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팔당호 수질 관리를 위한 3차원 시변화 모델 연구

Title
팔당호 수질 관리를 위한 3차원 시변화 모델 연구
Authors
나은혜
Issue Date
2004
Department/Major
과학기술대학원 환경학과
Publisher
이화여자대학교 과학기술대학원
Degree
Doctor
Advisors
박석순
Abstract
팔당호는 발전용 댐 건설에 의해 형성된 인공호로 현재 수도권에 용수를 공급하는 국내 최대 규모의 광역상수원으로서 중요한 역할을 담당하고 있다. 그러나 팔당호가 지리적으로 수도권과 근접하여 넓은 유역 내에 많은 오염원이 위치하고 있기 때문에 담수호 조성 이후 다양한 수질오염 문제가 발생되어 왔다. 팔당호 수질 개선과 안전한 취수원수 확보를 위해 지난 10여 년 간 많은 관리 정책이 시행되었음에도 불구하고 특정 시기를 중심으로 여전히 상수원으로써 부적합한 수질이 유지되고 있다. 본 연구에서는 팔당호에 적합한 모델을 적용하여 수리적 특성과 호 내 수질 및 취수원수 특성을 분석하고, 이들 결과를 바탕으로 최적의 수질관리 방안을 제시하는 것을 목적으로 하였다. 팔당호는 수표면적에 대한 유역면적의 비가 매우 커 유역으로부터의 강우 및 오염물질 유출에 직접적인 영향을 받는다. 남한강과 북한강 그리고 경안천이 합류하는 지점에 위치하고 있는 팔당호는 호의 형상이 좁고 긴 수지형 호수로 유량과 수질이 상이한 이들 세 지류가 각각 다른 방향으로부터 유입됨에 따라 호 내 흐름과 수질의 공간적 변이가 크다. 한편 팔당호의 저수 용량은 유입 유량에 비해 매우 적으며, 따라서 호 내 수리 및 수질은 지류로부터 유입되는 유량 및 수질의 변화에 따라 경시적으로 변화하게 된다. 팔당호로 유입되는 세 지류는 계절에 따른 유량 및 수질의 변이가 심하며, 특히 남, 북한강의 유량 및 수질은 상류에 위치하고 있는 여러 개 댐에서의 유출에 의해 크게 영향을 받는다. 결론적으로 팔당호는 복잡한 지형과 유역 환경으로 인하여 시·공간적 수리 및 수질 변화가 매우 심한 수체로 3차원 시변화 모델의 적용이 필요하다고 판단되었으며, 본 연구에서는 3차원 시변화 수리 및 수질 모델링 지원을 위한 통합 시스템인 GEMSS를 팔당호에 적용하였다. 수체 경계와 수심 분포에 대한 GIS 자료를 기초로 GEMSS에 포함된 격자망 생성 모듈인 GRIDGEN을 이용하여 팔당호에 대한 3차원 모델 격자망을 구성하였다. 그 결과 팔당호는 총 3,802개의 grid elements로 구성되었으며, 호 내 방류 및 취수 위치는 구성된 모델 격자망 내에서 잘 재현되었다. 팔당호 모델에 대한 경계 조건은 남, 북한강 그리고 경안천 유입수, 강우, 댐으로부터의 발전 및 수문 방류 그리고 취수장에서의 취수가 고려되었다. 적용된 수리 모델의 재현성 검토를 위해 수온과 전기전도도를 대상으로 모델의 보정 및 검증을 수행하였으며, 일반적인 강우 조건을 갖는 2000년과 2001년의 자료를 모델 보정에 최근 5년 동안 연간 강우량이 가장 많았던 1998년의 자료를 모델 검증에 이용하였다. 그 결과 팔당호에 적용된 3차원 시변화 수리 모델은 상이한 강우 및 유량 조건에서의 호 내 열수지 및 수체 혼합 특성을 잘 재현하고 있었다. 재현성이 검토된 수리 모델 결과를 바탕으로 수행된 수질 모델은 수리 모델의 보정 및 검증시와 동일한 시기의 수질 자료를 이용하여 보정 및 검증되었으며, 모델 예측값은 실측값과 적절한 일치를 보였다. 재현성이 검토된 수리 모델 결과를 바탕으로 팔당호의 시·공간적 수온 및 유속 분포 특성, 체류시간의 시·공간적 분포 그리고 유입지류별 흐름 경로를 규명하였다. 팔당호에서는 겨울철과 초여름에 약한 수온 성층이 형성되며, 전 수층에서 균일한 수온 분포를 보이는 초봄과 가을철에도 수체의 수직적 혼합은 발생하지 않는 것으로 나타났다. 팔당호 수표면에서는 소내섬 남쪽 수역에서 호 내 다른 수역에 비해 낮은 유속과 높은 수온이 유지되고 있었다. 또한 댐 블로킹 현상은 소내섬 남쪽 수역과 남한강 수역 방향으로의 역류를 발생시켰으며, 이로 인해 소내섬 남쪽 수역과 남한강 수역의 하류 부분에서 호 내 다른 수역에 비해 국지적으로 긴 체류시간이 나타나는 것으로 예측되었다. 반면 여름철 집중 강우시에는 유입 및 유출량의 급격한 증가로 인해 전 수역에서 체류시간이 크게 감소하며, 이로 인해 수온 성층도 파괴되었다. 한편 일반적으로 팔당호로 유입된 남, 북한강은 각각 소내섬 동쪽 호반과 북쪽 호반을 따라 이동하며, 댐에 이르기까지 비교적 수직 혼합이 잘 이루어졌다. 반면 경안천 유입수는 소내섬 서쪽 호반을 따라 표층을 중심으로 댐까지 이동하는 것으로 나타났다. 재현성이 검토된 수질 모델 결과를 바탕으로 팔당호 내 시·공간적 수질 분포 특성을 살펴보았다. 팔당호에서는 대장균군수를 제외한 대부분의 수질 항목의 경우 경안천이 유입되는 소내섬 남쪽 수역에서 수질 오염도가 가장 심하며, 식물성 플랑크톤이 과대 성장하는 표층을 중심으로 높은 농도가 유지되는 것으로 나타났다. 반면 여름철 집중 강우시에는 공간적 수질 차이가 감소하였으며, 겨울철에는 낮은 수온의 영향으로 전 수역에서 Chl-a 농도가 급격히 감소하였다. 즉 팔당호는 대부분의 시·공간적 범위에서 부영양화 상태에 있으며, 따라서 이에 대한 관리가 시급히 요구되는 것으로 판단되었다. 본 연구에서는 팔당호 내 녹조 제어 방안을 제시하기 위하여 호 내 식물성 플랑크톤 과대 성장에 대한 제한인자를 규명하였다. 팔당호에서는 인이 식물성 플랑크톤 성장에 대한 제한영양물질로 작용하고 있으며, 겨울철에는 낮은 수온이 여름철 집중 강우시에는 짧은 수체류시간이 식물성 플랑크톤의 성장을 제한하는 것으로 나타났다. 또한 팔당호 본류 수역에서 장마 전후 기간동안 표층을 중심으로 발생하는 식물성 플랑크톤 과대 성장은 유역으로부터의 과다한 인 유입에 의해 야기되며, 특히 경안천 유역으로부터의 인 유입 변화에 가장 민감한 반응을 보이는 것으로 분석되었다. 한편 팔당호 본류 수역에서의 Chl-a 농도는 남, 북한강 그리고 경안천으로부터 유입되는 Chl-a 농도에 직접적인 영향을 받게 되며, 이들 세 지류 중 특히 경안천으로부터의 Chl-a 유입량 변화에 가장 민감한 반응을 보이는 것으로 분석되었다. 즉 팔당호 본류 수역에서의 녹조 제어를 위해서는 경안천으로부터의 인 유입량 저감과 함께 식물성 플랑크톤 유입량을 저감하기 위한 관리가 우선적으로 필요한 것으로 판단되었다. 한편 남, 북한강 그리고 경안천이 목표수질 즉 BOD 농도 1 mg/L 이하 기준을 만족한다 할지라도 팔당호 내 BOD 농도는 과대 성장한 식물성 플랑크톤의 배설 및 사멸로 인해 일부 시기를 중심으로 1 mg/L을 초과하는 것으로 예측되었다. 즉 팔당호 수질이 BOD 기준으로 1급수를 만족시키기 위해서는 남, 북한강 그리고 경안천의 BOD 농도 관리와 동시에 호 내 녹조 제어가 필수적인 것으로 판단되었으며, 본 연구에서는 팔당호 본류 수역의 Chl-a 농도를 중영양 단계 이하로 저감하는 동시에 BOD 농도 기준으로 1급수를 달성하기 위한 유입지류별 목표수질을 현재 세 지류의 수질 오염도를 고려하여 재설정하였다. 그 결과 남한강과 북한강의 목표수질은 BOD < 1 mg/L, TP < 20 mg/㎥, Chl-a < 10 mg/㎥으로 설정되었다. 경안천의 경우 5월부터 9월까지에는 BOD < 2 mg/L, TP < 20 mg/㎥, Chl-a < 10 mg/㎥ 그리고 4, 10, 11월에는 BOD < 3 mg/L, TP < 40 mg/㎥, Chl-a < 25 mg/㎥로 설정되었다. 취수원수 중 유입지류의 혼합 비율을 분석하기 위하여 추적자 시뮬레이션을 수행하고 그 결과를 분석하였다. 팔당호 내 광역 취수장에서의 취수원수 중 경안천 물의 혼합 비율은 팔당호 전체 유입량 중 경안천 물이 차지하는 비율에 비해 다소 높은 것으로 나타났다. 한편 다른 취수장에 비해 도수관로 상단이 다소 높게 위치하고 있는 제 3 취수장에서 경안천 물의 혼합 비율이 가장 높은 것으로 분석되었다. 즉 팔당호에서는 취수 위치와 높이가 취수원수 중 오염된 경안천 물의 혼합 비율에 중요한 영향을 미치고 있으며, 경안천 물의 혼합 비율은 취수원수 수질에 직접적인 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 본 연구에서는 취수원수의 수질을 개선하기 위한 최적 취수 위치를 결정하기 위해 제 3 취수장을 대상으로 시나리오 분석을 수행하였으며, 그 결과 댐 중앙 부분의 심층 가까이에서 취수하는 경우 즉 취수 위치와 높이를 동시에 조절하는 경우가 오염된 경안천 물의 혼합 비율을 최소화하는데 가장 효과가 좋은 것으로 분석되었다. 한편 경안천 유입부에 위치한 광동교에서 오염사고가 발생하는 경우에는 남, 북한강 수역 하류 부분에서 동일 규모의 오염사고가 발생하는 경우에 비해 호 내 취수원수 및 댐 방류수 중 오염물질의 첨두 농도는 낮은 반면 지속 기간은 긴 것으로 나타났다. 본 연구에서는 광동교에서 발생한 오염사고의 영향을 최소화하기 위한 최적 대안을 도출하기 위하여 시나리오 분석을 수행하였으며, 그 결과 오염사고 발생 즉시 취수를 중단하고 청평댐 방류량과 팔당댐 방류량을 동시에 최대로 증가시키는 것이 오염사고의 영향을 최소화하는데 가장 효과적인 것으로 분석되었다. 결론적으로 본 연구에서 적용된 3차원 시변화 모델은 팔당호의 복잡한 지형과 수리 및 수질의 시·공간적 변이를 적절히 재현함으로써 호 내 수리 및 수질 특성에 대해 통합적으로 분석하고, 팔당호 수질 개선과 적정 수질의 취수원수 확보를 위한 대안을 제안할 수 있었다. 또한 본 연구에서 구축된 3차원 시변화 모델은 향후 유역 환경 변화에 따른 팔당호의 수리 및 수질 변화를 사전에 예측하고 적정 수질의 지속적 확보를 위한 최적 관리 방안을 수립하는데 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.;Lake Paldang, a man-made lake formed by construction of a hydroelectric dam, serves as an important water resource for the Seoul metropolitan area in Korea. Since the beginning of 1980s, the lake has shown a serious deterioration of water quality due to the combination of population growth with urban development in the watershed near the lake. During the last decade, several efforts have been carried out to improve the water quality of the lake and obtain the drinking water of good quality. Some of these efforts have been proven to be successful, but the water quality during certain season still is not good enough for drinking water supply. In this study, we analyzed the characteristics of hydrodynamics, water quality, and drinking water intakes in the lake using the model appropriate for Lake Palang. Based on the model results, the alternative plans to manage the water quality of the lake were suggested. Since the lake has a relatively small surface area compared with large drainage basin and short residence time, the hydrodynamics and water quality is significantly affected by the incoming flows, which are the South and North branches of the Han River, and the Kyungan Stream. The three incoming flows that have different flow rates and drainage basin characteristics flow into the lake from different directions. In addition, the inflow rates and water qualities of all incoming flows are seasonal variable especially due to Asian summer monsoon period. Overall, Lake Paldang can be characterized as a highly hydrodynamic water body with large temporal and spatial variations of water qualities and flows. We selected an integrated system supporting 3-D, time varying modeling, GEMSS, to represent large temporal and spatial variations in hydrodynamics and water quality of Lake Paldang. Based on the GIS themes of shorelines and sounding depths, the computational grid of the 3D model was developed for Lake Paldang using GRIDGEN, a grid generation module in GEMSS. Lake Paldang is divided into 3,802 grid elements, and this is sufficiently detailed that the intake and release structures in the lake are reproduced in the model. Boundary conditions of Lake Paldang were set up with precipitation, inflows from the three incoming flows, and outflows through the dam and intake stations. The hydrodynamic model was calibrated and verified using the data in the medium precipitation year (January to December 2000, July to October 2001) and the high precipitation year (January to December 1998), respectively. The simulated water temperature and conductivity are generally in good agreement with the field measurements. From these results, it can be recognized that the model represents the heat budget and hydrodynamics in the lake reasonably well. The water quality model was calibrated and verified using the data in the same years as the hydrodynamic model. The results of water quality model agree well with the field data. Based on the results of the validated hydrodynamic model, we examined circulation patterns, residence time, and spreading patterns of the incoming flows in the lake. Relatively constant currents over the entire water depths are shown during early summer and winter, when the weak thermal stratifications are occurred. However, the vertical overturns do not occur during early spring and fall when the thermal stratifications are disrupted. Velocity at surface layer in the southern region of the south island are lower than those in the surrounding regions. The back currents due to the dam blocking occur mainly in the southern region of the Sonae island and the downstream region of the South Branch. Therefore, long residence times are founded in these regions. During summer monsoon period with high incoming flow rates, however, the thermal stratification is disrupted and the residence times in the entire lake decrease significantly. The each water from the South and North branches generally moves along the eastern and northern shore of the south island toward the dam, relatively. And the waters from the two branches spread over the entire water depths. The plume of the Kyungan Stream with small flow rate and high temperature tends to travel downstream horizontally along the eastern shore of the south island at surface layer. The spatial and temporal distribution patterns of water qualities within the lake were examined from the results of the validated water quality model. The concentrations at surface layer are higher than those at bottom layer during most seasons, because the plume from the Kyungan Stream with the worst water quality among the three incoming flows would stay at surface layer. Such that the phytoplankton could grow well up with abundant light and nutrient. At surface layer, the concentrations in the southern region of the Sonae island are higher than those in the surrounding regions during most seasons. During winter period, the Chl-a concentrations in the entire depths decrease significantly due to extremely low water temperature of this season, and the spatial differences of the Chl-a concentrations become to decrease. In addition, the spatial differences of the water qualities also become to decrease during summer monsoon period. The model results indicated that Lake Paldang would be fundamentally P limited system during growing season, but the phytoplankton growth during summer monsoon period was limited by very short residence time. The results of sensitivity analyses indicated that the changes in the phosphorus and Chl-a concentrations of the incoming flows have a significant effect on the epilimnetic Chl-a concentrations at immediate upstream of the dam during pre- and post-monsoon period. The simulation results also suggested that the reduction in phosphorus and Chl-a loading from the Kyungan Stream should be given the top priority for controlling the algal bloom in Lake Paldang. The result of scenario analysis indicated that the BOD concentrations at immediate upstream of the dam during certain season would be in excess of 1 mg/L although the BOD concentrations of the three incoming flows would not exceeding 1 mg/L, the present target water quality standard, throughout the year. This suggests that the algal blooms also be controlled to reduce the BOD concentrations in the lake. In this study, the target water quality standards of the three incoming flows re-established to decrease the BOD and Chl-a concentrations at immediate upstream of the dam by 1 mg/L and 10 mg/㎥, respectively. The target water quality standards of the two branches were set up to BOD < 1 mg/L, TP < 20 mg/㎥, Chl-a < 10 mg/㎥ throughout the year. The target water quality standard of the Kyungan Stream was set up to BOD < 2 mg/L, TP < 20 mg/㎥, Chl-a < 10 mg/㎥ during May to September, and BOD < 3 mg/L, TP < 40 mg/㎥, Chl-a < 25 mg/㎥ during April, October, and November. The mixing ratios of the incoming flows to the drinking water intakes were analyzed utilizing the results of tracer simulations. At the present location of the intake stations, the mixing ratios of the Kyungan water appeared to be higher than the inflow ratio to the lake. Among the three drinking water intake stations, the mixing ratio of this contaminated tributary is the highest at the station 3, of which the intake aqueduct is located vertically higher than that of two other stations. This result indicates that the horizontal and vertical intake locations have great influence on the mixing ratio of the contaminated tributary to the drinking water intakes, and the mixing ratio of the contaminated tributary have a significant impact on the quality of drinking water sources. In this study, three alternative intake locations were proposed to determine the optimum intake location. The simulation results of proposed scenarios were then compared with the present station 3. The best available location of the intake aqueduct was determined to be deep in mid channel of the lake. Among the pollution accidents which were supposed, the peak concentration of contaminant is the lowest in the case of accidental discharge at the Kwangdong bridge, which is located in the lower reach of the Kyungan Stream. In this case, however, the peak time and duration of contaminant are the longest. This result indicates that the accidental discharge from the Kwangdong bridge has a great influence on the drinking water intakes in the lake and the outflows through the dam. In this study, five alternatives were supposed to minimize the effect of the pollution accident at the Kwangdong bridge on the outflows through the dam. The best alternative was determined to maximize both the inflow rates of the North branch of the Han River and the outflow rates through the dam. From this study, it was concluded that the three-dimensional time variable water quality model that includes the hydrodynamic processes could successfully simulate the temporal and spatial variations of the hydrodynamics and water qualities in Lake Paldang. And it is expected that this model should become a useful tool to establish the best management practices for water quality improvement and high quality water supply.
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