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문제 정의
- 정부부처(해양수산부, 건설교통부)의 요구사항을 이행하기 위하여 2차원 및 3차원 수치모의로 배수갑문 확장 후 발생할 수 있는 장․단기 퇴적에 의한 지형변화 예측과 교량신설에 따른 영향을 검토하여 아산만 및 주변 해역에 미치는 환경영향을 최소화하고 주변 환경을 효과적으로 보전하는데 필요한 기초자료를 제공하고, 수리모형실험 결과의 신뢰성 확보에 목적이 있다.
제안 방법
- 2차원 수치모의에서는 현재 상태에 대한 모형 검증과 아산만 배수갑문 확장 이후에 나타나는 해수유동, 부유사확산, 지형변동을 각각 모의하여 비교하였다. 현재 상태에 대한 모형검증은 현장 관측값을 이용하였으며, 해안선에 따른 계산 격자의 작성, 수심자료의 작성 등은 국립해양조사원에서 판매하는 전자해도와 평택지방해양수산청에서 수행한 수심측량자료를 근거로 하여 Delft3D-RGFGRID와 Delft3D-RGFGRID를 사용하여 작성하다.
- 3차원 수치모의에서는 배수갑문 확장 전과 후에 대한 배수갑문 주변의 수리현상을 검토하고, 평택호대교 교각 주변의 국부세굴에 대하여 모의를 수행하였다. 모형은 2차원 평면으로 작성된 준공도면 및 계획도면 등을 토대로 Solid Edge를 이용하여 3차원으로 인공 구조물을 작성하고 STL을 형성하였으며, 자연 지형은 수심측량 성과물을 Point Cloud 파일로 추출하고 삼각망으로 구성하여 STL을 형성하였다.
- 현재 상태에 대한 모형검증은 현장 관측값을 이용하였으며, 해안선에 따른 계산 격자의 작성, 수심자료의 작성 등은 국립해양조사원에서 판매하는 전자해도와 평택지방해양수산청에서 수행한 수심측량자료를 근거로 하여 Delft3D-RGFGRID와 Delft3D-RGFGRID를 사용하여 작성하다. 격자는 곡선좌표계로 해상도 10~100m의 범위로 하였고, 모형의 외해측 개방경계는 검토하고자 하는 해역으로부터 충분히 외측으로 확보하였으며, 37개 분조값을 입력하였고, 배수갑문의 경우 수위를 경계로 하여 충분한 기간을 확보하여 계산을 수행하였다.
- 3차원 수치모의에서는 배수갑문 확장 전과 후에 대한 배수갑문 주변의 수리현상을 검토하고, 평택호대교 교각 주변의 국부세굴에 대하여 모의를 수행하였다. 모형은 2차원 평면으로 작성된 준공도면 및 계획도면 등을 토대로 Solid Edge를 이용하여 3차원으로 인공 구조물을 작성하고 STL을 형성하였으며, 자연 지형은 수심측량 성과물을 Point Cloud 파일로 추출하고 삼각망으로 구성하여 STL을 형성하였다. 격자의 크기는 수평 및 연직방향 모두 동일한 0.
- 아산만 방조제 배수갑문 확장 상태에서의 내․외 수위차에 대한 배수갑문의 통수능력과 평택호대교 교각 주변의 국부세굴 현상을 검토하기 위해 FLOW-3D를 이용하여 유동과 세굴을 모의하였으며, 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 아산만 방조제 배수갑문 확장, 평택항 남측호안 철거, 화옹방조제의 해수소통 차단 등으로 인한 아산만(평택항) 일대 수리 현상 변화를 예측하기 위해 Delft3D를 이용하여 해수유동, 부유사확산, 지형변동에 대하여 수치모의를 실시하였으며, 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 2차원 수치모의에서는 현재 상태에 대한 모형 검증과 아산만 배수갑문 확장 이후에 나타나는 해수유동, 부유사확산, 지형변동을 각각 모의하여 비교하였다. 현재 상태에 대한 모형검증은 현장 관측값을 이용하였으며, 해안선에 따른 계산 격자의 작성, 수심자료의 작성 등은 국립해양조사원에서 판매하는 전자해도와 평택지방해양수산청에서 수행한 수심측량자료를 근거로 하여 Delft3D-RGFGRID와 Delft3D-RGFGRID를 사용하여 작성하다. 격자는 곡선좌표계로 해상도 10~100m의 범위로 하였고, 모형의 외해측 개방경계는 검토하고자 하는 해역으로부터 충분히 외측으로 확보하였으며, 37개 분조값을 입력하였고, 배수갑문의 경우 수위를 경계로 하여 충분한 기간을 확보하여 계산을 수행하였다.
대상 데이터
- 아산만 방조제는 경기도 평택시 현덕면 권관리와 충청남도 아산시 인주면 공세리 사이에 위치한 총 길이 2,564m의 방조제로 평택과 아산 주변의 농업용지 이용을 위해 염수차단 및 연안 침식의 방지, 홍수시 원활한 통수능력 배양을 목적으로 총 사업비 377억원을 소요하여 1970년 12월에 착공하고, 1973년 12월에 완공되었다. 그러나 아산호 상류지역의 도시화 진행과 이상 기후 등에 따른 강수량 증가로 1994년 12월 건설교통부의 “안성천 치수대책조사 하천정비 기본계획”에서 아산만 방조제 배수갑문확장의 필요성이 최초로 제기되었으며, 1999년 11월경부터 지역 주민, 경기도 시장․군수 협의회, 경기도 평택시에서 침수방지 대책의 일환으로 배수갑문의 확장을 요구하였고, 2002년에는 행정자치부 국립방제연구소의 “2002년 호우 피해 현장조사 보고서” 등에서 직접적으로 배수갑문의 확장을 요구하게 되었다.
이론/모형
- 본 과업의 광역 수치모의는 화란의 델프트 수리연구소에서 개발한 범용 3차원 수치모의 코드인 Delft3D의 유동해석 모듈 Delft3D-FLOW(Ver.3.27)가 사용되었다. Delft3D는 곡선좌표계 (curvilinear coordinate)를 사용하기 때문에 불규칙한 경계에 효율적으로 적용할 수 있으며, 가변격자(variable grid)를 사용하여 정밀한 흐름정보가 필요한 대상영역을 세분화함으로써 계산 결과의 정확도와 함께 계산 효율을 높일 수 있다.
성능/효과
- 널말뚝 시공(육상시공)에 따른 부유사 확산 모의 결과 초과 농도 0.5㎎/ℓ 이상에서 오탁방지막을 설치하지 않은 경우 확산 범위는 0.60㎢, 최대확산거리는 0.50㎞, 최대농도는 4.8㎎/ℓ로 나타났고, 오탁방지막을 설치하였을 경우 확산범위는 0.02㎢, 최대 확산거리는 0.10㎞, 최대농도는 16.5㎎/ℓ로 나타났다.
- 50m에서 가능한 최대 방류량은 9,543㎥/s인 것으로 나타났으며, 여기서 기설 배수갑문은 3,848㎥/s, 신설 배수갑문은 5,695㎥/s을 분담한다. 따라서 기설 배수갑문과 신설 배수갑문의 방류량 분담비는 4:6이라는 결론을 얻었다.
- 아산만 방조제 배수갑문 확장 상태에서의 내․외 수위차에 대한 배수갑문의 통수능력과 평택호대교 교각 주변의 국부세굴 현상을 FLOW-3D로 모의한 결과 기설 배수갑문과 신설 배수갑문의 방류량 분담비는 4:6이고, 내․외 수위차가 2.50m가 넘을 경우에는 한계류가 형성되는 것을 알 수 있으며, 군말뚝 교각주변의 세굴을 방지하기 위해 보호공이 요망되는 것으로 나타났다.
- 아산만 방조제 배수갑문 확장, 평택항 남측호안 철거, 화옹방조제의 해수소통 차단 등으로 인한 아산만 일대 수리현상 변화를 Delft3D로 예측한 결과 조위변화는 미소한 것으로 나타났으며, 최강유속은 다소 느려졌다. 배수갑문이 확장된 상태에서의 외곽호안에 미치는 영향은 현재 상태와 크게 달라지는 점은 없다고 판단되며, 신설 배수갑문으로만 방류하면 외곽호안에 미치는 영향은 줄어드는 것으로 나타나 배수갑문 확장에 따른 이점이 기대된다.
- 이상과 같이 배수갑문 내․외 수위차가 2.50m가 넘을 경우에는 한계류가 형성되는 것을 알 수 있으며, 군말뚝 교각주변의 세굴을 방지하기 위하여 견고한 보호공이 요망되는 것으로 확인되었다.
- 이상과 같이 평택항 항계의 지형변화와 외곽호안에 미치는 영향은 조류가 지배적이며, 아산만 방조제 배수갑문 확장에 의한 영향은 미흡한 것으로 확인되었다.
- 평택호대교 교각주변 국부세굴 모의 결과 발생유속 1.00㎧에서 세굴면적은 180㎡, 발생유속 2.00㎧에서 세굴면적은 220㎡, 발생유속 3.00㎧에서 세굴면적은 240㎡인 것으로 나타났으며, 세굴깊이는 1~5m인 것으로 나타났다.(단, 보호공이 없는 조건에 해당한다.
- 해수유동 모의 결과 저조위는 현재보다 1~3㎝ 높아지고, 고조위는 현재보다 4~9㎝ 낮아지는 것으로 나타났으며, 최강유속은 8~20㎝/s 정도 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 배수갑문이 확장된 상태에서의 방류에 의한 외곽호안 안정성 문제 검토결과 기설 배수갑문의 방류수가 남측으로 분산하기 때문에 외곽호안에 미치는 영향은 현재 상태와 크게 달라지는 점은 없다고 판단되며, 오히려 현재와 같은 규모의 홍수를 방류할 경우 신설 배수갑문으로만 방류하면 외곽호안에 미치는 영향은 줄어드는 것으로 나타나 배수갑문 확장에 따른 이점이 기대된다.
후속연구
- Delft3D는 곡선좌표계 (curvilinear coordinate)를 사용하기 때문에 불규칙한 경계에 효율적으로 적용할 수 있으며, 가변격자(variable grid)를 사용하여 정밀한 흐름정보가 필요한 대상영역을 세분화함으로써 계산 결과의 정확도와 함께 계산 효율을 높일 수 있다. 또한, 고정경계에서 기조력이나 기상력으로부터 발생하는 조석 및 부정류의 계산이나 수질 및 유사이동 등의 계산을 위한 동수역학적 기초를 제공하는데 이용되도록 만들어졌다. Delft3D는 동수역학적 유동해석 뿐만 아니라 수온, 염분 등의 물리현상(밀도류)까지 모의가 가능한 FLOW, 수질, 식물성 플랑크톤 등의 생물․화학현상까지 모두 계산이 가능한 WAQ, 파랑변형 해석을 위한 WAVE, 지형 변동 해석을 위한 MOR 등의 여러 가지 모듈로 구성되어 있으나, 최근에는 유동해석 모듈에 MOR이 편입되고, WAVE의 계산 결과가 FLOW에 직접 연동(on-line)이 되는 등 많은 발전을 거듭하여 사용자에게 여러 가지 편의를 제공하고 있다.
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