1. 서  론

새만금 사업은 국토의 외연적 확장, 수자원 개발, 대체농지 조성 및 쾌적한 복지 농어촌을 건설하는 것을 목적으로 30여년 이상 추진 중인 대규모 국책사업이다. 그러나 개발의 가속화에 따라 수질오염에 대한 우려가 높아졌고 1996년 새만금과 유사한 시화호의 오염이 사회적 문제로 대두되면서 오염 해소가 핵심문제로 등장하였다(Institute of Rural Research, 2005). 현재 새만금 호 내로 유입되는 만경, 동진강 유역은 대규모 관개시스템을 통해 하천수의 대부분을 농업용수로 취수하고 있어 하천의 건천화가 심화되고 이에 따라 수질관리와 수생태계 보전에 어려움이 있다(Kim et al., 2016). 이러한 새만금 유역에 대해 친환경적 개발을 위하여 향후 조성되는 새만금호의 적정수질유지 및 합리적인 수질관리 대책 수립이 중요하며, 이를 위하여 지속적인 모니터링 및 유역과 수역의 기작 등을 합리적으로 구현할 수 있는 수질예측 모델을 구축, 운영 할 필요가 있다(Ministry of Agriculture and Forestry, 2012). 이에 환경부는 제2단계 수질개선종합대책 추진에 따른 개별 대책별 수질개선효과를 정량적으로 평가하기 위해 수질모델링 기법을 수행한 결과 외부유입량증가에 따라 하천과 호 내의 수질이 상당히 개선될 수 있음을 제시하였으며 2012년 용담댐과 섬진강댐의 방류량이 전년대비 약 8% 증가됨에 따라 새만금호의 수질이 평균 20% 개선된 것으로 보고되면서 수질개선을 위한 유량확보가 요구되고 있다(Ministry of Environment, 2014). 새만금호의 상류에 위치한 만경․동진제수문은 농업용수 취수를 위해 1년중 대부분의 기간동안 유량이 정체되어 있다. 따라서 저류되어있는 유량을 효율적으로 방류한다면, 유역내에서 자체적으로 새만금호의 유입량을 확보할 뿐만 아니라 수질개선에도 기여할 것으로 판단된다.

방류조건에 따른 수질개선효과를 분석한 연구로는 Lee et al. (2008)은 낙동강 하구둑의 수문운영 개선 적용성을 검토하였으며, CE-QUAL-W2를 이용하여 20%정도 방류량을 증가시켜 하구둑 하류측 해역의 수질변화를 모의한 바 있다. Lee et al. (2009)은 낙본N지점의 목표수질을 달성하기 위해 RMA2 모형과 RMA4 모형을 이용하여 대저수문과 녹산수문의 적정 방류량 및 수문 연계운영 효과를 검토하였으며, Kang et al. (2012)은 Soil and Water Assessment Tool (SWAT)모형을 이용하여 수문운영에 따른 서낙동강의 유량과 수질 거동을 모의한바 있다.

Yin et al. (2013)은 Environmental Fluid Dynamics Code (EFDC) 모델과 Water quality Analysis Simulation Program (WASP) 모델을 연계하여 경인아라벳길의 갑문 운영에 따른 3차원 시공간적 수리 및 수질특성을 예측할 수 있는 시스템을 구축하였으며, 수질농도개선을 위해 한강측 갑문조작시 수체의 체류시간을 단축시켜서 운영하는 방법을 제안한바 있다.

Kim et al. (2016)은 Qual2K모형을 적용하여 농업용저수지의 방류능력을 평가하였고 하천환경용수 방류에 따른 하류하천의 수질변화를 모의하였다. 저수지 방류 시나리오에 대해 분석한 결과 적정방류량은 3,000 ton/day로 나타났으며, 방류 전후의 수질을 비교한 결과 BOD와 SS의 농도가 오히려 증가하여 저수지 수질에 따라 하류하천의 수질이 오염될 수 있음을 시사한 바 있다.

현재 새만금호에 대하여 방류량 증가에 의한 수질개선효과를 분석한 연구는 전무한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 새만금유역과 호 내의 복잡한 수체 형상, 유입 및 유출 구조를 반영하는데 적합한 모델을 적용하고 재현성이 검토된 모델 결과를 이용하여 호 내 수질을 모의하였다. 또한 구성한 모형의 결과를 바탕으로 만경강, 동진강 상류에 위치하고 있는 제수문에서의 방류조건을 가정하여 모의를 수행하였으며, 모의결과를 토대로 제수문운영에 따른 호 내 수질 변화 및 영향 범위를 제시하여 효과적인 수질관리에 기여하고자 한다.

2. 연구방법

2.1 대상유역

새만금유역은 만경강, 동진강과 서해안 일부지역으로 총면적은 3,319 km²이다. 그 중 만경강과 동진강의 유역면적은 각각 1,571 km², 1,034 km²이며, 전체 유역 면적의 78.5%를 차지하고 있다. 새만금유역의 토지이용은 임야 39.47%, 농경지(논, 밭) 38.91%, 대지 및 기타 21.61%로 구성되어져 있으며, 타 지역에 비해 농경지의 비중이 높다. 새만금 유역도는 Fig. 1과 같다.

Fig. 1.

Location of the study area

새만금호의 상류인 만경강유역은 본류에 소양천, 전주천, 익산천, 탑천 등의 지천과 용담댐 방류량이 합류되어 새만금호로 유하하며 주된 외부 유입원으로는 용담댐 방류량이 있다. 용담댐 제1발전소의 발전용수로 사용된 수량의 일부는 정수장을 거쳐 생활용수로 공급되며, 남은 수량이 만경강으로 방류되어 하천의 상류 유량으로 공급된다. 주요시설물로는 어우보와 대아댐, 만경제수문등이 있다.

동진강유역은 유역변경식 섬진강댐에 의해 섬진강의 물을 받아들임으로써 용수의 혜택을 크게 받고 있으며, 주위에는 정읍, 김제시, 부안군 등이 위치하고 있다. 주요시설물로는 보림보, 낙양보, 정읍간선, 동진강 제수문등이 있다(Iksan Regional Construction Management Administration, 2009).

2.2 유역모형의 적용

새만금유역과 같이 농업지역이 대부분을 차지하는 경우 유역의 수문, 수질기작을 반영하기 위한 모형으로 일반적으로 미국 Texas A&M대학에서 운영하고 있는 SWAT모형이 이용되고 있다. 본 연구에서는 SWAT모형을 이용하여 새만금유역에 대해 모의를 수행하였으며, 모형에 대한 이론은 해당 매뉴얼에 상세히 기재되어 있다(Texas Water Resource Institute, 2011). SWAT모형은 강우․유출모델과 수질모델이 GIS와 연결되어있는 모형으로써 장기유량과 수질을 모의할 수 있다. 입력 자료로는 강우, 온도, 풍속, 일조량, 상대습도 등의 기상․수문자료와 Digital Elevation Model (DEM), 토지이용도, 토양도 등의 유역자료로 구성된다(Srinivasan et al., 2010). 본 연구에서는 수질오염총량관리제상의 세유역을 중첩시키고 하천망을 표현할 수 있는 최적의 임계값을 시행착오법을 적용하여 하천생성을 위한 최소배수면적을 140 ha로 설정하였으며, 이에 따라 만경강유역 162개, 동진강유역 141개의 소유역으로 분할하였다. 분할된 소유역에 대하여 Hydrologic Response Units (HRU) Definition 과정 중, Land use와 Soil Class의 면적 비율을 각각 5%와 10%로 설정하여 공간적인 특성을 반영하도록 하였으며, 이에 따라 만경강유역은 1,777개, 동진강유역은 1,222개의 HRU로 구분하였다. 1:25,000 수치지도를 이용하여 시간의 효율성과 모의결과의 정확성을 고려하여 30×30m 격자의 DEM을 구축하였고 토지이용도는 환경부 환경지리정보서비스에서 제공하는 축척 1:25,000의 중분류 토지피복도를 이용하였다.

토양도는 국립농업과학원에서 제작된 1:25,000 정밀토양도를 이용하였으며 기상자료는 새만금유역 기상관측소(전주, 군산, 정읍, 부안) 및 강우관측소(전주, 고산, 임피, 구이, 용지, 금마, 봉동, 용진, 정읍, 고부, 김제, 태인, 산외, 금구)에서 강수량(mm), 최고․최저온도(°C), 풍속(m/s), 상대습도(%), 일사량(MJ/m²)에 대해 2008년 1월 1일부터 2012년 12월 31일까지의 관측된 일별 자료를 수집 후 각각 .dbf파일을 생성하여 입력 하였다.

2.3 유역모형의 재현성 검토

SWAT모형에 의한 모의기간은 총 5년(2008~2012년)이고, 이 중 안정화기간은 3년(2008~2010년)이며 모델의 보정은 2011년, 검증은 2012년이다. SWAT모형에서 각 HRU별 강우에 따른 유출량 계산은 지표유출의 경우 Soil Conser-vation Service (SCS) Curve Number 방법을 이용하였고 지표, 지표하, 기저 유출은 하천구간들 사이의 연계성을 고려하여 Muskingum 방법을 이용하였다. 유출량 보정 절차는 만경, 동진강유역의 최상류인 만경B, 정읍A에 대하여 먼저 실시하였고 하류단으로 내려가며 유출량을 보정하였으며 지표유출(CN, SOL_AWC, ESCO), 기저유출(ALPHA_BF, GWQMN, REVAP-MN, GW_REVAP), 첨두유량(CH_N, CH_K) 이후 감쇠곡선 보정 순으로 수행하였다. 모델의 오차평가는 결정계수(R², Correlation coefficient), RMSE (Root Mean Square Error), 차이퍼센트(%Difference)를 이용하였다. R²과 RMSE, %Diff.의 계산식 및 평가방법은 Kim, T. Y. (2011)에서 찾아 볼 수 있다. 유출량 모의결과 R²:0.54~0.9, RMSE:0.58~ 17.56, %diff.: -32.56~21.01로 평가되어 모의값이 실측값을 적정수준 반영하는 것으로 나왔으나, 동진강의 경우 오차율이 다소 높게 산정되었다. 이는 동진강유역 특성상 도수시설이 복잡하게 형성되어있고 주변 농경지에 농업용수를 공급하기 위해 동진강 본류의 흐름을 막고 낙양보를 통해 취수하여 김제용수간선, 정읍용수간선으로의 용수공급에 의한 영향으로 판단된다. Table 2에 유출량 보정 및 검증결과를 나타내었다.

BOD의 경우 20°C에서 CBOD에 의해 소모되는 탈산소계수(RK1), 20°C에서 침전에 의한 CBOD 손실율(RK3), 각 토층의 유기탄소 함유량(SOL_CBN)의 매개변수를 주로 이용하여 보정하였다. T-N보정시 20°C에서 암모니아질소에 대한 침전반응속도(RS3), 20°C에서 유기질소에 대한 침전반응속도(RS4), 질소 조류 생체량 분율(AI1), 20°C도달 시 NH₄에서 NO₂의 생물학적 산소 비(BC1), 20°C도달시 NO₂에서 NO₃의 생물학적 산소 비(BC2), 20°C에 유기질소에서 NH₄의 가수분해 속도상수(BC3)를 주요 매개변수로 보정하였다. T-P보정시 20°C에서 용존인의 침전율(RS2), 20°C에서 유기인의 침전율(RS5), 인 조류 생체량 분율(AI2), 20°C에서 유기인에서 용존인의 광물질 상수비(BC4)를 주요 매개변수로 보정하였다. T-P의 경우 유기인(ORG-P)과 무기인(MIN-P)의 합으로 부하량을 산정하였고, 산정된 부하량에서 해당일자의 유량으로 나누어 일 농도를 구하였다. 모의결과 BOD의 경우 RMSE: 0.65~0.85, %diff.: 4.9~20.1, T-N의 경우 RMSE: 0.64~4.5, %diff.: 4.5~19.4, T-P의 경우 RMSE: 0.07~0.41, %diff.: 5.3~27.5로 평가되어, 실측치를 잘 반영하는 것으로 평가되었다.  Table 3에 수질모의결과를 나타내었고 유출량과 수질농도 보정 시 사용된 매개변수는 Table 1과 같다.

Table 1. The major water quantity and quality parameters of SWAT model

Table 2. Evaluation of SWAT model performance through runoff calibration and verification

Table 3. Evaluation of SWAT model performance through water quality calibration and verification

2.4 호소모형의 적용

EFDC 모형은 초기에 Virginia Institute of Marine Science에서 개발되었으며 현재는 USEPA와 Tetra Tech, Inc.에 의해 개발 관리되고 있는 3차원 수리동역학모형이다. EFDC모형의 물리학과 수치 계산적 측면은 Blumberg Mellor모형과 미공병단의 Chesapeake Bay 모형과 유사하다(Tetra Tech Inc., 2007). EFDC 모형은 가변 밀도 흐름에 대해 수직적으로 정수압 가정을 하며, 자유표면, 그리고 난류 평균의 3차원 운동방정식의 해를 구한다. 운동방정식에 동력학적으로 연결된 난류 운동에너지, 난류길이스케일, 염도, 그리고 온도 이송 방정식 또한 함께 풀어진다. 또한 부유물질 또는 용존물질에 대한 Eulerian 이송 전환방정식도 동시에 해를 구한다. 이송 방정식의 이송항에 대해서는 중앙차분법을 사용하거나 positive definite upwind difference 방법을 사용한다. EFDC 모형은 유체의 이동, 염분 및 온도 모의 이외에도 흡착성 또는 비흡착성 부유물질의 이동, 오염원유입에 의한 희석, 부영양화 기작, 독성 오염물질의 이동 및 반응 등에 대한 모의가 가능하다. 특히 유동해석은 댐, 암거 등의 치수 구조물 해석뿐만 아니라 수심이 얕은 수체에 대한 젖음/마름현상을 모의할 수 있어 인공습지 등에서의 수체거동을 가능케 한다. 또한 유동 및 확산 등의 물리적인 이동기작에 대한 정보는 비반응성 또는 반응성 수질변수들의 모의를 위해 사용될 수 있다(Choi et al., 2012). 수질모형은 3개의 조류 그룹과 탄소, 질소, 인 성분, 규소의 순환 용존산소 역학, 분변성대장균군과 같이 21개의 수질변수를 모의할 수 있다(Tetra Tech Inc, 2007).

2.4.1 모형의 기본방정식

EFDC모형의 3차원 연속방정식과 운동방정식, 정역학 방정식은 다음과 같다(Choi et al., 2012).

 (1)

 (2)

 (3)

 (4)

 (5)

여기서, , 는 , 방향에서 수평속도성분(m/sec)이고, 는 변환된 무차원 연직좌표계 에서의 연직유속성분(m/sec)이다. 는 기준면하 수심(m)이고, 는 기준면에서의 수면변위(m)이며, H는 전체수심으로 h+의 값이다. , 는 곡선좌표계 임의거리 을 만족시키는 Metric Tensor의 대각성분의 제곱근이다. , 는 Momentum Source-Sink 항(kg․m/sec)이고, 는 압력(Pa)을 나타내며, 는 Coriolis parameter, 는 수직난류점성계수이다. 는 밀도(kg/m³), b는 부력(m/sec²), 는 중력가속도(m/sec²)이다(Tetra Tech Inc., 2007).

수질해석에 사용되는 기본방정식은 다음과 같다(Choi et al., 2012).

 (6)

여기서, 는 각 수질인자의 농도를 나타내며, , , 는 , , 방향에서의 난류확산계수이며, 는 단위체적당 Source-Sink 항이다(Tetra Tech Inc., 2007).

2.4.2 입력자료 구축

EFDC 모형에 적용되는 좌표계는 직각좌표계(Cartesian Coordinate)와 직교곡선좌표계(Orthogonal Cuvilinear Coor-dinate)가 있다(Tetra Tech Inc., 2007). 본 논문에서 EFDC 모형을 이용하여 새만금유역의 개발 전과 개발 후의 수리․수질을 모의하기 위해 적용된 격자망은 직교곡선좌표계로서 이는 주 흐름방향을 중심으로 최소한의 격자를 생성하여 불필요한 격자수를 줄이고 모의 영역의 경계를 잘 반영 할 수 있는 장점이 있다. 직각좌표계를 사용 할 경우 하천과 같이 종방향으로 길게 분포하고 만곡부와 급확대, 급축소 구간이 반복될 경우 불필요한 격자를 생성해야하며 불필요해진 격자의 수만큼 계산시간 또한 길어진다는 단점이 있다(Jeon et al., 2012).

새만금호는 방조제 완공 이후 해수의 순환이 이전보다 약해져 해수 및 물질의 수평, 수직적인 혼합이 약해졌고 이러한 수리적인 변화는 수질 및 생태계에도 영향을 미칠 수 있다. 특히 담수유입과 유속 약화에 의한 호 내측의 성층화는 수질변화를 일으키는 중요한 요소로 작용 할 수 있다(Suh et al., 2010). 따라서 대상유역을 모의하기 위해서는 적절한 수직층의 개수와 두께 설정이 중요하다. 본 연구에서는 연직방향으로 3개의 로 구성하여 한층당 33.33%의 높이를 할당하였으며 수심과 지형, 수문현상을 잘 재현하도록 하였다. 직교편차(Orthogonality Deviation)는 15〫 이하로 구성하며 본 격자의 경우 0.07〫 ~47.71〫 의 범위로 평균 11.71〫 의 오차를 보여 적절히 구성하였다. 격자구성을 위해 이용된 지형파일은 1:25,000 수치지도와 해도, 만경강 하천기본계획, 동진강 하천기본계획(Iksan Regional Construction Management Administration, 2009)을 이용하였으며, SMS 9.2 (Environ-mental Modeling Research Laboratory, 2007)를 사용하여 수행하였다.

생성된 격자의 개수는 개발 전 2,437개(Fig. 2)이고 개발 후 1,731개(Fig. 3)이며 만경, 동진강으로부터 유입부는 좁게, 외해방향으로 나아갈수록 크게 구성하였으며 모의 수질항목은 수온, DO, COD, Chl-a, T-N, T-P으로 총 6개이다. 모형의 수리 및 수질모의를 위한 유입경계조건은 만경제수문, 동진제수문, 원평천이며 외해로부터 유출입은 개방경계조건을 설정하여 모의하였다. 개방경계에서 유출입 자료는 해양 조석 모델은 NAO99.JB (Matsumoto et al., 2004)의 결과에서 제공되는 4개 분조를 합성하여 매 계산시간마다 입력하고, 새만금유역으로부터 유입되는 자료는 SWAT 모형의 모의결과를 이용하였다.

Fig. 2.

Grid structure for the Saemangeum estuarine reservoir (Before development)

Fig. 3.

Grid structure for the Saemangeum estuarine reservoir (After development)

2.4.3 모형의 적용

수리모델의 검증은 지점 T1에 대해 국립해양조사원에서 제공하는 해측 조석자료와 조류유속자료(http://www. khoa. go.kr)를 이용하여 검증하였으며, 새만금 호 내측에 대해서는 내부 수위변화에 대해 검증하려 했으나, 자료를 수집하는데 제한적인 부분이 있어 가용할 수 있는 자료를 최대한 활용하였다. 보정 및 검증 위치는 Fig. 2와 같다. Fig. 4는 T1지점에서 계산된 조위와 실측조위를, Figs. 5 and 6은 계산된 X, Y방향의 유속과 실측유속을 비교한 결과이다. 비교한 결과 조위와 유속 모두 잘 일치함을 보였다.

Fig. 4.

Verification of tide level at T1 station

Fig. 5.

Verification of velocity (X component) at T1 station

Fig. 6.

Verification of velocity (Y component) at T1 station

Table 4. Major water quality parameters used in the EFDC model

수질모의는 수온과 DO에 대한 보정이 선행되어야 하는데, 수온은 물의 다양한 물리․화학적인 특성에 영향을 미치며 DO, pH, 화학독성, 암모니아, 금속 등과 상호작용을 통해 하천과 호소수질에 직접적으로 영향을 미치기 때문에 수질보정 초기단계에서 반드시 필요하다(Chapra, 1996).

저층용출이나 SOD는 퇴적층과 바닥층에서만 일어나는 반응이며, 이러한 수질변화는 이류 및 확산에 의해 표층에 영향을 미친다. 그러나 새만금호와 같이 유동이 약한 수역에서는 저층용출이나 SOD와 같이 수직적 작용에 민감할 수 있으나 그 영향이 표층까지 전파하지 못하고 저층에서 지속적으로 영향을 미칠 수 있다. 따라서 SOD 및 저층용출의 영향이 모델 결과에 민감하게 작용할 수 있으므로 적절한 입력이 필요하다(Ministry of Environment, 2011). 관련변수는 Card image 47에서 입력하였고 PO₄, NH₄, NO₃, Silica, COD, SOD, 6가지 변수에 대하여 적용된다. 이외 조류(Algae), 유기탄소(Organic carbon), 인(Phosphorus), 질소(Nitrogen), 화학적 산소요구량(Chemical Oxygen demand)과 관련된 변수를 시행착오법을 통하여 입력하였다.

보정시 이용한 주요 매개변수는 Table 4에 제시하였으며 다음과 같다. 조류관련 주요 매개변수는 최대성장속도, 반포화상수, 탄소와 Chl-a의 비, 최적온도등이고 유기탄소관련 주요 매개변수는 입자상 유기탄소의 침강속도, 유기탄소의 1차 분해상수등이다.

인 관련 매개변수는 입자상 유기인의 침강속도, 입자상 유기인의 1차분해상수, 퇴적물에서 인의 용출율등이고 질소 관련 주요 매개변수는 입자상 유기질소의 1차분해상수, 퇴적물에서 암모니아성 질소 용출율등이다.

화학적 산소 요구량 관련 주요 매개변수는 COD의 1차 분해속도상수, 퇴적물에서 화학적 산소요구량의 용출율등이고 규소관련 주요 매개변수는 규소비율, 입자성 규소의 분해율등이다. Table 5에 보정 및 검증결과를 제시하였고, 오차의 크기와 신뢰도를 평가한 결과 모의치가 실측치를 잘 반영하는 것으로 나타나 대상수계의 수질을 예측할 수 있는 모델로 평가되었다.

Table 5. Result of calibration and verification with observed data for performances of EFDC model

3. 연구결과 및 고찰

새만금호는 방조제 완공 이후 해수유통량이 감소하고 성층이 발달하여 하천으로부터 유입되는 유량과 오염부하량이 중요하다(Suh et al., 2010). 그러나 현재 상류에 있는 만경제수문과 동진제수문 운영은 관개기 농업용수 취수를 위해 만경․동진강의 유량을 방류시키지 않으며 비관개기에도 대부분 제수문을 닫아놓는 형태로 운영되고 있다(Ministry of Environment, 2014). 따라서 상류제수문 운영조건에 따른 새만금해역 개발 후(2020년) 수질을 예측하기 위해 새만금 개발계획에 따라 격자를 재구축 하였으며 관개기 상류제수문의 방류조건에 따른 호 내 수질을 모의하였다. 상류제수문의 방류조건은 관개기 농업용수를 고려하지 않고 전량 방류했을 경우, 65%방류했을 경우, 최소(1m³/s)로 방류했을 경우이다. 각각의 방류조건 설정 기준은 1m³/s방류의 경우, 닫혀있는 제수문에서 하류로 손실되는 최소한의 유량을 고려하였고, 65%방류의 경우 향후 제수문 운영을 가정하여 모의하였을 때 목표수질에 근접한 수치를 나타내어 선정하였다. 새만금개발청에서 제시하고 있는 목표수질은 Table 6과 같다. 만경제수문과 동진제수문, 원평천의 경계조건은 SWAT모형 결과에 의한 자료를 이용하였다.

Table 6. Target water quality of Saemangeum reservoir

3.1 방류조건별 수질 모의

방류조건별 농도 변화를 살펴보면(Fig. 7) 상류측(M3, D3)의 경우 전량방류조건과 65%방류조건은 5월부터 오염물질 농도가 서서히 증가하여 6~7월 가장 높은 수치를 나타내고 홍수기가 지난 이후부터 점차 안정되어가는 양상을 나타냈다. 최소방류(1m³/s)조건의 경우 관개기가 시작되는 4월부터 서서히 오염물질 농도가 증가하여 6~7월에 가장 높은 수치를 나타내고 홍수기가 지나면서 서서히 농도가 감소하나, 관개기가 끝난 이후에도 수질이 안정되어지지 않고 오염농도가 지속되는 양상을 보였다. 하류측(M5, D5)의 경우 대체적으로 상류측과 비슷하게 농도가 증가하고 감소하는 경향을 보였으나 완만한 형태의 양상을 보였다. 이는 하천으로부터 유입되는 오염부하에 호 내 상류측 수질이 민감하게 반응하며, 하류부로 갈수록 호 내부를 유하하며 희석효과와 해수 유입으로 인해 오염농도가 완만한 형태로 증가․감소하는 것으로 판단된다.

Table 6에 제시되어 있는 새만금호 내 목표수질과 비교하여 방류조건별 모의된 수치를 살펴보면 전량방류조건 시 M3지점에서 T-N(0.412mg/L초과)항목, M5지점에서 T-N(0.083mg/L초과), T-P (0.006mg/L초과)항목에 대해 목표수질을 초과한 것으로 모의되었지만 목표수질에 근접한 수치를 나타내었다. 65%방류조건을 적용시켜 모의 한 결과 M3지점에서 T-N (0.567mg/L초과), T-P (0.006mg/L초과)항목, M5지점에서 T-N (0.125mg/L초과), T-P (0.015mg/L초과)항목에 대해 목표수질이 초과한 것으로 모의되었다. 최소방류조건(1m³/s)을 적용시켜 모의 한 결과 M3지점에서 T-N (1.619mg/L초과), T-P (0.072mg/L초과)항목, M5지점에서 T-N (0.178mg/L초과), T-P (0.020mg/L초과)에 대해 목표수질이 초과한 것으로 모의되었다. 목표수질을 초과한 지점은 M3, M5지점으로 나타났다. 이는 만경강유역의 악화된 수질이 유입되어 나타난 결과로 판단되며, 동진강의 경우 적은양이지만 원평천의 유량이 유입되고, 특히 관개기와 겹치는 홍수기 유량이 유입되어 목표수질을 초과하지 않는 것으로 판단된다.

Fig. 7.

Result of water quality item simulation

Table 7에서 보는바와 같이 지점별 연평균농도를 살펴보면 최소방류(1m³/s)조건시 상류측인 M3, D3지점에서 오염물질농도가 높은 수치를 보이며, 전량방류를 했을 경우 M3지점에서 COD 4.7 → 3.5 mg/L, T-N 2.619 → 1.412 mg/L, T-P 0.172 → 0.097 mg/L, Chl-a 15.8 → 10.7mg/m³, D3지점에서 COD 3.3 → 2.8 mg/L, T-N 0.828 → 0.623 mg/L, T-P 0.065 → 0.056 mg/L, Chl-a 9.8 → 7.7 mg/m³로 예측되어 수질이 개선되는 것으로 나타났다. 이는 만경강과 동진강 제수문의 방류량으로 인해 유황이 개선되고 호 내 오염부하농도가 감소하는 것으로 판단된다. 방류조건에 따른 수질개선 효과는 Table 8과 같다.

Table 7. Prediction of Water quality according to discharge condition

Table 8. Effect of Water quality improvement according to discharge conditions

3.2 방류조건에 따른 영향범위 예측

방류량에 따른 영향범위를 예측하고자 갈수기 기간을 선택하여 방류조건별 COD 및 T-P농도 값을 최소방류조건을 기준으로 편차를 구하여 농도 변화를 살펴보았다. COD 농도의 경우 하류측으로 갈수록 수질 농도가 같은 편차의 기준은 0.1 mg/L, T-P의 경우 0.009 mg/L로 설정하였고 이를 만족 시 영향범위로 결정하였다.

COD 농도의 영향을 미치는 Cell을 살펴보면 만경강유역의 경우 최소방류조건에서 Cell I=49, J=43 까지 영향을 미쳤다. 65%방류조건에서는 Cell I=44, J=35, 전량방류조건에서는 Cell I=44, J=25 까지 영향을 미치는 것으로 나타났다. 동진강유역의 경우 최소방류조건에서 Cell I=18, J=47 까지 영향을 미치는 것으로 나타났고, 65%방류조건에서는 Cell I=18, J=38, 전량방류조건에서는 Cell I=21, J=31 에서 농도의 편차가 기준 편차에 만족하는 것으로 나타났다.

T-P 농도의 경우 만경강유역의 최소방류조건에서 Cell I=49, J=43 까지 영향을 미쳤다. 65%방류조건에서는 Cell I=46, J=32, 전량방류조건에서는 Cell I=44, J=25 까지 영향을 미치는 것으로 나타났다. 동진강유역의 경우 최소방류조건에서는 만경강유역과 동일하게 Cell I=18, J=47까지 영향을 미치는 것으로 나타났고, 65%방류조건에서는 Cell I=18, J=38, 전량방류조건에서는 Cell I=20, J=26 에서 기준 편차에 만족하였다.

COD와 T-P농도에 대해 전량방류 조건의 영향범위를 거리로 살펴보면 만경강의 만경강대교에서 새만금호 하류방향으로 약 22 km지점, 동진강의 동진강대교에서 새만금호 하류방향으로 약 15 km 지점까지 영향범위를 보이는 것으로 나타나, 호내 중․상류구간에 지배적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이는 신시, 가력 배수갑문을 통한 창조시 해수의 유통으로 인하여 하류측까지 방류량의 영향은 미비한 것으로 판단된다. COD항목에 대하여 방류조건에 따른 영향범위를 Fig. 8에 나타내었다.

Fig. 8.

Influence range according to discharge conditions (COD concentration)

앞서 제시한 지점별 농도변화와 방류조건별 영향범위를 살펴보면, 하류측으로 갈수록 수질개선에 영향을 적게 미치지만, 증가된 방류량에 의해 수질이 개선되는 점으로 보아, 제수문에서의 방류량증가는 호 내 수질개선에 기여하는 것으로 판단된다.

4. 결  론

본 연구에서는 새만금호를 연구 대상지역으로 선정하여 새만금 유역에 대해 SWAT모형을 적용시켜 자료를 구축하였고, 결과를 토대로 3차원 수리․수질모델인 EFDC를 이용하여 호 내 수질을 모의하였다. 또한 상류제수문 방류조건에 따른 수질 변화를 모의하여 호 내 수질변화와 영향범위를 추정하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.

1)제수문에서 방류조건을 적용시켜 호 내 수질을 모의한 결과 M3, M5지점에 대해 T-N, T-P항목이 목표수질을 초과한 것으로 모의되었다. 또한 M3, D3 지점에서 방류조건별 농도변화가 커 호 내 상류측이 유입수에 민감하게 반응하는 것으로 나타났다.

2)수질개선효과를 살펴보면 지점별 연평균농도 산정 결과 최소방류와 전량방류를 비교 했을 때, M3지점에서 COD 1.3mg/L감소, T-N 1.207mg/L감소, T-P 0.08mg/L감소, Chl-a 5.1mg/m³감소, D3지점에서 COD 0.5mg/L 감소, T-N 0.205mg/L감소, T-P 0.009mg/L감소, Chl-a 2.1mg/m³ 감소하는 것으로 예측되어 수질이 개선되는 것으로 나타났다. 이는 만경강과 동진강 제수문의 방류량으로 인해 유황이 개선되고 호 내 오염부하농도가 감소하는 것으로 판단된다.

3)방류조건별 영향범위를 살펴본 결과 65%방류조건에서는 호 내 상류구간에 지배적인 영향을 미치는 것으로 나타났고, 전량방류조건에서는 호 내 중․상류구간 지배적인 영향을 미치는 것으로 평가되었다. 또한 COD와 T-P농도에 대해 전량방류 조건의 영향범위를 거리로 살펴본 결과, 만경강대교에서 새만금호 하류방향으로 약 22km지점, 동진강대교에서 새만금호 하류방향으로 약 15km 지점까지 영향범위를 보이는 것으로 나타났다. 이는 신시, 가력 배수갑문을 통한 창조시 해수의 유통으로 인하여 하류측까지 방류량의 영향은 미비한 것으로 판단된다.

유역 내 제수문 관리를 통한 방류량 조정은 새만금호의 효과적인 수질관리에 기여 할 것으로 예상되며 향후 제수문의 체계화된 운영방안 수립이 필요할 것으로 판단된다.