[논문]섬진강 유출수의 3차원 거동 특성

김종규; 김명원; 강태순; 윤은찬

문제 정의

본 연구에서는 광양만으로 유입되는 섬진강 유출수의 3차원 거동특성을 연구하기 위하여 하계 연구해역의 13개 정점에서 염분 현장관측을 실시하였으며 3차원 경압수치모델(TOM)을연구해역에 적용하여 조석 및 하천 유량에 의한 3차원 해수 유동 변화를 파악하였고 기존 조위 관측 자료를 토대로 모델을 검증하였다. 현장관측결과 표층에서 염분 전선은 대조기 최강낙조류시 광양만 입구와 섬진강 하구에서 24psu의 약한 염분 전선을 형성하고 외해 쪽으로 갈수록 그 농도가 회복되는 현상을 나타내고 있다.
본 연구에서는 광양만으로 유입되는 섬진강 하천유출수의 거동 특성을 연구하기 위해 하계 현장 관측과 3차원 해수 유동 모델(POM)을 이용하여 연안역 흐름의 구조와 변화를 정량적으로 검토함으로서 광양만 내 섬진강 하천 유출수의 3차원 거동 특성을 파악하고자 한다.

가설 설정

본 연구에서는 담수혼합과 확산에 의한 밀도차만 고려하고 대기 - 해양 간의 열 수지에 의한 열의 확산은 고려하지 않았다: 이는 염분은 보존성 물질로서 하구에서 밀도차를 일으키는 주요인인 반면에 수온은 해수와 하천수와의 수온 차에 의한 밀도차는 매우 작을 것으로 판단되어 본 연구에서는 열확산은 고려하지 않았다.

제안 방법

1). 관측은 섬진강 하구의 담수가 해수 유동에 따라 주변 해역에 어떻게 이동하고 그 영향권이 어디까지인지 추정할 수 있도록 대조기 만조 간조시실습선(청경호)과 소형고속정을 이용하여 약 3시간 동안 CTD 관측을 수행하였다. 측정된 염분 자료를 바탕으로 수평분포도 및 표, 중 및 저층의 3개 연직분포도를 작성하였다.
첫 번째는 섬진강 연평균 유출량 120m3/s (이석우, 1994)와 조석만을 고려하여 기존 조석 자료와 비교 검증하였으며, 두 번째는 홍수기 연구해역의 염분 관측자료와 비교하기 위하여 조석과 홍수기 연구해역으로 유입되는 송정 수위 관측소 유량 600m3/s (7 월 2일~7월 6일 일평균)을 섬진강 유출수로 고려한 창. 낙조류 최강류시의 표층 수평 염분분포의 변화를 고찰하였다.
연구해역의 하계 대조기 최강 창조. 낙조류시 13개 정점에서 얻어진 염분 자료는 관측 시점별로 구분한 후, 표층에서 저층까지 연직분포 경향을. 정리하여 나타냈으며 관측해역과 인접한 기상 관측소 30년 통계 자료와 관측 시기의 기온 및 강수량을 Table 2과 같이 나타내었다.
본 연구에서는 대상 해역의 조석을 기본외력으로 고려하여 모델을 검증하고 현장관 측이 수행된 2005년 7월의 실제 섬진강 유량을 고려한 수치 시뮬레이션을 수행하여 현장관측 결과와 비교 . 분석하였다.
수치계산은 두 가지 경우로 나뉘어 수행되었다. 첫 번째는 섬진강 연평균 유출량 120m3/s (이석우, 1994)와 조석만을 고려하여 기존 조석 자료와 비교 검증하였으며, 두 번째는 홍수기 연구해역의 염분 관측자료와 비교하기 위하여 조석과 홍수기 연구해역으로 유입되는 송정 수위 관측소 유량 600m3/s (7 월 2일~7월 6일 일평균)을 섬진강 유출수로 고려한 창. 낙조류 최강류시의 표층 수평 염분분포의 변화를 고찰하였다.
관측은 섬진강 하구의 담수가 해수 유동에 따라 주변 해역에 어떻게 이동하고 그 영향권이 어디까지인지 추정할 수 있도록 대조기 만조 간조시실습선(청경호)과 소형고속정을 이용하여 약 3시간 동안 CTD 관측을 수행하였다. 측정된 염분 자료를 바탕으로 수평분포도 및 표, 중 및 저층의 3개 연직분포도를 작성하였다.

대상 데이터

본 연구의 주 대상 해역인 광양만은 섬진강 하천유출수가 방류되는 남해안 중부에 위치한 내만으로 동광양시, 광양군, 하동군, 남해군, 여수시에 둘러싸여 있다. 여수해만을 통해 남해와 연결되고 노량해협을 통해 진주만과 연결되어 있으며 광양만 중앙부 만 내에는 묘도, 태인 도 등 크고 작은 섬들이 산재하고 있다.

데이터처리

조위 검증 점 T1 〜T3의 값은 국립해양조사원의 한국 연안 조석 조화상 수표의 관측된 조위와 참고문헌을 통해 얻어진 조위값과 수치계산을 통해 계산된 조위를 비교. 검증하였다.

이론/모형

본 연구에 사용된 3차원 경압수치모형인 POM(Blumberg and Mellor, 1987)은 국내외의 많은 연구자들에 의하여 열 . 염에 의한 밀도차를 고려한 해양순환 및 연안역 순환모델링에 이용되어져 왔으며, 모델의 검증과 현지적용을 통하여 약간씩 수정되어져 왔다.
연직적분된 2차원 외부모드와 3차원 내부모드로 분리하여 계산하는 모드 분리(Mode splitting) 기법을 사용하며 밀도는 염분과 수온의 함수로서 계산되어지는상태 방정 식 을 사용한다. 수평 확산계 수는 Smagorinsky(1963) 확산을 이용하여 계산되어지며 연직와동점성계수와 연직와동확산계수는 2차 난류 종결 모델을 이용하여 계산되어 진다.
외부모드의 Time step은 2초, 내부모드의 Time step은 10초를 사용하였으며 이 값들은 CFL 안정조건을 만족한다. 수평확산계수는 Kantha (1995)의 연구에 기초한 Smagorinsky 확산계수를 사용하였다. 해수의 밀도는 1, 025 切/皿3이고 초기염분과 수온은 하계 현장관 측 자료의 표층 수온 및 염분분포로부터 모든 수평 및 연직격자상에서 각각 34psu과 20°C로 일정하게 주어졌다.
POM의 주요 특징들을 간략하게 기술하면 정수압근사와 Bousinessq 근사를 사용하여 수형 방향으로는 직교곡선 좌표계를 연직 방향으로는 Sigma 좌표계를 사용하고 있다. 연직적분된 2차원 외부모드와 3차원 내부모드로 분리하여 계산하는 모드 분리(Mode splitting) 기법을 사용하며 밀도는 염분과 수온의 함수로서 계산되어지는상태 방정 식 을 사용한다. 수평 확산계 수는 Smagorinsky(1963) 확산을 이용하여 계산되어지며 연직와동점성계수와 연직와동확산계수는 2차 난류 종결 모델을 이용하여 계산되어 진다.

성능/효과

5은광양항, 하동화력발전소, 사천의 3개 지점에서 조위 계산 결과와 실측 결과를 비교하여 나타낸 그림이다. 각 정점들에서 조위는 지점별로 약간의 오차를 가지고 있지만 전체적으로 조위의 패턴은 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있었다. Cl, C₂는 국립해양조사원에서 1998년 7월 17일부터 8월 15일, 2005년 4월 14일부터 5월 16일까지 두 정점 표층(수심 5m)에서 각각 연속측류한 지점들이다.
5psu로 나타났다(Table 3). 공간적으로 표층은 섬진강하구에서 유입되는 담수에 의해 낮은 염분을 보이나 외해로 갈수록 그 농도가 회복되는 현상이 나타났다. 중층에서는 전체적으로 30psu 이상으로 균일하나 여수산단 저】2처리장 부근의 염분이 상대적 저염으로 나타났으며 여수 인근 해역이 남해 인근 해역보다 저염으로 나타났다.
저층 염분 수평분포이다. 대조기 최강 창조류시 표충 염분 수평분포는 섬진강 하구역과 대도를 중심으로 27.0psu에서 30.0psu의 등 염분 선을 나타냈으며 광양만 입구를 지나 여수해만 외해 쪽으로 갈수록 31.贖11에서 33.5psu로 염분 농도가 증가하고 있음을 알 수 있었다. 한편, 연구해역의 유 동장을 고려해 볼 때 섬진강에서 방류되는 하천수의 거동이 조류의 영향으로 인하여 대도 인근해역에서 염분 분포가 낮게.
상기의 검증된 수치계산 결과를 토대로 해양관측시기인 섬진강 하천유량을 고려한 수치계산에서 Fig. 10과 같이 연평균 유량을 고려한 결과와 비교해 볼 때 대조기 최강 창조류시 섬진강 하구역과 대도 수도 인근 해역에서의 표층 유속은 감소한 반면 묘도 북측 수로에서 흐름은 크게 증가흐)는 것을 알 수 있었다 섬진강 흐} 구역의 표층 최강 유속은 56.1cm/s이며 저층 최강 유속은 9.8cm/s이다. 표층과 중충에서의 유속의 변화는 거의 나타나지 않았으며 저층에서는 표층과 비교하여 유속이 다소 감소하고 있음을 알 수 있었다.
0psu의 염분분포를 나타내고 있다. 여수해만 외해 쪽으로 갈수록 창조류시의 염분분포보다 0.5~1.0psu 정도의 낮은 염분분포를 나타내고 있으며, 창 조류와 마찬가지로 연구해역의 낙조류 우세의 유동장을 고려해볼 때 섬진강에서 방류되는 하천수의 흐름이 조류의 영향으로 외해 쪽으로 더 확장되는 것으로 보여지며 대도 인근해역 염분분포도 또한 여수해만 쪽으로 더 낮게 분포하고 있음을 알 수 있었다. 저층 염분분포도 또한 표층 염분 수평 분포도와 전체적으로 유사하게 나타나며 표층에 비해 염분 농도가 상대적으로 높게 나타났다.
2cm/s 로 나타났다. 연평균 유량을 고려한 결과와 비교해 볼 때 섬진강 하구역과 묘도 북측 수로에서의 흐름이 크게 증가하고 있음을 알 수 있었으며, 남쪽으로 내려올수록 연직 유속의 차가 작아지고 있음을 알 수 있었다. 이는 섬진강 하구역에서의 수심 변화와 밀도류 등에 기인하는 것으로 사료된다.
한편, 창선도 남측의 창선해협을 통하여 서류한 조류는 강진만 남측해역의 해수 유동에 영향을 미친다. 이상과 같이 각각 3곳에서 진입한 조류는 강진만 남측해역에서 서로 균형을 이루며, 비록 최 강류 시점의 조시일지라도 이 부근에서는 조류의 크기가 아주 미약하게 나타나는 정체역을 보인다. 그리고 낙조류시는 대체적으로 창조류시와 반대 방향의 흐름 양상을 보이는 일반적인 조류패턴을 잘 나타내고 있음을 알 수 있다.
0psu 정도의 낮은 염분분포를 나타내고 있으며, 창 조류와 마찬가지로 연구해역의 낙조류 우세의 유동장을 고려해볼 때 섬진강에서 방류되는 하천수의 흐름이 조류의 영향으로 외해 쪽으로 더 확장되는 것으로 보여지며 대도 인근해역 염분분포도 또한 여수해만 쪽으로 더 낮게 분포하고 있음을 알 수 있었다. 저층 염분분포도 또한 표층 염분 수평 분포도와 전체적으로 유사하게 나타나며 표층에 비해 염분 농도가 상대적으로 높게 나타났다.
공간적으로 표층은 섬진강하구에서 유입되는 담수에 의해 낮은 염분을 보이나 외해로 갈수록 그 농도가 회복되는 현상이 나타났다. 중층에서는 전체적으로 30psu 이상으로 균일하나 여수산단 저】2처리장 부근의 염분이 상대적 저염으로 나타났으며 여수 인근 해역이 남해 인근 해역보다 저염으로 나타났다. 저층의 염분은 중충보다 다소 높으나 비슷한 현상을 나타내고 있다(Fig.
최강 창조류시 염분의 표증 변동범위는 25psu에서 33.5psu 로 나타났으며 최강 낙조류시와 마찬가지로 섬진강 흐}구의 담수 영향으로 만 내 측은 낮은 염분을 보이고, 여수산단 제2 처리장 부근에서 염분 전선이 낮게 형성되었다. 해양관측기간의 실제 하천 유량과 조석을 고려한 수치 시뮬레이션에서도 대조기 최강 창조류시 섬진강 하구와 하동화력발전소 주변수역은 25psu 에서 30psu 범위의 염분분포를 나타냈으며 해양관측 결과와 공간적으로 조금 차이는 있지만 섬진강 하구와 여수해만 외해 쪽의 표충 변동범위를 볼 때 25psu에서 33.
8cm/s이다. 표층과 중충에서의 유속의 변화는 거의 나타나지 않았으며 저층에서는 표층과 비교하여 유속이 다소 감소하고 있음을 알 수 있었다.
5psu로 나타났으며, 해양관측 결과와 마찬가지로 섬진강 하구와 광양만 입구 쪽에서 낮은 염분 전선을 형성하고 있으며 외해쪽으로 갈수록 염분농도가 회복되는 현상을 나타내고 있다. 해양관측과 수치 시뮬레이션 결과를 볼 때 연구해역의 섬진강 하천수의 수평 염분 분포는 조류의 영향을 크게 받고 있음을 알 수 있었다.
5psu 로 나타났으며 최강 낙조류시와 마찬가지로 섬진강 흐}구의 담수 영향으로 만 내 측은 낮은 염분을 보이고, 여수산단 제2 처리장 부근에서 염분 전선이 낮게 형성되었다. 해양관측기간의 실제 하천 유량과 조석을 고려한 수치 시뮬레이션에서도 대조기 최강 창조류시 섬진강 하구와 하동화력발전소 주변수역은 25psu 에서 30psu 범위의 염분분포를 나타냈으며 해양관측 결과와 공간적으로 조금 차이는 있지만 섬진강 하구와 여수해만 외해 쪽의 표충 변동범위를 볼 때 25psu에서 33.5psu로 비교적 잘 일치함을 알 수 있었다. 최강 낙조류시 표층염분분포는 24psu 에서 33.
현장관측결과 표층에서 염분 전선은 대조기 최강낙조류시 광양만 입구와 섬진강 하구에서 24psu의 약한 염분 전선을 형성하고 외해 쪽으로 갈수록 그 농도가 회복되는 현상을 나타내고 있다.
한편, 연구해역의 유 동장을 고려해 볼 때 섬진강에서 방류되는 하천수의 거동이 조류의 영향으로 인하여 대도 인근해역에서 염분 분포가 낮게. 형성되는 것으로 보여지며, 여수해만에서 북진하는 창조 류 흐름의 대부분이 광양만 내로 강한 흐름을 형성하고 있듯이 창조류시 섬진강 담수의 영향이 광양만 내 수평염분분포에도 영향을 줄 것으로 사료된다. 저층의 창조류시 염분분포도 또한 표층 염분수평분포도와 전체적으로 유사하게 나타나며 조류의 흐름과 지형에 따른 염분 농도가 상대적으로 높게 나타나는 것으로 사료된다.

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