방류 유무에 따른 영산강 하구역의 시공간적 잔차류 및 염분 변화 Spatial and Temporal Variability of Residual Current and Salinity according to Freshwater Discharge in Yeoungsan River Estuary원문보기
방류 유무에 따른 유속, 잔차류 그리고 염분의 시공간적인 분포를 파악하기 위해서 영산강 하구둑에서 서쪽방향으로 7.5 km의 구간까지 방류 시와 미방류 시에 종단면의 유속, 수온 그리고 염분을 한 조석 주기 동안 1시간 간격으로 동시에 관측하였다. 미방류 시에 연구지역의 유속 형태는 창조지속 시간이 길고 낙조류가 강한 낙조우세 특성을 보인다. 방류 시에 표층 최대 유속은 최대 1.5 m/s의 제트류 형태로 방류되지만, 저층 유속은 미방류 시와 비교해보면 0.4 m/s로 크게 변하지 않는다. 방류 시의 수직 잔차류 분포는 담수의 영향으로 일반적인 하구에서 보이는 2층 흐름 구조를 가지는 반면에, 미방류 시에는 다층 흐름 구조가 나타난다. 일반적으로 방류로 인하여 하구둑 외측에서 강한 연직 혼합이 일어나는 것으로 알려져 있으나, 본 연구조사에서는 방류에 의해서 염분 성층이 발달하고, 표층과 저층간의 연직 혼합에 크게 기여하지 않는 것으로 나타났다. 이는 방류가 강하게 일어남에도 불구하고 하구둑 전면의 지형적 효과와 밀도 차에 의한 해수 흐름 특성에 의한 것으로 판단되며, 이를 통해 하구둑 방향의 물질수송은 수직 방향보다는 수평 방향으로 나타남을 알 수 있다.
방류 유무에 따른 유속, 잔차류 그리고 염분의 시공간적인 분포를 파악하기 위해서 영산강 하구둑에서 서쪽방향으로 7.5 km의 구간까지 방류 시와 미방류 시에 종단면의 유속, 수온 그리고 염분을 한 조석 주기 동안 1시간 간격으로 동시에 관측하였다. 미방류 시에 연구지역의 유속 형태는 창조지속 시간이 길고 낙조류가 강한 낙조우세 특성을 보인다. 방류 시에 표층 최대 유속은 최대 1.5 m/s의 제트류 형태로 방류되지만, 저층 유속은 미방류 시와 비교해보면 0.4 m/s로 크게 변하지 않는다. 방류 시의 수직 잔차류 분포는 담수의 영향으로 일반적인 하구에서 보이는 2층 흐름 구조를 가지는 반면에, 미방류 시에는 다층 흐름 구조가 나타난다. 일반적으로 방류로 인하여 하구둑 외측에서 강한 연직 혼합이 일어나는 것으로 알려져 있으나, 본 연구조사에서는 방류에 의해서 염분 성층이 발달하고, 표층과 저층간의 연직 혼합에 크게 기여하지 않는 것으로 나타났다. 이는 방류가 강하게 일어남에도 불구하고 하구둑 전면의 지형적 효과와 밀도 차에 의한 해수 흐름 특성에 의한 것으로 판단되며, 이를 통해 하구둑 방향의 물질수송은 수직 방향보다는 수평 방향으로 나타남을 알 수 있다.
In this study, field measurements were conducted in the section about 7 km from sea dike to westward. The observations of along channel current were carried out, and water temperature and salinity were measured simultaneously at 10 stations during one tidal cycle, and sampling interval is 1 hour. Th...
In this study, field measurements were conducted in the section about 7 km from sea dike to westward. The observations of along channel current were carried out, and water temperature and salinity were measured simultaneously at 10 stations during one tidal cycle, and sampling interval is 1 hour. The maximum ebb current is about 1.5 m/s at the surface layer but flood current is 0.4 m/s at the bottom layer during discharge period. Residual current during river discharge shows two layer structures which is typical characteristic of the estuary system. On the other hand, residual current during a period with no discharge has shown multi-layer structure different from general estuarine systems. The distribution of high salinity can be seen at the bottom layer as the effect of discharge does not reach down to the bottom layer during discharge. As a result, freshwater is not effected at the bottom layer during observation, and mixing of surface layer to bottom layer is reduced by stratification.
In this study, field measurements were conducted in the section about 7 km from sea dike to westward. The observations of along channel current were carried out, and water temperature and salinity were measured simultaneously at 10 stations during one tidal cycle, and sampling interval is 1 hour. The maximum ebb current is about 1.5 m/s at the surface layer but flood current is 0.4 m/s at the bottom layer during discharge period. Residual current during river discharge shows two layer structures which is typical characteristic of the estuary system. On the other hand, residual current during a period with no discharge has shown multi-layer structure different from general estuarine systems. The distribution of high salinity can be seen at the bottom layer as the effect of discharge does not reach down to the bottom layer during discharge. As a result, freshwater is not effected at the bottom layer during observation, and mixing of surface layer to bottom layer is reduced by stratification.
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문제 정의
따라서 대·소조기의 변동성에 비하여 방류 유무에 따른 물리적인 변화가 클 것으로 판단되기 때문에, 본 연구에서는 방류 유무에 따른 하구둑 인근의 유속, 염분, 잔차 변화를 중점적으로 분석하고자 한다.
그러므로 방류수에 의한 유속, 성층 그리고 잔차류 변화에 대한 종합적인 연구가 필요하다. 본 연구에서는 갑문 운영에 따른 방류 시와 미방류 시의 시공간적인 유속과 염분 변화에 대한 연속 관측을 통하여 과거 연구(Nepf and Geyer, 1996; Elias and Stive, 2006; Framinan et al., 2008)를 기반으로 잔차 흐름 구조를 비교 분석하여 하구둑 담수 방류에 의한 물질순환 기작을 보고자 한다.
제안 방법
2011년 8월 10일(방류 시)와 2011년 8월 15일(미방류 시)에 동일한 정선에서 수층별 유속 및 염분 연속 관측을 수행하였다(Fig. 2). 유속 관측장비는 RDI의 600 kHz Acoustic Doppler Current Profilers(ADCP)를 이용하였고, 염분은 Idronaut의 Conductivity Temperature Depth(CTD)를 사용하였다.
8 m에 설치 되었고, 1 m의 수심간격으로 층별 유속 및 유향 자료를 획득 하였다. 2개의 종 방향 정선 관측(Fig 2; Line1과 Line2)은 1시간 간격으로 한 조석 주기 동안 총 13회 관측을 수행하였고, 10개의 정점에서 동시 CTD관측을 수행하여 연직 별수온과 염분 자료를 획득하였다(Table 1).
ADCP 원시 자료로부터 분석을 위해 추출한 자료의 신뢰성을 향상시키기 위해서, 수평 격자 평균, 오류 데이터 제거, 각도 변환, 시그마 좌표 변환을 이 등(2012)과 최 등(2012)이 제시한 방법을 적용하였다. 수평 격자 10개의 값을 1개의 값으로 앙상블 평균 하였으며, ADCP의 원시자료 중에서 유속, 유향 결과 값에 대해서 error velocity, 선박의 pitch, roll을 고려하여 산출되는 Percent good 값이 80 이하이면 제거하였다. 오차 유속이 유속 크기 값의 10% 이상이면 제거하였고, 자북으로 제시된 유향을 7° 보정하여 진북 좌표계로 변환하였다.
영산강 하구둑에서 방류 유무에 따른 해수순환과 염분변화 특성을 파악하기 위해서 주 수로를 따라서 유속과 염분의 시공간적인 변화를 조사하였다. 미방류 시 하구둑 전면에서 목포항 전면 인근까지의 수직 잔차류 흐름은 표면 하 4~11 m 까지는 창조방향의 잔차 흐름을 보이나, 표면 하 1~4 m와 표면 하 11~22 m에서는 낙조방향을 보이는 수직적으로 복잡한 다층 흐름 구조를 보인다.
2). 유속 관측장비는 RDI의 600 kHz Acoustic Doppler Current Profilers(ADCP)를 이용하였고, 염분은 Idronaut의 Conductivity Temperature Depth(CTD)를 사용하였다. 단면에서의 층별 유속은 관측선박의 측면에 ADCP를 장착하고 수로를 종단하면서 관측하는 방법으로, ADCP에 GPS 및 노트북을 연결하여 실시간 유속자료 및 관측위치를 전송 받을 수 있다.
Joyce(1989)의 선속보정(Joyce correlation)의 방법을 적용하여 선속에 의해서 생기는 오차를 보정을 하였고, 조차가 큰 해역에서 자료 분석이 효과적으로 가능하게 시그마(Sigma) 좌표계로 변환하였다. 유속자료는 Preisendorfer and Mobley(1988)가 제시한 PCA (Principal component analysis)분석을 이용하여 원시자료의 Ucomp(동서방향)와 Vcomp(남북방향)의 성분을 주 수로방향 성분의 고려가 가능하게 주축(major)방향과 종(minor)방향의 새로운 좌표계로 선형 변환하였다(Fig. 3).
대상 데이터
안정된 자료 획득을 위하여 관측선박의 이동속도는 평균 4~5 knot를 유지하였다. ADCP는 표면 하 0.8 m에 설치 되었고, 1 m의 수심간격으로 층별 유속 및 유향 자료를 획득 하였다. 2개의 종 방향 정선 관측(Fig 2; Line1과 Line2)은 1시간 간격으로 한 조석 주기 동안 총 13회 관측을 수행하였고, 10개의 정점에서 동시 CTD관측을 수행하여 연직 별수온과 염분 자료를 획득하였다(Table 1).
Fig. 4(C)에서 2011년 8월 1개월 동안 목포항 검조소(Fig. 2, MT.1 station)에서 1분 간격으로 관측된 조위 자료(국립해양조사원)을 나타내었으며, Fig. 4(D)와 Fig. 4(E)에는 조위 자료와 관측된 조류 자료의 수심 평균된 유속을 같이 제시하였다. 조류 곡선을 보면, 관측 시기동안 반일주기의 특성을 보이며, 창조 8시간과 낙조 5시간의 비대칭현상이 나타난다.
본 조사가 이루어 질 때의 방류 강도가 연중 평균에 비하여 어느 정도인지를 비교하기 위하여 영산강 하구둑 관리센터에서 1997년부터 2011년까지 톤(ton) 단위로 제공되는 하구둑 방류 자료를 연평균하여 월별 방류량의 합으로 나타내었다(Fig. 4(A)).
이론/모형
ADCP 원시 자료로부터 분석을 위해 추출한 자료의 신뢰성을 향상시키기 위해서, 수평 격자 평균, 오류 데이터 제거, 각도 변환, 시그마 좌표 변환을 이 등(2012)과 최 등(2012)이 제시한 방법을 적용하였다. 수평 격자 10개의 값을 1개의 값으로 앙상블 평균 하였으며, ADCP의 원시자료 중에서 유속, 유향 결과 값에 대해서 error velocity, 선박의 pitch, roll을 고려하여 산출되는 Percent good 값이 80 이하이면 제거하였다.
오차 유속이 유속 크기 값의 10% 이상이면 제거하였고, 자북으로 제시된 유향을 7° 보정하여 진북 좌표계로 변환하였다. Joyce(1989)의 선속보정(Joyce correlation)의 방법을 적용하여 선속에 의해서 생기는 오차를 보정을 하였고, 조차가 큰 해역에서 자료 분석이 효과적으로 가능하게 시그마(Sigma) 좌표계로 변환하였다. 유속자료는 Preisendorfer and Mobley(1988)가 제시한 PCA (Principal component analysis)분석을 이용하여 원시자료의 Ucomp(동서방향)와 Vcomp(남북방향)의 성분을 주 수로방향 성분의 고려가 가능하게 주축(major)방향과 종(minor)방향의 새로운 좌표계로 선형 변환하였다(Fig.
본 연구에서의 정선 관측자료는 13시간 동안의 단기간 관측자료이기 때문에 관측기간 동안의 산술적인 평균을 통해서 잔차 유속을 정의하기엔 무리가 있으며, 하루 이하의 주기로 변하는 단주기 전파특성을 파악하기 힘들다(이 등, 2012; 최 등, 2012). 그러나 13시간 이하의 주기를 갖는 M2와 M4분조는 최소자승법(Least square method)를 이용하여 추출이 가능하다. 본 연구에서는 원시자료에서 추출한 M2와 M4 분조를 제거 한 후에 산출된 값을 잔차 유속이라 정의하였고 식 (1)과 같이 제시된다(Lwiza et al.
성능/효과
종합하면, 1) 방류 시에 표층 유속은 강한 제트류의 형태로 방류 되지만, 저층 유속에는 크게 영향을 끼치지 않으며, 연행작용에 의해서 저층 유속이 강화 되는 것으로 나타난다. 2) 영산강 하구역의 성층의 강도는 인위적인 하구둑 방류 유무에 의하여 조절되며, 대량의 방류가 발생을 하더라도 저층 염분에 미치는 영향은 제한적으로 작용한다.
종합하면, 1) 방류 시에 표층 유속은 강한 제트류의 형태로 방류 되지만, 저층 유속에는 크게 영향을 끼치지 않으며, 연행작용에 의해서 저층 유속이 강화 되는 것으로 나타난다. 2) 영산강 하구역의 성층의 강도는 인위적인 하구둑 방류 유무에 의하여 조절되며, 대량의 방류가 발생을 하더라도 저층 염분에 미치는 영향은 제한적으로 작용한다. 3) 하구둑의 차단으로 인하여 상대적으로 Line 2보다 Line 1에서 물리적인 변화가 작게 나타나며, 방류에 의해서 잔차 유속은 복잡한 다층 흐름 구조에서 2층 흐름 구조로 나타난다.
2) 영산강 하구역의 성층의 강도는 인위적인 하구둑 방류 유무에 의하여 조절되며, 대량의 방류가 발생을 하더라도 저층 염분에 미치는 영향은 제한적으로 작용한다. 3) 하구둑의 차단으로 인하여 상대적으로 Line 2보다 Line 1에서 물리적인 변화가 작게 나타나며, 방류에 의해서 잔차 유속은 복잡한 다층 흐름 구조에서 2층 흐름 구조로 나타난다. 이러한 특징으로 인하여 영산강 하구의 물질 교환은 수직 방향보다는 수평 방향으로 활발이 발생할 것으로 생각된다.
S8) 수심 15 m까지 영향을 주며, 수평적으로는 Line 2까지 관측 영역 전체에 영향을 받는 것으로 조사되었다. 방류가 끝난 후(Fig. 10; No. 12~13) 저층에서부터 고염수가 침입하여 약 2시간만에 수심 10 m로 회복하는 것이 나타났으며, 창조류(Fig. 6; No.1~5)에 의하여 유입되는 해수의 영향은 염분 성층 발달에 의해서 수직적인 혼합은 크게 일어나지 않는 것으로 조사되었다. 주목할 만한 점은 방류수의 영향이 S4~S8에서의 저층부에 직접적으로 영향을 미치지 않는다는 점이다(Fig.
단면에서의 층별 유속은 관측선박의 측면에 ADCP를 장착하고 수로를 종단하면서 관측하는 방법으로, ADCP에 GPS 및 노트북을 연결하여 실시간 유속자료 및 관측위치를 전송 받을 수 있다. 안정된 자료 획득을 위하여 관측선박의 이동속도는 평균 4~5 knot를 유지하였다. ADCP는 표면 하 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하구둑이 설치된 곳은?
우리나라 하구는 농업용수 확보를 위해서 영산강, 낙동강, 금강의 주요 지역에 하구둑이 설치되어 있다. 본 연구 지역인 영산강 하구둑은 1981년 2월에 완공 되었으며, 목포항 동쪽에 위치하고 있다.
영산강 하구둑의 특징은?
우리나라 하구는 농업용수 확보를 위해서 영산강, 낙동강, 금강의 주요 지역에 하구둑이 설치되어 있다. 본 연구 지역인 영산강 하구둑은 1981년 2월에 완공 되었으며, 목포항 동쪽에 위치하고 있다. 목포항 서쪽의 외해에서는 달리도, 눌도와 화원반도 등 크고 작은 섬들 사이의 수로를 통해 조석, 조류가 전파되어 들어온다(Fig. 1).
유속과 염분의 시공간적인 변화를 조사한 결과를 요약하면 어떻게 되는가?
종합하면, 1) 방류 시에 표층 유속은 강한 제트류의 형태로 방류 되지만, 저층 유속에는 크게 영향을 끼치지 않으며, 연행작용에 의해서 저층 유속이 강화 되는 것으로 나타난다.2) 영산강 하구역의 성층의 강도는 인위적인 하구둑 방류 유무에 의하여 조절되며, 대량의 방류가 발생을 하더라도 저층 염분에 미치는 영향은 제한적으로 작용한다.3) 하구둑의 차단으로 인하여 상대적으로 Line 2보다 Line 1에서 물리적인 변화가 작게 나타나며, 방류에 의해서 잔차 유속은 복잡한 다층 흐름 구조에서 2층 흐름 구조로 나타난다. 이러한 특징으로 인하여 영산강 하구의 물질 교환은 수직 방향보다는 수평 방향으로 활발이 발생할 것으로 생각된다.
Chant, R.J. (2002). Secondary flows in a region of flow curvature: relationship with tidal forcing and river discharge. J. Geophys. Res., doi:10.1023/2001JC001082
Chant, R.J. and Wilson, R.E. (1997). Secondary circulation in a highly stratified channel. J. Geophys. Res. 102, 23,207-23,215.
Cheng, P. and Valle-Levinson, A. (2010). Residual Currents Induced by Asymmetric Tidal Mixing in Weakly Stratified Narrow Estuaries. J. Phys. Oceangr., 40, 2135-2147
Elias, E.P.L. and Stive, M.J.F. (2006). The effect of stratification on the residual flow in a mixed-energy tide-dominated inlet. In A Sanchez-Arcilla (Ed.), Coastal Dynamics 2005: proceedings of the 5th international conference, 1-13.
Framinan, M.B., Valle-Levinson, A., Sepulveda, H.H. and Brown, O.B. (2008). Tidal variations of flow convergence, shear and stratification at the Rio de la Plata estuary turbidity front. Journal of Geophysical Research, 113, C8.
Friedrichs, C.T. and Aubrey, D.G. (1988). Tidal Distortion in Shallow Well-Mixed Estuaries: A Synthesis. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 27, 521-545.
Geyer, W.R., Chant R. and Houghton R. (2008b). Tidal and springneap variations in horizontal dispersion in a partiaaly mixed estuary, J. Geophys.Res,113,C07023, doi : 10.1029/2007JC004644.
Guerrero, R., Acham, E., Framinan, M. and Lasta, C. (1997). Physical oceanography of the Rio de la Plata estuary, Argentina, Cont. Shelf Res., 17, 727-742.
Lerczak, J. A., Geyer, W. R. and Chant, R. J. (2006). Mechanisms driving the time-dependent salt flux in a partially stratified estuary. J. Phys. Oceanogr., 36, 2283-2298.
Lwiza, K. M. M., Bowers, D. G. and Simpson, J. H (1991). Residual and tidal flow at a tidal mixing front in the North Sea, Continental Shelf Research., 11(11), 1379-1395.
MacCready, P. and Rhines, P.B. (1991). Buoyant inhibition of Ekman transport on a slope and its effect on stratified spin-up. J. Fluid. Mech. 223, 631-661.
Monismith, S. G., Kimmerer, W., Burau, J. R., Stacey, M.T. (2002). Structure and flow-induced variability of the subtidal salinity field in northern San Francisco Bay. J. Phys. Oceanogr., 32, 3003-3019.
Preisendorfer, R. and Mobley, C. (1988). Theory of fluorescent irradiance fields in natural waters. J. Geophys.Res,93(D9): doi: 10.1029/88JD00037. issn: 0148-0227.
Pritchard, D.W. (1956). The dynamic structure of a coastal plain estuary. J. Mar. Res., 17, 412-423.
Ralston, D.K. and Stacey, M.T. (2005). Stratification and turbulence in subtidal channels through intertidal mudflats. J. Geophys. Res.110, Article C08009, 2005.
Seim, H.E. and Gregg, M.C. (1997). The importance of aspiration and channel curvature in producing strong vertical mixing over a sill. J. Geophys. Res., 102, 3451-3472.
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