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문제 정의
- 본 연구에서는 기존 댐과는 다른 홍수조절댐이 수환경에 미치는 영향을 분석하기 위하여 계획 중인 원주천댐을 사례로 홍수조절댐 운영시 수질 변화를 HSPF 유역모델과 EFDC 모델을 최초로 연계하여 예측·분석하였고, 향후 신규 홍수조절댐 환경영향평가 및 실제 댐 운영에 적용하는 방안을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 우선적으로 유역의 유출유량 및 오염부하량을 분석하기 위하여 지형자료, 토지이용지도, 기상자료 등을 적용하여 구축한 HSPF 모델을 이용하여 10년간의 유출유량과 오염부하량을 모의하였다. 10년간 다변하는 기상조건을 반영한 장기모의를 실시하여 다양한 기상조건 변화에 따른 비점오염유출량 변화가 포함된 댐건설 전·후의 유역유출 오염부하량 변화를 분석하였다. 또한 10년 모의기간 중 최대 강우조건에 따른 유역유출 유량 및 수질을 분석하여 댐 운영시 영향예측을 위한 기초자료를 제공하였다.
- EFDC 수질 모델에 적용되는 모의대상 수질항목은 난분해성 입자상 유기물(RPOM), 분해성 입자상 유기물(LPOM), 용존상 유기물(DOM)에 대한 입력 자료를 요구하여, 유역모델 모의 결과인 BOD, TN, T-P를 세분화하여 입력하였다. 모델 입력자료 구성을 위하여 세분화하기 위한 분율은 “원주천댐 건설사업 전략환경영향평가서, 2015, 원주시”에서 원주천댐 예정지점 인근에서 조사한 자료를 분석하여 산정하였다.
- 본 연구에서는 계획 중인 댐으로 충분한 모델의 검·보정을 수행할 수 없기 때문에 정확한 모의에는 일부 한계가 있을 수 있지만, 유역모델의 10년 장기 유출해석, 체류시간이 짧고 체적이 급변하는 홍수조절댐의 특성을 최대한 반영한 모델의 격자 구성 및 이를 이용한 수질변화 예측 등 환경영향평가단계에서 홍수조절댐의 수질영향 검토 방법을 제시하였다. 향후 실제 댐의 운영 시에는 강우시 유역유출 유량 및 수질의 실측, 유출 유량조건에 따른 통수문의 개폐, 하류 침수조건을 반영한 수문 개방 등 실제 상황을 반영하여 충분한 보·검증을 실시함으로써 모델을 보완할 수 있으며, 이를 활용하여 다양한 운영조건에 따른 수환경의 영향을 검토할 수 있을 것으로 판단된다.
- 우선적으로 유역의 유출유량 및 오염부하량을 분석하기 위하여 지형자료, 토지이용지도, 기상자료 등을 적용하여 구축한 HSPF 모델을 이용하여 10년간의 유출유량과 오염부하량을 모의하였다. 10년간 다변하는 기상조건을 반영한 장기모의를 실시하여 다양한 기상조건 변화에 따른 비점오염유출량 변화가 포함된 댐건설 전·후의 유역유출 오염부하량 변화를 분석하였다.
- 원주천댐 건설 예정지점을 최종 말단지점으로 배수구역을 구분한 후 1:5,000 지형도를 이용하여 수치고도지도(Digital Elevation Model, DEM)을 생성하였다(Figure 2a). 토지이용도는 환경부에서 제공하는 중분류 지도(Figure 2b)를 사용하였으며, 원주천댐 유역은 총 7.
- 평상시는 하천의 형태를 유지하며, 홍수기에 일시적으로 수문을 닫아 저류하는 홍수조절용 댐의 특성을 최대한 반영하기 위하여 Curvilinear Grid 형태의 격자를 구성하였으며, 수치해석의 안정성을 나타내는 평균 직교성편차율(Orthogonal Deviation)을 3이하로 구성하여 모의 격자의 안정성을 확보한 후 수질변화 예측을 실시하였다. 홍수시에 일시적으로 담수하는 홍수조절댐의 특성상 댐 내의 체류시간이 짧아 조류 농도 증가 등의 수질 악영향은 거의 없는 것으로 분석되었으며, 오히려 통수로 차단에 의하여 비점오염저감시설 중 저류시설 형태를 나타내어 수질오염도가 다소 개선되는 것으로 모의되었다.
- 하류 하천에 미치는 영향을 검토하기 위하여 댐 건설 전 초기강우가 포함된 2일간의 평균 수질과 댐 건설 후 일시적으로 담수 후 방류되는 3일간의 평균 수질을 비교하였다. 댐 방류 지점의 수질을 비교한 결과(Table 11) 대부분의 항목에서 댐 건설 후 초기강우의 저류효과 등의 이유로 수질오염도가 소폭 개선되는 것으로 예측되어 하류 하천에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상된다.
대상 데이터
- 구성된 모델을 이용하여 2004년 1월 1일부터 2015년 7월 31일까지 유량, BOD, T-N, T-P를 모의하였다. 모델의 보정은 실측 결과와 모의 결과의 일치 정도를 확인하며 단순시행착오법을 활용하였으며, 실측 결과는 “원주천댐 건설사업 전략환경영향평가서, 2015, 원주시”에서 신촌천(댐 상류)의 2015년 2월 6일, 4월 9일, 7월 1일에 실측한 자료를 이용하여 오염부하량으로 환산(유량×농도)한 값을 적용하였다(Table 3).
- 이에 비강우시 유입유량을 하류로 전량 방류하여 호 내 담수를 실시하지 않으며, 강우시 유입유량이 증가하면 하류 방류를 중단하여 담수를 시작한 후 유입유량이 감소하면 방류를 시작하여 담수 전 수위로 낮추는 운영 계획을 가지고 있다. 따라서 금회 수질모의에서는 10년 빈도 홍수기시 원주천댐 담수 후 수질 변화를 예측하였으며, 예측 시기는 원주기상청에서 관측한 2005년∼2014년 강우사상 중 강수량이 255.5mm로 가장 많았던 2012년 7월 6일을 기준으로 7월 4일∼ 7월 12일로 선정하였다. 2012년 7월 6일의 강우량인 255.
- 모델에 입력하는 기상자료(Watershed Data in Management, WDM)은 해당 유역의 티센망을 고려하여 원주 관측소 자료를 사용하였으며, 결측 항목은 춘천관측소 자료로 구성하였다. 입력자료는 모델의 안정화 기간을 포함하여 2004년 1월 1일부터 2015년 7월 31일까지의 시간별 기온, 강수량, 이슬점온도, 풍속, 운량, 일사량, 증발량 등 7개 항목이다(Figure 2c).
- 구성된 모델을 이용하여 2004년 1월 1일부터 2015년 7월 31일까지 유량, BOD, T-N, T-P를 모의하였다. 모델의 보정은 실측 결과와 모의 결과의 일치 정도를 확인하며 단순시행착오법을 활용하였으며, 실측 결과는 “원주천댐 건설사업 전략환경영향평가서, 2015, 원주시”에서 신촌천(댐 상류)의 2015년 2월 6일, 4월 9일, 7월 1일에 실측한 자료를 이용하여 오염부하량으로 환산(유량×농도)한 값을 적용하였다(Table 3). 수문과 수질 보정결과는 Figure 3과 같고 보정에 사용한 매개변수는 Table 4에 나타내었다.
- 연구 대상은 현재 계획 중인 원주천 홍수조절댐으로 하였다. 원주천 홍수조절댐은 상습적으로 피해가 발생하는 원주천 유역의 홍수 방어를 위하여 상류인 신촌천에 건설을 계획하였으며, 2018년 현재 소규모 환경영향평가가 진행 중에 있다.
데이터처리
- 이에 박재충 등(2010)은 건설 예정인 댐의 수질변화 예측시 국내에 기 적용한 각 매개변수의 평균값을 적용한 바 있다. 금회 예측 시에도 국내 호소의 일반적인 매개변수를 산정하기 위하여 댐의 규모, 유역면적 및 유역특성이 다른 용담댐, 대곡댐, 사연댐, 탐진댐, 영천댐 등에서 수질변화 예측시 적용하였던 매개변수의 평균값을 적용하였다(Table 5). 적용한 매개변수는 대부분 EPA에서 제시한 값의 범위에 있어 원주천댐 수질변화 예측을 위한 매개변수로서 큰 무리가 없을 것으로 판단된다.
이론/모형
- 건설 예정인 원주천댐(홍수조절댐)의 운영시 수질 변화를 예측하기 위하여 EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code; Hamrick 1992)모델을 적용하였다. EFDC 모델은 Virginia Institute of Marine Science 에서 개발된 3차원 유동해석 모델이며, 수질변화, 부유사 이동, 독성물질 모델과 연결된 통합 버전의 모델로도 사용되고 있다.
- 수질모의를 위한 수질 경계 농도는 강우에 의한 비점오염원 유입특성이 고려되어 출력된 유역모델 결과를 이용하였다. 수질 모의 기간으로 선정한 2012년 7월 4일∼7월 12일의 유역 수질 농도는 BOD 0.
- 원주천댐 운영시 수질예측은 EFDC 모델을 이용하여 TOC, T-N, T-P, Chl-a의 4개 수질항목에 대하여 실시하였다. 홍수시에 일시적 담수하는 기간동안 TOC의 수 질 농 도 는 일 평균 1.
- 평상시 및 강우시 유역에서 유출되는 유량과 오염 부하량을 산정하기 위하여 유역모델인 HSPF (Hydrological Simulation Program-Fortran, Ver 3.0)를 이용하였다. HSPF 모델은 1980년에 개발되어 이후로 지속적인 수정과 확장을 거듭해오고 있다.
성능/효과
- 10년 장기 모의를 실시하여 댐 건설 전·후의 유역 유출 오염부하량 변화를 연평균 부하량으로 분석한 결과 BOD 8.7%∼18.9%, T-N 5.3%∼7.7%, T-P 10.9%∼16.7%의 저감효과를 나타내었다(Table 9). 연도별 유출부하량의 차이가 발생하는 것은 연도별로 총 강수량, 강우강도, 강우지속시간 등의 기상조건에 차이가 있기 때문으로 판단된다.
- 집중강우로 인한 하천의 유량 증가시 하류 지역의 홍수 피해 방지를 목적으로 약 3일간 담수하였다가 약 3일 동안 방류하여 원래 하천의 형태를 되찾는 것을 가정하여 모의한 결과 수위는 담수 전 202.3El.m에서 233.8EL.m까지 증가하는 것으로 예측되었다 (Figure 7). 이는 계획된 최고 만수위인 237.
- 평상시는 하천의 형태를 유지하며, 홍수기에 일시적으로 수문을 닫아 저류하는 홍수조절용 댐의 특성을 최대한 반영하기 위하여 Curvilinear Grid 형태의 격자를 구성하였으며, 수치해석의 안정성을 나타내는 평균 직교성편차율(Orthogonal Deviation)을 3이하로 구성하여 모의 격자의 안정성을 확보한 후 수질변화 예측을 실시하였다. 홍수시에 일시적으로 담수하는 홍수조절댐의 특성상 댐 내의 체류시간이 짧아 조류 농도 증가 등의 수질 악영향은 거의 없는 것으로 분석되었으며, 오히려 통수로 차단에 의하여 비점오염저감시설 중 저류시설 형태를 나타내어 수질오염도가 다소 개선되는 것으로 모의되었다.
- 연도별 유출부하량의 차이가 발생하는 것은 연도별로 총 강수량, 강우강도, 강우지속시간 등의 기상조건에 차이가 있기 때문으로 판단된다. 홍수조절지 댐 건설이후 유역 내 수몰지 보상 등의 이유로 오염원이 감소하였으며, 이로 인하여 평균적으로 BOD 14.1%, T-N 6.2%, T-P 14.6%의 유출부하량이 감소하는 것으로 예측되었다.
후속연구
- 본 연구에서는 계획 중인 댐으로 충분한 모델의 검·보정을 수행할 수 없기 때문에 정확한 모의에는 일부 한계가 있을 수 있지만, 유역모델의 10년 장기 유출해석, 체류시간이 짧고 체적이 급변하는 홍수조절댐의 특성을 최대한 반영한 모델의 격자 구성 및 이를 이용한 수질변화 예측 등 환경영향평가단계에서 홍수조절댐의 수질영향 검토 방법을 제시하였다. 향후 실제 댐의 운영 시에는 강우시 유역유출 유량 및 수질의 실측, 유출 유량조건에 따른 통수문의 개폐, 하류 침수조건을 반영한 수문 개방 등 실제 상황을 반영하여 충분한 보·검증을 실시함으로써 모델을 보완할 수 있으며, 이를 활용하여 다양한 운영조건에 따른 수환경의 영향을 검토할 수 있을 것으로 판단된다.
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