2.1 관측위치

본 연구에서는 조석 유입구의 단면통과 유량 및 조량을 정량적으로 산정하기 위한 목적으로, 목포해역을 관측 대상해역으로 선정하였다. 목포해역은 수심이 복잡하고 많은 섬들로 둘러싸여 있는데, 영산강 하구언, 영암 및 금호방조제 건설 등의 대규모 간척사업이 활발히 수행된 바 있다. 또한 반일주조가 우세한 조석형태를 보이며, 1일 2회의 규칙적인 창·낙조류 흐름이 반복되는 조류특성을 보인다. 특히 목포항 인근해역에는 조간대가 넓게 분포하고 있는데, 이로 인해 천해조의 발달이 두드러져 조석왜곡 현상, 특히 낙조우세 현상이 두드러지게 나타나고 있으며 하구언과 방조제 건설이후 낙조우세는 더 심화된 것으로 알려지고 있다(Kang et al., 1998).

본 연구에서는 목포해역 내 1개 단면에서 ADCP를 이용한 층별 유속관측이 수행되었는데, 관측이 수행된 단면 A-B는 조석에 의한 흐름이 지배적인 단면으로써 압해도와 목포 사이에 위치하고 있다. 본 수로는 청계만으로의 해수 유출입이 이루어지는 주요 통로 중의 하나인데, 이 수로 뿐만 아니라 압해도 북단에 위치한 또 하나의 수로를 통하여 청계만으로의 해수 유출입이 동시에 이루어지고 있다. 본 연구에서는 관측을 위한 선박의 접근이 비교적 용이하고 해수의 유출입량이 상대적으로 더 큰 남측 수로의 단면 A-B에서 관측을 수행하였다. 관측은 정점 A와 정점 B를 왕복하며 수행되었는데, 단면 A-B의 길이는 약 630 m 내외이며, 최대수심은 약 22.3 m이다(Fig. 2 및 Fig. 3 참조).

Fig. 2.

Observing location in Mokpo.

Fig. 3.

Cross section of observing position.

2.2 관측장비 및 조건

ADCP는 기존 장비에 비해 공간적·시간적 해상도가 향상된 장비로써, 3차원의 유속과 수심 등의 자료를 매우 효율적이고 빠르게 측정할 수 있어 하천 및 해역 등의 흐름측정에 광범위하게 사용되고 있다(Kim and Kang, 2011). 본 연구에서는 ADCP를 선박에 장착하고 단면을 횡단하면서 측정하는 단면 관측(Bottom Tracking) 방법을 통하여 층별 유속관측이 수행되었는데, 단면 관측은 단지 1대의 ADCP만을 이용하여 관측단면 전체에 대한 층별 유속의 산출이 가능하다는 장점을 갖는다. 관측에 사용된 장비는 RD instrument사의 ADCP이며, 사용된 장비에 대한 구체적인 사항은 Kim(2015)에 자세하게 제시된다.

관측은 대조(2013/04/26 07:20~18:40) 및 소조(2013/05/02 06:20~15:20)로 구분되어 수행되었는데, 각각의 관측기간의 조석표가 정리되어 Table 2에 제시된다.

Table 2.

Tide tables during observation.

각각의 관측 수행시 약 12시간 동안 40분에 1회씩 단면을 횡단하며 연직방향 25 cm 간격으로 층별 유속이 측정되었다. 단면 A-B를 횡단하는 동안 선박의 이동속도는 약 1.5 m/s로 유지되었으며, 단면횡단에 소요된 시간은 약 6~7분 정도이다. 단면을 횡단하는 동안 각 위치에서의 수위 및 유속 변화는 미미하다고 가정된다.

3.1 관측단면에 대한 좌표 회전

본 연구의 관측단면인 단면 A-B는 동서 기준 시계방향으로 약 45º정도 회전되어 있는데, 단면을 통과하는 유량 및 조량을 산정하기 위해서는 관측단면과 연직한 유속성분이 계산에 사용되어야 한다. ADCP로 측정되어 기록되는 유속 V_adcpX 및 V_adcpX (Fig. 4 참조)는 자북을 기준으로 하는 유속성분이므로, 관측단면과 연직한 유속성분을 산출하기 위하여 ADCP 유속자료를 새로운 좌표계로 선형변환하여야 하며, 이러한 변환기법으로 단면에서 발생하는 가장 지배적인 유속성분의 분석이 가능하다(Preisendorfer and Mobley, 1988).

Fig. 4.

Concept of coordinate rotation.

본 연구에서는 관측단면 A-B의 연직방향을 X방향, 단면의 폭 방향을 Y방향으로 설정하여 관측단면과 연직 및 평행한 유속성분 V_X 및 V_Y를 산정하였으며, 이후 분석에 사용되는 모든 유속자료는 좌표회전이 수행된 자료이다.

3.2 평균 관측단면 도출

관측단면의 층별 유속 측정은 ADCP가 장착된 선박이 단면 A-B를 따라 왕복하며 반복 측정하게 되는데, 매 관측시 선박의 이동경로는 거의 유사하게 겹쳐지기는 하나 완벽하게 일치하지 못한다. 본 연구에서 관측을 수행하는 동안 매 관측별 선박이동경로는 최대 약 76 m 정도의 차이가 발생하였는데, 선박이동경로가 일치하지 못하므로 관측되는 수심, 즉 단면형상(지형)의 관측값 또한 매 관측마다 달라지게 된다. 따라서 본 연구에서는 모든 선박이동경로를 대표할 수 있는 평균 관측단면을 도출하였으며(Fig. 5 참조), 이후 모든 분석에 평균된 관측단면을 적용하였다.

Fig. 5.

Path of vessel.

한편, 매 관측별 선박의 이동경로 차이로 인하여 측정된 유속값 역시 동일한 관측단면에 대한 유속성분이라고 할 수는 없으나, 본 연구에서 측정이 수행된 관측단면은 조석에 의한 흐름이 지배적인 수로에 위치하고 있어 주 흐름방향 유속 V_X가 현저하게 크게 나타나는 특징을 갖는다. 따라서 선박이동경로의 차이로 인한 유속 측정결과의 오차는 그다지 크지 않을 것으로 판단되어, 이에 이와 관련된 사항은 무시하고 분석이 수행되었다.

3.3 수평/수직방향 Sigma좌표 변환

단면관측에서 측정된 모든 층의 관측자료를 활용하여 전 구간의 데이터를 일괄적으로 구성하기 위하여, 공간적 관측위치에 따른 수직적 변화(수심) 뿐만 아니라 수평적 변화(거리)까지 일괄적으로 같은 격자로 구성해야 할 필요가 있다(Lee et al., 2012). ADCP 원시자료는 RDI사의 WinADCP ver. 1.12 후처리 프로그램을 이용하여 수치자료로 변환되는데, 이때 자료는 수평적으로는 선박의 이동경로를 따라 측정된 횡단면의 거리값을 가지며, 수직적으로는 표층에서 저층까지 관측된 원시자료의 수심, 즉 Z-level 상의 데이터 형태이다. 단면관측의 특성상 선박이동경로가 매 관측별 동일한 횡단면으로 관측하는 것이 사실상 불가능하므로 수평격자의 간격차이가 발생할 수 밖에 없으며, 우리나라 서해안과 같이 대조차가 크게 나타나는 해역에서는 저조시 표층의 값이 고조시의 표층 하 수 미터의 값과 함께 분석되는 오류가 발생될 수 있으므로, 단면통과 유량 및 조량 산정을 위해서는 정규화를 통하여 수평/수직방향 Sigma 좌표로 변환하는 과정이 반드시 필요하다(Lee et al., 2012). 이에 본 연구에서는 다음의 식 (2)를 이용하여 수평/수직좌표를 Sigma 좌표로 변환하였다.

여기서, σ_x및 σ_z는 각각 sigma 좌표로 변환된 수평/수직격자를 나타내며, L은 관측시작점에서 끝점까지의 거리, d는 시작점에서 측정된 임의 ensemble까지의 거리이다. 또한, H는 전체수심, Z는 표층으로부터의 깊이이다.

3.4 Blank zone의 데이터 보정

ADCP를 이용한 단면관측의 수행시, 관측장비의 특성 및 대상해역의 지형적 특성으로 인하여 관측이 이루어지지 않는 Blank zone이 발생하게 되는데, 이러한 Blank zone은 크게 3가지로 구분될 수 있다(Fig. 6 참조). 먼저, 저면 및 수면근처에 형성되는 연직방향 Blank zone은 관측 장비의 특성으로 인하여 관측이 이루어지지 않는 영역으로서, 저면근처의 Blank zone은 기본적으로 Layer의 간격설정에 따라, 수면근처의 Blank zone은 ADCP의 장착위치에 따라 그 크기가 변화한다. 단면 관측에서 측정이 이루어지지 않는 또 하나의 Blank zone은 대상해역의 지형적 특성으로 인하여 발생하는데, 육지 근처의 수심이 충분히 확보되지 않아 선박의 접근이 불가능하여 측정이 이루어지지 않는다. 육지 근처의 Blank zone은 선박의 접근가능 여부에 따라 그 크기가 결정되므로, 가능한 Blank zone의 발생영역을 최소화시킬 수 있도록 관측수행 과정시 세심한 주의가 필요하다.

Fig. 6.

Blank zone of observed cross section.

본 연구에서는 수면근처 Blank zone은 약 1.1 m, 저면근처에서는 전체 수심의 약 10% 정도에 해당하는 Blank zone이 발생한 것으로 나타났는데, 이들 연직방향 Blank zone은 전체 수심의 약 15% 정도에 해당되는 영역이다. 단면통과 유량 및 조량 산정시 Blank zone의 영역을 무시하고 계산을 수행하는 경우 그 결과는 실제와 크게 달라질 수 있다.

바닥거치식 방법을 이용하는 경우에도 마찬가지로 연직방향 Blank zone이 발생하는데, 바닥거치식 방법의 경우에는 관측센서를 추가로 설치하는 등의 방법을 통하여 자료를 보완하는 것이 가능하다. 그러나 단면관측 방법을 이용하는 경우, 장비의 추가 설치를 통한 자료보완이 불가능하므로 관측된 자료를 토대로 Blank zone의 데이터를 보간하여 사용하는 것이 최선이다. 따라서 본 연구에서는 ADCP로부터 관측된 원시자료를 보간하고 연직방향 Blank zone의 데이터를 추정하여 분석을 수행하였다.

ADCP 관측자료 중 임의 Ensemble에서의 층별 유속 관측자료가 X방향과 Y방향으로 구분되어 Fig. 7에 제시되는데, 저면 및 수면근처에 자료가 획득되지 않는 연직방향 Blank zone이 존재함을 확인할 수 있다. 각각의 Ensemble에서 식(3)에 제시된 von-Karman 유속분포식을 이용하여 층별 유속관측자료의 데이터 보간을 수행하였다.

Fig. 7.

Interpolation of observed data from ADCP.

여기서, V는 각 방향별 유속, A 및 B는 접합곡선 산정을 위한 계수, 그리고 S_z는 무차원화 된 수심을 의미한다.

한편, 단면 폭 방향의 육지부근에서 나타나는 Blank zone은 선박의 접근가능 여부에 따라 결정되므로 매 관측마다 그 크기는 각기 다르게 나타나는데, 이를 최소화하기 위해서 현장관측 수행시 GPS를 이용하여 시작 및 끝점의 위치를 가능한 동일하게 하고자 하였다. 그럼에도 불구하고 육지부근 Blank zone의 크기는 매 관측마다 다소 차이를 보이는 것으로 나타났는데, ADCP로부터 측정된 자료의 배제가 최소화가 될 수 있는 계산영역을 선정하여 매 관측자료의 계산영역의 크기를 동일하게 설정하였다.

Blank zone의 데이터 보정을 수행한 모든 층별 유속 데이터 중, 대조기 및 소조기에 관측된 층별 유속자료의 분석결과의 일부가 Fig. 8 및 Fig. 9에 제시된다. 수로 폭 방향의 유속 V_Y은 수로 연직방향의 주 흐름방향 유속 V_X에 비해 그 크기가 현저하게 작으므로, Fig. 8 및 Fig. 9에서는 주 흐름 방향 유속 V_X만이 제시되었다. 결과를 살펴보면, 관측이 수행된 수로의 폭은 약 550 m 정도이며, 시간에 따라 창조 및 낙조 유속이 명확하게 구분됨을 알 수 있다. 유속은 대체적으로 상층에서 가장 크고 저면으로 갈수록 작아지는 양상을 보이며, 수로 중앙부분에서 유속이 가장 크고 육지와 가까운 영역에서는 작은 유속이 발생하는 것으로 나타났다.

Fig. 8.

Contour of velocity in the cross section A–B (Spring tide, 2013/04/26).

Fig. 9.

Contour of velocity in the cross section A–B (Neap tide, 2013/05/02).

Fig. 8 및 Fig. 9의 단면유속 분포에서, 단면 폭 방향 100 m 간격으로 수심평균 유속이 산정되어 Fig. 10 및 Fig. 11에 제시된다. 관측단면 위치에 따라 수심평균 유속은 정량적으로 큰 차이를 보이는데, 창조시보다 낙조시의 수심평균 유속이 더 큰 것으로 나타났으며 대조기의 수심평균 유속이 소조기에 비해 더 크다. Jung and Choi(2010)는 목포해역의 28개 정점에서의 유속 측정자료로부터 낙조시 유속이 창조시에 비해 평균적으로 1.26배 크다는 결과를 제시한 바 있는데, 이러한 점에 비추어 본 연구에서 측정된 유속결과 역시 목포해역의 낙조우세(ebb predominance) 현상을 제대로 반영하고 있는 것으로 판단된다.

Fig. 10.

Depth-averaged velocity (Spring tide).

Fig. 11.

Depth-averaged velocity (Neap tide).

결과를 더 자세히 살펴보면, 단면의 좌측(100 m)에서 우측(500 m)으로 갈수록 수심평균 유속이 증가하는 양상을 보이는데, 단면의 좌측에서 우측으로 갈수록 단면의 수심이 증가(Fig. 3 참조)하므로 수심이 증가함에 따라 수심평균 유속이 증가하는 것으로 볼 수 있다. 이러한 양상은 수심이 낮은 해역에서 바닥마찰의 영향에 의해 유속이 작게 나타나고, 수심이 깊어질수록 이러한 영향이 감소하여 수심평균 유속이 크게 나타난 것으로 해석될 수 있다.

3.5 단면통과 유량 및 조량의 산정

단면 유속 측정결과로부터, 단면 A-B를 통과하는 유량, 즉 단면통과 유량이 정량적으로 산정될 수 있다. 물이 통과하는 단면의 면적, 즉 흐름 단면적의 크기가 일정할 경우 단면통과 유량은 유속에 의해 크게 변화하는데, 유속은 층별, 시간별로 그 크기와 방향이 각기 달라지므로 단면통과 유량 또한 수심과 시간에 따라 크게 변화한다. 전체 단면을 통하여 통과되는 단면통과 유량 는 다음의 식 (4)에 의해 산정될 수 있다.

여기서, V_X는 관측단면과 연직방향의 유속성분, B는 단면의 폭, h(t)는 시간에 따른 수위의 변화를 나타낸다.

한편, 단면통과 유량 산정 결과로부터 단면 A-B를 통하여 유출입되는 조량 P_m은 다음의 식 (5)에 의해 산정될 수 있다.

여기서, T는 창조 혹은 낙조 지속시간를 의미한다. 흐름 단면적은 관측시간동안 수위변화로 인해 계속 변화하므로 각 관측 수행시의 단면적을 평균하여 유입구 단면적의 대표값으로 사용하였다.

4.1 단면통과 유량 산정결과

앞서 제시된 식 (4)으로부터 산정된 단면통과 유량 산정결과가 대조 및 소조기로 구분되어 Fig. 12 및 Fig. 13에 제시된다. 그림들에는 관측위치와 가장 근접한 목포 조위관측소의 조위 관측결과가 함께 제시되는데, 조위의 변화에 따른 단면통과 유량의 변화양상이 잘 나타나고 있음을 알 수 있다. 낙조에서 창조, 혹은 창조에서 낙조로 변화하는 시점, 즉 게조시(slack water)에는 유속이 0인 상태가 되는데, Fig. 12 및 Fig. 13에 제시된 결과에서도 이러한 양상이 잘 나타나있다. 또한 창조시에 단면통과 유량이 점점 증가하여 최대값을 갖다가 감소하며, 낙조시 역시 동일한 양상으로 방향만 반대로 나타나는 것을 알 수 있다. 단면통과 유량은 창조시보다 낙조시에 더 큰 값을 갖는 것으로 나타났는데 이는 목포해역의 낙조우세적 조석특성을 잘 반영하는 결과라 할 수 있으며(Kim, 2015), 이러한 결과들에 비추어 단면통과 유량 산정결과는 정성적으로 타당한 값을 갖는다고 판단된다. 정량적인 측면에서 살펴보면, 대조기에는 낙조시에 최대 통과유량이 발생하였는데 약 12,473 m³/s의 유량이 통과하였고, 소조기 역시 낙조시에 최대 통과유량이 발생하였으며 약 10,189 m³/s의 유량이 통과되는 것으로 나타났다. 소조기보다 대조기에 통과유량이 비교적 크게 나타났으며, 대조기의 최대통과 유량은 소조기에 비해 대략 20% 정도 더 큰 것으로 나타났다.

Fig. 12.

Observed value of discharge (Spring tide).

Fig. 13.

Observed value of discharge (Neap tide).

4.2 조량 산정결과

하구 및 연안해역에서 조석(수위) 자료만을 이용하여 창조 혹은 낙조의 우세성을 제시하는 방법은 지형학적 특성 및 수심 등의 영향에 의해 오류를 야기할 수 있으며(Yoon and Woo, 2012), 특히 퇴적물의 이동 분석에 사용되기 어려우므로 유속에 근거한 자료와의 비교분석이 수행되어야 한다(Robin and Davies, 2010). 목포해역은 조석의 비선형성에 의한 전형적인 낙조우세 해역으로 잘 알려져 있기는 하나, 현장에서 측정된 유속자료로부터 창조 혹은 낙조시의 유출입 체적이 정량적으로 산정된 바 없으므로 본 연구에서는 관측단면 A-B에서의 창조시 유입되는 양과 낙조시 유출되는 양을 정량적으로 산정하여 Table 3에 제시하였다. 또한, 단면 A-B에서의 유입구 단면적 산정결과가 Table 3에 함께 제시된다. 결과를 살펴보면 창조시에 1.28 × 10⁸m³이 만 내부로 유입되며, 낙조시에 1.53 × 10⁸m³이 유출되는 것으로 나타났는데, 앞서 제시된 유속 및 단면통과 유량 산정결과와 마찬가지로 낙조시에 유출되는 양이 창조시에 유입되는 양에 비해 더 큰 것으로 나타났다.

Table 3.

Calculated value of tidal prism and area of cross section from observed data of ADCP.

한편, 앞서 1장에 제시된 바와 같이 본 연구에서는 대조기의 유입구 단면을 통해 유입 혹은 유출되는 해수의 총량 중 더 큰 값을 조량으로 정의하였으므로, 이에 근거하여 본 연구로부터 산정된 목포해역의 조량은 1.53 × 10⁸m³이다. 조석의 일조부등에 의한 조량의 차이가 발생할 수 있으나, 본 연구에서 수행된 대조기 관측시간동안의 조석은 조차가 가장 큰 시간대, 즉 창낙조의 유량이 큰 시간대에 해당되므로(Table 2 참조), 일조부등으로 인한 조량 산정값의 오차는 무시된다.

4.3 과거 연구결과와의 비교

앞서 1장에서 제시된 바와 같이, 과거 많은 연구자들은 조량과 유입구 단면적과의 상관관계에 대한 다수의 연구를 수행한 바 있는데, 대부분의 과거 연구들에서 제시되는 조량은 조석의 통계분석 결과를 이용하여 계산된 근사치이며 연구자 별 각기 다른 조석조건을 사용하여 조량이 산정제시되었다. 과거 연구들에서의 조량에 대한 조석조건의 정의가 동일하지 않을 뿐만 아니라 본 연구의 결과는 현장 관측자료에 기반한 값이므로, 조석조건에 따른 조량의 정량적 차이는 불가피하다. 그러나 각 연구들에서 사용된 자료들의 조석조건을 명시하고 있으므로 조량 및 유입구 단면적 산정결과가 본 연구결과와 함께 Fig. 14에 제시된다. Fig. 14에서, 조량과 유입구 단면적과의 상관관계는 해역별로 크게 다르게 나타나며 대체적으로 유입구 단면적이 증가함에 따라 조량도 증가하는 선형관계를 갖는 것으로 나타났다. 본 연구의 조량 산정결과는 과거 연구들과의 경향성이 대체적으로 잘 일치하는 것으로 나타났는데, 특히 Powell et al.(2006)에 의해 산정된 Florida의 조석 유입구에서의 조량 산정결과와 대체적으로 유사한 범위의 값을 갖는 것으로 나타났다. 이러한 결과에 비추어 본 연구에서 수행된 ADCP 관측결과를 이용한 조량 산정결과는 타당한 범위 내의 값을 갖는 것으로 판단된다.

Fig. 14.

Comparison of correlation between tidal prism and cross section area of tidal entrance.

비록 본 연구는 목포해역 내 1개 조석 유입구에서 관측된 자료만을 이용한 결과이므로, 우리나라 서해를 대표하는 자료로 활용될 수는 없다. 그러나 과거 Jarrett(1976)이 미국의 Atlantic, Gulf 및 Pacific 해안에 위치하는 입구부에 동일한 조량과 흐름 단면적 관계를 적용할 수 있는지에 대한 연구를 수행한 것과 같이, 우리나라의 서·남해안에 발달되어 있는 조석 유입구에서의 조량을 정량적으로 산정함으로써 우리나라의 해안에 적용 가능한 접합계수를 산정하는 것은 매우 의미있을 것으로 판단된다.

한편, 해수는 부유사와 함께 이동하므로 조량은 해역의 퇴적물 이송과 큰 연관성을 갖는다. 해역의 흐름단면에서 조량의 유출입과 함께 동반되는 부유사량을 정량적으로 산정하는 것은 해역 전반에 걸친 침식 혹은 퇴적 여부를 판단할 수 있는 지표가 되는데, 비록 유입구 단면 내외에서의 국부적인 침식 혹은 퇴적을 파악하는 것은 힘들지만 총량적 관점에서의 퇴적물 이송량 산정이 가능하므로 조량과 유입구 단면적의 상관관계를 분석하는 것은 매우 중요한 사항이라 하겠다. 그러나 해역의 흐름특성 및 지형학적 특성에 따라 조량은 크게 달라질 수 있으므로, 반드시 현장관측을 통한 측정자료를 기반으로 하여 정량적 산정이 수행되어야 할 것이다. 또한, 앞서 제시된 조량과 유입구 단면적 간의 상관관계 식 A = aP^m의 매개변수 a 및 m은 해역에 따라 크게 변화하는데, Kraus(1998)은 구조물 등의 설치로 인하여 연안이송이 자유롭지 않은 해역의 매개변수 값이 더 작아진다고 제시한 바 있다. 목포해역과 같이 대규모 개발이 활발하게 진행되는 해역의 경우, 다양한 구조물 등의 건설로 인하여 흐름특성은 크게 변화할 수 있으며 이로 인해 단면을 통과하는 조량 또한 크게 변화할 수 있으므로 조량과 유입구 단면적의 변화추세를 지속적으로 파악하는 것 또한 중요한 사항이라고 하겠다. 이러한 자료는 일시적 지형변화로 인한 깨어진 평형상태를 원 상태로 회복시키기 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.