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문제 정의
- 또한 확산과정에서 유류오염은 일정한 양을 유지하는 것이 아니라 시간에 따라 생물 · 화학적 작용 및 침강에 의해 감쇠된다. 본 연구에서는 유류에 해당하는 수치적 입자를 추적하는 방법으로 유출유 확산을 모델링하였다.
- 및 바람의 조건 등에 따라 크게 다른 양상을 보인다. 본 연구에서는 유출유의 피해위험도를 예측하기 위하여 사고 발생당시의 실시간 해역특성 정보를 이용한 실시간 유출유 피해위험도와 과거 자료에 의한 통계적 피해위험도를 산정할 수 있는 시스템을 각각 개발하였다. 유출유 피해위험도는 계산 격자를 단위구역으로 하여 각각의 구역에 대한 유출유 유입량 또는 유입가능성으로 평가하였으며, 해안지역에 대해서도 해안선을 따라 계산격자와 동일한 면적의 구역으로 나누어 각 구역에 대한 유출유의 유입량 또는 유입가능성으로 피해위험도를 산정하였다.
- 본 연구에서는 효율적인 방제전략 수립 지원시스템 개발의 일환으로 환경민감정보 기반 실시간 유출유 확산예측 시스템과 피해위험도 예측시스템을 연계한 해양오염 방제 지원시스템을 개발하였다. 실시간 유출유 확산예측시스템에서는 실시간 바람과 실시간 해수유동을 기반으로 유출유의 이동을 계산하고, 유출유 특성에 따라 해상 유출유의 풍화작용을 모델링하여 유출유의 잔류량 및 확산분포를 계산한다.
- 본 연구에서는 효율적인 방제전략 수립 지원시스템 개발의 일환으로 환경민감정보 기반 실시간 유출유 확산예측 시스템과 피해위험도 예측시스템을 연계한 해양오염 방제 지원시스템을 개발하였다. 실시간 유출유 확산예측시스템에서는 실시간 바람과 실시간 해수유동을 기반으로 유출유의 이동을 계산하고, 유출유 특성에 따라 해상 유출유의 풍화작용을 모델링하여 유출유의 잔류량 및 확산분포를 계산한다.
가설 설정
- ○ 사고발생시점부터 현재까지의 유출유 이동.확산경로 궤적.
제안 방법
- 있도록 하였다. 육지경계조건은 해안에 수직인 흐름에 대해 유속을 "0"로 설정하였으며, 연안에 평행한 흐름에 대해서 주변의 유속 구배(gradient)와 균일(uniform)한 유속 구배를 갖는 것으로 지정하였다. 실시간 취송류 예측의 예로서 Fig.
- 구축하였다. 대상해역의 해안선 자료는 1999년부터 2002년까지 약 3년 동안 구축된 방제정보지도의 25,000:1 해안선자료를 활용하여 구축하였으며, 최근 매립공사나 준설공사에 의해 변형된 부분에 대해서는 국립해양조사원에서 발행하고 있는 전자해도의 해안선자료를 추가로 활용하여 보완하였다. 본 사업에서 활용된 방제정보지도 및 전자해도는 각각 Fig.
- 2에 제시한 바와 같이 실시간 해역특성 예측시스템 실시간 유출유 확산예측시스템 유출유 피해위험 예측시스템, 환경민감자원 및 방제자원 현황 구현시스템, 지역방제실행계획 전자문서 구현시스템 등으로 구성된다. 본 시스템에서는 방제 지원에 필요한 대부분의 정보를 자체 데이터베이스 또는 자체 계산 프로그램을 통하여 예측하여 제공하며, 실시간 해역특성 정보 중 해수수온 및 해상풍 자료의 경우 외부 시스템에서 예측한 자료를 실시간으로 연계하여 활용한다. 본 시스템의 하드웨어는 Fig.
- 본 시스템의 정보제공을 위한 주요 내부시스템은 Fig. 2에 제시한 바와 같이 실시간 해역특성 예측시스템 실시간 유출유 확산예측시스템 유출유 피해위험 예측시스템, 환경민감자원 및 방제자원 현황 구현시스템, 지역방제실행계획 전자문서 구현시스템 등으로 구성된다. 본 시스템에서는 방제 지원에 필요한 대부분의 정보를 자체 데이터베이스 또는 자체 계산 프로그램을 통하여 예측하여 제공하며, 실시간 해역특성 정보 중 해수수온 및 해상풍 자료의 경우 외부 시스템에서 예측한 자료를 실시간으로 연계하여 활용한다.
- 본 시스템에서는 방제 지원에 필요한 대부분의 정보를 자체 데이터베이스 또는 자체 계산 프로그램을 통하여 예측하여 제공하며, 실시간 해역특성 정보 중 해수수온 및 해상풍 자료의 경우 외부 시스템에서 예측한 자료를 실시간으로 연계하여 활용한다. 본 시스템의 하드웨어는 Fig. 3에 제시한 바와 같이 자체 데이터베이스 관리 및 계산을 위한 서버와 실시간 해수수온 정보 및 해상풍 정보 활용을 위한 네트워크로 구성하였다.
- 유입될 가능성으로 평가하였다. 본 연구에서 통계적 피해위험도 평가을 위한 유출유 확산경로 재현은 1983년부터 2002년까지의 약 20년 중 무작위로 선택한 임의 시간을 사고 발생시간으로 가정하여 그로부터 3일 동안에 대해 수행하였으며, 모든 계산격자를 사고지점으로 간주하고 각 사고지점에 대하여 각각 200회씩 서로 다른 사고 발생시간을 선정하여 수행하였다. 사고 발생시간의 무작위 선택은 1983년부터 2002년까지의 약 20년에 대해 균일한 분포를 갖도록 하였다.
- 바람에 대한 취송류의 반응함수는 수심에 따라 크기와 시간지연으로 결정될 수 있으나, 표면 취송류의 경우는 바람에 즉각적으로 반응하므로 시간지연 없이 크기의 비로서만 나타난다. 본 연구에서는 실시간 취송류 예측을 위하여 실시간 바람 예보자료를 활용하였으며, 바람에 대한 취송류의 분포는 우리나라 주변해역에서 현장관측을 통하여 바람과 표면취송류간의 상관관계를 제시한 이와 강(2000)의 결과를 적용하여 예측하였다.
- 11은 ftp를 이용하여 수신한 원격탐사 수온자료를 Akima 보간방법으로 보간하여 작성한 인천주변해역 수온분포이다. 본 연구의 해양오염 방제지원시스템에서는 ftp를 이용한 자료의 수신과 함께 자료의 변환과정까지 자동으로 수행되도록 시스템을 구성하였다.
- 12는 ftp를 이용하여 수신한 실시간 예보 기상자료 중 바람분포를 Akima 보간방법으로 보간하여 작성한 인천주변해역 바람분포이다. 본 연구의 해양오염 방제지원시스템에서는 바람분포 이외에 기온 및 기압분포도 같은 방법으로 변환하여 사용하고 있으며, ftp를 이용한 자료의 수신과 함께 자료의 변환과정까지 자동으로 수행되도록 시스템을 구성하였다.
- 실시간 유출유 피해위험도는 사고 발생 당시의 해수유동 및 기상정보를 이용하여 시간별 유출유의 유입량으로 예측하였다. 유출유 유입량의 산정을 위한 단위 면적은 계산 격자와 동일하게 선정하였다.
- 와 같이 풍속과 풍향에 대한 이와 강(2000)의 관계식을 적용하여 계산하였다 다만 연안에 인접한 격자에 대해서는 육지경계를 적용하여 연안에 의한 해수유동의 변형을 표현할 수 있도록 하였다. 육지경계조건은 해안에 수직인 흐름에 대해 유속을 "0"로 설정하였으며, 연안에 평행한 흐름에 대해서 주변의 유속 구배(gradient)와 균일(uniform)한 유속 구배를 갖는 것으로 지정하였다.
- 유출유 유입량의 산정을 위한 단위 면적은 계산 격자와 동일하게 선정하였다. 유출유 유입량 산정에서 해상 유출 유의 유입량은 해당 시간의 분포로서 산정하였고, 해안 유출유의 유입량은 사고 발생시부터 해당시간까지 누적된 유입량으로 산정하였다. Fig.
- 본 연구에서는 유출유의 피해위험도를 예측하기 위하여 사고 발생당시의 실시간 해역특성 정보를 이용한 실시간 유출유 피해위험도와 과거 자료에 의한 통계적 피해위험도를 산정할 수 있는 시스템을 각각 개발하였다. 유출유 피해위험도는 계산 격자를 단위구역으로 하여 각각의 구역에 대한 유출유 유입량 또는 유입가능성으로 평가하였으며, 해안지역에 대해서도 해안선을 따라 계산격자와 동일한 면적의 구역으로 나누어 각 구역에 대한 유출유의 유입량 또는 유입가능성으로 피해위험도를 산정하였다.
- 조류의 시공간적 분포를 상세하게 규명하는 방법으로는 해수유동모델이주로 사용되는데, 이 방법에서는 조화상수가 알려진 곳의 조석 변동을 경계값으로 적용하여 모델영역 내부의 조석변동을 계산하고 계산결과로부터 조석 조화상수를 도출한다. 조석의 실시간 변동은 조화상수에 의한 변동에 실시간적 요소를 추가하여 예측한다. 해수유동모델을 이용하는 경우 조류뿐만 아니라, 조위(tidal elevation)의 실시간 변동에 대해서도 예측이 가능하다.
- 통계적 피해위험도는 과거 해수유동 및 기상자료를 이용하여 여러가지 경우에 대해 유출유의 이동경로를 재현하고, 재현된 이동경로를 통계분석하여 특정해역이나 해안에 유출유가 유입될 가능성으로 평가하였다. 본 연구에서 통계적 피해위험도 평가을 위한 유출유 확산경로 재현은 1983년부터 2002년까지의 약 20년 중 무작위로 선택한 임의 시간을 사고 발생시간으로 가정하여 그로부터 3일 동안에 대해 수행하였으며, 모든 계산격자를 사고지점으로 간주하고 각 사고지점에 대하여 각각 200회씩 서로 다른 사고 발생시간을 선정하여 수행하였다.
- 해양오염 방제지원시스템의 해수유동 모델 및 유출유 확산예측 모델의 구축을 위한 계산 격자망은 Fig. 6에 제시한 바와 같이 15초 (약 463m) 간격의 등간격 격자로 구성하였다. 본 대상해역의 총 격자수는 259,200(720×360)개 이다.
대상 데이터
- 실시간 수온 자료는 일본 토호쿠(Tohoku)대학 가와무라(Kawamura) 교수팀에서 열적외선 원탐자료와 마이크로파원탐자료를 결합하여 구름 여부에 관계없이 "New Generation SST"라는 이름으로 웹사이트를 통해 거의 실시간(24시간 이내으로 제공하는 정보를 이용하였다. New Generation SST(NGSST)는 북서태평양 50×50도 해역의 3분(5Km) 해상도 일별 수온자료이며, 자료가 제공되는 영역의 범위는 (116-166°E, 13-63°N)이다.
- ftp를 이용하여 수신한 원격탐사 수온자료는 Fig. 10에 제시한 바와 같이 북서태평양 전체해역을 포함하고 있으며, 약 5km 간격으로 자료를 구성하고 있다. 해양오염 방제지원시스템에서는 인천주변해역에 대하여 약 500m 간격으로 수온자료가 필요하므로, 원격탐사 수온자료를 해양오염 방제지원시스템에서 사용하기 위해서는 자료의 변환이 필요하다.
- 6에 제시한 바와 같이 15초 (약 463m) 간격의 등간격 격자로 구성하였다. 본 대상해역의 총 격자수는 259,200(720×360)개 이다.
- 본 연구의 해양오염 방제지원시스템은 해양경찰청 인천해양경찰서 관할해역과 대산항 주변해역을 포함한 해역을 대상으로 구축하였다. 대상해역의 해안선 자료는 1999년부터 2002년까지 약 3년 동안 구축된 방제정보지도의 25,000:1 해안선자료를 활용하여 구축하였으며, 최근 매립공사나 준설공사에 의해 변형된 부분에 대해서는 국립해양조사원에서 발행하고 있는 전자해도의 해안선자료를 추가로 활용하여 보완하였다.
- 본 연구에서 통계적 피해위험도 평가을 위한 유출유 확산경로 재현은 1983년부터 2002년까지의 약 20년 중 무작위로 선택한 임의 시간을 사고 발생시간으로 가정하여 그로부터 3일 동안에 대해 수행하였으며, 모든 계산격자를 사고지점으로 간주하고 각 사고지점에 대하여 각각 200회씩 서로 다른 사고 발생시간을 선정하여 수행하였다. 사고 발생시간의 무작위 선택은 1983년부터 2002년까지의 약 20년에 대해 균일한 분포를 갖도록 하였다. 계산 결과로부터 피해위험도는 총 200회의 계산에 대해 유입된 횟수로서 산정한 유입가능성으로 평가하였다.
- 구축하였다. 수심자료 추출을 위한 전자해도는 우리나라 전역의 전자해도 약 400여종 중 대상해역을 포함하고 있는 약 20여종의 전자해도를 활용하였다. 약 20여종의 전자해도에서 추출한 대상해역의 수심자료 분포는 Fig.
- 해양오염 방제지원시스템 구축을 위한 대상해역의 수심자료는 국립조사원에서 발행한 전자해도에서 추출하여 데이터베이스를 구축하였다. 수심자료 추출을 위한 전자해도는 우리나라 전역의 전자해도 약 400여종 중 대상해역을 포함하고 있는 약 20여종의 전자해도를 활용하였다.
데이터처리
- 사고 발생시간의 무작위 선택은 1983년부터 2002년까지의 약 20년에 대해 균일한 분포를 갖도록 하였다. 계산 결과로부터 피해위험도는 총 200회의 계산에 대해 유입된 횟수로서 산정한 유입가능성으로 평가하였다. Fig.
이론/모형
- 12. Predicted winds on Korea Peninsular by using meteorological forecasting model (National Institute of Environmental Research).
- 본 시스템에서 실시간 조류예측은 각 조석형태별로 ① 조화방법에 의한 검조소의 실시간 조위 정보와 ② 조석 수치모델링에 의한 조류의 공간적 분포 정보를 ③ 변조 조석을 매개로 하여 결합함으로써 실시간 조위와 조석을 재현하는 채리(CHARRY; Currents by Harmonic Response to the Reference Yardstick) 모델(Kang, 1999)을 이용하였다. 채리모델 실시간 조류예측에 필요한 조류의 공간적 분포는 극좌표계 (polar coordinate)의 해수유동 방정식과 연속 방정식에 근거한 조석조류 수치모델(이와 김, 1997)을 이용하여 계산하였다.
- 여기서 (U V)는 평균적인 해수유동의 유속이고, #는 난류적 유속이다. 본 연구에서 해수유동은 실시간 해수유동 예측결과를 이용하며, 난류적 유속에 의한 확산은 fBm 난류확산 모델을 이용하여 재현하였다 (이와 강, 1997; Lee et al., 2001).
- 따라서 실시간으로 예보된 기상자료를 해양오염 방제 지원시스템에서 사용하기 위해서는 자료의 변환이 필요하다. 본 연구에서는 이러한 기상자료의 변환을 위하여 수심자료 내삽에서 소개한 Akima 보간방법을 적용하였다. Fig.
- 해양오염 방제지원시스템에서는 인천주변해역에 대하여 약 500m 간격으로 수온자료가 필요하므로, 원격탐사 수온자료를 해양오염 방제지원시스템에서 사용하기 위해서는 자료의 변환이 필요하다. 본 연구에서는 이러한 수온자료의 변환을 위하여 수심자료에서 소개한 Akima 보간방법을 적용하였다. Fig.
- 예보하고 있다. 본 연구에서는 해양오염 방제지원시스템에 필요한 기상자료를 실시간으로 확보하기 위하여 국립환경과학원의 기상예보모델 중 중규모모델인 12km 격자 모델 결과를 활용하였다. Fig 12는 각각 국립환경과학원 기상예보모델에서 예보된 기상자료로서 바람 분포를 나타낸다.
- 실시간 유출유 확산예측시스템에서는 실시간 바람과 실시간 해수유동을 기반으로 유줄유의 이동을 계산하고, 유출유 특성에 따라 해상 유출유의 풍화작용을 모델링하여 유출유의 잔류량 및 확산분포를 계산한다. 유출유 확산예측의 실시간 바람은 국립환경연구원의 실시간 기상모델 결과를 FTP를 이용하여 실시간으로 연계하여 활용하며, 실시간 해수유동으로서 조류는 수치모델결과와 검조소 관측결과의 결합을 통해 실시간 조석을 예측하는 CHARRY(Current by Harmonic Response to the Reference Yardstick) 모델을 이용하여 예즉하고, 실시간 취송류는 바람과 취송류간의 상관관계와 반웅함수를 이용하여 예측한다. 실시간 해수유동을 따라 이동하면서 풍화되는 유출유의 풍화작용은 유출유 특성에 따라 결정된 감소율을 적용하여 모델링한다.
- 실시간 유출유 확산예측시스템에서는 실시간 바람과 실시간 해수유동을 기반으로 유출유의 이동을 계산하고, 유출유 특성에 따라 해상 유출유의 풍화작용을 모델링하여 유출유의 잔류량 및 확산분포를 계산한다. 유출유 확산예측의 실시간 바람은 국립환경연구원의 실시간 기상모델 결과를 FTP를 이용하여 실시간으로 연계하여 활용하며, 실시간 해수유동으로서 조류는 수치모델결과와 검조소 관측결과의 결합을 통해 실시간 조석을 예측하는 CHARRY(Current by Harmonic Response to the Reference Yardstick) 모델을 이용하여 예측하고, 실시간 취송류는 바람과 취송류간의 상관관계와 반응함수를 이용하여 예측한다. 실시간 해수유동을 따라 이동하면서 풍화되는 유출유의 풍화작용은 유출유 특성에 따라 결정된 감소율을 적용하여 모델링한다.
- 채리모델 실시간 조류예측에 필요한 조류의 공간적 분포는 극좌표계 (polar coordinate)의 해수유동 방정식과 연속 방정식에 근거한 조석조류 수치모델(이와 김, 1997)을 이용하여 계산하였다.
- 해양오염 방제지원시스템에 활용하기 위한 계산격자상의 수심자료는 전자해도에서 추출한 Fig. 7의 무작위 분포 수심자료를 보간(interpolatiori)하여 작성하였으며, 보간된 계산격자상의 수심자료를 데이터베이스로 구축하였다 무작위의 수심자료로부터 계산 격자상 수심자료의 보간은 Akima(1978) 보간 알고리즘을 이용하였다. Akima(1978) 보간 알고리즘에서는 임의의 (x, y) 점에 대하여 다음과 같은 2차원 5차다항식(bivariate quintic polynomial)0)] 의해 보간값은 계산한다.
후속연구
- 것이다. 또한 본 시스템은 유출유에 의한 주변해역 피해위험평가를 위한 확산경로통계분석에도 활용될 수 있으며, 이와 같이 예측된 유출유의 확산경로와 주변해역 피해위험도를 주변해역의 환경민감자원 및 방제자원 분포와 연계하여 제시함으로써 방제전략 결정을 지원할 수 있다.
- 본 시스템은 인천 및 대산항 주변해역에 대해 개발되었으며, 2007년까지 우리나라 주변 모든해역에 대해 개발할 예정이다. 본 시스템의 정보제공을 위한 주요 내부시스템은 Fig.
- 본 연구의 해양오염방제지원시스템은 2007년까지 우리나라 전해역에 대해 개발될 예정이며, 이와 같이 개발된 시스템은 해난사고 발생시 유출유의 실시간 확산예측에 활용될 것이다. 또한 본 시스템은 유출유에 의한 주변해역 피해위험평가를 위한 확산경로통계분석에도 활용될 수 있으며, 이와 같이 예측된 유출유의 확산경로와 주변해역 피해위험도를 주변해역의 환경민감자원 및 방제자원 분포와 연계하여 제시함으로써 방제전략 결정을 지원할 수 있다.
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