[논문]Particle Tracking Model을 이용한 평균체류시간의 공간분포 계산

박성은; 홍석진; 이원찬

Particle Tracking Model을 이용한 평균체류시간의 공간분포 계산
Calculating Average Residence Time Distribution Using a Particle Tracking Model 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.23 no.2 = no.87, 2009년, pp.47 - 52

박성은 (국립수산과학원 환경관리과) , 홍석진 (국립수산과학원 환경관리과) , 이원찬 (국립수산과학원 환경관리과)

Abstract ▼ AI-Helper

A Lagrangian particle tracking model coupled with the Princeton Ocean Model were used to estimate the average residence time of coastal water in Masan Bay, Korea. Our interest in quantifying the transport time scales in Masan Bay was stimulated by the search for a mechanistic understanding of this spatial variability, which is consistent with the concept of spatially variable transport time scales. Tidal simulation was calibrated through a comparison with the results of semi-diurnal current and water elevation measured at the tidal stations of Masan, Gadeokdo. In the model simulations, particles were released in eight cases, including slack before ebb, peak ebb, slack before flood, and peak flood, during both spring and neap tides. The averaged values obtained from the particle release simulations were used for the average residence times of the coastal water in Masan Bay. The average residence times for the southeastern parts of Somodo and the Samho River, Masan Bay were estimated to be about 20~50days and 70~80days, respectively. The spatial difference for the average residence time was controlled by the tidal currents and distance from the mouth of the bay. Our results might provide useful for understanding the transport and behavior of coastal water in a bay and might be used to estimate the dissimilative capacity for environmental assessment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 마산만을 대상으로 입자추적모델을 이용한 평균체류시간을 계산하였으며, 체류시간의 정량적 차이를 공간적으로 비교함으로써 주요 하천으로부터 유입되는 영양염 및 각종 오염물질들이 유출되기까지 걸리는 시간을 추산하였다.
5%를 상회하는 높은 수준임에도 불구하고 수질환경 개선효과는 미미하다(국토해양부․경상남도, 2008). 본 연구는 마산만 내의 소해역별 체류시간의 정량적 차이를 공간적으로 비교함으로써 주요 하천 및 하수처리장으로부터 유입되는 영양염 및 각종 오염물질들이 유출되기까지 걸리는 시간을 추산하였다.
본 연구는 마산만의 2차원 조류에 의한 입자의 수송시간을 계산하여 평균체류시간의 공간적인 차이를 산정한 것으로 담수 유입 및 바람응력 효과 등 기타 체류시간을 변동시킬 수 있는 다른 영향은 고려하지 않았다. 홍수기에 다량으로 유입된 담수가 대부분 상층을 통하여 만외로 유출되는 경우 체류시간은 짧아지고 상층과 하층의 체류시간 차이도 커질 것이다.

가설 설정

개방경계의 각 격자점에서 매 시간 간격마다 주요 4개 분조(M2, S2, O1, K1)의 조화상수(한국해양연구소, 1996)를 이용하여 조위값을 부여하였고 총 계산시간은 18일이었다. 담수유입은 없는 것으로 가정하고 조류에 의한 해수순환만을 고려하였다.

제안 방법

계산 시간 간격은 CFL(Courant-friedrichs-lewy) 조건을 고려하여 1초로 하였다. 개방경계의 각 격자점에서 매 시간 간격마다 주요 4개 분조(M2, S2, O1, K1)의 조화상수(한국해양연구소, 1996)를 이용하여 조위값을 부여하였고 총 계산시간은 18일이었다. 담수유입은 없는 것으로 가정하고 조류에 의한 해수순환만을 고려하였다.
계산 시간 간격은 CFL(Courant-friedrichs-lewy) 조건을 고려하여 1초로 하였다. 개방경계의 각 격자점에서 매 시간 간격마다 주요 4개 분조(M2, S2, O1, K1)의 조화상수(한국해양연구소, 1996)를 이용하여 조위값을 부여하였고 총 계산시간은 18일이었다.
해역에서 임의 정점으로부터 출발한 입자의 체류시간은 조석이 탁월한 해역의 경우 입자의 방출시점에 따라 달라질 수 있다. 따라서 대조기 및 소조기에 각각 간조, 최강 창조, 만조, 최강 낙조 시에 입자를 방출한 계산을 수행하여 총 8회에 걸쳐 시뮬레이션한 결과를 평균하여 사용하였다. 입자추적모델의 총계산시간은 120일이었으며 마산만을 대상으로 총 2200개 이상의 입자를 각 격자당 1개씩 고려하여 일시 방출시켰다.
본 연구에서는 방출 시점에 따른 영향으로부터 평균적인 조건을 구하기 위하여 총 8회에 걸쳐 서로 다른 조시에 방출시킨 입자를 시뮬레이션으로 추적하고 이것을 각 격자별로 평균하여 마산만을 대상으로 평균체류시간을 산정하였다(Fig. 7).
해수유동 수치실험의 재현성을 검토하기 위하여 Fig. 4와 같이 마산항 검조소(G1) 및 가덕도 검조소(G2)의 국립해양조사원 조위관측자료와 계산된 18일간 조위변동 시계열을 비교하여 조위를 검증하였으며, 장선덕 등(1984) 및 김차겸 등(1994)의 관측치를 사용하여 반일주조의 조류타원을 계산치와 비교하여 조류의 재현성을 검토하였다. 그 결과 조위의 진폭은 다소 차이를 보이나 위상은 잘 일치하였고, 조류는 마산만 정점(C2)의 유속 진폭이 다소 차이를 보이나 주축 방향의 진폭은 거의 유사하여 본 연구에서 해수유동 수치실험의 재현성은 양호한 것으로 판단된다.

대상 데이터

격자구성은 총 179×152개로 계산시간을 감안하여 마산만을 중심으로 하는 가변격자(100~400m 사이)를 사용하였고, 입자추적모델 계산 시각 입자들의 초기 위치에 해당하는 마산만 영역을 중심으로 최소 격자를 구성하였다(Fig. 2).
모델영역은 마산만에서 방출되는 입자가 충분히 수송될 수 있도록 Fig. 1과 같이 진해만 전역을 대상으로 하여 x, y 방향으로 각각 53.5×39.9km에 이르는 영역을 설정하였다.
본 연구에서는 평균체류시간의 공간분포를 계산하고자 대상 해역으로 마산만을 선택하였다. 마산만은 인천․시화연안, 광양만, 부산연안, 울산연안과 함께 해양오염이 극심한 5대 특별관리해역 가운데 하나로 육상으로부터 유입되는 오염물질에 의해 수질악화가 매우 심각한 해역이다.
따라서 대조기 및 소조기에 각각 간조, 최강 창조, 만조, 최강 낙조 시에 입자를 방출한 계산을 수행하여 총 8회에 걸쳐 시뮬레이션한 결과를 평균하여 사용하였다. 입자추적모델의 총계산시간은 120일이었으며 마산만을 대상으로 총 2200개 이상의 입자를 각 격자당 1개씩 고려하여 일시 방출시켰다.

이론/모형

라그랑지 방법에 의한 입자의 이류는 해수유동모델의 계산결과를 입력하여 2차원으로 계산하였으며, 난류혼합에 의한 입자의 통계적 처리가 가능하도록 수평난류확산에 의한 Random walk model을 수행하였다. 이때 입자의 위치는 다음 식 (1)과 같이 주어진다.
해수유동모델은 2차원 Princeton ocean model(POM)을 사용하였다(Blumberg and Mellor, 1987). POM은 유한차분법을 이용하여 원시운동방정식의 해를 구하는 모델로 자유표면의 시공간적인 변동계산이 가능하므로 개방경계에서 조석강제력을 고려할 수 있어 하구 및 연안역에 많이 적용된다(Oey and Mellor, 1993).

성능/효과

(1) 평균체류시간의 수평경사는 소모도 남동측 해역을 중심으로 약 20일에서 50일까지 빠르게 증가하였다. 이것은 폭이 좁아지는 연안지형으로 인해 외해로부터 유입되는 조류 유속이 급격히 감소한 것이 주된 원인이다.
(2) 행암만은 입구 부근의 평균체류시간이 5~10일 정도였으나 만 내측은 최대 35일 이상으로 짧은 거리상에서도 25일 이상 차이를 보였다.
(3) 마산만으로 담수를 공급하는 주요 하천인 삼호천을 통해 유입되는 영양염 및 오염물질의 경우 조류가 상대적으로 빠른 부도 남쪽의 진해만 중부해역으로 이동하기까지는 두 달 이상이 소요되는 것으로 추정된다. 후 기 본 연구는 국립수산과학원의 사업과제(연안어장 환경용량 산정연구, RP-2009-ME-014)의 일환으로 수행되었습니다.
평균체류시간의 수평분포를 보면 전반적으로 경계로부터 멀어질수록, 그리고 내만으로 갈수록 체류시간이 길어지는 전형적인 패턴을 보여준다. 경계로부터 가까운 부도 주변에서는 체류시간이 약 10일 전후로 나타났고 수평적으로는 조류가 상대적으로 빠르게 유출입되는 부도 양측 수로 부근에서 체류시간이 비교적 짧았다. 해역의 폭이 급격히 좁아지는 소모도 남측과 해군부두 근처에서는 20일에서 50일까지 체류시간이 빠르게 증가하는데 Fig.
4와 같이 마산항 검조소(G1) 및 가덕도 검조소(G2)의 국립해양조사원 조위관측자료와 계산된 18일간 조위변동 시계열을 비교하여 조위를 검증하였으며, 장선덕 등(1984) 및 김차겸 등(1994)의 관측치를 사용하여 반일주조의 조류타원을 계산치와 비교하여 조류의 재현성을 검토하였다. 그 결과 조위의 진폭은 다소 차이를 보이나 위상은 잘 일치하였고, 조류는 마산만 정점(C2)의 유속 진폭이 다소 차이를 보이나 주축 방향의 진폭은 거의 유사하여 본 연구에서 해수유동 수치실험의 재현성은 양호한 것으로 판단된다.
평균체류시간의 수평분포를 보면 전반적으로 경계로부터 멀어질수록, 그리고 내만으로 갈수록 체류시간이 길어지는 전형적인 패턴을 보여준다. 경계로부터 가까운 부도 주변에서는 체류시간이 약 10일 전후로 나타났고 수평적으로는 조류가 상대적으로 빠르게 유출입되는 부도 양측 수로 부근에서 체류시간이 비교적 짧았다.

후속연구

조류가 빠른 진해만 중앙해역과는 달리 조류가 미약한 마산만 내측 영역에서는 연안선에 나란한 방향의 북풍이 불 경우 체류시간은 상당히 짧아질 것으로 예상된다. 추후 담수유입량 및 표층유속의 바람응력에 대한 반응에 대한 정량적 관측자료가 확보될 경우 이에 의한 체류시간 변화를 연구할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	교체시간이란?	체류시간과 혼동되는, 그리고 가장 많이 사용되는 교체시간(Flushing time)은 단위 Flux(또는 Flow rate) 당 유체의 체적 변화율로서 해양에서는 주로 조량(Tidal prism) 혹은 Knudsen식을 이용하며, 경우에 따라서 물질의 농도가 초기 농도의 절반(50%), e-folding scale(63.21%), 혹은 완전 제거(100%)될 때까지 소요되는 시간을 의미한다. 무엇보다도 교체시간은 단위 영역에 대한 전체 부피변화를 고려하기 때문에 물질 수송 시간의 공간적 차이를 알 수 없다는 점이 체류시간과 구별되는 가장 큰 차이점이다(Monsen et al.
	체류시간이란?	체류시간(Residence time)은 임의 경계 내에서 물질이 체류하는 평균적인 시간으로 연안역에서 수괴가 외해수와 교체되는데 소요되는 시간, 오염물질의 유입 시점부터 유출되기까지 걸리는 시간, 그리고 부영양화 문제 등 연안의 환경적인 자정능력을 진단하기 위한 간접적인 지표로도 많이 사용된다.
	POM의 특징은?	POM은 유한차분법을 이용하여 원시운동방정식의 해를 구하는 모델로 자유표면의 시공간적인 변동계산이 가능하므로 개방경계에서 조석강제력을 고려할 수 있어 하구 및 연안역에 많이 적용된다(Oey and Mellor, 1993). 그 특징을 보면 연직혼합계수를 산정하기 위하여 2차 난류종결모델(Second moment turbulence closure model)을 사용하고 있으며 계산시간의 효율성을 고려하여 중력파를 계산할 때 외부 및 내부모드로 시간스텝을 분리해서 계산하는 모드분리기법을 도입하고 있다.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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