2.1 CE-QUAL-W2를 이용한 한강 수리 모델링

한강은 한강유역본부, 롯데월드타워 등과 같이 국내 수열원 에너지가 중점적으로 활용되는 수열원이다. 이를 고려하여 한강의 수온 회복거리를 상류(광진교 ~ 한강대교), 중류(한강대교 ~ 양화대교), 하류(양화대교 ~ 행주대교) 대교를 기준으로 세분화하여 산출하였다. 한강의 취수와 방류의 유량은 동일하게 설정하였다. 건물의 냉난방 부하 500 RT, 1,000 RT, 1,500 RT, 2,000 RT 기준으로 취수와 방류의 유량은 하절기(6 ~ 8월) 10,000 m³/day, 20,000 m³/day, 30,000 m³/day, 40,000 m³/day로 설정하였다. 동절기(1 ~ 2월)의 경우 9,300 m³/ day, 18,600 m³/day, 27,900 m³/day, 37,200 m³/day로 설정하였다. 하절기의 경우 건물의 냉방을 가동하기 위해 열을 흡수한 수열원은 배출수로 방류하기 때문에 방류온도는 취수온도보다 5$^{\circ}{C}$높게 설정하였다. 동절기의 경우 건물의 난방을 가동하기 위해 열을 배출한 수열원은 배출수로 방류하기 때문에 취수의 온도보다 2.5$^{\circ}{C}$낮게 설정하였다. Table 1은 한강 상류(광진교 ~ 한강대교)를 1개의 수체(Water bodies), 2개의 분지(Branch), 52개의 수평방향 소구간(Segments), 42개의 수직층(Layers)으로 구성하였으며 공공기관에서 제공받은 하상단면을 바탕으로 수평방향 소구간(Segments) 150 ~ 650 m로 설정하였다.

Fig. 1은 하상단면을 바탕으로 각 수평방향 소구간(Segments)에 해당되는 수직층(Layers)의 넓이를 구성하였다. 최종적으로 수평방향 소구간(Segments)의 각도를 구성하여 Fig. 2와 같이 모델링 하였다.

Fig. 1 Vertical layer setting for width and depth.

Fig. 2 Modelling of Han-River upstream by CE-QUAL-W2.

취수 지점 설정은 Table 2와 같다. 본 연구에서는 소구간 3(Segments3) 구간에서 취수 지점을 설정하였다. 취수 지점의 중간 해발 표고를 입력하고, 취수를 진행할 지점의 상위층과 바닥층을 설정한다. 방류 지점은 Table 3과 같다. 배출수를 방류 시 취수와 같은 수열원으로 방류하게 되고, 취수와 방류의 밀도는 같은 밀도로 설정 하였다. 방류를 진행할 소구간(Segments)을 설정하고 소구간(Segments)의 상위층과 바닥층의 해발표고를 입력한다. 한강 중류(한강대교 ~ 양화대교), 하류(양화대교 ~ 행주대교) 또한 같은 방법으로 설정하였다. 한강 중류(한강대교 ~ 양화대교), 모델링 결과는 Fig. 3, 한강 하류(양화대교 ~ 행주대교) 모델링 결과는 Fig. 4와 같다.

Fig. 3 Modelling of Han river midstream by CE-QUAL-W2.

Fig. 4 Modelling of Han river downstream by CE-QUAL-W2.

2.2 CE-QUAL-W2 프로그램 검증

CE-QUAL-W2 프로그램을 활용하여 수온 회복거리를 산출을 위해서 프로그램의 수온 산출에 대한 검증이 필요하다. Kim et al.⁽⁹⁾ 연구에 따르면 CE-QUAL-W2 프로그램의 수리 모델의 계산 방정식은 운동방정식, 연속방정식, 이류확산 방정식, 수표면 고도 방정식, 수압방정식, 상태방정식 6가지의 기본 식으로 이루어져 있다. 수온 변화는 산출하기 위해서는 열수지식인 식(1)을 이용한다.

검증을 위한 모델링을 진행하기 위해서는 기상정보, 유량 정보, 수온 정보 등이 필요로 하며 프로그램의 정확성과 신뢰성을 높이기 위하여 한강 홍수 통제소, 기상자료개방 포털, 물 환경정보시스템 등 공공기관에서 제공하는 데이터를 활용하였다. 한강 중류의 수체 모델링은 Fig. 3과 같다. 실제 지도상 한강의 중류(한강대교 ~ 양화대교)를 바탕으로 1개의 구획(Branch)으로 설정하였으며, 400 m ~ 600 m으로 이루어진 16개의 수평방향 소구간(segments)을 설정하였다. Fig. 5는 수평방향 소구간(segments) 의 수직층(layers)이다. 공공기관에서 제공한 하상단면을 바탕으로 최대 32개의 수직층(layers)으로 설정하였으며 각 수직층(layers)별 넓이를 설정하였다. Fig. 6은 한강 중류의 지도상 위치를 나타낸다.

현재 국내에서 하천수를 이용한 수열원 히트펌프의 설치사례가 부산 EDC(에코델타시티)를 제외하고는 없는 실정이고, 부산 EDC의 경우도 방류 시 하천의 온도변화에 대한 측정자료가 없어 본 연구에서는 한강대교에서 양화대교까지의 한강 중류를 대상으로 하절기인 6월 1일부터 8월 31일까지의 수온정보를 CE-QUAL-W2의 계산 타당성으로 이용하기로 하였다. Fig. 3의 한강중류의 소구간과 Fig. 5의 하상정보를 이용하여 한강 중류를 모델링하고 기상정보와 유량, 한강대교에서의 수온정보를 입력으로 하여 양화대교의 수온을 계산하였다. 한강홍수통제소에서 제공하는 양화대교의 6월 1일부터 8월 30일까지 데이터와 CQ-QUAL-W2로 얻은 양화대교 수온의 예측값을 비교하였다. Fig. 7은 한강 중류의 수온 실측 자료와 CE-QUAL-W2를 활용한 한강 중류의 수온 예측 자료 비교 그래프이다. 실측자료와 프로그램의 오차범위는 5% 이내로 발생하였다. 이와 같은 검증을 바탕으로 해당 프로그램의 하천 수체에서의 적합성을 확보하였다.

Fig. 5 Modelling of han-river midstream by CE-QUAL-W2.

Fig. 6 Map of the Han-River midstream.

Fig. 7 Comparison of water temperature between measured and simulation results.

3.1 한강 동절기 수온 회복거리 예측 산출 결과

Fig. 8과 Fig. 9는 동절기(1 ~ 2월) 한강 상류(광진교 ~ 한강대교)를 건물의 냉난방 부하 500 RT, 취수와 방류 유량 9,300 m³/day 기준 수온 회복 진행 지점인 소구간 5(Segments5), 소구간 6(Segment6)의 수온 회복 그래프이며, Fig. 10은 수온 회복 지점인 소구간 7(Segments)의 수온 회복 그래프이다. 붉은색 선은 취수와 방류를 진행하지 않은 하천수의 수온 그래프이며 검은색 선은 취수와 방류를 진행한 이후 하천수의 수온 그래프이다. Fig. 8과 같이 방류 지점에서 약 150 m 지점에서는 수온 회복이 일어나지 않아 불안정한 수온의 모습을 보인다. Fig. 9는 방류지점에서 약 775 m 지점으로 소구간 5(Segments5)에 비하여 수온 회복이 진행되어 비교적 안정적인 수온을 보인다. Fig. 10은 방류 지점에서 약 1.4 km 지점인 소구간 7(Segments7)의 그래프이며 수온 회복이 완전히 진행된 지점을 나타낸다. 소구간 7(Segments7)은 방류 지점에서 약 1.4 km 위치인 올림픽대교와 잠실철교 사이에 위치하고 Fig. 11의 지도를 통하여 수온 회복 거리 지점을 확인할 수 있다. 수온 회복이 진행된 지점은 취수와 방류를 진행하지 않은 수온과 취수와 방류를 진행한 수온의 온도 차이가 0.2℃이내이며 수온의 상승과 하락 폭 또한 동일하게 나타난다. 수열원 히트펌프는 건물의 냉난방 부하에 따라 취수와 방류의 유량이 정해지게 된다. 건물의 냉난방 부하 500 RT ~ 2,000 RT, 취수와 방류의 유량 9,300 m³/day, 18,600 m³/day, 27,900 m³/day, 37,200 m³/day 기준 한강 상류(광진교 ~ 한강대교), 중류(한강대교 ~ 양화대교), 하류(양화대교 ~ 행주대교)의 동절기(1 ~ 2월) 수온 회복거리는 Fig. 12를 통해 확인할 수 있다. 한강을 세분화함에 따라 상류(광진교 ~ 한강대교), 중류(한강대교 ~ 양화대교), 하류(양화대교 ~ 행주대교) 구역에 따라 수온 회복 거리가 다른 것을 볼 수 있다. 이는 수온 회복거리가 유량에 큰 영향을 받기 때문이다. 동절기(1 ~ 2월) 한강의 경우 상류(광진교 ~ 한강대교) 구역의 유량이 중류(한강대교 ~ 양화대교), 하류(양화대교 ~ 행주대교)에 비하여 작게 나타나기 때문에 수온 회복 거리는 가장 길게 나타난다. 반면에 중류(한강대교 ~ 양화대교)의 경우 하천의 유량이 비교적 크게 나타나기 때문에 수온 회복 거리가 비교적 짧게 나타난다.

Fig. 8 Variation of temperature at segments 5.

Fig. 9 Variation of temperature at segments 6.

Fig. 10 Variation of temperature at segments 7.

Fig. 11 Han river upstream recovery distance in winter on the map.

Fig. 12 Han-River recovery distance in winter season.

3.2 한강 하절기 수온 회복거리 예측 산출 결과

Fig. 13은 하절기(6 ~ 8월) 한강 상류(광진교 ~ 한강대교)를 건물의 냉난방 부하 500 RT, 취수와 방류 유량 10,000 m³/day 기준 수온 회복 지점인 소구간 5(segments)의 수온 회복 그래프이다. 취수와 방류를 진행하지 않은 수온과 취수와 방류를 진행한 수온의 온도 차이는 약 0.2℃이며 수온의 상승과 하락 폭 또한 동일하게 나타난다. 수온 회복 거리는 방류 지점에서 약 150 m 위치인 천호대교 지점인 소구간 5(segments5)지점이며 Fig. 14를 통하여 수온 회복 거리 지점을 실제 지도에서 확인할 수 있다. 동절기와 다르게 하절기의 수온 회복 거리는 방류지점 소구간 4(Segments4)의 다음 지점인 소구간 5(Segments)로 비교적 짧은 소구간(Segments)에서 수온 회복이 일어난다. 우리나라의 날씨 특징상 하절기에 강수량이 집중되어 유량이 동절기에 비하여 크기 때문이다. 건물의 냉난방 부하 500 RT ~ 2,000 RT 즉 취수와 방류의 유량 10,000 m³/day, 20,000 m³/day, 30,000 m³/day, 40,000 m³/day기준 한강 상류(광진교 ~ 한강대교), 중류(한강대교 ~ 양화대교), 하류(양화대교 ~ 행주대교)의 하절기(6 ~ 8월) 수온 회복 거리는 Fig. 15를 통해 확인할 수 있다. 한강 중류(한강대교 ~ 양화대교)의 수온 회복 거리의 경우 동절기(1 ~ 2월)와 유사하게 나타난다. 이는 계절에 유량이 크게 변하지 않는 한강 중류의 특성 때문으로 판단된다. 수온 회복거리는 하천의 유량이 영향을 크게 미치고 있으나 하천의 유속, 하상 단면의 면적 및 형상, 하천의 높이, 기상정보, 그리고 유량의 변동성에도 의존하고 있음을 확인하였다. 특히 하절기의 경우 동절기에 비해 한강 하류에 비해서 상류와 중류의 경우 상대적으로 유량의 변동 폭이 일별로 매우 크고 짧은 시간 간격에도 그 변동이 커서 이 부분이 수온 회복에 큰 영향을 미쳤을 것으로 판단되고, 향후 한강을 활용한 수열원 히트펌프의 설치를 통해 이에 대한 검증이 필요하다.

Fig. 13 Variation of temperature at segments 5.

Fig. 14 Han-River upstream recovery distance in summer on the map.

Fig. 15 Han-River recovery distance in summer season.