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문제 정의
- 본 연구의 목적은 국내 최대 규모의 저수지인 소양호에서 2005년과 2007년 수문사상을 대상으로 보정 및 검증된 2차원 횡 방향 평균 수리 수질 모형(CE-QUAL-W2)을 적용하여 기록적인 강우 사상을 보인 2006년 수문 조건에서 저수지 밀도류와 탁수거동 해석의 적용성과 한계성에 대하여 평가하는데 있다. 소양강댐 유역에서는 2006년 태풍 에위니아의 영향으로 홍수기 동안 큰 홍수와 산사태가 발생하여 댐 유역으로부터 다량의 토사가 저수지로 유입되었다.
제안 방법
- 모델의 초기조건으로 수위는 소양강댐 운영 자료를 참고 하였고, 수온, SS 농도 등의 수질 측정 항목은 한국 수자원공사에서 제공한 저수지 주요 지점별 실측 자료를 사용하였다. 모델의 경계조건으로 저수지의 유입 및 유출 유량은 모의 기간의 소양강댐 운영 자료를 사용하였으며, 탁수 거동 예측 모델링의 시간 규모를 고려하여 저수기와 갈수기에는 소양강댐 운영 자료 중 일 평균 자료를 사용 하였고, 강우로 인한 유출이 발생할 경우 시간 평균 자료를 사용하여 경계 조건 자료를 구축하였다. 유입수 수온은 사구미교의 실측 수온을 바탕으로 미계측 된 구간에 대해서 다중회귀분석을 통해 산정하여 사용하였다.
- 실제 저수지에서 탁도를 유발하는 부유입자의 크기는 0.1 μm에서 수백 μm까지 연속된 스펙트럼으로 분포하기 때문에 입경분포를 고려하여 SS를 몇 개의 대표입경을 갖는 그룹으로 구분하여 입력 자료를 구성하였다.
- 기존의 CE-QUAL-W2(이하 W2) 모형은 SS의 침강 속도를 고정된 상수 값으로 가정하고 저수지의 수심별 수온 변화를 고려하지 않는다. 본 연구에서는 정세웅 등(2008)의 연구를 기반으로 침강 속도 산정 코드를 수정하여 입경 분포별 입자의 침강속도가 시공간적으로 계산되는 수정된 모형을 적용하였다. 모델에 적용되는 부유입자의 2차원 횡 방향 평균 이송-확산-침강 모델의 지배방정식은 식 (1)과 같다.
- 1 μm에서 수백 μm까지 연속된 스펙트럼으로 분포하기 때문에 입경분포를 고려하여 SS를 몇 개의 대표입경을 갖는 그룹으로 구분하여 입력 자료를 구성하였다. SS를 구성하는 입경 분포가 공간적으로 일정하지 않는 점을 고려하여 저수지 내부의 주요 측정 지점에 대해 실험결과를 근거로 독립적인 SS-탁도 상관 관계식을 개발하였다. 이러한 과정을 거쳐 생성된 그룹별 유입 SS농도(SSi)는 수치 모형의 경계조건자료 및 지배방정식의 종속변수로 사용되었다.
- SS를 구성하는 입경 분포가 공간적으로 일정하지 않는 점을 고려하여 저수지 내부의 주요 측정 지점에 대해 실험결과를 근거로 독립적인 SS-탁도 상관 관계식을 개발하였다. 이러한 과정을 거쳐 생성된 그룹별 유입 SS농도(SSi)는 수치 모형의 경계조건자료 및 지배방정식의 종속변수로 사용되었다. 수치 모의 결과는 각 지점별 SS-탁도 상관 관계식을 이용하여 다시 탁도로 변환하여 현장에서 실측한 주요 지점별 수심별 탁도 자료와 방류수 탁도 자료와 비교함으로써 모델의 보정과 검증을 수행하였다.
- 이러한 과정을 거쳐 생성된 그룹별 유입 SS농도(SSi)는 수치 모형의 경계조건자료 및 지배방정식의 종속변수로 사용되었다. 수치 모의 결과는 각 지점별 SS-탁도 상관 관계식을 이용하여 다시 탁도로 변환하여 현장에서 실측한 주요 지점별 수심별 탁도 자료와 방류수 탁도 자료와 비교함으로써 모델의 보정과 검증을 수행하였다.
- 유입수 수온은 사구미교의 실측 수온을 바탕으로 미계측 된 구간에 대해서 다중회귀분석을 통해 산정하여 사용하였다. 유입수 SS 농도는 유입 유량과 측정된 SS 농도를 회귀 분석하여 2000 CMS을 기준으로 유입 유량이 높은 경우 SS 농도의 비선형 증가를 고려하여 회귀식을 산정하여 사용하였다.
대상 데이터
- 모델의 초기조건으로 수위는 소양강댐 운영 자료를 참고 하였고, 수온, SS 농도 등의 수질 측정 항목은 한국 수자원공사에서 제공한 저수지 주요 지점별 실측 자료를 사용하였다. 모델의 경계조건으로 저수지의 유입 및 유출 유량은 모의 기간의 소양강댐 운영 자료를 사용하였으며, 탁수 거동 예측 모델링의 시간 규모를 고려하여 저수기와 갈수기에는 소양강댐 운영 자료 중 일 평균 자료를 사용 하였고, 강우로 인한 유출이 발생할 경우 시간 평균 자료를 사용하여 경계 조건 자료를 구축하였다.
- 1에 나타내었다. 수질 측정망 지점은 소양강댐1 (SY-1), 소양강댐2 (SY-2), 소양강댐3 (SY-3), 소양강댐4 (SY-4), 소양강댐5 (SY-5)이고, 수리 수질 모형의경계 조건을 입력하기위해 사구미교(Sagumi Bridge)와 자동 기상 관측소의 위치를 나타내었다.
- 소양호의 유한 차분 격자는 소양강댐 저수지퇴사조사측량용역 보고서(한국수자원공사, 1994)에서 제공하는 실측자료를 사용하였으며, 흐름방향으로 500 m간격으로 138개의 Segment와 수직 방향으로 격자 간격 1 m로 최대 134개의 Layer로 구성하였다(Fig. 2). 지형 자료의 신뢰성은 계산된 저수지 수위별 저수용량과 수위 저수용량 관계식을 비교하였고, 총 저수용량에 약 2%의 오차를 보였다.
- Day 195에 앞서 Day 193일에 일평균 2,000 CMS이상 유입 사상이 발생하였고, 이는 중층 밀도 류를 형성하여 댐 앞 지점까지 진행하였다. 측정된 탁도 자료를 바탕으로 Day 195에 발생한 홍수 사상으로 고농도의 탁수가 심층 밀도류를 형성하여 댐 앞까지 진행되었다. 탁수 모형에서는 Day 193일 유입된 탁수 사상에 대한 중층 밀도류 형성은 잘 재현하였지만, 이후 발생한 사상에 대한 심층 밀도류에 대한 모의는 실측 자료와 다르게 모의 되었다.
데이터처리
- 모델의 경계조건으로 저수지의 유입 및 유출 유량은 모의 기간의 소양강댐 운영 자료를 사용하였으며, 탁수 거동 예측 모델링의 시간 규모를 고려하여 저수기와 갈수기에는 소양강댐 운영 자료 중 일 평균 자료를 사용 하였고, 강우로 인한 유출이 발생할 경우 시간 평균 자료를 사용하여 경계 조건 자료를 구축하였다. 유입수 수온은 사구미교의 실측 수온을 바탕으로 미계측 된 구간에 대해서 다중회귀분석을 통해 산정하여 사용하였다. 유입수 SS 농도는 유입 유량과 측정된 SS 농도를 회귀 분석하여 2000 CMS을 기준으로 유입 유량이 높은 경우 SS 농도의 비선형 증가를 고려하여 회귀식을 산정하여 사용하였다.
성능/효과
- 소양강댐 유역에서는 2006년 태풍 에위니아의 영향으로 홍수기 동안 큰 홍수와 산사태가 발생하여 댐 유역으로부터 다량의 토사가 저수지로 유입되었다. 유입 SS 농도는 최고 2,500 mg/L까지 상승하였으며, 이로 인해 유입수의 밀도는 수온뿐만 아니라 SS 농도로 인해 크게 증가되어 댐 내에서 중층밀도류와 심층밀도류의 두 가지 밀도류 형태가 혼재하는 특이한 현상을 보였다.
- 2). 지형 자료의 신뢰성은 계산된 저수지 수위별 저수용량과 수위 저수용량 관계식을 비교하였고, 총 저수용량에 약 2%의 오차를 보였다.
- 4). 실측 자료를 분석한 결과 2006년 홍수 사상 이후 탁수는 중층 이하에서 지속적으로 유지 되고 있었다. Day 195에 앞서 Day 193일에 일평균 2,000 CMS이상 유입 사상이 발생하였고, 이는 중층 밀도 류를 형성하여 댐 앞 지점까지 진행하였다.
후속연구
- 이로 인해 탁수모형의 오차가 크게 증가하였으며, 오차의 원인은 유입 수 유량, 수온, SS 농도 산정의 불확실성과 이러한 현상에 대한 모델의 이론적 한계 때문으로 유추 된다. 극한 홍수 사상의 경우 SS-유량 관계식, SS 입경 분포와 분율 등에 대해 실험과 연구가 더 필요한 부분이며, 바닥 밀도류의 진행과정에서 발생할 수 있는 Fingering 효과와 주변 수체와의 난류 혼합 및 저니 층의 재부상 효과가 W2 모델에 정확히 반영하는 지에 대한 이론적 연구와 현장 실험이 향후 필요하고 판단 된다.
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