[논문]낙동강 하구 염분 농도 분포에 관한 연구

한종수; 박상길; 정상우; 노태영

doi:10.9765/kscoe.2011.23.1.101

낙동강 하구 염분 농도 분포에 관한 연구
The Study of Salinity Distribution at Nakdong River Estuary 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.23 no.1, 2011년, pp.101 - 108

한종수 (부산대학교 사회환경시스템공학부) , 박상길 (부산대학교 사회환경시스템공학부) , 정상우 (부산대학교 사회환경시스템공학부) , 노태영 (부산대학교 사회환경시스템공학부)

초록
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염분도 수치계산의 목적은 낙동강 하구둑 상류로 침투되는 염수 쐐기 침입을 분석하여 담수량을 확보하는데 있다. 염분 침투가 발생되는 조건은 바다에서의 조석 분포에 따라서 침투길이가 달라지고 있으므로 염분농도는 조석의 현상에 따라서 달라진다. 이러한 현상을 확실히 파악하면 보다 효율적으로 염분 침투를 차단할 수 있다. 본 연구에서는 염분 침투에 대해서 ECOMSED 모델을 이용하여 낙동강 하구둑 상류로 침투되는 염분농도를 정확히 추정함으로써 낙동강 하구둑의 존재를 재평가하게 될 것이다. 또한 이 모델의 타당성을 입증하기 위해 실제 관측값과 비교하였다. 분석결과 ECOMSED모델은 상류 유입유량이 $130m^3/s$의 경우가 $75m^3/s$보다 실제 관측값과 거의 동일한 값을 나타내었다. 따라서 유입유량이 많은 경우가 적은 경우보다 예측이 정확한 것을 알 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of salinity intrusion due to numerical simulation is analaysis for saline intrusion to the upstream channel in Nakdong River Estuary Barrage(NREB) to get enough fresh water. Conditions that occur salinity intrusion affect by tidal distribution at seas, so salinity concentration changes according to tidal phenomenon. Making this connection cleary can help preventing salinity intrusion. In this study, estimating salinity intrusion to the upstream channel in NREB using EOMSED model, we reexamine NREB's existence. Comparison is also made with observing data. In result, when inflow discharges at $75m^3/s$ is more similar with respect to observing data than $130m^3/s$ at ECOMSED model. Thus, estimations are more precise at little discharges than lots of discharges.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구의 목적은 낙동강 하구둑 수문이 염분을 차단할 수 있는 수리학적 조건을 명확하게 규명 할 수 있도록 진행되었다. 일반적으로 해역에서의 물질 거등을 모의하기 위해서 이송·확산 모형을 사용한다.
본 연구는 낙동강 하구에서의 염분침투를 알아보기 위한 모델링을 실시했다. 그러나 염수침입에 대한 수치모의는 대상 지역의 3차원형상, 외력의 형태에 따라 매우 복잡하다.
본 연구는 최근 사회적으로 환경보전에 대한 요구가 증대됨에 따라 낙동강 하류부에 위치한 낙동강 하구둑의 기능을 재평가하고, 하구부 일대의 환경을 복원할 수 있는 대안을 제시하기 위하여 3차원 수치모형인 ECOMSED를 이용하여 염분침투에 대한 수치모의를 수행하였다. ECOMSED 모형을 이용하여 각각의 유입유량별로 수치모의를 수행한 결과, 대상 영역내에서 염수가 하구부를 시작으로 낙동강 상류방향으로 활발하게 침입하고 있음을 알 수 있었다.
수치 모형을 이용한 염수침입을 계산하기에 앞서 대상유역에 대한 초기값을 성정해야 할 필요성이 있다. 본 연구에서는 낙동강 하구둑을 완전 개방한 조건으로 상류 유입유량에 따른 염수 침입 거리와 조위의 변화에 따른 염수 침입거리를 계산한다. 또한 총3개의 수심층중에서 최하부층을 통하여 염수의 유출 및 유입이 된다고 가정하였다.
하구주변의 환경변화로 인한 하구의 변화에 관한 연구는 많이 진행되어 왔지만, 낙동강 하구둑의 유지와 관리에 대한 필요한 염분 침투에 관한 조사는 많이 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 낙동강 하구둑의 수문을 완전히 개방한 경우의 상황으로 외해로부터 염수가 하천의 상류방향으로 침입해 가는 과정을 수치모의하였다.
본 연구에서는 조위와 유입유량의 변화에 따른 염분 침투 길이의 변화에 대한 모의를 실시하였다. 유입 유량이 작을 경우에는 강과 바다의 상호작용으로 인한 염분의 침투현상이 직접적으로 영향을 미치기 때문에 하구에서 가장 중요한 문제로 떠오르게 된다.
염분 침투는 유입유량과 같은 외부 작용력에 대하여 매우 민감하게 작용을 한다. 염분도 수치 모델링의 목적은 낙동강 하구둑 하류에서 조위조건과 유입유량에 따른 하구둑 하류에서 상류로의 염수 침입의 변화를 분석하는 것이다.

가설 설정

본 연구에서는 낙동강 하구둑을 완전 개방한 조건으로 상류 유입유량에 따른 염수 침입 거리와 조위의 변화에 따른 염수 침입거리를 계산한다. 또한 총3개의 수심층중에서 최하부층을 통하여 염수의 유출 및 유입이 된다고 가정하였다. 본 연구에서는 전 수역을 담수(염도 0.
또한 총3개의 수심층중에서 최하부층을 통하여 염수의 유출 및 유입이 된다고 가정하였다. 본 연구에서는 전 수역을 담수(염도 0.0 psu)를 적용하였고 총 구간에서의 수온은 20℃로 동일하다고 가정하였다. 또한 상류부에서는 각각 75 m³/s, 130 m³/s를 유입시켰다.
여기서, 대기압력 P_atm은 일정하다고 가정한다.
/s일 경우 염수는 낙동강 하구둑을 기준으로 약 30 km까지 지속적으로 침입하는 것으로 나타났는데, 이 값은 ECOMSED의 수치모의 결과값과 다소간의 차이를 보인다. 이는 EFDC모델의 경우 현 낙동강 하구둑의 위치를 경계로 해수와 담수가 만난다고 가정하여 초기 조건을 산정하였고, 본 모델링의 경우 가덕도 끝단을 경계로 해수와 담수가 만난다고 가정하여 염분침투거리의 차이가 났다고 볼 수 있다.
또한 상류부에서는 각각 75 m³/s, 130 m³/s를 유입시켰다. 하류부 끝단에서의 조위는 M.W.L, H.W.L로, 염도는 33.0 psu로 가정하였다. 각 조위별로 3개의 층으로 격자를 구성하였다.

제안 방법

각 조위별로 3개의 층으로 격자를 구성하였다. 그리고 그전에 행하였던 EFDC의 결과 및 과거 낙동강 하구둑 건설전에 측정하였던 염분 조사 결과와 비교하여 본다.
낙동강 하구둑의 수문을 완저히 개방할 경우에서의 조위와 유입 유량에 따른 염분 침투현상을 모의하여 해수 유동의 변화와 염분 침투 현상을 비교·검토한다.
기준으로 도시하였다. 또한, 밀도차에 의해 수심에 따라 염수침입범위가 다르기 때문에 표층, 중층 및 저층에 대한 염분분포를 표시하였다. 염분도 1 psu이하의 영역은 흰색으로 표시하여 구분하였다.
또한 하상고를 전 격자에 분포시키는 방법 중 가장 단순한 방법인 전·후면 단면의 선형보간은 실제 주수로내의 최심부를 표현하는데 한계가 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 제거하여 실제 하도 형상에 가깝게 표현하기 위하여 횡단면 데이터의 선형 보간 및 Kriging법을 순차적으로 적용하였으며, 측량 단면과 평면도를 참고하여 수정을 하였다. 염수침입 현상을 재현하기 위하여 수평 방향에 직교 곡선좌표계를 연직방향에는 좌표계를 도입하여 검토대상 수심주변을 더욱 세밀하게 계산 할 수 있게 하였다.
본 연구에서는 이러한 문제점을 제거하여 실제 하도 형상에 가깝게 표현하기 위하여 횡단면 데이터의 선형 보간 및 Kriging법을 순차적으로 적용하였으며, 측량 단면과 평면도를 참고하여 수정을 하였다. 염수침입 현상을 재현하기 위하여 수평 방향에 직교 곡선좌표계를 연직방향에는 좌표계를 도입하여 검토대상 수심주변을 더욱 세밀하게 계산 할 수 있게 하였다. 이러한 격자망은 더 효율적이고 정확한 모델을 얻기위해서 Batten과 Han[1981]에 의해 제안되었다.
낙동강 하구둑의 수문을 완저히 개방할 경우에서의 조위와 유입 유량에 따른 염분 침투현상을 모의하여 해수 유동의 변화와 염분 침투 현상을 비교·검토한다. 유입 유량과 조위를 달리하여 실험 조건을 설정하여 유입 유량과 조위에 대한 민감도를 분석한다.
실제 해역의 해수 유동 및 염분 침투현상을 모의하기 이전에 연구대상지를 단순화하여 연구 대상지인 낙동강의 수심을 현장과 동질성을 가질 수 있도록 수평격자(종단방향 504개, 횡단방향 48개)를 구성하였다. 하천의 흐름방향을 표현하기 위하여 하천측량 단면을 참고로 최심하상고를 중심선으로 하는 직교곡선격자망을 구축하였다. 이에 사용된 단면자료는 2000년 이후에 실시된 하천측량자료를 이용하였으며 낙동강 하구둑을 기준으로 상·하류 접근수로는 수심측량 자료를 이용하였으며, 하구부에서 가덕도 인근 외해부분은 수치해도를 참고하였다.

대상 데이터

계산 영역은 낙동강 하구둑에서 가덕도 인근해상 약 16 km에서부터 상류쪽 약 84 km지점(진동)까지 총 100 km 구간이다. 대략적인 위치 및 거리는 Fig.
실제 해역의 해수 유동 및 염분 침투현상을 모의하기 이전에 연구대상지를 단순화하여 연구 대상지인 낙동강의 수심을 현장과 동질성을 가질 수 있도록 수평격자(종단방향 504개, 횡단방향 48개)를 구성하였다. 하천의 흐름방향을 표현하기 위하여 하천측량 단면을 참고로 최심하상고를 중심선으로 하는 직교곡선격자망을 구축하였다.
이에 사용된 단면자료는 2000년 이후에 실시된 하천측량자료를 이용하였으며 낙동강 하구둑을 기준으로 상·하류 접근수로는 수심측량 자료를 이용하였으며, 하구부에서 가덕도 인근 외해부분은 수치해도를 참고하였다.

이론/모형

본 연구에 사용한 ECOMSED(Three-Dimension Hydrodynamic and Sediment Transport Model)는 1980년대에 태동된 POM(Princeton Ocean Model)을 근본으로 하고 있는 모델을 기본으로 하고 있으며 기본적으로 천수방정식을 지배방정식으로 하고 있다. 그러므로 하구, 해안 그리고 해양등 다양한 지표수에 적용이 가능하다.
앞서 언급한 기능 이외에도 하구와 해안·해양에서의 부유물질, 용존 추적자, 중립 입자 추적등의 수송과 반응을 고려할 수 있다. 점착성 혹은 비 점착성이 유사의 수송과 변환과정이 이 모듈에서 계산되어지는데, 특히 Clay나 Silt 혹은 유기물질등의 점착성 저질에 대해서는 재부유, 침적, 수송등을 계산하며, 가는 모래 등과 같은 비점착성 저질의 부유 수송은 Van Rijn의 이론(Van Rijn, 1984)에 근거해서 계산을 한다. 저질경계에서 추적자의 수송 모듈을 이용하면 하천 방류라던가 특이한 전이토가 속한 지역등 특수한 발원으로부터의 저질의 변환과정도 모의할 수 있는데 이러한 종류의 모의는 저질-경계라는 특별한 추적자를 이용하여 계산하게 된다.
하천의 오염 확산 해석은 공간적 차원에 따라 1차원 모형과 2차원, 3차원 모형이 존재하고 있으며, 본 연구에서는 종·횡방향 및 연직방향을 모두 모의하는 3차원모형을 이용하였다.

성능/효과

ECOMSED 모델링의 결과, 낙동강 하구둑의 수문을 완전히 개방할 경우에서의 1 psu 이상의 염분침투최대거리는 낙동강 하구둑을 기준으로 각각 75 m³/s일 경우 약 28 km, 130 m³/s일 경우 약 23.8 km로 나타났다. 염수침입에 대한 영향구간에 영향을 미치는 요소는 상류로부터 유입하는 유량뿐만이 아니라, 담수와 해수의 밀도차이에 인한 밀도류 형성 및 조석에 의한 염수의 밀어올림현상이 하류에서 상류로 염수가 침입하는데 다소의 영향을 주는 것으로 나타났다.
본 연구는 최근 사회적으로 환경보전에 대한 요구가 증대됨에 따라 낙동강 하류부에 위치한 낙동강 하구둑의 기능을 재평가하고, 하구부 일대의 환경을 복원할 수 있는 대안을 제시하기 위하여 3차원 수치모형인 ECOMSED를 이용하여 염분침투에 대한 수치모의를 수행하였다. ECOMSED 모형을 이용하여 각각의 유입유량별로 수치모의를 수행한 결과, 대상 영역내에서 염수가 하구부를 시작으로 낙동강 상류방향으로 활발하게 침입하고 있음을 알 수 있었다. 각 경우의 결과들로부터 갈수기 낙동강에서의 염분침투는 조위나 상류유입량과 같은 외부 조건들에 민감하다는 것도 알 수 있다.
ECOMSED 모형을 이용하여 각각의 유입유량별로 수치모의를 수행한 결과, 대상 영역내에서 염수가 하구부를 시작으로 낙동강 상류방향으로 활발하게 침입하고 있음을 알 수 있었다. 각 경우의 결과들로부터 갈수기 낙동강에서의 염분침투는 조위나 상류유입량과 같은 외부 조건들에 민감하다는 것도 알 수 있다. 또한, 밀도차에 의한 담수와 염수의 층 분할현상은 유입유량이 작을수록 더욱 강하게 나타나고 유입 유량이 클 경우 층분할 현상이 작아지며 좁은 영역에서 담수와 염수의 혼합이 이루어지고 있다는 것을 알 수 있다.
각 경우의 결과들로부터 갈수기 낙동강에서의 염분침투는 조위나 상류유입량과 같은 외부 조건들에 민감하다는 것도 알 수 있다. 또한, 밀도차에 의한 담수와 염수의 층 분할현상은 유입유량이 작을수록 더욱 강하게 나타나고 유입 유량이 클 경우 층분할 현상이 작아지며 좁은 영역에서 담수와 염수의 혼합이 이루어지고 있다는 것을 알 수 있다. 하지만, 향후 실내실험과 현장관측 자료등을 통한 매개변수 보정 및 지속적인 모니터링 등 다양한 부분에 대한 조사가 필요하다고 할 수 있다.
또한, 이전에 실시하였던 EFDC 모델의 경우 상류 유입유량이 75 m³/s일 경우 염수는 낙동강 하구둑을 기준으로 약 30 km까지 지속적으로 침입하는 것으로 나타났는데, 이 값은 ECOMSED의 수치모의 결과값과 다소간의 차이를 보인다. 이는 EFDC모델의 경우 현 낙동강 하구둑의 위치를 경계로 해수와 담수가 만난다고 가정하여 초기 조건을 산정하였고, 본 모델링의 경우 가덕도 끝단을 경계로 해수와 담수가 만난다고 가정하여 염분침투거리의 차이가 났다고 볼 수 있다.
8 km로 나타났다. 염수침입에 대한 영향구간에 영향을 미치는 요소는 상류로부터 유입하는 유량뿐만이 아니라, 담수와 해수의 밀도차이에 인한 밀도류 형성 및 조석에 의한 염수의 밀어올림현상이 하류에서 상류로 염수가 침입하는데 다소의 영향을 주는 것으로 나타났다. 1986년 4월, 낙동강에서 조사한 염분 분포조사(낙동강 환경조사 보고서, 1986)를 조사해보면 1 psu이상이 도달하는 최대거리는 약 25 km로 관측되었다.
1986년 4월, 낙동강에서 조사한 염분 분포조사(낙동강 환경조사 보고서, 1986)를 조사해보면 1 psu이상이 도달하는 최대거리는 약 25 km로 관측되었다. 이 관측값은 130 m³/s의 유입유량을 상류단 경계조건으로 한 모델링의 결과와 비교해보면 염분의 최대 침투길이의 차이가 실제 관측한 값과 다소 차이가 난다는 것을 알 수 있다. 저층의 경우는 비교적 잘 재현되었다고 판단되지만 표층의 경우는 과소평가되는 경향이 보이고 있다.

후속연구

이 모형은 직교 곡면형 선형 좌표계(Orthogonal Curvilinear Coordinate System)을 이용함으로써 유한 요소의 격자 생성과 같이 불규칙한 해안경계의 표현력이 뛰어나고 특정 구간에 대해 집중적으로 분석 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 본 모델은 물의 온도, 염분, 혼합과 수송 등에 관한 퇴적물 운송 모델링도 가능하다. 앞서 언급한 기능 이외에도 하구와 해안·해양에서의 부유물질, 용존 추적자, 중립 입자 추적등의 수송과 반응을 고려할 수 있다.
ECOMSED 모형을 통한 수치모델링은 낙동강 하구둑의 수문을 완전히 개방한 조건에서의 낙동강의 염분 침투현상을 연구하는데 적합하다고 판단된다. 이번 모델링으로 ECOMSED의 적용성을 검토할 수 있었으니 다음 연구에서는 낙동강 하구둑의 수문의 개방정도에 따른 염분침투거리의 변화 해석에 상당히 진전된 결과를 제공할 수 있을 것이라 기대되고, 이에 대한 지속적인 연구가 필요하다고 생각한다.
또한, 밀도차에 의한 담수와 염수의 층 분할현상은 유입유량이 작을수록 더욱 강하게 나타나고 유입 유량이 클 경우 층분할 현상이 작아지며 좁은 영역에서 담수와 염수의 혼합이 이루어지고 있다는 것을 알 수 있다. 하지만, 향후 실내실험과 현장관측 자료등을 통한 매개변수 보정 및 지속적인 모니터링 등 다양한 부분에 대한 조사가 필요하다고 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	염분도 수치계산의 목적은 무엇인가?	염분도 수치계산의 목적은 낙동강 하구둑 상류로 침투되는 염수 쐐기 침입을 분석하여 담수량을 확보하는데 있다. 염분 침투가 발생되는 조건은 바다에서의 조석 분포에 따라서 침투길이가 달라지고 있으므로 염분농도는 조석의 현상에 따라서 달라진다.
	조석의 현상을 확실히 파악하면 무엇을 차단할 수 있는가?	염분 침투가 발생되는 조건은 바다에서의 조석 분포에 따라서 침투길이가 달라지고 있으므로 염분농도는 조석의 현상에 따라서 달라진다. 이러한 현상을 확실히 파악하면 보다 효율적으로 염분 침투를 차단할 수 있다. 본 연구에서는 염분 침투에 대해서 ECOMSED 모델을 이용하여 낙동강 하구둑 상류로 침투되는 염분농도를 정확히 추정함으로써 낙동강 하구둑의 존재를 재평가하게 될 것이다.
	염분농도는 조석의 현상에 따라서 달라지는 이유는 무엇인가?	염분도 수치계산의 목적은 낙동강 하구둑 상류로 침투되는 염수 쐐기 침입을 분석하여 담수량을 확보하는데 있다. 염분 침투가 발생되는 조건은 바다에서의 조석 분포에 따라서 침투길이가 달라지고 있으므로 염분농도는 조석의 현상에 따라서 달라진다. 이러한 현상을 확실히 파악하면 보다 효율적으로 염분 침투를 차단할 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

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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