Se Woong Chung⋅Hyung Seok Park⋅Sung Wan Yoon⋅In Gu Ryu
Department of Environmental Engineering, Chungbuk National University
*National institute of Environmental Research
(Received 25 February 2011, Revised 17 October 2011, Accepted 19 October 2011)
Abstract
One of the most important water management issues of Soyang Reservoir, located in North Han River in Korea, is a long term discharge of turbid water to downstream during flood season. Installation of a selective withdrawal structure (SWS) is planned by the reservoir management institute as a control measure of outflow water quality and associated negative impacts on downstream water use and ecosystem. The objective of the study was to explore the effectiveness of the SWS on the control of outflow turbidity under two different hydrological years; one for normal flood year and another for extreme flood year. A two-dimensional (2D), laterally averaged hydrodynamic and water quality model (CE-QUAL-W2) was set up and calibrated for the reservoir and used to evaluate the performance of the proposed SWS. The results revealed that the SWS can be an effective method when the θ value, the ratio between the amount of turbid water that containing suspended sediment (SS) greater than 25 mg/L and the total storage of the reservoir, is 0.59 during the normal flood year. However, the effectiveness of the SWS could be marginal or negative in the extreme flood year when θ was 0.83. The results imply that the SWS is an effective alternative for the control of turbid water for moderate flood events, but not a sufficient measure for large flood events that are expected to happen more often in the future because of climate change.
keywords : CE-QUAL-W2, Reservoir operation, Selective withdrawal structure, Soyang Reservoir, Turbidity flow
1. 서 론
1)우리나라는 안정적인 수자원 확보를 위해 1960년대 이후 소양강 댐을 비롯한 다양한 규모의 다목적댐을 건설하여왔 으며, 현재 전국에는 15개가 운영되고 있다. 이들 댐 저수 지들은 계절적 강우사상 변동이 심한 수문 환경에서 홍수 조절, 용수 공급, 전력 생산 등 국가 경제성장과 국민복지 에 있어서 매우 중요한 역할을 담당하고 있는 반면, 환경 적인 측면에서는 탁수의 장기화, 녹조현상, 수생태계 다양 성 감소 등의 문제를 야기하기도 한다. 특히, 최근 들어 기 후변화에 따른 빈번한 집중호우로 인해 탁수 발생의 빈도 와 강도가 증가하고 있는 추세이다. 유역으로부터 저수지로 유입하여 장기간 부유 상태를 유지하며 탁수 장기화 문제 를 일으키는 유사입자는 대부분 실트와 점토질 성분의 미 립토사가 주종을 이루는 세류사(wash load)이며, 하상토 유 사와 달리 수류의 강도보다는 상류에서의 토사공급에 의존
†To whom correspondence should be addressed.
한다(우효섭 등, 2007).
일부 댐 저수지에서는 홍수시 유입한 탁수가 수개월씩 체류하면서 수자원이용, 저수지 수질관리, 수생태계에 적지 않은 영향을 미치고 있으며, 댐을 수원지로 하는 정수장의 수처리에 기술적, 경제적 장해를 초래하고 있다(김범철과 정성민, 2007; 신재기 등, 2006; 정세웅 등, 2005, 2008).
또한 탁수의 장기간 하류 방류는 경제적인 피해뿐만 아니 라 사회･환경적으로도 중요한 문제로 대두되고 있으며, 하 류하천 생물의 서식지 교란 등 생태계에 직접적으로 영향 을 미친다(김자현 등, 2007). 탁수로 인해 야기되는 다양한 사회･환경･경제적 피해를 최소화하기 위해 정부와 저수지 관리기관은 선택취수, 선택배제, 우회수로 및 수류차단막 설치 등의 다양한 호 내 대책을 검토하고 있다(정세웅 등, 2007). 이러한 대책의 일환으로 소양강댐에서는 댐 하류 탁 수장기화를 제어하는 방법으로 선택취수설비(SWS)가 건설 중에 있다.
SWS 설치 목적은 기본적으로 댐으로 인해 변화된 하천 의 탁수 환경을 개선하는 것이므로, 댐 방류수의 탁수 장 기화 일수를 저감하여 가급적 자연상태의 탁수조건을 유지
(a) (b)
Fig. 1. Layout of Soyang Reservoir, locations of monitoring stations (a), and segmentation for simulations (b).
하도록 운영되어야 한다. SWS의 효과는 저수지의 규모, 수 리 시설물의 구조와 위치 및 운영 방식에 따라 다르게 나 타난다. 그리고 호소 내에 형성된 성층 구조와 유입수의 부피, 유입 수온 및 부유물질의 양과 취수 위치, 방류량 등 에 따라 탁수의 이동과 분포 범위가 변화한다(박재충 등, 2010; 이흥수 등, 2007). 따라서 선택취수설비의 효율적인 운영을 위해서는 성층 구조 및 다양한 수문 조건에 따른 탁수 거동의 해석이 동반되어야 한다.
선택취수설비에 대한 연구는 과거에도 활발하게 이루어 졌다. Gelda and Effler (2007)은 미국 뉴욕의 Schobarie 저 수지를 대상으로 기존에 1개소에서 운영되던 취수 시설에 선택취수설비를 도입할 경우 방류수 수온 및 탁도의 변화 양상을 분석하였고, Anohin 등(2006)은 호주 New South Wales에 위치한 Burragorang 호수를 대상으로 저수지에서 발생하는 내부파가 선택 취수의 동역학적 변화에 미치는 영향을 파악하였다. Yajima 등(2006)은 일본의 Tono 댐을 대상으로 선택취수시스템 운영이 저수지 탁수조절에 미치 는 영향에 대한 연구를 수행하였고, Shin 등(2004)은 장마 전･후에 선택취수저수지에서 탁수의 거동을 연구하였다. 이 상욱 등(2007)은 2차원 수리 및 수질 모형(CE-QUAL-W2) 을 사용하여 임하호의 선택 배제시설의 효과를 분석한 바 있으며, 이흥수 등(2007)은 미국공병단에서 개발한 1차원 정상 상태 모형(SELECT)을 통해 대청호와 임하호를 대상 으로 선택 취수에 따른 방류수 수질을 예측하고 모델의 적 용성을 평가하였다.
본 연구의 목적은 북한강 수계의 소양강댐 저수지를 대 상으로 2차원 횡방향 평균 수치모델인 CE-QUAL-W2(이후 W2)를 구축하고, 실측자료를 이용하여 모델을 보정, 검증 한 후 현재 진행 중인 선택취수 설비(SWS) 설치가 서로 다른 수문사상에서 탁수 저감에 미치는 효과를 분석하는데 있다. 모델의 보정은 2005년 1월부터 2006년 5월까지 실측 한 수온자료를 사용하였으며, 검증은 2007년 6월부터 2007 년 12월까지의 기간에 실측한 수온과 탁도자료를 사용하였 다. 검증된 모델을 바탕으로 수문학적으로 유사한 탁수사상
이 유입된 1990년과 2006년 수문사상에 대해 기존의 고정 취수방식과 선택취수설비가 건설되었을 경우 2가지의 시나 리오를 구성하여 효과를 비교･분석하였다.
2. 연구방법
2.1. 연구대상
소양호는 동절기에 한번 수직혼합 되고 하절기에 성층이 형성되는 온대 1순환형(monomictic)호수이다(김윤희, 2001).
소양호는 주요 유입하천인 인제지점의 소양강을 통해 유입 수의 90%이상이 유입하며, 길이는 약 60 km로서 나뭇가지 형태의 매우 길고 좁은 지형특성을 가지고 있다(김범철과 정성민, 2007). 유역면적은 2,703 km2이며, 연평균 강수량 1,153 mm에 해당한다. 소양강댐은 한강 연안과 서울을 비 롯한 수도권지역에 연간 12억 1천 3백만 m3의 생･공용수 및 관개용수를 공급하고 있다. 댐 높이는 123 m, 길이 530 m, 총 저수용량은 29억 m3에 달한다.
정기적인 수질측정이 댐 저수지내 댐앞(R1), 오항리(R2), 양구선착장(R3), 양구대교(R5), 부평리(R4)와 사구미교(S1) 에서 월 1회 운영되고 있으며, 한국수자원공사는 댐앞(R1), 오항리(R2), 양구선착장(R3)지점에서 수질자동측정망(TMS) 을 운영하고 있다(Fig. 1(a)). 수질자동측정망은 수질 다항 목 측정기를 이용하여 수심별로 수온, 탁도, DO, pH, 전기 전도도 등의 수질 자료를 측정한다.
2005년에서 2007년까지 소양호 유역의 강우와 유입･유출 량, 저수위의 시계열 변화를 Fig. 2에 나타내었다. 2005, 2006, 2007년의 연간 총강우량은 각각 1225.7 mm, 1624.9 mm, 1348.8 mm 였으며, 이중 6~9월 강우량은 각각 912.4 mm (연 강수량의 74.4%), 1136.8 mm (연 강수량의 70.0%), 997.7 mm (연 강수량의 73.9%)이었다. 평수기의 일평균 유 입량은 각각 24.7 CMS, 30.7 CMS, 16.8 CMS였으며, 홍수 기에는 각각 137.6 CMS, 225. 5CMS, 177.5 CMS로 5.6배, 7.3배, 10.6배 높게 나타났다. 저수위의변화도 각각 최소 EL. 159.05 m에서 최대 EL. 183.37 m, 최소 EL. 160.12 m
Fig. 2. Daily variations of hydrological factors from 2005 to 2007 in Soyang Reservoir.
에서 최대 EL. 189.55 m, 최소 EL. 158.39 m에서 최대 EL.
184.53 m로 나타났다. 2006년의 경우는 2회에 걸친 대형 강우 사상이 발생하였고, 이때 유입한 일평균 유입량은 각 각 4212.0 CMS와 2012.9 CMS 였다.
소양호에서 탁수 발생과 장기화 원인은 크게 기상과 토 지이용 변화에 있다. 기상요인은 최근 증가하는 집중호우와 이로 인한 토석류 발생, 그리고 토지이용 요인은 고랭지 밭 경작지, 공사현장, 나대지 증가 등이다(한국수자원공사, 2010). 반면, 유역에서 강우시 유입한 탁수가 저수지 내에 장기간 체류하는 원인은 수체에서 자연 침강이 잘 일어나 지 않는 입경 10 μm 미만의 작은 입자들이 중층 밀도류를 형성하기 때문이다.
소양호에서 댐 방류수 탁수조절을 위한 신규 SWS 설비 는 댐 우안에 위치한 기존 취수탑 옆에 다단식 게이트 형 식으로 설치하는 것으로 결정되었으며(한국수자원공사, 2007), 본 연구에서는 이를 고려하여 선택취수 효과를 검토 하였다.
2.2. 모델 구성 2.2.1. 탁수해석 모델
W2 모형은 국내 저수지와 같이 길이가 폭에 비해 상대 적으로 길며 수심이 깊어 여름철 홍수기에 수온 성층현상 이 뚜렷이 나타나는 저수지 형상에 매우 효율적인 모델이 며 국내･외 다양한 적용 사례가 있다(이상욱 등, 2007; 이 용곤 등, 2005; 이흥수 등, 2010; 정세웅 등, 2005; Bowen and Hieronymus, 2003; Cole and Buchak, 1995; Cole and Wells, 2004; Gelda et al., 1998). 저수지 수위변동, 흐름방 향 및 수심방향의 유속분포, 수온, 그리고 21가지 수질항목 의 모의가 가능하며, 지류 유입, 점 및 비점오염원, 하류방 류(Releases), 취수(Withdrawal) 등 다양한 유입 및 방류조 건에 대한 모의 기능이 포함되어있다. 현재 W2 모형은 미 육군공병단(US Army Corps of Engineers), 미 개척국(USBR), 테네시유역관리청(TVA)등 미국의 주요 저수지관리 기관에 서 댐 저수지의 수질관리를 위한 모델로 광범위하게 활용 되고 있다(Cole and Tillman, 2001).
저수지내로 유입한 탁수의 정확한 거동해석을 위해서는 수체의 성층현상, 밀도류 유동, 수직혼합에 대한 정확한 모 의가 선행되어야 하므로 W2 모델은 소양호 탁수거동해석 에 매우 적합한 모델이라고 판단된다. 아울러 국내 대부분 의 대형 다목적댐 저수지는 연중 수위변화가 크며 홍수기 에 유량이 집중 유입된다. W2 모형은 이러한 수위변화에 따른 계산 격자(segment)의 추가 및 삭제 기능이 있어 상 류 경계조건의 공간적 변화를 손쉽게 해석할 수 있으며, 유량 규모에 따라 계산시간 간격을 자동 조정하는 기능이 있어 수치해석의 안정성과 효율성 측면에서 적절한 것으로 판단된다.
2.2.2. 모델의 입력자료
본 연구에서 사용한 소양호의 지형자료는 댐으로부터 상 류 60 km지점까지의 저수지 수체를 33개의 segment로 구 분하였으며, 연직방향 1 m 간격으로 121개의 layer로 구분 하여 유한차분 격자를 구성하였다(Fig. 1(b)). 구축된 지형 자료의 신뢰성을 확인하기위해 실측값과 모의 값의 저수용 량을 비교하여 Fig. 3에 제시하였다.
비교적 홍수량이 적었던 2005년 1월 21일~2006년 5월 31일에 대해 모델을 구축하여 성층 및 전도현상을 해석하 고 수온분포에 관련된 매개변수를 보정하였으며, 보정된 모 델을 2007년 6월부터 2007년 12월까지의 기간에 적용하여 탁도 예측 모의 성능을 검증하였다. 초기 수온 조건은 소 양호에서 수질 다항목 측정 장비(YSI)로 측정된 수심별 수 온 측정 자료를 활용하여 모의 시작 시점의 초기 수온 조 건으로 설정하였다.
경계조건은 유입유량, 유입수 수온, SS 농도, 기상자료 등이 있다. 유량경계 조건으로 국가수자원종합정보시스템 (2008)에서 소양강댐 운영 자료를 바탕으로 소양강댐의 유 출입량을 구성하였다. 유입수의 수온과 SS농도는 선행연구 결과(한국수자원공사, 2007)에서 제시한 회귀식을 사용하였 다. 유입수 수온의 경우, 사구미교 지점의 유량이 300 m3/s 보다 작은 경우 식 (1)을 사용하였으며, 유량이 300 m3/s를 초과하는 경우는 식 (2)를 사용하였다.
Table 1. Statistical indices used to evaluated the model accuracy
Statistical index Equation Desired value
Absolute mean error
0
Root mean square error
0 Oi= observations, Pi= simulations, N = total number of observations, = mean of observations
(사구미교 지점 유량 ≤ 300 m3/s) (1)
(사구미교 지점 유량 > 300 m3/s) (2)
유입수의 SS 농도는 유입량이 2,000 m3/s보다 작은 경우 에는 한국수자원공사(2007)에 제시된 선형 회귀식(식 (3)) 을 사용하였으나, 유량이 2,000 m3/s를 초과하는 경우에는 소양호 유입지점에 해당하는 사구미교에서 실측한 유량과 SS 농도자료를 사용하여 본 연구에서 개발한 비선형회귀 식(식 (4))을 사용하여 산정하였다. SS는 소양호 유입부(신 남선착장)에서 측정한 유사의 입경분포를 기준으로 입자크 기에 따라 3개의 그룹(1.64 μm, 7.33 μm, 24.05 μm)으로 구분하여 모의하였으며, 각각의 분율은 60, 30, 10%를 적 용하였다.
× (Inflow ≤ 2,000 m3/s) (3)
(Inflow > 2,000 m3/s) (4)
대기 기온과 이슬점 온도, 태양의 단파복사량과 운도 자 료는 춘천 기상대의 자료를 수집하였으며, 풍향과 풍속은 양구 자동기상관측소(AWS)의 자료를 사용하였다.
2.2.3. 효과 평가 방법
취수방법에 따른 효과분석을 위해 고정취수(EL. 140 m) 와 표층선택취수(수위변화에 따라 수심 5 m) 두 가지 방법 으로 나누어 모의하였다. 1990년과 2006년 탁수 사상을 선 정하였으며, 고정취수방식으로 전도현상에 의한 영향을 포 함하기 위해 당년 6월부터 익년 5월까지 모의하였다. 선택 취수 설비의 효과를 평가하기 위해 모의결과를 바탕으로 기준 탁도(30, 40, 50 NTU)를 초과하여 탁수가 하류로 방 류된 일수를 분석하였다. 본 연구에서 SWS의 효과는 설치 목적인 댐 방류수의 탁수 방류 장기화 일수를 저감하는 정 도로 평가하였으며, 저수지 내 탁수 잔류량과 이로 인한 수질영향은 고려하지 않았다.
탁수 발생 후 저수지 내 탁수의 점유율 θ값은 식 (5)를 사용하여 산정하였다. 탁수 점유율은 저수지 총 저수량에 대한 탁수량(SS 25 mg/L 이상 포함하는 물)의 비를 의미 한다.
탁수점유율
(5)
여기서, Vt= 저수지내 탁수량(SS 25 mg/L 이상), V0= 저수용량
모의변수인 SS와 저수지 내 수심별 실측값인 탁도를 비 교하기 위해 저수지내 탁도 실측값을 한국수자원공사(2007) 에서 실험자료를 이용하여 개발한 SS-탁도 관계식(식 (6)) 을 사용해 SS값으로 변환하였다.
SS = 0.8 × 탁도 (6)
2.2.4. 모델의 평가
W2 수리 모델 결과인 수위용량곡선, 수온 성층해석과 SS 농도 검증에 대한 재현성 검토를 위하여 실측자료와 모 의결과의 비교･평가는 AME (Absolute Mean Error) 및 RMSE (Root Mean Square Error)를 이용하였다(Table 1).
AME는 절대 평균 오차로써 모의 값과 실측값 편차의 절 대값을 산술평균한 값으로 그 값이 0에 가까울수록 모델에 서 신뢰도가 높다. RMSE는 평균 오차로써 모의 값과 실측 값 편차값을 제곱하여 산술 평균한 값의 제곱근으로 0에 가까울수록 모의 값의 신뢰도가 높다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 모델의 보정 및 검증 3.1.1. 물수지 재현성 검증
구축된 지형자료의 신뢰성을 확인하기위해 실측 수위-저 수용량 관계를 모델 결과와 비교하여 Fig. 3(a)에 나타냈다.
오차의 크기는 AME와 RMSE의 값이 각각 15.67×106 m3 (총 저수용량의 0.5%), 16.48×106 m3(총 저수용량의 0.6%) 으로써, 모델의 수치격자는 실제 저수지 지형을 적절히 반 영하는 것을 알 수 있다. 모델의 물수지 모의결과의 신뢰 성을 확인하기 위해 실측수위와 모의수위를 비교하여 Fig. 3(b) 에 나타내었다. 실측수위와 모의수위의 오차는 AME와 RMSE의 값이 각각 0.09 m, 0.13 m로써 물수지에 대한 높 은 신뢰도를 나타내었다.
3.1.2. 수온모의 결과
수온 성층 구조의 재현성을 확인하기 위해 2005년 1월에 서 2006년 5월까지를 모의하였으며 실측값과 모의값을 비 교하여 Fig. 4에 제시하였다. 모델은 여름철 저수지의 성층
(a) (b)
Fig. 3. Comparisons of surveyed and simulated elevation-water levle curves (a), observed and simulated water surface elevations in 2005 (b).
Fig. 4. Comparison of observed (line) and simulated (symbol) profiles of water temperature profiles at the site R4 during 2005 to 2006.
화와 홍수 유입 이후 전이층 영역이 확장되는 현상, 그리 고 가을 수직혼합 이후 전도 현상이 일어나는 과정을 잘 모의하는 것을 확인할 수 있다. 모의값과 실측값의 오차 통계량인 AME와 RMSE는 평균값(범위)이 각각 0.5°C (0.1°C~1.4°C), 0.8°C (0.1°C~2.0°C)의 결과를 보여 모델의 예측 신뢰도는 높은 것으로 평가되었다. 보정된 모형의 수 온 성층 구조의 재현성을 검증하고 탁수 거동 예측에 대한 성능을 확인하기 위해 2007년도 수문 사상에 대해 모형을 적용하였다. 2007년 수문사상을 적용하여 수온을 모의한 결과는 Fig. 5에 나타내었다. 모의 값과 실측값의 수온 오 차는 R4 지점에서 AME와 RMSE의 평균값(범위)이 각각 0.8°C (0.3~1.4°C) 및 1.3°C (0.5~2.1°C)이었고, R3 지점에
서는 각각 0.9°C (0.5~1.6°C) 및 1.4°C (0.6~2.3°C)로 나타 났다. 평수 년인 2007년에도 홍수기 동안 수온 성층 구조 의 동적 변화를 비교적 정확하게 재현하였다.
3.1.3. 탁수 모의 결과
소양호로 유입한 탁수는 중층 밀도류를 형성하였으며, 2007년 8월 13일에 대한 2차원(x-z) 모의결과를 종단도로 Fig. 6에 제시하였다. 저수지 내로 유입한 탁수는 수온약층 위 EL. 130.0~165.0 m 구간에 위치하였으며, 최고 탁도는 EL. 142.0 m에 형성되었다. 중층 탁수는 소양강 댐의 발전 방류구가 위치한 EL. 130.0~150.0 m로 유입되었으며, 상･하 로 혼합되지 않고 하류로 방류되는 경향을 보였다. 탁수
(a)
(b)
Fig. 5. Comparison of simulated (line) and observed (symbols) profiles of water temperature at the R3 (a) and R4 (b) in 2007.
예측 성능을 검증하기 위해서 TSS 모의 결과를 Fig. 7에 비교하였다. 모델은 대체로 R3와 R4 지점 모두에서 탁수의 밀도류 유입 두께, 최고 탁도층, 그리고 수직 분포 특성을 잘 모의하는 것으로 나타났다. 특히, 저수지 중층에서 작은 부유입자가 지속적으로 체류하면서 장기탁도를 유발하는 현상이 잘 재현되는 것을 확인할 수 있다. R3 지점의 AME 와 RMSE의 범위(평균값)는 각각 0.5~23.4 mg/L (6.0 mg/L),
0.6~39.7 mg/L (9.2 mg/L)이었고, R4 지점에서의 범위(평균 값)는 각각 1.0~10.5 mg/L (4.5 mg/L), 1.8~18.5 mg/L (6.4 mg/L)로 나타났다. SS 모의결과 평수기에는 비교적 정확한 모의결과를 보였으나, 홍수가 발생한 Julian day 225.5일 이후부터 274.5일까지 중층 탁수층에서 SS 모의값이 실측 값을 과소평가하는 경향을 보였다. 이러한 오차의 원인은 저수지 유입하천의 경계조건에서 SS 농도를 산정하기 위해
Fig. 6. Simulated propagation of turbid flow in two-dimensional (x-z) view on August 13, 2007.
(a)
Fig. 7. Comparison of simulated (line) and observed (symbols) profiles of TSS at the R3 (a) and R4 (b) in 2007.
사용한 유량-SS 관계식의 이력(Hysteresis) 현상, 강우사상 별 유사 입경분포의 변동성, 그리고 입력변수로 사용된 침 강속도의 불확실성 등이 포함된다. 오차를 줄이고 모델의 신뢰도를 높이기 위해서는 유량-SS 관계식 보다는 실시간 탁도 모니터링을 통한 탁도-SS 관계식 사용, 다양한 홍수 사상에 대한 유사 입경분포 자료 수집, 그리고 LISST (Laser In Situ Scattering Transmissometry) 등의 장비를 이 용한 유사의 공간적 침강특성 현장조사 등이 필요하다 (Pedocchi and Garcia, 2006).
3.2. 시나리오 분석
3.2.1. 1990년 수문사상 모의
1990년부터 1991년까지의 저수지 수문사상을 Fig. 8에 나 타내었다. 1990년 8월 초순에 발생한 탁수사상 동안 저수지 수위, 유입수 SS 농도, 그리고 선택취수설비 운영 유･무에 따른 댐 방류수의 SS 농도 시계열 변화는 Fig. 9에 나타내었다.
초기수위는 EL. 192.33 m이며, 홍수시작 시점에서 4일간 지속된 강우량(1990년 9월 9일~9월 12일)은 402.8 mm, 4 일간 총 유입량(1990년 9월 10일~9월 13일)은 2억3천만 톤, 일평균 첨두유량 7,062.6 CMS로 나타났고, 표층선택취 수기간은 방류수의 탁도를 가급적 유입수의 탁도로 유지하 는 조건으로 하여 257~350일로 정하였다. 1990년 탁수사상
(b)
Fig. 7. Comparison of simulated (line) and observed (symbols) profiles of TSS at the R3 (a) and R4 (b) in 2007 (continued).
Fig. 8. Daily variations of hydrological factors from 1990 to 1991.
Fig. 9. Comparison of SS concentrations for dam release according to selective withdrawal scenario in 1990.
동안 저수지 탁수 점유율 θ값은 0.59로 산정되었으며, 선 택취수기간동안 고정취수방식에 비해 탁수방류일수가 약 50일 정도 저감되는 것으로 나타났다(Fig. 10). 표층 선택 취수를 시작하는 시점부터 댐 방류수의 SS농도가 급격히 감소하였고, 310일 이후부터 수직혼합에 의한 탁질의 재부 상이 발생하여 표층까지 확산되었으며, 이에 따라 방류수의 SS농도가 일시적으로 증가하였으나 지속적인 탁도를 유발 하지는 않았다.
3.2.2. 2006년 수문사상 모의
2006년부터 2007년까지의 저수지 수문사상을 Fig. 11에 나타내었다. 2006년의 탁수사상 동안 저수지 수위, 유입수 SS 농도, 그리고 선택취수설비 운영 유･무에 따른 댐 방류
수의 SS 농도 시계열 변화를 Fig. 12에 나타냈다.
초기수위는 EL. 166.15 m이며, 홍수시작 시점에서 7일간 강우량(2006년 7월 12일~18일)은 569 mm, 7일간 유입량이 1억9천만 톤, 일평균 첨두유량은 4212.0 CMS로 나타났으 며, 표층취수기간은 230~440일로 정하였다. 2006년 탁수사 상 동안 저수지 탁수 점유율 θ값은 0.83으로 나타났고, 기 존의 중층 고정취수방식을 적용한 경우 기준 SS농도를 초 과하는 탁수 방류 일수는 390일까지 지속되었으나, 표층 선택취수를 시작한 경우에는 오히려 탁수가 510일 이후까 지 연장되는 결과를 보였다(Fig. 13). 이는 기존의 취수구가 위치한 EL. 130~150 m 수심구간에 탁수층의 중심이 위치 하고 있어 탁수의 선택배제가 용이하게 이루어졌으며, 표층 선택취수를 한 경우에는 320일 이후 수직혼합이 시작되면
(a) (b) Fig. 10. Time-depth variations of SS concentration at the site R4 in 1990.
Fig. 11. Daily variations of hydrological factors from 2006 to 2007.
Fig. 12. Comparison of SS concentrations for dam release according to selective withdrawal scenario in 2006.
(a) (b)
Fig. 13. Time-depth variations of SS concentration at the site R4 in 2006.
서 중층에서 표층까지 완전 혼합된 결과를 보여준다. 370 일 이후에는 전 수심구간인 혼합되어 탁수가 장기화 되는 결과를 초래했다.
3.2.3. 선택취수설비 효과분석
1990년과 2006년의 댐 방류수 관리탁도 초과일수를 Table 2에 나타내었다. 1990년 탁수사상은 일평균 첨두유 량이 7062.6 CMS로 대규모 탁수사상이었으나, 초기수위 (EL. 192.33 m)가 높아 댐내 탁수점유율은 0.59였다. 기존 의 고정취수방식으로 운영할 경우 관리탁도 30 NTU를 초
과하는 일수는 69일이었으나, 표층 선택취수를 운영할 경 우 초과 일수는 17(52일 감소)일로 단축되었다. 40 NTU와 50 NTU를 적용했을 경우에는 탁도 초과일수가 각각 56일 과 48일씩 단축되는 효과를 보였다. 이러한 결과는 비록 유입량 규모가 큰 홍수사상에 대해서도 초기 저수량이 많 아 탁수점유율이 낮으면 선택취수설비는 효과가 있음을 보 여준다.
2006년 탁수사상의 경우, 초기수위는 EL. 166.15 m로써 매우 낮은 편이었다. 일평균 첨두유량은 4,212 CMS(시간최 대 11,247.0 CMS)로써 대규모 정도의 탁수사상이었으며,
Table 2. Comparison of the numbers of violation date that exceeded the designated outflow turbidity standard (unit: days)
Years Without SWS operation With SWS operation
30 NTU 40 NTU 50 NTU 30 NTU 40 NTU 50 NTU
1990 ~ 1991 69 59 51 17 3 3
2006 ~ 2007 227 156 141 295 217 118
댐내 탁수점유율은 0.83이었다. 선택취수설비를 사용하여 표층취수를 실시할 경우, 관리탁도 30 NTU를 초과일수는 오히려 기존취수방식의 227일에서 295일(68일 증가)로 늘 어나 탁수가 장기화되는 결과를 초래하였다. 관리 탁도를 40 NTU와 50 NTU를 적용했을 경우에는 탁도 초과일수가 각각 61일 증가와 23일 단축되는 상반된 효과를 보였다.
이는 장기탁수방류가 예상되는 탁수사상에서 선택취수설비 의 효과를 기대 할 수 없기 때문에 고탁수층의 우선 선택 배제를 하는 것이 탁수 장기화를 저감하는 방안으로 사료 된다. 그러나 하천에서 탁수의 영향은 농도와 지속시간이 모두 영향을 미치므로 고탁수를 선택배제할 경우에는 하류 하천의 수생태계와 물 이용에 미치는 문제점이 없는지 검 토가 필요하다.
1990년 탁수사상에서와 달리 2006년 탁수사상에서 SWS 가 탁수조절 효과가 없었던 이유는 초기 저수량과 탁수 점 유율의 차이에 있다. 탁수발생 당시 초기 저수위가 상대적 으로 높았던 1990년에는 탁수 점유율이 낮아 표층 선택취 수를 하더라도 탁수가 안정적으로 중층 밀도류를 형성하였 으나, 초기 저수위가 낮았던 2006년에는 탁수 점유율이 높 고 표층의 맑은 물 층이 얕아 선택취수를 한 경우 가을 전 도현상 기간에 저수지 내 잔류하던 중층 탁수가 수직으로 혼합되어 탁수 장기화를 초래하였다. 이러한 결과로써 2006년 사상에서는 선택취수설비운영으로 오히려 탁수방류 일수가 증가하였다. 따라서 선택취수설비의 운영은 초기 저 수량, 유입 탁수량과 저수지 내 탁수 점유율, 그리고 전도 현상에 의한 재부상 가능성 등을 종합적으로 고려하여 운 영될 필요가 있으며, 이를 위해서는 실시간 탁수 모니터링 과 모델링 기술이 필요하다.
4. 결 론
본 연구에서는 소양호를 대상으로 2차원 탁수 거동해석 수치모델을 구축하고 댐 하류 하천에 대한 탁수 방류 장기 화를 제어하는 대책으로써 선택취수설비를 도입할 경우 방 류수 탁도 조절에 미치는 영향에 대해서 분석하였다. 본 논문에서 도출된 주요 결론은 다음과 같다.
1) 1990년 탁수 사상(θ=0.59)에서는 선택취수설비를 도입 할 경우, 기존의 중층 취수 방식보다 관리탁도 30 NTU 와 40 NTU에 대하여 탁수 하류 방류 일수가 각각 52 일과 56일 저감되는 것으로 나타났다.
2) 그러나 2006년 탁수 사상(θ=0.83)에서는 선택취수설비 를 도입한 경우가 오히려 역효과를 보였다. 선택취수의 운영이 기존의 중층 취수 방식보다 관리탁도 30NTU와 40NTU를 초과하는 하류 방류 일수를 각각 68일과 61 일로 증가시키는 결과를 초래하였다.
3) 따라서 선택취수 설비의 효과는 초기 저수용량과 유입 탁 수의 규모에 따라 결정되는 탁수 점유율(θ)에 따라 다르 게 나타나며, 1990년 탁수사상이 2006년 탁수사상에 비 해 초기 저수량이 많아, 대규모 탁수사상이 유입하였어도 탁수의 댐 내 점유율은 낮았으며, 선택취수설비를 운영할 경우 탁수방류일수를 저감하는 효과를 보였다.
4) 그러나, 2006년 탁수사상의 경우는 초기저수량이 적은 상태에서 대규모 탁수사상이 유입하여 저수지내 탁수점 유율이 높았으며, 선택취수설비를 운영하면서 탁수가 가 을철 전도현상으로 인해 저수지내에 전체적으로 혼합되 는 결과를 초래하였다.
5) 따라서 소양강댐 하류의 탁수 장기화 저감을 위한 선택 취수설비는 실시간 탁수 모니터링과 모델링 기술을 기 반으로 과학적으로 운영되어야 하며, 탁수 점유율이 높 은 사상에 대해서는 표층취수보다는 탁수층의 신속한 배제가 우선되어야 할 것으로 판단된다.
사 사
이 논문은 2010년도 충북대학교 학술연구지원사업의 연 구비 지원에 의하여 연구되었음.
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