연속적 댐이 하류 하천의 수온 변화에 미치는 영향 예측을 위한 모델 연구

Abstract

Dam construction and operation is a prevalent way to manage water resources in Korea in order to solve the imbalance of interannual, interregional and seasonal precipitation. However, it has incurred several social and environmental problems at the back of the economic advantages. Most studies on artificial lakes in Korea have investigated limnology of individual lakes and they seldom dealt with effects of serial impoundments. Especially water temperature is an essential parameter for water quality management of lakes because it determines movement of lake, such as stratification and turnover. On this thesis, effects of serial impoundments on downstream temperature distribution in the North Han river were investigated using hydrodynamic and transport model. Moreover, impacts of artificial factors were predicted by evaluating the effects of dam operation on water temperature distribution. Paro, Chuncheon, Euiam, and Cheongpyoung, Soyang Lakes are located in sequence along the North Han river, and outflow of Soyang Lake run into Euiam Lake. All of them are dendritic lakes formed by dams. Although it is thought that dams have caused to change water temperature of river below the dams compared to that of lakes and natural streams as a result of analysis of long-term water temperature data, sparse monitoring stations and insufficient measurement frequency made their effects unclear. Hence, CE-QUAL-W2 model, two-dimensional, laterally averaged model, was applied to the North Han river system. Based on the model structure of CE-QUAL-W2, the alternating reservoir-river reaches were divided into 10 water bodies, 17 branches, 333 segments, and 110 layers. The bathymetry agreed well with values of elevation-area-capacity curves. inflow and temperature of tributaries and mainstream, dam outflow, water level, and meteorological data were considered as boundary conditions. The hydrologic balance was fitted by comparing the simulated values of surface elevation level with the measured data of 2001. The model results of temperature were validated against vertical profiles of water temperature measured every three month in 2001 at five reservoirs, and showed a reasonable agreement with the field measurements. Then, Spatial and temporal characteristics of water temperature was analyzed in accordance with well-fitted model results. The thermal stratification in the upstream and deep reservoirs, Paro and Soyang, was maintained strongly and consistently until late fall. Although they are generally regarded as monomictic lakes for their depth and no freezing features, Paro Lake showed inverse stratification due to abrupt decrease in air temperature in January. Therefore, regional meteorological conditions could contribute to turnover in addition to latitude and mean depth, a general criterion of turnover in lakes. Heat transfer in those lakes was active even in fall, that their epilimnion was deeper because temperature decrease by heat transfer is more important than temperature increase by exterior air temperature. On the other hand, it is not easy to find out the location of thermocline in that their water temperature rose mainly from air temperature and shallow depth. Also, unclear thermocline and high penetration capacity of radiation made hypolimnion temperature increase contrary to Paro and Soyang Lakes, where hypolimnion temperature was maintained nearly constantly. However, whether more research would be needed to find out whether inverse stratification occurred resulting from regional meteorological changes. Water temperature of downstream was maintained nearly constantly in winter because hypolimnetic water maintained constantly in winter, compared to epilimnetic water which is influenced by air temperature and wind. On the other hand, cold hypolimnetic water caused to decrease in temperature of downstream in summer. Therefore, range of temperature change decrease and then temperature was recovered as river runs. Simulation was performed to find out the effects of location of discharge outlet on temperature distribution. In case of higher outlet, downstream temperature showed lower during Janunary-February than existing outlet, because epilmnion water with low temperature was outflowed to downstream. Yet downstream temperature of Chuncheon, Euiam and Cheongpyoung showed nearly similar conditions with existing outlet. Downstream temperature became lower in winter and higher in summer, that the temperature range is higher. Especially hypolimnetic discharge in summer caused not to decrease in temperature in downstream. Also, thermocline is higher in Paro and Soyang Lakes because of outflow of high epilimnetic water. As well as location of outlet, outflow discharge was expected to influence downsteam temperature. Weak negative relationship was shown in Paro and Soyang, while positive relationship done in Chuncheon, Euiam, and Cheongpyoung. Although the effects of dam on downstream temperature were investigated, more efforts would be needed to improve the impacts of serial impoundments. Established simulation model should be expanded to model water quality parameters. It can be applied to predict water quality of inflow from upstream reservoir, water quality in lake, and water quality of downstream.;연도별, 지역별, 계절별 강수량의 불균형을 해소하기 위해 이루어진 댐건설 및 운영은 우리나라 수자원 관리에 일반적인 방식이 되어가고 있다. 그러나 댐건설의 경제적 이점 뒤에는 여러 가지 사회적, 환경적 문제가 야기된다. 우리나라의 인공호에 대한 연구는 대부분 각각의 호수에 대한 것이며 연속적 댐호가 하천 특성 변화에 미치는 영향을 다루지 않았다. 특히 수온은 계절별 연직 수온분포와 수온 성층현상 등 수체의 이동을 결정하는 주요인자로서 수질과도 밀접한 관계가 있으므로 댐호의 수질관리를 위한 필수적 항목이라 할 수 있다. 본 연구에서는 전산모델을 이용하여 북한강 수계에 대하여 연속적 댐이 하류 하천의 수온 분포에 미치는 영향을 연구하였으며, 댐 운영방식이 수온 분포에 미치는 영향을 규명함으로써 인위적 인자에 의한 영향을 파악하고자 하였다. 북한강의 파로호, 춘천호, 의암호, 청평호, 소양호는 하천을 막아 형성된 전형적인 수지형 호수로, 기존 관측망의 장기간 표층 수온 측정 자료에 의하면 댐 하류 하천의 수온은 댐호 및 인근 자연 하천의 수온과 차이가 있는 것으로 밝혀졌다. 따라서 본 연구에서는 2차원 횡방향 수리수질 모델인 CE-QUAL-W2 모델을 북한강 수계에 적용하였다. 모델에 적합하게 격자망을 구획하여 10개의 수체, 17개의 지류, 333개의 구간, 그리고 수심별 수온 변화를 고려하여 110개의 수층으로 나누었고 수위-면적-유량 곡선을 이용하여 지형을 재현하였다. 본류와 지류로 유입되는 하천수의 유량과 수온, 댐의 방류량, 수위, 기상자료 등을 이용하여 모델의 경계조건을 설정하였다. 적용된 수리 모델의 타당성 검토를 위해 수위로써 호내 물수지를 확인하였고, 수온에 대해 모의한 결과 실측값과 적절한 범위내에서 일치된 것으로 나타났다. 재현성이 확인된 수리모델 결과를 사용하여 북한강 5개 호의 시․공간적 수온 특성을 분석하였다. 파로호와 소양호는 늦가을까지 성층 현상이 지속되며 겨울이 되어서야 전도 현상이 발생한다. 파로호는 1월에 급격한 기온 하락으로 역성층 현상이 나타나는 구간이 존재하였으나 소양호는 수체 용량이 크므로 안정한 수온 분포를 나타내며 일회 혼합하는 것으로 나타났다. 그러므로 호수의 위치와 평균 수심 뿐만 아니라 기상 현상에 따라 연도별, 지점별로 전도 현상에 차이가 있을 것으로 예상된다. 따라서 향후 이에 대한 연구는 북한강 수계내 인공호의 수리현상 규명에 도움을 주리라 판단된다. 반면 춘천, 의암, 청평호는 수심이 얕아 외부 기온에 의한 수온 상승의 영향이 커 여름에도 수온 약층의 위치가 파로, 소양호에 비해 뚜렷하지 않으며 전도현상이 일어나는 시기도 빠르다. 이로 인해 표층과 심층간의 열전달이 활발하고 수체가 작아 외부 기온의 영향 정도가 크다. 또한 심층 수온이 연중 일정하게 유지되는 상류 호수와는 달리 하절기 심층 수온이 상승하였다. 이들 호수들은 동절기에 결빙이 있는 2회 혼합 호수이며 모델링 결과에서도 그러한 성향을 알 수 있었다. 그러나 국지기온 변화와 수문조작에 의한 여부를 판단하기 위해 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다. 계절별, 수심별로 차이를 보이는 호내의 물이 하류 하천으로 방류될 경우 겨울에는 심층의 수온이 일정하게 유지되고 있으므로 인공호의 표층 수온이 기온이나 바람의 영향 등으로 급격히 감소한다 하더라도 하류 하천의 수온은 대체로 일정하게 유지된다. 반면 여름철에는 차가운 심층수과 방류되어 수온의 급격한 감소 현상을 볼 수 있다. 따라서 겨울에는 수온이 높아지고 여름에는 수온이 낮아져 전체적으로 수온 변화 범위가 작아지는 것을 알 수 있으며 강이 유하함에 따라 수온은 다시 회복되는 형상을 보인다. 방류구 높이가 하류 하천의 수온분포에 미치는 영향을 알아보기 위해서 중층산소 결핍현상이 나타나는 파로호와 소양호의 방류구 중심선을 상향 조정하여 시뮬레이션 하였다. 파로, 소양호의 하류 하천에서는 겨울에 수온이 감소하고 여름에 증가하여 수온 변화 범위가 넓어지며 특히 여름에 심층방류되어 댐하류하천에서의 갑작스런 수온하강현상이 일어나지 않음을 확인할 수 있었다. 또한 수온약층이 형성되는 깊이가 높아져서 표층에 더 가까워지는 것으로 예측되었다. 이는 높은 수온의 표층수가 방류됨으로써 호수 전체의 수온이 낮아지기 때문인 것으로 판단된다. 춘천, 의암, 청평댐의 하류 하천의 경우에는 비교적 현재 상태와 큰 차이를 보이지 않았음을 알 수 있다. 결론적으로 본 연구에서는 횡방향 평균 2차원 모델을 적용하여 북한강의 연속적 댐이 하류 하천의 수온에 미치는 영향을 분석하였으며 댐 운영방식의 영향을 함께 알아보았다. 댐으로 인한 생태학적 피해를 줄이기 위한 측면에서 향후 모델을 확장하여 수질을 포함한 하류 하천에 미치는 영향을 접근할 필요가 있으며 이와 같은 연구는 댐건설에 따른 하류 지역의 피해를 최소화하기 위한 최적관리 방안을 수립하는데 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.