조류 및 염분 변화 번역(한국어 원본)영산강 하구둑은 목포항 동측에 위치하고 있으며, 하구둑 서쪽에 연결된 외해에서는 달리도, 눌도와 화원반도 등 크고 작은 섬들 사이를 통해 조석, 조류가 전파되어 들어온다(Fig. 1). 하구둑에서 서쪽방향으로 6km에 있는 목포항은 무안반도 서남단에 위치한 영산강의 항구항으로써 동쪽으로는 영산강 하구둑이 건설되어 있으며 서쪽으로 외해와 남쪽으로는 등대섬으로 연결되는 수로가 있다. 서측의 목포 검조소의 평균대조차는 약 4m, 평균소조차는 약 2m인 중조차 해역이다. 전면의 폭은 1.8km 내외이며 하구둑에 의해서 상류로 조석 전파 차단되고 하구둑 전면 준설 작업으로 인해서 수심 8~20m까지 기복이 심한 지형을 가지고 있다. 영산강 하구둑은 1981년 2월 완공되었고 1991년 4월과 1994년 3월에 영암방조제와 금호방조제가 각각 건설되었으며 많은 습지가 간척지로 전환되어 감조 수역이 크게 감소하였다. 조간대의 감소에도 불구하고 하구둑 건설로 인해 목포항에서 낙조우세가 심화되었다(강주환 등, 1998). 하구 내 조석의 진폭이 커져 고조시 연안에 인접한 저지대의 침수현상을 발생시키고, 조류 유속 감소로 인하여 하구 내 체류시간이 증가하여 오염물질의 집적으로 인한 환경오염이 우려된다(강주환, 1996).
하구 순환에 대한 연구는 수로를 따라 조석을 고려한 흐름(Friedrichs and Aubrey, 1988), 조석을 제거한 흐름(Pritchard, 1956; Hansen and Rattery, 1966; Geyer et al., 2000; MacCready, 2004) 이 진행 되었다. 특히 주 수로 방향의 이층 흐름 구조는 주 수로 방향의 역학적인 중요성(Lerczak and Geyer, 2004)과 물질 확산(Smith, 1977)에 큰 의미가 있다. 본 연구지역인 영산강 하구둑 전면의 수직적인 잔차 유속구조는 일반적인 하구의 이층 순환구조(two-layer)와 다르게, 사층 구조(multi-layer)가 발견되었으며 이러한 전형적인 하구의 특성이 변한 것은 다양의 불규칙한 담수 유입 등이라고 제시하였다(박래환, 2000).
Geyer(1993) 은 성층이 이층 흐름 구조를 강화 시키는 경향을 보인다고 제시하였다. 그러나 다른 연구(Chant and Wilson, 1997; Seim and Gregg, 1997; Chant, 2002; Lerczak and Geyer, 2004)에서 수직적은 밀도 차에 의한 성층이 이층 흐름 구조를 약화시킨다는 결과를 제시하였다. 수직적인 염분 성층에 의해서 발생하는 경압력과 수직 전단응력의 균형은 이층 흐름 구조를 강화 혹은 약화 시키는데 주요한 이유가 된다(MacCready and Rhinies, 1991). 또한 갑문에서 방류된 담수는 수괴를 형성하게 되며 일반적으로 성층을 강화시켜 표층과 저층 사이의 유동 및 혼합에 있어서 중요한 의미를 가진다(Halverson, 2011). 외해 방향으로 유출되는 강한 담수 흐름과 유입되는 해수의 수렴은 조석 및 염분 전선을 이루기 때문에 유출 시 조류 속도는 중요하다(Garvine and Monk, 1974).
지금까지 영산강 하구 연구는 수치모델, 정점관측 위주로 진행되어 왔으며 갑문 운영시 시공간적인 해수 순환에 대한 연구 결과는 거의 없다. 본 연구에서는 갑문 운영에 따른 방류 시와 미방류 시의 시공간적인 유속패턴과 조류, 염분 변화, 잔차 흐름 구조를 비교 분석하여 영산강 하구의 해수 특성 변화를 보고자 한다.
2. Data and Methods
2011년 8월 10일 방류 시와 2011년 8월 15일에 미방류 시 정선 관측을 수행하였다(Fig. 2). 정선 관측장비는 RDI사의 600kHz Acoustic Doppler Current Profiler(ADCP)를 이용하였다. 단면 유속관측은 선박에 ADCP 를 장착하고 수로를 횡단하면서 관측하는 방법으로 장비와 GPS가 노트북에 연결하여 실시간 관측위치를 전송 받고 출력하게 된다. 안정된 자료 획득을 위하여 선박의 이동속도는 평균 4~5knot를 유지하였다. 선박에 장착된 ADCP는 표면 하 0.8m에 설치 되었고, 자료는 1m의 수심간격으로 층별 유속 및 유향 자료를 획득 하였다. 2개의 횡 방향 정선 관측(Fig 2;Line1, Line2)을 1시간 간격으로 한 조석 주기 동안 총 13회 왕복 관측하여 조류 자료를 획득하였고 10개의 정점에서 동시 CTD(Idronaut 304) 관측을 수행하여 연직 별 수온, 염분 자료를 획득하였다(Table 1).
관측 시 Line1의 관측 간격을 1시간으로 하기 위하여 선박 2 척으로 관측을 수행하였다. Line2 원시 자료는 목포항 전면 남쪽 방향으로 이어지는 약 4km 떨어진 지점(구와도)에서 S1 정점까지 이어진 자료이다. 본 연구에서는 하구둑 주 수로의 유동 현상을 파악 하기 위하여 S1에서 S3 정점까지 자료만을 활용하여 분석을 하였다. 따라서 S3 정점과 S4 정점의 사이 자료는 획득 할 수 없었다.
조석자료는 2011년 8월 1개월 동안 목포 조위 검조소(Fig.1, MT1 station)에서 1분 간격으로 관측된 조위 자료(국립해양조사원)를 사용하였으며, 유속 관측 기간인 10일 평균 소조차는 2m이고, 8월 15일 평균 대조차는 4m이다(Fig. 4c). 방류 자료는 하구둑 관리소에서 천톤(t) 단위로 제공되는 배제량을 유량(m3/s)으로 환산하여 사용하였다. 유속 관측 기간동안의 담수 방류량을 보면, 7~14일 사이에 집중적으로 담수가 방류되었다. 관측 일시 10일 방류량은 약 2800 m3/s, 3900 m3/s 총 2회 방류 되었으며 첫 회 방류는 오전 2시 26분부터 6시 23분까지 약 4시간 동안 방류 하였다. 두 번째 방류는 13시21분부터 18시03분에 완료 되었으며 15일은 방류되지 않았다(Fig. 4b).
ADCP 원시 자료의 신뢰성을 향상시키기 위해서 수평 격자 평균, 오류 데이터 제거, 각도 변환, 시그마 좌표 변환을 적용하였다(이 등, 2011; 최 등, 2012). 수평 격자 10개의 값을 1개의 값으로 앙상블 평균 하였으며 원시자료의 Percent good 의 80이하 값은 제거 하였다. 오차 유속이 유속 크기 값의 10%이상의 값을 제거하였으며, 자북 값을 7도 보정 하여 진북 좌표계로 변환하였다. Joyce(1989)의 선속보정(Joyce correlation)의 방법을 적용하여 선속에 의해서 생기는 오차 보정을 하였고 조차가 큰 해역에서 효과적인 시그마 좌표계로 변환하여 분석 하였다. 유속자료는 Preisendorfer and Mobley(1988)가 제시한 PCA(Principal component analysis)분석을 이용하여 원시자료(raw data)의 u(동서방향)와 v(남북방향)의 성분을 주축(major)방향과 횡(minor)방향의 새로운 좌표계로 선형 변환하였다(Fig. 3).. |
조류 및 염분 변화 번역(영어 번역본)The Yeoungsan estuary is located on the east side of Mokpo Harbor, and from the open sea on the west sea dike, ebb and flow of the tide come through large and small islands such as Dalido, Nuldo, and Hwawon Pando (Figure 1). Mokpo Harbor, 6km west from the sea dike, serves as a harbor of the Yeoungsan River located on the southwestern end of Mooan Pando. It has the Yeoungsan sea dike to the east, the open sea to the west, and waterway to the south connected with Lighthouse island. It is a mesotidal sea area where the average macrotidal setting is around 4m and the average microtidal setting is around 2m of the Mokpo tidal station on the west. Its front width is about 1.8km, and tidal propagation to the upper region is blocked by the sea dike. Its topography is so rugged that the water level is ranged from 8 to 20m, due to the dredge construction in the front sea dike. The Yeoungsan estuary was completed in February 1981, and after the Yongam Seawall and the Keumho Seawall were constructed on April 1991 and March 1994, respectively, considerable wetland was converted into reclaimed land, reducing tidal waters sufficiently. Despite reduction in intertidal zone, ebb dominance has been intensified in Mokpo Harbor because of the construction of the sea dike (Kang Ju Hwan et al., 1998). Increase in the amplitude of tide within the estuary causes flooding in low-lying districts adjacent to the coast when the tide is higher, and reduction in the velocity of tidal current increases flushing time within the estuary to be likely to lead to environmental pollution due to accumulation of pollutants (Kang Ju Hwan, 1996).
Studies of estuary circulation have included investigations of flow along the waterway with consideration for the tide (Friedrichs and Aubrey, 1988) and of flow when the tide is excluded (Pritchard, 1956; Hansen and Rattery, 1966; Geyer et al., 2000; MacCready, 2004). In particular, two-layer current structure in main waterway direction is considerably significant in dynamic importance of the main waterway direction (Lerczak and Geyer, 2004) and substance diffusion (Smith, 1977). The vertical residual current structure at the front of the Yeoungsan estuary as the research area was shown to have multi-layer currents, different from two-layer currents of other general estuary, and it is suggested that such changes in typical characteristics of estuaries may be caused by various, irregular inflow of fresh water (Park Rae Hwan, 2000).
Geyer(1993) suggested that stratification tends to intensify two-layer structure. However, other studies (Chant and Wilson, 1997; Seim and Gregg, 1997; Chant, 2002; Lerczak and Geyer, 2004) identified that stratification due to vertical difference in density weakens the two-layer current. Balance between pressure by vertical salinity stratification and vertical shear stress serves as a main reason to intensify or weaken the two-layer structure MacCready and Rhinies, 1991). Also, fresh water discharged from sea dike forms water plume to typically intensify the stratification, having significance in flux and mixture between surface and bottom layers (Halverson, 2011). The current velocity in outflow is important because strong current of fresh water toward the direction of open sea and convergence of in-flowed sea water form the tide and salinity lines (Garvine and Monk, 1974).
Studies of the Yeoungsan estuary have focused on numerical models and station observation, and few researchers have investigated spatial and temporal sea water circulation during sea-dike operation. In this study the authors compared and analyzed spatial and temporal current velocity pattern, changes in tidal current and salinity, and structure in residual current with or without discharge based on sea-dike operation to identify changes in characteristics of sea water in the Yeoungsan estuary.
2. Data and Methods
The authors conducted on August 10, 2011 with discharge and August 15, 2011 without discharge (Figure 2). The 600kHz Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) manufactured by DRI was used in the observation. The cross section current velocity was observed by traversing the waterway with a ship equipped of the ADCP, and a laptop connected with the device and the GPS was received of real-time observation locations and printed out the data. The average speed of the ship was maintained to be 4 to 5 knots in order to obtain stable data. The ADCP was equipped to be 0.8 m below the surface, and the obtained data included current velocity and direction by layers at an interval of 1m of water depth. Two lateral fixed line observations (Line 1 and 2 in Figure 2) was conducted 13 times of back and forth during one tide cycle at an interval of one hour to obtain data of tidal current, while simultaneous CTD (Idronaut 304) observations at 10 peaks were conducted to obtain data of water temperature and salinity by vertical areas (Table 2).
Two ships were used in the observations so that the observation interval of the Line 1 was one hour. The raw data for the Line 2 is the data from a point that is around 4km far from the front Mokpo Harbor to the south (Guwado) to the S1 peak. The authors in this study used the data between S1 and S3 peak only, in order to identify flux of the main waterway of the estuary weir, indicating that the data between S3 and S4 peak could not be obtained.
The tidal level data observed at the Mokpo tidal level station (Fig.1, MT1 station) at an interval of one minute during one month, August of 2011, (National Oceanographic Research Institute) was used as the tide data in this study. The 10-day (period of observing current velocity) average microtidal setting was 2m, and the average macrotidal setting on August 15 was 4m (Figure 4c). As for discharge data, displacement (unit: 1,000 tons) provided by the estuary sea-dike management office was converted to the rate of flow (m3/s). In the discharge of fresh water during the observation period of current velocity, the fresh water was intensively discharged between 7th and 14th of the month. A total two discharges were performed on 10th day of the month by 2800 m3/s and 3900 m3/s, respectively; the first discharge took around 4 hours, between 2:26 and 6:23 a.m., and the second discharge was from 13:21 to 18:03. There was no discharge on the 15th (Fig. 4b).
In order to improve reliability of the ADCP raw data, the authors used horizontal grid means, error data removal, angle conversion, and sigma coordinate conversion (Lee et al., 2011; Choi et al., 2012). The values of the 10 horizontal grids were ensemble-averaged into a single value, and values under 80 in the percent good of the raw data were removed. Values that are at least 10% of those of current velocity in error current velocity were removed, and the value of magnetic north was corrected by 7 degrees to be transformed into a true north coordinate system. By applying the Joyce correlation presented by Joyce (1989), the authors corrected error by ship speed, and the values were transformed for analysis into a sigma coordinate system effective for the seas with higher tidal range. By using the principal component analysis (PCA) presented by Preisendorfer and Mobley(1988), the current velocity data was linear-transformed into a new coordinate system in which the components of u (east and west direction) and v (north and south) of the raw data became major direction and minor direction (Figure 3). |
