보 운영 방법에 따른 강의 수량 및 수온 변화에 관한 모델 연구

Abstract

4대강 정비 사업의 일환으로 설치되는 다기능보는 각종 용수의 취수 등을 위하여 수위를 높이는 수리시설로, 하천을 횡단하여 설치하는 시설이며 형태에 따라 가동보와 고정보로 나누어져 운영된다. 하지만 보 설치구간은 하천바닥 준설작업으로 인해 기존 하천의 바닥경사보다 완만한 경사를 이루게 되고, 친수공간 활용 및 가뭄시 용수 확보를 감안하여 하천별 보 및 일정 관리수위가 계획되어 유지되므로 하천과 호수의 특성이 혼재되어 있다. 그러므로 보 설치가 주변 수체의 유속을 감소시키고 물을 정체시켜 퇴적물의 축적량을 증가시키고 부영양화를 일으킬 수 있다는 주장이 제기되는 등 보의 운영방식에 따라 수량과 수체이동이 결정되기 때문에 수체의 수리·수문학적 특성에 영향을 미치는 자연적인 요인 이외에 인위적인 인자의 중요성이 매우 크다. 따라서 보 설치구간의 수자원을 적절하게 관리하고 수질오염을 효과적으로 제어하기 위해서는 이러한 원인들의 수리·수문학적 특성을 파악하여 관리방안을 모색하는데 모델을 적용해야 할 필요성이 있다. 이러한 수리거동을 파악하기 위해서는 하천과 호소의 특징을 모두 재현할 수 있는 수리·수질모델을 선택해야한다. 보 설치에 의한 수체의 수리·수질 변화를 재현하기 위해서는 3차원 모델을 사용할 필요성이 있다. 3차원 모델은 X, Y, Z 방향을 모두 고려하여 해석함으로써 공간적인 변화성을 잘 모의하고 실제 수체의 거동을 가장 근접하게 모델링하기 때문이다. 본 연구에서는 4대강 정비 사업의 일환으로 강천보, 여주보, 이포보가 설치되는 지점을 포함하는 구간에 대해 3차원 수리·수질모델인 GEMSS를 선정하여 보 설치 구간의 수체를 재현하고, 각 보의 방류랑에 의하여 변화하는 수량을 반영하는 수위를 살펴보았다. 이후 수체내의 이동 현상에 중요한 지표로 작용하는 수온과 전기전도도를 시뮬레이션 하였다. 이들 결과를 기초로 남한강 보 설치구간의 평상시, 유지관리시, 홍수시의 세가지 가동보 운영조건에 따라 월류식, 부분개방식, 완전개방식으로 수체 이동을 고려한 모델을 구축하여 수리 변화를 파악하였다. 보의 운영방식에 따른 수체의 흐름 특성 분석 결과, 월류식인 평상시에는 각 보 상류의 상층수가 보를 지난 후 하류로 넘어가면서 수직적으로 혼합되는 경향을 나타내었고, 부분개방식인 유지관리시에는 각 보 상류의 하층수가 보를 지난 후 하류로 넘어가면서 수직적으로 혼합되었으며, 완전개방식인 홍수시는 각 보 상류의 상층과 중층의 물이 보를 지난 후 하류로 넘어가면서 수직·수평적으로 혼합되는 경향을 보였다. 따라서 보의 운영방식에 따라 보 상류에서 보를 지나 보 하류로의 수체의 움직임이 차이가 있는 것을 알 수 있었다. 또한 이러한 수체의 흐름 차이를 통해 각 보 구간의 표층 수온과 전기전도도의 분포가 변화함을 알 수 있었다. 본 연구대상지의 가장 상류부인 강천보 구간은 보의 영향을 받지 않는 구간이므로 수온 및 전기존도도의 차이가 나타나지 않았지만, 여주보, 이포보, 이포보 하류 구간에서는 보 운영방식에 따라 수온 및 전기전도도 차이가 나타남을 알 수 있었다. 그 중 이포보 하류 구간이 그 차이가 가장 컸는데, 이는 수체가 세 개의 보를 지나며 종합적인 영향을 받았기 때문이라고 판단된다. 모의 결과 월류방식인 평상시와 완전개방식인 홍수시에는 수온 및 전기전도도에서 큰 차이를 보이지 않지만, 부분 개방식인 유지관리시에 수온 및 전기전도도의 차이가 있음을 알 수 있었다. 따라서 보 운영 조건에 따른 수온과 전기전도도의 수리적 차이를 통하여 퇴적물의 용출 조건 변화와 같은 수환경 변화에 의해 부유사, 동반오염물질의 이동으로 수질에도 영향을 줄 수 있을 것으로 예상된다. GEMSS를 이용한 수질 예측을 통하여 기존 적용 모델과의 비교로 수질예보기법 등 수질예보 신뢰성을 향상 할 수 있는 방안을 모색할 수 있다고 판단된다. 이렇듯 본 연구는 수량의 변화, 온도 변화, 유기물의 유입 등에 따른 보 설치 지역 환경 변화의 가능성에 대한 예측이 가능하고, 향후 보 운영에 대한 기초 자료로 사용 하여 보 유지 및 운영관리를 위한 정책결정 자료로 사용 가능하다는 것에 큰 의미가 있다고 사료된다.;In Korea, the 4 Major Rivers Restoration Project has been conducted in recent years. The large-scale river engineering project dredged sediments and installed three multi-functional weirs in the South Han River, which is expected to change hydrodynamics and water quality of the river. The impoundment restricts water flow of the river and results in the settlement of particulate material on the river bed. The longer the hydraulic residence time taken on the upward weir, the greater the potential for incoming nutrients and sediments to settle on the river bed. The accumulated pollutants, caused by settling of particulate material, impart a consistent nutrient loading to the overlying water column. The movement of nutrients through the sediment-water interface has essential influence on the nutrient quality of overlying water. Therefore, It is important to investigate how the environmental change occurred by the project has impacts on the hydrodynamics and water quality of the river. In this study, a 50 km long river section including three multi-functional weirs; Kangchun, Yeoju, Ipo was selected as a study site. I selected an integrated system supporting 3-D, time varying modeling, GEMSS, to represent large temporal and spatial variations in hydrodynamic and transport. I analyzed the effects of different characteristics of three weirs surface temperature and electrical conductivity using the model appropriate for South Han River. Based on the model results, the scenario analysis was conducted for weir operating. Scenario 1 is that water is being released by over flowing above the weir. Scenario 2 is that water is being released by opening the under gates of the weir. Scenario 3 is that water is being released by opening the flood gates of the weir. Result of mixing pattern by weir operation, surface layers of the upward stream dominantly mixed to downward stream by scenario 1. Under layers of the upward stream dominantly mixed to downward stream by scenario 2. All layers of the upward stream completely mixed to downward stream by scenario 3. Also, model results indicate that hydraulic condition such as water temperature and conductivity have differences by three weir operating. Weir operation influence water temperature and conductivity, which affect water quality of the river. It is necessary to appropriate weir operation for water quality management. From this study, the three-dimensional time variable water quality model could successfully simulate the temporal and spatial variations of the hydrodynamics in weir constructed area of South Han River. So we can expect that this study becomes useful to management for water quality improvement of weir constructed area of South Han River.