북한강 연속 댐들이 하류 하천 수질에 미치는 영향에 대한 연구

Abstract

Unlike general water system, The large and small dams are located on the Norh Han River, which is in the process of implementing mandatory TMDL, since 2021. According to the Serial discontinuity concept, these dams cut off the continuity of the river and change the ecological, physical and chemical elements of downstreams. It means that the water quality of downstreams in the water system of the North Han River can change with the discharge of dams. Therefore, it is necessary to consider dam discharge for setting representative water quality at the North Han River water system unit basin. In this study, we want to understand the characteristics of SDC that could be casued by continuous dams in the water system of the North Han River. So, statistical techniques were appliedd to water quality data for 20 years(1999~2018) measured in the basin. Water quality items are Temp, EC, BOD, COD, TN and TP. Statistical analysis classified the data by flow period, and using a distribution graph, parametric(t-test) and non-parametric(SMK) method. Based on the dams, the upstream points were compared between each water layer(U, M, L), the downstreams points were compared the relationship between water quality of upstreams. Also, we evaluated the dicontinuity and strength through MDC and SDC ratio. Distribution graph results by flow period, excluding outlier values, the water quality(except for TP) of the North Han River water system was not significantly affected by the fluctuation of flow rates. It was different for each dam, large fluctuations were found in small dams(CCD, EAD, CPD). The water qualities in the dams and downstreams was mostly similar except for the Temp. especially, in large dams like HCD and SYGD. Similarity analysis(t-test) results, when the water qualities in the dams(U, M, L) and the downstreams showed different distributions for the same water quality items, it was interpreted as discontinuity, in other words, the dams affect the water qualities of downstreams. Discontinuity between the dams(U, M, L) and downstreams were evident at the HCD and SYGD. At high flow rates, HCD showed distinct discontinuity. But, CCD, EAD and CPD get similar for BOD, COD, TN and TP. Also, in the case of SYGD, regardless of the flow period, the water qualities of the dam(U, M, L) and downstream were different in all items except for EC. In order to ensure continuity between the dams(U, M, L) and downstreams, it must be maintained a mean deviation between the upstreams(U, M, L) and downsreams. Temp ±1.0~1.9℃, EC ±4.7~110.8 μS/cm, BOD ±0.01~0.04 mg/L, COD ±0.05~0.50 mg/L, TN ±0.009~0.232 mg/L, TP ±0.000~0.006 mg/L. The lower the value of MDC, the higher the discontinuity. When compared to the actual mean deviation between up and down of the dams, the larger the difference, the more discontinuity. In large dams(HCD, SYGD), range of MDC is small. The large the value of SDC ratio, the higher the discontinuity. Also, The SDC ratio calculated for each water layer to compared with those of the downstreams. The SDC ratio was above 0.5 at the SYGD, and the water qualities in the dam(U, M, L) and the downstream was different for more than half of the water quality items. In particular, the lower layer of SYGD, all the water qulities except for EC was different from the downstream. HCD, CCD and EAD and CPD showed similar SDC ratio for each watere layer. In the SMK anaysis results, when there is a difference in water quality trend between dams(U, M, L) and downstreams, It was interpreted as having a discontinuity between the dams(U, M, L) and downstreams. The Temp showed a different trend in some of the dam’s layer and downstreams at 4 dams except for HCD. EC showed to be largely upward in dams(U, M, L) and downsream. But, HCD, CCD and CPD had no trend in the some of the dam’s layer. The BOD of dams(U, M, L) tended to vary by the dams and by flow periods. And the downsreams showed no trend or downward. In case of SYGD, the dams(U, M, L) had upward during the low flow and high flow, while the downsream tended to be opposite, with the downward. The COD showed no trend or upward in the dams(U, M, L) and downsreams, while the SYGD tended to downward in dam(U, M, L). The TN showed no trend or upward, however, TP showed no trend or downward. Through this study, it was comfirmed that the downsreams of the North Han River water system were affected by the different water qualities distribution and operation methods in the dams. ;오는 2021년부터 수질오염총량제 의무화 시행 계획 단계에 놓인 북한강에는 일반적인 수계와 달리 크고 작은 댐들이 연속적으로 위치해 있다. 연속/불연속성 개념에 따르면, 이들 댐은 본래 하천의 연속성을 단절시키고, 하류 하천의 생태 및 이화학적 요소를 변화시킨다. 이는 북한강 댐 하류의 수질이 댐 방류에 따라 변할 수 있음을 의미하며, 유역 말단에서 대표성을 지닌 목표수질 설정을 위해 시기별 방류량을 고려할 필요가 있다. 본 연구에서는 북한강 수계에 연속적으로 위치한 댐으로 인해 나타날 수 있는 연속/불연속 특성을 고찰하고자, 해당 유역에서 측정된 20년간(1999~2018) 수질 자료에 통계 기법을 적용하였다. 수질 지표는 수온(Temp), 전기전도도(EC), 5일 생물화학적 산소요구량(BOD), 망간법에 의한 화학적 산소요구량(COD), 총질소(TN), 총인(TP)을 선정하였다. 통계 분석은 수질 자료의 특성에 따라 유황시기별로 구분하고, 분포 그래프, 모수(parametric) 기법인 t-test와 비모수(non-parametric) 기법인 Seasonal Mann-Kendall(SMK) 통계법을 활용하여 상류 지점은 수층 간 수질을, 하류 지점에서는 상류와의 수질 간 관계성을 각각 정성․정량적으로 분석하였다. 또한 t-test 결과에서는 상‧하류 간 수질이 연속성을 만족할 편차범위(MDC)와 연속/불연속성 비율(SDC ratio)을 제시함으로써 불연속성에 대한 정도를 평가하기도 하였다. 유황시기별 분포 그래프 분석 결과, 북한강 수계는 TP를 제외한 수질 항목에 대해 유량에 따른 변동폭이 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며, 수질 항목의 변동 범위는 각 댐마다 다른 것을 확인 할 수 있었다. 주로 규모가 작은 춘천댐, 의암댐 및 청평댐에서 큰 변동폭을 보였다. 댐 내부(상/중/하층) 및 하류 하천은 대부분 수질 항목에서 서로 유사한 분포를 가졌으나, 큰 댐(화천댐, 소양강댐)에서는 수온 항목에 대해 댐 내부(상/중/하층) 및 하류 하천 간에 확연한 차이를 보였다. 유사성 분석에서는 t-test를 적용하였고, 동일 수질 항목에 대해 댐 내부(상/중/하층)와 하류 하천의 수질이 서로 다른 결과로 나타나면 불연속성 즉, 댐으로 인해 하류 수질이 영향을 받는 상태로 해석하였다. 댐 내부와 하류 하천 간 불연속성은 화천댐과 소양강댐에서 뚜렷하게 나타났다. 유황시기별로 화천댐은 유량이 많은 시기에 뚜렷한 불연속성을 보였으나, 춘천댐, 의암댐 및 청평댐에서는 BOD, COD, TN, TP 항목에 대해 댐 내부 일부 수층과 하류 하천의 수질이 유사해졌다. 또한 소양강댐의 경우는 유량 시기에 관계없이 EC를 제외한 모든 항목(수온, BOD, COD, TN, TP)에서 댐 내부 대부분 수층과 하류 하천의 수질이 다르게 나타났다. 수질 항목별로 댐 내부와 하류 하천 간 연속성을 확보하기 위해 유지되어야할 상․하류 간 평균 편차(MDC) 범위는 수온 ±1.0~19.6℃, EC ±4.7~110.8 μS/cm, BOD ±0.01~0.04 mg/L, COD ±0.05~0.50 mg/L, TN ±0.009~0.232 mg/L, TP ±0.000~0.006 mg/L 이다. MDC는 값이 작을수록 불연속성이 나타날 확률이 크며, 상‧하류 간 실제 평균 편차와 비교했을 때, 그 차이가 클 수록 불연속성에 대한 강도가 큰 것으로 해석하였다. 주로 큰 댐(화천댐, 소양강댐)에서 MDC의 범위가 작게 나타났다. SDC ratio는 값이 클수록 불연속성 강도가 큰 것으로 판단하였으며, 수층별로 SDC ratio를 산출하여 댐 내부 어느 수층이 하류 하천의 수질과 유사한지 비교하였다. 소양강댐에서 0.50이상으로, 절반 이상의 수질 항목에 대해 댐 내부(상/중/하층)와 하류 하천의 수질이 서로 다른 것으로 나타났다. 특히, 소양강댐 하층은 EC를 제외한 모든 수질 항목이 하류 하천과 달랐다. 화천댐, 춘천댐, 의암댐 및 청평댐은 각 수층별로 비슷한 SDC ratio를 보였고, 주로 방류구가 위치해 있는 댐 중층의 수질과 유사한 것을 볼 수 있었다. 비모수 통계인 SMK 분석 결과에서는 댐 내부 어느 한 수층과 하류 하천의 수질 경향성이 서로 다를 때, 댐 내부와 하류 하천 간 불연속성을 보이는 것으로 판단하였다. 수온은 화천댐을 제외한 4개의 댐(춘천댐, 소양강댐, 의암댐, 청평댐)에서 댐 내부 일부 수층과 하류 하천이 서로 다른 경향성을 보였다. EC는 댐 내부와 하류 하천에서 대체로 증가하는 경향으로 나타났다. 소양강댐과 의암댐을 제외한 화천댐, 춘천댐 및 청평댐의 댐 내부 일부 수층에서는 경향성이 없는 경우도 있었다. BOD는 댐 내부는 댐별 및 유황시기별로 다양한 경향성을 보였고 하류 하천은 경향이 없거나 감소하는 경향을 보였다. 소양강댐의 경우, 저수기와 풍수기에 댐 내부는 증가하는 반면, 하류 하천은 감소하는 경향으로 서로 반대되는 경향성을 가졌다. COD는 대부분 댐 내부와 하류 하천에서 경향 없음 또는 증가 경향을 보였으며, 소양강댐은 평수기 댐 내부에서 감소 경향을 보이기도 했다. TN은 댐 내부와 하류 하천에서 경향 없음 또는 증가 경향이 나타났으나, TP는 경향 없음 또는 감소 경향으로 서로 반대되는 결과를 보였다. 청평댐은 평수기와 풍수기에 댐 내부 일부 수층에서 감소 경향이 나타나기도 했다. 이러한 분석을 통해 북한강 수계의 하류 하천은 댐 내부에 수층별로 다른 수질 분포와 댐 운영 방식에 영향을 받는 것을 확인 할 수 있었다.