• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2012년도 학술발표회
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• pp.133-133
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• 2012

기후변화에 관한 정부 간 패널 IPCC의 4차 보고서에 의하면 지난 100년간 지구 평균 기온의 선형추세선 기울기가 $0.74^{\circ}C$/년을 보이고 있으며 21세기말 지구의 평균기온은 최대 $6.3^{\circ}C$까지 더 상승할 것으로 전망하고 있다. 이러한 대기기온의 상승은 저수지 및 하천의 수온과 밀접한 관계를 지니는데, 저수지 표층 수온 및 유입 하천의 수온을 증가시켜 저수지 수온 성층형성시기를 앞당겨 성층화 기간을 증가시키고 또한 성층강도도 증가하게 된다. 이러한 수온성층기간 및 강도의 증가는 심수층의 용존산소 고갈과 이에 따른 퇴적층의 영양염류 용출량을 증가시켜 저수지 수질관리에 어려움을 야기할 것으로 전망되고 있다. 특히 온대기후대에 속하는 우리나라의 대부분의 대형 인공 저수지는 여름철 뚜렷한 수온성층구조가 확인되고 있어 대기기온 상승이 수온성층구조에 미치는 영향을 분석하는 것은 미래 기후변화에 대비한 저수지 수질관리 전략 수립을 위해 필요한 기초 연구라 판단되어진다. 본 연구에서는 2차원 횡방향 평균 수치모형(CE-QUAL-W2)을 활용하여 대기 온도 변화에 따른 충주호의 수온분포를 모의하고 수온 성층구조의 변동경향을 분석하였다. 지구 온난화 영향 모의에 앞서 2010년과 2008년의 충주호 수문조건에 모형을 적용하여 수온 성층구조의 재현성을 확인하였다. 미래 대기기온 자료는 국립기상연구소에서 제공하는 한반도 기후전망 모의자료(RCM) 중 충주댐 유역의 평균 기온자료를 수집하여 사용하였으며, 모의연도는 2011, 2040, 2070, 2100으로 하였다. 또한, 대기기온과 유입수온 자료를 제외한 모든 입력자료는 보정년도인 2010년과 동일하다고 가정하여 대기기온 변화의 영향만을 고려하였다. 2011년에 비해 2100년의 대기기온이 연평균 $2.44^{\circ}C$ 증가하였을 때 표층수온은 평균 $1.72^{\circ}C$, 최대 $4.31^{\circ}C$ 증가하는 것으로 나타났으며, 심층수온은 평균 $0.36^{\circ}C$, 최대 $1.33^{\circ}C$ 증가하는 것으로 나타났다. 성층구조 형성기간의 비교를 위해 표층과 심층의 수온이 $5^{\circ}C$ 이상의 차이를 보이는 기간을 조사한 결과 2011년에 비해 2100년에서 5일 일찍 시작되어 11일 더 지속되는 것으로 나타났다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2010년도 학술발표회
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• pp.952-956
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• 2010

저수지에 설치된 물순환장치는 저수지 수문상황과 자연조건의 변화에 따라 유동특성이 상이하므로 연구자가 고려하는 다양한 조건에서 현장 측정하기는 불가능하다. 이런 문제를 대체하는 방안으로 전산유체유동(CFD) 모형을 적용한 모사를 실시함으로서 다양한 조건에 따른 효과를 평가할수 있게 된다. 본 연구에서는 전산유체유동을 통한 대류식 물순환장치의 유동영향범위와 수질변화 등을 평가하고, 다양한 조건에서 모사를 실시하여 최적운영방안을 도출하고 실제운영에 활용토록 하고자 한다. 수체거동을 모사하기 위해 실제 저수지를 형상화한 Domain을 3가지로 구성하였다. 첫번째는 반경 20m, 깊이 40m Domain에 물순환장치를 중앙에 설치한 것이며(D20), 두 번째는 반경 40m, 깊이 40m에 두 개의 물순환장치를 양쪽에 설치하였고(D40), 세 번째는 반경 100m, 깊이 40m로 설정(D100)하였고 양쪽에 두 개의 물순환장치를 설치한 것으로 구성하였다. CFD에 의한 개별 대류식 순환장치의 유동모사결과 D20은 시간의 경과에 따라 수온성층이 하강하는 현상이 나타났으며 이러한 결과로 판단할때 40m 간격으로 대류식 순환장치를 설치하여 운영하면 탈성층이 나타날 수 있을것으로 판단되었다. D40에 대하여 CFD에 의한 유동모사를 실시하였으며 시간의 경과에 따라 수온성층의 변화는 나타나지 않았다. 이러한 결과로 판단할때 40m 간격으로 한줄로 대류식 순환장치를 설치하여 운영하면 성층을 깨는 현상은 나타나지 않을 것으로 평가되었다. 반면 Dye테스트시 심층에서 상승한 수체는 수온성층 표면에서 수평방향으로 계속 퍼져 나가면서 옆장치에서 상승된 수체와 혼합이 활발히 이루어 지는 현상을 나타내었다. 장치간 거리가 100m인 대류식 물순환장치에 의한 유동모사시 수온성층의 변화는 전혀 나타나지 않았으며, Dye테스트시 심층에서 상승한 수체는 수온성층 위에서 수평방향으로 퍼져 나가면서 옆에서 가동되는 장치에서 상승된 수체와 혼합 현상을 나타내기는 하나 D40보다 혼합시간이 더 걸리는 것으로 나타났다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2019년도 학술발표회
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• pp.265-265
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• 2019

기후변화로 의한 기온의 상승은 가뭄, 홍수와 같은 재해를 일으킬 뿐만 아니라 깊은 호수나 저수지와 같은 수자원에도 용존 산소, 물질, 영양소 및 식물플랑크톤의 수직적 분포 등과 같은 다양한 부분에 영향을 미친다. 본 연구의 목적은 SWAT, HEC-ResSim 및 CE-QUAL-W2(이하 W2)모델을 사용하여 미래의 기후 변화에 따른 소양호의 수온, 성층강도 및 열적 안정성의 변화를 장기 예측하고 그 영향을 평가하는데 있다. W2 모델의 보정은 2005 년부터 2015 년까지의 실측 과거 데이터를 이용하여 보정하였고 기후변화 시나리오는 IPCC의 AR5 RCP 4.5 시나리오를 사용하였다. 기후자료는 GCM 모델인 HadGEM2-AO 결과를 상세화하여 모의기간의 자료를 생성하였다. SWAT모델을 이용하여 모의기간인 2016 년부터 2070 년까지 일단위로 저수지 유입을 예측했으며 HEC-ResSim모델을 이용하여 소양강댐 저수지 운영 조건에 따라 저수지 방류량 및 수위 변화를 모의하였다. 수온 해석을 위해 W2를 적용하여 저수지의 장기간의 수온 변화를 예측하였다. 결과적으로 대기 온도는 $0.0279^{\circ}C/year$(p < 0.05) 상승할 것으로 예측되었으며, 동일기간 상층(수면으로부터 5m 깊이)과 하층 (바닥으로부터 5m 높이) 수온은 각각 $0.0191^{\circ}C$/년(p < 0.05) 및 $0.008^{\circ}C$/년(p < 0.05) 상승할 것으로 예측되었다. 모의된 수온을 계절별로 분석했을 때 상층수온은 여름철 가장 큰 폭으로 상승하였으며 하층의 경우 겨울철에 가장 큰 폭으로 상승하였다. 계절별 상-하층 수온의 차는 여름이 가장 컸으며, 겨울에 온도차가 가장 작았다. 또한 미래 온도의 상승에 따라, 소양호의 성층 강도가 강해지는 경향을 보였으며 상층 및 하층의 온도차 $5^{\circ}C$를 기준으로 성층이 형성되는 기간은 큰 변동이 없었으나 소멸되는 시점이 점점 늦어지는 추세를 보여 성층 형성 기간이 길어지는 것으로 나타났다. 저수지 표면의 수온 상승은 식물플랑크톤의 계절 성장률에 영향을 미쳤는데, 특정 조건에서 규조류는 최적 성장 범위를 벗어나는 고온 조건에서 성장속도가 감소하였으나 녹조류와 남조류의 출현 시기가 빨라지며 장기화될 것으로 예측되었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2006년도 학술발표회 논문집
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• pp.1691-1695
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• 2006

합천호의 총유역면적은 $925km^2$이다. 합천호 유역내 주요 하천은 황강본류, 논덕천, 사천천, 유전천 및 하금천이다. 유역면적을 살펴볼 때 합천호 강우유출의 86.3 %는 황강본류 유역으로부터 유입되고 약 13.7 %만이 그 외의 하천들로부터 유입되는 것으로 판단된다. 본 연구에서는 강우유출이 성층화된 합천호의 수온분포에 미치는 영향을 2차원 수치모의를 통하여 검토하였다. 유입지천의 수온은 성층화된 여름철 저수지의 거동에 큰 영향을 미친다. 따라서 합천호 유입지천 3개 지점에 수온계를 설치하여 수온변화를 조사하였다. 2차원 수치모의결과에 의하면, 비강우시의 경우에는 합천호의 수온성층현상을 보이는 구간은 합천댐으로부터 19 km지점까지로 나타났으며, 강우시 유입유량의 증가로 인하여 수온성층현상을 보이는 구간은 감소하는 것으로 나타났다. 이는 강우유출이 증가함에 따라서 유입수의 운동량이 증가하기 때문에 저수지의 수온성층현상의 영향을 상대적으로 작게 받기 때문으로 판단된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2005년도 학술발표회 논문집
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• pp.459-463
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• 2005

몬순지역에 속한 우리나라의 대부분 저수지에서는 여름철 집중호우시 탁수가 유입되므로, 저수지 수질관리를 위해 고탁수층의 진행경로, 시공간적 분포, 그리고 방류량조절 등에 의한 탁수저감효과를 예측할 필요성이 있다. 저수지의 성층현상이 임하호의 탁도분포에 미치는 영향을 검토하기 위하여 월별 수온분포가 검토되었고 또한 수리 및 수질모형 CE-QUAL-W2를 이용하여 2차원 수치모의가 수행되었다. 임하호의 6월 수온분포는 표층은 $24^{\circ}C$이고 심층은 $6^{\circ}C$이고 중층은 비교적 선형으로 변화한다. 8월달 수온 분포는 표층의 수온은 $30^{\circ}C$정도이고 심층은 심층은 $6^{\circ}C$이고중층은 $22^{\circ}C$에서 $18^{\circ}C$이고 2개의 수온약층이 존재한다. 6월과 8월의 중층수온분포를 비교해보면 6월은 상대적으로 수온변화가 크고 8월은 수온변화가 작으므로 중층에서의 이송확산이 8월에 보다 활발할 것으로 판단된다. 임하호 성층현상이 탁도분포에 미치는 영향을 파악하기 위하여 6월과 8월의 수온분포의 경우에 대하여 임하호 유역에 80 mm와 120 mm의 총강우량이 발생한 경우에 대하여 수치모의를 수행하였다. 초기 저수위는 El. 148 m와 El. 152 m의 조건을 적용하였다. 수치모의결과는 2002년 태풍루사의 경우에 대하여 검증하였다. 수치모의결과는 다음과 같다. 탁수층 선단이 댐체에 도달하는 시간은 초기 저수위가 높고 중층의 수온분포가 상대적으로 균일한 8월이 긴 것으로 나타났다. 이러한 현상은 유입수가 저수지로 유입되면서 초기수위가 높은 경우에 운동량이 상대적으로 많이 소멸되기 때문으로 판단된다. 또한 탁수층의 두께도 8월 성층의 경우가 상대적으로 큰 것으로 나타났다. 이는 중층의 8월 수온분포 또는 밀도분포가 상대적으로 균일하기 때문에 연직방향 이송$\cdot$확산이 많이 이루어졌기 때문으로 판단된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2012년도 학술발표회
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• pp.565-565
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• 2012

최근 지구환경변화에 의한 이상기후현상으로 수자원을 안정되게 확보하고, 확보된 수자원의 이용 효율을 극대화하기 위한 방안들이 절실하게 요구되고 있으며, 수자원 이용효율 극대화의 일환으로 댐간 연결사업이 대두되고 있다. 그러나, 유역이 다른 두 댐을 인위적으로 연결할 경우 그 영향을 최소화하는 방책들이 필요하며, 특히 홍수기 발생하는 탁수의 댐간 이동문제는 중요한 검토항목 중 하나이다. 댐에 저류된 물은 기후조건(기온, 일사량 등), 유입수의 수질조건(수온, 탁도 등)의 영향으로 밀도분포를 형성하게 되고, 이는 시간적, 공간적으로 변화하게 된다. 일반적으로 여름철에는 수면으로부터 열에너지가 공급되어 댐 저수지 상하부에 큰 수온차가 발생하여, 강한 수온 밀도성층이 형성된다. 이 수온 밀도성층은 여름철 발생하는 홍수의 규모에 따라 파괴 또는 유지되며, 댐내 탁도분포는 다양하게 변화하게 된다. 강한 수온 밀도성층을 파괴하기 힘든 중소규모의 홍수가 유입할 경우에는, 밀도성층 하부로 탁수가 유입하여 장기간 댐내에 채류하게 되며, 이를 선택적으로 취수하여 방류하지 않으면 계절적인 수온변화에 저수지 전역으로 확산되어, 늦 가을 맑은 날 저수지내 물이 탁해지는 현상이 발생한다. 한편, 홍수규모가 클 경우는 홍수유입과 동시에 수온 성층이 파괴되어 저수지 전체로 탁수가 확산되며, 홍수초기부터 신속하게 방류하지 않으면 홍수 후 맑은 날 탁수가 방류되는 현상이 발생한다. 이러한 탁수장기화 현상은 댐 유지관리 선진국에서는 철저하게 관리되고 있다. 따라서, 댐 연결사업 추진 시에는 홍수사상별 댐 저수지내 탁수거동을 정확하게 분석하고, 특히 취수설비가 댐본체에서 분리되어 댐 저수지내 임의의 지점에 위치 할때는 취수설비 계획지점 전면의 탁수 거동현상을 고려하여 고탁수의 댐간 이동을 최소화 할 수 있는 설비 운영계획을 수립하여야 한다. 본 연구에서는 EFDC의 댐 수리 및 수질예측모형을 이용하여 댐의 탁수모델을 구축하였으며, 고탁수가 발생하는 유역의 댐에서 취수한 물을 다른 댐으로 공급하게 될 경우, 방류지역의 댐에 미치는 영향을 평가 분석하였다. 총 6개의 홍수사상('99년 홍수, '02년 루사, '03년 매미, '06년 에위니아, '09년 홍수 등)을 선정하여, 방류지역 댐의 탁수 거동해석을 실시하였다.

• 환경영향평가
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• 제30권5호
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• pp.271-296
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• 2021

댐 저수지 수온성층은 수직혼합을 억제하여 저층의 빈산소층 형성과 퇴적물 영양염류 용출을 일으키는 원인이므로 미래 기후변화에 따른 저수지 성층구조의 변화는 수질 및 수생태 관리 측면에서 매우 중요하다. 본 연구의 목적은 대청댐 저수지를 대상으로 고빈도 자료기반의 통계적 저수지 유입 수온 예측 모델을 개발하고, RCP(Representative Concentration Pathways) 기후변화 시나리오를 고려한 미래 유입 수온변화와 대청호 성층구조의 변화를 예측하는 데 있다. 대청호 유입 수온 예측을 위해 개발한 Random Forest 회귀 예측모델(NSE 0.97, RMSE 1.86℃, MAPE 9.45%)은 실측 수온의 통계량과 변동성을 적절히 재현하였다. 지역 기후 모델(HadGEM3-RA)로 예측된 RCP 시나리오별 미래 기상자료를 Random Forest 모델에 입력하여 유입 수온을 예측하고 3차원 저수지 수리 모델을 이용하여 기후변화에 따른 대청호의 미래(2018~2037, 2038~2057, 2058~2077, 2078~2097) 수온성층 구조 변화를 예측하였다. 예측 결과, 미래 기후 시나리오별로 대기 온도와 저수지 유입 수온의 증가속도는 각각 0.14~0.48℃/10year와 0.21~0.43℃/10year의 범위로써 지속적으로 증가하였다. 계절별 분석 결과, RCP 2.6 시나리오의 봄과 겨울철을 제외한 모든 시나리오에서 유입 수온은 증가 경향이 통계적으로 유의하였으며, 탄소저감 노력이 약한 기후 시나리오로 갈수록 수온의 증가속도가 빨랐다. 저수지 표층 수온의 증가속도는 0.04~0.38℃/10year 범위였으며, 모든 시나리오에서 성층화 기간이 점진적으로 증가되었다. 특히 RCP 8.5 시나리오 적용 시 성층일수는 약 24일 증가하는 것으로 전망되었다. 연구 결과는 기후변화가 호소의 성층강도를 강화하고 성층형성 기간을 장기화한다는 선행연구 결과와 일치하며, 수온성층의 장기화는 저층 빈산소층 확대, 퇴적물-수체간 영양염류 용출량 증가, 수체 내 조류 우점종의 변화 등 수생태계 변화를 유발할 수 있음을 시사한다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2012년도 학술발표회
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• pp.205-205
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• 2012

국내에서 새로운 댐 저수지 건설을 통한 수자원의 안정적인 확보는 어려운 여건에 있다. 따라서 수자원의 효율적인 확보, 댐 하류하천의 수질 개선, 신규댐 건설 대체 효과를 기대하기 위해 기존 댐 저수지의 연계운영이 중요하게 인식되고 있다. 본 연구에서는 다수의 댐 저수지 수체를 연계하여 모델을 통해 해석하고자 안동-임하호를 연결한 2차원 모델(CE-QUAL-W2)을 구축하고, 2002년과 2006년 수문사상을 재현하였으며, 수리해석을 실시하였다. 안동호의 좌안인 임동면 마리와 임하호의 우안인 망천리를 연결하고, EL. 140 m 위치에 길이 2 km, 직경 5.5 m로 콘크리트 터널을 연결하는 것으로 가정하였다. 관내 바닥 마찰계수와 미소 마찰손실 값은 0.05를 입력하였다. 저수지 실측수위와 모의수위를 시계열로 비교한 결과, 2002년과 2006년 안동호와 임하호에서 여름철 유입량 증가에 따른 수위 상승을 잘 반영하였고, 결정계수값($R^2$)이 모두 0.9953 이상으로 나타나 모델은 두 저수지 물수지 계산에 있어서 높은 신뢰도를 보였다. 2006년을 대상으로 안동호와 임하호의 댐 앞에서 수심별 수온의 실측값과 모의값을 비교한 결과, 안동호는 4월부터 성층이 진행되어 5월에 수온약층이 EL. 130 m에 형성되었다. 7월 홍수가 중층 밀도류를 형성하여 수온 성층구조를 교란하였고, 기존의 수온약층이 EL. 120 m 로 하강하였으며, 표층 EL. 145 m에 새로운 수온약층이 형성되는 2단 성층 구조를 보였다. 여름철 동안 이러한 현상은 지속되었고, 10월부터 대기기온 강하와 함께 수직혼합이 시작되었다. 수온예측 오차는 AME $0.336{\sim}1.806^{\circ}C$, RMSE $0.415{\sim}2.271^{\circ}C$의 범위로 실측값을 잘 반영하는 것으로 나타났다. 임하호도 안동호와 유사한 경향을 보였고, 모델은 두 저수지에서 전 기간에 걸쳐 모두 안정적으로 저수지 수온 성층현상을 모의하였다. 2002년 수문사상에서 안동-임하 연계 운영시 안동호의 평균 수위는 1.38 m 상승하였고, 임하호는 3.75 m 낮아지는 것으로 모의되었다. 수위변동에 따른 유동 유량은 임하호에서 안동호로 3억 6천 4백만 톤, 안동호에서 임하호로 2억 9천 1백만 톤으로 임하호에서 안동호로 유동한 유량이 높게 나타났다. 유역면적에 비해 저수용량이 작은 임하호의 경우 두 저수지간 유량의 이동에 따라서 저수용량의 증가로 인한 홍수 저감 효과가 있을 것으로 판단된다. 반면, 안동-임하 연계 운영시 임하호의 차가운 물이 안동호로 유입되는 경우, 안동호의 수온 성층구조에 영향을 주었다. 안동호의 경우는 단독운영시보다 높은 위치에 수온약층(EL. 140 m)이 형성되었으며, 임하호는 반대로 저수위가 낮아지면서 단독운영시보다 수온약층의 위치가 약간 낮아졌다. 이러한 결과는 두 저수지 연결시 안동호의 탁수와 수질 환경에 변화가 있을 수 있음을 시사한다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2010년도 학술발표회
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• pp.253-257
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• 2010

최근 들어 이상 강우 현상으로 인한 기록적인 집중 강우와 더불어 토지 이용 변화로 인해 탁수의 발생 빈도가 증가하고 있다. 강우 유출로 유입한 탁수는 저수지 내 장기간 체류하면서 하류 하천의 수질 및 수생태계 뿐만 아니라 저수지 내부의 영양단계에도 많은 영향을 준다. 특히, 성층화된 저수지의 경우 높은 영양염류 농도를 포함한 탁수는 밀도류 거동 특성을 보이면서 수평 및 수직 혼합 과정을 거치면서 국부적인 부영양화 현상과 조류의 수화 현상의 원인이 되고 있다. 따라서 대형 저수지의 수질관리에 있어 하천 유입 탁수의 밀도류 해석, 저수지의 수온 성층 구조 변화, 부유입자의 동력학적 해석이 중요한 요소로 부각되어 왔다. 본 연구에서는 소양호를 연구 대상 지역으로 선정하여 2005년과 2007년 수문 사상을 바탕으로 2차원 횡방향 수치 모형을 구축하였다. 수치모형을 통해 수온 성층 구조의 재현성을 확인하였으며, 다양한 탁수 거동 모형을 구축하여 적용성을 평가하였다. 유입수의 SS(Suspended Solid)를 단일 입경으로 가정한 TM-1 모형, SS의 입경분포에 따라 3개의 그룹(SSi)으로 구분한 TM-2 모형, 3개 그룹을 포함하면서 저수지내 탁수 장기화로 인한 탁수 저감 효과를 1차 반응상수로 매개 변수화(유기물 함량($a_0$) ${\times}$ 분해속도(${\lambda}_a$))하여 수정된 지배방정식을 적용한 TM-3 모형을 사용하였다. 각각의 탁수 거동 모형은 2005년과 2007년 수문 조건에서 수온 성층 구조를 잘 재현하였다. TM-1 모형과 TM-2 모형을 비교해보면, 탁수 중심축의 최고 탁도에 대한 예측 성능은 TM-2 모형이 우수한 결과를 나타냈었다. 하지만, 장기 탁수 모의 시 저수지 수중 잔류 SS가 지속적으로 높게 나타나 중층 탁도를 과대평가하는 경향을 보였다. TM-3 모형이 TM-2 모형에 비해 수심별 탁도 분포에 대한 중심축 탁도가 저평가되는 경향을 보였지만 저수지 내 잔류 탁도에 대한 영향 부분에서는 개선된 결과를 나타내었다. 본 연구 결과는 저수지 탁수 밀도류 해석 및 운영 시스템에 활용 될 수 있으며, 선택 취수 설비 등의 수리 구조물의 영향 평가에 활용할 수 있다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제44권9호
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• pp.741-751
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• 2011

본 연구에서는 대표적 3차원 수리 수질해석모형인 EFDC의 수온성층해석 능력 제고를 위해 적정 매개변수를 도출하고자 하였다. 이를 위해 태양복사 분포, 하상 초기온도, 활성 하상 수온층 깊이, 열전달계수 등 태양에너지와 관련된 5가지 매개변수에 대하여 용담호 수온성층해석 결과를 비교 분석하였다. 모의기간은 2005년 6월부터 12월까지였으며 수온 성층 재현성 수행 결과는 통계 지표인 AME, RMSE, $R^2$을 적용하여 비교하였다. 그 결과 IASWRAD는 하상으로 분포하는 경우, 활성 하상 수온층 깊이는 10m를 사용하는 것이 타당할 것으로 판단되었다. 본 연구에서 도출된 결과는 EFDC 모형의 수온성층모의시 적용 가이드라인으로 활용될 수 있을 것이다.