한강하구 염하수로 주변의 조석변화에 따른 염분분포와 담수와의 상관관계 Relation of Freshwater Discharge and Salinity Distribution on Tidal Variation around the Yeomha Channel, Han River Estuary원문보기
하구 및 감조 하천의 염분분포는 조석, 담수, 바람 그리고 지형적 효과와 같은 다양한 외력의 작용과 시스템의 결합에 의해서 독특한 특성을 보인다. 연안 및 하구지역에서 염분구조의 특성을 이해하는 것은 해양학적, 수질 생태학적 그리고 공학적 문제를 접근할 때 반드시 필요하다. 2007년 5월부터 6월까지 약 50일 동안 한강하구 염하수로의 남쪽과 북쪽입구 부근에서 수로방향의 염분분포를 파악하기 위해서 표층 염분을 관측하였다. 장기간의 염분 관측자료를 분석한 결과 장 단기적인 조석 변동과 담수에 따라서 염분의 변화가 뚜렷하게 나타났다. 담수유입량의 계절적 변화에 따른 염하수로의 주축방향 염분분포의 특성을 국립수산과학원의 국가해양관측망 자료를 분석하여 제시하였다. 담수유입량과 염분분포의 관계를 비선형 회귀식을 사용하여 제시하였고, 조석과 담수유입량 그리고 지형적 영향을 고려한 염분침입 거리의 경험식을 제시하였다. 지형학적 영향까지 고려한 염분침입 거리의 경험식과 기존 문헌자료의 염분분포를 비교할 때 연구지역의 염분분포는 조석, 담수의 영향과 함께 지형적 영향에 의해서도 염수침입 한계 지점 및 염분분포의 구조적 특성이 변한다.
하구 및 감조 하천의 염분분포는 조석, 담수, 바람 그리고 지형적 효과와 같은 다양한 외력의 작용과 시스템의 결합에 의해서 독특한 특성을 보인다. 연안 및 하구지역에서 염분구조의 특성을 이해하는 것은 해양학적, 수질 생태학적 그리고 공학적 문제를 접근할 때 반드시 필요하다. 2007년 5월부터 6월까지 약 50일 동안 한강하구 염하수로의 남쪽과 북쪽입구 부근에서 수로방향의 염분분포를 파악하기 위해서 표층 염분을 관측하였다. 장기간의 염분 관측자료를 분석한 결과 장 단기적인 조석 변동과 담수에 따라서 염분의 변화가 뚜렷하게 나타났다. 담수유입량의 계절적 변화에 따른 염하수로의 주축방향 염분분포의 특성을 국립수산과학원의 국가해양관측망 자료를 분석하여 제시하였다. 담수유입량과 염분분포의 관계를 비선형 회귀식을 사용하여 제시하였고, 조석과 담수유입량 그리고 지형적 영향을 고려한 염분침입 거리의 경험식을 제시하였다. 지형학적 영향까지 고려한 염분침입 거리의 경험식과 기존 문헌자료의 염분분포를 비교할 때 연구지역의 염분분포는 조석, 담수의 영향과 함께 지형적 영향에 의해서도 염수침입 한계 지점 및 염분분포의 구조적 특성이 변한다.
Salinity distribution in estuary and tidal river is presented by many parameters including tidal forcing, river discharge and geographical effect. Understanding the characteristics of salinity structure is very important in the aspect of water-quality, ecological, and engineering viewpoint. Field me...
Salinity distribution in estuary and tidal river is presented by many parameters including tidal forcing, river discharge and geographical effect. Understanding the characteristics of salinity structure is very important in the aspect of water-quality, ecological, and engineering viewpoint. Field measurement was carried out to study the distribution of salinity structure at 2 surface stations at Yeomha channel in the Han River estuary. The results of short- and long-term salinity change according to short and long tidal variability is investigated. For analyzing the axial salinity distribution at Yeomha channel, the salinity data from NFRDI is used in this study. The relationship between freshwater discharge and salinity distribution is represented through the nonlinear regression equation. The empirical equation for salt intrusion length scale, including tide, river discharge, and topographical effect is presented. As the comparison of empirical equation and existing data collected in study area, the characteristic of salt intrusion length and salinity distribution is changed by tide, fresh water, and geographical effect.
Salinity distribution in estuary and tidal river is presented by many parameters including tidal forcing, river discharge and geographical effect. Understanding the characteristics of salinity structure is very important in the aspect of water-quality, ecological, and engineering viewpoint. Field measurement was carried out to study the distribution of salinity structure at 2 surface stations at Yeomha channel in the Han River estuary. The results of short- and long-term salinity change according to short and long tidal variability is investigated. For analyzing the axial salinity distribution at Yeomha channel, the salinity data from NFRDI is used in this study. The relationship between freshwater discharge and salinity distribution is represented through the nonlinear regression equation. The empirical equation for salt intrusion length scale, including tide, river discharge, and topographical effect is presented. As the comparison of empirical equation and existing data collected in study area, the characteristic of salt intrusion length and salinity distribution is changed by tide, fresh water, and geographical effect.
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문제 정의
본 연구는 50일 이상 관측된 염분 관측자료를 이용하여 조석변동과 담수 유입량에 따른 한강하구역의 시·공간적인 염분 분포 양상을 연구하였다.
조 등(2008)은 경기만 남쪽해역의 아산 및 대산 연안에서 10년 동안의 NFRDI 자료를 이용하여 염분자료의 상관관계 및 육상에서 배출되는 담수유출량과 염분의 관계를 제시하였다. 본 연구에서도 NFRDI에서 제공하는 인천 연안지역의 염분자료를 이용하여 계절적, 공간적인 염분분포에 대해서 분석하였다.
제안 방법
담수는 Park et al.(2002)에 의하면 일정한 비율로 강화도 서쪽의 염하수로와 동쪽의 석모수로를 통해서 경기만으로 유출되기 때문에 본 연구에서는 전체 담수유립량을 고려하였다.
관측된 염분자료는 4번의 대조기(SP; Spring period)와 3번의 소조기(NP; Neap period) 그리고 담수 유입량의 정도에 따라서 총 7개의 기간으로 분류하였고, 각 기간별 염분 차이를 Table 1에 제시하였다. 처음 대조기(SP1)와 담수 유입량이 증가하는 두 번째 대조기(SP2+River)를 비교하면, S1과 S2정점의 평균적인 염분의 수평분포 차이는 5.
국가해양관측망자료를 이용한 13년 동안 평균한 염하수로 수로방향의 월별 염분의 비선형 회귀곡선을 이용하여 염수침입 거리를 산정하였다. 염수침입 거리는 담수 유입량에 따라서 차이를 보이기는 하지만 염수 침입 형태는 거의 변하지 않는 것으로 나타났다.
장기적으로 관측된 염분과 팔당담 유량의 시계열 분석을 통해서 유량에 따른 염분 변화를 비교하였다. 두 정점의 수로방향 염분차이의 시계열 자료를 유량과 대소조기에 따라서 기간을 분류하여, 각 기간의 담수와 조석변화에 따른 염하수로의 염분차이에 대해서 분석하였다.
본 연구는 50일 이상 관측된 염분 관측자료를 이용하여 조석변동과 담수 유입량에 따른 한강하구역의 시·공간적인 염분 분포 양상을 연구하였다. 또한, 담수의 계절적 변동에 따른 염분분포를 비교하기 위해 13년간 분기별로 관측된 국립수산과학원의 염분자료를 분석하여 염분과 담수유입량의 상관관계를 제시하였다. 염수침입 거리에 대해 간단하고 효과적인 분석을 위해 조석, 담수유입량 그리고 지형적 효과를 고려한 경험식을 산정하였다.
그러므로 본 연구지역의 수로방향의 염분분포는 Savenije(1993)가 제시한 바와 같이 상류방향으로 지수적으로 감소하는 형태를 보일 것으로 예상된다. 염분분포에 대한 연구는 많은 연구지역에서 다양한 연구자들에 의해서 제시되었는데(Prandle, 1981; Garvine et al., 1992; Savenije, 1993; Brockway et al., 2006; Huang and Spaulding, 2000; Monismith et al., 2002; Ralston et al., 2008), 그 형태는 지수적으로 감소하는 형태가 가장 많기 때문에 NFRDI의 염분자료에 비선형 회귀식을 적용하여 주축방향의 염분변화 형태를 분석하였다.
또한, 담수의 계절적 변동에 따른 염분분포를 비교하기 위해 13년간 분기별로 관측된 국립수산과학원의 염분자료를 분석하여 염분과 담수유입량의 상관관계를 제시하였다. 염수침입 거리에 대해 간단하고 효과적인 분석을 위해 조석, 담수유입량 그리고 지형적 효과를 고려한 경험식을 산정하였다.
인천연안과 강화도 사이에 위치하는 염하수로의 남쪽입구(초지대교 인근)와 북쪽입구(강화대교 인근)에서 2007년 5월에서 6월까지 총 50일 동안 표층에서 IDRONAUT의 Ocean Seven 304 CTD logger을 이용하여 염분을 장기 모니터링 하였다(Fig, 1; S1 and S2 station). 장기적으로 관측된 염분과 팔당담 유량의 시계열 분석을 통해서 유량에 따른 염분 변화를 비교하였다.
인천항 조위, 담수유입량 및 S1(강화대교)과 S2(초지대교) 정점에서 관측된 표층 염분과 두 정점의 수평적인 염분차이의 시계열 그림을 제시하였다(Fig. 4). 염분 관측기간 동안에 팔당댐의 유량은 10~797 m3/s, 임진강 유량을 합한 전체 담수는 57~1542 m3/s로 유입되었다(Fig.
인천연안과 강화도 사이에 위치하는 염하수로의 남쪽입구(초지대교 인근)와 북쪽입구(강화대교 인근)에서 2007년 5월에서 6월까지 총 50일 동안 표층에서 IDRONAUT의 Ocean Seven 304 CTD logger을 이용하여 염분을 장기 모니터링 하였다(Fig, 1; S1 and S2 station). 장기적으로 관측된 염분과 팔당담 유량의 시계열 분석을 통해서 유량에 따른 염분 변화를 비교하였다. 두 정점의 수로방향 염분차이의 시계열 자료를 유량과 대소조기에 따라서 기간을 분류하여, 각 기간의 담수와 조석변화에 따른 염하수로의 염분차이에 대해서 분석하였다.
4B). 조석성분이 제거된 장기적인 염분 변화를 보기 위해서 절단주파수 48시간을 사용한 low pass filter를 적용하였다. 조석성분을 제거한 염분의 변화에서 담수에 의한 염분의 감소폭은 상류 지점에 위치한 S1정점이 S2정점 보다 감소하는 기울기가 크게 나타났으며 평수기 염분으로 회복되는 기간도 길게 나타났다(Fig.
대상 데이터
Fig. 3에 한강홍수통제소(HRFCO)에서 제공하는 팔당댐의 1974년부터 2009년까지 평균된 일류량 자료를 제시하였다. 팔당댐에서 유입되는 36년 동안의 일류량의 평균은 527 m3/s이고 중간값은 243 m3/s이다.
Y1 Station)까지 관측된 염분분포를 도시하였다. Y1에서 Y14까지 총 14개 지점에서 관측된 자료는 Y1 정점에서 고조일 때 관측을 시작하여 마지막 Y14 정점까지 소요된 관측시간은 총 4시간이다. 제시된 염분의 공간적인 분포를 보면 강화대교에서 염하수로 남쪽입구인 황산도까지의 수직적인 변화폭이 크게 나타나고 있지만, Y9 정점 이후에는 수직적으로 혼합된 형태를 보여준다.
본 연구에서는 Woo and Yoon(2011)과 윤·우(2011)에서 제시된 염하수로의 하구입구 단면적 A0(≈46945m2)와 지형학적 수렴 β(≈0.028km–1) 사용하였다.
본 연구지역인 염하수로는 윤·우(2011)에서 제시된 바와 같이 하구 입구에서 상류방향으로 단면적과 수로 폭이 지수적으로 감소하는 깔때기 모양의 지형적 형태를 보인다.
계절적인 담수 유입량의 차이가 확연하게 나타나므로 NFRDI에서 제공하는 염분자료는 담수 유입량 차이에 의한 계절적 변화에 대해서 고려하는 것이 바람직하다. 장기 모니터링 염분자료 분석 시 염분과 담수유입량의 상관관계를 위해서 2007년의 염분 관측 기간 동안과 동일한 시기의 한강(팔당댐), 임진강(적성) 유량 자료를 HRFCO에서 제공 받았다. 신곡수중보부터 상류 55 km 지점에 위치한 팔당댐은 감조구간의 한계선인 잠실수중보(신곡수중보 상류 37 km) 상류에 위치하므로 조석의 영향이 거의 없는 유량자료라고 판단된다.
1; N1~N9 station). 제공되는 염분자료는 연 4회(2, 5, 8, 11월) 표층(해수면에서 1 m 아래)과 저층(바닥 저층에서 1 m 위)에서 관측되고 있다. NFRDI의 관측자료는 분기별로 1회 관측만 되는 제한적인 자료이기 때문에 반일주조, 일주조와 같은 단주기의 조석변동에 의한 염분변화는 고려하기 힘들다.
국립수산과학원(NFRDI)에서는 우리나라 연안 및 근해역에 대하여 해양환경모니터링 체제를 구축하여 1996년부터 4회/년 조사를 정기적으로 실시하고 있다. 한국해양자료센터의 국가해양환경측정망 자료 중에서 인천 연안지역의 9개 정점에서 1997년부터 2009년까지 13년간의 염분자료를 수집하였다(Fig. 1; N1~N9 station). 제공되는 염분자료는 연 4회(2, 5, 8, 11월) 표층(해수면에서 1 m 아래)과 저층(바닥 저층에서 1 m 위)에서 관측되고 있다.
데이터처리
각 월 평균한 표층과 저층의 염분자료를 비선형 회귀분석을 이용하여 하구 입구로부터 상류 방향으로의 염분 변화를 비선형 회귀식으로 계산하여 Fig. 6에 제시하였다. 이 회귀식에서 Y축 값이 2로 나타나는 지점을 염수침입의 최대거리로 정의하였고, 각 월별 담수유입량에 따른 염수침입 거리를 Table 2에 제시하였다.
성능/효과
4C에 두 정점간의 수로방향의 염분 차이와 단주기 조석 성분을 제거한 염분 차이의 장주기 성분의 시간변화를 제시하였다. 두 정점의 염분차이가 대조기와 소조기에 따라서 변화가 뚜렷하며, 담수 유입량에 따라서도 두 정점간의 차이가 크게 나타났다. 두 정점 사이의 표층 염분의 수로방향의 차이는 300 m3/s 이하의 유량이 유입된 SP1과 NP1까지의 변화에서 소조기에는 평균적으로 약 7.
또한, 1,000 m3/s이상 담수가 유입되는 시점의 두 정점간의 염분 변화 차이는 대·소조기‚ 각각 8.9과 10.4 psu로 나타났다.
36년 평균한 담수 유입량 자료와 NFRDI의 관측자료가 존재하는 1997년부터 2009년까지의 평균 담수 유입량의 경우 각 월별로 거의 동일하다. 또한, NFRDI의 염분 관측기간인 각 월별 1일과 전일 2일 동안의 유량을 평균한 담수 유입량 자료도 계절별로 하계 기간의 30% 정도의 차이를 제외하면 비슷한 유량으로 나타났다(Table 2).
회귀식 및 관계식에 의한 염수침입 거리(2 psu 이하)를 Table 3에 제시하였다. 비선형 회귀식에 비해 경험식의 염수침입 거리가 모든 월에서 크게 나타났다.
인천항의 조석 변동과 염분의 변화를 비교하면 S1과 S2정점의 표층 염분 변화폭은 각각 0.5~22.2 psu와 4.0~30.8 psu의 범위로 하류의 S2 정점의 변화폭이 크게 나타났다(Fig. 4B). 조석성분이 제거된 장기적인 염분 변화를 보기 위해서 절단주파수 48시간을 사용한 low pass filter를 적용하였다.
이런 염분의 수직적인 차이는 상대적으로 담수 유입량이 적인 2월에는 가장 적은 반면에 담수 유입량이 가장 큰 8월의 경우 상대적으로 크게 나타난다. 조석 작용, 바람의 영향, 지형적인 효과에 의해서 수직(vertical), 수평(lateral), 수로(axial)방향으로 변화가 있겠지만, 13년 평균한 자료이고 담수 유입량과 비슷한 변화를 보이는 것으로 보아담수 유입에 의한 염분분포의 변화로 판단된다.
조석성분이 제거된 장기적인 염분 변화를 보기 위해서 절단주파수 48시간을 사용한 low pass filter를 적용하였다. 조석성분을 제거한 염분의 변화에서 담수에 의한 염분의 감소폭은 상류 지점에 위치한 S1정점이 S2정점 보다 감소하는 기울기가 크게 나타났으며 평수기 염분으로 회복되는 기간도 길게 나타났다(Fig. 4B).
염수 침입은 조석, 담수 유입량뿐 만이 아니라 지형적 영향에 의해서도 결정되기 때문이다. 지형적 효과를 고려한 경험식을 적용하여 염수 침입거리를 계산한 결과 기존 문헌 자료의 염수침입 거리와 일치하는 결과를 보여주었다. 본 연구의 경험식은 신곡수중보와 같은 인위적인 구조물에 의한 영향이 고려되지 않았기 때문에 한계가 존재한다.
후속연구
하구 조석 운동, 바람, 수로 폭 및 수로의 형상에 의해 하구에서는 옆 방향으로의 염분 경사에 의한 2차적인 흐름이 존재한다(Wong, 1996). 그러나 본 연구에서는 관측자료의 한계로 수로방향으로의 염분분포에 관한 것만 논의한다.
하구 입구를 담수의 영향이 최대로 미치는 지역이라고 정의 할 때, 박(2004)이 제시한 하계 팔미도 해역까지 담수 영향권이 확대된다는 결과와 일치한다. 그러나 수직적인 염분차이에 의한 하구입구의 정의 등이 명확하게 제시되지 않았고, 제시된 관측자료 보다 외해에 위치하는 정점이 있다면 다른 결과가 도출될 수 있기 때문에 명확한 논의를 위해서는 추후 연구가 필요하다.
현 상태의 염분 분포에 대한 정확한 분석을 위해서는 연구지역의 인위적인 구조물(신곡수중보)의 고려한 관계식의 향상 및 추가 검증이 요구된다. 또한 다수의 수로가 연결된 연구지역의 특성을 고려한 염수침입의 관계에 대한 연구도 필요하다.
본 연구의 경험식은 신곡수중보와 같은 인위적인 구조물에 의한 영향이 고려되지 않았기 때문에 한계가 존재한다. 본 연구에서 제시된 관계식 및 염분자료를 이용한 수치모델 결과와의 비교 분석을 통해서 인위적인 구조물에 의한 영향을 판단할 필요가 있으며, 다수의 수로로 연결된 연구지역의 특성을 고려한 염수침입 및 염분분포에 대한 연구가 필요하다.
지형적 효과를 고려한 경험식을 적용하여 염수 침입거리를 계산한 결과 기존 문헌 자료의 염수침입 거리와 일치하는 결과를 보여주었다. 본 연구의 경험식은 신곡수중보와 같은 인위적인 구조물에 의한 영향이 고려되지 않았기 때문에 한계가 존재한다. 본 연구에서 제시된 관계식 및 염분자료를 이용한 수치모델 결과와의 비교 분석을 통해서 인위적인 구조물에 의한 영향을 판단할 필요가 있으며, 다수의 수로로 연결된 연구지역의 특성을 고려한 염수침입 및 염분분포에 대한 연구가 필요하다.
85 km 상류지점에서도 2 psu 이상의 염분이 나타나는 현상은 경험식에서 신곡수중보와 같은 인위적인 구조물에 의한 염분의 침입 방지 등이 고려되지 않았기 때문이다. 현 상태의 염분 분포에 대한 정확한 분석을 위해서는 연구지역의 인위적인 구조물(신곡수중보)의 고려한 관계식의 향상 및 추가 검증이 요구된다. 또한 다수의 수로가 연결된 연구지역의 특성을 고려한 염수침입의 관계에 대한 연구도 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하구의 염분에 시·공간적인 변화가 미치는 영향은?
조석 및 담수 유입에 의한 혼합 또는 성층, 경압 흐름의 변화로 나타나는 하구의 수직·수평적 염분분포는 해수순환 및 물질이동을 결정하는 중요한 원인 중에 하나이다. 염분의 시·공간적인 변화는 유기물, 박테리아 및 동·식물의 생존 및 분포에 큰 영향을 미치며 수자원의 확보 및 관리, 구조물 설치에 필요한 공학적인 설계에서도 매우 중요하다(Haas, 1977; Conomos et al., 1979; Kuo and Neilson, 1987).
하구란?
하구는 담수와 해수가 만나는 기수역으로 해양학적, 수질·생태학적 변화가 활발하며, 인위적인 활동에 의해 지속적인 변화가 일어나는 지역이다. 하구의 염분분포는 담수 유입량, 조석의 진폭과 위상변화, 바람, 수직·수평방향의 혼합작용, 바닥 및 측면 경계의 마찰작용의 시·공간적인 변화에 의해서 나타난다(Savenije, 2005).
하구의 염분분포는 어떻게 나타나는가?
하구는 담수와 해수가 만나는 기수역으로 해양학적, 수질·생태학적 변화가 활발하며, 인위적인 활동에 의해 지속적인 변화가 일어나는 지역이다. 하구의 염분분포는 담수 유입량, 조석의 진폭과 위상변화, 바람, 수직·수평방향의 혼합작용, 바닥 및 측면 경계의 마찰작용의 시·공간적인 변화에 의해서 나타난다(Savenije, 2005). 조석 및 담수 유입에 의한 혼합 또는 성층, 경압 흐름의 변화로 나타나는 하구의 수직·수평적 염분분포는 해수순환 및 물질이동을 결정하는 중요한 원인 중에 하나이다.
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