방조제 건설로 인하여 기존에 하천구간이었던 지역이 호소의 수리특성을 나타내게 되어 수질 문제가 발생할 가능성이 높아지게 된다. 새만금과 유사한 일본 이사하야 만(Isahaya bay)은 방조제 건설 후 수질이 악화되어 수질대책을 추진하였으나, 목표수질을 달성하지 못하였고(Yokoyama and Kyozuka, 2003), 네덜란드는 델타(Delta)사업의 한 부분인 하링블리트 댐(Haringvliet dam) 건설 후 해수 유입이 사라지는 효과를 가져왔으나, 유속의 감소로 수질이 매우 악화되었다(Stuyfzand et al., 2004). 호주 투콤빌 수로에서는 홍수범람을 방지하기 위하여 수문을 설치하였으나, 현재는 관리 시설물이 노후화되었을 뿐만 아니라 수질 또한 급격하게 악화되었다. 결국 흐르는 하천을 인위적으로 막아 형성된 호수는 유입되는 유기물이 많아지는 것이 일반적인 특징이며, 유속이 작아져서 호내에 오염물질이 그대로 축적되게 된다. 이러한 현상은 국내에서도 발생하였는데, 방조제 체절 이후 농업용수 공급을 계획하였던 시화호의 표층은 저염분층, 저층은 고염분층으로 성층화 되어 수질오염 문제가 심각하게 되었다(Part et al., 1997). 결국 해수를 유통시키는 것으로 기본 계획이 변경되었다(Korean Rural Community Corporation, 2006). 새만금 호 또한 이러한 일반적인 현상과 거리가 멀지 않으며, 지속적으로 수질오염 문제가 제기되어 왔다. 또한 많은 예산이 투입되어 구조적인 대책이 수립되었지만, 명확하게 수질 개선 효과를 가져오지는 못하고 있는 실정이다. 새만금 수질관련 연구는 대부분 수치해석 모델을 이용하여 수행되어 왔으며, 관리기관인 한국농어촌공사를 중심으로 지점을 정하여 현장에서 실측을 수행하였다. Seo and Lee (2006)은 EFDC 모델을 이용하여 새만금 수질변화를 예측하였고, 한국농어촌공사는 1991∼2006년까지 16년간 환경영향 조사를 실시하였다. 또한 한국농어촌공사(Korean Rural Community Corporation, 2006)는 QUALKO, WASO5를 이용하여 유역 및 호소의 수질을 예측하였다. Jeong and Yang (2015)은 2002년부터 2010년까지 40회의 현장조사 자료를 바탕으로 경향성 분석과 장래의 수질을 예측하였다. 염도, Chl-a, SPM, DIN에 대해 조사하였으며, 끝막이 이후 유기물이 축척되고 있으며, NH4-N은 증가하고 있다는 경향을 도출하였다. 또한 수심 1.0 m 이하에서 저산소 상태가 발견되어, 대책마련이 시급함을 확인하였다. Kim et al. (2016)은 만경/동진강의 환경유지용수 확보를 위해 강변저류지 설치, 저수지증고, 신규댐 건설, 용수 취배수 체계 조정, 용담댐과 섬진강댐 물 이용체계 조정을 적용하여, 새만금 호내 수질을 검토하였다. 그러나 새만금 수질관련한 대부분의 선행연구는 현재의 상태를 가정하고, 이를 기반으로 수질을 예측한 것이다. 또한 새만금 호내는 현재 준설이 지속적으로 수행되고 있는 점을 감안하면, 향후 변화할 수리특성을 적절하게 반영했다고 보기 어려운 측면이 있다. 이에 본 연구에서는 좀 더 근본적인 대책 마련을 위해 환경적인 측면에서 관리수위를 재산정하고자 연구를 수행하였다. 기존의 관리수위는 이수성, 시공용이성에 초점이 맞추어져 있었을 뿐, 환경적인 측면이 고려되어 있지 않다. 현재 새만금 호내 수질은 해수유통으로 목표 수질을 간신히 유지하고 있으나, 새만금종합개발계획(2011)이 종료되는 2030년에는 완전 담수호를 목표로 하고 있기 때문에, 보다 근본적인 대책이 필요하다고 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 관리수위에 따른 시나리오를 작성하고, Delft3D-WAQ 모델을 이용하여 수질 모의를 수행하였다.

본 연구의 목표는 새만금종합개발계획(Korean Government, 2011)으로 인하여 새만금 유역의 전반적인 수리특성이 변화하고, 이로 인한 다양한 제반 여건 변화를 예측하는 것으로써 수질 또한 이에 포함된다. 따라서 연구 대상 범위는 준설구간이 시작되는 만경대교와 동진대교를 시작으로, 신시배수갑문과 가력배수갑문에 이르는 새만금 방조제까지로 결정하였다(Fig. 6 참조). 시간적 범위는 내부개발계획이 완료되는 시점인 2030년을 기준으로하여, 1년간 모의를 수행하였다. 2030년에는 새만금호의 담수화가 목표이기 때문에, 해수유통은 없을 것이며, 호내에서 외해로 빠져나가는 유출만이 고려되어야 할 것이다. 이러한 조건을 고려하기 위해 다음의 가정을 통해 배수갑문 운영을 재현하였다.

(1) 배수갑문의 운영시간은 평균 4시간으로 일정하다.

(2) 배수갑문은 월 16회 개방한다.

(3) 배수갑문을 통해 호내에서 외해로 빠져나가는 유량은 유입유량과 동일하다.

첫 번째, 배수갑문의 운영시간은 평균 4시간으로 일정하다. 배수갑문 운영자료를 살펴보면, 수위조절 목적으로 수문을 개방한 시간은 평균적으로 약 4시간인 것으로 나타났다. 이에 배수갑문 운영시간을 일률적으로 4시간을 적용하였다(14:00 ~ 18:00). 두 번째, 배수갑문은 월 16회 개방한다. 목표 시점인 2030년에는 현재 수질 개선을 목적으로 시행 중인 해수유통을 하지 않을 것으로 예상된다. 이에 현제 수위조절을 위해 배수갑문의 개방횟수를 분석한 결과 월평균 15.8회로 나타났으며, 이에 해수유통이 없을 경우 약 16회/월의 배수갑문 개방이 수행될 것이라 예상하였다. 세 번째, 배수갑문을 통해 호내에서 외해로 빠져나가는 유량은 유입유량과 동일하다. 2030년은 해수유입이 없기 때문에, 배수갑문의 조작은 전적으로 호내의 관리수위 유지 목적이 유일할 가능성이 높다. 이러한 상황을 고려할 때, 배수갑문의 조작은 호내에서 외해로의 유출이 유일한 목적이며, 관리수위를 기준으로 그 이상 유입되는 유량에 대해서는 전량 유출을 할 것이다. 이러한 가정들을 전제로 배수갑문에 대한 경계조건을 Fig. 7과 같이 결정하였다.

유입유량 조건은 2031년의 유량 예측이 쉽지 않기 때문에, WAMIS에서 취득한 자료 중에서 최근의 10개년 평균을 이용하였다. 또한 만경, 동진강으로 유입되는 중소 하천의 유입량에 대해서는 상대적으로 규모가 크다고 판단되는 지방하천 이상만을 고려하였다. 이 중 유량자료의 취득이 쉽지 않은 하천에 대해서는 유역면적 비를 이용하여 산출하였다. Table 2는 이러한 조건들을 이용하여 결정된 수치해석 시나리오를 정리한 것이다.

사후영향조사보고서(Korean Rural Community Corporation, 2012~2015, 2016)를 통해 총 5개년의 실측 data를 살펴 본 결과, 뚜렷한 증가세 또는 감소세 등의 경향이 보이지 않았으며, 새만금개발청에서 제시하고 있는 새만금친환경개발계획도에서는 만경강 유역은 만경대교, 동진강 유역은 동진대교 지점까지 침전지, 인처리시설 및 하수종말 처리장 등의 설치계획을 세웠을 뿐, 상류 지역까지 친환경 관련 계획을 수립하지 않았다. 이에 2030년에도 현재와 유사한 정도의 오염물이 만경대교 및 동진대교로 유입된다고 판단하여, 최근의 자료를 이용하여 입력자료를 구성하였다.

현장에서 측정된 자료가 월 1회만 측정했으며, 정확한 시기를 알 수 없기 때문에, 각 월 첫째날에 측정한 것으로 가정하였고, 월과 월 사이의 유입 조건은 선형보간 된다고 가정하였다. 실측자료는 Fig. 4에서 보는 바와 같이 만경유역 3지점, 동진유역 3지점에서 측정되었고, 유입조건으로는 M1, D1에서 측정된 자료를 이용하였다. 오염지표 항목은 실측 보고서와 Delft3D-WAQ에서 지원하는 항목을 비교하여, 최종적으로 COD, T-N로 결정하였다. Fig. 8은 만경강과 동진강 유입부에서 수질모의에 이용된 오염물 등의 유입조건을 도시화한 것이다.

모의기간은 2031년 1월 1일 ~ 2031년 12월 31일까지이며, 모의시간간격(time step)은 20분으로 결정하였다. 수치해의 수렴을 위한 반복계산법은 16-Iterative solver를 이용하였고, 초기조건은 1월의 M4와 D4를 평균한 값을 부여하였다. 수온 및 기온은 실측된 현장 자료(Korean Rural Community Corporation, 2016)를 활용하였다. Fig. 9는 예시로 Snr.03에 대한 수질모의 결과를 보여준다.

각 항목에 대한 분포도는 모두 다른 양상을 나타냈으며, 해수 유입이 없기 때문에, 유입조건이 호내의 수질 특성을 결정 짓는 중요한 역할을 한 것으로 판단된다. 또한 T-N분포를 분석한 결과 만경강 유역과 동진강 유역의 농도차이가 발생한 것을 확인하였다. 현재의 지형과는 다르게, 내부개발계획이 완료되는 2030년의 새만금 지형은 만경강 유역과 동진강 유역에 몇 개의 연락수로를 통해서만 유량 및 물질의 교환이 발생할 수 있다. COD 및 T-N 분포도 또한 이러한 현상을 보여주는데, 오염물질의 확산 측면에서 이 부분은 심도있는 추가 연구가 필요하다고 판단된다.

본 연구는 새만금 호내에 대한 연구로, 대표지점을 선택하여, 오염물질과 관리수위의 관계를 분석하였다. 대표지점은 호내의 현장계측 장소인 M4와 D4로 결정하였다(Fig. 4 참조). COD와 T-N의 경우는 수위 변화에 따른 변화 양상이 뚜렷하였는데, 관리수위 EL.(-)1.4 m까지는 감소하는 경향을 보였으며, 이 후는 증가하는 현상이 나타났다. Table 3은 관리 수위 변화에 따른 각 항목별 변화율을 정리한 것이다. 기준이 되는 관리수위는 EL.(-)1.5 m로 하였다.

만경강 유역과 동진강 유역은 Fig. 10에서 보듯이 수질면에서 각각 다른 경향을 보이며(만경강이 상대적으로 오염물 농도가 높았으며, 동진강 유역으로 확산현상이 잘 발생하지 않음), 앞서 제시하였듯이 연락수로를 통한 오염물의 유통이 활발하지 않은 것으로 확인된다. 이에 3개의 연락수로에 대해 1년동안의 유속분포 분석하였으며, 이를 Fig. 11에 도시하였다.

Fig. 11에서 보듯이 연락수로를 통과하는 유속은 시기별로 큰 차이를 보이고 있다. 그러나 최대 유속은 A, B, C지점에서 각각 약 0.015 m/s, 0.040 m/s 및 0.065 m/s로 나타났는데, 제시된 유속의 크기는 연락수로의 길이가 약 3~4 km임을 감안할 때, 오염물들의 확산이 원활하게 발생하기에는 충분하지 않은 크기로 판단된다. 이는 오염물이 호내로 유입되었을 경우 확산 범위를 줄일 수 있는 장점은 있으나, 빠른 확산을 통해 기준 이하로 오염물의 농도를 저하시키는 능력은 떨어질 가능성이 크다. 다만 본 연구에서 가정하고 있는 배수갑문의 운영이 신시배수갑문과 가력배수갑문의 동시 개폐이며, 만경강과 동진강 유역으로 유입되는 유량이 각각 신시배수갑문과 가력배수갑문으로 빠져나간다는 가정하에 수행되었기 때문에, 배수갑문의 운영이 본 연구의 가정과 다를 경우 연락수로를 통한 유수의 흐름이 변화할 가능성이 있다고 판단된다.

앞서 도출된 결과를 이용하여, 관리수위 변화에 따른 오염항목들의 농도변화를 분석하였다. Fig. 12는 Table 3을 도시한 것으로 관리수위와 COD, T-N의 관계를 보여준다. COD와 T-N의 변화는 관리수위가 EL.(-)1.4 m까지 감소하는 경향을 보였으며, EL(-)1.4 m ~ EL.(-)1.3 m 구간에서는 동일하거나 증가하는 현상이 나타났다. 이는 만경강과 동진강에서 공통적으로 보이는 현상이었다.

그러나 변화율은 크게 나타나지 않았는데, 이는 준설로 인하여, 수심이 5~6 m 정도 깊어졌으며 이로 인한 통수단면적 증가로 인한 것이라 판단된다. 호내 대부분의 구간이 수심이 약 15 m 이상으로 관리수위가 0.1 m씩 변화한다 하여도, 체적의 변화율은 크지 않기 때문에, 오염지표의 농도에 대한 전체적인 변화율이 크지 않게 나타난 것으로 판단된다.

관리수위 변화에 따른 호내 수질변화를 모의하기 위해서 배수갑문 운영에 대한 4가지 가정을 정립하고, 이를 바탕으로 수치해석을 수행하였다. 실측된 자료를 이용하여 경계조건을 구성하였으며, COD, T-N이 관리수위가 변함에 따라 어떻게 변화하는지 살펴보았다. 전체적으로 관리수위 변화에 따른 변화율이 크지 않게 도출되었는데, 이는 준설로 인한 통수단면적 증가 때문인 것으로 판단된다. COD와 T-N의 농도변화는 EL.(-)1.4 m까지 감소하는 경향을 보였으며, EL(-)1.4 m ~ EL.(-)1.3 m 구간에서는 동일하거나 증가하는 현상이 나타났다. 이는 EL(-)1.4 m ~ EL.(-)1.3 m 구간에서 오염물을 최소로 하는 어떠한 최적지점이 존재한다는 것을 의미한다. 오염물의 농도는 물의 체적이 증가할수록 일반적으로 감소되며, 유속이 빠를수록 확산 및 배출이 원활하여 감소될 수 있다. 이러한 두가지 요인을 새만금 유역에 적용하여 보며, 관리수위의 증가로 인하여 체적이 커지기 때문에 EL.(-)1.4 m까지는 물질들의 희석으로 오염물들이 감소하였으며, 그 이후 관리수위의 증가는 물의 양 증가로 배수갑문으로부터 받는 영향력이 감소됨을 의미한다고 판단된다. 그러나 본 연구에서는 외부에서 유입되는 오염물만 재현되었을 뿐, 내부 퇴적층에서 용출되는 오염물질(SOD) 등은 고려대상이 아니었다. 향후 정확한 새만금 내의 수질 예측을 위해 다양한 오염원에 대한 연구가 추가된다면, 목표로 하고 있는 녹색⋅수변도시계획에 일조할 수 있을 것이다. 또한 배수갑문 운영이 본 연구에서 제시하고 있는 가정과 같이 수행된다면 연락수로를 통한 오염물 확산 등 수질 관리측면에서 다소 불리할 수 있을 것으로 판단되며, 이에 새만금 종합개발계획이 완료되는 시점에서는 해수 유통이 없는 점을 고려하여, 해수 유통의 수질개선효과를 대신할 다양한 방안을 모색하는 것이 시급하고 판단된다.