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문제 정의
- 이상의 동계 및 하계시 염분의 현장관측결과를 살펴보면, 섬진강 하구역의 혼합특성은 하천유출량 및 조류의 영향을 크게 받고있음을 확인할 수 있었지만, 현실적으로 넓은 영역에서 동시관측을 수행하기는 쉽지 않다. 따라서, 섬진강 하구역 3차원 혼합특성을 수치모의를 통하여 정량적으로 파악하고자 하였다.
- 본 논문에서는 섬진강 하구역의 3차원 혼합특성을 섬진강 하구역을 중심으로 광양만과 여수해만에서의 동시 관측한 염분의 현장관측자료의 분석과 기상, 조석 , 하천유출수 및 온배수를 고려한 3차원 수치모델(EFDC) 결과를 이용하여 파악하였다.
제안 방법
- 개방경계조건은 과거 조석 관측결과와 국립해양조사원에서 서비스 되는 여수검조소의 동기간 관측결과를 근거로 주요 4대 분조(M2, S2l Kb Ch)의 조석 성분을 모델의 외해 개방경계에 부여함으로써 조석을 재현하였다.
- 1). 관측일의 섬진강 일별 유량은 국토해양부 영산강홍수통제소 송정 수위관측소의 자료를 참고하였고, 여수와 남해의 월 평균 기상자료는 광주기상청 여수기상대 및 남해기상대의 자료를 참고하였다’ 관측자료로부터 만조 및 간조의 표/저층의 수평 염분분포를 분석하여 섬진강 하천 유출수의 영향 범위 및 3차원 혼합특성을 파악하였다.
- 동계 섬진강 하천유출수의 혼합특성을 파악하기 위하여 2006 년 2월의 기상 및 유량자료를 고려하여 수치모의를 하였고, 대조기 (Spring Tide)의 만조 및 간조의 수평 염분분포도를 나타내었다 (Fig- 13).
- 각각의 담수 유출량은 국토해양부 영산강홍수통제소 송정 수위 측정소와 문헌을 참고하였고(김 등[2007]), 유출량은 유역면적의 상대적인 비율로 산정하였다(Table 1). 또한, 섬진강 하구역 및 광양만에는 주변 산업단지에서 온배수가 유입되고 있으며, 본 모델에서는 하동화력 발전소, K-POWER, 호남화력발전소 , 여수화력발전소서의 온배수유출량을 고려하였고, 유출량은 유역면적의 상대적인 비율로 산정하였다 (Table 1).
- 0 psu로 층별간 차이를 두어 주어졌다. 또한, 하천과 외해의배경염분을 구분하기 위하여 구간별로 그 값을 달리 산정하였다. 계산 시간간격 &는 4초로 CFL 안정조건에 만족하였다.
- 고려하였다. 배경 염분은 현장관측자료를 토대로 산정하였는 데 , 수심별 염분차가 크지 않은 동계시에는 층별로 34.0psu를 일정하게 주어졌고, 수심별 염분차가 큰 하계시에는 표증은 30.0psu, 저층은 32.0 psu로 층별간 차이를 두어 주어졌다. 또한, 하천과 외해의배경염분을 구분하기 위하여 구간별로 그 값을 달리 산정하였다.
- 섬진강 하구역의 3차원 혼합특성을 파악하기 위하여 섬진강 하구 역을 중심으로 광양만과 여수해만에서 CTD(Valeport, UK) 및 CLOROTEC(Alec Co., Japan)을 이용하여 동계 (2006.02.02 및 하계(2006.08.09)시 염분관측을 실시하였다(Fig. 1). 관측일의 섬진강 일별 유량은 국토해양부 영산강홍수통제소 송정 수위관측소의 자료를 참고하였고, 여수와 남해의 월 평균 기상자료는 광주기상청 여수기상대 및 남해기상대의 자료를 참고하였다’ 관측자료로부터 만조 및 간조의 표/저층의 수평 염분분포를 분석하여 섬진강 하천 유출수의 영향 범위 및 3차원 혼합특성을 파악하였다.
- 섬진강 하구역의 혼합특성을 파악하기 위하여 기상, 온배수 및 조석을 기본외력으로 고려하고, 관측시기인 동계 2월과 하계 8월의 유량자료와 개방경계에서의 염분을 고려하여 약 30일에 걸쳐 수치모의를 하였다. 현장관측결과와 비교 및 하구역의 3차원 혼합특성을 파악하기 위하여 대조기시 만조 및 간조의 표/저층의 수평염분분포도를 도시하여 파악하였다.
- 수치모델 검증 결과를 토대로 하천유출량 및 발전소의 온배수를 고려한 3차원 해수유동 수치계산 결과의 표층 및 저층 유속벡터도를 도시하여 최강창조 및 최강낙조의 유동패턴을 파악하였고 (Fig. 7~Fig. 10), 잔차류 패턴을 파악하였다(Fig. ll~Fig. 12). 해수유동은 창조시 여수해만을 북진하는 조류의 대부분은 광양만 및섬진강 하구까지 진입하며, 일부는 대도수도를 통과하고 노량수도를 통과하는 특성을 보였다.
- 3). 수평 방향으로는 직교가변격자로 최소격자 50x50과 최대격자 200x200, 유효 계산 격자는 25, 909개의 255x329(28 kmx40 km) 격자망으로 섬진강하구 역에서 격자 간격이 작고 점점 그 크기가 커지도록 구성하였다(Fig. 3). 연직방향으로는 가 0.
- 연구해역의 조위 및 유동 특성을 검증하기 위해 2006년 연평균 하천유출수 자료를 고려하여 수치계산을 수행하였고, 이러한 검증된 조건 하에서 섬진강 하구역의 동계 및 하계의 3차원 혼합특성을 파악하였다.
- 염분은 2006년 2월 및 8월에 현장관측을 수행하여 취득한 자료를 보정한 후 개방경계면을 따르는 일별 염분을 산정하였고 이를 모델에 고려하였다. 배경 염분은 현장관측자료를 토대로 산정하였는 데 , 수심별 염분차가 크지 않은 동계시에는 층별로 34.
- 5는 관측자료와 수치계산 조위를 비교하여 나타낸 그림으로, 각 정점들에서 지점별로 약간의 오차를 가지고 있지만 전체적으로 조위의 패턴은 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있었다. 조류검증을 위해 정점 SC-1 에서 RCM-9(AANDERAA, NORWAY) 을 수면하 2 m에 계류시켜 표층조류를 관측하였고, 정점 SC -2에서는 ADCP(RDI, USA)를 저면에 착저시켜 층별조류를 관측하였다. 정점 SC-1 의 표층 및 정점 SC-2의 3개 층별의 관측결과와 수치계산 결과를 비교한 조류타원도는 Fig.
- 하계 섬진강 하천유출수의 혼합특성을 파악하기 위하여 2006 년 8월의 기상 및 유량자료를 산정한 후 고려하여 수치모의를 하였고, 대조기 (Spring Tide)의 만조 및 간조의 수평 염분분포도를 나타내었다 (Fig. 14).
- 유량자료와 개방경계에서의 염분을 고려하여 약 30일에 걸쳐 수치모의를 하였다. 현장관측결과와 비교 및 하구역의 3차원 혼합특성을 파악하기 위하여 대조기시 만조 및 간조의 표/저층의 수평염분분포도를 도시하여 파악하였다.
대상 데이터
- 본 논문의 대상해역인 섬진강 하구역은 남해안 중부에 위치해있으며, 하구둑이 건조되어 있지 않아 섬진강 하구역 일대와 광양만이 하나의 광활한 기수역을 형성하고 있다(Fig. 1, Fig. 2). 유역면적이 4, 897 kiW인 섬진강에서 년간 약 20~6, 000 m*의 담수가 배출되고, 섬진강 본류에는 대도시와 공업단지가 인접해 있지 않고 지리산이 인접해 있어 수질이 비교적 양호한 것으로 알려져 있다.
- 본 모델에 입력한 수심은 국립해양조사원에서 발행하는 수치해도(No. 241 광양항, No. 242 여수해만, No. 256 광양만 및 여자만), 지형도 및 해도를 바탕으로 수심자료를 만들었으며, 수심의정확성을 높이기 위하여 국토지리정보원에서 발행한 1:25, 000 연안해역기본도로서 보정하였다. 연구해역인 섬진강 하구역 및 광양만의 수심은 약최저저조면을 기준으로 도시하였다(Fig.
- 광양만 중앙부의 묘도 북측과 남측의 수로는 10 m 이상의 수심이며, 섬진강 하구역에서는 간조시 해면이 1~2 m 정도 내려가면서 해면 위에 노출되는 삼각주가 분포하고 있다. 수치계산의 대상영역은 섬진강 하구역을 중심으로 광양만 및 여수해만 일대 해역을 포함하여 구성하였다(Fig. 3). 수평 방향으로는 직교가변격자로 최소격자 50x50과 최대격자 200x200, 유효 계산 격자는 25, 909개의 255x329(28 kmx40 km) 격자망으로 섬진강하구 역에서 격자 간격이 작고 점점 그 크기가 커지도록 구성하였다(Fig.
- 256 광양만 및 여자만), 지형도 및 해도를 바탕으로 수심자료를 만들었으며, 수심의정확성을 높이기 위하여 국토지리정보원에서 발행한 1:25, 000 연안해역기본도로서 보정하였다. 연구해역인 섬진강 하구역 및 광양만의 수심은 약최저저조면을 기준으로 도시하였다(Fig. 2). 광양만은 20 m 이내의 수심으로 내만의 서측과 북측이 대체로 5 m 이하이고, 동측의 노량수도와 남동측의 여수해만과 이어지는 수로는 20 m 이상이다.
- 조위 및 조류의 현장관측자료는 전남대학교 수산과학연구소 [200기에서 2006년 1월부터 2월까지 관측한 자료를 참고하였다 (Fig. 2).
- 한편, 본 논문의 대상영역에는 약 40여개의 대소형 하천에서 담수가 유출되고 있는데, 이 중 가장 크게 영향을 미치는 섬진강, 수어천 및 광양천의 담수유출량을 모델에 고려하였다. 각각의 담수 유출량은 국토해양부 영산강홍수통제소 송정 수위 측정소와 문헌을 참고하였고(김 등[2007]), 유출량은 유역면적의 상대적인 비율로 산정하였다(Table 1).
데이터처리
- 조위 정점 ST-1 및 ST-2의 관측자료와 수치계산 조위의 검증을 위하여 절대상대오차(ARE; Absolute Relative Error)와 평균오차 (ME; Mean Error)를 계산하여 파악하였다(Table 2). 절대상대오차(ARE)는 수치계산 결과의 절대적 크기가 관측자료에 비하여 얼마나 어긋났는 지에 대한 척도를 백분율로 표현한 것으로, 그 값이적을수록 수치계산 결과가 관측자료를 절대적인 크기면에서 잘 재현한다는 것을 의미한다.
이론/모형
- 시 .공간적으로 2차(second order)의 높은 정확성을 얻기 위하여 수치적 확산 에러를 최소화할 수 있는 multi-dimensional positive definite advection transport algorithm(Smolarkiewicz and Clark [1986])을 사용한다. 내부와 외부모드를 분리하여 계산하는 모드분리 법을 적용하여 계산시 간을 단축하고 HEM-3D(Three- Dimensional Hydrodynamic Eutrophication Model)와 연계도 가능하다.
- 수평적으로 직교 또는 곡면(Cartesian or curvilinear) 좌표계를 사용하며 Arakawa C-grid로 구성되어 있고 수직적으로는。좌표계를 사용한다. 그리고 Galperin et o7.[1988]에 의해 수정된 Mellor-Yamada level 2.5 난류모델 (Mellor and Yamada[1982])을 사용하여 수직혼합을 계산하며, 질량보존법칙을 이용하여 조간대 처리가 가능하고 수평와동점성계수는 Smagorinsky[1963]의 식을 이용하여 매시간 계산한다. 시 .
- 공간적으로 2차(second order)의 높은 정확성을 얻기 위하여 수치적 확산 에러를 최소화할 수 있는 multi-dimensional positive definite advection transport algorithm(Smolarkiewicz and Clark [1986])을 사용한다. 내부와 외부모드를 분리하여 계산하는 모드분리 법을 적용하여 계산시 간을 단축하고 HEM-3D(Three- Dimensional Hydrodynamic Eutrophication Model)와 연계도 가능하다.
- 고려하지 못하였다. 따라서, 본 연구에서는 섬진강 하구역의 3 차원 혼합특성을 섬진강 하구역, 광양만 및 여수해만에서의 동시적으로 수행한 염분의 현장관측결과의 분석과 기상, 조석 , 하천 유출수 및 온배수를 고려한 3차원 수치모델 EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)를 이용하여 파악하였다.
성능/효과
- 0 psu 의 고염수가 창조시보다 유입되는 크기가 작아졌다. 간조시 표층 염분분포는 30.0 psu의 등염분선이 남해도까지 확산되었는데, 노량해협으로 확산되는 현상은 상대적으로 작게 나타났다. 저충 염분분포는 30.
- 0 psu의 등염분선이 섬진강 하류까지 북상하였고, 수어 천 인근해역에도 영향을 미쳤다. 간조시 표층 염분분포는 섬진강 유출수의 영향으로 32.0 psu의 등염분선이 포스코 동쪽 해역까지 수로를 따라 확산이 증대되는 현상이 나타났고, 저층 염분분포는 섬진강 하류에서 표층과 차이가 있지만 전체적으로 표층과 유사하게 나타났다. 한편, 대조기 표층 및 저층의 수평 염분분포를 살펴보면, 현장관측결과의 시.
- 한편, 대조기 표층 및 저층의 수평 염분분포를 살펴보면, 현장관측결과의 시.공간적 분포를 전체적으로 잘 재현하는 것을 확인할 수 있었지만, 국소적으로 섬진강 하구역에서 하천 유출수의 확산범위가 일치하지 않음을 확인할 수 있었다. 따라서, 추후 현장관측 및 수치계산결과의 표현 방법 개선 등을 통하여 정량적으로 파악할 필요성이 대두되어진다.
- 한편, 대조기 표층 및 저층의 수평 염분분포를 살펴보면, 현장관측결과의 시.공간적 분포를 전체적으로 잘 재현하는 것을 확인할 수 있었지만, 국소적으로 섬진강 하구역에서 하천 유출수의 확산범위가 일치하지 않음을 확인할 수 있었다. 따라서, 추후 현장관측 및 수치계산결과의 표현 방법 개선 등을 통하여 정량적으로 파악할 필요성이 대두되어진다.
- 해수유동은 창조시 여수해만을 북진하는 조류의 대부분은 광양만 및섬진강 하구까지 진입하며, 일부는 대도수도를 통과하고 노량수도를 통과하는 특성을 보였다. 그리고 낙조류시는 대체적으로 창조류시와 반대방향의 흐름양상을 보이는 일반적인 조류패턴을 잘 나타내고 있음을 확인할 수 있었다. 한편, 복잡한 지형 등의 영향으로 잔차류 패턴은 국지성 와류 발생 등으로 복잡한 흐름양상을 보이는데, 노량수도 서측의 대도 남측해역에서 시계방향의 와류가나타났다.
- 6과 같다. 그림과 같이 관측 결과와 수치계산결과는 방향성과 크기가 전체적으로 잘 일치함을 확인할 수 있었다. 한편, 정점 SC-2의 저층에서 잔차류의 방향이 차이가 있는 것은 수로를 따라 강한 저층 흐름이 생성되고 있기 때문으로 사료된다(김 등[2006]).
- 만조시 표증 염분분포는 32.0 psu의 등염분선이 태인도 북쪽 해역까지 북상하며, 이로 인해 태인도 북쪽 해역에 영향을 미치던 섬진강 유출수가 차단되는 현상이 나타났다. 저층 염분분포는 표층보다 30.
- 수치모델 검증을 위하여 연평균 하천유출수를 고려하여 수치모의를 수행한 결과, 조위 2개 정점과 조류 2개 정점의 조화분석을통한 조화상수 비교를 통하⑴ 모델결과가 관측결과와 잘 일치하고 있음을 확인하였고, 조시별 유동장을 잘 재현하고 있음을 확인하였다. 이러한 검증된 조건 하에 동계 및 하계시 월평균 하천유출수를 고려하여 수치모의한 결과, 동계의 대조기시 염분 분포특성은 섬진강 하천유출수의 영향으로 32.
- 4). 이상의 동계 및 하계시 염분의 현장관측결과를 살펴보면, 섬진강 하구역의 혼합특성은 하천유출량 및 조류의 영향을 크게 받고있음을 확인할 수 있었지만, 현실적으로 넓은 영역에서 동시관측을 수행하기는 쉽지 않다. 따라서, 섬진강 하구역 3차원 혼합특성을 수치모의를 통하여 정량적으로 파악하고자 하였다.
- 하계에는 동계와 비교시 섬진강 하구 역에서 담수의 영향이 크게 나타났는데 이는 동 시기의 강우량과 하천유출량에 직접 영향을 받는 것으로 사료된다. 이상의 염분분포 결과를 살펴보면, 하천유출량 및 조류의 영향을 크게 받고 있음을 확인할 수 있었다.
- 0 psu의 등염분선이 남해도까지 확산되었는데, 노량해협으로 확산되는 현상은 상대적으로 작게 나타났다. 저충 염분분포는 30.0 psu의 등염분선이 표증에 비해 넓게 확산되지 못하였고, 전체적으로 영향범위가 표층에 비해 작게 나타났다. 한편, 대조기 표층 및 저층의 수평 염분분포를 살펴보면, 현장 관측 결과와 비교시 해양기후자료의 부족과 강한 저층 흐름이 잘 재현되지 않아서 국소적으로 일치하지 않음을 확인할 수 있었다.
- 0 psu 이하의 염분이 나타났다. 저층 염분분포는 여수해만과 광양만 입구에서 32.0 psu 이상의 염분이 나타났고, 광양만북동부 해역과 노량해협에서 32.0psu 이하의 염분이 나타났다. 하계 간조시 염분분포는 낙조류의 영향으로 담수의 영향이 더 크게나타났지만 분포 특성은 만조시와 비슷하게 나타났다(Fig.
- 0 psu의 등 염분 선이 영향을 미치고 있다. 저층 염분분포는 태인도 동쪽 해역에서성층이 형성되어 표층과 염분차가 나타났고, 여수해만에서 32.0 psu 의 고염수가 창조시보다 유입되는 크기가 작아졌다. 간조시 표층 염분분포는 30.
- 하계 만조시 표층 염분분포는 동계와 비교시 하천유출수의 차이로 하구역에서의 염분 경사는 크게 나타났고, 여수해만 전체적으로 30.0 psu 이하의 염분이 나타났다. 저층 염분분포는 여수해만과 광양만 입구에서 32.
- 공간적 분포를 전체적으로 잘 재현하는 것을 확인할 수 있었지만, 국소적으로 섬진강 하구역에서 하천유출수의 확산범위가 일치하지 않음을 확인할 수 있었다. 하계의 대조기시 염분 분포특성은표층에서 섬진강 하천유출수의 영향으로 30.0 psu의 등염분선이남해도 인근해역까지 확산하는 것으로 나타났지만, 상대적으로 노량해협으로 확산되는 현상은 작게 나타났고, 현장관측결과와 비교시 해양기후자료의 부족과 강한 저층 흐름이 잘 재현되지 않아서국소적으로 일치하지 않음을 확인할 수 있었다. 따라서, 추후 해양기상자료 등에 관한 현장관측 및 수치계산결과의 표현 방법 개선 등을 통하여 정량적으로 파악할 필요성이 대두되어지며 이에관한 지속적인 연구가 수행되어야 할 것이라 사료된다.
- 0 psu의 등염분선이 표증에 비해 넓게 확산되지 못하였고, 전체적으로 영향범위가 표층에 비해 작게 나타났다. 한편, 대조기 표층 및 저층의 수평 염분분포를 살펴보면, 현장 관측 결과와 비교시 해양기후자료의 부족과 강한 저층 흐름이 잘 재현되지 않아서 국소적으로 일치하지 않음을 확인할 수 있었다. 따라서, 추후 해양기상자료 등에 관한 현장관측 및 수치계산결과의 표현 방법 개선 등을 통하여 정량적으로 파악할 필요성이 대두되어진다.
- 현장관측자료를 분석한 결과, 염분분포는 0.1 ~34.3 psu의 범위로 염분차는 약 34.2 psu이다. 하계에는 동계와 비교시 섬진강 하구 역에서 담수의 영향이 크게 나타났는데 이는 동 시기의 강우량과 하천유출량에 직접 영향을 받는 것으로 사료된다.
후속연구
- 0 psu의 등염분선이남해도 인근해역까지 확산하는 것으로 나타났지만, 상대적으로 노량해협으로 확산되는 현상은 작게 나타났고, 현장관측결과와 비교시 해양기후자료의 부족과 강한 저층 흐름이 잘 재현되지 않아서국소적으로 일치하지 않음을 확인할 수 있었다. 따라서, 추후 해양기상자료 등에 관한 현장관측 및 수치계산결과의 표현 방법 개선 등을 통하여 정량적으로 파악할 필요성이 대두되어지며 이에관한 지속적인 연구가 수행되어야 할 것이라 사료된다.
- 한편, 대조기 표층 및 저층의 수평 염분분포를 살펴보면, 현장 관측 결과와 비교시 해양기후자료의 부족과 강한 저층 흐름이 잘 재현되지 않아서 국소적으로 일치하지 않음을 확인할 수 있었다. 따라서, 추후 해양기상자료 등에 관한 현장관측 및 수치계산결과의 표현 방법 개선 등을 통하여 정량적으로 파악할 필요성이 대두되어진다.
- 공간적 분포를 전체적으로 잘 재현하는 것을 확인할 수 있었지만, 국소적으로 섬진강 하구역에서 하천 유출수의 확산범위가 일치하지 않음을 확인할 수 있었다. 따라서, 추후 현장관측 및 수치계산결과의 표현 방법 개선 등을 통하여 정량적으로 파악할 필요성이 대두되어진다.
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