Simulation of Water Quality Changes in the Saemangeum Reservoir Induced by Dike Completion

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방조제 완공에 따른 호내부 수질변화 모의

Simulation of Water Quality Changes in the Saemangeum Reservoir Induced by Dike Completion

서승원*·이화영**·유상철***

Seung Won Suh*, Hwa Young Lee** and Sang Cheol Yoo***

요 지 : 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 운 영을 고려하였으며 수체-저질/대기간의 3상 모의가 수행되었다. Lagrangian 입자추적모의를 통해 새만금호 내부의 혼 합이 갑문운영에 따른 영향보다는 만경·동진강의 하천유량에 지배되고 있음을 확인하였다. 방조제 완공 후 해수소 통이 저하되면서 동진 유입부에서는 표층과 저층간 DO 농도 차이가 유발되며, 정체된 인공호 특성상 SOD도 호내 빈산소 현상을 유발시켜 수질을 저해시키는 요인으로 작용하는 것이 확인되었다. 부영양화 상태를 나타내는 TSI 평 가에 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 무작위적 인 갑문운영이 내부 수질에 영향을 미치는 유의할만한 차이를 확인 할 수 있었다. 따라서 내부 개발 방안에 따른 최적의 수질확보에는 적절한 갑문운영이 수질관리에 중요한 인자로 작용한다.

핵심용어 : 새만금, EFDC, 입자추적, 부영양화지수, 갑문운영, 수질관리

Abstract : 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.

Keyword : Saemangeum, EFDC, particle tracking, eutrophication index, gate operation, water quality management

1. 서 론

2006년 4월 방조제 끝물막이 공사가 마무리된 새만금호는 2010년 4월 방조제 공사를 준공한 후 내부 개발방안 추진이 지연되었고, 현재는 호 내부 수질저하 방지대책의 일환으로 신 시·가력 배수갑문을 통해 해수소통을 유지하고 있다. 방조제 공사 마무리 단계에서 방조제 완공 후의 새만금호 내부 수리

특성 변화를 심도 있게 다룬 선행연구(서·조, 2007)는 배수갑 문의 상시개방을 통한 해수 소통으로 인해 호 내부의 평균수 위가 상승(super-elevation)하고, 평균 조위차가 줄어들어 조간 대 면적이 축소되는 등 인위적인 tidal inlet 특성을 가지는 수리, 수질 및 생태환경의 변화가 나타남을 제시한 바 있다.

만경·동진강 하구역에 위치했던 조간대는 하구의 순기능과 함께 주변 생태계에 중요한 역할을 하고 있었으나, 새만금 방

*군산대학교 해양건설공학과(Correspoding author: SeungWon Suh, Department of Coastal Construction Engineering, Kunsan National University, Dahak-ro 1170, Gunsan, Jeonbuk 573-701, Korea, [email protected])

**(주)대영엔지니어링 기술연구소 (R&D Center, DY Engineering Co., Ltd.)

*** 군산대학교 해양산업공학과(Department of Ocean Science & Engineering, Kunsan National University)

조제 완공 후 조석 소통의 영향력 감소로 조간대의 물리특성 이 변화되고 하구의 순기능이 상실되고 있으며, 이러한 하구 와 조간대의 기능저하는 호 내부 수질 및 생태에 악 영향을 미칠 수 있다. 인위적인 공사로 인한 조간대 기능 상실이 수 체 수질에 영향을 미치는 영향을 이해하기 위한 연구가 Yang et al.(2004), 김 등(2006)에 의해 선행연구된 바 있으며, Zheng et al.(2004)이 염습지(salt marsh)에서 SOD(sediment oxygen demand)의 영향으로 수체내 DO(dissolved oxygen)가 급격히 소모되어 저하되는 것을 관측자료 및 dry-wet 처리를 통한 수치모형을 이용하여 발표한 바와 같이 새만금 물막이 이전의 기존 조간대와 달리 물리적으로 변화된 환경이 수질 에 직접적으로 영향을 미칠 수 있음을 예견할 수 있다.

본 논문은 선행연구(서 ·이, 2008)에 이은 새만금의 수질변 화를 해석하는 일련의 연구 중 일부이며, 끝물막이 이전 2.7 km 개방구간 상태의 수질을 만족스럽게 재현한 바 있는 EFDC 모형을 물막이 완공 이후인 현시점에서 보다 상세화된 격자와 개선된 자료로 재검증한 모의 결과를 포함한다. 특히 만 경 및 동진강의 하계 강우유출을 고려한 하천빈도 유량별 입

자추적(Lagrangian particle tracking)을 실시하고 새만금 방조 제 완공 이후 동수역학적 변화를 분석함으로써 향후 내부 개 발에 따른 동수역학 및 수질변화의 초기 정보를 제공하는 것 을 목표로 한다. 아울러 본 연구에서는 선행 연구의 제한사항 이었던 실제 배수갑문운영 자료를 확보하고 하천유입량의 적 정 대입을 통해 진전된 결과가 제시된다.

2. 새만금호 수리 및 수질특성

일반적으로 자연 상태의 inlet 수리특성은 만의 형상, 폭, 지 형, 바닥경사, 비조석력, 조석의 크기, 바람 그리고 강의 유입 등에 의해서 지배되며, 외조위의 상승과 하강에 의한 조석력 이 가장 크게 작용한다(Walton, 2002). Inlet 입구 주변은 강 한 유속과 지형적인 영향에 의해 와류가 발생되며, 조석 비대 칭성(asymmetry)에 의해 창조우세(flood dominant)나 낙조우 세(ebb dominant)가 발생된다. 새만금호는 끝물막이 이후 수 문을 통해 해수가 제한적으로 소통되면서 인위적인 inlet 특성 이 나타나며 호 내부의 강한 창조우세 현상으로 super-elevation

Fig. 1. The annual variation of water quality concentration in Saemangum.

이 나타난다.

2006년 4월 21일 새만금 방조제 끝물막이 이후, 방조제 개 방구간이 2.7 km(2004년 기준)에서 0.54 km로 축소되어 인위 적인 inlet으로 변화된 새만금호는 개방구간의 폭이 79.3% 감 소하고 단면적은 91.5% 감소하는 물리적 특성변화가 있었다.

서 ·조(2007)는 ADCIRC 모형을 이용하여 방조제 개구부 축 소에 따른 새만금호 내부 물리특성 변화를 제시한 바 있다. 연 구 결과에 따르면 방조에 완공 이전 MSL(mean sea level)을 기준으로 한 넓은 조간대 지역은 완공 이후 호 내부 수위상 승(super-elevation)과 조위 변화 폭의 감소로 인하여 MWL (mean water level)을 기준으로 급격히 감소됨에 따라 조간대 지역은 22% 감소하며, 상시노출지역(dry zone)은 19% 증가되 는 것으로 나타났다.

새만금호의 연평균 수질변화를 농어촌연구원 새만금연구센 터에서 2004년에서 2007까지 관측한 자료를 도시한 Fig. 1을 살펴보면, T-N은 0.09 mg/L에서 1.27 mg/L로 증가하였으며 T-P(2005년 자료부터)는 0.06 mg/L에서 0.05 mg/L감소하고 Chlorophyll-a는 6.27 mg/L에서 17.56 mg/L로 증가 되었다.

이는 양 등(2007)의 제시한 바와 같이 T-P 농도의 감소는 Chlorophyll-a의 성장에 기여했음을 보여준다. COD는 2.6 mg/L 에서 4.98 mg/L로 증가 하고 DO는 10.4 mg /L에서 9.89 mg/L로 큰 변화가 없는데, 방조제 완공 후인 2006년 8월 만경 유입 부에서 최소 5.6 mg/L가 관측된바 있다. 이러한 DO 농도의 감소는 여름철 국부적으로 저산소 현상이 발생할 가능성이 있 음을 시사하며 배수갑문 운영이 장기간 중단될 경우 그 가능 성은 더욱 높아질 수 있음을 의미한다.

3. 모형 수립

3.1 3차원 EFDC 모형

방조제 완공 이후 호 내부 상류에 분포된 기존의 조간대 상 당부가 일종의 salt marsh의 역할을 하게 되고, 배수갑문을 통 해 소통되는 제한된 해수 교환에 따른 저유속 및 저니토에서

의 산소 소모로 인한 수질 저하가 문제시 되므로, 새만금호와 같이 부분적으로 폐쇄된 하구호의 수질을 이해하기 위해서는 저니토와 수체와의 반응이 고려된 3차원 모형을 적용하는 것 이 필수적이다. 서 ·김(2003)은 인공적 하구호의 유사 사례로 시화호에 대한 수질모의와 내부 개발 및 저니토 교란이 호의 수질에 미치는 영향을 3차원 CE-QUAL-ICM 모형으로 예측 하여, 저니토와 수체간 2상의 중요성과 호 전반에 미치는 영 향을 평가한 바 있다. 본 연구에서는 시화호에 적용된(서 등, 2002; 서·김, 2003) 수질모형인 ICM을 근간으로 하지만, 동 수역학과 일체로 모의되는 3차원 EFDC 모형을 수치모형으로 선정하였다.

EFDC 모형은 3차원 수리·수질 모형으로 연안, 강, 호수, 하구 등에 적용이 가능하며 수리분야는 Hamrick(1992), 수질 분야는 Park et al.(1995)에 의해 개발되고 발전되었다. EFDC 모형은 크게 hydrodynamics, water quality, sediment transport, Toxics 모듈로 나눠지며 수질모듈은 ICM에 기반을 둔다. 모의 가능 한 수질인자는 22개이며 인자들 간의 상호 반응관계는 EFDC 사용자 지침서에 상세히 기술되어 있다. 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.

새만금호의 효율적인 수질 모의를 위해서 Fig. 2와 같이 선 행된 연구(서·이, 2008)와 동일한 격자망과 이를 세분화한 상 세격자망으로 나눠 모의하였다. 선행 연구의 격자망은 장기간 모의를 위한 효율적인 격자망으로 새만금호의 수질을 365일 간 연속모의 하는데 무리가 없다. 이에 비하여 상세 격자망은 약 7배 정도 높은 해상도를 가지므로 보다 정확한 모의가 가 능하지만 장기간 보다는 월별 모의에 적합하다. 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.

Fig. 2. Grid structures for the Saemangeum simulation.

3.2 수체-저질/대기 상호반응 3.2.1 수체-저질간의 반응

하구 및 감조하천을 포함하는 연안역에서는 저층 퇴적물이 수질에 상당한 영향을 미친다. 수체에서 생성된 유기물 중 부패되지 않은 입자성 물질은 저층에서 퇴적되면서 수체로 무기 영양염을 용출하여 수체에서의 일차생산을 자극하 고, 저층 퇴적물 산소요구량(SOD)을 만들어내어 무(빈)산소증 을 유발시켜 수질을 더욱 악화시킨다(환경부·과학기술처, 1997). 시화호 저질의 영향을 평가한 연구에서와 같이 부분 적으로 폐쇄된 하구호에서는 수체-저질간의 2상에 대한 상호 작용 이해가 하구호 수질해석에 매우 중요하다(서 ·김, 2003).

본 연구에서는 저니토와 수체간의 용출 및 침강 플럭스를 일정한 상수로 처리하지 않고 미국 Chesapeake bay에서 검증 된바 있는 퇴적물 모형(DiToro and Fitzpatrick, 1993)을 사용 하여 부분적으로 정체된 하구호의 수질해석에 정도를 높이고 자 하였다. 퇴적층 모형에서 저층은 두개의 층으로 구성되며 약 10 cm의 두께를 갖는다. 수체내 DO 농도에 따라 유산소 또는 무산소층으로 구분되며 침강, 속성변화 그리고 플럭스 과 정으로 이루어진다. 수질모형에서 매 시간마다 계산된 수온, 영양염, 용존산소 등이 퇴적층 모형에 입력되면 수체와 저층 경계면에서의 플럭스를 계산하고 계산된 플럭스 값들은 다시 수질모형 내에서 질량 균형과 동역학적 반응의 마감을 위해 활용된다(환경부, 1999).

해저 퇴적층 모형의 반응 기작은 Fig. 3과 같으며 퇴적물 모 형의 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 과 정을 통해 변수를 보정하여 모형의 검보정에 신뢰성을 높이 고자 하였다. 모형에 사용된 변수 값은 Table 2에 제시되었다.

3.3.2 대기-수체간의 반응

본 연구에서는 선행연구(서·이, 2008)에서 미비했던 대기와 수체의 상호반응을 고려하기 위해 전주 기상청의 년도별 관 측자료를 토대로 일사량, 기온, 바람, 기압 등 대기정보 자료 를 매시간단위로 보간·입력하여 수온의 일변화와 계절적인 변 화를 반영하도록 하였다.

3.3 자료의 개선과 제한성

새만금호의 만족스러운 수질모의를 수행하기 위해서는 양질 의 자료들이 구비되어야 한다. 그렇지만 새만금호 사업시행 주 체인 한국농촌공사를 비롯하여, 한국해양연구원 및 인근의 군

산대학교 새만금환경연구 센터 등에서 축적한 자료와 개별 연 구진에 의해 관측된 자료가 현재까지 이용 가능한 자료이다. 특 히 외부의 연구자가 공개적으로 이용할 수 있는 수질자료는 매우 제한적인데, 최근 한국농촌공사에서 새만금호 외측을 포 함한 내측의 수질자료를 웹(www.saemangeum.or.kr)에 공개하 여 일부가 활용 가능하다. 수질관측망은 Fig. 4의 (a)에 도시 된다. 금번 연구에서는 공개된 수질관측 자료를 사용하여 이 전 연구에서 제한적으로 이용하였던 수질자료 및 하천유량의 제한점을 극복하도록 하였다. 만경·동진강으로부터 유입되는 하천의 오염부하는 만경·동진강 하구역에서 관측된 정점 ME1 과 DE1의 관측 자료를 사용하였고 이와 함께 만경대교와 동 진대교에서 매시별 관측된 하천유량을 적용하였다(Fig. 4). 배 수갑문을 통해 외해로부터 유입되는 오염부하로는 배수갑문 인 근의 SO1과 SO5에서 관측된 자료를 사용하였다.

수치모의 개선사항으로는 수체내의 반응뿐만 아니라 수체- 저질/대기간 3상의 반응이 고려된 것과 선행연구에서는 고려 되지 못한 배수갑문의 운영을 일부 반영한 것 등이 있다. 그 러나 Fig. 4의 (c)와 (d)에서 보는 바와 같이 갑문의 운영이 매 우 불규칙적이므로 갑문 개폐만을 고려하여 호 내부의 수질 을 평가하는데는 어려움이 상존한다.

또한 새만금 지역과 같이 장기간 실시된 대규모 공사 지역 에는 공사시 투여된 상당량의 토사가 개방구간에서의 강한 유 Table 1. Model conditions depending on grid structures

Relative coarse grid Fine grid

Number of horizontal cell : 1,520 Number of horizontal cell : 10,422 Time interval (dt) : 5 s Time interval (dt) : 1.5 s

Minimum mesh size : ∆x = 200 m, ∆y = 120 m Minimum mesh size : ∆x = 102 m, ∆y = 60 m Maximum mesh size : ∆x = 1,660 m, ∆y = 3,000 m Maximum mesh size : ∆x = 258 m, ∆y = 638 m

Fig. 3. Sediment layers and processes included in sediment process model(Park et al., 1995).

속으로 인해 호 내·외부 인근에 퇴적되면서 급격한 해저지형 의 변화를 초래하기 때문에 수심에 대한 불확실성이 내포되 는 개연성은 배제할 수 없다. 수질모의시 호 내부의 수질변화 에 영향을 미치는 유량과 수질은 함께 측정되어야 타당 하지

만, 새만금호 내부로 유입되는 하천인 만경강과 동진강의 유 량 관측은 국토해양부에서 실시하고, 수질 관측은 한국농촌공 사에서 실시하므로 관측 기관 이원화에 따른 자료의 동시성 결여 및 불확실성이 존재하는 제한사항이 있다.

Table 2. Benthic flux coefficients in water-sediment interaction

Parameter Unit Value Parameter Unit Value

Diffusion coefficient ThKP2 1.15

DifT m²/sec 1.08E-07 ThKP3 1

Spatially constant parameters to split depositional fluxes to Gi classes

ThKC1 1.1

ThKC2 1.15

FNBc1 0.65 ThKC3 1

FNBc2 0.25

Spatially constant parameters common to sediment flux

FNBc3 0.10

FNBd1 0.65 rMI Kg/L 0.5

FNBd2 0.25 rM2 Kg/L 0.5

FNBd3 0.10 ThDd 1.08

FNBg1 0.65 ThDp 1.117

FNBg2 0.25 GPOCr g C / m³ 100

FNBg3 0.10 KMDp mg/L 4

KST day^-1 0.03

FPBc1 0.60 DpMIN m²/d 6.00E-06

FPBc2 0.25 RBIBT 0

FPBc3 0.15

FPBd1 0.60 02BSc mg/L 2

FPBd2 0.25 TDMBS days 2

FPBd3 0.15 TCMBS days 2

FPBg1 0.6

Spatially constant parameters for NH₄, NO₃ and PO₄

FPBg2 0.25

FPBg3 0.15 P1NH₄ L/Kg 1

P2NH₄ L/Kg 1

FCBc1 0.65 KMNH₄ gN/m³ 0.728

FCBc2 0.20 KMNH₄O₂ gO₂/m³ 0.37

FCBc3 0.15 ThNH₄ 1.125

FCBd1 0.65 ThNO₃ 1.08

FCBd2 0.20 P2PO₄ L/Kg 100

FCBd3 0.15 DOcPO₄ mg/L 2

FCBg1 0.65

Spatially constant parameters for H₂S/Ch₄ flux and SOD

FCBg2 0.20

FCBg3 0.15 P1H₂S UKg 100

Spatially constant parameters for diagenesis

P2H₂S UKg 100

KH₂Sd1 m/day 0.2

KPON1 day^-1 0.035 KHH₂Sp1 m/day 0.4

KPON2 day^-1 0.0018 ThH₂S 1.17

KPON3 day^-1 0 KMH₂S mg O₂/L 4

KPOP1 day^-1 0.035 KCH₄ m/day 0.7

KPOP2 day^-1 0.0018 ThCH₄ 1.08

KPOP3 day^-1 0 cSHSCH g/L 1

KPOC1 day^-1 0.035

KPOC2 day^-1 0.0018 aO₂C gO₂/gC 2.667

KPOC3 day^-1 0 aO₂NO₃ gO₂/gN 2.857

aO₂NH₄ gO₂/gN 4.571

ThKN1 1.1 Spatially constant parameters for SILICA

ThKN2 1.15 KSi day^-1 0.5

ThKN3 1 ThSi 1.1

ThKP1 1.1 KMPSi g Si/m³ 5.00E+04

4. 호내부의 수리 특성

4.1 동수역학 모듈의 검증

새만금 수질모형의 타당성을 평가하기 위해 새만금 내부를

포함한 모형과 외부역이 포함된 광역모형에 대한 타당성이 이 미 제시된 바 있다(서 ·이, 2008). 내부 모형의 수리 특성 검 증은 호 내부의 관측된 수위 상승과의 비교로 이루어졌는데 수위 곡선의 형태가 잘 일치되며, 새만금호 내부의 수리특성 Table 2. Continued

Parameter Unit Value Parameter Unit Value

SiSat g Si/m³ 40

Spatially varying parameters : physical and rate velocity

P2Si L/Kg 100

DP1 Si 10 ISMz 1

DOcSi mg/L 1 Hsed meters 0.15

DetFPsi gSi/m²/d 0.1 W2 cm/year 0.1

Spatially constant ICs Dd m²/day 0.0005

CPON1 g/m³ 13 Dp m²/day 6.0E-5

CPON2 g/m³ 130 KNH₄ m/day 0.131

CPON3 g/m³ 1300 KNO₃1 m/day 0.1

CPOP1 g/m³ 4.2 KNO₃2 m/day 0.25

CPOP2 g/m³ 42 DP1PO₄ 300

CPOP3 g/m³ 420 SODmult 1

CPOC1 g/m³ 159

Spatially varying parameters : distribution coefficients for RPOM

CPOC2 g/m³ 1590

CPOC3 g/m³ 15900 ISMz 1

Spatially constant initial conditions FNRPi 0.1

C1NH₄ g/m³ 1 FNRP2 0.8

C2NH₄ g/m³ 3 FNRP3 0.1

C2NO₃ g/m³ 1 FPRPi 0.1

C2NO₄ g/m³ 250 FPRP2 0.73

C2H₂S g/m³ 250 FPRP3 0.17

CPSi g/m³ 5000 FCRPi 0.1

C2Si g/m³ 500 FCRP2 0.83

CBSt days 1 FCRP3 0.07

GT degC 5

Fig. 4. Sampling stations and river discharge with gate operations.

을 잘 재현하고 있는 것으로 나타났다.

EFDC 모형을 통해 재현된 조량을 검증하고자 개방된 신시 배수갑문 중 임의로 선정된 하나의 갑문에서 실측한 조량과 비교하였다. 2회(2006년 8월, 9월) 실측된 조량은 EFDC 모형 을 통해 재현된 조량과 신뢰할 수 있는 범위 내에서 일치하 는 것으로 분석되었다(Fig. 5).

4.2 수리특성 변화

방조제 완공 이후 새만금호 내부의 수리 특성 변화는 예견 하였던 바와 같이 매우 급작스럽게 변화하였다. 서 ·조(2007) 에 따르면 2004년(개방구간 2.7 km) 방조제 완공 이전 넓은 조간대 지역은 2006년 방조제 끝물막이로 개방구간이 0.54 km 로 축소되면서 호 내부의 수위 상승(super-elevation)과 수위 변화폭이 감소되면서 조간대 지역은 22% 축소되며 상시노출 지역(dry zone)은 19% 증가되는 것으로 나타났다.

새만금 방조제 완공 이후 해수소통 폭 축소로 인하여 창조 시 갑문 주변에서는 강한 유속이 나타나고 와류가 발생된다. 부 표추적 실험을 통해 새만금호 내부의 수리학적 특성을 분석 하고자 창조시에 맞추어 2010년 6월 24일 10시 40분부터 18 시까지 신시배수갑문 인근에서 부표추적 실험을 실시하였다.

관측결과를 도시한 Fig. 6(a)에서 보는 바와 같이 배수갑문 부 근에 투여된 부표는 외해로부터 유입되는 강한 흐름의 영향 으로 이를 따라 회전하며 내측으로 진행된다. 수치모의 결과 중 최강류 시점의 흐름을 도시한 Fig. 6(b)와 비교하면 창조 시 배수갑문 인근에서 발생하는 와류의 크기와 진행 방향이 유사하게 재현된 것임을 알 수 있다. 관측된 부표의 최대 속 도는 3.59 m/s로 나타났으며, 두 부표간의 거리 차 및 추적시 간을 이용하여 구한 새만금호의 확산계수는 6.88 m²/s로 산정 되었다.

4.3 방조제 완공 이후 호 내부의 수리학적 혼합 특성 방조제 완공 이후 호 내부 유동변화를 이해하기 위해 EFDC 모형을 이용하여 Lagrangian particle tracking 모의 를 실시하였다. 중립입자는 유동장과 함께 거동하므로 새만 금호와 같이 인위적으로 폐쇄된 영역의 순환특성 및 체류시 간 등을 평가하는데 적합하다. 해석에서는 갑문운영과 상류 에서 유입되는 유량이 호 내부 유동에 미치는 영향을 살펴 보기 위해 동시 방류되는 것으로 설정하였으며 대조시 5일 간을 모의하였다.

갑문 영향을 살펴보기 위해 상시 해수소통을 해오다 일시 Fig. 5. Verification of a tidal prism at Sinsi gate.

Fig. 6. Trajectory of buoy test and numerical simulation result.

적으로 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, 평 수 그리고 갈수시에 대한 영향을 고려하였다. 부여된 입자의 초기위치는 갑문인근에 2정점, 호 중앙부 인근에 2정점, 만 경 및 동진강 유입부 인근에 2정점 등 총 6개 정점에서 매 층 마다 8개의 입자를 부여하여 총 1,200개의 입자들을 방 출시켰다(Fig. 7).

모의결과를 요약한 Table 3에서 보는 바와 같이 홍수시 상 시 개방된 경우에는 약 28% 입자가 잔존하였고 갑문을 닫은 경우 약 45% 입자가 잔존하였다. 반면 평수시와 갈수시의 상 시개방과 갑문운영을 하였을 경우 모두 70% 에 다다르는 입 자가 잔존 하였다(Table 3). 이는 Table 3에서 보는 바와 같이 평상시 호내부 중앙부 및 만경과 동진강 입구의 유량이 외해 수와 혼합되기보다는 갑문 주위에서만 제한적으로 교환되는 것 으로 이해된다. 그러나 홍수시에는 하천 유량도 신속히 외해 로 방류되는 것을 알 수 있으며, 이러한 결과는 새만금 방조 제 완공이후 호 내부의 혼합에 있어서 갑문운영에 의한 영향 보다 만경·동진강으로 부터 유입되는 유량이 호 내부의 혼합 에 지배적으로 작용하고 있음을 시사한다. 따라서 평수와 갈 수시 호 내부에서 소기의 수질목표를 달성하기 위해서는 적 정 갑문 운영과 함께 다른 방안도 함께 고려되어야 할 것으 로 판단된다.

5. 수질모의 및 분석

5.1 모형의 검증

구축한 수질모형의 신뢰성을 판단하기 위해서는 모형 변수에 대한 보정과 검증이 필수적이다. Cerco et al.(1994)은 Chesapeake bay 지역에서 수년에 걸쳐 관측한 수질 자료를 상호 비교하여 ICM 모형의 수질 반응계수들에 대한 적정 값의 범위를 제시 하였다. 서 ·이(2008)의 선행연구에서는 시화호에 ICM 모형을 적용하여 좋은 상관성 및 수질 재현 성과를 얻은 바 있는 서·김(2003)에서 적용한 계수를 기초로 하고 국내 적용 예가 희박한 경우에는 미국 환경보호청에서 제안하는 상수 및 변수 (Bowie et al., 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 준용 하였다.

본 연구에서 고려한 새만금호의 수질 검증 및 보정 방법은 2004년(개방구간 2.7 km) 당시 1년간의 수심 평균한 수질자 료(농어촌연구원 새만금연구센터)를 토대로 모형의 수질 반응 계수에 대한 보정을 진행하였고, 2005년 4월부터 8월까지의 자료로 검증을 실시하였다. 계산결과의 제시는 논문 지면의 제 약으로 금회 연구에서는 모의된 인자들 가운데 대표적으로 DO 와 COD 만을 대상으로 한다. 타 수질항목의 모의 결과 및 검 토는 이(2008)에 보다 상세히 제시되어 있어 참고 가능하다.

Fig. 7. Particle tracking simulation.

Table 3. Percentage of remaining particles according to river discharges

Gate operation River discharge condition Release point

P1 P2 P3 P4 P5 P6 Total

Always opened

Drought 9.0 99.5 100.0 2.0 100.0 100.0 68.4

Normal 13.0 96.0 100.0 1.0 96.0 100.0 67.7

Flood 12.0 39.5 60.0 1.5 24.5 32.5 28.3

Discontinuously opened

Drought 20.5 99.0 100.0 8.0 92.0 100.0 69.9

Normal 14.0 98.0 100.0 8.5 97.0 100.0 69.6

Flood 15.0 57.5 60.0 2.5 45.0 70.0 44.9

금회 연구에서는 선행연구(서·이, 2008)에서 특정적으로 여 름철 자료에서 발생하였던 오차를 줄이고자 2004년 만경대교 및 동진대교에서 관측된 매시별 유량을 모형에 적용하였다.

2004년 관측된 수질자료를 이용하여 새만금호 수질을 보정한 결과, DO의 경우 최소 0.57 mg/L에서 최대 2.65 mg/L의 평균 절대오차가 나타나며, COD의 경우 최소 0.06 mg/L에서 최대 1.87 mg/L의 평균절대오차가 발생한다(Table 4). 특히, 여름철 하천 유량의 영향을 크게 받는 하구역의 정점 ME2, DE2에 서 오차가 최대로 발생하며, 호 중앙부 정점 ML2, DL2에서 는 봄 또는 가을에 오차가 최대로 발생한다. 이러한 오차의 원 인으로는 유량과 수질 관측기관 이원화에 따른 자료의 동시 성 결여와 불확실성에 따른 차이로 분석된다.

배수갑문 운영 여부에 따른 DO 농도변화를 제시한 Fig. 10-11 에 따르면 만경수로에 위치한 정점 ME2와 ML2에 비하여 동

진수로에 위치한 정점 DE2와 DL2에서 관측치와 비교적 잘 일치되어 나타난다. 이는 만경수로에 영향을 주는 신시 배수 갑문의 폭(300 m)이 동진수로에 영향을 주는 가력 배수갑문 의 폭(240 m)보다 상대적으로 크기 때문에 배수갑문을 통한 매시간별 유출입되는 조량의 영향을 적게 받는 동진수로가 비 교적 잘 일치되어 나타나는 것으로 분석된다. 관측결과와 수 치 모의된 결과의 차이가 크게 발생하는 여름철의 경우 앞서 언급한 바와 같은 하천유량 및 수질 관측 자료의 동시성 결 여로 인한 차이로 여겨지며 배수갑문 운영 여부와 관계없이 만경 동진강으로부터 유입되는 유량의 영향을 크게 받고 있 는 것을 보여주는 결과로 여겨진다.

5.2 수질 변화 분석 5.2.1 시공간적인 변화 Table 4. Statistical summary of model calibration in year 2004

Station DO(mg/L) COD(mg/L)

Spring Summer Autumn Winter Spring Summer Autumn Winter

ME2 ME 0.13 2.65 1.31 0.84 0.45 1.42 1.27 0.37

MAE 1.06 2.65 1.55 1.20 0.61 1.87 1.27 0.66

ML2 ME 1.23 0.77 1.45 1.18 0.59 0.79 0.80 0.40

MAE 1.23 1.01 1.45 1.20 0.63 0.79 0.80 0.58

DE2 ME 1.86 2.05 1.01 0.51 0.87 1.82 1.05 0.33

MAE 1.86 2.05 1.01 0.88 0.87 1.82 1.05 0.54

DL2 ME 1.16 -0.43 0.82 0.57 0.55 -0.18 0.42 0.03

MAE 1.88 0.71 0.98 0.57 0.63 0.46 0.42 0.06

E_ME= , E_MAE=

E_ME: mean error(ME), E_MAE: mean absolute error(MAE), O: observed, P: model computed, n: number of observed-computed pairs O P–

( )

∑ n

--- ∑O P– ---n

Fig. 9. Calibration of water quality constituents for Donjin in 2004.

Fig. 8. Calibration of water quality constituents for Mankyoung in 2004.

Fig. 10. Comparison of DO concentration regarding gate operation at Mankyoung in 2006.

Fig. 11. Comparison of DO concentration regarding gate operation at Donjin in 2006.

Fig. 12. Spatial DO concentration distribution.

새만금 방조제 완공 후 시공간적인 수질농도 변화를 살펴 보는데, 대표적으로 가을철 DO 농도의 공간적인 평면분포를 Fig. 12에 제시하였다. 개방구간이 2.7 km인 2004년의 경우 새 만금호 내외측간의 해수교환이 원활이 이루어져 배수갑문으로 부터 하천 유입부까지 DO 농도는 큰 차이 없이 분포되었다. 표 층과 저층간의 농도 차이도 크게 발생하지 않았다. 방조제 완 공 이후 배수갑문 운영에 따라 해수소통이 제한되면서 하천 유 입부 인근의 농도가 배수갑문 인근보다 낮게 나타나고, 표층 DO 농도가 최소 5.9 mg/L인 것에 비해 저층의 농도는 1 mg/

L 미만으로 빈산소 현상이 발생하고 있다. 이러한 결과는 선행 연구에서도 이미 예견된 바 있는데, 만경·동진강 하천 유입부 의 순기능이 상실되어 육상으로부터 유입되는 유기물들이 분 해되지 못하고 저층에 퇴적되면서 SOD를 유발시키는 것으로 판단된다. 특히 가력 배수갑문 8기가 9월에서 10월까지 총 2 개월간 닫혀 가을철 SOD 현상이 증가하여 하구역에서의 빈산 소 현상이 심화되어 나타난 것이 하나의 원인으로 분석된다.

시간에 따른 변화를 도시한 Fig. 13을 보면, 하구역 인근의 정점 DE2 에서는 물리적 특성 변화로 인해 정점 ME2의 농도 감소폭 보다 2배가량 높은 2 mg/L의 감소가 나타난다. 이는 조간대 지역의 감소가 상대적으로 큰 동진수로 인근에서 조 간대의 순기능 상실과 가력배수갑문의 폐문 시기와 맞물려 DO 농도가 크게 감소되는 것으로 판단된다.

5.2.2 연직변화

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 대 기로부터의 강수유입에 의한 염도 성층화 현상이 발생할 수 있으므로(박, 1998; Smith et al., 1996; 조 등, 2002) 본 연구 에서는 수질의 연직분포 변화에 대해서도 심도 있는 평가를 실시하였다.

갈수기인 가을철 만경수로와 동진수로에 대한 연직방향의 농 도차이를 대표적으로 평가하고 앞서 제시된 특정 비교정점에 서 연직방향의 DO 구조를 분석한다. 제시된 결과와 같이 만 경수로와 동진수로 모두 표층과 저층간의 농도차이가 발생하 며, 특히 만경수로의 경우 상대적으로 얕은 수심에서도 표층 과 저층간의 농도 차이가 발생하는 것으로 모의 되었다.

새만금호의 구조적인 특성을 나타내는 특정 비교 정점별로 DO의 연직방향에 대한 농도 차이를 도시한 Fig. 14와 같이 방

Fig. 13. Simulated DO concentration change after completion of dike at selected points.

Fig. 14. Vertical structure of DO concentration at selected stations.

조제 완공 전 모든 정점에서 표층과 저층간에 큰 농도 차이 없이 나타나지만, 완공 이후에는 모든 정점에서 표층과 저층 간에 농도차이가 발생한다. 이 중에서 상류에 위치하여 하천 으로부터 유입되는 오염물질의 직접적 영향을 받는 하구역에 서 표층과 저층간의 DO의 농도 차이가 6 mg/L 내외로 상대 적으로 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·저층 간의 농도 교환을 저해하고 저층에서 빈산소 현상을 심화시 킬 수 있음을 밝힌 바와 일치한다.

5.2.3 배수갑문 운영 영향

신시·가력 배수갑문 운영에 따른 새만금호 내부의 수질변화 를 알아보고자 갑문을 상시 개방한 경우와 갑문 운영일지로 부터 추출한 개폐 상태로 구분하여 2006년 7월부터 12월까지 기간에 대한 모델링을 각각 실시하였다. 신시·가력 배수갑문의 조량자료가 없는 현시점에서 갑문의 개폐 여부만 가지고 단기 간 평가를 실시한 제한사항이 따르지만, 상시개방을 하였을 경 우와 배수갑문 개폐운영을 하였을 경우의 수질이 달라, 이와 같은 분석은 유의할 만한 차이를 확인할 수 있는 의미 있는 평 가로 인식된다. 배수갑문운영을 실시하는 경우와 배수갑문을 상 시 개방한 결과를 상호 비교하여 분석한 Fig. 10-11에 제시된 결과에 따르면, 갑문운영을 고려한 경우 전반적으로 DO 농도 가 감소되는 결과를 보인다. 이는 신시·가력 배수갑문의 무작 위 단속적 개폐 운영이 상시개방에 비해 수질에 좋지 않은 영 향을 미치고 있음을 여실히 보여주는 것이다. 따라서 새만금호 의 목표수질 및 관리수위를 동시에 달성하기 위해서는 내부개 발과 연동된 적절한 수문운영이 필요하며 1년 이상의 장기간 수질 평가 및 관리시 호 내부 수질에 영향을 미치는 중요한 인 자 중 하나로 집중적인 분석이 뒤따라야 될 것으로 보인다.

5.2.4 저질의 영향

모의된 DO 결과와 관측자료를 분석해보면 방조제 완공으 로 새만금호 내부는 수질저하가 발생한다. 표층에 비하여 저 층에서 저농도 값이 나타나고, 특히 가을철 만경강 하구역에 위치한 정점 ME2에서 7 mg/L 내외로 큰 차이가 발생한다

(Fig. 15). 이러한 표층과 저층간 농도차이는 만경·동진강 하구 역에서 조석 영향력 감소로 인해 해수교환능력이 감소되어 하 천을 통해 유입되는 오염물질의 배제(flushing) 기능이 상실된 결과로 여겨진다. 이와 같은 하구의 기능 저하는 육상에 기원 한 유기물질이 만경·동진강으로부터 새만금호 내부로 유입된 후 조류를 증식시키고 증식된 조류는 수체의 DO를 소모하거 나 유기물질과 함께 저층에 퇴적되어 산소 소모(SOD)를 유발 시켜 수질을 더욱 악화시킬 수 있는 것으로 분석된다.

5.2.5 부영양화 가능성

정체수역으로 변화된 새만금호의 장·단기적인 수질관리 계 획에 있어서 물리 및 수질특성의 변화로 부영양화 상태와 진 행정도에 대한 평가가 필요하다. Carlson(1977)은 부영양화 평 가를 위해 Chlorophyll-a 및 인(P)의 농도와 투명도 사이의 통 계학적 상관관계를 바탕으로 한 부영양화지수(TSI)를 제시하 였다. TSI는 수체의 영양 상태를 0~100으로 구분하여 50 이상 일 때를 부영양 상태, 40~50이면 중영양 상태, 40 이하를 빈 영양 상태로 평가하는 방법이다.

방조제 완공 이후 부영양화 가능성을 알아보기 위하여 Carlson이 제안한 부영양화지수를 가지고 평가 하였다. 결과 를 Fig. 16에 제시하였는데, 끝물막이 공사 전·후 모두에서 부 영양화 발생 가능성이 높은 것으로 평가되었다. 2004년과 2006년의 년별 입력 조건이 다르기 때문에 직접적인 비교는 어렵지만, 정점 ME2와 ML2에서는 끝물막이 이후 오히려 부 영화지수가 다소 감소되어 나타났으며 동진수로상의 정점 DE2 와 DL2에서는 끝물막이 이후 부영양화 발생 가능성이 높게 나타났다. 이와 같이 부영양화 지수를 통해 전반적인 새만금 호의 수질을 평가한 바에 따르면, 만경수로에 위치한 정점 ME2와 ML2가 동진수로에 위치한 정점 DE2와 DL2에 비해 서 부영양화 가능성이 높음을 확인하였다. 그러나 배수갑문 운 영 여부에 따른 차이는 확인할 수 없었다.

6. 결 론

새만금 방조제 완공 후 호 내부 수리적 특성을 알아보기 위 한 부표추적 실험을 실시하였다. 창조시 신시배수갑문을 통해

Fig. 15. Vertical DO concentration along 2 riverine thalweg.

강하게 유입되는 해수와 깊은 수심에 의해 와류 현상이 나타 났고, 최대 속도는 3.59 m/s에 이르는 것으로 나타났다. 새만 금호 내부의 혼합 및 호 내부 수질에 대한 영향을 이해하기 위해 EFDC 모형의 Lagrangian particle tracking 실험을 실시 한 수치모의결과, 새만금호 내부의 혼합에 있어서 갑문운영에 의한 영향보다 하천에서 유입되는 유량이 호 내부 기작에 지 배적인 영향을 미치고 있음을 확인하였다. 이 결과는 평수와 갈수시에 외해수를 받아들이기 위해 갑문을 개폐하여 운영한 다 하더라도 호 내부에서 충분한 희석 및 확산이 이루어질 수 없음을 시사한다. 입자추적의 잔존률 평가에 따르면 상류에서 유입되는 오염물질이 호 내부로 충분히 혼합되어 순환하기 위 해서는 상당기간의 시간이 소요될 것으로 예견되었다.

새만금호는 방조제 완공 후 배수갑문만을 통해 소통되는 해 수의 영향력 감소로 전반적인 수질저하가 나타난다. 국부적으 로는 수심이 얕은 지역임에도 표층과 저층간의 DO의 농도 차 이가 발생하며 가을철 만경·동진강 유입부에서는 7 mg/L 내 외의 차이가 발생한다. 이러한 수질변동 특성은 방조제 완공 이후 해수교환율의 감소로 인한 만경·동진강을 통해 유입되는 유기물질에 대한 배제(flushing)기능이 상실됨을 의미하며, 조 간대 상실로 인한 정화기능의 저하가 그 원인으로 분석된다.

체류시간 증가에 따른 정체성에 기인하여 표층과 저층간 성 층화 현상으로 인한 물질교환 저해와 저층 퇴적물 내 유기물 들의 분해 작용에 의한 산소소비(SOD)도 호 내부 수질저하의 요인으로 작용하고 있는 것으로 판단된다. 반폐쇄된 하구호의 특성을 가지는 새만금호에서 급격한 수질저하를 유발시킬 수 있는 부영양화 가능성을 평가하고자 Carlson이 제안한 부영양 화 지수로 새만금 끝물막이 전·후를 비교 평가 하였다. 전반

적으로 만경수로가 동진수로에 비해 부영양화 가능성이 높은 것을 확인 할 수 있었지만, 배수갑문 운영 여부에 따른 차이 는 확인할 수 없었다.

금회 연구에서는 선행연구의 다수의 제한사항을 극복하였으 나, 배수갑문에서 실제 조량 자료가 고려되지 못한 제한사항 이 있다. 그러나 배수갑문 작동과 연계된 수치모의 결과 분석 은 배수갑문 운영 여부에 따른 수질 비교를 통해 유의할만한 차이를 확인할 수 있는 의미 있는 시도였다. 배수갑문의 단속 적 개폐 운영이 상시개방에 비해 수질에 민감하게 영향을 미 치고 있음이 확인되었다. 이 결과는 향후 실시될 새만금 내부 개발시 중·장기적으로 반폐쇄된 새만금호의 수질환경을 효율 적으로 관리하기 위해서는 내부 개발방안별로 최적의 수질확 보와 연동하여 배수갑문 운영방안을 모색하는 것이 절대적으 로 필요함을 시사한다.

감사의 글

본 연구는 한국해양수산기술진흥원 호남지역 Sea Grant 시 범대학사업단 연구개발사업의 연구비지원(과제번호2)에 의해 수행되었습니다.

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원고접수일: 2010년 7월 15일 수정본채택: 2010년 8월 4일 게재확정일: 2010년 8월 16일