새만금 사업에 따른 수질변화 예측을 위한 3차원 시변화 모델 연구

Abstract

새만금 수역은 유역 환경 변화 및 새만금 방조제의 공사 단계에 따라서 시ㆍ공간적 수리 및 수질 변화가 매우 심한 수체이며, 새만금 공사단계시와 향후 건설될 담수호의 수질에 대한 사회적 관심이 증대되는 지역이다. 따라서 새만금 공사 진행 과정 및 담수호의 수질 개선과 적정 수질 확보를 위한 관리 정책 수립을 위해서는 새만금 수역의 수리적 특성과 이들 특성이 수질 변화에 미치는 영향이 규명되어야 한다. 본 연구에서는 새만금 간척 사업에 따라 변화하는 새만금 수역의 수리 및 수질 특성을 분석하기 위하여 3차원 시변화 수리 및 수질 모델링 지원 통합시스템인 GEMSS를 적용 모델로 선정하였다. 선정된 모델의 새만금 수역에 적용시 나타나는 한계점을 개선하기 위하여 우리나라 하절기 집중 강우시 유입되는 탁도 증가 및 조석 간만의 차이로 인하여 하구역에서 탁도가 재부유되는 현상이 식물성 플랑크톤 성장을 저해하는 기작을 보완ㆍ수정하였다. 수정된 모델을 이용하여 방조제 공사가 진행 중인 해수유통단계 및 새만금 담수호가 완공되는 단계의 수질 변화 특성을 분석하였다. 새만금 담수호 수질대책의 효과를 분석하여 담수호의 최적 관리 방안을 도출하였다. 재현성이 검토된 수리 모델 결과를 바탕으로 공사 단계에 따른 조위, 해수이동 및 체류시간 특성을 분석하였다. 방조제 4.5 ㎞ 개방시에는 방조제 외측과 내측의 공간적인 조위 차이가 거의 나타나지 않았고, 공사가 진행됨에 따라서 방조제 외측의 조위는 변화하지 않았다. 또한 방조제 공사로 인하여 동진 수역에 비하여 만경 수역의 해수 이동이 제한되고 흐름이 둔화되며 전체적인 해수의 이동 방향이 동서에서 남북으로 변하였다. 새만금 수역 내 체류시간은 방조제 공사가 진행됨에 따라서 감소하였으며, 계절별로는 겨울철에 가장 긴 체류시간을 나타내었고 여름철 집중 강우시에 체류시간이 급격하게 감소하였다. 분석 결과에 따르면 체류시간의 변화는 계절간의 차이보다는 개방 구간에 의해 더 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 재현성이 검토된 수질 모델 결과를 바탕으로 방조제 공사 완료 이후 신시배수갑문과 가력배수갑문을 상시 개방하였을 때의 수질을 예측한 결과에 따르면 방조제 내측 만경강 유입 지점에서 해수유통량의 감소로 오염물질이 외해로 쉽게 빠져나가지 못하기 때문에 영양물질이 다소 증가한다. 또한 영양물질 및 체류시간 증가로 Chl-a가 여름철 집중 강우시 증가하는 경향을 보인다. 특히 방조제 공사가 완료된 이후 4월에는 만경강 유입부, 9월에는 4호 방조제 부근에서 Chl-a가 과다 성장하는 것을 알 수 있었다. Chl-a 농도는 EPA(1974)에서 제시한 적조 발생 가능 농도인 10 ㎎/㎥를 초과하기 때문에 새만금 수역은 공사 단계에 따라서 수체가 정체될 경우에 새만금 수역은 녹조 발생의 가능성이 높다. 향후 조성될 새만금 담수호의 수온 및 체류시간 특성을 분석 결과에 따르면, 표층 수온은 여름철 최고 온도가 30 ℃ 이하이며 수온 성층이 발달하지 않기 때문에 전도현상이 나타나지 않는다. 따라서 식물성 플랑크톤에 의한 녹조 현상이 나타나지 않아 수질 관리가 용이할 것이다. 담수호 내 체류시간은 만경수역과 동진수역 유입부에서 상대적으로 짧게 예측되었으나, 하류 부분에서 급격하게 증가하였다. 만경수역은 수질대책 중 환배수로 영향으로 호 내 유입수량이 감소하고, 동진수역은 만경-동진 연결수로로 저류수가 만경수역으로 유도되어 수체의 흐름이 원활하지 못하기 때문이다. 새만금 담수호가 조성되는 2012년을 기준으로 수질대책을 고려하여 수질을 예측한 결과에 따르면 상류 유역의 하수처리장 설치 및 오염물질의 처리와 담수호 내 수질 대책이 효과적으로 이루어지면서 만경수역 TP 농도는 0.074 ㎎/L로 농업용수 총인 기준 0.1 ㎎/L을 만족하며, 최대값도 농업용수 기준을 만족하였다. 동진수역은 만경수역에 비하여 상류 오염 대책, 하수처리장 건설 및 담수호 내 수질 대책이 미흡하기 때문에 TP 농도가 0.090 ㎎/L로 예측되었다. 수질대책에 따른 효과 분석하기 위하여 환배수로, 만경-동진 연결수로, 인처리시설 및 금강물도입에 대하여 살펴보았다. 만경수역에 설치되는 최대 통수능 30 ㎥/s의 환배수로 대책에 의해 TP 농도는 약 18.9 % 감소하였다. 그러나 환배수로 통수능 증가에 따라서 TP 농도 감소 효과는 크지 않았으며, 이것은 통수능 증가로 인하여 유입 오염물질은 감소하지만 담수호 내로 유입되는 유량이 감소하여 체류시간이 증가하기 때문이다. 만경-동진 연결수로 적용시 만경 수역의 TP 농도는 약 12.5% 감소하지만, 동진수역의 COD와 Chl-a 농도가 만경 수역보다 높아서 COD와 Chl-a는 증가한다. 또한 동진 수역의 연결수로 하류부의 물이 정체하여 동진 수역의 수질에는 악영향을 미친다. 인처리시설의 설치효과는 약 7.5 % TP 농도 개선으로 타 대책에 비하여 TP 농도 감소 효과가 낮은 편이지만 환배수로로 유도되는 수량 중 일부를 처리하여 만경 수역에 다시 방류하기 때문에 체류시간 측면에서 긍정적인 역할을 할 수 있다. 금강도입수를 통해 TP 농도는 약 25.9% 감소한다. 그러나 금강도입수의 COD와 Chl-a 농도가 높기 때문에 만경 수역 COD와 Chl-a 농도를 증가시킨다. 수질대책의 효과 분석에 따르면 환경 대책들이 농업용수 기준을 만족시키기 위하여 TP 농도 감소에 집중되었기 때문에 전반적으로 TP 농도 감소 효과는 기대할 수 있겠지만 그 외 COD와 Chl-a에는 오히려 악영향을 미칠 것으로 판단된다.;Saemangeum project is for coastal reclamation of 401 ㎢ of freshwater lake and farmland. It has been started as a campaign promise of presidential election since 1987. NGO (Non-Governmental Organization) began to stop the project, 1997 after almost completion of tidal barriers. One of the objection issues is water quality deterioration of freshwater lakes. Government stopped the project at 1999, and assessed the environmental effect about issues. The project was started again at 2001 and several water quality control strategies were planned such as construction of sewage treatment plants, non-point source control plan, artificial swamp, elimination of bottom water and modification of freshwater lake forms, etc. The construction of long tidal barriers of which total length is 33 km, are currently almost completed in west coast of Korean peninsula and two sluice gates are planned to discharge the river flow into coastal zone in near future. At present time, the water quality of the embayment becomes degraded due to decrease of flushing rate as well as discharges of polluted upstream. In this study, (1) we selected the model appropriate to analyze the characteristics of hydrodynamic and water quality with Saemangeum Project processes. (2) we modified the model to consider the temporal and spatial characteristics of Saemangeum waters. The module about increase of total suspended solids(TSS) from upstream during monsoon periods, resuspension of TSS on the estuary and inhibition of Chl-a growth by TSS was added. (3) The water quality change of seawater circulation and freshwater lake stage is analyzed. (4) Based on the model results, the alternative plans to manage the water quality of the lake were suggested. We selected an integrated system supporting 3-D, time varying modeling, GEMSS, to represent large temporal and spatial variations in hydrodynamics and water quality of Saemangeum waters. Based on the GIS themes of shorelines and sounding depths, the computational grid of the 3D model was developed for Saemangeum using GRIDGEN, a grid generation module in GEMSS. The modeling study is intended to predict the impact of tidal barriers on water quality and mitigate the harmful impacts. The model was calibrated and verified using the data measured under different hydrological conditions. The water quality parameters include dissolved oxygen, biochemical oxygen demand, temperature, chlorophyll-a, phosphorus and nitrogen series, etc. The model results were in reasonable agreements with the field measurements in both calibration and verification. The validated model was utilized to predict the water quality changes of estuarine embayment during the construction of tidal barriers and several important conclusions could be obtained, such as spatial and temporal changes of flushing time and water qualities. The simulation results indicated that the tidal elevation within the embayment will decrease, so as to reduce the tidal wetland significantly during the construction. The results of water quality analyses also suggested that increase of the residence time could have direct influence on the increase of Chl-a, TN, TP and COD in upstream, but not in downstream, near gates. From this study, it was concluded that the three-dimensional water quality model could successfully simulate the impact of water quality during the Saemangeum project and become a useful tool to predict hydrodynamic and water quality change at Saemangeum embayment. The simulation results of freshwater lake indicated that low temperature during summer is maintained and thermal stratifications and overturns do not occur. Residence time increases because of the government plans. The results of effect of government plans indicated that TP concentrations at Mangyung waters would be 0.074 ㎎/L. TP concentration by circuit waterways is decreased to 18.9% but it makes residence time more long. TP concentrations by Mangyung-Dongjin connection channel is decreased to 12.5%, those by phosphorus treatment facility is decreased to 7.5%. TP concentrations by government plans is decreased but other water qualities are increased. From this study, it was concluded that the three-dimensional time variable water quality model that include the hydrodynamic processes could successfully simulate the temporal and spatial variations of the hydrodynamic and water qualities in Saemangeum waters. And it is expected that this model should become a useful tool to establish the best management practices for water quality improvement of Saemangeum freshwater lake.