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工學碩士 學位論文

하계시 낙동강 주변해역에서 해양환경변화의 예측

Prediction of marine environment changes around the Nakdong River during summer

指導敎授 金 度 三

2011年 8月

韓國海洋大學校 大學院

土木環境工學科

卞 燦 植

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Prediction of marine environment changes around the Nakdong River during summer

by Chan Sik Byun

Department of Civil and Environmental Engineering Graduate School

Korea Maritime University

ABSTRACT

Recently, Nakdong River Estuary, the nation’s largest wetlands, has been researched to conserve its wetlands because it is both socially and environmentally important area. The Nakdong River Estuary Barrage, built in 1987, causes the complex flow of seawater around Nakdong River Estuary due to the artificial opening and closing of Nakdong River Estuary Barrage’s water gate. Furthermore, it leads to lots of environmental problem such as water pollution, blocking of estuary, and burying of seaway because of sedimentation, and the movement of contaminant by the physical and chemical results of the complex flow of seawater. After the construction of Noksan Water Gate and Nakdong River Estuary Barrage, the various development programs and projects, such as Noksan industrial complex, Jangrim industrial complex, and Myeongji residential district, gives rise to the topographic change significantly. Also, there is the additional change of the marine environment around the river due to the construction of Busan New Port. Therefore, for the sustainable environment management, it is important to understand the characteristics of the topographic changes of Nakdong River Estuary, and it requires the steady data collection about Nakdong River Estuary. In addition, water flow numerical simulation is necessary to predict and control the environmental problems such as what I mentioned earlier.

In this study, COHERENS hydraulic module, based on finite difference method, is used to perform a

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numerical experiment in order to calculate the change of salinity by the spread of fresh water around Nakdong River. For reference, COHERENS is a three-dimensional multi-purpose model with many useful modules. In numerical analysis used hydraulic modules, NAO99.Jb (Matsumoto et al., 2000) is used for open boundary condition, and the major 16 component tide of module is applied. Moreover, the initial value of salinity distribution is computed by the data of MOVE-WNP SYSTEM (Usui et al., 2006).

The tide, the biggest external force around Nakdong River Estuary, is applied as the primary change of circulation of sea water. In addition, the hourly actual values of atmospheric condition (e.g. air temperature, precipitation, humidity, wind direction, wind speed, cloud amount, sea-level pressure, and so on) around Noksan Water Gate and Nakdong River Estuary from Meteorological Administration, and the hourly observed values of atmospheric condition around Noksan Water Gate and Nakdong River Estuary from Korea Water Resources Corporation are added and considered for more acceptable model simulation around Nakdong River Estuary.

As a result of the comparison between the simulated values of water level fluctuation and the observed values of water level fluctuation in Gaduck island, Tongyeong, and Masan tidal station, the validity of COHERENS is proved by showing the high reproducibility. From the hydrodynamic experiment, the relation between the topographic characteristics and the flow of sea water is found as well. The velocity difference between when the flow of Noksan Water Gate and Nakdong River Estuary is considered and not considered around Nakdong River Estuary is bigger than other areas. Finally, the comparison of the change of salinity between surface and bottom layer shows there is a direct impact at water surface, and the changed environmental restoration time by the discharge of river water is similar to the duration of the discharge of riverwater. Also, according to the diffusion process as time passed, the deep water is not affected by freshwater below constant water depth.

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하계시 낙동강 주변해역에서 해양환경변화의 예측

卞 燦 植

韓國海洋大學校 大學院 土木環境工學科

요 약

국내 최대 규모의 습지를 가지고 있는 낙동강 하구역은 사회·환경적인 측면에서 중요한 지역 으로 최근에 보전을 위한 연구들이 많이 수행되고 있다. 낙동강 주변해역은 1987년에 건설된 낙동 강하구둑에 의한 수문의 인위적인 개폐로 담수와 해수가 급작스럽게 만나게 되어 해수의 흐름이 복잡하게 형성되며, 해수유동의 물리·화학적인 작용에 따른 퇴적, 오염물이동 등이 발생하고 있 고, 이에 따라 수질오염, 하구폐색, 항로매몰 등과 같은 여러 가지 환경문제가 유발되고 있다. 녹산 수문과 낙동강하구둑 건설 이후 주변에 녹산국가산업단지, 장림산업단지, 명지주거단지 등의 조성 을 위한 해안매립 등과 같은 다양한 개발사업들로 인하여 지형이 크게 변화되고 있으며, 부산신항 만의 건설로 인한 추가적인 해양환경의 변화가 발생하고 있다. 따라서, 관리를 위해서는 낙동강 하구역의 지형변화특성을 지속적으로 파악하는 것이 중요하고, 장기적인 관점에서 꾸준한 자료수 집이 필요하며, 여러 문제점들을 예측하고 제어하기 위해서는 해수유동수치실험과 같은 해양환경 변화의 예측이 중요하다.

본 연구에서는 유한차분법에 기초한 3차원수치해석모델인 COHERENS(Luyten et al., 1999)를 이 용하여 하계시 낙동강 주변해역에서 담수확산에 따른 해수유동 및 염분변화에 대한 수치실험을 수행하였다. 낙동강 주변해역의 유동특성을 파악하기 위해 hydraulic모듈을 사용한 수치해석에 있 어서 NAO99.Jb(Matsumoto et al., 2000)로부터 조석의 개방경계치를 구성하였고, 동시에 16분조를 적

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용시켰으며, 염분분포의 초기치는 MOVE-WNP SYSTEM(Usui et al., 2006)의 데이터를 각 계산격자 점에 선형내삽하여 산정하였다. 낙동강 주변해역에 가장 큰 외력으로 작용하는 조석으로부터 1차 해수순환변화를 모의하였으며, 한국수자원공사의 녹산수문, 낙동강하구둑의 시간별 방류량의 관 측치와 기상청의 시간별 실측자료(대기온도, 강수량, 습도, 풍향, 풍속, 구름량, 해면기압 등)를 추 가하여 복합적이고 정도 높은 실험을 수행하여 낙동강 주변해역에서 순환형태와 담수유입에 따른 층별염분도의 변화특성을 검토·분석하였다.

대상지역의 인근해역에 대하여 재현한 해수유동모델의 신뢰성을 확보하기 위하여 가덕도, 통 영, 마산검조소에서 실측치와 모델로부터 재현한 조위변화를 비교한 결과, 고정도의 재현성을 나 타내므로 COHERENS모델의 타당성을 확인하였다. 그리고, 해수유동수치실험을 수행하여 해역의 지형적 특성과 해수유동의 상관관계를 알 수 있었다. 녹산수문과 낙동강하구둑의 수문으로부터 방류되는 유량이 고려되었을 때와 고려되지 않았을 때에 하구둑의 주변해역에서 유속의 차이가 크게 나타났으며, 주변해역에서는 기존의 연구결과와 유사한 흐름양상을 나타내었다. 마지막으로, 낙동강 주변해역에서 담수유입에 따른 염분변화를 검토하기 위해 표층과 바닥층에서의 염분변화 를 비교한 결과, 표층에서는 담수유입의 영향을 직접적으로 받았으며, 하천방류에 의해 변화된 해 역환경의 복원시간은 하천방류의 지속시간과 비슷하였고, 단면에서 시간에 따른 확산과정으로부 터 수심이 깊은 곳은 담수의 영향이 거의 없다는 것을 확인할 수 있었다.

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v

목 차

ABSTRACT ... ⅰ

요약 ... ⅲ

목차 ... ⅴ

LIST OF TABLES ... ⅶ

LIST OF PHOTOS ... ⅷ

LIST OF FIGURES ... ⅸ

제 1 장 서론

1.1 연구의 배경 및 목적 ... 1

1.2 연구대상지역 ... 2

1.3 연구의 구성 ... 5

제 2 장 COHERENS Model

2.1 모델의 개요 ... 6

2.2 COHERENS ... 6

2.2.1 모델의 특징 ... 6

2.2.2 기초방정식 ... 8

2.2.3 난류확산 ... 14

2.2.4 이류계산 ... 16

2.2.5 해저면마찰 ... 18

2.2.6 모델의 개방경계조건 ... 18

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제 3 장 해수유동

3.1 수치모델의 검증 ... 20

3.2 모델수립 ... 26

3.2.1 계산영역과 격자구성 ... 26

3.2.2 개방경계조건 및 초기조건 ... 29

3.3 담수방류에 의한 주변해역환경의 변화 ... 33

3.3.1 해수유동구조의 변화 ... 33

3.3.2 담수의 영향범위와 해양환경의 복원 ... 42

제 4 장 결론

... 48

<참고문헌> ... 50

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LIST OF TABLES

Table 3.1 Overview of hydrodynamic experiment ... 26

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LIST OF PHOTOS

Photo 1.1 Green algae ... 3

Photo 1.2 Polluted dredging site ... 3

Photo 1.3 Nakdong estuary ... 3

Photo 1.4 Noksan water gate ... 3

Photo 1.5 Study area ... 4

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LIST OF FIGURES

Fig. 2.1 Transformation of  coordinate ... 11

Fig. 3.1 Wide domain and spatial distribution of water depth in 2-dimensional model ... 20

Fig. 3.2 Comparison of the computed tidal elevation with time-series observed data at Gadukdo ... 21

Fig. 3.3 Scattogram of the computed versus the observed tidal elevation for Fig.3.2 ... 21

Fig. 3.4 Comparison of the computed tidal elevation with time-series observed data at Tongyoung ... 22

Fig. 3.5 Scattogram of the computed versus the observed tidal elevation for Fig.3.4 ... 22

Fig. 3.6 Comparison of the computed tidal elevation with time-series observed data at Masan ... 23

Fig. 3.7 Scattogram of the computed versus the observed tidal elevation for Fig.3.6 ... 23

Fig. 3.8 Snapshot of flood current ... 24

Fig. 3.9 Snapshot of current observation data ... 24

Fig. 3.10 Snapshot of ebb current ... 25

Fig. 3.11 Snapshot of current observation data ... 25

Fig. 3.12 Domain and spatial distribution of water depth in 2-dimensional model ... 27

Fig. 3.13 Domain and spatial distribution of water depth in 3-dimensional model ... 27

Fig. 3.14 Horizontal grid ... 28

Fig. 3.15 Enlarged horizontal grid at water gate ... 28

Fig. 3.16 River discharge ... 29

Fig. 3.17 Meteorological data (1) ... 30

Fig. 3.18 Meteorological data (2) ... 31

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Fig. 3.19 Meteorological data (3) ... 32

Fig. 3.20 Flood current during spring tide without river discharge(Case 1) ... 34

Fig. 3.21 Ebb current during spring tide without river discharge(Case 1) ... 34

Fig. 3.22 Flood current during spring tide with river discharge(Case 2) ... 35

Fig. 3.23 Ebb current during spring tide with river discharge(Case 2) ... 35

Fig. 3.24 Velocity of flood during spring tide without river discharge(Case 1) ... 37

Fig. 3.25 Velocity of ebb during spring tide without river discharge(Case 1) ... 37

Fig. 3.26 Velocity of flood during spring tide with river discharge(Case 2) ... 38

Fig. 3.27 Velocity of ebb during spring tide with river discharge(Case 2). ... 38

Fig. 3.28 Residual current at Case 1 ... 39

Fig. 3.29 Residual current at Case 2 ... 40

Fig. 3.30 Difference of residual current between Case1 and Case 2 ... 40

Fig. 3.31 Tidal elevation calculation point ... 41

Fig. 3.32 Tidal elevation without river discharge at calculation point ... 41

Fig. 3.33 Tidal elevation with river discharge at calculation point ... 41

Fig. 3.34 Snapshot of salinity variation due to river discharge ... 42

Fig. 3.35 Measurement points to check effect of fresh water ... 43

Fig. 3.36 Day of observed salinity variation ar each point ... 43

Fig. 3.37 Recovery time of salinity after effect of fresh water ... 43

Fig. 3.38 Surface and bottom salinity at calculation point ... 44

Fig. 3.39 Latitude cross section ... 45

Fig. 3.40 Longitude cross section ... 45

Fig. 3.41 Salinity at latitude cross section ... 46

Fig. 3.42 Salinity at longitude cross section ... 47

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1 장 서론

1.1 연구의 배경 및 목적

하천과 해양이 접하는 낙동강 하구역(estuary)은 조석, 파랑 및 하천류 등의 영향으로 국내 최대 규모의 습지와 삼각주가 형성되어 다양한 생태환경이 조성되어 왔으며, 낙동강하구둑의 건설 이전 에는 낙동강 상류로의 해수유입에너지와 담수의 유출에너지가 평형을 이루어 낙동강 하구역 주변해 역의 지형에 큰 변화가 나타나지 않았다. 그러나, 낙동강하구둑의 건설, 녹산국가산업단지, 장림산업 단지, 명지주거단지 및 부산신항만건설 등에 따른 해안매립, 준설 및 녹산수문과 같은 인공구조물의 설치와 같은 다양한 개발사업으로 낙동강 하구역 주변해역에서 지형이 크게 변화하였으며, 낙동강 상류로의 염수침입을 차단하기 위해 낙동강하구둑이 건설된 이후에는 낙동강 하구사주가 남쪽으로 크게 전진하여 하구폐색, 항로매몰 등과 같은 여러 가지 해양환경적인 문제가 발생되고 있다. 여기 서, 낙동강하구둑은 인위적으로 하천으로부터의 담수유입을 제어하기 때문에 주변해역환경을 변화 시키는 주요 영향인자로 인식되고 있다. 특히, 하계시에는 하구둑 수문의 급작스런 개폐로 다량의 담수가 주변해역으로 유입되고, 이로 인하여 주변해역의 수질오염뿐만 아니라 하천으로부터 다량의 토사유입으로 해양환경이 크게 영향을 받는 것으로 판단된다. 낙동강 주변해역환경의 변화를 예측 하기 위해서는 장기적인 관점에서 수집된 자료의 철저한 분석이 요구되지만, 근본적으로는 하계시 다량의 담수유출이 해역환경에 미치는 영향을 정도 높게 평가함으로써 발생할 수 있는 문제점 등을 이해하고 신속한 대처를 위하여 기초자료의 확보가 절실히 요구된다.

낙동강 하구역에 있어서 해수유동의 특성은 “낙동강 하구 주변해역 3차원 해수유동 및 퇴적물 수송 모델링”(김차겸 등, 2000), “낙동강 하구에서의 해양환경변화”(장성태 등, 2006), “STA기법과 지형 변화 예측모형에 의한 낙동강 하구역 토사이동 해석”(윤은찬, 2008), “낙동강 하구 염분농도분포에 관 한 연구”(박상길 등, 2009) 등에 의해 다수 연구되어 왔다. 이상의 연구에도 다양한 수치모델들이 사 용되었지만, 본 연구에서는 낙동강 주변해역에 처음으로 적용되는 COHERENS(Luyten et al., 1999)모 델을 사용하였다. 그리고, 지금까지의 연구에서는 하천의 개방경계조건으로 일정한 평균담수유량을 고려하였지만, 본 연구에서는 매 시간별 실측된 수문방류량을 고려하였으며, 외해개방경계의 각 격

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자점에서 주어지는 조위로는 NAO.99Jb(Matsumoto et al., 2000)모델에 의한 16분조를 이용하였다. 해수 유동실험에 적용된 모델의 타당성을 검증하기 위하여 검조소에서 관측된 실측조위와 모델에 의한 계산결과를 비교하여 적용성을 검증하였다. 낙동강 수문으로부터 담수가 방류되지 않는 경우와 담 수가 방류되는 경우에 대해 낙동강 주변해역에서의 해수유동구조를 비교·검토하였고, 담수방류의 영향을 검토하기 위하여 조석현상에 의해 생긴 해수의 평균흐름인 잔차류를 검토하였다. 그리고, 낙 동강하구둑으로부터 방류되는 담수가 주변해역에 미치는 영향범위를 검토하고, 해역환경의 복원을 담수방류의 지속시간과 연관하여 논의하였다. 이로부터 본 연구에서는 하계시 시간적으로 방류되는 다량의 담수유출이 주변해역에 미치는 영향을 평가할 수 있는 3차원수치모형을 구축하고, 대상해역 에서 3차원적인 해수유동특성의 변화를 재현함으로써 낙동강 주변연안해역에서 발생하는 문제점들 을 예측, 제어 및 관리하기 위한 토대를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

1.2 연구대상지역

낙동강은 길이가 506.17km, 유역면적이 2만 3384.21km2이며, 한국에서 제2의 강이다. 강원도 태백 시의 함백산에서 발원하여 상류부에서는 안동을 중심으로 여러 지류를 합치면서 서쪽으로 곡류하다 가 함창부근에서 다시 내성천·영강 등의 여러 지류를 구심상으로 받아들이고, 유로를 남쪽으로 돌려 위천, 감천, 금호강, 남강을 합친 뒤 동쪽으로 유로를 바꾸어 밀양강을 합치고 나서 다시 남쪽으로 흘러 남해로 들어간다. 낙동강 하구부에 형성된 김해 삼각주는 남북 18km, 동서 16km의 대삼각주 로 전국적으로 보기 드문 평야이다. 낙동강은 유역내의 논 약 86만ha의 농업용수와 여러 시·읍의 상수도용수 및 공업용수원이 되고 있다. 낙동강하구둑의 길이는 2,400m이며, 공사비 1573억원으로 1983년 3월에 공사를 시작하여 1987년 11월에 준공하였다. 이 하구둑의 완공으로 연 6억 4800만t의 용수를 공급할 수 있게 되었으며, 상수도원의 86%를 낙동강에 의존해 온 부산이 그 동안 겪어온 식 수난을 해결하게 되었다. 그리고, 강바닥에서 긁어낸 2000만m3의 흙으로 하구둑 주변의 개벌과 습지 를 매립하여 택지 및 공단을 조성하게 되었다. 하구둑의 또 다른 장점은 염해피해를 막는 것이다. 염 분의 농도가 높으면 농작물이 영양분을 흡수하지 못하고 오히려 삼투압에 의해 고사하게 된다. 하지 만, 낙동강하구둑의 건설 이후 담수와 해수의 중간 생태계인 생물종들이 타격을 입었으며, 부유성물 질 및 침전성 오염물들이 하구둑 밖으로 빠져나가지 못해 하구둑에 쌓이게 되어 부영양화 등으로 하구가 오염되었다. 결과적으로 낙동강하구는 효과적인 염해방지기능을 하고 있으나, 생물통로를 막 아버리고 담수에서 해수로 가는 흐름을 막아 버림으로써 생태계파괴 및 환경오염을 동시에 일으키

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3

고 있다. Photo.1.1은 강물의 흐름을 차단한 하구둑으로 인해 하구둑 주변에 번성한 녹조류의 사진이 며, Photo.1.2는 퇴적된 오염물로 인해 썩어가는 낙동강하구둑 주변에서 준설현장의 모습이다.

낙동강 주변해역에서 하천수의 유입이 존재하는 지점은 녹산수문과 낙동강하구둑이다. 2010년 8 월 녹산수문의 경우 1수문에서는 방류량이 없었으며, 2수문에서는 총 167.04CMS(Cubic Meter Per Sec) 가 방류되었다. 녹산수문은 월별 총 방류량만 관측되지만, 낙동강하구둑은 한국수자원공사에서 시간 별 방류량을 관측하고 있고, 당시의 총 방류량은 1,987,322CMS(Cubic Meter Per Sec)이었다. 다음의 Photo.1.3와 Photo.1.4는 낙동강하구둑과 녹산수문의 사진이다.

Photo.1.1. Green algae. Photo.1.2. Polluted dredging site.

Photo.1.3. Nakdong estuary. Photo.1.4. Noksan water gate.

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본 연구의 대상해역인 낙동강 하구역은 하중도, 간석지 및 사주로 구성되어 있다. 하중도는 유로 의 변형으로 형성된 지형으로 명지도 및 을숙도가 하중도에 해당된다. 사주는 하중도 전면에 모래톱 이 발달하여 형성된 지형으로 진우도, 대마등, 장자도, 백합등 등이 위치하고 있다. 그리고, 간석지는 이러한 하중도와 사주 사이에 넓게 형성되어 있다. Photo.1.5은 낙동강 하구역의 최근 지형을 나타낸 다. 최근 낙동강 하구역은 사주가 계속해서 발달하고 퇴적현상이 심각해 많은 해양환경적·사회적 인 문제들을 야기하고 있다. 본 연구에서는 담수의 영향을 검토하기 위해 홍수기로 방류량이 많은 8 월을 계산시기로 결정하였고, 낙동강의 주변해역인 가덕도와 부산신항, 다대포, 낙동강하구둑, 녹산 수문을 포함한 지역을 연구대상지역으로 설정하였다.

Photo.1.5. Study area.

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1.3 연구의 구성

본 연구는 총 4장으로 구성되며, 각 장의 내용은 다음과 같다

1) 제 1장에서는 본 연구의 배경과 목적에 대하여 서술하고, 다음으로 구성에 대하여 간 단히 기술한다.

2) 제 2장에서는 유한차분법에 기초한 3차원수치해석모델인 COHERENS의 유체 및 열역 학모델방정식의 이론을 설명한다. 이로부터 COHERENS모델의 특징, 장점 및 단점을 파악할 수 있으며, 직교좌표계, 구면좌표계, 시그마좌표계, 난류확산, 이류계산, 해저면 마찰, 모델의 경계조건에 대한 모델의 이론들을 알 수 있다.

3) 제 3장에서는 낙동강 주변해역에서 조위관측결과의 비교를 통해 COHERENS모델의 적용성을 검증한다. 대상지역에 격자를 구성하여 관측치인 수문방류량과 기상조건들 을 이용하여 해수유동수치실험을 수행하며, 담수유입을 고려하였을 경우와 고려하지 않았을 경우를 대상으로 각각 실험을 수행한다. 그리고, 하계시 낙동강 주변해역에서 담수유입에 따른 해수순환형태와 층별염분도의 변화특성을 분석한다.

4) 제 4장에서는 이상으로부터 도출된 중요한 사항을 요약하여 본 논문의 결론으로 한다.

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2 장 COHERENS Model

2.1 모델의 개요

COHERENS(COupled Hydrodynamic-Ecological model for REgioNal and shelf Seas; Luyten et al., 1999)는 유럽공동체(EU)의 지원을 받은 PROFILE, NOMADS 및 COHERENS과 같은 MAST(MArine Science and Technology) program의 일환으로 유럽의 여러 연구그룹이 공동으로 지난 약 10년간(1990-1999) 집 중적으로 개발한 수리역학과 생태계모델이 직접 통합된 모델로서, 연근해에서 일어나는 인간의 활 동이 생태계에 미치는 영향과 물리환경의 변화를 이해하고 예측할 수 있는 3차원의 수리현상과 수 질현상이 직접 연계된 모형이다. COHERENS는 연안과 대륙붕에 적용할 수 있는 유한차분법에 기초 한 다기능의 3차원수치해석모델로서 연안 및 대륙붕에서 물리적 작용을 이해하는 도구로 사용할 수 있을 뿐 아니라, 생태, 퇴적물부유 및 오염물이동모델과 연동시켜 생태학적 작용을 이해하거나 퇴적 물이동 및 폐기물이동을 관찰하고 예측하는 도구로 사용할 수 있다.

다기능 수치모델로서의 COHERENS의 장점은 외력의 상태에 따라 다르게 나타나는 시간스케일 과 수평, 수직길이스케일에 따라 사용자가 모델의 시간단계와 수평 및 수직격자를 다르게 결정할 수 있다는 점이다. 즉, 물리작용과 생태작용, 퇴적물이동 혹은 오염물이동의 시간스케일을 다르게 설정 함으로서 메모리와 CPU time의 제한을 완화시킬 수 있다. 또한, COHERENS는 생물학적 작용을 매개 변수화함으로서 모델의 통합을 더욱 효과적으로 구성하였다. 따라서, COHERENS는 물리해양환경을 예측할 뿐만 아니라 3차원해양물리모델과 연동하여 생태환경을 예측하는 모델로 사용하는데 적합하 다.

2.2 COHERENS

2.2.1 모델의 특징

COHERENS(Luyten et al., 1999)는 3차원수리역학과 생물적 변화, 퇴적물부유, 오염물이동 등의 현 상이 연계· 운용되는 다기능의 3차원수치모델로서 모델의 구성은 핵심부분과 여러 개의 모듈 (modules)로 구성되어 있으며, 이 모듈들은 새로운 기작과 대체적인 해법들을 삽입·수정이 용이하

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도록 구성되어 있다. 프로그램의 본체는 이류-확산모듈을 포함하는 Navier-Stokes 방정식의 해를 산정 하여 유동장을 계산하면 나머지 각각의 모듈들은 사용자의 선택에 따라 계산된다. 모델의 일반적인 특징 및 각 모듈의 특징은 다음과 같다.

(1) 일반적인 특성

COHERENS는 수평적으로 직교좌표 또는 구면좌표를 사용하고, 수직적으로는 시그마 (sigma)좌표계를 사용한다. 수직적으로 1차원점모델이 가능하며, 모든 3차원환경변수들은 매 계산스텝마다 갱신된다. 그리고, 스칼라양과 운동량의 이류계산과 수평확산은 서로 다른 계산 방법을 사용하며, 이류항에 대한 유한차분법으로 upwind, Lax-Wendroff 및 TVD(Total Variation Diminishing)방법이 선택적으로 사용된다. 마지막으로, 사용자가 정의한 변수에 대해 조화분석 이 가능하며, 입력/출력에 대한 사용자의 정의가 다양하고 편리하다.

(2) 물리적 현상

POM(Princeton Ocean Model; Mellor, 2004)에서와 같이 2차원 및 3차원운동방정식과 연속방정 식을 모드분리형(mode-splitting technique)으로 계산하며, 운동방정식과 난류방정식에서 밀도의 영향이 상태방정식에 포함된다. 모델내에는 단순한 대수학적 표현에서부터 일차 또는 이차의 난류에너지모델까지 다양한 형태의 난류스킴(turbulence scheme)을 포함할 뿐 아니라 해수상층 부분에서 태양열흡수(sola radiation)기작이 광학모듈(optical module)로 계산된다. 개경계 및 육상 의 강하구에 대한 다양한 경계조건(radiation condition)이 사용되며, 해저전단력에 의한 파랑-흐 름간의 상호작용을 고려하며, 여러 형태의 바람응력과 표면열프럭스(flux)에 대한 다양한 표현 방법이 사용된다.

(3) 생물학적 현상

해수층의 생태계 및 영양염순환과정의 계산모듈, microplankton과 mesozooplankton역학과정 을 포함하며, 탄소와 질소계 영양염순환과정의 계산을 통하여 질산염, 암모늄과 용존산소의 농도변화를 추정할 수 있다.

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8

(4) 퇴적현상

생태계모듈의 입자모듈에서 침강속도를 이용하여 퇴적물모듈에서 부유무기물질의 농도와 광소산계수를 산정한다.

(5) 오염물질

오염물질이동모듈은 두가지 형태가 채택가능하며, 첫 번째는 사용자가 정의한 용존물질에 대한 이류-확산방정식을 계산하는 Eulerian방법이고, 두 번째는 부유물질의 수평 및 수직분포 를 random-walk방법으로 추정하는 Lagrange방법이다. 그리고, 하천 및 강으로부터의 유출 및 개방해양경계로부터의 유입을 고려할 수 있다.

2.2.2 기초방정식

COHERENS는 Navier-Stokes방정식의 정수압근사를 사용하는 비선형연안해양순환모델로, 수평적으로는 직교좌표 또는 구면좌표를 사용하고, 수직적으로는 시그마좌표를 사용한다.

COHERENS의 유체역학부분은 Boussinesq근사를 이용한 운동방정식, 정수압평형방정식, 연속 방정식, 열(온도) 및 염분수송방정식의 해를 구하는 모델이다.

(1) 직교좌표계(Cartesian coordinates) 운동방정식

0

1 xx yx

T

u u u u p u

u v w fv v

t x y z x x y z z

t t r

¶ æ ö

¶¶ + ¶¶ + ¶¶ + ¶¶ - = - ¶¶ + ¶ + ¶ +¶¶ çççè ¶ ÷¶ ÷÷ø (2.1)

0

1 xy yy

T

v v v v p v

u v w fu v

t x y z y x y z z

t t

r

¶ ¶ æ ö

¶¶ + ¶¶ + ¶¶ + ¶¶ + = - ¶¶ + ¶ + ¶ +¶¶ çççè ¶ ÷¶ ÷÷ø (2.2)

정수압평형방정식

p g

z r

¶ = -

(2.3)

(21)

9 연속방정식

u v w 0

x y z

¶ ¶ ¶

+ + =

¶ ¶ ¶ (2.4)

열(온도) 및 염분의 수송방정식

0

1

H H V

p

T T T T I T T T

u v w A A A

t x y z r C z x x y y z z

æ ö

æ ö æ ö

¶¶ + ¶¶ + ¶¶ + ¶¶ = ¶¶ +¶¶ çççè ¶¶ ÷÷÷ø+¶¶ ççççè ¶¶ ÷÷+÷÷ø ¶¶ çççè ¶¶ ÷÷÷ø (2.5)

H H V

S S S S S S S

u v w A A A

t x y z x x y y z z

æ ö

æ ö æ ö

¶¶ + ¶¶ + ¶¶ + ¶¶ =¶¶ çççè ¶¶ ÷÷÷ø+¶¶ ççççè ¶¶ ÷÷+÷÷ø ¶¶ çççè ¶¶ ÷÷÷ø (2.6)

여기서,

(

u v w, ,

)

x y z, , 좌표상에서의 유속, t 는 시간이다. 운동방정식 (2.1)과 (2.2)의 우 변 첫 번째 항은 경압 및 순압변화를 나타내고,p는 압력,r는 유체의 밀도,r 는 표준밀도, 0

(

2 sin , 2 / 86164 /

)

f = W f W = p rad s 는 지구전향력계수, g 는 중력가속도이다. 열(온도)수송 방정식 (2.5)에서 T는 온도, A 와 H A 는 수평 및 수직와동확산계수, V C 는 상온에서의 해수p 의 비열(specific heat)이며, I 는 solar irradiance, 즉 태양열의 성층별흡수와 발산을 나타낸다. 염 분의 수송방정식 (2.6)에서 S 는 염분도를 나타낸다. 운동방정식 (2.1)과 (2.2)에서 v 는 연직확T 산계수를 나타내며, 응력텐서의 수평요소는 다음과 같이 주어진다.

xy 2 H

u

t = u æçççè ø¶ ÷¶xö÷÷ (2.7)

yx 2 H

u v

y x

t = u æçççç¶è¶ +¶ ÷¶ ö÷÷÷ø (2.8)

yy 2 H

v

t = u æçççç¶è¶ ÷yö÷÷÷ø (2.9)

여기서, u 는 수평와동점성계수이다. H

(22)

10

압력은 평형압(p : equilibrium pressure)과 혼압(0 : perturbed pressure)의 합으로 식 (2.10)으로 표 현된다.

0 0 0 d

p= p +p¢= p +p q (2.10)

여기서, 평형압은 식 (2.11)로부터 산정되며, 경계조건에 대해서 해수면에서 평형압은 식 (2.12) 으로 주어지는 대기압과의 평형조건이 적용된다.

0

0

p g

z r

¶ = -

(2.11)

0 0 ( ) a

p =r g z- +z P (2.12)

식 (2.12)에서 z 는 해수면의 높이(surface elevation), P 는 대기압을 각각 나타낸다. a 따라서, 압력에 대한 최종식은 식 (2.13)으로 주어진다.

0 0

1 p 1 Pa qd

x g x x x

z

r r

¶ ¶

¶ = ¶ + +

¶ ¶ ¶ ¶

0 0

1 p 1 Pa qd

y g y y y

z

r r

¶ ¶

¶ ¶

= + +

¶ ¶ ¶ ¶

(2.13)

식 (2.13)에서 우변의 처음 두 항은 순압(barotropic)을 나타내고, 세 번째 항은 경압(baroclinic)을 각각 나타낸다. 밀도 q 는 다음 식으로부터 계산된다. d

0

0

qd

g b

z

r r r

r æ - ÷ö

ç ÷

= - ççç ÷÷=

¶ è ø (2.14)

d z

q bdz

= -

ò

z

(2.15)

여기서, b 는 부력이다.

(23)

11

(2) 시그마좌표계(s-transformed equations)

모델의 수치해석에 있어서 수직방향의 격자체계로 시그마( s )좌표계시스템을 적용한다 (Phillips, 1957). s 좌표계는 복잡한 해저지형 및 수심변화에 따른 수직해상도를 일정하게 유지 할 수 있는 장점이 있다. 기존의 좌표계는 다음과 같이 변환된다.

(

t x y z   , , ,

)

=

(

t x y Lf s, , , ( )

)

(2.16)

z h z h

h H

s z

+ +

= =

+ (2.17)

여기서, L은 scale factor이며, s 는 0~1의 범위로서 해저면에서 0, 해수면에서 1의 값으로 주어 진다. Fig.2.1에서와 같이 scale factor가 고려될 때 z는 해저면에서 0, 해수면에서 L까지의 범 위를 가지게 된다. Jacobian변환은 다음의 식과 같이 주어진다.

z / df

J H

z ds

æ ö

¶ ç ÷

=¶= ççè ø÷÷ (2.18)

`

Jacobian수는 물리적 수심에 대한 s 좌표계의 변환된 수심비를 나타낸다.

Fig.2.1. Transformation of  coordinate.

(24)

12 또한, 변환된 연직방향유속은 식 (2.19)로 정의된다.

(3) 구면좌표계 (Spherical coordinates)

기존의 직교좌표계를 구면좌표계로 변환하고 s 좌표계를 적용한다면 식 (2.20)의 변환이 적용된다.

x l

¶ ¶

¶ ¶ 1

l R f

¶  ¶

¶ ¶ ,

1 cos

cos

R f

f f

(2.20)

여기서, R은 지구의 반경, f 는 위도, l 는 경도를 나타낸다.

s 좌표계와 구면좌표계가 적용된 운동방정식, 연속방정식, 정수압평형방정식, 열(온도) 및 염 분의 수송방정식은 다음의 식으로 표현된다.

운동방정식

( ) ( )

2

( ) ( )

1 1 1 1 tan

cos 2 sin

cos cos

Ju Ju J vu Jwu uv v

J t JR JR J z R

f f f

f l f f

¶ + ¶ + ¶ + ¶ - - W

¶ ¶ ¶ ¶ 

( ) ( )

0

1 1 1

cos

1 1 tan

cos cos cos

a T

P V u

g Q

R J z J z

J J

JR JR R

l

ll fl fl

z

f l r l

t ft ft

f l f f

æ ¶ ¶ ö÷ ¶ æ ¶ ö

ç ÷ ç ÷

= - çççè ¶ + ¶ ÷÷ø+ + ¶ ççè ¶ ÷÷ø+

¶ ¶

+ -

¶ ¶

  (2.21)

z z z z

w u v w

t x y z

¶ ¶ ¶ ¶

= + + +

¶ ¶ ¶ ¶

   

(2.19)

(25)

13

( ) ( ) (

2

) ( )

2

1 1 1 1 tan

cos 2 sin

cos cos

Jv Juv J v Jwv u u

J t JR JR J z R

f f f

f l f f

¶ + ¶ + ¶ + ¶ + + W

¶ ¶ ¶ ¶ 

( ) ( )

0

1 1 1

cos

1 1 tan

cos cos cos

a T

P V u

g Q

R J z J z

J J

JR JR R

f

lf ff ll

z

f f r f

t ft ft

f l f f

æ ¶ ¶ ö÷ ¶ æ ¶ ö

ç ÷ ç ÷

= - çççè ¶ + ¶ ÷÷ø+ + ¶ ççè ¶ ÷÷ø+

¶ + ¶ -

¶ ¶

  (2.22)

정수압평형방정식

1 qd J z b

¶ =

¶ (2.23)

연속방정식

( ) ( ) ( )

1 1 1 1

cos 0

cos cos

J Ju J v Jw

J t JR JR f J z

f l f l

¶ + ¶ + ¶ + ¶ =

¶ ¶ ¶ ¶ 

(2.24)

열(온도) 및 염분의 수송방정식

( ) ( ) ( )

2 2 2

0

1 1 1 1

cos ( )

cos cos

1 1 1 1

cos cos cos

T

H H

p

JT JuT J vT JwT

J t JR JR J z

I T T T

J J

J c z J z J z JR JR

f l f f

l l l f

r f l l f f f

+ + +

æ ö

æ ö æ ö

ç ÷ ç ÷ ç ¶ ÷

= + ççè ÷÷ø+ ççè ÷÷ø+ ççè ÷÷÷ø

(2.25)

( ) ( ) ( )

2 2 2

0

1 1 1 1

cos ( )

cos cos

1 1 1 1

cos cos cos

T

H H

p

JS JuS J S JwS

J t JR JR J z

I S S S

J J

J c z J z J z JR JR

f l f fu

l l l f

r f l l f f f

¶ + ¶ + + ¶

¶ ¶ ¶

æ ö

æ ö æ ö

¶ ¶ ç ¶ ÷ ¶ ç ¶ ÷ ¶ ç ¶ ÷

= ¶ + ¶ ççè ¶ ÷÷ø+ ¶ ççè ¶ ÷÷ø+ ¶ ççè ¶ ÷÷÷ø

 

  

(2.26)

여기서, 경압기울기와 응력텐서의 수평요소는 다음의 식으로 주어진다.

( )

1

cos d d

H h

Q Jq q

JR z

l s

f l l l

é ¶ ¶ ìïï æç ¶ ¶ ö÷üïïù

ê ú

= - êë¶ -¶íïïî ççè ¶ -¶ ÷÷øýïïþúû (2.27)

(26)

14

( )

1

d d

H h

Q Jq q

JR z

f s

f f f

é ¶ ¶ ìïï æç ¶ ¶ ö÷üïïù

ê ú

= - êêë¶ -¶íïïî ççè ¶ -¶ ÷÷÷øýïïþúúû (2.28)

1 tan

2 H cos V u

R R

ll

t fu

f l

æ ¶ ö÷

= çççè ¶ - ÷÷÷ø (2.29)

1 tan 1

H cos

V u u

R R R

fl lf

f u

t t

f f l

æ ¶ ¶ ÷ö

= = çççè ¶ - + ¶ ÷÷÷ø (2.30)

2VH 1

ff R t u

f

= ¶

(2.31)

2.2.3 난류확산

COHERENS의 기본방정식을 해석하기 위해서는 수평 및 수직와동확산계수의 산정이 필요 하다. 특히, 수직와동확산계수는 3차원수치해석에서 중요하며, 이를 산정하기 위한 여러 식들 이 기존 연구자들에 의해 제시되어 있다. COHERENS모델은 단순한 대수학적 표현에서부터 일차 또는 이차의 난류에너지모델까지 다양한 형태의 난류스킴(turbulence close scheme)을 제공 하고 있으며, 본 해수유동수치모형실험에서는 k e- 의 2방정식모형을 사용하였다.

(1) 수직방향

식 (2.32)로 정의되는 난류운동에너지(turbulent kinetic energy)의 변화율을 운동방정식으로부 터 산정하면 식 (2.33)으로 주어진다.

(

2 2 2

)

1

k=2 u¢ +u¢ +w¢ (2.32)

2 2

T

T T T S

k

k k k k

u v w

t x y z

V k u v T S

V g

z z z z l b z b z e

s

¶ + ¶ + ¶ + ¶

¶ ¶ ¶ ¶

é ù

æ ö æ ö æ ö é æ ö æ öù

¶ ç ¶ ÷÷ êç¶ ÷ ç¶ ÷ ú ê ç¶ ÷ ç¶ ÷ú

=¶ çççè ¶ ÷÷ø+ êêëççè¶ ÷÷ø +ççè¶ ÷÷ø úúû- êë ççè¶ ÷÷ø- ççè¶ ÷÷øúû-

(2.33)

여기서, s 는 Prandtl-Schmidt number로서 경험상수(=1.0)이고, e 은 난류운동에너지의 감쇠율이k 다. Momentum 난류확산계수 V 및 scalar 난류확산계수 T l 는 k 및 e 에 관하여 식 (2.34), (2.35)T 에서 제시되는 관계를 가진다.

(27)

15

2

T u b

V S k u

= e + (2.34)

2

T b b

S k

l l

= e + (2.35)

여기서, u 와 b l 는 기저난류확산계수(=b 10-6m2 /s)이며, S 와 u S 는 Luyten(1999)이 Mellor b and Yamada(1982)의 level 2.5모형에서 양해적 의존성을 개선한 안정화계수로 식 (2.36)로 주어 진다.

2

0.108 0.0229 1 0.417 0.0275

N u

N N

S a

a a

= +

+ +

0.177 1 0.403

u

N

S = a

+

2 2 N 2

k N a = e

2

T S

T S

N g

z z

b b

æ ¶ ¶ ÷ö

= çççè ¶ - ¶ ÷÷ø

(2.36)

여기서, b 와 T b 는 식 (2.37)로 정의되며, 이로부터 식 (2.28)의 S N 는 식 (2.38)으로 나타낼 2 수 있다.

(

T, S

)

1 ,

T S r r

b b r

æ¶ ¶ ÷ö

= çççè¶ ¶ ÷÷ø (2.37)

2

0

g p

N r z

= - ¶

(2.38)

그리고, 난류에너지감쇠변화율(turbulent kinetic energy dissipation rate) e 은 식 (2.39)로부터 산정된 다.

(28)

16

2 2 2

1 3 2

T

T T T S

k

u v w

t x y z

V u v T S

C V C g C

z z e k z z e z z e k

e e e e

e e l b b e

s

¶ ¶ ¶ ¶

+ + +

¶ ¶ ¶ ¶

é ù

æ ö æ ö æ ö é æ ö æ öù

¶ ç ¶ ÷÷ êç¶ ÷ ç¶ ÷ ú ê ç¶ ÷ ç¶ ÷ú

=¶ çççè ¶ ÷÷ø+ êêëççè¶ ÷÷ø +ççè¶ ÷÷ø úúû- êë ççè¶ ÷÷ø- ççè¶ ÷÷øúû-

(2.39)

여기서, C1e=1.55,C2e=1.92 및 C3e=0.4 ~ 0.6로 각각 주어진다.

이상으로부터 난류운동에너지 k 및 난류에너지감쇠율 e 을 식 (2.33)과 식 (2.38)으로부터 산 정하고, 수직방향의 난류확산계수를 두 식에서 계산된 k 와 e 을 이용하여 식 (2.34), (2.35)로부 터 구할 수 있게 된다.

(2) 수평방향

수평확산은 수평방향의 격자간격과 유속변화의 크기에 따라 결정되는 Smagorinsky(1963)식 을 이용하며, 직교좌표계의 경우는 식 (2.40), (2.41)로, 구면좌표계의 경우는 식 (2.42), (2.43)로 산정된다.

H mo T

V =C D Dx yD

, l =H CsoD Dx yDT (2.40)

2 2 2

2 1

T 2

u v u v

D x x y x

æ ö

æ¶ ö÷ æ¶ ö÷ ç¶ ¶ ÷

ç ç

=ççè¶ ÷÷ø +ççè¶ ÷÷ø + çççè¶ +¶ ÷÷÷ø (2.41)

2cos

H mo T

V =C R f l fD D D ,

2cos

H C Rso DT

l = f l fD D (2.42)

2 2 2

2

2

1 tan 1 1 1 tan 1

cos 2 cos

T

u v u v

D v u

R R R R R R

f f

f l f f f l

æ ¶ ö÷ æ¶ ö÷ æ ¶ ¶ ö÷

ç ç ç

=ççè ¶ - ÷÷÷ø + ççè¶ ÷÷÷ø + ççè ¶ + + ¶ ÷÷÷ø (2.43)

여기서, D , yx D 는 직교좌표계에 대한 수평방향의 격자간격이며, lD , fD 는 구면좌표계에서 의 수평방향의 격자간격이다. C 와 mo C 는 상수로서 0.2의 값이 적용되었다(Oey and Chen, so 1992).

2.2.4 이류계산

(1) Upwind(Upstream) method

Upwind scheme(Upstream method)은 편미분방정식을 시간과 공간에 따라 차분화(difference

(29)

17

equation)하여 나타내며, 전 시간단계에서 결정된 수심과 유속을 사용하여 다음 시간단계에서 의 수심과 유속을 축차적으로 계산해 나가는 양해적(explicit) 산정방식이다. Upwind scheme는 안정적으로 수렴하는 해를 구하는데 적합하나 시간과 공간에서 일차정확도만을 가진다는 단 점이 있다. 양해적 산정방식은 전 시간단계에서 다음 시간단계로 계산이 진행되면서 발생되는 오차의 증폭에 의해 해가 수렴하지 않고 발산하는 경우가 생겨 해의 안정성문제가 항상 내재 되어 있다. 이와 같은 문제로 인해 해의 안정성을 확보하기 위하여 다음의 courant조건이 주어 진다.

k 1

N

c x

C t t gh

= = D á

D D

,

k

c x

gh æ D ÷ö

ç ÷

ç = ÷

ç ÷÷

çè ø (2.44)

여기서, C 은 courant number이며, N c 는 파속이다. 양해적 방법은 k C 이 1보다 작아야 하며, N 구간간격에 비해 시간간격이 지나치게 클 경우 안정성에 문제가 생겨 프로그램의 구성시에 시간간격을 작게 잡아야 하는 문제점이 있다.

Lax-Wendroff multi-step method는 선형방정식으로 비선형모형을 해석할 경우 정확한 해를 얻을 수 없다. 그러나, 시간을 단계별로 나눈 multi-step방법을 비선형지수함수식모형에 적용하 는 경우 매우 큰 정확도를 얻을 수 있다. Lax-Wendroff multi-step방법은 예측-교정법(predictor- corrector methods)이라고 표현할 수 있다. 첫 단계에서 의존변수에 대한 일시의 값이 예측되고, 다음 단계에서 조정값이 의존변수에 대한 최종값을 제공하기 위해 계산된다. 위 방법은 두 단 계로 분리될 수 있으며, 첫 단계 에서는 Lax방법이 사용되고, 두 번째 n+1단계에서는 leapfrog 방법을 적용하여 해를 구한다. 이 방법은 courant 수 C £1일 때 시간과 공간에서 모두 이차의 정확도를 가지나 안정성이 떨어지는 단점이 있다. 예로, 급격한 경사 등과 같은 조건하에서는 비이상적인 과대 혹은 과소산정의 결과로 나타날 수 있다.

(2) TVD(Total Variation Diminishing)method

Upwind scheme과 Lax-Wendroff scheme의 장점을 적절히 조화시킨 TVD(Total Variation Diminishing) scheme은 해의 안정성과 더불어 시간과 공간에서 이차정확도까지 얻을 수 있는 장점이 있다. 본 해수유동수치모형실험에서는 운동방정식 및 수송방정식에 대한 이류식의 계 산에 TVD scheme을 적용하였다. TVD scheme은 수평방향으로는 upwind와 Lax-Wendroff의 가중

(30)

18

평균(weighted average), 수직방향으로는 upwind와 중앙차분의 가중평균을 각각 사용한다. 여기 서, 가중인자로는 superbee limiting function을 적용하였다.

2.2.5 해저면마찰

해저면의 수평유속에는 다음의 slip경계조건이 적용되었다.

( )

0

, , T

bx by

V u v J z z

r æçççè¶ ¶ ø¶ ¶ ÷ö÷÷÷= t t (2.45)

해저경계면에서 마찰항은 quadratic stress law를 사용하였으며, 식 (2.46)으로 주어진다.

(

,

)

0

(

2 2

)

12

(

,

)

b

bx by CD ub vb u vb b

t t =r + (2.46)

여기서,

(

u vb, b

)

는 해저경계면유속이며, 마찰계수 C 는 다음의 식 (2.47)로부터 계산된다. Db

( )

(

/ ln / 0

)

2

b

D r

C = k z z (2.47)

z 는 조도길이, 0 z 은 바닥격자로부터의 높이, k 는 von Karman 상수(=0.4)이다. r

2.2.6 모델의 개방경계조건

모델의 외해개방경계조건(open sea boundary condition)의 설정은 매 계산시간마다 수위를 지 정함으로써 모형의 내부의 각 격자점에서 수위, 유량 및 유속이 계산된다. 본 해수유동실험에 서는 조석의 영향이 전혀 없는 상태로부터 계산이 시작된다고 가정하여 전 계산영역에 대하 여 초기조건으로 해수위 z 및 x y z, , 의 각 방향에 대한 유속 u v w, , 을 0으로 설정하여 계산 을 수행하였다. 모델의 수행과 함께 외해개방경계의 각 격자점에서 입력되는 조위는 조석예측 모델 NAO.99Jb(Matsumoto et al., 2000)로부터 산정되었으며, 매 계산시간마다 NAO.99Jb모델은 COHERENS(Luyten et al., 1999)모델에 결합된다. NAO.99Jb모델은 219개의 검조소에서 관측된 데 이터로부터 16분조(M2 ,S2 ,N2 ,K2 , 2N2 , N2 ,µ2,n , L2 2 ,T2 , K1, O1, P1,Q1, M1, OO1, J1)와

(31)

19

TOPEX/POSEIDON 데이터를 이용하여 외해개방경계에서의 조위를 계산한다.

(32)

20

3 장 해수유동

3.1 수치모델의 검증

본 실험에서는 낙동강 주변해역에서 2010년 8월 한 달 간의 해수유동실험을 수행하기 이전에 모 델의 적용성을 검증하기 위해 Fig.3.1에 나타낸 광역에서 전체적인 흐름을 검토한다. x (동서)방향으 로 672개, y (남북)방향으로 626개의 격자선으로 구분하여 총 420,672개의 격자망으로 구성하였다.

Fig.3.1은 낙동강 주변해역 및 거제도, 통영, 마산, 진해 등을 포함하는 2차원광역수심도이며, 각 방향 에 대한 격자의 간격은 각각 100m이며, 수직방향에 대해서는 등간격의 2개시그마격자(D =s 0.5) 로 구성하였다.

Fig.3.1. Wide domain and spatial distribution of water depth in 2-dimensional model.

(33)

21

해수유동실험을 통해 얻어진 가덕도와 통영에서의 조위계산결과와 국립해양조사원(2010)에서 관 측된 가덕도, 통영, 마산검조소의 실측조위를 비교·검토한다. 먼저, Fig.3.2, 3.3은 대상지역 인근해역 의 검조소인 가덕도에서 2010년 8월에 관측된 실측조위와 모델에 의한 계산결과를 비교한 것이다.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 August, 2010 year

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

Tidal elevatoin (m)

Gadukdo Observation COHERENS

Fig.3.2. Comparison of the computed tidal elevation with time-series observed data at Gadukdo.

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

Observation(m)

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

Calculation(m)

Gadukdo

Fig.3.3. Scattogram of the computed versus the observed tidal elevation for Fig.3.2.

가덕도에서의 실측치와 모델로부터 재현한 조위의 변화를 비교한 결과, 모델결과는 실측치에 대 하여 조위의 위상 뿐만 아니라 초기의 소조기에서 대조기, 소조기를 거쳐 다음 대조기까지 실측치에 대한 조위의 경시변화를 정도 높게 재현하는 것으로 판단된다.

(34)

22

다음의 Fig.3.4, 3.5는 대상지역 인근해역의 검조소인 통영에서 2010년 8월에 관측된 실측조위와 모델에 의한 계산결과를 비교한 것이다.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 August,2010year

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

Tidal elevatoin (m)

Tongyoung Observation COHERENS

Fig.3.4. Comparison of the computed tidal elevation with time-series observed data at Tongyoung.

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

Observation(m) -2

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

Calculation(m)

Tongyoung

Fig.3.5. Scattogram of the computed versus the observed tidal elevation for Fig.3.4.

(35)

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마지막으로, Fig.3.6, 3.7은 마산에서 2010년 8월에 관측된 실측조위와 모델에 의한 계산결과를 비 교한 것이다.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 August,2010year

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

Tidal elevatoin (m)

Masan

Observation COHERENS

Fig.3.6. Comparison of the computed tidal elevation with time-series observed data at Masan.

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

Observation(m)

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

Calculation(m)

Masan

Fig.3.7. Scattogram of the computed versus the observed tidal elevation for Fig.3.6.

위의 결과들을 살펴보면 모델결과는 계산결과와 약간의 오차가 인정되지만, 실측조위(천문조)의 재현이라는 측면에서는 계산결과가 실측조위의 위상뿐만 아니라 조위의 경시변화도 정도 높게 재현 하는 것으로 판단된다. 이로부터 본 모델을 통하여 하천으로부터의 담수방류에 의한 낙동강 주변해 역에서 환경변화를 정도 높게 평가할 수 있을 것으로 판단된다. 그리고, 거제도(구조라)와 진해검조

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24

소는 2010년 8월에 시간별 조위가 관측되지 않았기 때문에 비교하지 못하였다.

다음의 Fig.3.8은 광역해수유동실험을 통해 얻어진 창조시 임의의 한 시점에서 snapshot이며, Fig.3.9는 국립해양조사원에서 실시간으로 해수유동을 관측한 자료이다. Fig.3.8을 살펴보면 가덕수로 에서의 흐름이 충돌하는 것을 알 수 있었으며, 이는 Fig.3.9를 통해 확인된다.

Fig.3.8. Snapshot of flood current.

Fig.3.9. Snapshot of current observation data.

수치

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참조

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