2lX7ê ì胡11

252 環境論폈 第三十卷(1992)

따라서 本船究는 수심이 깊고 기다란 우리나라 댐湖득성에 유의하여， 水中 生態系안의

각종 항목들의 反應과 機作을 水深과 흐릎방향에 따라 분석 할 수 있는 2次元 動水力學 및

水質據測 模型을 개 말하고자 한다.

그런데 외국의 자연호수와는 달리 우리나라의 댐湖는 대개 험준한 산악지역을 흐르는 하

천을 막아 축조한 관계로， ~湖水本流 (main lake) 연안으로부터 나뭇가지모양(樹技形) (白永

哲， 1991)‘으로 分|技된 머모양의 수역 (embayment, 이 하 灣水域이 라 함)JJ의 발달이 두드러

진다. 만수역은 流速移動(advection transport) 이 주로 이뤄지는 호수본듀수역과는 달리， 수

심이 깊고 물의 체류시간이 걸어， 據散移動 (diffusion transport) 이 현저하고 다만 호수본류

수역 과 접하는 곳에서 소규모의 유속이동이 이뤄진다(Chapra and Reckhow, 1983, pp.71-

93). 그러묘로 본연구에서는 호수본류수역과 아울러 이러한 만수역의 특성을 반영하여 수

질을 계산할 수 있는 수질예측모형을 개말하고자 한다. 그리고 이와같이 개발된 모형으로

수질예측을 함￡로써 댐湖수질 관리대책 수렵에 기여하고자 한다.

2. 細究의 範圍와 方法

흐름방향으로 일정간격으로 그리고 수섬방향으로 얼청 깊이별로 호수의 수질을 예측하는

2차원 모형으로서 『橫方向 平均化 湖水模型 (Laterally Averaged Reservoir Model, LARM).fl

은 1975년에 개발된 이래 (Edinger and Buchak, 1975) , 기본골격이 유지된 상태에서 LARM1

(Buchak and Edinger, 1979) , LARM2(Buchak and Edinger, 1982; Edinger and Buchak,

1983) , GLVHT(Generalized Longitudinal Vertical Hydrodynamics and Transport: Buchak

and Edinger, 1984) , CE-QUAL-W2(Environmental and Hydraulics Laboratories, 1986) 둥

으로 수정 발전되어 오면서 많은 호수에 적용되어 그 질용성이 입증되었다.

수위， 유속， 수온을 시율레이션하는 動水力學模型인 LARM1에다 수질항목의 농도플 예

측하는 기능을 추가시킨 LARM2는 부영양화에 직결되는 演類， 질소， 인 등을 다품 수 있

도록 되어 있지 않다. 그리고 1986년말에 개발된 CE-QUAL-W2는 수온， 유속， 수위 등과

함께 20개 수질항목의 농도플 계산할 수 있으나， 입력변수 및 관련 파라메터의 수가 너무

많아 입력자료의 구성과 모형의 운용이 매우 어렵기 때문에 실제로 우리나라 댐호에 적용

시키커에는 곤란한 점이 많다.

따라서 부영양화현상이 급속하게 진행되고 있는 우리나라 多目的 댐湖의 수질예측 및 관

리 플 위 해 ,Cî) 橫方向平均化빼水模型들중 업 력 자료플 많이 요구하지 않으면서 모형 수정 이

비 교적 용이 한 LARM1模型으로 수온， 유속， 수위 등을 예 측하고，~ 이 LARM1 模型의

원리 플 토대 로 選類， NH4-N, N02-N, N03-N, POcP, BOD, DO 등의 농도를 지 점 별 •

수심별로 계산할 수 있는 2차원 수질예측모형을 개발하되，Q) 橫方向 平均化 湖水模型。1

만수역을 단지 폭이 넓은 곳으로 간주할 수밖에 없어 실제 물의 流動이 적은 현실을 제대

로 반영할 수 없는 데， 이러한 만수역의 현실을 반영하여 수질을 계산할 수 있는 모형을

2것元 湖水水質뺑;컨센에 의한 大淸湖의 水質據펴u 25::l

개발해 내는 것 등이 본연구의 내용상 범위이다.

모형의 개말과 적용을 위해， 수심이 깊어 여름에 成層現象이 뚜렷할뿐만 아니라 호수걸

이가 걸고 폭이 좁-아서， 횡방향평균화호수모형의 기본가정을 충족시키며， 또한 다른 多 B

的댐湖보다 유역면적이 넓고 오염원이 많아 부영양화가 급속히 진행되고 있는 대청호를 연

구대상 댐湖으로 선정하였다.

그런데 대청호는 수심이 깊은 灣水域의 비율이 다른 다목적댐호에 비해 높다. 만수역에

서는 물이 정체되어 있어 질소나 인 등의 영양염류의 농도가 높아져 부영양화가 보다 심각

한 데， 본연우에서는 여러 만수역 중 면적이 비교적 넓으며， 매일 상수원수 취수가 이뤄치

고 있는 데도 수질이 더욱 악화되고 있는 대전취수장과 청주취수장 부근 만수역을 주로 다

루고자 한다.

그리고 대청댐에서는 평상시에는 水壓鐵管을 통해 發電放流만을 하고， 홍수기에 餘水路

를 통해 방류시키고 있다. 여기서는 수압청관을 통해 방류시킬 때， 방류수의 수용， 유속의

변화와 댐상류의 수온과 유속분포 변화를 살펴 보고， 징래 인구 및 산업활동의 증가， 로지

이 용변화에 따른 오염 부하량 증가에 관한 예 측자료를 토대 로 대 청 호의 장래 수질분포를 예

측하였다.

II. 2次元 湖水水質模製 考廳

1. 2次元 湖水水質樓型

수질모형은 고려하는 공간변수의 수에 따라 無次元， 1차원， 2차원， 3차원 모형으로 나눌

수 있다. 2하원모형은 3차원모형을 수심방향으로 평균화한 2차원모형 (vertically averaged

two-dimensional model) 과 횡 방향으로 평 균화한 2차원 모형 (laterally averaged model) 으로 냐

눠지는 데， 둘다 3차원모형에 비해 붐석이 용이하고 전산소요시간이 크게 줄어든다.

수심방향으로 평균화한 2차원모형은 3차원방청식을 수표면 • 바닥 경계조건하에 수심에

따라 평균화시키는 모형이다. 그런데 이 모형은 @ 흐름특성의 정확한 분석，~ 바람에 의

한 물의 순환으로 일어나는 바닥전도(bottom return currents)와 같은 현상이 가져오는 생태

적 변화，@ 成廣化펀 호수의 수심방향 유속 및 밀도 변화 등을 고려할 수 없다. 그러나

이 모형은 수심이 얄은 水體(예를 들면 河口)의 非定常流의 분석이나 흐름에 대한 예비조

사에 적합하다는 장점을 지니고 있다.

水體의 횡방향차원이 흐름방향차원에 비해 충분히 작다면， 횡방향￡로 평균화한 2차원모

형을 적용시킬 수 있는 데， 이 모형은 수심이 깊고 기다란 인공댐호에 적용시키기 위해 개

발되었으며， 초기에는 수표면열교환과 온도에 따른 멀도변이가 많이 다뤄졌다.

이 밖에 도 유한요소법 을 이 용하는 準 2 次元模型(quasi.two.dimensional model) 이 있는 데 ,

254 環境論驚 第三十卷(1992)

이 모형은 호수를 몇 개의 부분 o 로 구획시킨 후， 각부분사이의 연속성을 고려하면서 각부

분에 1차원모형을 적용시키는 모형으로 Baca와 Arnett (l 976) 가 호수생태계를 분석하기 위

해 개발하였다.

2. 橫方向 ljl均化 湖*模型(Laterally Averaged Reservoir Model)의 발전과 연구동향

2次元 動水力學 뼈17j

2次元 湖水水質模型에 의 한 大淸湖의 水質據測 255

께가 h인 水zp:層에 대해 수십방향으로 平均化시키면， (eq. 2-1) - (eq. 2-6)와 같은 橫方向

平均化方程式이 구해진다.

이 6개의 식들을 有限差分法으로 풀면 6개의 미지수-흐름방향 유속(U) ， 수십방향 유속

(W) , 수온， 수질， 밀도， 수위-를 일정 시간별로 x-z 格子網上에서의 값을 구할 수 있다.

@ 흐름방향 모벤 텀 (Longitudinal or X.direction Momentum):

1 ð 공F(UBh) +경￡(U2Bh) + (Ub 빠 b)k+1/2- (ttb a,b b)k-1/2+ -R 경E(PBh)

(Wb b)k-1/2=(Wh bh+1/2十옳(때h) -qBh (internal layer)

水表面까지 더 하면 (eq. 2-2a)는

ð(Zb) ð r ITTm:L , ðQ V,":.VI _ ::_ 1 .. (UB)dz+ ~"::. =0 ðt ðx J H

(over total depth) 단， Z는 %=Z1/2로부터 의 거 리

@ 연직 모멘 텀 (vertical or Z-direction Momentum):

ðP 경Z=p.g

@ 열이동방정식 :

움(BhT)+옳(UBh T) + (Wb b T) k+1/2-(Wb b Th-1/2

fnJ T\ ðT \ f , T\ ðT 、 (, T\ ðT \ fBh -표\BhDx죠)-\b D.죠-)k+1/2 + \bD.깊~)k-1/2=구cp .. , •• , •• , ... (eq. 2-4)

-옳(Ax B h뚫)+ ('t'z b) k+1/2- ('t'z b) •1/ 2=0

챔 ’

애람 뼈 廠

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U-x

빠 만p ‘깨

빼 」π

F

’hu

r

、다비

=gU/ U//C2

@ 연속방정식 :

(bottom)

, ........... (eq. 2‘1)

.. " ........ (eq. 2-1a)

............ (eq. 2-1b)

........... (eq. 2-1c)

........ " .. (eq. 2-2a)

" .. (eq. 2-2b)

... (eq. 2-3)

@ 수은 및 수질 항목의 균형 방정 식 (Constituent Balance Equation) :

열이외의 수질항목의 이동은 (eq. 2-4)의 T를 C로 대체하여 얻을 수 있다.

-옮 (BhC) +옳 (UBhC) + (Wb b C싸2- (Wb b Ch-1/2 f~. ~ ðC \ 1. -n. ðC \ f. ~ ðC 、 HhBh

-，，-매 h Dx←~-~ )-( b Dzγ:-. )k+l/Z+! b Dz';';- h→/2=~~;:" ".".(eq. 2-5) dX \ dX / \ åz / ’ \ éJrr". V

環혈論홉쫓 第三十卷(1992):!56

@ 상태 방청 식 (Equation of State) :

p=103 • (5.29 X 10-8 • TJ- 8.45 X 10-6 • T2+6. 59 x 10-5• T +0.9998)" .......... (eq. 2-6)

x=호수 수표면 중심 선. 하류방향으로(+)의 값을 가진다.

y=x축을 포함하는 수평면에서 x축과 直交하는 축. 하류방향으로 볼 때

단，

오른쪽이 (+ )

값을 가진다.

Z=수십방향 축. 호수바닥 방향으로 (+ ) 값을 가진다.

t=시 간 (sec)

Hη=source strength for constituent balance (mg.r1.m3.s-1)

h=수평 층 두께 (m) ; b=호수폭 (m)

B=h에 따라 적분한 횡방향 평균 호수폭(m)

V=cell volume (B.h. L1x)

U, V , w=x, Y, Z 방향의 유속요소 (m.s-1)

Uþ=x 방향의 횡 방향 평 균 유속(m.çl)

U=h에 따라 적분한 x방향의 횡방향 평균 유속(m.çl)

Wþ=Z 방향의 횡 방향 평 균 유속(m.çl)

Ax=z-direction momentum dispersion coefficient (m2.s-1)

Dx, Dy, Dz=열 이 동확산계 수 (m2.çl)

p=압력 (Pa) ; '!'x , '!'Y' '!'z=x , Y, z 방향 압력 요소(m2s-2)

p=벌도(약 103kg.m-3) ; pa=공기 밀도(약 1. 2kg.m-3)

q=단위 부피 당 유입 량 (m3s-1m-3) ; Q=유량(m3 .çl)

T=수은 (OC) ; f=단위 부피 당 유입 열 량(W.m-3)

C*=resistance coefficient(2. 6 X 10-3) ; C=Chezy coefficient(mO•5s-1)

cp= r.ll 열 (4.18X 103J.kg-1.C-l) ; Wa=高度 10m에서의 풍속(m.s-1)

rþ=풍향과 湖水輔(resrrvoir axis) 이 이 루는 角

호수 수질예측모형의 개밟 m M

수심방향

통수역학모형

본연구에서 사용하는 횡방향명균화호수모형은 천출한 바와 같이 각각 독립펀 동수역학모

형 프로그램 (LARMHYD. FOR) 과 수질예 측모형 프로그램 (LARMECO. FOR)으로 나권다.

동수역학모형은 (2.3)에서 본 바와 같이 자유수표면고， 압력， 수명방향유속，

유속， 밀도， 수질항목 등 6개 의 미 지 수블 6개 횡 방향평 균화유체 유동식 -(1) free surface wave

1.

2次元 湖水水質模型에 의 한 大淸湖의 水質爾測 257

equation, ~ hydrostatic pressure, @ horizontal momentum, @ continuity, @ constituent

transport, @ equation of state-을 유한차분법 으로 계 산한다.

즉 호수의 기하학적구조(호수의 지점별 수집별 단면폭)， 일별유출입량 등으로부터 수위，

수평 ·수심방향의 유속을 먼저 계산하도록 되어 있다. 그리고 수심이 깊은 하류 댐축부근

의 수심별 수은을 초기값으로 하고， 상류유업수의 일정 시간별 수심별 수은， 일별일사량，

균형 온도， 수표면 열 교환계 수 값을 이 용하여 Thomas Tridiagonal Algorithm(Edinger and

Buchak, 1983, pp.3-4-3'7)으로 호수 천수역의 지점별 수섬별 수은을 일정 시간간격으로

계산할 수 있다.

본연구에서는 동수역학모형 LARM1 (Buchak and Edinger, 1979)을 대청호에 적용시키기

위해 그 일부를 수청하였으며， 수온과 밀도 등의 계산에 이용되는 균형온도， 수표면열교환

계수 등을 각각 Brady 등(1969) 이 개발한 식 (Bohie, et al., 1985, PP. 74-75)을 이용하여 계

산하였다.

2. 수질예측모형

2. 1. 湖水 本流水域(main lake)의 수질항목 계산

수질예측모형은 동수역학모형에서 계산된 수심별 ·지점별 수위， 수온， 유속 등 자료를

이용하여 수질항목의 확산이동， 유속이동， 수질항목간의 반응과 상호작용 등에 의한 수철

항목의 농도변화를 계산하도록 되어 있다. 본모형은 수질항목의 농도계산을 위해 LARM2

모형에서 잔류염소 등의 이동을 계산하기 위해 도입된 WQTM(Water Quality Transport

Module) (Edinger and Buchak, 1983)의 계산과정을 수정하여 프로그램에 반영시켰다. algae,

NHcN, N02-N, N03-N, POcP, BOD, DO 동 수질항목의 반응 • 상호 작용관계 식 은

QUAL-H 에서 사용된 식 (Roesener, Giguere, and Evenson, 1981, PP.19-33)을 토대로 수렵

하였다.

2.2. 灣水域(embayment)의 수질 해 석

오염물질의 이동은 유속이동， 확산이동， 침전 등에 의해 이뤄지는 데 하천이나 河口에서

는 주로 유속이통이 이뤄치며 이에 따른 혼합과 난류는 침전현상을 극소화시킬 수 있울 정

도로 현저한 펀이다(그럽 3-1a). 반면에 호수에서는 수직혼합은 대개 크지 않으나 침전이

주요한 요소가 되기도 한다(그림 3-1d). 그러나 바다나 호수에 연결된 대규모의 灣에서는

흐름 방향의 유속이동과 횡방향의 확산이동이 함께 이뤄지기도 한다(그림 3-1c). 호수 연

안 및 만수역과 본류수역사이에서는 흐름방향의 유속이동과 수직방향이동이외에 횡방향확

산이동이 두드러진다(그림 3-1h).

유출구가 있으며 완전혼합이 이 뤄 지는 호수와 (그렴 3-1b)에서 보는 바와 같이 호수와 연

결되어 완전혼합이 이뤄지는 灣(completely mixed bay with open boundary)에서의 物質收

호方種式의 차이는 후차에 확산이통(diffusion transport)에 관한 항목이 추가된다는 점이다

258 環境論홉흥 第三十卷(1992)

(Chapra and Reckhow, 1983, PP.86-93; Russell, ed. , 1975, PP.151-154; Thomann &

Mueller, p. 206).

호수본류수역의 수질항목농도가 灣水域에 의해 영향을 받지 않는다고 가청하면， 만수역

의 물질수지식은

dC, Vb --=라~= Wb(t) -Qõm'Cõ -kõ' Vb， CÕ十E'.(C"， -Ch) .. (eq. 3-1)

단，

I강=만수역 의 물의 부피

Wh=주변 토지이용으로부터 만수역에 유입되는 오염물칠부하량 [MT-IJ

Qhm=만수역에서 호수본류수역으로의 유속흐름(유량) [VT-IJ

(대청호의 경우 대전취수장과 청주취수장이 있는 만수역에서는 상수원수 취수때문

에 항상 호수본류수역으로부터 이들 만수역으로 물이 이동되며， 따라서 이 값은 l

일 취수량이 되며 다만 陰의 값을 가지는 것으로 본다. )

Cb=만수역의 수질항목(오염물질) 농도 [ML -3J

Cm=호수본류수역의 수질항목(오염물질) 농도 [ML-3J

Kb=만수역안에서의 수질항목의 반응계수 [T-IJ E.A c E/=bulk diguSion coefEcient [ L3T-1] =--r-

E=만수역과 호수본류 접촉면의 난류확산계수 [VT-IJ

Ac=만수역과 호수본류의 접촉면적 [VJ

l=접촉연의 길이 [LJ

(eq. 3-1)을 완전혼합호수의 물질수지식 형태로 나타내면，

짧+α'.α=정샘- ....... (eq. 3-2) 、다 잉 _ Qhm 1 1. I E' u'=뿔+kh+τ， W'(t)=Wh (t )+E' ,Cm

(eq. 3-2) 이 완전혼합호수의 불질수지식과 다른 점은 첫째 난류확산이동으로 언한 오염

부하항목(E'.C"，)을 포함하고 있으며， 둘째 오염물질의 정화를 반영하는 u' 역시 확산이동

에 의한 영향을 나타내는 항목(E';Vb) 을 포함하고 있다는 점이다.

(eq‘ 3-2)에 대한 정상상태에서의 解는

W' Wb+E' ,Cm L-õ=~'=-;;" -----~-~O- u'. Vh

-Qbm+kõ' Vb+E'

보존정 오염품철언 경우 k=ool 므로 (eq. 3-1)는

dS, Vb"':'--:

O = Ws-Qõm ,Sõ+E'. (Sm-Sb) dt

........ (eq. 3-3)

... (eq. 3-4)

2次元 湖水水質模型에 의 한 大淸湖의 水質據삐l

(단， S=보존성 물질의 농도)

정 상상태 에 서 bulk diffusion coefficient (이 하 BDC)는

E'= 11Ts-QbmoSb Sb-S껴

259

............ (eq. 3-5)

만수역의 수질항목계산이나 BDC의 계산에서 후수본류수역과는 달리 정상상태플 가정한

이유는 앞서 살펴본 바와 같이 만수역에서는 물의 체류시간이 걸어 후수본류수역에 비해

시 간변화에 따른 수질항목의 농도변화가 매 우 적 을 것S로 보아지 기 때 문이 다.

수질항목의 반응 • 상후작용관계식에다 Vb블 곱해 (eq. 3-1)의 (-Kbo VboCb) 項에 대 입한

후 定常狀態에서의 解를 구하연， 수질항목별로 만수역에서의 농도를 계산할 수 있다‘

이상과 같은 만수역 수질계산은 만수역에 의해 호수본류수역의 수질이 거의 영향을 받지

않을 것이라는 가정하에서 출발하였다. 그러나 만수역에 의해 본류수역의 수질이 크게 영

a. 흐릅방향 유속이 동 b. 안수역 (embayment)과 본류수역 (main lake)에 서 의 유속이 동과 확산이 동

cmbaymcnt

±느+. +. +‘1 embaymcnt

C. 흐픔방향과 횡 ’상항의 d. 수심 방향과 흐름영 향의

유숙이동과 확산이동 유숙이동과 확산이동

‘--+--~

‘ • b

’

--’

---~ advection .. ---~ dispersion

〈그림 3-1> 물의 이 동 구조 Source: C.S. Russell, ed. , Ecological Modeling, Washington,

D.C.: Resources for the Future, Inc. , 1975, p.153.

i

環境論嚴 第三十卷(1992)

향을 받는 호수의 경우에는 본류수역에 대한 식이 추가되어져야 한다.

그리고 본연구에서 다루는 대전취수장 및 청주취수장 주변만수역의

260

상수원수 취수 경우

로 인해 물이 주로 호수본류에서 만수역으로 이동하드로 이들 만수역이 본류수역의 수질에

이용하여 만수 본연구에서는 (eq. 3-3) 를 미치는 영향은 거의 없다고 볼 수 있다. 따라서

역의 수질을 계산하였다.

大淸湖에 대한 事例冊究

1. 大淸湖流域의 펀쌓負흙

1.1. 대청호의 유역환경

N.

보청

초강천， 영동천， 봉황천， 남대천 등이 있다. 대청호 월별 유입량과 유출량， 수위을 보

면 유출업 량은 일년중 7"-'8월에 칩중되며， 이에 따라 수위도 7"-'9월에 가장 높다.

대청호는 다른 多目的댐湖보다 가늘고 걸어 호수면적에 비해 유역면적이 매우 넓은 펀인

옥천천， 대청호유역의 주요 유업지천으로는 〈그림 4-1>에서 보는 바와 같이 서화천，

천，

데， 충북의 보은군， 영동군， 청원군과 대전직할시의 동구 및 대덕구 일부와 충남의 금산군，

전북의 진안군， 무주군， 장수군 및 경북의 상주군 일부가 포함된다.

목장) , 공장， 가두리 양식 장 등이

있다. 대청호유역에 있는 여러 뿜의 상기향목에 대한 현황〈표 4-1)읍 파악하여 오염물질별

로 펀榮負햄量原單位(한국수자원공사， w다목적댐 수질조사보고서.1J， 1989, p. 116) 를 적용하

여 발생 오염 부하량을 계 산하면 〈표 4-2)과 같다.

임야， 대지， 로지(전， 답， 주요 오염원으로 인구， 가축，

〈표 4-1) 대 청 호 유역 수질 오염 원 현 황(1988)

항 목 | 단 위 | 내 용 구 1 명 389,631

소 | 마 리 77, 027 지 | 마 리 92, 301

당 krn2 425.8

전 krn2 336.5

장 krn2 3.7

야 krn2 2,994.7 지 krn2 46. 7

타 krn2 잃6.6

l m3/없y 1 ton/year

자료 : 한국수자원공사‘ 「다목적대， 수칠조사보고서 J， 1989, pp.99-111 ,

가 축 | 패 로 지

목 임 대 기

1, 891 량 흐느 i 배 까T 펴1 장 공

2, 360 사료투여량 가두리양식장의

2켰元 湖水水質模型에 의 한 大淸湖의 水質據測 261

g 1\) JUI

〈그립 4-1> 大淸湖의 위치도

부호 ( 地 名 I1 부호 I 地 名S1 댐 축 Bl 청 주취 수장 부근의 灣水城S2 가호리 B2 훌田洞 東뿔의 만수역 S3 대전취수장 B3 대전취수장 부근의 만수역

S4 회남교 B4 懷南面 新씁里 西뿔의 만수역

S5 대정리 Ll 본류수역 (댐 축-회 남교 구간) S6 옥천 분뇨처리장 L2 본류수역 (회 남교-용호리 구간) S7 장계교 L3 본류수역 (용호리 -석 단리 구간) S8 옥천취수탑 S9 석탄리

단， 인구에 의한 요염부하량의 계산시 도시인구비율은 매우 낮오무로 계산 펀의상 모두

농촌인구로 보고 계 산하였다.

이상에서 보는 바와 같이 대청호의 주요 오염원은 BOD의 경우 가축(66%) ， 인구(19%) ，

토지 (14.8%) 順이고， ss는 가축(88.8%) 이 압도적이고， 인구(5.7%) ， 토지 (5.4%) 順이

다. T-N는 가축(78.4%) ， 로지(12. 0'%)， 인구(9.3%) ， 공장폐수(7.2%) ， 가두리양식장

(0, 2%) 順으로 낙타쳐후역， T-P늠 가축(89.2%)) 발쿠(6.3%) ， 둠지 (3， 9%) ， 가두리양식

262 環境論蕭 第三十卷(1992)

〈표 4-2) 대청호 오염원별 발생오염부하량(단위 : kg/day)

효피품: 혹홍흔환다호%) ---T=흙잖치=페도%)二짧%)二;

3느 구 L_~7， 533 (19.0) 2때o (5.7) I 3, 896. 3( 9.3) I 467.6( 6.3) 가 | 소 49, 297(53.5) I 292, 703(79.8) I 29, 116.2(69.6) I 4, 313.5(58.1) 축 1 돼 지 11, 538(12.5) I 32, 859 ( 9. 이 I 3, 692.0( 8.8) I 2, 307.5(31.1)

당 2, 176( 2.4) I 1, 882( 0.5) I 1, 366. 8( 3.3) I 114.5( 1. 5) 둥 l 전 2, 120( 2.3) I 2, 130( 0.6) I 1, 080. 2( 2.6) I 90.5( 1. 2)

목 장 2,075( 2.3) I 1,164( 0.3) I 11. 9( 0.0) I 1. O( 0.0) 엄 야 2, 875( 3. 1) 3, 773( 1. 0) I 2, 273. O( 5.4) I 80.9( 1.1)

지 | 대 지 4, 089( 4. 4) 10, 댐5( 2.9) I 35. 4( 0. 1) I 1. 3( 0.0) 기 다 314( 0.3) I 412( 0. 1) I 247.9( 0.6) I 8. 8( 0. 1)

훗쫓표 주7맏권댄균r-츠쫓펀) __ L=7::얀 맨)_J_ 띤 O.만 가두려꿇고효 l 二( • -( -) 98.4( 0.2) I 37.3( 0.5) 합 계 92, 074(99 9) 366, 730(99.9) I 41, 없5.3(99.9) I 7， 4잃 9(99.9) 자료 : 한국수자원공사， If'다목적댐 수질조사보고서.Jj， 1989, p. 119.

장(0.5%)으로 나타났다. 전체적으로 볼 때 축산 폐수와 생활하수에 의한 수질오염부하량

이 매우 크다고 볼 수 있다.

그러나 발생오염부하량이 하천을 거쳐 호수로 유입되기까지 지하침투， 토양에 의한 여과

및 흡착， 河底沈織， 생물학적분해， 산화작용 등에 의해 감소되기 때문에 실제 호수에 유입

되는 유출오염부하량은 발생오염부하량에 비해 작아진다.

유출률은 유역면적， 지질， 지형의 기울기， 유량 등에 따라서 즉 위치와 시기에 따라 달

라진다. 대청호의 1986년 4월부터 11월까지 8개 유업 하천에 대해 이뤄진 유출률 조사결과

(산업기지개발공사， 1986, PP.110-115) 중 연평균치라 할 수 있는 9월 "'11월의 유출률을

보면 BOD는 3. 1"'30.9% 법 위 에 , T-N은 6.2"'37.9% 범 위 에 있고， T-P는 1. 2"'9. 9%의

범위에 걸쳐 있다.

개략적인 유출오염부하량계산을 위해， 9월 "'11월의 각 유업지천 유량에 의거 유입지천별

유출률에 가중치 를 주어 다음과 같이 계 산하였다.

I; I; QijxEij

ε I; Q‘ J %

”

과

....... … .. (eq. 4-1)

단， Eij=유업지천 i의 j월 유출률， Eave=전유입지천에 대한 명균 유출률

Qij=유업 지 천 i의 j월의 유량

전유업지천에 대한 평균유출률은 〈표 4-3)와 같다‘ 평균유출률을 대청호 전체 발생오염

부하량에 적 용시 켜 유출오염 부하량을 계 산하면，

2次元 湖水水質模型에 의 한 大淸湖의 水質據測 263

〈표 4-3> 대 청 호 평 균， 유출율(%)

r 、----.항 목 BOD 꾀-N → • -i -- - ER----T • ~----_1 ’

대 청 호 유출융 12.0 18.4 4.0

〈표 4-4> 대 청 호 유출오염 부하량(단위 : kgjday)

---------- 항 목| 수 질 -----------1 BOD

유 출 부하량 j 11,048.0

1. 2. 灣水域 펀뽕負倚 및 특성

대청호는 물의 이동이 거의 이뤄지지 않:면서 수심이 깊은 만수역의 연적 비율이 다른

댐호에 비해 높은 편이다. 이련 만수역으로 〈그림 4-1)에서 보는 바와 같이 청주취수장부근

(Bl), 홉田洞 東뿜(B2) , 대전취수장부근(B3) ， 懷南面 新各里(B4) 둥을 들 수 있는 데， 이

들 만수역은 물의 정체와 최근의 오염부하량 증가로 부영양화가 매우 심각한 실정이다.

여기서는 물의 유출입량이 파악되지 않으며 면적이 작은 갈전동 東뿔과 신곡리 부근의

만수역은 제외하고， 매일 상수원수 취수가 이뤄지고 있어 수질오염이 운제시되며 호수본류

수역으로부터 소규모의 유속이동이 이뤄지고 있는 청주취수장과 대전취수장 부근 만수역의

오염부하와 특성을 살펴본다.

청주취수장 주변 만수역은 5개의 유입지천이 있으며， 특히 문의하수처리장이 있어 유량

은 많지 않지만 많은 오염 부하량을 발생시키고 있다.

만수역의 수질을 계산하기 위해서는 먼저 Bulk Diffusion Coefficient (이하 BDC)를 계산해

야 하는 데， (eq. 3-5)에서 보는 바와 같이 만수역에 유업되는 지천의 유량， 만수역주변에

서 유입되는 보존성물질의 부하량， 만수역과 호수본류수역의 보존성물질 농도자료가 필요

하다. 여기서는 보존정 물질로 염소이온 농도를 선정하였다. 유업지천에 의한 염소부하량

은 문의하수의 경우 염소이온농도의 살측치가 있어 계산이 가능하나， 나머지 유업지천응

염소이온농도의 실측치가 없어 부득이 주변 로치이용 성격이 비슷한 보청천， 옥천천의 평

균농도를 이용하여 염소부하량을 계산하였다.

이상과 같이 계산된 염소부하량， 취수장부근 한수역의 유입지천 유량， 취수장 평균취수

량(청 주취 수장의 취 수량=0.7m3/sec， 대 전취 수장의 취 수량=3. Om3/sec) , 2개 만수역 과 댐 부

근의 염소이온 농도로써 BDC를 계산하였다. 다만 대전취수장부근 만수역의 유입지천의 유

량 및 부하량에 대한 실측치가 없어 유량은 부득이 취수량만을 고려하고 유업유량 및 염소

부하량은 없는 것으로 가정하여 BDC를 계산하였다(표 4-5).

청주취수장부근 만수역의 물의 이동은 〈그렴 4-2)와 같은 데， 수질예측모형에서는 앞서

계삼된 BDC, 유입지천의 유량， 취수량， 요엽물질별 부하량과 수췄예측￡형에서 먼저 계삼

264 環境論홉헐 第프十卷(1992)

〈표 4-5) 청 주 • 대 전 취 수장주변 만수역 의 Bulk Diffusion Coeffìcient

| 염 소 이 온 (Cl-l) 농 도 (mg/l) B.D.C. (m3/sec) 씨 기 1-----,- ••{•--•--• i

청주취수장 | 대전취수장 j 댐 축 1 청 주 | 대 전

조 조 말말…

댐않-뼈꽤-

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1988년 5월

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11윌초

12윌말

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29.3

호수 를류(대갱명)

*EL.7。‘

EL.67.

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• • .- ... _-.. ~._- 수섬 1511

Ws=유입지천의 오염불설 부하량(g/sec) Qbm= 1. 143m3/sec(유업 지 천의 유량) Qmb=O.700m3/scc(청주취수장 명균취수량， 댐부근에서 유업펀다고 가정) * 대 청 호의 5"-'8月 zp:均 水位

〈그림 4-2> 대청댐-청주취수장 사이의 물의 이동

된 엠축 부근 농도를 수질항목별 만수역농도계산식(李宗浩， p.38)에 대입시켜 만수역의 수

질항목 농도를 계산한다.

대전취수장부근의 인구 및 토지이용에 의한 발생오염부하량은 각 오염원에다 오염원별원

단위를 적용시켜 계산하였다. 그리고 NHçN, N02-N, N03-N, POçP의 발생오염부하량은

대전취수장부근의 각항목 실측치(산업기지개발공사， 1986, p.269)의 T-N과 T-P에 대한

비율 즉 [NHcNjT-N] =66. 9%, [N02-NjT-N] =0. 5%, [N03-NjT-N] =32. 6%, [POc PjT-P] =27. 5%을 T-N과 T-P 발생부하량에 꼽해 구하였다. 그리고 오염원이 만수역에 바

로 인접해 있으므로， 비슷한 조건하에 있다고 볼 수 있는 청주취수장부근유입지천의 8"-'9

월의 평 균유출율(즉， BOD유출율=63.8%， T-N유출율=50.1%， T-P유출율=13.2%)을 적

용시켜 유출오염부하량을 계산하었다(李宗浩， pp‘ 67-68).

2次元 湖水水質模型에 의 한 大淸뼈의 水質鍵測 265

2. 압력자료

대청호의 기하학적 구조는 等水深圖를 통해 알 수 있으나， 여기서는 댐건설전후의 주변

지형도와 수위-저수연적， 수위-저수량 관계곡선(건설부， 1988)을 이용하였다. 그리고 흐

름방향S로 일정간격 (L1x) 에 따라 단면 (y-z면)을 상정하여 폭과 수섬에 대한 자료를 구하

였다.

L1x는 @ 댐축-상류의 거리와 格子網 制約條件(5 ::ÇIMAX::Ç 30 단 IMAX는 수평방향 격

자수， O. 5::ÇL1x ::Ç10km) , ~ 후수의 유업 • 유출지점， 오염물질이 많이 유입되는 支川， 분뇨

처리장， 가두리양식장 그밖에 오염 배출원이 될 수 있는 토지이용상황，@ 커존 수질측정

지점 간격 등을 감안하여 5km로 결청하였다. 그리고 수평충 우께 (HIN)는 최대수심과 격자

망 제 약조건 (4 ::ÇKMAX ::Ç31 단 KMAX는 수평 충의 수， O. 5::ÇHIN::Ç5. Om)을 감안하여 5m

로 결정하였다.

이 상과 같이 구한 대 청 호의 모형 도는 〈그림 4-3)과 같다.

초기조건 자료는 시율레이션초기의 수심이 깊은 댐축의 수심별 수온， 수질자료가 포함된

B2

10 30 .frO so 60 ka

l ‘~B3 ，대전휘수징i

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‘γ g ;

날=당r

〈그획 ~-3( 대청후의 모형도‘

파 •• 30-70.

! 효 •• '10-&0.

훌~0'80‘5CII

BL. 5O-4OIl

훌L. 40-308

~용-2511

266 環樓論驚 第三十卷(1992)

다. 1988년의 경 우 8월 15일을， 1986년의 경 우 5월 30일을 초기 일로 장아 90일 후의 수온，

수위， 기상자료 등드로 구성되며 일사

水表面熱交換係數(Coefficient

유업수의 수온과 수질，

수질을 예측하였다.

경계조건자료는 유출입량，

량， 균형 온도 (Equilibrium

유소 -"

Heat of Surface Temperature) ,

Exchange)와 같은 기상관련변수는 댐축과 가까운 대전측후소의 기상자료를 이용하여 계산

하였다(Bobie， et al., 1985, PP.74-75).

시간간격 유속등의 수온， 통제변수는 계산시간간격이나 시율레이션기간에 관한 변수，

등을 들 수 있다.

그리 고 계 산시 간간격 은 다음과 같은 안정 성 조건 (stability criterion) (Buchak and Edinger,

1979)을 만족시키면서 전산소요시간을 절약할 수 있도록 결정하였다.

DT-::;.B.H.Jx/Q

B=최소 호수폭

L1x=격 자망의 수평 간격

Q=시율레이천 기간 중의 최대 유입 유량

DT=계산시간간격，

H=格子網의 수심간격，

단，

모형의 예측력 검토

3. 1. 그래표에 의한 실측치와 모형치의 비교

3.

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... 모형치

‘그 립 4-5> 댐 축의 NH.-N

× 싣측치

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.•.... 모형치

.‘ “ x 1986.9.5 실측치 十 1987.9.7 실측치

〈그럽 4-4> 냉 축의 수온

267 2次元 湖水水質模型에 의 한 大淸湖의 水質緣1)11)

P04 .... ∞NC. (mg/I) 。 o 。

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× 실측치 •...•. 모형치

〈그림 4-7> 댐 축의 POcP

× 질측치 ........ 모형 치

〈그 림 4-6> 댐 축의 NOa-N

‘ ‘ ’ 이

Reliability Leggett와 Williams (l 981)의

pp.34-35) 를 이용하였다. RI는 두 값사이의

일 치 성 또는 적 합도(Correspondence or goodness of fit) 를 평 가하는 데 이 용되 는 척 도로 모

수온， 수질에 대해 매월 주요지점별 및 수심별로 측정되어 있으며， 유입 량변화가 적어

시 간에 따른 수질분포변화가 완만하였던 1986년 중 9월 5일의 수온， . NHcN, N03-N,

POcP에 대 한 댐 측부근의 수심 별 질측치 와 모형 치 는 〈그렴 4-4)-

268 環境論業 第르十卷(1992)

〈표 4-6) 댐 축 및 회 남교의 요 염 불질 별 RI 지 표 (Reliability lndex) -------- ←-←-~--- •------_.---- -----•--•}

1988.10. 15~11.15 1986.7.12"'9.15 오 염 물 질

=포 --주 ]편표포~][ 견-초-，프돈프-수 .g- 1. 50 1. 23 1. 25 1. 17 algae 1. 99 2.25 3.81 4.72 NHrH 3.63 3.63 1. 27 1. 14 N02-N 2.51 l. 55 2.22 1. 87 NOa-N l. 64 1. 99 l. 33 1. 60 POrP 2.67 2.78 BOD 1. 72 1. 49 DO 1. 95 1. 43

atories, 1986) 을 미 국 DeGray 湖에 적 용시 켰을 때 의 RI지 표 (Environmental Laboratory,

1987, p.34)와 비교하면，

2것元 뼈水水質짧型에 의 한 大淸湖의 水質複測 269

그리고 본연구에서의 수질예측모형 (LARMECO)과 WQRRS모형에 의한 청주취수장 부근

만수역의 [모형치/실측치] 비율을 비교하면 〈표 4-7)와 같다. LARMECO의 [모형치/섣측

치 ]는 N03-N을 제 외 하고는 WQRRS에 비 해 1. 0에 보다 더 가캅게 나타남￡로써 예 측력 이

보다 높다는 점을 보여주고 있다.

4. 수질변화 및 流速 • 流向의 예측

4. 1. 수질변화

1986년 5월 30일 "'8월 30일 기간의 NHrN, NOg-N, POrP, BOD의 농도분포 변화를 예

측한 결과중 8월 30일의 수질분포는 〈그렴 4-8)"'

270

‘3 즉 시 -ι ‘ 1 ; / ,,! _ : ~껴ι

111 0. 139-0. 100 " .. 0. 099 .0. 080 0.079'0. 060

〈그 링 _4- 8) NH‘- N 농도 (mg/l ) 분포(1986.8.30)

업육 기효 01 11 닝교 장찌2

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UI 1. 09 -1. 00 0. 99 0:'0 o ‘9-0 . 30 〈그림 4- 9) N03-N 농도 (mg/l) 분포(1986. 8. 30)

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〈 그회 4- 11 > BOD 농도 (mg/l) 분포(J 986.8 , 30)

Y윗혈웅융Z::ifJ르十卷(1 992)

2;:k元 湖水水質ø.:젠!에 의 한 大r흙뼈의 水 '#(1환M

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〈그림 4-12) 대 청호 유속 엑터의 분포 (1 988.1 1. 15)

댐혹 가호è1 회남교 창계교

10 20 30 40 50 60 km

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30

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• 4. 99-3.00 었鍵 2.99-2. 00 1.99-1 . 00 ;:;:;::::: 0. 99 -0.00

〈그힘 4-13) 대 챙 호 BOD 분포(1988. 11. 15)

도상송이 두드러지며， 중류지역의 심충수 농도가 매우 높아지는 것을 볼 수 있다.

~7 1

환경정책기본볍 시 행 령의 호소수질환경기준에 입각해서 1 988년의 T-P농도분포〈그림 4-15)

를 보연， 대청댐-회납교 수역까지가 상수원수 3급정도의 수질을， 회남교 상류-지역은 공업

'2.1'2, ‘웠境論외양 第三十卷(992)

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〈그힘 4- 14) 대청호 장래 BOD 분포 예측 (2001. 11. 15)

탱측 가호 =1 .t1 냥교

수 10

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10 7. 0

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30 .10 50 60 km

훌톨 0. 150-0.101 (공엉‘g.수 니감) 燦썼 0.100-0.051 (공엉용수2관， 농업용수)

셉i， ii 0. 050-0.031 (상수원수 3:1，수산.S.수2급.공입용수I 급)

O.0:!O - O.011( 상수원. ; .. 2긍. 수산용·수 1 긍)

끼그 림 -1 -15> 대 칭 호의 T-P 분포 (1 988.1 1. 15)

용수 2퓨정도의 수정을 보여주고 있다 그리고 향후 전숭한 각종 규제대책과 함께 하 • 폐수

처리장의 건설이 제대로 이뤄지치 않을 경우， 2001 년에는 인부하량이 1988년에 비해 약 50

%정도 증가되어 ，

2次元 湖水水1:î@멜에 의 한 大해湖의 水rt~ißlJ

앵속 가호러 회남교

수 10

20

.... 1

(m) 40

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30 40 50 60 km

111 0. 150-0. 101( 공업용샤 3급 ) 썼훌쫓 O‘ 100-0. 051 (공임용수2긍.농엄용수)

샘，펴 0.050 - 0.031(상수원수 3급，수산용수2긍，공잉용·수1 갚)

0.030-0.011 (상수선수 2긍，수산용수 l급)，

〈그림 1-16> 대청호 장래 T-P 분포 예측(2001. 11. 15)

V. 結 論

:m

본 연구에서는 횡방향평균화 호수모형 (LARM)을 토대로 NH, -N, N02-N, N03-N,

POcp. BOD. DO 등의 농도를 흐름방향과 수심방향으로 계산할 수 있는 2차원 생태학적

수질예측모형을 개발하였다.

동수역학모형 및 본엔구에서 개발완 수철예측모혐의 예측력(再現性)을 검토하고， 이 모

핑을 통한 수질관리에의 적용가능성을 모색하기 위해 연구사례 댐호로 대청호를 선정했으

며， 그 적용 결과플 정리하연 다음과 같다.

1) 모형의 예측력올 보기 위해 RI (Reliability lndex)를 이용했는 데， 댐축과 회냥교의 수

온， NH , -N, N03-N의 RI값이 1. 14"-' 1. 60으로 나왔으며 이는 모형치가 실측치에 근접하는

것을 보여 준다. 그러나 N02- N, P04-P는 RI값이 1. 8"-'2. 8이었으며， 1988년 10"-' 11 월의

NHcN에 대한 RI는 3. 63으로 다른 항목보다 크게 나타났다. 그리고 LARM모형중 최근에

개발된 CE-QUAL-W2모형을 미국 DeGray湖에 적용시켰을 때와 본연구의 경우를 비교하

연， 본연구의 RI지 표가 더 적음을 알 수 있다. 따라서 본연구에서 개발된 수질예측모형의

예욕팩은 ul 교적 높다고 볼 수 있다.

2) 청주 및 대전취수장부근 灣水域의 수질예측결과， 이들 수역에 정하는 湖水本流水域의

수갤농도에 비 해 큰 차이가 나지 않았는 데， 이는 만수역 주변토지이용￡로부터의 많은 오

염부하량과 유량자료 미 ul 로 농도계산에 제대로 반영하지 못했기 때문이다. 그러 나 본연구

에서의 수질예측모형 (LARMECO) 과 WQRRS모형에 의한 청주취수장부근 만수역의 [모형

274 環境論鍵 第三十卷(1992)

치/싣측치] 비율을 보면， N03-N을 제외하고는 LARMECO의 NHcN, N02-N, POcP, BOD

에 대한 [모형치/실측치] 비율이 WQRRS모형에 비해 1. 0에 더 가캅게 나타났다.

3) 동수역학모형은 유속과 流向의 계산을 통해 대청호 전수역의 울의 순환을 예측할 수

있음을 보여 주고 있다. 또한 물의 순환을 나타내는 유속벡터의 분포가 수질분포에 영향을

마치는 것을 볼 수 있다.

4) 장래 인구 및 산업 활동의 증가로 인해 2001년에 BOD와 T-P부하량이 약 50% 증가되

는 것으로 볼 때， BOD는 댐축부근을 제외한 전지역 농도가 2"-'5mg/l가되며， T-P는 0.05

"-'0. 15mg/ l로 공업용수 2"-'3 급수로 전락할 것으로 예측되었다. 이상으로부터 본모형의 댐

호수질관리에의 적용가능성은 매우 크다고 할 수 있다.

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