하계 남강댐 방류수 유입에 의해 강하게 성층화된 남해 강진만에서 3차원수치모델과 결합된 라그랑지안 입자추적모델링 실험을 통해 방류수의 거동 특성과 만내 평균 체류시간을 추정했다. 조위와 유속장, 수온장, 염분장에 대해 각각 스킬 분석(skill analysis)을 이용해 검증했고, 그 결과 대부분 85%가 넘는 재현율을 보였다. 방류 초기 투하한 입자는 노량수도와 대방수도를 통해 외해로 유출되었으나, 최대 방류시기에 투하한 입자는 남향하는 강한 밀도류에 의해 사천만, 진주만, 강진만으로 유입되었으며, 지형적 요인과 해수유동 특성상 외해로 유출되지 못하여 체류시간이 증가했다. 투하한 입자 전체의 평균 체류시간은 약 65.9 시간(약 2.75일)이며, 초기 방류시 투하한 입자의 평균 체류시간은 약 55~65 시간, 방류 종료시 투하한 입자는 약 60~70 시간이다. 방류량 최대시 투하한 입자는 약 70~80 시간으로 방류량이 증가하면서 체류시간이 약 10~20 시간 증가하는 양의 상관성(R = 0.81)으로 나타났고, 이는 강진만 생태계가 장기간 지속적으로 저염수에 의한 염분 충격을 받은 것으로 볼 수 있다.
하계 남강댐 방류수 유입에 의해 강하게 성층화된 남해 강진만에서 3차원 수치모델과 결합된 라그랑지안 입자추적모델링 실험을 통해 방류수의 거동 특성과 만내 평균 체류시간을 추정했다. 조위와 유속장, 수온장, 염분장에 대해 각각 스킬 분석(skill analysis)을 이용해 검증했고, 그 결과 대부분 85%가 넘는 재현율을 보였다. 방류 초기 투하한 입자는 노량수도와 대방수도를 통해 외해로 유출되었으나, 최대 방류시기에 투하한 입자는 남향하는 강한 밀도류에 의해 사천만, 진주만, 강진만으로 유입되었으며, 지형적 요인과 해수유동 특성상 외해로 유출되지 못하여 체류시간이 증가했다. 투하한 입자 전체의 평균 체류시간은 약 65.9 시간(약 2.75일)이며, 초기 방류시 투하한 입자의 평균 체류시간은 약 55~65 시간, 방류 종료시 투하한 입자는 약 60~70 시간이다. 방류량 최대시 투하한 입자는 약 70~80 시간으로 방류량이 증가하면서 체류시간이 약 10~20 시간 증가하는 양의 상관성(R = 0.81)으로 나타났고, 이는 강진만 생태계가 장기간 지속적으로 저염수에 의한 염분 충격을 받은 것으로 볼 수 있다.
A Lagrangian particle tracking model coupled with the ECOM3D were used to study on the behavior of fresh water released from the Namgang Dam in terms of residence time in Kangjin Bay, South Sea, Korea. Model was calibrated until skill cores for elevation, velocity, temperature and salinity are satis...
A Lagrangian particle tracking model coupled with the ECOM3D were used to study on the behavior of fresh water released from the Namgang Dam in terms of residence time in Kangjin Bay, South Sea, Korea. Model was calibrated until skill cores for elevation, velocity, temperature and salinity are satisfied over 85%. In the numerical simulation, particles were released in 1 hour time interval from the northern boundary. The different patterns of particle trajectory are identified under the varying dynamics from tidal to density-driven current. The average residence time of total particles are approximately 65.9 hours in the entire Kangjin Bay. The average residence time were increased from 55~65 to 70~80 hours during maximum discharge period. Discharge rate of fresh water and average residence time in the Kangjin Bay is high correlated with correlation coefficient over 0.81.
A Lagrangian particle tracking model coupled with the ECOM3D were used to study on the behavior of fresh water released from the Namgang Dam in terms of residence time in Kangjin Bay, South Sea, Korea. Model was calibrated until skill cores for elevation, velocity, temperature and salinity are satisfied over 85%. In the numerical simulation, particles were released in 1 hour time interval from the northern boundary. The different patterns of particle trajectory are identified under the varying dynamics from tidal to density-driven current. The average residence time of total particles are approximately 65.9 hours in the entire Kangjin Bay. The average residence time were increased from 55~65 to 70~80 hours during maximum discharge period. Discharge rate of fresh water and average residence time in the Kangjin Bay is high correlated with correlation coefficient over 0.81.
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문제 정의
위와 같이 다양한 연구가 진행되었음에도 현재까지 강진만에서 담수 배출시 생태계 충격을 최소화하는 전략적 방류 방안 개발과 같은 연구는 부족한 상태이고, 이를 해결하기 위한 하나의 방법인 입자추적 모델링 실험과 그 결과는 중요한 의미를 갖는다고 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서는 투하한 입자들의 이동 궤적과 빈도 분포를 산정하기 위해 라그랑지안 입자추적 모델(Lagrangian particle tracking model)을 사용했으며, 그 결과를 활용하여 강진만 권역에서 생물 대량 폐사의 원인이라고 판단되는 남강댐 방류수의 거동 양상과 특성을 파악하고, 연구 해역으로 유입된 입자(담수)의 만내 평균 체류시간을 추정하여 생태계에 노출되는 저염분 지속 시간이 어느 정도인지 알아보고자 했다.
본 연구에서는 라그랑지안 입자추적 모델을 사용하여 여름철 남강댐 대량 방류 시기에 강진만 권역으로 유입되는 담수의 거동 양상과 특성, 빈도 분포 등을 파악했고, 유입된 입자의 만내 평균 체류시간에 대해 연구했다.
제안 방법
실제 시간에 따라 변화된 방류량을 모사하기 위하여 매 시간 유입되는 입자들의 개수를 조절하도록 설정하였고, 동일시기에 투하한 입자들의 평균 체류시간(average residence time)은 입자의 투하 시각에 따라 각각 계산했다. 또한 담수유입 초기, 방류량이 최대인 시기, 방류 종료시기 등 3가지로 구분하여 그 특성을 살펴보았다.
2). 수평격자는 해수 유동 및 염분 변화의 재현을 효과적으로 하기 위해 폭이 좁은 노량수도, 창선수도의 격자 크기를 100 m로 설정하였고, 대방수도의 경우 200 m로 설정하였으며, 모델 격자에 대한 Courant-Friedrichs-Levy(CFL) 조건을 만족하도록 외부 모드를 2초, 내부 모드를 20초의 시간 간격으로 설정하였다. 개방경계조건은 각 경계에서 4대 분조(M2, S2, K1, O1)에 대한 조위와 지각을 부과하였으며, 담수 유입량은 한국 수자원공사에서 제공하는 동일 기간의 남강댐 실 방류량 자료를 적용하였다.
연구 해역에서 담수 유입부에서 출발한 입자의 체류시간은 담수 유입량에 의해 달라질 수 있다. 실제 시간에 따라 변화된 방류량을 모사하기 위하여 매 시간 유입되는 입자들의 개수를 조절하도록 설정하였고, 동일시기에 투하한 입자들의 평균 체류시간(average residence time)은 입자의 투하 시각에 따라 각각 계산했다. 또한 담수유입 초기, 방류량이 최대인 시기, 방류 종료시기 등 3가지로 구분하여 그 특성을 살펴보았다.
연구 해역에서 투하된 입자의 방류 시기별 이동 경로를 파악하기 위하여 대량 방류 초기(Fig. 4)와 최대 방류 시기(Fig. 5), 방류 후기(Fig. 6)에 투하한 입자의 시간에 따른 이동 경로를 각 시기(Fig. 3; period 1~3)에서 12시간, 24시간, 48시간, 96시간 이후 결과를 추출하였다. Fig.
라그랑지안 입자추적법을 이용하여 방류 위치에 입자를 투하하는 수치모델링을 수행하기 위하여 table 2와 같이 조석만 부과한 경우(P04N), 조석과 담수 유입을 부과한 경우(P04D)로 외력의 유무에 따라 구분하여 실험하였으며, 모델 spin-up 기간을 제외한 모델링 실험 기간은 17일이다. 입자 투하 방식에 따라 총 900개의 입자에 대해 1시간에 5개식 180시간 동안 지속적으로 같은 수의 입자를 투하(P04D-C)하여 입자실험에 대한 반응을 살펴보았다. 총 18,000개의 입자를 2004년도 8월 실제 남강댐 방류량(총 9 × 108 m3)에 대한 비율(입자 1개당 담수 비율 : 5 × 104 m3)에 맞추어 입자 개수를 조정하여 투하하는 방법(P04D-R)으로 구성하였으며, Fig.
대상 데이터
수평격자는 해수 유동 및 염분 변화의 재현을 효과적으로 하기 위해 폭이 좁은 노량수도, 창선수도의 격자 크기를 100 m로 설정하였고, 대방수도의 경우 200 m로 설정하였으며, 모델 격자에 대한 Courant-Friedrichs-Levy(CFL) 조건을 만족하도록 외부 모드를 2초, 내부 모드를 20초의 시간 간격으로 설정하였다. 개방경계조건은 각 경계에서 4대 분조(M2, S2, K1, O1)에 대한 조위와 지각을 부과하였으며, 담수 유입량은 한국 수자원공사에서 제공하는 동일 기간의 남강댐 실 방류량 자료를 적용하였다. 모델 도메인 경계에서 외해와의 방사 조건을 Reid and Bodine(1968) 방법으로 부과하였다.
격자 구성은 Arakawa C-grid를 이용하였으며, 수평 격자체계는 동서 방향으로 200~400 m, 남북 방향으로 100~400 m를 사용하여 110 × 126의 가변격자를 구성하였다(Fig. 2).
라그랑지안 입자추적법을 이용하여 방류 위치에 입자를 투하하는 수치모델링을 수행하기 위하여 table 2와 같이 조석만 부과한 경우(P04N), 조석과 담수 유입을 부과한 경우(P04D)로 외력의 유무에 따라 구분하여 실험하였으며, 모델 spin-up 기간을 제외한 모델링 실험 기간은 17일이다. 입자 투하 방식에 따라 총 900개의 입자에 대해 1시간에 5개식 180시간 동안 지속적으로 같은 수의 입자를 투하(P04D-C)하여 입자실험에 대한 반응을 살펴보았다.
본 연구에서는 입자의 초기 위치가 방류 위치와 동일하고, 이 위치부터 각 수로의 경계까지 거리는 변화가 없다. 반면 방출 시점에 따라 남강댐의 방류량이 달라지기 때문에 각 방출 시점에서 투하된 입자의 평균 체류시간을 계산하였으며, 이는 동일 시각에 투하된 입자들이 만내에서 체류하다가 각 수로를 벗어난 입자들을 대상으로 한다.
본 연구의 대상 해역인 강진만에서는 2004년 8월 15호 태풍 “Megi”가 남해안을 통과했을 때 남강댐에서 1차로 8월 18~20일까지 3일간, 2차로 23~24일까지 2일간 1,000 m3/sec이상 대량 방류를 시작했고(Fig. 3; WAMIS, 2004), 이 시기에 방류된 담수는 강진만으로 유입되었다.
9 m, 최대수심은 24 m, 전체 면적은 약 200 km2로 비교적 작은 내만에 속한다. 연구 해역은 북쪽에서부터 사천만, 진주만 그리고 강진만으로 구성되어 있으며, 노량수로, 대방수로와 창선수로를 통해 타 해역과 해수 교환이 일어난다. Fig.
연구해역인 강진만은 남해 중앙부인 34° 55' N, 127° 58' E에 위치하고 있고, 남해도와 창선도로 둘러싸여 있는 전형적인 반폐쇄성 내만으로 동-서 폭이 약 10 km, 남-북 폭이 약 18 km이며, 평균 수심은 8.9 m, 최대수심은 24 m, 전체 면적은 약 200 km2로 비교적 작은 내만에 속한다.
이론/모형
개방경계조건은 각 경계에서 4대 분조(M2, S2, K1, O1)에 대한 조위와 지각을 부과하였으며, 담수 유입량은 한국 수자원공사에서 제공하는 동일 기간의 남강댐 실 방류량 자료를 적용하였다. 모델 도메인 경계에서 외해와의 방사 조건을 Reid and Bodine(1968) 방법으로 부과하였다. 수평 난류 점성계수는 격자 크기와 수평적인 전단응력에 비례한다는 Smagorinsky(1963)의 비선형 공식으로 계산되었다.
본 연구에서는 해수유동과 밀도류를 재현하고, 입자추적 실험을 수행하기 위하여 Estuaries and Coastal Ocean Modeling(ECOM) code를 사용하였다. 모델의 기술적 세부사항은 Blumberg(2002)에 기술되어 있어 본 연구에서는 기술을 생략하였다. 격자 구성은 Arakawa C-grid를 이용하였으며, 수평 격자체계는 동서 방향으로 200~400 m, 남북 방향으로 100~400 m를 사용하여 110 × 126의 가변격자를 구성하였다(Fig.
본 연구에서는 해수유동과 밀도류를 재현하고, 입자추적 실험을 수행하기 위하여 Estuaries and Coastal Ocean Modeling(ECOM) code를 사용하였다. 모델의 기술적 세부사항은 Blumberg(2002)에 기술되어 있어 본 연구에서는 기술을 생략하였다.
모델 도메인 경계에서 외해와의 방사 조건을 Reid and Bodine(1968) 방법으로 부과하였다. 수평 난류 점성계수는 격자 크기와 수평적인 전단응력에 비례한다는 Smagorinsky(1963)의 비선형 공식으로 계산되었다. 모델링 실험을 위해 사용된 조건 및 scheme은 table 1과 같다.
연구에서는 만내로 유입된 다량의 담수의 이동 경로를 파악하기 위하여 라그랑지안 입자추적법(Lagrangian particle tracking method)을 이용하여 방류 위치에 입자를 투하하는 수치모델링 실험을 수행했다. 라그랑지안 입자추적법은 일정부피를 갖는 입자 하나가 서로 독립적으로 움직인다는 가정하 단위 시간 동안 난류 확산 및 퍼짐에 의한 이동 거리와 유속에 의한 이동 거리의 벡터 합으로 입자 이동 거리를 표시하는 방법이다.
성능/효과
약 48시간 후에는 노량수로를 통해 미처 서측 경계면으로 빠져나가지 못한 입자들이 남해도 연안을 따라 남하하여 다수의 입자가 강진만에 분포하고 있는 것을 볼 수 있으며(Fig. 5(c)), 입자 투하 약 96시간 후에는 강진만에서 창선도 동쪽으로 이동한 입자 중 일부가 대방수도와 창선수도를 통해 남측 경계로 빠져나갔다(Fig. 5(d)).
Fig. 11에서 방류량 곡선과 평균 체류시간의 증감 변동이 비슷한 양상을 보이고 있어 담수 유입량과 평균 체류시간과의 상관관계를 알아보기 위해 Fig. 12와 같이 상관계수(correlation coefficient)를 계산한 결과 각각 0.81로 상호 유의한 양의 상관성을 보였다. 그러므로 만내로 유입되는 담수 유입량이 증가할수록 입자의 만내 체류시간은 증가하며, 담수 유입량이 감소할수록 입자의 체류시간은 감소한다고 볼 수 있다.
방류 전 기간 투하된 입자는 각 수로를 통해 빠져나간 양이 기간 평균 20% 이하로, 지형적 특성상 외해로 유출되지 못하며, 사천만, 진주만, 강진만에 약 80% 이상 분포했다. 담수에 직접적인 영향을 받는 사천만과 진주만에서는 전체 입자 중 약 67%에 이르는 입자가 분포하였으며, 상대적으로 담수 유입부와 거리가 멀리 떨어진 강진만에서는 평균 약 13%의 입자가 분포했다. 1차 방류 시기의 입자 수 증가는 세 곳의 만에서 비슷한 양상으로 증가하나, 방류가 일시적으로 중단된 시기에서는 강진만에서 입자수가 일시적으로 감소하는 양상을 보이는데, 이는 방류 중단 시기 남향하는 밀도류가 감소하여 강진만에 머무르던 입자들이 조류에 의해 수로 부근으로 이동하거나 수로를 통해 외해로 유출되기 때문으로 판단된다.
대방수도와 노량수도, 창선수도를 통해 외해로 유출된 입자 수의 비율은 9.4 : 2.3 : 1로 담수 유입부와 가장 가깝고 폭이 넓은 대방수도에서 가장 많은 유출이 있었으며, 강진만 하부의 창선수로를 통한 외해 유출이 가장 적었다(Table 3, Fig. 10). 투하된 입자는 외해와 해수 교환이 발생하는 대방수도, 노량수도를 통해 일부 빠져나간다.
따라서 모델 결과의 신뢰도는 조류와 조석, 수온과 염분 그리고 밀도장에 의해 좌우되며, 이들의 검증 결과가 필요하다. 모델링 실험 결과에 대한 검증 방법으로는 스킬 점수(skill score)와 상관계수(correlation coefficient)를 이용하였고, 검증 결과 조류의 진폭(amplitude)과 지각(phase)은 85% 이상, 수온과 염분은 80~90% 이상 산출되었다. 위에 열거한 유속장과 수온, 염분장에 대한 자세한 검증 결과는 기존 투고된 논문(Ro et al.
전체 입자의 만내 평균 체류시간은 약 66시간이며, 초기 소량 방류시보다 최대 방류시에 투하된 입자의 평균 체류시간이 약 1020시간 이상 증가하였다. 담수 유입량과 평균 체류시간과의 상관계수는 0.
후속연구
반면 이류에 의한 평균 유속은 모델링 결과 계산된 조류(tidal current)와 담수 유입에 의한 밀도류(density-driven current)를 포함하며, 평균 유속에 의해 이동된다. 따라서 모델 결과의 신뢰도는 조류와 조석, 수온과 염분 그리고 밀도장에 의해 좌우되며, 이들의 검증 결과가 필요하다. 모델링 실험 결과에 대한 검증 방법으로는 스킬 점수(skill score)와 상관계수(correlation coefficient)를 이용하였고, 검증 결과 조류의 진폭(amplitude)과 지각(phase)은 85% 이상, 수온과 염분은 80~90% 이상 산출되었다.
본 연구 결과에서 볼 수 있듯이, 연안 환경에서의 모델에 의한 입자추적 실험 방법은 발전소 온배수, 육상기원 쓰레기, 댐방류 오염물, 퇴적물 등의 이동 경로 및 퇴적 위치 등을 파악하는데 유용하게 활용할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하계 태풍 통과를 전후하여 남강댐은 무엇을 하며 그에 따른 영향으로 인한 결과는?
연안 및 하구 해역은 육지와 해양의 경계에 위치하기 때문에 여름철 담수 유입에 쉽게 노출되어 있고, 그 결과 물리학적, 생지화학적 특성이 단기간에 급격히 변하게 된다. 특히 하계 태풍 통과를 전후하여 남강댐에서는 대량 방류를 시작하고, 그에 따른 담수 유입은 하구역에서 급격한 밀도 변화를 야기시켜 해수 순환을 변화시킨다(Ro and Jung, 2010). 또한 육상으로부터 각종 부유 쓰레기 등 오염 물질이 해양환경으로 유입되어 해양환경 오염을 야기 시킨다.
연안 및 하구 해역의 특징 및 그로 인한 영향은?
연안 및 하구 해역은 육지와 해양의 경계에 위치하기 때문에 여름철 담수 유입에 쉽게 노출되어 있고, 그 결과 물리학적, 생지화학적 특성이 단기간에 급격히 변하게 된다. 특히 하계 태풍 통과를 전후하여 남강댐에서는 대량 방류를 시작하고, 그에 따른 담수 유입은 하구역에서 급격한 밀도 변화를 야기시켜 해수 순환을 변화시킨다(Ro and Jung, 2010).
태풍 "Megi"에 의한 남강댐 방류는 강지만에 어떠한 영향을 끼쳤는가?
3; WAMIS, 2004), 이 시기에 방류된 담수는 강진만으로 유입되었다. 유입된 담수에 의해 표층 염분이 10 psu까지 감소(Ro and Jung, 2010)하는 등 해양 환경의 급격한 변화는 강진만 생태계에 큰 충격으로 작용하였으며, 그 결과 다량의 생물(특히 피조개)이 대량 폐사하게 되었다. 이러한 급격한 인위적 환경 변화로 유발되는 어장환경의 피해는 어촌사회에 큰 쟁점(issue)으로 부각되고 있다.
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