1. Introduction 1)
4 대강 사업 이후 금강의 대청댐 하류에는 3개의 다기능 보가 설치되었다. 보는 하천의 하폭, 수심, 유속 등 물리적 환경 변화를 초래하였으며, 이로 인해 정체수역이 광범위하 게 형성되었다. 특히, 보 구간은 저류량이 증가하고 체류시 간이 늘어남에 따라 1차 생산성이 높은 폐쇄성 수역의 특 징을 갖게 되었다(BAI, 2013). 이러한 하천의 수리적 인자 의 변화뿐만 아니라 최근에는 기후변화에 따른 가뭄과 폭 염 등의 수문기상학적 영향이 더해져 하천운영을 더욱 어 렵게 하고 있다. 정부에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 수량과 수질의 통합적 관리와 댐-보 연계 운영 등의 새로 운 하천관리 방안을 모색하고 있다.
†
To whom correspondence should be addressed.
[email protected]
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현재 보 운영의 원칙은 관리수위와 상한수위를 기준으로 수위를 조절 및 유지하며 하천관리유량을 만족하도록 규정 하고 있다(MOLIT, 2013). 그러나 보 운영 이후 2013년부터 지속된 가뭄으로 인한 유량감소와 여름철 고온 현상은 정체 수역에서 조류의 과잉성장과 녹조현상을 빈번히 야기하고 있다. 정체 수역에서 발생하는 유해 남조류의 과잉성장 문제 인 녹조의 효과적인 관리대책을 마련하기 위해서는 수체 내 에서 일어나는 수온 성층에 대한 이해가 매우 중요하다. 수 온 성층화 현상은 수체의 수직 난류혼합과 시·공간적인 수 온, 체류시간, pH, 용존산소와 영양염류 분포 등에 영향을 미치며 남조류의 우점과도 밀접한 관계가 있다(Martin and McCutcheon, 1999; Wetzel, 2001; Chung et al., 2014). 남조 류의 경우 군집을 형성하며 규조류, 녹조류와 다르게 세포 내 기낭을 이용한 부력조절 기능이 있어 수온성층이 강하고 표층 난류 혼합이 약한 시기에는 표층에 밀집하는 현상을 보인다(Bonnet and Poulin, 2002; Brookes and Ganf, 2001).
본 연구의 대상지역인 백제보 구간은 상류에 인근 주요 도시의 상수원으로 사용하고 있는 용담댐과 대청댐이 위치
금강 백제보 구간 수온성층 형성과 임계유속 관계
김동민*,**․박형석*․정세웅*,†
*
충북대학교 환경공학과
**
(주)지오시스템리서치 부설연구소
Relationship of the Thermal Stratification and Critical Flow Velocity Near the Baekje Weir in Geum River
Dong-min Kim*,** Hyung-Seok Park* Se-Woong Chung*,†
*
Department of Environmental Engineering, Chungbuk National University
**
Research and Development Institute, GeoSystemResearch Corporation (Received 28 February 2017, Revised 10 July 2017, Accepted 18 July 2017)
Abstract
In Geum River of Korea, three multi-purpose weirs were built at the downstream of Daecheong Reservoir during the Four Major River Restoration Project (FMRRP). The weirs have altered the hydraulic characteristics of the river, and consequently transformed the large areas of flowing ecosystem to deep and wide stagnant environment. In every summer, a thermal stratification occurred near the Baekje Weir having mean depth of 4.0 m, and the surface algal blooms dominated by buoyant cyanobacteria have been frequently formed after the FMRRP. The objective of this study was to investigate the relationship between flow velocity and thermal stability of the waterbody using a three-dimensional (3D) hydrodynamic model (EFDC+) after calibration against the thermistor chain data obtained in 2014. A new Sigma-Zed vertical grid system of EFDC+ that minimize the pressure gradient errors was used to better simulate the thermodynamics of the waterbody. The model reasonably simulated the vertical profiles of the observed water temperatures. The vertical mean flow velocity and the Richardson Number (Ri) that represents the stability of waterbody were estimated for various management water levels and flow rates scenarios. The results indicated that the thermal stability of the waterbody is mostly high (Ri >> 0.25) enough to establish stratification, and largely depend on the flow velocity. The critical flow velocity that can avoid a persistent thermal stratification was found to be approximately 0.1 m/s.
Key words : Algal bloom, Baekje Weir, Critical flow velocity, EFDC, Thermal stratification
하고 있다. 대청댐 하류의 금강 본류는 대전과 청주 등의 대형 하수처리장 방류수의 영향을 받는 갑천과 미호천 등 의 오염 지류가 유입하면서 높은 영양염류 농도를 보이고 있다. 특히 백제보 인근은 평균수심이 약 4 m 정도임에도 불구하고 수온성층이 형성되며, 주변 농촌지역으로부터 비 점오염물질이 광범위하게 유입되면서 부영양 상태에 있다.
이로 인해 4대강 사업 이후 수질예보제 운영 결과, 2012년 에는 관심단계 4일에서 2013년 관심단계 44일, 2014년 관 심단계 15일, 주의단계 6일, 2015년 관심단계 79일, 주의단 계 12일, 2016년 관심단계 38일, 주의단계 8일 등 조류의 과잉증식으로 인한 문제가 지속적으로 발생되고 있다. 환경 부는 하천의 부영양화 문제를 해결하기 위해 비점오염원 대책을 수립하고 하수처리장의 총인 방류수 수질기준을 강 화하였다. K-water는 녹조가 자주 발생하는 집중 관리지역 에 대한 녹조 저감 대책을 수립하고, 조류 발생 시 선박 교란을 통한 조류 군집 해체, 물 순환장치를 사용한 수온 성층 파괴 및 수류 확산, 조류 제거선 등을 운영하고 있다.
그러나 이러한 대책들은 녹조 발생 사후대책으로 사용되고, 녹조 제어효과와 규모가 작고 지속적이지 못하며 전기사용 과 유지관리 등 운영비용을 지속적으로 요구한다.
한편 보에 저장된 물을 이용하여 하천 흐름을 조절함으 로써 녹조 발생을 제어하는 방법으로 펄스형 방류기법을 활용하고 있다. 펄스형 방류는 하천의 댐, 보와 같은 구조 물에서 방류된 순간흐름을 통해 수온성층을 해소하고 하층 에 DO를 공급하는 등 녹조발생을 저감하는 목적으로 이용 된다(MOLIT, MOE, and MAFRA, 2014; MBDA, 2012).
Maier et al. (2001) 은 호주의 Murray 강에서 발생한 남조 류의 과잉증식현상을 제어하기 위해 펄스형 방류 기법을 사용하였으며, 그 결과 남조 세포수의 감소효과를 보인 바 있다. 그러나 펄스 수량과 지속기간이 충분하지 못할 경우 그 효과는 미미하거나 퇴적층에서 환원된 인, 영양물질, 중 금속 등이 수층에 혼합되어 방류 이후 조류 성장을 촉진할 수 있다(Webster et al., 2000).
대 하천에서 남조류에 의한 녹조 발생을 억제하기 위해 서는 정체수역에 수온성층이 형성되지 않도록 적절한 유량 또는 유속을 유지 시키는 것이 중요하다. Mitrovic et al.
(2003) 은 호주의 Darling 강 Bourke 지점의 수온 성층 형 성은 유량변화에 지배되며 유량이 5.2 m
3/s 이상 또는 하천 유속이 0.05 m/s 이상 유지될 경우 지속적인 성층이 형성 되지 않는 것으로 보고하였다. Maier et al. (2004)은 호주 Murray-Darling 강에서 유량조절을 통해 지속적으로 발생 한 수온성층과 남조류 과잉증식현상을 제어하였으며, 230 m3/s 이상의 유량조건에서 성층해소와 남조 세포수의 감소 를 나타내었다. 유량이 증가함에 따라 유속이 빨라지고 난 류강도가 강해지면 식물플랑크톤의 세포에 물리적 손상이 발생하고 유광층에 노출되는 기회가 감소하면서 조류의 성 장이 억제된다(Richmond and Vonshak, 1978). 또한 여러 연구자들에 의해 임계치 이하의 유속에서는 조류 성장이 촉진되는 것으로 보고되고 있다(Drapcho and Brune, 2000;
Doyon et al., 2000). Li et al. (2013) 은 다양한 유속조건
(0.03 m/s, 0,06 m/s, 0.1 m/s, 0.15 m/s, 0.3 m/s) 에서의 조 류 생체량과 종 조성변화를 조사하여 유속이 남조류 증가 를 억제하지만 종 조성 변화에는 영향이 적은 것으로 분석 하였다. 그러나 수온성층 형성을 억제하고 남조류 우점을 제어하기 위한 하천의 임계유속은 하천의 형태와 기후조건, 수체의 이화학적 환경 등에 따라 다를 수 있으므로 국내 하천운영에 적용할 수 있는 임계유속에 대한 심도 있는 연 구가 필요하다. 하천의 수온 성층 해소에 필요한 적정 임계 유속을 산정하는 방법으로는 수리실험과 수치모델링이 있을 수 있으나, 현실적으로 다양한 보 운영과 유량 조건에서 수 온 성층과 유속의 관계를 실험적으로 규명하기는 어려움이 있다. 따라서 실측자료를 이용하여 보정된 수리모델을 사용 하여 임계유속을 산정하는 방법이 보다 효과적이다.
그 동안 국내에서는 하천과 저수지의 수리·수질 해석 모형 으로써 2차원 횡방향 평균 모형인 CE-QUAL-W2가 자주 사 용되었으며 성층현상과 밀도류 거동현상을 잘 모의하는 것으 로 평가되었다. Jung et al. (2009)은 대청댐 플러싱 방류가 하 류 수질에 미치는 영향을 모의하기 위해 CE-QUAL- W2모델 의 예측성능을 평가하였으며 하천에 적용하는 경우 모델의 이론적 한계 및 개선방안을 제시하였다. Kim and Chung (2011) 은 용담댐 하류하천을 대상으로 수리·수질의 동적 변 화를 모의할 수 있는 W2 모델을 구축하여 실측 SS (suspend solid) 농도 변화를 적절히 반영하여 모의하였다. 그러나 모니 터링 기술뿐만 아니라 컴퓨터 하드웨어의 발전과 함께 수질 모델링 기술이 급격하게 발전함에 따라 3차원 수리·수질 연동 모델은 수체에서 오염물의 시·공간적인 농도변화를 정밀하게 해석할 수 있는 수준에 이르렀다. Chung et al. (2009)은 3차 원 수리현상 모의를 위해 ELCOM모형을 사용하여 대청호의 수문사상에 적용하고 수온성층 과정을 모의 및 모형의 예측 성능을 평가하였으며, Kim et al. (2011)은 3차원 수리 수질해 석 모형인 EFDC의 수온성층 해석 능력 제고를 위해 적정 매 개변수를 도출하고자 하였다. 그러나 수리·수질모형을 이용한 수온성층 모의는 대부분 수심이 깊은 저수지를 대상으로 이 루어 졌고 저수심의 하천에 적용된 사례는 매우 드물다.
본 연구의 목적은 금강 중·하류에 위치한 백제보 인근을 대상으로 3차원 수리 모델인 EFDC+를 구축하고, 보 인근 에 설치한 수온계 체인으로 측정한 수심별 실측 수온자료 를 이용하여 모델을 보정한 후 보의 관리수위와 하천 유량 변화 시나리오에 따른 유속과 수온성층강도 변화를 모의함 으로써 수온 성층 해소에 필요한 임계 유속 값을 제시하는 데 있다. 모델은 새로운 수직격자 구성방법인 Sigma-Zed를 사용하여 수평과 수직 방향의 수온, 수리변화를 모두 고려 하여 모의하였으며, 하천 흐름의 변화에 따라 시·공간적으 로 변하는 성층현상에 대해 모델을 보정하고 임계유속을 제시하는데 적용하였다.
2. Materials and Methods
2.1 연구대상지역
본 연구대상 지역이 속해 있는 금강유역은 한반도 중서
부에 위치하고 있으며, 유역면적은 9,912.15 km
2이고 유로 연장은 397.79 km
2이다(DRCMA, 2009). 금강의 중류에 위치한 대청댐 하류에는 2012년에 완료된 4대강 사업으로 세종보, 공주보, 백제보 등 3개의 보가 건설되었으며, 연구 대상지역인 백제보는 중·하류에 위치하고 있다(Fig. 1). 수 리해석을 위한 모의 대상 구간은 백제보로부터 환경부 수 질측정망 지점(공주2)이 위치한 상류 8.5 km까지 이다. 백 제보 구간의 관리수위는 EL. 4.23 m, 보 높이 7.2 m, 보 길이 311 m(고정보 191 m, 가동보 120 m)규모로서 인근 농경지에 용수와 전력을 공급하고 있다. 대상 구간에 포함 된 주요 지류하천은 운곡천, 중평천, 양화달천, 자왕천 등 이 있다.
보 구간의 연속적인 수온성층 변화를 조사하기 위해 보 상류 300 m 지점에 2014년 4월부터 9월까지 수온계 체인 을 설치하여 수심별 수온을 측정하였다. 수온계 체인은 본 류 중앙에 설치하였으며, 바닥 층으로부터 0.5 m, 1.5 m, 3.0 m, 4.0 m 위치에 총 4개의 수온계를 사용하여 10분 단 위로 측정하였다.
2.2 3차원 수리 해석 모델
백제보 구간의 3차원 수리해석을 위해 Environmental Fluid Dynamics Code (EFDC) 모델을 선정하였다. 기존 Full 버전의 모델에서의 수온성층 해석의 어려움을 극복하기 위 해 새로운 수직격자 구성방법이 추가된 EFDC+ 모델(DSI,
2016a) 을 사용하였다. EFDC+ 모델은 수직방향의 격자구성 을 위해 Sigma stretching (σ) 좌표계와 Sigma-zed (SGZ) 좌 표계를 선택적으로 사용할 수 있다. 기존의 σ좌표계는 수 심과 무관하게 동일한 개수의 층을 설정하여 격자를 구성 하기 때문에 바닥 표고의 급격한 변화가 있는 경우와 수심 이 깊은 곳에서 시간과 공간에 따라 수직격자의 높이가 달 라져 성층현상과 수질의 변화를 재현하기 어려운 단점이 있 었다. DSI (Dynamic Solutions International)는 바닥 표고의 급격한 변화가 있는 경우 발생하는 압력경사 오차(pressure gradient errors) 문제(Mellor et al., 1994)를 해결하기 위해 EFDC 모델에 SGZ 좌표계를 추가하였다. SGZ 좌표계는 계산의 효율성이 높고 압력경사 오차를 현격하게 줄여주며, 수체의 공간별 수심을 고려하여 적합한 수층으로 격자를 구성하여 수온성층 해석에 유용하다. EFDC 모델의 수리해 석 지배방정식과 모델의 특성에 대한 구체적인 내용은 참 고문헌(Hamrick, 1992; Tetra Tech, 2007a; Tetra Tech, 2007b) 에 상세히 제시되어 있으므로 본 논문에서는 지면관 계상 생략한다.
2.3 모델구축
2.3.1 지형자료
본 연구에서 사용한 모델의 지형자료는 국토교통부가 제 공한 하천 단면측량자료를 사용하여 연구대상 지역인 백제 보에서 상류 8.5 km지점까지의 모델 입력수심을 구축하였
Fig. 1. Locations of study site, Baekje weir, and monitoring stations.
고, 수평격자는 수치격자생성 프로그램(CVL_Grid)을 이용 하여 구성하였다(DSI, 2016b). 수평방향은 직교곡선좌표계 를 사용하였으며 횡단방향의 격자크기는 36.0 ~ 150.7 m이 고, 종단방향의 격자크기는 25.2 ~ 77.5 m로 총 1221개의 격자를 구성하였다. 수직방향은 수체의 수심을 고려한 SGZ 방식을 적용하여 각 층의 두께를 0.43 ~ 0.56 m로 구성하였 고 2 ~ 10개의 수층으로 나누어주었으며 수온계 체인이 설 치된 지점은 EL. 4.73 m로 10개의 수층격자로 이루어져 있다(Fig. 3). 지형자료의 신뢰성 및 안정성을 확인하기 위 해 수치격자의 직교성(Orthogonality)을 분석하였다(Fig. 2).
안정적이고 효율적인 수치계산을 위해서는 수직격자간 교 차점에서의 편차각도가 작아야 한다. 본 모델의 직교성은 평균 0.789°(-6.0° ~ 3.2°)로 수치격자 직교성 적합도 3° 이 내를 만족하였다(DSI, 2016a). 모델의 계산시간간격은 수위 변화(dη/dT)의 크기에 따라 계산간격이 유동적으로 변화하 는 Dynamic Time Step 기능을 사용하였다.
2.3.2 초기·경계 조건
본 연구에서 사용된 모델은 2014년 1월부터 12월까지를 모의하였으며, 실측된 유량, 수위, 수온등을 사용하여 보정 하였다. 초기 수위는 모의시작 시점인 1월 1일의 백제보 관측 수위 EL. 4.23 m, 초기 수온은 백제보 상류에 위치한
수질측정망(공주2) 지점에서 1월 2일에 실측한 수온 3 °C을 지정하였으며 초기유속을 0으로 지정하는 cold start로 수행 하였다.
수리해석을 위한 모델의 경계조건은 유입유량과 유출유 량, 유입수의 수온, 기상조건 등으로 구성되어 있으며, 국 가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)과 환경부 물환경정 보시스템, 기상청 자료를 사용하였다. 본 연구대상 지역의 상류에 위치한 본류유입지점은 환경부의 수질측정망이 위 치한 공주2지점이며, 상류 유입량은 백제보 수위(저수량) 와 총 방류량 자료를 바탕으로 물수지 분석을 통해 산정 하였다. 모델의 지형자료와 모델 보정에 사용한 유량자료 의 신뢰도를 평가하기 위해 2014년도 백제보 일 별 수위 측정 자료와 모의 수위를 비교한 결과, NSE (Nash-sutcliffe Efficiency) 0.965, AME (Absolute Mean Error) 0.01 m, RMSE (Root Mean Square Error) 0.01 m 로 높은 신뢰도를 나타내어 모델은 모의대상 수체의 지형과 물 수지를 적절 히 반영한 것으로 판단된다(Fig. 4).
기상자료와 유입수 수온은 대상수체의 수온성층 해석에 가장 중요한 경계조건 인자이다. 모델의 유입수온은 공주2 지점의 주간 수온실측 자료를 사용하였고, 기상조건은 연구 대상지역에 위치한 부여기상대와 인근 대전기상대의 시계 열자료를 수집하여 사용하였으며 기온, 강수량, 증발산량, 상대습도, 대기압력, 일사량, 운량, 풍향, 풍속이 해당된다.
동일한 유량 및 수심조건에서 성층강도는 강우 여부, 기온 및 일사량 조건에 따라 다른 값을 나타낼 수 있다. 모의기 간 동안의 강수량, 유량, 기온, 일사량의 변동 특성과 수직 수온분포 보정일자(6/16, 6/19, 6/28, 7/5, 7/9, 7/22)를 Fig.
5 에 함께 나타내었다. 대상기간 동안 유량은 최소 51.9 m
3/s 에서 최대 79.1 m
3/s 의 범위를 보였으며, 이는 최근 4 년간(2013 ~ 2016년) 규암지점의 평균 저수량(57.8 m
3/s) 보 다 컸다. 수온성층 재현모의에 사용한 주요 매개변수 값들 은 Table 1에 제시하였다.
2.4 시나리오 구성
보정된 모델을 이용하여 보의 관리수위와 하천 유량 변 화에 따른 유속과 수온성층강도 변화를 모의하기 위해 시 나리오를 구성하였다. 모의 시나리오는 Table 2에 제시된 바와 같이 4가지 수위조건과 3가지 유량 조건을 조합하여 Fig. 2. Numerical grid system of the study river reach and
orthogonality deviation.
Fig. 3. Vertical slice grid profile by Sigma-Zed coordinate system.
Fig. 4. Comparison of observed and simulated water surface
elevations.
12 가지로 구성하였다. 기준 시나리오는 현재 보 관리수위 인 EL. 4.23 m와 2014년 모델 모의 기간의 유량조건 Q를 사용하였으며, 관리수위를 하향조정하고 유량을 상향 조정 하면서 각각의 조건에서 수온성층의 변화를 모의하였다. 수 체의 수온성층 안정도를 평가하기 위한 지수는 Richardson number (Ri) 를 사용하였다. Ri 값은 수온성층강도와 흐름에
의한 난류강도의 비로 계산식은 식 (1)과 같다. 여기서 는 중력가속도, 는 물의 밀도, 는 바닥 기준면으로부터 거리 를 나타내는 수직좌표, 는 유속을 의미한다. 일반적으로 Ri 값이 0.25보다 작은 경우 수체는 동적으로 불안정하여 난류상태를 유지하지만, 이보다 큰 경우에는 수체는 안정적 이며 수직혼합이 적고 수온성층이 형성될 수 있는 환경으 로 판단한다(Fischer et al., 1979).
∆
∆
∆
∆
3. Results and Discussion
3.1 수온의 계절적 변동 및 성층화
백제보 수온모의를 위해 보정된 모델의 모의결과와 2014 년 한 해 동안 백제보 수질측정망 실측 수온을 시계열로 Scenario
Water level (EL. m) Discharge (m
3/s)
4.23* Q
4.0
1.5Q 3.7
3.4 2Q
*Current management water level for the Baekje weir
Table 2. Simulation scenarios for the analysis of thermal stratification according to the water levels and flow rates variations.
Fig. 5. Daily variations of (a) air temperature and solar radiation, (b) pre- cipitation and discharge during June 1 to July 31, 2014.
Description Value
Surface heat exchange sub-model Equilibrium Temperature
Clear water light extinction coeff (1/m) 0.5
Thermal thickness of bed (m) 3
Initial bed temperature (°C) 20
Heat transfer coefficient between bed/WC (W/m
2/°C) 0
Fraction of bed heat due to solar radiation radiated back to water column 0.1
Background/Constant Horizontal eddy viscosity (m
2/s) 10
Background Vertical eddy viscosity (m
2/s) 0.00001
Table 1. The model parameters used for hydrodynamic and temperature simulations
비교하였다(Fig. 6). 모의 결과는 측정지점의 시·공간적인 수온변동과 수온성층이 형성되는 여름철에는 실측값을 적 절히 반영하였다. 모의결과의 적합도와 오차에 대한 통계 값은 NSE 0.979, AME와 RMSE는 각각 1.3 °C와 1.61 °C 로 산정되었다.
백제보 상류 300 m에 설치한 수온계 체인의 실측결과는 평균 4 m의 저수심의 환경에서 4월 말부터 7월 말까지 상 하층의 수온이 1도 이상 차이가 나는 성층현상이 65일 동 안 발생하였으며 이후 기온 하강과 수직혼합에 의해 성층 강도가 감소하기 시작하였다(Fig. 7). 측정기간에 상층과 하 층의 수온차이는 최대 5 °C까지 나타났으며 강우기간에는 수직 혼합이 강하게 발생하여 성층이 완화되었다. 이후 무 강우 기간에는 태양복사에너지에 의해 표층이 가온되어 밀 도가 낮은 물이 상층부로, 밀도가 높은 물이 하층부에 머 무는 안정된 상태를 나타냈다. 일반적으로 저수지의 성층화 는 평균수심 10 m가 넘고 연간 평균체류시간이 20일이 넘는 경우 발생 한다고 알려져 있으나(Ford and Johnson, 1986), 최근 수온계 체인 실험결과에 의하면 평균수심이 2 m 미 만의 수심이 얕은 저수지에서도 성층이 발생하며 표층과 하층의 수온 차는 최대 7.5 °C까지 나타났다(Ji, 2016). 성 층 화된 수체의 표층에서는 대기와의 기체교환과 식물플랑 크톤의 광합성작용으로 인해 호기성 상태를 유지하지만, 수 온약층 이하에서는 빛 투과가 제한되어 광합성이 일어나지 못하고 호흡, 분해 작용만 일어나게 되며 심층에서는 혐기
성 환경에 의해 철, 질소, 인 등이 용출되는 등 수리·수질 모델링에 있어 수온성층은 중요한 의미를 가진다.
모델의 수온성층 재현성을 보정하기 위해 수심별 실측 수온과 모의 값을 비교한 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 6 월 16일(a) ~ 7월 22일(f)에 대한 보정은 수심별로 다소 편 차를 보이긴 하였으나, 대체로 수온 성층 구조 변화를 잘 모의하였으며 표층과 바닥 층의 온도차가 4 °C보다 커질수 록 오차가 커지는 경향을 보였다. 보 인근에 수온계 체인 이 설치되었기 때문에 소수력 발전을 위한 중·하층의 물이 방류되면서 수체의 난류발생으로 인한 혼합현상이 발생하 였다. 수심이 얕은 수체는 바람, 일사량, 강우 등의 기상조 건에 큰 영향을 받을 수 있으며, 특히, 야간에 기온이 급 격히 내려갈 때 주기적으로 대류 혼합이 발생하는 특성이 있다.
3.2 수위와 유량조건에 따른 성층변화
백제보 인근에서 발생한 수온성층 현상을 완화 또는 해 소하기 위해 보의 관리수위와 유량을 조절함에 따른 성층 강도의 변화를 모의한 결과를 Fig. 9에 제시하였다. 유량의 변화 없이 관리수위만 조절하였을 경우, 수위가 낮아질수록 6 월 16일(Fig. 9a)을 제외하고 표층수의 수온이 0.01 ~ 1.00
°C 감소하는 경향을 보였다. 바닥 층의 온도변화는 미미하 게 나타나 상하층의 온도차는 줄어들면서 성층은 일부 완 화되었으나, 여전히 강한 성층구조를 보이고 있다. 유량을 1.5 배 증가 시킨 1.5Q의 경우, 수위를 낮추어 운영할 경우 상·하층의 온도차는 0.2 ~ 2.0 °C까지 감소하면서 성층이 약 해졌다. 수위 감소 및 유량증가에 따른 유속의 변화는 수 직혼합을 촉진시키며 수체의 안전성을 감소시키면서 수온 성층의 강도가 약해지는 것을 확인하였다. 그러나 6월 16 일 1Q, 6월 19일, 6월 28일 1.5Q 조건에서는 수위 하강에 의해 표층온도가 상승하면서 성층의 강도가 약화되지 않았 으며 수위 하강 및 유량증가에 따라 체류시간이 감소하고 수체에서 대기로의 열 손실량이 감소하여 표층 수온이 반 대로 상승하였다고 판단된다. 2Q의 유량조건에서는 6월 16 일에 표층과 바닥층의 온도차가 1 °C 미만을 나타내었으며 EL 3.7 m 이하에서 성층이 완전히 파괴되었다. 다른 시기 에 기존 수위에서는 성층구조를 파괴시키지 못하였으며 특 Fig. 6. Comparison of observed and simulated time series
of water temperature.
Fig. 7. Continuous monitoring of water temperature by thermistor chain and
temperature difference between surface and bottom from April to
September, 2014.
Fig. 8. Comparison of observed and simulated water temperatures by depth.
Fig. 9. Thermal stratification by changes of water level on 1Q condition.
Fig. 10. Thermal stratification by changes of water level on 1.5Q condition.
Fig. 11. Thermal stratification by changes of water level on 2Q condition.
히 표층온도가 높은 7월 9일의 경우(Fig. 11e) EL 3.4 m에 서도 여전히 성층이 강하게 형성되었다.
3.3 시나리오별 Ri 값과 임계 유속 변화
