수지형 호수의 연직 수온분포와 전도현상 모델 연구

Abstract

우리나라는 연도별, 지역별, 계절별 강수량이 차이가 크고, 변화의 폭 또한 커서 수자원 관리에 매우 불리하다. 국민 생활 수준의 향상과 도시화 및 산업화의 진전으로 인하여 용수 수요가 급격히 증가할 전망이며, 이러한 물 수요의 증가로 몇 년 후에는 심각한 물 부족 현상이 발생할 것으로 예상된다. 따라서 홍수를 조절하고 물을 저장하는 다목적댐의 필요성이 증가하고 있는 실정이다. 핸재 용당댐, 남강댐 등 7개 댐이 건설 중에 있으며, 건설교통부는 2001년 이후 예상되는 수자원 부족을 해소하기 위해 한강, 낙동강 등 5대강 수계에 25개의 신규댐 건설을 추진중이라고 밝힌바 있다. 이러한 계획으로 인해 댐이 형성되면, 그와 동시에 새로운 댐호(湖)들이 생기게 되며, 이에 따라 새로운 인공호에 대한 적절한 관리방안이 검토되어야 한다. 그러나 사업 이전의 존재하지 않는 호수에 대한 영양평가는 그 타당성을 검증하기 힘들다. 이러한 문제점이 새로 형성될 규모, 운영방법, 위치가 유사한 기존의 댐호에 대한 사전 연구조사를 통하여 보완될 수 있을 것으로 판단하여, 현재 운영중인 댐들 중에서 주변에 댐 건설이 예정중인 댐을 선정하여 연구를 수행하고자 하였다. 본 연구의 목적은 기존의 댐호에 대한 연구결과를 새로 형성될 댐호에 적용시켜, 새로운 댐호에 대한 효과적인 호수 관리 방안을 제공하는 것이다. 따라서 본 연구에서는 현재 심각한 용수난으로 여러 개의 댐 건설을 추진 중인 전라도 지역 내의 섬진강댐 댐호인 옥정호를 연구대상 지역으로 선정하였으며, 전산모델을 이용해서 호수내의 화학적 순환과 생태계에 중요한 영향을 주는 수온성층현상, 전도현상과 같은 수체 유동 변화와 방류구 수위 변화에 따른 댐호 내 수온분포의 변화를 예측해보고자 하였다. 폭이 좁고 길이방향으로 길며 수지형(樹枝形) 호수인 옥정호에 적합하다고 판단된 CE-QUAL-W2 횡방향 평균화 2차원 수리수질 모델을 사용하여 본 연구를 수행하였다. 먼저 호수의 수위를 시뮬레이션하여 호수의 물수지(水收지支)를 맞춘 후, 옥정호내 5개 측정지점에서의 연중 수심별 수온변화를 시뮬레이션하였다. 모델링 결과 옥정호의 연중 수위와 수심별 수온분포는 실제와 유사하게 재현되었으며, 수온약층의 깊이와 전도현상이 나타나는 수심을 예측해 볼 수 있었다. 옥정호에서는 수표면에서부터 수심 20m에 이르는 수역에서 전도현상이 생기며, 상류에서 댐 지점으로 갈수록 수온성층현상이 뚜렷해지지만 어느 지점에서나 수온약층이 형성되는 깊이는 비슷하며, 주로 10∼20 m 부근에 수온약층이 형성되는 것으로 예측되었다. 또한 옥정호내의 수체유동변화를 알아보기 위해 유속분포를 예측해본 결과, 여름의 강우기에 호수와 유입수의 밀도가 같은 중층으로 다량의 물이 유입되는 것을 확인해 볼 수 있었으며, 이로부터 여름의 중층 용존산소 최소현상의 원인을 찾을 수 있었다. 방류구 높이가 수온분포에 미치는 영향을 알아보기 위해 섬진강댐 본체의 방류공과 여수로, 옥정호 중류부에 위치한 칠보취수구와 운암수갱 중 방류량이 비교적 많은 칠보취수구와 운암수갱의 높이를 변화시켜가며 시뮬레이션하여 보았다. 표층취수의 경우 표층 부근에 수온약층이 형서되고 호수의 전체적 수온이 내려가는 것으로 예측되었으며, 심층취수의 경우 수온약층이 보다 깊은 곳에 형성되고 호수의 수온이 전반적으로 상승하는 것으로 예측되었다. 이러한 결과로부터 표층취수를 하게되면 기온이나 하류하천의 수온과 비슷한 수온의 물이 방류됨으로써 안개 발생량이 줄어들고, 방류수를 농업용수로 사용할 경우 발생할 수 있는 농작물의 냉수해 등의 피해 역시 줄어들 것으로 기대된다. 그러나 호수내의 수온이 내려감으로써 수체 혼합이 방해를 받을 것으로 판단된다. 반면 심층취수의 경우, 호수의 수온이 증가함에 따라 기온과의 차이가 커져서 안개 발생량이 증가하고, 하천수보다 낮은 수온의 물이 취수됨으로써 농작물의 냉수해 발생이 예상된다. 그러나 수온약층의 형성깊이가 깊어지기 때문에 수체혼합이 원활하게 이루어져서 호수 내 수질에는 유리하게 작용할 것으로 판단된다. 옥정호에 대한 시뮬레이션 결과를 옥정호가 유사한 지역에 형성될 댐호에 적용할 수 있을 것으로 사료된다. 댐의 높이를 20 m 정도로 설계할 경우 전도현상이 나타나고, 뚜렷한 성층현상이 생기지 않아 적절한 수체혼합을 야기할 수 있어 호수 수질관리에 유리하게 작용할 것으로 예상된다. 또한 취수구 높이 변화에 따른 수온 예측결과를 이용하면 호수와 주변환경에 영향이 적은 취수구나 방류구 높이를 선정하는데 도움이 될 것으로 기대된다.;It is difficult to manage water resources efficiently in Korea as amount and the degrees of precipitation is highly variable depending on the region or time of years. Moreover, it has been estimated that the demands for water might increase drastically due to the development of the standard of living, urbanization, and modernization. Thus, it is likely that water-lacking problems are getting serious soon because of the rapid increase of water demands. Therefore the needs of dams, which could solve the problems by storing water constantly is increasing. At present, several dams like Yongdam Dam and Namgang Dam are under construction and according to the Ministry of Construction and Transportation, the plan constructing 25 new dams at the 5 big rivers such as Han River, Nakdong River is considering to protect the damage resulting from water lacking problems which will be appear after 2001. If a dam is constructed, new reservoir would form. Therefore, we need a proper management plan on these reservoirs because we have to use water. However, it is difficult to verify the validity of the evaluation performed before a new reservoir is formed. This problem could be complemented by studying the behaviors of the existing dam similar with new reservoir in location, scale, and operation methods. The purpose of this study is to apply the results on existing lake to new resiervoir which does not exist yet and to help manage the lake efficiently. Okjung Lake of Sumjingang Dam in Chunra-Do was selected as a study area. I predicted the movement of water body such as the turnover and the thermal straticication, which can influence chemical circulation and the ecosystem, and the changing of vertical profile of water temperature depending on the outlet depth. This study was performed by using a laterally averaged two-dimensional, hydrodynamic and water quality model, CE-QUAL-W2, suitable for modeling a long, narrow and dendrited Okjung lake. The water budget of the lake was fitted by modeling the water elevation, and then water temperature was simulated and compared with the measurement data at 5 sampling sites during one year. The estimated values have a good agreement with the observed values. The thermocline depth and the turnover phenomenon was predicted. The turnover occurs in range of 0-20 m depth and the thermal stratification is getting clear from upstream to downstream in Okjung Lake. In addition, the thermocline depth of each site is very similar with others and usually appears in the range of 10-20m depth. To predict the movement of the water body, the water velocity was simulated, and it was found that large amount of water flows into the metalimnion which has the same density with the inflows during the heavy rainy season in summer. From this inflow depth, we can explain the oxygen minimum phenomena not in the hyperlimnion but in the metalimnion in summer. To understand the effect of changing outlet depth on the vertical profile of water temperature, a simulation study is carried out by changing the depth withdrawal sturcutures of Chilbo and Wunam located in middle part of Okjung Lake and outflow larger amounts than the other outflowing structures like the spillway and the outlet do. Simulation results show: when it withdrawn water at epilimnion, the water temperature of the whole lake body goes down and the thermocline depth goes up, and when water was withdrawn at hyperlimnion, the water temperature goes up and the thermocline goes down. From these results, I have a interesting guess: if water was withdrawn at epilimnion, the frequency and amount of fog and the damage to crops caused by cooling water might be reduced because the outflowing water temperature is similar with the downstream water temperature. However, due to decreasing the temperature of whole water body, it might affect the ecosystem of the lake and prevent from mixing of water body as the thermocline forms at near the surface. On the other hand, if water is withdrawn at the hyperlimnion, it would increase the damage to crops due to the cooler withdrawal water than stream water and the frequency and amount of fog becuase of a big gap between the water temperature and the air temperature. Nevertheless, it makes the mixing of water body easier as the depth of the thermocline is deeper, and consequently the water quality could be better. We suggest that the simulation results about Okjung Lake could apply to new reservoirs that would be constructed. If the height of new dam was designed to 20 m, it would occur the turnover and not form the thermal stratification strongly. Therefore it could make the lake body mixed properly and help to manage the water quality. From the water temperature results prediced by changing the withdrawal structure depth, we could expect the positive effets to the lake and it's environment by choosing the proper outlet depths.