강하구의 잔차류 및 염분 변화 번역(한국어 원본)우리나라 하구에는 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). 목포항 검조소 자료에 의하면 영산강 하구는 평균대조차 약 4m, 평균소조차 약 3m인 중조차 해역이다. 하구둑 전면의 수로 폭은 1.8km 내외이며, 하구둑 전면의 수심은 준설 작업으로 인해서 8~20m까지 기복이 심한 지형을 가지고 있다. 하구둑에 의해서 하천과 해양 사이의 자연적인 물질순환은 차단되지만 제염, 하구둑 내·외측 수위차, 홍수 시 등의 이유로 인하여 인위적인 방류가 발생한다. 인위적이고 일시적인 하구둑 방류는 영산호 내측에 축적되어 있는 물질들이 하구둑 외측으로 짧은 시간에 매우 강하게 유출됨을 의미하며, 하구의 물질수송 및 환경에 많은 영향을 미치게 된다.
하구 지역의 물질순환에 대한 연구는 주 수로의 조석흐름(Friedrichs and Aubrey, 1988)과 조석을 제거한 흐름(Pritchard, 1956; Hansen and Rattray, 1966; Geyer et al., 2000; MacCready, 2004)에 대한 내용이 주로 진행되었다. 특히, 잔차류의 이층 흐름 구조는 주 수로 방향의 역학적인 중요성(Lerczak and Geyer, 2004)과 물질 확산(Smith, 1977)에 큰 의미가 있으며, 영산강 하구둑 전면의 수직 잔차 유속구조는 일반적인 하구에서 보이는 이층 순환구조(two-layer)와 다르게, 갑문 운영에 의한 불규칙한 담수유입 때문에 다층 구조(multi-layer)가 제시되었다(박 등, 2001). 이러한 잔차 유속에서 Geyer(1993)는 성층이 잔차류의 이층 흐름 구조를 강화 시키는 경향을 보인다고 제시하였지만, 수직적인 밀도 차에 의한 성층이 이층 흐름 구조를 약화시킨다는 결과(Chant and Wilson, 1997; Seim and Gregg, 1997; Chant, 2002; Lerczak and Geyer, 2004)도 연구되었다. 즉, 수직적인 염분 성층에 의해서 발생하는 경압력과 수직 전단응력의 균형은 이층 흐름 구조를 강화 혹은 약화 시키는데 주요한 이유가 될 수 있다(MacCready and Rhines, 1991). 또한 방류 시 발생하는 수직 염분구조와 강한 유속의 크기는 하구역의 성층과 혼합 현상을 발생시키는 중요한 요소이며, 외해 방향으로 유출되는 강한 담수 흐름과 유입되는 해수의 수렴으로 인하여 수평적인 퇴적물과 생물학적 물질 수송에도 중요한 의미가 된다(Garvine, 1974; Ralston and Stacey, 2005).
기존의 영산강 지역에 대한 연구를 종합하면, 하구둑 건설로 인해서 많은 습지가 간척지로 전환되었고, 감조수역이 크게 감소하였다(강 등, 1998; 이, 1994; 최, 1984). 조간대의 감소에도 불구하고 하구둑 건설로 인해 목포항에서는 낙조우세가 심화되었다(강 등, 1998). 영산강 하구둑 내측에서 조석의 진폭이 커져 고조시 연안에 인접한 저지대의 침수현상이 발생하였고, 하구둑에 의해서 조석파가 차단되고 유속이 감소하면서 하구 내 체류시간이 증가로 인한 오염물질의 집적으로 인한 환경오염이 우려되었다(강, 1996). 이렇듯 지금까지 영산강 하구 지역의 연구는 정점관측 위주로 진행되어 왔기 때문에 방류 유무에 의한 공간적인 담수와 해수의 혼합과정이나 이로 인한 물질순환 기작에 대한 연구결과는 미흡한 편이므로, 방류수에 의한 유속, 성층 그리고 잔차류 변화에 대한 종합적인 연구가 필요하다. 본 연구에서는 갑문 운영에 따른 방류 시와 미방류 시의 시공간적인 유속패턴과 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.
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 600kHz 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. 안정된 자료 획득을 위하여 관측선박의 이동속도는 평균 4~5knot를 유지하였다. ADCP는 표면 하 0.8m에 설치 되었고, 1m의 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 왕복 관측하였고, 10개의 정점에서 동시 CTD관측을 수행하여 연직 별 수온과 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)과 동일한 방법으로 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° 보정 하여 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. 3). |
강하구의 잔차류 및 염분 변화 번역(영어 번역본)In Korea, Yeongsan River, Nakdong River and Geum River have estuary dikes to secure water for agricultural use. The estuary dike of Yeoungsan River, the target area of this study, has been completed in February 1981. It lies in the east of the Mokpo port. From ocean in the west of the Mokpo port, tides and currents come in through channels between large and small islands such as Dali Island, Nool Island and Hwawon Peninsula (Fig. 1). According to the data from a tidal station of the Mokpo port, the Yeongsan estuary is a mid-tidal sea area with around 4m of mean spring range and 3m of mean neap range. The channel in front of the estuary dike is about 1.8km wide, and the front of the estuary dike has a rugged terrain with 8 to 20m of the depth due to dredging operations. Natural material cycle between the river and the sea is blocked due to the estuary dike, but artificial river discharge occurs due to salt manufacture, difference of water level between the inside and the outside of the estuary dike, and flood. Artificial and temporal river discharge of the estuary dike means that materials accumulated in the inside of Yeongsan Lake are discharged into the outside of the estuary dike in a short time, which has a great effect on material transport and environment of the estuary.
To study material cycle in the estuary area, the flow of tide in the main channels (Friedrichs and Aubrey, 1988) and the flow after removing tide (Pritchard, 1956; Hansen and Rattray, 1966; Geyer et al., 2000; MacCready, 2004) were studied. Especially, double layer flow structure of residual current is highly significant in dynamic importance (Lerczak and Geyer, 2004) and material spread (Smith, 1977) in the direction of main channels and a multi-layer structure (Park et al., 2001) was suggested for vertical residual current flow structure in front of the dike of the Yeongsan estuary due to irregular freshwater inflow by gate operation, unlike a two-layer structure observed in general estuary. For this residual current flow, Geyer (1993) suggested that stratification tends to reinforce the two-layer flow structure of residual current, but studies also found that stratification due to vertical density contrast weakens the two-layer flow structure (Chant and Wilson, 1997; Seim and Gregg, 1997; Chant, 2002; Lerczak and Geyer, 2004). That is, the balance between baroclinic forcing generated by vertical salinity stratification and vertical shear stress may be the main reason for strengthening or weakening the two-layer flow structure (MacCready and Rhines, 1991). Also, vertical salinity structure generated at river discharge and high speed of flow are important factors which generate mixing with stratification. It is also important in the transport of horizontal sediments and biological materials due to the strong freshwater flow which flows to the ocean and the convergence of sea water influx (Garvine, 1974; Ralston and Stacey, 2005).
Previous studies for Yeongsan River showed that the construction of the estuary dike caused many wetlands to be reclaimed and intertidal zone greatly to decrease (Kang et al., 1998; Lee, 1994; Choi, 1984). Despite of the decrease of intertidal zone, ebb dominance was intensified at the Mokpo port due to the construction (Kang et al., 1998). The tide amplitude increased in the inside of the dike and flooding occurred in the lowland on the coast at high tide, and tide wave was blocked by the dike and the speed of flow decreased, causing concerns with environmental pollution due to accumulation of pollutants due to increased detention time in the estuary (Kang, 1996). Like this, the previous studies for the Yeongsan estuary were carried out based on fixed point observation and there are insufficient results for spatial mixing process freshwater and sea water according to river discharge and the resulting mechanism of material cycle. Therefore a comprehensive study for variability of velocity, stratification and residual current should be followed. The purpose of this study is to compared and analyze residual current flow structure based on the previous studies (Nepf and Geyer, 1996; Elias and Stive, 2006; Framinan et al., 2008) through continuous observation of spatial and temporal variability of flow pattern and salinity during discharge and no discharge in gate operation and look at the mechanism of material cycle according to freshwater discharge at the dike.
Continuous observations for velocity and salinity by water layer on the same line on August 10, 2011 (during discharge) and August 15, 2011 (during no discharge) were carried out (Fig. 2). The 600 kHz Acoustic Doppler Current Profilers (ADCP) manufactured by RDI and the Conductivity Temperature Depth (CTD) by Idronaut were used to observe velocity and salinity, respectively. Cross-sectional observation of velocity by water level was carried out by an observation ship with the ADCP installed on either side while traversing channels. Data of velocity and observation locations were obtained in real time by connecting the ADCP to a GPS and a laptop computer. To stabilize data, the observation ship moved at a speed of 4 to 5 knot on average. The ADCP was placed 0.8m under the surface and obtained data of velocity and flow direction at intervals of 1m in depth. A total of 13 round-trip observations during one tidal cycle at hourly intervals for the two-longitudinal line observation of the ADCP (Fig 2; Line 1 and Line 2) was carried out for simultaneous observation by CTD stations at 10 fixed points and obtained data of temperature and salinity on a vertical line (Table 1).
In order to enhance reliability of data extracted to analyze the ADCP primitive data, horizontal grid average, error data deletion, angle conversion, and sigma coordinates conversion were applied in the same method as Lee et al (2012) and Choi et al (2012). Ensemble average was conducted for 10 measurements of horizontal grid into one measurement, and for the result values of velocity and flow direction among the ADCP primitive data, if percent good value calculated with error velocity, pitch and roll of the ship was 80 or below, such value was removed. Any error velocity higher than 10% of the value of velocity was removed, and flow direction presented in magnetic north was corrected by 7 degrees and converted into the coordinates of true north. The Joyce Correlation (Joyce, 1989) was used to correct any errors generated by the speed of ship and convert them to fit into the sigma coordinate system for effective analysis of data from a sea area with high tides. Data of velocity were put through linear conversion and placed into a new coordinate system with major and minor directions using PCA (Principal Component Analysis; Preisendorfer and Mobley, 1988) so that the Ucomp (E-W direction) and Vcomp (S-N direction) components of the primitive data could be considered the direction of main channel (Fig. 3). |
