낙동강 하구둑 개방에 따른 염분침투 길이에 관한 연구
The Investigation of Sea Water Intrusion Length on Opening of Nakdong River Estuary Barrage Using Numerical Simulation Model
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Abstract
본 연구는 MIKE21 Model을 이용하여 낙동강 하구의 조위 분포와 상류의 유입유량에 따른 해수침투길이를 산정한 것이다. 감조하천에서 염수쐐기의 거동은 생활용수, 공업용수, 농업용수의 수질에 큰 영향을 주고 있다. 환경부가 규정한 염분농도는 생활용수 0.5 psu 공업용수 0.3 psu이다. 이 수치를 유지하기 위해, 1987년에 낙동강 하구둑을 축조하여 해수의 침입을 수문으로 차단시켰다. 이로 인해 일정구간에 수질악화와 생태계의 변화가 발생하였다. 이를 해결하기 위해 부산시는 낙동강 하구에서 상류 6 km까지 해수와 담수가 혼합되는 기수역으로 전환시키기 위한 복원계획을 수립하여 발표하였다. 즉, 생태계의 복원을 위해 하구둑 직 상류 6 km까지 염수가 유입되는 기수역을 조성시켜는 계획을 세웠다. 본 연구는 염수침입길이를 계산한 결과를 제안하여 기수역 복원계획에 필요한 조건을 제공하고자 한다.
Trans Abstract
The length of seawater intrusion is calculated from the tidal distribution and inlet upstream flow of the Nakdong River using MIKE21 Model. The rising behavior of the salt wedge in the estuary is affecting for the quality of life Water, industrial water, agricultural water. The value salt concentration regulation of Ministry of Environment was set for living water 0.5 psu and Busan City was set for industrial water 0.3 psu. To maintain this values, the Nakdong River of Estuary Barrage(NREB) in 1987 was constructed, it was blocked the intrusion of seawater by floodgates. Construction of NREB has brought a change in water quality and ecosystem deterioration in a certain region. Busan City has announced to establish a restoration plan for the conversion into the mixing area(Brackish Water Zone: BWZ) of salt and fresh water from NREB to upstream 6km. In other words, it was set a plan of the composition 6km mixing zone that salt water flows directly to the barrage upstream in order to restore the ecosystem. The study clearly identify this corresponds a minimum flow rate and tidal level conditions to generate a saltwater intrusion and to propose a penetration length of saline provides the specification requirement for of restore plan.
1. 서론
낙동강 하구둑 지점에서 건설당시에서 변경된 설계홍수량은 200빈도로 22,300 m3/s이다(Korea Water Resource Corp., 2013). 낙동강하구둑(Nakdong River Estuary Barrage:NREB) 을 1987년 11월에 준공한 후(Korea Water Resource Corp., 1988) 2011년 11월에 배수문 증설공사를 준공했다(Korea Water Resource Corp., 2013). 건설의 최초목적은 염수쐐기를 차단시켜 공업, 생활, 농업용수를 생산하여 공급하는 데 있다. 현재 낙동강 하구둑은 수문 폭이 47.5 m인 주배수문 6개, 조절배수문 4개. 증설배수문의 폭이 47.5 m인 4개와 폭 95 m인 1개, 갑문과 어도로 구성되어 있다. 염수쐐기의 산정은 Denmark의 DHI가 개발한 MIKE Model(DHI, 2007), Virginia Tec. Univ.의 EFDC Model(Hamrick, 1992, 1996, Xu, et al., 2008), ECOMSED Model(HydroQual 2002, Han et al., 2011)등이 잘 알려져 있다. 부산시는 낙동강 생태계를 복원시키기 위해서 2017년부터 점진적 개방으로 2025년에 전면개방을 전제로 기수역(Brackish Water Zone:BWZ)복원을 위한 대안을 제시하면서 즉시 수문일부의 개방을 요구하고 있다. 기수역이 형성되면 수질개선, 하천환경개선, 생태계서식처 제공, 하천 이용의 증진이라는 하천의 생태적 기능이 회복되어 원래의 자연하천으로 복원되는 것이다. 현재에서 가장 타당한 원만한 복원계획은 하구둑을 설치목적에 부합되도록 유지관리하고 장기적으로 가장 안전한 담수공급정책이 마련된 후 점차적인 개방을 해야 한다. 어째든, 개방하자는 입장과 개방에 대한 신중함을 유지해야한다는 입장을 동시에 설득할 수 있는 복원 계획의 조건은 갈수시에 각취수장에서 공업용수 0.3 psu와 생활용수 0.5 psu이하의 염분농도를 갖는 원수를 취수할 수 있는 계획안이다. 즉, 낙동강 하구둑 즉, 낙동강 하구둑 개방에 대해 분명한 해답은 현실성이 있고 체계적 분석에 의한 대안이 제안되어 모든 시민과 전문가들이 수긍하는 조건 제시가 중요하다는 점이다. 부산시가 계획한 공업용수 취수장만을 상류로 이전하여 일부구간을 기수역으로 전환시킨다는 복원계획은 상류에 위치해 있는 농업용수를 포함한 생활 및 공업용 수취수장의 염분농도를 허용치 이하로 유지시키는 조건에 미흡하다. 현시점에서 수문을 개방하여 기수역을 확보하는 개념은 낙동강 하구둑의 설치목적과 유지관리 방안을 개선하는 취지와는 일치되지 않는다. Netherlands의 Haringvliet의 하구 둑 유지관리 사무소에서도 동일한 논리를 펴고 있다. 환경복 원을 위한 기수역 확보도 중요하지만 이에 못지않게 시민의 안전한 생활과 국가공업단지의 운영도 매우 중요하다. 하구둑 기점에서 상류 6 km구간을 항상 기수역으로 확보하기 위해 필요한 취수원 이전과 농업용수 확보 등에 따른 국가적 비용, 가뭄대책, 상류의 여건 변화 등에 대한 충분한 검토와 대책이 제시되어야 한다. 기수역 조성으로 염분농도가 증가되어 피해 발생 가능성을 고려하면 현재 상태로 낙동강 하구둑을 운영 하면서 장기간에 걸쳐 대책을 완벽하게 마련한 후에 현장시험을 거쳐 안정적인 기수역을 확보해주는 것이 더욱 현실성 있는 대안이라 할 수 있다. 본 연구는 수문개방을 위한 기본적 인 조건을 제시하고자 염분농도 침투길이를 수치계산을 실시하여 각 지점의 염분농도침투길이를 제시하였다. 본 연구에서 수행된 범위는 첫째는 하구둑수문을 전체 개방할 경우에 대해 MIKE21모델(DHI, 2007)을 적용한 염분침투길이를 산정했다. 둘째는 하구둑 수문의 일부인 2개와 4개를 개방하여 개도의 정도에 따른 염분침투길이를 산정하였다. 이는 하구둑을 기점으로 상류 6 km정도 까지를 항상 기수역으로 만들 수 있는 일부수문의 개방조건을 제시하기 위한 계산이다. 동시에 수문이 없는 경우에서 모델이 다른 염수침투길이를 비교 검토했다. 수문이 없는 경우는 현재까지 계산결과가 일부 제시되어 왔다.
본 연구의 목적은 수치계산에서 얻어진 염수침투길이를 제시한 후 각각의 취수장에서 염분농도의 허용치를 분석하여 생활, 공업, 농업용수에 염수의 영향이 없는 안전한 기수역을 만들기 위한 복원계획의 타당성을 검토하여 복원조건을 제시 하고자 한다.
2. 낙동강 상류 주요 취수시설과 공급지역
2.1 하구둑 담수의 시별 취수율과 염분현황
낙동강 하구둑(NREB)으로 인해 직상류에 저수된 담수량 (Choi, 1996)은 낙동강 주변도시인 부산시, 김해시, 울산시, 양산시의 생활용수, 공업용수, 농업용수 등으로 공급되기 위해 각각의 취수장에서 취수되고 있다. 2007년 기준 낙동강 하류지역의 취수량은 일평균 약 185만 m3이다. 농업용수를 고려하면 일평균 200만 m3를 초과한다. 낙동강 인근도시의 취수량 의존율은 Table 1과 같다(Kim, 2010). 2007년도의 부산 시 91%, 울산광역시 64%, 김해시 96%, 양산시 39% 등으로 낙동강 하구둑에 의한 담수량에 의한 의존도가 매우 높은 수준임을 알 수 있다.
Nakdong River water intake volume status(2007, unit : Million m3)
2.2 낙동강 취수시설용량과 공급지역
낙동강하구둑(NREB)에서 밀양강 합류부까지의 주요 취수 시설 및 시설용량의 현황을 정리한 것은 Table 2와 같다 (Environment Ministry, 2015). 하구둑을 기점으로 8 km의 부산시공업용취수장(Busan Industrial Water Intake Plant: BIWIP), 16 km지점인 대동농업용수수문(Daedong Agricultural Water Gate: DAWG), 23km의 김해 농업용수취수탑(Gimhae Agricultural Water Intake Tower: GAWIT), 26 km의 물금취수장(Mulgeum Water Intake Plant: MWIP), 28 km지점의 원동취수장(Wondong Water Intake Plant: WWIP), 29 km의 매리취수장(Maeri Water Intake Plant: MAWIP), 44.5 km의 창암취수장(Changam Water Intake Plant: CWIP), 45 km의 강변여과수(Riverside Filtered Water Treatment Plant: RFWTP)으로 부산시, 김해시, 울산시, 양산시 등에 공급할 취수시설 총용량은 농업용수를 제외한 일 457.42만m 3에 달한다. 특히, 1987년 하구둑 건설 이후 안정적 용수공급이 가능하게 되면서 지속적으로 취수시설의 신설 및 기존시설의 용량 확장이 이루어져 왔음을 알 수 있다.
The main water intake facilities and main supply area(2013)
2.3 하구둑 건설전 염분도 관측자료 조사
낙동강 하구둑을 건설하기 이전에 낙동강 하류지역 취수장에 유입되는 염분을 조사하여 하구둑 건설의 타당성을 검증하기 위해 과거의 자료를 분석해보기로 한다. Table 3은 하구둑 건설이전 염수 침입으로 인한 물금취수장의 취수중단 현황 자료로, 1975년부터 1981년까지 6년간 염수침입으로 인한 물금취수장의 취수중단 발생 결과를 정리한 자료이다(ISWACONEDECO 1987). Table 3에 의하면 6년 동안 1979년만을 제외하고는 1월에 취수중단이 매년 실시되었다. 1977년 2월에 는 진동에서 유입유량이 27~67 m3/s일때 19일 동안 원수취수 가 134시간 중단되었고, 1978년 5월에는 진동에서 유입유량이 28~51 m3/s일때 12일 동안에 139시간 중단되었다. 이때 염분농도는 각각 3.59 psu와 2.77 psu였다. 물금취수장에서 취수중단을 해야 하는 일수가 발생했다는 것은 갈수기에 염수침투가 물금상류까지 침투했다는 것이다. Table 4는 낙동강 하구둑 건설전 물금에서 가덕도 외해까지 실측에 의한 염분도 조사결과로, 1985년 9월부터 1986년 8월까지 월별로 표층 과 저층으로 나누어 총 8개 지점의 관측 결과이다(Kim, 2010). 진동유입량이 300 m3/s이상에서는 0.2 psu 이상의 염분농도의 검출 구역은 주로 현재의 하구둑 지점에서 상류 2km내외 구간임을 알 수 있어 하구둑 하류의 기수역 구간과 크게 차이가 없음을 알 수 있다. 진동유입량이 100 m3/s 내외 가 되는 갈수기에는 0.5 psu 이상의 염분농도의 검출이 상류 27 km인 물금까지 나타나고 있어 유입유량에 따라 염수침입 범위가 크게 차이가 발생되고 있음을 알 수 있다. 1986년 2월, 진동에서 유입유량이 95 m3/s일 때 물금에서 표층염분농도는 표층과 바닥에서 각각 0.65 psu, 0.52 psu이었다. 이는 바닥과 표층에서 유속이 거의 없는 호소에서 나타나는 현상으로 표층과 바닥에서의 온도차에 의한 순환류가 형성되므로 인해 강한 혼합현상이 발생하였기 때문으로 추정된다. 이러한 현상은 잔잔한 호소에서 겨울과 봄에 나타나는 전도현상이다.
Status of Water Intake Stop due to Salt Intrusion in MWIPlant(1975~1981)
Distribution salinity in the upstream of before construction of NREB (unit: psu)
3. 염분도 수치모델링
3.1 계산결과분석을 위한 낙동강 상하류 지점
Fig. 1은 낙동강 하구둑 상하류에 대한 취수장 위치, 수심 분포와 NREB St에서 상류 6 km의 기수역을 도시한 것이다. Fig. 1의 NREB St.는 하구둑 지점이며 St. 01은 하구둑 하류 18 km인 가덕도 해안지점이다. 각 지점에 대한 수심을 색갈로 표시했다. 상류경계는 진동 지점을 하류경계는 하구둑에서 18 km 하류로 결정했다. Fig. 1의 각 지점은 주요구조물과 용수를 취수하는 펌프장이 있는 곳이다. 각 격자의 간격은 100 m로서 밀양강 합류부는 하구둑에서 45 km 지점이며 진동은 하구둑에서 약 80 km 지점에 있다. 또, Fig. 1의 왼쪽상 단은 양쪽 좌우2개씩 4개의 조절수문을 개도량에 따라 일부 개방하는 것이고, 하단은 좌측 2개만 개방한다는 것을 도시한 것이다.
Location and depth of the main points for numerical calulations
3.2 모델링에 적용시킨 경계조건
본 MIKE21모형은 큰 하천에서 염수침입과 같은 비정수압 상태의 흐름 조건에 대한 모의기술을 포함하고 있으며 상용화되어 이용하고 있는 모형이다(MIKE BY DHI, 2011). 여기서는 계산수법에 대해서는 설명하지 않고 계산결과를 현지에 적용할 경우에 대한 설명을 기술하기로 한다. 낙동강 하구지형은 완만한 하상경사이기 때문에 유입유량과 조위에 따라 염분의 침투길이가 크게 영향을 받고 있는 하천이다. 낙동강은 비교적 하구에서는 폭이 넓지만 상류로 갈수록 폭이 좁아지는 경향이 있고 하천의 요철부분의 깊은 바닥에 염분이 고여 있는 염분은 유입유량에 의해 유출되지 않지만 유출된다 는 조건에서 저수로에 염수침입을 막을 수 있는 하상의 굴곡이 거의 없는 하천으로 가정한다. 하구의 폭이 상대적으로 넓지 않고 비교적 단순한 지형일 때 조위에 따른 유속과 염도의 횡 방향 변화는 상대적으로 중요성이 떨어지며 2차원 모형으로도 충분히 신뢰도 있는 예측을 할 수 있다. 또, 밀도차의 영향은 경계면에 작용하는 전단력에 따라 밀도경계면에서 운동량이나 질량의 교환에 의해 약, 중간, 강혼합으로 구분하였다. Fig. 2는 염수쐐기의 침투 길이를 계산하기 위한 상류단의 유입유량곡선이다. Fig. 3은 하류단의 조석의 변화를 나타내는 경계조건이다. 이 경계조건은 경계지점에서의 관측된 기록으로 이들 외부조건에 따라 경향을 판단할 수 있는 것이 본 계산의 연구 목적에 부합된다. 즉, Fig. 2는 진동지점의 상류유량조건이고, Fig. 3은 하류경계조건인 St.0에서 관측한 조위를 합성시킨 그림이다. 이들 그림으로부터 이곳에서 염수쐐기를 밀어 올릴 수 있는 조위의 최저 및 최대치를 알 수 있다.
Inflow curve of Chindong point
Tidal curve of Gadekdo point
3.3 염수쐐기 산정경우
Table 5는 MIKE21의 모델로(DHI, 2007) 완전개방 경우와 수문을 2개와 4개만을 개방할 경우를 가정한 수치계산의 조 건을 정리한 것이다. 기수역을 만들기 위해 수문 하나를 완전 개방하는 경우를 고려해 볼 수 있고, 2개와 4개를 동시에 개 방할 경우를 생각할 수 있다. 이것이 가장 먼저 접근해야할 방법이다. 조절 수문 하나를 0.5 m간격 높이로 개방할 경우 조절 수문 하나에 10가지 계산 경우가 발생하여 조절수문 4 개에 대해서는 40가지 경우의 계산이 실시되어야 한다. 즉, S.M.S.L..-4.5 m에서 S.M.S.L.. 0.0까지 0.5 m 수심 간격으로 1번 조절수문에 10가지 경우의 계산을 실시해야 한다는 의미 이다. 조절수문 2개를 동시에 0.5 m로 개방할 경우는 60가지 경우에 대한 계산이 실시되어야 한다. 따라서 조절수문만을 고려할 경우만을 생각해도 100가지의 계산이 실시되어야 한다. 본 연구에서는 기수역 복원계획에 가장 필수적인 염수길이의 침투를 제시할 수 있는 9가지 계산조건을 기본으로 계산을 실시하기로 한다. Case1 전 수문을 개방할 경우이다. Case2에서 Case9는 부분개방의 계산경우이다. 현재와 같이 하구둑 수문의 유지관리를 실시하는 경우는 수문을 통한 염분 침투는 발생하지 않는다. Case1은 기수역 복원의 최종 계획으로 전 수문을 개방할 경우이다. 이경우도 낙동강의 경계 조건들이 4대강정비 이전과 이후는 많이 변화되었기 때문에 계산에 신중함을 보여야 한다. 즉, 진동에서 유입유량이 적은 경우에는 인위적으로 염수침투의 거동을 막을 수 있는 유량 공급이 상류에서 공급되어야 한다. 이 조건이 만족되지 않으면 염분농도가 공업용수나 생활용수 등에 큰 영향을 미치고 있기 때문에 기수역 복원계획에 걸림돌로서 가장 기본적으로 풀어야 할 조건이다. 따라서 수치모의의 수심별 단계는 0.5 m 를 기준으로 하여 수문표고 +1.0 m 지점에서는 수문 폐쇄상태, 수문상단 표고 +0.5 m 위치상태는 0.5 m 개방, +0.0 m는 1.0 m 개방, -0.5 m는 1.5 m의 개방조건이 된다. -5.0 m는 수문이 완전개방 상태에 해당되며 총 5단계가 된다.
The calculation of the prerequisites for ensuring Brackish water zone
4. 염분침투 길이 계산결과분석
4.1 하구둑 수문의 전체개방에 대한 분석
MIKE 21은 평면 2차원 모형으로 연직방향으로는 수심적분을 통하여 수심 평균값을 가진 결과를 나타낸다. 유입유량을 50 m3/s, 62.5 m3/s, 75 m3/s로 정한 것은 갈수기의 유입유량을 참조하였다. 모든 경우들에 대한 갈수기에 염수침투길이에 대한 모의결과는 Table 7~Table 9에서 도시한 것과 같이 유입유량이 적을수록 동일지점에서 염분농도는 큰 값을 갖는다. Table 6은 낙동강 하구둑에서 제시한 염분침투길이와 본 연구에서 제시한 값을 비교하였다. 본 계산의 유입유량 62.5 m3/s 값과 NREB의 유입유량 60 m3/s값이 비교하기 위한 동일한 값으로 생각된다(Korea Water Resource Corp.(1987). 이 두 값의 염분농도를 동일지점에서 비교하면 본 계산 값이 1.1배 정도 크게 계산 되었다. 음용수로서 허용 가능한 최대 허용염분농도 값은 1.0 psu로 제사하는 경우도 있다(Aerts et al., 2000). K-Water는 하구둑 상류 취수원의 관리염분 농도의 기준을 0.3 psu로 제한시키고 있다. 두 기준 값 모두에 대해서 결과 값을 분석하였다. 진동지점 유입량 75 m3/s 조건에서 전체개방에 대한 낙동강 하구역에서의 염수 침입 모의결과는 Table 7의 Case1과 같다. 진동지점 유입량이 75 m3/s 조건에서 수문이 없는 수문전체 개방은 하구둑 기점 48.5 km까지 염수가 침입하였다. Table 8의 Case1은 진동지점 유입량이 62.5 m3/s 조건에서 수문이 없는 경우에 하구둑 기점 49 km까지 염수가 침입하였으며, Table 9의 Case2는 진동지점에서 유입량 50 m3/s 조건에서 낙동강 하구역에서의 염수 침입 모의 결과를 나타내고 있다. 진동지점 유입량이 50 m3/s 조건에서 수문이 없는 경우, 하구둑 지점 49.5 km 이상까지 염수가 침입하였다. 여기서 유입유량을 각각 75 m3/s, 62.5 m3/s, 50 m3/s로 차등을 실시하여 계산을 실시하였지만 0.3 psu의 값을 기준으로 염분침투감소길이는 1 km이다. 이는 MIKE21 모델이 1987년에 K-Water 값보다 안정적인 계산 값을 제시하고 있다고 볼 수 있다.
Calculation results of salt intrusion length owing to inflow rate
Calculation results of salt intrusion length owing to inflow rate
Salt intrusion length
Calculation results of salt intrusion length owing to inflow rate
4.2 하구둑 수문 2개 개방에 대한 분석
본 연구는 낙동강 하구둑에서 상류 6 km지점까지의 기수역 복원계획을 위해 수문의 부분개방과 개도량(수문개방높이)으로 조절이 가능한가를 검토하기 위한 것이다. Table 7, Table 8, Table 9는 진동에서 유입유량이 각각 75 m3/s, 62.5 m3/s, 50 m3/s일 경우의 각 중요지점별 염분농도와 기준 값에 대한 염분의 침투길이를 정리한 표이다. 각각에 대해 Case2~Case5는 2개의 조절수문을 사용하는 경우에 완전개방, 1.5 m 개방, 1.0 m 개방, 0.5 m 개방에 대해 기준 값 0.3 psu에 도달하는 최대 염분침투길이를 산정한 값을 정리한 것이다. 유입유량이 75 m3/s일 경우 30.8 km, 27.3 km, 25.2 km, 17.0 km로 계산 되었다. 62.5 m3/s일 경우는 2개의 조절수문을 사용하는 경우 기준 값 0.3 psu에 도달하는 최대 염수침입길이는 각 31.1 km, 27.6 km, 25.4 km, 17.2 km의 결과 값을 나타내었고, 유입유량이 50 m3/s일 경우도 2개의 조절수문을 사용하는 경우 기준 값 0.4 psu에 도달하는 최대염수 침입길이는 31.4 km, 28.0 km, 25.8 km, 18.7 km의 결과 값을 나타내었다.
4.3 하구둑 수문 4개 개방에 대한 분석
양쪽의 조절수문 4개를 개방할 경우의 결과도 Table 7~ Table 9에서 정리한 값과 같다. 즉, 유입유량이 75 m3/s, 62.5 m3/s, 50 m3/s에 대한 염분침투길이를 정리한 것이다. Table 7의 75 m3/s에서 동일 유입량 및 개도조건에서 4개의 조절수문을 완전개방, 1.5 m 개방, 1.0 m 개방, 0.5 m 개방에 대해 기준 값 0.3 psu에 도달하는 염수침투길이는 각각 31.1 km, 29.0 km, 27.0 km, 21.0 km의 값을 나타내었다. 개도량이 커짐에 따라 염분침투길이가 더 증가하고 있음을 알 수 있다. 주요 지점별 염분농도 값은 하구둑 기점 상류 8 km 지점인 부산공업용수 취수장(BIWIP)에서 4.2 psu 이상의 값을 16 km지점인 대동수문(DAWG)에는 1.1 psu 이상의 값을 나타내었다. 23 km 지점인 김해농업용수취수장(GAWIT)에 서는 4개의 조절 수문을 0.5 m 개방할 경우, 염분농도는 0.3 psu를 나타내어 허용치 이내임을 알 수 있다. 26 km지점인 물금(MWIP), 28 km인 원동(WWIP)와 29 km인 매리취수장(MAWIP)에서는 4개 조절수문을 0.5 m까지 개방할 경우 허용치 이내인 0.2 psu 염분농도가 침투하고 있다. 그러나 이 이상의 개도 량에서는 허용치를 초과하는 결과를 나타내었다. Table 8의 62.5 m3/s에서 같은 유입량 및 개도 조건에서 4개의 조절수문을 사용한 경우, 염수 침입길이는 각 31.6 km, 29.5 km, 27.2 km, 21.2 km의 결과 값을 나타내었으며, 개도 량이 커짐에 따라 염분 침투 길이가 더 상승함을 알 수 있다. 각 지점의 염분농도는 부산공업용취수장(BIWIP)인근 하구둑 기점 상류 8 km 지점은 4.3 psu 이상의 값을 나타내었으며 대동수문(DWG)16 km지점은 1.2 psu 이상의 값을 나타내었다. 김해농업용수취수장(GAWIT) 23 km 지점에서는 4개의 조절 수문을 0.5 m 개방할 경우, 염분농도는 0.4 psu를 나타내었고, 26 km지점의 물금(MWIP), 29 km인 매리(MAWIP)취수장지 역에서는 4개 조절수문을 0.5 m까지 개방할 경우 허용치 이내인 0.3 psu의 염분농도가 침투하고 있다. 그 이상의 개도 량에서는 허용치를 초과하는 결과를 나타내었다.
Table 9의 50 m3/s에서 동일 유입량 및 개도 조건에서 4개 의 조절수문을 사용한 경우 염수 침입길이는 각 32.2 km, 30.0 km, 27.6 km, 21.4 km의 결과 값을 나타내었으며 개도량이 커짐에 따라 염분침투길이가 약간 증가함을 알 수 있다. 주요 지점별 염분농도 값의 부산공업용수취수장(BIWIP) 하구둑 기점 상류 8 km 지점에서는 4.4 psu 이상의 값을 나타내었으며 대동수문(DWG) 16 km지점에서는 1.3 psu 이상의 값을 나타내었다. 김해농업용 취수장(GAWIT) 23 km 지점의 경우 4개의 조절 수문을 0.5 m 개방할 경우 염분농도는 0.5 psu 를 나타내었고, 26 km지점의 물금(MWIP), 29 km인 매리취수장(MAWIP)지역에서는4개 조절수문을 0.5 m까지만 허용치 이내인 0.3 psu의 염분농도를 나타내었다. 이상의 개도량 에서는 허용치를 초과하는 결과를 나타내었다. 진동지점에서 유입유량 조건을 50 m3/s, 62.5 m3/s, 75 m3/s로 세분화시켜 수치계산을 실시한 이유는 기수역을 만들기 위한 최소한의 유입유량을 찾아 내기 위한 계산이었다. 따라서 기수역을 만들기 위해서는 적어도 진동에서의 유입유량이 어떤 경우라도 75 m3/s이상은 되어야 한다. 유입유량의 차이에 따라 염수침투길이는 각각의 경우 약 0.3~1.0 km 더 증가함을 알 수 있으며 유입유량이 증가할수록 염분침투 길이는 약간 감소하고 있는 경향이 있다. 모든 계산은 조석의 주기에 따라 St.01기점에서 염분이 상류로 침투되어 올라가는 조건으로 계산을 실시했으므로 이미 유입된 염분이 조석의 영향으로 재차 밀려 올라가는 계산 값은 아니다. 따라서 수문의 일부를 0.5 m로 낮추어 해수가 수문을 월류하여 유입되어 각 취수장에서 염분농도가 허용수치의 범위에 있다 해도 취수장의 염분농도는 이보다 높을 수 있는 경우가 발생할 수 있다는 것이다.
4.4 계산결과의 분석
낙동강 하구둑은 조석에 의한 해수의 유입을 100% 차단하기 위해 만들어진 복합구조물 이다. 수문을 경계로 갈수기는 하류의 염분농도가 30 psu 이상의 높은 염분농도를 나타내고 있는 해수영역인 반면에 수문의 상류부에서는 염분농도가 나타나지 않아야 한다. K-W는 인력으로 막을 수 없는 염분의 침투현상을 하구둑수문의 운영으로 상류 10 km내외의 취수원에서 염분농도 관리기준을 0.3 psu로 제한시키고 있다. 본 계산은 수문일부를 상시 개방하면 75배의 염분농도 차이가 발생하고 있는 현실을 수문을 조절하여 기수역을 유지한다는 것은 현실적으로 매우 어렵다는 것을 증명하고 있다. 하구둑 수문이 없는 조건에서 MWIP 지점에서의 염분농도 계산 값은 진동지점 유입량이 50 m3/s~75 m3/s에 대해 7 psu 내외의 값을 나타내었다. 실측자료인 Table 3에서 1977년 진동지점 유입량이 27 m3/s~67 m3/s의 범위에서 측정된 MWIP 지점의 염분농도는 약 1~4 psu의 범위였음을 감안하면 계산 값이 다소 높은 결과로 안정적인 값을 제시하고 있다. 이 원인은 하 구둑 설치 전후의 하상단면의 차이와 바람에 의한 영향, 조도 계수 등 낙동강 하구의 상세한 하천 특성 값이 달라진 것을 들 수 있다. 특히, 하구둑 상하류구간 10 km은 홍수피해가 극심했던 지역으로 원활한 홍수 배제를 위하여 지속적으로 하상준설이 이루어져왔기 때문에 완만한 하상경사로 하구둑 건설시기 및 이후에 염수 침입은 하구둑 건설 이전보다 더 활발할 것으로 생각된다. 따라서 모델링 결과의 정확도를 향상시키거나 실용적으로 현장에 적용하기 위해서는 충분한 관측 데이터와 현장 조사를 통한 보다 정밀한 검토가 필요하다. Table 10은 Table 7, Table 8, Table 9를 유입유량에 따라 염분 침투 농도와 침투길이를 재정리한 것이다. 본 계산에서 하구둑을 완전히 개방하면 진동에서 유입유량이 Q=75 m3/s이하 인 경우, 만조 때는 거의 42 km 보다 더 멀리 0.2~2.5 psu 이하 값으로 염수쐐기가 침투하고 있음을 알 수 있다. 즉, 낙동강 하구둑에서 상류지역에 설치되어 있는 각종 취수탑이 전부 40 km 보다 가까운 곳에 설치되어 있으므로 하구둑 수문을 현 상태에서 완전 개방하여 운영하거나, 수문이 존재하지 않을 경우를 가정하면 생활용수는 물론 공업용수, 농업용수의 사용에 있어 염분문제로 사회적인 문제를 유발시킬 수 있음 을 재차 지적하고 싶다. 염분침투문제를 현재의 기술로 해결 하기 위해서는 상류에서 극한가뭄과 갈수기에 유입유량이 최소한 75 m3/s 이상을 흘러 보내는 안정적인 담수량을 확보해야 한다. 이 담수량을 확보하는 데는 공간적인 문제, 시간적인 문제, 경제적인 문제를 동시에 풀어야 할 과제이기 때문에 현 시점에서 낙동강 하구둑의 역할을 재조명해서 개방에 대 한 충분한 검토가 있어야 한다. 이러한 검토를 지역현안으로 취급하는 것 보다는 국가적인 정책으로 검토하여 영구적인 대체수원 확보를 위해 힘을 모아야 한다. 충분한 대체상수원 확보는 낙동강 하구둑을 다양한 목적으로 활용하는 전환점이 될 것으로 생각된다. Fig. 4는 유입유량이 75 m3/sec일 때 Fig.1의 St. 01을 기점으로 염분침투거리를 계산한 값이다. 그림에서 종축의 점선이 하구둑 수문이 건설된 곳이다. Table 7~Table 10은 염수쐐기 침투원점을 하구둑의 수문을 기점으로 정리한 것이다. 그러나 Fig. 4는 계산을 실시한 모든 경우에 대해 St.01을 기점으로 도시한 값이다. 여기서 실측 값은 계산 값보다 약간 적은 값을 갖는다. 이는 유입유량이 수치계산 값인 75 m3/sec과 완전히 동일한 값은 실측값에서 존재하지 않지만 유사한 값과 비교해도 계산 값이 실측값보다 약간 높게 나타나고 있다.
The main intake source simulation results salinity(psu)
Comparison with numerical calculations and field observations for salinity
5. 결론
5.1 요약
MIKE21 모형을 이용하여 서로 다른 유입유량 및 개도조건에 대해 수치모의를 수행한 결과, 염분이 하구에서 수문을 통해 침투하고 있다. 특히, 갈수기에 침투길이는 수문개방정도, 상류유입량과 같은 외부 조건에 매우 민감하게 반응한다. Table 10의 모의결과분석에서와 같이 낙동강 하구둑 상류 8 km, 16 km, 23 km, 26 km지점에 공업용 취수장(BIWIP), 대동수문(DWG), 김해농업용 취수장(GAWIT), 물금취수장 (MWIP)이 위치하고 있어 하구둑수문의 일부개방에는 이들 취수장에서 염분침투로 인해 원수취수에 어려움이 발생한다. 낙동강 하굿둑을 일부 개방하여 기수역을 조성하기 위해서는 다음과 같은 제안을 해결해야 한다.
5.2 결론
첫째, MIKE21의 모델을 적용하여 수문전면개방조건의 수치계산결과 값인 염분농도 0.3 psu 값의 침투길이는 만조시에 St.01에서 68 km이며 이는 K-W에서 실시한 EFDC 모델의 염분농도 결과와 거의 같다.
둘째, 유입유량이 75 m3/s 이상을 흘러 보내도 조절수문 2 개를 0.5 m 개방하면 염분농도 0.3 psu의 값을 만족하는 위치 는 23 km인 김해농업용수취수장 보다 상류이다.
셋째, 조절수문 2개를 개방하여 기수역을 확보하기 위한 조 절수문의 개도 높이는 계산상 존재하지 않는다. 2개 수문을 0.5 m 만큼 개방하여도 기준값을 초과하는 2.2 psu로 산정되 었다. -3.5 m의 개도에서 염분침투길이는 하구둑에서 만조시에 35 km까지 침투하고, S.M.S.L..-3.5 m보다 높게 개방하면 염분침투는 하구둑이 없는 상태와 거의 동일한 침투길이 40 km이상으로 예측할 수 있다.
넷째, 수치계산 값과 현지 관측 값과 비교하면 계산값이 약간 높다. 1986년 2월 진동의 유입유량이 95 m3/s일 때 물금취 수장에서 평균 염분농도는 0.59 psu로 조사되었다.
다섯째, 유입유량, 온도, 바람, 조석 강수 등의 영향을 검토 하여 일정하게 기수역을 확보한다는 것은 조절수문의 조작으로 불가능 하다. 또, 항상 동일한 기수역이 되도록 할 수 있는 조절수문의 개폐방법은 조위와 조력, 상류 유입량, 유속 중에서 유입유량을 조절할 수 있는 방안이 가장 현실적이다.
여섯째, 수문개도운영으로 하구둑 상류 6 km까지 기수역을 확보하기 위한 개방조건을 찾기는 매우 어렵고, 대체 수자원 확보라는 관점에서 금번계산값은 매우 유익한 자료이다. 부산 공업용수취수장 이전을 계기로 낙동강 하구둑 개방에 대한 근본적인 유량확보 대책이 요구된다. 또한, 4대강사업이후의 정확한 하천정보를 기본으로 계산을 실시해야 하는 과제는 향후과제로 남아 있다.
Acknowledgment
This work was supported by a 2-Years Research Grant of Pusan National University & This work was supported by the Brain Korea 21 Plus Project in the Division of Creative Low Impact Development and Management for Ocean Port City Infrastructures.”