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1. 서론
탁수(turbid water, 濁水)란 수중에 존재하는 무 기 및 유기 물질에 의해 빛이 산란 또는 흡수되어 그 결과로 빛 투과능이 저하되어 혼탁해 진 상태를 말한다. 탁수를 유발하는 원인물질에는 물 속에 포 함된 토양 입자, 입자상 및 용존상 유기물질, 식물 성플랑크톤이나 그 밖의 미생물, 퇴적층 부상물질 등이 있다. 국내 하천과 저수지에서 발생하는 장기 간 탁수 현상은 상류 유역의 토지이용과 댐을 이용 한 수자원 확보 등 인위적인 요인 때문에 발생하는 경우가 많다. 탁수는 유역으로부터 유출된 토사와 비점오염물질을 다량 포함하고 있어 하천과 저수 지의 부영양화뿐만 아니라 빛 투과능 저하에 따른
수생태계 1차 생산량 감소, 탁질에 의한 어류 폐사, 어류의 종 다양성 감소, 정수처리 비용 증가, 하천 의 관광 어매니티(amenity) 저하 등의 문제 등 다 양한 사회·환경적 문제를 유발한다.
탁수문제는 기상과 밀접한 관계가 있다. 즉, 강 수량이 많을수록 그리고 강우강도가 강할수록 유 역에서 토양 침식작용이 활발해져 하천과 저수 지의 부유물질 농도와 탁도를 증가시키게 된다 (Mimikou et al., 2000). 최근 국내에는 전국적인 가뭄이 지속되고 큰 강우사상이 없어 탁수문제가 이슈화 되지 않았지만, 향후 기후변화 전망에 의하 면 강수패턴 변화가 유역의 탁수 장기화 문제를 더 욱 가중시킬 수 있고, 비점오염 부하량 증가에 따 른 수질문제 등을 야기할 수 있는 것으로 예상된 다. 특히 4대강 사업으로 댐 하류 하천 구간 내 다 기능 보가 연속하여 설치되어 있어 댐 저수지로부 터 방류된 탁수는 하천구간에서도 장기화될 가능 성이 높다. 따라서 기후변화로 인한 유역의 탁수발 생 변화를 정량적으로 분석하고 수자원공급시설의 취약성을 평가할 필요가 있으며, 지속가능한 양질 의 수자원 공급을 위해서는 탁수에 대한 체계적인 연구 및 적절한 관리와 저감 기술이 필요하다. 또 한, 적응적 상수원 수질관리를 위해서는 유역의 토 양유실 억제, 시가화지역의 불투면 저감, 비점오염 부하량 삭감 등 정부차원의 보다 적극적인 유역관 리 대책 마련이 필요한 것으로 판단된다.
극한사상에 대한 탁수 저감 및 관리기술 개발 소개
박 형 석 ●●●
충북대학교 환경공학과 박사과정 qwrs07@gmail.com
정 세 웅 ●●●
충북대학교 환경공학과 교수 schung@chungbuk.ac.kr
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본 글의 목적은 국토교통부의 재정지원으로 진 행 중인 “기후변화 대비 수자원 적응기술 개발 연 구단(2014~2019)”의 제3세부과제 “기후변화 대비 유역관리 적응기술”의 단위과제인 “극한사상에 대 한 탁수 저감 및 관리기술 개발”의 내용을 소개하
는데 있다. 본 연구는 3-4 세세부과제인 “극한사 상에 대한 유역의 탄력적 대응 및 복원기술 개발”
의 단위과제로 포함되어 있으며, 본 단위과제의 연차별 연구 내용은 그림 1과 같다.
그림 1. 극한사상에 대한 탁수 저감 및 관리기술 개발 연구 내용
2. 국내·외 탁수 발생 및 관리 현황 2.1 국내 현황
국내의 대규모 댐 저수지는 홍수기에 정도의 차
이는 있지만 대부분 탁수가 발생한다. 하절기에 강 한 수온 성층이 형성되어 있어 유역으로부터 저수 지로 유입한 탁수는 침강 후 밀도류를 형성하며 중 층을 따라 유동한다. 국내 주요 다목적댐의 탁수발 생현황은 표 1과 같다. 2006년 소양강댐과 2003년
표 1. 주요 다목적댐 고탁도 발생 현황
구 분 소양 임하 합천 대청 횡성 밀양 주암
발생연도 2006 2003 2004 2002 2006 2006 2006
탁수일수
(30NTU이상) 226 315 20 50 28 15 13
최고탁도
(NTU) 328 1,221 283 126 67 92 98
최대강우강도
(mm/hr) 88 76 75 61 60 77 41
자료 : 국토해양부·한국수자원공사, 수계단위의 탁수예방 기본계획 보고서 (2010)
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임하댐에서 발생한 탁수사상은 호내에 잔류하던 탁수층이 가을 전도현상이 나타나는 기간에 수직 으로 혼합되면서 탁수를 수개월 동안 장기 방류하 는 문제를 초래하였다. 따라서 정부에서는 댐 저수 지별로 탁수피해 저감을 위해 유역의 토양침식 억 제 대책과 더불어 저수지에서는 선택취수설비 등 을 신설 또는 개선하는 사업을 진행하였다.
국내에서 탁수저감 대책의 시초는 관계부처 합 동으로 임하댐 탁수저감 대책(2005)을 수립한 것 이다. 이 대책은 2005년부터 10년간 2,331억원을 투자하여 환경부 흙탕물저감사업, 농림부 밭기반 정비사업 등 10개의 장·단기 대책을 수립·시행 하여 임하댐 탁수를 저감하는 정책이다. 그 이후 환경부는 정부 유관기관 합동으로 도암댐 수질개 선 대책(2006)과 소양강댐 탁수저감 대책(2007) 을 수립한 바 있다. 최근 탁수관리를 위한 목적으 로 국토교통부에서 전국 32개 댐을 대상으로 수계 단위 탁수예방 기본 계획(2010)을 수립하였다. 또 한, 국무총리실 외 7개 정부 부처에서는 4대강 사 업 이후의 쾌적한 친수공간 조성과 기후변화에 따 른 강우특성 변화에 대비하기 위해 비점오염저감 종합대책을 수립하였다. 4대강 사업 완공 후 단기 적(‘12〜’15)으로 4대강 유역 수질관리에 중심을 둔 비점오염원 관리 종합대책을 수립하여 추진 중 이며, 장기대책(‘16〜’20)으로 4대강 및 타유역으 로 비점오염원 관리의 확대를 계획하고 있다.
2.2 국외 현황
미국의 뉴욕시는 다목적댐 저수지를 상수원수 로 사용하고 있으며, 비여과시스템으로 용수를 공 급하고 있어 탁수관리가 매우 중요하다. 뉴욕시 수자원시설관리 기구는 기후 변화에 따른 강한 강 우사상 발생 증가를 수자원관리의 주요 사안 중 의 하나로 설정하였다. 왜냐하면, 강한 강수사상 은 뉴욕시의 상수원수 저수지들 중 일부에서 탁도 를 취수시설 유입구에서의 법적 원수 수질 기준치
(5 NTU) 보다 100배까지 높임으로서 상당한 추가 수처리 및 모니터링 비용을 발생시킬 수 있기 때 문이다 (Miller and Yates, 2006). 뉴욕주에서는 기후변화에 따른 탁수발생 빈도와 강도 증가에 적 응하기 위해 다양한 탁수저감 대책을 제시하고 있 으며, 총 대책 비용은 10억달러 (약 1조원)에 해당 한다(New York City, 2009). 미국에서는 높은 탁 도가 바이러스와 같은 질병원인 미생물의 수준과 높은 상관성을 보여 Safe Drinking Water Act (SDWA)에서 음용수의 탁도 수준을 제안함에 따 라 탁수발생은 정수처리 비용 상승의 원인이 된다 (Borok, 2014).
미국의 탁수대책은 개별 호수에 대한 탁수관리 보다는 원인이 되는 비점오염원에 대한 관리에 중 점을 두고 있다. 각 기관별로 탁수관리 대책을 집 행하며, 탁도 규제를 통해서 표토유출 자체를 저 감하는데 초점을 맞추고 있다. 침식과 침전물을 발생원부터 조정하는 사전예방법을 주로 하여, 토 사유출을 포함한 비점오염원을 통제한다. 각 주 의 특성에 따라 도시지역과 농업지역의 토지교란 에 의한 침식과 침전물질 규제 법안을 제정·운영 하며, 농업활동에 대해서는 예외사항을 두어 효율 적인 관리체계를 유지하고 있다(한국환경정책평가 연구원, 2005). 총량규제(TMDL)의 주요 항목으 로 탁도를 사용하며, 음용수, 어업, 레크레이션 가 능 여부에 따라 탁수 기준을 분류하고 있다(U.S.
EPA, 2007). 2001년 EPA 조사보고에 따르면 미 국 내 53개 주 가운데 32개 주에서 탁수에 대한 탁도와 부유물질의 농도 기준치를 가지고 있으며, 13개 주에서는 수치화된 기준은 없지만 주의 특성 에 따라 기준안을 제시하고 있다.
3. 탁수 관리를 위한 기술개발 현황 1970년대 이후 많은 연구자들이 저수지 밀도 류 해석을 위한 실험실 규모의 실험과 수치모형개
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발 등의 노력을 기울여 왔으며, 밀도류의 침강점 수심(Plunging depth), 이탈점 수심(Separation depth), 중층밀도류의 두께와 이동속도, 그리고 주변수와의 혼합 정도를 계산하는 방법을 제시하 였다(Farrell and Stefan, 1988). 그러나 실험실 연구로부터 제시된 해석들은 정상상태 조건을 가 정하고 있어 연속해서 홍수사상이 발생하거나 수 위변화가 큰 경우 적용에 어려움이 있다. 따라서, 저수지 밀도류 흐름 특성을 해석하기 위해서는 저 수지 지형, 유입수의 밀도변화, 저수지 성층구조, 바람에 의한 난류혼합, 방류 및 취수에 의한 영 향 등 매우 복잡한 물리적 과정을 고려한 정밀한 수리해석이 요구된다(Imberger and Patterson, 1990). 그 동안 국내에서는 탁수거동 해석 모형 으로써 수체를 흐름방향과 연직방향으로 해석하 는 2차원 횡방향 평균 모형(CE-QUAL-W2, 이 후 W2)이 자주 사용되었다. 대부분의 선행연구에 서 W2 모델은 저수지의 성층현상과 탁수의 밀도 류 거동현상을 비교적 잘 모의하는 것으로 평가되 었으나, 저수지 폭이 넓은 수역과 만곡부에서는 횡방향 평균 가정에 따른 수리적 해석의 한계가
지적된 바 있다. 그리고 임하댐, 소양강댐 저수지 에서는 탁수피해 저감을 위한 대책으로 선택취수 시설 개선이 추가 또는 개선되어, 선택취수시설의 최적운영과 탁수저감 효과분석을 위해 보다 정확 한 탁수거동 해석의 필요성이 제기되고 있다.
최근 들어 센서기술과 컴퓨터 모델링 기술의 발 달과 함께 저수지 실시간 탁수 감시 및 예측 시스 템을 도입하여 탁수를 조절하기 위한 연구가 진행 되어져 왔다(Chung et al., 2006). 이러한 실시 간 감시 및 예측 기술은 성층화된 호소내로 유입 된 탁수의 밀도류 거동과 시공간적인 분포를 예측 하여 최적의 댐 운영 관리방안을 제시하는데 초점 을 두고 있다(de Kok and Wind, 2003). 뉴욕 주 의 상수원인 Ashokan 저수지에서 기후변화에 따 른 탁수 발생 부하 변화를 예측하는 연구를 수행 한 바 있다(Samal et al., 2013). 이 연구에서 사 용한 수치모델은 CE-QUAL-W2이며 오랜 기간 탁도 모델링의 성능향상을 위한 모니터링과 모델 링 기술을 개발하였다. 기후변화 연구결과 겨울철 의 하천 평균 유출량은 12~20% 증가하는 것으로 전망되었으며, 저수지 내 탁도는 2046~2065년
그림 2. 준실시간 데이터를 활용한 탁수관리 시스템(New York City, 2009)
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동안 11%, 2081~2100년 동안 17% 증가하는 것으 로 전망되었다.
뉴욕주는 기후변화에 따른 탁수 적응대책들을 수립하기 위해 수치모델 CE-QUAL-W2와 저수 지 운영시스템 Oasis를 연계하여 모의분석을 수 행한 바 있다. 이 연구에서는 수리 구조물의 신설 과 확장, 운영조건 변경 등 호 내에서 탁수 발생 후 대책에 대한 연구가 진행되었으며, 대책 적용 시 일정부분 탁수저감에 효과가 있는 것으로 나타 났다(그림2). 저수지 탁수 모니터링을 위해 원격 탐사 기술을 활용하는 연구도 활발하다. 포르투 갈, 아르헨티나 등지에서 위성원격탐사 및 영상 활용을 통한 탁도 모니터링 기술이 연구된 사례 가 있다(Potes et al., 2012; Fernandez et. al., 2014).
4. 진행연구 소개
4.1 탁수예측 모델 수정 및 적용성 평가
본 연구에서는 탁수 거동예측 기술의 고도화를 목표로 기존 탁수예측모형(W2)의 유사 모의 기능 을 분석하고 모델 수정을 통해 예측 성능을 개선 하고자 하였다. 기존 W2모델은 여러 개의 그룹으 로 구분하여 SS 모의가 가능하나, 사용자가 결정 할 수 있는 변수는 침강속도상수이다. 단순 침강 속도만 고려하기 때문에 모델링 과정에서 수온과 SS농도에 따라 실시간으로 변화되는 물의 밀도와 점성계수의 변화를 반영하지 못하는 한계가 있다.
또한, 비점착성 유사의 독립침강을 가정하여, 응 집침강 해석 및 장기 탁수 예측에 취약한 특성을 가진다. 따라서, 기후변화로 예상되는 극한 탁수 사상에 대한 탁수 예측모델의 성능개선을 위해서 기존 모델의 구조 및 소스코드를 분석하였으며, 수온에 따른 밀도 변화 모의 기능(Stoke’s 식) 및 점착성 유사 모의 기능(Hwang and Mehta 식)을
추가 하였다. 수정된 모델은 연구대상지역인 소양 호를 대상으로 적용성을 평가하였다.
4.2 극한사상에 대한 저수지 탁수 영향 해석
극한사상에 대한 저수지와 하류 하천의 장기 탁수 발생 예측 및 관리기술 개발을 위해 북한 강 수계의 소양강댐 및 의암-청평-팔당댐 구간 을 대상으로 W2모델을 구성하였으며, 기왕 최대 의 탁수사상이 발생했던 2006년과 2007년 수문 사상을 대상으로 모델 검정을 수행하였다. 모델 링 결과를 바탕으로 각 저수지별 유입 및 방류 최 고 TSS, 탁수 방류일수, 탁수점유율 등 탁수 관 련 인자에 대한 평가를 수행하였으며, 그 결과를 기후변화에 따른 탁수영향평가의 지표로 활용하 였다.
미래 기후변화에 따른 탁수 영향 평가를 위해 APCC RCP 4.5 HadGEM2_AO 시나리오를 적용 하여 SWAT모형을 통해 모의한 2013년 ~ 2099년 의 소양강댐의 일 단위 유입 유량자료를 분석하였 다. 모의기간동안 평균 일별 유입량은 50.9 CMS, 최대 일별 유입량은 6,668.0 CMS이며, 미래로 갈 수록 유입유량의 강도가 커지는 것으로 나타났다.
분석 결과를 토대로 기후변화에 따른 극한수문사 상(2053~2054년도)을 선정하여 탁수모델링을 수 행하였으며, 소양호 및 하류하천에 미치는 영향 에 대해 평가하였다. 2054년에 발생한 탁수사상 의 최고 방류 TSS농도는 소양호 2,250 mg/L, 의 암호 548.2 mg/L, 청평호 358.6 mg/L, 팔당호 165.4 mg/L로 기왕의 최고 수문사상이 발생했던 2006년의 댐 방류수 TSS농도를 크게 상회하는 것 으로 나타났다. 팔당호에서 TSS 25 mg/L이상의 고 탁수 방류도 158일간 지속되는 것으로 나타났 으며, 이는 기왕의 최대 탁수사상이 발생한 2006 년보다 117일 증가한 것이다.
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4.2 극한 탁수사상 발생시 대응 기술 개발
탁수 저감을 위한 대책은 저수지 내 탁수유입 사전·사후 대책과 취·정수장 대책으로 나눌 수 있다. 저수지내 사전 대책으로는 탁수 유입 전 취 수수심 관리, 수위관리 등이 있다. 일반적으로 저 수지의 탁수 유입 전 수위가 낮을 경우에는 유입 탁수를 신속하게 배제할 수 있으나, 전도현상과 같은 수직혼합이 발생하면 전 수체가 탁수로 되어 장기화되는 단점이 있다. 반면에 탁수 발생 전 저 수위가 높고 충분한 저수량을 확보한다면, 탁수유 입 시 호 내에서 차지하는 탁수의 비율이 낮아져 여유로운 시설물 운영이 가능해 탁수 피해를 최소 화 시킬 수 있다. 저수지 탁수유입에 따른 사후 대 책은 탁수의 호 내 점유율에 따라 시설물 운영을 통하여 고 탁수 우선배제, 맑은 물 선택적 취수, 바이패스 등 적절한 방안을 선택해야 한다. 하류 취·정수장에서는 탁수 예·경보 시스템을 도입
하여 탁수 유입에 신속하게 대응할 필요성이 있으 며, 탁수 유입에 따른 정수처리 대책을 마련해야 한다. 따라서, 유입 탁수 대응을 위해 신속한 의사 결정이 필요하며, 실시간 모니터링을 기반으로 한 탁수예측 시스템이 구성되어야 한다.
본 연구에서는 소양호를 대상으로 초기 저수위 및 선택취수 설비 운영에 따른 탁수영향을 평가하 였으며, 그림 3의 절차에 따라 탁수 피해를 최소 화 할 수 있는 운영 안을 제시하였다. 향후, 범위 를 확장하여 댐-보-하천 연계 시스템에 대한 탁 수 관리 및 대응 기술을 개발하고자 한다.
5. 맺음말
기후변화에 따른 강우특성의 변화는 홍수와 가 뭄과 같은 수량부문의 변화뿐만 아니라, 중요한 상수원인 하천과 저수지의 수질에도 직접적인 영 표 2. 북한강수계 댐 저수지 별 2006년과 미래 극한사상 탁수발생 특성 비교
구 분 소양 의암 청평 팔당
2006 극한 2006 극한 2006 극한 2006 극한
방류수 최고
TSS 농도 (mg/L) 264.1 2250 75.4 548.2 62.2 358.6 34.5 165.4 고 탁수 방류 일수
(TSS >25 mg/L) 348 472 167 454 175 262 41 158
그림 3. 저수지 시설물 운영에 따른 탁수저감 효과 평가 방법
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향을 미쳐 다양한 형태의 수질오염을 야기할 가능 성이 높은 것으로 전망되고 있다. 특히, 극한 홍수 사상 이후에 발생하는 탁수의 장기화는 하천과 저 수지의 수생태계와 물 이용에 심각한 문제를 초래 할 수 있다. 탁수 저감을 위한 관리 기술은 신속하 고 정확한 모니터링과 과학적인 예측 기술, 극한 탁수 발생 시 취·정수장 수처리 대응 기술, 그리 고 유역 내 토양 침식량 저감과 저수지로 유입한 탁수의 장기화를 최소화 하는 댐 운영 기술을 포 함한다. 미래 기후변화에서도 지속가능한 수자원 의 이용과 보존을 위해서는 예상되는 극한 사상에
대해 탁수 피해를 최소화하기 위한 국가적 차원의 대응 전략이 조속히 마련되어야 하며, 본 연구 결 과는 이러한 전략 수립과 최적 댐 운영 기술 개발 의 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.
사 사
본 연구는 국토교통부 물관리사업의 연구비지원 (14AWMP-B082564-01)에 의해 수행되었습니다.
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