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문제 정의
- 따라서 홍수시 유입한 유사의 공간적 퇴적 양상을 정량적으로 해석하고 호소 지형의 장기적인 변화를 예측하기 위해서는 다차원 수치모델의 적용이 필요하다. 본 글에서는 하천과 하구담수호에 적용이 가능한 3차원 수리, 수질, 유사 해석 모델인 EFDC를 소개하고, 2009년 수문사상을 대상으로 실측한 새만금호 유입 유사의 물리적 특성을 이용하여 홍수시 유입하는 유사의 공간적 퇴적분포 특성을 고찰하고 모델의 적용성을 평가하였다.
가설 설정
- EFDC 모형의 물리학과 수치 계산적 측면은 Blumberg-Mellor모형과 미국공병단의 Chesapeake Bay 모형과 유사다. 가변 밀도 흐름에 대한 수직적으로 정수압을 가정하며, 자유표면, 그리고 Reynolds 난류 평균의 3차원 운동 방정식의 해를 구한다. 운동방정식에 동력학적으로 연결된 난류운동에너지, 난류 혼합 길이, 염도, 그리고 온도 이송 방정식 또한 함께 풀어지며, 난류관련 변수 2개의 이송방정식은 Mellor-Yamada level 2.
제안 방법
- 구축된 지형자료에 대한 물수지의 신뢰성을 확인하기 위하여 만경대교와 동진대교에서의 유입량과 앞에서 언급한 방법을 토대로 산정한 신시 배수갑문과 가력배수갑문에서의 방류량을 입력하여 모의하였다. 모의 연도에 따라 신시배수갑문 앞 측에서의 모의 수위와 실측 수위를 비교 평가하였다(그림 4).
- 모델에 입력되는 SS농도는 입자의 크기에 따라 점착성 3개와 비점착성 1개로 나누어 입력되며 각입경 분포에 해당되는 농도 분율로 입력된다(표 4). 농도 분율의 산출은 2009년 강우시와 비강우시 만경대교와 동진 대교에서 현장조사를 통해 채취한 시료의 SS 입경분포를 측정한 값을 토대로 산정하였다. 강우시와 비강우시 모두 부유사의 입도 분석 결과 90% 이상이 점착성 퇴적물인것으로나타났다.
- 경계조건은 유입유량, 방류량, 유입수 수온, SS, 염도 그리고 기상자료 등으로 나눌 수 있다. 모의 연도에 대한 상류 하천의 유입량은 만경강 대천 지점과 동진강 신태인 지점에서의 관측 수위를 수위-유량 곡선식에 적용하여 유량을 산정한 후 유역면적비를 적용하여 만경대교 지점과 동진대교 지점에서의 일 유량을 산정하였다. 일유량을 사용할 경우 큰 홍수 사상이 있을 경우 유량과 유사량값을 과소평가할 수 있기 때문에 이를 방지하기 위하여 홍수 기간에는 수위-유량 곡선식을 사용하여 산정된 시간별 유출량 자료를 사용하였다.
- 구축된 지형자료에 대한 물수지의 신뢰성을 확인하기 위하여 만경대교와 동진대교에서의 유입량과 앞에서 언급한 방법을 토대로 산정한 신시 배수갑문과 가력배수갑문에서의 방류량을 입력하여 모의하였다. 모의 연도에 따라 신시배수갑문 앞 측에서의 모의 수위와 실측 수위를 비교 평가하였다(그림 4). 2009년에 대해 모의 기간별 비교 평가 방법으로 AME와 RMSE를 산정한 결과 각각 0.
- 새만금 유입 지점인 만경대교와 동진대교에서의 수온 시계열 변화를 모의값과 월별 실측값을 비교하여 AME, RMSE을 산정하였다. 지점 ME1, ML2, DE1, DL2에 대해 ME1 지점에서 AME, RMSE는 각각 2.
- 새만금호를 대상으로 3차원 수리, 수질, 유사 해석 모델인 EFDC를 구축하고 2009년 홍수시에 호내로 유입한 유사의 공간적 퇴적분포 모의를 위해 모형을 적용하고 실측자료와 비교함으로써 모델의 적용성을 평가하였다. 물수지의 재현성에 있어 새만금호와 같은 하구담수호는 유입량과 방류량 실측자료가 확보되지 않아 산정된 유입량, 방류량 자료를 사용하였으나, 비교적 물수지 모의를 성공적으로 수행할 수 있었다.
- 일유량을 사용할 경우 큰 홍수 사상이 있을 경우 유량과 유사량값을 과소평가할 수 있기 때문에 이를 방지하기 위하여 홍수 기간에는 수위-유량 곡선식을 사용하여 산정된 시간별 유출량 자료를 사용하였다. 신시 배수갑문과 가력 배수갑문을 통한 방류량은 농어촌공사에서 측정한 2009년 새만금호 내측 수위와 저수지 내용적 관계를 식 (6)과 같은 지수함수로 나타냈고, 각 수위별 저수 용량을 산정한 다음 유입량과 산정된 저수용량을 바탕으로 저류함수식 (7)을 이용하여 방류량을 산정하였다.
- 유입수 수온은 물환경정보시스템에서 제공하는 자료 중 만경 제수문과 동진 제수문의 수온과 유량자료를 활용하고, 전주기상대의 기온 자료를 포함하여 회귀 분석하여 산정 하였다. 만경 대교 지점과 동진 대교 지점의 수온 회귀 방정식을 각각 식 (8)과 식 (9)에 나타내었고 R2 값은 각각 0.
- 해수유통의 영향을 주로 받는 호 내 만경수역과 동진 수역의 주요 지점에서의 염도 시계열 변화를 모의값과 월별 실측값을 비교하였으며 각 지점의 염도 최대값과 최소값 그리고 AME와 RMSE 값을 산정하였다. 지점 ML3, ML4, DL3, DL4에 대해 AME와 RMSE은 지점 ML3에서 각각 1.
대상 데이터
- 새만금호의 수치해석을 위한 유한차분 격자는 한국 농어촌 공사 새만금 사업단에서 측량한 수치지도를 이용하여 구성 하였다. 수평방향으로는 직교곡선 좌표계, 수직방향으로는 시그마(sigma) 좌표계를 사용하여 총 활성화된 셀 개수는 1,593개 이고 종단방향 51개, 횡단 방향 66개이다(그림 3).
- 유사 거동/퇴적 모형의 모의 연도는 2009년을 선정하여 모의 하였다. 초기 수온과 염도는 한국농어촌공사 새만금사업단의 월별 측정한 자료를 사용하였다.
- 유사 거동/퇴적 모형의 모의 연도는 2009년을 선정하여 모의 하였다. 초기 수온과 염도는 한국농어촌공사 새만금사업단의 월별 측정한 자료를 사용하였다. 퇴적층의 초기 조건은 바닥 퇴적층을 1개의 층으로 구분하고 두께를 0.
데이터처리
- 모의 연도에 대해 모의 수온과 실측 수온을 비교하여 최대값과 최소값 그리고 AME, RMSE를 산정하였다(표 2).
- 45정도로 격자구성이 적절히 이루어 졌다(그림 2). 지형자료의 신뢰성을 확인하기 위해 모델에서 계산된 저수지 수위별 저수용량과 실측자료를 비교하여 AME(Absolute Mean Error), RMSE(Root Mean Square Error), R2(Coefficient of determination)을 산정하였다. AME와 RMSE는 각각 15.
이론/모형
- 비점착성 퇴적물은 침강 속도식 Van Rijn(1984)식을 사용한다(5). 비점착성 퇴적물은 입자의 크기가 비교적 크기 때문에 독립적인 침강이 이루어지며, 방정식에서 침강속도는 입자의 직경, 중력, 입자의 밀도와 레이놀즈수에 영향을 받는다.
- 일반적인 흐름 통제에 쓰이는 구조물들(위어, 여수로, 암거 등)의 효과에 대한 해석도 가능하다. 식생이 많은 지역의 흐름을 해석하기 위해 EFDC 모델은 2개의 3차원 마찰 방정식을 사용한다. 또한 WASP이나 CE-QUAL-ICM과 같은 수질 모형에 연결되어 사용할 수 있도록 흐름장 출력화일을 제공한다(Hamrick, 1992).
- 가변 밀도 흐름에 대한 수직적으로 정수압을 가정하며, 자유표면, 그리고 Reynolds 난류 평균의 3차원 운동 방정식의 해를 구한다. 운동방정식에 동력학적으로 연결된 난류운동에너지, 난류 혼합 길이, 염도, 그리고 온도 이송 방정식 또한 함께 풀어지며, 난류관련 변수 2개의 이송방정식은 Mellor-Yamada level 2.5 난류 폐합 방법을 사용한다. EFDC 모형은 용존상 및 부유 입자상 물질에 대한 오일러 방식의 이송 및 수질반응 방정식에 대해 임의 개수에 대해 동시에 해를 구한다.
- 유입수 SS는 2009년 강우시와 비강우시에 유입 경계 지점인 만경대교와 동진대교에서의 현장 실험을 통해 산정된 유량 - TSS곡선식(표 3)을 이용하여 산정하였다. 모델에 입력되는 SS농도는 입자의 크기에 따라 점착성 3개와 비점착성 1개로 나누어 입력되며 각입경 분포에 해당되는 농도 분율로 입력된다(표 4).
- 모의 연도에 대한 상류 하천의 유입량은 만경강 대천 지점과 동진강 신태인 지점에서의 관측 수위를 수위-유량 곡선식에 적용하여 유량을 산정한 후 유역면적비를 적용하여 만경대교 지점과 동진대교 지점에서의 일 유량을 산정하였다. 일유량을 사용할 경우 큰 홍수 사상이 있을 경우 유량과 유사량값을 과소평가할 수 있기 때문에 이를 방지하기 위하여 홍수 기간에는 수위-유량 곡선식을 사용하여 산정된 시간별 유출량 자료를 사용하였다. 신시 배수갑문과 가력 배수갑문을 통한 방류량은 농어촌공사에서 측정한 2009년 새만금호 내측 수위와 저수지 내용적 관계를 식 (6)과 같은 지수함수로 나타냈고, 각 수위별 저수 용량을 산정한 다음 유입량과 산정된 저수용량을 바탕으로 저류함수식 (7)을 이용하여 방류량을 산정하였다.
성능/효과
- 그러나 보다 정확한 수리 및 수질 모의를 위해서는 경계면 유량자료의 실측 또는 신뢰도개선이 필요하다고 판단된다. 2009년을 대상으로 실측한 유입 유사의 양적, 물리적 특성을 바탕으로 EFDC 유사모델의 입력자료를 구성하고 적용한 결과, 유사 거동 및 퇴적 양상을 분석하는데 상당한 신뢰성을 보여주었다. 그러나 새만금호의 퇴적현상은 홍수규모에 따라 상이하며, 공간적으로도 매우 복잡할 뿐만 아니라 수십 년에 걸쳐 일어나는 장기적인 현상임에도 불구하고 가용할 수 있는 실측 유사자료가 제한되어 있어 모델의 충분한 검증은 이루어지지 못하였다.
- 농도 분율의 산출은 2009년 강우시와 비강우시 만경대교와 동진 대교에서 현장조사를 통해 채취한 시료의 SS 입경분포를 측정한 값을 토대로 산정하였다. 강우시와 비강우시 모두 부유사의 입도 분석 결과 90% 이상이 점착성 퇴적물인것으로나타났다.
- 15℃의 값을 보였다. 모의 결과 대체적으로 수온 모의가 적절하게 이루어졌으나 ME1, ML2, DL2 지점에서 모의 후반부에는 실측값에 비해 높게 모의되는 경향을 보였다.
- 이는 2009년 만경 수역에서의 큰 강우로 인한 유입유량의 급증으로 큰 입자가 호 내 ML3, DL3지점까지 이송되어 퇴적된 것으로 판단된다. 모의결과 전체적으로 ME1, ML1, DE1, DL1 지점에서의 입경분포는 모의값과 실측값이 유사한 경향을 나타났으나 ML2, ML3, DL2, DL3 지점에서 입경 50㎛ 이상의 큰 입자의 분포에는 오차를 보였다. 모형에서 새만금 호 내 유입부에서 갑문 방향으로 입경 분포의 경향성 모의는 적절한 것으로 평가되나 급격한 강우사상으로 인한 큰 입자가 하류로 이송되는 현상을 정확하게 모의하지 못한 것으로 판단된다.
- 종단방향의 격자 크기는 178~972m, 횡단방향의 격자 크기는 145~763m로 중요 유입 지점과 방류 지점에 해상도를 좀 더 높게 구성하였다. 수체는 3개의 층으로 나누어 주었으며, 직교곡선좌표계의 직교성 판별을 한 결과 평균값이 12.45정도로 격자구성이 적절히 이루어 졌다(그림 2). 지형자료의 신뢰성을 확인하기 위해 모델에서 계산된 저수지 수위별 저수용량과 실측자료를 비교하여 AME(Absolute Mean Error), RMSE(Root Mean Square Error), R2(Coefficient of determination)을 산정하였다.
- 새만금 유입 지점인 만경대교와 동진대교에서의 수온 시계열 변화를 모의값과 월별 실측값을 비교하여 AME, RMSE을 산정하였다. 지점 ME1, ML2, DE1, DL2에 대해 ME1 지점에서 AME, RMSE는 각각 2.07℃, 2.74℃, ML2 지점에서 2.08℃, 2.70℃, DE1 지점에서 2.51℃, 3.17℃, DL2 지점에서 1.91℃, 2.15℃의 값을 보였다. 모의 결과 대체적으로 수온 모의가 적절하게 이루어졌으나 ME1, ML2, DL2 지점에서 모의 후반부에는 실측값에 비해 높게 모의되는 경향을 보였다.
- 해수유통의 영향을 주로 받는 호 내 만경수역과 동진 수역의 주요 지점에서의 염도 시계열 변화를 모의값과 월별 실측값을 비교하였으며 각 지점의 염도 최대값과 최소값 그리고 AME와 RMSE 값을 산정하였다. 지점 ML3, ML4, DL3, DL4에 대해 AME와 RMSE은 지점 ML3에서 각각 1.82ppt, 2.58ppt, ML4에서 1.51ppt, 1.72ppt, DL3에서 2.24ppt, 2.71ppt, DL4에서 1.57 ppt, 2.02ppt로 나타났다. 모의결과는 적절히 모의 된것으로 나타났지만, DL3 지점에서 200일 이후부터 염도가 실측값보다 낮게 모의되는 경향을 보였다.
후속연구
- 물수지의 재현성에 있어 새만금호와 같은 하구담수호는 유입량과 방류량 실측자료가 확보되지 않아 산정된 유입량, 방류량 자료를 사용하였으나, 비교적 물수지 모의를 성공적으로 수행할 수 있었다. 그러나 보다 정확한 수리 및 수질 모의를 위해서는 경계면 유량자료의 실측 또는 신뢰도개선이 필요하다고 판단된다. 2009년을 대상으로 실측한 유입 유사의 양적, 물리적 특성을 바탕으로 EFDC 유사모델의 입력자료를 구성하고 적용한 결과, 유사 거동 및 퇴적 양상을 분석하는데 상당한 신뢰성을 보여주었다.
- 2009년을 대상으로 실측한 유입 유사의 양적, 물리적 특성을 바탕으로 EFDC 유사모델의 입력자료를 구성하고 적용한 결과, 유사 거동 및 퇴적 양상을 분석하는데 상당한 신뢰성을 보여주었다. 그러나 새만금호의 퇴적현상은 홍수규모에 따라 상이하며, 공간적으로도 매우 복잡할 뿐만 아니라 수십 년에 걸쳐 일어나는 장기적인 현상임에도 불구하고 가용할 수 있는 실측 유사자료가 제한되어 있어 모델의 충분한 검증은 이루어지지 못하였다. 아울러 퇴적물이 수질에 미치는 영향을 평가하기 위해서는 추가적인 실험과 더불어 모델의 검증이 요구된다.
- 그러나 새만금호의 퇴적현상은 홍수규모에 따라 상이하며, 공간적으로도 매우 복잡할 뿐만 아니라 수십 년에 걸쳐 일어나는 장기적인 현상임에도 불구하고 가용할 수 있는 실측 유사자료가 제한되어 있어 모델의 충분한 검증은 이루어지지 못하였다. 아울러 퇴적물이 수질에 미치는 영향을 평가하기 위해서는 추가적인 실험과 더불어 모델의 검증이 요구된다. 특히, 내부 토지 개발은 유사와 수질에 영향을 줄 수 있으므로 보다 신뢰성 있는 유사 및 수질관리 대책 마련을 위해서는 장기적인 안목으로 모델의 검증과 적용이 필요하다.
- 따라서 새만금호 상류의 특정 하천지점을 통과하는 유사량의 정량적인 산정과 호내로 유입한 유사의 시공간적인 운송과 퇴적 현상을 정확히 해석하기 위해서는 다양한 수리조건에서 유입하는 유사의 물리적 특성 분석을 위한 수많은 실험분석을 필요로 한다. 특히, 유사의 표면에 흡착되어 유입하는 유기물, 영양염류 및 중금속의 정량적 파악과 하상 퇴적물의 영향을 분석하기 위해서는 이화학적 실험이 추가되어야 한다. 새만금호로 유입한 유사의 퇴적현상은 공간적으로 매우 복잡할 뿐만 아니라 수십 년에 걸쳐 일어나는 장기적인 현상이다.
- 새만금 사업의 지속가능한 개발을 위해 가장 중요하게 다루어야 하는 문제 중 하나는 개방 수역에서 폐쇄수역으로 변한 새만금호로 유입하는 유사의 퇴적 문제와 그로 인한 장기적인 수질오염 가능성에 효과적으로 대처하는 것이다. 향후 새만금 호소의 해수유통이 중단되고 본격적인 담수호 과정이 진행되면 물의 체류시간이 증가하여 상류유역으로부터 유입하는 유사는 호 내에 가라앉게 된다. 이러한 상황이 장기간 지속되면 새만금 담수호에 유입된 유사나 유사의 표면에 흡착되어 부유 상태로 유입한 오염물질들의 많은 부분은 호소 내부 바닥에 축척 될 전망이다.
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