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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 폐쇄성 해역에서의 유동구조의 해명과 빈산소수괴의 거동에 있어서 우선 지형성 저혈효과(연안해양학, 1989)와 하천수 유출을 고려한 성층유동 모델을 구축하고 수온 성층구조를 재현함으로서 생태계 모델을 통한 빈산소수괴(DO< 3mg/L)의 형성과정과 환경부환경정책기본법 시행령에서 제시한 해역수질기준을 근거로 생태계 모델 구축에 대한 정량적 평가를 실시하였다.
- 본 연구에서는 성층화 현상의 재현을 위하여 지형성 저열효과 및 하천유출을 고려한 성층유동모델을 구축하였으며, 진해 · 마산만에서의 수질구조의 재현을 위하여 생태계모델을 구축하였다.
제안 방법
- 유입수질은 실측 자료의 부족으로 1991년 6~8월에 관측된 자료와 국립수산과학원의 정점별 관측자료를 지점별로 보충하여 설정하였으며 관측 자료가 없는 유기태 인, 질소에 대해서는 김종구(1994)의 연구에서 사용된 유기탄소량을 C/P, C/N비로 환산하여 사용하였다. 각종 내부변화 과정에 있어서 기술되는 매개변수에 대해서는 기존의 적용사례를 참고하여(Table 3) 본 모델에 적용하였다.
- 물질의 수송 · 확산에는 유동모델에서 얻어진 결과에서 유속성분과 수평 및 연직방향의 와확산계수를 이용하였다. 계산대상의 물질형태로서는 생물체유기물을 대표하는 식물플랑크톤량으로서 CHL-a, 영양염으로서 무기태질소(I-N), 무기태인(I-P), 비생물체의 유기태질소(NL-O-N), 비생물체의 유기태인(NL-O-P), 화학적산소요구량(COD), 용존산소(DO)를 설정하였다. 또한, 비생물체유기물은 Detritus태와 용존태의 유기물의 총칭이다.
- 물질의 수송 · 확산에는 유동모델에서 얻어진 결과에서 유속성분과 수평 및 연직방향의 와확산계수를 이용하였다.
- 본 연구에서 이용되는 생태계모델은 성층화를 고려한 해수유동의 결과값을 이용하였으며, 수질예측모델에서 다루고 있는 수질지표항목에 있어서는, 유기오탁지표로서 화학적 산소요구량(COD), 부영양화의 원인지표인 총질소(T-N), 총인(T-P)과 해역생물의 생식지표인 용존산소(DO)를 대상으로 모델을 수립하였다. 이들 항목은 식물플랑크톤을 주체로 하는 1차 생산을 고려하여 물질순환기구가 표현되고 있으며, 수질모델은 N, P, COD, DO의 생물 · 화학적인 변화과정을 모델화하였다(Yamane 1997).
- 본 연구에서는 진해 · 마산만 해역을 대상으로 지형성 저열효과를 고려한 수온성층장의 재현을 통한 생태계 모델을 구축하여 빈산소수괴의 형성과정을 재현하였다.
- 계산 영역내의 개경계 조건은 진해․마산만에서 관측된 주요 4분조(M2 + S2 + O1 + K1)를 사용하였으며, 본 해역의 좌측(T1)에 위치하는 견내량수로와 우측하단(T2~T3)의 거제-가덕수로, 우측(T4~T5)의 진해-가덕수로 3지점에서 개경계 조건을 부여하였다. 수온과 염분은 민감도 분석을 실시하여 표층에서부터 11층까지 표층의 수심으로 정의하였으며, 그 나머지를 저층의 수심으로 산정하였다. 해역 내로 유입하는 하천에 대해서는 총 40여개의 하천 중 대상해역에 영향이 상당하다고 판단되는 15개의 하천만을 산정하여 유입하천의 수온 및 염분을 고려하였으며, 하천유량은 김종구(1994)의 하계평균유량조건을 이용하여 정상상태로 유입된다.
- 3지점 모두 계산결과와 관측결과는 매우 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 아울러 조류관측 지점 A, B(Fig. 4)에서의 대조기의 조류 관측결과(장선덕 등, 1984)와 유동장에 대한 계산결과와의 비교를 통해 유동장에 대한 재현성을 검증하였다(Fig. 6 참조). 진해만 입구 부근 A지점(Fig.
- 연직방향의 난류계수에는 ”0(Zero)” 방정식 모델을 이용하고, 밀도차를 고려하기 위해 성층화 함수를 도입하였다.
- 진해 · 마산만의 유동구조를 재현하기 위해 유동장 계산에서 밀도류 효과를 고려하지 않은 barotropic 유동모델로 정상상태 까지 계산을 실시 한 후, baroclinic 유동모델로 만내의 성층화를 충분히 재현할 수 있는 총 계산시간 30일로 유동구조계산을 실시하였다.
- 진해 · 마산만에 대한 수온 성층구조 재현과 생태계 모델의 결과를 논의하기에 앞서 본 연구에서 적용한 본 모델의 타당성을 검증하기 위해 조위에 대한 계산치와 관측치의 비교 검증, 조류 타원도의 검증, 대상영역내의 유입 및 유출에 대한 연속방정식 만족여부를 유량수지를 대상으로 Mass check를 실시하였다.
대상 데이터
- 진해 · 마산만의 유동구조를 재현하기 위해 유동장 계산에서 밀도류 효과를 고려하지 않은 barotropic 유동모델로 정상상태 까지 계산을 실시 한 후, baroclinic 유동모델로 만내의 성층화를 충분히 재현할 수 있는 총 계산시간 30일로 유동구조계산을 실시하였다. 계산 영역내의 개경계 조건은 진해․마산만에서 관측된 주요 4분조(M2 + S2 + O1 + K1)를 사용하였으며, 본 해역의 좌측(T1)에 위치하는 견내량수로와 우측하단(T2~T3)의 거제-가덕수로, 우측(T4~T5)의 진해-가덕수로 3지점에서 개경계 조건을 부여하였다. 수온과 염분은 민감도 분석을 실시하여 표층에서부터 11층까지 표층의 수심으로 정의하였으며, 그 나머지를 저층의 수심으로 산정하였다.
- 해역 내로 유입하는 하천에 대해서는 총 40여개의 하천 중 대상해역에 영향이 상당하다고 판단되는 15개의 하천만을 산정하여 유입하천의 수온 및 염분을 고려하였으며, 하천유량은 김종구(1994)의 하계평균유량조건을 이용하여 정상상태로 유입된다. 또한 해수 표면에 있어 열수지 산정에 필요한 기상 Data는 주변지역의 1970년~2007년 사이에 관측된 하계의 기상 Data를 사용하였다.
- 수온관측지점의 산정은 진해 · 마산만만에 수질에 대하여 1989년부터 2007년까지 15개의 관측지점에 대하여 15년간 관측되어진 비교적 일관성 있는 자료(국립수산과학원; www.nfrdi.re.kr)를 기초로 하여 수질계산의 Data 및 적용성 검토에 사용하였다.
- 4에 나타낸 것처럼 15개 유입하천을 대상으로, 각 하천으로 유입되는 부하량의 상태변수 7가지 항목을 Table 2에 나타내었다. 유입수질은 실측 자료의 부족으로 1991년 6~8월에 관측된 자료와 국립수산과학원의 정점별 관측자료를 지점별로 보충하여 설정하였으며 관측 자료가 없는 유기태 인, 질소에 대해서는 김종구(1994)의 연구에서 사용된 유기탄소량을 C/P, C/N비로 환산하여 사용하였다. 각종 내부변화 과정에 있어서 기술되는 매개변수에 대해서는 기존의 적용사례를 참고하여(Table 3) 본 모델에 적용하였다.
데이터처리
- 아울러 생태계 모델의 검증을 위해 St.1~St.15의 관측지점(Fig. 4)을 대상으로 DO, COD, T-N, T-P의 관측치와 계산치의 비교를 실시하여 그 상관계수를 Fig. 11에 나타내었다. 진해 · 마산만에서 관측된 COD의 하계평균은 표층 3.
이론/모형
- 최근 난류모델 수치개념의 하나로서 가장 많이 이용되고 있는 LES모델에서는 계산격자 보다 작은 Subgrid와의 평가로서 Smagorinsky(1963)의 가정에 기초를 둔 SGS(Sub-grid system) 와점성계수를 도입하고 있다. 따라서 본 연구에서는 수평방향 유동 난류장에 있어서 난류의 표현으로써 SGS모델의 개념을 도입하였으며, Smagorinsky형의 와동점성계수를 사용하였다.
- 성층유동모델은 3차원 Baroclinic 유동모델을 적용하였으며, Boussinesq 근사를 가정한 3차원 Navier-stokes 운동량방정식, 수온 · 염분의 확산방정식, 해표면에서의 열수지식 및 밀도의 상태 방정식으로 구성되어 있다.
- 성층조건 하에서의 와동점성계수, 와동확산계수에 관한 일반적인 함수형은 각각 Rossby and Montgomery(1935), Munk and Anderson(1948)에 의해 제안된 식을 이용하였다.
- 진해 · 마산만의 생태계 모델 구축에 있어서는 성층화 재현을 위하여, 우선 해면열수지 모델의 검증을 통한 그 적용성을 평가하였으며(윤종성, 2008), 성층유동모델에서 정도 높은 성층화 재현을 위해 수평방향의 와동점성계수와 와확산계수는 SGS(Sub-grid system)모델을 이용하여 시 · 공간변화를 고려하였고 연직방향의 와동점성계수와 와확산계수는 Richardson 수의 함수로서 만 내의 성층효과를 고려할 수 있도록 도입하였다.
성능/효과
- (1) 진해 · 마산만의 표 · 저층의 수온 및 저층의 DO의 관측자료를 기초로 하여 회귀분석을 실시한 결과, 진해 · 마산만에는 DO = −0.6207(Ts - Tb) + 5.4671의 관계가 성립하였으며, 진해 · 마산만의 빈산소수괴는 수온성층의 형성에 강하게 의존되는 것으로 나타났다.
- (2) 진해만 입구 부근(A지점)에서는 관측치에 비해 유속의 크기는 약간 과소평가 되고 있지만, 조류타원도의 장축방향의 조류방향은 잘 일치하였으며, 또한 중앙부 B지점에서는 계산치와 관측치의 유속장의 크기 및 방향이 모두 잘 일치함을 알 수 있었다. 따라서 본 모델은 진해 · 마산만에서의 유동장 및 조위변동의 대한 적용성이 상당히 높은 것으로 판단되었다.
- (3) 수온 계산 결과, 하계 표층 25~30℃, 저층 20~24℃의 분포로 나타났으며, 저층에서는 수심이 얕은 진동만 부근을 제외하고 관측치와 비교적 잘 일치하였다. 따라서 본 수치모델 표층과 저층의 수온성층 형성과정을 잘 재현하는 것으로 판단되었다.
- (4) 수질항목의 지표인 DO, COD, T-N, T-P를 각각 관측치와 계산치를 비교한 결과, 생태계 모델의 빈산소 수괴(DO < 3mg/L) 분포 계산 결과가 관측된 빈산소 수괴 분포와 비교적 잘 일치하였으며, DO의 저층은 r2 = 0.92로 정도 높게 재현되었으며 COD는 표층 r2 = 0.82,저층 r2 = 0.75로 양호하게 재현되었다.
- 개경계의 유량수지와 대상해역으로 유입하는 하천수에 대해 총 계산시간인 30일 동안 검토한 결과, 15개의 하천으로부터 유입이 317,000m3/월, 진해-가덕 수로로부터 1,531,000m3/월가 유입되었으며, 견내량 수로로 74,000m3/월, 거제-가덕 수로를 통하여 1,774,000m3/월가 유출되었으며, 이상의 결과로 부터 진해 · 마산만의 해수교환은 주로 진해-가덕수로를 통해 이루어지고 있음을 알 수 있다.
- 10에 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이, 본 수치모델의 경우 빈산소수괴의 형성 및 발생해역의 범위를 시간의 경과에 따라 비교적 잘 재현하고 있는 것으로 나타났다.
- 따라서 본 모델은 진해 · 마산만에서의 유동장 및 조위변동의 대한 적용성이 상당히 높은 것으로 판단되었다.
- 따라서 본 모델은 진해 · 마산만에서의 유동장 및 조위변동의 재현에 대하여 적용성이 높은 것으로 판단된다.
- (3) 수온 계산 결과, 하계 표층 25~30℃, 저층 20~24℃의 분포로 나타났으며, 저층에서는 수심이 얕은 진동만 부근을 제외하고 관측치와 비교적 잘 일치하였다. 따라서 본 수치모델 표층과 저층의 수온성층 형성과정을 잘 재현하는 것으로 판단되었다. 지형성 저열효과로 인해 하계의 경우 약 16일 경과 후에 만내에서 빈산소 수괴(DO < 3mg/L)가 형성되는 것이 확인되었다.
- 4671의 관계가 성립하였으며, 진해 · 마산만의 빈산소수괴는 수온성층의 형성에 강하게 의존되는 것으로 나타났다. 따라서 빈산소수괴의 거동을 파악하기 위해서는 우선적으로 수온의 성층화 재현이 주요한 선행과제임을 알 수 있었다.
- 표층의 경우에 수온은 약 25~30℃ 정도이며, 전반적으로 계산치와 관측치는 잘 일치하는 것으로 나타나고 있다. 또한, 저층은 약 20~24℃의 수온분포로서 수온성층이 형성되고 있음을 나타내고 있으며, 수심이 얕은 고현부근(St.4), 진해만부근(St.13)을 제외하고 계산치와 관측치는 비교적 일치하고 있음을 알 수 있다. 아울러 전체 지점에 대한 단순 회귀분석 결과 실측치와 계산치의 상관계수 r2(Correlation coefficient)은 표층 0.
- 모델의 결과에 따르면 하계의 열수지 공급 후 약 16일 경과 이후부터 만내의 성층화가 급속히 진행되는 것으로 나타났으며, 이에 따라 저층의 빈산소수괴 역시 형성 · 발달되는 것으로 나타났다.
- 13)을 제외하고 계산치와 관측치는 비교적 일치하고 있음을 알 수 있다. 아울러 전체 지점에 대한 단순 회귀분석 결과 실측치와 계산치의 상관계수 r2(Correlation coefficient)은 표층 0.86, 저층 0.80으로 상관성이 매우 높은 것으로 나타났다.
- 본 연구에서는 진해 · 마산만 해역을 대상으로 지형성 저열효과를 고려한 수온성층장의 재현을 통한 생태계 모델을 구축하여 빈산소수괴의 형성과정을 재현하였다. 유입부하량을 통한 해역의 수질지표인 DO, COD, T-N, T-P에 대한 평가를 실시하였고 그 결과 해역관리 II～III등급으로 재현되었다. 그러나 유입오염부하량 산정에 있어서 관측데이터의 부족으로 인하여 정도 높은 재현에는 다소 문제에 뒤따랐다.
- 지형성 저열효과로 인해 하계의 경우 약 16일 경과 후에 만내에서 빈산소 수괴(DO < 3mg/L)가 형성되는 것이 확인되었다.
후속연구
- 따라서 진해 · 마산만 해역의 오염총량관리제에 대한 효과적인 제어 및 관리를 위해서는 해역으로 유입되는 유입오염부하량 산정이 필수적이며, 향후 지속적인 관측과 모니터링 등의 축적된 자료를 이용하여 본 해역의 목표수질에 도달할 수 있는 오염물질량의 산정에 대한 연구 및 저니로 부터 용출되는 내부생산 부하량의 평가에 대해서도 지속적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
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