인공호의 수리수문학적 변화에 대한 수질모델 비교 연구

Abstract

It has been estimated that the demands for water might increase drastically due to the increase of people, the development of industry, and rapid urbanization. But the degree of precipitation is concentrated on June to September and highly variable depending on the region. It has been deepened temporally and spatially in unbalance of the water demand and supply in available water resources. Therefore, the construction of dam that is able to do flood control, irrigation, and generation control flood has driven to dissolve regional and seasonal unbalances. But artificial lakes formed by construction of dam have been increased stagnation. So lakes have been eutrophic state and cannot play a role of water resources. The best importance is blocking pollutants from the watershed to solve the problem of water quality in lakes. But actually it is impossible blocking the inflow of pollutants perfectly. Therefore it is demanded effective minimization of pollutants inflow and the temporal and spatial characteristics of flow. For this purpose, it is effective to use water quality model and there are WASP5 and CE-QUAL-W2 been in general use in Korea. WASP allows the user to structure one-, two, and three-dimension models. However, the two- and three-dimensional models can only be run if the user supplies the hydrodynamics. DYNHYD5 is a link node model that cannot handle two dimensions in the vertical direction. CE-QUAL-W2 model assumes complete lateral mixing, it is best suited for relatively long and narrow water bodies that exhibit water quality gradients in both the longitudinal and vertical directions. The purpose of this study is to examine interrelation by analyzing hydraulic characteristics and water quality condition in Daechung Reservoir where eutrophication problem has been serious and to consider the suitability of applying WASP5 and CE-QUAL-W2 about water movement and eutrophication in artificial lake. To understand water quality of Daechung Reservoir watershed, statistical analysis was taken using water quality data by ministry of environment during 1993-2000. And the results of analysis are that patterns of precipitation have an effect on physicochemical characteristics within Daechung Reservoir. Specially, Algae didnt grow well due to effect of flushing by precipitation 1993 when it occurred flood despite nutrients were abundant. And algal growth was restricted by light in deviation of TSI. Hence hydraulic fluctuation by precipitation was great and then affected water quality in Daechung Reservoir. Daechung Reservoir was divided into six branches consisted of 122 segments and 35 layers for CE-QUAL-W2, and simulation constituents were temperature, Algae, Phosphorus, Ammonia, Nitrate, etc. For WASP5, it was consisted of 5 branches and 23 segments. Simulation constituents were Ammonia, Nitrate, Phosphorus, Chlorophyll-a, etc with linking DYNHYD5. The results of CE-QUAL-W2 and WASP5 have a good agreement with the observed values and they have a same population in 90% confidence using the t-test. But we can suggest that CE-QUAL-W2 is more suitable than WASP5 as follow reasons. First, during summer the surface water of Daechung Reservoir are heated by adsorption of solar radiation, progressively creating thermal stratification and mixing over autumn period. These have significant implications for lake water quality and biological process. Secondly, during monsoon the water inflows come in the middle layer, then pass through the region of same density or the bottom of lake and move into the depth of the reservoir outlet located in middle layer. Thirdly, because the light intensity diminishes with depth due to absorption and scattering by dissolved compounds and particles, algal photosynthesis is restricted by insufficient light. In Daechung Reservoir, averaged Zeu/Zmix has 0.38 and algae spend a relatively short period of time in light and then growth is restricted. So algal concentration gradients appear between epilimnion and hypolimnion. CE-QUAL-W2 was able to simulate vertical distribution of temperature and water quality. But WASP5 linked DYNHYD5 assumes vertically complete mixing, so is impossible of thermal stratification and turnover. Also, WASP5 cannot confirm release in the middle layer because he cannot select the depth of the reservoir outlet. The comparison of total algal mass suggest that the results of WASP5 were one and half times as large as those of CE-QUAL-W2 during periods of thermal stratification and that the results of WASP5 and CE-QUAL-W2 were close up over autumn. These mean WASP5 is concerned about overestimation owing to calibration of surface water. We suggest that the application of WASP5 for Daechung Reservoir with deep depth and large hydraulic characteristic fluctuation have a limitation in aspect of exact material movements and interactions.; 우리나라는 인구증가, 산업의 발달, 급속한 도시화 등으로 인하여 용수수요가 급증하고 있으나 강수량이 6~9월에 집중되고 지역적 변화폭도 심하여 이를 해결하기 위해 다목적댐 건설이 추진되고 있다. 그러나 댐 건설로 인하여 발생하는 부영양화 등의 문제로 수자원으로서의 역할이 저하되고 있다. 이러한 인공호 수질의 관리를 위하여 오염물질의 시·공간적인 거동 특성을 파악하고 오염원을 효과적으로 최소화는 것에 활용할 수 있는 호수수질모델인 WASP5와 CE-QUAL-W2를 적용하고 그 결과를 비교하였다. 본 연구는 부영양화 문제가 심각하게 대두되고 있는 대청호를 연구대상지역으로 다음과 같은 목적이 있다. 1) 수리학적 특성 및 수질현황 분석으로 수질 항목간 상호관계를 규명하고, 2) WASP5와 CE-QUAL-W2를 적용하여 수질을 예측하여 그 재현성을 확인하며, 마지막으로 3) 대청호와 같은 인공호에 적합한 수질모델을 결정하고자 하였다. WASP5(Water Quality Analysis Simulation Program)은 1, 2, 3차원의 모델을 구성하는 것이 가능하지만 2차원과 3차원 모델은 수리적인 자료가 제공되어야만 가능하다. 수리모델인 DYNHYD5을 연계 모의하게 되는 경우, 이는 1차원 모델이기 때문에 수직 방향의 모델을 구성할 수 없는 한계가 있다. CE-QUAL-W2는 횡방향 평균화 2차원 수리수질모델로서 길이방향과 수직방향 모두 농도 구배가 존재하는 폭이 좁고 길이방향으로 길며, 수심이 깊은 수체에 적합하다. 대상지역인 대청호 유역의 수질특성을 파악하기 위한 1993년부터 2000년까지의 환경부 수질자료의 통계적 분석에서 강우의 패턴이 호수 내 이화학적인 특성에 영향을 주는 것으로 나타났다. 특히 홍수가 발생하였던 1993년에는 강우에 의한 세척현상(Washing effect)의 영향으로 영양염류가 풍부함에도 불구하고 조류 생산량은 낮게 나타났고, TSI의 편차분석에서는 조류성장을 조절하는 1차적인 요인은 광제한 효과로 나타났다. 즉, 대청호는 강우에 의하여 수리학적인 변동이 크며, 수질에까지 그 영향을 미친다. CE-QUAL-W2 모델 적용을 위하여 대청호 구간을 총 6개 수체와 122개의 구획, 그리고 35개의 수층으로 구성하였으며 수온, 조류(Algae), 인(Phosphorus), 암모니아성질소(Ammonia), 질산성질소(Nitrate) 등 총 11개 항목에 대하여 예측하였다. WASP5 모델 적용을 위해 5개의 수체와 23개의 구획으로 구성하였고 Ammonia, Nitrate, Phosphorus, 염록소-a(Chlorophyll-a) 등 8개 항목을 시뮬레이션하였다. CE-QUAL-W2 모델과 WASP5 모델 결과에서 두 모델 모두 재현성이 좋았으며, T-Test를 통하여 두 모델의 결과는 90% 신뢰구간에서 서로 같은 모집단의 자료인 것으로 분석되었다. 그러나 다음의 세 가지 수리학적인 측면에서 WASP5 모델보다는 CE-QUAL-W2 모델의 적용이 대청호에 적합하다고 판단되었다. 첫째, 수심이 깊은 대청호는 여름에 표층의 수온 상승 및 심층의 저수온 현상으로 밀도차가 발생하여 성층을 이루고 가을에 접어들면서 등온화의 시작으로 10월 초에 전도현상이 일어난다. 이는 호수 내부의 화학적 순환과 생물계에 중대한 영향을 미치게 된다. 둘째, 몬순시기에 호수의 밀도류(density current)는 중층으로 유입되어 호수바닥 또는 밀도의 평형을 이루는 일정 깊이를 따라 EL. 64m지점인 댐방류구 방향으로 이동하는 중층류가 발생한다. 셋째, 빛의 강도는 용존된 물질과 입자성 물질에 의해 흡수되고 산란되기 때문에 수심이 깊어짐에 따라 감소하기 때문에 수심이 깊어질수록 빛의 부족으로 조류의 광합성은 제한을 받게 된다. 대청호의 경우 Zeu/Zmix가 평균 0.38로 성층형성시 약 0.6, 가을 혼합시 약 0.28이었다. 즉 조류는 상대적으로 빛이 있는 층에 머무는 시간이 짧아지고 조류의 성장은 제한되어 빛이 부족한 심층과 빛의 제한이 없는 표층에서 조류 농도의 구배가 나타나게 된다. CE-QUAL-W2 모델은 35개의 수층 분할로 수직적인 수온변화와 농도변화를 예측할 수 있으나 DYNHYD5와 연계 모의한 WASP5는 수직적인 완전혼합을 가정하기 때문에 성층현상 및 전도현상의 모의가 불가능하다. 또한 방류구 깊이를 설정할 수 없어 수질항목의 중층방류를 확인할 수 없다. CE-QUAL-W2와 WASP5의 조류 예측결과를 총량으로 비교시, 성층이 형성되는 여름에 WASP5의 결과가 CE-QUAL-W2의 결과보다 약 1.5배 크게 나타났으며, 성층이 파괴되고 수층이 혼합되면서 두 결과값이 비슷한 수준을 보였다. 이는 표층의 조류 농도를 기준으로 보정하였기 때문에 WASP5의 경우 심층과 표층의 농도가 같으므로 실제보다 과대평가된 것이다. 이상에서와 같이 대청호는 수심이 깊고 수리학적인 특성의 변화가 심하며, 이에 호수의 수질이 크게 영향을 받는 Hydrodynamic 인공호이다. 그리고 이러한 수체에서 WASP5의 적용은 정확한 물질의 거동 및 반응을 모의하는 데에는 수직적인 모의의 한계가 있어 우리나라의 수심이 깊고 수리학적 특성의 변화가 큰 인공호에서의 수질예측에는 CE-QUAL-W2가 적합한 것으로 판단된다.