낙동강 하구 기수역 통합 수리특성 분석 및 측정기법 개발 연구 = A Study on the Integrated Hydraulic Characteristics Analysis and Measurement Techniques in the Estuarine Zone of the Nakdong River

국문 초록 (Abstract)

낙동강 하구에 있는 낙동강 하굿둑이 당초의 목적인 해수유입 방지에서 2017년 “낙동강 하구 기수 생태복원”이라는 국정과제로 채택되면서 취·양수장에 제약 없는 범위에서 해수 유입을 통해 기수 거리를 설정하는 등 건설 이후 담수 생태에서 건설 전의 기수 생태복원을 진행하고 있다. 본 연구의 역할은 정확한 해수 유입량 산정을 통해 단계별 염분침투 거리（현재 15km 이내）를 제어하는 연구로써 궁극적인 목표는 상류 취수원 용수 공급에 지장 없도록 하고, 적정 기수 생태환경 조성하는 것이다. 따라서 낙동강 하굿둑의 담·해수 경계 관리지역에서의 기능과 역할, 복잡한 통합 수리·수문 특성을 우선 이해하고 연구·분석하고, 그 중 기수거리 산정 중요 영향인자인 정확한 해수 유입량을 산정하여 수리-수질 모델（EFDC） 주요 입력값으로 적용되어 기수 거리 산정에 예측한다. 따라서 ADCP 최근 연구와 다양한 측정 방법을 고찰하고, 현장에서 개선점을 발굴하여 “원격 이동형 자동 ADCP” 측정 기법을 개발하였다. 또한 상류 유량과 해수 유입량에 대한 현장의 다양한 측정 방법간에 현장 실증 실험을 통해 비교·분석을 하여 운영에 가장 적합한 측정 방법을 선정과 적용을 하였다. 하지만 해수 유입량 산정인 ADCP 측정기 제품 특성상 미계측 구간을 확인하였고, 기존 제조사의 보정방법（1/6 멱 법칙 등）은 바다, 하천 등 각 지역에 밀도차가 없는 장소에 사용하는 것으로 담·해수 경계 지역에서 밀도 차이가 있는 측정 구간과 수문 개도 방식에 따라 측정기의 측정값이 오차를 보이는 등 한계가 있었다. 계측기의 한계를 수치해석（FLOW-3D）결과로 확인하고, 미계측 구간 유속을 측정할 수 있는 실측값과 모델링값 간에 연계하여 추정하는 등 유량측정 정확도를 높이는 연구 결과를 도출하였다. 본 기수 생태복원 목표를 이루기 위해서는 다양한 이해 당사자 간의 합의가 되고, 하구에 혼재되어 있는 다양한 하천 및 기반 시설 운영 주체 상호 기관들 간에 시스템을 유기적인 통합 관리하고, 통합 물관리 관점에서 개발 도구를 제안한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The Nakdong River Estuary Barrage （NREB）, originally constructed to prevent saltwater intrusion, has shifted its operational goal. Following the national task of ＂Nakdong River Estuary Brackish Ecosystem Restoration＂ adopted in 2017, the restoration aims to revert the ecosystem from its post-construction freshwater state back to its pre-construction brackish state by controlling saltwater inflow to maintain a target brackish zone（currently within 15km） without compromising water supply facilities. The crucial role of this research is to precisely calculate the necessary saltwater inflow to control the designated brackish water distance, ultimately ensuring a stable water supply for upstream intake sources while creating an optimal brackish ecosystem. Therefore, this study prioritizes understanding and analyzing the complex integrated hydraulic and hydrological characteristics, as well as the function and role of the freshwater-saltwater boundary management zone near the NREB. We focus on calculating the accurate saltwater inflow—a critical factor for determining the brackish water distance—and applying it as a primary input for the hydraulic-water quality model （EFDC） to predict the estuarine distance. To enhance measurement accuracy, existing ADCP research and diverse measurement methods were reviewed, and field improvements led to the development of a ＂Remotely Controlled Mobile Automatic ADCP＂
measurement technique. Furthermore, various field measurement methods for upstream discharge and saltwater inflow were compared and analyzed through rigorous full-scale field verification experiments to select and apply the most suitable operational measurement method. However, due to the inherent
characteristics of the ADCP device used for saltwater inflow calculation, unmeasured zones were identified. The conventional correction methods provided by manufacturers （e.g. 1/6 power law） are designed for areas without density differences（like open rivers or the sea） and showed limitations in the
freshwater-saltwater boundary zone, exhibiting measurement errors dependent on density differences and gate opening operations. The limitations of the measuring instrument were confirmed through Computational Fluid Dynamics （CFD） analysis using FLOW-3D. This led to research findings that significantly improved flow measurement accuracy by linking field measurements and model results to
estimate velocities in the unmeasured zones. Finally, to achieve the goal of brackish ecosystem restoration, this study emphasizes the necessity of consensus among diverse stakeholders, proposes the organic integrated management of systems among the various river and infrastructure operating agencies within the estuary, and suggests the development of management tools from the perspective of Integrated Water Management （IWM）.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 1
• 1.1. 연구 배경 및 목적 1
• 1.2. 연구 내용 및 범위 2
• 1.3. 관련 연구동향 5
• 1.3.1. 염분 관리기준 5
• 1.3.2. 염수 쇄기의 거동에 관한 연구 7
• 1.3.3. 조위 연구와 동향 8
• 1.3.4. ADCP 연구와 동향 9
• 1.3.5. 수치모델 연구와 동향 11
• 1.4. 연구적용 이론과 모델 16
• 1.4.1. 유속측정과 수위-유량 기본 이론 16
• 1.4.2. 3차원 수치모델(EFDC) 이론 22
• 1.4.3. 3차원 수치모델(FLOW-3D) 이론 28
• 1.5. 연구수행 절차와 개념도 32
• 제 2장 낙동강 하구 기수역 현황 35
• 2.1. 유역 및 하구 시설현황 35
• 2.1.1. 유역 개요 35
• 2.1.2. 낙동강 하굿둑 중권역 주요 시설 35
• 2.2. 시설관리 현황 38
• 2.2.1. 시설 개요 38
• 2.2.2. 낙동강하굿둑 좌안배수문 시설현황 39
• 2.2.3. 낙동강 하굿둑 우안 배수문 시설현황 41
• 2.3. 운영관리 현황 43
• 2.3.1. 운영관리 개요 43
• 2.3.2. 운영 패턴별 분류와 기준 44
• 2.3.3. 수문배치, 조작과 제한 46
• 2.4. 해수유입 현황 47
• 2.4.1. 개요 47
• 2.4.2. '19~'20 실증 실험 48
• 2.4.3. '21년 시범 운영 52
• 2.4.4. '22'24년 해수유입 현황 74
• 2.5. 계측 현황 76
• 2.5.1. 계측 개요 76
• 2.5.2. ADCP 측정기 76
• 2.5.3. 수위계 77
• 2.5.4. 염분도계 79
• 2.5.5. 유향유속 측정장치 81
• 2.6. 해외(일본) 염분도 기반시설 모니터링 구축 82
• 2.6. 시사점 87
• 제 3장 낙동강 하구 기수역 통합 수리특성 영향인자 및 분석 기법 개발 91
• 3.1. 통합 수리특성 영향인자 91
• 3.1.1. 상류 유입량 91
• 3.1.2. 하류 조석 관측 96
• 3.1.3. 하구 세부지형구축 106
• 3.1.4. 기수역 조성 수문 운영 방법 113
• 3.1.5. 기존 모델의 수리특성 117
• 3.2. 통합 수리특성 측정기법 118
• 3.2.1. 개선 기수역 물수지 분석과 측정기법 118
• 3.2.2. 수리모형 실험 해수 유입량 결과 분석 133
• 3.2.3. ADCP 측정기법 개발 141
• 3.2.4. 해수 유입량 산정식 개발 151
• 제 4장 현장 실증을 통한 분석 및 활용 159
• 4.1. 수문개도 방식 및 기수역 수리특성 측정 비교 159
• 4.1.1. 담수 측에서 해수 측 방류(조절수문 월류, 저류 포함) 159
• 4.1.2. 해수 측에서 담수 측 유입(조절수문 월류) 161
• 4.1.3. 해수 측에서 담수 측 유입(조절수문 저류) 163
• 4.1.4. 주수문에 의한 해수 유입량(주수문 저류) 166
• 4.1.5. 계측 검교정 방법 170
• 4.2. 담해수 경계지역 미계측 구간 현황 172
• 4.2.1. 개요 172
• 4.2.2. 미계측 구간 영역보간 172
• 4.3. 담해수 경계지역 미계측 구간 산정식 개발 176
• 4.3.1. 수치해석 176
• 4.3.2. 저류시 바닥 미계측 구간 보간 방법 180
• 4.4. 해수유입 운영기준 183
• 4.4.1. 염분계측 데이터 분석 183
• 4.4.2. 염분 모델링 분석 188
• 4.4.3. 해수유입 운영 가이드라인 192
• 4.4.4. 주요 수질 및 생태계 고찰 194
• 4.4.5. 단계별 해수유입을 통한 기수생태복원 계획 198
• 4.4.6. 하구 통합 물관리 의사결정지원시스템 199
• 4.4.7. 모델링과 실측치 정확도 204
• 4.4.8. 비상대응 206
• 제 5장 결론 212
• 5.1. 주요 결론 212
• 5.2. 본 연구의 역할 214
• 부 록 226
• 참고 문헌 263