모 탁수사상 발생에 따른 소양호 내 탁수 유동해석과 하류 저수지군에서의 탁수 도달과 지속시간에 대한 수치모의를 위해 W2모델을 적용하였으며, 특히 수도권의 주요 상수원인 팔당호에서 탁수의 도달시간, 밀도류 거동 특성, 고탁수 지속시간 등의 영향을 평가하였다. 본 연구결과는 향후 기후변화의 자주 발생할 것으로 전망되는 극한 탁수 사상에 대한 탁수예측 및 대응기술 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 모델 구동에 필요한 초기조건은 저수위와 수심별 수온 및 TSS 농도 등이며, 한국수자원공사 및 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)에서 제공하는 댐 운영자료를 바탕으로 각 댐의 초기수위를 설정하였다. 또한, 환경부 물환경정보시스템의 측정망 자료(소양강댐1, 의암댐1, 청평댐1, 팔당댐2 지점)를 활용하여 각 댐별 모의 시작 시점의 초기 수온 및 수질 농도를 입력하였다.
- 모의대상 수문년도는 소양강댐 축조 이후 최대 탁수사상이 발생한 2006년과 2007년 수문사상을 대상으로 하였다. 모델 구동에 필요한 초기조건은 저수위와 수심별 수온 및 TSS 농도 등이며, 한국수자원공사 및 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)에서 제공하는 댐 운영자료를 바탕으로 각 댐의 초기수위를 설정하였다. 또한, 환경부 물환경정보시스템의 측정망 자료(소양강댐1, 의암댐1, 청평댐1, 팔당댐2 지점)를 활용하여 각 댐별 모의 시작 시점의 초기 수온 및 수질 농도를 입력하였다.
- 경계조건으로는 유입량과 방류량, 기상자료, 그리고 본류와 지류의 유입수온과 TSS 농도 등이다. 유량 조건은 국가수자원종합정보시스템(WAMIS), K-water의 수문정보시스템, 한강홍수통제소 실시간 수문자료에서 제공하는 댐별 운영자료 및 유입지류별의 유량자료를 활용하여 물수지 분석을 통해 유입유량을 입력하였다. 기상자료는 기온(°C), 이슬점 온도(°C), 풍향(Radian), 풍속(m/s), 운량(할)이며, 소양호는 춘천기상대 및 양구AWS, 의암-청평-팔당 구간은 양평기상대의 자료를 사용하였다.
- 의암-청평-팔당호는 각 댐앞 지점의 중층 실측 TSS 자료와 모델 예측 농도를 시계열로 비교하였다(Fig. 4(b-d)).
- 탁수의 영향 평가는 각 저수지별 탁수 연속 방류 일수 및 탁수점유율을 평가하였다. TSS 25 mg/L 이상을 기준으로 고탁수로 분류하였으며, 탁수 발생 후 저수지내 탁수점유율(θ)을 Eq.
대상 데이터
- 기상자료는 기온(°C), 이슬점 온도(°C), 풍향(Radian), 풍속(m/s), 운량(할)이며, 소양호는 춘천기상대 및 양구AWS, 의암-청평-팔당 구간은 양평기상대의 자료를 사용하였다.
- 모의대상 수문년도는 소양강댐 축조 이후 최대 탁수사상이 발생한 2006년과 2007년 수문사상을 대상으로 하였다. 모델 구동에 필요한 초기조건은 저수위와 수심별 수온 및 TSS 농도 등이며, 한국수자원공사 및 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)에서 제공하는 댐 운영자료를 바탕으로 각 댐의 초기수위를 설정하였다.
- 본 연구의 대상 지역에 포함되는 소양강댐 유역에서는 과거 태풍 ‘에위니아’의 영향으로 2006년 7월 10일 ~ 18일 까지 연평균 강수량(1,283 mm)의 46.2%에 해당하는 592.7 mm의 집중강우가 발생하였다.
- 본 연구의 대상지역인 북한강 수계의 소양강댐과 그 하류 댐 저수지군의 위치와 수질 모니터링 장소는 Fig 1과 같다. 소양강댐은 북한강 지류인 소양강에 위치하며, 서울을 비롯한 수도권 인근지역에 생·공·농업용수 공급과 홍수조절, 전력생산의 역할을 한다.
- 본 연구의 대상지역인 북한강 수계의 소양호와 의암-청평-팔당 구간을 대상으로 W2모델의 수치격자를 구성하였다. 소양호의 유한 차분 수치격자는 「소양강댐 저수지퇴사조사 측량용역 보고서』 자료를 바탕으로 구성한 선행연구(Chung et.
- 기상자료는 기온(°C), 이슬점 온도(°C), 풍향(Radian), 풍속(m/s), 운량(할)이며, 소양호는 춘천기상대 및 양구AWS, 의암-청평-팔당 구간은 양평기상대의 자료를 사용하였다. 소양호의 유입수질자료는 선행연구(Chung et al., 2011)에서 사용한 K-Water 실측자료를 동일하게 적용하였으며, 의암-청평-팔당 구간은 각 유입지류의 환경부 수질측정망 자료를 입력하였다.
- 본 연구의 대상지역인 북한강 수계의 소양호와 의암-청평-팔당 구간을 대상으로 W2모델의 수치격자를 구성하였다. 소양호의 유한 차분 수치격자는 「소양강댐 저수지퇴사조사 측량용역 보고서』 자료를 바탕으로 구성한 선행연구(Chung et. al, 2011)의 자료를 활용하였으며, 흐름방향으로는 500 m간격으로 138개의 Segment와 수직 방향으로는 격자 간격 1 m로 최대 134개의 Layer로 구성하였다(Fig. 2(a)).
- 2(a)). 의암- 청평-팔당호의 유한 차분 격자는 K-Water(2013)에서 제공한 자료를 사용하였으며, 흐름방향 총 149개 계산구간(segment)과 수직방향 총 119개의 수층(layer)로 구성하였다(Fig. 2(b)).
데이터처리
- 실측값과 모델 결과의 비교·평가는 AME(Absolute Mean Error) 및 RMSE(Root Mean Square Error), NSE(NashSurcliffe model efficiency coefficient)를 이용하였다.
이론/모형
- 소양호와 그 하류 구간 팔당호까지의 하천-저수지 시스템의 수리 및 탁수 수치모의는 W2 모델을 사용하였다. W2 모델은 미공병단(US Army Corps of Engineers)에서 개발한 2차원 횡방향 평균(Laterally-averaged) 수리·수질 모델이다.
- 대규모 탁수사상 발생 이후 소양호에서 고탁수 방류가 장기화 될 경우 하류 구간에 미치는 영향을 파악하기 위해, 2006년과 2007년 2년에 걸쳐 연속된 수문사상에 대해 탁수 모의를 수행하였다. 소양호의 방류량 및 수질을 의암-청평-팔당호 모델의 경계조건으로 활용하였다. 모델의 종속변수인 TSS는 입자의 크기에 따라서 3개의 그룹으로 구분하였으며, 모델에 사용한 TSS 그룹별 침강속도 및 농도비는 Table 2와 같다.
성능/효과
- 1) 탁수 예측 모델은 2006년 7월에 태풍 에위니아에 의해 발생한 대규모 탁수사상에서 소양호와 하류구간인 의암호-청평호-팔당호에서 수위 변동 특성을 잘 재현하였으며, 소양호의 실측 방류수 TSS 농도와 의암-청평-팔당 댐앞 지점에서 실측한 TSS 농도의 시계열 추세도 적절히 모의 하였다. 그러나, 팔당호의 경우 직접 유입하천에서의 TSS 실측 자료가 부족하여 강우 초기 고탁수 발생을 재현하지 못해 정수장 탁수 예보의 정확도를 높이기 위해서는 팔당호지류하천에 대한 실시간 탁도 모니터링이 필요하다.
- 2) 구축된 모델을 적용하여 2006년 대규모 탁수 사상 이후 각 저수지별 탁수영향평가를 수행한 결과, 방류수 최고TSS 농도는 소양호 264.1 mg/L, 의암호 102.7 mg/L, 청평호 81.8 mg/L, 팔당호 41.4 mg/L로 나타났다. 소양호에서 최고 TSS농도 방류 이후 각 저수지별 최고 TSS 농도 발생 시기는 의암호 1.
- 3) TSS 25 mg/L이상을 고탁수로 분류하여 2006년 7월 대규모 탁수 사상 발생 후 각 저수지별 고탁수 연속 방류 일수를 산정한 결과, 소양호 334일, 의암호 168일, 청평호 182일, 팔당호 41일로 나타났으며, 이는 동일 기간 동안 팔당호 취수원수의 실측자료와 유사한 결과이다
- 5) 소양호로부터 방류된 탁수는 낮은 수온과 높은 TSS농도의 영향으로 의암호의 바닥층을 따라 밀도류를 형성하며 유입하였으며, 의암호-청평호를 거치며 지류 유입에 따른 희석과 부유입자의 침강에 의해 탁수 점유율이 저감되었다. 팔당호에 도달한 탁수는 초기에는 저수지 바닥층을 따라 유입하며 밀도류를 형성하나, 시간이 경과함에 따라 남한강 유입수와 혼합하면서 저수지 중·상층으로 확산되었다
- 모의결과 소양호의 TSS 예측오차는 AME 39.9 mg/L,RMSE 58.6 mg/L, NSE 0.63의 값을 나타냈다. 소양호 댐 방류수의 TSS농도의 시계열 추세 및 최고값을 적절히 재현 하였으나(Fig.
- 63의 값을 나타냈다. 소양호 댐 방류수의 TSS농도의 시계열 추세 및 최고값을 적절히 재현 하였으나(Fig. 4(a)), 탁수 방류시점 및 피크 도달 이후에 방류수 TSS농도가 감소되는 부분에서 약간의 차이를 나타냈다.
- 3에 나타내었다. 소양호의 오차 크기는 AME와 RMSE값이 0.03m, 0.04 m, NSE가 0.99로 높은 신뢰도를 보였다. 의암-청평-팔당댐은 발전용 댐으로 각 저수지의 연간 수위변화가 크지 않았으며, AME와 RMSE값도 0.
- 동일기간 동안 청평호에서는고탁수가 122,020 m3 유입하였고, 113,199 m3가 유출되어 11,017 m3의 고탁수 저감, 팔당호에서는 188,515 m3이 유입, 177,778 m3이 유출되어 10,737 m3이 저감되는 것으로 나타났다. 위의 결과로 유추 해 볼 때 소양강댐에서 방류되는 고탁수는 하류 하천으로 전파되면서 희석과 침강에 의해 농도가 감소되는 것을 알 수 있다.
- 99로 높은 신뢰도를 보였다. 의암-청평-팔당댐은 발전용 댐으로 각 저수지의 연간 수위변화가 크지 않았으며, AME와 RMSE값도 0.08 ~ 0.13 m, 0.11 ~0.15 m 범위, NSE값은 0.98 ~ 0.99범위로써 모델은 각 댐 저수지의 물수지 해석에 대한 높은 신뢰도를 나타내었다. 소양호 방류수 및 의암-청평-팔당호의 댐앞 모니터링 지점의 중층에서 실측한 TSS 농도자료와 모델의 예측농도를 시계열로 비교하여 Fig.
- 의암호와 청평호는 소양호 탁수 유입 후 300일이 경과하는 동안 저수지내 탁수점유율이 각각 77.2%, 80.2%로 탁수 발생에 취약한 것으로 나타났다. 이는 두 저수지가 하천형 저수지로 체류시간이 짧고, 본류유량이 지류유량에 비해 지배적이기 때문이다.
- 9일 이후에 발생하였다. 팔당호 방류수의 최고 TSS농도는 34.5 mg/L였으며, 소양호 최고 TSS농도 방류 19.9일 이후에 발생하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 대규모 탁수사상 발생에 따른 소양호 내 탁수 유동해석과 하류 저수지군에서의 탁수 도달과 지속시간에 대한 수치모의를 위해 W2모델을 적용하였으며, 특히 수도권의 주요 상수원인 팔당호에서 탁수의 도달시간, 밀도류 거동 특성, 고탁수 지속시간 등의 영향을 평가하였다. 본 연구결과는 향후 기후변화의 자주 발생할 것으로 전망되는 극한 탁수 사상에 대한 탁수예측 및 대응기술 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- , 2013) 등의 연구에 다양하게 활용되고 있다. 본 연구의 대상지역인 북한강 수계에서도 탁수 감시 및 예측시스템은 대규모 탁수 사상 발생시 팔당호 상수원의 탁수발생을 선제적으로 예측하고 정수장의 수처리를 최적화하는데 활용 가능하다.
- 탁수예측 모델의 불확실성을 저감하기 위해서는 고 해상도의 TSS모니터링 자료가 필요하며, 홍수발생시에는 TSS에 비해 상대적으로 측정하기 쉬운 탁도를 연속 측정하는 방안이 효율적이다. 향후, 이들 취수장에 대한 탁수 예보의 정확도를 높이기 위해서는 팔당호지류하천에 대한 실시간 탁도 모니터링이 필요한 것으로 판단된다.
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