식생/모래기반 자연해빈에서의 파랑, 조석, 강우조건에 의한 지하수위 변동은 식생 환경과 밀접한 관련이 있으며 이는 식생 발달 및 지반 안정화에 크게 영향을 주는 요소이다. 본 연구는 낙동강 하구역의 사주섬 중 최서측에 위치하는 진우도를 대상으로 실험구를 구축한 후 해안선의 법선 방향으로 관측점 5곳을 선정하여 2012년 3월부터 2014년 9월까지(약 799일간) 관측된 수온, 전기전도도, 압력값을 이용하여 지하수위 변동해석을 하였다. 지하수위의 수온, 염분, 수위 변동과 조위, 파랑, 강수량 등의 외력조건과의 시계열 분석 및 상관분석을 통하여, 소상대 정점에서는 파랑 및 조위의 영향, 식생 및 모래지반 정점에서는 강수량 및 조위의 영향을 크게 받음을 알 수 있었다. 고파랑 내습시 관측점간의 지하수위 및 전기전도도의 공간적 거동을 살펴본 결과 Sand dune 및 Vegetation zone이 시작되는 인근에서 담수층과 해수층의 천이 영역(Transition zone)이 존재하였다.
식생/모래기반 자연해빈에서의 파랑, 조석, 강우조건에 의한 지하수위 변동은 식생 환경과 밀접한 관련이 있으며 이는 식생 발달 및 지반 안정화에 크게 영향을 주는 요소이다. 본 연구는 낙동강 하구역의 사주섬 중 최서측에 위치하는 진우도를 대상으로 실험구를 구축한 후 해안선의 법선 방향으로 관측점 5곳을 선정하여 2012년 3월부터 2014년 9월까지(약 799일간) 관측된 수온, 전기전도도, 압력값을 이용하여 지하수위 변동해석을 하였다. 지하수위의 수온, 염분, 수위 변동과 조위, 파랑, 강수량 등의 외력조건과의 시계열 분석 및 상관분석을 통하여, 소상대 정점에서는 파랑 및 조위의 영향, 식생 및 모래지반 정점에서는 강수량 및 조위의 영향을 크게 받음을 알 수 있었다. 고파랑 내습시 관측점간의 지하수위 및 전기전도도의 공간적 거동을 살펴본 결과 Sand dune 및 Vegetation zone이 시작되는 인근에서 담수층과 해수층의 천이 영역(Transition zone)이 존재하였다.
The variation of groundwater by wave, tide and precipitation conditions is closely related to the vegetation environment at the natural vegetation and sandy based beach, and it has a significant impact on the vegetation development and ground stabilization. In this study, the water temperature, elec...
The variation of groundwater by wave, tide and precipitation conditions is closely related to the vegetation environment at the natural vegetation and sandy based beach, and it has a significant impact on the vegetation development and ground stabilization. In this study, the water temperature, electrical conductivity, and pressure were monitored at five observational stations normal to the Jinu-do(Island) shoreline of Nakdong river estuary from March 2012 to September 2014 (approximately 799 days) with the aim of measuring the variation in groundwater-table characteristics. The purpose of the study was to identify factors (tide, wave etc.) affecting groundwater-table variation using time series and correlation analysis, and to record spatial variations in the groundwater level and electrical conductivity as a result of storm events. The observational station in the intertidal zone was strongly affected by wave period and tide level. During the storm period, the groundwater-table and electrical conductivity were stabilized at the edge of sand dunes, vegetation, and areas of transition between freshwater and seawater.
The variation of groundwater by wave, tide and precipitation conditions is closely related to the vegetation environment at the natural vegetation and sandy based beach, and it has a significant impact on the vegetation development and ground stabilization. In this study, the water temperature, electrical conductivity, and pressure were monitored at five observational stations normal to the Jinu-do(Island) shoreline of Nakdong river estuary from March 2012 to September 2014 (approximately 799 days) with the aim of measuring the variation in groundwater-table characteristics. The purpose of the study was to identify factors (tide, wave etc.) affecting groundwater-table variation using time series and correlation analysis, and to record spatial variations in the groundwater level and electrical conductivity as a result of storm events. The observational station in the intertidal zone was strongly affected by wave period and tide level. During the storm period, the groundwater-table and electrical conductivity were stabilized at the edge of sand dunes, vegetation, and areas of transition between freshwater and seawater.
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문제 정의
본 연구는 낙동강 하구역 진우도 전면해빈 총 5개 정점에 지하수위계를 해안선으로부터 일정한 이격거리를 두어 설치하여 수온, 전기전도도, 압력을 총 799일 동안 관측하였다. 각 정점에서 관측된 자료를 바탕으로 관측 자료의 상호 연관성을, 또한 입사 해양파랑 특성에 따른 지하수위 변동 특성을 평가하기 위해서 수치모형을 구축하고 관측되어진 지하수위가 특징적으로 변동하는 시점에서의 해 양파랑 내습 상황을 추정하고 그 영향을 평가하고자 하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
1은 식생대(Vegetation area)에 위치하고 있다. 또한 St.5는 St.3과 20m 이격하여 배후 사구가 없는 사질지반에 설치하여 식생 유무에 따른 지하수위 변화를 관찰하고자 하였다. 즉, Fig.
본 논문에서는 각 정점 자료간의 피어슨(Pearson)이 변량 상관계수를 도출하였다. 이는 -1에서 1의 값을 가지며 1인 경우 완전한 선형관계(즉, x가 증가할수록 y도 비례해서 증가하는 관계)를, -1인 경우 반비례 관계를, 0인 경우에는 서로 상관성이 없음을 의미하며 (Table 6), 다음 식 (2)와 같이 계산된다.
7(c)에서 살펴본 바와 같이 지하수위는 관측시기별로 다소 차이를 나타내고 있다. 이에 본 연구에서는 무강우 조건에 해당하는 시점에서 4개 정점(St.1, St.2, St.3, St.5)에서 지하수위 변동이 발생했던 시기의 지하수위면이 높고 낮은 2가지 경우에 대해서 수치실험결과와 비교를 하고자 하였다(입사파랑에 의한 영향 및 변동 특성만을 검토하고자 함). 지하수위면이 낮은 경우를 Case 1, 높은 경우를 Case 2로 구분하였으며, 이때 당시의 인근 가덕도 검조소 조위와 수치 모의로 계산되어진 시험구 해빈 전면의 파고, 주기 및 동시기의 바람장(풍속, 풍향)과 지하수위 변동을 비교 분석하였다.
전술한 Case 1과 Case 2의 경우는 무강우 조건하에서 해양파랑의 영향에 의한 지하수위의 변동 특성을 살펴보고자 하였다.
진우도 전면해역의 해양파랑 내습에 따른 지하수위 변동 특성을 평가하기 위해서 수치모형을 구축하고 관측되어진 지하수위가 특징적으로 변동하는 시점에서의 해양파랑 내습 상황을 추정하고 그 영향을 평가하고자 하였다. 수치모형은 미공병단(US ARMY Corps.
제안 방법
1) 및 Yoo et al.(2008)에 의해 수행된 낙동강 하구 파랑관측 정점(T.2)과 동일 지점 격자의 모델계산 값과 관측값을 비교하였다. 수치모형 검증 실험이 수행된 기간은 파랑관측(2007년 4월 12일 13:00~27일 09:00, 약 15일) 기간과 동일하다.
조사기간은 2012년 3월 1일부터 5회에 걸쳐 총 799일동안 10분 간격으로 데이타를 수집하였다(Table 1). 5개 관측 정점에는 CTD계(CTD-Diver 50m, Eijkelkamp)를 매설하여 수온, 전기전도도 및 압력(지하수위) 값을 계측하였다(Table 2).
값을 레벨기로 측정하였다. CTD계는 직경 3cm의 작은 구멍들을 뚫은 PVC 파이프(D=12cm, L=80cm, t=0.5cm) 내부에 철사 wire로 연결 후 관입하였으며, 지면 아래 약 65~75cm 깊이에 설치하였다(Fig. 3).
본 연구는 Park et al.[2014]의 지하수위 현장조사 기간(1,2차 조사 기간 281일) 이후 추가조사된 연구결과(3~5차 추가 조사기간 518일)를 포함하여 총 799일동안 관측된 현장조사 결과를 재분석하였다. 일정한 이격거리를 두고 관측된 정점별 수온, 전기전도도, 압력 자료를 바탕으로 각 정점간의 상호 연관성을 고찰하였으며, 관측되어진 지하수위가 특징적으로 변동하는 태풍 내습 시점에서의 입사해양파랑과 지하수위 변동 특성을 평가하고 구축되어진 수치모형 결과와 비교하였다.
계산영역은 Fig. 4와 같이 거제 해상기상관측부이(T.1)와 진우도 전면 해양파랑관측 정점(T.2)을 포함한 영역으로 구성하여 모델을 구축하였다(Yoo et al.[2008]). 계산영역의 해안선 및 수심은 국립해양조사원(NORI)에서 발간하는 수치해도(n224a, 2013.
해양기상관측부이는 매시간 풍향, 풍속(평균, Gust), 파향, 파고(최대, 유의, 평균), 파주기, 해면 기압 등의 자료를 제공하고 있다. 관측부이에서 취득한 유의파고, 최대파고, 파향에 대한 시계열 및 파향에 따른 파고, 주기 분포 및 파고와 주기의 통계적 관계를 표로 정리하였다. 아울러 동기간의 풍향에 따른 풍속의 통계적인 분포를 풍향 장미도 및 표로 정리하였다.
내부 지하수의 압력은 관정내의 압력(Pressure, cm)으로 계측이 된다. 그러므로 CTD계 설치지점의 대기압 및 표고를 보정 후 조위와의 분석이 가능한 실지하수위(지하수위의 높이=관측점의 압력 (cm) - 대기압(cm) + 표고(E.L.))로 환산하였다(Fig. 6(c)).
본 연구는 낙동강 하구역 진우도 전면해빈 총 5개 정점에 지하수위계를 해안선으로부터 일정한 이격거리를 두어 설치하여 수온, 전기전도도, 압력을 총 799일 동안 관측하였다. 각 정점에서 관측된 자료를 바탕으로 관측 자료의 상호 연관성을, 또한 입사 해양파랑 특성에 따른 지하수위 변동 특성을 평가하기 위해서 수치모형을 구축하고 관측되어진 지하수위가 특징적으로 변동하는 시점에서의 해 양파랑 내습 상황을 추정하고 그 영향을 평가하고자 하였다.
관측부이에서 취득한 유의파고, 최대파고, 파향에 대한 시계열 및 파향에 따른 파고, 주기 분포 및 파고와 주기의 통계적 관계를 표로 정리하였다. 아울러 동기간의 풍향에 따른 풍속의 통계적인 분포를 풍향 장미도 및 표로 정리하였다. 상세한 내용은 Park[2015]을 참조하기 바라며 그 주요 내용을 요약하면 다음과 같다.
[2014]의 지하수위 현장조사 기간(1,2차 조사 기간 281일) 이후 추가조사된 연구결과(3~5차 추가 조사기간 518일)를 포함하여 총 799일동안 관측된 현장조사 결과를 재분석하였다. 일정한 이격거리를 두고 관측된 정점별 수온, 전기전도도, 압력 자료를 바탕으로 각 정점간의 상호 연관성을 고찰하였으며, 관측되어진 지하수위가 특징적으로 변동하는 태풍 내습 시점에서의 입사해양파랑과 지하수위 변동 특성을 평가하고 구축되어진 수치모형 결과와 비교하였다.
자연해빈의 지하수위를 계측하기 위하여 Fig. 1와 같이 진우도 남측 중앙부 물가선에 법선방향으로 총 5개 정점에서 지하수위 현장 관측실험을 수행하였다. 선정된 실험구는 진우도내에서 해양파랑의 입사 및 지형변화가 활발한 곳이며 소규모 사구(Sand dune)가 존재하고 식생의 외해 방향으로 전진 발달이 일어나는 지역적 특징을 보인다(Park et al.
조사기간은 2012년 3월 1일부터 5회에 걸쳐 총 799일동안 10분 간격으로 데이타를 수집하였다(Table 1). 5개 관측 정점에는 CTD계(CTD-Diver 50m, Eijkelkamp)를 매설하여 수온, 전기전도도 및 압력(지하수위) 값을 계측하였다(Table 2).
5)에서 지하수위 변동이 발생했던 시기의 지하수위면이 높고 낮은 2가지 경우에 대해서 수치실험결과와 비교를 하고자 하였다(입사파랑에 의한 영향 및 변동 특성만을 검토하고자 함). 지하수위면이 낮은 경우를 Case 1, 높은 경우를 Case 2로 구분하였으며, 이때 당시의 인근 가덕도 검조소 조위와 수치 모의로 계산되어진 시험구 해빈 전면의 파고, 주기 및 동시기의 바람장(풍속, 풍향)과 지하수위 변동을 비교 분석하였다. 각 Case 별로 지하수위 변동치와 조위를 고려한 파랑 변형 수치모의에 의해 도출되어진 해빈 전면의 파랑상태를 실시간 시계열 분석한 결과는 Fig.
진우도 남측 중앙부 자연해빈의 총 5개 정점 CTD계에서 관측된 현장조사 결과(수온, 전기전도도, 압력)를 분석하였다. 관측자료는 10분 간격으로 취득하였기 때문에 방대한 양의 raw data라 할 수 있다.
관측자료는 10분 간격으로 취득하였기 때문에 방대한 양의 raw data라 할 수 있다. 하지만 거제 해상기상관측부이는 1시간 간격으로 관측 자료를 제공하므로 이와 실시간 시계열 분석을 위해 상기 수집된 자료를 1시간 단위 자료로 필터링하였다.
해빈의 지질 특성을 살펴보기 위해 각 정점별로 CTD계를 설치한 깊이에서의 표사입도 분석을 실시하였으며, 중앙입경(d50, mm)은 St.1이 0.216, St.2가 0.241, St.3이 0.239, St.4가 0.264, St.5가 0.278로 조사되었다. 시험구에서 해양 외력이 가장 크게 작용할 것으로 판단되는 영역의 지반특성을 알아보기 위하여 조간대(Intertidal zone)에 위치한 St.
대상 데이터
[2008]). 계산영역의 해안선 및 수심은 국립해양조사원(NORI)에서 발간하는 수치해도(n224a, 2013.11)에서 추출하였으며, 계산격자에 대한 설명은 Table 5에 나타내었다.
1와 같이 진우도 남측 중앙부 물가선에 법선방향으로 총 5개 정점에서 지하수위 현장 관측실험을 수행하였다. 선정된 실험구는 진우도내에서 해양파랑의 입사 및 지형변화가 활발한 곳이며 소규모 사구(Sand dune)가 존재하고 식생의 외해 방향으로 전진 발달이 일어나는 지역적 특징을 보인다(Park et al., 2014). 물가선에 가장 인접한 St.
지하수위 관측기간 동안(2012년 3월부터 2014년 9월까지) 대상 해역에 내습하는 해양파랑을 파악하기 위해 실험구와 가장 인접한 거제해양기상관측부이(기상청, Korean Meteorological Administration)의 자료를 이용하여 파랑을 통계분석하였다.
이론/모형
진우도 전면해역의 해양파랑 내습에 따른 지하수위 변동 특성을 평가하기 위해서 수치모형을 구축하고 관측되어진 지하수위가 특징적으로 변동하는 시점에서의 해양파랑 내습 상황을 추정하고 그 영향을 평가하고자 하였다. 수치모형은 미공병단(US ARMY Corps.)에서 개발한 STWAVE (Steady-state-Spectral Wave Model)를 사용하였다.
성능/효과
(1) 자연해빈 소상대에서의 수온은 약 2.3~27 °C, 그 내측인 식생대에서는 약 10~27 °C 범위를 가지고 변동하였다.
(2) 전기전도도의 경우 소상대에서는 평균적으로 9~50.1 ms/cm 범위에서 조위에 따라 변동하였으나 그 내측에 식생대에서는 평균 0.27~5.37 ms/cm의 값을 나타내어 대부분의 관측 시기 동안 담수인 상태임을 알 수 있다.
(3) 모래 기반의 소상대 정점과 식생 기반의 조사 정점에서는 지하수위 변화가 차이를 보이고 있으며, 표층 식생대가 지반의 온도를 상대적으로 안정된 상태로 유지시켜 주는 것으로 판단된다.
(3) 지하수위 변동은 강우에 의해 크게 영향을 받으며, 해안선에서 횡단 방향인 지하수위면(groundwater-table)의 평균적인 높이는 하계 우기와 동계 건기의 영향에 따라서 승강함을 알 수 있다.
(4) 해안선(물가선)으로부터 이격거리에 따라 지반내 수리특성이 차이를 보이고 있는데 이는 자연해빈에서 담수층과 해수층의 천이 영역(Transition zone)이 존재함을 나타낸다고 할 수 있다.
(5) 조위와 파랑에 의한 해수면 상태가 지하수위면으로의 침입으로 인해 지하수위의 변동을 일으키는 요인이라 할 수 있으며, 해안선에서의 이격거리에 따라 지연시간이 존재할 뿐만 아니라 특정 입사 파랑에 의한 지하수위 변동치가 다르게 발생함을 알 수 있다.
해수가 사질 지반을 침투해 해빈 배후로 전달될 경우 시간 지연이 발생하고 장주기 성분의 파랑에너지에 의해 전달되는 것을 나타내고 있다. 대상 연구 지역에서는 주기 12 sec 이상의 파랑이 8시간 이상 지속되면 지하수위 변동에 큰 영향을 미치는 것으로 판단할 수 있다. 이러한 경우 조석과 지하수위의 수두 차이 및 장주기 성분의 파랑이 내습한 상태이며, 해수 침입에 의하여 큰 폭으로 염분 상승이 발생할 수 있는 조건이라 할 수 있다.
1의 경우 14시간 후에 최고 지하수위고를 기록하였고, 각 정점간 시간지연(Time lag) 이 존재하는 것을 알 수 있다. 더불어 내측 정점에서 지하수위 상승폭이 점진적으로 줄어드는 것으로 보아 해안선에서 이격거리에 따라 파랑에 의한 지하수위 변동이 차이를 보이고 있음을 알 수 있다. 해수가 사질 지반을 침투해 해빈 배후로 전달될 경우 시간 지연이 발생하고 장주기 성분의 파랑에너지에 의해 전달되는 것을 나타내고 있다.
또한 대조기였던 만큼 평균해수면도 상당히 올라간 시기이다. 또한 수치모의에 의해 계산되어진 해빈 전면 파랑은 2012년 9월 17일 10~15시 사이에 파고 65.3cm, 주기 10 sec 이상의 장주기 파랑이 5시간에 걸쳐 해빈 전면에 작용하였고 그와 더불어 모든 정점에서 지하수위가 상승하는것을 확인할 수 있다.
본 연구의 전체 조사기간 중 가장 높은 지하수위고를 기록하였고 이는 각 정점의 지반고보다 높은 수위상태였다. 즉, 지반이 완전히 포화된 상태라는 것을 의미한다.
소상대 정점인 St.4는 평균적으로 9~50.1 ms/cm 범위에서 변동하였으며, 조위와의 분석을 통해 조위에 따라 전기전도도 변화가 발생함을 알 수 있다(Fig. 7(b)).
278로 조사되었다. 시험구에서 해양 외력이 가장 크게 작용할 것으로 판단되는 영역의 지반특성을 알아보기 위하여 조간대(Intertidal zone)에 위치한 St.4의 표사를 이용하여 실내 정수위 투수시험을 수행한 결과 투수계수(k)는 0.0191cm/sec로서 가는 모래와 중간모래 사이의 특징을 나타내었다.
위와 같은 상태가 지속되면 지형 변동 및 해수 침입에 의한 식생대 변동에 큰 영향을 미칠 수 있으나 평균 지하수위면이 높은 상태이고 순간적인 상승고가 높지 않은 것으로 미루어 보아 파랑의 영향이 사주내의 지하수위면에 의해 감쇠된 것으로 판단할 수 있다. 더불어 지반이 완전 포화 상태가 지속되면 지반이 액상화(Liquefaction)가 되어 소상대부터 상부 해빈까지 외력에 취약한 상태가 될 수 있으며 지속적으로 고파랑 내습시 해빈 침식(erosion)이 발생할 가능성이 높다고 할 수 있다.
이상의 결과로 판단할 때, 소상대에 위치한 St.4를 제외한 식생에 인접한 조사 정점인 St.1과 St.2, St.3과 St.5가 해양 외력 및 식생 변동에 위한 지반내 수리특성이 유사하게 변동할 것으로 판단할 수 있으며, 이는 해안선(물가선)으로부터 이격거리에 따라 지반내 수리특성이 차이를 보이고 있는데 이는 자연해빈에서 담수층과 해수층의 천이 영역(Transition zone)이 존재함을 나타낸다고 할 수 있다.
이상의 결과를 통해 모든 정점에서 내부 지하수의 전기전도도는 외력인자와는 약하거나 무시할 수 있을 정도의 선형관계를 가진다. 이는 시험구내 정점들은 해수와 담수의 혼합이 발생하며, 내측에는 담수층이 두껍게 형성되어 있을 뿐만 아니라 해양의 특정 외력이 작용할 경우 해수의 침투작용이 공간적으로 상이(相異)하게 발생하고 있음을 의미한다(Park et al.
후속연구
각 정점별로 관측된 수온, 전기전도도, 압력 자료는 일정한 이격거리(약 40~42 m)를 두고 분포하기 때문에 각 정점간의 상호 연관성을 파악한다면 파랑 작용, 식생, 사구 유무 등의 외력과 식생 환경특징과 연관지어 분석이 용이할 것으로 판단된다.
향후 본 연구결과는 해양 고파랑 내습(Storm event)시 연안 지하 수위 공간적인 변동을 파악하여 자연해빈에서의 해수 침투 현상, 담수층과의 천이영역(Transition zone)의 정량적 평가를 위한 기초자료로 활용될 수 있다고 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
식생 발달 및 지반 안정화에 영향을 주는 요소는 무엇인가?
식생/모래기반 자연해빈에서의 파랑, 조석, 강우조건에 의한 지하수위 변동은 식생 환경과 밀접한 관련이 있으며 이는 식생 발달 및 지반 안정화에 크게 영향을 주는 요소이다. 본 연구는 낙동강 하구역의 사주섬 중 최서측에 위치하는 진우도를 대상으로 실험구를 구축한 후 해안선의 법선 방향으로 관측점 5곳을 선정하여 2012년 3월부터 2014년 9월까지(약 799일간) 관측된 수온, 전기전도도, 압력값을 이용하여 지하수위 변동해석을 하였다.
낙동강 하구역 진우도 전면해빈 총 5개 정점에 지하수위계가 담수 상태임을 알 수 있는 근거는 무엇인가?
(2) 전기전도도의 경우 소상대에서는 평균적으로 9~50.1 ms/cm 범위에서 조위에 따라 변동하였으나 그 내측에 식생대에서는 평균 0.27~5.37 ms/cm의 값을 나타내어 대부분의 관측 시기 동안 담수인 상태임을 알 수 있다.
진우도 남측 중앙부 자연해빈의 CTD계에서 내측 정점으로 갈수록 수온편차가 줄어드는 이유는 무엇인가?
4의 경우 다른 정점들에 비해그 변동폭이 크고 대조기시 수온이 증대되고 소조기시 감소함을 보여주고 있다. 반면 내측 정점으로 갈수록 수온편차가 줄어드는 것을 볼 수 있는데, 이는 내측의 경우 표층 식생대가 지반의 온도를 상대적으로 안정된 상태로 유지시켜 주기 때문으로 판단된다.
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