기존의 한강 감조구간 수치모의에 대한 연구는 단면자료 획득의 어려움이나 유도의 조위자료가 없으므로 하류 경계단을 전류지점으로 하여 모의한 논문이 대부분이나 본 연구에서는 수치해도를 바탕으로 곡릉천 합류부 이후와 임진강 하구부의 단면을 가정하고 인천검조소의 조위자료를 유도지점으로 전이시켜 서해안 조위에 의한 한강하류부에서의 수리학적 거동을 해석하였다. 모형의 적용구간은 신곡수중보로부터 한강의 법적 하류단인 김포시 유도까지 총 36.8 km에 이르는 구간으로 흐름 및 혼합거동 해석은 RMA-2 모형과 서일원(2008)이 개발한 2차원 이송-분산 해석모형인 RAM4를 이용하였다. 전류지점에서의 수위 및 종횡방향 유속 실측자료와 수치모의 결과를 비교하여 흐름해석 결과를 검증하였다. 수위 관측소의 자료가 양호하고 인천검조소에서 높은 조차가 발생하는 2006년 6월 23일~25일 동안 모의한 결과 유도지점의 조위에 따라 총 5회의 역방향 흐름이 관찰되었고 최대 역류 길이는 장항 IC까지 총 32.9 km에 이르렀다. 최대 역방향 흐름의 발생 및 소멸 과정, 최고 유속선을 따른 수위 및 유속을 분석하였으며 이에 따른 비보존성 오염물질의 혼합거동을 해석하였다. 굴포천으로부터 유입된 오염물질은 하폭방향 퍼짐이 두드러지게 일어났지만 곡릉천에서 유입된 BOD는 곡릉천 합류부를 전후하여 중앙 및 좌안측 수심이 급격히 깊어지고 최대유속선이 곡릉천 방향인 우안에서 발생하고 있으므로 횡방향 혼합이 빠르게 완료되어 오염운의 반경이 상대적으로 좁은 것을 확인할 수 있었다. 또한 1차원 이송-분산방정식의 해석해를 적용해 유도지점의 염도 값을 인천검조소로부터 추산하여 한강 하류부에서의 수평 2차원 염수 혼합거동을 해석하였다.
기존의 한강 감조구간 수치모의에 대한 연구는 단면자료 획득의 어려움이나 유도의 조위자료가 없으므로 하류 경계단을 전류지점으로 하여 모의한 논문이 대부분이나 본 연구에서는 수치해도를 바탕으로 곡릉천 합류부 이후와 임진강 하구부의 단면을 가정하고 인천검조소의 조위자료를 유도지점으로 전이시켜 서해안 조위에 의한 한강하류부에서의 수리학적 거동을 해석하였다. 모형의 적용구간은 신곡수중보로부터 한강의 법적 하류단인 김포시 유도까지 총 36.8 km에 이르는 구간으로 흐름 및 혼합거동 해석은 RMA-2 모형과 서일원(2008)이 개발한 2차원 이송-분산 해석모형인 RAM4를 이용하였다. 전류지점에서의 수위 및 종횡방향 유속 실측자료와 수치모의 결과를 비교하여 흐름해석 결과를 검증하였다. 수위 관측소의 자료가 양호하고 인천검조소에서 높은 조차가 발생하는 2006년 6월 23일~25일 동안 모의한 결과 유도지점의 조위에 따라 총 5회의 역방향 흐름이 관찰되었고 최대 역류 길이는 장항 IC까지 총 32.9 km에 이르렀다. 최대 역방향 흐름의 발생 및 소멸 과정, 최고 유속선을 따른 수위 및 유속을 분석하였으며 이에 따른 비보존성 오염물질의 혼합거동을 해석하였다. 굴포천으로부터 유입된 오염물질은 하폭방향 퍼짐이 두드러지게 일어났지만 곡릉천에서 유입된 BOD는 곡릉천 합류부를 전후하여 중앙 및 좌안측 수심이 급격히 깊어지고 최대유속선이 곡릉천 방향인 우안에서 발생하고 있으므로 횡방향 혼합이 빠르게 완료되어 오염운의 반경이 상대적으로 좁은 것을 확인할 수 있었다. 또한 1차원 이송-분산방정식의 해석해를 적용해 유도지점의 염도 값을 인천검조소로부터 추산하여 한강 하류부에서의 수평 2차원 염수 혼합거동을 해석하였다.
Previous studies on the numerical simulation at the tidal reach of Han River tend to restrict downstream boundary as Jeon-ryu station due to difficulties in gaining cross section data and tidal elevation values at Yu-do. But, in this study, geometries beyond the confluence of Gok-reung stream and Im...
Previous studies on the numerical simulation at the tidal reach of Han River tend to restrict downstream boundary as Jeon-ryu station due to difficulties in gaining cross section data and tidal elevation values at Yu-do. But, in this study, geometries beyond the confluence of Gok-reung stream and Im-jin River are constructed based on the numerical sea map; tidal elevation at the downstream boundary, Yu-do is estimated by harmonic analysis of In-cheon tide gage station so that hydrodynamic and diffusion behavior have been analyzed. The domain ranging from Shin-gok submerged weir to Yu-do is selected (which is 36.8 km in length). RMA-2 and RAM4 developed by Il Won Seo (2008) are applied to simulate flow and diffusion behavior, respectively. Numerical results of flow characteristic are compared with the measured data at Jeon-ryu station. Simulation is carried out from June 23 to 25 in 2006 on the ground that hydrologic data is satisfactory and tidal difference is huge during that period. The result shows that reverse flow occurs 5 times according to the tidal elevation at Yu-do and the maximum reverse flow is observed up to Jang-hang IC, which is 32.9 km in length. Also analysis is focused on the process of generation and disappearance of reverse flow, the distribution of water surface elevation and velocity along the maximum velocity line, and the transport of nonconservative pollutant. Pollutant injected from Gul-po stream spreads widely across the river; however, the size of BOD cloud entering from Gok-reung stream is relatively small because water depth at the mid and left side becomes deeper and maximum velocity occurs along the right bank so that transverse mixing is completed quickly. Finally, mixing characteristic of horizontal salinity distribution is obtained by estimating the salinity input with analytical solution of 1D advection-dispersion equation.
Previous studies on the numerical simulation at the tidal reach of Han River tend to restrict downstream boundary as Jeon-ryu station due to difficulties in gaining cross section data and tidal elevation values at Yu-do. But, in this study, geometries beyond the confluence of Gok-reung stream and Im-jin River are constructed based on the numerical sea map; tidal elevation at the downstream boundary, Yu-do is estimated by harmonic analysis of In-cheon tide gage station so that hydrodynamic and diffusion behavior have been analyzed. The domain ranging from Shin-gok submerged weir to Yu-do is selected (which is 36.8 km in length). RMA-2 and RAM4 developed by Il Won Seo (2008) are applied to simulate flow and diffusion behavior, respectively. Numerical results of flow characteristic are compared with the measured data at Jeon-ryu station. Simulation is carried out from June 23 to 25 in 2006 on the ground that hydrologic data is satisfactory and tidal difference is huge during that period. The result shows that reverse flow occurs 5 times according to the tidal elevation at Yu-do and the maximum reverse flow is observed up to Jang-hang IC, which is 32.9 km in length. Also analysis is focused on the process of generation and disappearance of reverse flow, the distribution of water surface elevation and velocity along the maximum velocity line, and the transport of nonconservative pollutant. Pollutant injected from Gul-po stream spreads widely across the river; however, the size of BOD cloud entering from Gok-reung stream is relatively small because water depth at the mid and left side becomes deeper and maximum velocity occurs along the right bank so that transverse mixing is completed quickly. Finally, mixing characteristic of horizontal salinity distribution is obtained by estimating the salinity input with analytical solution of 1D advection-dispersion equation.
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문제 정의
본 연구에서는 한강 감조구간에서의 흐름 거동 및 오염물질 혼합 특성을 수치모의를 통하여 분석하였다. 수치모형의 적용구간은 신곡수중보부터 유도지점까지이며 유도지점의 조위자료는 인천검조소의 조위자료를 전이시킨 것을 이용하였다.
제안 방법
최대 역방향 흐름의 발생 및 소멸과 이에 따른 비보존성 오염물질의 혼합거동을 해석하였다. 최대 역방향 흐름이 발생하는 시간과 최대 역방향 혼합이 발생하는 시간은 선단부 부근의 유속이 매우 작아서 혼합이 느리게 일어나므로 1.
한강 하구의 경우 조위관측소가 없으므로 2001년 해양수산부의 ‘한강·임진강 유역에 대한 조위영향 연구’와 신영재(2001)의 ‘평수 한강과 임진강에서의 조석전파 특성 연구’를 바탕으로 인천검조소에서의 조위자료를 조화 분석하여 하류단 경계지점인 유도로 전이시켜 조위를 추산하였다.
한강 하류부에서 발생하는 서해안 조위에 의한 순방향 및 역방향 흐름의 RMA-2 해석 결과를 전류지점에서의 수위 및 유속 실측자료와 비교하여 흐름해석 결과를 검증하였다. 검증에 이용된 매개변수는 표 1에 수록하였다.
한강 하구의 경우 조위관측소가 없으므로 2001년 해양수산부의 ‘한강·임진강 유역에 대한 조위영향 연구’와 신영재(2001)의 ‘평수 한강과 임진강에서의 조석전파 특성 연구’를 바탕으로 인천검조소에서의 조위자료를 조화 분석하여 하류단 경계지점인 유도로 전이시켜 조위를 추산하였다. 한편 조위에 의한 한강 하류부에서의 혼합거동 해석을 위해 모의구간 내에 수질측정망이 설치되어 있는 굴포천과 곡릉천 합류부에서 2006년 6월에 관측된 농도값을 입력하여 RAM4 모의를 실시하였다. 이 경우 지천유량은 곡릉천 하천정비기본계획(1999)과 굴포천 준용하천정비기본계획(1995)에 제시된 년 평균유량을 이용하였다.
대상 데이터
모형의 적용구간은 백마섬을 포함한 신곡수중보 직하류부터 한강의 법적 하류단인 경기도 김포시 월곶면 유도까지 총 36.8 km에 이르는 구간으로(그림 1) 한강 하천정비 기본계획(2002)의 측량자료를 이용하여 지형자료를 구축하였다. 현재까지 한강하류부는 군사분계선이 위치하고 있는 접적지역의 특성상 곡릉천 합류부까지만 단면측량이 이루어졌기 때문에 이후 단면은 영종도에서 용매도 구간에 이르는 수치해도(2002년)를 참고하여 13.
는 전단유속, S는 하상경사를 의미한다. 분산계수의 산정에서 수심은 수치해석 결과를 분석하여 해당 모의구간의 평균값인 9 m를 적용하였으며, 하상경사는 하천정비 기본계획(2002년)에 제시된 곡릉천 합류점으로부터 신곡 수중보 구간 값인 S=0.000222을 적용하였다. BOD의 감쇠계수는 기존에 최남정(2007), 서일원과 송창근(2007) 및 박무종(1995)이 한강구간에 적용한 바 있는 k=0.
서해안의 큰 조위차에 의한 한강 하구부에서의 흐름 및 혼합거동 모의를 위해 신곡수중보로부터 월곶면 유도지점까지 총 36.8 km에 이르는 구간을 선정하여 RMA-2 및 RAM4모형을 적용하였다. 흐름해석 결과를 검증하기 위해 전류지점에서의 수위(한강홍수통제소 제공) 및 유속 실측(국립해양 조사원) 값과 비교한 결과 잘 일치하였다.
본 연구에서는 한강 감조구간에서의 흐름 거동 및 오염물질 혼합 특성을 수치모의를 통하여 분석하였다. 수치모형의 적용구간은 신곡수중보부터 유도지점까지이며 유도지점의 조위자료는 인천검조소의 조위자료를 전이시킨 것을 이용하였다. 흐름해석은 RMA-2 모형을 이용하였으며, 비보존성 오염물질 및 수평 2차원 염도분포 해석은 2차원 이송-분산 해석 모형인 RAM4(서일원, 2008)를 이용하였다.
이 기간 동안의 상하류단 경계조건을 그림 4(a)에 수록하였다. 전류지점에서의 종횡방향 유속의 검증은 국립해양조사원에서 2005년 11월 16일~12월 17일에 실측한 자료 중 순방향 및 역방향 흐름이 두드러지게 나타나는 12월 7일의 측정자료를 사용하였다. 그림 4(b)는 2005년 12월 7일 24시간 동안 1시간 간격으로 입력된 경계조건을 나타낸다.
조위에 의한 한강 하류부에서의 혼합거동 해석을 위해 모의구간 내에 수질측정망이 설치되어 있는 굴포천과 곡릉천 합류부에서 2006년 6월에 관측된 조건을 입력하여 RAM4모의를 실시하였다. 굴포천에서 11.
한강홍수통제소에서 실시간으로 제공하고 있는 전류지점 수위는 2007년 1월 22일 이후 자료부터 이용이 가능하므로 인천 검조소의 조위자료가 양호한 2007년 7월 22일~24일 동안의 관측 자료를 사용하였다. 이 기간 동안의 상하류단 경계조건을 그림 4(a)에 수록하였다.
흐름특성 및 오염물질 혼합거동 모의에 이용된 경계조건은 최근 2006년 자료 중 대상구간 내 수위관측소의 유량 및 수위자료가 양호하고 인천검조소의 조위기록자료 중 가능한 높은 조차가 발생하는 2006년 6월 23일~25일 관측치로 하였다(그림 7). 한강 하구의 경우 조위관측소가 없으므로 2001년 해양수산부의 ‘한강·임진강 유역에 대한 조위영향 연구’와 신영재(2001)의 ‘평수 한강과 임진강에서의 조석전파 특성 연구’를 바탕으로 인천검조소에서의 조위자료를 조화 분석하여 하류단 경계지점인 유도로 전이시켜 조위를 추산하였다.
데이터처리
하류단인 유도지점의 염도는 인천검조소 실측값으로부터 다음의 방법을 사용하여 전이하였다. 모의기간(2006년 6월 23일~25일) 동안 인천검조소의 평균 수온과 염도값은 해양 수질자동측정망에 의해 24o C와 27 PSU로 관측되었고 인천 검조소와 유도지점과의 거리는 39.1 km로 매우 멀리 떨어져있으므로 식 (6)과 같은 1차원 이송-분산방정식의 연속주입 해석해를 이용하여 유도지점의 염도값을 계산하였다.
이론/모형
RMA-2 모형은 Galerkin법을 사용하여 해를 구하는 유한요소모형으로서 형상함수로는 유속에 대해서는 2차, 수위에 대해서는 1차 함수로 근사하는 혼합보간기법이 적용된다. 공간 적분은 Gaussian 적분법을 사용하며, 시간 미분항은 유한차분법을 사용한다. 해를 구하기 위하여 완전 음해법을 사용하며, 반복 계산법으로는 각 시간 단계에서의 비선형 연립방정식을 Newton Raphson 수렴 방법을 사용하여 해석한다.
위의 지배방정식에 유한요소모형을 적용한 2차원 이송-분산 해석 모형인 RAM4는 선형 및 2차 형상함수를 적용할 수 있으며, 불규칙한 하천의 형상을 보다 정확히 재현하기 위해 삼각 및 사각요소망의 혼용이 가능하다(서일원, 2008). 시간미분항은 Crank-Nicolson방법을 이용하여 차분하였으며 수치적분은 자연좌표계를 이용한 가우스 적분법을 사용하였다. 오염물질의 유입은 정상 및 비정상상태의 농도주입과 사고유입을 고려한 순간주입의 형태로 정의되어 농도 및 질량으로 부하량을 입력할 수 있으며 서일원과 송창근(2007)은 한강 본류구간에 RAM4 모형을 적용하여 연속주입 및 순간 주입에 따른 취수장에서의 유입수 농도를 계산한 바 있다.
025를 적용하였다. 종분산계수 및 횡분산계수는 모의구간이 습지보호구역 및 군사제한구역인 특성 상 현장실측이 매우 어렵고 제한적이기 때문에 널리 사용되는 Elder와 Fischer의 경험식(Fischer 등, 1979)을 이용하여 다음과 같이 산정하였다. 2차원 이송-분산 모델을 사용하는 경우의 종분산계수는 종방향유속의 연직분포만을 고려한 Elder식을 적용하는 것이 타당한 것으로 제시되고 있기 때문에 식 5(a)를 이용하여 산정하였다(Fischer 등, 1979; Seo와 Cheong, 1998).
동해안을 제외한 국내하구 특히 서해안의 조석력은 매우 커서 활발한 수괴 혼합이 이루어져(김동화 등, 2004) 금강하구에서의 성층화를 막고 있다(김기철과 정종률, 1988). 한강하구부에서도 서해안의 매우 큰 조위차에 의해 연직방향으로 일정한 염도분포가 예상되므로 본 연구에서는 수심에 비해 폭이 매우 넓은 한강하구부에서 서해안 조위에 의한 상류방향으로 전달되는 해수의 염도분포를 구하기 위해 표 3에서 X-Y 모형에 해당하는 수심적분 이송분산 모형인 RAM4를 이용하였다.
공간 적분은 Gaussian 적분법을 사용하며, 시간 미분항은 유한차분법을 사용한다. 해를 구하기 위하여 완전 음해법을 사용하며, 반복 계산법으로는 각 시간 단계에서의 비선형 연립방정식을 Newton Raphson 수렴 방법을 사용하여 해석한다.
수치모형의 적용구간은 신곡수중보부터 유도지점까지이며 유도지점의 조위자료는 인천검조소의 조위자료를 전이시킨 것을 이용하였다. 흐름해석은 RMA-2 모형을 이용하였으며, 비보존성 오염물질 및 수평 2차원 염도분포 해석은 2차원 이송-분산 해석 모형인 RAM4(서일원, 2008)를 이용하였다.
성능/효과
5시간의 차이가 있었다. 1차원 이송-분산방정식의 해석해를 이용해 유도지점의 염도 값을 인천검조소로부터 추산하여 한강 하류부에서의 수평 2차원 염도 분포를 RAM4로 분석한결과 유도지점으로부터 약 19.4 km까지 상류방향으로 염도 분포가 존재하였고 최선단부는 전류에 약 2 km 못 미치는 지점이었다.
흐름해석 결과를 검증하기 위해 전류지점에서의 수위(한강홍수통제소 제공) 및 유속 실측(국립해양 조사원) 값과 비교한 결과 잘 일치하였다. 2006년 6월 23일부터 3일 동안 한 시간 간격으로 입력된 유량 및 수위조건으로 수치모의를 수행한 결과 총 5차례의 반대방향 흐름이 관찰되었고 최대 역류길이는 32.9 km로 장항IC까지 이르렀다. 이 시간에 최대유속선을 따라 관찰된 유속 및 수위 분포도로부터 선단부를 전후하여 유속이 역방향에서 정방향으로 바뀌게 됨을 확인하였고 유도지점과 신곡수중보의 수위 차는 약 1 m 정도였으며 선단부 부근에서는 수위가 1.
수위 검증 결과는 그림 5에 도시하였으며, 유속 검증 결과는 그림 6에 나타내었다. 수위 및 유속의 비교 결과를 살펴보면 두 곡선이 서로 잘 일치하나 수치모의 결과에 의한 값이 실측치보다 약간 작은 경향이 있음을 알 수 있다. 수치모의에 이용된 지형자료는 건설교통부(2002년)의 한강 하천정비 기본계획에 의한 것이지만 유속과 수위는 각각 2005년과 2007년에 실측된 자료이며 곡릉천 이후 영역의 단면을 가정하였기 때문에 이런 오차가 발생한 것으로 사료된다.
9 km로 장항IC까지 이르렀다. 이 시간에 최대유속선을 따라 관찰된 유속 및 수위 분포도로부터 선단부를 전후하여 유속이 역방향에서 정방향으로 바뀌게 됨을 확인하였고 유도지점과 신곡수중보의 수위 차는 약 1 m 정도였으며 선단부 부근에서는 수위가 1.5 m 로 일정하였다.
조위에 따른 상류 방향으로의 흐름을 세부적으로 모의하기 위해 시간 간격을 15분으로 하여 RMA-2를 모의한 결과 표 2 및 그림 8과 같이 총 5차례의 역방향 흐름이 관찰되었다. 이는 그림 7의 유도지점의 조위조건을 나타내는 정현파 곡선(sinusoidal curve)이 5회의 국부최고치(local maxima)를 가지는 것과 밀접한 관련이 있다.
8 km에 이르는 구간을 선정하여 RMA-2 및 RAM4모형을 적용하였다. 흐름해석 결과를 검증하기 위해 전류지점에서의 수위(한강홍수통제소 제공) 및 유속 실측(국립해양 조사원) 값과 비교한 결과 잘 일치하였다. 2006년 6월 23일부터 3일 동안 한 시간 간격으로 입력된 유량 및 수위조건으로 수치모의를 수행한 결과 총 5차례의 반대방향 흐름이 관찰되었고 최대 역류길이는 32.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하구는 어떤 지역인가?
하구는 담수와 해수가 만나 넓은 갯벌과 기수역(brackish water zone)을 형성하여 각종 생물의 서식지이자 어류의 산란지로 이용되는 생태학적으로 매우 중요한 지역이다. 우리나라 서·남해안 하구역의 대부분에는 지속적인 용수공급 및 수질관리를 목적으로 하구둑을 건설하여 조석운동에 의해 해수가 강의 상류로 치고 올라가는 것을 방지하고 있으나, 한강 하구역은 국내 4대강 가운데 유일하게 하구둑이 설치되어 있지 않아 조수의 출입이 자유롭고 민간인의 접근이 통제되어 자연적인 하천지형과 기수역 생태계가 잘 보전된 곳이다.
우리나라 서·남해안 하구역의 대부분에는 어떤 목적으로 하구둑을 건설하였는가?
하구는 담수와 해수가 만나 넓은 갯벌과 기수역(brackish water zone)을 형성하여 각종 생물의 서식지이자 어류의 산란지로 이용되는 생태학적으로 매우 중요한 지역이다. 우리나라 서·남해안 하구역의 대부분에는 지속적인 용수공급 및 수질관리를 목적으로 하구둑을 건설하여 조석운동에 의해 해수가 강의 상류로 치고 올라가는 것을 방지하고 있으나, 한강 하구역은 국내 4대강 가운데 유일하게 하구둑이 설치되어 있지 않아 조수의 출입이 자유롭고 민간인의 접근이 통제되어 자연적인 하천지형과 기수역 생태계가 잘 보전된 곳이다. 국립환경연구원(2005)의 ‘하구역 생태계 정밀조사 보고서’에 따르면 한강 하구부는 세계적 희귀종이자 천연기념물 제 203호인 재두루미와 개리 등 각종 멸종 위기 1, 2종의 서식이 확인되었으며 지형경관과 염분 정도에 따라 버드나무 군락, 갈대군락, 갯잔디군락 등 다양한 하구 식생이 고스란히 보존된 것으로 보고되어 있다.
RMA-2는 개발된 이래로 어디에 적용되어 왔는가?
RMA-2는 상류 조건에서 자유수면의 수위와 수평 방향의 수심 평균된 2차원 유속 성분을 계산한다. 1973년 Norton, King 및 Orlob에 의해 개발된 이래로, 하중도를 포함하는 하천 수로, 교각 부근 흐름, 유수단면 확대 및 축소부를 포함하는 하천구간의 흐름 등 여러 수체의 일반적인 수위와 흐름 분포를 계산하는 데에 적용되어왔다. RMA-2의 지배방정식은 연속 방정식과 Navier-Stokes 방정식을 2개의 수평방향에 대하여 수심 적분한 운동량 방정식으로 다음과 같다.
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