2005 년도한국해양과학기술협의회공동학술대회 낙동강하구역의입자성부유물질수지예측 김경회, 이인철 ( 부경대학교해양공학과 ) Prediction of Budget of Suspended Particulate Matters in Nakdong River Estuary K.H. KIM and I.C. LEE (Dept. of Ocean Engineering, Pukyong National University) ABSTRACT In this paper, in order to setup the management system of sand-bar environment in the Nakdong estuary, the behavior of suspended particulate matters(spm) were investigated. A behavior of suspended particulate matters is characterized by quantity of freshwater from Nakdong River. The results of mass balance of suspended particulate matters were 60,708 kg/day(inflow) in dry season and 306,892 kg/day(outflow) in flood season. Key Words : Suspended particulate matters, Numerical models, Budget Nakdong River Estuary 1. 서론 육지환경과해양환경의전이지역인하구역은육역으로부터유입되는담수와해수의상호작용이활발한해역으로연안개발에의한지형및해양환경의변화예측에많은어려움이있다. 하지만우리나라대부분의하구역에서는하구둑공사, 간척및매립사업이지속적으로시행되어오고있다. 특히낙동강하구역은하구둑건설, 항로유지를위한준설사업등으로인해해안선에많은변화가있어왔고, 현재진행중인신항만건설사업으로앞으로도많은변화가예상되는지역이다 ( 김등 [2001]). 특히하구둑건설후, 담수유출이수문으로조절되면서해수흐름및해저지형의변화, 공유수면에사주의생성 / 소멸, 항로매몰및소형어선통항로의협소화, 수심저하, 해난사고및저지대침수피해가증가하고있는실정이다. 하구해역에관한연구로는물리환경특성 (Leendertse[1971], 류등 [1979], 장등 [1981], Roson[1997], 김등 [2000], Jaconsen[2002]), 오염물질의유입부하량해석 ( 한등 [1984], Pontee[2004]), 수질및저질오염 ( 김등 [2000], Lee[2002]), 오염물질의거동및물질수지 (Barua[1994], Lin[1995], Wu[1998], Tanimoto [1998], Simpson[1998]), 지형변화 ( 이등 [1993], 김등 [1995], 김등 [2003], 이등 [2004]) 등많은연구가진행되어왔다. 하지만낙동강하구지역의지형변화해석을위한기초자료인부유사의정량적인거동에관한연구는아직실시되지않았다. 따라서본연구에서는낙동강하구역의체계적인관리방안을마련하기위한기초적연구로서낙동강하구역으로유입되는부유사의유입부하량을조사하고, 유입된부유사의정량적인 Fig. 1 Geographical location and feature of Nakdong River Estuary. 거동특성을살펴보고자한다. Korean Chem. Eng. Res., Vol. 43, No. 2, April, 2005
2. 재료및방법 2.1 대상해역낙동강하구역은한국의남동부에위치한남한최대의하구로, 낙동강으로부터 1.5 10 10 m 3 /year 에달하는하천수가유입하고있다. 하지만인구의증가와공업단지의조성으로하수, 폐수의유입이증가하여수질이점차악화되고있고, 해수의역류방지및용수확보를위해건설된낙동강하구둑으로인해자연적인흐름이차단되어기존생태계의변화와유기오염물질의침전에따른저질오염및수질오염이점점가속화되고있으며, 지형변화역시커다란문제로대두되고있다. Fig. 2는 1979년, 1987년, 1992년의낙동강의위성사진을중첩한것으로, 회색영역이인공적인매립, 자연적인퇴적, 침식등지형변화가진행되고있는영역을나타내며, 그영역이사주군주변에서매우넓게분포하고있는것을알수있다. Mungji Jinudo Jangjado Baekhapdong Sinjado Fig. 2 Satellite photograph of Nakdong River. 2.2 하천유량의산정본연구에서는낙동강의일별하천유량을구하기위해서강우유출모형인 Tank model( 이등 [2001]) 을이용하여, 1998년부터 2000년까지 3년동안기상청의일별강우량및증발산량자료를입력조건으로모의발생실험을실시하였다 (Fig. 3). 홍수기및갈수기의하천유량은탱크모델실험결과중 7~9월과 12~2월의평균값으로각각정의하였으며, 평수기의하천유량은홍수기와갈수기를제외한기간의하천유량의평균값으로결정하였다. 2.3 입자성부유물질의 Net-flux 산정 해수유동수치실험본연구에서는 Leendertse, J.J.[1971] 에의해개발되어수차례검증된수심적분 2차원모형을사용하였으며, 계산영역은남북 5.5 km, 동서 7.0 km이고격자간격은 x = y = 70 m인등격자망을사용하였다. 수심은해도 (No. 202, 206) 와조사자료를참고하였으며, 계산에필요한물리계수등기타입력조건과대 Fig. 3 Daily precipitation and Evaporation in Samranjin region. 상해역의해저지형도는 Table 1과 Fig. 4에각각나타내었다. 해수유동수치실험은갈수기 (Case 1), 평수기 (Case 2), 홍수기 () 로구분하여, 각하천유량조건별로 15일간실시하였다. 단, 갈수기의경우하천유량이매우작아하구둑수문이완전히폐쇄된조건, 즉하천유량이없는조건으로수치실험을실시하였다. Table. 1 Computation condition of the hydrodynamic model Parameter Value Remarks Calculating time ( t) 3 sec f=2ωsinφ Coriolis factor(f) ω=2π/(24*60*60) φ=35.03 ~35.05 Mean Water Level 1.11m CFL condition f-plane Fig. 4 3-D Bathymetric map of model domain.
단 면별 해 수 유통 량 의 Net-flux 산정 해수유동 수치실험 결과를 바탕으로 사주사이에 소통 되는 입자성 부유물질의 거동에 물리적 영향인자로 판 단되는 해수유통량의 단면 유량Flux 산정실험을 수행하 였다. 유량Flux를 계산하기 위해 낙동강 하구역을 Fig. 5와 같이 7개의 내부Box와 5개의 외부Box로 분할하였 으며, 각 단면은 낙동강에서 하천수가 유입되는 단면, 외해와 해수 교환이 일어나는 단면 그리고 사주와 사주 사이에서 유량이동이 발생할 것으로 판단되는 단면을 선정하여 분할하였다. 단 면별 입 자 성 부유 물 질의 Net-flux 산정 하구역 내의 각 단면에서 오염물질의 이동특성을 살 펴보기 위하여, 홍수기와 갈수기의 단면별 유량Flux와 Fig. 5 Section division for prediction of material budget 조사된 입자성 부유물질의 농도를 곱하여 단면간의 at Nakdong River Estuary. 과 3.1 하 천유 량 산정결 과 터 의 8 9 10 11 12 22.67 16.94 10.07 15.54 15.54 18.07 12.22 9.24 12.00 12.00 양 연 구 구축된 일별 유출량산정모형을 이용하여 낙동강의 일 15.21 9.24 8.19 8.19 12.00 센 학 기 3. 결과 및 고찰 15.79 10.07 11.49 11.49 15.54 정 보 술 균농도로 정의하였다. Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 협 단면별 농도값은 Table. 2에 나타내었다. 홍수기와 갈수 기의 농도는 각각 7월 9월의 평균농도와 12 2월의 평 회 Flux를 산정하였다. 입자성 부유물질의 농도는 1999년 " Table 2 SPM concentration of each section unit : mg/l 신호지방공업단지 개발사업 사후 환경관리 종합보고서" Section Winter Summer Section Winter Summer 에 나타나 있는 월평균 현장조사 자료를 사용하였으며, Ⅰ 19.42 23.23 Ⅶ 12.25 8.86 별 유출량을 추정하였다. 1998 2000년의 유출 해석값과 산 국 해 하천유출량의 실측값은 Fig. 6과 같다. 그림에서 실선(-) 과 검은 점( )은 각각 탱크모델을 이용한 계산치와 관 수 측치이며, 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 양 한 Table 3은 1998 2000년의 월별 하천유량으로 대상기 간 3년간의 연평균 추정유출량은 10.42 103 m3/sec로 산 해 정되었다. 이를 장마, 집중호우, 태풍 등으로 인해 강우 량이 많은 7 9월을 홍수기로, 12 2월을 갈수기로, 나머 지 기간을 평수기로 설정한 결과 홍수기의 하천유량은 Fig. 6 Daily charge of Nakdong River discharge in 1999 1998년 2000년 사이에 각각 54.5%, 59.1%, 65.8%로 연 Table 3 Estimated result of Nakdong River discharge 간 총량의 50% 이상이 홍수기에 유입하는 것으로 조사 Year Precipitat River discharge( 103m3/sec) 1999 2000 Mean Month ion (mm) 1998 되었다. Jan 49.9 1.58 1.01 0.88 1.17 Feb 66.3 1.55 0.87 0.60 1.01 3.2 입 자성 부 유 물질 의 Net-flux 산정 Mar 376.7 3.12 5.72 6.00 4.95 Apr 391.5 8.63 5.26 4.86 6.25 해 수유 동 수 치실 험 결 과 May 578.0 10.34 7.91 9.74 9.33 낙동강 하구역의 갈수기(Case 1) 유동 패턴을 살펴보 Jun 722.0 16.51 9.94 12.40 12.95 면 먼저 창조시는 약 0.5 m/sec의 유속으로 사주 사이의 Jul 890.4 10.97 11.78 18.75 13.83 Aug 1,180.5 35.29 22.68 33.76 30.58 수로를 통한 해수의 유입량이 많았다(Fig. 7). 낙조류시 Sep 1639.5 5.17 26.88 45.90 25.98 에는 조간대 사이의 수로를 통해 약 0.2-0.3 m/sec의 유 Oct 250.5 16.03 7.74 14.62 12.80 속으로 유출이 발생 하였으며, 조간대로 인해 백합등과 Nov 147.3 2.84 4.15 4.56 3.85 다대동 사이의 수로를 통한 유출은 없는 것으로 확인되 Dec 17.0 2.27 2.37 2.51 2.38 었다(Fig. 8). Fig. 9는 홍수기의 조류타원도로 외해 경계 Average 525.8 9.53 8.86 12.88 10.42
에서는일반적인타원의형태를나타내지만조간대가넓게분포한사주해역에서는폭이좁은타원을보이고있어, 사주주변에서수로를통해해수및하천수의유입, 유출이이루어지는것을알수있다. 평수기는갈수기와거의유사한유동형태를나타내어그림을생략하였으며, 홍수기의해수유동계산결과를나타내는 Fig. 10과 Fig. 11은낙동강하구둑에서방류된하천수의영향으로창조시와낙조시에장자도와백합등사이의수로를통해서유출되는하천수가약 1.0~1.3 m/sec의유속범위로매우강하게나타났다. Fig. 12는홍수기의조류타원도로, 상류부의하중도군과하류부의사주군사이를통한해수의유동이 Fig. 9의갈수기보다는큰것으로나타났으며, 이상의결과로부터낙동강하구역에서의해수유동특성은낙동강하구둑으로부터방류되는하천수에의해결정되는것으로판단된다. 단면별해수유통량의 Net-flux 산정결과 Fig. 13과Fig. 14는해수유동수치실험을통해계산한갈수기 (Case 1) 와홍수기 () 의 15일간단면별유량flux를산정한결과이다. 갈수기 (Case 1) 에는진해만 (8) 으로부터유입되는유량이 1,380 10 3 m3 /day로낙동강으로부터의유입유량 96 10 3 m3 /day보다많았으며, 외해측의경우약 9,240 10 3 m3 /day 정도가외해측의서쪽단면 (Ⅵ) 으로유입하여약 10,715 10 3 m3 /day가동쪽단면 (Ⅶ) 을통해유출하는경향을보였다 (Fig. 13). 홍수기 () 에는낙동강주수로 (Ⅲ) 를통해 262,793 10 3 m3 /day가유입하여외해로유출하였으며, 진해만으로도일부유출하는것을알수있었다 (Fig. 14). 이상의결과를바탕으로낙동강하구역에서의갈수기 (Case 1) 와홍수기 () 의유량Flux의주흐름경로를표기하면갈수기에는외해측서쪽 (Ⅵ) 에서통해유입된해수가외해측동쪽 (Ⅶ) 으로빠져나가는흐름이매우강하며, 사주주변에서는흐름이상대적으로약한것으로나타났다. 또한진해만으로부터해수일부가유입되는것을알수있었다 (Fig. 15). 홍수기에는낙동강주수로를통해유입된하천수가외해로빠져나가는흐름이매우강하게나타났다 (Fig. 16). 단면별입자성부유물질의 Net-flux 산정 홍수기와갈수기의입자성부유물질의단면flux는다음과같다. 갈수기시에는진해쪽 (8) 단면에서유입된입자성부유물질이동쪽으로이동하여 Ⅱ, Ⅲ, Ⅴ, Ⅶ단면에서집적이, Ⅰ, Ⅳ, Ⅵ단면에서유출이발생하였으며, 외해측의서쪽단면 (Ⅵ) 에서유입된많은양의입자성부유물질은외해측동쪽단면 (Ⅶ) 을통해대부분이유출하였다. 특히 Ⅶ, Ⅲ단면에서각각 167,173 kg/day, 13,684 kg/day로유입량이많았으며, Ⅵ단면에서 130,934 kg/day로유출량이가장많았다 (Fig. 17). 홍수기에는낙동강본류로부터유입되는입자성부유물질이매우많았고, 외해측과진해에접한단면에서모두유출이나타났다. Ⅳ, Ⅴ단면에서집적이발생하였으며, 특히 Ⅳ단면에서 229,999 kg/day로많은양이집적되었고, 그외의 Ⅰ, Ⅱ, Ⅵ, Ⅶ 단면에서는유출이발생하였다 (Fig. 18). 하구역전체를커다란박스로생각하고박스에대한총유입량과총유출량을계산하여입자성부유물질의물질수지를살펴보았다. 그결과갈수기시에는유입량 191,966 kg/day중 60,708 kg/day가체류하여집적이발생하였고, 홍수기시에는 2,435,128 kg/day가유입하여유입량보다더많은 2,728,178 kg/day가유출되어전체적으로는 306,892 kg/day만큼유출이발생하는것으로나타났다. 이상의결과를통해낙동강하구역전체에서는갈수기및평수기에집적, 홍수기에유출이반복해서나타나는것으로판단된다. 하지만사주주변에서는유입, 유출의양상이다소복잡하여, 이지역에대한지속적인모니터링및체계적인관리가요구되어진다. 4. 결론및요약 본연구는낙동강하구역의체계적인관리방안을마련하기위한기초적연구로서낙동강하구역으로유입되는입자성부유물질의유입부하량을조사하고, 유입되어진오염물질의정량적인거동특성을살펴보았다. 먼저하천유량을산정하고, 수치실험을통하여하구해역의유동장을재현하였다. 재현된수치실험을통하여단면유량및입자성부유물질의 flux를계산하였다. 강우유출모형인탱크모델을구축하여계산한 1998년부터 2000년까지 3년간낙동강수계의유입점별평균
Case 1 Fig. 7 Computed tidal current on maximum flood flow at spring tide with Case 1 simulation. Fig. 10 Computed tidal current on maximum flood flow at spring tide with simulation. Case 1 Fig. 8 Computed tidal current on maximum ebb flow at spring tide with Case 1 simulation. Fig. 11 Computed tidal current on maximum ebb flow at spring tide with simulation. Case 1 Fig. 9 Distribution of computed tidal current ellipses during the spring tide with Case 1 simulation. Fig. 12 Distribution of computed tidal current ellipses during the spring tide with simulation.
Case 1 Fig. 13 Calculated result of water net-flux in each section(case 1). Fig. 14 Calculated result of water net-flux in each section(). Fig. 15 Horizontal distribution of cross-sectional water net-flux(case 1). Fig. 16 Horizontal distribution of cross-sectional water net-flux(). Case 1 Fig. 17 Calculated result of SPM Net-Flux in each section(case 1). Fig. 18 Calculated result of SPM Net-Flux in each section(). 하천유량은 10.42 10 3 m3 /sec로서홍수기인 7~9월에유입량이가장많았다. 수치실험을실시하여낙동강하구역의유동장을재현한결과, 낙동강을통해유입된하천수가사주주변을지나외해로유출하는흐름이우세하며, 하구해역의유동특성은낙동강의하천방류량에의해결정된다는것을알수있었다. 입자성부유물질의단면flux 산정결과갈수기는입자성부유물질이진해쪽에서유입하여동쪽으로이동하는경향을보였으며낙동강하구역의동측편인 Ⅱ, Ⅲ, Ⅴ, Ⅶ단면에서집적이발생하였고 Ⅰ, Ⅳ, Ⅵ단면에서유출이나타났다. 특히 Ⅶ, Ⅲ단면에서각각 167,173 kg/day, 13,684 kg/day로집적량이많았다. 홍수기는낙동강으로부터많은양의입자성부유물질이유입하여, 외해및진해와접한단면에서는유출되었으며, 주로 Ⅳ, Ⅴ단면에서집적이 Ⅰ, Ⅱ, Ⅵ, Ⅶ 단면에서는유출이나타났다. 하구역전체를커다란박스로생각하고박스에대한유입량과유출량을계산하여입자성부유물질의물질수지를살펴보았다. 갈수기시에는 191,966 kg/day의유입량중, 60,708 kg/day가체류하여집적이발생하였고, 홍수기시는유입되는 2,435,128 kg/day보
다더많은 2,728,178 kg/day가유출되어 306,892 kg/day 만큼유출이발생하는것으로조사되었다. 낙동강하구는갈수기및평수기에집적, 홍수기에유출이반복해서나타나는것으로판단된다. 하지만사주주변에서는유입, 유출의양상이다소복잡하여, 지속적인모니터링과체계적인관리가요구되어진다. 본연구의결과는낙동강하구역의유지및관리를위한기초자료로활용될수있을것이다. 차후낙동강하구역의이상적인보존을위해서수질오염및지형변화에대한대책마련및개발로인해사라진생태공간의조성을위한지속적인연구가실행되어야할것이다. 후 기 본연구는 2004년도의해양수산부해양수산개발원의수산특정연구개발사업으로수행중인 연안생태환경공간복원 / 조성기술 연구의일부내용이며, 연구비지원에감사드립니다. 참고문헌 [1] 국립해양조사원, 조석표, 1996, 2001, 2003 [2] 김경회, 이인철, 낙동강하구역사주주변에서의퇴적물질의유입거동해석, 한국해양공학회 2004 년도추계학술대회논문집, 2000, pp.133-136. [3] 김상호, 신승호, 양상용, 이중우, " 낙동강하구사주발달에관한연구, 한국해양환경공학회, 2003, Vol 6, No 3, pp.26-36. [4] 김석윤, 하정수, " 낙동강하구와주변연안역의표층퇴적상및퇴적환경변화 ", 한국수산학회, 2001, Vol 34, No 3, pp.268-278. [5] 김재중, 김기철, 이정만, 낙동강하구에서의부유사거동에관한연구, 한국해양공학회, 1995, Vol.9, No.1, pp.120-131. [6] 김종렬, 이인철, Tank 모델에의한낙동강오입오염부하량의계절변동예측, 한국해양공학회 2004 년도춘계학술대회논문집, 2004, pp.210-215. [7] 김차겸, 이종섭, 낙동강하구주변해역 3 차원해수유동및퇴적물수송모델링, 대한토목학회학술발표회논문집, 2000, pp.729-732. [8] 류청로, 장선덕, 낙동강하구의조석과유동, 한국해양학회지, 1979, Vol.17, No.2, pp.71-77. [9] 장선덕, 류청로, 이문옥, 이재철, 낙동강하구의염수운동, 한국해양학회지, 1981, Vol.16, No.1, pp.31-37. [10] 윤한삼, 이인철, 류청로, 낙동강하구역의사주퇴적특성과물질수송플럭스산정, 한국해양공학회 2004 년도춘계학술대회논문집, 2000, pp.131-137. [11] 이인철, "Tank 모델에의한영일만유입오염부하량의계절변동예측 ", 한국해양환경공학회, 2001, Vol. 6, No. 3, pp.63-71. [12] 이인철, 김경회, 류청로, 김윤태, " 낙동강하구역의퇴적물유입거동해석에관한연구 ", 한국해양환경공학회 2004 년도춘계학술대회논문집, 2004, pp.218-222. [13] 柳哲雄, " 海況モデル ", 岸海洋硏究ノト, 1993, pp.87-195. [14] 柳哲雄, " 海水交換と水質變化 ", 岸海洋硏究ノト, 1993, pp.139-145. [15] Leendertse, J.J., "A water quality simulation model for well-mixed estuaries and coastal sea", 1971, Vol.2, Rand Corporation. [16] Masao Ukita, "Study on Transport and Material Balance of Nutrients in Yamakuchi Estuary", Water Science and Technology, 1988, Vol 20, pp.1199-1210. [17] Terumi Tanimoto, and Akira Hoshika, "Settling Velocity of Suspended Particles in Osaka Bay and Etauchi Bay", 海の硏究, 1994, Vol 3, No 1, pp.13-20. [18] Yasuo Mastukawa, and Terukai Suzuki, "Box Model Analysis of Hydrography and Behavior of Nitrogen and Phosphorous in a Eutrophic Estuary", J. Oceanol. Soc. Jpn, 1995, Vol 41. pp.407-426.