[논문]2차원 부정류 모형을 이용한 댐 하류 하천에서의 어류 물리서식처 영향 분석

김승기; 최성욱

2차원 부정류 모형을 이용한 댐 하류 하천에서의 어류 물리서식처 영향 분석
Analysis of the impact of dam on downstream fish habitat using two-dimensional unsteady flow model 원문보기

김승기 (연세대학교 공과대학 토목환경공학과) , 최성욱 (연세대학교 공과대학 토목환경공학과)

댐의 발전방류는 댐 하류의 하천에 비정상성이 큰 흐름을 발생시킨다. 이와 같은 흐름은 하류 하천의 수심 및 유속 조건을 급격하게 변화시키게 되어 어류 물리서식처에 큰 영향을 끼치게 된다. 또한 갑작스런 유량의 상승은 어류를 하류로 강제로 이동시키며, 빠른 수위의 하강은 어류를 하안에 고립되게 하여 죽음을 초래하게 된다. 발전방류가 어류 물리서식처에 미치는 영향을 평가한 기존의 연구는 대부분 흐름계산을 위하여 준정류 모형을 사용하였다. 하지만 준정류 모형은 발전방류와 같은 비정상성이 큰 흐름에 대하여 적절히 모의하지 못하는 한계가 있다. 본 연구의 목적은 2차원 부정류 모의가 가능한 River2D 모형을 이용하여 댐 하류 하천에서의 발전방류가 어류 물리서식처에 미치는 영향을 분석하는 것이다. 연구 대상지역은 괴산댐 하류 지점인 수전교부터 대수보까지 2.3 km 구간이다. 서식처모형은 피라미에 대한 HSI 모형을 사용하였다. 복합서식처 적합도 지수, 하상전단응력을 모의하였으며 소와 여울의 지형조건에서 발전방류가 위의 인자들에 미치는 영향에 대하여 분석하였다. 또한 발전방류량이 발생하였을 때 기저유량의 조건에 따라 어류 물리서식처에 미치는 영향에 대하여 분석하였다.

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문제 정의

본 연구는 2차원 부정류모형을 이용하여 댐의 발전방류가 하류 하천의 서식처에 미치는 영향에 대하여 분석해보는 것이다. 이를 위하여 흐름모형은 River2D 모형을 사용하였으며 어류에 대한 물리서식처 모의를 하기 위해 HSI 모형을 사용하였다.
본 연구는 괴산댐 하류 하천에서의 발전방류가 서식처에 미치는 영향에 대하여 분석하였다. 수리해석은 River2D 모형을 이용하였으며, 일주일 동안의 발전방류 시나리오에 대하여 모의를 실시하였다.

제안 방법

이를 위하여 흐름모형은 River2D 모형을 사용하였으며 어류에 대한 물리서식처 모의를 하기 위해 HSI 모형을 사용하였다. 일주일간의 발전방류시나리오에 대하여 모의를 실시하였으며 발전방류의 발생에 따른 어류의 서식처 변화를 분석하였다.

대상 데이터

본 연구 대상지역의 어종 분포는 피라미 (Zacco platypus)가 27%, 갈겨니 (Zacco temminckii)가 15%, 쉬리(Coreoleuciscus splendidus)가 15%, 그리고 왜매치 (Abbottina springeri)가 11% 등으로 분포한다(국토해양부부, 2009). 따라서 본 연구대상의 우점종인 피라미를 연구 대상어종으로 선정하였으며 강형식 등 (2011)이 제시한 서식처 적합도 곡선을 이용하였다.
모의에 사용된 유량시나리오는 2008년 10월 13일부터 19일까지 일주일동안 측정된 유량을 사용하였다. 측정된 유량은 발전을 위한 댐의 운영으로 인하여 일 단위로 유량조건이 크게 변화하며, 발전방류량의 유량은 약 15 m³/s 에 달한다.
복합 서식처 적합도 지수 (CSI: Composite Suitability Index)는 개별 서식처 적합도를 이용하여 계산하며, 본 연구에서는 각 서식처 적합도를 서로 곱하는 방법인 곱셈법을 이용하였다. 본 연구 대상지역의 어종 분포는 피라미 (Zacco platypus)가 27%, 갈겨니 (Zacco temminckii)가 15%, 쉬리(Coreoleuciscus splendidus)가 15%, 그리고 왜매치 (Abbottina springeri)가 11% 등으로 분포한다(국토해양부부, 2009). 따라서 본 연구대상의 우점종인 피라미를 연구 대상어종으로 선정하였으며 강형식 등 (2011)이 제시한 서식처 적합도 곡선을 이용하였다.
본 연구의 대상지역은 남한강 제 1지류인 달천의 수전교에서 대수보까지 약 2.3 km 구간이다. 수전교는 괴산댐에서 약 0.

이론/모형

본 연구에서 흐름모의를 사용된 모형은 River2D 모형이다. River2D 모형은 유한요소법을 이용하여 2차원 수심적분된 St. Venant Equations을 해석한다. 지배방정식은 연속방정식과 x와 y방향의 운동량방정식으로 구성되어 있으며 각각 식 (1)-(3)과 같다.
서식처 적합도 지수 모형은 어류의 물리서식처 인자인 수심, 유속, 기층 등에 대한 적합도를 0 (부적합) 부터 1 (적합)사이의 값으로 표현하는 방법이다. 복합 서식처 적합도 지수 (CSI: Composite Suitability Index)는 개별 서식처 적합도를 이용하여 계산하며, 본 연구에서는 각 서식처 적합도를 서로 곱하는 방법인 곱셈법을 이용하였다. 본 연구 대상지역의 어종 분포는 피라미 (Zacco platypus)가 27%, 갈겨니 (Zacco temminckii)가 15%, 쉬리(Coreoleuciscus splendidus)가 15%, 그리고 왜매치 (Abbottina springeri)가 11% 등으로 분포한다(국토해양부부, 2009).
본 연구에서 흐름모의를 사용된 모형은 River2D 모형이다. River2D 모형은 유한요소법을 이용하여 2차원 수심적분된 St.
본 연구에서는 어류에 대한 물리서식처를 평가하기 위하여 서식처 적합도 지수 (HSI: Habitat Suitability Index)모형을 이용하였다. 서식처 적합도 지수 모형은 어류의 물리서식처 인자인 수심, 유속, 기층 등에 대한 적합도를 0 (부적합) 부터 1 (적합)사이의 값으로 표현하는 방법이다.
본 연구는 괴산댐 하류 하천에서의 발전방류가 서식처에 미치는 영향에 대하여 분석하였다. 수리해석은 River2D 모형을 이용하였으며, 일주일 동안의 발전방류 시나리오에 대하여 모의를 실시하였다. 기저유량과 발전방류량이 발생하였을 때의 복합서식처 적합도 지수의 분포를 모의하였으며 그 결과 소에서 피라미에 대한 물리서식처가 악화되었다.
본 연구는 2차원 부정류모형을 이용하여 댐의 발전방류가 하류 하천의 서식처에 미치는 영향에 대하여 분석해보는 것이다. 이를 위하여 흐름모형은 River2D 모형을 사용하였으며 어류에 대한 물리서식처 모의를 하기 위해 HSI 모형을 사용하였다. 일주일간의 발전방류시나리오에 대하여 모의를 실시하였으며 발전방류의 발생에 따른 어류의 서식처 변화를 분석하였다.

성능/효과

수리해석은 River2D 모형을 이용하였으며, 일주일 동안의 발전방류 시나리오에 대하여 모의를 실시하였다. 기저유량과 발전방류량이 발생하였을 때의 복합서식처 적합도 지수의 분포를 모의하였으며 그 결과 소에서 피라미에 대한 물리서식처가 악화되었다. 발전방류량이 발생하였을 때 하상전단응력의 분포를 모의한 결과 여울에서 하상전단응력이 크게 발생하였으며 이 위치에서 저서 무척추동물의 이송이 크게 발생하게 됨을 확인할 수 있다.
기저유량과 발전방류량이 발생하였을 때의 복합서식처 적합도 지수의 분포를 모의하였으며 그 결과 소에서 피라미에 대한 물리서식처가 악화되었다. 발전방류량이 발생하였을 때 하상전단응력의 분포를 모의한 결과 여울에서 하상전단응력이 크게 발생하였으며 이 위치에서 저서 무척추동물의 이송이 크게 발생하게 됨을 확인할 수 있다.
catastrophic drift는 큰 홍수량의 발생으로 인하여 유사량의 발생과 함께 하상에 부착되어 있던 무척추동물이 하류로 떠내려가는 상황을 의미한다. 본 모의결과 발전방류량의 발생으로 유사량의 발생을 야기하지 못하며 이로 인하여 catastrophic drift는 발생하지 않는 다는 것을 확인할 수 있다.

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