신창민
(Chang Min Shin)
1a†iD
김다래
(Darae Kim)
1biD
송용식
(Yongsik Song)
2iD
-
국립환경과학원
(Water Quality Assessment Research Division, National Institute of Environment Research)
-
㈜지오시스템리서치
(GeoSystem Research Corporation)
© Korean Society on Water Quality. All rights reserved.
Key words
EFDC, EFDC-NIER, Estuary, Yeongsan River, Weir
1. Introduction
한반도 남서쪽에 위치한 영산강은 상류에는 담양댐, 광주 댐, 장성댐, 나주댐 등 4개의 다목적댐이 위치해있으며, 전체 본류 구간은 150 km이며,
이중 중·하류 80 km 구간은 승 촌보, 죽산보 2개의 보와 하굿둑으로 인해 정체 수역이 유지 되고 있다. 영산강 하굿둑은 영산강 유역 5단계 종합개발
계 획 Ⅱ단계 사업(1976 ~ 1981년)의 일환으로 1978년 착공하 여 1981년 12월 완공되었으며, 농업, 공업, 생활용수의 원활 한 공급
및 저지대 침수 방지 등을 목적으로 관리되고 있다. 2013년에는 4대강 살리기 사업의 일환으로 영산강에 승촌보 와 죽산보가 건설되어 보 구간은 관리수위
기준 평균 5 ~ 6 m의 수심을 유지하고 있으며, 이로 인해 흐림이 지체되면서 체류시간이 증가되는 등 영산강 수계에 많은 물리적·생태 학적 환경
변화를 야기하게 되었다(Jung and Kim, 2017).
하구는 하천과 바다의 교차지점으로 담수와 해수가 혼합하 는 전이수역으로 반폐쇄성 기수역(Brackish water zone)을 형 성한다(Prichard, 1967). 또한 육지로부터 유입되는 유기물질 은 하구에 서식하는 생물들의 먹이로 이용되며, 하구는 많은 동·식물들이 산란 및 서식하는 장소로 이용되고 있다.
일반 적으로 하굿둑이나 보와 같은 인공구조물들은 수체의 흐름 을 정체시켜 수질악화의 원인이 될 수 있으며 또한 수체에 서식하는 생물상의 변화를 초래하는
것으로 알려져 있다(Li et al., 2013). 정체된 수역에서는 수온에 의한 성층이 형성되 면서 저층의 용존산소가 감소하고 부영양화 된 담수가 하굿 둑을 통해 연안으로 유입되면서 연안의 수질에도
영향을 줄 수 있다(Sin and Jeong, 2015). 특히, 영산강은 4대강 중 수질 오염도가 가장 높은 것으로 알려져 있으며 영산강 하류에서 는 고농도 인과 질소로 인하여 부영양화, 저층 산소고갈,
연 중 고농도 식물플랑크톤 발생 등으로 상시적인 환경문제가 보고되고 있다(Son et al., 2013). 또한, 영산강 하구는 우기 시에 영산강 방조제의 수문이 개방됨으로써 많은 양의 담수 가 일시적으로 해역으로 유입되고, 이에 따라 영산강 하구내
에 많은 변화를 야기시키며, 더불어 목포 주변해역 수질의 주요 오염부하원인으로 보고되고 있다(Kim and Ryu, 2003).
하구에 관한 기존 선행 연구로는 섬진강 하구역에서 염분 경사에 따른 동·식물플랑크톤의 종조성 및 현존량의 변화 양상 연구(Kwon et al., 2001), 섬진강 하구역의 담수 유입에 따른 염수의 침입 특성 분석(Kang et al., 2015), 낙동강 하굿 둑 수문 개방에 의한 염수의 침입 특성(Han et al., 2011), 영 산강 하구역에서 유속와 염분 변화에 대한 연속관측을 통한 하굿둑 담수 방류에 의한 물질 순환 기작 분석(Kim et al., 2013), 영산강 방조제의 의한 담수 유입이 영산강 하구 주변 해역의 부유생태와 수질에 미치는 영향분석(Yoon et al., 2013) 등이 이루어진 상태이다.
이처럼 영산강은 본류의 다기능 보와 하구의 하굿둑으로 인해 물흐름이 인위적으로 조절되고 있으며, 대규모 하수처 리장와 유역내 고밀도 축산과 농업 영향으로
한강, 낙동강, 금강 등에 비해 수질이 나쁜 상황이다. 이에 영산강 수질 및 수생태계 개선을 위한 계획 수립과 평가를 위해서는 영산강 의 물흐름과
다양한 수리구조물의 운영 특성을 모의할 수 있 는 모델이 절실히 필요한 상황이다.
본 연구의 주요 내용 및 목적은 EFDC-NIER 모델을 이용 하여 영산강 본류 구간과 하굿둑에서의 물 흐름과 수온 및 염분 성층 변화를 모의 할
수 있는 모델을 구축하고, 구축된 모델을 이용하여 하굿둑 개방이 영산강 하류 물 흐름 변화와 염분 침투에 미치는 영향을 평가하는 것이다. EFDC-NIER
모델은 국립환경과학원에서 EFDC 모델을 기반으로 다기능 보 운영, 다중 조류 종 기작, 조류의 수직 이동 기작 등을 모 의할 수 있도록 개선한 모델이다(NIER, 2011; 2014). EFDC 모델은 하천, 호수, 하구 등에서의 수리 및 수질 거동 해석을 위해 전 세계적으로 널리 사용되고 있으며, 국내에서는 영산 강 하구에서의
퇴적물 이동양상 분석(Bang et al., 2013), 아 산만 연안의 해수유동 및 수온 분석(Lee et al., 2015), 한강 취수원에 대한 지류와 오염사고의 영향 분석(Kim et al., 2018), 대청댐 유량조절과 갑천 및 미호천의 오염부하량 삭 감에 따른 세종보 구간의 수질개선효과 평가(Yun et al., 2018), 낙동강의 수온 및 DO 성층화 재현 및 분석(Choi et al., 2017)등에 대한 연구가 수행되었다.
2. Materials and Methods
2.1. 연구 대상 지역
영산강은 전라남도 담양군 용면 용추봉(EL. 560 m)에서 발원하여 담양, 광주, 나주, 영암 등지를 지나 하굿둑을 통해 황해로 흘러든다. 영산강
중하류 구간에 승촌보와 죽산보가 위치하고 있으며, 승촌보 상류에서 풍영정천, 광주천, 황룡 강, 평동천이 차례로 합류하며, 죽산보 구간에서는 지석천,
장성천, 영산천, 만봉천, 문평천, 고막원천, 함평천, 삼포천, 영암천이 합류한다. 본류의 총 길이는 약 150 km, 유역 면적 은 약 3,551
km2이다.
Fig. 1에 영산강 유역의 지리적 위치와 주요 유입지천, 기 상관측소, 그리고 영산강 본류에 위치한 수질 및 수위 측정 망 위치를 나타내었다.
Fig. 1. A site map showing the location of monitoring stations and major tributaries of the Yeongsan River.
승촌보, 죽산보, 하굿둑의 주요 제원은 Table. 1과 같다. 승 촌보의 관리수위 EL. 7.5 m이고 월류언 정보표고는 2.5 m이 며, 하류의 죽산보 관리수위는 3.5 m, 월류언 정보표고는 –
1.35 m이다.
Table 1. Specification of weir and estuary dam
|
Specification
|
Seungchon weir
|
Juksan weir
|
Estuary dam
|
|
Management level (EL. m)
|
7.5
|
3.5
|
-1.35
|
|
Volume(106 m3) at management level
|
9.0
|
25.7
|
253.6
|
|
Total length (m)
|
512
|
184
|
4,350
|
|
Gate (m) (length×height×gate)
|
50 × 5.05 × 2 gates
|
36.5 × 7.13 × 4 gates
|
30 × 13.6 × 8 gates
|
|
30 × 5.05 × 2 gates
|
48 × 13.6 × 5 gates
|
하굿둑은 목포시 연안에서 상류쪽으로 약 6 km 지점에 길이 4.35 km, 배수갑문 480 m의 길이로 설치되었으며, 2012 ~ 2014년에 홍수시
영산호 내수위 저감 및 침수 지속시간 단축을 위한 배수갑문 확장공사를 하였으며, 총 5개 배수갑문 확장 공 사를 통해 길이가 기존 240 m에서 480
m로 확장되었다.
2.2. EFDC-NIER 모델 구축EFDC-NIER 모델 구축
EFDC 모델은 1990년대 초반 미국 버지니아해양연구소 (Virginia Institute of Marine Science)에서 개발되었으며, 하
천, 호소, 연안, 하구, 하천에 적용 가능한 3차원 수리, 수질, 퇴적물 이동 수치 모델이다. EFDC 모델은 Hydrodynamics, Water
Quality, Sediment Transport, Toxic 총 4개의 모듈로 구성되며, 유체의 이송 및 확산, 부유물질 거동, 염분 및 수 온
변화, 수질 및 부영양화 기작, 독성오염물 거동 등의 모의 가 가능하다(Shin et al., 2017).
EFDC-NIER 모델은 국립환경과학원에서 EFDC 모델을 기 반으로 다기능 보 운영, 다중 조류 종 기작, 조류의 수직 이 동 기작 등을 모의할
수 있도록 개선한 모델이며, 다기능 보 모듈은 보의 주요 수리구조물인 고정보, 가동보, 어도, 소수 력발전을 통한 물 흐름을 모의 할 수 있도록 개발되었다.
Fig. 2에서 보듯이 고정보와 가동보는 상·하류 수위차에 따 라 웨어 및 오리피스로 구분하여 유출유량을 계산하며, 어도 는 어도수위 이상일 때 어도를 통한
하류로의 유출이 일어나 며, 소수력발전은 상·하류 수위차에 의해 유출유량을 계산 한다(Shin et al., 2017). 다기능 보 모의를 위한 보 운영 자료 는 수자원공사의 보 개도 높이와 수위 모니터링 자료 (K-water, 2019)를 적용하였으며, 하굿둑은 하굿둑 운영 현황 과 수위 자료(YRFCO, 2019)를 적용하여 모의하였다. 하굿 둑 개도 조건은 ‘영산강 하굿둑 배수갑문 운영지침(KRCC, 1999)’에 따라 담수호 수위가 외조위보다 0.2 m 높을 경우만 개문하는 것으로 모의하였다.
Fig. 2. Schematics and flow equations of fixed weir and movable weir,C1~C6is coefficient of discharge, B is width of weir.
본 연구의 공간적 범위는 영산강 상류 수질측정망 우치 지점 부터 영산강 하구 달리도 인근까지이다. 실폭하천도, 제방경 계, 하천단면자료, 영상촬영사진,
다기능 보 등을 고려하여 수 평 격자망을 구성하였으며, 총 수평 격자수는 1,731개(영산강 본류 1,225개, 하굿둑 외측 507개), 수심방향으로는
5개 층으 로 구성하였다(Fig. 3). 폭방향 격자크기는 62 ~ 510 m(평균 214 m), 흐름 방향 격자크기는 81 ~ 560 m(평균 271 m)이다. 하상고는 영산강 본류는
최상류 EL. 28.6 m부터 영산강 하구 의 EL. –21.3 m까지이며, 하굿둑 외해는 EL. –30.1 m ~ – 0.2 m 범위(평균 EL.
–14.1 m)이다.
Fig. 3. Physical domain grid of Yeongsan River, Grid spacing ranges between approximately 62 and 510 m.
2018년에 대해 EFDC-NIER 모델의 기상, 유입 지류, 오염 원, 외해 조석 개방 경계조건을 구축하였다. 기상 경계조건으 로 기상청(KMA, 2019)에서 광주관측소의 자료를 사용하였 으며, 유입 지류 유량 경계조건은 환경부 측정망(ME, 2019) 자료, 하·폐수처리장의 유량은 전국오염원조사 자료를 활용 하였다. 외해 조석 개방 경계조건으로 조위는 목포검조소 자 료, 수온과 염분은 국가해양환경측정망(KOEM, 2019)의 목 포 3, 4, 8 정점 관측 자료를 평균하여 사용하였다.
2.3. 하굿둑 개방 조건에 따른 물 흐름 변화 모의
영산강 본류와 하굿둑 내·외측 구간에 대해 보정된 모델 을 이용하여 하굿둑 개방 조건에 따른 물흐름 변화를 평가하 였다. 시나리오 구성은 ➀해수 유통하지
않는 현재 조건(EL. –1.35 m), ➁하굿둑 갑문 2개 개방(EL. –1.35 m), ➂하굿 둑 전체 배수갑문 개방한 조건(기설 8개 갑문,
신설 5개 갑 문 전체 완전 개방)으로 설정하였다.
2.4. 모델의 예측 정확도 평가
2018년에 대해 EFDC-NIER 모델의 수위, 수온, 유속, 염분 모의 결과의 재현성을 평가하였다. 수온 보정은 국가물환경 측정망의 승촌보와 죽산보
보 대표지점(보 상류 500 m) 자 료를 활용하였으며, 수위 보정은 한국수자원공사의 보 운영 자료와 영산강홍수통제소의 수문자료를 활용하였다. 유속
보 정은 한강홍수통제소의 자동유량관측소의 본동(승촌보 상류 1.1 km)과 나주측정소(죽산보 상류 15 km) 자료를, 염분 보 정은 국가해양환경측정망
자료를 활용하였다.
모델 보정 정확도 평가를 위한 통계지표로 Nash-Sutcliffe efficiency(이하, NSE), 편이(Bias), 평균절대오차(MAE)를
사 용하였다. NSE는 관측값의 변동폭 대비 예측값의 평균오차 로 예측의 숙련도를 평가하는 지표이고, Bias는 예측 오차의 평균적 방향성을 나타내며,
MAE는 관측값과 예측값의 평균 오차로써 예측의 정확도를 나타내는 지표이다(Table 2).
Table 2. Statistical indices used to evaluate the model accuracy
|
Statistical index
|
Equation
|
Desired value
|
|
NSE
|
1
-
∑
i
=
1
N
O
i
-
P
i
2
∑
i
=
1
N
O
i
-
O
¯
i
2
|
1
|
|
Bias
|
1
N
∑
i
=
1
N
P
i
-
O
i
|
0
|
|
MAE
|
1
N
∑
i
=
1
N
P
i
-
O
i
|
0
|
3. Results and Discussion
3.1. EFDC-NIER 모델 재현성 검토 결과
EFDC-NIER 모델의 재현성을 검토하였으며 결과는 Table 3과 Fig. 4, 5에 나타내었다. 염분 농도는 하굿둑 내측은 담수 조건이므로 하굿둑 외측의 국가해양환경측정망 목포 6지점 (하굿둑 하류 5 km)에서만 실시하였다.
Fig. 4에서 보듯이 모 든 보정 지점에서 수위, 수온, 유속, 염분 모델 예측결과가 관 측값을 잘 재현하고 있다. 수위 모의 결과의 편이는 –0.0 ~ 0.2
m, 평균절대오차는 0.1 ~ 0.3 m, NSE는 0.65 ~ 0.96 범 위로 양호한 재현성을 나타내었다. 수온 모의 결과의 편이는 –1.7 ~
0.0 °C, 평균절대오차는 0.8 ~ 1.7 °C, NSE는 0.94 ~ 0.99 범위로 양호한 재현성을 나타내었다. 유속 모의 결과 의 편이는
–3.7 ~ -1.5 cm/sec로 음의 편이를 나타내었는데, 이는 유량 경계조건을 주간 단위 총량측정유량을 적용하여 홍수시의 첨두 유량이 반영되지
않았기 때문으로 판단되며, 평균절대오차는 4.5 ~ 7.1 cm/sec, NSE는 0.42 ~ 0.52 범위 로 양호한 재현성을 나타내었다. 염분
모의 결과 하굿둑 외측 목포 6지점의 편이는 –0.1 psu, 평균절대오차는 1.5 psu, NSE는 0.57로 양호한 재현성을 나타내었다.
Table 3. Statistical summary of the simulated and observed for the year of 2018
|
Stations
|
Average observed value
|
Bias
|
MAE
|
NSE
|
|
|
Water level (EL, m)
|
Seungchon weir
|
4.0
|
0.2
|
0.3
|
0.96
|
|
Juksan weir
|
1.1
|
-0.0
|
0.1
|
0.94
|
|
Estuary dam(inside)
|
-1.3
|
-0.0
|
0.1
|
0.65
|
|
|
Water Temperature (°C)
|
Seungchon weir
|
17.6
|
-1.7
|
1.7
|
0.94
|
|
Juksan weir
|
16.7
|
0.0
|
0.8
|
0.99
|
|
|
Velocity (cm/sec)
|
Seungchon weir
|
17.2
|
-3.7
|
7.1
|
0.52
|
|
Juksan weir
|
10.8
|
-1.5
|
4.5
|
0.42
|
|
|
Salinity (psu)
|
Mokpo 6
|
29.0
|
-0.1
|
1.5
|
0.57
|
Fig. 4. Comparison of simulated and observed level, velocity, temperature, and salinity at representative stations for model calibration(2018), (a) Seungchon weir, (b) Juksan weir, (c) Estuary dam, (d) Mokpo 6
Fig. 5. Vertical profile of water temperature at Juksan weir for model calibration(2018).
Fig. 5에 죽산보에서의 수심별 수온 보정 결과를 나타내었다. 죽산보 수위는 EL. 1.5 m로 죽산보 월류언(EL. –1.35 m) 기준 수심은 약 2.85
m 유지하였으며, ‘18년 4 ~ 10월 시기별, 수심 별 수온 변화를 적절히 재현하고 있다.
Table 4에 EFDC-NIER 모델의 수리 모의에 사용된 주요 매개변수와 적용 값을 나타내었다.
Table 4. Principal hydrodynamic calibration parameters and calibrated values in this study
|
EFDC parameter
|
Unit
|
Definition
|
This study
|
|
|
AHO
|
m2/sec
|
Constant horizontal momentum and mass diffusivity
|
1
|
|
AHD
|
-
|
Horizontal momentum diffusivity
|
0.1
|
|
AVO
|
m2/sec
|
Background eddy(kinematic) viscosity
|
1E-06
|
|
ABO
|
m2/sec
|
Background molecular diffusivity
|
1E-08
|
3.2. 하굿둑 개방 조건에 따른 물 흐름 변화 모의
영산강 하굿둑 운영조건에 따른 물 흐름 변화에 대한 시나 리오 모의 결과를 Table 5와 Fig. 6 ~ 7에 나타내었다. 상류 의 죽산보는 관리수위(EL. 3.5 m) 유지 조건이다.
Table 5. Scenario simulation results of water level, velocity, flow, and salinity at Juksan weir and Estuary
|
Estuary dam Scenario
|
Juksan weir (Upstream 500 m)
|
Estuary dam (Upstream 18 km)
|
|
|
Water level (EL, m)
|
Manage. level
|
3.7
|
-1.2
|
|
Partial open
|
-1.4
|
|
Full open
|
0.2
|
|
|
Velocity (cm/sec)
|
Manage. level
|
2.6
|
2.7
|
|
Partial open
|
9.0
|
|
Full open
|
50.8
|
|
|
Flow (m3/sec)
|
Manage. level
|
50
|
53
|
|
Partial open
|
279
|
|
Full open
|
5,322
|
|
|
Salinity (psu)
|
Manage. level
|
0.0
|
0.0
|
|
Partial open
|
11.4
|
|
Full open
|
14.6
|
Fig. 6. Simulation results of water level, velocity, flow, and salinity at Juksan weir and estuary with Juksan weir, (a) Juksan weir, (b) Estuary dam
Fig. 7. Spatial simulation results of salinity according to scenarios of estuary dam (2018.3.3.)
하굿둑 수위는 부분 개방시는 –1.4 m로 미 개방시(현재의 담수 조건)와 유사하였으나, 완전 개방시는 조위 영향으로 0.2 m로 상승하는 것으로
예측되었다. 유속은 하굿둑 미 개 방시 2.7 cm/sec에서 부분 및 완전 개방시는 해수 유입의 영 향으로 각각 9.0 cm/sec와 50.8 cm/sec로
증가하는 것으로 예측되었다. 유량도 미개방시 53 m3/sec에서 부분개방시 279 m3/sec, 완전개방시 5,322 m3/sec로 증가하는 것으로 예측되 었다. 염분농도는 부분 개방시는 11.4 psu, 완전 개방시는 14.6 psu로 예측되었다. Fig. 7에 하굿둑 개방 시나리오에 따 른 염분 침투 범위를 나타내었다. 현재의 담수 조건시는 하 굿둑 내측으로 염분 침투가 전혀 발생하지 않았으며, 부분
및 완전개방시는 하굿둑 중·하류 구간까지 염분 침투가 일 어남을 볼 수 있다.
4. Conclusion
영산강은 승촌보와 죽산보 2개의 다기능 보와 하굿둑 영향 으로 전체 하천 구간의 약 절반 이상이 정체수역으로 유지되 고 있다. 본 연구에서는 EFDC-NIER
모델을 이용하여 영산 강 본류와 하구 구간에 대해 수리모델을 구축·보정 하였으 며, 보정된 모델을 이용하여 하굿둑과 개방 조건 변화에 따 른 물 흐름
특성을 분석하였다.
EFDC-NIER 모델 보정 결과 수위, 수온, 유속, 염분에 대한 모의 결과가 관측값을 잘 재현하였다. 수위 모의 결과의 평균 절대오차는 0.1
~ 0.3 m, 수온은 0.8 ~ 1.7 °C, 유속은 4.5 ~ 7.1 cm/sec, 염분은 1.5 psu 범위로 양호한 재현성을 나타내 었다.
하굿둑 완전 개방시 하굿둑 수위는 조위 영향을 직접적으 로 받아 하굿둑 미 개방시의 수위 –1.35 m에서 0.2 m로 상 승하는 것으로 예측되었으며,
유속은 미 개방시 2.7 cm/sec 에서 완전 개방시 50.8 cm/sec로 증가하는 것으로, 유량도 미개방시 53 m3/sec에서 완전 개방시 5,322 m3/sec로 증가하 는 것으로 예측되었다.
본 연구에서 구축된 영산강 본류와 하구에 대한 EFDCNIER 모델은 향후 영산강 하굿둑 및 다기능 보 운영 조건 변화에 따른 물흐름 특성 분석뿐만
아니라 영산강 수질 및 수생태계 개선을 위한 계획 수립과 평가에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
Acknowledgment
본 논문은 국립환경과학원의 지원을 받아 수행하였습니다 (NIER-RP2016-315)
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