3차원 시변화 모델을 이용한 팔당호 내 취수지점 이전에 관한 연구

Abstract

Lake Paldang, a man-made lake formed by construction of a electric 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. But the water quality during certain season still is not good enough for drinking water supply. It reflects that the present water quality managements are not effective enough to improve water quality in the area. Furthemore many people protested a location of present intake stations that cannot intake water of good quality. Kyungan Stream flows to a dam horizontally along the eastern shore of the south island at surface layer. present intake stations intake water of Kyungan Stream that is bad for drinking. In this study, we analyzed the problems of present intake station in the lake using the model for Lake Palang. We also suggested a location of new intake stations to obtain more good water quality. 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 model was reverified using the data from January to December 2005. The results of model agree well with the field data. To assess the effects of the environmental managements on water quality, a novel method was developed using Seasonal Mann-Kendall test, the principle is which is to compare the trends of the variation in monthly concentration. According to the result of the analysis, it was shown that the water quality of three tributaries(South branch, North branch, Kyungan Stream) and Lake Paldang was not improved except BOD. 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 Stream 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 was the highest at the station 2 which was located more close to than other stations. The mixing ratio of South branch was also high at the station 2. In this study, three alternative intake locations were proposed to determine the optimum intake location. The simulation results of proposed scenarios were compared with the present station 2. The mixing ratios of the Kyungan Stream water appeared 0.0% as the water intaked in the North branch. The mixing ratio of South branch of the scenario 1 was more higher than scenario 2 and 3. When the flux of South branch was high, the South branch flew backward the North branch. The mixing ratio of North branch was the highest at the scenario 3. According to the result of the analysis, the best available location of the intake station was determined to place in the upper North Branch. We compared with water quality of the present location and scenario 1, 2, and 3. The result of scenario analysis indicated that NH₃-N and NO₃-N concentrations at scenario 1, 2 and 3 was lower than the present intake water. The BOD and Chl-a concentrations at scenario 1, 2 and 3 also was lower than the present intake water. Among the scenario 1, 2 and 3, concentrations of NH₃-N, NO₃-N, BOD and Chl-a was the lowest at the scenario 3. From this study, it was concluded that the relocation of present intake stations to North branch was effective to obtain the drinking water of good quality. It is expected that this research should become a useful tool to supply good quality water with people who lived in Seoul metropolitan area.;팔당호는 1973년 발전을 목적으로 남한강과 북한강 및 경안천이 합류하는 지점에 댐을 축조함으로써 이루어진 하천형 호소로서 서울을 비롯한 수도권 2000만 이상의 인구에게 용수를 공급하는 중요한 역할을 담당하고 있다. 지리적으로 수도권과 근접한 팔당호는 담수호 조성이후 다양한 수질오염 문제가 발생되어 왔다. 이에 따라 정부는 팔당 상수원의 수질을 개선하기 위하여 수질 기준 1급수 달성을 목표로 각종 토지이용규제 및 관리 정책을 시행하는 둥 다양한 노력을 기울였다. 그럼에도 불구하고 수질 기준 1급수 달성은 현실적으로 어려운 실정이며, 강우시에는 다량의 토사와 쓰레기 및 비점오염원 물질들이 유입되고 난분해성 유기물이 지속적으로 증가하는 등 팔당호의 수질은 여전히 개선되어야 할 많은 문제들이 남아있다. 또한 팔당 상수원을 보호하기 위해서 정부에서 시행한 토지이용규제는 지역 주민들의 삶과 재산권을 침해하는 문제를 수반하였다. 현재 팔당호 내의 취수원은 팔당호의 물이 완전 혼합된다는 가정하여 설정되었으나 기존에 행해진 연구에 따르면 팔당호로 유입되는 남, 북한강과 경안천은 팔당호로 유입되어 완전히 혼합되지 않고 구별된 흐름 경로를 가지고 이동함에 따라 현재 취수지점에서 오염된 경안천 물을 취수하게 된다는 것이 보고되었다. 따라서 본 연구에서는 보다 좋은 상수원수 공급을 위하여 현재 취수원의 대안으로 새로운 취수지점을 제안하였다. 또한 팔당호와 세 유입지류의 수리 및 수질 특성이 현 취수원수에 미치는 영향을 규명하고 현재 취수지점과 대안 취수지점의 수리 및 수질 특성을 비교 분석하였다. 팔당호는 유량과 수질이 상이한 남, 북한강과 경안천이 합류하는 위치에 있기 때문에 이들 지류의 수리 및 수질 특성에 많은 영향을 받는다. 이에 따라 팔당호로 유입되는 세 지류의 최근 몇 년 간 수질 변화 특성을 분석하였고 그 결과 경안천이 가장 수질이 악화된 상태를 보였고 그 다음으로는 남한강이 좋지 않은 수질 상태를 나타났다. 세 유입지류 중에는 북한강이 가장 깨끗한 수질 상태를 보이는 것으로 나타났다. 또한 세 유입지류의 장기간의 수질 변화 과정을 이해하고 팔당호 유역에 대한 정부의 수질 개선 대책의 효과를 분석하기 위해서 1995년부터 2007년까지 장기간의 수질 자료를 이용하여 통계 분석을 실시하였다. 통계 분석은 계절 맨-켄달 검정법과 LOWESS 방법을 이용하였다. 분석 결과 세 유입지류의 경우 BOD 농도에서만 감소 경향을 나타냈고 TP는 증가하는 경향을 나타냈으며 TN과 Total Coliform에서는 증가, 감소 경향을 보이지 않았다. 또한 팔당호의 5개의 수질측정망에서 측정된 자료를 이용하여 팔당호의 장기간 수질변화 경향성을 분석하였다. 세 유입지류와 마찬가지로 BOD를 제외하고는 특별히 수질이 개선되는 경향을 보이지 않았다. COD와 TP의 경우 팔당호의 5개 측정지점 모두 증가하는 경향을 보였고 TN, Chl-a와 Total Coliform의 경우 대부분의 지점에서 경향성이 나타나지 않은 것으로 분석되었다. 이러한 결과를 통해서 팔당호의 수질은 크게 개선되지 않았으며 정부에서 시행한 정책은 만족할 만한 개선 효과를 나타내지 않았다는 것을 알 수 있었다. 현 취수원수의 수리 및 수질 변화특성을 분석하기 위해서 3차원 시변화 모델인 GEMSS를 이용하여 모델링을 수행하였다. 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, 북한강과 경안천으로부터의 유입, 지류로부터의 유입, 강우, 댐으로부터의 발전 및 수문 방류 그리고 취수장에서의 취수가 고려되었다. 적용된 모델이 최근 수리 및 수질 자료에 적합한지 그 재현성을 검토하기 위해 2005년 자료를 이용하여 모델의 재검증을 수행하였으며, 모델 예측값은 실측값과 적절한 일치를 보였다. 재현성이 검토된 모델 결과를 바탕으로 현재 취수원수의 수리 특성을 분석하였다. 추적자 시뮬레이션 방법을 이용하여 팔당 제 1, 2, 3 취수장의 취수원수 내에 유입지류 혼합비율을 분석하였다. 팔당호 내 광역 취수장에서의 취수원수 중 경안천 물의 혼합 비율은 팔당호 전체 유입량 중 경안천 물이 차지하는 비율에 비해 다소 높은 것으로 나타났다. 경안천의 유입부와 근접한 위치에 자리잡은 제 2 취수장의 취수원수는 세 취수장 중에서 경안천이 가장 많이 혼합되는 것으로 나타났다. 남한강 유입부와 가장 근접한 제 2 취수장은 남한강의 혼합비율 또한 높게 나타났다. 반면에 댐 앞에 위치한 제 1 취수장은 경안천과 남한강의 혼합비율이 가장 낮은 것으로 분석되었다. 이에 따라 팔당호에서는 취수 위치가 취수원수 중 오염된 경안천 물의 혼합 비율에 중요한 영향을 미치고 있는 것으로 분석되었다. 본 연구에서는 취수원수의 수질을 개선하기 위한 최적 취수 위치를 결정하기 위해 시나리오 분석을 수행하였으며 세 유입지류의 수질 특성 분석 결과에 따라 수질이 가장 깨끗하고 경안천의 영향이 가장 적은 북한강을 대안 지점으로 고려하였다. 북한강으로 취수원을 이전하여 모델링을 수행한 결과 시나리오 1, 2, 3 모두 경안천의 혼합비율은 거의 없는 것으로 나타났다. 양수리 부근에 위치한 시나리오 1의 경우 현재 취수지점의 취수원수에 비해 남한강의 혼합비율은 감소했지만 북한강 상류에 위치한 시나리오 2와 3에 비해서는 남한강의 혼합비율이 높게 분석되었다. 이는 시나리오 1의 위치가 북한강이 호 내로 유입되는 부근이고 남한강의 유입부와도 근접해 있기 때문에 남한강의 유량이 증가하는 시기에는 남한강이 북한강으로 역류하는 현상이 나타나기 때문인 것으로 사료된다. 시나리오 2와 3의 경우 현 취수원수에 비해서 남한강의 혼합비율이 크게 감소하였고 수질이 깨끗한 북한강 물이 가장 높은 비율로 취수되는 것으로 분석되었다. 북한강으로 이전한 취수장의 취수원수를 현 취수원수의 수질과 비교하였다. 그 결과 시나리오 1, 2, 3 모두 현재 취수원수에 비해 NH₃-N와 NO₃-N의 농도가 감소하였다. NH₃-N의 경우 특히 4월에서 6월 사이에 농도가 크게 감소하였고 NO₃-N의 경우 분석 기간인 2005년 내내 현 취수원수에 비해서 낮은 농도 값을 나타내었다. 특히 남한강의 혼합이 거의 없는 시나리오 2, 3에서는 농도 감소 효과가 더 크게 나타난 것으로 분석되었다. Chl-a와 BOD농도에서도 현재 취수원수에 비해서 북한강의 취수원수의 농도가 감소하는 것을 알 수 있었다. 특히 여름철의 현 취수원수에서 Chl-a의 농도가 급격하게 증가하는 반면에 시나리오 2와 3의 Chl-a 농도는 현재 취수원수에 비해서 상당히 낮은 농도를 나타냈다. 이러한 결과에 따라 북한강으로의 취수원 이전은 수질이 악회된 경안천의 영향을 최소한으로 하고 이에 따라 현 취수장의 취수원수에 비해서 수질이 개선되는 효과를 나타낼 것으로 판단된다. 본 연구에서는 북한강으로 취수원을 이전하는 것에 대한 수질 개선 효과를 예측해보았고 그 결과는 현재 취수원에서 취수하는 것에 비해서 수질이 개선되는 효과가 있는 것으로 나타났다. 그러나 여름철에 남한강이 북한강으로 역류하여 혼합되는 문제와 북한강에서 취수할 때 발생하는 취수량의 부족한 부분을 채워야 한다는 한계점이 남아 있기 때문에 이를 보완할 수 있는 부가적인 연구가 필요할 것이다. 본 연구의 한계점을 보완하고 부가적인 연구가 함께 이루어진다면, 북한강으로의 취수지점 이전 연구는 수도권에 보다 나은 수질의 물을 제공하기 위한 대안으로서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.