김영도 인제대학교환경공학부조교수 (ydkim@inje.ac.kr) 김영도강부식 1) 홍일표 2) 노희진 3) 도암댐수질관리를위한통합탁수관리시스템구축 1. 서론 국내기후특성상하절기에집중되는강우로인해댐의건설은홍수조절, 용수확보및전력생산등의목적에있어서불가피하다. 이와같은저수지와하류하천은댐수문개폐에따른흐름변화로인하여수체의거동및수질변화가발생하며, 일반적인하천과는다른특성을지니게된다. 또한수심이깊은저수지의경우에는흐름방향과더불어수심방향의특성도중요하며, 수리및수질모형의연계를통한 3차원적인해석을필요로한다 ( 정영원, 2009). 본고에서의연구대상인도암댐은송천유역에위치하며, 1989 년에유역변경을통한발 전용댐으로건설되었으나방류수에영향을받는남대천의 수질이악화되면서운영이중단되었고, 이후댐방류수는그 대로송천으로흘려보냄으로써송천하류부의수질에악영 향을미치고있는실정이다. 본연구에서는도암댐유역의통합탁수관리시스템을구 축하기위하여유역모형과호소모형을연계하였으며, 호 소에적합한모형을선정하고, 호소를포함한유역의영향 을파악해보기위해소유역단위로모의를해보았다. 크게 1) 단국대학교토목환경공학과부교수 ( bskang123@naver.com ) 2) 한국건설기술연구원연구위원 / 한국물포럼사무국장 ( iphong@kict.re.kr) 3) 인제대학교환경공학부박사과정 ( 0185114479@nate.com ) 하천과문화 Vol. 7 84 85 No.1 겨울
상류유역과호소구간으로나누어상류유역은유역모형인 SWAT 을이용하고, 이결과를호소부분의유입경계조건으로적용하여호소의수리및수질모형인 EFDC-WASP 의연계를통해통합수질관리시스템을구축하였다. 본고를통해저수지의수질관리를위하여호소단독이아닌저수지와연결되어있는상류유역과하류하천까지포함한유역단위의관리가향후탁수관리뿐만이아니라통합수질관리까지아우를수있는새로운시각을형성하는계기가되었으면한다. 2. 대상유역현황 도암호유역은행정구역상강원도평창군대관령면에속하며남한강상류중권역에해당하면서도암댐표준유역으로그면적은 149.42 km2이고유로연장은 22.72 km이다. 본류는송천이며, 지류인차항천, 대관령천, 그리고용평천을포함하고있다. 도암호유역의토지이용현황분석결과산림지역은 62.0%, 농업지역은 31.7% 로대부분산림과농업지역으로이루어져있다. 한편토사유출이우려되는고랭지농업활동중인밭농사지역은 16.5% 로비교적높은비율을차지하고있기때문에관리가필요할것으로보인다. 또한도암호유역의밭면적은 2,470ha 로아래표에서제시한바와같이경사도가 15% 이상인밭이전체의 22.8% 에해당하여토사유출 이심한지리적특성을갖고있음을알수있다. 도암댐은강원도평창군대관령면수하리에위치해있는댐으로 1989 년 8월유역변경을위해경사코아형석괴댐으로건설되었다. 남한강최상류인송천에댐을막아이루어진도암호의물을지하도수로를이용하여동해안에떨어지게하여강릉수력발전소에서발전하는형태이며수로터널의길이는 15.6 km, 낙차는 640m 로서국내최대이다. 그러나도암댐과함께건설된강릉수력발전소로인해강릉시남대천의수질오염문제가야기되어 2001 년부터현재까지발전방류가중단된상태이다. < 표 3> 도암호및도암댐의일반제원댐의높이 (m) 72 댐의길이 (m) 300 유역면적 ( km2 ) 149.42 만수면적 ( km2 ) 2.2 총저수용량 ( 유효저수용량 ) (10 6 m3 ) 51.4(39.7) 상시만수위 ( 저수위 ) (EL, m) 707(680) 평균수심 (m) 26 수리학적체류시간 ( 일 ) 142.35 연평균강수량 ( mm ) 1,115 연평균강수량 ( m3 /s) 4.79 정격사용수량 ( m3 /s) 16.8 출처 : 수계별호소환경및생태조사 ( 한강수계관리위원회, 2009) < 표 1> 도암댐유역토지이용현황 지목 시가화지역 농업지역 논밭기타 산림지역초지수역기타합계 면적 (ha) 277.0 175.7 2,470.0 2,092.5 9,258.1 329.6 164.7 174.4 14,942 비율 (%) 1.85 1.18 16.53 14.00 61.96 2.21 1.10 1.17 100 출처 : 도암호유역비점오염관리대책 ( 환경부, 2007) < 표 2> 도암댐유역고도별고랭지밭비율 합계 < 7% 7-15% 15-30% >30% 2,470.1ha (100.0%) 837.4ha (33.9%) 1,069.3ha (43.3%) 548.2ha (22.2%) 15.2ha (0.6%) 출처 : 도암호유역비점오염관리대책 ( 환경부, 2007)
3. 대상유역 현황 조사 및 분석 지 밭뿐만 아니라 약 70여개의 소규모 목장, 스키장, 골프장 및 콘도의 건설 등에 따른 토사유출이 탁수 발생의 원인으 3.1 댐 수문자료 분석 로 판단된다. <그림 1>은 2009년 도암댐 수문자료를 분석한 것이다. 도암 댐의 경우 홍수조절 효과가 미미하여 강우가 집중되는 하절 기에 유입량과 방류량이 유사한 형태로 증가하는 것을 확인 할 수 있으며, 특정 기간을 제외하고는 EL. 695m의 수위를 유지하는 것으로 나타났다. <그림 1> 도암댐 유역 강수량과 도암댐 수위 변화 및 유입 방류 현황 3.2 수질분석 최근 10년간의 환경부 수질측정망 자료를 분석한 결과, 최 근 들어 전반적으로 수질이 좋아지는 추세를 보이나 SS의 경우 탁수발생이 심했던 시기의 하절기를 기준으로 그 피해 가 장기화 되는 것을 확인할 수 있다. 이는 대상 지역의 고랭 <그림 2> 도암댐 유역 수질변화(2000~2010) 하천과 문화 Vol. 7 86 87 No.1 겨울
4. 통합탁수관리시스템구축현황 4.1 통합탁수관리시스템의개요 최근강원도내여러지역에서폭우시토양침식이증가하여탁수가발생하고저수지에저류되어하류하천으로의고탁수방류가장기화됨으로써하류하천유역에악영향을미치는사례가증가하였다. 이로인한고탁수현상의장기화는하류에서정수장애를유발하고, 관광자원의감소, 생태계의변화등다양한피해를유발한다 ( 한강수계관리위원회, 2008). 따라서본고에서는유역, 저수지, 하천에이르는통합적인모델링을이용하여탁수관리방안을모색하고자하였다. < 그림 3> 도암댐유역통합탁수관리시스템구간 탁수종합대책보고서 ( 국토해양부, 2010) 를바탕으로도암댐통합탁수관리시스템을구축하기위하여기상및토양등의자료를이용한유역모형 (SWAT) 모의를통하여상류부분인도암호유역의수질을선행모의하고그결과를호소및하천의수리- 수질 (EFDC-WASP) 모델링에연계하여유역전체의영향을분석 예측함으로써 하천- 호소- 하천 이하나의시스템화된통합관리시스템을구축하였다. 4.2 도암댐유역통합탁수관리시스템의구축 4.2.1 유역모형 (SWAT) SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 모형은장기강우-유출모형 (Continuous Rainfall-Runoff Model) 으로장기간에걸친다양한토양속성과토지이용그리고관리상태의변화에따른크고복잡한유역의유출량및미계측유역의비점오염원을추정하기위해미국농무성농업연구소 (USDA, ARS) 에의해개발된유역모델이다. SWAT 모형은일단위모의가가능한유역단위의준분포형장기강우유출모형으로서 4가지부모형 ( 수문부모형, 토양유실부모형, 영양물질부모형, 하도추적부모형 ) 으로구성되어있다. 이중에서수문부모형은저류방정식에의해일단위로물수지를산정하며, 침식과유사량은수정된범용토양유실공식 (MUS- LE) 에의해각수문반응단위 (HRU) 에따라추정된다. 또한 < 그림 4> 도암댐유역통합탁수관리시스템모식도
(1) 토지이용도 (2) 토양도 (3) DEM < 그림 5> 도암댐유역유역모델입력자료 SWAT 모형에서의영양물질인질소와인의기작은작물잔류물과시비량에의한순환으로이루어진다 ( 김정민, 2009). 4.2.3 수질모형 (WASP) WASP 는 1981 년미국환경청에서개발한수질모형으로하 천, 저수지, 하구, 해안등광범위한수계에적용가능한프로 4.2.2 수리모형 (EFDC) EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code) 모형은초기에하구및해양에서의적용을위해개발되었으며현재는저수지, 호소등에서도활발히연구및적용되고있다. 유체 그램이다. 특히각입력조건을원하는시간간격에따라입력가능한동적모델로대상수체를 3차원으로구획하여사용할수있는장점을지니고있다. 본연구에서는 EFDC 와의연계를위해 WASP 7을이용하였다. 의이동, 염분및온도모의등 3차원적모의가가능하다. 또 한댐또는암거등의치수구조물을해석하고얕은수체에대한 wet/dry 현상이모의가능하다. 특히본연구에서는수질모델인 WASP(Water quality Analysis Simulation Program) 와연계를위하여 EFDC-Hydro 를사용하였다. 수리모델에반영할격자는 SMS 를이용하여가변격자를생성하였으며유역모델을기반으로한모의를위해댐부분과하류부분으로나누어격자를구성하였다. 4.3 통합탁수관리시스템을통한수질예측예시 < 그림 7> 은도암호내유량경계조건에따른유속장모의를나타낸것이며, 수리모형의검ㆍ보정은저수지수위변화자료와의비교를통하여수행하였다. < 그림 8> 은이와같은수리계산결과를이용하여수질모형의검ㆍ보정을수행한결과를나타낸것이다. 실측치와모의치의경향이비슷한것으로비추어온도및바람등매개변수뿐만아니라유량및유 (1) 도암호의격자구성 (2) 하류의격자구성 < 그림 6> 도암댐유역구간별격자구성 하천과문화 Vol. 7 88 89 No.1 겨울
(1) Start (2) 120 days (3) 270 days <그림 7> 도암호 유속장 모의 결과 (1) BOD (2) SS (3) TN (4) TP <그림 8> 도암호 수질모형 검ㆍ보정 결과 속 등의 수문조건이 저수지의 특성으로 잘 구현되었음을 확 5. 결론 인할 수 있다. <그림 9>는 시간대별 도암호의 농도장의 수평 적 분포를 나타낸 것이다. 댐 건설은 홍수조절 및 전력생산 등의 목적에 있어서 수자 원의 가치를 높이는 중요한 역할을 하고 있다. 하지만 댐 운
B O D (1) Start (2) 60 days (3) 120 days (4) 250 days (1) Start (2) 60 days (3) 120 days (4) 250 days S S <그림 9> 도암호 농도장 모의결과 영으로 인해 하류하천에 수질을 악화시키는 영향을 끼침으 결정지원을 위한 도구로써 매우 유용하게 활용될 것으로 기 로써 저수지 단독 해석만이 아닌 하천과 저수지가 연계된 형 대된다. 태를 포함하고 있는 유역의 통합적 영향을 분석해 보는 데에 초점을 맞추었다. 이에 본고에서는 상류와 저수지 간에 미치 는 영향을 파악하고 연구 대상유역에 대한 통합탁수관리시 감사의 글 본 연구는 (사)한국물포럼 주관으로 정인욱학술장학재단의 지원에 의해 수행되었으며, 이와 같은 지원에 감사드립니다. 스템을 구축해 보았다. 통합적 유역관리를 위하여 하천과 저 수지 부분을 상류와 본류로 나누어 상류 부분은 저수지 유입 참고문헌 이전까지의 하천이 포함된 유역을 유역모형인 SWAT모형으 국토해양부(2010), 탁수종합대책보고서. 로 선행하고 이 결과를 호소에 적합한 모형인 EFDC-WASP 모형 조건에 반영하여 저수지의 수질을 모의하고자 하였으 며 현재 본 시스템의 적용성을 검토하고 있는 단계이다. 유역모형으로 사용된 SWAT 모형과 호소모형인 EFDCWASP의 연계는 매개변수의 특성 파악이 가능하다면 앞으 로 도암댐뿐만 아니라 다른 하천-저수지를 포함한 유역관리 김정민(2009), SWAT-SWMM 연계모의를 이용한 서낙동강 유량 및 수질 관리방안 연구, 인제대학교 석사학위논문. 정영원(2009), EFDC-WASP을 이용한 저수지의 3차원 수리ㆍ수질 변 화 모의, 인제대학교 석사학위논문. 한강수계관리위원회(2008), 한강수계 탁수저감대책 마련을 위한 연구. 한강수계관리위원회(2009), 수계별 호소환경 및 생태조사 : 2008년(1 년차) 보고서. 환경부(2007), 도암호유역 비점오염관리대책. 에 적절히 이용될 수 있는 시스템이라 사료된다. 또한 앞으 로 연구 대상지역과 같은 유역관리에 실제 적용되기 위한 보 완단계를 거친다면 탁수 및 수질을 고려한 저수지운영 의사 하천과 문화 Vol. 7 90 91 No.1 겨울