Flow Characteristics Induced by Shift and Modification of Submerged Weir at Han River Estuary

水 工 學

大 韓 土 木 學 會 論 文 集

第31卷 第2B 號·2011年 3月 pp. 109 ~ 119

수중보 이설 및 변형에 따른 한강 하구 흐름 특성

Flow Characteristics Induced by Shift and Modification of Submerged Weir at Han River Estuary

백경오*·임동희**

Baek, Kyong Oh ^· Yim, Dong Hee

···

Abstract

In this study, the flow characteristics of Han River Estuary were investigated by using a two-dimensional numerical model according to the assumption of shift and modification of the Shingok submerged weir. The two-dimensional analysis has con- tributed to our understanding of the hydraulic effects induced by shift of the weir on the topography, especially wetlands. The tide and flow discharge of 2007 were adopted as an input data for the simulation. The tidal data contained both spring and neap tide, and the flow discharge condition was divided into monsoon and normal seasons. The boundaries of this study were Han- gang Bridge, Tongil Bridge, and Yu island. The simulation results showed that influence area of seawater changed depending on the weir shift, and the water level at particular station fluctuated according to the condition of tide and flow discharge.

Keywords : han river estuary, shift of submerged weir, flow characteristics, two-dimensional numerical model, tide

···

요 지

본 연구에서는 한강하구의 흐름에 직접적인 영향을 미치는 구조물인 신곡수중보의 하류 이설 후 변형, 그리고 철거 등을 가정하여 이에 따른 수리특성을 평면 2차원 수치모형을 통해 분석하였다. 2차원적 해석은 보 이설이나 변형이 주변 지형, 특히 습지에 어떤 수리학적 영향을 미치는지 확인할 수 있게 하였다. 모의에 사용된 조위 및 유황은 2007년도 자료를 바탕 으로 하였으며, 유량은 풍수기와 평수기로 구분하고 조위는 대조기와 소조기를 포괄하였다. 연구대상 영역으로 한강상류는 한 강대교, 임진강상류는 통일대교, 하구경계는 유도로 잡았다. 모의결과 수중보 이설 및 변형에 따라 만조시 해수 유입 영향권 이 크게 변화하였으며, 주요 지점의 수위는 유량 및 조위 조건에 따라 변동폭이 다양하게 나타났다.

핵심용어 : 한강하구, 수중보 이설, 흐름 특성, 2차원 수치모형, 조위

···

1. 서 론

하구 (estuary) 는 하천의 담수와 연안의 해수가 교차하여 혼

합하는 기수역 ( 汽水域 ) 으로 생태적 가치가 매우 높은 지역이 다 . 반면 하천 홍수와 조석 등에 의한 지형의 변화가 심하 고 , 이에 대한 예측 역시 불확실하여 하구의 유지와 관리에 는 일반적으로 많은 어려움이 따른다 (Pugh, 1964). 우리나라

4 대강 중 한강을 제외하고 나머지 낙동강 , 금강 , 영산강의

하구는 간척지 및 담수 확보를 위해 하구언이 건설되어 하 구 고유의 자연적인 특성이 없다 . 하지만 한강하구는 북한과 의 접경지역이라는 지리적 특수성으로 인해 하구언 설치가 불가능하였기에 지금도 대체로 자연상태의 하구를 유지하고 있다 . ^{한강하구부에서 흐름에 많은 영향을 미치는 요인 중}

서해의 조석을 제외하면 인공구조물로는 신곡수중보를 들 수 있겠다 . 신곡수중보는 김포대교 직하류에 위치하고 있는 혼 합형 보 구조물로써 1987 년에 설치되었으며 , 우안 쪽에는

고정보 (fixed weir), 좌안 쪽에는 가동보 (movable weir) 로

구성되어 있다 . 신곡 수중보 설치로 인한 효과로는 보 상류 지역에 유람선 등의 주운을 위한 수심확보 , 취수장 급수원의 안정적 수위 확보 , 하류부 농경지의 농업용수 해결 , 해수역 류 심화방지 및 염도 희석 등을 들 수 있다 . 최근 경인 아 라뱃길 사업과 연계하여 수중보를 하류로 이동하여 재가설 하는 방안 등도 논의되고 있어 인공구조물의 이설 , 변형 등 에 따른 한강하구의 흐름 특성을 정확히 해석하는 것이 필 요한 실정이다 ( ^{경기개발연구원} , 2009).

한강하구의 연구에 있어서 가장 큰 문제점 중 하나는 남 북 군사적 대치상황으로 인해 연구의 기초자료 , 예를 들면 지형자료 , 조위자료 , 유사자료 등이 거의 존재하지 않았다는 것이다 . ^{그 연유로 한강하구 흐름이나 하상변동 분석에 관한}

연구도 상대적으로 적을 수밖에 없었다 . 2000 년대 들어와서 한강하구에 대한 조사 , 연구들이 지속적으로 추진되고 있는 데 , 먼저 한국해양연구원 (2001) 은 강화군 유도 지점부터 한

*한경대학교토목공학과교수

(E-mail : [email protected])

**정회원·교신저자·경기개발연구원팔당물환경센터연구원

(E-mail : [email protected])

강은 한강대교까지 , 임진강은 장파리지점까지 1 년여에 걸쳐 조위 및 수위를 실측한 바 있다 . 이 자료를 바탕으로 1 차원 흐름 해석 모형을 사용하여 한강하구부의 조위 및 흐름 특성 을 파악하였다 ( ^그림 1 ^{의 ①} ~ ^{⑤번 구간 A} ~ ^D ). ^{그리고 한국건}

설기술연구원 (2005) 은 신곡수중보에서 곡릉천 합류부까지를 연 구 대상영역으로 삼고 년 간 2 회씩 하천단면을 측량하여 한강 하구의 하상변동 특성을 분석하였다 . 이 연구에 의하면 한강하 구의 하상변동은 매해 발생하는 유의할만한 홍수에 의해 하상 이 침식되고 , 홍수가 없는 동안 조석에 의해 되메워지는 특 징이 있다고 보고되었다 . 또한 신곡수중보 하류의 장항습지 의 증식이 통수능의 감소로 이어질 개연성이 있다고 주장하 였다 ( 그림 1 의 ② ~ ④ ). 이러한 자료를 바탕으로 김상호 등

(2005) 은 1 차원 수리학적 홍수추적모형인 FLDWAV 모형을 이

용하여 팔당댐 방류량과 서해의 조위조건에 따른 신곡수중보 에서의 흐름양상을 분석하였다 ( 그림 1 의 팔당댐 ~ ⑤번 구간 ).

이상의 1 차원 해석과 더불어 2 차원적 수리 해석 연구도 진행되었다 . 김승용 (2002) 은 평면 2 차원 모형인 SMS 를 사 용하여 한강대교에서 전류지점까지 대상영역으로 삼아 하천 흐름특성을 모의한 바 있으며 , 평상시 서해의 조석은 신곡수 중보 상·하류의 흐름 특성과 하상변동에 큰 영향을 미치는

것을 밝힌바 있다 ( 그림 1 의 ① ~ ③번 구간 ) 김창완 (2005) 역시

SMS 를 사용하여 동일한 해석 영역을 잡아 하상변동 및 유사

이송확산 범위에 관한 연구를 통해 신곡수중보로 인하여 하상 변동이 크게 일어나며 , ^{유사확산 영향이 크다는 것을 밝힌 바}

있다 ( 그림 1 의 ① ~ ③번 구간 ). 서일원 등 (2008) 은 연구영역을 신곡수중보에서 한강의 법정 끝단인 유도까지 확장하고 ( 그림 1

의 ② ~ ⑤번 구간 , C ~ D ), 국내개발 2 차원 모형인 RAMS 를 사용하여 조석의 영향을 고려한 비정상 흐름 및 염류확산을 모 의한 바 있다 . 이를 통해 한강하구의 흐름특성은 조석의 영향 에 지배적임을 밝힌 바 있으나 , 그들의 연구는 모의기간이 짧 아 하구의 조석특성을 다 반영하지는 못했다 . 최근에 김포시는 신곡수중보 이설 타당성 조사 보고서 (2009) 를 통해 신곡수중보 의 하류로의 이설을 가정하여 흐름변동을 모의한 바 있다 ( ② ~

④번 구간 ). 그러나 이 연구는 대상영역을 신곡수중보에서 곡 릉천 합류부까지로 협소하게 잡았고 , 하구의 특징인 비정상 흐 름장을 재현하지 못하는 단점을 노출하였다 .

본 연구에서는 한강하구의 연구 대상영역으로 한강본류는

한강대교를 , 임진강은 통일대교 지점을 상류단의 경계로 지

정하고 , 하류단의 경계는 강화군 유도로 삼았다 ( 그림 1 ① ~ ⑤

번 구간 , B ~ D ). 한강하구의 흐름특성에 직접적인 영향을

그림 1. 한강하류

미치는 신곡수중보의 하류 이설 , 보 높이 변형 , 그리고 철거 등을 가정하고 이에 따른 수리특성을 평면 2 차원 수치모형 을 통해 분석하였다 . 2 차원적 해석은 보 이설이나 변형이 주변 지형 ( 특히 습지 ) 에 수리학적으로 어떤 영향을 미치는지 확인할 수 있게 하였다 . 모의에 사용된 조위 및 유황은

2007 년도 자료를 바탕으로 하였으며 풍수기와 평수기로 구

분하여 흐름특성을 살펴보았다 . 2. 수치모형의 적용

2.1 수치모형 개요

본 연구에서는 관심 영역이 감조하천 구간이므로 비정상상태

의 흐름 (unsteady flow) 상황을 표현할 수 있는 모형이여야 한

다 . 또한 한강하구는 한강본류에 임진강이 합류하여 서해로 나 가는 형태를 띠고 있으므로 평면 2 차원 모형을 사용하는 것이 적합하다 . 따라서 비정상성과 다차원을 구현할 수 있는 흐름해 석 모형으로 상용 프로그램인 RMA-2 를 선택하였다 . RMA-2

모형은 Resource Management Associates 사의 Norton 등에 의 해 개발되어 Waterways Experiment Station(WES) ^{에서 계속적}

인 개정작업을 거쳐 현재의 상용모형으로 완성되었다 .

RMA-2 모형은 상류조건 (subcritical flow) 에서 자유수면의

수위와 수평 방향의 수심 평균된 2 차원 유속 성분을 계산한

다 . RMA-2 의 지배방정식은 연속 방정식과 Navier-Stokes

방정식 중 2 개의 수평방향에 대한 식을 수심 적분한 운동량 방정식으로 각각 다음과 같다 (WES, 2008).

(1a)

(1b)

(1c)

여기서 h는 수심 , u와 v는 직교좌표계에서의 수심평균유속 ,

x , y , t는 직교좌표계 및 시간 , ρ는 유체의 밀도 , ε는 와점성 계수 , a는 하상고 , g는 중력 가속도 , n은 조도계수를 나타낸

다 . RMA-2 모형은 Galerkin 법을 사용하여 해를 구하는 유한

요소모형으로서 해석할 대상 영역을 평면적인 요소망으로 구 성한다 . 형상함수로는 유속에 대해서는 2 차 , 수위에 대해서는

1 차 함수로 근사하는 혼합보간기법이 적용된다 . 공간 적분은 가우스적분법을 사용하며 , 시간 미분항은 유한차분법을 사용한 다 . 해를 구하기 위하여 완전 음해법을 사용하며 , 반복 계산 법으로는 각 시간 단계에서의 비선형 연립방정식을 Newton-

Raphson 수렴 방법을 사용하여 해석한다 ( 서일원 등 , 2008).

2.2 매개변수의 민감도

본 연구에서는 수치모형인 RMA-2 를 관심영역인 한구하 구에 적용하기 이전에 그림 2 와 같은 가상 감조하천에 우선 적용해 보았다 . 이를 통해 모형 매개변수의 민감도를 분석해

보고 , RMA-2 가 하구에 적용하기 적합한 수치모형인지를 검

토해 보았다 . 그림 2 에서 보듯이 수치실험이 수행된 수로는

길이가 20 km, ^폭이 0.5 km, ^{하상경사가} 0.0001 ^{인 직선수}

로이다 . 수로의 규모를 이처럼 가정한 이유는 본 연구의 실 제 관심구간인 한강하구 내 유도에서 전류구간까지의 평균 수리량이 이와 유사하기 때문이다 . 감조하천을 재현하기 위 해 하류단 경계는 조석을 , 상류단에는 유량을 부여하였다 . 특 히 상류경계유량은 한강 평수기를 감안하여 500 cms 를 배 경유량으로 부여한 후 홍수파의 영향을 살펴보기 위해

5000cms 의 첨두치를 갖는 홍수파를 대조 (83 hr) 및 소조

(285 hr) ^기에 5 ^{시간 동안 각각 발생시켰다} . ^{하류경계조위는}

강화대교 지점의 분조별 조화상수를 감안하여 설계조위를 계 산한 후 이를 부여하였다 ( 그림 2 참조 ). 모형의 적용 후 계 산된 수위를 추출한 지점은 그림 2 에 도시한 것처럼 상류경

계로 하류 0.9 km ^지점 (A) ^{과 하류경계부터 상류} 0.9 km(B)

지점이다 .

본 연구에서 사용된 RMA-2 모형의 매개변수는 식 (1) 에

서 보듯이 와점성계수 ( ε ) 와 Manning 의 조도계수 ( n ) 가 있다 .

먼저 와점성계수는 방향성을 갖는 ε

xx

, ^ε

xy

, ^ε

yx

, ^ε

yy

의 4 ^요소

를 갖지만 일반적으로 동일한 값을 갖는다고 가정한다 . 또한

∂h ∂t

--- + h ∂u _⎝ ^⎛ --- ∂x + ^∂ --- _∂y ^v _⎠ ^{⎞ u∂h} + _∂x --- + v ^∂h _∂h --- = 0

h∂u --- ∂t hu∂u

∂x --- h v ^∂u

∂y --- ^h _ρ --- ε

_xx

∂

²

u

∂x

²

--- ε

_xy

∂

²

y

∂y

²

---

⎝ + ⎠

⎜ ⎟

⎛ ⎞

– gh ∂a _⎝ ^⎛ ∂x --- + ^∂h _∂x --- _⎠ ^⎞

+ + +

+ ⁿ

²

^gu

h

^{1 3⁄}

--- u

²

+

v²

= 0

h∂u --- ∂t hu∂u

∂x --- h v ^∂ v

∂y --- _ρ --- ^h ε

_yx

∂

²

v

∂x

²

--- ε

_yy

∂

²

v

∂y

²

---

⎝ + ⎠

⎜ ⎟

⎛ ⎞

– gh ∂a _⎝ ^⎛ --- ∂y + ^∂h --- _{∂y ⎠} ^⎞

+ + +

+ ⁿ

²

^{g v}

h

^{1 3⁄}

--- u

²

+

v²

= 0

그림 2. 민감도 분석을 위한 가상수로

와점성계수는 전적으로 물리적 현상에 기초해서 결정되는 것 이 아니고 , ^{해의 안정성에 필요한 수치점성효과} (numerical

viscosity) 도 포함하고 있다 . WES(2008) 는 하구역에서 와점

성계수의 범위를 9,500~14,400 N·sec/m

³

로 제안하고 있는

바 , 본 연구에서는 10,000 N·sec/m

³

로 고정하였다 . 고정된 와점성계수를 바탕으로 또 다른 모형 매개변수인 Manning ^의

조도계수가 수위에 미치는 영향을 살펴보았다 . 일반적인 개 수로에서는 조도계수가 증가할수록 수위도 증가한다고 알려

져 있으나 (Henderson, 1966), 본 연구의 대상은 조석의 영

향이 지배적인 하구역이므로 보다 엄밀한 조도계수의 민감

도 분석이 필요한 실정이다 . Manning 의 조도계수를 0.03~

0.05 ^{까지 변화시킬 때} A ^와 B ^{지점에서 수위의 변동을 도시하}

그림 3. 가상수로에서 조도계수에 따른 수위변화

면 그림 3 과 같다 . 이 그림에서 평상시 A 지점 ( 상류경계의 직하류 지점 ) 의 조위는 조도계수가 커질수록 간조위는 상승 , 만 조위는 하강하여 전체적으로 진폭이 작아지는 경향을 보였다

( 그림 3a 의 ① 참조 ). 반면 B 지점 ( 하류경계의 직상류 지점 ) 의 조위는 조도계수가 커질수록 진폭이 작아지기는 하나 , 간조 위의 상승만 있을 뿐 첨두 만조위의 하강현상은 보이지 않 는다 ( 그림 3b 의 ① 참조 ). 이는 하류경계에서 발생한 조위가 큰 조도를 만나면 초기에는 간조위의 상승만 보이다가 상류 로 전파되면서 만조위의 하강이 작은 조도 조건에 비해 빠 르게 진행되었음을 알 수 있다 . 이러한 현상은 선행연구결과

에서도 찾아볼 수 있다 . Khatibi 등 (2000) 은 감조하천에서 1

차원 비정상 흐름모의를 위해 조도계수의 민감도 분석을 수 행한 결과 , 조위가 작아지는 상류지점에서 비록 크게 민감하 지는 않지만 조도계수가 증가할 때 만조위가 감소함을 보인 바 있다 .

다음으로 상류에서 홍수파가 전파되었을 때 수위 변동을 살펴보면 앞선 논의와 다른 결과를 보여준다 . 상류경계에 첨

두 유량 5000 cms 의 홍수파를 부여하면 A 지점의 수위는

조도계수가 커질수록 첨두 홍수치가 증가함을 관찰할 수 있 다 ( 그림 3a 의 참조 ). 하류에 위치한 B 지점 또한 비록 홍수 파가 간조와 만나기는 하지만 조도가 커질수록 첨두 홍수치 는 증가함을 확인할 수 있다 ( 그림 3b 의 참조 ). 이상의 결과 는 본 수치모형이 하류에서 주어진 조석파 뿐만 아니라 상 류에서 발생하는 홍수파도 적절히 모의할 수 있음을 보여준 다 . 또한 감조하천에서는 조석파와 홍수파의 결합으로 복잡 한 수위변동이 발생 가능함을 수치모의를 통해 확인할 수 있었다 . ^{끝으로 고정된 조도계수를 바탕으로 와점성계수를}

변화시켜보았더니 수위변화가 미세하였다 . 특히 와점성계수

가 10,000 이상이면 수위의 변화는 없었다 . 결국 조도계수가

와점성계수에 비해 민감하게 수위에 반응하므로 감조하천 모 의에서는 조도계수의 결정에 주의를 기울일 필요가 있다

(Bao, 2009).

2.3 대상영역 및 경계조건

본 연구에서 흐름을 모의할 한강하구의 범위로 우선 한강 본류의 상류 경계를 한강대교로 삼아 신곡수중보를 대상영 역 안에 배치하였다 . 그리고 임진강의 상류경계는 통일대교 로 삼아 한강하류 뿐만 아니라 임진강 하류의 흐름 특성도 함께 해석하였다 . 끝으로 하류경계는 대한민국 법정하천 경

계인 강화군 월곶면 유도 상류 약 1 km 로 잡았다 . 한강하

천정비기본계획보고서 ( 건교부 , 2002) 에 의하면 단면자료가 곡 릉천 합류부까지만 제공되기에 본 연구에서는 서일원 등

(2008) 의 자료를 참고하고 해도를 이용하여 유도까지의 단면

자료를 구성하였다 . 대상구간 중 유도에서 한강대교까지의

거리는 약 55.45 km 이며 , 한강 합류부에서 임진강 통일대교

까지는 약 9.5 km 이다 . 이곳의 하상경사는 0.00061 로 전형

적으로 완만한 하구 특성을 보여준다 . 대상구간 내 주요한 수리구조물은 신곡수중보가 있다 . 신곡수중보 직상류 우안에 장항습지가 있으며 , 그 하류에 산남습지 , 시암리 습지 등이 분포하고 있다 . 모의구간의 하상고 및 습지위치를 대략 도시 하면 그림 4 와 같다 . 계산을 위한 유한요소망은 한강하천정 비기본계획보고서 및 임진강하천정비기본계획보고서 ( 건교부 ,

2001) 를 참고하여 평면도와 종·횡단도를 이용하여 구성하

였다 . 대상구간 내 유한요소망은 14,109 개의 절점과 4558 개 의 사각형요소로 구성하였다 .

한강하구는 감조하천 구간이므로 반드시 비정상 흐름

(unsteady flow) ^{모의를 수행해야 한다} . ^{본 연구에서는}

2007 년도에 실제로 발생한 유황을 바탕으로 경계조건을 부 여하였다 . 상류단 경계인 한강대교와 통일대교의 유량자료 는 유량조사사업단이 제공한 매시간 관측한 자료를 사용하 였다 . 한강 본류의 유량이 한강하류의 흐름 및 하상변동에 큰 영향을 미칠 것이라 판단하여 한강 풍수기와 평수기로 분류하여 모의를 실시하였다 . 여기에 조석 특성을 고려하여 대조와 소조가 모두 포함된 열흘을 모의 기간으로 삼았다 .

경계조건 부여시 발생한 문제는 하류단 경계로 잡은 유도지 점에서 실측된 조위값이 거의 없다는 것이었다 . 해양수산부

가 2000 년 ~2001 년에 걸쳐 해양연구원을 통해 수행한 한

강·임진강 유역에 대한 조위영향 연구 보고서 (2001) 에 수 록된 조위자료가 유도지점의 유일한 실측값이라고 사료된 다 . 그러나 조위자료는 상류경계의 유량자료와 그 시기가

일치해야 하는데 2000 년 ~2001 년 조위자료에 일치하는 상류

단 ( 한강대교 및 통일대교 ) 의 관측 유량자료가 존재하지 않 는 것이 또한 문제이다 . 따라서 본 연구에서는 유도지점의 조위자료를 대신하여 최근까지 조위가 잘 관측되고 있는 강 화대교 지점의 자료로 대체하였다 . 강화대교 지점은 유도지 점으로부터 남쪽으로 약 5.9 km ^{떨어져 있어서 이곳의 조}

위는 유도지점의 조위와 차이가 많지 않다고 알려져 있다 .

결과적으로 모의에 사용된 입력자료로 풍수기는 2007 년 8

월 27 일 12 시 ~2007 년 9 월 5 일 12 시 , 평수기는 2007 년 3

월 20 ^일 12 ^시 ~2007 ^년 3 ^월 29 ^일 12 ^{시 등 각각 열흘치 유}

량 및 조위값을 채택하였다 . 이를 도시하면 그림 5 와 같다 .

그림에서 보듯이 풍수기 대조시 만조위는 5.89 m, 간조위

는 -0.94 m 로 조위차가 약 6.83 m 가 나고 , 소조시 조위

차는 약 3.15 m ^이었다 . ^{평수기 대조시 만조위는} 5.78 m,

간조위는 -0.86 m 로 조위차가 6.64 m 가 나고 , 소조시 조위

그림 4. 연구 대상영역의 하상고

차는 3.64 m ^{로 조위의 계절적 변화가 크지 않았다} . ^또한

채택한 유황에서 풍수기 한강본류의 최대유량은 5,586 cms

이었다 . 이를 정리하면 표 1 과 같다 .

2.4 모형의 검보정

수치모형을 실제 대상하천인 한강하구에 적용해 보았다 . 우 선 민감도 분석을 바탕으로 수위에 민감한 조도계수를 보정

(calibration) 하였다 . 보정에 쓰이는 사상은 전류와 행주대교

지점에서 풍수기 중 2007 년 8 월 26 일부터 30 일까지의 5 일

치이다 . 그 결과를 그림 6 에 도시하였다 . 이 그림에서 보듯 이 상대적으로 하류에 위치한 전류지점의 수위는 조위의 영 향을 많이 받아서 앞서 논의된 민감도 분석 결과처럼 조도 계수가 커질수록 수위의 진폭이 작아지는 경향을 보인다 .

수중보 상류에 위치한 행주지점도 평상시에는 그러한 경향 을 보이나 상류에서 홍수파가 전달되는 경우에는 조도가 큰 경우 첨두 만수위도 증가하는 모습을 보였다 ( 그림 6b 의 ② 참조 ).

전류 지점의 실측 수위와 흐름모형으로 계산된 수위를 비교해 보면 조도계수가 0.04 일때 서로 가장 잘 일치하 였다 . 참고로 이 값은 한강하천정비기본계획 (2002) 에서

5000 cms( 본 연구에서 보정에 쓰인 최대 입력 유량값 ) 유

량일 때 제시한 조도계수치와 동일하다 . 반면 수중보 상류 지역인 행주대교 지점에서의 결과를 보면 실측치에 비해 계산치의 간조위가 과소추정되는 경향이 있었다 . 이는 신 곡수중보로 인한 급격한 지형변화가 해의 안전성에 영향을 준 것이라 사료되며 이러한 수중보의 영향으로 발생가능한 한계류의 영향을 최소화시키기 위해 보가 있는 전후의 약

250 m 의 요소에는 주수로 보다 큰 조도계수 값을 할당하

였다 . 그리고 RMA-2 모형은 벽면 마찰의 영향을 고려하

지 못하므로 이를 고려하기 위해 양안에 작은 요소를 잡 아 이곳의 조도계수는 크게 설정하였다 . 바닥마찰에 의한 영향과 벽면마찰에 의한 영향을 등가로 생각하여 주수로 조도계수보다 두 배 큰 값을 부여하였다 . 또한 부정류 모 의에 따른 급격한 경계변화가 해의 안정성에 미치는 영향 의 최소화를 위해 각 요소를 마름 / 젖음 처리하였다 . 결정된 매개변수를 검증 (verification) ^{하기 위해 전류지점과 행주대}

교지점에서 평수기 전류의 실측수위와 계산수위를 비교하 여 그림 7 에 도시하였다 . 이 그림에서 보듯이 계산치의 만 조위가 실측치에 비해 약간 과대 산정되고 행주대교는 과 소 산정되는 경향을 보이나 대체적으로 일치하는 것으로 분석되었다 .

표 1. 모의기간의 유황 및 조위

기간 대조 / 소조 유량 (m

³

/s) 조위 E.L. (m) 조위차 (m)

풍수기

대조

한강 1,844.19

간조위 -0.94

임진강 220.06 6.83

한강 1,799.64

만조위 5.89

임진강 509.06

소조

한강 1,069.82

간조위 0.03

임진강 172.70 3.15

한강 943.45

만조위 3.18

임진강 172.70

평수기

대조

한강 537.94

간조위 -0.86

임진강 268.30 6.64

한강 126.44

만조위 5.78

임진강 172.70

소조

한강 83.91

간조위 -0.56

임진강 172.70 3.64

한강 76.59

만조위 3.08

임진강 172.70

그림 5. 경계조건

3. 하구 흐름 특성 분석 3.1 현상태의 흐름특성

한강하구는 감조구간으로 순방향흐름 ( 하천 상류에서 하류 로 향하는 흐름 ) ^{과 역방향흐름} ( ^{바다에서 하천상류로 향하는}

흐름 ) ^{이 교차하는 현상이 주기적으로 발생한다} . ^{특히 역방향}

흐름은 해수의 흐름이므로 이것이 최대로 발생하는 지점을 살펴봄으로써 염도가 미치는 영향권을 간접적으로 파악할 수 있을 것이다 . 역방향흐름이 최대로 발생하여 하천 상류에 도 달하는 지점 ( ^{또는 역류 도달지점} ) ^{을 모의 사상에 따라 정리}

그림 6. 매개변수의 보정

하면 표 2 ^{와 같고 이를 도시하면 그림} 8 ^{과 같다} . ^{이 그림}

에서 보듯이 풍수기 대조인 경우 한강 본류에서는 해수 역

류가 신곡수중보를 넘어 성산대교까지 영향을 미침을 알 수 있다 . 그리고 표 2 에 정리하였듯이 평수기 대조의 경우 한 강본류의 유량이 적어 한강대교까지 역류가 발생하고 있으 며 , 만약 모의구간을 상류로 더 확장했다면 한강대교 이상 역류가 진행했을 개연성이 크다 . 반면 소조의 경우 풍·영 수기에 관계없이 해수가 신곡수중보를 넘지 못하였다 . 임진 강에서는 유량 및 조위에 따라 역류 도달지점이 크게 바뀌 지 않으며 , 대체적으로 운천습지 부근까지 해수의 영향권이 라 볼 수 있다 .

3.2 보 이설 및 변형에 따른 흐름 특성

본 연구에서는 신곡수중보의 하성대교 예정지점으로 이설 을 가정하고 흐름 및 수위변화를 모의해 보았다 . 하성대교 예 정지점은 그림 1 에 도시한 바 있다 . 이설될 보는 가동보가 없는 고정보로만 구성된다고 가정하고 , 제원은 기존 신곡수중 보와 비교하여 보 마루 높이를 변형하였다 . 첫 번째 경우는 기존 신곡수중보 마루 표고 E.L. 2.4 m 에서 한강의 평균 하

상고를 감안하여 하류로 이동한 만큼 낮추어 E.L. 2.18 m 로

변경하였다 . ^{두 번째 경우는 보 마루 표고를} E.L. 1.0 m ^로

가정하였다 . 세 번째 경우는 수중보 철거를 가정하였다 . 모의 조건은 앞서 언급했듯이 풍수기와 평수기로 구분하여 열흘치 를 각각 모의하였다 . 현재의 보 , 보 이설 , 보 철거 등에 따른 수위변화를 그림 9~11 에 도시하였다 . 이 그림들에서 수위가 산출된 지점은 신곡수중보 하류지점 두 곳 ( 전류 , 장항 ) 과 상 류지점 한 곳 ( 행주대교 ) 이다 ( 그림 4 참조 ).

그림 7. 매개변수의 검증

표 2. 역류 도달지점

순번 구분 풍수기 / 평수기 대조 / 소조 수계명 발생위치 발생시간 조위 (m) 유량 (m

³

/s) 1

현재

풍수기

대조 한강 성산대교

하류부 2007/08/31

08:00 5.83 1,021.35

임진강 운천습지

상류부 963.09

2 소조 한강 신곡수중보

하류부 2007/09/06

01:00 3.40 883.69

임진강 운천습지

하류부 303.49

3

평수기

대조 한강 한강대교

하류부 2007/03/22

09:00 5.13 103.92

임진강 운천습지

상류부 963.09

4 소조 한강 신곡수중보

하류부 2007/03/27

13:00 3.07 83.91

임진강 운천습지

상류부 172.7

5

(2.18 m) 보이설

풍수기

대조

한강 장항습지

하류부 2007/08/31

08:00 5.83 1,021.35

임진강 운천습지

상류부 963.09

6 소조

한강 산남습지

하류부 2007/09/06

01:00 3.40 883.69

임진강 운천습지

하류부 303.49

7 평수기 대조

한강 한강대교

하류부 2007/03/22

09:00 5.13 103.92

임진강 운천습지

상류부 963.09

그림 9 ^{에서 보듯이 전류지점에서의 수위는 신곡수중보를}

철거하더라도 현재의 수위와 큰 차이를 보이지 않는다 . 이는 전류지점이 신곡수중보와 상당한 거리를 두고 있기 때문이 다 . 반면 전류 상류지점인 하성대교 예정지에 수중보 마루를

E.L. 2.18 m ^{로 이설하면 간조위뿐만 아니라 만조위도 상승}

함을 볼 수 있다 . 풍수기 대조의 경우 그 상승폭이 평수기 에 비해 커 홍수위 상승도 예상된다 . 마루표고를 E.L. 1 m

로 낮추어 이설했을 경우는 현재 상태의 만조위와 차이가 거의 없음을 확인할 수 있다 . 물론 이 경우에도 간조위의 상승은 뚜렷하고 특히 소조시 그 변화폭이 더 컸다 .

그림 10 은 장항습지에서 수중보 이설 , 변형에 따른 수위변 화를 나타내고 있다 . 장항습지는 신곡수중보의 직하류 구간 이라 신곡수중보가 철거되었을 경우 간조위의 상승이 최대

0.5 m 보인다 . 이러한 경향은 한강 풍수기에 비해 평수기에

더 뚜렷하다 . 수중보 표고를 E.L. 2.18 m 로 하여 하류로

이설하는 경우 상승폭이 간·만조에 상관없이 1 m 이상으

로 컸으나 , 표고를 E.L. 1.0 m 로 낮추었을 경우 풍수시에

만조위의 추가 상승분은 미미하였다 . 그러나 소조시 간조위

의 상승폭은 1 m 이상을 상회하여 수중보 표고를 E.L. 1.0

m 로 하여 이설하더라도 장항습지의 상시 침수면적은 현재에 비해 증가할 것으로 사료된다 .

그림 11 은 신곡수중보 직상류인 행주대교 지점에서 수중보 이설 , 변형에 따른 수위변화를 도시한 것이다 . 수중보를 철 거하더라도 풍수시 대조의 경우 수위 차이가 거의 없으나 ,

평수시에는 예상대로 수위 하락폭이 최대 2 m 이상을 보였 표 2. 계속

순번 구분 풍수기 / 평수기 대조 / 소조 수계명 발생위치 발생시간 조위 (m) 유량 (m

³

/s)

8 (2.18 m) ^{보이설 풍수기 소조}

한강 보이설

예정지 2007/03/27

13:00 3.07 83.91

임진강 운천습지

상류부 172.7

9

보철거

풍수기

대조 한강 한강대교

하류부 2007/08/31

08:00 5.83 1,021.35

임진강 운천습지

상류부 963.09

10 소조 한강 한강대교

하류부 2007/09/06

01:00 3.40 883.69

임진강 운천습지

하류부 303.49

11

평수기

대조 한강 한강대교

하류부 2007/03/22

09:00 5.13 103.92

임진강 운천습지

상류부 963.09

12 소조 한강 한강대교

하류부 2007/03/27

13:00 3.07 83.91

임진강 운천습지

상류부 172.7

그림 8. 역류 도달지점 (현재상황, 풍수기 대조)

그림 9. 전류지점 보 이설, 변형에 따른 수위 변화

다 . 수중보 표고 E.L. 2.18 m 이설의 경우 행주지점에서도 상당한 수위 상승을 가져오지만 수중보 표고 E.L. 1.0 m

이설시 풍수기에는 현재 수위와 큰 차이를 보이지 않았다 .

그러나 평수기에는 현재에 비해 수위 저하가 예상되었다 .

수중보 이설 및 변형 이후 역류 도달지점을 도시하면 그림

12~13 ^{과 같고 표} 2 ^{에 결과를 정리하였다} . ^{수중보 표고} E.L.

2.18 m 이설시 풍수기 대조인 경우 역류가 신설되는 보를

넘어 장항습지 하류까지 , 소조인 경우 산남습지까지 도달하 지만 평수기 소조인 경우 신설보를 넘지 못하고 있다 . 이는 수중보 이설로 인해 해수의 영향권이 하류로 후퇴함을 잘 보여주는 사례다 . 마지막으로 보 철거를 가정하고 역류의 영 향권을 예측해 보면 표 2 에서 정리하였듯이 하천유량 및 하 구 조위 조건에 상관없이 한강대교 또는 그 이상의 지점까 지 역류가 발생함을 예측할 수 있었다 .

4. 결 론

본 연구에서는 한강하구의 흐름에 직접적인 영향을 미치는 구조물인 신곡수중보의 하류 이설 후 변형 , 그리고 철거 등 을 가정하고 이에 따른 수리특성을 2 차원 수리모형을 통해 분석해 보았다 . 우선 신곡수중보를 현상태로 두고 한강하구 의 흐름을 모의해 보면 풍수기 대조인 경우 한강 본류에서 는 해수 역류가 신곡수중보를 넘어 성산대교까지 영향을 미 치고 , 평수기 대조에는 한강대교 상류까지 역류발생이 예상 되었다 . 반면 소조의 경우 풍·평수기에 관계없이 해수가 신 곡수중보를 넘지 못하였다 . 신곡수중보를 표고 E.L. 2.18 m

로 하여 하성대교 예정지로 이동하면 풍수기 대조인 경우 역류가 신설보를 넘어 장항습지 하류까지 , 소조인 경우 산남 습지까지 도달하였다 . 하지만 평수기 소조인 경우 해수가 신 그림 10. 장항지점 보 이설, 변형에 따른 수위 변화

그림 11. 행주지점 보 이설, 변형에 따른 수위 변화

그림 12. 역류 도달지점 (보이설(2.18), 풍수기 대조)

그림 13. 역류 도달지점 (보철거, 풍수기 대조)

설보를 넘지 못하여 해수의 영향권이 보 이설로 인해 하류 로 후퇴함을 보여주었다 . 신곡수중보 철거를 가정해보면 하 천유량 및 하구 조위 조건에 상관없이 한강대교 또는 그 상 류지점까지 역류가 발생함을 예측할 수 있었다 .

수중보 이설 및 변형에 따른 장항습지에서 수위변동을 살 펴보면 먼저 신곡수중보가 철거되었을 경우 간조위의 상승 이 예측되었다 . 이러한 경향은 한강 풍수기에 비해 평수기에

더 뚜렷하다 . 다음으로 수중보 표고를 E.L. 2.18 m 로 하여

하류로 이설하는 경우 수위 상승폭이 간·만조에 상관없이

1 m 이상으로 증가하였으나 , 보 표고를 E.L. 1.0 m 로 낮추 었을 경우 풍수시에 만조위의 추가 상승분은 미미하였다 . 그

러나 소조시 간조위의 상승폭은 1 m 이상을 상회하여 수중

보 표고를 E.L. 1.0 m 로 하여 이설하더라도 장항습지의 상

시 침수면적은 증가할 것으로 분석되었다 . 신곡수중보 직상 류인 행주대교 지점에서 수위변화를 보면 수중보를 철거하 더라도 풍수시 대조의 경우 수위 변화가 거의 없으나 , 평수 시에는 큰 폭의 수위 하락이 예상되었다 . 그리고 수중보 표

고 E.L. 2.18 m 이설의 경우 상당한 수위 상승을 가져오지

만 수중보 표고 E.L. 1.0 m ^{이설시 풍수기에는 현재 수위}

와 큰 차이를 보이지 않았다 . 참고문헌

건설교통부 (2001) 임진강하천정비기본계획(보완)보고서 , ^{건설교통부} .

건설교통부 (2002) 한강하천정비기본계획보고서 , 건설교통부 .

경기개발연구원 (2009) 한강하구 개발에 따른 흐름 및 하상변동 고찰 , 경기개발연구원 .

김상호 , 김원 , 이을래 , 최규현 (2005) 한강하류부 신곡수중보의 수 리학적 영향분석 , ^{한국수자원학회논문집} , 한국수자원학회 , 제

38 ^{권 제} 5 ^호 , pp. 401-413.

김승용 (2002) 조위영향에 따른 신곡수중보 상·하류의 유동특성

분석 , 석사학위논문 , 경기대학교 .

김창완 (2005) 하천과 저수지의 세굴과 퇴적 예측 , ^{제14회 수공학}

워크샵자료집 , 한국수자원학회 .

김포시 (2009) 신곡수중보 이설 타당성 조사보고서 , ^김포시 .

서일원 , 송창근 , 이명은 (2008) 한강 감조구간에서의 흐름 및 혼 합거동 , ^{대한토목학회논문집} , 대한토목학회 , 제 28 권 제 6B 호 , pp. 731-741.

한국건설기술연구원 (2005) 한강하류부 하상변동조사 연구보고서 ,

건설교통부 .

한국해양연구원 (2001) 한강·임진강 유역에 대한 조위영향 연구보 고서 , 해양수산부 .

Bao, W., Zhang, X., and Qu, S. (2009) Dynamic correction of roughness in the hydrodynamic model, J. of Hydrodynamics , Elsevier, Vol. 21, No. 2, pp. 255-263.

Henderson, F.M. (1966) Open channel flow . Macmillan publishing co., NY.

Khatibi, R.H., Williams, J.R., and Wormleaton, P.R. (2000) Fric- tion parameters for flow in nearly flat tidal channels., J. of Hydraulic Engineering , ASCE, Vol. 126, No. 10, pp. 741-749.

Pugh, D.T. (1964) Tides, surges and mean sea level-a handbook for engineers and scientists. Great Britain by Bath Press.

WES (2008) Users guide to RMA2, Ver. 4.5. WexTech Systems, Inc., NY.

( 접수일 : 2010.8.20/ 심사일 : 2010.9.29/ 심사완료일 : 2010.11.27)