[논문]팔당호의 수리 및 수온 조사를 통한 물순환특성 분석

최황정; 조용철; 유순주; 송용식; 류인구

doi:10.17820/eri.2019.6.1.012

팔당호의 수리 및 수온 조사를 통한 물순환특성 분석
Analysis of Water Circulation Characteristics for Hydraulic and Water Temperature Investigation in Paldang Reservoir 원문보기

Ecology and resilient infrastructure, v.6 no.1, 2019년, pp.12 - 22

최황정 (국립환경과학원 한강물환경연구소) , 조용철 (국립환경과학원 한강물환경연구소) , 유순주 (국립환경과학원 한강물환경연구소) , 송용식 ((주)지오시스템리서치 부설연구소) , 류인구 (국립환경과학원 한강물환경연구소)

초록
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본 연구에서는 팔당호 내 주요지점에서 수심별 연속 수리 및 수온 조사를 수행하여 팔당호의 시공간적 물순환 특성을 파악하고자 하였다. 이포보와 청평댐에서의 수온 및 방류 패턴의 차이로 인하여 팔당호 내 북한강 및 남한강 구간에서의 흐름 및 수온 변동특성이 상이하게 나타났다. 수직혼합기에는 북한강과 남한강 구간의 전 층에서 하류방향 흐름이 우세하게 나타났다. 성층형성기에 이포보 방류수의 수온이 청평댐 방류수의 수온보다 높았으며, 이로 인해 북한강 하류 구간에서 표층은 상대적으로 고온수가 위치하여 상류방향 흐름으로 배수 현상이 나타나고 수렴대가 형성되었다. 남한강 하류 구간은 중층과 저층에서 저온수가 분포하여 상류방향 흐름이 나타나고 표층과 혼합되기 어려운 이층류 구조를 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated the spatial and temporal water circulation characteristics of Paldang Reservoir by continuous hydraulic and water temperature survey. Due to differences in water temperature and discharge pattern of Ipo Weir and Cheongpyeong Dam, the flow and temperature fluctuations were different in sections of Namhan River and Bukhan River in Paldang Reservoir. At the stratification period, the water temperature of the discharge of Ipo Weir was higher than that of the Cheongpyeong Dam. Therefore, in the surface layer of the downstream of Bukhan River, relatively high temperature water is located and back water phenomenon occurred, and convergence zone is formed. In the downstream section of Namhan River, low-temperature water was distributed in the middle and lower layers, and the upstream flow appeared to be difficult to mix with the surface layer.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Location of monitoring in Paldang Reservoir.
그림 Fig. 2. Installation of water temperature gauge and ADCP.
그림 Fig. 3. Vertical distributions of water temperature.
그림 Fig. 4. Velocity and direction time series of flow by layer at PC1.
그림 Fig. 5. Velocity roses by layer (vertical mixing period).
그림 Fig. 6. Velocity roses by layer (stratification period).
그림 Fig. 7. Profiles and time series of discharge flow rate, wind speed, wind direction, water temperature, flow velocity and Richardson number at PC1.
그림 Fig. 8. Diagram of water circulation for stratification period in Paldang Reservoir.
표 Table 1. The low-oxygen rate of bottom for each monitoring station

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 팔당호 시공간적 물순환 특성을 파악하고자 주요지점 3곳에 음향도플러유속계를 저면에 설치하여 수심별 수리량을 정밀하게 측정하였다. 또한 동일 지점에 수심 1 m 간격으로 수온계를 설치하여 연속 수온자료를 취득하였다.

제안 방법

), 는 자료추출 주기 (sec)이다. 10초 간격으로 관측된 원시 수온자료를 그대로 사용하였고, high-pass 필터의 절단주기는 300초로 설정하여 이보다 긴 주기의 성분을 제거하였다. 가중치는 72를 적용하였고 10초 간격으로 결과를 출력하였다.
수심의 상부 20%, 50%, 80% 위치를 각각 표층, 중층, 저층으로 정의하고, 측정된 원시자료로부터 유속과 유향을 추출하여 이상자료 제거 및 진북 보정을 수행하였다. 각 정점별 유속･유향 시계열, 유속 장미도, 잔차류의 수직분포, 유속진행 벡터도 등을 분석하여 팔당호 내 유속의 변동특성 및 평균흐름특성을 확인하였다.
본 연구에서는 팔당호 시공간적 물순환 특성을 파악하고자 주요지점 3곳에 음향도플러유속계를 저면에 설치하여 수심별 수리량을 정밀하게 측정하였다. 또한 동일 지점에 수심 1 m 간격으로 수온계를 설치하여 연속 수온자료를 취득하였다.
고유속 환경에서도 장비가 유실되지 않도록 앵커와 체인으로 계류줄을 고정하였다. 또한 수온계를 전용프레임에 장착한 후 부이를 연결하고 깃발 및 야간점멸등을 함께 설치하여 선박의 안전운항 확보와 동시에 선박충돌로 인한 장비훼손을 사전에 방지하였다.
본 연구에서는 팔당호 내 주요지점에 대한 수심별 연속 수리 (유속, 유향)와 수온 정밀조사를 수행하여 흐름 변동을 확인하였다. 이를 통해 팔당호 내의 시공간적 물순환 특성에 따른 수질에 미치는 영향을 분석하였다.
수리, 수온 및 기상 등의 자료를 비교하여 팔당호 수체의 안정성 및 순환 특성을 분석하였다 (Fig. 7). 정점 PC1의 경우, 수온은 5월 22일까지 수직혼합에 의해 수직차의 변동특성이 작았으나 이후에는 증가하며, 남한강 수역보다 수온이 낮고 저 수온 층의 두께가 두껍게 형성되었다.
수심의 상부 20%, 50%, 80% 위치를 각각 표층, 중층, 저층으로 정의하고, 측정된 원시자료로부터 유속과 유향을 추출하여 이상자료 제거 및 진북 보정을 수행하였다. 각 정점별 유속･유향 시계열, 유속 장미도, 잔차류의 수직분포, 유속진행 벡터도 등을 분석하여 팔당호 내 유속의 변동특성 및 평균흐름특성을 확인하였다.
수온, 수온의 수직차(DT/DZ), 수온 단주기성분, 유속, 리차드슨 수(Richardson number, Ri), 성층계수를 분석하여, 이를 기반으로 수괴 안정도를 분석하였다. 수온의 전체 성분 중 단주기 성분만을 추출하기 위하여 Lanczos의 high pass 필터 (Lanczos 1956, Duchon 1979)를 사용하였다.
측정장비를 안정적으로 설치하기 위해서 어군탐지기를 이용하여 저면의 수평상태를 파악한 후, 채니기(Grab sampler)를 이용하여 조사지점 저질의 입도상태를 확인하고 조사장비의 침하 가능성 여부를 확인하였다. 어로 활동과 선박 운항에 의한 기기유실 방지 및 안정적인 자료 확보를 위하여 TRBM (Trawl Resistance Bottom Mount)에 ADCP를 장착하여 저면에 계류하고, 고유속 환경에서도 조사장비가 유실되지 않도록 앵커를 이용하여 TRBM을 고정하였다 (Fig. 2 (c)).
), z는 수직위치 (m)이다. 유속과 동일한 10분 주기로 수온을 평균하였고 이를 사용하여 밀도를 계산하였다.
본 연구에서는 팔당호 내 주요지점에 대한 수심별 연속 수리 (유속, 유향)와 수온 정밀조사를 수행하여 흐름 변동을 확인하였다. 이를 통해 팔당호 내의 시공간적 물순환 특성에 따른 수질에 미치는 영향을 분석하였다.
복잡한 3차원 순환구조는 팔당호의 수질변화에 중요한 영향을 미친다. 이를 확인하기 위해서 팔당호 내의 주요지점인 환경부 수질측정망 팔당댐1 - 4 (PD1 -PD4)에서 2012년부터 2018년까지 약8일 간격으로 측정된 용존산소의 각 정점별 연간 저산소(2 mg/L 이하) 출현율을 Table 1에 제시하였다. 북한강 (PD4)에서는 2 mg/L 이하의 저산소가 나타나지 않았다.
그리고 PC3는 팔당댐 상류 3 km 인근에 위치한다. 조사기간은 2016년 5월 12일부터 6월 17일까지 총 37일이며, 수직혼합과 수온성층이 형성되는 시기를 고려하였다.
측정된 수온 자료의 품질을 점검하고 기초분석, 각 정점별 수온 시계열 및 수직분포 등을 비교하여 시공간별 수온의 변동특성을 분석하였다. 그리고 ADCP 자료와의 종합분석을 위해서 수온자료를 10분 평균한 후 이를 Kriging 방법을 적용하여 보간하였다.
측정장비를 안정적으로 설치하기 위해서 어군탐지기를 이용하여 저면의 수평상태를 파악한 후, 채니기(Grab sampler)를 이용하여 조사지점 저질의 입도상태를 확인하고 조사장비의 침하 가능성 여부를 확인하였다. 어로 활동과 선박 운항에 의한 기기유실 방지 및 안정적인 자료 확보를 위하여 TRBM (Trawl Resistance Bottom Mount)에 ADCP를 장착하여 저면에 계류하고, 고유속 환경에서도 조사장비가 유실되지 않도록 앵커를 이용하여 TRBM을 고정하였다 (Fig.
2 (a)). 측정주기는 10초로 설정하고 계류줄에 수직 1 m 간격으로 수온계를 설치하였다. 고유속 환경에서도 장비가 유실되지 않도록 앵커와 체인으로 계류줄을 고정하였다.
2 (b)). 측정항목은 유속과 유향이며, 측정주기는 10분 간격이고, 10분 동안 2초마다 측정된 300개의 자료를 평균하여 저장하였다. 유속계의 층간격은 0.

대상 데이터

)이다. 리차드슨 수 계산시와 동일하게 10분 간격으로 평균된 수온자료를 사용하였고 수심은 동일 정점의 ADCP에서 관측된 10분 간격 자료를 사용하였다.
본 연구에서는 남한강과 북한강이 두물머리에서 합류하여 경안천과 만나 팔당댐에 도달하는 팔당호를 대상으로 현장 조사 및 분석을 수행하였다 (Fig. 1). 팔당호는 댐 및 보 등의 상류에서 유입되는 유입수가 호소 내 지형적인 특성에 따라 입체적으로 혼합되며, 유입량의 변동과 유입수의 이화학적 특성에 따라 수리 및 수질 특성이 시공간적으로 복잡하게 변화하는 수체이다.
수심별 연속 수온조사를 위하여 계류전용 정밀수온계인 RBR Ltd.사의 TR-1050과 TR-1060를 사용하였다 (Fig. 2 (a)).
팔당호의 주요 흐름 및 수온 변화 특성을 확인하기 위해서 총 3곳을 조사정점으로 선정하였다. 정점 PC1, PC2는 각각 북한강과 남한강의 하류에 위치하며, 팔당댐에서 11 km와 9.

이론/모형

측정된 수온 자료의 품질을 점검하고 기초분석, 각 정점별 수온 시계열 및 수직분포 등을 비교하여 시공간별 수온의 변동특성을 분석하였다. 그리고 ADCP 자료와의 종합분석을 위해서 수온자료를 10분 평균한 후 이를 Kriging 방법을 적용하여 보간하였다.
수온, 수온의 수직차(DT/DZ), 수온 단주기성분, 유속, 리차드슨 수(Richardson number, Ri), 성층계수를 분석하여, 이를 기반으로 수괴 안정도를 분석하였다. 수온의 전체 성분 중 단주기 성분만을 추출하기 위하여 Lanczos의 high pass 필터 (Lanczos 1956, Duchon 1979)를 사용하였다.
수층의 성층분석을 위해 성층계수를 산정하였다(Simpson and Bowers 1981, Rippeth et al. 2001). 성층계수는 수층을 완전히 혼합시키는데 필요한 단위 체적당의 일로서, 수층의 현재 위치에너지와 수층이 수직적으로 완전 혼합되었을 경우의 위치에너지간의 차이로 PEA (Potential Energy Anomaly)라고 표현된다.

성능/효과

모든 지점에서 조사기간 초기인 5월 12일부터 5월 22일까지는 수직적인 수온차이 (DT/DZ)가 대부분 1°C 미만 이였으며, 모든 층의 수온이 지속적으로 증가하는 수직혼합시기였다.
수면하 19 m에서 20°C 이상 수온은 나타나지 않으며 모든 자료가 17 - 19°C에 분포하여 수온의 변동이 매우 작았다.
수면하 8 m에서 20°C 이상 수온은 나타나지 않으며 모든 자료가 17 - 19°C에 분포하여 수온의 변동이 매우 작았다.
수심별 수온 변화와 관련한 시기별 흐름 변화를 비교하면, 수직혼합기에는 북한강과 남한강 구간의 전 층에서 하류방향 흐름이 우세하게 나타났다. 성층형성기에는 이포보 방류수의 수온이 청평댐 방류수의 수온보다 높았고, 이로 인해 북한강구간에서 표층은 상대적으로 고온수가 위치하며 상류방향 흐름이 나타나고, 저층은 저온수가 위치하여 하류방향 흐름을 보였다.
정점 PC1의 경우, 수온은 5월 22일까지 수직혼합에 의해 수직차의 변동특성이 작았으나 이후에는 증가하며, 남한강 수역보다 수온이 낮고 저 수온 층의 두께가 두껍게 형성되었다. 유속은 수직혼합기에 청평댐 방류에 의해 모든 층에서 유속이 강화되며, 성층형성기에는 수온에 의한 하류방향 통수단면적 감소로 중층과 저층 유속이 강화되어 이층류가 뚜렷하게 나타났다. 리차드슨 수의 경우 표층과 중층은 대부분 기간 동안 안정 상태이며, 저층은 대부분 불안정한 상태로 볼 수 있으며, 강풍 내습 및 방류량 증가 시 모든 층이 불안정하고 수직혼합이 강화됨을 알 수 있다.
5월 19일부터 약3일간 청평댐 방류 종료부터 다음 방류 시작 직전까지 바닥으로부터 3 - 4 m의 저층부에서 상류방향으로의 흐름이 나타났다. 이층류에 따른 유속의 변동 특성을 분석해보면, 전층 하류방향으로 흐르는 시기보다 이층류가 형성되는 시기에 유속이 더 강하며 0.2 m/s 이상의 유속이 나타났다. 또한 표층에서 상류 방향으로 흐르는 시기에는 고유속이 저면으로부터 상부 4 - 7 m 사이에서 나타나고, 저층에서 상류방향으로 흐르는 시기에는 고유속이 표층에서 나타났다.
6). 정점 PC1에서 표층은 상류방향의 흐름이 64.8%로 하류방향 흐름보다 우세하였고, 하류방향 흐름의 출현율이 93.2%로 상류방향의 흐름보다 우세하여 표층과는 다른 양상이 나타났다 (Fig. 6 (a)).
5). 정점 PC1의 표층은 하류방향 흐름이 86.8%로 상류방향 흐름보다 우세하였고, 저층은 하류방향 흐름의 출현율이 81.5%로 상류방향 흐름보다 우세하며 표층에서의 하류방향 출현율보다도 높았다 (Fig. 5 (a)).
04 m/s 이상으로 나타났다. 정점 PC2에서 표층은 하류방향 흐름이 97.4%로 상류방향 흐름보다 우세하였고, 저층은 하류방향 흐름 출현율이 85.5 %로 상류방향 흐름보다 우세하였다 (Fig. 5 (b)).
팔당호 유입수인 청평댐과 이포보의 방류수의 수온을 비교해보면, 관측초기에는 유입수 수온(약18°C)이 비슷하였으나 관측후기에는 남한강의 유입수온(약21°C)이 북한강에 비해 최대 7°C 이상 높았다.

후속연구

본 연구는 팔당호의 복잡한 물순환 특성에 따른 녹조 발생의 주요원인을 분석하는 연구에 기초자료로 활용될 수 있을 것이다. 또한 다차원 수치모형을 현장조사 결과와의 비교를 통해 검･보정을 수행하고, 다양한 수문조건에서 팔당호의 수질관리방향을 이끌어내는 연구가 필요할 것이다.
본 연구는 팔당호의 복잡한 물순환 특성에 따른 녹조 발생의 주요원인을 분석하는 연구에 기초자료로 활용될 수 있을 것이다. 또한 다차원 수치모형을 현장조사 결과와의 비교를 통해 검･보정을 수행하고, 다양한 수문조건에서 팔당호의 수질관리방향을 이끌어내는 연구가 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	북한강의 중류와 하류에 녹조가 생기는 원인은?	북한강의 중･하류에서는 녹조가 빈번하게 발생하는데 이는 북한강 중･하류 표층에서 역류 발생으로 인하여 수렴대가 형성되는 것으로 판단된다. 따라서 중･하류의 표층에서 상류 방향으로의 흐름이 발생하여 표층에서 체류시간이 증가하게 되며, 특히 수렴대에서 유기물질이 장기적으로 체류하는 동시에 표층의 수직안정도가 높아 조류발생에 호조건이 될 가능성이 높아진다.
	저산소 현상이 하절기에 댐앞지점과 남한강 저층에서 발생되는 이유는?	반면에 대부분 성층이 형성되는 하절기 6, 7, 8월에 댐앞지점 (PD2)과 남한강 저층 (PD1, PD3)에서 저산소 현상이 발생되었다. 이는 성층 발생시 남한강 저층에서 상류 방향으로의 흐름이 형성되어 체류시간이 증가하지만, 수온약층 하부의 수괴 안정도가 높아서 용존산소 농도가 높은 표층수와의 수직혼합이 제한적이기 때문으로 판단된다.
	팔당호의 특징은?	그 시스템 속에서 수질오염물질의 이동은 상･하류 간의 이송-확산의 해석과 더불어 호소 자체의 시공간별 특성을 고려한 환경수리학적 고찰이 필요하다 (NIER 2014). 특히, 팔당호는 유역특성이 상이한 남한강, 북한강, 경안천이 합류되는 하천형 호수이기에 복잡한 혼합 양상을 보임과 동시에 시공간별 수리･수질 변화의 특이성이 존재한다. 이러한 복잡성과 특이성으로 인해 팔당호는 정밀 입체 모니터링 조사가 지속적으로 이루어져야 하는 지역이다.

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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