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희주 여
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 15, No. 9 pp , ISSN / eissn 경인아라뱃길주변해역의해수유동에관한연구 백승화 1, 신범식 2* 1 인천대학교도시건설공학전공, 2 관동대학교미래융합학과 Study of the Tidal Currents in Sea Areas around Gyeong-In Waterway Seung Hwa Baek 1, Bum-Shick Shin 2* 1 Division of urban and Environmental Engineering, Incheon University 2 Department of Future Convergence Technology, Kwandong University 요약본연구는인천북항과염하수로사이의해역을대상으로인천영종도준설토투기장건설과향후인천만조력발전소동측방조제건설시흐름차폐로인한이해역의해수유동변화에대해연구를하였다. 이해역의해수유동에대한예측은인천북항영종도준설토투기장건설전, 후상태와인천만조력발전소동측방조제를건설한경우를예상하여 3가지경우에대해서수리모형실험을수행하고, 현장관측치와비교하여흐름을분석하였다. 수치실험결과영종도준설투기장건설전, 후상태에서는유향과유속이비슷한양상으로나타나고있으며, 인천만조력발전소건설시동측방조제를건설한경우에는경기만과흐름차폐로인하여흐름양상이크게변화되고있음을알았다. 즉, 흐름은남북방향이되고, 하류인경인아라뱃길주항로가되는호도하류부인 A, B, C지점에서는유속이다소증가되고있고, 염하수로하류부 (D) 에서는오히려유속이감소되고있다. 그리고, 세어도서쪽해역과방조제동측해역에서는유속이완만한선회류가발생하고있음을알았다. 본연구는인천만조력발전소건설계획과향후경인아라뱃길운영을위한기초자료로활용이가능할것으로사료된다. Abstract This paper examined the changes in flow patterns due to a blockage of tidal currents in the sea areas between Incheon North Port and Yeomha Channel when it would be influenced by the construction of the Incheon North Port Yeongjongdo dredged soil dumping ground and Incheon Bay tidal power plant. The numerical simulation was performed for three cases: before and after constructing the Incheon North Port Yeongjongdo dredged soil dumping ground and after the construction of the sea-dyke on the east side of the Incheon Bay tidal power plant. The simulation results showed that the tidal directions and currents velocity were similar before and after the construction of the Yeongjongdo dredged soil dumping ground. After the construction of the East Sea-dyke of Incheon tide power plant, however, the tidal currents patterns changed significantly due to flow blockage toward Gyeonggi Bay. The main flow was formed in the north-south direction, and the tidal currents velocity increased slightly on the downstream areas (A,B,C) of Hodo, which is the entrance of the Ara Waterway. The tidal currents at the mouth(d) of Yeomha Channel decreased significantly. The tidal currents of the west side of Se-eodo and the east side of the sea- dyke were rotary currents. The results of this study will provide basic data for the environmental impact assessment and the operation of the Gyeongin Ara Waterway. Key Words : Tidal current, Tidal power plant, Sea-dyke Gyeongin Ara Waterway 1. 서론 서해안은조석간만차가크므로조력발전소로가장적 합한장소로주목받고있다. 지구온난화현상으로지구곳곳에서홍수, 한발, 태풍, 폭설등이상기후로몸살을앓고있는이때에태양에너지, 풍력, 조력발전소, 수소에 이논문은인천대학교 2010년도자체연구비지원에의하여연구되었음. * Corresponding Author : Bum-Shick Shin(Kwandong Univ.) Tel: sbs114@kd.ac.kr Received June 26, 2014 Revised (1st September 1, 2014, 2nd September 10, 2014) Accepted September 11,

2 경인아라뱃길주변해역의해수유동에관한연구 너지등이산화탄산가스를배출하지않는무공해에너지가각국가마다최우선과제로중요시되고있다. 향후화석재료고갈과이산화탄산가스억제책으로우리나라로서도자연을이용한에너지개발이더욱가속화되리라생각된다. 이런점을감안하여인천만조력발전소와인천북항영종도준설토투기장개발에무게를두고연구를시작하였다. 본연구는인천북항영종도준설토투기장건설과향후인천만조력발전소동측방조제건설에따른경인아라뱃길주항로인인천북항과호도사이해수유동변화가예상되므로이해역흐름영향을예측하기위해수치모형실험을수행하였다. 해수유동에대한연구는 70년이후 2차원수치모형을도입하여많은연구를수행하였으며, 광의적으로는최병호 (1993) 가동해및황해동중국해에대한해수교환을연구 [1] 를하였고, 이호진 (1999) 은 3차원유한차분함수를전개모형을황해및동중국해에적용하여해수순환을연구 [2] 하였으며, 정. 김. 강 (2002) 3차원모델시스템을이용하여아산만조류모의를하였다 [3]. 김철호 (1998) 은황해의해수순환 [4] 을, 정. 조는 3차원모델시스템을이용하여해수순환 (1997) 을모의하였다. 그러나, 인천만조력발전소저류지건설에의한흐름차폐로예상되는해수유동변화는본연구가처음이라고판단되며, 본연구는향후인천만조력발전소건설에따른경인아라뱃길주변항해수유동을예측하므로경인아라뱃길주항로와경인항운영관리에필요한기초자료로활용될수있을것으로기대된다. 모형의재현성을검토하기위해실해역에서수행된관측자료와의수치모형실험결과를비교하였으며, 수치모형은자연상태 (CASE 1) 와북항준설등으로영종도준설투기장이건설된상태 (CASE 2), 그리고, 조력발전소동측방조제건설로인한흐름차폐가된경우 (CASE 3), 이들 3가지실험안으로선정하여수치모형실험을수행하였다. 으로수평성분흐름과연직방향의흐름이모두중요하게작용하고있어 3차원흐름으로해석함이타당하나, 수심이낮은해역에서는평면적인 2차원흐름으로해석하여흐름특성을유사하게재현하여자료를얻는다. 해수유동에대한예측은조류가탁월한해역에서기본검토항목이며, 오염물질확산, 퇴적물이동의외력조건으로매우중요한항목이다. 금회적용된 2차원단층모델은다른다층모델이나 3차원모델이론에비해 Parameter 가적어수치모델취급이용이하다 [6]. 2.2 수치모형 해수유동모형본연구에사용한 siltation 모형은해수유동, 퇴적물의침강, 퇴적, 재부유이동, 해저지형변동량등을직접모의할수있으며, 특히, 우리나라의조석간만차가심한서해안지역에해수유동, 퇴적물이동, 지형변동량모의에적합하다고판단된다. Siltation 모형은연속방정식과운동량방정식을기초로하여지배방정식을만들고격자및변수를정의하여차분법으로차분하여사용한다. 여기서는이산화 Semi-implicit 차분법으로하였다 [7] 기초방정식기초지배방정식을유도함에있어서유체밀도는일정하며, 편향력과, 저면부분이외의부유농도, 염분농도는작고, 연직방향의유체운동과파랑과의상호간섭영향등은미소한것으로간주하고유도하였다 [3]. η 2. 이론분석 2.1 이론특성해수유동은일반적으로지형변동이나방조제, 방파제, 매립, 항만구조물등으로영향을미치고환경변화에주요요인이되기도한다. 따라서, 연안에서흐름은일반적 [Fig. 1] Definition sketch of coordinate system Fig. 1과같이평균수면상의 1점을원점으로하고, 수 평방향으로 축, 축에직각으로 축을, 그리고연직방향으로 축을잡으면유체의연속방정식및운동방정 5827

3 한국산학기술학회논문지제 15 권제 9 호, 2014 식은식 (1)~ 식 (4) 와같다. (1) (2) (3) (4) 식 (2.4) 에서, 수면 ( 대기압 ) 으로하면 이고, 압력 (5) 여기에서, 는 [Fig. 1] 에서나타내는공간좌표와시간에해당하며, η 는수위, 은수평선유량성분이고, 는중력가속도, 는실제의수심, 는정수시의수심이며, 은 Manning조도계수, 는수평혼합계수이다. 관측한조위값을가지고조화분해를하고 4분조 (M2, S2, O1, K1) 의조화상수와비조화상수를산출한다. 그리고, 국립해양조사원수치해도상에서수심값을추출하여조사된해상자료를기초로하여흐름계산을한다. 3. 대상지역및연구방법 3.1 대상지역현황 조석경인운하건설해역의조석현상을파악하기위하여 Fig. 2에나타내는바와같이인천측고첨도 (T-1, 37 33' 41"N과 ' 08"E와북항 (T-2, 37 29' 39"N과 ' 28" E) 에서 30일간연속으로 1시간간격으로조석을관측하였다. 다음은식 (1) 과 (2), (4) 을수심방향에대하여적분하여수심평균한질량및운동량방정식이다. (6) (7) (8) Tide Obs. Current Obs. Comparision Points [Fig. 2] Location map of observed station of tide and tidal currents 5828

4 경인아라뱃길주변해역의해수유동에관한연구 조류유황특성을규명하기위하여자기유속계 RCM-7( 노르웨이제 ) 을사용하여, 수치모형실험자료와의검증이용이하며, 선박운항등으로인한장비훼손에문제가되지않는 3개관측점 PC-1(37 34' 23" N 과 ' 26" E), PC-2(37 33' 18" N 와 ' 27" E), PC-3(37 29' 43" N과 ' 51" E) 위치에서 15일동안수심중층에계류시켜수치실험에용이한위치를선정하고 15일동안매 10분간격의유황유속을관측하였으며, 층별조류는 DCM-2 를사용하여 3개소를선정하여대조기일조석주기 (13hr) 동안유속과유황을각각관측하였다. 관측수심은표층, 중층, 저층의 3층으로하여매시별관측기록을단기조류조화분석하여 M2, M4분조의조화상수를산출하고. 층별전류시, 최강류시유속을측정한자료와성과로부터조류의시공간적분포특성을파악하여얻은자료이다 조사결과분석고첨도조위가 938.8cm, 북항이 915.0cm로서동기간인천항의 899.6cm보다 39.2cm및 15.4cm높고인천항의기준조석의 927.0cm보다는 11.8cm크고, 12cm작다. 관측기간중고첨도및북항의대조평균고조위는 872.9cm 및 850.8cm로서동기간인천항의 836.4cm 보다각각 36.5cm 및 14.4cm높고인천항기준조석의 862.4cm 보다는 10.5cm 크고, 11.6cm작다. 평균해수면은고첨도와북항에서 4개주요분조의합인 cm 및 457.5cm로서같은기간인천항의 449.8cm 보다크게나타나고있다. 그리고, 고첨도와북항의조석형태수가 0.16인반일주조형으로매일 2회고조, 저조가나타난다. 여기서얻은조위와조류관측자료를이용하여수치모형의검증자료로사용하였다. 실해역에서수행된관측자료와의수치모형실험결과를비교하였다. [Fig. 3] Flow of Numerical Simulation 수치모형은자연상태 (CASE 1) 와북항준설및영종도준설투기장이건설된상태 (CASE 2), 그리고, 조력발전소동측방조제건설로인한흐름차폐가된경우 (CASE 3), 이들 3가지실험안으로선정하여수치모형실험을수행하였다. 3.3 수치모형구축 격자구성격자구성은경인운하주항로인북항상류와강화도염하수로하류해역을대상으로하여계산영역은남북 15.4km(X 방향 136격자 ), 동서 11.6km(Y 방향 186격자 ) 로하여, 총 25,296개의격자점으로구성하여수치모의하였으며, 계산격자간격및결과출력은 100m로하였다 [Fig. 4 - Fig. 6] 3.2 연구방법본연구에서는인천해역변화에따른해수유동과조위, 해저지형변동이예상되므로매립전. 후상태에대한수치모형실험을통해해수유동의변화를검토하였다. 인천북항영종도준설토투기장건설과향후인천만조력발전소동측방조제건설에따른경인아라뱃길주항로인인천북항과호도사이해수유동과조위, 변화가예상되므로이해역흐름영향을예측하기위해수치모형실험을수행하였으며, 모형의재현성을검토하기위해 Fig. 3과같이 [Fig. 4] 3-D Tophography(CASE 1) 5829

5 한국산학기술학회논문지제 15 권제 9 호, 2014 (3) 수평확산계수 = 100,000 (X, Y방향 ) (4) Corioli factor = 0.0 수치모형실험은남쪽경계조건으로인천항조위값을북쪽경계조건은세어도조위값을사용하여 36시간을계산하였다. 이것은초기 12시간의결과는안정성이비교적결여된것으로판단하고안정이확보된 12시간~36시간의 1일의데이터를사용하여계산하였다. [Fig. 5] 3-D Tophography(CASE 2) [Fig. 6] 3-D Tophography(CASE 3) 경계조건해수유동계산에있어서는조류장의기본방정식을사용하여조류유동을해석하기위한필수조건으로대상해역을둘러싸는경계면에서의적절한경계조건이필요하다. 조사대상해역의해상개방경계 (Open Boundary) 에서의수위는식 (9) 와같은조화상수형태를이용하여정의하였다. (9) 여기서, ; 조석파의진폭 ; 위상속도 (phase velocity) ; 처짐각 4. 연구결과 4.1 모형의검증해수유동을검정하기위하여 경인운하건설사업에따른수치및수리실험 (2000.6) 에서조사된관측자료 ( ) 를이용하여검증을수행하였다. 검증은대조시최대유속이되는 일을기준으로하여조위과조류를검증하였으며, 조위관측은 2개지점고첨도 (T-1) 과북항 (T-2) 에수압식검조기 TG-205를사용하여관측한자료이다. 조류는 3개지점세어도 (PC-1), 호도 (PC-2), 작약도 (PC-3) 에노르웨이제자기유속계 RCM-7 를사용하여관측한자료를사용하였으며, 관측값과계산치를비교하여조석은 Fig. 7(a,b), 조류는 Fig. 8(a,b,c) 에서나타내었다. 4.2 조위검증관측점고첨도 (T-1) 는경위도 (37 33'41"N와 '08 E) 위치에서그리고북항 (T-2) 은경위도 (37 29'39" N 와 '28" E) 위치에서관측된값 ( ) 을가지고계산치와비교하여 Fig.7(a,b)] 에나타내었다. 여러가지환경적인요인에의해다소오차는발생하였으나거의비슷한양상으로변하고있음을알수있다. 개방경계는분조와분조의합에대해반일주조를택하였다. 또한, 조사대상해역에대한조류유동수치계산에있어서사용된계산상의주요입력조건은다음과같다. (1) 계산상의시간 Step ; (2) Manning 조도계수 ;

6 경인아라뱃길주변해역의해수유동에관한연구 [Fig. 7] Comparison between observed and computed tidal level (T-1) (T-2) 4.4 모형적용결과및고찰지형조건이다른 3개의조건으로흐름계산을시작하여충분히안정상태에도달했다고판단되어지는 24시간이후의최강창조및낙조시유속벡타도및계산결과를 Fig. 9 Fig. 11에나타내었고. 경인아라뱃길주항로가되는 Fig. 2의 A, B, C, 지점과염하수로하구가되는 D 지점, 4개지점을대하여유속값을비교하여 Table 1, Table 2에각각나타내었다. 4.3 조류검증조류검증은대조시기준으로하여세어도 (PC-1), 호도 (PC-2) 북항 (PC-3) 3개관측점을대조시최대값을기준으로하여본연구에서수행한계산치를비교하여 Fig. 8에나타내었다. 다소환경적인요인 ( 수심, 시차, 측량시간, 기압등 ) 등을감안하면관측값과계산값이상당히근접되고있음을 Fig. 8(a,b,c) 에확인할수있다. (c) [Fig. 8] Comparison between observed and computed tidal current (PC-1) (PC-2) (PC-2) 5831

7 한국산학기술학회논문지제 15 권제 9 호, 2014 (c) [Fig. 9] Flood tidal current pattern(24h) CASE 1 CASE 2 (c) CASE 3 (c) [Fig. 10] Flood tidal current pastern(26h) CASE 1 CASE 2 (c) CASE

경인아라뱃길주변해역의해수유동에관한연구 [Table 2] Comparison of tidal current at C, D(m/s) Time C D CASE1 CASE2 CASE3 CASE1 CASE2 CASE3 1 1.606 1.432 1.452 0.871 0.936 0.415 2 1.730 1.525 1.684 1.330 1.331 0.5800 3 1.

8 경인아라뱃길주변해역의해수유동에관한연구 [Table 2] Comparison of tidal current at C, D(m/s) Time C D CASE1 CASE2 CASE3 CASE1 CASE2 CASE (c) [Fig. 11] Ebb tidal current patent(29hr) CASE 1 CASE 2 (c) CASE 3 수치실험결과인천북항영종도준설토투기장이나인천만조력발전소건설을하지않은상태 (CASE 1) 와영종도준설투기장건설을경우 (CASE 2) 에서는유속차는 Table 1에서비교값과같이미소하게나타나고있으며인천만조력발전소건설로인한동측방조제를축조한경우 (CASE 3) 는전해역에서유속이다소증가현상을보이고있다. 특히, 연구대상이되고있는경인아라뱃길주항로부근인 A, B, C지점에서는동측방조제이전상태인 CASE 1 보다평균 0.5m/sec-1m/sec 정도유속이증가되고있음을알았다. 그리고, 상류쪽인염하수로하구인 D지점부근해역에서는크게유속이감속되고있으며, 세어도동쪽과조지동측방조제사이의해역에서는유속감속과함께회전류가발생되고있음을알수있었다. 중요지점 A, B, C, D(Fig. 2) 에대해각각실험안의유속을비교하여 Table 1, Table 2에나타내었다. [Table 1] Comparison of tidal current at A, B(m/s) Time A B CASE1 CASE2 CASE3 CASE1 CASE2 CASE 결론본연구에서는해수유동, 퇴적물의침강, 퇴적, 재부유이동, 해저지형변동량등을직접모의할수있는수치모델을이용하여인천만조력발전소와인천북항영종도준설토투기장개발로인한인천해역의해수유동변화를예측하였다. 수치모델의적용성을검토하기위해현장관측자료와비교하였으며, 실험결과, 인천만조력발전소와인천북항영종도준설토투기장개발로인해경인아라뱃길주항로주변의유속은다소증가할것으로예상되었으며, 염하수로하구에서는조량과유속이감속되는것으로재현되었다. 아울러, 경기만의흐름차폐로인하여염하수로하구에서낙조시유속이크게감속되고있으며, 세어도서쪽인조력발전소동측방조제주변에서는유속정체와회류현상이국부적으로재현되었다. 그러나, 인천만조력발전소조지건설로인한유속변화가경인아라뱃길항로에큰영향을미치지않음을알수있었으며, 이러한실험결과는향후경인항주변해저지형변화량과경인항항로관리를위한기초자료로활용될수있을것으로판단된다. References [1] Tae Sung Jung, Sung Gon Kim and See Hwan Kagn(2002). Numerical Simulation of Tidal Currents of Asan Bay Using Three-Dimensional Flow Modeling System(FEMOS), Journal of Korean society of coastal and ocean engineers [2] Shin Taek Jeong and Hong Yeon Cho(1997). Prediction of Tidal Changes and Contaminant Transport due to the 5833

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2 Journal of Disaster Prevention

VOL.13 No.4 2011 08 JOURNAL OF DISASTER PREVENTION CONTENTS XXXXXX XXXXXX 2 Journal of Disaster Prevention 3 XXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXX 4 Journal of Disaster Prevention 5 6 Journal of Disaster Prevention