[논문]3차원 연안 해수유동 및 부영양화 모델

최양호; 노영재; 정창수; 김숙양

문제 정의

본 연구에서는 천수만 해역의 수질 변수에 대한 공간 및 시계열 분석을 통하여 해수 유동과의 관계를 알아보고, 3차원 수질 예측 모델을 적용하여 수질 변수의 시 . 공간적인 변동 특성을 상세하게 파악하고자 하였다.
그럼에도 불구하고 천수만 해역의 수질 관리를 위한 연구는 아직 미진한 상태이다. 본 연구에서는 천수만 해역의 수질 변수에 대한 공간 및 시계열 분석을 통하여 해수 유동과의 관계를 알아보고, 3차원 수질 예측 모델을 적용하여 수질 변수의 시 . 공간적인 변동 특성을 상세하게 파악하고자 하였다.

가설 설정

지배방정식의 해를 구하기 위하여 초기조건 t二0에서 해수의 운동이 없다고 가정하였으며, 육지 경계면(lateral boundary)을 따라 no slip 조건을 적용하였다. 외해와의 경계면(open boundary)에서는 경계면 상의 각 격자점에 시간에 따른 조위 변화를 다음과 같이 지정하였다.

제안 방법

2). 격자는 수평적으로 X, y 방향에 대해 360 m의 등간격으로 60 x 95의 직교격자를 구성하고, 수직적으로는 4충으로 구분하였다. CFL 안정도 조건을 만족하는 계산시간 간격은 30초를 사용하였다.
조석 자료는 고정항 검조소의 자료를 활용하였다. 만 입구에서부터 약 3 km 간격의 10개 정점에서는 1개월 간격으로 만조 기준 약 3시간 동안 수심별로 관측하였다. 모델의 개방 경계 및 담수호에 의한 오염 부하를 위하여 최근 5 년 동안 천수만에서 실시된 수질 관측 자료들을 근간으로 한 겨울철(2월)과 여름철(7, 8월) 의 평균값을 이용하였다.
1). 양식장 인근에 위치한 정점은 저층(해저 2 m 수심)에서 2師1년 6월 〜 2002년 6월까지 1년 동안 10분 간격으로 연속 관측하였으며, 같은 지점에서 조류 관측도 실시하였다. 조석 자료는 고정항 검조소의 자료를 활용하였다.

대상 데이터

만 입구에서부터 약 3 km 간격의 10개 정점에서는 1개월 간격으로 만조 기준 약 3시간 동안 수심별로 관측하였다. 모델의 개방 경계 및 담수호에 의한 오염 부하를 위하여 최근 5 년 동안 천수만에서 실시된 수질 관측 자료들을 근간으로 한 겨울철(2월)과 여름철(7, 8월) 의 평균값을 이용하였다.
본 연구를 위해 만 입구에 위치한 월도 인근 양식장 1개 정점을 포함한 총 11개 정점에서 수온, 염분, pH 및 용존산소 등을 관측하였다(Fig. 1). 양식장 인근에 위치한 정점은 저층(해저 2 m 수심)에서 2師1년 6월 〜 2002년 6월까지 1년 동안 10분 간격으로 연속 관측하였으며, 같은 지점에서 조류 관측도 실시하였다.
본 연구에서는 안면도와 육지로 둘러싸인 천수만 해역을 중심으로, 만 입구에 위치한 원산도 인근해역을 남측 경계로 하고, 서산방조제(간월호, 부남호)를 북측 경계로 하는 모델영역을 설정하였다(Fig. 2). 격자는 수평적으로 X, y 방향에 대해 360 m의 등간격으로 60 x 95의 직교격자를 구성하고, 수직적으로는 4충으로 구분하였다.
양식장 인근에 위치한 정점은 저층(해저 2 m 수심)에서 2師1년 6월 〜 2002년 6월까지 1년 동안 10분 간격으로 연속 관측하였으며, 같은 지점에서 조류 관측도 실시하였다. 조석 자료는 고정항 검조소의 자료를 활용하였다. 만 입구에서부터 약 3 km 간격의 10개 정점에서는 1개월 간격으로 만조 기준 약 3시간 동안 수심별로 관측하였다.
사용된 분조의 개수이다. 조위 값은 대천항에서의 주요 4대 분조에 대한 조화 상수값을 이용하였다(한국해양연구소, 1996).

이론/모형

3차원 해수유동 및 부영양화 모델 수행을 위하여 EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code)를 바탕으로 하는 HEM-3D (3-Dimensional Hydrodynamic-Eutrophication Mod시)를 사용하였다.
천수만의 수리 역학 및 수질 모델을 위하여 3차원 수리역학 모델(EFDC)과 21개 수질 변수에 대한 수질 모델이 접합된 3차원 수리역학-부영양화 모델(HEM-3D)을 이용하였다. 관측자료에 대한 모델 검증 결과, 조위는 관측치에 비해 5% 정도, 유속은 10% 정도 작은 값을 보였으며, 지각은 모델 결과치가 고정항에서 늦고 간월도에서 빠르게 나타났다.

성능/효과

관측자료에 대한 모델 검증 결과, 조위는 관측치에 비해 5% 정도, 유속은 10% 정도 작은 값을 보였으며, 지각은 모델 결과치가 고정항에서 늦고 간월도에서 빠르게 나타났다. 수질 항목, 특히 용존산소의 관측치에 나타난 전반적인 분포 양상을 잘 재현하고 있었으며, 항목별 기여도 분석에서는 수질 모델이 퇴적물에 의한 산소 소비에 민감하게 반응하고 있으며, 용존산소 변화에 있어서 퇴적물에 의한 영향이 중요한 역할을 하고 있음을 보여주었다.
수질 항목, 특히 용존산소의 관측치에 나타난 전반적인 분포 양상을 잘 재현하고 있었으며, 항목별 기여도 분석에서는 수질 모델이 퇴적물에 의한 산소 소비에 민감하게 반응하고 있으며, 용존산소 변화에 있어서 퇴적물에 의한 영향이 중요한 역할을 하고 있음을 보여주었다. 본 모델 결과는 기존의 모델들과 비교하여 천수만 해역의 해수 유동 특성을 잘 재현하고 있으며, 본 모델과 연계된 수질 모델의 오염물 확산과 수질 항목들의 거동을 이해할 수 있는 정보를 제공하였다.
6). 상기의 결과들을 종합해보면, 여름철 천수만의 용존산소 분포는 조위에 따라 약간의 변화가 있지만, 전반적인 분포 특성은 외해수와 만 내의 수괴가 대비를 이루고, 표 . 저층간의 성층화가 뚜렷하다는 것이다.
관측자료에 대한 모델 검증 결과, 조위는 관측치에 비해 5% 정도, 유속은 10% 정도 작은 값을 보였으며, 지각은 모델 결과치가 고정항에서 늦고 간월도에서 빠르게 나타났다. 수질 항목, 특히 용존산소의 관측치에 나타난 전반적인 분포 양상을 잘 재현하고 있었으며, 항목별 기여도 분석에서는 수질 모델이 퇴적물에 의한 산소 소비에 민감하게 반응하고 있으며, 용존산소 변화에 있어서 퇴적물에 의한 영향이 중요한 역할을 하고 있음을 보여주었다. 본 모델 결과는 기존의 모델들과 비교하여 천수만 해역의 해수 유동 특성을 잘 재현하고 있으며, 본 모델과 연계된 수질 모델의 오염물 확산과 수질 항목들의 거동을 이해할 수 있는 정보를 제공하였다.
용존산소의 관측 결과에 의하면, 표층의 고농도와 저층의 저농도가 대비를 이루면서 성층화가 뚜렷하게 나타나며, 특히 만의 중앙부 표층에서 가장 높은 용존산소 농도를 보이고 방조제 인근 저층에서 가장 낮은 용존산소 농도를 보인다. 모델 결과에서도 절대 농도는 관측치와 차이가 있지만 이러한 분포 특성을 잘 보여주고 있다(Fig.
1). 조석은 형태수 (Tidal Factor) 0.22로 일조부등이 작은 반일주조가 특징적이며, 만 입구에서 대조 및 소조 시 평균조차는 각각 7.0 m, 5.2 m이고, 평균 고조간격은 3시간이다. 유속은 입구에서 창.
조위 관측 자료와 모델의 결과, 조위는 두 지점 모두 모델 결과치가 관측치에 비해 약간 낮은 값을 보였으며, 지각은 모델 결과치가 고정항에서 늦고 간월도에서 빠르게 나타났다.
조화분석 결과, 고정항의 조위는 01 분조의 관측치 0.27 m에 대해서 -0.01 m의 오차를 보여 최대 상대 오차율 3.7%를 나타내고, 지각은 S2분조의 관측치 1308에 대해서 136의 최대 오차를 보였다. 간월도의 조위는 S2분조의 관측치 L01 이에 대해서 -0.
저층간의 성층화가 뚜렷하다는 것이다. 특히 방조제 인근 해역의 저층에서 저산소 수괴가 관측되었으며, 본 수질 모델에서 이러한 분포 특성을 잘 재현하고 있는 것으로 판단된다.

후속연구

그럼에도 불구하고 본 연구를 통하여 나타난 문제점은, 수질 예측 모델에 필요한 수질 변수들의 관측 자료와 양식장에 의한 오염 부하량 자료가 충분하지 못하며, 퇴적물에 의한 수질 변화를 정량화할 수 있는 모델의 개발이 시급하다는 것이다. 특히 퇴적물에 의한 산소요구량은 유기퇴적물이 미생물 등에 의해 분해되는 과정에서 요구되는 산소량으로서, 해수 유동 조건의 변화와 오염부 하에 의한 유기퇴적물의 집적이 주된 요인이다.
방조제 건설 이후 해수유동 조건의 변화와 더불어 지속적으로 오염물이 유입되고, 담수 및 천수만의 수질이 점점 악화되고 있다. 따라서 이러한 오염부하와 퇴적물에 대한 관리대책이 시급한 것으로 판단되며, 향후 정확한 수질 예측을 위해서는 본 연구에서 나타난 문제점들에 대한 재고가 필요할 것으로 사료된다.

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