Research Article

Journal of Korea Water Resources Association. 29 February 2024. 99-110
https://doi.org/10.3741/JKWRA.2024.57.2.99

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 방법론

  •   2.1 기온에 의한 성층

  •   2.2 밀도류

  • 3. 현장 조사

  • 4. 연구결과

  •   4.1 유입 하천 수리 및 수질 특성

  •   4.2 팔당호 지형

  •   4.3 수질 계측 결과

  •   4.4 특성에 따른 팔당호의 구역 분류

  • 5. 결론 및 향후 연구

1. 서 론

팔당호는 북한강과 남한강, 경안천이 합류하여 한강으로 향하는 길목에 팔당댐이 건설되어 생성된 인공호이다. 팔당댐 유입부 좌안에는 취수장이 위치하여 수도권 주요 상수원의 역할을 수행하며, 호내 수질 관리는 수질 및 혼합 거동 파악이 중요한 과제로 간주된다(Kong, 2019). 경기도는 수질오염 취약지역의 감시체계를 구축하거나 조류경보제를 운영하는 등 상수원의 수질 관리 및 보호에 노력하고 있다. 팔당댐의 연간 평균 유입량은 남한강이 55.0%, 북한강이 43.4%, 경안천이 1.6%로 남한강과 북한강의 유입량이 월등히 크기 때문에 팔당호에 미치는 영향이 상당할 것으로 예상된다(Kim, 2022).

경안천은 제대로 처리되지 않은 오염수 등의 유입으로 수질오염이 염려되는 상태이지만(Sin et al., 2000), 유입량이 북한강과 남한강에 비해 상대적으로 적어 팔당호에 미치는 영향이 적을 것으로 예상된다. 북한강은 수질이 양호하지만 남한강은 상대적으로 수질이 낮으며, 유입 하천 중 오염부하량이 많다. 특히 봄철에는 오염도가 높아져 팔당호에 큰 영향을 미친다(Kong et al., 2007). 또한 남한강은 여름철 조류가 발생하며(Park et al., 2006), 최근에는 북한강 수계의 의암호에 조류가 창궐하여 하류에 위치한 팔당댐 취수장에서 조류로 인한 수돗물 품질 문제로 민원이 발생하기도 했다(Kim et al., 2009). 따라서 팔당댐 취수원의 수질 관리를 위해서는 유입 하천이 팔당호 내 혼합거동에 미치는 영향을 확인할 필요가 있다. 팔당호는 상대적으로 체류시간이 매우 짧은 하천형 인공호로 분류되어 있어 호소와 하천의 복합적인 관점에서 수체의 거동을 확인할 필요가 있다(Kong, 2019).

취수장이 유입 하천으로 인해 큰 영향을 받는 경우는 혼합되지 않은 고농도의 오염물을 지닌 특정 수체를 취수하는 경우가 발생한다. 이 경우는 하천의 합류 후 혼합되지 않은 상태를 유지하거나 호 자체에서 계절에 따라 기온에 의한 수온 성층으로 인해 연직 방향 혼합이 일어나지 않는 상태에서 발생한다. 실제로 하천의 합류부에서는 다양한 이유로 인해 혼합되지 않은 채 하류로 이동하는 경우가 발생하며(Lane et al., 2008; Rhoads and Johnson, 2018), 밀도 차가 존재할 경우 밀도류(Density current)로 인해 연직 방향으로 분리된 채 이동하기도 한다(Horna-Munoz et al., 2020; Xu et al., 2022). 남한강의 경우 북한강보다 연중 평균 수온이 높기에 합류 후 밀도류 발생 시 남한강의 수체가 상층에 위치할 확률이 높다. 표층에서 취수를, 중층에서 방류를 하는 팔당댐의 특성 상(Fig. 1; Kong, 2019) 밀도류가 발생할 경우 수질이 상대적으로 낮은 남한강의 수체만을 취수하게 될 수 있다. 호소 자체에서 기온에 의한 수온성층은 주로 겨울과 여름철에 발생하는데 연직 방향 수온 차로 인해 연직 혼합이 일어나지 않는다. 기온에 의한 수온성층으로 연직 방향으로 정체된 상태에서 오염물이 표층으로 유입될 시 상대적으로 낮은 수질의 물을 취수하게 될 위험이 존재하며, 정체가 지속된 경우 수질이 악화될 수 있어 상황 별 성층의 존재는 파악할 필요가 있다. 즉, 밀도류나 기온에 의한 성층이 발생하는 경우는 상대적으로 낮은 수질의 남한강 수체를 취수할 수 있어, 성층이 발생하는 양상을 현장계측을 통해 분석하는 연구가 부족한 상태이다.

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Fig. 1.

Seasonal thermal stratification in lake

남한강과 북한강 합류 시 온도차에 의한 밀도류의 영향과 팔당 호수 내 기온에 의한 성층을 분류하여 분석하기 위해서는 합류 전, 후 팔당호 주요 위치에서의 연직 방향 수질 및 수리 자료를 통한 혼합 거동의 분석이 필요하다. 현재, 팔당호 인근에서 지점식으로 센서를 설치하여 성층과 흐름 변화에 대한 연구가 진행되었는데(Kim et al., 2002; Ryu et al., 2020) 지점식 모니터링은 고빈도의 시계열 자료를 통해 성층의 생성 여부의 확인이 용이하나 측정위치가 제한되어 밀도류와 기온에 의한 성층의 구분이 어렵고 밀도류의 발생 과정은 공간적 확인이 불가능하다는 한계가 있다. 혼합 거동의 분석을 통해 밀도류의 영향을 밝혀내기 위해서는 상세한 지점에 대해 수질 조사가 이루어져야 하며 유입 하천의 유량 및 유속과 같은 수리 자료와 연계하여 분석해야 하지만 현장 계측의 어려움으로 인해 최근까지 계측 중심의 연구가 부족한 실정이었다.

본 연구에서는 팔당호 인근 합류 전, 후 지점을 선정하여 연직 수질 자료를 획득하였으며 유입 하천의 수리량을 계측하여 팔당호 취수장 인근의 성층을 시기에 따라 밀도류와 기온에 의한 성층으로 구분하여 분석하고자 하였다. 수질 자료 중 수온을 통해 연직 방향 성층의 존재를 확인하였으며, 하천 간 혼합경계를 확인하는 데 용이한 것으로 알려진 수온 및 전기전도도(Electrical conductivity)를 주요 혼합지표(Index)로 사용하였다.

2. 방법론

밀도류와 기온에 의한 성층은 주로 저수지와 같은 정체된 곳에서 주로 일어나는 현상으로 물리적인 원인으로 인해 연직 방향 혼합이 원활하게 일어나지 않음을 의미한다. 밀도류와 기온에 의한 성층은 상호간에 영향을 주고받기 때문에 일반적으로 함께 설명되지만, 본 연구에서는 두 성층을 분류하여 팔당댐 인근에서의 연직 방향 수질 차이의 원인을 명확하게 하고자 하였다.

2.1 기온에 의한 성층

체류시간이 긴 저수지의 경우 수심에 따른 온도 변화로 인해 수온 성층이 발생한다. 연직방향으로 수온이 급격히 변화하는 부분을 수온약층(thermocline)이라고 부르며, 그 상부를 표수층(epilimnion) 하부를 심수층(hypolimnion)이라 한다. 국내 호수들은 온대 기후 지대에 위치해, 겨울철에는 기온이 영하로 떨어지지만, 수심이 깊고 큰 저수지는 높은 열용량으로 인해 겨울철에서 얼음이 얼지 않는 온난일순환호(warm monomictic lake)의 특성을 보인다. 수심이 얕아 열용량이 작은 호소는 겨울에 수표면이 결빙되지만 성층이 뚜렷하지 않고 그 외의 시기에는 바람에 의해 혼합되는 다순환호(Polymictic lake)의 특성을 보이며(Fig. 1(a)), 온난일순환호는 높은 열용량으로 인해 연중 4°C 이하로 내려가지 않기 때문에 성층이 형성되는 초여름부터 초가을을 제외한 모든 시기에 연직 방향으로 혼합이 진행되는 특성을 보인다(Fig. 1(b)).

저수지에 수온 성층이 존재할 경우 특정 위치에서 오염물질이 과하하게 정체될 수 있으며, 저수지의 자정능력을 초과할 정도로 오염물질이 유입될 경우 수질은 점차 악화될 수 있다. 팔당호는 상대적으로 체류시간이 매우 짧아 계절에 의한 성층이 형성되지 않는 하천형 인공호로 구분되지만(Kong, 2019) 깊은 수심의 호소 하류 팔당댐 인근에서는 여름철에 성층이 약하게 발달하고 이에 따른 수질의 연직적인 차이가 발생한다고 연구된 바 있다(Kim et al., 2002).

2.2 밀도류

밀도류란 합류하는 하천 수체 간의 밀도 차에 의해 혼합되지 않은 채 수표면이나 하상으로 이동하는 현상을 말한다(Fig. 2). 일반적으로 저수지에 합류하는 하천이 밀도차로 인해 표층류(overflow), 중층류(interflow), 심층류(underflow)의 형태로 나타나는 것을 말하는데(Fischer et al., 1979; Martin and McCutcheon, 1999), 저수지에 합류하는 하천뿐만 아니라 하천 간의합류 시에도 밀도차로 인해 즉시 혼합되지 않고 성층이 형성되는 밀도류가 발생한다(Horna-Munoz et al., 2020; Xu et al., 2022). 밀도류와 기온에 의한 성층의 가장 큰 차이로 밀도류 발생은 호소로 유입 하천 간 혼합이 완료되지 않았다는 점을 의미한다. 팔당호 상류의 경우 북한강과 남한강의 수온 차로 인해 팔당호로 유입 시 밀도류가 생성되는데, 북한강 유입수의 경우 화천댐과 소양댐으로부터 청평댐으로 이어지는 중층 방류로 봄부터 여름까지 가온기에는 남한강보다 낮고, 늦가을부터 겨울까지 감온기에는 남한강보다 약간 더 높다(Kong, 2019). 계절 별 유입 하천의 수온이 변화하고, 또한 팔당호는 흐름의 양상데 따른 영향을 많이 받는 하천형 호소 합류부이므로 밀도류의 영향을 판단하기 위해서는 보다 많은 지점에서 수온 모니터링이 필요하다.

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Fig. 2.

Density current and mixing shear layer from induced South and North Han River in Paldang lake

3. 현장 조사

본 연구에서는 연직 방향으로 성층을 확인하고 성층의 원인을 분석하기 위해 유인보트를 활용한 이동식 계측 방법을 적용하였고, ADCP와 YSI-EXO2를 동시에 활용하여 측정하였다(Fig. 3). 계측은 측선의 설치 없이 보트를 이용하여 흐름에 직각인 방향으로 좌안에서 우안으로 횡단하며 동시에 측정하였다. 또한, 단면의 좌, 중, 우 3개 지점을 선별하여 연직방향으로 YSI-EXO2 센서를 내려 계측하였다. ADCP는 초음파 유속계로 유속, 유량, 수심 등의 수리정보를 획득하는데 사용하였고, YSI-EXO2는 수질 센서로 수온과 전기전도도를 획득하는 데 사용하였다. YSI-EXO2 센서는 1초 간격으로 수질 데이터를 측정할 수 있고, 수온(°C)과 전기전도도(µS/cm)를 소수점 둘째 자리까지 정밀하게 계측할 수 있다. 계측 시, 센서는 연직 방향으로 느린 속도로 이동시켜 1m 간격 당 최소 4개의 계측 데이터를 획득하도록 진행되었다. 계측 데이터는 수질을 지점별로 연직 방향으로 표출하여 분석하였다. 또한 YSI-EXO2와 ADCP 시간 동기화를 통해 ADCP와 연동된 오차가 1 m 이내인 DGPS 위치정보를 수질 측정치에 부여하여 수질의 공간분포를 획득할 수 있었다. 계측이 수행된 지점의 위치는 Fig. 4에 제시된 대로, 유입 하천인 북한강, 남한강, 경안천이며, 주요 지점인 족자도 북쪽, 소내섬 북쪽 및 팔당댐 취수장 인근에서 연직 방향 수질을 계측하였다.

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Fig. 3.

Boat and Sensors used in measurements

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Fig. 4.

Measurement points using ADCP and YSI sensor in Paldang lake

4. 연구결과

4.1 유입 하천 수리 및 수질 특성

유입 하천 간 수온 차가 크게 발생할 경우, 보다 복잡한 혼합거동이 나타난다. 특히 팔당호의 경우, 남한강과 북한강은 시기에 따라 수온 차가 크게 이격되며, 계절 별로 반전되는 현상이 발생하여 수온 모니터링이 중요한 지점으로 간주된다. 본 연구에서는 특히 기온의 큰 변동이 예상되는 봄철의 서로 다른 기후에서의 데이터를 수집하기 위해 이른 봄(Case 1, 2022-3-16)과 늦은 봄(Case 3, 2023-4-27)의 계절 특성을 나타내는 시기를 선정하였다. Case 3는 수리적으로는 봄인 갈수기에 가깝지만, 계측 당시의 날씨는 20°C 의 최고기온으로 봄과 여름의 중간인 초여름에 해당되었다. 여름 시기에는 수온과 유량이 증가하여 더욱 복잡한 혼합 거동이 발생할 것으로 예상되어, 여름 시기(Case 2, 2022-8-4)의 자료 수집도 중요한 시점으로 고려하여 선정하였다.

계측 시기 별 유입하천 수리, 수질 인자의 평균값을 산정하여 시기 별 특성을 확인하였다(Table 1). 계측 시기에 따른 수치의 차이는 있지만 1차~3차 시기 모두 공통으로 북한강이 가장 낮은 전기전도도를 보이며 경안천이 전기전도도가 가장 높고, 남한강의 경우 그 중간에 해당하였다. 특히 북한강과 남한강은 3회 계측 모두 120 µS/cm 정도의 명확한 전기전도도 차이를 보였다. 전기전도도는 석회암 지질이나 폐ㆍ하수의 영향을 받을 경우 상대적으로 높은 값을 보일 수 있는데, 남한강 유역이 석회암 기반으로 이루어져, 화강암 기반인 북한강보다 전기전도도가 일반적으로 높다고 보고된 바 있다(Kong, 2018; 2019). 또한, 남한강 유역이 농업 등 경작지 영향으로 오염부하량이 많아 상대적으로 오염원이 적은 한강 수계보다 전기전도도가 높은 경향을 보이는 것으로 판단된다. 경안천의 경우 3회 계측 모두 전기전도도가 가장 높았다. 그러나 북한강과 남한강에 비해 유량과 유속이 작으며, 그 위치 또한 남쪽으로 멀리 떨어져 있기에 팔당댐 인근의 성층에 주는 영향은 매우 작거나 없을 것으로 예상된다.

Table 1.

Inflow river water quality and hydraulic measurement results

Case Water
Temperature (°C)
Electrical
Conductivity (µS/cm)
Discharge
(m3/s)
Water Velocity
(cm/s)
Air Temperature
(°C)
Air Velocity
(m/s)
1
(Early
spring)
North Han 7.05 62 250.8 5.2 9.4 0.9
South Han 10.68 181 162.2 5.0
Gyeongan 13.23 266 8.3 1.1
2
(Summer)
North Han 22.62 207 666.9 20 26.5 1.1
South Han 25.06 345 464.9 18
Gyeongan 23.19 347 85.4 10
3
(Late
spring)
North Han 14.47 183 152.1 3.6 12.1 1.0
South Han 15.35 280 137.8 4.1
Gyeongan 16.49 422 30.5 3.1

1차 계측의 경우 이른 봄에 진행된 계측으로 북한강과 남한강의 수온 차가 3.63°C 가량 발생하여 합류 후 수온 차에 의한 밀도류가 발생할 가능성이 높다. 그러나, 흐름 방향으로의 유속이 5.1 cm/s 로 매우 느려 유입 하천 간 수온 차로 발생한 밀도류가 팔당댐에 도달 하기 전 소멸할 가능성이 있다. 2차 계측의 경우 여름철(8월) 진행되었는데 강우 일주일 후 진행되어 유입 하천들의 유속이 다른 계측시기에 비해 상대적으로 높았다. 북한강과 남한강의 수온 차가 2.44°C 가량으로 1차 계측보다는 작으나 밀도류가 형성될 조건이 나타났다. 2차 계측의 경우 남한강과 북한강의 흐름 방향 유속이 19 cm/s 정도로 상대적으로 빠르기에 유입 하천 간 수온 차로 발생한 밀도류가 호소 하단인 팔당댐까지 영향을 줄 가능성이 있으며, 밀도류에 의한 영향이 기온에 의한 성층의 영향보다 지배적일 것으로 예상된다. 3차 계측의 경우 봄에서 여름으로 넘어가는 늦은 봄에 계측되었으며, 북한강과 남한강의 수온 차가 0.88°C 정도로 미소하여 합류 시 밀도차에 의한 성층화 영향은 무시할 수 있었다. 또한, 흐름 방향 유속이 3.9 cm/s 정도로 3회의 계측 중 가장 느려 체류시간이 증가해 기온에 의한 성층이 지배적으로 발생할 조건이었다. 3번의 계측 시기 모두 풍속은 1.1 m/s 이하인 미풍으로 혼합에 크게 영향을 주지 않았을 것으로 판단된다.

4.2 팔당호 지형

팔당댐의 건설 이후 전반적으로 수심이 증가하고 유속이 감소하여 팔당호 유입 하천에서 역류가 발생하는 등 현상이 관측되었다(Choi et al., 2019). 그에 따라 북한강과 남한강의 합류 직후 합류 경향도 복잡해졌다(Choi et al., 2019). 북한강과 남한강의 합류 직후에는 족자도가 위치하는데, 족자도 인근에서는 유입 하천의 수온 차로 인해 밀도류가 발생하거나 상류 댐의 방류량의 차이에 따라 흐름 방향이 역전되는 등 복잡한 혼합 거동을 보인다.

팔당호는 평균 수심 6.5 m이며, 최대 수심은 24.3 m로 위치에 따라 큰 차이를 보인다. 북한강과 남한강 합류 지점에서는 우안(북한강 측)의 수심이 좌안보다 5 m 이상 깊은 단차를 보인다. 합류부에서의 단차는 합류 지역의 유동 특성에 큰 영향을 주는 것으로 알려져 있다(Best and Roy, 1991; Gaudet and Roy, 1995; Biron et al., 1996; Bradbrook et al., 2001). 족자도 남쪽의 경우 단차로 인해 남한강 수체가 표층으로 합류하는 형태를 보이게 되며, 이러한 지형적 특성으로 남한강의 수온이 북한강에 비해 높을 경우 연직 방향 혼합이 더욱 지체될 수 있다. Choi et al. (2019)는 남한강 및 북한강 합류부에서 계절별 성층의 역전현상을 지점식 모니터링을 통해 발견하였고 평수기에는 상류방향으로 역류도 발생한다고 보고하였다. 소내섬 북쪽은 만곡으로 인해 최심부가 좌안으로 이동하여 존재하며 이는 팔당댐까지 이어지는 데 담수 전 과거 하천 지형이 수중에서 유지되고 있음을 의미한다. 경안천은 본래 폭이 좁은 하천의 형태로 한강에 유입되었는데, 팔당댐의 건설 이후 수심이 증가하고 유속이 느려져 소내섬 남쪽 지역까지 평균 5m 이내 수심을 가진 정체된 호소가 형성되다. 20 m 이상 급작스런 수심변화를 수반한다 (Fig. 5). 경안천 유입 후 정체된 영역에는 지속적으로 유사 유입 및 퇴적이 타나나고, 소내섬 북쪽 북한강과 남한강 합류 지역과 다소 다른 특성을 수리학적 특성을 보였다.

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Fig. 5.

Bathymetry profiles in morphological characterization in Paldang lake

4.3 수질 계측 결과

수질 계측 결과를 각각 단면 및 지점 별로 연직 방향으로 도시하여 나타내고, 최대값(Max), 최소값(Min), 평균값(Ave), 최대편차(Max Dev)를 함께 나타내 유입 하천 간 수질 분포 특성과 연직 방향 수질 변화를 확인하였다. 그리고, 연직 방향 수온 구배가 형성된 2차와 3차 계측은 최대 수온 구배를 구해 정량적으로 성층 여부를 판단하였다. 수층의 최대 수온 구배가 1°C/m 이상일 경우 성층이 형성된 것으로 판단한다(Wetzel, 2001).

1차 계측(이른 봄)의 경우 합류 전 유입 하천들의 수온 및 전기전도도가 연직 방향으로 일정해 성층이 발생하지 않은 상태이다(Fig. 6). 즉, 팔당호내 대부분의 지점에서 전형적인 성층 소멸의 전형을 보여준다 (Fig. 1). 남한강 수온이 북한강보다 3.63°C 가량 높아 수온 차로 인한 밀도류가 형성될 가능성이 높았으나(Figs. 6(a) and 6(c)), 합류 후 족자도 지점 및 소내섬 지점에서도 연직 방향으로 수온 및 전기전도도 차가 존재하지 않아 밀도류가 확인되지 않았다(Figs. 6(g) and 6(i)). 족자도 지점의 경우 표층에 낮은 전기전도도의 북한강 수체가 위치하고 아래에 높은 전기전도도의 남한강 수체가 혼합하는 과정이 확인되었으나(Fig. 6(h)), 이는 수온 차에 의한 밀도류 보다는 합류 시 난류나 단차 등 지형상 영향으로 인한 것으로 판단된다. 소내섬 지점은 연직 방향으로 130 µS/cm 의 전기전도도 값을 보였는데(Fig. 6(j)), 이는 북한강의 62 µS/cm, 남한강의 181 µS/cm 전기전도도(Figs. 6(b) and 6(d))의 중간값으로 볼 수 있어 북한강과 남한강의 수체가 완전 혼합된 상태임을 의미한다. 즉, 연직 방향 온도분포와 무관하게 전기전도도를 지표로 혼합완료 여부를 판단할 수 있다. 그리고, 소내섬 지점에서 확인된 130 µS/cm 정도의 전기전도도는 팔당댐 취수장 인근 단면에서 121 µS/cm로 유사하게 이어졌으며, 팔당댐 취수장 인근 단면 또한 연직 방향으로 수온 차가 0.12, 전기전도도 차가 29 µS/cm 로 연직 방향 수질 차이가 미소했다. 밀도류가 발생할 가능성이 높은 경우이나 실제 계측 결과 합류 후 연직 방향 수온 및 전기전도도 차는 거의 없어 밀도류가 발생하지 않았다(Figs. 6(k) and 6(l)). 이는 합류 후 수체의 이동 속도에 비해 열 혼합이 신속하게 일어나 밀도류가 미약하여, 즉시 소산되었음을 의미한다. 소내섬 이후 팔당댐 취수장 인근 지점까지는 연직 방향으로 수온과 전기전도도가 일정한 값을 보이는 것으로 보아, 소내섬 북쪽 인근에서는 북한강과 남한강의 혼합이 완료된 것으로 해석할 수 있다. 정리하자면 1차계측 시 호소 전반은 남한강과 북한강 수체의 즉시 혼합으로 전형적인 봄철 복순환호의 수체혼합 특성을 보였다(Fig. 1(a)).

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Fig. 6.

Vertical water temperature and electrical conductivity in case 1(early spring)

2차 계측의 경우 여름철 높은 기온으로 인해 합류 전 북한강과 남한강의 표수층에서 수온 구배가 1°C/m 이상으로 성층이 형성되어 있지만, 전기전도도는 연직 방향으로 일정하다(Figs. 7(a) and 7(c)). 그리고, 남한강 및 북한강의 수체는 1차 계측에 비해 유속(운동량)이 다소 증가한 상태해서 혼합되고 있는 상황이다. 합류 후 족자도 직상류 지점의 경우 수온과 전기전도도의 구조를 봤을 때(Fig. 7(h)) 남한강 수체로 혼합경계가 우안으로 좀더 밀려난 것으로 나타났다. 소내섬 지점에서 북한강과 남한강 수체가 팔당호 내 진입 후 혼합에 의해 연직방향 불균일한 분포를 보였다(Fig. 7(j)). 기본적으로 하계에는 북한강보다 남한강의 수온이 2.44°C 가량 높아 수온 차로 인한 밀도류가 형성되어 하류방향으로 유지될 가능성이 있다. 소내섬 지점의 경우 표층은 25.43°C 정도의 수온이지만 심층은 22.78°C 정도의 낮은 수온으로 수온 차가 발생하였으며 최대 수온 구배 1.11°C/m으로 성층이 존재하는 것으로 판단된다. 전기전도도 또한 표층은 높은 314 µS/cm 가량이지만 심층의 경우 221 µS/cm의 값을 보여 연직 방향으로 큰 차이를 보인다(Figs. 7(i) and 7(j)). 합류 전 유입 하천들의 연직 방향 전기전도도가 일정했다는 것을 고려할 때 이는 상부는 남한강의 수체이고 하부는 북한강의 수체가 존재하며 양 수체의 수온 차로 인한 밀도류를 형성했음을 의미한다. 이 밀도차에 의한 성층은 팔당댐 취수장 인근 지점까지 유사한 양상을 보이며 존재했다. 즉, 비교적 강한 유입하천의 운동량은 성층을 호수 하단까지 유지시켰다고 볼 수 있다. 팔당댐 인근 단면 중앙의 수온차는 1.67°C, 전기전도도 차는 43 µS/cm로 취수장에 더 가까운 좌안 지점의 수온 차가 2.45°C, 전기전도도 차가 71 µS/cm로 연직 방향 수질의 차이가 더 크다(Figs. 7(k) and 7(l)). 북한강과 남한강 합류 후 만곡을 형성하는 팔당호의 지형적 특성에 의해 만곡의 바깥쪽의 유속이 더 빠르게 나타난 결과로 만곡의 바깥쪽인 좌안 지점이 밀도류의 영향이 더 크게 나타났고, 만곡의 안쪽인 HP 4 단면 중앙 지점은 비교적 혼합이 더 진행되어 연직 방향 수질 차이가 적은 것으로 해석된다. 만약 전형적 호소 성층 특성이 기온에 의해 성층이 발생할 경우 팔당댐 인근 두 지점의 연직 수온 차는 거의 동일해야 할 것이다. 그럼에도 좌안 지점이 중앙 지점보다 연직 방향 수온 차가 더 크게 나타난 결과는 기온에 의한 수온 성층과 함께 남한강 북한강 혼합 시 형성된 밀도류에 의한 영향도 동시에 작용한다는 점을 증명하는 결과이다. 2차 계측의 경우 남한강과 북한강의 수온 차로 인한 밀도류와 기온에 의한 성층이 함께 존재할 수 있는 경우이다. 실제로 소내섬 지점에서 상부는 남한강 수체, 하부는 북한강 수체임을 수온과 전기전도도를 통해 확인하였다. 소내섬 인근에서의 연직 방향 수온, 전기전도도의 분포는 팔당댐 취수장 인근 지점까지 유지되어 유사한 형태를 보였다. 이 결과는 북한강과 남한강의 합류로 인해 발생한 밀도류가 팔당댐 취수장 인근까지 이어졌음을 의미하고 팔당호의 지형적 특징인 만곡으로 인해 취수장에 가까운 좌안에서 밀도류의 영향이 더 강하게 나타남을 의미하였다.

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Fig. 7.

Vertical water temperature and electrical conductivity in case 2(summer)

1차 계측과 2차 계측 모두 북한강과 남한강의 수온 차가 존재한 상황에 기반하였다. 심지어 1차 계측의 경우가 수온 차가 더 크게 났음에도 1차 계측 결과로 밀도류의 존재가 확인되지 않았다. 1차 계측과 2차 계측의 가장 큰 차이점은 유량과 유속이다. 1차 계측의 경우에는 갈수기로 유속이 느리기 때문에 형성된 밀도류가 이동하는 속도가 느려 형태를 유지하지 못하고 고열 혼합 및 수체 혼합으로 하류방향으로 진행되면서 신속하게 소멸되었다. 하지만 이에 반해, 2차 계측의 경우 풍수기로 유속에 의한 관성 운동량이 크기 때문에 형성된 밀도류가 그 형태를 유지한 채 하류 팔당댐 인근까지 이동하는 것으로 해석할 수 있다. 따라서, 팔당호 유입 부에서 밀도류 초기 형성 자체는 수온 차에 의한 것이지만, 형성된 밀도류의 하류방향 지속 거리는 유속에 크게 기인한다고 볼 수 있다. 결과적으로, 하계 풍수기에는 팔당 취수구가 위치한 상층부는 남한강 유입수가 성층화된 상태로 유지되고 있었다.

3차 계측의 경우 시기적으로는 늦은 봄(4월 말)으로 계측 당시 최고기온은 20°C 정도로 특히 높은 기온을 보였다. 합류 전 유입 하천들에 표면 인근 수층에서 1°C/m 이상의 수온 차를 보이는 성층이 나타났다(Figs. 8(a),8 (c) and 8(e)). 흥미로운 점은 남한강의 경우 수온분포가 2 m와 8 m에서 계단식으로 강하하고 있었는데, 급격한 기온 상승으로 여름철 성층이 형성되는 도중의 계단식 수온 구조를 보였다고 볼 수 있다. 계단식 수온구조는 댐 방류수의 영향을 상대적으로 적게 받는 남한강에서만 확인되었다. 평균적으로 해당 시기는 북한강 과 남한강의 평균적 수온 차가 거의 존재하지 않아 합류 시 밀도류 형성은 없었다. 다만, 합류 전 유입 하천들의 전기전도도는 명확한 차이가 있었고, 연직 방향 분포는 표층에서 하상까지 다소 감소하는 형태를 공통적으로 보였다(Figs.8(b), 8(d) and 8(f)). 합류 직후 족자도 지점에서 이미 전기전도도는 북한강과 남한강의 중간값인 217 µS/cm로 나타나 두 수체의 혼합이 신속하게 완료된 상태로 해석된다(Fig. 8(h)). 이 연직 방향 전기전도도와 수온의 분포는 소내섬 지점까지 유사하게 유지되지만(Fig. 8(j)), 팔당댐 취수장 인근 지점의 경우 연직 방향으로 수온과 전기전도도의 차이가 좀더 커져 성층화가 강화되는 현상이 나타났다(Figs. 8(k) and 8(l)). 특히 가장 수심이 깊은 좌안 지점(취수구 인근)과 가장 수심이 얕은 우안 지점에서 표면 부근 수심 2 m에서 2°C/m 정도의 수온 구배를 보이며 급격히 수온약층이 형성되었다. 팔당댐 취수장 인근 지점들 간 수온 성층의 발생 위치와 형태가 전반적으로 유사한 것으로 보아(Fig. 8(k)) 이는 수체 혼합 후 정체된 호소에서 여름 초입에 기온으로 인해 발생한 수온 성층으로 볼 수 있다. 3차 계측의 경우 표면 부근에서의 수온 성층 외에도 수심이 깊어질수록 수온과 전기전도도가 감소하는 현상이 확인되었다. 연직 방향 수온 차가 1°C/m 미만으로 정량적으로 성층이 일어났다고 볼 수 없으나, 연직 방향으로 수질 차이가 크게 발생한 상태이다. 이는 유입수의 수온 증가로 북한강과 남한강 혼합수가 표층으로 흐르고, 심층 부분은 이전에 북한강의 밀도류가 잠류되어 전기전도도가 낮은 것으로 해석된다. 실제로 3차 계측 당일(2023-4-27) 이전 3일간 최고기온 기준으로 9.7 정도 기온이 급격하게 상승하였는데, 단기간 동안의 급격한 기온 상승이 이전에 잠류한 북한강의 수체와 밀도류를 형성하는 데 영향을 끼쳤을 것으로 해석된다. 따라서, 3차 계측에서는 기온에 의한 성층이 발생했으며 팔당댐 인근 심수층에서는 기존 잠재된 밀도류의 영향도 존재했던 것으로 판단된다.

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Fig. 8.

Vertical water temperature and electrical conductivity in case 3(late spring)

2차 계측과 3차 계측 모두 팔당댐 취수장 인근에서 연직 방향으로 수온과 전기전도도의 명확한 차이가 발생하였다. 2차 계측의 경우 그 원인이 밀도류로 확인되었으며, 3차 계측의 경우 수표면 인근의 성층은 초여름 기온상승에 기인하지만, 심수층의 수온 및 전기전도도의 구배는 봄철에 형성되어 유지되고 있던 밀도류에 의한 것으로 추정된다. 2차 계측은 유입 하천의 수온 차가 곧바로 밀도류로 팔당댐 인근까지 영향을 준 경우이고, 3차 계측은 계측 이전에 유입되어 있던 북한강 수체와 이후 계측 시 유입된 북한강과 남한강 혼합수가 밀도류를 형성하는 형태로 밀도류의 형성 원인에 차이가 있다. 그리고 밀도류에 의한 수질 구배보다는 상층부에서는 외부 기온상승에 기인한 성층의 수온 구배가 더 뚜렷한 것으로 확인되었다. 하층부, 과거 잔존한 밀도류의 영향은 1°C/m 이상의 수온 구배가 형성되지 않아 정량적으로 성층이 나타났다고 볼 수는 없다. 밀도류의 영향은 지형적 특성으로 인해 취수장 인근에서 더 뚜렷함을 보였지만, 상부 기온변화에 의한 성층은 공간적 위치에 관계없이 거의 동일 수심(1 m ~ 2 m)에서 존재하는 것을 확인하였다. 종합하면, 팔당댐 취수장 인근에서 발생하는 수질의 연직 구배는 기온에 의한 성층과 밀도류의 영향이 복합적으로 일어나며, 좌안에 위치한 취수구의 경우 유량 및 유속이 큰 풍수기에 상류 합류부에서 형성된 밀도류의 영향이 더 크게 작용할 수 있다.

4.4 특성에 따른 팔당호의 구역 분류

팔당호의 경우 계측 결과 풍수기의 유속이 빠른 경우 밀도류의 영향이 팔당댐까지 미치지만, 갈수기의 경우 팔당댐 인근 심수층에서 약하게 밀도류의 영향이 확인되었다. 따라서, 갈수기의 경우 북한강과 남한강의 합류 후부터 소내섬 북쪽까지는 수온 차에 의한 밀도류가 발생하며, 빠른 속도로 혼합이 진행되는 하천형 호소의 특성을 보이는 반면, 소내섬 북쪽부터 팔당댐 까까지는 계절에 의한 수온 성층이 발생하고 연직 방향 혼합이 비교적 느린 저수지형 호소의 특성을 보인다(Fig. 9).

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Fig. 9.

Classification of Paldang lake based on mixing characteristics; (a) dry season; (b) monsoon season

5. 결론 및 향후 연구

본 연구는 팔당호 인근 지점 및 유입 하천에서 수질 및 수리 계측 자료를 통해 팔당댐 인근에서의 성층에 대해 분석하였다. 본 연구에서 얻은 성과의 요약은 다음과 같다.

1) 팔당호의 경우 하천형 인공호로 수온 성층의 형성이 미미하고 팔당댐 인근의 경우 밀도류에 의해 여름철 수온 성층이 발생한다고 연구된 바 있다(Kong, 2019). 분석 결과 이른 봄(1차)의 경우 수온 성층의 형성이 전혀 발견되지 않았으나, 늦은 봄(3차)의 경우 기온에 의한 수온 성층 유입 하천과 팔당댐 취수장 인근 수표면에서 발견되었다. 또한 3차의 경우 팔당댐 취수장 인근의 심수층에서 계측 시기 이전에 유입된 것으로 확인되는 북한강 수체가 위치하여 밀도류를 형성하고 있었다. 여름철(2차)의 경우에는 기온에 의한 성층의 영향보다는 상류 합류부에서 형성된 밀도류에 의한 영향이 지속된 것으로 확인하였다. 따라서, 계측 결과 하천형 호소인 팔당호에서도 기온과 밀도류에 기인한 수온 성층이 확인되었고, 풍수기와 갈수기에 따라 상이한 양상으로 취수구가 위치한 호소 하류단에 영향을 미치고 있었다.

2) 1차 계측과 2차 계측의 비교를 통해 팔당댐 인근에 밀도류 영향이 존재하는가를 판단하기 위한 중요한 인자가 유속임을 확인하였다. 수온 차가 더 크지만, 유속이 느린 1차 계측의 경우 밀도류의 영향이 확인되지 않았으나, 수온 차는 1차에 비해 작지만, 유속이 빠른 3차 계측의 경우 팔당댐 인근까지 밀도류의 영향이 확인되었다. 따라서, 밀도류의 발생 자체는 수온 차가 원인이지만, 밀도류의 지속 거리는 유속에 크게 기인한다. 본 결과는 팔당댐 취수장에서 남한강의 영향이 여름철에 강해진다는 것을 의미하며, 여름철 남한강의 녹조 등의 수질 문제가 취수장까지 큰 영향을 줄 수 있다는 가능성을 내포한다. 추후 연구에서는 ADCP 등을 이용해 팔당호 내의 상세한 계측을 통해 흐름 변화에 대한 해석이 필요할 것으로 보인다.

3) 2차 계측과 3차 계측의 비교를 통해 발생한 수온 성층의 원인을 밀도류에 의한 것과 기온에 의한 것을 분류하였다. 밀도류에 의한 영향이 있을 경우 혼합이 완료되지 않은 상태이기에 좌, 우안에 따라 연직 방향 성층의 정도가 달랐으나 기온에 의한 성층의 경우 좌, 우안의 성층 정도와 위치가 유사하였다. 기온에 의한 성층은 연직 수온 구배가 1°C/m 이상으로 수온 성층이 뚜렷하게 나타나지만, 밀도류의 경우 연직 방향 수온 및 전기전도도 차이가 발생했으나, 최대 수온 구배가 1°C/m 미만으로 정량적으로 성층이 발생하지는 않았다. 따라서, 기온에 의한 성층이 발생할 경우 연직 방향 혼합이 더욱 더딜것으로 해석된다.

4)여름철 풍수기의 경우 유량이 크고 유속이 빨라 북한강과 남한강의 합류가 팔당댐 인근까지 영향을 주는 하천의 특성을 보인다. 하지만, 갈수기의 경우 풍수기와 달랐으며, 일반적으로 족자도 남쪽, 소내섬 북쪽 위치에서 혼합이 완료되어 하천의 특성을 보이고 그 이후 정체성 호소의 특성을 보이는 것을 확인하였다.

Acknowledgements

본 연구는 환경부 미세플라스틱 측정 및 위해성 평가 기술개발사업(202100311003)의 연구비 지원에 의하여 연구되었으며 이에 감사드립니다.

Conflicts of Interest

The authors declare no conflict of interest.

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