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문제 정의
- 그럼에도 불구하고 이들 연구에서는 가막만의 해수유동은 물론, 수질이나 저질 환경에 미치는 바람의 효과를 결코 무시할 수 없음을 지적하였다. 따라서, 본 연구는 수치실험을 통해 바람에 의해 계절적으로 변화하는 만내 흐름이 퇴적 환경에 어떻게 영향을 미치는가를 정량적으로 검토하였으며, 타 연구자들의 결과와도 비교하여 종합적으로 가막만 퇴적 환경의 특성을 규명하기 위해 수행되었다.
- 본 연구에서는 가막만의 바람에 의한 흐름의 변화가 퇴적 환경에 어떻게 영향을 미치는가를 정량적으로 파악하기 위하여 해수유동 및 퇴적물 이동에 관한 수치실험을 실시하였다. 가막만에서는 추계와 춘계에 퇴적량이 증가하고 하계와 동계에 퇴적량이 감소하는 것으로 나타났다.
가설 설정
- 2와 같다. 검증을 위한 실험에서 담수 방류는 없는 것으로 가정하였고, 계절별 실험에서는 NFRDI[2009]의 자료를 계절별로 평균하여 정리하였다. 바람조건은 여수기상대 자료를 이용하였으며, 계절별로 출현율이 높은 풍향을 선정한 후, 여수기상대의 30년간 자료 중 동일 풍향에 대하여 풍속을 평균하였다.
제안 방법
- 따라서, 본 연구에서의 퇴적물 입력조건은 Lee et al.[1995] 및 NFRDI[2009]의 기존 연구결과 자료를 충분히 활용하고 퇴적임계 전단응력, 침강속도, 침식계수 등은 정점 SS2에서 관측한 부유사 양상(Fig. 3)과 210Pb 분석을 통한 퇴적율 결과(기존자료)를 이용하여 시행착오법을 통하여 값을 설정하였다. 초기 및 외해 경계의 부유 퇴적물 농도와 하천 수로부터 유입되는 부유 퇴적물 유입 농도는 NFRDI[2009]의 관측 자료를 참고하여 결정하였다.
- [1995]과 NFRDI[2009]의 표층 퇴적물의 입도분석 자료 및 검증 실험을 통해 0.01 mm/s를 사용하였으며, 부유사 기준 농도(C0)는 초기 농도와 동일하게 적용하고 침강계수(α)는 검증실험을 통해 0.0으로 적용하였다.
- 각 계절별 실험 결과를 ‘바람 고려’와 ‘바람 미고려’에 대한 지속기간을 합산한 후각 계절별 퇴적율을 산출하였다.
- 현상태의 경우 계산 초기에는 전 계산영역의 수위와 유속을 0으로 하는 cold start를 부여하였으며, 이때 수위는 평균해면(MSL) 기준이다. 개방경계에서 주요 5개 분조(M2, S2, N2, K1, O1)의 조화상수를 합성하여 매 계산 시간마다 입력하였다.
- [2006] 등이 가막만의 수질 및 저질 환경의 계절 변화에 관하여 연구하였다. 그러나, 수질 및 저질 환경을 해수흐름과 비교한 이들의 연구는 대부분 최소 10년 전의 자료를 바탕으로 하였고 또한, 이들 양자간의 관계를 간접적으로만 비교하였다. 한편, Lee[1992]에 의해 선구적으로 가막만의 해수흐름에 대한 본격적인 현장조사를 실시한 이래, Park et al.
- 따라서, 조위에 따른 파고와 파장 분포의 변화를 고려하기 위하여 약최고고조위, 평균해면, 약최저저조위일 때에 대하여 각각 파랑 수치모형 실험을 수행하였으며, 임의의 조위(ηt)에서의 파고(Ht)를 다음과 같이 보간하여 적용하였다.
- 5 turbulence closure scheme, 수평와동 점성계수는 Smagorinsky type diffusivity를 사용한다. 또한 mass conservation scheme을 사용한 조간대 처리가 가능하며, 유체정력학적 가정과 Boussinesq 근사를 적용하여 수심 적분된 기본방정식을 사용한다. 특히, 계절별 해수유동을 재현하기 위한 바람에 의한 해수면 전단응력은 다음과 같다.
- 모델 보정 및 검정을 위하여 PT1, PT2에서 관측한 조석 2개 정점과 PC1, PC2에서 관측한 조류 2개 정점의 실측 자료를 이용하여 조석 및 조류 검정을 수행하였다. 또한 모델 결과의 추가 보정 및 검증을 위하여 T1 및 C1, C2에서 관측한 자료를 조화분석한 후 주요 5개 분조(M2, S2, N2, K1, O1)의 반조차와 지각을 비교하여 제시하였다. 실측 자료로 검증한 해수유동 모형의 조위 및 조류에 대한 보정 및 검증 결과를 Fig.
- 모델 보정 및 검정을 위하여 PT1, PT2에서 관측한 조석 2개 정점과 PC1, PC2에서 관측한 조류 2개 정점의 실측 자료를 이용하여 조석 및 조류 검정을 수행하였다. 또한 모델 결과의 추가 보정 및 검증을 위하여 T1 및 C1, C2에서 관측한 자료를 조화분석한 후 주요 5개 분조(M2, S2, N2, K1, O1)의 반조차와 지각을 비교하여 제시하였다.
- 바람에 의한 해수유동의 변화를 파악하고자 바람을 고려하지 않았을 경우와 계절별 대표 바람을 고려하였을 경우의 해수유동 변화를 검토하였다. 먼저, Fig.
- 바람이 표층 퇴적물의 퇴적 작용에 어떠한 영향을 미치는가를 검토하기 위하여 각 계절에 따른 평균 풍향과 풍속을 사용하여 퇴적물 이동 실험을 수행하였다. 수치실험결과에서 나타난 연간 침식율 및 퇴적율의 분포는 Fig.
- 검증을 위한 실험에서 담수 방류는 없는 것으로 가정하였고, 계절별 실험에서는 NFRDI[2009]의 자료를 계절별로 평균하여 정리하였다. 바람조건은 여수기상대 자료를 이용하였으며, 계절별로 출현율이 높은 풍향을 선정한 후, 여수기상대의 30년간 자료 중 동일 풍향에 대하여 풍속을 평균하였다. 춘계는 바람의 출현율이 유사한 3개의 풍향(NE, SW, WNW)에 대하여 모두 고려하였다.
- 4 km 로 설정하였으며, 총 격자수는 11,872개, 격자간격은 100m이다. 수직적으로는 가막만 북서내만역의 평균해면상의 평균수심을 고려하여 1층/1 m를 고려할 수 있도록 7개 층을 고려하였다. 모형의 수심은 국립해양조사원의 최신 해도자료를 보간하여 사용하였다.
- 흐름과 파랑에 의한 전단응력이 퇴적한계 전단응력(τd)보다 작아지면 퇴적이 일어나기 시작한다. 일반적으로 퇴적한계 전단응력은 0.04~0.15 N/m2을 사용하는데(Mehta[1986]), 본 실험에서는 검증 실험을 통해 0.15 N/m2로 적용하였다. 기준 침강속도는 Lee et al.
- 또한, 해수유동 및 퇴적물 이동 실험을 위한 육상으로부터의 유입 하천수는 NFRDI[2009] 자료를 활용하였다. 참고로, NFRDI[2009]은 2009년 3월부터 12월까지 가막만으로 유입되는 주요하천 22개에 대하여 일반 수질 및 부하량에 대하여 매월 1회 조사를 실시하였다. 연구 대상 해역에서의 계절별 해수유동 재현과 퇴적물 이동 실험을 위한 수치모형으로는 EFDC(Environmental Fluid Dynamaics Code)를 사용하였다.
- 퇴적물 이동 실험을 위한 계산영역 및 격자체계는 해수유동 실험과 동일하며, 실험은 1년을 계절별(춘계, 하계, 추계, 동계)로 구분하여 계절별 주 풍향에 대하여 15일간 각각 수행하였다. 각 계절별 실험 결과를 ‘바람 고려’와 ‘바람 미고려’에 대한 지속기간을 합산한 후각 계절별 퇴적율을 산출하였다.
대상 데이터
- 먼저, 가막만 표층 퇴적물 이동 실험의 주요 입력 자료인 침식임계 전단응력을 모델 영역에 공간적으로 설정하기 위하여 Lee et al.[1995]이 1994년 가막만의 표층 퇴적물 특성을 파악하기 위하여 수행한 입도자료와 NFRDI[2009]이 어장환경 실태 조사시 수행한 3월과 8월의 퇴적물 입도자료를 이용하였다. 또한, 해수유동 및 퇴적물 이동 실험을 위한 육상으로부터의 유입 하천수는 NFRDI[2009] 자료를 활용하였다.
- [1995]이 1994년 가막만의 표층 퇴적물 특성을 파악하기 위하여 수행한 입도자료와 NFRDI[2009]이 어장환경 실태 조사시 수행한 3월과 8월의 퇴적물 입도자료를 이용하였다. 또한, 해수유동 및 퇴적물 이동 실험을 위한 육상으로부터의 유입 하천수는 NFRDI[2009] 자료를 활용하였다. 참고로, NFRDI[2009]은 2009년 3월부터 12월까지 가막만으로 유입되는 주요하천 22개에 대하여 일반 수질 및 부하량에 대하여 매월 1회 조사를 실시하였다.
- 수직적으로는 가막만 북서내만역의 평균해면상의 평균수심을 고려하여 1층/1 m를 고려할 수 있도록 7개 층을 고려하였다. 모형의 수심은 국립해양조사원의 최신 해도자료를 보간하여 사용하였다. 모델에 입력된 격자망도는 Fig.
- 퇴적물은 주로 조류와 파랑에 의해서 영향을 받는데 특히 대조기에는 강한 조류와 고파랑에 의해서 재 부유되어 이동되고, 조류와 바람에 의해 재 부유된 퇴적물이 이동하게 된다. 퇴적물 이동 실험은 이러한 외력 조건을 고려하기 위하여, 계절별 바람을 고려한 해수 유동장 및 파랑장을 입력자료로 이용하였다. 현상태의 경우 계산 초기에는 전 계산영역의 수위와 유속을 0으로 하는 cold start를 부여하였으며, 이때 수위는 평균해면(MSL) 기준이다.
이론/모형
- 수직 방향으로 σ좌표계, 수평 방향으로는 직선 또는 직교곡선좌표계를 사용하며, 수직 와동점성계수의 산정에는 Mellor and Yamada[1982]의 level 2.5 turbulence closure scheme, 수평와동 점성계수는 Smagorinsky type diffusivity를 사용한다.
- 참고로, NFRDI[2009]은 2009년 3월부터 12월까지 가막만으로 유입되는 주요하천 22개에 대하여 일반 수질 및 부하량에 대하여 매월 1회 조사를 실시하였다. 연구 대상 해역에서의 계절별 해수유동 재현과 퇴적물 이동 실험을 위한 수치모형으로는 EFDC(Environmental Fluid Dynamaics Code)를 사용하였다. EFDC 모형은 미국 VIMS(Virginia Institute of Marine Science)에서 개발되었으며, 연안, 하구, 호소, 습지, 저수지 등의 유동 및 물질수송을 모의할 수 있는 3차원 모델링 시스템이다.
- 점성 퇴적물의 침강속도는 널리 사용되고 있는 Ariathurai and Krone[1976]의 실험식을 사용하였다.
- 3)과 210Pb 분석을 통한 퇴적율 결과(기존자료)를 이용하여 시행착오법을 통하여 값을 설정하였다. 초기 및 외해 경계의 부유 퇴적물 농도와 하천 수로부터 유입되는 부유 퇴적물 유입 농도는 NFRDI[2009]의 관측 자료를 참고하여 결정하였다. 해저면에 가해지는 저면 전단응력을 계산하기 위해 사용하는 해저면 조도(ks)는 Soulsby[1983]의 연구결과 및 검증 실험을 통해 0.
성능/효과
- 본 연구에서는 가막만의 바람에 의한 흐름의 변화가 퇴적 환경에 어떻게 영향을 미치는가를 정량적으로 파악하기 위하여 해수유동 및 퇴적물 이동에 관한 수치실험을 실시하였다. 가막만에서는 추계와 춘계에 퇴적량이 증가하고 하계와 동계에 퇴적량이 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 퇴적 작용의 분포와 계절 변화는 표층퇴적물에 대한 강열감량의 분포 및 계절변화와 일치하였으며, 이는 만내의 부유물질이 대부분 유기물로 구성되어 있음을 시사하였다.
- 5 mm/3 month로, 타 계절에 비하여 감소하였다. 동계는 북서풍이 우세한데, 전체적인 퇴적 작용은 다른 계절과 거의 유사하지만, 퇴적율이 4계절 중 가장 낮았다. 특히, 만의 북부에서의 퇴적율은 1.
- 북동풍이 탁월한 추계의 퇴적 작용 역시 전술한 춘계 및 하계와 대체로 유사하지만, 평사리 인근을 포함한 만의 동측에서의 퇴적율이 다소 높았다. 또한, 만의 북부에서의 퇴적율은 춘계보다 감소하였으나, 돌산도 서부에서의 퇴적율은 전반적으로 증가하였고, 만 중앙부의 서쪽에서의 침식율도 1.5 mm/3 month로, 타 계절에 비하여 감소하였다. 동계는 북서풍이 우세한데, 전체적인 퇴적 작용은 다른 계절과 거의 유사하지만, 퇴적율이 4계절 중 가장 낮았다.
- 이것은 가막만내 표층퇴적물에 기여하는 부유 물질이 대부분 유기물로 구성되어 있음을 시사한다. 또한, 퇴적물 이동에 관한 계산결과, 가막만의 북부는 침식보다는 퇴적이 우세한 것으로 나타났는데, 이곳은 하천으로부터 유입되는 육수뿐만 아니라, 수하식의 진주담치 양식장이 위치하여 해저로 침강되는 고형물질들은 대부분 유기물로 판단된다. 따라서, 준설과 같은 특별한 정화노력이 없는 한 이 해역의 저질오염은 계속될 것으로 판단된다.
- 2 mm/3 month 이상이지만, 그 출현 범위는 하계보다 감소하였다. 또한, 평사리 전면에서 퇴적율은 0.8 mm/3 month로, 퇴적 범위가 하계보다 감소한 반면, 침식구역은 다소 증가하였다. 한편, 만의 남동부에서는 침식 범위가 다른 계절에 비하여 크게 증가한 반면, 돌산도 서부 연안에서는 침식 범위가 국부적으로 증가하였다.
- 한편, 정점 PS4에서의 퇴적율의 차이는, 이 지역은 굴양식이 성행하여 굴의 배설물은 물론 굴양식장에 부착된 고형 물질 등의 침강 퇴적에 의해 관측치가 계산치에 비해 더 높게 나타난 것으로 판단된다(kim[2002]). 또한, 해수의 유출입이 빈번한 가막만의 북동쪽과 남쪽의 두 개의 만구 부근에서는 침식이 다소 우세하나, 그 외 대부분의 수역에서는 퇴적이 우세하게 나타났다. 특히, 경도의 북동측과 만의 남동측에서는 연간 퇴적율이 최대 8 mm/year로 나타났고, 북서내만의 수심이 비교적 깊은 수역에서도 연간 퇴적율이 6 mm/year 이상을 보였다.
- 전술한 연간 및 각 계절별 퇴적 작용의 결과를 종합해 보면, 가막 만의 중앙부는 북부에 비해 상대적으로 해수의 흐름이 활발하여 퇴적율은 상대적으로 작았다. 또한, 현지조사결과에 따르면, 침식이 우세한 만의 서부에서는 굴양식 시설물이 거의 설치되어 있지 않았고, 굴양식 시설물의 대부분은 연간 퇴적율이 4~6 mm/year인 수역에 위치하고 있는 것으로 나타났다. 따라서, 현재 가막만 중앙부의 저질 오염은 그다지 심각한 상황은 아니나, 굴양식장 기원의 유기 고형물이 이곳에 계속 집적되면, 추후 저질오염은 보다 심각해질 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한, 만 중앙부 서측에서의 침식율도 춘계에 비해 다소 증가하였다. 북동풍이 탁월한 추계의 퇴적 작용 역시 전술한 춘계 및 하계와 대체로 유사하지만, 평사리 인근을 포함한 만의 동측에서의 퇴적율이 다소 높았다. 또한, 만의 북부에서의 퇴적율은 춘계보다 감소하였으나, 돌산도 서부에서의 퇴적율은 전반적으로 증가하였고, 만 중앙부의 서쪽에서의 침식율도 1.
- 7에 제시하였다. 실측 자료 및 조화분해를 통하여 관측치와 모델치를 비교한 결과 모델이 대상 해역의 조석과 조류를 잘 재현하고 있는 것으로 판단된다.
- [2006]). 이 결과, 1982년부터 1993년까지 약 10여 년간 거의 매년 하계를 중심으로 적조가 발생하여 만내의 양식 산업에 큰 피해를 가져왔으며, 1995년 이후는 유독성 와편 모조류인 Cochlodinium polykrikoides 적조가 거의 매년 발생하여 수산생물에 대한 피해를 더욱 가중시키고 있다. Cho et al.
- 전술한 연간 및 각 계절별 퇴적 작용의 결과를 종합해 보면, 가막 만의 중앙부는 북부에 비해 상대적으로 해수의 흐름이 활발하여 퇴적율은 상대적으로 작았다. 또한, 현지조사결과에 따르면, 침식이 우세한 만의 서부에서는 굴양식 시설물이 거의 설치되어 있지 않았고, 굴양식 시설물의 대부분은 연간 퇴적율이 4~6 mm/year인 수역에 위치하고 있는 것으로 나타났다.
- 한편, 가막만에서의 각 계절별 퇴적율은 추계 또는 춘계가 가장 컸고, 다음이 하계, 그리고 동계가 가장 작았다. 즉, 탁월풍이 북동풍인 경우의 퇴적율이 가장 컸고, 다음이 남남서풍, 그리고 북서풍인 경우의 퇴적율이 가장 작았다. 이러한 퇴적 작용 분포의 계절적 변화는 Cho et al.
- 또한, 해수의 유출입이 빈번한 가막만의 북동쪽과 남쪽의 두 개의 만구 부근에서는 침식이 다소 우세하나, 그 외 대부분의 수역에서는 퇴적이 우세하게 나타났다. 특히, 경도의 북동측과 만의 남동측에서는 연간 퇴적율이 최대 8 mm/year로 나타났고, 북서내만의 수심이 비교적 깊은 수역에서도 연간 퇴적율이 6 mm/year 이상을 보였다.
- 8 mm/3 month 이상을 보였다. 하계는 남남서 및 남풍이 탁월한데, 퇴적 작용은 춘계와 유사하지만, 전체적으로 퇴적율은 춘계보다 작았다. 특히, 수심이 깊은 만의 북부에서 춘계에는 퇴적율이 최대 1.
후속연구
- 또한, 현지조사결과에 따르면, 침식이 우세한 만의 서부에서는 굴양식 시설물이 거의 설치되어 있지 않았고, 굴양식 시설물의 대부분은 연간 퇴적율이 4~6 mm/year인 수역에 위치하고 있는 것으로 나타났다. 따라서, 현재 가막만 중앙부의 저질 오염은 그다지 심각한 상황은 아니나, 굴양식장 기원의 유기 고형물이 이곳에 계속 집적되면, 추후 저질오염은 보다 심각해질 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한, 두 개의 만구에서 관측된 잔차류가 모두 만내로 향하고 있고, 만내 대부분의 해역에서 침식보다 퇴적이 우세하여, 특히 북부 해역에서의 유기물에 의한 저질오염이 우려된다. 반면, 만의 중앙부는 해수의 흐름이 대체로 원활하고 수질도 비교적 양호하지만 이곳에 산재한 굴양식장으로부터 배출되는 유기쇄설물에 의한 저질오염에 대한대책이 마련되어야 할 것으로 판단된다.
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