CE-QUAL-W2를 이용한 소양호의 중층 저산소층 모의 평가 = Assessment of Metalimnetic oxygen minima in Lake Soyang using CE-QUAL-W2 model

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 소양호를 대상으로 최근 기후변화 및 유역 오염원 유입 패턴 변화에 따라 발생하는 중층 저산소층(Metalimnetic Oxygen Minimum, MOM)의 형성 메커니즘을 규명하고, 풍속과 유기물(DOC) 변화가 용존산소(Dissolved Oxygen) 수직 구조에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다. 이를 위해 횡방향 평균 2차원 수리·수질 모델인 CE-QUAL-W2를 구축하고, 2023년부터 2024년까지 2년간의 모의를 진행했다. 모델 보정 결과, 수위(R2=0.99), 수온(R2=0.97), DO(R2=0.65) 모두 높은 재현성을 보여 모델이 대형 성층 저수지의 복잡한 수리·수질 현상을 모의하기에 적합함을 입증하였다. 모의 결과, 소양호의 MOM은 매년 6월 중순 발생하여 8-10월 사이 수심 20-35 m 구간에서 최대로 발달하는 구조적 특성을 보였다. MOM의 변동성에 미치는 물리적·생지화학적 인자의 영향을 평가하기 위해 수행한 민감도 시나리오 분석 결과, 풍속 20% 감소 시 2024년 MOM 지속 기간이 기준 대비 약 27% 연장되는 등 물리적 차폐 효과에 의한 저산소 심화 가능성을 확인하였다. 용존유기탄소(DOC) 부하량 20% 증가 시 2024년에는 MOM 지속 기간이 기준의 3배 이상인 34일까지 급증하여 전 시나리오 중 가장 높은 민감도를 나타냈으며, 이를 통해 호소의 산소 회복 탄력성 저해 가능성을 확인하였다. 기후변화 시대의 저수지 수질 관리는 단순히 물리적 대응을 넘어 유역 내 유기물 부하 저감을 통한 생지화학적 연결고리 차단 전략이 병행되어야 한다. 본 연구 결과는 대형 호소의 댐 설비를 효율적으로 운영하고, 수생태계 건강성을 유지하기 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aimed to elucidate the formation mechanisms of the metalimnetic oxygen minimum (MOM) in Lake Soyang, which has been increasingly observed due to recent climate change and shifting patterns of watershed pollutant inflow. The study quantitatively assessed the impacts of variations in wind speed and dissolved organic carbon (DOC) on the vertical structure of dissolved oxygen (DO). For this purpose, a laterally averaged two-dimensional hydrodynamic and water quality model, CE-QUAL-W2, was developed and applied for simulations spanning 2023 to 2024. Calibration results demonstrated high reliability, with R2 values of 0.99 for water level, 0.97 for water temperature, and 0.65 for DO, proving the model's suitability for simulating complex processes in a large stratified reservoir. Simulation results revealed that MOM in Lake Soyang typically begins to form in mid-June and reaches its maximum development between August and October at depths of 20 to 35 meters. Sensitivity analysis of physical and biogeochemical factors showed that a 20% decrease in wind speed led to a 27% extension of the MOM duration in 2024 compared to the baseline, confirming the potential for intensified hypoxia due to wind sheltering effects. Furthermore, a 20% increase in DOC loading resulted in a dramatic surge in the MOM duration to 34 days—more than three times the baseline—exhibiting the highest sensitivity among all scenarios and indicating a significant reduction in the lake's oxygen recovery resilience. These findings suggest that reservoir water quality management in the era of climate change must move beyond physical interventions and incorporate strategies to decouple biogeochemical links through the reduction of watershed organic matter loads. The results of this study are expected to serve as fundamental data for the efficient operation of dam facilities and the maintenance of aquatic ecosystem health in large reservoirs.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• II. 이론적 배경 4
• 2.1. 저수지 내 용존산소 거동 4
• 2.2. CE-QUAL-W2를 이용한 저수지 연구 동향 6
• 2.3. 용존산소 최소층 연구 동향 8
• III. 재료 및 방법 10
• 3.1. 연구 대상지 10
• 3.2. 모델 구성 절차 13
• 3.2.1. CE-QUAL-W2 모델 개요 13
• 3.2.2. 모델 입력자료 구성 16
• 3.2.3. 모델 수치격자 구성 18
• 3.3. 모델 보정 및 검증 22
• 3.4. 시나리오 설정 24
• IV. 결과 및 고찰 26
• 4.1. 모델 보정 및 검증 결과 26
• 4.2. 용존산소 최소층 시공간 분포 특성 31
• 4.3. 시나리오별 MOM 변화 36
• 4.3.1. 풍속 변화에 따른 산소 변동 특성 36
• 4.3.2. DOC 부하 변화에 따른 생지화학적 산소 소비 특성 40
• 4.3.3. 시나리오별 MOM 민감도 비교 44
• V. 결론 50
• VI. 참고문헌 52
• Abstract 67