Estimation of Tidal Residual Flow and Its Variability in Kyunggi Bay of Korea

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경기만 조석 잔차류 산정 및 변동성

Estimation of Tidal Residual Flow and Its Variability in Kyunggi Bay of Korea

김창식*·임학수*·김진아*·김선정**·박광순**·정경태*

Chang S. Kim*, H. S. Lim*, Jinah Kim*, Seonjeong Kim**, K. S. Park** and K. T. Jung*

요 지 : 경기만은 한강과 임진강 수계의 하구역을 중심으로 황해의 중부해역을 잇는 매우 중요한 해역이다. 특 히 경기만 해역의 연안개발로 인한 하구습지와 연안습지의 훼손이 가속화되고 있다. 이러한 갯벌과 해저 퇴적체의 변화에 대한 이해와 원인 규명을 위해서는 조석 잔차류의 역할이 중요함을 제시하였다(Kim et al., 2009). 하지만 경기만에서의 조석 잔차류에 대한 정량적 연구는 잘 이루어져 있지 못하며, 연간 변동성에 대한 연구도 흔하지 않 다. 본 연구에서는 경기만 주수로인 석모수로와 장봉수로에서 1년간 연속 관측한 수층별 조류를 이용하여, 조석 잔 차류의 특성과 조류분조의 특성을 정밀하게 분석하였다. Kim et al.(2009)이 제안한 이동평균(Moving average) 기 법을 이용하여 연간 월별 그리고 수층별 자료로 확대하여 분석하였다. 또한 조류조화분해를 실시하여 이동평균 기 법의 잔차류 특성과 비교하였으며 계절별 수층별 조류분조의 특성을 제시하였다. 비조석성분인 잔차류 산정에는 이 동평균 기법과 조류조화분해법이 동일한 결과를 보였으나 단주기 변동성 분석에는 이동평균기법이 장점을 가진 것 으로 보인다. 석모수로의 잔차류는 연간 낙조류 방향이며, 표층에서 20-40 cm/s, 저층에서 10 cm/s 미만으로 분석 되었다. 장봉수로에서는 연간 창조류 방향의 잔차류는 표층에서 15-30 cm/s, 저층에서 20 cm/s 안팎으로써 여름철 에는 강한 경압형 구조를 보인다. 본 연구에서는 해저면에 설치된 음파식 유속계 자료의 처리, 조석잔차류의 산정 과 경기만 수로에서의 연간 잔차류 수직 구조와 변동성에 대한 결과를 제시함으로써, 경기만 일대의 물질이동과 퇴 적체 변동성 연구에 기본적 자료로 활용될 것으로 판단된다.

핵심용어 :조석잔차류, 경기만, 석모-장봉 수로, 이동평균기법, 조류조화분해

Abstract : The Kyunggi Bay in mid-west of Korea is a relatively large estuarine system that connects the Han River system with Yellow Sea. Due to macro-tidal range of more than 8 m, the urban estuary shows deep tidal channels and wide tidal flats. Since last 30 years, the coastal development is undergoing, yielding noticeable change in environment. Particularly the tidal flat dynamics are generally accepted as being related with tidal residual flows in this area (Kim et al., 2009). We have estimated the annual variation and vertical structure of residual currents with one-year long observed flows in two major tidal channels of Kyunggi Bay. The moving average method and tidal current harmonic analysis yield nearly the same results on residual flow. The residual flow in Jangbong channel ranges from 20 cm/s in summer to 30 cm/s in winter. It is noticeable that the residual flow in Jangbong channel is flood dominant throughout the year, while the flow in Seokmo channel is ebb-dominant residual flow with current speed range of 20-40 cm/s. Due to the baroclinic response of relatively shallow estuary, significant reduction of energy in bottom layers have been observed, indicating the importance of residual circulation to the tidal flat behavior.

Keywords : Tidal residual flow, Kyunggi Bay, Seokmo-Jangbong channel, Moving Average, Tidal Current Harmonic Analysis

1. 서 론

조석 잔차류는 일반적으로 해수 흐름에서 조석 성분을 제 거한 흐름으로 정의된다(Kreeke, 1992). 연안 환경의 수리 특 성에서 해양오염과 환경 변화에 대한 거동을 해석하기 위한 기본적 수단으로 사용되어 왔다. 조석 잔차류의 중요한 역할 과 정의의 단순함에도 불구하고 이에 대한 산정 방법과 자료

의 분석 방법에 대한 명확한 제시가 결여된 것으로 사료된다. 산 정 방법의 표준화가 이루어 지지 못한 것은 해역에 따라 조 석의 형태가 다르며, 천해와 지형 등에 의한 비선형 특성, 기 상 외력과 담수 유입 등 다양한 잔차류 발생원인 등을 이유 로 볼 수 있다(Ellias and Stive, 2005; Yanagi et al., 2003;

Murphy and Valle-Levinson, 2008). 특히 조석 성분이 매우 복잡하여 천해분조가 뚜렷하며 유속의 수직 구조가 현저한 경

*한국해양연구원 해양환경방제연구부(Corresponding author: Chang S. Kim, Marine Environment & Pollution Prevention Research Depart. KORDI, Ansan P.O. Box29, 425-600, Korea, [email protected])

**한국해양연구원 기후연안재해연구부(Climate Change & Coastal Disaster Research Depart. KORDI)

기만과 같은 해역에서는 잔차류의 수층에 따른 변화와 연간 변동성에 대한 충분한 이해는 아직 결여된 상태이다. 따라서 본 연구에서는 수직 구조의 변화를 무시한 Kim et al.(2009) 과는 달리 연간 월별 수층별 잔차류를 정밀 산정하고, 이를 조류조화분해 결과와 비교함으로써, 연간 변동성과 그 원인 규명을 하고자 한다. 이로써 경기만에서 관측한 해류 자료를 정량적으로 분석하여 경압성 흐름 구조의 연간 변동성을 제 시하는데 목적이 있다.

경기만은 한강과 임진강 수계의 하구와 황해 중부를 잇는 중요한 역할을 하며, 황해 중부의 조석 간만의 차이가 큰 대 표적 해역이다(Kim et al., 2004). 한강과 임진강으로부터 계 절적 변화가 크지만 연간 약 21억 톤의 담수 유량, 연간 약 142 만 톤의 부유토사가 유입되고(Kim and Lim, 2007, 2009) 7-10 m 조차로 인한 약 200 km

²

의 광활한 하구 및 해안 갯 벌(한국환경정책연구원, 2005)이 발달한 해역이다. 일반적으 로 M2, S2, N2, K1과 O1의 주요 분조가 조석 에너지의 약 60% 이상을 차지하고, 천해성 비선형 분조인 M4, MS4, MN4 와 조금-사리의 복합 성분인 MSf 등 지역 성분이 유의 한 에너지를 차지한다(Lee and Kim, 2001; 한국해양연구원, 2008). 경기만의 조석 수송은 대부분 석모수로와 장봉수로를 통하여 이루어지며, 이들을 통한 조석 잔차류에 의한 토사 이 동은 강화도 남단의 갯벌 형상을 유지하는 중요한 기능을 제 공한다(Kim et al., 2009).

최근 경기만 일대의 연안개발 활동은 주변 해역의 환경 변 화를 초래할 우려가 있으며, 이에 대한 원인적 분석을 위해 서는 경기만 조석 잔차류의 특성을 정량화하고, 수리역학과 지형변화의 상호 관계를 예측하기 위한 필수적 선행 연구이 다. 본 연구에서는 경기만의 대표적 수로인 석모수로와 장봉 수로의 중심축에서 2007년 11월부터 1년간 연속적으로 측정 한 수층별 해수 흐름 자료를 분석하여 조석 잔차류의 수직 구 조와 연간 변동성을 정밀 분석하고, 조류조화분해 결과와 비 교함으로써, 잔차류 특성과 변동성에 대한 원인을 논의하고 자 한다.

2. 현장실험 및 자료분석

2.1 현장실험

해안선이 복잡하고 크고 작은 많은 섬들이 산재해 있으며, 수 심이 얕고 조석간만의 차가 커 저조시에 넓은 갯벌이 나타나 는 경기만은 한강을 비롯하여 임진강, 예성강 등 강의 계절 적 유량 변동이 커서 해수와 담수의 혼합과 토사이동 및 갯 벌 변동에 큰 영향을 미친다. 경기만 하구 주요 수로의 수리 역학 메커니즘과 계절별 잔차류에 대한 변동 특성은 많은 연 구자들에게 관심 사항이다. 하지만 수리역학과 퇴적역학 변 화의 중요성과 원인 규명을 위한 종합적 조사연구는 지정학 적 어려움과 이로 인한 장기 고정 관측의 낮은 성공률로 인 하여 과학적 분석에 어려움이 있었다(한국해양연구원, 2008).

다행히 2007-2008년간 경기만 일대의 종합적 관측 프로그램 ( 한국해양연구원, 2008)의 일환으로 수행된 경기만 대표 수로 인 석모수로와 장봉수로의 차폐되지 않은 해수 흐름 측정은 본 연구의 목적을 달성하는데 충분한 자료를 제공하였다.

현장 실험은 2007년 10월 말부터 2008년 10월 말까지 경 기만 장봉도 일대에서 수행되었다(Fig. 1a & 1b). 장봉수로 의 중심부인 정점 W21(126

^o

22'29"E, 37

^o

31'04"N; 수심 12+/

-4 m) 와 석모수로 중심부인 정점 W22(126

^o

15'41"E, 37

^o

34' 56"; 수심 18+/-4 m)에 음파식 유속계 AWAC(Acoustic Wave and Current Profiler; Norway 의 NORTEK사) 600 kHz 1대를 W22 지점의 해저면과 1 MHz 1대를 W21 지점의 해저면에 설치하여 매 10분마다 수층 1 m와 50 cm 간격으로 해수의 흐름을 측정하였다. 수층별 유속과 함께 표층의 장주기 변동 을 분해하는 해수면 변화와 파랑(파고, 파향, 주기)을 동시에 측정하였고, 해저면에서의 수온을 연속 측정하였다. 두 개의 고정점에서의 연속 관측에 대한 흐름의 공간 구조의 해석을 돕기 위하여 장봉도 동쪽의 W21에서 장봉도 북측 수로를 따 라 서쪽의 W22에 이르는 동서간 수로에서 RD사의 WH- ADCP 를 이용하여 유속의 수직 공간 분포를 측정하였다(Fig.

Fig. 1. (a) Bathymetry of Kyunggi Bay Estuary. (b) Site map of 1- year long current observation (W21 and W22) along with bathymetry showing two major tidal channels and large tidal flats (approximately 20,000 ha) on the southwestern tip of Ganghwa Island (water depth > 0 m LLW).

1b). 해역의 수문과 기상 자료는 인천국제공항의 기상관측 자 료를 이용하였고, 한강 잠실교와 임진강 적성에서 측정하는 환경부의 유량 자료를 기본 자료로 활용하였다. Fig. 2는 석 모수로 W22 지점에서 2007년 11월부터 3개월간 측정된 자 료를 예로 보여주고 있으며, 자료의 상태는 매우 양호한 것 으로 판단된다.

2.2 수층별 자료의 추출

해저 음파식 유속계는 방출 음원의 주파수에 따라 측정하 고자 하는 수층 Cell의 두께를 설정하면, 전체 수심에 따라 측정되는 전체 Cell 수가 결정된다. 본 연구에서 사용한 음 원은 석모수로 W22 지점에서 600 kHz로 최적 수층 Cell 두 께를 1 m로 설정하였다. 장봉수로 W21 지점에서 1 MHz로 최적 수층 Cell 두께를 50 cm로 설정하였으며, 수심과 조석

변화를 고려하여 전체 Cell 수를 40개로 설정하였다. 바닥 거 치대의 높이와 AWAC의 미감지 지역(Blind Zone)을 고려하 면 석모수로와 장봉수로의 첫 번째 Cell은 해저면 바닥으로 부터 절대 높이 약 1.7 m와 1.5 m의 유속을 측정하게 되었고, 이후 수면 방향으로 각 Cell은 1 m와 0.5 m 간격으로 표층까 지 유속을 측정하였다. 조석 간만의 차이가 약 8 m에 이르는 연구 해역에는 조시에 따라 물속에서 해수의 흐름을 측정한 Cell 수가 변화한다. 저조시 물에 잠겨 있는 표층의 Cell을 고 정하여 표층 유속으로 설정하면, 고조시 수심 8 m 아래에 잠 긴 수층의 유속이 표층 유속을 대표하는 오류를 낳게 된다.

본 연구에서는 수리역학의 역학적 표면경계조건(Kinematic Surface Boundary Condition)의 기본 개념을 유지하기 위하 여 항상 표층의 Cell을 표층 유속 Cell로 지정하고, 표층 Cell 과 저층 Cell과의 중간 Cell을 중간 수층으로 택하였다. 이를 위해서는 40개의 모든 Cell의 Signal-to-Noise 프로파일로부 터 공기 밖으로 나온 Cell 들을 제거하여 실제 해수 흐름 자 료로 사용하였다. 이러한 유효 자료 추출은 저층 거치식 음 파 유속계의 자료 사용시 조석에 따른 표층 Cell 번호가 변 화됨을 중요시하는 선처리 과정으로써, Fig. 3에 추출된 자료 의 특성을 제시하였다.

2.3 자북 기준 자료의 진북 자료 변환

대부분의 음파식 유속계는 자북을 기준으로 하는 컴퍼스를 내장하여 유향을 측정한다. 경기만 해도를 이용하면, 연구 해 역에서 진북은 자북으로부터 시계방향으로 7

^o

편차를 나타냄 을 알 수 있다. 자북을 기준으로 하여 동향 성분과 북향 성 분으로 측정하는 AWAC 해수 흐름 자료는 진북 좌표계에서 의 동향 성분과 북향 성분으로 변환하여야 하며, 7

^o

편차에 의한 비수정 에러는 잔차류 크기와 방향에 유의한 오류를 포 함할 수 있다고 사료된다. 이에 따라 본 연구에서는 Arfken (1968) 에서 제시된 벡터좌표변환식을 사용하여 모든 자북 기 준 자료를 진북자료로 변환하여 사용하였다.

2.4 이동평균과 조류조화분해에 의한 잔차류 산정 본 연구에서는 Kim et al.(2009)에서 제안한 이동평균 기 법(Moving average)과 캐나다 해양연구소(IOS)의 조석조류분 석 프로그램(Tidal Analysis Package)의 조류조화분해 기법을 사용하여 조석잔차류를 산정하였다. 이동평균 기법은 자료의 평균 시간에 따라 잔차류의 진동 범위는 비조석 평균값으로 부터 유의한 편차가 있으므로 분석에 주의를 필요로 한다. 선 행 연구에서 밝혔듯이 조석 성분이 제거된 잔차류는 대조기 -소조기 주기인 MSf 성분 주기에 해당하는 평균 시간을 권 장하였다. 이는 Kreeke(1992)이 사용한 40 시간의 Low-pass filter의 효과와 거의 동일한 분석 결과를 준다. 이동평균 기 법은 M2와 같은 주요 분조 주기의 배수 시간에 대해 적용 할 경우 기상 변화나 담수 영향 등에 의한 수 일 주기의 변 화 관계를 규명할 수 있는 장점이 있다(Kim et al., 2009).

Fig. 2. (a) Waves, water temperature at the bottom and surface ele- vation observed in winter at W22 (Seokmo Channel). (b) East component of current at each layer of W22 in winter.

본 연구에서는 비조석 성분의 잔차류 산정을 위해서 MSf 성 분 주기인 354.36 시간을 사용하였다.

경기만과 같이 반일주조가 우세하면서 일주조 성분이 뚜렷 한 경우 천해분조의 발생이 나타나서 조석 체계는 매우 복잡 한 분조로 구성된다. 경기만 조류의 성분별 특성을 분석하기 위하여 연간 매월 그리고 각 수층별(표층, 중층, 저층) 30일 간의 조류 자료를 조화분해하였다. 조류 자료의 원시 자료를 검색한 결과 표층으로부터 저층에 이르기까지 유속이 30% 이 상 감소하며 방향의 변화도 현저함을 보임으로써, 잔차류의 수층별 분석은 매우 의미있는 것으로 판단되었다.

3. 결 과

3.1 조석 잔차류 산정 비교

관측된 해수 흐름 자료를 이동평균과 조류조화분해로 분석 한 결과를 비교하였다. 비교에 사용된 자료는 2007년 11월과 2008 년 7월에 관측점 W21(장봉수로)과 W22(석모수로)에서 측정된 표층, 중층과 저층의 흐름이다. 이 자료에 매 10분마 다 측정한 30일간의 자료를 MSf 성분 주기 자료에 대해 이 동평균을 취하였다. 동서와 남북 방향의 잔차류 성분으로부 터 진북을 기준으로 한 잔차류 방향을 설정하였다. 동일한 자 료를 조류조화분해하여 비조석 성분인 Zo 값을 잔차류로 사 용하였다.

Table 1은 동일한 자료에 대한 이동평균 기법과 조류조화 분해 기법에 의한 잔차류 산정 결과를 비교한 것이다. 겨울 철과 여름철의 수층별 잔차류의 크기와 방향을 제시하고 있 다. 전체적 분석 결과에서 30일간의 자료를 사용하면 이동평 균 기법과 조류조화분해 기법의 결과는 동일함을 보여준다.

장봉수로의 W21 지점에서는 겨울철 잔차류가 여름철보다 크 다. 연간 모든 수층에서 창조류 방향인 동향을 나타낸다. 겨 울철 표층은 동향 27 cm/s을 나타내고 저층에서는 동남동 방 향의 21 cm/s로써 표층보다 약 20% 감소한 것으로 분석된 다. 장봉수로의 여름철 잔차류는 매우 흥미있는 결과를 보인 다. 장봉수로의 여름철 표층 잔차류는 중층(19 cm/s)이나 저 층(18 cm/s) 보다 다소 약한 15 cm/s을 보임으로써, 여름철 강수 유입에 의한 담수의 경기만 내 확장에 의한 표층류의 약 화 현상으로 해석된다. 표층류의 약세 현상은 우기를 포함한 여름철에 나타나는 현상이다.

장봉도 서쪽에 위치한 석모수로의 W22에서는 장봉수로와 달리 여름철 표층이 27 cm/s으로 겨울철 표층의 21 cm/s 보 다 강하게 나타났다. 석모수로에서는 연간 전층에서 남남서 방향의 낙조 우세 방향으로써, 저층에서 서쪽으로 치우치는 경향을 보인다. 석모수로 북단으로 연간 유입되는 담수 유량 에 의한 압력구배가 높은 영향으로 석모수로를 통하여 유출 되는 흐름의 잔차류가 낙조 우세임은 놀라운 일은 아니다. 특 이한 관찰은 석모수로의 저층에서는 10 cm/s 미만의 약한 잔 차류를 보인다. 조류의 원시 자료에서 저층의 유속은 일반적

Fig. 3. (a) A segment of raw data recorded on the AWAC at W21

(Jangbong Channel). (b) Flow data after extraction of out- of-water signals by using the signal-to-noise ratio. (c) Com- posed data representing the currents at valid surface, middle and bottom layers.

으로 표층보다 20-30% 감소한 값을 보이며, 이는 저면 마찰 에 의한 에너지 감소로 볼 수 있다. 석모수로의 저층 잔차류 가 표층의 50% 이상 감소한 것은 동북동 방향의 장봉수로 진 입 창조 우세 조류와 낙조 우세의 석모수로 유출수의 상호 작 용이 저층에서 나타난 것으로 해석될 수 있다.

3.2 조류조화분해 특성

앞 절에서 살펴본 바와 같이 경기만 조석 체계는 매우 복 잡하다. 특히 수층별 잔차류의 변화와 천해성 성분의 영향 등 이 현저하게 나타나는 것으로 알려져 있다 (한국해양연구원, 2008). 이에 따라 측정된 조류의 조화분해 결과를 제시하고

특성을 분석하고자 한다.

Table 2는 장봉수로 정점인 W21에서 2007년 11월과 2008 년 7월에 측정된 자료의 표층과 저층 조류의 조화분해 결과 이다. 전체 조류 에너지의 95% 이상을 대표하는 조류분조를 제시하였다. 비조석성분(Zo)의 잔차류는 계절과 수층별로 변 화가 뚜렷하며, 이러한 경향은 크기순으로 M2, M4, MS4, S2 에도 동일한 경향을 나타내고 있다. 일반적으로 저층은 표 층 유속의 30% 이상 감소한 것으로 나타나며 이는 비교적 천 해로 인한 마찰에 의한 에너지 소산으로 볼 수 있다. 여름철의 조류는 각 분조마다 서로 다른 변화 특성을 나타낸다. M2 조 류의 경우 겨울철 표층에 44 cm/s을 나타내는 반면 여름철에

Table 1. Comparison of residual flows estimated by using moving average and harmonic analysis

Station

Winter (November, 2007) Summer (July, 2008)

Moving average Harmonic analysis Moving average Harmonic analysis Speed (m/s) Direction (°) Speed (m/s) Direction (°) Speed (m/s) Direction (°) Speed (m/s) Direction (°) W21

Surface Middle Bottom

0.27 0.26 0.21

49.3 51.1 57.0

0.27 0.26 0.21

49.7 51.3 57.1

0.15 0.19 0.18

44.2 48.0 57.1

0.16 0.20 0.19

46.3 50.1 59.4 W22

Surface Middle Bottom

0.21 0.18 0.09

214.7 220.1 239.6

0.22 0.19 0.09

215.9 219.8 238.1

0.27 0.17 0.06

220.0 213.8 245.2

0.30 0.18 0.06

220.9 214.8 247.8

*Direction (°) : direction with respect to True North.

Table 2. Tidal current constituents observed at W21 during Winter and Summer

Name

W21

Winter (November, 2007) Summer (July, 2008)

Major (m/s) Minor (m/s) INC (°) G (°) Major (m/s) Minor (m/s) INC (°) G (°) Z0 Surface

Bottom

0.27 0.21

0.00 0.00

40.3 32.9

360.0 360.0

0.16 0.19

0.00 0.00

43.7 30.6

360.0 360.0 MSF Surface

Bottom

0.13 0.07

-0.01 -0.01

25.7 17.5

32.4 25.5

0.19 0.09

-0.01 -0.01

32.5 30.1

53.8 65.4 O1 Surface

Bottom

0.03 0.03

-0.00 0.00

38.8 55.4

154.2 159.8

0.02 0.02

-0.01 0.00

16.5 49.1

202.7 157.7 K1 Surface

Bottom

0.04 0.03

-0.01 0.00

42.2 48.5

178.6 175.7

0.04 0.03

0.00 0.00

36.2 52.2

209.0 234.9 N2 Surface

Bottom

0.10 0.07

-0.01 0.01

35.5 32.8

340.1 337.2

0.07 0.05

0.02 0.02

37.1 19.8

21.7 342.0 M2 Surface

Bottom

0.44 0.30

0.00 0.05

37.0 27.7

1.1 352.8

0.52 0.32

-0.03 0.07

36.7 27.3

38.4 24.7 S2 Surface

Bottom

0.16 0.11

0.03 0.04

34.3 34.7

35.0 30.1

0.09 0.07

0.01 0.03

25.4 20.0

106.3 98.1 MK3 Surface

Bottom

0.04 0.03

0.01 0.01

24.4 24.1

262.5 283.0

0.05 0.03

0.00 0.00

27.6 18.6

343.4 14.7 MN4 Surface

Bottom

0.12 0.08

-0.01 -0.01

32.3 33.7

99.0 101.4

0.07 0.05

-0.02 -0.02

34.7 19.7

135.5 108.0 M4 Surface

Bottom

0.25 0.16

-0.02 -0.03

30.5 30.2

121.6 122.0

0.27 0.13

-0.02 -0.03

28.9 35.6

190.8 186.9 MS4 Surface

Bottom

0.17 0.11

-0.02 -0.03

28.0 27.0

150.3 150.9

0.18 0.11

-0.01 -0.03

31.5 57.9

251.2 18.9 M6 Surface

Bottom

0.05 0.04

-0.01 -0.02

48.8 43.2

281.4 278.1

0.03 0.01

-0.02 0.00

84.8 57.9

27.4 18.9 2MS6 Surface

Bottom

0.05 0.05

-0.02 -0.02

47.3 39.6

319.4 316.2

0.04 0.03

-0.02 -0.02

44.3 24.1

112.8 127.8 M8 Surface

Bottom

0.02 0.02

0.00 -0.01

36.6 36.4

142.5 158.1

0.02 0.02

0.02 -0.01

54.4 173.1

289.5 164.1

*INC(°): angle of inclination, G(°): based on Greenwich phase

는 52 cm/s으로 증가함을 보인다. S2의 경우 겨울철 표층에 16 cm/s 에서 여름철 9 cm/s으로 감소하는 경향을 보임으로써, 경 기만 해역의 조류 변화는 성분별로 연간 변화함을 알 수 있다.

Table 3은 석모수로 정점인 W22에서 측정된 겨울철과 여 름철 표층 및 저층의 조류조화분해 결과이다. 장봉수로에 비 해 2배 이상 증가된 M2와 S2 조류에 비해 천해분조인 M4 와 MS4는 현저하게 감소한 값을 보인다. 석모수로에서 M2 표층 유속은 겨울철과 여름철 모두 110 cm/s을 넘으며, S2는 30 cm/s 을 넘는다. 천해분조인 M4와 MS4의 경우 연간 10 cm/s 미만으로써, 저층 조류가 표층의 30-50% 감소하는 것으로 나 타나, 장봉수로에서의 감소율보다 높게 나타난다. 수심이 장 봉수로보다 깊은 잘 발달된 수로임에도 저층 유속이 더 많이 감소하는 것은 석모도와 강화도 사이의 지형학적 흐름 제한 성과 석모도 북단의 강수 유입으로 인한 높은 압력구배 영향 으로 해석된다. 이러한 유추는 저층류의 흐름 방향이 수로의 방향인 남서쪽보다 서쪽으로 더 편향되어 나타나는 경향으로 도 알 수 있다. 석모수로에서의 계절별 조류 성분의 변화는 현저한 차이를 보이지는 않는다.

측정된 조류의 조화분해를 통하여 장봉수로는 조류의 천해 성분이 뚜렷하게 나타나고 겨울철과 여름철의 계절 변화가 크 게 나타났다. 저층 조류는 표층 대비 약 20-30% 감소하였으

며, 유속 방향이 동남쪽으로 편향되는 경향을 보인다. 석모수 로의 경우 반일주조와 일주조 성분이 강화되어 나타나 M2의 경우 표층에서 110 cm/s을 초과하는 것으로 나타났다. 석모 수로의 경우 저층류는 표층에 비해 30-50% 이상 감소하여 약 화된 조류가 수로방향인 남서보다 서쪽으로 편향되어 나타났다.

연간 조류 자료의 분석으로부터 장봉수로에서는 비조석 잔 차류가 창조 우세인 동북동 방향으로, 석모수로에서는 낙조 류 방향인 남서남 방향으로 우세한 것으로 분석되었다. 장봉 수로에서는 경기만 조류의 밀물 진행에 대해 억제 세력이 없 는 반면, 석모수로에서는 석모도 북단에서 강수의 연중 유입 으로 인한 압력구배가 존재하여 낙조류 방향의 잔차류가 이 루어지는 것으로 사료된다.

3.3 조석 잔차류의 연간 변동과 수직변화

앞 절에서 언급한 방법을 사용하여 측정된 조류 자료로부 터 조석 잔차류의 특성을 분석하였다. 일부 기간(W22에서 2008 년 3-6월: 바닥 거치대가 1 m 이상 매몰되어 유속측정 이 안 되었음)을 제외하고 연간 연속적으로 측정된 조류의 연 간 잔차류 변동과 수층별 변화 구조를 분석하였다. 조석 간 만의 차가 큰 해역에서 해저면에 계류된 음파식 유속계에서 측정된 Cell 별 값 중에서 물 밖(Out-of-water) 값을 제거한

Table 3. Tidal current constituents observed at W22 during Winter and Summer

Name

W22

Winter (November, 2007) Summer (July, 2008)

Major (m/s) Minor (m/s) INC (°) G (°) Major (m/s) Minor (m/s) INC (°) G (°) Z0 Surface

Bottom

0.22 0.09

0.00 0.00

54.1 31.9

180.0 180.0

0.30 0.06

0.00 0.00

49.1 22.2

180.0 180.0 MSF Surface

Bottom

0.07 0.06

0.01 -0.01

44.3 49.5

214.0 213.0

0.06 0.05

-0.01 -0.01

45.9 43.9

337.5 259.0 O1 Surface

Bottom

0.08 0.03

0.01 0.00

42.5 44.2

170.9 176.6

0.03 0.02

0.01 -0.01

51.7 44.9

193.8 169.9 K1 Surface

Bottom

0.10 0.05

0.01 0.00

49.4 41.7

204.9 212.6

0.11 0.06

0.02 0.00

40.2 38.9

225.0 232.6 N2 Surface

Bottom

0.23 0.14

0.01 0.01

45.3 44.3

50.6 45.3

0.16 0.10

0.02 -0.02

43.6 44.3

50.1 21.2 M2 Surface

Bottom

1.11 0.66

0.01 0.00

43.9 46.2

79.9 74.3

1.12 0.65

0.04 -0.04

41.3 44.0

70.3 59.7 S2 Surface

Bottom

0.39 0.24

0.01 0.01

43.5 48.0

107.7 106.8

0.30 0.22

0.01 -0.01

35.4 50.9

137.6 137.9 MK3 Surface

Bottom

0.06 0.02

0.00 0.00

38.5 47.2

199.1 210.8

0.06 0.02

0.00 0.00

33.0 56.7

249.3 226.7 MN4 Surface

Bottom

0.04 0.03

0.01 -0.01

22.4 53.4

113.6 73.1

0.05 0.02

-0.01 -0.01

38.9 80.1

108.8 336.5 M4 Surface

Bottom

0.08 0.04

0.03 -0.01

24.8 77.1

147.2 107.7

0.11 0.05

0.00 -0.01

29.3 97.3

116.2 47.6 MS4 Surface

Bottom

0.06 0.04

0.02 -0.01

15.9 72.8

164.0 150.0

0.08 0.04

0.01 -0.02

44.6 63.1

205.7 156.3 M6 Surface

Bottom

0.04 0.01

-0.01 0.00

29.3 46.9

224.4 127.1

0.05 0.01

-0.00 -0.01

21.6 18.5

190.6 123.8 2MS6 Surface

Bottom

0.05 0.01

0.01 0.00

31.0 73.4

252.9 135.3

0.05 0.02

-0.01 0.01

28.7 18.3

252.3 177.4 M8 Surface

Bottom

0.00 0.01

0.00 0.00

29.6 51.3

223.4 91.5

0.01 0.01

-0.00 0.01

33.4 101.1

278.9 76.0

후 Kinematic Surface Boundary를 만족하는 Cell에서 추출 된 표층류, 저층은 1번 Cell 그리고 그 중간 Cell을 중층으로 하는 자료의 시계열을 월별 그리고 수층별로 분석하였다. 연 간 잔차류의 변동성을 분석하기 위한 목적으로 이동평균시간 은 MSf 분조 시간으로 설정하여 이동평균(Moving Average) 을 실시하였다. 이 경우 월별 평균값에 대한 표준편차는 유 속의 경우 1% 이내, 유향의 경우 2% 이내로써 신뢰도가 높 은 방법으로 유효하다.

Fig. 4 와 Fig. 5는 각각 W21과 W22에서 측정된 해수 흐름 의 2007년 11월부터 2008년 10월까지 연간 월별 조석 잔차류 의 변동과 수층별 잔차류의 구조를 도시한 것이다. 장봉도 동 측의 장봉수로 중심축에 위치한 W21의 경우 연간 잔차류의 수 심 평균 크기는 약 23.7 cm/s로 산정되었으며, 방향은 51.1

^o

로 써, 장봉수로를 따라 북동 방향의 창조 우세로 분석되었다.

장봉수로의 W21에서는 겨울철에 북동 방향에서 약 10

^o

우 회하는 쪽으로 약 30 cm/s에 이르는 조석 잔차류는 여름철 에 크기가 감소되어 15 cm/s이 되면서 방향은 북동 방향으 로부터 약 5

^o

서쪽으로 편향된다. 수심별 구조를 살펴보면, 겨 울철 표층 잔차류는 저층류보다 약 10 cm/s 강하며 표층 방

향은 저층에 비해 10

^o

가량 북쪽 성분이 강하여 북동으로 흐 름을 보인다. 여름철에는 수층별 크기와 방향에 큰 차이가 없 으며, 전반적으로 크기가 겨울철에 비해 감소하고, 표층 방향 은 보다 북쪽으로 저층 방향은 보다 남쪽으로 편향되는 현상 을 보인다. 2008년 7월말에서 8월초에 한강 담수 유출량은 초 당 6,000톤의 방류량이 기록되는 홍수기였음을 수문자료로 확 인하였다. 홍수시 염화수로를 통하여 유입되는 담수는 장봉 수로 쪽으로 세력을 확장하며 조석 잔차류의 북동쪽 흐름을 다소 저지하면서 표층류를 북쪽으로 편향하게 하는 것으로 해 석된다(Kim et al., 2009).

석모수로의 W22에서의 조석 잔차류의 연간 수심 평균 크 기는 약 15.8 cm/s로 산정되었으며, 방향은 약 226.4

^o

로써, 남서 방향의 낙조 우세 수역으로 분석되었다(Fig. 5). 연간 변 동성은 장봉수로의 W21와 대조적으로 여름철 강화 현상이 있어 215

^o

방향의 여름철 잔차류 유속은 30 cm/s이 넘는 반 면, 겨울철에는 오히려 20 cm/s 범위에 머무르는 것으로 분 석되었다. 저층에서의 잔차류는 W21에 비해 훨씬 감소된 연 중 10 cm/s의 흐름이 존재하며, 표층류보다 서향이 강하여 수 로를 따라 흐르는 경향이 높게 나타난다.

장봉수로는 여름철 한강 담수 유출의 영향을 받아 겨울철 에 비해 감소하는 잔차류의 특성을 보이며, 창조 우세로써 표 층은 강화 해안 쪽으로 저층은 수로를 따라 동진하는 경향을 보인다. 석모수로의 W22 경우 여름철에 잔차류가 강화되는 것은 석모수로를 통하여 남하하는 담수의 확장에 낙조 우세 잔차류가 합세된 것으로 해석된다. W22에서의 표층류는 남 하하여 장봉수로의 창조 우세 잔차류와 연결될 수 있는 반시 계 방향의 순환구조를 장봉도 북측수로의 서향 흐름과 연계 할 수 있을 것으로 사료된다.

4. 결 론

본 연구에서는 조석 형태가 복잡한 경기만에서 1년간 장봉 수로와 석모수로에서 연속 관측한 해수흐름 자료를 이용하여 조석 잔차류 및 조류조화분해 특성과 변동성을 분석하였다.

해저면에 설치된 음파식 유속계로부터 해수 표면하 1 m의 유 효한 표층류를 추출하고 중층과 저층류에 대해 비교하였다.

겨울철 장봉수로 정점 W21에서 표층류 조류분조 세기의 합은 181 cm/s, 저층류는 127cm/s이며, 석모수로 W22에서는 261cm/s, 저층류 144 cm/s으로 측정되었다. 여름철 장봉수로에서는 표 층류 조류분조 세기의 합은 180 cm/s, 저층류 114 cm/s 이며, 석 모수로 여름철 표층류 분조의 합은 243 cm/s, 저층류는 140 cm/s인 것으로 측정되었다. 조류조화분해 결과 조류성분이 2 cm/s 을 초과하는 14개의 조류 분조가 전체 크기의 90% 이 상을 차지하는 것으로 분석되었다. 장봉수로에서는 반일주조 와 천해성분인 M4와 MS4 분조가 우세하며, 석모수로에서는 반일주조 다음으로 일주조 성분이 우세하였다. 수층별 조류의 감소 현상이 현저하여 장봉수로에서는 저층류가 표층에 비해

Fig. 4. Annual cycle and vertical structure of residual flows at W21

(Jangbong Channel).

Fig. 5. Annual cycle and vertical structure of residual flows at W22 (Seokmo Channel).

20-30% 감소하고, 석모수로에서는 30-50% 감소하는 것으로 분석되었다. 조류의 주방향은 장봉수로 및 석모수로의 표층에 서 북동-남서 방향이며 저층에서는 수로 경사부로 우회편향 (장봉수로) 또는 좌회편향(석모수로) 되는 경향을 보인다.

혼합 조석장의 조석 잔차류의 연간 변동성과 수층별 변화 를 산정하기 위하여 Kim et al (2009)에서 제시한 MSf 분조 주기의 이동평균 기법과 조류조화분해 기법을 사용하여 각 방 법에 의한 결과를 비교하였다. 기상 변동과 같은 단기 변동 과 관련한 변동성은 M2 배수주기의 이동평균 기법이 유의한 결과를 준다. 하지만 30일 이상의 자료를 분석할 경우 MSf 주기의 이동평균 결과와 조류조화분해 결과의 Zo 성분과는 일치하는 결과를 보인다. 장봉수로의 창조 우세형인 조석 잔 차류는 연간 약 20-30 cm/s 범위에서 변화하며, 여름철에는 담수 유입 확장으로 크기가 감소하여 약 15 cm/s를 보이는 반면 저층에서는 20 cm/s을 보여 창조우세의 표층 잔차류가 약화됨을 알 수 있다. 장봉수로에서 표층류는 강화 남단 방 향으로 저층류는 수로를 따라 북동진하는 경향을 보인다. 석 모수로의 W22에서는 여름철 석모수로를 따라 유출되는 담 수 확장으로 30 cm/s 이상의 강화된 낙조 우세형 잔차류를 나타내고, 표층은 남남서 방향으로 흘러 장봉수로의 북동류 와 일부 합류될 구조를 보이는 것으로 나타났다. Fig. 6은 겨 울철과 여름철 장봉수로 W21에서 석모수로 W22에 이르는 장봉도 북쪽 동서 방향의 수로를 따라 ADCP로 유속구조를 트랙킹 한 자료이다. 통과한 정점 번호는 Fig. 1b에서와 동 일하다. 트랙킹 유속 분포로부터 장봉도 북측 수로에는 조류 의 수렴(Convergence)과 발산(Divergence) 현상이 뚜렷이 나 타나 강화도 남단의 갯벌 형상 변화의 한 요인으로 가정할 수 있다. 이러한 경우 석모수로를 통한 홍수시 유입되는 부유토 사 공급은 잔차 순환에 의해서 장봉수로를 타고 장봉수로 동 북 방향의 동검도 방향과 강화 남단 해역에 공급될 수 있는

구조를 규명하려면, 향후 연구주제로 경기만 잔차순환 예측 모델링 연구가 필요할 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 국토해양부의 지원으로 한국해양연구원에서 수 행한 ‘새만금해양환경 보전대책을 위한 조사연구’와 ‘운용해 양(해양예보) 시스템 연구’ 사업의 일환으로 수행되었습니 다. 일부 저자 (정경태)는 기초기술연구회와 한국해양연구원 이 지원하는 NAP과제 지원에 감사드립니다.

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원고접수일: 2010년 7월 28일 수정본채택: 2010년 10월 6일 게재확정일: 2010년 11월 19일 Fig. 6. Tracked currents between stations W21 and W22 along east-

west channel located in northern part of Jangbong Island.