1. 서 론

성층현상이란 저수지 또는 하구언과 같이 수심이 깊고 유속이 느리며 물의 체류시간이 긴 정체수역에서 나타나는 특징으로 수온의 변화에 따른 물의 밀도차에 의하여 물의 위치가 거의 고정되는 현상이라고 할 수 있다. 수심이 깊은 호소에서 하절기와 동절기에 성층현상이 뚜렷이 나타나며, 따뜻한 표층과 찬물의 심수층으로 층이 나눠지면서 두 개의 층사이에 변온층이 존재하게 된다. 표층은

표면의 흐름과 바람의 영향을 받아 재포기가 이루어지지만, 심수층은 재포기가 안되므로 DO가 부족하게 되고 때로는 혐기상태에 이르게 되는 현상이다. 여름철에 발생하는 성층현상은 물의 수직이동이 원활하지 않아 표층의 온도가 더욱 올라가게 되어 남조류의 성장에 좋은 여건을 만들어 녹조(algal bloom)현상을 유발하는 원인이 될 수 있다. 이렇게 성층현상이 발생하면 심수층의 DO 고갈문제와 녹조현상 등 수질문제를 유발할 수 있기 때문에 수체의 혼합을 유발하여 성층화를 교란시켜야 한다.

4대강 사업 전에는 낙동강에서 성층현상이 발생하지 않았지만, 다기능보의 건설과 하도의 준설로 인해 낙동강의 수심은 더욱 깊어졌으며 유속이 느려져 지체시간 또한 증가하였다. 이로 인해 수심이 깊은 곳과 다기능보 인근에는 성층현상이 발생하였으며, 또한 녹조현상을 가중시키는 원인이 되었다. 낙동강에서의 성층현상을 교란하기 위해서는 다기능보에 저장되어있는 유량을 일시에 고유량으로 방류하는 펄스방류, 지류에 위치한 다목적댐에 의한 방류(Flushing), 댐-보의 연계운영을 통한 방류 등을 고려할 수 있다. 효율적인 성층교란을 수행하기 위해서는 방류 전에 수온, DO, 수질 농도의 실측이 필요하며, 활용가능 수량과 방류방법 등에 따른 시나리오 분석을 통한 최적 성층교란 방법을 도출하고, 도출된 방류 방법을 수행한 후 실측을 통해 성층교란의 영향을 분석하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 시나리오 분석을 수행하기 위한 전단계로 3차원 수리․수질 모델인 EFDC 모형으로 낙동강에서의 성층현상이 재현가능한지에 대한 평가를 수행하였다. 수리조건으로는 수위 재현을 수행하였고, 수온과 DO의 성층현상을 재현하였다.

EFDC 모형을 이용하여 성층화에 관한 연구를 살펴보면 Cunanan and Salvacion (2014)이 필리핀 Laguna 저수지의 수온을 모의하였으며, 저수지의 평균수심이 3.21 m로 비교적 얕아 성층화가 발생하지 않았으며, 저수지 내의 흐름은 지류와 풍향의 영향을 받는 것으로 해석하였다. Anderson (2010)은 얕은 다순환호인 Elsinore 저수지에서 양수식 수력발전의 운영이 수온 성층화와 혼합, 유사의 재부유 등의 영향을 검토하였으며, 저수지의 수질과 생태계에 부정적인 영향을 주지 않는 범위에서 발전이 이뤄져야 한다고 주장하였다. Jiang and Shen (2009)은 중국 Oujiang 하구언에서의 염분 성층화에 관한 연구를 수행하였으며, Xu et al. (2008)은 미국 Pamlico 하구언에서 유량, 풍향의 영향에 대한 염분 성층화 연구를 수행하였고, Elçi et al. (2007)은 South Carolina의 Hartwell 저수지 유사이송과 수온 성층화의 관계에 대해서 연구하였다. Wool et al. (2003)은 North Carolina의 Neuse 강하구의 TMDL을 적용하기 위하여 3차원 모형을 구성하였으며, 수리모듈은 EFDC를 적용하고, 수질모듈은 WASP6을 적용하였다. 염분, 수온과 DO의 성층화, 영양염류, Chl-a를 재현 및 모의하고, TMDL를 수행하기 위한 다양한 시나리오 분석에 적용하였다.

Yin and Seo (2013)는 EFDC-WASP 모형을 연계하여 경인아라뱃길의 3차원 수리분석과 수질 예측을 수행하였으며, DO가 감소되는 원인 분석을 수행하였다. Kang et al. (2013)은 시화조력발전소 인근 해역에서 해수특성 및 성층변화를 분석하기 위해 3차원으로 수치분석을 수행하였으며, 조력발전소 가동 시 해수의 유출입이 활발해짐에 따라 성층이 약화될 수 있는 것으로 분석하였다.

An et al. (2012)은 농업용저수지인 대상저수지를 대상으로 수온 및 DO 성층방지를 위한 물순환장치 가동 시나리오 모의를 수행하였고, Kang et al. (2011)은 광양만과 진주만 해역에 대한 조석과 수온, 염분을 고려한 3차원 해수순환 양상을 재현하였다. Ahn et al. (2011)은 용담호 수온성층해석을 수행하였으며, 유입수온의 회귀분석 모형을 개발하였으며, Kim et al. (2011)은 용담호에 수온성층 모의를 위해 수온성층 관련 매개변수의 적정성 분석을 수행하였다. Kim (2010)은 EFDC-WASP 모형을 연계하여 용담호의 수온성층 현상과 수질모의를 수행하였으며, 수직 격자수에 따른 수온성층의 효율성을 검토하였다. Seo et al. (2009)은 EFDC 모형을 이용하여 용담호에 대한 3차원 수리 및 수온 모델링을 실시하여 격자크기별 수위 재현성과 수심별 수온분포 재현성을 검토하였으며, Suh and Lee (2008)는 새만금호 완공에 따른 수질모의를 EFDC 모형으로 수행하여 수온 및 염분 성층화 현상의 재현성을 검토하였다.

저수지와 하구언에서 수온성층화와 수온변화 등의 기존 연구는 다양하며, 주로 3차원 EFDC 모형과 횡방향 평균 2차원 모형인 CE-QUAL-W2 모형을 이용한 연구(Nazariha et al., 2009; Park and Chung, 2014; Yi et al., 2008)가 주를 이뤘다. 본 연구에서는 저수지와 하구언에서 성층현상 재현성이 입증된 3차원 수리․수질 해석모형인 EFDC 모형을 이용하여 환경이 변화된 낙동강에 적용하여 성층현상의 재현성을 평가하고자 하였다.

2. 모형이론

본 연구에서 적용한 EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code) 모형은 연안, 하구, 하천, 호소, 습지, 저수지 등의 유동 및 물질수송을 모의하는 3차원 수치모델로서 해수유동과 물질이동을 재현할 수 있으며, 수직․수평적으로 2차원 및 3차원화가 용이한 모델로 미국 Virginia Institute of Marine Science에서 개발되었으며, 현재는 미국 환경청(EPA)의 공인모델로 지정되었으며, 미국 환경청과 Dynamic Solution Inc.에 의해 추가개발 및 관리되고 있다.

EFDC 모형은 가변 밀도 흐름에 대해 수직적으로 정수압 가정을 하며, 자유표면, 난류 평균의 3차원 운동방정식의 해를 구한다. 운동방정식에 동역학적으로 연결된 난류 운동에너지, 난류 길이스케일, 염도, 그리고 온도 이송방정식도 함께 풀어진다. 부유물질 또는 용존물질에 대한 Eulerian 이송 전환방정식도 동시에 해를 구한다. 이송 방정식의 이송항에 대해서는 중앙차분법을 사용하거나 positive definite upwind difference 방법을 사용한다. EFDC 모형은 유체의 이동, 염분 및 온도 모의 외에도 흡착성 또는 비흡착성 부유물질의 이동, 오염원유입에 의한 희석, 부영양화 기작, 독성 오염물질의 이동/반응 등에 대한 모의가 가능하다. 특히 EFDC 유동해석은 댐 또는 암거 등의 치수 구조물 해석뿐만 아니라 수심이 얕은 수체에 대한 젖음/마름현상을 모의할 수 있어 인공습지 등에서의 수체거동을 가능케 한다. 또한 유동 및 확산 등의 물리적인 이동기작에 대한 정보는 비반응성 또는 반응성 수질변수들의 모의를 위해 사용될 수 있다.

2.1 수리동역학모형

EFDC 모형의 3차원 연속방정식과 운동방정식, 정역학 방정식은 다음과 같다.

 (1)

 (2)

 (3)

 (4)

 (5)

여기서, 와 는 각각 , 방향에서 수평속도성분()이며, 는 변환된 무차원 연직좌표계 에서의 연직유속성분()이고, 는 기준면하 수심()을 의미한다. 은 기준면에서의 수면변위()이며, 는 전체수심으로 ‘’의 값이고, 와 는 곡선좌표계의 임의거리 을 만족시키는 tensor의 대각성분의 제곱근을 나타낸다. 와 는 각각 운동량의 생성 및 소멸항()이며, 는 압력(), 는 Coriolis 계수를 의미한다. 는 수직난류점성계수이며, 는 밀도()이고, 는 부력(), 는 중력가속도()이다.

EFDC 모형에서 수온을 계산하기 위한 수온 보존방정식은 다음과 같다.

 (6)

여기서, 는 물질의 농도이며, 는 침강 속도(), 는 물질의 반응 생성 및 소멸항이고, 는 외부로부터 물질유입, 유출에 따른 물질의 생성 및 소멸항을 의미한다.

2.2 수질모형

수질해석에 사용되는 기본방정식은 다음과 같다.

 (7)

여기서, 는 각 수질인자의 농도이며, 는 단위체적당 생성 및 소멸항을 의미한다. , , 는 각각 , , 방향에서의 난류확산계수를 나타낸다.

EFDC 모형에서 많은 수질농도를 계산할 수 있지만, 본 연구에서는 DO 항목만을 계산하였다. EFDC 모형 내에서 용존산소를 계산하는 방법은 다음과 같은 방정식으로 고려된다.

                                             (8)

여기서 우변의 첫 번째 항은 식물성 조류의 광합성과 호흡에 관한 식이며, 두 번째 항은 질산화 작용에 따른 용존산소의 감소량, 세 번째 항은 유기탄소의 분해에 따른 변화량을 의미한다. 네 번째 항은 환원성 물질의 산화에 따른 용존산소 감소량을 의미하며, 다섯 번째 항은 표층에서의 재포기 작용에 따른 용존산소의 증가량을 의미하고, 여섯 번째 항은 퇴적물 산소요구량에 의한 변화, 마지막 항은 외부 부하를 의미한다. 본 연구에서는 연속적인 수질 실측자료의 부재로 수질과 관련된 항목을 배제하고 표층에서의 재포기 작용, 퇴적물 산소요구량, 외부부하만을 고려하여 다음과 같은 식으로 용존산소의 계산을 수행한다.

 (9)

여기서, 재포기 계수인 은 O’Connor and Dobbins (1958) 방법을 적용하며, 포화산소 농도인 는 Genet et al. (1974)이 제시한 실험식을 적용하였다.

3. 모형 및 입력자료 구축

3.1 모형 구축

연구의 대상구간으로는 Fig. 1과 같이 2015년 8차례에 걸쳐 펄스방류를 수행한 실적이 있고, 이로 인한 실측자료가 존재하는 칠곡보에서 창녕함안보까지로 설정하였다. 2015년에 수행된 펄스방류는 강정고령보, 달성보, 합천창녕보, 창녕함안보를 이용하여 시범운영이 되었지만, 강정고령보의 수위를 재현하기 위하여 상류 보인 칠곡보를 포함하였다.

Fig. 1.

Study Area

격자구성은 칠곡보 상류 1 km에서 창녕함안보 하류 1 km까지 약 118 km 구간에 대해서 격자와 지형을 구축하였으며, 격자망은 낙동강 본류구간에서 횡방향 6개, 종방향 255개로 구성하여 총 1,590개로 격자망을 구축하였다. 격자의 평균크기는 횡방향 약 150 m, 종방향 약 450 m이며, 연직층은 성층화를 충분히 재현할 수 있도록 10개 층으로 구성하였고, 각 층의 높이가 등간격인 -좌표계를 적용하였다. 총 계산에 적용된 격자는 15,900개로 구성하여 모의에 적용하였다. 지형자료의 구축을 위해서 2012년 4대강 사업 준공 후의 실측단면을 포함한 HEC-RAS 자료와 2012년과 2013년에 수행된 보 인근 상세 실측자료를 이용하여 가장 최근의 지형을 반영할 수 있도록 하였다.

성층화를 재현하는 기간은 2015년 6차 펄스방류가 포함된 8월 31일에서 9월 3일까지 총 4일에 대해서 모의를 수행하였다. 6차 펄스방류를 선정한 이유는 방류량이 8회의 방류 중 가장 많았고, 실측자료가 존재하여 모의의 결과와 비교가 가능하였기 때문이다. 수온과 DO 실측자료 또한 뚜렷한 성층화와 성층교란이 포함되어 있어 모형의 재현 후 실측자료와 비교가 용이하였다. 모형의 초기 수위조건은 대상기간 중 가장 빠른 시간인 2015년 8월 31일 0시의 각 보 상류 500 m에 위치한 수위관측소의 수위를 적용하였으며, 각 보별 강정고령보 19.55 EL.m, 달성보 14.06 EL.m, 합천창녕보 10.60 EL.m, 창녕함안보 5.15 EL.m를 적용하였다(Fig. 2).

Fig. 2.

Constructed Mesh and Topographic Data of Study Area

3.2 입력자료 구축

수온 및 DO의 재포기에 영향을 미치는 기상자료는 대상기간 동안의 대구기상관측소 자료를 활용하여 Fig. 3과 같이 구축하였으며, 기압, 건구온도(기온), 상대습도, 강우량, 일사량, 운량을 입력하였고, 증발산량은 실측자료가 없어 모형에서 자동 계산하는 방법을 적용하였다.

Fig. 3.

Constructed Meteorological Data

모형에서 경계조건은 크게 상류단 및 하류단 경계조건, 측방경계조건, 내부경계조건으로 나뉠 수 있다. 상류단 경계조건은 칠곡보로 유입되는 유량과 수온, DO 자료를 적용하였고, 하류단 경계조건은 창녕함안보의 방류량을 적용하였다. 측방경계조건은 금호강, 회천, 황강, 남강의 유입량과 수온, DO 자료를 적용하였으며, 내부경계조건으로는 가동보의 수문방류량, 어도방류량, 발전방류량, 고정보를 통한 월류량을 적용하였다. 측방경계조건의 유량은 각각 성서, 개진2, 죽고, 거룡강 수위표의 실측수위에서 환산된 유량을 적용하였으며 Fig. 4에 도시하였다. 남강의 유량은 펄스방류가 시작되면 방향이 변하는 진동현상을 보이는데, 실측 유량을 그대로 적용하였다. 내부경계조건으로 사용된 각 보의 유량은 Fig. 8에 나타내었다.

Fig. 4.

Boundary Condition of Tributary

각 경계조건의 수리량은 실측자료를 사용하였으나, 수온 및 DO의 경우에는 연속된 실측자료가 없어 수온은 기온과의 상관관계로 분석하였고, DO는 수온과의 상관관계로 분석을 수행하여 입력자료를 구축하였다. 수온 경계자료는 선행연구(Ahn et al., 2011)에서 수행된 것과 같이 기온과 수온을 선형관계로 가정하여 분석을 수행하였으며, 적용한 선형방정식은 Eq. (10)과 같다. DO 경계자료는 수온 경계자료를 분석한 지점과 동일한 지점에서 분석을 수행하였으며, 수온과 DO의 실측자료를 이용하여 2차 방정식으로 가정하였으며 Eq. (11)과 같이 표현하였다. 수온자료는 실시간 수질정보시스템(www.koreawqi.go.kr)과 물환경정보시스템(water. nier.go.kr)의 자료를 활용하였고, 기온자료는 기상청(www.kma. go.kr)의 자료를 이용하여 분석하였다.

 (10)

 (11)

여기서, 는 수온이며, 는 기온이고, , , 는 계수를 의미한다.

각 지점별로 분석된 기온과 수온, 수온과 DO의 상관식은 Table 1에 제시하였으며, 이를 표층의 입력자료로 사용하였다. 경계조건과 가장 인접한 모의기간 내의 실측자료를 활용하여 각 수층별로 수온 및 DO를 다르게 분포시켰으며, 그림 Fig. 5에 제시하였다. 수온과 DO 상관식의 결정계수는 0.543~0.759의 범위로 기온과 수온 상관식의 결정계수 0.877~0.958의 범위보다 낮음을 확인할 수 있는데, 이는 DO가 다른 수질자료와 복잡한 관계를 가지나 본 연구에서 단순화하였기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 5.

Correlation Analysis and Constructed Input Data for Each Layer (Geumho River)

Table 1. Generating Water Temperature and DO Boundary Data for Each Site

4. 민감도 분석

앞서 구축된 경계조건을 이용하여 초기 모형을 구축하였으며, 실측자료와 비교해가며 모형의 주요 매개변수의 민감도 분석을 수행하였다. Table 2에 제시한 것과 같이 수직분자 와동점성 계수인 AVO와 수직분자 확산도 계수인 ABO에 대해 매뉴얼에 제시되어 있는 범위를 적용하여 최적의 값을 산정하였다.

본 연구에서는 주로 결정계수(), NSEC (Nash-Sutcliffe Efficiency Coefficient), RMSE (Root Mean Square Error), PBIAS (Percent BIAS, %)와 같이 4개의 지표를 이용하였으며, 각각의 결과 분석과 상관이 없다고 판단되면 4개의 지표를 전부 사용하지 않고 몇 개의 지표만을 사용하여 분석결과를 정리하였다. 각각의 통계지표 산정식은 다음과 같다.

 (12)

 (13)

 (14)

 (15)

여기서, 는 의 편차제곱의 합이고, 는 의 편차제곱의 합이며, 는 와 의 편차제곱의 합이다. 는 관측유량(), 는 계산유량(), 는 관측유량의 평균값()을 의미한다.

먼저 수직분자 와동점성 계수인 AVO에 대해서 10^-4~10^-7까지 범위에서 모의를 수행하여 Table 3과 Fig. 6에 결과를 제시하였다. 표와 그림에서, D-day는 펄스방류를 위한 수문조작일이며, D+1은 수문조작 1일 경과 후, D+2는 수문조작 2일 경과 후를 각각 나타낸다. 수문조작 익일의 PBIAS 값을 제외한 모든 통계결과에서 AVO가 10^-7일 경우에서 가장 우수한 값으로 산정되어 AVO는 10^-7 값으로 결정하였다.

Table 2. Parameters Related to Stratification

Table 3. Sensitivity Analysis According to AVO Variations

Fig. 6.

Sensitivity Analysis Results of AVO

수직분자 확산도 계수인 ABO에 대해서 10^-6~10^-9까지 범위에서 모의를 수행하여 Table 4와 Fig. 7에 결과를 제시하였다. 결정계수는 수문조작 당일과 익일에서 크게 통계적인 의미가 없었으며, D+2일의 경우 ABO가 10^-6일 때 가장 우수한 값으로 산정되었다. 나머지 통계값은 당일에 ABO가 10^-7의 경우에서 높은 결과를 나타냈으며, 그 후로는 ABO가 10^-6일 때 우수한 값으로 산정되었다. 수직분자 확산도 계수 ABO는 10^-6 값으로 결정하여 향후 모의에 적용하였다.

Table 4. Sensitivity Analysis According to ABO Variations

Fig. 7.

Sensitivity Analysis Results of ABO

성층화와 관련된 매개변수의 민감도 분석 수행결과 수직 분자 와동점성 계수인 AVO는 10^-7 값, 수직 분자 확산도 계수인 ABO는 10^-6 값을 모의에 적용하는 것으로 결정하였다.

5. 수온 및 DO 성층화 재현

앞서 구축된 경계조건과 민감도 분석에서 결정된 매개변수를 이용하여 낙동강에서의 수온과 DO의 성층화를 재현하고 실측자료와 비교를 수행하였다. 수온과 DO의 재현에 앞서 수리모의를 수행하였으며, 실측 수위와 비교를 수행하였다.

수리모의는 2015년 6차 펄스방류 기간인 2015년 8월 31일 0시부터 9월 3일 24시까지 4일에 대해 모의를 수행하였다. 경계조건으로 상류단에서는 칠곡보 방류량을 적용하였고, 지류 경계조건으로는 금호강은 성서 수위표의 유량, 회천은 개진 수위표의 유량, 황강은 죽고 수위표의 유량, 남강은 거룡강 수위표의 유량을 각각 입력하였다. 내부경계조건으로는 강정고령보, 달성보, 합천창녕보, 창녕함안보의 수문방류량, 어도방류량, 발전방류량, 월류량을 합하여 총방류량으로 입력하였으며, 수문방류량은 다른 방류량과 별도의 노드에 입력하였다. 수위는 각 보의 조고를 보정해가며 실측자료와 비교하여 보정하였으며, 실측자료는 각 보 상류 500 m에 위치한 자동관측망의 수위값을 활용하여 비교하였다.

각 보에 대한 수리모의 결과를 실측자료와 비교하여 Table 5와 Fig. 8에 제시하였다. 각 보의 실측 수위가 진동현상을 나타내는 이유는 수문을 급격히 조작하였을 때 하류방향으로 정단파(positive surge)가 발생하며, 상류방향으로 음단파(negative surge)가 발생하는데 이 단파들이 합성이 되면서 하천 내 진동현상이 발생하게 된다.

Table 5. Statistics for Hydrodynamic Simulation Results

Fig. 8.

Hydrodynamic Simulation Results for Each Weir

Table 5를 보면 강정고령보의 재현결과가 가장 우수한 것으로 산정되었으며, 하류로 내려갈수록 오차가 조금씩 커지는 것을 확인할 수 있다. 이는 하류로 내려갈수록 오차가 축적되는 것으로 판단된다. NSEC는 0.866~0.995의 범위로 ‘1’에 가까우며, PBIAS 또한 0.0~0.13%의 범위로 ‘0’에 가까워 실측자료와 오차가 적은 것으로 판단된다. 결정계수는 0.878~0.998로 실측값과 모의값의 경향성이 일정함을 알 수 있으며, RMSE는 11~28 mm의 오차로 오차 범위가 적다고 판단된다. 수리현상의 모의가 잘 수행된 것으로 판단하여 이를 기반으로 수온 및 DO의 성층화 재현을 수행하였다.

밀도류의 모의 결과를 수온과 비교해보면 수온이 높은 곳은 물의 밀도가 낮으며, 반대로 수온이 낮은 곳은 물의 밀도가 높게 나타났다. 시간별 흐름은 주수로부에서 밀도류의 희석이 정체수역보다 활발히 진행되었으며, 특히 펄스방류가 시작된 9월 1일 10시(경과시간 1.5일) 이후에 수문인근에 급격한 희석현상이 발생하는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 9).

Fig. 9.

Simulation Results of Water Temperature and Water Density

수온과 DO에 대한 모의는 수온과 DO의 초기값으로 사용되는 실측자료가 모의기간 중 대략 14시 이후에 실측이 되어 오차가 비교적 적을 것으로 판단되는 12시부터 모의를 시작하였다. 따라서 수온과 DO는 2015년 8월 31일 12시부터 9월 3일 24시까지 3.5일간의 모의를 수행하였다. 수리모의 결과를 보 상류 500 m 지점에서 실측자료와 비교하였기 때문에 수온과 DO의 결과도 이와 가장 유사한 지점에서 비교하고자 하였다. 수온과 DO의 실측자료는 보 상류 1 km 지점의 실측자료를 이용하였으며, 500 m 상류의 실측자료가 있음에도 1 km 상류 지점의 위치를 설정한 이유는 보 상류 쪽으로 전파되는 수리, 수질 영향을 분석하기 위해서 선택하게 되었다.

수온 성층화의 재현결과를 Table 6과 Figs. 10~12에 수심별로 제시하였다. 수온 성층화 재현결과의 통계지표를 보면 결정계수는 각 보별 평균값이 0.587~0.845의 범위이며, RMSE는 0.388~ 0.526°C의 범위로 산정되었다. 결정계수는 0.5 이상의 범위로 실측값과 유의미한 관계가 있다고 판단되며, RMSE는 1.0°C 이하로 오차가 크게 나타나지 않는다고 판단된다. 전반적인 PBIAS는 -0.849~2.832%로 크게 과대․과소 산정되지 않았음을 확인할 수 있다.

Table 6. Reproduction Results of Water Temperature Stratification

Fig. 10.

Reproduction of Water Temp. Stratification (Dalseong Weir)

Fig. 11.

Reproduction of Water Temp. Stratification (Hapcheon-Changnyeong Weir)

Fig. 12.

Reproduction of Water Temp. Stratification (Changnyeong-Haman Weir)

D-1일의 통계지표가 가장 우수하게 산정되었으며, 이는 초기값으로 부여된 값이 크게 변동이 없었기 때문이지만, 창녕함안보의 경우 실측값이 오후 6시 이후의 값으로 초기값으로 부여한지 6시간이 지난 값이기 때문에 표층에서 뚜렷한 차이를 나타내고 있었다. 방류당일의 수온은 성층화가 많이 교란된 경향을 나타내는데 모형에서 합천창녕보와 창녕함안보에서 실측자료의 경향을 잘 모의하지 못하는 것으로 보이나 방류 후 1, 2일이 경과하였을 때는 실측자료의 경향을 잘 반영하는 것으로 판단된다.

DO 성층화의 재현결과는 Table 7과 Figs. 13~15에서 수심별로 제시하였다. DO 성층화 재현결과의 통계지표를 보면 결정계수는 각 보별 평균값이 0.398~0.856의 범위이며, RMSE는 0.925~ 1.978 mg/L의 범위로 산정되었다. 결정계수는 합천창녕보를 제외하고는 0.7 이상의 범위로 실측값과 유의미한 관계가 있다고 판단되나, 합천창녕보의 경우 DO가 과포화상태에서 방류당일 변화가 극심하게 나타나서 모형에서 이를 잘 모의하지 못하는 것을 알 수 있었다. RMSE는 수온의 경우보다 절대값이 크게 나타나지만, 수온의 변동폭이 22~28°C로 6°C 정도 범위 내에서 변화가 발생하는 것에 비해 DO의 변동폭은 0.5~16 mg/L의 범위에서 변화가 발생하기 때문에 RMSE의 범위는 그리 크지 않는 것으로 사료된다. 전반적인 PBIAS는 -23~18%의 범위로 구간에 따라 과대 또는 과소 산정되었음을 확인할 수 있다.

Table 7. Reproduction Results of DO Stratification

Fig. 13.

Reproduction of DO Stratification (Dalseong Weir)

Fig. 14.

Reproduction of DO Stratification (Hapcheon-Changnyeong Weir)

Fig. 15.

Reproduction of DO Stratification (Changnyeong-Haman Weir)

6. 결 론

본 연구에서는 EFDC 모형을 이용하여 낙동강의 수온 및 DO 성층화를 재현하였다. 본 연구를 통해 얻어진 결론을 요약하면 다음과 같다.

(1)모델링에 적용할 수 있는 수위, 유량 같은 수리 실측자료는 많으나 수질모의에 적용할 수 있는 실측자료는 극히 제한적이며, 이로 인해 수질모델링의 한계가 발생할 수 있다. 본 연구에서 수온 입력자료는 연속된 실측자료가 존재하는 지점의 자료와 기온과의 상관분석을 통해 생성하였고, DO 입력자료는 동일 지점에서 수온과 DO의 상관관계를 이용하여 생성하였다.

(2)수온과 DO 성층 재현을 위해 성층화와 관련된 매개변수, 수온계산 옵션에 대해서 민감도 분석을 수행하였으며, 적합한 매개변수의 범위을 산정하여 성층화 재현에 적용하였다. 수리재현은 실측 수위와 유사하게 재현(:0.878~0.998, RMSE: 0.011~0.034)되었으며, 수온(:0.587~0.845, RMSE:0.388~ 0.526)과 DO (:0.398~0.856, RMSE: 0.925~1.978)도 실제상황을 적절하게 재현하는 것으로 판단되었다.

(3)수온의 경우 기온과 상대습도, 운량과의 관계를 나타내며, 모든 자료가 입력자료로 구성되는 것에 비해, DO는 다른 수질농도, 조류와의 관계를 배제한 상황에서 자연현상을 완벽하게 재현하지는 못하였지만, 적절하게 모의된 것으로 판단된다.

(4)본 연구에서는 활용가능한 실측자료가 한정적이고, 여러 가지 가정으로 인해 정확도 높은 수온과 DO 성층 재현을 하지는 못하였지만, 자연현상을 적절히 재현할 수 있었다. DO의 경우에는 DO와 연관이 있는 다양한 수질농도와 같이 모의가 된다면 더욱 정확도 높은 모의가 가능할 것으로 사료된다.

본 연구의 결과는 다양한 성층교란 시나리오 분석의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 향후 활용가능 수량과 다기능보의 펄스방류, 댐에 의한 flushing, 댐-보 연계운영 등에 따른 시나리오 분석을 통하여 다양한 상황에 대한 최적 성층교란 방법을 도출할 수 있다면, 수질․녹조 관리 의사결정에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.