2.1 연결잔교 주변 해양물리조사

부산항 신항 내 유입되는 조류 및 부유사의 특성을 조사하기 위해, 층별연속 조류 및 부유사 관측, 연속 조류 및 부유사 관측, 해양저질조사, 공간 부유사와 같은 해양물리조사를 수행하였다. 각 조사의 정점은 Fig. 1에 나타내었으며, 동계 조사시기는 2023년 2월 18일에서 3월 19일까지, 하계는 동년 7월 31일에서 9월 11일까지 실시하였으며, 해저질 조사는 동계에만 실시하였다. 특히, 연결잔교(pier bridge) 서측부근에는 수심 D.L.(-)15 m에 Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP, WH600-RDI사)를 해저에 설치하여 해저면으로부터 첫 관측점까지의 거리는 2.9 m, 수직 해상도는 1 m, 관측 간격은 10분 설정하여 30일 이상 측정하였으며, 동측부근에는 RCM 9(Aanderaa사) 유속계, XR-420CT+Tu(RBR사)를 설치하여 동계 대조기(3월 21일), 소조기(3월 16일)와 하계 대조기(9월 2일), 소조기(8월 26일)의 창․낙조시를 포함한 13시간 동안 10분 간격으로 연속 조류와 부유사를 측정하여 낙동강 하구역 부유사 유입 영향을 분석하고자 하였다.

Fig. 1.

Location of oceanographic survey points around Busan New Port.

Fig. 2는 부산항 신항 연결잔교 서측에서 수행한 동계, 하계시 층별 연속조류관측 결과를 나타낸 것이다. 동계시 잔차류 방향은 연결잔교 동측(항외측) 방향이고, 하계시는 서측(항내측)이나 각각의 잔차류 유속은 각각 1.2~2.0 m/sec, 0.5~1.6 m/sec로 매우 적어서 뚜렷하게 한 방향으로 유입, 유출된다고 단정하기 어렵다. 또한 ADCP 설치 후 연결잔교에서 수행한 부유사 관측 결과 Table 1과 같이 동계 부유사농도가 하계보다 높았다. 이것은 비슷한 잔차류 유속에서 동계 부유사 농도가 하계보다 높아 전체적으로 부유사 농도가 항외측으로 유출된다는 결과로 유추할 수 있다.

Fig. 2.

Scatter and progressive vector diagram of observed currents by ADCP at pier bridge in (a) winter (b) summer, 2023.

Table 1.

Suspend sediment concentration measured by ADCP between pier bridge and entrance

또한, 연결잔교의 단면 구조가 낙동강 하구역 방향의 수심은 D.L.(-)5 m, 부산항 신항 방향의 수심은 D.L.(-)15 m로서 유입된 부유사가 항외측 유속 발생시 낙동강 하구역 방향으로 이동하기 어려운 지형적 특징이 있다. 이와 함께 Fig. 3과 같은 해양저질조사 결과를 보면 낙동강 하구역으로 갈수록 모래(S)가 우세하고 부산항 신항 항내는 점토(M)가 매우 우세하다. 특히, 연결잔교 동․서측과 부산항 신항 남컨테이너 터미널 5부두, 연결잔교부터 진우도 사이의 협수로 모두 실트질(sM)로 동일하다.

Fig. 3.

Distribution characteristics of bottom materials by Folk’s textual groups in the study area.

2.2 해수유동 및 퇴적물 이동 수치모의 실험

해양물리조사 결과를 토대로 해수유동 및 퇴적물 이동 수치모의를 수행하였다. 수치모의에 사용된 모델은 국내·외적으로 자주 사용되는 EFDC(Environmental Fluids Dynamic Code) 모형을 사용하였다. 인근 해역 수심과 금회 수심측량 결과 등을 포함하여 수치모형실험의 입력 자료로 활용하였으며 특히 조석의 경우 주요 4개 분조(M₂, S₂, K₁, O₁)를 조석 조건으로 적용하되 해역조건에 적합하게 기타 조화상수를 적용하였다. 또한 광역 계산은 34.9 × 27.0 km에 50~600 m의 가변격자를 사용하여 총 58,088(274 × 212)개, 상세역 계산은 12.0 × 7.0 km에 12.5~100 m의 가변격자를 사용하여 총 108,091(750 × 309)개를 사용하였다. 마지막으로, 부유사의 농도의 초기․경계조건은 관측된 부유사 평균농도 33.52 mg/L로 설정, 흐름과 파랑에 의한 일반적인 퇴적한계 전단응력 0.04~0.15 N/m² 중 Mehta(1986)의 실험값을 고려해 0.12 N/m², 기준 침강속도는 Tanimoto and Hoskika(1994)의 실험치 및 해저질 분석 입도자료를 토대로 0.0135 mm/sec, 부유사 기준농도(C₀)는 초기 농도와 동일하게 적용, 침강계수(α)는 1.0으로 적용하였다. 본 해수유동 수치모의 계산결과에 대한 모델 보정 및 검증은 가덕도 및 부산항 신항 조위관측소 자료와 연결잔교 해수유동 조사 결과 자료를 사용하였으며, 모델 반조차의 오차(Error)와 절대상대오차(ARE)를 계산하여 검증한 결과, 전반적으로 O₁ 분조를 제외한 나머지 M₂, S₂, K₁ 분조에서 약 5% 미만의 오차를 보임으로써 계산치와 관측치가 양호하게 일치하는 것으로 판단하였다. 퇴적물 이동 수치모의의 검증은 연결잔교 서측 부유사 관측 결과와 수치 실험 부유사 결과를 비교하여 검증한 결과 R-Squre 값이 0.77로 나타났다. 퇴적물 수치모의 실험 결과는 Fig. 4와 같이 3개의 구역으로 나누어 각각의 영역에 대한 퇴적량과 연간 퇴적율을 산정하였다. Zone 1은 연결잔교 부근이며 연간 퇴적율이 0.78 cm/yr로 퇴적이 우세하였으나, Zone 2와 Zone 3은 연간 퇴적율이 각각 (-)1.11 cm/yr, (-)1.47 cm/yr 로 침식이 우세하였다. 해당 수치모의의 정성적인 결과, 즉 연결잔교 퇴적은 지형적인 특징으로 잘 구현되었으나 안벽 전면의 퇴적형태는 발생하지 않았다.

Fig. 4.

Results of sediment movement prediction experiment under water depth in 2022.

2.3 낙동강 하구역 부유사의 제한적 영향

부산항 신항 연결잔교를 중심으로 해양물리조사를 수행하였으며, 취득된 물리조사 결과를 해수유동 수치모의부터 퇴적물 이동 수치모의 실험까지 수행한 결과를 2007년부터 지금까지 수행되어 오고 있는 해양수리현상조사 연구결과 함께 비교하여 분석하였다. 그 결과, 부산항 신항 내의 부유사는 하계는 항내측, 동계에는 항외측으로 이동하고 전체적으로 순유출과 순유입량의 차이가 전체 대비 0.5% 미만으로 나타나서 결과적으로 낙동강 방류는 낙동강 하구 인근에만 영향을 미치며 연결잔교를 중심으로 항외측 전면과 신항 내부로의 유입 영향은 매우 미미한 것으로 나타났다.

3.1 부산항 신항 항내 수심변화량

연결잔교의 동측 수심은 D.L.(-)3.2~4.8 m로 서측 항내 수심인 D.L.(-)15 m보다 매우 낮고 해양물리조사와 수치실험으로 확인된 부유사 유입 영향이 제한적이므로 국부적인 퇴적이 발생할 수 있다고 판단하였다. 이를 뒷받침하는 결과를 Fig. 5에 도시하였다. Fig. 5에서 (a)는 2010년에서 2012까지 수행된 ‘1단계 증심준설’에 대해 2013년에 수심측량 한 결과로서 항로의 수심이 D.L.(-)16 m이고 (b)는 2015년부터 2016년까지 ‘2단계 증심 준설’을 수행한 후 2017년에 측량된 수심으로 항로 수심이 D.L.(-)17 m 나타내어 안정적인 수심을 확보하였다. 다만, 2017년 수심(b)에서 2022년에 해양조사원에서 측량한 수심(c)을 뺀 결과, (d)의 수심변화량이 산출되었으며 파란색(양수)은 침식, 노란색(음수)은 퇴적을 나타낸다. 그 결과, 북컨테이너터미널 1~2 부두, 다목적부두, 남컨테이너 터미널 4~5 부두 박지에서 1~2 m 퇴적이 발생하였다.

Fig. 5.

Depth deviation in 2023 compared to the 2022 oceanographic survey bathymetry results ((a) 2013 year, (b) 2017 year, (c) 2022 year).

Table 2는 Fig. 5의 (d)에서 북컨테이너터미널 운영사 기준으로 Zone 1과 2로 나누어 수심변화량을 계산한 결과를 정리하였다. Zone 1에서는 대부분이 퇴적되었고, Zone 2의 박지(Mooring basin)에서는 퇴적, 항로(fairway)에서는 침식이 발생하였다. 주목할 점은 2~3 구역의 침식량 (-)419,561 m³이 나머지 영역의 퇴적량 (+)421,625 m³와 거의 유사하며, 그 차이는 침식량 대비 불과 0.49% 밖에 되지 않았다. 특히 ‘2단계 증심 준설’ 계획 수심 D.L.(-)17 m보다 더 깊은 최대 D.L.(-)18.5 m까지 항로가 침식된 지점도 확인되었다. 이 결과는 낙동강 하구역에서 유입된 부유사가 제한적이었다는 사실을 반증함과 동시에 항로가 침식되고 안벽이 퇴적되는 메카니즘을 가질 수 있음을 추정할 수 있다.

Table 2.

Volume change in each area based on the 2017 and 2022 bathymetry results

3.2 선박 후류속도에 의한 항내 지형변화 사례

Fig. 5와 같은 수심변화는 해외 다수의 무역항에서도 보기 어려운 형태이며, 해저질이 점토이기 때문에 이를 완벽하게 모사할 수 있는 수치실험 연구도 매우 드물다. 또한 Fig. 6처럼 선박의 항로와 비교하면 선박 운항이 빈번한 항로에서는 세굴, 미세조정을 통한 접안이 이루어지는 박지에서는 퇴적이 되는 유사성을 확인할 수 있다. 부산항 신항의 안벽 전면 퇴적현상은 점점 좁아지는 항로를 따라 대형선박이 진입하면서 저면 전단응력이 임계치를 초과하여 세굴이 발생된 부유사가 안벽으로 이동하였을 것으로 추정된다. 이와 관련된 연구로 수년간 몇 개 현장에서 선박 교통과 퇴적물 재부유와 관련된 데이터를 수집한 결과(Hayes et al., 2010)와 미국 샌디에이고만의 3개 해군 부두에서 접안으로 인해 총 26톤의 퇴적물을 수중으로 재부유시켰다는 사실이다(Wang et al., 2000). 또한 워싱턴주 킹스턴 페리 터미널의 세굴에 대한 페리선 후류 속도(Propeller Wash) 효과에 대해 연구한 결과, 선박의 입출항은 주변 조건에 비해 10~30배 더 빠른 유속과 10~100배 더 높은 전단 응력과 관련이 있다고 한다(Kastner et al., 2019). 여기서 높은 전단 응력에 의해 발생된 부유사에 대해 현장 계측한 ADCP 프로파일 부유사 농도(suspended sediment concentration, SSC) 측정이 싱가포르의 탄종 파가르 터미널(Tanjong Pagar Terminal)에서 수행되었다(Stoschek et al., 2014). 그 결과, 싱가포르 탄종 파가르 터미널에서 높은 SSC를 발견하였고, 함부르크 항만 공사(Hamburg Port Authority)의 캠페인 결과에서도 매우 제한된 항로에서 출항하는 선박의 최대 SSC가 500 mg/L이고, 회전하는 선박을 사용한 추가 측정은 최대 SSC가 1,500 mg/L임을 보여주었다. 즉, 선박의 프로펠러에 의해 상당량의 부유사가 발생하는 것은 선박의 후류속도 때문이며, 이로 인해 항로가 세굴(scour)되어 재부유하는 것과 높은 상관성을 가지는 것으로 추측된다.

Fig. 6.

High spatial correlation between the track line of a large ship and the depth change caused by the ship.

3.3 대형선박의 선박 후류속도에 의한 항로 세굴 및 안벽 퇴적 상관성

Fig. 7은 항내 선박 입출항시 선박 프로펠러 후류속도에 의한 해저면의 영향과 관련된 인자를 나타낸 것이다. 선박 프로펠러에 의해 발생하는 유속은 프로펠러 중심으로부터의 거리(x), 프로펠러 직경(D_p)의 비에 따라 유출영역(Efflux Zone), 확산 영역(Zone of Flow Establishment), 후류구간(Zone of Established Flow)으로 분류되며, 프로펠러에 의해 발생하는 유속은 다른 양상을 보인다. Fig. 7은 그 중에서 해저면과 만나는 확산 영역에서의 후류속도 Hanmill(1987)의 제안식을 사용하였다. 여기서 V_{x, max}는 프로펠러의 중심유속, V₀는 초기 유속, A, B는 유속의 형상을 나타내는 계수 값이다. 산출된 V_{x, max}를 이용하여 횡방향 거리 x와 원주방향 거리 r에서의 해저면 유속(V_{x, r})은 Fuehrer et al.(1987)의 제안식을 사용하였다. 산정된 저면유속에 대해서 해저면에 발생하는 전단응력은 Maynord(2000)가 제안한 경험식을 활용하였다. V_bed는 해저면 발생유속이고 H_p는 프로펠러축에서 저면까지의 수직거리이다. 마지막으로 표면 임계 저항력(the critical bed shear stress)은 Hwang and Mehta(1989)의 제안식을 사용하였다. 여기서 b_l은 단위중량(N/m²), α는 0.833, b는 0.5, c는 0.05를 적용하였다. 점토지반의 표면 임계 저항력이 22.53 N/m² 보다 클 경우 세굴이 발생하는 것으로 계산하였다.

Fig. 7.

Schematic diagram of seabed scouring caused by propeller wash.

Fig. 8은 Fig. 7의 선박 후류속도에 의해 표면 침식이 발생하는 모식도에서 대상 선박의 흘수(a), 수심(h)를 확인하여 선박 후류속도에 의한 전단응력 발생시 발생하는 거리별 최대 세굴의 깊이(D_scmax)를 도시한 것이다. Fig. 8에 적용된 부산항 신항에 입항하는 각 대상선박(24만톤급, 20만톤급, 16만톤급, 12만톤급, 5만톤급)은 초기유속, 중심유속, 저면유속을 산정한 후 각 선박의 세굴심도를 나타내었으며, 24만톤급 선박의 세굴심도는 1.49 m, 20만톤급 1.30 m, 16만톤급은 1.29 m이다. 16만톤급 이하 선박에서는 세굴심도가 발생하지 않았다. 결국 Fig. 6의 항로의 세굴심도가 부산항 신항에 입항하는 최대선박에서 이론적으로 산출한 세굴심도와 유사함을 확인하였다. 앞서 수심측량 확인된 최대 세굴 깊이가 D.L.(-)18.5 m이므로 계획수심 대비 (-)1.5 m가 세굴된 것으로 현재의 이론식 결과를 만족한다.

Fig. 8.

Scour depth for large ships entering Busan New Port.