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문제 정의
- 하지만 기존의 연구는 주로 정점관측과 수치모델 결과에 국한되어왔으며, 정점관측을 통한 mass flux 와 잔차류의 산정은 전 단면을 대표할 수 없는 한계점을 가진다. 따라서 본 연구에서는 공간적 해수흐름특성 파악과 전 단면에서의 mass flux 산출을 위하여 단면 관측을 수행하였다.
- 따라서 시간적으로 같은 격자간 조화분해가 사실상 불가능하다. 이러한 문제를 해결하고자, 본 연구에서는 시작점에서부터 관측 횡단면의 거리를 사용하여 수평적 sigma격자를 구성하였다. 수직/수평적 sigma격자구성을 하면 본 연구지역 같이 조석이 큰 지역에서 전 수층의 모든 데이터를 사용할 수 있을 뿐만 아니라 공간적 관측자료 분석에 있어서 전 구간의 데이터를 일괄적으로 구성할 수 있기 때문에 용이하게 사용될 것으로 기대된다.
- 향후 염하수로에서 총 mass flux이동 기작에 대하여 면밀하게 분석하기 위하여 염하수로 북단과 남단의 2개 구간을 나누어 관측을 수행하고자 한다. 이를 통해 영종도와 강화도 사이의 조간대 지역으로 유 출입되는 총 수송량을 정량적으로 제시하고자 한다.
- 특히 본 연구는 단면관측을 수행하였기 때문에 수직적 해수면 높이 변화(시간에 따른 변화)와 공간적 관측위치에 따른 수심의 변화뿐만 아니라 거리에 해당하는 수평좌표까지 일괄적으로 같은 격자를 구성해야 하는 어려움이 있다. 이는 단면관측의 특성상 모든 정선을 매 순간마다 동일한 횡단면으로 관측하는 것은 사실상 불가능하며 같은 속도로 수행될 수도 없기 때문에 원시자료의 매 관측 간격 별 수평격자간 간격은 차이가 있을 수 밖에 없다.
제안 방법
- ADCP에서 관측된 원시자료의 후 처리는 수평 격자평균, 오차 값 제거, 각도변환, sigma좌표변환의 총 4단계의 과정을 적용하였다. 첫째 단계로써, 각 격자에 해당하는 데이터를 앙상블 평균하였다.
- Z-level과 sigma 좌표 계에서 유속 값을 비교하기 위하여 Fig. 3에서 하얀색 실선에 해당하는 구간인 첫 번째 column(σx=0)과 0.25, 0.5, 0.75 layer(σz= 0.25, 0.5, 0.75)을 선택하여 유속 크기에 대한 비교를 수행하였다.
- 관측된 자료의 정확한 분석을 위해서는 양질의 자료획득과 연구지역 및 관측방법에 따라 합리적인 분석방법이 필요하다. 관측된 원시자료의 일괄된 격자구성을 위하여 sigma 좌표로 구성을 하였고 z-level의 원시 자료와의 검증을 하였다. 분석된 연구결과는 향후 연안개발사업에 앞서 하구환경변화를 파악하고 수치모델 검보정을 위한 기초자료로 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 수직/수평적 sigma격자구성을 하면 본 연구지역 같이 조석이 큰 지역에서 전 수층의 모든 데이터를 사용할 수 있을 뿐만 아니라 공간적 관측자료 분석에 있어서 전 구간의 데이터를 일괄적으로 구성할 수 있기 때문에 용이하게 사용될 것으로 기대된다. 다음절에서는 공간적으로 구성한 sigma좌표의 유속 값과 z-level상의 유속 값을 비교하여 변환이 정확히 되었는지 검증하여 보았다
- 단면 잔차 flux는 계산된 잔차류의 값과 각 격자 별 평균면적을 곱한 뒤 전 구간을 더하여 구하였다. 계산결과 평수기와 홍수기 각각 낙조방향으로 70 m3/s, 840 m3/s를 보였다.
- 단면에서 담수 유입량 변동에 따른 단면 잔차류의 변화를 보기 위하여 각 격자별 조화분해를 수행하였다. 평수 시에는 주 수로(수심이 상대적으로 깊은 곳)에서 저층부터 표층까지 창조하고 수로 양끝 단(수심이 상대적으로 얕은 곳)에서는 낙조 하는 흐름특성을 보였다.
- 둘째 단계에서는 오차보정을 수행하였다. 오차보정은 앙상블 평균된 자료에서 percent good이 80이하의 값을 가지는 구간과 오차유속(error velocity)의 값이 유속크기(magnitude)값의 10% 이상이 되는 좌표는 제거하였다.
- 본 연구지역처럼 조석이 큰 지역에서는 조석평균을 한 뒤에 공간평균의 순서로 분석하는 것이 합리적이며, 이와 같은 순서를 위해서는 수직적 수평적 그리고 매 순간(time step)별 같은 격자구성이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 sigma좌표 체계를 구성하고, 원시자료와의 비교를 통한 검증을 수행하였다. 검증결과 원시자료와 비교하였을 때, 5%내외의 작은 오차범위를 보였다.
- 특히 담수의 방류량에 따라 도달시간에 따른 차이가 발생하게 된다. 따라서 본 연구에서는 홍수통제소에서 제공되고 있는 홍수도달예상시간(수치모의 값)을 이용하여 팔당댐에서 연구지역까지 도착하는 시간을 계산하였다. Table 3은 한강홍수 통제소에서 제공되는 자료이며, 팔당댐에서 방류된 담수가 한강대교까지 도달하는 시간을 제공하고 있다.
- 본 연구는 담수의 유입량에 따른 flux와 잔차류 파악을 위하여 대조기 평수기와 대조기 홍수기에 13시간 연속 관측을 수행하였으며 이 두 시점간에 시간차이는 있지만 유사한 조시에 관측이 수행되었다. 따라서 홍수기에 의한 영향만을 보기 위하여 연2회(평수기, 홍수기)의 관측자료로서 비교 분석하였다.
- 또한 관측된 정선 자료는 관측 위치에 따라서 수로를 대표할 수 있는 종축방향의 유속을 추출하고자 PCA(Principal Component Analysis)분석의 과정을 거쳤다.
- 안정된 데이터를 받기 위해서는 piching, rolling 컨트롤이 중요한데, 이를 해결하고자 프레임에 조절나사를 장착하여 선박형태에 따라서 보다 정확한 관측이 가능하도록 설계하였다. 또한 빠르게 이동해야 하는 정점에서 이동을 최대화 하기 위하여 선박에서 탈 부착이 쉽도록 조절 컨트롤러를 개발하였다. ADCP 에 직접 장착되는 프레임은 황 등(2004)이 개발한 방법으로 기포발생을 최소화할 수 있도록 수중의 몸체는 유선형으로 설계하였다.
- 모든 column에서 수직적으로 0~1, 수평적으로도 0~1의 값으로 정규화 하였다. 변환된 각 셀의 격자는 새로 구성한 sigma 좌표 계의 수직 20개, 수평 201개 행렬로 선형보간 하였다.
- (2007)은 12시간 동안의 단면관측을 통하여 수로 곡률에 따른 운동량 변화를 파악하였으며, Caceres and ValleLevinson(2003)는 조류 흐름이 강한 지역에서 13시간 단면관측을 통하여 공간적 잔차류와 횡방향 운동량을 계산한 연구결과가 있다. 본 연구는 담수의 유입량에 따른 flux와 잔차류 파악을 위하여 대조기 평수기와 대조기 홍수기에 13시간 연속 관측을 수행하였으며 이 두 시점간에 시간차이는 있지만 유사한 조시에 관측이 수행되었다. 따라서 홍수기에 의한 영향만을 보기 위하여 연2회(평수기, 홍수기)의 관측자료로서 비교 분석하였다.
- 특히 이동중인 선박에 장착하여 관측하는 방법이기 때문에 자료습득에 있어서 주의가 필요하다. 안정된 데이터를 받기 위해서는 piching, rolling 컨트롤이 중요한데, 이를 해결하고자 프레임에 조절나사를 장착하여 선박형태에 따라서 보다 정확한 관측이 가능하도록 설계하였다. 또한 빠르게 이동해야 하는 정점에서 이동을 최대화 하기 위하여 선박에서 탈 부착이 쉽도록 조절 컨트롤러를 개발하였다.
- Table 3은 한강홍수 통제소에서 제공되는 자료이며, 팔당댐에서 방류된 담수가 한강대교까지 도달하는 시간을 제공하고 있다. 제공된 수치를 이용하여 팔당댐에서 관측정선까지의 거리로서 예상되는 도달시간을 계산하였다.
- , 1991). 조화분해는 sigma좌표로 전환하여 시간별로 일치된 좌표(각 셀별로 13개의 자료구성)로 조석성분을 제거하였다.
- ADCP에서 관측된 원시자료의 후 처리는 수평 격자평균, 오차 값 제거, 각도변환, sigma좌표변환의 총 4단계의 과정을 적용하였다. 첫째 단계로써, 각 격자에 해당하는 데이터를 앙상블 평균하였다. 단면관측은 실시간으로 자료를 획득하기 때문에 정점관측에서 획득하는 ADCP데이터처럼 시간 평균된 데이터를 획득할 수 없다.
- 팔당댐에서 방류된 담수가 연구지역까지 도달하는데 걸리는 시간을 기준으로 관측시점에 해당하는 방류량을 구하였다. 평수기는 평균 방류량인 220 m3/s 를 기준으로 약 27시간전에 방류된 담수자료를 활용하였다.
- 이러한 연구결과를 보면 경기만과 하구의 수통은 두 하천(임진강, 한강)의 영향이 주도적으로 작용됨을 시사한다. 하지만 예성강에서 유입되는 담수는 관측자료가 없기 때문에 본 연구에서는 한강과 임진강의 담수유입만을 고려하였다. 자료는 한강홍수통제소에서 제공되고 있는 팔당댐 방류랑 자료를 이용하여 한강으로의 담수 유입으로 정의하였다.
대상 데이터
- 3의 왼쪽은 z-level상의 원시자료를 나타낸 유속 그림이며, 오른쪽은 sigma좌표로 공간 변형된 유속을 나타낸 그림이다. 공간 변형된 좌표의 개수는 수직적으로 20개 격자(layer)와 수평적으로 201개 격자(column)로 구성하였다.
- 관측은 2009년 7월에 대조기 홍수시 관측이 수행되었고, 2010년 10월에 대조기 평수시 관측이 수행되었다(Fig. 1, Table 1). 관측시기의 차이는 있지만 두 정선 모두 유사한 조시에 수행되었다.
- 따라서 조석에 의한 왜곡으로 유량이 산정되므로 임진강에서 유입되는 담수는 군남과 전곡댐의 자료를 이용하였다(송 · 우, 2011).
- 본 연구지역인 경기만 염하수로 입구는 인천항인근의 개방된 해역에서 급격히 좁아지는 형태의 수로로 약 1600 m의 좁은 폭을 가진다. Fig.
- 선박에 장착된 ADCP는 해수면 하 0.8 m에 설치되었고, 자료는 1m의 수심간격으로 층별 유속 및 유향 자료를 획득하였다. 다만 선박이동관측은 경기만 해역의 경우 일몰시간제약(군사지역)으로 인하여 선박운행이 가능한 시간에만(13시간 이하)관측이 가능하다는 단점을 가진다.
- 하지만 예성강에서 유입되는 담수는 관측자료가 없기 때문에 본 연구에서는 한강과 임진강의 담수유입만을 고려하였다. 자료는 한강홍수통제소에서 제공되고 있는 팔당댐 방류랑 자료를 이용하여 한강으로의 담수 유입으로 정의하였다. 수위관측소에서 제공되는 자료는 수위-유량 관계식에 의하여 계산된 유량으로 이는 수위 관측을 통하여 계산된다.
- 정선관측이 수행되는 동안 한강과 임진강에서 유입되는 담수량의 비교를 위한 자료를 수집하였다(Table 2). 경기만으로 유입되는 담수는 유역 면적 비에 의해 계산된 예성강, 임진강, 한강의 평균 유량 비율은 1 : 2 : 6 정도이다(임, 1999).
- 팔당댐에서 방류된 담수가 연구지역까지 도달하는데 걸리는 시간을 기준으로 관측시점에 해당하는 방류량을 구하였다. 평수기는 평균 방류량인 220 m3/s 를 기준으로 약 27시간전에 방류된 담수자료를 활용하였다. 홍수기의 경우 우기 시 평균 방류량인 8000 m3/s를 기준으로 약 18시간전에 방류한 방류량자료를 이용하였다.
- 평수기는 평균 방류량인 220 m3/s 를 기준으로 약 27시간전에 방류된 담수자료를 활용하였다. 홍수기의 경우 우기 시 평균 방류량인 8000 m3/s를 기준으로 약 18시간전에 방류한 방류량자료를 이용하였다. 계산결과 평수시점에 해당하는 방류량은 200 m3/s, 홍수기 관측시점에 해당되는 방류량은 7980 m3/s로 계산되었다.
이론/모형
- 또한 빠르게 이동해야 하는 정점에서 이동을 최대화 하기 위하여 선박에서 탈 부착이 쉽도록 조절 컨트롤러를 개발하였다. ADCP 에 직접 장착되는 프레임은 황 등(2004)이 개발한 방법으로 기포발생을 최소화할 수 있도록 수중의 몸체는 유선형으로 설계하였다.
- (2002)은 POM(Princeton Ocean Model)을 이용하여 담수 유입과 baroclinic을 고려하여 홍수기, 평수기의 담수유입조건을 변화하며 모의한 뒤 mass flux를 구간별로 나누어 비교하였다. Mass flux의 계산은 본 연구의 방법인 Sylaios and Boxall(1998)의 식을 사용하였으며, 수치모델의 입력조건은 한강의 평수기 5월~6월 동안의 평균유량자료로 약 400 m3/s와 홍수기 7월~8월 약 2300 m3/s로 주었다. 담수 유입량의 증가에도 수치모델상의 총 mass flux에는 큰 변화가 없었으며 모두 북향하는 특성을 보였으며 이는 관측결과와 잘 부합되는 결과이다.
- 단면 mass flux의 산정을 위해 Sylaios and Boxall(1998)의 식을 이용하여 Stokes drift, Eulerian수송량 으로 나누고 두 항의 합으로 총 mass flux(Lagrangian)를 계산하였다. Stokes drift (QS)의 경우 평수기 217 m3/s, 홍수기 856 m3/s를 나타냈으며, Eulerian수송량은 평수기에 141 m3/s, 홍수기에 −595 m3/s로 담수의 유입량에 따라 두 시점간 큰 차이를 보였다.
- 경기만은 해역의 진북은 좌북으로부터 시계방향의 7도 편차를 나타나며, 이를 기준으로 하여 동서방향의 유속과 남북방향의 유속을 진북 좌표계로 변환하였다. 또한 선박 위에서 관측된 유속 자료는 선박의 이동속도에 따라 유속과 유향이 변형될 수 있는데, 이를 보정하고자 Joyce(1989) 선속보정(Joyce correlation)의 방법을 적용하였다. 또한 관측된 정선 자료는 관측 위치에 따라서 수로를 대표할 수 있는 종축방향의 유속을 추출하고자 PCA(Principal Component Analysis)분석의 과정을 거쳤다.
- 이에 대한 기존의 연구로 Kjerfve(1975)는 전 수심에 대한 조차의 비율에 따라 해수 잔차 수송량에 미치는 영향이 크게 다름을 제시하였으며, 조차의 비율을 고려하여 전 수층을 sigma좌표로 변환하였다. 본 연구에서는 기존연구에서 사용된 잔차 수송량 계산방법인 Sylaios and Boxall(1998)의 식을 이용하였으며, 공간적 sigma격자 구성으로 각 셀 별 flux값을 계산하였다.
- 따라서 단면관측에서 획득된 원시자료는 random error가 발생하게 되며, 자료분석에 오차가 발생한다. 본 연구에서는 이와 같은 문제를 해결하고자 기존에 ValleLevinson(1999)이 사용하는 방법으로 원시자료에서 획득되는 수평적 10개의 데이터를 1개의 값으로 앙상블 평균하는 방법을 적용하였다.
- 하지만 13시간 이하의 주기를 갖는 M2와 M4 분조는 뽑아낼 수 있다(Valle-Levinson, 1999). 자료의 계산은 최소자승법(Least square method)을 통하여 조화분해를 하였다(Lwiza et al., 1991). 조화분해는 sigma좌표로 전환하여 시간별로 일치된 좌표(각 셀별로 13개의 자료구성)로 조석성분을 제거하였다.
성능/효과
- 따라서 본 연구에서는 sigma좌표 체계를 구성하고, 원시자료와의 비교를 통한 검증을 수행하였다. 검증결과 원시자료와 비교하였을 때, 5%내외의 작은 오차범위를 보였다. 본 연구지역과 같이 조차가 큰 지역에서 관측을 수행하거나 단면 연속관측을 수행할 시 가장 효율적인 분석방법이라고 생각된다.
- 홍수기의 경우 우기 시 평균 방류량인 8000 m3/s를 기준으로 약 18시간전에 방류한 방류량자료를 이용하였다. 계산결과 평수시점에 해당하는 방류량은 200 m3/s, 홍수기 관측시점에 해당되는 방류량은 7980 m3/s로 계산되었다.
- 단면 유속관측은 선박에 ADCP 를 장착하고 수로를 횡단하면서 관측하는 방법으로 장비와 GPS가 연동되어 실시간 관측위치를 전송 받고, 습득한 데이터로 선속을 출력한다. 관측은 1시간 간격으로 13시간 동안 총 13회 왕복 관측하였으며 안정된 자료 획득을 위하여 선박의 이동속도는 평균 4~5 knot를 유지하였다. 수로폭이 약 1600 m 정도 이며 이를 횡단하는데 약 10분이 소요되었다.
- Mass flux의 계산은 본 연구의 방법인 Sylaios and Boxall(1998)의 식을 사용하였으며, 수치모델의 입력조건은 한강의 평수기 5월~6월 동안의 평균유량자료로 약 400 m3/s와 홍수기 7월~8월 약 2300 m3/s로 주었다. 담수 유입량의 증가에도 수치모델상의 총 mass flux에는 큰 변화가 없었으며 모두 북향하는 특성을 보였으며 이는 관측결과와 잘 부합되는 결과이다.
- 계산결과 평수기와 홍수기 각각 낙조방향으로 70 m3/s, 840 m3/s를 보였다. 따라서 염하수로로의 한강담수 분담율은 평수기와 홍수기 각각 35%(70/200 m3/s), 9.5%(840/8000 m3/s)로 계산되었다. 홍수시의 담수 방류의 영향이 평수시보다 적은 비율로 나타났으며, 이는 염하수로로 유입되는 담수의 분담율이 평수시에 높게 나타나는 것을 의미한다.
- 이는 담수유입에 따라서 잔차류 흐름패턴이 변동되고 있음을 보여준다. 또한 염하수로의 담수유입 분담율은 평수기와 홍수기에 각각 35%, 9.5%로 평수기에 높은 비율로 나타났다.
- 05 m/s로 나타났다. 원시자료와의 유속 평균 오차 값은 5%이하로 공간 좌표 계로 변환되어도 자료분석에 큰 무리가 없는 것으로 나타났다.
- 유속의 크기는 최강낙조 시 표층에서 평균−140 cm/s, 최강창조 시 160 cm/s 로 창조의 크기가 강하게 나타났다.
- 고조시에 수로 중앙을 제외하고 수로 양 끝단에서 먼저 낙조가 시작되었다. 최강낙조 시 전단면에서 강한 낙조 흐름을 보였으며, 오른쪽의 깊은 골보다 상대적으로 얕은 왼쪽의 골에서 좀 더 빠른 낙조 흐름패턴을 보였다.
- 동측에서 낙조류 성분은 평수기와 마찬가지로 서쪽보다 강하게 나타났다. 평수기 수로중앙에서 유입되는 형태를 보인 잔차류는 홍수기가 되면 수로 중앙에서 유입 성분은 줄어들고 상대적으로수심이 낮은 채널양 끝 단에서 낙조방향의 잔차류 성분은 크게 변동되지 않음을 보였다. 이처럼 단면에서 잔차류 변동이 크게 나타나는 것은 고정 정점의 관측만으로는 전 단면을 대표할 수 없다는 것을 반증한다.
후속연구
- 본 연구의 관측결과도 한 조석주기의 관측을 통해 산출된 값으로 조석의 비선형성과 경압력, 순압력등과 같은 다양한 원인이 포함되어 있는 오류를 가진다. 따라서 장기 관측이나 연별로 관측을 수행하여 좀 더 면밀한 분석이 필요하며 향후 보정된 수치모델을 본 연구 해역에 추가적으로 수행하고자 한다.
- 이는 모델의 입력조건에 해당하는 담수의 유입량보다 실 관측에서 나타난 담수의 유입량의 차이가 있기 때문으로 판단된다. 또한 본 연구는 13시간 동안의 단기 관측 이므로 M2 와 M4분조 이외의 일 단위 주기 등의 다른 외력들이 포함되어있기 때문에 이와 같은 차이가 발생 할 것으로 보인다. 홍수기와 평수기의 mass flux차이를 보면 담수 유입량에 따라서 Eulerian수송량과 Stokes drift의 차이를 발생시키지만, 총량은 두 시점 모두 창조하는 특성을 파악 할 수 있었다.
- 이러한 잔차류 변동성은 장기적 유동특성 변화와 퇴적물과 같은 입자이동에 있어서 중요한 기작으로 작용한다. 본 연구에서의 정선관측은 13시간 동안의 단기간 관측자료 이기 때문에 전 관측기간 동안 자료의 평균으로서 잔차류를 정의하기엔 무리가 있으며, 일 단위(K1, O1등)주기로 변하는 단주기 전파특성을 파악 할 수가 없다. 하지만 13시간 이하의 주기를 갖는 M2와 M4 분조는 뽑아낼 수 있다(Valle-Levinson, 1999).
- 관측된 원시자료의 일괄된 격자구성을 위하여 sigma 좌표로 구성을 하였고 z-level의 원시 자료와의 검증을 하였다. 분석된 연구결과는 향후 연안개발사업에 앞서 하구환경변화를 파악하고 수치모델 검보정을 위한 기초자료로 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 담수의 유입량에 따라 변화하는 잔차류와 총 mass flux의 변동을 파악하는 것은 강화도와 영종도 사이의 넓은 조간대 지역의 보존과 관리를 위한 중요한 결과로 활용될 것이다.
- 이러한 문제를 해결하고자, 본 연구에서는 시작점에서부터 관측 횡단면의 거리를 사용하여 수평적 sigma격자를 구성하였다. 수직/수평적 sigma격자구성을 하면 본 연구지역 같이 조석이 큰 지역에서 전 수층의 모든 데이터를 사용할 수 있을 뿐만 아니라 공간적 관측자료 분석에 있어서 전 구간의 데이터를 일괄적으로 구성할 수 있기 때문에 용이하게 사용될 것으로 기대된다. 다음절에서는 공간적으로 구성한 sigma좌표의 유속 값과 z-level상의 유속 값을 비교하여 변환이 정확히 되었는지 검증하여 보았다
- 분석된 연구결과는 향후 연안개발사업에 앞서 하구환경변화를 파악하고 수치모델 검보정을 위한 기초자료로 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 담수의 유입량에 따라 변화하는 잔차류와 총 mass flux의 변동을 파악하는 것은 강화도와 영종도 사이의 넓은 조간대 지역의 보존과 관리를 위한 중요한 결과로 활용될 것이다.
- 향후 염하수로에서 총 mass flux이동 기작에 대하여 면밀하게 분석하기 위하여 염하수로 북단과 남단의 2개 구간을 나누어 관측을 수행하고자 한다. 이를 통해 영종도와 강화도 사이의 조간대 지역으로 유 출입되는 총 수송량을 정량적으로 제시하고자 한다.
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