일반적으로 흐름이 정체된 하천과 바다에서는 부유물질, 영양염류 등의 오염물 농도의 증가에 따라 수질악화와 더불어 악취가 발생하는 등의 문제가 발생한다. 따라서 문제 해결을 위해서는 외해로 직접 연결되는 지하터널과 갑문 추가 설치와 같은 방법들이 대표적으로 언급되고 있다. 해수천의 수질개선 사례는 아니지만 방조제 측면에 설치된 갑문 1개로는 해수교환이 충분치 못했던 시화호의 경우, 해수교환 증진 및 수질개선을 위해 방조제 중앙부에 추가적인 갑문 2개소를 설치하고, 조력발전 터빈시설을 이용할 수 있다는 방식을 제시한 연구사례가 있었다(Jeonbuk national university, 2020). 또한 수질개선을 위해 평시, 홍수시, 태풍 등의 발생 이벤트에 따른 관리수위 등의 조절과 함께 빈번한 갑문개방을 통해 수질을 개선할 수 있다는 운용방안을 제시한 사례도 있다(Ministry of environment, 2011). 선행연구들에서 다루는 수질개선 방법은 조금씩 다르지만, 근본적으로 해수교환을 늘려야 한다는 공통점을 확인할 수 있었다,

다만 이번 연구에서는 면적이 넓은 시화호와 새만금의 사례와 달리 동삼혁신지구 주변을 가로질러 흐르며 폭이 좁은 하천의 형상을 갖는 동삼해수천의 특성으로 인해 새로운 지하터널이나 추가적인 갑문 설치는 현실적으로 어렵다. 따라서 이에 대한 대안으로 조위차를 이용해 일방향으로 흐르는 수문을 활용한 해수유입을 통해 산성화된 배후 습지에서의 수질을 개선한 사례와 분석 결과를 제시했던 Johnston et al.(2005)의 연구사례 등을 참고하여 갑문과 조위차를 이용한 수질개선 방식에 대해 분석해보고자 한다. 특히, 한국해양과학기술원은 기존 선행연구(Jin et al., 2021)에서 전산유체역학(CFD) 모델중 하나인 ANSYS-CFX를 사용해 동삼해수천에서 양방향 수문의 설치여부와 흐름방향에 대한 수치해석을 수행하였고, 이를 통해 해수교환율 증진을 위한 하천 중앙부의 유속 증대 효과를 간접적으로 확인하였다.

연구대상지인 동삼해수천은 부산 영도구 동삼동 1125번지 일원에 조성되어 조수간만차에 의해 해수가 유입⋅유출되는 특성을 가진다. 동삼해수천은 크루즈터미널과 한국해양대 삼거리를 양측 끝단으로 동삼혁신지구를 가로지르는 ‘U’ 자 형상을 나타낸다(Fig. 1(a)). 해수천의 총길이는 약 2.1km, 깊이 3m, 폭은 약 5m이다(Kookje daily news, 2019). 동삼해수천은 기본적으로 담수하천에 비해 하상경사가 낮아 흐름이 강하지 않고, 직선이 아닌 U자 형상을 나타내는 만큼 구간별로 수로폭, 수심 등의 하상단면과 부유물 등의 흐름 및 퇴적 경향이 달라지는 공간적 특성을 보이는데 하천을 길이 방향으로 크게 3개의 구역으로 나눌 수 있다. 첫째로 해양대 삼거리부터 동삼해수천의 중앙부 이전까지의 구간으로 3개의 구역중 하천폭이 가장 좁고, 터미널측 구간과 함께 하천 중앙부보다는 수심이 깊은 하상단면을 나타낸다. 둘째로 해수천 중앙부 구간으로 해수천 양쪽 끝단과 해수천 내부로 흐르는 배수암거 등을 통해 유입된 퇴적된 토사 등에 의해 상대적으로 가장 수심이 낮다. 셋째로 하천 중앙부 경계로부터 350m 정도의 복개구간 지나 외해와 소통하는 크루즈터미널까지의 구간이다. 이 구간은 준설장비 또는 인력 투입이 어려운 복개구조 특성상 현재까지 준설이력이 없던 관계로 해수천 내부로 강한 흐름이 발생할 때 복개구간 내에서 부유한 오염물질이 해수천 내부로 유입될 가능성이 있는 구간이다. 실제로 2019년도에 한국해양과학기술원이 동삼해수천내 토사 및 오염원 퇴적현황을 조사했던 결과에 따르면 터미널측 해수천 저층 주상퇴적물에서 산휘발성황화물(AVS)이 22cm 이하 층에서 어장환경기준(0.5mg/g 이하)를 초과하는 등의 결과가 나타났다. 이는 결과적으로 해수유동 증진을 위한 수문 운용계획 수립 외에도 함께 고려할 요인이다.

동삼해수천에서 해수교환 증대를 통해 수질을 개선하기 위한 목적으로 설치된 전도수문은 ㈜동인의 ‘스윙 게이트(Dongin Co. Ltd, 2021)’ 특허기술을 기반으로 설계, 시공되었으며, 수로 바닥에서 일정 높이 이격시킨 메인회전축의 힌지를 중심축으로 전동 엑추에이터를 활용한 수문의 기립, 전도를 통해 수문을 개폐하는 방식의 수공구조물이다. 전도수문 준공 당시 제작된 기술자료인 ‘동삼해수천 운용계획서(Dongin Co. Ltd, 2022)’에 의하면 현장에서의 제어 외에도 원격자동제어반(RCS)을 통해 중앙관제실에서도 운용프로그램(Fig. 1(b))을 사용하여 수문을 원격으로 조작할 수 있다. 또한 조수간만차가 발생하는 해수천에서 활용하는 시스템인 만큼 국립해양조사원의 조위자료와 전도수문의 내수위, 외수위 정보를 연계하여 자동적인 수문의 조작이 가능하다. 특히, 수문의 운용과 유지관리를 위해 해수천 양측 방향의 수문 운용과 관련된 주요 정보들을 1일 단위인 일보 형태로 작성이 가능한 것으로 확인되었다.

수문운용에 따른 해수천 유동특성과 수질개선효과를 분석하기 위해 수문의 운용정보가 필요하였다. 이를 위해 영도구청을 통해 앞서 언급된 수문운용일보(Fig. 2)를 제공받아 활용하였다. 수문운용일보는 01시부터 24시까지 1시간 간격으로 양측 수문에 대해 외수위(바다측), 내수위(해수천내), 수문개도율 등의 정보가 기록된 문서이다. 여기서 ‘제 1공구’는 ‘국제크루즈터미널’측 수문을, ‘제 2공구’는 ‘해양대 삼거리’측 수문을 의미하며, 개도율 0은 수문이 완전히 닫힌 상태를, 100이면 수문이 완전히 개방된 상태를 의미한다. 예를 들어 제 1공구에 대해 10시~11시 사이에 개도율이 100에서 0으로 변경되므로 수문이 열려있다가 닫히는 것이고, 반대로 16시에서 17시 사이엔 개도율이 0에서 100으로 변경되면 수문이 열리는 것으로 해석할 수 있는데 이는 외수위에 비해 상대적으로 높았던 내수위가 수문개방을 통해 동일한 높이가 된 결과로도 확인할 수 있다. 이때 해수의 흐름방향을 결정하기 위해 수문이 열려있을 때 외수위와 내수위의 차이를 비교하고, 수위가 높은 쪽에서 낮은 방향으로 흐름이 발생하는 것으로 해석했다. 또한 수문 운용을 통해 조위차가 유지된 상황에서 수문이 개방되는 경우는 ‘내수위와 외수위의 차이만큼’의 조위차를 이용한 해수교환이 발생한 것으로 분석했는데, 예를 들어 16시에는 제 1공구의 수문을 통해 43cm(1.79-1.36m)의 조위차를 이용해 해수천에서 외해 방향으로 해수의 유출이 발생한 것으로 볼 수 있다.

수질개선효과를 간접적으로 확인하는 방법으로 동삼해수천 내에서 최대조위차(1.1m, 2022년 2월 19일 16시)를 이용했을 때의 표층유속을 측정하기 위해 라그랑주(Lagrangian) 방식의 표류부이인 Aquadrifter를 사용하였다(Fig. 3). 해당 장비는 표층을 떠다니며 매초마다 GPS 위치를 기록할 수 있는 장비로 투입 및 수거 시점까지의 시간과 흐름방향 이동거리를 평균하여 해당 장비의 구간별 표층유속을 산정하였다. 이때 해수천 측벽에 의한 간섭으로 인해 유속이 왜곡되지 않도록 표류부이를 하천폭의 중앙 위치에 투하하여 실험을 수행했다.

연구수행 기간동안 수문운용에 따른 흐름발생 여부와 유속을 확인하기 위해 오일러(Eulerian) 방식의 유속계인 Aquadopp(Nortek社)을 사용하였다(Fig. 4(a)). 당초 장비를 설치한 위치로는 터미널측 수문(P1, P2), 제3호 교량이 위치한 해수천 중앙부(P3), 해양대측 수문(P4)을 고려하였는데 수문개폐시 빠른 흐름이 발생할 때 수문에 의한 흐름 간섭이 발생할 수 있고, 해수천의 전체적인 유속을 대표하기에는 중앙부가 더 적절하다고 판단하였기 때문에 해수천의 중앙부(P3)에 Aquadopp을 설치하였다(Fig. 4(b)). 이를 통해 전도수문 개폐에 따라 발생하는 최대유속과 발생시점 등을 파악하기 위해 활용하였다.

동삼해수천 현장에서 수질현황을 실시간으로 파악할 수 있도록 다항목수질측정기인 YSI사의 650MDS (Multi-parameter display system)를 이용한 현장관측을 실시하였다(Figs. 5(a) and 5(b)). 이를 통해 주요 지점별로 수심(m), 수온(℃), 염분(psu), 용존산소 DO(mg/L), DO 포화도(%), pH를 측정하였다. 또한 해수천 수질악화의 원인이 될 수 있는 유기물 및 영양염 유입영향을 보다 상세히 조사하기 위해 해수천의 해수유입부와 배수로, 해수천 수로 등 주요 지점에서 표층수를 1L 폴리에틸렌 병에 채취하고(Fig. 5(c)), 분석항목별로 분리하여 해양환경공정시험기준(NIFS, 2021)에 근거한 수질분석을 수행하였다. 이때 수질환경 모니터링을 통해 수질개선효과를 보다 잘 파악할 수 있도록 전동수문 설치전(2021.12.22.)과 설치후(2022.04.28.)를 비교하였다. 이후 수질이 급격하게 나빠지는 이벤트 발생 직후 모니터링을 수행하였는데, 구체적인 날짜로는 해수천 내에서 정어리들의 집단폐사 직후(2022.08.01.)와 수문운용을 통해 일주일간 해수교환이 진행한 이후(2022.08.08.)에 해당한다.

Table 1은 수질환경 모니터링을 수행한 동삼해수천 주변의 주요 정점위치를 나타낸다.

Fig. 6은 수질환경 모니터링을 위한 주요 정점에서 촬영한 사진을 나타낸다. 모니터링 지점은 크게 4가지 범주로 구분되는데 해수천의 수질을 파악하기 위한 해수정점(Seawater), 해수천 내로 오염물이 유입될 수 있는 배수로(Discharge), 하천 중앙부의 수질분석이 수월한 교량(Bridge), 그리고 한국해양대학교 정문 부근 삼거리(KMOU-1), 승선생활관(KMOU-2), 해양대측 해수 유입구(KMOU-3) 등이다.

Table 2는 대조기 기간이던 2월 18일 최대수위에서 양측의 수문을 닫고 수문 밖과의 조차가 최대이던 16:10~16:15 동안 외해 방향으로 해수를 유출했던 당시, 표류부이의 이동경로를 추적한 실험결과이다. 관측실험을 위해 한국해양과학기술원 정면부(제3호교)를 포함해 총 3개의 구간에 대해 Aquadrifter를 2~3분 간격으로 투하하고 회수하였다. 이 때 파랑색 구간은 제3호교부터 수문까지 거리의 중앙부 위치까지를 의미하며, 빨강색 구간은 파랑색 구간 이후 수문까지, 노랑색 구간은 수문에서부터 회수되는 위치까지를 나타낸다. 약 5분에 걸친 경로추적 결과 평균유속이 0.88m/s로 산정되었는데 이는 대조기 때 수문이 1개만 운용되며 내수위와 외수위의 조위차가 거의 없을 때 유사한 구간에 대해 해양대 방면으로 약 0.07m/s의 평균유속을 나타냈던 선행 연구(Jin et al., 2021)의 결과와 비교할 때 약 10배에 해당하는 큰 유속 증대 효과를 나타내는 것으로 확인되었다. 이는 양방향 수문에 의한 1m 이상의 높은 조위차에 의해 발생한 강한 흐름 때문으로 확인되었으며, 해수교환 증대에 따른 수질개선 효과를 간접적으로 내포할 수 있는 결과이다.

GPS 표류부이에 대한 경로추적실험을 통해 가시적으로 확인할 수 있었던 유속증진 효과는 동삼해수천 저면에 설치했던 Aquadopp 유속계를 통해서도 관측되었다. Fig. 7(a)는 전도수문이 새로 설치되기 이전인 2020년의 유속측정결과이며, Fig. 7(b)는 종합정비사업 이후 양방향 수문운용이 시작된 이후의 측정결과(2022)이다. 비록 유속을 측정한 시점은 다르지만 두 가지 결과를 비교할 때 수문이 1개 운용되며 조위차가 없는 시점에서, 조수간만의 차이로 인한 흐름이 있을 땐 유속이 약 0.33m/s 이하로 관측되는 경우가 많아 낮은 유속에 의해 해수교환에 상당한 제약이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이에 비해 양방향 수문운용이 시작된 이후에는 유속이 기존의 최대 유속이던 0.33m/s를 크게 상회했고, 최대 1.55m/s의 유속까지도 관측되는 등 해수교환이 더 활발하게 발생할 수 있는 결과를 확인할 수 있었다.

양방향 수문운용 여부에 따른 해수천 수질개선 효과를 직접적으로 비교하기 위해 전동수문 시공 이전(2021.12.22.)과 양방향 수문 운용 이후(2022.04.28.)의 수질 현장관측 결과를 Table 3과 Table 4에 나타냈다. 수계의 수질을 판단하기 위해 중요한 인자인 용존산소(demand oxygen)와 산소포화도(oxygen saturation)를 비교할 때 양방향 수문을 운용한 이후가 일부 배수로(D-1)를 제외하고는 모든 구간에서 수질이 더 개선된 결과를 확실하게 확인할 수 있다(Fig. 8). 이때 현재 사용되고 있는 해역수질기준(MOF, 2018)을 적용하기 위해서는 해수천의 투명도를 측정하여 수질평가지수(Water quality index, WQI)를 산정해야 하지만 해수천의 투명도를 측정할 수 없는 관계로 개정되기 전의 해역수질기준을 적용했을 때 용존산소(DO)를 기준으로 12월에는 3등급이던 것이, 4월엔 1등급, 3등급으로 개선된 결과를 확인할 수 있었다. 상기 결과들은 일반적인 상황에서 조위차를 이용한 양방향 수문운용방식의 수질개선 효과를 정량적으로 제시한 결과이다.

앞선 결과가 일반적인 상황에서 양방향 수문의 수질개선 효과를 분석했다면, Table 5와 Table 6은 정어리 집단폐사로 인해 심각하게 수질이 악화되는 이벤트가 발생할 때의 수질개선 효과를 나타낸 자료이다.

Fig. 9는 정어리 폐사 직후, 그리고 일주일 동안의 양방향 수문운용 이후 시점에서 측정한 용존산소 결과이다. 상기 결과들에 따르면 일주일간의 수문 운용을 통해 용존산소가 크게 개선된 결과를 확인할 수 있다. 특히 정어리의 집단폐사가 가장 심각하게 발생하며 빈산소층이 심하게 발생했던 한국해양대(KMOU) 측 수문 구간에서 큰 수질개선 효과를 확인할 수 있다. 이는 심각한 수질오염이 발생했을 때 양방향 수문과 조위차를 이용한 활발한 해수교환을 통해 오염 지역의 수질을 크게 개선할 수 있는 결과로 판단할 수 있다.

동삼해수천의 수질악화에 원인이 되는 주요 오염인자들을 보다 정확하게 파악하기 위해 현장 관측시 해수샘플을 총 3회(2021.12.22., 2022.04.28., 2022.08.01.) 채수하고, 실내실험실 환경에서 화학적산소요구량(COD), 총질소(TN), 총인(TP)을 분석하였다(Tables 7, 8 and 9). 해수천 내로 배수되는 배수구간(D-1 ~ D-4-S)에서의 오염물질 농도만을 보고는 수문운용에 의한 효과라고 볼 수는 없겠지만, Table 7과 Table 8의 분석결과를 비교할 때 해수천내 정점인 S-2와 S-3에서 COD와 TP가 개선된 것은 해수교환에 의한 오염물 배출로 인한 가능성이 있을 수도 있다. 향후 지속적인 모니터링을 통해 이러한 수질인자 분석결과의 감소가 양방향 수문에 의한 효과인 것으로 밝혀지는 경우, 수계의 오염 발생인자인 COD와 영양염류(TN, TP) 감소를 통한 수질개선 효과가 있다고 판단할 수 있다.

물고기 집단폐사 직후 주요 정점에서 채취한 시료의 오염물질 분석결과(Table 9)에 따르면, 해수천으로 유입되는 오염물질 농도가 평상시(2022.04.28)에 비해 상당히 높게 나타나고 있음을 확인할 수 있다. 이는 앞서 정어리 집단폐사가 발생했던 수질악화 이벤트의 원인으로 유기물 및 영양염류가 유입된 영향도 있음을 유추할 수 있다. 실제로 이러한 영향으로 인해 Table 5의 수질 현장관측 데이터(2022.08.01)에서도 용존산소와 DO포화도가 상당히 낮아진 것을 확인할 수 있다. 이때 조위차를 이용한 잦은 해수교환을 일주일간 시행한 이후의 현장관측 데이터(2022년 8월 8일) 상에서 DO와 산소포화도가 크게 개선된 점을 미루어 볼 때 조위차를 이용한 양방향 수문운영을 통해 활발한 해수교환이 이뤄지며 주요 수질오염 인자인 COD, TN, TP 역시 감소할 수 있다는 추론도 가능할 것으로 판단된다.

해수천에서 양방향 수문의 운용시나리오(개폐)에 따른 해수천 중앙부의 유속특성을 고찰하기 위해 수문운용일보자료를 수집/분석하였다. 당초 해수천 정비사업 준공 직후 10일(2022.02.18.~02.27.), 조위차를 활용하지 않는 두 가지 시나리오의 일방향 해수교환(터미널측으로 유입후 해양대측유출, 해양대측 유입후 터미널측 유출), 그리고 정어리 집단폐사후 수질개선을 위해 최대조위차를 활용한 해수교환기간(2022.07.30.~08.08.)을 활용했다. 다만 준공 직후 10일 동안은 해수천 중앙 저면에 Aquadopp을 설치하기 전으로 수문개폐에 따른 유속특성을 분석할 수 없는 관계로, 본 원고에서는 상기 언급한 2개의 일방향 해수교환 시나리오(Tables 10 and 11)와 최대조위차를 활용한 1개 시나리오의 결과를 정리하였다(Table 12). 세가지 수문운용 시나리오가 갖는 가장 큰 차이는 해수유입과 해수유출 시점에서의 조위차 여부이다. 조위차를 사용하지 않는 1방향 해수교환의 경우, 터미널측으로 유입되어 해양대측으로 나가는 경우는 최대유속의 평균값이 28.8cm/s이고(Table 10), 해양대측으로 유입되어 터미널 측으로 유출되는 흐름에서는 29.4cm/s로 나타났으며(Table 11), 현재까지의 데이터상으로는 해수의 유출입 방향이 바뀌더라도 유속이 증가하는 등의 일관된 경향은 파악할 수 없었다. 이에 비해 최대조위차를 이용한 흐름 특성의 경우 최대유속의 평균값이 105.6cm/s로 나타나는 등조위차가 없던 경우에 비해 약 3배 이상 빠른 유속인 것으로 나타났다(Table 12). 이러한 흐름의 개선은 정어리 폐사 이후 빈산소층이 발생했던 지역 등에서 확연하게 수질이 개선되며 DO가 상승한 이유가 될 수 있다. 또한 이러한 빠른 유속과 함께 최대조위차에 따른 낙차로 인한 효과는 저면에서 배출되지 않던 오염물질 등을 부유시켜 해수천 외부로 배출시킬 수 있어 부차적인 수질개선 가능성도 내포하고 있다. 다만 물때표(Badatime, 2022)에 따르면 최대유속(215.8cm/s)이 발생한 8월 8일은 조차가 가장 적은 조금에 해당하는 만큼 향후 추가적인 조사 및 분석을 통해 이러한 현상들의 원인을 조사, 고찰할 필요가 있을 것으로 판단된다.