학술 논문 번역(한국어 원본)요 지 : 본 연구는 강화도 서측에 위치한 조력 발전 유력 후보지인 석모수로의 북단과 남단의 2개 정선에서 13시간 연속으로 단면 유속과 염분 관측을 대,소조기시 각각 수행하여 단면 내 잔차류의 변화와 성층간의 관계를 분석하였다. 석모수로의 염분 분포는 대,소조기에 따라 서로 다른 염분 구조 형태를 보이며, 염분의 침입 범위 또한 다르게 나타난다. 잔차류 성분은 13시간 유속 성분에서 최소 자승법을 이용하여 추출한 M2분조와 M4분조를 제거하여 구하였고, 석모수로 북단과 남단에서 표층의 잔차류 성분은 모두 남쪽 방향의 잔차류 성분을 보인다. 그러나 두 정선의 단면 저층에서는 표층과 저층간의 2층 흐름 구조를 만드는 북쪽 방향의 잔차류가 관측되는데 그 위치는 대,소조기에 따라 다르게 나타나 시,공간적으로 다른 결과를 보인다. 북쪽 방향의 잔차류와 성층의 관계를 분석하기 위해서 Richardson number와 Simpson-hunter index를 분석하였다. 이러한 결과를 종합할 때, 석모수로의 단면 잔차류 패턴은 Richardson number가 상대적으로 급격하게 커지고 Simpson-hunter index가 4 이상 나타나는 지역, 즉 성층이 강하게 나타나는 지역에서 2층 흐름 구조를 보인다.
핵심용어 : 한강하구 석모수로, 잔차류, 성층, 연직 혼합
1. 서론
대한민국 서해 중부 연안에 위치한 경기만 한강 하구역은 반일주조가 우세한 반 폐쇄성 해역으로 대조차가 약 7.9m이고, 소조차가 약 3.5m인 지역이다. 이러한 큰 조차로 인하여 조간대가 넓게 발달되어 있고, 복잡한 해안선과 여러 수로로 연결되어 있어 독특하고 복잡한 하구 순환 형태를 보인다(Park et al., 2002; 윤, 2006; 송과 우, 2010). 한강, 임진강 그리고 예성강으로부터 유입되는 담수는 하구순환에 많은 영향을 미치며, 육지에서 유입되는 오염물질은 한강 하구역의 해양환경 변화에 아주 밀접하게 관련되어 있다.
한강 하구는 간척 사업과 인천 대교, 국제 공항 건설로 인해 해수 유동과 해저 지형이 지속적으로 변해왔다. 이 중에서도 한강 하구의 강화도 석모수로는 조력 발전 사업을 포함한 각종 개발이 추진되고 있어 사업 이전에 해수의 흐름과 담수 유입으로 인한 영향, 염분 분포 등의 특성에 대해 면밀하게 파악해야 할 필요성이 있다. 본 연구지역인 강화도 서쪽에 위치한 석모수로는 평균 폭 1.4km, 길이는 15.9km에 이르고 S자형 굴곡을 가진 수로로서 수로의 중앙이 가장 좁고 남북단의 넓은 특성을 보이며, 수로의 북단 동쪽에는 사주가 길게 분포하고 있다.
해수 흐름의 대표적인 특성 중 하나인 조석 잔차류는 일반적으로 해수 흐름에서 조석 성분을 제거한 흐름으로 정의되고(Kreeke, 1992), 연안 환경의 수리 특성에서 해양오염과 환경 변화에 대한 거동을 해석하기 위한 기본적 수단으로 사용된다. 경기만에서의 조석 잔차류 연구는 윤(2006), 송과 우(2011)와 이 등(2012)에 의해 연구된 바 있으며, 김 등(2010)은 본 연구 지역 주변인 강화 석모수로 남단 해저 면에서 음파식 유속계의 장기 관측된 자료를 이용하여 조석 잔차류를 산정하였다.
석모수로의 경우에는 지리적 위치 때문에 접근이 쉽지 않고, 수심이 얕으며 조류가 강해 관측에 어려움이 많다. 기존 연구에서 수행된 정점 조류관측 위치는 석모수로의 S자형 수로의 바깥에 존재하여 석모수로에서의 잔차류 등의 변화를 알 수 없다. 또한, 정점 관측은 한 정점에서만의 관측 자료를 획득할 수 있으므로 수로 단면에서의 물리적 특성에 대한 공간적인 분포를 파악할 수 없다는 한계가 있다.
수치 모델을 이용한 기존의 연구 역시 입력 자료와 계수 등에 의한 예측의 한계성이 존재한다(윤, 2006; 송과 우, 2011; 이 등, 2012). 그러나 정점 조류 관측의 경우, 단면 조류 관측에 비해 장기적인 자료 획득이 가능하고, 수치 모델의 경우에는 관측의 시간적, 공간적 한계성을 보완할 수 있다는 장점이 있다.
대,소조기시 2회의 관측 자료가 대표성을 나타내기에는 한계가 있지만 13시간 단면 연속 관측을 통하여 잔차류 산정을 한 과거 연구(Nepf and Geyer, 1996; Elias and Stive, 2006; Framinan et al, 2008; 이 등, 2012)와 같이 본 연구의 목적인 석모수로 단면에서의 공간적인 분포를 파악할 수 있고 잔차류 특성을 정량적으로 산정할 수 있다.
2. 연구 지역 및 방법
2.1 현장 관측 방법 및 자료 획득
본 연구를 위한 관측은 2011년 8월 24일부터 31일 사이 강화도와 석모도 사이에 위치하는 석모수로 지역에서 13시간 동안 4일간 수행되었다(Fig. 1). 관측 장비는 석모수로의 북단인 정선 1(Line 1)과 남단인 정선 2(Line 2)에서 RDI사의 600kHz Acoustic Doppler Current Profiler(ADCP)를 사용하였다(Table 1). 단면 유속관측은 선박에 ADCP를 장착하고 수로를 횡단하면서 관측하는 방법으로 장비와 GPS가 연동되어 실시간 관측위치를 전송 받으며 습득한 데이터로 유속을 출력한다. 관측은 1시간 간격으로 13시간 동안 2개의 정선에서 총 13회 관측하였으며 안정된 자료 획득을 위하여 선박의 이동속도는 평균 4~5knot를 유지하였다. 선박에 장착된 ADCP는 해수면 하 0.8m에 설치 되었고, 자료는 1m의 수심 간격으로 층별 유속 및 유향 자료를 획득 하였다. 이와 함께 ADCP를 관측한 정선과 동일한 위치 및 석모수로 정점에서 Conductivity Temperature Depth(CTD)를 이용하여 층별 수온 및 염분을 13시간 동안 1시간 간격으로 관측하였다. |
학술 논문 번역(영어 번역본)Abstract: The Seokmo channel, located west of Ganghwado, is one of candidate sites for tidal power generation in Korea. In this research, we analyzed the changes in cross-sectional residual current and its relationship with stratification by observing the cross-sectional flow velocity and salinity level for thirteen consecutive hours during both spring and neap tidal cycles at northern and southern line of the Seokmo channel. The channel exhibits different distributions of salinity during spring and neap tidal cycles in addition to a difference in the infiltration range of salinity. The residual current component was found by removing the M2 and M4 component tides, which were extracted by the least squares method from the thirteen-hour flow velocity component. All the residual current component from the surface level, at the northern and southern part of the channel, showed south-facing residual current component. However, at the cross-sectional bottom layers of the two lines examined, a north-facing residual current was observed. This north-facing residual current creates a two-level flowing structure between the surface and the bottom layers. The exact location of this current changes with tidal cycles to have different temporal and spatial patterns. To investigate the relationship between the stratification and north-facing residual current, the Richardson number and Simpson-hunter index were analyzed. From the results, it was seen that cross-sectional residual current patterns have a two-level flowing structure in areas which experience rapid increase in the Richardson number, have Simpson-hunter index above 4, and have strong stratification.
Key words: Han River estuary Seokmo channel, residual current, stratification, vertical mixing
1. Introduction
The Kyunggi bay Han River estuary, located in the mid-west coast of the Korean peninsula, is an area where semidiurnal tides are predominant. The estuary is a half closed bay area with a spring range of 7.9m and a neap range of 3.5m. Due to these large tidal ranges, the intertidal zone is developed over a wide area and is connected with complicated coastlines and multiple water channels that create a distinctive and complex circulation system (Park et al., 2002; Yoon, 2006; Song and Woo, 2010). The fresh water from the Han River, Imjin River, and Yeseong River greatly affects the estuary circulation system, and the marine environment of the Han River estuary is closely related with the contamination from the shores.
There have been constant changes in the sea bottom configuration and seawater movement of the Han River estuary due to reclamation projects and construction of the Incheon Bridge and an international airport. In addition, the Seokmo channel at Ganghwado, which is part of the Han River estuary, is involved in various development plans such as tidal power generation plan. Such a situation necessitates characterization of the flow of saltwater, effects of fresh water influx, and salinity distributions prior to starting any developments. The Seokmo channel, which is located to the west of Ganghwado, has an average width of 1.4km and a length of 15.9km. The channel is shaped like an S with the center being the narrowest part, while the southern and northern parts are wide. The northeast side of the channel shows a long line of shoals.
One of the main characteristics of the flow of seawater is the residual current. The residual current is a current excluding any ebb or tide component (Kreeke, 1992). It is used as a basic tool to analyze the effect of ocean pollution and environmental change on hydraulic characteristics of coastal environment. The ebb residual current at the Kyunggi bay was researched by Yoon (2006), Song and Woo (2011), and Lee et al. (2012). Also, Kim et al. (2010) calculated the ebb residual current by using the data acquired from long-term observations with sound wave hydrometers, at the south of the Ganghwa Seokmo channel.
The Seokmo channel is not very accessible because of its geographical location. It is also difficult to observe the channel because of its low water level and strong current. The summit point observations of the current in these studies have been only applied to the outside of the S-shaped Seokmo channel. This makes it difficult to understand the changes of residual current at the Seokmo channel. In addition, the data is acquired from a single point in the summit point observation. This limits understanding the spatial distribution of the physical characteristics at the cross-sections of the channel.
Previous studies employing numerical models also have prediction limitations depending on the input data and coefficients (Yoon, 2006; Song and Woo, 2011; Lee et al., 2012). In contrast, it is possible to acquire longer term data with summit point observations compared to cross-sectional current observations. Then the mathematical models can be used to supplement the time and spatial limitations of the observation.
Although two observation data during neap and spring tidal cycles do not fully represent the characteristics of the channel, previous studies were able to calculate the residual current from observing the cross-section for thirteen consecutive hours (Nepf and Geyer, 1996; Elias and Stive, 2006; Framinan et al, 2008; Lee et al., 2012). Accordingly, it is possible to achieve the goal of this research, which is to identify the spatial distribution at the Seokmo channel’s cross-section, and quantitatively calculating the characteristics of the residual current.
2. Research sites and methods
2.1 On-site observation method and acquisition of data
Observations were conducted for four days, from August 24th to 31st 2012, at the Seokmo channel located between Ganghwado and Seokmodo, for 13 consecutive hours (Fig. 1). The 600kHz Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) by RDI (Table 1) was used as the observation equipment. The equipment was placed at Line 1, at the northern part of the channel, and at Line 2, at the southern part. Cross-sectional flow velocity observations were made by placing an ADCP on a ship, which traveled through the waterways. The equipment and the GPS were connected together to receive real-time information of the observation location, and the flow velocity was calculated by the received GPS data. Observations were made per hour for 13 hours at the two lines of the channel. A total of 13 observations were made at each line. In order to acquire consistent data, the average movement speed of the ship was kept at 4~5 knots. The ADCP placed on the ship was placed 0.8m below the surface of the sea. The flow velocity and the current direction data at each level were acquired in 1m water level intervals. Additionally, Conductivity Temperature Depth (CTD) was used at the lines, where the ADCP were located, and at the summit point of the Seokmo channel, to analyze the water temperature and salinity at each level for every hour, for a total of thirteen hours. |
