Feasibility Study for Tidal Power Plant Site in Garolim Bay Using EFDC Model

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EFDC 모형을 이용한 가로림만의 조력발전 위치 타당성 검토

Feasibility Study for Tidal Power Plant Site in Garolim Bay Using EFDC Model

신범식*·김규한**·김종현***·백승화****

Shin, Bum-Shick*, Kim, Kyu-Han**, Kim, Jong-Hyun*** and Baek, Seung-Hwa****

요 지 : 해양에너지는 무궁무진한 부존량을 지니고 있으며 2차적인 환경문제를 야기 시키는 위험성이 상대적으로 작기 때문에 더욱 기대가 모아지고 있다. 우리나라의 서해안은 조수간만의 차가 크기 때문에 해양에너지 중에서도 조력발전을 통한 대규모 신재생에너지 창출이 유리한 지역이다. 아울러 조력발전을 위한 발전소를 해상에 설치 할 경우, 댐 건설에 따른 교량효과, 관광자원효과 및 만내 하천범람을 조절효과 등 다목적의 개발 기대효과를 얻을 수 있다. 조력발전을 위해서는 외해 조석과 발전소 운전에 따른 조지수위 변화에 따라 결정되는 가용수두가 크고, 비 교적 광역의 조지면적이 필요하다. 본 연구에서는 가용수두가 클 뿐만 아니라, 만입구가 좁고, 만내에 넓은 조지면 적을 지닌 서해안에 위치한 가로림만에 조력발전소를 건설할 경우, 조력발전에 따른 효과를 예측하는데 있어서 필 수적인 수리특성의 변화를 EFDC모델을 이용한 수치모형실험을 통해 검토하였다. 검토 결과, 조력발전 입지로서의 가로림만의 입지타당성을 확인하였으며, 대상지역은 창조시의 유속보다는 낙조시의 유속이 빠르기 때문에 낙조시 유 속이 빠른 서측수로에 수차발전기를 설치하고 동측수로에 수문을 설치해야 하는 등의 설계 지견을 얻을 수 있었다.

핵심용어 : 해양에너지, EFDC모델, 조력발전소, 가로림만

Abstract : Fossil fuel energy has become a worldwide environmental issue due to its effect on global warming and depletion in its supply. Therefore, the interest in developing alternative energy source has been rising. Ocean energy, especially, has gained strength as an alternative energy source for its unlimited supply with low secondary risks.

Among all the ocean energy, the west coast of Korea holds the field of large-scale energy development because of its distinctive tidal range. Tidal power plant construction at the sea may expedite multi development effects such as bridge roles, tourism resource effects and adjustability of flood inundation at the inner bay. This study introduces the validity of tidal power plant construction at Garilim Bay in west coast of Korea by examining anticipated hydraulic characteristics using EFDC model. Through EFDC numerical simulations, the feasibility of Garolim Bay as a tidal power plant field has been proved. And the most effective tidal power plant construction would be to install hydraulic turbine in the west side of bay entrance where ebb current is stronger, and install water gate in the east side of bay entrance where the flood current is superior.

Keywords : Ocean Energy, EFDC Model, Tidal Power Plant, Garolim Bay

1. 서 론

지구온난화와 화석에너지 고갈의 문제에 따라 자연 에너지 개발에 대해 전세계적인 이목이 집중되고 선진국들은 앞다투어 연구개발에 총력을 기울이고 있다. 신재생에너지 중에서도 해 양에너지는 무궁무진한 부존량을 지니고 있으며 2차적인 환 경문제를 야기 시키는 위험성이 상대적으로 작기 때문에 무공해 자연에너지로서 더욱 많은 기대가 모아지고 있다. 삼면이 바다로 둘러싸인 우리나라는 동해안과 서해안을 위시로 하여 파력발전,

조력발전 등 친환경 해양에너지를 이용하는 데에 유리한 지 형적 특성을 보유하고 있다. 특히 우리나라의 서해안은 조수간만 의 차가 크기 때문에 해양에너지 중에서도 조력발전을 통한 대규모 신재생에너지 창출이 유리한 지역이기 때문에 조력발전 에너지에 대한 다양한 연구가 지속되어지고 있다. 서해안 지역 중에서도 조차가 크고 유속이 빠른 가로림만, 새만금, 천수만, 인천만 등을 중심으로 조력발전에 대한 타당성 검토가 진행 중이다. 기존의 검토 결과에 의하면 효율적인 조력발전을 위 해서는 조차가 크고 저수 면적이 넓으며, 입구가 좁은 요건이 필

*관동대학교 첨단해양공간개발연구센터 연구원(Corresponding author : Bum Shick Shin, Research Center for Waterfront and New Ocean Energy Development, Kwandong University, Gangneung 210-701, Korea, [email protected])

**관동대학교 토목공학과 교수(Department of Civil Engineering, Kwandong University, Gangneung 210-701, Korea)

***관동대학교 토목공학과 석사과정(Department of Civil Engineering, Kwandong University, Gangneung 210-701, Korea)

****인천대학교 도시환경공학부 도시건설공학전공 교수(Department of Civil and Environmental Engineering, University of Incheon, Incheon, 406-772, Korea)

요한 것으로 알려져 있으며, 검토대상 지역중에서도 가로림 만은 조수간만의 차가 최대 7.9 m로 크고, 저수면적이 상대 적으로 넓을 뿐만 아니라, 만 입구는 2 km에 불과할 만큼 좁기 때문에 조력발전소를 건립하기에 좋은 조건을 지니고 있어 기대 효과가 높은 후보 지역으로 거론되어 왔다. 이처럼 가로림만에 대한 조력에너지 이용 가능성에 대한 검토는 진행되어 왔으나 보다 구체적인 조력발전의 입지 타당성을 논하기 위해서는 효 율적인 조력발전을 위한 조력발전소의 구체적 설치위치 즉, 수차 및 수문위치 등에 대한 상세한 검토가 수행되어져야 할 것이다. 본 연구에서는 천해역에서 3차원의 조간대 처리가 가 능하도록 설계되어져 있어 조간대가 넓게 분포하고 있는 서 해안에 용이하게 적용할 수 있는 EFDC모형을 이용하여 가 로림만 주변해역의 해수유동특성에 대해 정도 높은 해석을 수 행하여 해안수리학적인 외력특성을 확인함으로써 가로림만의 입지 타당성을 재 고찰하고, 효율적인 조력발전을 위한 수차 및 수문위치 등에 대해 검토하였다.

2. 연구대상해역의 지리적 특성

연구대상지역인 가로림만은 충청남도 태안반도의 북쪽에 위 치한 만으로서, 만의 입구 폭이 2.2 km이고 입구로부터 만의 내측까지의 길이는 약 22.4 km에 이르며 만의 입구가 좁고 만의 내부가 넓은 호리병 모양의 반폐쇄성 내만이다(해양수산부,

2006). 해안선길이는 161.84 km이며, 만의 내부에는 고파도, 웅 도 등 규모가 큰 유인도와 율도, 피도, 조도, 대우도 등 규모가 작은 무인도가 있으며, 행정구역상 서산시와 태안군에 둘러 싸여있다.

가로림만은 최대 7.9 m의 조수간만의 큰 조차로 인해 형성 된 약 70 km

의 갯벌이 비교적 자연상태로 잘 보전되어 있으 며, 양적으로 풍부한 생물상이 존재하기 때문에 천수만과 더 불어 수산자원의 산란 및 서식장으로서의 수산학적 측면에서도 중요한 지역이다(박 등, 2009). 일반적으로 효율적인 조력발 전을 위해서는 외해 조석과 발전소 운전에 따른 조지수위 변 화에 따라 결정되는 가용수두와 비교적 광역의 조지면적이 필요 한 것으로 알려져 있다(Baker,1991). 이러한 관점에서 가로림 만은 112.57 km

의 넓은 조지면적을 보유하고 있어 우리나라의 조력발전 검토대상지역 중 저수면적이 상대적으로 넓을 뿐만 아니라, 만 입구는 2 km에 불과할 만큼 좁기 때문에 조력발전소 를 건립하기에 좋은 조건을 지니고 있으며 발전시설 설치에 있어서도 효율적인 지역으로 거론되어 왔다(유·이, 2008).

3. 수치모형실험을 통한 해역특성검토

3.1 수치모형의 개요

본 연구에서 사용된 EFDC모형은 유동 및 물질수송을 모 의하는 다변수 유한차분 수치모형으로서 VIMS(Virginia Institute of Marine Science) 에서 개발하였으며, 미국 환경청(Environmental Protection Agency) 의 공인모형이다. EFDC 모델은 수직·수 평적으로 2차원 및 3차원화가 용이하며, 특히, mass-conserving scheme을 이용하여 천해역에서 3차원의 조간대 처리가 가능 하도록 설계되어져 있어 조간대가 넓게 분포하고 있는 서해안에 용이하게 적용할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 수리동역학 (Hydrodynamics), 유사이동(Sediment Transport), 수질모델 (Water Quality) 및 독성물질 (Toxics) 등의 복합적인 과정을 고려하기 때문에 계산에 필요한 자료가 많고 또한 계산 시간이 많이 소요되는 단점이 있으며 이에 대한 개선 방안이 향후 연 구과제로 판단된다.

모형에 사용되는 격자체계는 수평적으로 직교(Cartesian) 또는 곡면(Curvilinear) 좌표계를 사용하고 수직좌표계를 통해 최소한

Fig. 2. Coordinate systems(a) and Grid System(b).

의 격자 개수로 적절하게 지형 표현이 가능하기 때문에 비교적 효율적으로 수치해를 구할 수 있고 계산 시간을 줄일 수 있 는 장점이 있다.

EFDC 모형의 이론과 수치해석은 Blumberg-Mellor 모형과 미국공병단의 Chesapeake Bay 모형과 유사하다. 지배방정식은 3차원 Reynolds 평균 연속방정식 (1), (2), 운동방정식 (3), (4), (5), 상태방정식(6), 물질보존방정식 (7), (8), (9)이다(Hamrick, 1992).

∂

(mξ) + ∂

(m

H udz) + ∂

(m

H vdz) = 0 (1)

∂

(mξ) + ∂

(m

Hu) + ∂

(m

Hv) + ∂

(mw) = 0 (2)

- 운동방정식

∂

(m Hu ) + ∂

(m

Hu u) + ∂

(m

Hv u) + ∂

(m w u) − (mf + u∂

m

− u∂

m

)hu = −m

H ∂

(gζ + p) − m

(∂

h − z∂

H)∂

p + ∂

(mH

A

∂

u) + Q

(3)

∂

(m H u ) + ∂

(m

H u v ) + ∂

( m

H v v ) + ∂

( m w v ) − (mf + u∂

m

− u∂

m

)hu = −m

H ∂

(gζ + p) − m

(∂

h − z ∂

H) ∂

p + ∂

(mH

A

∂

u) + Q

(4)

∂

p = −gH(ρ − ρ

)ρ

= −gH

(5)

- 상태방정식

ρ = ρ(p, S, T) (6)

- 물질보존방정식

∂

(mHS) + ∂

(m

HuS) + ∂

(m

HvS) + ∂

(mwS)

= ∂

(mH

A

∂

S ) + Q

(7)

∂

(mHT) + ∂

(m

HuT) + ∂

(m

HvT) + ∂

(mwT)

= ∂

(mH

A

∂

T ) + Q

(8)

∂

(mHC) + ∂

(m

HuC) + ∂

(m

HvC) + ∂

(mwC)

= ∂

(mH

K

∂

C + ωC) + mHR

+ Q

(9)

여기서, h, ζ : 바닥과 자유표면의 실제좌표거리, H: 전체수 심 (= h + ζ ), u, v: 직교하는 곡선좌표계 x, y에서의 수평유속, m

, m

: 곡선좌표계 임의거리 ds

= m

d

+ m

d

을 만족시 키는 metric tensor의 대각성분의 제곱근, P: 압력, 수심 z에서 평 균수압 ρ

gH(1 −z)으로부터의 변위를 ρ

로 나눈 값, f : Coriolis force, A

: 수직난류점성계수, Q

, Q

: 운동량 source-sink 항, ρ : 밀도, T, S: 수온과 염분, b: 부력, C : 오염물 농도, Q

, Q

: 수온 및 염분의 source-sink 항, A

: 수직난류확산계수, ω: 침강속 도, w: 변환된 무차원 연직좌표계 z에서의 수직유속성분이다.

모형의 격자보다 작은 규모의 난류 혼합을 표현하기 위하여 사용된 수평난류점성항 및 난류확산항에서 수평난류점성계수 는 격자크기와 유속 경사에 의해 결정되는 식(Smagorinsky, 1963) 을 통하여 계산된다. 일반적으로 수평난류점성계수와 수 평난류확산계수는 같다고 보고 계산 격자 크기가 작아질수록, 유속경사가 작을수록 수평 난류점성계수가 감소하며 격자가 충분히 작은 경우는 무시될 수 있다.

3.2 모형의 적용 및 조건

수치모형을 이용하여 해수유동실험을 수행하기 위해 사용 한 가로림만 주변의 수심자료는 Fig. 3과 같다. Fig. 4는 계산 소요시간을 절약하고, 관심구역에 대한 보다 상세한 검토를 위해 이용한 가변격자체계를 나타내 준다.

실험을 위해 격자는 동서방향 27 km, 남북방향 39 km의 해 역을 선정하였으며, 조력발전 대상지역의 흐름 특성을 상세히 검토하기위해 최대 750 m~최소 40 m의 가변격자망으로 구성 하였으며, 외해 개방경계에서 조위 또는 유속 성분을 가정하여 대상해역 주변에서 재현되도록 하였다. 아울러, 가로림만내의 대부분이 조간대로 형성되어 있으며, 만주변과 중앙부의 수 심차이로 인해 층별 수리특성을 고려하기 위해 좌표계를 이 용한 3개의 Layer로 구성하였다. 가로림만에 대한 해수유동 수치모형실험의 조건은 Table. 1에 정리된 바와 같다.

∫

∫

Fig. 3. Sea Bottom Topography.

3.3 수치모형 검증

해수유동의 주요 특성인 조석과 조류에 대한 검증을 각각 수행하기 위해 Fig. 1에 나타낸 대상지역의 기준조석인 T-1(국 립해양조사원, 2010)을 이용하였으며, 조류발전 대상지역인 가 로림만 입구에서 최근에 수행된 조류관측자료(가로림 조력발 전(주), 2011)를 이용하였다. Table 2는 조석의 검증결과를 나 타내고 있다. 현장관측결과와 수치모형실험결과를 비교하고, 현장관측결과에 대한 수치모형실험결과의 상대오차를 이용한 검증결과, 상대오차는 매우 작게 나타났으며, Fig. 5에 나타 낸 바와 같이 현장조사결과와 수치모형실험결과는 비교적 잘 일치하고 있으므로, 대상 해역의 유동상황을 잘 재현하고 있 는 것으로 판단된다.

아울러, Table 3에서는 조류속에 관한 검증결과를 보여주

Table 1. Calculation condition of EFDC

Model Grid System Grid Size 40~750 m 189 × 256 (Grid Number 26,493) Layer 3Layer(surface, middle, bottom)

Condition

Tide M2, S2, K1, O1

Duration 16day

Time Step 2sec

Simulation Cases Spring tide, Neap tide

Table 2. Tide level verification

Item Observation Numerical simulation Relative Error

Point Constituent Amplitude (cm) Phase lag (deg.) Amplitude (cm) Phase lag (deg.) (%)

T-1

M₂ 248.00 110.90 246.70 113.94 -0.5

S₂ 99.20 157.30 99.30 166.11 +0.1

K₁ 38.30 288.30 38.30 292.65 0.0

O₁ 28.40 259.50 28.50 256.51 +0.4

4 Mean Sea Level 413.90 - 412.8 - -0.3

Fig. 5. Tide level verification.

고 있으며, 수로의 서측에 위치한 PC-1의 관측치와 수치모형 실험결과의 상대오차가 0.7%로 매우 잘 재현되었음을 보여 주고 있다. 그러나, 수로의 동측(PC-2) 유속은 관측치와 수치 계산결과가 다소 차이(19.8%)를 보이고 있는데 이는 수치모 형실험에 적용된 지각(Deg.)조건에 기인한 것으로 판단되지 만, 전반적으로 수치모형은 잘 재현된 것으로 판단된다.

4. 수치모형실험 결과 검토

가로림만 주변의 해수유동특성에 대한 수치모형실험은 조 위의 변화가 가장 큰 대조기와 작은 소조기에 대해 각각 수 행하였으며, 그 결과를 조시별 중층의 창·낙조시의 유속벡 터도와 유속분포로 나타냄으로써, 조지가 넓은 지역적 특성을 고려한 효율적인 단류식 조력발전을 위한 수문 및 수차의 위 치를 검토하였다.

수치모형실험결과, 대상지역의 해수유동은 창조시 태안 항 북측해역에서 동측으로 향하여 대산항과 대난지도를 지

나, 일부는 내리와 벌말사이 수로를 지나 가로림만내로 유 입되며, 낙조시에는 이와 반대 방향의 왕복성 흐름을 보이 고 있다(Fig. 6, Fig. 8).

대조기시, 만입구 조력발전소 계획지역의 외해의 창조유속은 31~157 cm/s, 조력발전소 계획지역 유속은 64~154 cm/s, 만내의 유속은 35~97 cm/s로 나타났으며, 낙조시 외측 수로의 유속은 46~136 cm/s, 만입구 유속은 52~127 cm/s, 만내의 유속은 28~68 cm/s 으로 재현되었다.

소조기의 경우, 낙조시 만입구 수로부 해역의 유속은 21~

67 cm/s 만내 유속은 11~40 cm/s정도로 재현되었다. 따라서, Fig. 7 에 나타낸 창조시(대조기) 유속분포에서 동측해역의 유 속은 최대 154 cm/s, 서측에서는 106 cm/s로 동측이 우세하며, 낙 조시의 유속은 동측에서 최대 92 cm/s, 서측에서 137 cm/s이다.

따라서, 가로림만 입구부를 통해 유입되는 강한 창조류가 지배적인 동측수로에 조류통수능력이 큰 수문을 설치하고, 낙 조시의 유속이 탁월한 서측수로에 수차를 설치한다면 효율 높은 조력발전이 가능할 것으로 생각된다.

Table 3. Tidal Current verification(middle layer)

Item Observation Numerical simulation Relative Error

Point Constituent Velocity (cm/sec) Phase lag (deg.) Velocity (cm/sec) Phase lag (deg.) (%)

PC - 1

M₂ 85.1 203.3 78.5 213.4

+0.5

S₂ 26.9 257.1 33.9 265.6

K₁ 6.3 13.9 6.6 292.2

O₁ 4.7 339.6 4.6 357.6

PC - 2

M₂ 52.4 205.7 58.3 213.4

+19.8

S₂ 16.9 257.5 25.0 265.6

K₁ 4.5 14.1 5.7 292.2

O₁ 4.1 322.5 4.3 357.6

Fig. 6. Maximum current vector at spring tide.

Fig. 7. Maximum current vector at neap tide.

Fig. 8. .Maximum current distribution at spring tide.

Fig. 9. Maximum current distribution at neap tide.

5. 결 론

본 논문에서는 3차원 수치모형인 EFDC모형을 이용하여 가 로림만 입구의 조력발전소 설치 대상해역의 해수유동특성에 대해 정도 높은 해석을 수행하여 해안수리학적인 외력특성을 확인함으로써 효율적인 조력발전을 위한 수차 및 수문위치에 대한 검토를 수행하였다.

조력발전은 조석이 발생하는 만을 방조제로 막아 해수를 가 두고 수차발전기를 설치하여 저수지와 해수면의 수위차를 이 용하여 발전함으로서 전기에너지를 생산하는 방식이다. 효율이 좋은 조력발전소를 만들기 위해서는 조석 간만에 의해 발생 되는 유속이 큰 지역에 수차를 설치해야한다. 아울러, 만내로 유입되는 조량을 원활히 확보하기 위해서는 조류통수능력이 큰 수문설치 위치를 선정해야한다.

현장조사자료와 수치모형실험의 검증결과, 수치모형실험 결 과는 조석 및 조류의 현장관측결과와 비교적 잘 일치하고 있 으며, 대상지역의 해수유동특성을 잘 재현하고 있음을 확인 하였다.

수치실험 결과에 의하면 가로림만의 창조류는 동측수로를 통해 강하게 만내로 유입되고 있고 낙조시에는 서측수로를 통해 강한 낙조류가 나타난다는 것을 알 수 있었으며 그 크기는 125~140 cm/s 정도 까지 나타나며 낙조류가 창조류에 비해 우 세한 경향을 보이고 있음을 확인하였다.

조력발전을 실현하기 위해 설치해야 할 수문 및 수차는 수 치실험결과 얻어진 해수유동특성 결과를 토대로 보다 효율적인 위치가 선정되어야 한다. 따라서, 가로림만 입구부를 통해 유 입되는 강한 창조류가 지배적인 동측수로에 조류통수능력이 큰 수문을 설치하고, 낙조시의 유속이 탁월한 서측수로에 수차를 설 치한다면 효율 높은 조력발전이 가능 할 것으로 생각된다.

감사의 글

본 연구는 국토해양부의 지원으로 수행한 해양에너지 전문 인력 양성사업 및 지식경제부 지역혁신센터사업(첨단해양공 간개발연구센터)의 연구결과입니다.

참고문헌

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유승흔, 이주석 (2008). 가로림만의 환경가치평가, 경제학연구, 56(3), 5-28

가로림 조력발전(주) (2011). 가로림조력 건설사업 환경영향평가 서(초안)

국립해양조사원 (2010). 조화/비조화상수자료(홈페이지, http://

www.khoa.go.kr).

가로림만 연안관리지역계획 (2006). 해양수산부

Baker A.C.,(1991), Tidal Power, Peter Peregrinus Ltd. London, United Kingdom

Smagorinsky, J. (1963). “General circulation experiments with the primitive equation, I. The basic experiment.” Monthly Weather Review, 91, 99-164.

Hamrick, J. M.,(1992). A three dimensional environmental fluid dynamics computer code: Theoretical and computational aspects.

Special report, The college of William and Mary, Virginia institute of marine science, Glouceslter point, VA.

원고접수일: 2011년 12월 13일 수정본채택: 2011년 12월 24일 게재확정일: 2011년 12월026일