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문제 정의
- 또한 최대 진폭이 발생하는 위치 이후에 급격하게 진폭과 위상의 변화가 나타나고 있음을 확인 할 수 있었다. 각 수로에서 hyper-synchronous 형태가 나타나는 이유를 수치모델 결과를 이용하여 제시하고자 한다.
- 경기만 한강하구 지역의 조석전파 특성을 이해하기 위해서 관측 자료와 수치모델 결과를 이용하여 연구하였다. 경기만 지역은 크게 3개의 주 수로와 3개의 강으로 구성되어 있으며, 조차가 크고 조간대가 넓게 발달되어 있어서 독특한 해수 순환 특성을 보여준다.
- 경기만 한강하구 지역은 주요 수로가 서로 연결된 형태로 볼 수 있으므로 조석 전파 특성을 하구 전체에 일률적으로 적용되는 특성으로 판단하기 보다는 각 주요 수로의 전파 특성을 이해하는 것이 앞서 제시한 다양한 문제의 해결에 보다 효과적이다. 본 연구에서는 각 수로별 전파 특성을 조석 관측자료, 수치모델 결과 그리고 지형적 영향과 바닥마찰의 정도를 고려한 해석해 방법을 통해서 정량적으로 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 진폭의 60% 이상을 차지하는 M2 분조의 진폭과 위상 값을 이용하여 조석 전파 특성을 연구하였다. 각 수로를 따라서 M2 분조의 진폭은 하구로 진입하면서 점진적으로 증가하다가 특정 지점에서 최대 진폭 값을 보인 이후에 급격히 감소하는 경향을 보인다(Fig.
가설 설정
- 8의 M4/M2 진폭 비율의 결과에서 한강하구를 구성하는 수로는 Savenije(2005a)가 제시한 이상적인 깔대기 모양으로 표현할 수 있다. 그러므로 식 (2)의 해석해가 적용이 가능하며, 하구 상류로 진입하면서 지수적으로 단면적이 변한다는 가정을 할 수 있다. 상류방향으로 X 방향이 증가하고, X = 0에서의 단면적, 수로 폭 그리고 수심을 A0, B0와 h0으로 각각 정의 하면 식 (3), 식 (4) 그리고 식(5)와 같이 표현된다.
제안 방법
- 001을 사용한 결과를 비교하였다. Case 5에서는 초기모델과 홍수기일 때와 변화를 비교하기 위해 홍수기의 한강의 담수량 2,326 m3/s(Park et al., 2002)을 입력하였고, 임진강과 예성강은 앞서 제시한 유역면적비로 구하여 입력하였다. 수심변화에 의한 조석 전파 특성을 비교하기 위하여 초기모델에서 모든 격자의 수심 값을 1 m 크게 입력한 Case 6과 1 m 작게 입력한 Case 7을 설정하였다.
- 수치 모델 결과에서 보여준 바닥마찰계수 변화는 마찰 항에 의한 영향이 작용한 것이고, 전체적인 수심 감소 및 조간대의 수심은 지형적 특성의 일부분을 표현했다고 했을 때 hyper-synchronous 형태를 표현할 수 있는 가장 타당한 이유라고 판단된다. 각 수로별로 최대 진폭이 나타나는 위치가 다르게 나타나는 이유를 위에 제시한 마찰과 지형적 특성을 이용하여 정량적으로 제시하고자 두 항을 포함하는 해석해 방법을 적용하였다.
- 각 수로의 최대 진폭 위치 및 지형학적 특성과 마찰의 균형 정도를 정량적으로 제시하고자 해석해를 이용한 방법을 본 연구에 적용하였다. 해석해를 통해서 계산한 매개변수 값을 각 수로별로 비교하였다.
- Savenije(2005b)에서 제시된 다양한 지역에서의 해석해를 적용한 연구 결과를 봤을 때 본 연구에서 설정된 감조하천의 범위가 해석해 적용에 무리가 없다고 판단된다. 각 수로의 하류방향으로의 감조구간 범위는 수로 1은 인천항까지 수로 2는 남쪽입구 하류까지 수로 3은 A2 정점까지로 설정하여 해석해를 적용하였다.
- 본 연구에서 제시하는 정점 간의 단위 거리당 진폭(위상) 비율은 조석 입사파가 파고/파장의 일정한 기울기를 가지고 진행되는 조석 파형경사(서·박, 1996)와 의미는 동일하다. 그러나 외해에서 조석파가 하구로 진입하면서 진폭과 위상의 증가 또는 감소 변화가 각 수로의 구간별로 일정하게 변하지 않는 것을 보이기 위해 각 정점 간의 거리에 따른 비율을 제시하였다. 즉, 진폭 증가율은 진폭 변화를 나누어 주는 값이 파장에 비하여 작은 값을 갖는 정점 간의 거리이기 때문에 조석 파형경사와 비하여 큰 값을 갖는다.
- (2002)이 제시한 평수기 유량을 사용하였다. 모델에서 바람 응력의 효과는 고려하지 않았고, 해수유동장에 대한 초기조건은 cold start를 사용하였다. 모델 격자 구성 시 하구 상류로 진입할수록 격자 크기가 작아지는 가변격자를 사용하여 하구지역 모델 결과의 정확도를 향상시켰다(Fig.
- 조석 전파 특성에 영향을 미치는 다양한 물리적 인자들의 상대적 중요성을 고려하고자 수치 모델의 민감도 분석을 수행하였다. 민감도 분석은 수치모델 상에서 조절할 수 있는 물리적 변수 값 및 입력 자료를 변경한 결과를 분석하였다. 사용된 물리적 인자는 최적화된 수치 모델 결과를 얻기 위하여 Lane(2004)이 수행한 수심 변화와 담수 영향에 의한 조석 감소 현상을 연구한 Horrevoets et al.
- )의 진폭과 위상을 주었다. 수심 자료는 최근 발행된 수치해도를 이용하여 선형 내삽하여 입력하였다. EFDC 모델에서 바닥마찰 계수는 drag coefficient를 사용하여 표현하는데, 초기 수치 모델의 바닥 마찰 계수는 0.
- 1에 국립해양조사원에서 제공하는 1시간 단위의 검조소 관측 자료와 기존 연구보고서(국립해양조사원, 2002; 인하대학교 해양과학기술연구소, 2003)의 주요 4분조의 조화상수 자료를 수집하였다. 수집된 자료에 대해서는 관측 기간, 관측 시기 등을 고려한 오류 검증 과정을 통해 1차적으로 자료를 정리하였다. Fig.
- 수치 모델결과에서 보았듯이 각 물리적 인자의 상호 복합적인 영향을 비교하기 위하여 수치모델 결과에서 가장 큰 영향을 보인 바닥마찰과 수로의 지형적 특성의 균형에 대한 정량적인 분석을 수행하였다.
- 장기적으로 조석자료를 관측한 정점에서의 M4/M2 진폭 변화를 분석하였다. 분석 결과 M4/M2 진폭 비율은 하구 상류 지점으로 갈수록 지수적으로 증가하는 것을 볼 수 있다.
- 조석 전파 특성에 영향을 미치는 다양한 물리적 인자들의 상대적 중요성을 고려하고자 수치 모델의 민감도 분석을 수행하였다. 민감도 분석은 수치모델 상에서 조절할 수 있는 물리적 변수 값 및 입력 자료를 변경한 결과를 분석하였다.
- 조석파의 수렴도와 마찰 정도에 따른 해석해의 적용을 감조하천 구간으로 한정하여 적용하였다. 감조하천의 범위는 Fig.
- 초기 모델 결과에서 민감도 분석을 위해 물리적 인자를 변화를 준 7가지 모델 실험조건에서 초기, Case 1과 Case 2는 다른 조건은 동일하지만 조간대 지역의 수심을 증가 또는 감소시키는 변화를 주어서 수로의 지형적 형태의 변화를 고려하고자 하였다. Case 3과 Case 4의 경우는 바닥 마찰 계수를 초기 모델에서 각각 3배 크게 하여 0.
- 평수기 모델 결과인 초기결과와 홍수기를 모의한 Case 5를 비교하여 수치모델의 민감도 분석을 수행하였다. 홍수기 유량을 입력한 모델 결과를 보면 상류지역의 평균해면이 점진적으로 상승하였지만 조석의 조차는 감소하는 경향을 보였다.
- 각 수로의 최대 진폭 위치 및 지형학적 특성과 마찰의 균형 정도를 정량적으로 제시하고자 해석해를 이용한 방법을 본 연구에 적용하였다. 해석해를 통해서 계산한 매개변수 값을 각 수로별로 비교하였다. 수로 1(염하수로)의 경우 수렴과 마찰의 비율이 1 : 0.
대상 데이터
- Fig. 1에 국립해양조사원에서 제공하는 1시간 단위의 검조소 관측 자료와 기존 연구보고서(국립해양조사원, 2002; 인하대학교 해양과학기술연구소, 2003)의 주요 4분조의 조화상수 자료를 수집하였다. 수집된 자료에 대해서는 관측 기간, 관측 시기 등을 고려한 오류 검증 과정을 통해 1차적으로 자료를 정리하였다.
데이터처리
- 9에 제시한 각 수로의 폭과 수심을 추출한 정점 중에서 가장 외해 쪽 정점의 값을 사용하였다. 조간대 지역을 고려하여 Fig. 9에 제시된 정점에서 평균해면 일 때의 폭과 평균 수심 값을 수치 모델에서 추출하여 수로의 단면적을 계산하였다. 회귀분석 결과 지형적 특성이 상류로 진행하면서 지수 형태로 감소하는 것으로 나타났다.
이론/모형
- 의 4대 분조의 조화상수 값을 외력조건으로 하였으며, 담수 유입조건은 앞서 임(1999)과 Park et al.(2002)이 제시한 평수기 유량을 사용하였다. 모델에서 바람 응력의 효과는 고려하지 않았고, 해수유동장에 대한 초기조건은 cold start를 사용하였다.
- 사용된 물리적 인자는 최적화된 수치 모델 결과를 얻기 위하여 Lane(2004)이 수행한 수심 변화와 담수 영향에 의한 조석 감소 현상을 연구한 Horrevoets et al.(2004)을 바탕으로 선정하였다. 수치 모델 모의 시 조간대 지역의 비현실적 에너지 소실을 배제하기 위해 공간적으로 다른 마찰계수의 적용의 중요성을 강조한 서(2011)의 연구를 바탕으로 마찰계수의 증감을 고려하였지만 공간적으로 동일한 마찰계수를 적용한 한계점을 극복하지는 못했다.
- 본 연구에 사용된 EFDC(environmental fluid dynamics computer code) 모델은 연안, 하구 시스템에서 광범위하게 적용되는 수치모델이다. 기본적인 물리 구조는 POM (Princeton Ocean Model; Blumberg and Mellor, 1987)과 유사하며, 본 연구에서는 수심 적분된 2차원 정수압 모델을 사용하였다. EFDC 모델의 이론적 배경, 기본 방정식, 수치 해석 방법에 대한 자세한 설명은 Hamrick(1992)에 기술되어 있다.
성능/효과
- 4와 같이 3가지 형태로 분류하였다. 각각의 하구 형태의 조석 또는 유속의 진폭 변화는 하구 입구에서 상류로 진입하면서 1) 점진적으로 증가를 하다가 특정 위치 이후에 급격히 감소를 하는 hyper-synchronous 형태, 2) 일정한 진폭의 크기를 유지하다가 특정 위치 이후에 급격히 감소를 하는 synchronous 형태, 3) 하구 입구에서부터 지속적으로 감소를 보이는 hypo-synchronous 형태의 특징을 보인다. 본 연구에서 제시하는 주요 3개의 수로는 Dyer(1997)의 분류 기준으로 봤을 때는 모두 hyper-synchronous 형태를 보여준다.
- 즉, 독립적인 물리 인자에 의한 변화 보다는 각 인자의 상호 작용에 의한 복합적인 현상으로 판단된다. 각 수로의 조석전파 특성은 지형학적 수렴정도와 마찰의 균형에 의해서 지배되며, 두 항의 균형에 따라서 최대 진폭이 나타나는 위치가 수로별로 다르게 나타났다.
- Table 4에 식 (3), 식 (4) 그리고 식 (5)를 통해서 구한 매개변수 값을 제시하였다. 각각의 수로를 비교하면 단면적, 수로 폭, 수심은 수로 2에서 가장 크게 나타나며, 수로 1에서 가장 작게 나타났다. 수로의 수렴정도를 나타내는 1/b의 값은 수로 1에서 44.
- 2). 기존 경기만 모델의 격자망은 한강의 신곡수중보를 경계로 하여 육지 경계면을 처리하였으나, 본 연구에서는 조석파가 거의 소멸된다고 판단되는 한강대교 지역까지 모델 영역을 확장하여 조석 반사파에 의한 왜곡현상을 최소화하였다. 하구 지역의 수치모델의 중요한 요소 중에 하나인 조간대 처리 문제와 수치모델의 보정과 검증에 관한 자세한 내용은 윤(2006)과 윤·우 (2011)에 자세하게 기술되어 있고, Fig.
- 그러나 최대 진폭이 나타나는 위치가 각 수로별로 다르게 나타나고 있다. 또한 최대 진폭이 발생하는 위치 이후에 급격하게 진폭과 위상의 변화가 나타나고 있음을 확인 할 수 있었다. 각 수로에서 hyper-synchronous 형태가 나타나는 이유를 수치모델 결과를 이용하여 제시하고자 한다.
- 모델에서 바람 응력의 효과는 고려하지 않았고, 해수유동장에 대한 초기조건은 cold start를 사용하였다. 모델 격자 구성 시 하구 상류로 진입할수록 격자 크기가 작아지는 가변격자를 사용하여 하구지역 모델 결과의 정확도를 향상시켰다(Fig. 2). 기존 경기만 모델의 격자망은 한강의 신곡수중보를 경계로 하여 육지 경계면을 처리하였으나, 본 연구에서는 조석파가 거의 소멸된다고 판단되는 한강대교 지역까지 모델 영역을 확장하여 조석 반사파에 의한 왜곡현상을 최소화하였다.
- 특히, 수심이 작아지는 상류로 진입할수록 마찰계수의 변화에 따른 영향이 크게 나타났다. 모델 전체 수심과 조간대의 수심 변화에서 보인 지역적으로 특정 정점에서 보이는 큰 폭의 변화는 나타나지 않았지만 상류 및 하구지역에서는 일정한 범위만큼의 증가와 감소를 보였다.
- 민감도 분석한 결과를 정리하면 바닥 마찰계수에 따라서 진폭의 증가 또는 감소가 뚜렷하게 나타났으며, 조간대 지역의 수심 감소에 의해서 가장 큰 진폭 변화를 보였다. 그러나 각각의 물리적 인자들이 조석 전파에 중요한 역할을 담당하기는 하지만 관측 자료에서 보여준 hyper-synchronous 경향 자체를 변화시키지는 못하였다.
- 진폭 변화를 분석하였다. 분석 결과 M4/M2 진폭 비율은 하구 상류 지점으로 갈수록 지수적으로 증가하는 것을 볼 수 있다. 이 현상은 하구로 진입하면서 조석파가 마찰 및 비선형 효과의 영향에 의하여 M2 분조의 진폭이 감소하고, 전이된 에너지가 M4 분조의 증가를 야기하기 때문에 발생을 한다(윤, 2006).
- 그러나 최대 진폭 정점 이후에 상류 지역(JR 정점)까지의 진폭 감소율은 수로 3이 가장 크게 나타났고 수로 2에서 가장 작게 나타났다. 수치 모델 결과를 제외하고 관측 자료를 바탕으로 수로 1과 수로 2를 비교하면, 수로 1의 진폭 감소율이 약 0.3 cm/km 크게 나타났다. 같은 정점의 위상 변화율은 수로 1은 약 1.
- 각각 인자의 독립적인 효과가 아닌 복합적인 영향에 의한 조석 전파 특성을 비교할 필요성이 있다. 수치 모델 결과에서 보여준 바닥마찰계수 변화는 마찰 항에 의한 영향이 작용한 것이고, 전체적인 수심 감소 및 조간대의 수심은 지형적 특성의 일부분을 표현했다고 했을 때 hyper-synchronous 형태를 표현할 수 있는 가장 타당한 이유라고 판단된다. 각 수로별로 최대 진폭이 나타나는 위치가 다르게 나타나는 이유를 위에 제시한 마찰과 지형적 특성을 이용하여 정량적으로 제시하고자 두 항을 포함하는 해석해 방법을 적용하였다.
- 조석 M2 분조의 진폭의 변화는 외해에서 하구 상류로 진입하면서 점진적으로 증가를 하지만 특정 위치 이후에는 급격하게 감소하는 hyper-synchronous 형태를 보여준다. 수치 모델의 입력 변수 값의 변경하여 민감도 분석을 수행한 결과 마찰 계수 변화와 조간대 수심 변화에 의해서 가장 큰 진폭 변화 양상을 보여주었지만, hyper-synchronous 형태 자체의 변형은 나타나지 않았다. 즉, 독립적인 물리 인자에 의한 변화 보다는 각 인자의 상호 작용에 의한 복합적인 현상으로 판단된다.
- 경기만 지역은 크게 3개의 주 수로와 3개의 강으로 구성되어 있으며, 조차가 크고 조간대가 넓게 발달되어 있어서 독특한 해수 순환 특성을 보여준다. 조석 M2 분조의 진폭의 변화는 외해에서 하구 상류로 진입하면서 점진적으로 증가를 하지만 특정 위치 이후에는 급격하게 감소하는 hyper-synchronous 형태를 보여준다. 수치 모델의 입력 변수 값의 변경하여 민감도 분석을 수행한 결과 마찰 계수 변화와 조간대 수심 변화에 의해서 가장 큰 진폭 변화 양상을 보여주었지만, hyper-synchronous 형태 자체의 변형은 나타나지 않았다.
- 진폭의 증가와 감소하는 범위는 상대적으로 수심이 낮은 상류로 진입할수록 크게 나타났다. 증가 또는 감소하는 수심 크기가 동일하지만 수심을 1m 작게 입력했을 때의 진폭의 감소가 1m 증가 할 때의 진폭 증가 보다 크게 나타났다. 특히, 수심을 작게 입력한 경우에서 수로 1의 YH정점(Fig.
- 수심을 1 m 작게 입력한 Case 7의 경우 전체적으로 진폭이 감소하였으며, 반대로 1 m 증가한 Case 6의 경우는 진폭이 증가하는 경향을 보였다. 진폭의 증가와 감소하는 범위는 상대적으로 수심이 낮은 상류로 진입할수록 크게 나타났다. 증가 또는 감소하는 수심 크기가 동일하지만 수심을 1m 작게 입력했을 때의 진폭의 감소가 1m 증가 할 때의 진폭 증가 보다 크게 나타났다.
- 바닥 마찰이 작아진 Case 4의 경우에는 상류로 진입하면서 진폭이 커지는 결과를 보여주었지만, 반대의 Case 3의 경우는 진폭이 감소하는 결과가 나타났다. 특히, 수심이 작아지는 상류로 진입할수록 마찰계수의 변화에 따른 영향이 크게 나타났다. 모델 전체 수심과 조간대의 수심 변화에서 보인 지역적으로 특정 정점에서 보이는 큰 폭의 변화는 나타나지 않았지만 상류 및 하구지역에서는 일정한 범위만큼의 증가와 감소를 보였다.
- 평수기 모델 결과인 초기결과와 홍수기를 모의한 Case 5를 비교하여 수치모델의 민감도 분석을 수행하였다. 홍수기 유량을 입력한 모델 결과를 보면 상류지역의 평균해면이 점진적으로 상승하였지만 조석의 조차는 감소하는 경향을 보였다.
- 9에 제시된 정점에서 평균해면 일 때의 폭과 평균 수심 값을 수치 모델에서 추출하여 수로의 단면적을 계산하였다. 회귀분석 결과 지형적 특성이 상류로 진행하면서 지수 형태로 감소하는 것으로 나타났다. 이 형태는 식 (3)과 식 (4)에서 제시하는 단면적과 수로 폭의 경향과 비교해 봤을 때 각각의 상관도를 제시하였고 a, b값은 회귀곡선의 계수값이다.
후속연구
- 조간대 수심을 조절한 Case 6과 Case 7를 보면 수로 1에서 조간대 수심이 증가하면 IC에서 GH 정점까지 위상속도가 느려지는 것을 볼 수 있는데 강화도와 영종도 사이의 조간대 영향으로 판단된다. 경기만 한강하구 지역 특히, 강화도와 영종도 지역의 조간대의 영향에 의한 진폭의 증가 또는 감소, 위상 속도의 증가와 감소 현상에 대한 연구가 계속적으로 필요할 것으로 보인다. 담수 유입량이 증가하면서 상류 지역의 조석 진폭의 감소와 위상 속도가 빨라지는 현상(Godin, 1999; Horrevoets et al.
- 경기만 한강하구 지역 특히, 강화도와 영종도 지역의 조간대의 영향에 의한 진폭의 증가 또는 감소, 위상 속도의 증가와 감소 현상에 대한 연구가 계속적으로 필요할 것으로 보인다. 담수 유입량이 증가하면서 상류 지역의 조석 진폭의 감소와 위상 속도가 빨라지는 현상(Godin, 1999; Horrevoets et al., 2004)에 관한 연구 역시 추후 자세한 검토가 필요하다.
- 상류 및 하구지역에서 조석 전파에 영향을 주는 조간대의 특성(Friedrichs and Aubrey, 1988)을 고려하고자 조간대 지역의 수심을 4 m 증가한 Case 1의 경우 상류 및 하구지역에 진폭이 약간 상승하는 변화를 보였다. 조간대 수심을 4 m 감소한 Case 2의 경우 수로 1의 YH 정점(Fig. 6A), 수로 2의 JB와 NR 정점(Fig. 6B)에서 조간대의 영향 때문에 큰 감소가 나타났다고 판단되나 이 결과는 수치 모델 상의 오차인지 다른 물리적 의미가 있는지에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다. 조간대 지역의 변화는 수로의 단면적과 폭을 변화 시키는 주요 요인으로 작용하기 때문에 다른 민감도 분석의 결과 보다 큰 폭의 진폭 변화를 보였다.
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