[논문]조석 주기별 오염물질 방출에 따른 마산만의 체류시간 및 해수교환율 변화

박성은; 이원찬; 홍석진; 김형철; 김진호

doi:10.7846/jkosmee.2011.14.4.249

조석 주기별 오염물질 방출에 따른 마산만의 체류시간 및 해수교환율 변화
Variation in Residence Time and Water Exchange Rate by Release Time of Pollutants Over a Tidal Cycle in Masan Bay 원문보기 논문타임라인

한국해양환경공학회지 = Journal of the Korean society for marine environmental engineering, v.14 no.4, 2011년, pp.249 - 256

박성은 (국립수산과학원 어장환경과) , 이원찬 (국립수산과학원 어장환경과) , 홍석진 (국립수산과학원 어장환경과) , 김형철 (국립수산과학원 어장환경과) , 김진호 (국립수산과학원 어장환경과)

초록
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EFDC와 라그랑쥐 입자추적모델을 이용하여 조석주기별로 오염물질의 방출 시점이 다를 경우에 대한 마산만의 체류시간 및 해수교환율의 정량적 차이를 계산하였다. 체류시간은 만 전체에 대해 약 40일이었고 그 범위는 부도 남쪽 해역에서 약 20일 이하, 소모도 상부에 위치하는 마산만 내측에서는 약 100일 이상으로 나타났다. 이러한 체류 시간의 공간적 차이는 주로 조석잔차류와 만 내측으로부터의 거리에 영향을 받는 것으로 밝혀졌다. 만 전체 면적에 대한 체류시간의 평균값은 대조기 및 소조기에 각각 약 36일과 42일로 나타났다. 해수교환율은 30%가 되기까지 걸리는 시간이 입자 방류 시점에 따라 최소 약 65일부터 최대 105일까지 약 40일 이상 차이가 나는 것으로 계산되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Lagrangian particle transport model coupled with the EFDC have been performed to estimate the residence time and water exchange rate by release time of pollutants over a tidal cycle in Masan Bay. The modelled residence time for the whole bay was about 40 days, ranging from less than 20 days in the southern parts of Budo, to over 100 days in the upper parts of Somodo. The spatial difference of residence time was controlled by tidal residual currents and the distance to the bay channel. The area mean residence time during spring and neap tides was estimated to be about 36 days and 42 days, respectively. The time required for 30% exchange of water was calculated as ranging from 65 to 105 days by release time of pollutants.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

마산만은 국내에서 처음으로 해양오염 총량관리제도(국토해양부, 경상남도[2008])가 도입되었고, 인천·시화연안, 광양만, 부산연안, 울산연안과 함께 5대 특별관리해역으로 지정되어 있는 해역으로 해수 유동이 미약한 상태에서 주요 하천(삼호·산호천, 창원천 등) 및 하수종말처리장(덕동, 진해)을 통해 지속적인 육상기인 오염물질의 유입이 이루어지고 있다. 따라서 본 연구에서는 마산만 내부로 유입된 각종 오염물질들이 만 외측으로 수송되기까지 걸리는 시간을 계산하고, 특히 물질이 해역으로 방출된 시점에 따라서 어느 정도의 수송 시간 차이가 날 수 있는 지를 조사하고자 하였다.
본 연구는 마산만을 대상으로 입자 방출 시점이 다를 경우에 대한 체류시간과 해수교환율의 정량적 차이를 계산한 것이다. 마산만은 국내에서 처음으로 해양오염 총량관리제도(국토해양부, 경상남도[2008])가 도입되었고, 인천·시화연안, 광양만, 부산연안, 울산연안과 함께 5대 특별관리해역으로 지정되어 있는 해역으로 해수 유동이 미약한 상태에서 주요 하천(삼호·산호천, 창원천 등) 및 하수종말처리장(덕동, 진해)을 통해 지속적인 육상기인 오염물질의 유입이 이루어지고 있다.
본 연구에서는 조시별로 입자의 방출 시점이 달라질 경우 마산만의 체류시간이 어떻게 변화하는 지를 수치모델로 평가하기 위하여 총 8개 Case에 대한 체류시간 계산을 수행하였다. Fig.

가설 설정

개방경계의 각 격자점에서 매 시간 간격마다 주요 4개 분조(M₂, S₂, O₁, K₁)의 조화상수를 이용하여 조위값을 부여하였고 총 계산시간은 140일이었다. 담수유입 및 바람에 의한 영향은 없는 것으로 가정하고 조류에 의한 해수순환만을 고려하였다.

제안 방법

6. The area mean residence times for each simulation cases and average residence times for spring and neap tides, and 8 different simulations (SBF: Slack before flood, PF: Peak flood, SBE: Slack before ebb, PE: Peak ebb).
5는각각의 Case에 대한 체류시간 계산결과를 나타낸 것으로 그림에서 상단은 대조기, 하단은 소조기 결과를 나타낸다. 대조기 및 소조기에 각각 4개 Case로 입자 방출 시점을 달리하여 계산하였으며 그 방출 시기는 저조(Slack before flood), 창조(Peak flood), 고조(Slack before ebb), 그리고 낙조(Peak ebb)시였다. 방출 시점별 체류시간을 계산한 결과 전반적으로 대조기(Fig.
현재까지 국내의 학술연구 및 환경영향평가에서 가장 많이 사용된 내만의 물질 수송 시간스케일 중 하나는 해수교환율(Water exchange rate)이다. 본 연구에서 계산한 Zimmerman[1976]과 Takeoka[1984]의 체류시간과 기존 해수교환율 사이에 어떠한 차이가 있는 지를 조사하기 위하여 Fig. 8과 같이 입자 방출 시점별로 초기 입자수에 대한 잔여 입자수의 비율을 이용하여 해수교환 율의 시간변화를 계산하였다.
본 연구에서 체류시간(Residence time)은 만내의 임의 위치에 놓여 있는 입자가 만 입구 경계를 처음으로 벗어날 때까지 소요 되는 시간(Zimmerman[1976], Takeoka[1984])으로 정의하고 대조기 및 소조기에 각각 저조, 최강 창조, 고조, 최강 낙조 시에 입자를 방출시켜 총 8개 Case에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 입자 추적모델의 총 계산시간은 140일이었으며 마산만을 대상으로 총 2200개 이상의 입자를 각 격자당 1 개씩 고려하여 일시 방출시켰다.
수치실험을 통한 해수유동 결과의 재현성을 검토하기 위하여 Fig. 1에 표시한 마산항(G1) 및 가덕도(G2) 기준검조소의 국립해양조사원 조위관측 결과와 본 연구에서 계산한 15일간 조위시계열을 비교하여 조위를 검증하였다. 조류는 장선덕 등[1984] 및 김차겸 등[1994]의 유속 관측값을 이용하여 반일주조의 조류타원도를 계산치와 비교하여 재현성을 검토하였다.
입자 추적모델의 총 계산시간은 140일이었으며 마산만을 대상으로 총 2200개 이상의 입자를 각 격자당 1 개씩 고려하여 일시 방출시켰다.
1에 표시한 마산항(G1) 및 가덕도(G2) 기준검조소의 국립해양조사원 조위관측 결과와 본 연구에서 계산한 15일간 조위시계열을 비교하여 조위를 검증하였다. 조류는 장선덕 등[1984] 및 김차겸 등[1994]의 유속 관측값을 이용하여 반일주조의 조류타원도를 계산치와 비교하여 재현성을 검토하였다. 검토 결과 조위의 진폭 및 위상은 관측값과 모델값이 잘 일치하였고, 조류는 진해만중앙부(C1)의 경우 조류의 주축방향이, 마산만 정점(C2)의 경우 유속의 진폭이 다소 차이를 보이지만 거의 유사한 결과를 나타내어 본 연구에서 수행한 해수유동 수치실험의 재현성은 대체로 양호한 것으로 판단된다.
조시별 입자의 방출 시점에 따른 영향을 배제한 평균체류시간을 구하기 위하여 총 8회에 걸쳐 서로 다른 조시에 방출시킨 입자를 시뮬레이션으로 추적하고 이것을 각 격자별로 평균하여 마산만을 대상으로 평균체류시간을 계산하였다(Fig. 7). 계산 결과대조기(Fig.
입자 추적모델의 총 계산시간은 140일이었으며 마산만을 대상으로 총 2200개 이상의 입자를 각 격자당 1 개씩 고려하여 일시 방출시켰다. 조시별로 입자의 방출 시점에 따른 영향을 배제한 평균체류시간(Average residence time)은 서로 다른 조시에 방출시킨 입자를 시뮬레이션으로 추적한 뒤 이것을 각 격자별로 평균하여 계산하였다.
해수교환율은 입자추적실험을 이용하여 대상 해역내의 초기 입자수에 대한 잔류 입자수의 비율을 백분율로 환산하여 다음 식과 같이 구하였다.

대상 데이터

격자구성은 총 179×152개로 계산시간을 감안하여 마산만을 중심으로 하는 가변 격자(100~400 m 사이)를 사용하였고, 입자추적모델 계산 시 각 입자들의 초기 위치에 해당하는 마산만 영역을 중심으로 최소 격자를 구성하였다.
모델영역은 마산만에서 유출되는 입자가 충분히 수송될 수 있도록 Fig. 1과 같이 진해만 전역을 대상으로 하여 x, y 방향으로 각각 53.5×39.9 km에 이르는 영역을 설정하였다.

이론/모형

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 조화상수를 이용하여 조위값을 부여하였고 총 계산시간은 140일이었다.
[2004], Fukumoto and Kobayashi[2005]) 대상 해역의 전체 체적변화율을 고려하기 때문에 물질 수송 시간의 공간분포를 재현할 수 없다는 점에서 체류시간과는 구분되어 정의되고 있다(Abdelrhman[2005]). 따라서 본 연구에서 체류시간은 Zimmerman[1976]의 정의에 국한하여 사용한다.
즉 수직방향으로 σ좌표계를 사용하고, 수평방향으로는 직각(Cartesian) 및 직교곡선(Orthogonal-curvilinear) 좌표계를 사용할 수 있으며, 수직와동점성계수를 계산하기 위하여 Mellor and Yamada[1982]의 Turbulence closure scheme(level 2.5)을 사용하고, 질량보존 Scheme을 이용하여 천해역에서 3차원의 조간대 처리가 가능하다(Moustafa and Hamrick[2000]).
해수유동 수치실험에 사용된 모델은 미국 VIMS(Virginia Institute of Marine Science)에서 Hamrick[1992]에 의해 개발된 EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code) 모형으로 본 연구에서는 Dynamic Solution 사의 Craig[2004][2009]에 의해 전·후처리 기능이 추가된 EFDC_DS(Dynamic Solution) 버전을 사용하였다.

성능/효과

7(a))에 비해 소조기(Fig. 7(b))의 평균체류시간이 마산만 내측의 경우 전체적으로 약 10~15일 이상 증가하였고, 소모도 부근에서는 약 20~30일 가량 증가함을 볼 수 있었다. 또 부도 서측해역의 경우 소조기에 마산 덕동측 연안부근은 대조기에 비해 체류시간이 증가되지만 부도와 덕동 사이에서는 반대로 감소하는 영역도 부분적으로 출현하였는데 이것은 소조기의 부도주변의 조석잔차류 변화에 기인하는 것으로 보인다.
각 Case별 실험결과 해수교환율은 입자 방류 후 초기 2~5일 이내의 교환량이 전체 계산시간을 통틀어 매우 큰 영향을 미치는 것으로 나타나 입자 방출 시점의 조류방향에 따라 해수교환율의 변화폭이 매우 크다는 것을 알 수 있었다. 해수교환율이 상대적으로 빠른 Case부터 순서대로 나열하면 대조기 고조, 소조기 고조, 소조기 저조, 대조기 저조 순이었고 나머지 Case는 소조기의 고조와 저조 사이에 위치하였다.
조류는 장선덕 등[1984] 및 김차겸 등[1994]의 유속 관측값을 이용하여 반일주조의 조류타원도를 계산치와 비교하여 재현성을 검토하였다. 검토 결과 조위의 진폭 및 위상은 관측값과 모델값이 잘 일치하였고, 조류는 진해만중앙부(C1)의 경우 조류의 주축방향이, 마산만 정점(C2)의 경우 유속의 진폭이 다소 차이를 보이지만 거의 유사한 결과를 나타내어 본 연구에서 수행한 해수유동 수치실험의 재현성은 대체로 양호한 것으로 판단된다.
6은 마산만 전체 영역에 대한 체류시간의 평균값을 각 Case별로 비교한 것으로 체류시간의 공간적 차이를 배제한 것이다. 대조기 저조, 창조, 고조, 낙조 시의 영역 평균 체류시간은 각각 38.8 일, 38.8일, 34.3일, 33.8일(대조기 평균 36.4일)이었고, 소조기에는 각각 44.0일, 44.0일, 39.4일, 40.3일(소조기 평균 42일)로 대조기에 비해 소조기의 체류시간이 마산만 전체 영역에 대해 약 5.2~6.5일 정도 길어지는 것으로 나타났고 모든 Case를 평균할 경우 약 39.2일이었다. 즉 마산만 전체 영역에 대한 평균적인 체류시간은약 39.
마산만을 대상으로 조시별로 방출 시점이 다를 경우에 대한 물질의 체류시간 및 해수교환율의 정량적 차이를 계산한 결과, 체류 시간은 부도 주변부터 소모도까지 약 20~80일 범위로 변화폭이 비교적 넓었으나 소모도부터 만내측은 약 100일 이상으로 체류시간이 급격히 증가되는 경향이 뚜렷하였다. 즉, 마산만은 그 지형 및 조류 특성상 육상으로부터 유입되는 오염물질이 상당히 오랜시간 체류할 수밖에 없는 구조를 가지고 있으며 여기에는 만폭이 좁아지는 소모도 주변의 연안지형이 크게 영향을 미치는 것으로 판단된다.
한편, 해수교환율은 입자 방출 시점에 따라 약 10% 내외의 변동폭을 보였으나 특정 해수교환율에 도달하기까지 소요되는 시간은 매우 큰 차이를 보여 30% 해수교환율 달성 시 대조기 고조 및 저조 시 소요되는 시간은 약 40일 이상 차이가 났다. 본 연구에서 도출된 체류시간 및 해수교환율 결과는 주요 하천이나 하수종말처리장 등 다양한 유입원으로부터 마산만으로 오염물질이 유입될 때 그 유입 시점에 따라서 오염물질이 해역 내에 체류하는 시간이 약 20여일 정도 차이가 날 수 있고, 해수교환율은 약 40일 이상 달라질 수 있다는 것을 말해주는 것으로 오염물질의 유입량이나 농도값 이외에도 조석주기에 따른 유입 시점이 매우 중요하다는 것을 보여주고 있다.
새로 수정된 EFDC_DS의 입자추적모듈은 이류항의 해를 구하기 위해서 수치정확도가 높은 Runga-Kutta 4 method를 사용하고 다양한 조건 하에서 validation을 수행하여 준정상상태 균일류(Quasi-steady state uniform flow) 조건에서 해석해와의 상대오차가 약 -0.098% 임이 확인되었으므로(Craig[2009]) 입자추적에 의한 체류시간을 구하는 과정에서 오차를 최소화할 수 있을 것으로 생각된다.
수평방향으로는 남쪽 경계로부터 부도 남쪽까지는 약 5~10일, 부도를 지나면서 약 20~80일, 그리고 소모도 북쪽부터 마산만 내측은 약 100일 이상으로 나타났고, 마산만 내측의 좁은 수로상에서는 체류시간 분포가 비교적 균일하지만 해역의 폭이 넓어지는 소모도 남측과 해군기지 부근에서는 랜덤워크에 의한 입자의 거동 특성상 체류시간의 공간변화가 매우 복잡한 패턴을 보였다. 한편, 체류시간이 100일 이상인 영역을 중심으로 보면 대조기 고조 및 낙조 시(Fig.
창조시 최강 유속은 약 80~90 cm/s 내외로 나타났고 낙조류는 창조류와 반대 방향의 흐름 특성을 잘 나타내었다. 연구해역인 마산만으로 진입한 흐름은 부도를 지나면서 유속이 약 10 cm/s 이하로 현저히 감소하기 시작하고, 행암만 및 마산만 내측에서는 전체 적으로 약 5~6 cm/s 내외로 해수유동이 매우 미약하다. 한편, 마산만 중앙에 위치하는 돝섬의 남쪽 약 2 km 해역(마창대교 부근)으로부터 소모도에 이르는 수로 구간은 유속값이 약 8~12 cm/s 범위로 주변에 비해 상대적으로 증가되는데 이러한 패턴은 체류시 간의 수평분포에도 영향을 미칠 것으로 판단된다.
조시별로는 물질이 만외측으로 빠져나가기 시작하는 고조 및 낙조 시에 방출될 경우 그 체류시간이 상대적으로 짧았고, 반대로 물질이 만내측으로 이동하기 시작하는 저조 및 창조 시에 방출될 경우에는 약 10~20일 정도 체류시간이 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 조시별 체류시간의 차이는 마산만 전체 영역을 평균하였을 때 대조기는 36.4일, 소조기는 42일로 약 5.6일의 차이를 보였다. 평균체류시간은 부도 주변에서 약 10일 전후인 점, 조류가 상대적으로 빠르게 유출입되는 부도 양측 수로 부근에서 상대적으로 짧은 점 등 전체적인 패턴은 박성은 등[2009]의 결과와 유사하였으나 돝섬 부근부터 마산만 내측까지는 박성은 등 [2009]이 계산한 값에 비해 약 20~30일 정도 긴 100일 이상으로 나타났다.
즉, 마산만은 그 지형 및 조류 특성상 육상으로부터 유입되는 오염물질이 상당히 오랜시간 체류할 수밖에 없는 구조를 가지고 있으며 여기에는 만폭이 좁아지는 소모도 주변의 연안지형이 크게 영향을 미치는 것으로 판단된다. 조시별로는 물질이 만외측으로 빠져나가기 시작하는 고조 및 낙조 시에 방출될 경우 그 체류시간이 상대적으로 짧았고, 반대로 물질이 만내측으로 이동하기 시작하는 저조 및 창조 시에 방출될 경우에는 약 10~20일 정도 체류시간이 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 조시별 체류시간의 차이는 마산만 전체 영역을 평균하였을 때 대조기는 36.
5(e)~(h))의 체류시간이 약 10~20 여 일 긴 것으로 나타났고, 조시별로는 저조 및 창조 시가 고조 및 낙조 시에 비해 상대적으로 체류시간이 길고 그 영역도 넓은 것으로 나타났다. 특히 소모도를 기점으로 마산만 내측은 대부분의 Case에서 체류시간이 100여 일 이상 되는 것으로 나타나 현재의 마산만 지형조건이나 조류세기 자체가 육상으로부터 유입되는 오염물질이 상당히 오랜 시간 체류할 수밖에 없는 구조임을 알 수 있었다.
평균체류시간은 부도 주변에서 약 10일 전후인 점, 조류가 상대적으로 빠르게 유출입되는 부도 양측 수로 부근에서 상대적으로 짧은 점 등 전체적인 패턴은 박성은 등[2009]의 결과와 유사하였으나 돝섬 부근부터 마산만 내측까지는 박성은 등 [2009]이 계산한 값에 비해 약 20~30일 정도 긴 100일 이상으로 나타났다. 한편, 해수교환율은 입자 방출 시점에 따라 약 10% 내외의 변동폭을 보였으나 특정 해수교환율에 도달하기까지 소요되는 시간은 매우 큰 차이를 보여 30% 해수교환율 달성 시 대조기 고조 및 저조 시 소요되는 시간은 약 40일 이상 차이가 났다. 본 연구에서 도출된 체류시간 및 해수교환율 결과는 주요 하천이나 하수종말처리장 등 다양한 유입원으로부터 마산만으로 오염물질이 유입될 때 그 유입 시점에 따라서 오염물질이 해역 내에 체류하는 시간이 약 20여일 정도 차이가 날 수 있고, 해수교환율은 약 40일 이상 달라질 수 있다는 것을 말해주는 것으로 오염물질의 유입량이나 농도값 이외에도 조석주기에 따른 유입 시점이 매우 중요하다는 것을 보여주고 있다.
행암만의 경우에는 대조기에 대부분 10 여 일 미만이던 체류시간이 소조기에는 이보다 약 10~20일 증가하였고 특히 소조기 저조와 창조 시에 가장 체류시간이 길어지는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 행안만에 위치하고 있는 진해하수종말처리장에서 처리 수를 방류할 경우 방류 시점에 따라서 처리수가 해역 내에 체류하는 시간이 약 20여일 정도 차이가 날 수 있다는 것을 말해주는 것으로 오염물질의 유입량이나 수질 기준 이외에도 조석주기에 따른 유입 시점이 매우 중요함을 말해주고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	체류시간의 계산은 무엇인가?	체류시간의 계산은 입자추적모델을 이용하여 대상 해역 내에 균일하게 입자를 배치시킨 후, 각각의 입자를 추적하여 만외로 유출되기까지 걸리는 시간을 산정한다. 이때 조석 주기에 따라 입자를 방출시킨 시간이 다를 경우 입자의 체류시간은 달라질 수 있으므로 서로 다른 시간에 입자를 방출시켜 얻은 체류시간을 각 격자별로 평균하여 시간에 따른 변동성분을 배제한 것이 평균체류시간(Average residence time)이다.
	체류시간은 무엇인가?	물질 수송 시간을 표현하는 다양한 정의 가운데 최근 연구들을 통해 주로 사용되고 있는 것은 체류시간(Residence time), 교체시간(Flushing time), 그리고 연령(Age)으로(Monsen et al.[2002]), 이 중 체류시간은 공간적으로 초기 위치가 제각기 다른 물입자 하나 하나가 특정 해역 범위 내에서 얼마나 오래 체류하였는지를 나타낸다(Zimmerman[1976], Takeoka[1984]). 따라서 물입자의 초기 위치, 방출 시점, 경계로부터의 거리 등에 따라 물질 수송 시간의 공간적 차이(Spatial heterogeneity)를 재현할 수 있어 최근 생물학적 과정이나 생지화학적 반응의 공간 분포를 설명하기 위한 연구 에도 많이 사용되고 있다(Monbet[1992], Nixon et al.
	체류시간이 최근 생물학적 과정이나 생지화학적 반응의 공간 분포를 설명하기 위한 연구에 사용되는 이유는 무엇인가?	[2002]), 이 중 체류시간은 공간적으로 초기 위치가 제각기 다른 물입자 하나 하나가 특정 해역 범위 내에서 얼마나 오래 체류하였는지를 나타낸다(Zimmerman[1976], Takeoka[1984]). 따라서 물입자의 초기 위치, 방출 시점, 경계로부터의 거리 등에 따라 물질 수송 시간의 공간적 차이(Spatial heterogeneity)를 재현할 수 있어 최근 생물학적 과정이나 생지화학적 반응의 공간 분포를 설명하기 위한 연구 에도 많이 사용되고 있다(Monbet[1992], Nixon et al.[1996], Jørgensen and Richardson[1996]; Bricelj and Londsdale[1997]; Josefson and Rasmussen[2000]; Braunschweig et al.

참고문헌 (35)
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EFDC는 3차원 모형으로 Hydrodynamics, Water quality, Sediment transport, Toxics 모듈이 포함되어 있고 연안, 하구, 호소, 습지 등 다양한 수환경에 적용이 가능하여 국내에서도 여러 대학 및 연구 기관에서 사용되고 있다(Park et al.[1995], 김종규 등[2008], 강주환 등[2009], 허영택 등[2009], 서동일 등[2009], 서승원 등[2010])
고영찬, 김종인, 류청로, 2000, 부산항의 개발단계별 수질환경 변동특성에 관한 연구, 한국해양공학회지, 14(3), 11-19.

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국내의 경우 평균체류시간의 공간분포를 재현한 박성은 등[2009]의 연구를 제외하면 체류시간 관련 연구들은 대부분 조량법(Tidal prism method)을 이용한 교체시간(Flushing time)이나 해수교환율(Water exchange rate)을 그대로 체류시간으로 기술한 경우가 많았고(박병수 등[1998]; 고영찬 등[2000]), 그밖에 Knudsen식에 의한 교체시간이나 단순박스모델을 이용한 물질수지 계산과정에서 체류시간을 정의한 경우도 있었다(김종구 등[2000], 홍석진 등[2000][2007]).
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국내의 경우 평균체류시간의 공간분포를 재현한 박성은 등[2009]의 연구를 제외하면 체류시간 관련 연구들은 대부분 조량법(Tidal prism method)을 이용한 교체시간(Flushing time)이나 해수교환율(Water exchange rate)을 그대로 체류시간으로 기술한 경우가 많았고(박병수 등[1998]; 고영찬 등[2000]), 그밖에 Knudsen식에 의한 교체시간이나 단순박스모델을 이용한 물질수지 계산과정에서 체류시간을 정의한 경우도 있었다(김종구 등[2000], 홍석진 등[2000][2007]).
김종규, 곽경일, 정경호, 2008, 섬진강 하구역의 3차원 혼합특성 연구, 한국해양환경공학회지, 11(3), 164-174.

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EFDC는 3차원 모형으로 Hydrodynamics, Water quality, Sediment transport, Toxics 모듈이 포함되어 있고 연안, 하구, 호소, 습지 등 다양한 수환경에 적용이 가능하여 국내에서도 여러 대학 및 연구 기관에서 사용되고 있다(Park et al.[1995], 김종규 등[2008], 강주환 등[2009], 허영택 등[2009], 서동일 등[2009], 서승원 등[2010])
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국내의 경우 평균체류시간의 공간분포를 재현한 박성은 등[2009]의 연구를 제외하면 체류시간 관련 연구들은 대부분 조량법(Tidal prism method)을 이용한 교체시간(Flushing time)이나 해수교환율(Water exchange rate)을 그대로 체류시간으로 기술한 경우가 많았고(박병수 등[1998]; 고영찬 등[2000]), 그밖에 Knudsen식에 의한 교체시간이나 단순박스모델을 이용한 물질수지 계산과정에서 체류시간을 정의한 경우도 있었다(김종구 등[2000], 홍석진 등[2000][2007]).
박성은, 홍석진, 이원찬, 2009, Particle Tracking Model을 이용한 평균체류시간의 공간분포 계산, 한국해양공학회지, 23(2), 47-52.

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국내의 경우 평균체류시간의 공간분포를 재현한 박성은 등[2009]의 연구를 제외하면 체류시간 관련 연구들은 대부분 조량법(Tidal prism method)을 이용한 교체시간(Flushing time)이나 해수교환율(Water exchange rate)을 그대로 체류시간으로 기술한 경우가 많았고(박병수 등[1998]; 고영찬 등[2000]), 그밖에 Knudsen식에 의한 교체시간이나 단순박스모델을 이용한 물질수지 계산과정에서 체류시간을 정의한 경우도 있었다(김종구 등[2000], 홍석진 등[2000][2007]).
서동일, 서미진, 구명서, 우재균, 2009, EFDC-Hydro와 WASP 7.2를 이용한 금강하류의 수리-수질 연계 모델링, 상하수도학회지, 23(1), 15-22.

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EFDC는 3차원 모형으로 Hydrodynamics, Water quality, Sediment transport, Toxics 모듈이 포함되어 있고 연안, 하구, 호소, 습지 등 다양한 수환경에 적용이 가능하여 국내에서도 여러 대학 및 연구 기관에서 사용되고 있다(Park et al.[1995], 김종규 등[2008], 강주환 등[2009], 허영택 등[2009], 서동일 등[2009], 서승원 등[2010])
서승원, 이화영, 유상철, 2010, 방조제 완공에 따른 호내부수질변화 모의, 한국해안해양공학회, 22(4), 258-271.

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장선덕, 이문옥, 김종화, 박광순, 김복기, 임기봉, 1984, 진해만 동부해역의 해수유동, 국립수산진흥원 연구보고, 7-23.
허영택, 박진혁, 2009, EFDC 모형의 낙동강 하류부 수리해석 적용성 평가. 한국수자원학회, 42(4), 309-317.

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EFDC는 3차원 모형으로 Hydrodynamics, Water quality, Sediment transport, Toxics 모듈이 포함되어 있고 연안, 하구, 호소, 습지 등 다양한 수환경에 적용이 가능하여 국내에서도 여러 대학 및 연구 기관에서 사용되고 있다(Park et al.[1995], 김종규 등[2008], 강주환 등[2009], 허영택 등[2009], 서동일 등[2009], 서승원 등[2010])
홍석진, 이대인, 김동명, 박청길, 2000, 낙동강 하구해역에서의 단순박스모델에 의한 물질수지, 한국해양환경공학회지, 3, 50-57.

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홍석진, 이원찬, 윤상필, 박성은, 조윤식, 권정노, 김동명, 2007, 마산만의 자생유기물 저감을 위한 단순박스모델의 적용, 해양환경안전학회지, 13, 111-118.

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국내의 경우 평균체류시간의 공간분포를 재현한 박성은 등[2009]의 연구를 제외하면 체류시간 관련 연구들은 대부분 조량법(Tidal prism method)을 이용한 교체시간(Flushing time)이나 해수교환율(Water exchange rate)을 그대로 체류시간으로 기술한 경우가 많았고(박병수 등[1998]; 고영찬 등[2000]), 그밖에 Knudsen식에 의한 교체시간이나 단순박스모델을 이용한 물질수지 계산과정에서 체류시간을 정의한 경우도 있었다(김종구 등[2000], 홍석진 등[2000][2007]).
Abdelrhman, M.A., 2005, Simplified modeling of flushing and residence times in 42 embayments in New England, USA, with special attention to Greenwich Bay, Rhode Island. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 62, 339-351.

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물론 교체시간이나 해수교환율도 최근 하구나 연안의 수질연구에 체류시간과 마찬가지로 그 사용빈도가 증가하고 있으나(Sheldon and Alber[2002], Liu et al.[2004], Fukumoto and Kobayashi[2005]) 대상 해역의 전체 체적변화율을 고려하기 때문에 물질 수송 시간의 공간분포를 재현할 수 없다는 점에서 체류시간과는 구분되어 정의되고 있다(Abdelrhman[2005]).
Blumberg, A.F. and Mellor, G.L., 1987, A description of a threedimensional coastal ocean circulation model. In: N. Heaps, Editor, Three-Dimensional Coastal Ocean Models, American Geophysical Union, 208.
Braunschweig, F., Martins, F., Chambel, P. and Neves, R., 2003, A methodology to estimate renewal time scales in estuaries: the Tagus Estuary case. Ocean Dynamics, 53(3), 137-145.

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따라서 물입자의 초기 위치, 방출 시점, 경계로부터의 거리 등에 따라 물질 수송 시간의 공간적 차이(Spatial heterogeneity)를 재현할 수 있어 최근 생물학적 과정이나 생지화학적 반응의 공간 분포를 설명하기 위한 연구에도 많이 사용되고 있다(Monbet[1992], Nixon et al.[1996], Jørgensen and Richardson[1996]; Bricelj and Londsdale[1997]; Josefson and Rasmussen[2000]; Braunschweig et al.[2003]).
Bricelj, V.M., and Lonsdale, D.J., 1997, Aureococcus anophagefferens: Causes and ecological consequences of brown tides in U.S. mid-Atlantic coastal waters. Limnological Oceanography, 42, 1023-1038.

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따라서 물입자의 초기 위치, 방출 시점, 경계로부터의 거리 등에 따라 물질 수송 시간의 공간적 차이(Spatial heterogeneity)를 재현할 수 있어 최근 생물학적 과정이나 생지화학적 반응의 공간 분포를 설명하기 위한 연구에도 많이 사용되고 있다(Monbet[1992], Nixon et al.[1996], Jørgensen and Richardson[1996]; Bricelj and Londsdale[1997]; Josefson and Rasmussen[2000]; Braunschweig et al.[2003]).
Craig, P.M., 2004, User's manual for EFDC-Explorer. A pre/post processor for the environmental fluid.

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해수유동 수치실험에 사용된 모델은 미국 VIMS(Virginia Institute of Marine Science)에서 Hamrick[1992]에 의해 개발된 EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code) 모형으로 본 연구에서는 Dynamic Solution 사의 Craig[2004][2009]에 의해 전·후처리 기능이 추가된 EFDC_DS(Dynamic Solution) 버전을 사용하였다.

본 연구에서 사용한 EFDC_DS의 경우 Dynamic Solution 사의 Craig[2004][2009]에 의해 전·후처리 기능이 보완되었고, 특히 Lagrangian Particle Transport(LPT) 서브 모델의 기능이 대폭 강화되면서 이전의 입자추적모듈은 삭제되었다.
Craig, P.M., 2009, Implementation of a Lagrangian particle tracking sub-model for the environmental fluid dynamics code.

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해수유동 수치실험에 사용된 모델은 미국 VIMS(Virginia Institute of Marine Science)에서 Hamrick[1992]에 의해 개발된 EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code) 모형으로 본 연구에서는 Dynamic Solution 사의 Craig[2004][2009]에 의해 전·후처리 기능이 추가된 EFDC_DS(Dynamic Solution) 버전을 사용하였다.

본 연구에서 사용한 EFDC_DS의 경우 Dynamic Solution 사의 Craig[2004][2009]에 의해 전·후처리 기능이 보완되었고, 특히 Lagrangian Particle Transport(LPT) 서브 모델의 기능이 대폭 강화되면서 이전의 입자추적모듈은 삭제되었다.

새로 수정된 EFDC_DS의 입자추적모듈은 이류항의 해를 구하기 위해서 수치정확도가 높은 Runga-Kutta 4 method를 사용하고 다양한 조건 하에서 validation을 수행하여 준정상상태 균일류(Quasi-steady state uniform flow) 조건에서 해석해와의 상대오차가 약 -0.098% 임이 확인되었으므로(Craig[2009]) 입자추적에 의한 체류시간을 구하는 과정에서 오차를 최소화할 수 있을 것으로 생각된다.
Fukumoto, T., Kobayashi, N., 2005. Bottom stratification and water exchange in enclosed bay with narrow entrance. J. of Coastal Research, 21, 135-145.

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물론 교체시간이나 해수교환율도 최근 하구나 연안의 수질연구에 체류시간과 마찬가지로 그 사용빈도가 증가하고 있으나(Sheldon and Alber[2002], Liu et al.[2004], Fukumoto and Kobayashi[2005]) 대상 해역의 전체 체적변화율을 고려하기 때문에 물질 수송 시간의 공간분포를 재현할 수 없다는 점에서 체류시간과는 구분되어 정의되고 있다(Abdelrhman[2005]).
Hamrick, J.M., 1992, A three-dimensional environmental fluid dynamics computer code: Theoretical and computational aspects, The College of William and Mary, VIMS, Special report 317.

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해수유동 수치실험에 사용된 모델은 미국 VIMS(Virginia Institute of Marine Science)에서 Hamrick[1992]에 의해 개발된 EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code) 모형으로 본 연구에서는 Dynamic Solution 사의 Craig[2004][2009]에 의해 전·후처리 기능이 추가된 EFDC_DS(Dynamic Solution) 버전을 사용하였다.
Jorgensen, B. B. and Richardson, K., 1996, Eutrophication in Coastal Marine Ecosystems. Coastal and Estuarine Studies, 52, American Geophysical Union, Washington, DC, 272.

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따라서 물입자의 초기 위치, 방출 시점, 경계로부터의 거리 등에 따라 물질 수송 시간의 공간적 차이(Spatial heterogeneity)를 재현할 수 있어 최근 생물학적 과정이나 생지화학적 반응의 공간 분포를 설명하기 위한 연구에도 많이 사용되고 있다(Monbet[1992], Nixon et al.[1996], Jørgensen and Richardson[1996]; Bricelj and Londsdale[1997]; Josefson and Rasmussen[2000]; Braunschweig et al.[2003]).
Josefson, A. B. and Rasmussen, B, 2000, Nutrient retention by benthic macrofaunal biomass of Danish estuaries: importance of nutrient load and residence time. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 50, 205-216.

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따라서 물입자의 초기 위치, 방출 시점, 경계로부터의 거리 등에 따라 물질 수송 시간의 공간적 차이(Spatial heterogeneity)를 재현할 수 있어 최근 생물학적 과정이나 생지화학적 반응의 공간 분포를 설명하기 위한 연구에도 많이 사용되고 있다(Monbet[1992], Nixon et al.[1996], Jørgensen and Richardson[1996]; Bricelj and Londsdale[1997]; Josefson and Rasmussen[2000]; Braunschweig et al.[2003]).
Liu, Z., Wei, H., Liu, G., Zhang, J., 2004. Simulation of water exchange in Jiaozhou Bay by average residence time aroach. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 61, 25-35.

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물론 교체시간이나 해수교환율도 최근 하구나 연안의 수질연구에 체류시간과 마찬가지로 그 사용빈도가 증가하고 있으나(Sheldon and Alber[2002], Liu et al.[2004], Fukumoto and Kobayashi[2005]) 대상 해역의 전체 체적변화율을 고려하기 때문에 물질 수송 시간의 공간분포를 재현할 수 없다는 점에서 체류시간과는 구분되어 정의되고 있다(Abdelrhman[2005]).
Mellor, G.L. and Yamada, T., 1982, evelopment of turbulence closure model for geophysical fluid problems, Rev. Geophys. Space Phys., 20, 851-875.

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EFDC 모듈 가운데 해수유동 모형은 Hamrick[1992]에 의해 개발되었으며 수치해석적으로 Blumberg and Mellor[1987]의 POM(Princeton ocean model)을 기반으로 하고 있다.
Monbet, Y., 1992, Control of phytoplankton biomass in estuaries: a comparative analysis of microtidal and macrotidal estuaries. Estuaries, 15, 563-571.

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따라서 물입자의 초기 위치, 방출 시점, 경계로부터의 거리 등에 따라 물질 수송 시간의 공간적 차이(Spatial heterogeneity)를 재현할 수 있어 최근 생물학적 과정이나 생지화학적 반응의 공간 분포를 설명하기 위한 연구에도 많이 사용되고 있다(Monbet[1992], Nixon et al.[1996], Jørgensen and Richardson[1996]; Bricelj and Londsdale[1997]; Josefson and Rasmussen[2000]; Braunschweig et al.[2003]).
Monsen N.E., Cloern, J.E. and Jucas, L.V., 2002, A comment on the use of flushing time, residence time, and age as transport time scales. Limnology and Oceanography, 47(5), 1545-1553.

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물질 수송 시간을 표현하는 다양한 정의 가운데 최근 연구들을 통해 주로 사용되고 있는 것은 체류시간(Residence time), 교체시간(Flushing time), 그리고 연령(Age)으로(Monsen et al.[2002]), 이 중 체류시간은 공간적으로 초기 위치가 제각기 다른 물입자 하나 하나가 특정 해역 범위 내에서 얼마나 오래 체류하였는지를 나타낸다(Zimmerman[1976], Takeoka[1984]).
Moustafa, M.Z. and Hamrick, J.M., 2000, Calibration of the wetland hydrodynamic model to the everglades nutrient removal project. Water Quality and Ecosystem Modelling, 1, 141-167.

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즉 수직방향으로 σ좌표계를 사용하고, 수평방향으로는 직각(Cartesian) 및 직교곡선(Orthogonal-curvilinear) 좌표계를 사용할 수 있으며, 수직와동점성계수를 계산하기 위하여 Mellor and Yamada[1982]의 Turbulence closure scheme(level 2.5)을 사용하고, 질량보존 Scheme을 이용하여 천해역에서 3차원의 조간대 처리가 가능하다(Moustafa and Hamrick[2000]).
Nixon, S.W., Ammerman, J., Atkinson, L.P., Berounsky, V.M., Billen, G., Boicourt, W.C., Boynton, W.R., Church, T.M., Ditoro, D.M., Elmgren, R., Garber, J.H., Giblin, A.E., Jahnke, R.A., Owens, N.J.P., Pilson, M.E.O. and Seitzinger, S.P., 1996, "The fate of nitrogen and phosphorous at the land-sea margin of the North Atlantic Ocean". Biogeochemistry, 35, 141-180.

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따라서 물입자의 초기 위치, 방출 시점, 경계로부터의 거리 등에 따라 물질 수송 시간의 공간적 차이(Spatial heterogeneity)를 재현할 수 있어 최근 생물학적 과정이나 생지화학적 반응의 공간 분포를 설명하기 위한 연구에도 많이 사용되고 있다(Monbet[1992], Nixon et al.[1996], Jørgensen and Richardson[1996]; Bricelj and Londsdale[1997]; Josefson and Rasmussen[2000]; Braunschweig et al.[2003]).
Park, K, Kuo, A.y. Shen, J., and Hamrick, J.M., 1995, A threedimensional hydrodynamic-eutrophication model (HEM-3D): description of water quality and sediment process submodels, SRAMOSE No. 327, VIMS/SMS, SWM, VA.

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EFDC는 3차원 모형으로 Hydrodynamics, Water quality, Sediment transport, Toxics 모듈이 포함되어 있고 연안, 하구, 호소, 습지 등 다양한 수환경에 적용이 가능하여 국내에서도 여러 대학 및 연구 기관에서 사용되고 있다(Park et al.[1995], 김종규 등[2008], 강주환 등[2009], 허영택 등[2009], 서동일 등[2009], 서승원 등[2010])
Sheldon, J.E., Alber, M., 2002. A comparison of residence time calculations using simple compartment models of the Altamaha River Estuary, Georgia. Estuaries, 25(6B), 1304-1317.

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물론 교체시간이나 해수교환율도 최근 하구나 연안의 수질연구에 체류시간과 마찬가지로 그 사용빈도가 증가하고 있으나(Sheldon and Alber[2002], Liu et al.[2004], Fukumoto and Kobayashi[2005]) 대상 해역의 전체 체적변화율을 고려하기 때문에 물질 수송 시간의 공간분포를 재현할 수 없다는 점에서 체류시간과는 구분되어 정의되고 있다(Abdelrhman[2005]).
Sisson, G.M., Shen, J., Kim, S.-C., Boon, John, D. and Kuo, A.Y., 1997, VIMS Three-Dimensional Hydrodynamic-Eutrophication Model (HEM-3D): Alication of the Hydrodynamic Model to the York River System. SRAMSOE #341. SMS/VIMS, College of William and Mary, Gloucester Point, VA. 123.

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또한 EFDC 모델은 수질 모델 및 퇴적물이동 모델과 접합하여 사용할 수 있으므로(Sission et al.[1997]), 다양한 수질항목의 이송-확산과정이나 점착성 및 비점착성 퇴적물의 수송도 모의가 가능하다.
Takeoka, H., 1984, Fundamental concepts of exchange and transport time scales in a coastal sea, Continental Shelf Research, 3(3), 311-326.

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물질 수송 시간을 표현하는 다양한 정의 가운데 최근 연구들을 통해 주로 사용되고 있는 것은 체류시간(Residence time), 교체시간(Flushing time), 그리고 연령(Age)으로(Monsen et al.[2002]), 이 중 체류시간은 공간적으로 초기 위치가 제각기 다른 물입자 하나 하나가 특정 해역 범위 내에서 얼마나 오래 체류하였는지를 나타낸다(Zimmerman[1976], Takeoka[1984]).
Zimmerman, J.T.F., 1976, Mixing and flushing of tidal embayments in the Western Dutch Wadden Sea, Part I: distribution of salinity and calculation of mixing time scales. Netherlands J. of Sea Research, 10, 149-191.

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물질 수송 시간을 표현하는 다양한 정의 가운데 최근 연구들을 통해 주로 사용되고 있는 것은 체류시간(Residence time), 교체시간(Flushing time), 그리고 연령(Age)으로(Monsen et al.[2002]), 이 중 체류시간은 공간적으로 초기 위치가 제각기 다른 물입자 하나 하나가 특정 해역 범위 내에서 얼마나 오래 체류하였는지를 나타낸다(Zimmerman[1976], Takeoka[1984]).

따라서 본 연구에서 체류시간은 Zimmerman[1976]의 정의에 국한하여 사용한다.

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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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