[논문]ESCORT 모형의 3차원 적용성 - 담수방류 모의

강주환; 김양선; 박선중; 소재귀

[국내논문] ESCORT 모형의 3차원 적용성 - 담수방류 모의
3-D Applicability of the ESCORT Model - Simulation of Freshwater Discharge 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.21 no.3, 2009년, pp.230 - 240

강주환 (목포대학교 건설공학부 토목공학) , 김양선 (목포대학교 건설공학부 토목공학) , 박선중 (목포대학교 건설공학부 토목공학) , 소재귀 (한국해양연구원 기후연안재해연구부)

초록
AI-Helper

선행연구에서 개발된 ESCORT 모형을 사용하여 영산강하구언 배수갑문을 통한 담수방류의 영향성을 분석하였다. 낙조우세를 감안한 해수유동 모의를 통해 2차원 뿐 아니라 3차원 흐름해석에 있어서도 모형의 적용성과 타당성을 입증하였다. 방류가 흐름양상에 미치는 영향성을 분석하였으며, 담수방류 모의 결과 확산현상은 3차원 모형으로 해석해야 함을 확인할 수 있었다. 또한, 방류구 인근에서 염도의 연직분포 특성을 규명하였고 목포해역 담수확산 범위를 추정하였다. 그 결과 외해수와의 해수교환이 원활치 않음에 기인하여, 목포해역에서는 담수농도의 희석이 매우 느리게 진행되고 있음을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The ESCORT model is applied at Mokpo coastal zone to analyze the effect of fresh water discharge released from the gates of the Youngsan River sea-dyke. Applicability and validity of both 2-D and 3-D hydrodynamic modules could be guaranteed by simulating hydrodynamic feature with ebb dominance characteristics. Then, effects of the released discharge on the hydrodynamics are investigated. And analysis of the effects on diffusion phenomena show that 3-D model is essential for such diffusion modelling. Moreover, vertical salinity distributions near the gates are examined, and the influence range of fresh water is also estimated, which shows that dilution of fresh water is going on slowly because of poor flushing.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 선행연구(소 등, 2008)에서 적용성이 입증된 3차원 해수유동 수치모형인 ESCORT모형과 모형에 결합된 염도확산모듈인 TS모듈을 사용해 목포해역의 담수 유입에 따른 염분농도의 시공간적인 변화와 오염원의 확산양태에 대하여 검토하였다. 선행연구에서와 같이 본 연구에 적용된 ESCORT모형은 조간대 모의가 가능한 3차원 모형으로 가변격자체계를 채택하고 있으며 경계조건으로 유량을 부여할 수 있어 방류에 의한 유동변화를 해석할 수 있다.
하구언 방류에 따른 목포항 인근의 확산특성을 규명하기 위해 QF-S-3D 시나리오의 수치실험을 시행하였다. 본 시나리오는 우기시 평균방류량인 2,153 m³/s가 방류되는 경우로서 1회 방류의 영향성을 파악하는데 목적이 있다. 방류 종료 직후와 그로부터 1조석주기 후의 등염도선을 각각 Fig.
본 연구에서는 선행연구(소재귀 등, 2008)에서 적용성이 입증된 3차원 수치모형인 ESCORT 모형과 모형에 결합된 TS모듈을 이용해 영산호로부터 방류되는 담수유입에 따른 염분농도의 시공간적인 변화를 모의하였다. 먼저 낙조우세가 반영된 해수유동에 대한 2차원 및 3차원 모형의 적용 결과를 관측치와 비교한 결과 두 모형 모두 방류 모의에 적합함을 입증하였다.

가설 설정

이후 고조를 거쳐 방류 종료후 첫 저조시(Fig. 11(b)) 확산영역은 더욱 넓어져 목포구 부근까지 영향을 미치고 있다. 이어지는 고조시(Fig.

제안 방법

1의 Area-2로 설정된 본영역의 경계지점에서 경계조건으로 부여하였다. 본영역의 수평방향 격자체계는 Fig. 2와 같이 x, y 양방향에 대해 일부 구간을 최소 크기인 60 m 격자로 하고 여기서 멀어질수록 격자의 크기가 최대 300 m로 커지는 가변격자 체계인 Telescoping grid를 적용하였으며, 연직방향으로는 Table 1과 같이 수면부근일수록 촘촘한 z-격자를 적용하였다. 개방경계조건은 M₂ 분조와 M₄ 분조만을 고려해 중조기 및 낙조우세를 재현하였고, 방류조건은 우기시 평균방류량 조건을 부여하였으며 관련내용은 다음절에 상술하였다.
비우기시의 방류량과 방류시간은 크게 감소되어 약 7.4일에 1회 배수갑문을 평균 123분 동안 개방하여 총 2,617×106m3의 담수를 방류하였다.
본 연구에서는 Table 2의 방류현황을 토대로 우기시 평균 방류를 표준방류로 선정하여 이에 대한 모의를 주로 수행하였다. 담수방류는 하구언 전면에 4개의 방류 격자를 지정함으로써 배수갑문의 폭(240 m)과 일치시켰으며 낙조시 조위가 목포항 검조소 지점에서 평균해면에 이르렀을 때 방류가 시작되도록 설정하였다.
본 연구에서는 Table 2의 방류현황을 토대로 우기시 평균 방류를 표준방류로 선정하여 이에 대한 모의를 주로 수행하였다. 담수방류는 하구언 전면에 4개의 방류 격자를 지정함으로써 배수갑문의 폭(240 m)과 일치시켰으며 낙조시 조위가 목포항 검조소 지점에서 평균해면에 이르렀을 때 방류가 시작되도록 설정하였다. 우기시 평균방류량 조건은 평균 1.
담수방류는 하구언 전면에 4개의 방류 격자를 지정함으로써 배수갑문의 폭(240 m)과 일치시켰으며 낙조시 조위가 목포항 검조소 지점에서 평균해면에 이르렀을 때 방류가 시작되도록 설정하였다. 우기시 평균방류량 조건은 평균 1.6일에 1회 꼴로 방류되고 있지만 방류 영향성 분석을 위해 8일간의 모의기간 동안 총 1회 방류만 모의하였다. 즉, 총 8일간(192시간)의 모의기간 중 2일차 15시 5분에 목포항에서 낙조이면서 조위는 평균해수면 정도를 보이는 조위상황이 발생된다.
2.3절에 제시한 방류모의 조건하에 담수방류에 따른 유동변화 양상을 살펴보았다. Table 3의 QF-2D 수치실험 결과인 우기시 방류 개시(목포항에서 낙조시 평균해수면 발생 시점) 1시간 후에 형성된 수위 및 유속(3차원의 경우는 표면유속) 변화를 Table 5에 제시하였다.
이 기간의 방류실적은 Table 6과 같은데 8월 31일 이전 7일간 방류량은 9월 1일 방류량에 비하면 매우 미미한 수준이다. 본 실험의 방류조건은 표에 제시된 개개의 방류실적에 대한 완전개문시간과 배제량을 감안하여 모의조건과 같이 방류시간 동안 일정 유량을 방류하는 형태로 하구언 방류 경계조건을 결정하였다.
전절에서와 같이 관측치와의 비교를 통한 검증 결과 3차원 확산모형의 타당성을 입증할 수 있었으며, 2차원 모형과 3차원 모형에서 확산 영향성 결과를 비교하기 위하여 QF-S-2D와 QF-S-3D 시나리오에 대한 수치실험을 수행하였다. 방류 종료 직후의 결과와 1주기 후의 결과를 Fig.
하구언 방류에 따른 목포항 인근의 확산특성을 규명하기 위해 QF-S-3D 시나리오의 수치실험을 시행하였다. 본 시나리오는 우기시 평균방류량인 2,153 m³/s가 방류되는 경우로서 1회 방류의 영향성을 파악하는데 목적이 있다.
이와 같이 태풍 등에 동반되는 호우 발생시에 1억톤 이상의 방류가 간혹 발생하고 있으며 이러한 홍수시 방류에 의한 영향성을 파악하기 위해 QR-S-3D 시나리오 중 Table 6의 9월 1일 9시부터 시작된 120.3×106m3의 방류만을 모의하였다.
2와 같이 x, y 양방향에 대해 일부 구간을 최소 크기인 60 m 격자로 하고 여기서 멀어질수록 격자의 크기가 최대 300 m로 커지는 가변격자 체계인 Telescoping grid를 적용하였으며, 연직방향으로는 Table 1과 같이 수면부근일수록 촘촘한 z-격자를 적용하였다. 개방경계조건은 M₂ 분조와 M₄ 분조만을 고려해 중조기 및 낙조우세를 재현하였고, 방류조건은 우기시 평균방류량 조건을 부여하였으며 관련내용은 다음절에 상술하였다. TS모듈에 적용된 초기 염분농도는 해상 전영역에 30 psu을 부여하였고, 방류시 유입되는 담수의 염분농도는 0 psu으로 설정하였다.

대상 데이터

Table 3의 QF-S-2D와 QF-S-3D 시나리오를 통해 방류에 따른 확산현상을 모의하기에 앞서 우선 모형의 타당성을 입증하기 위하여 관측자료가 존재하는 경우(김유, 2003)에 대한 방류모의인 QR-S-3D를 실시하였다. 본 시나리오는 2002년 9월 3일의 상황을 재현하기 위해 당일을 포함하여 이전 4일간의 방류실적을 모의한 것이다. 이 기간은 소조기에 가깝지만 방류에 의한 영향이 훨씬 지배적이기 때문에 조석상황은 여타 시나리오와 동일하게 중조기를 적용하였다.

이론/모형

비선형 이류항의 계산에는 불연속 문제의 해결에 장점이 있는 TVD(Total Variance Diminishing) scheme(Hoffmann and Chiang, 2000)을 사용하며, 주로 Superbee limiter 또는 Aroa & Roe limiter를 사용한다.
수평방향 와점성계수 계산에서는 Smagorinsky 수식(Smagorinsky, 1963)을 사용하며, 난류모형으로는 대수모형을 비롯해 k-ε, k-ω모형 등 다양한 선택이 가능하게 모형화되어 있는데, 본 연구에서는 계산시간을 감안한 효율적인 계산을 위해 대수모형을 사용하였다.
본 연구에서는 선행연구(소 등, 2008)에서 적용성이 입증된 3차원 해수유동 수치모형인 ESCORT모형과 모형에 결합된 염도확산모듈인 TS모듈을 사용해 목포해역의 담수 유입에 따른 염분농도의 시공간적인 변화와 오염원의 확산양태에 대하여 검토하였다. 선행연구에서와 같이 본 연구에 적용된 ESCORT모형은 조간대 모의가 가능한 3차원 모형으로 가변격자체계를 채택하고 있으며 경계조건으로 유량을 부여할 수 있어 방류에 의한 유동변화를 해석할 수 있다.
대부분의 3차원 모형과 마찬가지로 내적모드와 외적모드를 분리하여 계산하는 모드 분리방법을 사용하며, 내적모드로 계산된 유속은 외적모드 유속으로 보정한다. 또한 Time differencing scheme으로는 POM 모형과 마찬가지로 Leapfrog 방법을 채택하였으며 Asselin time filter를 사용하여 Time splitting을 제거한다.
대수모형 중 Munk and Anderson(1948), Pacanowski and Philander(1981), Peters et al.(1988) 등 몇 가지 모형에 대한 결과를 비교한 후 Munk and Anderson(1948) 모형을 선택하였다. ESCORT모형의 기본방정식은 이전연구(소 등, 2008)에 자세히 소개한 바 있다.
모형의 적용을 위해 우선 선행연구(강 등, 2005; 소 등, 2008)와 동일하게 Fig. 1에 제시된 광역(Area-1)에 대하여 MIKE21 모형을 적용하였다. 광역 적용조건에 대한 세부 내용은 본고에서는 기술치 않는다.
Table 3의 QF-S-2D와 QF-S-3D 시나리오를 통해 방류에 따른 확산현상을 모의하기에 앞서 우선 모형의 타당성을 입증하기 위하여 관측자료가 존재하는 경우(김유, 2003)에 대한 방류모의인 QR-S-3D를 실시하였다. 본 시나리오는 2002년 9월 3일의 상황을 재현하기 위해 당일을 포함하여 이전 4일간의 방류실적을 모의한 것이다.

성능/효과

또한 우기시 1회의 평균방류량을 모의한 결과에서도 목포항 수로 전반에 걸쳐 담수의 영향이 3∼4일 이상 지속되고 있으며, 1억톤 이상의 담수방류가 있을 경우에는 목포해역 전체에 걸쳐 담수의 영향이 일주일 정도 지속되는 것으로 나타났다.
3차원 확산모형의 수치해를 관측치와 비교한 결과에 있어서도 타당한 결과가 도출되어 확산모형의 타당성 역시 입증할 수 있었다. 그러나 2차원 모형의 결과와 3차원 모형의 결과가 큰 차이를 보이지 않고 있는 해수유동모형과는 달리, 담수방류에 따른 확산현상은 확산범위와 연직분포 등을 분석한 결과 3차원 모형이 필수적이라는 결론을 얻게 되었다.
3차원 확산모형의 수치해를 관측치와 비교한 결과에 있어서도 타당한 결과가 도출되어 확산모형의 타당성 역시 입증할 수 있었다. 그러나 2차원 모형의 결과와 3차원 모형의 결과가 큰 차이를 보이지 않고 있는 해수유동모형과는 달리, 담수방류에 따른 확산현상은 확산범위와 연직분포 등을 분석한 결과 3차원 모형이 필수적이라는 결론을 얻게 되었다.
본 연구에서는 선행연구(소재귀 등, 2008)에서 적용성이 입증된 3차원 수치모형인 ESCORT 모형과 모형에 결합된 TS모듈을 이용해 영산호로부터 방류되는 담수유입에 따른 염분농도의 시공간적인 변화를 모의하였다. 먼저 낙조우세가 반영된 해수유동에 대한 2차원 및 3차원 모형의 적용 결과를 관측치와 비교한 결과 두 모형 모두 방류 모의에 적합함을 입증하였다. 또한 목포해역으로의 유출입 조량을 계산한 결과에서도 내부 저류량 및 방류량과 부합하는 등 해수유동 측면에서 합당한 결과를 보이고 있다.

후속연구

개발된 모형은 계산시간이 긴 단점을 가지고 있으나, 염분 및 담수 확산현상을 잘 재현하고 있으며, 수질 예측 및 평가에도 유용하게 이용될 수 있을 것으로 판단된다. 후속 연구에서는 영산호의 담수방류조건과 더불어 영암 및 금호방조제로부터 유입되는 담수를 고려한 복합적인 확산모의를 수행하고 목포인근해역의 보다 정확하고 실질적인 확산양상 파악을 수행하고자 한다.
개발된 모형은 계산시간이 긴 단점을 가지고 있으나, 염분 및 담수 확산현상을 잘 재현하고 있으며, 수질 예측 및 평가에도 유용하게 이용될 수 있을 것으로 판단된다. 후속 연구에서는 영산호의 담수방류조건과 더불어 영암 및 금호방조제로부터 유입되는 담수를 고려한 복합적인 확산모의를 수행하고 목포인근해역의 보다 정확하고 실질적인 확산양상 파악을 수행하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ESCORT 모형이란?	ESCORT(Efficient Support for Coastal Ocean Research and Test) 모형은 연안해역 및 하구역의 해수순환, 오염물질 및 퇴적물 이동 연구를 위해 한국해양연구원에서 개발한 3차원 수치모형으로, 선행연구(소 등, 2008)에서 관측자료 및 MIKE21 모형과의 비교검증을 통해 타당성이 입증된 바 있다.
	ESCORT에 도입된 격자체계는 무엇을 사용하여 구성되나?	ESCORT에 도입된 격자체계는 수평방향으로는 가변 유한차분 격자(Telescoping grid)로 Staggered grid system(Arakawa C-grid)을 사용하며, 연직으로는 σ-격자, 또는 z-격자를 사용할 수 있으며, 표층 σ-격자와 저층 z-격자를 혼용할 수도 있다. 또한 수치해석방법으로 양해법을 사용하여 방정식의 해를 구하게 된다.
	ESCORT의 방정식 해는 어떻게 구하나?	ESCORT에 도입된 격자체계는 수평방향으로는 가변 유한차분 격자(Telescoping grid)로 Staggered grid system(Arakawa C-grid)을 사용하며, 연직으로는 σ-격자, 또는 z-격자를 사용할 수 있으며, 표층 σ-격자와 저층 z-격자를 혼용할 수도 있다. 또한 수치해석방법으로 양해법을 사용하여 방정식의 해를 구하게 된다. 대부분의 3차원 모형과 마찬가지로 내적모드와 외적모드를 분리하여 계산하는 모드 분리방법을 사용하며, 내적모드로 계산된 유속은 외적모드 유속으로 보정한다.

참고문헌 (19)

강주환, 박민원, 박선중(2007a). 목포항 주변해역에 미치는 하구언 방류 영향(해수유동). 공업기술연구논문집, 국립 7개대학공동논문집간행위원회, 7, 323-328
강주환, 박선중, 문승록, 박민원(2005). 목포해역의 확산양상.공업기술연구논문집, 국립7개대학공동논문집간행위원회, 5, 527-532
강주환, 박선중, 박민원(2007b). 목포항 주변해역에 미치는 하구언 방류 영향(오염확산). 공업기술연구논문집, 국립 7개대학공동논문집간행위원회, 7, 329-335
강주환, 오남선, 문승록, 박선중(2003). 현장관측을 통한 목포항 인근의 조류특성 분석. 공업기술연구논문집, 국립 7개대학공동논문집간행위원회, 3, 537-544
강주환, 임병선(1998). 방조제 건설로 인한 목포해역에서의 오염확산양상 변화. 대한토목학회 논문집, 18(11-6), 613-622
건설교통부 익산지방국토관리청(1998). 영산강 하천정비기본계획(보완)
건설교통부 익산지방국토관리청(2005). 영산강 유역 종합 치수계획 자문보고서
농업기반공사 영산강사업단(2005). 04 관리연보(하구둑, 영암, 금호방조제)
김도희, 유한홍(2003). 집중 강우시 목포 주변해역의 수질특성. 한국해양환경공학회지, 6(2), 28-37

원문보기 상세보기
박선중, 김대근, 안순섭, 강주환(2007). 조석의 영향을 받는영산강 하류부의 수리학적 홍수추적. 대한토목학회 논문집, 27(2B), 201-209
소재귀, 강주환, 박선중(2008). 해수유동모형 ESCORT - 개발 및 검증. 대한토목학회 논문집, 28(3B), 335-343
정태성, 김태식(2008). 목포해역의 해수유동 및 담수확산 예측시스템. 한국해양환경공학회지, 11(1), 13-23

원문보기 상세보기
Hoffmann, K.A. and Chiang, S.T. (2000). Computational fluid dynamics. Engineering Education System, 236-252
Kang, J.W. (1999). Changes in tidal characteristics as the result of the construction of sea-dike/seawalls in the Mokpo coastal zone in Korea. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 37, 429-438
Kang, J.W., Moon, S.-R., Park, S.-J. and Lee, K.-H. (2009).Analyzing sea level rise and tide characteristics changedriven by coastal construction at Mokpo Coastal Zone inKorea. Ocean Engineering, 36, 415-425

상세보기
Munk, W. and Anderson, E.R. (1948). Notes on a theory of the thermocline. Journal of Marine Research, 7, 276-295
Pacanowski, R.C. and Philander, S.G.H. (1981). Parameterization of vertical mixing in numerical models of tropical oceans. Journal of Physical Oceanography, 11, 1443-1451

상세보기
Peters, H., Gregg M.C. and Toole, J.M. (1988). On the parameterization of equatorial turbulence. Journal of Geophysical Research, 93, NC2, 1199-1218

상세보기
Smagorinsky, J. (1963). General circulation experiments with the primitive equations. Monthly Weather Review NWB, 93

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증