A study on the flushing characteristics in Geunso bay using hydro-hypsographic analysis

Hydro-hypsographic 분석을 이용한 근소만 해수 교환 특성 연구

최 종 국^* / 유 주 형^**+ / 우 한 준^*** / 엄 진 아^****

A study on the flushing characteristics in Geunso bay using hydro-hypsographic analysis

Jong-Kuk Choi* / Joo-Hyung Ryu**⁺ / Han Jun Woo*** / Jinah Eom****

요약 : 만과 외해와의 해수유통은 저서환경에 영양염과 산소 공급, 오염물질 정화 등 생태계를 건강하게 만드는 중요한 요인이며, 만 내 저서환경의 건강성은 해수 교환 특성과 밀접한 관련을 갖는다. 이 연구에서는 서해안 근 소만 저서환경의 해수 분포 및 유동 특성을 파악하기 위한 hydro-hypsographic 분석을 통해 수리적 교환시간을 계산함으로써 근소만의 해수유통 특성을 정량적으로 분석하였다. 위성영상 자료를 이용한 수륙경계선 추출방법과 음향측심기에 의해 획득한 조하대 수심자료를 이용하여, 연구지역의 지형고도모델을 작성하였으며, 지리정보시스 템의 공간분석 기능을 이용하여 hydro-hypsographic 분석을 실시하였다. 분석결과, 근소만 전체 면적의 95%가 갯벌인 것으로 나타났으며, 수리적 교환시간은 1.03 tidal cycle로서 만의 해수 유통 특성이 우수한 것으로 나타 났다. 국내외 타 지역과 비교하였을 때도, 근소만이 상대적으로 저서환경이 차지하는 면적이 넓고 조차도 국외 지역에 비해 커서 해수의 교환이 상대적으로 잘 이루어지고 있는 것으로 분석되었다. 이 연구의 결과는 국내 만 들의 해수유통 특성 분석에 의해 각 만들의 건강성을 정량화할 수 있는 체계 마련 및 만의 저서환경, 생태 등 관 리를 위한 기초자료로 활용 가능할 것이다.

핵심용어 : 근소만 갯벌, 지형고도모델, hydro-hypsography, 수리적 교환시간, 해수 유통 특성

Abstract : Seawater circulations between a bay and the open sea play an important role to make the ecosystem

Geunso bay was revealed to occupy relatively wide area of benthic environment and to have relatively big tidal range over other domestic and foreign coastal environment, therefore it could have a better seawater circulation characteristics. This result can be effectively applied as fundamental information to establish the system for a quantitative estimate of health of coastal environment in the west coast of Korea and manage the ecosystem in benthic environments.

Keywords : Geunso bay tidal flat, Digital elevation model, Hydro-hypsography, Hydraulic turn-over time, Seawater circulation

+ Corresponding author : [email protected]

* 정회원․한국해양연구원 해양위성센터․이학박사

** 정회원․한국해양연구원 해양위성센터․이학박사

*** 정회원․한국해양연구원 해양위성․관측기술연구부․이학박사

**** 정회원․한국해양연구원 해양위성센터․석사

1. 서 론

하구, 만, 갯벌 등 다양한 지형환경을 가지고 있는 한반도 서해안과 남해안은, 육지의 강과 외 해로부터 유입되는 퇴적물의 집적과 담수 및 해수 의 교환 등으로 다양한 생물의 서식지가 되며, 연 안지역의 영양 공급 및 오염정화 등 생태적으로 중요한 가치를 지닌다. 그러나 1980년대 이후 서 해안에서는 대규모 간척사업과 인공 구조물 건설 사업이 꾸준히 진행되어 왔으며, 이로 인해 연안 오염의 증가, 해안선 변화에 따른 해류 및 조류의 변화 등으로 침식/퇴적 등 연안 환경이 급격하게 변해왔다 (우한준 등, 2005). 이러한 연안환경 변 화에 효과적으로 대처하기 위해서는 체계적인 관 리 및 환경복원 방안이 필요하며, 이를 위해 연안 환경을 파악하기 위한 과학적 방법이 필요하다.

우리나라 서해안의 대표적인 지형환경인 만에는 습지, 갯벌, 모래 둔덕, 수로 등 다양한 소환경이 존재하며, 이에 따라 다양한 퇴적기작 및 생태활 동이 일어나고 있다. 따라서 만의 건강성은 연안 환경 평가의 척도가 될 수 있다. 만에서는 조석에 의해 1일 2회 해수의 교환이 일어나고 있으며, 해 수 교환 정도는 만내 소환경의 분포와 수로의 형 태에 따라 다르게 나타난다. 만과 외해와의 해수 유통은 저서환경에 영양염과 산소 공급, 오염물질 정화 등 생태계를 건강하게 만드는 중요한 요인이 며, 따라서 만 내 저서환경의 건강성은 해수 교환 특성과 밀접한 관련을 갖는다 (우한준 등, 2009).

이에 만과 외해와의 해수유통 특성을 정량적으로 파악하는 것이 필요하다.

만에서 외해와의 해수 흐름에 영향을 미치는 수리적인 특성을 파악하기 위한 방법으로 hypso- graphic 분석기법이 널리 활용되어 왔다 (Oertel, 2000). 다양한 연안분지의 형태와 환경조건에 따 라 저서환경의 분포 및 해수교환 정도가 다르게 나타나고, hypsographic 분석을 통해 이를 정량적 으로 표현할 수 있다 (Gomez, 2006). Langbein

et al. (1947)은 육상에서 고도에 따라 달라지는 표층면적을 나타내고자 hypsometry라는 개념을 제안하였으며, 이는 배수유역에서 해수면 상위의 각 고도별 육상의 면적 관계를 구하기 위해 최 초로 적용되었다 (Strahler, 1952). 만의 경우 hypsometry는 염습지, 갯벌, 갯벌 조류로 등 고 도에 따른 다양한 표층 형태의 분포를 표현하는 데 활용될 수 있다 (Oertel and Woo, 1994). 이 개념은 수리모델에도 적용 가능하며, 연안지형의 해수흐름 특성을 파악하기 위한 hypsography 가 그것이다 (Boon and Byrne, 1981; 우한준 등, 2009). Oertel (2000)이 제안한 hydro- hypsography 개념은 만의 각 깊이별로 해수가 차 지하는 표면적, 즉 해수에 잠기는 육지의 면적을 구하고자 하는 것이다. 조석의 영향을 받는 만의 경우에는, 해수 표면적은 수심이 최대인 바닥에서 최소이며, 만조시 최대가 된다. 각 수심별 해수표 층의 면적을 이용하여, 조석 교환에 의하여 전체 적인 해수가 바뀌어 지는데 걸리는 시간, 즉 수리 적 교환시간 (hydraulic turn-over time, HTT)을 계산하고 이를 통해 해수 흐름 (flushing) 특성을 파악하고자 하는 것이 hydro-hypsographic 분석 기법이다.

이 연구에서는 서해안 근소만 저서환경의 해 수 분포 및 유동 특성을 파악하기 위한 hydro- hypsographic 분석을 통해 수리적 교환시간을 계 산함으로써 근소만의 해수유통 특성을 정량적으로 분석하고자 한다. 이를 위해 광학 원격탐사 자료 와 현장 고도 및 수심 측량 결과를 이용하여 연구 지역의 수치고도모델 (digital elevation model, DEM)을 작성하고, 지리정보시스템 (geographic information system, GIS) 분석기법을 활용하여 hydro-hypsographic 분석을 실시하였다. 분석결 과를 이용하여 수리적 교환시간을 계산함으로써 연구지역의 해수유통 특성을 정량화하고, 그 결과 를 국내외 타 지역 분석결과와 비교함으로써 만의 건강성 파악의 기초 지표로 활용하고자 한다.

Fig. 1. Location of the Geunso Bay tidal flat and SPOT satellite image acquired on February 13, 2005

2. 연구지역 및 방법

충청남도 태안반도에 위치한 근소만은 조석의 영향을 받는 반 폐쇄성 만으로 총면적은 30 km² 이며, 이 중 70%가 저조시 대기 중에 노출된다.

근소만의 평균조차는 6 m이며, 평균해면 높이는 약 3.55 m이고, 만조시에는 2-4 m의 수심을 유 지한다. 근소만은 직접 유입하는 하천이 없기 때 문에 만 주변에서 유입되는 담수는 없으며, 해안 선을 따라 약 30개의 크고 작은 방조제가 건설되 어 있다. 따라서, 만 외부와 내부의 해수교환은 약 2 km 폭의 만 입구를 통해서만 이루어진다 (김동선과 김경희, 2008). 표층 퇴적상은 주로 혼 합 퇴적상으로 이루어져 있으며, 만 입구의 남쪽 간조선 주변과 서쪽 만조선 주변은 상대적으로 조 립한 입자가, 동쪽 만조선 주변으로는 세립의 입 자가 주로 분포하고 있다 (Eom et al., 2010).

2009년 동안의 퇴적률 조사 결과, 서쪽 갯벌과 동쪽의 해안선 부근 갯벌에서는 퇴적, 동남쪽과 중앙 갯벌은 침식이 우세한 경향을 보이는 것으로 나타났다 (Woo et al., 2010). 지형고도는 만조선

주변 펄 퇴적상 지역에서 최대 약 4 m 정도로 높 으며, 간조선으로 갈수록 점차 낮아지는 경향을 보인다. 동쪽의 만조선 주변의 펄 퇴적상 지역에 는 조류로가 복잡하게 잘 발달되어 있으며, 나머 지 지역에서는 간헐적 조류로 분포를 보이고 있 다. 갯벌 동남쪽 지역에는 주 조류로가 동서 방향 으로 형성되어 있다. 이 연구의 지역적 범위는 해 수교환이 통로가 되는 만 입구부터 만 안쪽의 갯 벌을 포함하는 지역으로 설정하였다 (Fig. 1).

Hydro-hypsographic 분석을 위해 연구지역의 DEM 자료가 필요하다. 갯벌 지역의 DEM은 다양 한 조위에 얻어진 광학위성자료로부터 해수와 갯 벌의 경계를 추출하여 벡터화한 수륙경계선 (waterline)에 절대 고도값을 입력하고, 이를 내삽 함으로써 제작할 수 있다 (Ryu et al., 2002). 그 러나 이 방법으로는 만 입구 조하대가 포함된 DEM은 구할 수 없으며, 갯벌 조류로의 정밀한 고도도 구하기 어렵다. 따라서 조하대와 조류로 지역에 대해서는 만조시 선박을 이용하여 음향측 심기 (Echo-Sounder)를 이용하여 수심을 측량하 고, 이를 waterline 방법과 병행하여 이용함으로

써 연구지역 전체의 DEM을 작성하였다. 수심측 량은 음향측심기의 음파 송수신기를 조사 선박 측 면에 고정하여 해저에 중심 주파수의 음파를 발신 하고 되돌아오는 신호를 수신함으로써 실시하였 다. 얻어진 자료는 국립해양조사원에서 관측한 안 흥조위관측소의 조석값을 이용하여 수심을 보정하 고, 이를 바닥의 지형고도 값으로 변환하였다. 갯 벌의 waterline은 Landsat enhanced thematic mapper plus (ETM+) 영상자료로부터 추출하였 다. Waterline 방법을 적용하기 위해서는 획득된 위성영상 자료들이 갯벌 지형변화를 무시할 수 있 을 만큼 단기간에 얻어져야 하며, 추출된 waterline은 등고선이라는 가정이 필요하다 (Ryu et al., 2002). 이 연구에서는 2009년과 2010년 에 획득된 총 7개의 영상자료를 사용하였으며, 모

든 영상자료는 기존에 기하보정이 실시된 연구지 역의 영상을 기준으로 영상 대 영상 (image to image) 방법에 의해 0.5 픽셀 이내의 오차로 지 형보정을 실시하였다. Table 1은 근소만의 DEM 작성을 위해 사용된 7개 Landsat ETM+ 영상의 획득 날짜와 획득 당시 조위자료 (안흥조위관측 소), 조석상태를 나타낸다. Waterline 방법에 의 한 DEM 제작을 위해서는 각 waterline에 해당하 는 절대고도값이 필요하며, 이는 음향측심기에 의 해 측량된 수심자료로부터 계산된 고도자료를 이 용하였다. Table 1의 마지막 컬럼에 이를 표시하 였다. Fig. 2a는 추출된 waterline과 사용된 음향 측심자료의 측선을 나타내고 있으며, Fig. 2b는 이들로부터 최종적으로 얻어진 연구지역의 DEM 자료를 나타낸다.

Sensor Date Tide Height (cm) Tide condition　 Eco-sounding (cm)

Landsat ETM+

2009.05.08 184 flood 170

2010.02.04 258 ebb 240

2010.02.20 288 ebb 250

2010.04.09 432 flood 390

2010.09.16 392 ebb 330

2010.01.03 -5 ebb -10

2010.10.18 392 flood 370

Table 1. Satellite images used for the tidal flat DEM generation in this study

Fig. 2. (a) Waterlines extracted from the satellite images with survey lines of the eco-sounding measurement and (b) DEM in Geunso Bay generated in this study

작성된 연구지역의 DEM을 이용하여 상용 지리 정보시스템 (GIS) 소프트웨어인 ArcGIS 프로그램 의 공간분석 기능을 활용하여, hydro-hypsograhic 분석을 실시하였다. Hydro-hypsography는 만의 특정 수심에서 해수가 차지하는 면적을 나타내고 자 하는 개념이다. Fig. 3은 만에서 각 수심과 면 적 간의 관계를 나타낸다. 만의 바닥에서 수심은 0으로 가정하며, 이 때 해수 표면적은 최소값을 갖는다. 만의 수심은 해수 표면에서 최대값 (D)을 가지고, 이 때 해수 표면적은 최대값을 갖는다.

또한, 만에서 해수가 차지하고 있는 공간의 부피 를 void prism이라고 하며, 만조 시 최대값을 갖 는다. 이러한 개념에 의해 만의 각 수심별로 해수 표면적을 구하였다. 모든 해수 표면적은 만의 가 장 깊은 곳에서부터 표층까지 0.5 m 간격으로 계 산 되었다.

Fig. 3. Schematic diagram representing the hypsographic areas, heights and prisms.

만의 각 수심별 해수 부피 비율과 만 전체 높 이 비율 간의 연관관계를 고려할 때, 조석에 의해 교환되는 해수 부피를 조석 (tidal) prism, 간조 시에도 바다로 빠져나가지 않고 만에 남게 되는 해수 부피를 잔류 (residual) prism이라 표현할 수 있으며, 해수 교환 특성을 파악하기 위하여 수 심과 표면적을 이용하여 조석 및 잔류 prism 등 해수 부피를 구하였다. 계산된 조석 prism과 잔류 prism의 합, 즉 void prism이 최대일 때의 부피

가 만 전체의 해수부피 (total prism)가 되고 (Fig. 3), 만 전체의 해수 부피와 각 조석 시 유입 된 해수의 부피, 즉 잔류 prism과의 비를 flushing point (F-Point)라 하며, 해수 흐름의 특 성을 결정하는데 사용된다. 즉, F-point는 식(1) 과 같이 표현되며,

F = Ωtidal prism/Ωtotal prism (1)

조석에 의하여 유입된 해수가 만에 남아있는 해수와 전체적으로 혼합된다고 가정하면, 수리적 교환 시간(HTT)은 조석 교환에 의하여 전체적인 해수가 바뀌어 지는데 걸리는 시간이고, 이는 조 석 부피와 만 전체의 해수부피로부터 식(2)와 같 이 계산된다.

HTT = Ωtotal prism/Ωtidal prism = 1/F (2) 3. 연구결과 및 토의

근소만 조위는 6.0 m, 최저수심은 평균해수면 아래 14.51 m (HW datum)을 적용하였다. Fig. 3 은 근소만에 대해, 각 수심별 (d)로 전체 수심 (D)에 대한 수심 비율과 전체 만의 면적 (A)에 대 한 해당 수심에서의 면적 (a) 비율 간의 관계를 나타내는 hydro-hypsographic curve이다. 이러 한 상관관계를 통해, 만의 각 수심별 저서환경 표 면적 변화를 파악할 수 있다.

hydro-hypsographic 분석에 의해 계산된 근 소만의 면적은 30.93 km², 갯벌 면적은 29.07 km² 으로 전체면적의 약 95%가 조간대인 것으 로 계산되었다. 근소만의 전체 해수 부피 (total prism)는 5.7 X 10⁷ m³, 조석 부피 (tidal prism) 는 5.5 X 10⁷ m³, 잔류 부피 (residual prism)는 1.8 X 10⁶ m³인 것으로 분석되었다. 만조 시에 유입된 해수가 간조 시에도 만에 잔류하고 있던 해수와 완전히 섞인다고 가정했을 때, 식(1)에 의 해 계산된 F값은 0.97이고, HTT는 1.03 tidal cycle이었다.

Fig. 3. Hydro-hypsographic curve in Geunso Bay

근소만의 연구결과를 국내외 타 지역의 분석결과 와 비교하여, 상대적인 해수유통 특성을 평가하였 다. 미국 동부 남델바마 반도의 Great Machipongo

Bay의 분석결과는, 조석 부피가 만 전체 부피의 54%, 조석에 의한 수리적 교환시간은 1.85 tidal cycle인 것으로 나타났다 (Oertel, 2001). 우한준 등 (2009)에 의해 분석된 가로림만의 경우는, 조 석 부피가 76%를 차지하고, HTT는 1.32 tidal cycle 이었다. Table 2는 세 지역의 분석결과를 요약한 것이다. 국내의 가로림만과 근소만의 경우 는, Great Machipongo Bay와 비교할 때 큰 조차 를 보이므로 상대적으로 짧은 HTT를 보이는 것 으로 판단된다. 또한, 근소만은 가로림만에 비해 만 전체에서 저서환경이 차지하는 면적 비율이 매 우 높아 짧은 수리적 교환시간을 보이는 것으로 분석된다. 즉, 조차의 변화, 저서환경 (갯벌) 면적 의 변화 등은 조석에 의한 해수의 수리적 교환시 간에 영향을 주는 요인으로 판단된다. 조차의 증 가 또는 갯벌 면적의 증가는 F값을 증가시키게 되며, 이는 결국 해수 교환에 걸리는 시간을 짧게 한다. HTT가 짧다는 것은 해수 유통이 활발하다 는 것으로, 만의 건강성이 우수함을 나타내는 지 표가 될 수 있다 (우한준 등, 2009).

Great Machipongo Bay Garolim Bay Geunso Bay

Area of bay 15,000 ha 10,000 ha 3,000 ha

Tidal range 1.5 m 6.8 m 6.0 m

Max. water depth 26.75 m (HW datum) 28.76 m (HW datum) 9.55 m (HW datum)

Area of tidal flat 84% 77% 95%

Total prism 3.13 X 10⁸ m³ 4.80 X 10⁸ m³ 5.70 X 10⁷ m³

Tidal prism (%) 54% 76% 97%

HTT 1.85 1.32 1.03

Table 2. Comparison of hydro-hypsograpic analysis in the study area with some other sites

4. 결 론

우리나라 서해안에 존재하는 만, 갯벌, 하구 등 다양한 형태의 소환경들은 저마다 다른 퇴적환경 및 저서환경을 가지고 있으며, 간척사업 등 계속

되는 대규모 공사의 영향으로 그 환경은 급격하게 변하고 있다. 근소만의 경우, 주변에 대규모 공사 가 보고된 바 없으며, 육지로부터의 담수 유입이 없고 외해와 매번 tidal cycle에 의하여 교환되는 해수의 비율이 높아 flushing이 상대적으로 좋은

것으로 나타났다 (HTT = 1.03). 그러나 만의 조 차가 일정한 상태에서 인공적 요인에 의하여 조류 와 부유 퇴적물 양이 변화하여 조간대 면적이 감 소하고 수로의 면적과 깊이가 증가하면 HTT는 증가하게 되어 해수 유통이 상대적으로 나빠지게 된다. 이와 같이, 만에서 외해와의 해수유통은 저 서환경의 생태학적 건강성을 판단할 수 있는 지표 가 되므로 hydro-hypsographic 분석은 우리나라 의 다양한 형태의 연안환경들에서 해수교환 특성 을 파악하고 건강성을 평가하는 기술로서 활용 가 능할 것이다. 향후 더욱 정밀한 해수 유통 특성 분석을 위해서는 조하대 및 수로의 정확한 수심자 료 확보가 필요하며, 우리나라 만들의 해수유통 특성 파악을 위한 hydro-hypsography 분석 체계 를 정립할 필요가 있다. 또한 만의 건강성 평가 결과에 대한 검증 방법을 연구하고, 이를 이용한 검증을 수행할 필요가 있을 것으로 판단된다.

감사의 글

이 연구는 한국해양연구원의 “해양위성센터 기 능고도화 사업 (PE98620)”과 공공기술연구회의

“위성자료 공공활용 연구 - 해양분야 위성활영연 구 사업(PG47610)”의 지원으로 수행되었습니다.

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○논문접수일 : 11년 03월 14일

○심사의뢰일 : 11년 03월 30일

○심사완료일 : 11년 04월 13일