[논문]비정규격자계 해양순환 모델을 이용한 하구에서의 담수 유출분석

황진환; 박영규

비정규격자계 해양순환 모델을 이용한 하구에서의 담수 유출분석
Fresh Water Flume Analysis Using an Unstructured Grid Ocean Circulation Model 원문보기

한국해양환경공학회지 = Journal of the Korean society for marine environmental engineering, v.12 no.4, 2009년, pp.227 - 234

황진환 (동국대학교 사회환경시스템공학과) , 박영규 (한국해양연구원 기후연안재해 연구부)

초록
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강에서 유출된 담수가 연안지역에 영향을 미치는 영역을 결정하는 요인 중 하나인 담수풍선의 특성을 비정규격자계를 사용하는 유한체적모델(FVCOM)을 이용하여 연구하였다. 강에서 바다로 유출된 담수는 하류 쪽(강에서 바다를 보면서 오른쪽)으로 이동하는 연안경계류와 강 하구에서 반시계방향으로 회전하며 시간이 지남에 따라 커지는 와류형태의 담수풍선(bulge)을 만든다. 이 담수풍선의 중심에서 수직운동이 유도되어 담수가 해저면 까지 이동한다. 조석을 고려하면 담수풍선이 사라지고, 연안경계류의 폭이 넓어진다. 간단한 염분비교방법을 이용하여 조석에 의한 성층 및 혼합의 변화를 비교하여 조석이 연직혼합을 강화시킴을 정량적으로 평가하였다. 담수가 방출되기 시작한 초기에는 조석에 의한 왕복운동에 의해 조석이 고려된 경우에 수평혼합이 더 크게 나타나나, 일정시간이 지나면 수직혼합에 의해 하구역의 염분이 낮아져 있어, 강 하구에서 담수의 왕복운동이 전체적인 수평 확산계수에 미치는 영향이 작아진다. 조석이 없는 경우 연직혼합 없이 주로 표층에서만 관성불안정에 의해 수평 확산/혼합이 이루어져 수평 확산계수가 시간이 지남에 따라 계속 증가한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Using a finite volume ocean circulation model based on an unstructured grid (FVCOM), we studied the structure of a fresh water bulge that influences on the Region Of Freshwater Influence. Fresh water discharged a river forms a coastal boundary current to the righthand side and a cyclonically circulation freshwater bulge that grows with time. In the middle of the bulge, vertical motions bring fresh water to the bottom. When tidal motions are included, the bulge disappears while the boundary currents becomes wider. Through a simple comparison of areas occupied low salinity water we quantified vertical and horizontal mixing due to the tide and showed that the tidal motion enhances the vertical mixing. During the first few tidal cycles right after the onset of the river discharge, due to tidal excursion the horizontal mixing becomes stronger. The vertical mixing by the tide mixes the fresh water After a certain time the water around the river mouth is well mixed and the horizontal excursion of the fresh water near the river mouth does not have much effect on the horizontal mixing. When there is no tidal motion horizontal mixing is mainly by the inertial instability at the surface and the horizontal mixing becomes stronger over time.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

국내의 담수플룸에 관련된 대표적 연구로는 이대인과 김종규[2007]에 의해 수행된 황해로 유입되는 양쯔강의 담수유입량과 조석의 영향에 관한 것이 있으며, 이 연구에서는 다양한 조석성분과 넓은 영역에 관한 연구를 수행함과 동시에 관측자료와 비교함으로써 결과의 신뢰도를 높였다. 특히 담수확산에서 플룸의 형태로 전개되는 혼합구조는 이대인과 김종규의 연구에서 황해(양쯔강의 북쪽방향)로 조석의 반대방향으로 전개되는 담수플룸의 발달의 설명에 도움이 될 것이다.
이러한 담수영향역에서 발생되는 특수한 물리현상이 담수 bulge의 형성이다. 본 연구에 담수 bulge가 생성되어 지속되는 강어귀 부분을 고해상도로 재현하기 위하여 비정규격자계를 사용하는 유한체적모델을 이용하여 담수 풀룸의 거동을 정밀하게 관찰하였다. 관측을 통하여 연안경계류 하류 쪽으로 이송되는 담수는 표면에서 밀도류의 형태로 이미 강어귀에서부터 분기되어발달하는것으로 bulge의형성후에발생되지는않는것같다.

가설 설정

유출된 담수의 염분은 0‰정도로 주워졌으며, 해수의 염분은 30‰을 나타 내는 것으로 가정하였다.

제안 방법

강 하구에 나타나는 담수풍선의 구조를 자세히 살펴보기 위하여, 23일후 담수유출구 부분에서 속도 장을 깊이별로 비교하였다(Fig. 5). 유출된 담수는 연안을 따라서 두 개의 흐름으로 갈라져 연안상류(y=0)와 연안하류(y=160 km)쪽으로 흐른다.
이를 통해 기존의 연구에서 제시되지 못한 bulge의 중심축을 발견하였고, 이를 통해 bulge가 하구에서의 주 역할이 수직혼합을 강화시키는 것을 보였다. 또한, Kelvin wave를 이용한 이상적 조석을 발생시켰을 때 수직혼합이 강화되는 것을 확산영역을 비교하여 정량화 시켜 보았다. 조석에 의한 담수풍선의 안정화 과정에 대해 연구한 Isobe[2005]에서는, 조석이 담수풍선의 생성을 억제하고 하류 쪽으로의 경계류를 강화시킴을 보여주었으나 조석에 의한 혼합에 대해서는 분석되지 않았다.
상층과 하층에서 저염 분수가 차지하는 면적을 비교하여 조석이 수직혼합을 강화시킴을 정량적으로 평가하였다. 면적확장계수를 정의하여 표층에서 조석에 의한 표층확산을 정량화 하였다. 담수가 배출되는 초기에는 조석의 왕복운동에 의해 강에서 유출된 담수가 조석이 없는 경우보다 넓게 퍼지나, 시간이 지남에 따라 수직혼합에 의해 담수가 하층으로도 이동하기 때문에 면적확장계수가 증가하지 않는다.
본 연구에서는 관심부에 대한 해상도를 높이는데 유용한 비구조격자 (unstructured grid) 모델 중 하나인 Finite Volume Coastal Ocean Model(FVCOM, Chen et al.[2003])을 이용하여 강어귀에서 발생하는 물리현상을 좀 더 세부적으로 연구하였다. 이를 통해 기존의 연구에서 제시되지 못한 bulge의 중심축을 발견하였고, 이를 통해 bulge가 하구에서의 주 역할이 수직혼합을 강화시키는 것을 보였다.
조석이 없을 때 담수풍선이 폭넓게 발달하고 경압특성의 폭이 좁은 밀도류가 경계면을 따라 발달하는 것에 비해, 조석은 담수풍선의 생성을 억제하고 수직혼합을 강화시켜 수직 밀도 구배가 작은, 즉 순압특성을 갖는 폭이 넓은 경계류를 만들어 낸다. 상층과 하층에서 저염 분수가 차지하는 면적을 비교하여 조석이 수직혼합을 강화시킴을 정량적으로 평가하였다. 면적확장계수를 정의하여 표층에서 조석에 의한 표층확산을 정량화 하였다.
서해에 위치한 대부분의 하구는 조석의 영향을 매우 크게 받고 있기 때문에, 조석이 고려된 모델을 수행하여 조석이 담수의 유동과 혼합에 미치는 영향을 연구하였다. 이를 위하여 모델영역의 남쪽 개방경계에 Rossby 변형반경이 116 km이고 파고가 2 m인 M2 분조의 Kelvin 파를 조파하였다.
적절한 정규격자와 비정규격자를 체계적으로 비교하기 위해서는 정규격자를 구성하여 수치실험을 수행하는 것이 바람직하지만, 본 연구에서는Oey & Mellor의 격자 규모와 비슷하도록 FVCOM에서 얻은 결과를 비정규격자를 3 km×3.125 km의 정규격자로 내삽한 후 비교 하였다(Fig. 3).
조석이 담수의 거동에 미치는 영향을 파악하기 위하여 M2 분조의 Kelvin wave를 고려한 수치실험도 수행하였다. 조석이 없을 때 담수풍선이 폭넓게 발달하고 경압특성의 폭이 좁은 밀도류가 경계면을 따라 발달하는 것에 비해, 조석은 담수풍선의 생성을 억제하고 수직혼합을 강화시켜 수직 밀도 구배가 작은, 즉 순압특성을 갖는 폭이 넓은 경계류를 만들어 낸다.

대상 데이터

서해에 위치한 대부분의 하구는 조석의 영향을 매우 크게 받고 있기 때문에, 조석이 고려된 모델을 수행하여 조석이 담수의 유동과 혼합에 미치는 영향을 연구하였다. 이를 위하여 모델영역의 남쪽 개방경계에 Rossby 변형반경이 116 km이고 파고가 2 m인 M2 분조의 Kelvin 파를 조파하였다. 조석이 있는 경우와 없는 경우, 표층과 저층에서 염분분포를 Fig.
한강에서 강우가 나타나는 경우로 담수유출량의 한강유역의 하류지점에 위치한 군남관측소에서 2007년 6월, 7월, 9월에 상대적으로 강우가 집중적으로 발생하는 경우의 3개월 중 각 달의 최대값을 선택하여 평균한 553CMS를 사용하였다. 여기서 8월의 유량은 상대적으로 매우(6000CMS)높아 제외하였다*.

이론/모형

5 난류마감모델에 의해 결정된다. F_u와 F_v와 F_S는 수평방향 운동량과 염분의 확산 항을 나타내는데, 이 때 Smagorinsky 와류모수화방법(Smagorinsky[1963])을 이용하여 확산계수를 계산한다. #는 하향 단파복사의 흡수를나타낸다.
수직혼합은 Mellor-Yamada 2.5단계 난류 마감 모델(Mellor & Yamada[1982])이 사용되었다.

성능/효과

중간 깊이에서 보면, 상층부의 유속분포장에서 발견된 풍선의 중심이그래도 유지되는 것을 발견할 수 있다. 또한, 유속의 방향이 대부분 상부와 비슷하게 분포되어있는 것을 알 수 있으며, 약 y=140 km 연안지역에 새로운 회전류의 발생이 있는 것을 알 수 있다. 그러나 거대 풍선의 회전류가 바닥에서는 발견되지 않는다.
[2003])을 이용하여 강어귀에서 발생하는 물리현상을 좀 더 세부적으로 연구하였다. 이를 통해 기존의 연구에서 제시되지 못한 bulge의 중심축을 발견하였고, 이를 통해 bulge가 하구에서의 주 역할이 수직혼합을 강화시키는 것을 보였다. 또한, Kelvin wave를 이용한 이상적 조석을 발생시켰을 때 수직혼합이 강화되는 것을 확산영역을 비교하여 정량화 시켜 보았다.

후속연구

일례로 Chao & Boicourt[1986]에 따르면 강으로부터 발달된 담수플룸이 연안경계류에 의해서 연안 쪽으로 시계방향으로 회전하기 때문에, 강으로부터 유출된 오염물질은 외해로 이송되기 보다는 연안지역에 머무르게 된다고 하였다. 또한, 하구의 개발에 따른 지형의 변화는 하부의 담수영향지역을 변화시킴으로써 생태적 환경적 변화를 가져올 수 있어, ROFI에 대한 연구는 연안수변공간의 활용에 있어서반드시 고려되어야할 사항이다.
즉 조석이 없는 경우에는 담수가 관성불안정에 의한 수평혼합의 강화로 표층에서 확장하는 비율이 시간에 따라 증가하나, 조석이 있는 경우에는 일정한 값 이상 증가하지 않는다. 여기에서 제시하는 연구결과는 매우 이상적인 것이어 실제 상황에 직접 적용하기는 어려우나, 기본적인 특성만 고려하여 우리나라의 서해와같이 조석이 강한 하구 역에 적용한다면, 담수영향영역이 해안을 따라 하구의 오른쪽 방향에 존재할 것이고, 담수는 연직방향으로 잘 혼합된 경계류의 형태로 이동할 것이다.
국내의 담수플룸에 관련된 대표적 연구로는 이대인과 김종규[2007]에 의해 수행된 황해로 유입되는 양쯔강의 담수유입량과 조석의 영향에 관한 것이 있으며, 이 연구에서는 다양한 조석성분과 넓은 영역에 관한 연구를 수행함과 동시에 관측자료와 비교함으로써 결과의 신뢰도를 높였다. 특히 담수확산에서 플룸의 형태로 전개되는 혼합구조는 이대인과 김종규의 연구에서 황해(양쯔강의 북쪽방향)로 조석의 반대방향으로 전개되는 담수플룸의 발달의 설명에 도움이 될 것이다. 정태성과 김태식[2008]의 연구에서는 목포연안으로 유입되는 담수의 확산을 GUI시스템을 이용한 유안요소 모형을 이용하여 연안유역의 수질관리를 위한 모형으로 제시하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하구는 무엇인가?	하구는 해수와 담수가 만나는 특수한 공간이다. 하구를 통해 배출되는 담수와 육상기원의 퇴적물 및 각종 영양물질 및 오폐수 등은 하구주변 및 연안의 퇴적양상과 수질환경을 결정하는 중요한 역할을 한다.
	하구를 통해 배출되는 어떤 것들이 하구 주변 및 연안의 퇴적양상과 수질 환경을 결정하는 중요한 역할을 하는가?	하구는 해수와 담수가 만나는 특수한 공간이다. 하구를 통해 배출되는 담수와 육상기원의 퇴적물 및 각종 영양물질 및 오폐수 등은 하구주변 및 연안의 퇴적양상과 수질환경을 결정하는 중요한 역할을 한다. 하구는, 또한 담수와 해수가 수시로 교환되어 육상생물의 기원이라고 생각될 만큼 생태학적으로 중요한 공간이다(Dyer[1997]).
	기존 연구에서는 하구에서 담수플룸의 발달양상을 보여주지 못한 이유는 무엇인가?	하구에서 담수플룸의 발달양상을 관찰하는 것의 가장 중요한 이유는 담수와 염수의 혼합의 속도 및 오염물질의 이동등 물질의 수송과 혼합이 중요한 이유일 것이며, 복잡한 강어귀에서의 혼합 과정을 파악하는 것이 매우 중요할 것이다. 그럼에도 불구하고 기존의 연구에서는 수치모사기술의 한계로 세밀한 플룸의 거동을 보여주지는 못하였다. Oey & Mellor[1993]은 과거의 연구(Chao & Boicourt[1986])는 고정 와류확산모형(fixed Eddy-diffusivity)을 이용함으로써, 강어귀에서 발달하는 bulge와 주변 해수간 경계면에서 발생하는 미세난류의 영향을 충분히 고려하지 못하여 중요한 혼합과정이 정확하게 재현되지 못된 점을 지적하며, Mellor-Yamada 2.

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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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