한강 수계 수질 관리를 위한 다차원 시변화 모델 연구

Abstract

한강 수계는 여러 개의 인공호로 연결되어 있으며, 특히 북한강 수계는 하천-호수 구간이 반복적으로 나타나고 있다. 팔당호는 유입되는 남한강, 북한강 및 경안천의 수리 및 수질 특성에 큰 영향을 받으며, 특히 북한강 유입수는 상류에 위치하고 있는 여러 개 댐 유출수의 영향을 크게 받고 있으므로 효과적인 수질 관리를 위해서는 상류 수계와 팔당호를 통합 관리하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 한강 수계에 적합한 모델을 적용하여 수리적 특성과 수질 특성을 분석하고 이들 결과를 바탕으로 최적의 수질관리 방안을 제시하는 것을 목적으로 하였다. 본 연구의 목적을 달성하기 위해서는 팔당호와 상류의 호수들과 하천들을 하나로 연결하여 모의할 수 있는 시스템이 필요하므로 1차원과 3차원 모델을 결합하여 하천-호수 연속 시스템의 모의가 가능한 GEMSS 모델을 한강 수계에 대하여 적용하였다. 적용된 수리 모델의 재현성 검토를 위해 수온과 전기전도도를 대상으로 모델의 보정 및 검증을 수행하였으며, 2007년의 자료를 보정에 2008년의 자료를 검증에 이용하였다. 그 결과 한강 수계에 적용된 다차원 시변화 수리 모델은 상이한 강우 및 유량 조건에서의 열수지 및 수체 혼합특성을 잘 재현하고 있다고 판단되었다. 재현성이 검토된 모델 결과를 바탕으로 수행된 수질 모델은 수리 모델의 보정 및 검증과 동일한 시기의 수질 자료를 이용하여 보정 및 검증되었으며, 모델 예측값은 실측값과 적절한 일치를 보였다. 재현성이 검토된 수리 모델 결과를 바탕으로 시·공간적 수온 분포 특성, 체류시간의 시·공간적 분포 그리고 유입 지류의 혼합비율을 분석하였다. 3개의 호수(의암호, 청평호, 팔당호)에서의 수온 분포를 분석한 결과 겨울철에 약한 역성층이 일어나고 봄부터 수표면이 가열됨에 따라 수온 성층 현상이 약하게 일어나며 표층과 심층간의 수온 차는 의암호에서 가장 크게 나타났으나, 수온 성층 및 전도 현상이 뚜렷하지는 않은 것으로 분석되었다. 하천 구간에서의 구간별 수온은 하류로 내려갈수록 기온과 유입 지류의 영향을 받아 수온이 변화하는 것으로 나타났다. 의암호는 호수의 중간부터 댐에 이르는 하류까지 체류 시간이 증가하며, 청평댐은 호 중간 부분의 우안에서 체류 시간이 증가하였다. 팔당호는 소내섬 남쪽 수역과 남한강 하류 수역에서 체류 시간이 증가하는 것으로 나타났다. 한편, 유입 지류의 혼합 비율 분석 결과 팔당댐 앞 표층에서는 겨울철에는 소양강댐 방류수의 영향을 나머지 기간에는 경안천과 충주조정지댐 방류수의 영향을 가장 많이 받는 것으로 분석되었다. 재현성이 검토된 수질 모델 결과를 바탕으로 한강 수계 내 시·공간적 수질 분포 특성을 살펴보았다. 한강 수계 내 주요 지점에서 영양염류에 의한 성장 제한 인자를 산정한 결과 대부분의 지점에서 봄철부터 집중 강우로 인한 댐 방류량 증가 전 까지 인 농도에 의한 제한이 커지며, 집중 강우기 이후에는 인 농도가 높아져 식물성 플랑크톤 성장 속도에 제한을 적게 미치는 것으로 분석 되었다. 댐 방류량 또는 지점별 유량과 클로로필 a 농도를 비교한 결과 유속 및 유량의 조건에 의해 식물성 플랑크톤이 제한되고 있는 것으로 분석되었다. 북한강 수계, 남한강 수계 말단 그리고 팔당호에서는 상류 댐 방류수로 부터의 총인 부하와 클로로필 a 부하에 상당한 영향을 받는 것으로 나타났으며 따라서 북한강, 남한강 하류 및 팔당호의 조류 관리를 위해서는 상류댐의 수질을 관리하는 것이 매우 중요하다고 판단된다. 북한강 수계의 말단에 위치하는 금남 취수장의 클로로필 a 농도는 춘천댐 방류수, 소양강댐 방류수의 총인과 클로로필 a 유입량에 영향을 크게 받으며, 춘천하수처리장으로 부터의 총인 유입과 홍천강으로 부터의 클로로필 a 유입에 상당한 영향을 받는 것으로 분석되었다. 양서취수장의 클로로필 a 농도는 남한강의 충주조정지댐 방류수와 섬강 그리고 북한강의 소양강댐 방류수로 부터의 총인 부하량의 영향을 상대적으로 많이 받고 있는 것으로 나타났다. 여주취수장의 클로로필 a 농도는 충주조정지댐 클로로필 a 농도에 가장 큰 영향을 받고 있었다. 강상지점은 충주조정지댐 방류수의 클로로필 a와 총인 부하량에 가장 큰 영향을 받으며 섬강의 총인과 클로로필 a 부하량에도 상당한 영향을 받는 것으로 분석되었다. 경안천 하류에서는 이미 식물성 플랑크톤이 크게 증식하여 연구대상 구간으로 유입되고 있으므로 경안천 상류에 위치하는 하수처리장들의 방류수 수질 관리가 중요하다고 사료된다. 팔당호 댐 앞 수역에서의 클로로필 a 농도는 모든 유입원에 대하여 클로로필 a 보다는 인부하량의 영향을 많이 받고 있으며, 그 중에서도 경안천 상류 유입수, 충주조정지댐 방류수, 섬강, 곤지암천, 복하천의 영향을 크게 받는 것으로 분석되었다. 북한강 상류에서 인을 삭감시키더라도 팔당댐 앞 취수장들에게는 영향을 크게 못 미칠 것이라 판단되었으며, 팔당호 내 취수원들을 위한 식물성 플랑크톤 삭감을 위해서는 남한강과 경안천에서의 인 삭감이 중요하며 남한강 중에서는 충주조정지댐 방류수에 영향을 미치는 달천, 섬강, 복하천의 관리가 우선시되어야 할 것으로 사료된다. 남한강과 북한강은 상류댐 방류량에 따라서 식물성 플랑크톤의 성장이 제한되거나 촉진될 수 있으며, 같은 양의 방류량 변동인 경우 대체로 증가에 의한 영향보다 감소에 의한 영향이 더 크게 나타남을 알 수 있다. 그러나 팔당댐 앞 지점에서는 댐 방류량 변화의 영향이 작아졌으며 상류댐 방류량 변화에 따른 하류 수질의 변화는 현재보다는 좀 더 정밀한 시나리오 분석이 필요하며 시기별로 구분하여 영향을 분석하는 것이 필요하다고 판단된다. 한편, 한강 수계 내 식물성 플랑크톤 성장에 의한 유기물 내부 증가원의 비율을 분석한 결과, 북한강 수계, 남한강 수계, 팔당호에서 모두 상당한 비중을 차지하며 특히 팔당호에서는 장마 기간을 제외하고는 대부분의 유기물이 내부 증가원에 의한 것으로 나타났다. 따라서 팔당댐 앞 BOD 농도 관리를 위해서는 지류로부터의 BOD 저감보다 인 부하의 저감이 우선시 되어야 할 것으로 판단된다. 북한강과 남한강 모두 외부 유입원과 내부 증가원의 비율이 차이가 크지 않으므로 두 가지 모두에 대한 관리가 필요하며, 경안천 하류의 유기물 농도 관리를 위해서는 상류 구간의 오염원 관리가 중요하다고 사료된다. 본 연구에서 적용된 다차원 시변화 GEMSS 모델 시스템을 통해 한강 수계 내 수리 및 수질 특성에 대한 통합적 분석이 가능하게 되었으며, 이들 결과를 바탕으로 한강 수계 수질 개선을 위한 관리 방안을 제시할 수 있었다.;The Han river is a complex water system consisting of many lakes and North Han river has continuous lake-river system. The water quality of Lake Paldang is significantly affected by incoming flows, which are the South and North branches of the Han river, and the Kyungan stream. In order to manage the water quality of the Lake Paldang, we should consider the entire water body where the incoming flows are included. In this study, we analyzed the characteristics of hydrodynamics and water qualities in the Han river system using the model appropriate for Han river system. Based on the model results, the alternative plans to manage the water quality of the Han river were suggested. In order to achieve the purpose of the study, we need integrated modeling system to simulate hydrodynamics and water qualities of entire water body where Lake Paldang and the incoming flows are included. So the integrated system supporting 1D-3D time varying modeling, GEMSS was applied to the Han river system. The integrated hydrodynamic model (GLHT-GLVHT) was calibrated and verified using field measurement data obtained in 2007 and 2008. The model showed satisfactory performance in predicting temporal variations of water level, flow rate and temperature. The integrated water quality model(WQDPM) was calibrated and verified using field measurement data in the same years as hydrodynamic model. The model showed reasonable performance in predicting temporal variations of water qualities. Utilizing the validated model, we analyzed the spatial and temporal distributions of temperature within Han River system, residence time of lakes and the mixing ratios of the incoming flows at South Han river, North Han river and Lake Paldang. Vertical thermal profiles for each lakes showed that reverse stratification occurs during winter and weak thermal stratification occurs as surface water was heated from spring. The temperature difference between surface and bottom water is greatest in Lake Euiam but thermal stratification and overturn was not strong. Water temperature along the river reaches was changed as going downstream due to effect of air temperature and inflowing tributaries. The residence times of Lake Euiam increased from middle region of the lake to dam and that of Lake Chungpyung increased at the middle right side. Long residence times was found in the southern region of the Sonae island and the downstream of South Han river. The mixing ratio of the Soyang dam appeared to be highest at the surface water of Paldang dam during winter and those of Kyungan stream and Chungju regulation dam appeared to be highest during other seasons. The spatial and temporal distribution patterns of water qualities within Han river system were examined from the results of validated water quality model. Algal growth limiting factor was analyzed for main site in the Han river and phosphorus limited algal growth before summer monsoon but didn't limit after summer monsoon because of abundant phosphorus in most site. Dam discharges or river flow rate were compared with Chl-a concentrations and It appeared that phytoplankton grew during low flow season though condition of rich nutrients so flow velocity condition could limit algal growth. Chl-a concentrations at lower North Han river, lower South Han river and Lake Paldang was affected by phosphorus and Chl-a load from upper boundary dam release so water quality management of upper boundary dams was considered to be important. Chl-a concentration of Gumnam intake station was affected by TP loads from Chuncheon dam release, Soyang dam release and Chuncheon STP and Chl-a loads from Chuncheon dam release, Soyang dam release and Hongchun river. Chl-a concentration of Yangseo intake station was affected by TP load from Chungju regulation dam release, Seom river and Soyang dam release. Chl-a concentration of Yeoju intake station was affected by Chl-a concentration of Chungju regulation dam. Gansang at lower South Han river was strongly affected by Chl-a and TP load from Chungju regulation dam release and affected by TP and Chl-a load from Seom river. The water quality management of wastewater treatment plats in upper river basin is required to control algal bloom in Kyungan stream. The Chl-a concentration at immediate upsteam of Paldang dam was more affected by TP loads than Chl-a loads from all tributaries and dam releases. Upper boundary of Kyungan, Chungju regulation dam release, Seom river, Gonjiam stream and Bokha stream have great effect on the Chl-a concentration of Lake Paldang. The reduction of TP load from Dal stream, Seom river, Bokha stream in South Han river and Kyungan stream is required for Chl-a reduction at intake station of Lake Paldang. Algal growth in South and North Han river was affected by amount of upper boundary dam releases but the effect on immediate upstream of Paldang dam decreased. Autochthonous BOD had high percentage of total BOD in North and South Han river. Most of total BOD was autochthonous BOD at Lake Paldang during most season except summer monsoon so the reduction of TP load from tributaries would be more important than BOD loads from tributaries in order to manage BOD Concentration of Lake Paldang. The difference between autochthonous and allochthonous BOD in North and South Han river is not large so management of both autochthonous and allochthonous BOD is required for water quality of North and South Han river. It was considered that management of waste load in upper basin would be necessary for BOD reduction in lower Kyungan stream. Using multidimensional dynamic GEMSS modeling system, we could analyze hydrodynamic and water qualities of Han river system and suggest alternative management plans for improvement of water qualities.