• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2018.05a
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• pp.72-72
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• 2018

우리나라의 대형 저수지에 담수된 수체는 여름에 온도가 높은 표수층과 온도가 낮은 심수층, 그리고 두 층 사이에서 온도가 크게 변화되는 변온층으로 나뉘게 된다. 여름 홍수기에 상류 하천에서 저수지로 유입되는 부유사는 큰 밀도를 가지기 때문에 저수지의 바닥을 타고 하층 밀도류의 형태로 저수지 하류로 전파된다. 그러나 밀도류가 성층화된 저수지의 변온층에 도달하면 심수층과 변온층 하층의 낮은 온도로 인해 발생하는 수체의 큰 밀도로 하층으로 더 침투하지 못하고 변온층이나 심수층 상층에서 남아 하류에 중층밀도류의 형태로 전파된다. 대량의 탁수를 하류에 방류하면 하류 수질에 문제가 발생되며 저수시키면 댐 수질 및 심수층 생물체의 태양광 차단 문제가 발생되므로 저수지에서 밀도류의 조절은 대형 저수지 운영에 매우 중요한 사항이다. 따라서 본 연구의 목적은 층적분 모형을 사용하여 대형 저수지에서 발생하는 중층밀도류의 전파 및 선택취수시설을 이용한 밀도류의 차단과 방류에 대해 수치모의하는 것이다. 이를 위하여 중층 밀도류를 수치모의하기 위한 1차원 수치모형을 제시하였으며 소양강댐 상류 소양호에 적용하여 적용성을 검토하고 밀도류의 전파 및 방류에 대해 분석하였다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.50 no.9
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• pp.637-646
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• 2017

This study presents a numerical model for simulating dense interflows. The governing equations are provided and the finite difference method is used with the $k-{\varepsilon}$ turbulence model. The model is used to simulate a dense interflow established in a deep ambient water, resulting velocity and excess density profiles. It is observed that velocity decreases in the longitudinal direction due to water entrainment in the vicinity of the outlet and rarely changes for increased Richardson number. Similarity collapses of velocity and excess density are obtained, but those of turbulent kinetic energy and dissipation rate are not. A shape factor for the dense interflow is obtained from the simulated profiles. The value of this shape factor can be used in the layer-averaged modeling of dense interflows. In addition, a buoyancy-related parameter ($c_{3{\varepsilon}}$) for the $k-{\varepsilon}$ model and the volume expansion coefficient (${\beta}_0$) are obtained from the simulated results.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2009.05a
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• pp.1658-1662
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• 2009

최근 들어 기후 변화로 인한 이상 강우 현상과 기록적인 집중 강우로 탁수 발생의 빈도와 강도가 증가하고, 탁수의 장기간 하류 방류로 인해 경제적인 피해가 발생할 뿐만 아니라 환경적으로도 중요한 문제로 대두되고 있다. 저수지로 유입된 탁수의 시공간적 분포 예측 결과의 신뢰도는 탁수 밀도류 해석의 정확도에 가장 큰 영향을 받으므로 유입 하천수의 밀도 거동에 대한 정확한 해석이 필요하다. 따라서 탁수의 거동해석은 수리 및 수질의 연동 모의(Coupled modeling)가 필수적이다. 본 연구의 목적은 수리 및 수질의 연동 해석이 가능한 2차원 횡 방향 평균 모형(CE-QUAL-W2)을 소양호에 구축하고, 기록적인 강우 사상을 보인 2006년 수문조건에서의 모형의 적용성과 한계점을 평가하는데 있다. 구축한 소양호 탁수 예측 모델을 2006년 탁수사상에 적용한 결과, 홍수 사상으로 이중 첨두 유량이 발생한 후 저수지 내에서 중층 밀도류와 바닥밀도류의 두 가지 밀도류 형태가 혼재하여 진행되는 현상이 적절히 모의되었다. 하지만, 저수지내에서 측정한 탁수 수괴(plume)의 시공간적 수직분포(profiles)는 모의결과와 다소 편차를 보였으며, 특히 저수지 바닥 인근에서 모델은 실측값을 과대평가 하였다. 오차의 원인은 모델 입력 자료의 불확실성과 수치모델의 불확실성으로 판단된다. 따라서 향후 탁수 거동 모델링과정의 불확실성을 최소화하고 모의결과의 신뢰도를 개선하기 위해서 극한탁수 사상에서 발생하는 수리학적 현상과 SS 입자 동력학에 대한 이론적 연구와 입력 자료의 정확한 산정을 위한 현장 실험이 필요하다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.38 no.8 s.157
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• pp.655-664
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• 2005

A real-time monitoring and modeling system (RTMMS) for rainfall-induced turbidity flow, which is one of the major obstacles for sustainable use of reservoir water resources, is under development. As a prediction model for the RTMMS, a laterally integrated two-dimensional hydrodynamic and water quality model, CE-QUAL-W2 was tested by simulating the temperature stratification, density flow regimes, and temporal and spatial distributions of turbidity in a reservoir. The inflow water temperature and turbidity measured every hour during the flood season of 2004 were used as the boundary conditions. The monitoring data showed that inflow water temperature drop by 5 to $10^{\circ}C$ during rainfall events in summer, and consequently resulted in the development of density flow regimes such as plunge flow and interflow in the reservoir. The model showed relatively satisfactory performance in replicating the water temperature profiles and turbidity distributions, although considerable discrepancies were partially detected between observed and simulated results. The model was either very efficient in computation as the CPU run time to simulate the whole flood season took only 4 minutes with a Pentium 4(CPU 2.0GHz) desktop computer, which is essentially requited for real-time modeling of turbidity plume.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2010.05a
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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.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2009.05a
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• pp.880-884
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• 2009

여름철 강우시 저수지로 유입하는 고탁도의 하천수는 저수지 주변 수체에 비해 낮은 수온과 높은 부유물질 농도(SS)로 인해 상대적으로 높은 밀도를 가지며, 저수지 내에서 동일 밀도층을 따라 분포하며 밀도류를 형성하게 된다. 탁수는 대부분 장기간 저수지에 체류하며 수질과 수생태계에 큰 영향을 주게 된다. 따라서 저수지로 유입한 탁수의 밀도류 거동특성을 파악하는 것은 저수지 운영, 수질관리 및 수생태계 보호를 위한 관리대책 수립에 있어서 중요한 요소이다. 본 연구의 목적은 횡방향 평균 2차원 수치모델을 이용하여 초기수위별 다양한 유량규모에서 소양호로 유입하는 밀도류의 거동특성(유입경계지점 수심($h_0$), 침강점 수심($d_p$)과 거리($X_p$), 분리점 수심($d_s$), 중층류 관입두께($h_i$), 댐 축 도달시간($t_a$), 희석율(${\beta}$))을 분석하여 저수지 수질관리를 위한 의사결정지원 기초정보를 제공하는데 있다. 밀도류의 거동분석을 위해 사용된 유량조건은 그동안 소양호에서 발생한 홍수크기를 바탕으로 7개의 등급으로 나누었으며, 각각의 유량조건별 수문곡선은 2007년 수문사상 중 7월 30일부터 8월 30일까지의 수문사상을 바탕으로 수정가우시안 공식을 사용하여 산정하였다. 탁수 거동 특성의 모의는 서로 다른 초기 수위 및 유량조건하에서의 탁수거동을 나타냈고, SS농도 25 mg/L 이상을 기준으로 하여 탁수층의 $d_p$, $X_p$, $d_s$, $h_i$, $t_a$, ${\beta}$를 산정하였다. 일반적으로 유량규모가 커질수록 $d_p$와 $d_s$는 증가하였고, $X_p$는 댐 축으로부터 가까워짐이 확인되었으나, 동일 유량규모에 대해 초기 수위가 증가함에 따라 $X_p$는 대체로 댐으로부터 멀어졌다. $h_i$는 유량규모가 증가함에 따라 완만하게 증가하는 경향을 보였고, $t_a$는 초기수위가 EL. 165 m일 때 유량이 2,000 CMS 미만인 경우 댐 앞까지 도달하지 못하는 것으로 나타났으며, 나머지 수위조건에서는 유량이 3,000 CMS 미만인 경우 댐 앞까지 도달하지 못하는 것으로 나타났다. 유량 규모에 따라 $X_p$가 0 km인 지점과 19 km인 지점에서의 ${\beta}$ 값을 산정한 결과 일반적으로 유량규모가 커질수록 유입수의 희석효과는 작아지며 초기수위가 커질수록 증가하는 경향을 나타냈다. 연구 결과는 탁수 발생 초기 저수지 운영 실무자들이 유량규모 및 초기 수위조건에 따른 밀도류의 거동특성을 신속히 예측하는 목적으로 사용될 수 있다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2008.05a
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• pp.379-383
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• 2008

본 연구의 목적은 3차원 수리 모델인 ELCOM(Estuary, Lake and Coastal Ocean Model)과 물질 전달모델인 CAEDYM(Computational Aquatic Ecosystem Dynamic Model)을 이용하여 성층화된 저수지로 밀도류 형태로 유입한 부유사의 이송과 확산 그리고 침강특성을 해석하는데 있다. ELCOM은 3차원 수리동력학 모델로써 시공간적인 유속과 수온변화를 예측하는데 사용되었으며, CAEDYM과 매 계산시간 마다 동적으로 연결(Dynamic coupling)되어 부유입자의 이송, 확산, 침강 과정을 모의하였다. 개발된 3차원 모델의 예측 성능은 2004년 홍수기 동안 대청호에서 실측한 자료를 사용하여 검증하였다. 모델의 모의변수는 입자크기별로 구분된 부유물질(SS) 그룹이며, 현장 실측자료인 탁도($C_T$)와 모델 변수인 SS간의 변환을 위해 저수지 지점 별로 측정한 SS-$C_T$ 상관관계를 사용함으로써 부유 입자의 크기분포의 공간적 변동 특성을 반영하였다. 모델은 탁수가 유입하는 환경에서 저수지 성층구조의 변화와 유입 탁수의 밀도류 거동특성, 유입한 부유사의 이송과 확산 그리고 침강특성을 비교적 잘 모의하였다. 저수지로 유입한 부유입자 중 입경이 $20{\mu}m$ 이상인 입자는 매우 빠른 속도로 저수지 바닥에 퇴적된 반면, $10{\mu}m$ 이하의 입자들은 중층에 오랜 시간 부유하며 장기탁수문제를 유발하는 원인이 되었다.

• Korean Journal of Ecology and Environment
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• v.38 no.1 s.110
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• pp.105-117
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• 2005

During the period of heavy rain from 2002 to 2004, the characteristics of the inflow, temporal and spatial fluctuations of high turbid water according to thermal stratification were studied on the Andong Reservoir which is the largest artificial lake in the Nakdong River basin, Korea. Thermal stratification was formed in June. Its structure determined to the pathway of inflowing turbid water and has affected by the transportation of high turbid water. Regardless of the time and amount of inflow, the high turbid water showed the shape of underflow at the riverine zone, separated from the bottom at the transition zone and moved to the lacustrine zone with the shape of density current. The plunging point depended on the time and amount of inflow. The distributions of thermal stratification and DO concentrations were changed by inflowing discharge. Two thermoclines and minimum DO layers were found out existing at metalimnion in a specific time, respectively. The layer of high turbid water which formed with the thickness of 20 m at the maximum below the depth of 15 m moved toward dam. Not settled to the bottom, the newly formed layer was discharged through the intake-outlet and dispersed into all layers by the circulation in the fall.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.41 no.12
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• pp.1219-1230
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• 2008

Stream inflows induced by flood runoffs have a higher density than the ambient reservoir water because of a lower water temperature and elevated suspended sediment(SS) concentration. As the propagation of density currents that formed by density difference between inflow and ambient water affects reservoir water quality and ecosystem, an understanding of reservoir density current is essential for an optimization of filed monitoring, analysis and forecast of SS and nutrient transport, and their proper management and control. This study was aimed to quantify the characteristics of inflow density current including plunge depth($d_p$) and distance($X_p$), separation depth($d_s$), interflow thickness($h_i$), arrival time to dam($t_a$), reduction ratio(${\beta}$) of SS contained stream inflow for different flood magnitude in Daecheong Reservoir with a validated two-dimensional(2D) numerical model. 10 different flood scenarios corresponding to inflow densimetric Froude number($Fr_i$) range from 0.920 to 9.205 were set up based on the hydrograph obtained from June 13 to July 3, 2004. A fully developed stratification condition was assumed as an initial water temperature profile. Higher $Fr_i$(inertia-to-buoyancy ratio) resulted in a greater $d_p,\;X_p,\;d_s,\;h_i$, and faster propagation of interflow, while the effect of reservoir geometry on these characteristics was significant. The Hebbert equation that estimates $d_p$ assuming steady-state flow condition with triangular cross section substantially over-estimated the $d_p$ because it does not consider the spatial variation of reservoir geometry and water surface changes during flood events. The ${\beta}$ values between inflow and dam sites were decreased as $Fr_i$ increased, but reversed after $Fr_i$>9.0 because of turbulent mixing effect. The results provides a practical and effective prediction measures for reservoir operators to first capture the behavior of turbidity inflow.

• Korean Journal of Ecology and Environment
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• v.41 no.3
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• pp.360-366
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• 2008

The spatial and temporal variations of the high turbid water by a single event of heavy rain (total 299.1 mm and daily maximum 99.4 mm) were studied in Andong Reservoir, which has hypolimnetic discharges. Turbid water entered into the reservoir, was isolated from the bottom at the midreservoir and then passed through the metalimnion as an interflow current in the lacustrine zone. Maximum turbidity was 290 NTU at 16 m depth of the midreservoir, but the initial turbidity showed about 10 NTU in the reservoir before the rainfall. Turbid water in the reservoir affected to increase the withdrawal turbidity from the 3rd day after the rainfall, the maximum turbidity was 129 NTU at 5th day after the rainfall. Turbid water that flew towards the downreservoir distributed within 5 m above the outlet gate of the intake tower, showing the maximum turbidity, and that was decreased in its thickness and concentration by discharging through the intake tower. It has taken 38 days until the turbidity in the withdrawal reduced to 30 NTU, and 87 days to reduce the turbidity to the way when it was before the rainfall, with the correlation coefficient of 0.96 and 0.97, respectively. Turbid water was withdrawn from the reservoir by entraining into the intake tower as a form of the interflow, and not be settled down to the bottom of the reservoir. Therefore, we assessed that the depth of the withdrawal was appropriately positioned in Andong Reservoir, so as to withdraw the turbid water effectively from the reservoir.