[논문]방조제 완공에 따른 호내부 수질변화 모의

서승원; 이화영; 유상철

[국내논문] 방조제 완공에 따른 호내부 수질변화 모의
Simulation of Water Quality Changes in the Saemangeum Reservoir Induced by Dike Completion 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.22 no.4, 2010년, pp.258 - 271

서승원 (군산대학교 해양건설공학과) , 이화영 ((주)대영엔지니어링 기술연구소) , 유상철 (군산대학교 해양산업공학과)

초록
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방조제 완공 후 반폐쇄형 하구호 특성을 가지는 새만금호의 동수역학 및 수질변화를 이해하기 위하여 EFDC 모형에 상세격자를 적용한 수치모의를 실시하였다. 본 연구에서는 선행연구의 제한사항을 개선하고 배수갑문의 운영을 고려하였으며 수체-저질/대기간의 3상 모의가 수행되었다. Lagrangian 입자추적모의를 통해 새만금호 내부의 혼합이 갑문운영에 따른 영향보다는 만경·동진강의 하천유량에 지배되고 있음을 확인하였다. 방조제 완공 후 해수소통이 저하되면서 동진 유입부에서는 표층과 저층간 DO 농도 차이가 유발되며, 정체된 인공호 특성상 SOD도 호내빈산소 현상을 유발시켜 수질을 저해시키는 요인으로 작용하는 것이 확인되었다. 부영양화 상태를 나타내는 TSI 평가에 따르면 만경수로에서는 끝물막이 전·후에 상관없이 부영양화 가능성이 높게 나타나며, 동진수로에서는 방조제 완공 이후에 부영양화 발생 가능성이 높게 평가되었다. 배수갑문 운영과 연계된 수치모의 결과에 따르면 무작위적인 갑문운영이 내부 수질에 영향을 미치는 유의할만한 차이를 확인 할 수 있었다. 따라서 내부 개발 방안에 따른 최적의 수질확보에는 적절한 갑문운영이 수질관리에 중요한 인자로 작용한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to figure out hydrodynamic and water quality changes after completion of dike construction of the Saemangeum, which behaves as a semi-enclosed estuarine lake, numerical simulations based on fine grid structure by using EFDC were intensively carried out. In this study some limitations of precedent study has been improved and gate operation were considered. Also 3 phases such as air-water-sediment interaction modeling was considered. It is clear that inner mixing of the Saemangeum is dominated by Mankyeong and Dongjin riverine discharges rather than the gate opening influence through the Lagrangian particle tracking simulations. Vertical DO structure after the dike completion shows steep gradient especially at Dongjin river estuary due to lessen of outer sea water exchange. Increasing SOD at stagnantly changed man-made reservoir might cause oxygen deficiency and accelerating degradation of water quality. According to TSI evaluation test representing eutrophication status, it shows high possibility of eutrophication along Mankyeong waterway in spite of dike completion, while the index is getting high after final closing along Dongjin waterway. Numerical tests with gate operations show significant differences in water quality. Thus it should be noted that proper gate operation plays a major role in preserving target water quality and management for inner development plan.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 선행연구(서·이, 2008)에서 미비했던 대기와 수체의 상호반응을 고려하기 위해 전주 기상청의 년도별 관측자료를 토대로 일사량, 기온, 바람, 기압 등 대기정보 자료를 매시간단위로 보간·입력하여 수온의 일변화와 계절적인 변화를 반영하도록 하였다.
본 연구에서는 저니토와 수체간의 용출 및 침강 플럭스를 일정한 상수로 처리하지 않고 미국 Chesapeake bay에서 검증된바 있는 퇴적물 모형(DiToro and Fitzpatrick, 1993)을 사용하여 부분적으로 정체된 하구호의 수질해석에 정도를 높이고자 하였다. 퇴적층 모형에서 저층은 두개의 층으로 구성되며 약 10 cm의 두께를 갖는다.
특히 만경 및 동진강의 하계 강우유출을 고려한 하천빈도 유량별 입자추적(Lagrangian particle tracking)을 실시하고 새만금 방조제 완공 이후 동수역학적 변화를 분석함으로써 향후 내부 개발에 따른 동수역학 및 수질변화의 초기 정보를 제공하는 것을 목표로 한다. 아울러 본 연구에서는 선행 연구의 제한사항이었던 실제 배수갑문운영 자료를 확보하고 하천유입량의 적정 대입을 통해 진전된 결과가 제시된다.
7km 개방구간 상태의 수질을 만족스럽게 재현한 바 있는 EFDC 모형을 물막이 완공 이후인 현시점에서 보다 상세화된 격자와 개선된 자료로 재검증한 모의 결과를 포함한다. 특히 만경 및 동진강의 하계 강우유출을 고려한 하천빈도 유량별 입자추적(Lagrangian particle tracking)을 실시하고 새만금 방조제 완공 이후 동수역학적 변화를 분석함으로써 향후 내부 개발에 따른 동수역학 및 수질변화의 초기 정보를 제공하는 것을 목표로 한다. 아울러 본 연구에서는 선행 연구의 제한사항이었던 실제 배수갑문운영 자료를 확보하고 하천유입량의 적정 대입을 통해 진전된 결과가 제시된다.
앞서 언급한 바와 같이 방조제 완공 후 정체된 동수역학적 특성에 기인되어 연직방향의 수질이 시공간적으로 달라 질 수 있는 특이성이 존재한다. 특히 흐름이 약한 내만 해역에서는 하계 수온상승에 의한 수온 성층화와 유역의 담수유입 및 대기로부터의 강수유입에 의한 염도 성층화 현상이 발생할 수 있으므로(박, 1998; Smith et al., 1996; 조 등, 2002) 본 연구에서는 수질의 연직분포 변화에 대해서도 심도 있는 평가를 실시하였다.

가설 설정

갑문 영향을 살펴보기 위해 상시 해수소통을 해오다 일시적으로 갑문을 닫는 경우에 나타나는 내부의 수리적 변화를 모의하는데, 5일간의 입자추적 모의기간 중 3일과 4일째 되는 날 갑문운영을 중단시키는 것으로 가정하였다. 2002~2008년까지 관측된 만경 및 동진강 유량을 분석하여 홍수, 평수 그리고 갈수시에 대한 영향을 고려하였다.

제안 방법

갑문 영향을 살펴보기 위해 상시 해수소통을 해오다 일시적으로 갑문을 닫는 경우에 나타나는 내부의 수리적 변화를 모의하는데, 5일간의 입자추적 모의기간 중 3일과 4일째 되는 날 갑문운영을 중단시키는 것으로 가정하였다. 2002~2008년까지 관측된 만경 및 동진강 유량을 분석하여 홍수, 평수 그리고 갈수시에 대한 영향을 고려하였다. 부여된 입자의 초기위치는 갑문인근에 2정점, 호 중앙부 인근에 2정점, 만경 및 동진강 유입부 인근에 2정점 등 총 6개 정점에서 매층 마다 8개의 입자를 부여하여 총 1,200개의 입자들을 방출시켰다(Fig.
EFDC 모형을 통해 재현된 조량을 검증하고자 개방된 신시 배수갑문 중 임의로 선정된 하나의 갑문에서 실측한 조량과 비교하였다. 2회(2006년 8월, 9월) 실측된 조량은 EFDC 모형을 통해 재현된 조량과 신뢰할 수 있는 범위 내에서 일치하는 것으로 분석되었다(Fig.
갈수기인 가을철 만경수로와 동진수로에 대한 연직방향의 농도차이를 대표적으로 평가하고 앞서 제시된 특정 비교정점에 서 연직방향의 DO 구조를 분석한다. 제시된 결과와 같이 만경수로와 동진수로 모두 표층과 저층간의 농도차이가 발생하며, 특히 만경수로의 경우 상대적으로 얕은 수심에서도 표층과 저층간의 농도 차이가 발생하는 것으로 모의 되었다.
반폐쇄된 하구호의 특성을 가지는 새만금호에서 급격한 수질저하를 유발시킬 수 있는 부영양화 가능성을 평가하고자 Carlson이 제안한 부영양화 지수로 새만금 끝물막이 전·후를 비교 평가 하였다.
본 연구에서는 시화호에 적용된(서 등, 2002; 서·김, 2003) 수질모형인 ICM을 근간으로 하지만, 동수역학과 일체로 모의되는 3차원 EFDC 모형을 수치모형으로 선정하였다.
새만금 방조제 완공 이후 해수소통 폭 축소로 인하여 창조시 갑문 주변에서는 강한 유속이 나타나고 와류가 발생된다. 부표추적 실험을 통해 새만금호 내부의 수리학적 특성을 분석하고자 창조시에 맞추어 2010년 6월 24일 10시 40분부터 18시까지 신시배수갑문 인근에서 부표추적 실험을 실시하였다. 관측결과를 도시한 Fig.
새만금 방조제 완공 후 호 내부 수리적 특성을 알아보기 위한 부표추적 실험을 실시하였다. 창조시 신시배수갑문을 통해 강하게 유입되는 해수와 깊은 수심에 의해 와류 현상이 나타났고, 최대 속도는 3.
새만금호의 효율적인 수질 모의를 위해서 Fig. 2와 같이 선행된 연구(서·이, 2008)와 동일한 격자망과 이를 세분화한 상세격자망으로 나눠 모의하였다.
두 격자 모두 직교 곡면형 선형좌표계를 기본으로 하며 연직방향은 5개의 σ-level로 구성하였다(Table 1). 수질모의는 수온, 염분, DO, COD를 포함한 T-N, T-P, TOC, Chlorophyll-a와 관련된 19개 수질 상태변수를 고려하였다.
신시·가력 배수갑문 운영에 따른 새만금호 내부의 수질변화를 알아보고자 갑문을 상시 개방한 경우와 갑문 운영일지로부터 추출한 개폐 상태로 구분하여 2006년 7월부터 12월까지 기간에 대한 모델링을 각각 실시하였다.
중립입자는 유동장과 함께 거동하므로 새만금호와 같이 인위적으로 폐쇄된 영역의 순환특성 및 체류시간 등을 평가하는데 적합하다. 해석에서는 갑문운영과 상류에서 유입되는 유량이 호 내부 유동에 미치는 영향을 살펴보기 위해 동시 방류되는 것으로 설정하였으며 대조시 5일간을 모의하였다.
해저 퇴적층 모형의 반응 기작은 Fig. 3과 같으며 퇴적물 모형의 변수들은 퇴적물 모형에서 제안하는 값(Park et al., 1995)과 Craig(2004)의 수정된 EFDC_DS 모형에서 권장하는 값을 기초로 관측값과의 오차를 최소화 하기위해 다수의 반복 과정을 통해 변수를 보정하여 모형의 검보정에 신뢰성을 높이고자 하였다. 모형에 사용된 변수 값은 Table 2에 제시되었다.

대상 데이터

만경·동진강으로부터 유입되는하천의 오염부하는 만경·동진강 하구역에서 관측된 정점 ME1과 DE1의 관측 자료를 사용하였고 이와 함께 만경대교와 동진대교에서 매시별 관측된 하천유량을 적용하였다(Fig. 4).
4). 배수갑문을 통해 외해로부터 유입되는 오염부하로는 배수갑문 인근의 SO1과 SO5에서 관측된 자료를 사용하였다.
본 연구에서 고려한 새만금호의 수질 검증 및 보정 방법은 2004년(개방구간 2.7 km) 당시 1년간의 수심 평균한 수질자료(농어촌연구원 새만금연구센터)를 토대로 모형의 수질 반응계수에 대한 보정을 진행하였고, 2005년 4월부터 8월까지의 자료로 검증을 실시하였다. 계산결과의 제시는 논문 지면의 제약으로 금회 연구에서는 모의된 인자들 가운데 대표적으로 DO와 COD 만을 대상으로 한다.
2002~2008년까지 관측된 만경 및 동진강 유량을 분석하여 홍수, 평수 그리고 갈수시에 대한 영향을 고려하였다. 부여된 입자의 초기위치는 갑문인근에 2정점, 호 중앙부 인근에 2정점, 만경 및 동진강 유입부 인근에 2정점 등 총 6개 정점에서 매층 마다 8개의 입자를 부여하여 총 1,200개의 입자들을 방출시켰다(Fig. 7).

이론/모형

, 1985)와 Cerco et al.(1994)이 제시한 값을 EFDC 모형의 수질 반응계수로 준용하여, 만족스럽게 모형의 검보정을 실시하였다. 금회 연구에서는 선행연구와 일관성을 기하기 위해 이전 연구에서 사용한 수질 반응 계수들을 준용하였다.
방조제 완공 이후 부영양화 가능성을 알아보기 위하여 Carlson이 제안한 부영양화지수를 가지고 평가 하였다. 결과를 Fig.
방조제 완공 이후 호 내부 유동변화를 이해하기 위해 EFDC 모형을 이용하여 Lagrangian particle tracking 모의를 실시하였다. 중립입자는 유동장과 함께 거동하므로 새만금호와 같이 인위적으로 폐쇄된 영역의 순환특성 및 체류시간 등을 평가하는데 적합하다.
이 모형은 US EPA의 public domain에 공개된 후 다양한 버전으로 발전되었는데, 본 연구에서는 Dynamic Solution 사의 Craig(2004, 2009)에 의해 전·후처리 기능이 추가되고 원시코드를 fortran 95로 재코딩한 EFDC_DS 버전을 사용하였다.

성능/효과

16에 제시하였는데, 끝물막이 공사 전·후 모두에서 부영양화 발생 가능성이 높은 것으로 평가되었다. 2004년과 2006년의 년별 입력 조건이 다르기 때문에 직접적인 비교는 어렵지만, 정점 ME2와 ML2에서는 끝물막이 이후 오히려 부영화지수가 다소 감소되어 나타났으며 동진수로상의 정점 DE2와 DL2에서는 끝물막이 이후 부영양화 발생 가능성이 높게 나타났다. 이와 같이 부영양화 지수를 통해 전반적인 새만금호의 수질을 평가한 바에 따르면, 만경수로에 위치한 정점 ME2와 ML2가 동진수로에 위치한 정점 DE2와 DL2에 비해서 부영양화 가능성이 높음을 확인하였다.
EFDC 모형을 통해 재현된 조량을 검증하고자 개방된 신시 배수갑문 중 임의로 선정된 하나의 갑문에서 실측한 조량과 비교하였다. 2회(2006년 8월, 9월) 실측된 조량은 EFDC 모형을 통해 재현된 조량과 신뢰할 수 있는 범위 내에서 일치하는 것으로 분석되었다(Fig. 5).
6(b)와 비교하면 창조시 배수갑문 인근에서 발생하는 와류의 크기와 진행 방향이 유사하게 재현된 것임을 알 수 있다. 관측된 부표의 최대 속도는 3.59 m/s로 나타났으며, 두 부표간의 거리 차 및 추적시간을 이용하여 구한 새만금호의 확산계수는 6.88 m²/s로 산정되었다.
새만금 수질모형의 타당성을 평가하기 위해 새만금 내부를 포함한 모형과 외부역이 포함된 광역모형에 대한 타당성이 이미 제시된 바 있다(서·이, 2008). 내부 모형의 수리 특성 검증은 호 내부의 관측된 수위 상승과의 비교로 이루어졌는데 수위 곡선의 형태가 잘 일치되며, 새만금호 내부의 수리특성을 잘 재현하고 있는 것으로 나타났다.
그러나 배수갑문 작동과 연계된 수치모의 결과 분석은 배수갑문 운영 여부에 따른 수질 비교를 통해 유의할만한 차이를 확인할 수 있는 의미 있는 시도였다. 배수갑문의 단속적 개폐 운영이 상시개방에 비해 수질에 민감하게 영향을 미치고 있음이 확인되었다. 이 결과는 향후 실시될 새만금 내부개발시 중·장기적으로 반폐쇄된 새만금호의 수질환경을 효율적으로 관리하기 위해서는 내부 개발방안별로 최적의 수질확보와 연동하여 배수갑문 운영방안을 모색하는 것이 절대적으로 필요함을 시사한다.
59 m/s에 이르는 것으로 나타났다. 새만금호 내부의 혼합 및 호 내부 수질에 대한 영향을 이해하기 위해 EFDC 모형의 Lagrangian particle tracking 실험을 실시한 수치모의결과, 새만금호 내부의 혼합에 있어서 갑문운영에 의한 영향보다 하천에서 유입되는 유량이 호 내부 기작에 지배적인 영향을 미치고 있음을 확인하였다. 이 결과는 평수와 갈수시에 외해수를 받아들이기 위해 갑문을 개폐하여 운영한다 하더라도 호 내부에서 충분한 희석 및 확산이 이루어질 수 없음을 시사한다.
서·조 (2007)는 ADCIRC 모형을 이용하여 방조제 개구부 축소에 따른 새만금호 내부 물리특성 변화를 제시한 바 있다. 연구 결과에 따르면 방조에 완공 이전 MSL(mean sea level)을 기준으로 한 넓은 조간대 지역은 완공 이후 호 내부 수위상승(super-levation)과 조위 변화 폭의 감소로 인하여 MWL(mean water level)을 기준으로 급격히 감소됨에 따라 조간대 지역은 22% 감소하며, 상시노출지역(dry zone)은 19% 증가되는 것으로 나타났다.
14와 같이 방조제 완공 전 모든 정점에서 표층과 저층간에 큰 농도 차이없이 나타나지만, 완공 이후에는 모든 정점에서 표층과 저층간에 농도차이가 발생한다. 이 중에서 상류에 위치하여 하천으로부터 유입되는 오염물질의 직접적 영향을 받는 하구역에서 표층과 저층간의 DO의 농도 차이가 6 mg/L 내외로 상대적으로 크게 나타났다. 이러한 결과는 양 등(2008)이 새만금 끝물막이 전·후로 수년간 관측된 수질 자료를 통해 끝물막이 이후 조석 영향력의 감소는 성층화 현상을 심화시켜 표·저층간의 농도 교환을 저해하고 저층에서 빈산소 현상을 심화시킬 수 있음을 밝힌 바와 일치한다.
2004년과 2006년의 년별 입력 조건이 다르기 때문에 직접적인 비교는 어렵지만, 정점 ME2와 ML2에서는 끝물막이 이후 오히려 부영화지수가 다소 감소되어 나타났으며 동진수로상의 정점 DE2와 DL2에서는 끝물막이 이후 부영양화 발생 가능성이 높게 나타났다. 이와 같이 부영양화 지수를 통해 전반적인 새만금호의 수질을 평가한 바에 따르면, 만경수로에 위치한 정점 ME2와 ML2가 동진수로에 위치한 정점 DE2와 DL2에 비해서 부영양화 가능성이 높음을 확인하였다. 그러나 배수갑문 운영 여부에 따른 차이는 확인할 수 없었다.
갈수기인 가을철 만경수로와 동진수로에 대한 연직방향의 농도차이를 대표적으로 평가하고 앞서 제시된 특정 비교정점에 서 연직방향의 DO 구조를 분석한다. 제시된 결과와 같이 만경수로와 동진수로 모두 표층과 저층간의 농도차이가 발생하며, 특히 만경수로의 경우 상대적으로 얕은 수심에서도 표층과 저층간의 농도 차이가 발생하는 것으로 모의 되었다.
새만금 방조제 완공 후 호 내부 수리적 특성을 알아보기 위한 부표추적 실험을 실시하였다. 창조시 신시배수갑문을 통해 강하게 유입되는 해수와 깊은 수심에 의해 와류 현상이 나타났고, 최대 속도는 3.59 m/s에 이르는 것으로 나타났다. 새만금호 내부의 혼합 및 호 내부 수질에 대한 영향을 이해하기 위해 EFDC 모형의 Lagrangian particle tracking 실험을 실시한 수치모의결과, 새만금호 내부의 혼합에 있어서 갑문운영에 의한 영향보다 하천에서 유입되는 유량이 호 내부 기작에 지배적인 영향을 미치고 있음을 확인하였다.

후속연구

이는 신시·가력 배수갑문의 무작위 단속적 개폐 운영이 상시개방에 비해 수질에 좋지 않은 영향을 미치고 있음을 여실히 보여주는 것이다. 따라서 새만금호의 목표수질 및 관리수위를 동시에 달성하기 위해서는 내부개발과 연동된 적절한 수문운영이 필요하며 1년 이상의 장기간 수질 평가 및 관리시 호 내부 수질에 영향을 미치는 중요한 인자 중 하나로 집중적인 분석이 뒤따라야 될 것으로 보인다.
배수갑문의 단속적 개폐 운영이 상시개방에 비해 수질에 민감하게 영향을 미치고 있음이 확인되었다. 이 결과는 향후 실시될 새만금 내부개발시 중·장기적으로 반폐쇄된 새만금호의 수질환경을 효율적으로 관리하기 위해서는 내부 개발방안별로 최적의 수질확보와 연동하여 배수갑문 운영방안을 모색하는 것이 절대적으로 필요함을 시사한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수체에서 생성된 유기물 중부패되지 않은 입자성 물질이 어떻게 수질을 더욱 악화시키나?	하구 및 감조하천을 포함하는 연안역에서는 저층 퇴적물이 수질에 상당한 영향을 미친다. 수체에서 생성된 유기물 중부패되지 않은 입자성 물질은 저층에서 퇴적되면서 수체로 무기 영양염을 용출하여 수체에서의 일차생산을 자극하고, 저층 퇴적물 산소요구량(SOD)을 만들어내어 무(빈)산소증을 유발시켜 수질을 더욱 악화시킨다(환경부·과학기술처, 1997). 시화호 저질의 영향을 평가한 연구에서와 같이 부분적으로 폐쇄된 하구호에서는 수체-저질간의 2상에 대한 상호작용 이해가 하구호 수질해석에 매우 중요하다(서·김, 2003).
	자연 상태의 inlet 수리특성은 무엇에 의해 지배되나?	일반적으로 자연 상태의 inlet 수리특성은 만의 형상, 폭, 지형, 바닥경사, 비조석력, 조석의 크기, 바람 그리고 강의 유입 등에 의해서 지배되며, 외조위의 상승과 하강에 의한 조석력이 가장 크게 작용한다(Walton, 2002). Inlet 입구 주변은 강한 유속과 지형적인 영향에 의해 와류가 발생되며, 조석 비대칭성(asymmetry)에 의해 창조우세 flood dominant)나 낙조우세(ebb dominant)가 발생된다.
	평수와 갈수시 호 내부에서 소기의 수질목표를 달성하기 위해서는 적정 갑문 운영과 함께 다른 방안도 함께 고려되어야 하는 이유는?	이는 Table 3에서 보는 바와 같이 평상시 호내부 중앙부 및 만경과 동진강 입구의 유량이 외해수와 혼합되기보다는 갑문 주위에서만 제한적으로 교환되는 것으로 이해된다. 그러나 홍수시에는 하천 유량도 신속히 외해로 방류되는 것을 알 수 있으며, 이러한 결과는 새만금 방조제 완공이후 호 내부의 혼합에 있어서 갑문운영에 의한 영향보다 만경·동진강으로 부터 유입되는 유량이 호 내부의 혼합에 지배적으로 작용하고 있음을 시사한다. 따라서 평수와 갈수시 호 내부에서 소기의 수질목표를 달성하기 위해서는 적정 갑문 운영과 함께 다른 방안도 함께 고려되어야 할 것으로 판단된다.

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Zheng, L., Chen, C. and Zhang, F.Y. (2004). Development of water quality model in the Satilla river estuary, Georgia, Ecological Modelling. 178, 457-482.

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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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