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새만금지구 홍수위 산정 연구 소개
1. 서 론
1980년대 후반에 들어서면서 그 동안 축적된 경 제성장 기반을 토대로 낙후된 서남해안을 자원화 하기 위해 간척을 통한 국토공간의 확장이 추진되
었다. 이에 농업진흥공사는 1986년 5월 ‘서남해안 간척사업 장기개발계획’으로 발전시켜 2000년대 의 경제발전과 산업구조 변화를 상정한 다목적 종 합개발사업으로 전환시켰다. 1987년에는 새만금 지구라는 이름으로 사업 타당성조사에 착수하였으 며, 10월 17일에는 대통령에게 보고되었고, 11월 4 일 경제부처 장관회의의 종합검토를 거쳐 정부계 획으로 추진되도록 방침이 세워졌다. 1988년 2월 농업토목시험연구소와 본사의 새만금사업단에서 새만금지구에 대한 본격적인 기본조사에 나섰고, 이들 조사결과에 대한 기술검토와 환경영향평가 등을 거쳐 1989년 11월부터 새만금간척사업이 본 격 추진될 수 있도록 기본계획을 확정하였다(농어 촌연구원, 2013).
새만금간척사업은 기본계획 수립 및 타당성 조사를 거쳐 1991년부터 공사가 착공되었으며, 갯 벌보전과 환경문제가 이슈화되면서 새만금간척사 업이 중단되는 등의 위기를 넘기고, 2006년 4월 약 16년간의 공사 끝에 새만금방조제 최종 끝막이 가 마무리되었다. 이후 2010년 4월 방조제 배후의 매립공사가 완료되면서 새만금방조제가 준공되었 다. 새만금방조제는 33.9km로 세계에서 가장 긴 방조제로 기네스북에 등재되었으며, 방조제 도로 개통 이후 1년 7개월만에 관광객이 1,000만명을 돌파하는 등 서해안의 새로운 관광명소로 각광받 고 있다.
정 재 상 ●●●
한국농어촌공사 농어촌연구원 주임연구원 [email protected]
송 현 구 ●●●
한국농어촌공사 농어촌연구원 책임연구원 [email protected]
이 승 오 ●●●
홍익대학교 토목공학과 부교수 [email protected]
강 석 구 ●●●
한양대학교 건설환경공학과 조교수 [email protected]
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새만금방조제 완공 이후 새만금지구는 방조제 내측의 토지이용계획 수립 및 개발에 주력하고 있 다. 2011년 3월 수립된 새만금 종합개발계획(국무 총리실 등)은 2010년 발표한 ‘새만금 내부개발 기 본구상 및 종합실천계획’에서 제시하고 있는 복합 도시, 농업용지 등 8개 용지별 토지이용계획과 내 부 간선도로망 등 기반시설을 구체화한 계획을 담 고 있다. 새만금 종합개발계획이 잠정적으로 확정 됨에 따라 토지 이용별 매립고 산정 등 구체적인 개발계획 수립을 위한 홍수위 산정 필요성이 대두 되었다.
새만금방조제의 경우 동진강 및 만경강의 하구 역에 위치하고 있어, 하천의 흐름에 의한 영향, 해 측의 조석(潮汐) 영향을 동시에 받고 있다. 또한 방조제에 설치된 배수갑문이 하천의 흐름과 조석 의 영향 사이에서 또다른 변수 역할을 하게 되어 이들 3가지 유체흐름의 상호작용에 의해 매우 복 잡한 양상을 보이게 된다(Jung and Cho, 2013).
이 외에도 폭풍해일에 따른 해수면 상승효과, 재 현빈도별 홍수에 따른 부정류 해석 및 외해측 조
석조건 선정 기준 등 다양한 자연현상들에 대한 검토가 필요하다. 특히 새만금방조제 내부의 최대 홍수위 검토는 새만금 내부개발을 위한 매립고 및 방수제 계획고 산정 뿐만 아니라 홍수 발생에 따 른 자연재해에 대비하는 측면에서도 매우 중요하 다. 과거 1953년 1월 31일에서 2월 1일 사이에 네 델란드에서 북해에서 발생한 폭풍해일에 의해 델 타지역의 방수제를 월류하여 1,836명이 사망하였 으며, 이에 간척지를 보호하기 위해 방조제를 설 치한 사례가 있다(Gerritsen, 2005).
따라서 본 기사에서는 하구역에 설치된 방조제 내측의 홍수위 검토를 위한 수치해석 방법과 수치 모델의 검보정 사례 등을 소개하고자 한다.
2. 수치해석 모델 소개
새만금지구의 홍수위를 검토하기 위한 수치해석 모델은 네델란드 Deltares사에서 개발한 준3차원 모델 Delft3D를 적용하였다. Delft3D는 곡선직교
그림 1. 새만금 방조제 평면도 및 내측 홍수위 측점 위치도
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격자(Curvilinear Orthogonal Grid)를 기반으로 조석이나 홍수 등에 의해 발생하는 비정상류와 이 송현상을 계산하는 동수역학 모델이다. 3차원 모 의를 위한 연직방향 격자는 좌표 접근법을 따른다.
Delft3D는 Boussinesq 가정하에서 비압축성 유 체에 대한 Navier-Stokes 방정식을 푼다. 연직방 향의 운동량방정식에서 연직방향 가속도를 무시한 정수압 방정식을 채택한다. Delft3D에서 채택한 지배방정식은 Delft3D User Manual(Deltaret, 2011)을 참고할 수 있으며, 본 기사에서는 지배방 정식의 소개는 생략한다.
새만금지구 홍수위 산정을 위한 해석범위는 방 조제로 인한 흐름 변화가 개방경계에서의 물리현 상 왜곡을 발생시키지 않도록 하기 위해 모델경계 를 방조제로부터 최소 18km의 충분한 거리를 두
어 결정하였다. 동진강 및 만경강의 하천경계는 동진강의 경우 가력배수갑문으로부터 41.03km, 만경강의 경우 신시배수갑문으로부터 57.75km 떨어진 지점으로 경계를 설정하였다(그림 1 참고).
대상 해역의 격자망 구성은 그림 2와 같이 UTM 좌표계에서 곡선직교격자를 적용하였다. 동서방 향으로 347개, 남북방향으로 450개, 수직방향으 로 3개의 격자로 격자망을 구성하여 총 468,450 개의 격자를 사용하였다. 새만금호 내측과 외측 의 주 흐름영역이 되는 신시 및 가력 배수갑문 부 근의 경우 보다 상세한 흐름특성 재현을 위해 격 자를 보다 조밀하게 구성하였다. 수치해석을 위한 지형자료는 가장 최근에 시행된 수심측량 자료를 이용하였으며, 새만금 내부의 수심은 새만금종합 개발계획 상의 단계별 준설계획을 반영하였다.
(a) 수심도 (b) 격자망도
그림 2. 새만금 방조제 평면도 및 내측 홍수위 측점 위치도
3. 경계조건 적용 3.1 상류 하천 유입유량
홍수시 상류 하천의 유입유량 시계열은 본류의 경우 동진강 및 만경강 유역종합치수계획(익산지
방국토관리청, 2009), 소유역의 경우 새만금지구 수문조사보고서(농림수산식품부, 2008)의 수문자 료를 적용하였다. 특히 동진강 및 만경강 유역의 본류 유입 홍수량은 반경대교 지점, 동진강 유역 의 본류 유입 홍수량은 동진대교 지점의 홍수량을 적용하였으며, 만경강 및 동진강 본류의 최대 홍
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수량은 각각 5,950㎥/sec, 3,368㎥/sec이다. 소 유역에 대한 수문자료는 홍수유출에 대한 실측자 료가 존재하지 않아 강우강도와 각 소유역의 특성 자료를 이용하여 HEC-1 모형에 의한 SCS 합성 단위도법으로 분석하였다. 최종적으로는 아래 그 림 3과 같이 만경수역에는 본류를 포함하여 21개 (MK9~MK29) 지류, 동진수역에서는 동진강 본 류를 포함하여 13개(DJ7~DJ19)의 지류가 유입되 는 것을 재현하였다.
3.2 외해 조석조건
외해측 조석조건은 1998년 개발한 ‘황해광역모 델’을 이용하여 1년간 조석을 발생시켰으며, 각 경 계에서의 발생 조위를 조화분석하여 그 조화상수 값을 결정하였다. 새만금 방조제 외해의 조석 재 현을 위해 M2, S2, K1, O1 등을 포함한 38개 분 조가 적용되었다.
농림수산식품부(2008)는 조석 조건이 소조기, 대조기 및 고극조위인 경우에 대하여 각각 홍수위 를 계산하였으며, 배수조건이 불리한 소조기가 대 조기에 비해 취약한 것으로 확인되었다. 따라서 가장 취약한 조석 조건을 찾기 위해 국립해양조 사원이 군산외항 지점에서 조사한 조위관측자료
를 활용하여 홍수시 가장 취약한 조차가 가장 작 은 기간을 분석하였다. 조석 분석을 위해 1981년 1 월~2011년 12월까지 31년간의 관측자료를 이용하 였다. 가장 취약한 조석 조건은 연속된 5개 조차의 평균이 가장 작은 경우를 분석을 통해 도출하였 다. 그리고, 홍수 발생 가능성이 없는 동절기(11월
~4월)는 제외하고 하절기(5월~10월)만을 대상으 로 하여 취약 조석조건을 결정하였다.
분석 결과 2009년 7월 31일 00시~2009년 8월 1일 17시 사이의 조차가 평균 220.2cm로 가장 낮 은 것으로 파악되었다. 따라서 전술한 기간을 새 만금 내부 홍수위 산정을 위한 조석 조건 및 시나 리오 기간으로 선정하였다. 2009년 7월 30일에서 8월 3일까지의 외해측 조위는 새만금 내부 관리수 위인 EL.(-)1.5m 보다 새만금 항상 더 높으며, 따 라서 배수갑문을 운영할 수 없는 조건이다.
3.3 배수갑문을 통한 방류량
새만금 배수갑문은 새만금호의 수위조절을 위 해 만경강 수계에는 신시배수갑문, 동진강 수계에 는 가력배수갑문이 설치되어 있다(그림 4). 홍수 시에는 호내 수위가 외해측 조위보다 높을 경우에 만 배수갑문을 개방하여 호내의 담수를 외해로 방
그림 3. 새만금 방조제 내측 홍수 횡유입 지점
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류한다. 배수갑문을 통한 유량은 본 모델에서 암 거(culvert)를 통한 흐름으로 간주하여 유량공식 을 적용하였다. 특히 배수갑문 개방시 갑문의 하 단고는 호측 EL.(+)4.4m, 해측 EL.(+)4.1m로 홍 수시에도 배수갑문 하단에 물이 닿지 않도록 설계 되어 있다. 따라서 배수갑문을 통한 방류 흐름은 높이가 매우 높은 직사각형 암거를 통한 흐름으로 볼 수 있다. 이와 같이 배수갑문을 통한 유량 산정 은 Bodhane(1982) 및 French(1986)에 의해 제시 된 유량공식을 적용하였다.
4. 수치모형의 검증 4.1 상류 하천흐름 검증
상류 하천흐름에 대한 수치모델의 타당성을 검토하기 위해 만경대교 지점에서 관측된 수위 와 모형에 의해 계산된 수위를 비교하였다. 모형 의 타당성 검토를 위한 검증기간은 최근 5개년 (2008~2012년)간의 관측자료를 분석하여 비교적 큰 홍수사상이 발생한 2009년 7월 14일~18일 사 이로 설정하였다. 모형의 검증을 위해 만경강 상
그림 5. 만경강 본류(만경대교)의 계산수위 및 관측수위 비교
(a) 신시배수갑문 (b) 가력배수갑문
그림 4. 배수갑문 전경사진
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류단 경계조건은 목천수위표의 수위자료를 바탕으 로 목천관측소 수위유량관계곡선도(국토해양부, 2009)를 이용하여 유량을 산정하였으며, 하류단 경계조건은 방조제 내측의 조위탑에서 계측된 수 위를 적용하였다. 비교 결과 수치해석을 통한 계 산결과와 관측된 수위가 비교적 일치함이 확인되 었다. (그림5)
4.2 조위에 따른 수위변화 검증
새만금지구의 조위 재현 정확도를 검증하기 위 해 새만금지구의 신시 및 가력 수위탑과 해측 조위 탑에서 2007년 4월 11일부터 4월 15일 사이의 대
조기 동안 관측한 조위와 비교하였다. 이 시기동안 가력 및 신시배수갑문은 모두 개방되어 있었다. 해 측 조위관측탑의 위치는 그림 1에서 pt-2 지점이 며, 새만금방조제 호내 조위탑은 각각 가력배수갑 문 및 신시배수갑문 내측에 위치한다. 만금 호측에 위치한 가력 수위탑의 시뮬레이션 기간 관측치와 모형 추정치의 RMSE는 0.005m로 나타났으며, 신시 수위탑의 RMSE는 0.003m로 모형은 실제 호측 수위를 잘 모의하는 것으로 나타났다. 새만금 해측에 위치한 조위탑의 시뮬레이션 기간 관측 조 위와 추정 조위의 RMSE는 0.196m로, 시뮬레이션 기간 관측값의 평균 조차인 3.3m의 6% 이내에 들 어가는 것으로 나타났다. 수치해석 결과 및 관측치 의 비교는 아래 그림 6을 참고할 수 있다.
(a) 가력 내측
(b) 신시 내측 (c) 외해측
그림 6. 조위 검증 결과
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5. 수치해석 결과
새만금지구의 홍수위를 산정하기 위해 3장과 같 은 경계조건을 적용하였으며, 4장과 같은 방법을 통해 모형을 검증하였다. 검증된 수치해석 모델 을 활용하여 새만금 홍수위를 계산하였는데, 새만 금지구의 지형조건은 2020년 1단계 완료 시점과 2030년 2단계 완료 시점을 대상으로 하였다. 이는 그림 7을 참고할 수 있다. 홍수위를 수치모의한 계 산 결과는 그림 8에 도시되어 있으며, 파선은 외해 측 조위, 실선은 신시배수갑문 내측, 일점쇄선은 가력배수갑문 내측의 수위를 나타낸다. 호내 수위 가 외해측 수위보다 낮을 때에는 배수갑문을 개방
할 수 없어서 수위가 상승하며, 호내 수위가 외측 조위보다 높아질 경우에는 배수갑문을 개방하여 다시 호내 수위가 낮아지게 된다. 그림 8에서는 이 와 같은 수위변화를 자세히 묘사하고 있다.
6. 결 론
새만금지구의 내부개발을 위한 매립계획고 및 방수제 천단고 산정의 기초자료인 홍수위를 정확 히 산정하는 것은 매립계획고에 따른 사업비의 변 경과 같은 경제적인 문제 뿐만 아니라 홍수나 해 일에 따른 범람과 같은 자연재해의 피해를 최소화 (a) 1단계 완료(2020년)
(a) 2020sus(1단계)
(b) 2단계 완료(2030년)
(b) 2030년(2단계) 그림 7. 홍수위 산정을 위한 평면 조건
그림 8 새만금 신시 및 가력배수갑문지점 수위 변화 (100년 빈도 홍수 시)
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하는 데 있어서도 매우 중요한 문제이다. 특히 새 만금지구와 같이 하구역에 설치된 방조제 내측 홍 수위의 경우에는 호우에 의한 홍수파의 전파와 외 해측의 조석조건, 그리고 배수갑문을 통한 담수의 방류 조건 등의 상호작용 영향을 모두 고려하여야 하므로 해석하기가 매우 까다롭다. 본 기술기사에 서는 새만금지구의 홍수위 산정 사례를 소개함으 로써 하구역에서의 홍수위 산정방법과 수치해석 모형의 검증안에 대해 간단히 제시하였다. 본 기 사가 국내 하구역의 홍수위 산정이나 이와 유사한 해외 사업 수행에 있어서 하나의 참고자료가 되길 기대하며, 향후 추가 연구 계획에 대해서도 간단 히 소개하면 다음과 같다.
현재 한국농어촌공사에서는 보다 정확한 홍수위 산정을 위하여 그 기초 자료가 되는 새만금지구
신시 및 가력배수갑문을 통한 방류량 산정에 관한 연구를 수행하고 있다. 이를 위하여 현재 농어촌 연구원 수리실험실에서는 다양한 수위 및 유량 조 건에 대한 수리모형실험을 수행하고 있으며 한양 대학교 건설환경공학과 강석구 교수 연구팀과 공 동으로 슈퍼컴퓨터 기반의 3차원 전산유체역학모 형(Kang and Sotiropoulos, 2012)을 이용한 배수 갑문 방류량 예측과 정밀 3차원 흐름 예측에 관한 연구를 수행하고 있다. 해당 수치모형은 국내에서 널리 사용되던 기존의 상용 3차원 프로그램에 비 하여 월등히 높은 정밀도로 실험실에서 측정된 수 위 및 유량조건을 재현하는 것으로 밝혀졌다. 본 연구 결과는 홍수위 산정 수치해석 모델의 배수갑 문 부분에 추가적으로 적용될 예정이다. 또한, 새 만금지구의 경우 장기적인 지형변동에 의해 홍수
(b) 3차원 전산유체역학 모형(Kang and Sotiropoulos, 2012)을 이용한 배수갑문 외측에서 발생하는 도수현상 예측 (a) 수리모형실험전경
그림 9. 새만금 배수갑문 방류량 산정을 위한 수리모형실험 및 수치해석
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위가 영향을 받을 우려 또한 존재한다. 장기 하상 변동에 의해 새만금지구의 지점별 최대 홍수위가 변할 경우 기 건설된 방수제나 농업용지 등에 큰 재해 발생이 우려된다. 따라서, 장기 하상변동에 관한 연구와 이에 따른 홍수위 변화에 대해서도 추가 연구가 수행될 예정이다.
감사의 글
본 연구는 농림축산식품부 새만금조사시험연구 (과제번호 SS-03-01-08-13)의 연구비 지원에 의해 수행되었습니다.
국무총리실 등 (2011). 새만금 종합개발계획(Master Plan)
국토해양부·익산지방국토관리청 (2009). 만경강유역종합치수계획보고서 국토해양부·익산지방국토관리청 (2009). 동진강유역종합치수계획보고서 농림수산식품부 (2008). 새만금 내부개발 기본계획
농림수산식품부·한국농촌공사 (2008). 2008년 새만금지구 수문조사보고서 농어촌연구원 (2013). 농어촌연구원 50년사
Bodhaine, G.L. (1968). Techniques of Water-Resources Investigations of the United States Geological Survey: chapter A3 Measurement of peak discharge at culverts by indirect methods, U.S. Geological Survey
Deltares (2011). User Manual Delft3D-FLOW
French, R.H., J. Zseleczky and R. Margolies, eds. (1986). Open-Channel Hydraulics. McGraw-Hill, New York. p. 368
Gerritsen, H. (2005). What happened in 1953? The big flood in the Netherlands in retrospect. Phil. Trans. R. Soc. A, 363, 1271-1291.
Jung, J.-S. and Cho, Y.-S. (2013). A 3D hydrodynamic model for determination of flood level inside Saemangeum embankment, Journal of Coastal Research, Vol. 65(Special Issue), pp.243-248.
Kang, S. and Sotiropoulos, F. (2012), Numerical modeling of 3D turbulent free surface flow in natural waterways. Advances in Water Resources, Vo. 40, pp.
23-36.
참고문헌
