의암호 수리 특성과 수온 변화에 관한 모델 연구

Abstract

Lake Euiam, which is formed by construction of a hydroelectric dam, serves as an important water resource for the Chuncheon city in Korea. Major water resources of Lake Euiam is outflow of Chuncheon and Soyang dams. Volume of the Lake Euiam can be managed easily by this two dams. But it is difficult to determine the characteristics of mixing chuncheon and soyang outflow because of difference of two dams such as amount of outflow, temperature and residence time. So water pollution occurs in some part of the Lake Euiam. Major pollutant sources are Chuncheon STP and Gonggi stream which include domestic sewage, industrial wastewater and urban and agricultural runoff. The hydrodynamics and water quality is significantly affected by the incoming flows, which are the North and Soyang branches and the Gonggi Stream, since the lake has a small surface area and short residence time. The three incoming flows have different flow rates and water qualities, which are seasonal variable especially due to asian summer monsoon period. In this study, we analyzed the effects of different characteristics of two dams on surface temperature and electrical conductivity using the model appropriate for Lake Euiam. Moreover, based on the model results, the alternative plans to manage pollutants of the Chuncheon STP outflow were suggested. We selected an integrated system supporting 3-D, time varying modeling, GEMSS, to represent large temporal and spatial variations in hydrodynamic and transport of Lake Euiam. Based on the GIS themes of shorelines and sounding depths, the computational grid of the 3-D model was developed for Lake Euiam using GRIDGEN, a grid generation module in GEMSS. Lake Euiam is divided into 580 grid elements, and this is sufficiently detailed that the intake and release structures in the lake are reproduced in the model. Boundary conditions were set up with precipitation, 10 inflows and 3 outflows. The hydrodynamic model was calibrated and verified from January to December 2008 and 2009. From the simulated water temperature and conductivity results, the model represents the heat budget and hydrodynamic in the lake reasonably well. We examined residence time and spreading patterns of the incoming flows in the lake based on the results of the validated hydrodynamic model. We found the spatial and temporal distribution patterns of water temperature and electrical conductivity depending on the 12 case. The Branch flux and relative concentration affect electrical conductivity distribution. However spreading pattern of the temperature in the lake is influenced by water temperature of the North Branch more than branch flux. Residence time in the Lake Euiam lake also is affected by branch flux especially flux of the North Branch. So residence time of the West Channel is shorter than the East Channel because amount of the North Branch inflow the West Channel. The results of the water temperature and conductivity distribution indicated that characteristics of upstream dams greatly influence Lake Euiam. From this study, the three-dimensional time variable water quality model could successfully simulate the temporal and spatial variations of the hydrodynamics in Lake Euiam. So we can expect that this Euiam model become useful to management for water quality improvement of Lake Euiam watershed. ;의암호는 1967년 준공된 의암댐에 의해 조성되어 상류에 위치하는 춘천댐과 소양강댐의 방류량이 수체의 대부분을 차지하고 있다. 두 개의 댐에 의해 유량 조절이 용이하다는 장점을 가지고 있지만 지형적 특성과 함께 댐의 방류 용량, 체류시간 등이 상이하여 적절히 혼합되지 못하는 문제가 존재한다. 이러한 수리 특성이 하류에 위치하는 춘천시 하수종말처리장의 방류수와 공지천의 오염물질의 확산을 방해하고 정체되도록 야기하며 의암호의 수질에 영향을 미치고 있다. 의암호 수질개선을 위해 지금까지 지속적인 투자와 관리가 이루어 졌음에도 불구하고 목표수질에 도달하지 못하고 계절에 따른 부영양화 문제를 겪고 있는 실정이다. 본 연구에서는 의암호에 적합한 모델을 적용하여, 각 지류의 시기별 특징에 따른 의암호내 수온 및 전기전도도 분포를 분석함으로써 상이한 두 유입수가 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 춘천댐과 소양강댐의 방류량과 방류수질을 대표하는 수질측정망의 장기간 측정 자료를 분석한 결과 두 유입수의 시기별 차이가 존재했으며 의암호내 존재하는 섬들에 의해 두수로가 형성되어 다른 수질경향을 보였다. 이러한 특징을 보이는 의암호의 수리를 파악하기 위해서는 수심이 깊고 유속이 느려서 성층화와 횡방향 농도차가 발생하는 호소의 특징을 재현하는 수질모델을 선택해야 한다. 일반적으로 호소는 매우 복잡하고 지류와의 합류부분이 넓어 종방향과 수직방향으로의 해석만으로는 호내의 유체거동을 충분히 해석하기가 어렵다. 그래서 X, Y, Z 방향을 모두 고려하여 해석함으로써 공간적인 변화상을 잘 모의하고 실제 저수지 거동을 가장 근접하게 모델링하기 위하여 3차원 모델을 사용할 필요성 있다. 따라서 본 연구에서는 3차원 수리수질 모델인 GEMSS를 이용하여 춘천댐과 소양강댐의 하류부분부터 의암댐을 포함하는 구간을 대상지역으로 하여 공지천을 포함한 7개의 지류와 춘천시 하수종말처리장, 2개의 취수장을 포함하는 의암호 수체를 재현하였다. 수리 모델의 재현성은 수온과 전기전도도를 대상으로 모델의 보정 및 검증을 수행하였으며, 일반적인 강우 조건을 갖는 2008년을 보정에, 비슷한 강우 조건을 갖는 2009년을 검증에 이용하였다. 그 결과 모델 예측값은 실측값과 적절한 일치를 보였다. 재현성이 검토된 수리 모델 결과를 바탕으로 의암호의 지류 특성별 표층 수온, 전기전도도 및 체류시간 분포와 두 Branch와 공지천의 흐름 경로를 파악하였다. 그 결과 의암호의 전기전도도 분포에는 지류의 유량과 상대적인 농도가 많은 영향을 주었다. 하지만 수온분포는 유량의 크기보다는 북학강의 수온이 높은 경우 의암호의 표층 수온 또한 높은 분포를 나타냈다. 의암호의 체류시간은 소양강의 유량이 북한강의 유량보다 많을 시기에 상대적으로 더 짧은 체류시간을 보였다. 국지적으로 연중 평균보다 긴 체류시간을 보이는 구역이 존재하는데, 이 지점들이 주로 정체가 일어나는 구간으로 예상되며 특히 춘천시 하수종말처리장과 공지천 하류 부근에 위치하는 지점은 의암호의 수질오염에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다. 결과적으로 의암호 내 수리 특성은 계절별 물리적 특성이 다르게 나타나는 춘천댐과 소양강댐 방류수에 의해 많은 영향을 받고 있다. 두 강의 유량차이가 작은 시기에는 West Channel 일부를 제외한 의암호 전역에서 소양강의 영향이 나타나고 있다. 반면, 유량차이가 큰 시기에는 소양강의 영향이 East Channel에 많이 미치거나 수온이 높은 북한강이 의암호 전역표층에 분포하며 높은 전기전도도 분포를 야기하고 있다. 효과적인 수질 관리를 위하여 수질오염문제가 자주 발생했거나 발생이 예상되는 기간에 두 강의 유량 차이와 각 강의 수질 정도를 파악하여 관리한다면 심각한 수질오염의 확대를 방지할 뿐만 아니라 예방에도 크게 기여할 수 있을 것이다. 본 연구에 적용된 3차원 시변화 모델은 의암호의 복잡한 지형을 재현하고 수리의 시·공간적 변화를 적절히 모의하여 북한강과 소양강의 특성에 따른 의암호로의 수리 영향을 분석할 수 있었다. 이 결과를 바탕으로 의암호의 방류 특성별 수리변화를 파악하고 확산장애 수역인 Retention area를 찾아 의암호의 부영양화 문제원인을 파악하고 예방하는데 도움이 될 수 있을 것이다. 또한 지속적인 개발이 이루어지고 관광지로써 여러 대학과 산업시설이 존재하는 춘천시를 포함한 대상 수체의 중권역 수질 및 수생태계 보전·관리계획에 있어서 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.