[논문]새만금호 완공에 따른 수질변화 모의

서승원; 이화영

doi:10.12652/ksce.2008.28.1b.079

새만금호 완공에 따른 수질변화 모의
Water Quality Simulations After Completion of Saemangeum Reservoir Construction 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, B. 수공학, 해안 및 항만공학, 환경 및 생태공학, v.28 no.1B, 2008년, pp.79 - 93

서승원 (군산대학교 해양시스템공학전공) , 이화영 (군산대학교 대학원 해양산업공학과)

초록
AI-Helper

방조제 공사 이후 제한된 배수갑문을 통한 해수유통으로 물리 환경이 크게 변화된 새만금호 내부의 수질특성을 이해하기 위해 EFDC 모델을 이용한 수치모의를 실시하였다. 수동역학 모델링 결과는 새만금 외해역의 순환양상 및 호 내부의 superelevation을 재현하는 등 관측결과와 부합된다. 방조제 공사 이전의 관측 자료를 이용한 수질 모델링의 보정 및 검증을 실시하였다. 만경 및 동진강 유량과 조간대가 수질에 미치는 영향을 검토하기 위한 민감도 분석도 실시되었다. 여름철 만경 동진강 입구역의 수심 평균된 DO 농도는 방조제 완공 이후 배수갑문을 통한 외해측과의 해수교환 영향력의 감소로 오염물질 배제 기능이 상실되고 상시 침수 조간대의 확대로 인한 SOD 소비의 영향으로 인해 2 mg/L 정도 까지 떨어진다. 그러나 호 중앙부는 개방된 배구갑문을 통해 소통되는 해수의 영향으로 인해 DO의 저하가 크게 심화되지 않는다. 새만금 방조제 완공 후, 만경 동진강 입구역 부근의 저층에서 급격한 산소소비로 여름철 연직방향의 DO 분포는 표저층간 6~7 mg/L의 큰 격차를 보이는 등 새만금호의 상류부 저층에서는 상당한 수질저하 현상이 나타나는 것으로 예측되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Water quality simulations on the Saemangeum inner reservoir have been carried out using EFDC model to understand water quality variations caused by abrupt physical changes due to closing of tidal barrier. According to hydrodynamic simulation, model reproduces not only outer regional dynamics but also inner superelevation very well. Calibration and verification of water quality models accomplished using observed data taken before closing. Also sensitivity tests regarding riverine discharges and tidal flats were done. Due to enlarging of always wet zone caused by super elevation on inner tidal flats, predicted DO decreases at that region as a result of SOD. Moreover shrink of mixing zone after closing of dike causes deteriorating of water quality showing DO as 2 mg/L during summer at Mangyeong and Dongjin estuaries, however it does not spread to middle part of the reservoir. Vertical stratification occurs after closing and shows vertical differences in DO concentration at least 6 mg/L to 7 mg/L in summer season. Most part of the reservoir is getting stratified and it leads to an oxigen deficit zone near bottom.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 새만금 방조제 완공 전·후로 변화된 조간대 물리적 특성이 반영된 새만금 방조제 완공 후의 호 내부의 수질을 평가 하고자 하였다. 본 논문에서는 새만금 방조제 완공으로 수리특성이 변화된 호 내부의 수질을 Superelevation과 조간대의 물리적 특성 변화를 동시에 고려하여 평가하는 연구 내용을 다룬다. 본고에서 접근하고 제시하는 호 내부 평균수위의 상승으로 인한 내부 조간대의 물리특성 변화와 관련된 수체-저질간의 관계를 고려한 수질 변화 평가는, 새만금 방조제 완공 후의 수질을 예측·평가한 다수의 기존 연구(해양수산부, 2005; 농어촌연구원, 2004; 서승원 등, 2006)에서는 고려되지 못한 것으로, 호 내부의 평균수위 상승으로 인한 조간대의 물리적 변화 등이 수질에 미치는 중요성을 제시하는 등 의미 있는 연구이다.
본 연구는 호남SG 지원에 의해 수행되었기에 심심한 사의를 표한다. 군산대학교 해양개발연구소의 논문 인쇄비 지원에도 사의를 표한다.
본 연구에서는 새만금 방조제 완공 전·후로 변화된 조간대 물리적 특성이 반영된 새만금 방조제 완공 후의 호 내부의 수질을 평가 하고자 하였다.
본 연구에서는 수질 자료 이외에 만경·동진강으로부터 유입되는 유량을 월 평균된 하천유량으로 취한 제한사항과 호 내부의 변화된 조간대의 영향이 중요하게 작용할 수 있어 이에 대한 민감도 분석을 실시하였다.
퇴적층 모델의 반응기작은 그림 2와 같이 크게 3가지 과정으로 (1)입자성 유기물질이 수체로부터 퇴적층의 유산소 및 무산소층으로 퇴적되는 침강 과정과 (2)입자성 유기물질이 퇴적층에서 광물화 되는 속성작용 과정, 그리고 (3)수용성 물질의 일부를 입자로 변환시켜 확산과 물질혼합 과정에 의해 유산소층으로 수송되는 과정으로 구분된다(환경부, 1999). 본 연구에서는 저니토와 수체간의 용출 및 침강을 고려한 수질모의를 고려하여 부분적으로 정체된 하구호의 수질해석에 정도를 높이고자 하였다.
새만금 방조제 완공에 따른 수리특성이 변화된 호 내부의 수질을 평가하고자 저니토와 수체간의 반응을 고려한 연구를 진행하였다. 실제 모의에 앞서 수질모델의 검보정이 선행되어졌는데, 2004년의 수질자료를 이용한 보정과 2005년 5개월간 모델의 검증을 통하여 수질모델의 신뢰성을 확보하였다.

가설 설정

그러나 방조제 완공 후인 2006년의 수질자료는 확보하지 못하여 외해 및 만경·동진강으로부터 유입되는 수질인자들의 수치는 매년 크게 변동함이 없다는 가정 하에 2004년도의 값을 사용하여 분석에 활용하였다.

제안 방법

광역모델을 이용하여 방조제 완공 전·후의 호 내부 수리특성을 계산하여 내부모델에 반영한 후 Temperature, Salinity, chl-a, T-P, NH3-N, NO3-N, COD, DO에 대하여 계절적인 변화 등을 파악하도록 365일간 모의 하였다.
새만금호 제방 완공 전후로 수동역학 변화가 급격하게 발생하며(서승원·조완희, 2007), 이에 따른 수질변화가 수반되는데 본 논문에서는 대표적으로 수심 평균된 DO에 대하여 계절적인 평면분포를 도시하여 그림 12에 제시하였다.
새만금호의 수질모의를 위해서는 호 내외부를 포함한 영역을 설정하여 해수교환과 조석의 영향을 충분히 반영하여 모의하는 것이 바람직하지만, 계산의 효율성과 외해역 수질자료의 부재 등을 감안하여 그림 1에 보이는 바와 같이 광역 모델과 내부모델로 구분하여 모의한다. 외해역이 포함된 광역은 7500 개의 셀로 구성된 격자망을 이용하여 여기서 계산된 수리특성이 호 내부의 모의에 반영되도록 하였다.
앞서 언급한 바와 같이 하천으로부터 유입되는 유량은 월평균 유량을 기준으로 설정하여(base line), 이를 50% 감소 및 증가시켜 변화정도를 검토하였다. 반응하는 수질변화의 결과는 수심 평균된 자료로 그림 10에 제시된다.
그림 3에서 보는 바와 같이 새만금호 외해역에서의 남북 및 동서방향의 유속과 조위를 잘 재현하고 있음을 알 수 있다. 외해역과 마찬가지로 내부모델에 대한 호 내부의 수리특성을 검증하였다. 그림 1의 정점(St.
새만금호의 수질모의를 위해서는 호 내외부를 포함한 영역을 설정하여 해수교환과 조석의 영향을 충분히 반영하여 모의하는 것이 바람직하지만, 계산의 효율성과 외해역 수질자료의 부재 등을 감안하여 그림 1에 보이는 바와 같이 광역 모델과 내부모델로 구분하여 모의한다. 외해역이 포함된 광역은 7500 개의 셀로 구성된 격자망을 이용하여 여기서 계산된 수리특성이 호 내부의 모의에 반영되도록 하였다. 내부 모델은 1520 개의 셀로 구성하였다.
초기조건의 불확실성 및 적용된 매개변수의 상호 중요성을 평가하기 위한 민감도 분석을 실시한다. 본 연구에서는 수질 자료 이외에 만경·동진강으로부터 유입되는 유량을 월 평균된 하천유량으로 취한 제한사항과 호 내부의 변화된 조간대의 영향이 중요하게 작용할 수 있어 이에 대한 민감도 분석을 실시하였다.
앞서 기술한 바와 같이 방조제 완공 후 정체된 수동역학적 특성에 기인되어 연직방향의 수질이 시공간적으로 달라질 수 있는 등의 특이성이 있다. 특히 흐름이 약한 내만 해역에서는 하계수온 상승에 의한 수온성층화, 유역의 담수유입 및 대기로부터의 강수유입에 의한 염도성층화 현상이 발생할 수 있으므로(박상근, 1998; Smith 등, 1996; 조홍연 등, 2002) 앞서 제시된 특정 비교 정점에서 수온과 염분의 연직방향의 구조를 DO와 연관 지어 분석한다.
평면격자는 직교 곡면형 선형좌표계(Orthogonal Curvilinear Coordinate System)를 사용하였고, 연직방향은 5개의 σ-level로 구성하였다.
이는 비교적 수심이 낮은 만경·동진강 유역에서는 유입되는 하천유량이 영향을 미치고 있는 반면, 수심이 상대적으로 깊은 호 내의 정점에서는 그 변동이 작기 때문인 것으로 판단된다. 하천 유량이 동일하게 주어지는 경우, 조간대 처리 여부에 따른 민감도를 알아보기 위하여 조간대 처리에는 침수를 판단하기 위한 수심을 0.15 m, 노출을 판단하기 위한 수심을 0.1 m로 설정하여 침수와 노출을 고려하도록 하였고 조간대를 고려하지 않은 경우에는, 호 내부의 만조시 조위인 2.5 m를 최소수심으로 설정하여 항상 잠겨 있는 상태로 모의하였다. 조간대 처리시 노출면의 수질은 계산되지 않고 침수시에만 수체-저층간의 용출 및 침강작용이 고려되어 계산된다.

대상 데이터

본 연구에서 수질모의를 수행하기 위한 하천의 오염부하는 만경·동진강으로부터 유입되는 것을 관측한 만경B 와 동진B 정점에서의 값을 사용하였고, 외해로부터 유입되는 오염부하로는 SM2와 동진3 정점에서의 관측 값을 사용하였다. 2004년도의 수질자료는 12개월, 2005년도는 5개월간 매월 관측된 수질자료를 수심 평균하여 모델링에 사용하였다. 그러나 방조제 완공 후인 2006년의 수질자료는 확보하지 못하여 외해 및 만경·동진강으로부터 유입되는 수질인자들의 수치는 매년 크게 변동함이 없다는 가정 하에 2004년도의 값을 사용하여 분석에 활용하였다.
7 km) 당시의 1년간의 수심 평균한 수질 자료(농업기반공사, 2005)를 가지고 모델 변수에 대한 보정을 진행하였고 2005년 4월부터 8월까지 검증을 실시하였다. 계산 결과의 제시는 지면의 제약으로 모의된 인자들 가운데 대표적으로 DO와 COD만을 대상으로 한다. 타 수질 항목의 모의 결과 및 검토는 본 연구의 공동저자의 학위논문(이화영, 2007)을 참조하면 좋을 것이다.
그러나 사업시행 주체인 농업기반공사(현 한국농촌공사)를 비롯하여, 한국해양연구원 및 인근의 군산대학교 새만금환경연구센터 등에서 축척한 자료와 개별 연구진에 의해 관측된 자료가 현재까지 이용 가능한 자료이다. 그중에서 외부의 연구자가 공개적으로 이용할 수 있는 수질자료는 매우 제한되어 있는데, 본 연구에서는 농어촌기반공사 새만금사업단에서 2004-2005년 관측한 자료를 중점적으로 이용하였으며, 관측된 수질인자들을 본 논문의 부록편에 수록하였다. 관측 정점도는 그림 5에 제시된다.
외해역이 포함된 광역은 7500 개의 셀로 구성된 격자망을 이용하여 여기서 계산된 수리특성이 호 내부의 모의에 반영되도록 하였다. 내부 모델은 1520 개의 셀로 구성하였다. 평면격자는 직교 곡면형 선형좌표계(Orthogonal Curvilinear Coordinate System)를 사용하였고, 연직방향은 5개의 σ-level로 구성하였다.
본 연구에 적용되는 새만금 광역모델의 타당성을 평가하기 위하여 그림 1에 제시된 정점(St.1)에서 방조제 2.7 km 개방 상황인 2005년 7~8월에 걸쳐 기 관측된 조석자료(군산지방 해양수산청, 2005)를 이용하여 수동역학 모듈에 대한 검증을 수행하였다. 그림 3에서 보는 바와 같이 새만금호 외해역에서의 남북 및 동서방향의 유속과 조위를 잘 재현하고 있음을 알 수 있다.
그러나 수질과 유량을 측정 및 관리하는 기관이 달라 동시에 측정된 자료를 이용하는 것은 어렵다. 본 연구에서 사용한 수질자료 또한 유량 측정이 배제된 측정 자료이므로, 이러한 문제점을 최소한으로 줄일 수 있도록 건교부가 30년간(1959-1988) 관측한 월평균 유량을 사용하였다(그림 6). 이 값은 만경·동진강 유역의 오염물질 유출에 관한 고재원 등(2002)의 연구에서 GIS 도구에 의해 산출된 유량의 검증자료로 이용되어 객관성이 입증된 바 있다.
본 연구에서 수질모의를 수행하기 위한 하천의 오염부하는 만경·동진강으로부터 유입되는 것을 관측한 만경B 와 동진B 정점에서의 값을 사용하였고, 외해로부터 유입되는 오염부하로는 SM2와 동진3 정점에서의 관측 값을 사용하였다.
본 연구에서 취한 새만금호의 수질 검증 및 보정 방법은 2004년(개방구간 2.7 km) 당시의 1년간의 수심 평균한 수질 자료(농업기반공사, 2005)를 가지고 모델 변수에 대한 보정을 진행하였고 2005년 4월부터 8월까지 검증을 실시하였다. 계산 결과의 제시는 지면의 제약으로 모의된 인자들 가운데 대표적으로 DO와 COD만을 대상으로 한다.
본 연구에서는 시화호에 적용된(서승원 등, 2002; 서승원·김정훈, 2003) 수질모델인 ICM을 근간으로 하지만, 수동역학과 일체로 모의되는 3차원의 EFDC 모델을 수치모델로 선정하였다.
새만금 방조제 완공에 따른 수리특성이 변화된 호 내부의 수질을 평가하고자 저니토와 수체간의 반응을 고려한 연구를 진행하였다. 실제 모의에 앞서 수질모델의 검보정이 선행되어졌는데, 2004년의 수질자료를 이용한 보정과 2005년 5개월간 모델의 검증을 통하여 수질모델의 신뢰성을 확보하였다. 이와 함께 모델의 민감도 분석을 통해 새만금호의 수질 모의시에는 하천의 유량과 같이 조간대 처리 또한 중요하게 작용할 수 있음을 확인하였다.

이론/모형

새만금호에 적용하는 EFDC 모델의 수질 반응계수는 국내에서 시화호에 EFDC 수질 모델의 근간인 ICM 모델을 적용하여 좋은 상관성 및 수질 재현성과를 얻은 바 있는 서승원·김정훈(2003) 등에서 적용한 계수를 기초로 하였다. 국내 적용 예가 희박한 경우는 미국 환경보호청에서 제안하는 상수 및 변수(Bowie 등, 1985) 및 Cerco 등(1994)이 제시한 값을 준용함으로써 국내 적용 예가 없는 경우 등도 모델 검보정에 충실하도록 하였으며 표 2 제시하였다.
새만금호에 적용하는 EFDC 모델의 수질 반응계수는 국내에서 시화호에 EFDC 수질 모델의 근간인 ICM 모델을 적용하여 좋은 상관성 및 수질 재현성과를 얻은 바 있는 서승원·김정훈(2003) 등에서 적용한 계수를 기초로 하였다.
이 모델은 US EPA의 Public Domain에 공개된 후, 다양한 버전으로 발전되었는데, 본 연구에서는 Dynamic Solution사의 Craig(2004)에 의해 전·후처리 기능이 추가되고 원시코드를 Fortran 95로 재코딩한 EFDC_DS 버전을 사용하였다.

성능/효과

결과가 수록된 그림 13을 살펴보면 배수갑문의 영향을 받는 정점 St. M2의 수심 평균된 DO 및 COD 농도는 새만금 방조제 완공 전·후로 큰 차이를 보이지 않으며, St. D2에서도 정도의 차이는 있으나 DO의 경우 2 mg/L, COD의 경우 1 mg/L 내외의 감소만 보일뿐 방조제 완공 전(2004년) 상황과 유사한 양상을 나타낸다.
D2의 경우, 두 정점 모두 DO와 COD는 계절적인 특성을 보이며 매우 높은 신뢰도 내에서 관측치와 일치함을 나타낸다. 모델 검증결과가 제시된 그림 8에서도 강 입구역에 위치하는 정점과 호 중앙 내부에 위치하는 정점에서 매우 높은 신뢰도 내에서 관측치와 일치됨을 확인할 수 있었다. 새만금호의 평면적인 수심 평균된 수질변화(DO)의 분포 역시 그림 9에 제시된 것처럼 뚜렷한 계절적인 변화를 잘 반영하고 있음을 보여주며, 개방구간으로부터 유입되는 해수의 영향을 크게 받고 있음을 나타낸다.
수심 평균된 모의 결과에 따르면, 방조제 완공 후 배수갑문만을 통해 소통되는 해수의 영향력 감소로 만경·동진강하구의 기능이 상실되어 여름과 가을철 강 입구역 등에 빈산소 현상이 나타난다.
실제 모의에 앞서 수질모델의 검보정이 선행되어졌는데, 2004년의 수질자료를 이용한 보정과 2005년 5개월간 모델의 검증을 통하여 수질모델의 신뢰성을 확보하였다. 이와 함께 모델의 민감도 분석을 통해 새만금호의 수질 모의시에는 하천의 유량과 같이 조간대 처리 또한 중요하게 작용할 수 있음을 확인하였다.

후속연구

새만금호는 아직 수문 운영에 대한 명확한 계획이 없이 상시 개방되어 있으나, 향후는 홍수시의 내수위 조절 및 수리·수질관리 측면에서 인위적인 조절을 시도하게 된다.
D2)에서도 다소 차이를 나타내고 있음을 알 수 있다. 이는 새만금호 내부 수질모의시 조간대의 고려가 하천 유량과 같이 중요하게 작용할 수 있음을 시사하지만, 보다 정도 있는 평가를 위해서는 심도 있는 연구가 필요할 것으로 판단된다.
D2에서도 방조제 완공 전에는 성층화 현상이 거의 나타나지 않으나, 완공 후 표·저층간의 차이는 겨울철에 1‰ 내외, 여름철에 10‰ 이상의 큰 차이를 보이며 이런 성향은 계절에 관계없이 지속적으로 나타나는 것으로 모의되었다. 이러한 성층화 현상은 내부 연직방향으로의 혼합 확산작용이 크게 둔화된 결과이며, 향후 수질 오염이 장기간 지속될 수 있는 가능성이 있는 것으로 추론된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국외의 조간대에 관한 연구는 무엇이 있는가?	조간대에 관한 연구는 국외의 경우 생태계 및 영양염 순환을 다룬 연구(Odum, 1985)와 오염물질 제거 등에 관한 연구(Nakata 등, 1994)등이 있으며, 국내에서는 생물상을 중심으로 한 연구(유선재·김종구, 1999)와 유기물 분해능력 평가에 대한 연구(김종구·유선재, 2001)등이 주를 이루며 근자에는 수치모델을 이용한 조간대(갯벌)의 수질정화능력을 산정한 연구(신범식·김규한, 2007)등이 있다.
	만경·동진강 하구역에 위치하는 조간대의 물리특성이 변화한 이유는?	새만금호 내부의 만경·동진강 하구역에 위치하는 조간대는 하구의 순기능과 함께 주변 생태계에 중요한 역할을 하고 있으나, 새만금 방조제 완공 후 조석의 영향력 감소로 인해 조간대의 물리특성이 변화되고 하구의 순기능이 상실되어 이러한 하구와 조간대의 기능 저하는 호 내부 수질 및 생태에 악영향을 미칠 수 있다. 이러한 추론의 근거는 Zheng 등(2004)이 염습지(salt marsh)에서 SOD의 영향으로 수체내 DO가 급격히 소모되어 저하되는 것을 관측자료 및 dry-wet 처리를 통한 수치모델을 이용하여 발표한 바와 같이 새만금 물막이 이전의 기존 조간대와 달리 물리적으로 변화된 환경이 수질에 직접적으로 영향을 미치고 있는 것으로 이해할 수 있다.
	새만금호의 신시·가력 배수갑문 상시개방이 가지는 특성은?	북미, 남미 그리고 호주에서는 자연하구에서 다양한 목적으로 인위적으로 간헐적인 방류를 실시하여 이로 인한 염분 농도의 변화와 저니토 재부유 유발과 단기간으로는 플랑크톤 양의 변화 등 하구개방 문제가 심각하게 대두되고 있지만(Gladstone 등, 2006), 이와 달리 현재 상시 개방된 신시·가력 두 배수갑문을 통하여 해수가 소통되면서 새만금호 내부는 해수의 유출입 영향으로 수리특성이 변화되었고 외해역은 부차적으로 수리 및 환경변화가 유발되고 있다. 방조제 완공 후 호 내부의 수리 특성 변화를 심도 있게 다룬 서승원·조완희(2007)는 배수갑문의 상시 개방을 통한 해수 소통은 인위적인 Tidal Inlet의 특성을 띠며, 호 내부의 평균수위가 상승(Superelevation)하는 등 새만금호 내부의 수리특성의 변화가 수리·수질 및 생태환경의 변화를 유발시킬 수 있음을 제시한 바 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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