컴퓨터 모델을 이용한 구조물에 따른 수계환경 변화분석

Abstract

한강은 수도 서울을 관통하는 하천으로서 시민들의 상수원인 동시에 친수 공간으로서 의미를 지니는 곳이다. 1988년 서울올림픽을 앞두고 서울이 국제도시로서의 모습을 갖추고 한강이 지닌 개발 가능성을 극대화하여 종합적 · 다목적으로 이용하기 위한 목적으로 만 4년에 걸쳐 한강종합개발사업이 이루어지게 되었다. 한강종합개발사업시 이루어진 저수로 정비로 인하여 상시수위가 감소하였고 개발이전과 동일한 한강수위 유지 필요성이 인식됨으로써 종합개발당시 수중보 시설 설치계획이 수립되어 잠실과 신곡의 두 곳에 각각 1986년 10월과 1987년 6월에 수중보가 건설되게 되었다. 그러나 수중보의 건설로 인하여 유속이 감소하고 체류시간이 증가하게 되었고 이는 녹조발생이나 퇴적물증가로 인한 수질악화 등의 부정적인 영향을 줄 수 있는 것으로 알려지고 있다. 한강에 설치된 수중보뿐 아니라 우리 나라의 하천들은 하상(河上)에 많은 시설물들이 설치되어 자연하천의 특성을 거의 찾아볼 수 없다. 특히, 용수 및 다목적 이용을 위한 댐, 하구언, 수중보 등이 곳곳에 건설되어 하천의 기능은 상실되고 정체성의 수역으로 변모해 가고 있다. 본 연구에서는 이러한 하천의 구조물 중의 하나인 김포대교 직하류에 위치한 신곡수중보 건설로 인한 영향을 알아보기로 하였다. 먼저, 컴퓨터 모델을 사용하여 신곡수중보와 잠실수중보 구간에 대한 수리수질 현황을 재현하고, 이를 바탕으로 신곡수중보의 건설에 따른 대상 구간내의 흐름과 수질(BOD) 변화를 알아보고자 하였다. 또한 시스템 분석의 한 방법인 에머지(Emergy) 이론을 같은 구간에 적용하여 신곡수중보의 건설이 자연 및 경제에 주는 이익과 손실을 산출함으로써 수계에 위치한 구조물이 대상 하천 시스템에 미치는 영향에 대한 종합적인 이해와 평가를 하고자 하였다. 수리 예측 결과에서는 수중보 건설에 의한 영향을 한강 본류구간의 네 지점-성수대교, 한남대교, 한강대교, 성산대교-에 대해 비교해 본 결과, 역류방향 유속을 최고 50 %정도 감소시키는 것으로 나타났다. 하류방향 흐름에 대해서는 상류 지점에서는 수중보의 영향이 크지 않았으나 하류로 갈수록 영향이 크게 나타났으며, 네 지점중 가장 하류에 위치한 성산대교의 경우는 최고 40 %정도의 유속 감소를 보였다. 수리 예측결과를 이용한 BOD 변화에 있어서는 오염물 유입이 많은 가양과 중랑천 유입부의 경우 수중보 건설 후 더 높은 농도분포를 나타내었으며, 오염물의 직접적인 유입이 비교적 적은 지점인 한강대교에서 여의도부근에서는 수중보 건설 후 더 낮은 농도를 보였다. 수중보 건설은 유속과 확산을 감소시켜 대상 구간에서 오염물의 완충력(희석)이 약화되고 따라서 오염 부하가 높은 구간은 수질이 더욱 악화될 수 있다. 또한, 수중보의 건설로 인하여 한강 하류부의 흐름이 둔화되고 정체되어 오염물질의 유출이 잘 이루어지지 않기 때문으로 사료된다. 이는 수중보 지점에서 하류 방향으로 유출입되는 양을 계산한 결과에서도 나타났는데 10일간의 유출입 부하를 계산하여 순부하(Net Load)를 비교한 결과 수중보가 없을 경우와 있는 경우에 대해 각각 183.899 kg/10day와 8.707 kg/10day의 BOD가 수중보 하류로 빠져나가는 것으로 예측되었다. 따라서 수중보의 유무에 따른 수중보 하류로 유출되는 BOD 차이가 연간 6,394.508 kg으로 나타났다. 에머지 분석에서는 신곡수중보의 건설 전 · 후에 대하여 시스템 다이어그램을 작성하고 에너지 평가표 작성을 거쳐 에머지 비용-편익을 평가하였다. 수중보에 의한 이익 항목으로는 수위 확보를 통한 취수량 확보와 수상활동을 바탕으로 하는 관광의 증가를 들었다. 취수량 확보에 비해서 유람선을 비롯한 수상활동에 의한 이익부분이 큰 비중올 차지하는 것으로 산출되었다. 비용으로는 수중보의 건설비, 유지관리비, 그리고 수질 악화 부분이 포함되었다. 이 중 수질 악화 항이 차지하는 부분은 그다지 크지 않았다. 이렇게 산정된 비용-편익 비(이익/비용)는 19.45이었으며 신곡수중보의 건설은 대상 구간에 손실보다는 이익을 주고 있는 것으로 나타났다. 본 연구결과에 따르면 수중보의 건설은 하천의 유속을 저하시키고 국지적인 수질악화에 기여하고 있었으나, 신곡수중보의 경우는 수중보의 건설이 시스템 전체에 미치는 비용-편익 평가에서 긍정적인 영향이 20배 정도로 크게 나타났다. 하상에 구조물들이 건설될 때에는 구조물에 의한 수리 수질 변화를 예측해보고 시스템 분석을 실시함으로써 구조물이 대상 시스템에 미칠 영향을 총체적으로 평가하고 부정적인 영향에 대해서는 적절한 대안을 세워볼 수 있을 것으로 사료된다. ; The Han River is the main source of water supply for Seoul and a leisure site for citizens of Seoul. A comprehensive development program of the river was started in 1982 to prepare Seoul for 1988 Olympics and to utilize the river in its full capacity. Average water level of the Han River was lowered after the program was finished in 1986 due to rearrangement of watercourse line. Two weirs were constructed to maintain water depth to the level before the program; one at Chamshil and the other at Singok. Construction of the weirs, however, decreased water velocity and increased detention time of the river, which, in turn, may cause negative effects such as water deterioration because of algal bloom and increase in sediment load. It is difficult to find natural characteristics from many streams and rivers in Korea because of many artificial structures built in them. In particular, dams and weirs constructed for water supply and multipurpose uses have resulted in losses of many functions of streams and rivers, and many streams and rivers have been turned into stagnant waters. This thesis investigated effects of the Singok weir constructed downstream Kimpo Bridge. First, a computer model (RMA model), was tested whether it can reproduce hydrodynamic conditions and water quality of the river section between the Chamsil weir and the Singok weir. Then, the models were used to investigate effects of the Singok weir on water flow and BOD concentration in the river section. Next, emergy concept, one of the systems analyses, was applied to the same section of the river to evaluate costs and benefits of the Singok weir construction. The RMA model showed that the weir decreased maximum 50% of upstream water velocity for four sites in the main stream of the Han River-Songsu Bridge, Hannam Bridge, Hangang Bridge, and Songsan Bridge. For downstream flows, the weir did not have much effect on upper part of the river section investigated, but its effect increased downstream, showing maximum 40% decrease in water velocity at Songsan Bridge which is located most downstream. BOD increased after the weir construction at Kayang and Chungrangchun with high pollutant loads. In contrast, BOD decreased after the weir construction in the section between Hangang Bridge and Youido with lower pollutant load. Construction of the weir decreased water velocity and diffusion of pollutants, reducing dilution of pollutants within the river section investigated. This suggests that water quality might deteriorate more in sites with high pollutant loads after the weir construction. Construction of the weir also may decrease water flow in the lower reach of the Han River and create stagnant sections, causing decrease in pollutant transport downstream. This is also reflected in influx and outfluxes of pollutants calculated at the weir site. Net load based on influx and outflux loads for 10 days was BOD outflow downstream of 18.390 kg/day without the weir, but BOD outflow downstream of 0.871 kg/day with the weir. For emergy evaluation, energy systems diagrams were constructed for before and after the Singok weir construction. Based on the diagrams, an emergy evaluation table was set up for evaluation of emergy costs and benefits. Emergy benefits of the weir included water supply and tourism, with most of the emergy benefits in tourism. Construction services, operation and maintenance costs, and water deterioration were comprised in emergy costs of the weir construction. Emergy cost due to deterioration of water quality was small compared to other emergy costs. Emergy yield ratio between emergy benefits and costs was 19.45, indicating that construction of the Singok weir brought more benefits than costs to the whole economy of Seoul. Emergy evaluation suggested that the Singok weir contributed more to the whole economy compared to what have been put into its construction and operation, even though its construction decreased water velocity and deteriorated water quality locally. When construction of structures in streams and rivers is planned, it is needed to predict hydrodynamic conditions and water quality using simulation models, and to evaluate construction of those structures in the whole systems perspectives so that appropriate alternatives to negative effects of those structures could be established.