2.1 연구해역 특성

연구해역인 섬진강-광양만(Sumjin River-Kwangyang Bay, SKY) 권역은 우리나라 남해안의 중앙에 위치하고 있으며, 남해도를 기준으로 서측의 광양만은 여수수로를 통해 외해와 연결되어 있고, 동측의 진주만과 사천만 그리고 강진만은 창선도 북측의 대방수로와 남측의 창선수로를 통해 외해로 연결되어 있다. 광양만은 남해를 향해 열려있는 여수해만에서 북쪽으로 가면서 좁아지다가 광양제철(POSCO)을 중심으로 묘도가 있는 서부 지역과 남해도가 있는 동부 지역으로 분리된다. 여수해만에서 남해도 서쪽 해안에 근접하여 형성된 수심 20m 이상의 골은 만의 상류로 가면서 광양제철을 사이에 두고 ‘Y’자 형태로 분기되며 그 중앙부는 30m 이상으로 깊다. 한편, 진주만 동측의 대방수로 부근의 수심은 20 m 이상이며, 창선도 서측 강진만 해역의 수심은 5 m 이내로 얕은 수심 분포를 보인다(Fig. 2). 또한 광양만과 사천만 북측은 섬진강과 남강댐이 각각 연결되어 담수의 영향을 직간접적으로 받는 해역이다. Youngsan River Flood Control Office(2014)에서 제공되는 2009~2011년의 수문조사연보 자료 중 섬진강 하구와 가장근접한 하동2 관측소의 일유량표를 분석한 결과, 관측된 연평균 유량은 각각 145.78 m³/s와 164.39 m³/s 그리고 117.99 m³/s로 나타났다. 따라서 광양만은 연평균 약 120~160 m³/s의 섬진강 하천수가 지속적으로 유입되며 특히 겨울철 30~95 m³/s, 여름철 300~400 m³/s로 그 유입량이 시기별, 계절별로 변동성이 심하여 담수유입에 따른 해양 환경 변화를 예측하기가 매우 어려운 해역이다.

Fig. 2.

Model gird system with bathymetry for the numerical model for the KwangYang Estuarine System.

Fig. 1은 연구해역에서 취득한 해수면 변동, 유속, 수질 관측 결과와 체적 수송량 계산을 위한 횡단면, 그리고 연구해역 내 주요 정점의 위치를 나타내었다. 국립해양조사원(KHOA)의 여수 조위관측소의 자료를 해수면 변동자료로 활용하였으며, 유속 자료는 RCM9을 이용한 광양만 유속자료(Lee et al., 2006)와 노영재 교수 연구팀의 ADCP를 이용한 노량 및 대방수로 유속관측자료(2008, 2011년)를 사용하였다. 또한 남북 방향의 총 11개의 정점과 여수 해만 내 동서 방향의 10개의 정점에서 2010년부터 2012년까지 수질측정기(YSI6600)를 이용하여 정기적(2개월 간격)으로 수질 관측을 진행하였다. 체적 수송량을 산정하기 위해 광양만 권역의 주요 수로를 기준으로 횡단면의 위치를 결정하였다.

Fig. 1.

Map for the study area with locations for various stations and selected points.

2.2 초기 및 경계조건과 모델 입력 자료

본 연구에서는 광양만 권역에서의 해수 유동, 밀도류에 대해 ECOM-3D(Blumberg, 2002)를 이용한 3차원 수치모델링 실험을 통해 광양만 권역의 해수 순환의 변화에 대해 연구했다. 모델의 경계는 욕지도를 중심으로 동쪽과 남쪽의 개방경계를 수립하였고, 수평 격자의 간격은 동서 방향으로 200~800 m, 남북 방향으로 100~800 m를 사용하여 167×180의 격자망을 구성하였다(Fig. 2). 격자는 해수 유동 및 염분 변화의 재현을 효과적으로 하기 위해 폭이 좁은 수로의 격자 크기를 100~200 m로 설정하였다(Fig. 2). 수직 방향의 경우 총 9개의 sigma level을 설정하였으며, 특히 표층과 저층 부분의 sigma level을 각각 3개 level로 집중 구성하여 밀도차에 따른 수직 해수유동과 바닥 마찰 효과에 대해 효과적으로 재현할 수 있도록 구성하였다.

모델의 실험 조건은 Table 1과 같이 구분하였다. 본 연구의 사용된 시간간격은 external mode를 2초, internal mode를 20초를 사용하였다. 모델 모의 기간은 안정화 기간 3일을 포함하여 총 18일을 모의하였고, 결과는 1시간 간격으로 분석하였다. S10TN은 조석만 부과한 실험으로, 남측과 동측 개방경계의 각 격자점에 주요 4대 분조(M₂, S₂, K₁, O₁)의 조화 상수를 부과했다. 부과된 조위는 NAO.99Jb모델(Matsumoto et al., 2000)의 결과를 이용했다. 또한 수질관측 자료(2010~2012년, 총 26회)를 이용하여 평균 수온과 염분을 각 수층에 동일하게 부과하였다. S10TDA는 S10TN과 동일한 외력에 가상 담수 유입량을 추가로 부과하여 밀도류를 재현한 것이다. 본 연구해역은 시기별 담수 유입량의 변동성이 큰 해역이다. 따라서 전반적인 해수유동 양상을 파악하기 위해서는 연평균 유입량을 부과하는 것이 효과적일 것으로 판단된다. 이에 가상 담수 유입량은 수문조사연보의 하동2 관측소 일유량 자료를 이용하여, 연평균 값인 120 m³/s의 유량을 북쪽 개방경계의 격자점에서 지속적으로 부과하였다. 부과되는 가상 담수의 초기 조건역시 수질관측 결과를 이용하여 18^oC, 0 psu로 부과하였다.

Table 1.

Model run cases for the numerical experiments in the SKY system in Feb. 2008

3.1 실험 결과 검증

본 수치모델 실험은 조석과 섬진강 하천수의 유입의 영향을 고려한 실험으로 해수면 변동과 조류타원, 그리고 염분장에 대한 검증을 스킬분석(Skill analysis)을 통해 시행하였다. 모델의 검증에 이용된 해수면 변동 자료는 국립해양조사원(KHOA)에서 제공하는 여수조위검조소의 2008년 관측 자료이며, 조류타원 자료는 광양만 북동부 해역의 현장 유속 관측 자료(이, 2006)와 2008년에 관측한 노량수로의 현장 유속관측 자료이다. 염분장 검증에 이용된 자료는 동서 방향, 남북 방향의 수심에 따른 현장 관측 자료이다. 모델 결과의 정확도를 정량적으로 추청하기 위해 Wilmott(1981)가 제안한 평균 제곱근 오차(Root mean square Error, RMSE)를 식(1)과 같이 정의하여 해수위와 유속장 시계열 자료에 대해 비교하였으며, 관측 최대값과의 비율을 통해 식(2)와 같이 스킬 점수(Skill score, SS_rm)를 계산하였다. 또한 Martin and McCutcheon(1999)이 제안한 상대오차(Relative error, RE)를 이용하여 스킬 점수(Skill score, SS_re)를 식(3)과 (4)와 같이 정의하여 해수위와 조류타원, 그리고 각 정점별 염분(S)에 대해 계산했다.

Table 2는 여수 조위검조소의 해수위 자료와 여수수로, 노량수로에서 관측한 유속 시계열 자료를 모델과 비교한 결과이다. 평균 제곱근 오차를 통한 스킬 점수 계산 결과, 해수위 자료는 92.5%의 스킬 점수를 보였다. 여수수로의 유속자료는 동서 성분이 70.7%, 남북 성분은 80.0%의 스킬 점수를 보였다. 또한 노량수로는 85.6%, 78.3%의 스킬 점수를 보였다.

Table 2.

Root-mean-square errors of difference between computed and measured tidal height and current

Fig. 3은 여수조위검조소의 조위관측 자료와 모델 결과를 시계열로 나타낸 것이며, Fig. 4와 5는 각각 여수수로와 노량수로에서의 유속관측 자료와 모델 결과를 시계열로 나타낸 것이다. 조위에 대한 비교 결과, 진폭과 위상 모두 관측 자료와 모델결과가 비교적 일치하는 모습을 보였다. 다만 소조시의 진폭은 모델 결과가 관측 자료보다 다소 크게 나타났다. 유속의 경우 노량수로의 남북 성분을 제외한 나머지의 진폭과 위상이 비교적 일치하는 모습을 보였다.

Fig. 3.

Time series of sea level elevation measured at the Yeosu tidal station compared to the model result.

Fig. 4.

Time series of tidal current speed measured at Yeosu Channel (a) U-comp. (b) V-comp. compared to model results.

Fig. 5.

Time series of tidal current speed measured at Noryang Channel (a) U-comp. (b) V-comp compared to model results.

Table 3a에는 해수위 자료와 모델의 조화분석 결과 중 4대 분조에 대해 상대오차를 통한 스킬 점수를 나열하였다. 진폭(Amplitude)은 89.8%인 O₁을 제외하고 모두 90% 이상의 점수를 보였고, 지각(Phase)은 모두 93% 이상을 보였다. Table 3b는 여수수로, 3c에는 노량수로의 4대 분조의 조류타원 스킬 점수를 나열한 것으로, 여수수로의 경우 4대 분조 장축(Semi-major Axis, Sema)의 진폭이 85% 이상의 점수를 보였으며, 지각은 88%이상, 각도(Inclination, Inc.)는 97%이상을 보였다. 노량수로의 경우 장축이 86% 이상, 지각과 각도가 각각 89%와 97% 이상으로 높은 스킬 점수를 보였다.

Table 3a.

Skill scores for sea level prediction for Model run S10TDA at Yeosu

Table 3b.

Skill scores for velocity components for Model run S10TDA in terms of tidal ellipses at Yeosu

Table 3c.

Skill scores for velocity components for Model run S10TDA in terms of tidal ellipses at Noryang Channel

모델이 재현한 염분장의 신뢰수준을 판단하기 위하여, 관측자료와 모델의 각 수층별 염분값을 식 (4)의 스킬 점수 계산을 통해 정량적으로 비교하였다. Fig. 1에 표시된 수질관측 정점 및 단면에서의 염분장 스킬 점수는 Table 4과 같다. 비교에 사용된 관측 자료는 본 연구의 모델 조건(담수 유입량)과 가장 유사한 시기의 결과인 2011년 8월 20일의 정점별 수직관측 결과(Fig. 6)를 사용하였으며, 관측 정점과 동일 위치의 모델 결과(Fig. 7)를 이용하였다. 관측치와 모델 결과를 비교하기 위해 6시간 주기의 이동평균법을 사용하였다. 그 결과 남북 횡단면(NS Section)의 경우 표층에서 88~99%의 점수를 보였으며, 나머지 모든 수층에서 92% 이상을 보였다. 동서 횡단면(Transect I, II)의 경우 전체 수층에서 대부분 95% 이상의 높은 점수를 보였다.

Table 4.

Skill score for Salinity at two vertical transects for Model run S10TDA

Fig. 6.

Transects of observed salinity along (a) north-south and (b) Transect I and (c) Transect II by field measurements in August, 2011.

Fig. 7.

Transects of salinity along (a) north-south and (b) Transect I and (c) Transect II by Model Run S10TDA.

이상의 평균 제곱근 오차와 상대오차를 통한 스킬분석 결과를 통해 모델의 조위와 유속장 그리고 염분장 재현이 신뢰할만한 수준이라고 판단된다.

3.2 유속장 분포 특성

Fig. 8의 a와 b는 S10TDA의 표층 최강 창조시와 낙조시의 유속장을 보여준다. 최강 창조시 남해도 서측에서는 여수 수로를 통해 1 m/s 이하의 유속으로 북향하다가 POSCO 남측을 기점으로 광양만과 노량수로로 분기한다. 이 중 POSCO 동측을 따라 북향한 흐름은 각각 섬진강과 노량수로로 분기하여 진행한다. 노량수로에서 2 m/s 이상의 강한 유속으로 진행한 흐름은 진주만으로 진입한다. 남해도 동측의 경우 대방수로를 통해 2.5 m/s 이상의 강한 흐름이 진주만으로 진행하며, 창선수로를 통해서 진행하는 흐름 또한 2 m/s 이상의 빠른 유속으로 강진만으로 진행한다. 진주만 중앙 해역에서는 노량수로를 통해 진입한 흐름과 대방수로를 통해 진입한 흐름이 수렴하는 양상을 보인다. 최강 낙조시 섬진강 하구에서 2.5 m/s 이하의 강한 유속으로 남하하는 흐름과 노량수로에서 2 m/s 이하의 유속으로 서향하는 흐름이 발생하며, 이 두 흐름이 POSCO 동측에서 만나 여수수로를 통해 1 m/s 이하의 흐름으로 남하한다. 진주만에서는 중앙 해역의 서측인 노량수로 입구 부근에서 창조시와는 반대로 발산하는 양상의 흐름이 보이며, 이 흐름은 각각 서쪽과 동쪽으로 이어져 노량수로와 대방수로를 향해 흐른다. 대방수로를 통해 외해로 2.5 m/s 이상의 강한 흐름이 진행된다. 대방수로와 창선수로를 통해 외해로 진출한 흐름들은 창선도 동측과 남해도 동측 해역을 따라 남하하는 흐름으로 나타난다.

Fig. 8.

Horizontal distribution of surface current velocity and salinity distribution (a,c) at flood, (b,d) ebb, by Model Run S10TDA.

Fig. 9a와 b는 저층에서의 최강 창조시와 최강 낙조시의 유속장을 보여준다. 최강 창조시 여수수로로 북향하는 0.5 m/s 이하의 약한 흐름이 발생한다. POSCO 남측을 기점으로 분기한 흐름은 노량수로로 1 m/s 이하의 유속을 보이며, 진주만으로 진행한다. 대방수로를 통해 북서향한 흐름 또한 1 m/s 이하의 유속을 가지며, 진주만 중앙부에서 노량수로를 통해 진입한 흐름과 수렴하는 양상을 보인다. 최강 낙조시의 경우 POSCO 동측 해역에서 1 m/s 이하의 남향류가 발생하며, 여수수로를 통해 0.5 m/s 이하의 흐름이 발생한다. 진주만 중앙부에서 발산한 흐름은 대방수로를 통해 1~1.5 m/s의 유속으로 외해로 흐르는 양상을 보인다.

Fig. 9.

Horizontal distribution of bottom current velocity and salinity distribution (a,c) at flood, (b,d) ebb, by Model Run S10TDA.

3.3 염분장 분포 특성

Fig. 8c와 8d는 S10TDA의 표층 염분 분포를 나타낸 결과이며, Fig. 9c와 9d는 저층 염분 분포의 결과이다. 염분장의 변화가 나타나지 않은 외해역을 제외하고 광양만 및 여수수로와 진주만과 사천만, 강진만 해역을 확대하여 나타내었다. 표층과 저층의 염분 분포 특성으로 보아 POSCO 동측 해역까지는 전 수층에서 섬진강 하천수의 직접적인 영향을 받아 염분이 크게 감소한 양상을 보였으며, 주요 수로인 여수수로와 노량수로에서는 표층에서 염분이 소폭 감소하였고, 저층에서는 변화가 나타나지 않았다. 특히 표층에서 POSCO 동측 해역은 17일간의 모델 결과 중 최소 19.4 psu, 평균 28.1 psu의 염분 분포를 보였으며, 저층 경우 최소 25.7 psu, 평균 2.5 psu의 염분 감소가 나타났다. 여수수로 및 여수해만 내의 염분은 표층에서 최대 3 psu, 평균 29.5 psu의 분포를 보였다. 노량수로는 최소 31 psu, 평균 31.6 psu의 염분 분포를 보였다. Fig. 7b와 c의 동서 방향 단면 염분장 결과를 살펴보면, 표층에서 동쪽 해역보다 서쪽에서 염분이 낮게 분포하고 있는 양상을 볼 수 있으며, 염분 값이 약 3 psu 정도의 차이를 보이고 있다. 이 같은 염분장의 분포 특성으로 볼 때, 섬진강 하천수의 유입으로 인한 염분 플럼의 분포는 여수수로의 서쪽 방향으로 휘어진 양상을 보인다고 할 수 있다.

3.4 밀도류 분포 특성

Fig. 10은 광양만 권역의 조석 잔차류와 밀도류의 분포 및 평균 염분장 분포를 나타낸 것이다. Pawlowicz et al.(2002)가 제안한 T_TIDE Tool을 이용하여 모델 내 모든 격자점에서의 조석 예측값을 계산하였으며, S10TN의 유속결과에서 조석 예측값을 제거하여 조석 잔차류(Fig. 10a)를 계산하였다. 조석 잔차류와 밀도류가 합성된 Fig. 10b의 결과는 S10TDA의 결과에서 조석 예측값을 제거하여 계산하였으며, Fig. 10c의 밀도류 결과는 담수 유입을 제외한 모든 효과를 제거시기 위해 S10TN의 결과에서 S10TDA의 결과를 제거하여 계산하였다. 조석 잔차류의 결과인 Fig. 10a의 경우 남해도 서측 해역에서 북향류가 우세하게 나타난다. 여수수로 부근에서 시계방향의 와류가 존재하며, POSCO의 북동쪽 해역인 섬진강 하구에서는 반시계방향의 와류가 나타난다. 노량수로에서는 진주만 방향으로 동향하는 조석 잔차류가 나타난다. 대방수로에서는 조석 잔차류가 매우 복잡하게 나타난다. Fig. 10b는 조석 효과를 제거한 결과로 연구 해역의 물질 순이동의 양상을 확인 할 수 있다. 섬진강으로부터 여수수로를 지나 남쪽 개방경계 부근까지 남향하는 강한 흐름이 분포하고 있으며, 노량수로의 동쪽 입구에서 진주만, 대방수로로 이어지는 흐름이 나타난다. 또한 대방수로를 통해 외해로 진출하는 흐름이 강하게 나타난다. 조석 효과와 조석 잔차류를 모두 제외한 결과인 Fig. 10c는 섬진강 하천수의 유입에 따른 순수한 밀도류의 분포를 보여준다. 섬진강 하류로부터 진행한 밀도류는 POSCO 동측 해역에서 여수수로 부근으로 향하는 남향류와 노량수로로 진행하는 동향류로 분기하며, Fig. 10b의 결과와 마찬가지로 남쪽 개방경계까지 남향류가 지속되지만 그 흐름의 세기가 다소 약하게 나타난다. 노량수로를 통해 진주만으로 진행한 흐름은 바로 대방수로까지 이어지며, 여수수로로 진행하는 흐름보다 약하게 나타난다.

Fig. 10.

Horizontal distribution of (a) mean tidal residual current, (b) mean tidal residual current plus density-driven current and (c) mean densitydriven current and (d) mean salinity field by model run S10TN and S10TDA.

광양만 권역의 조석 잔차류는 동서 방향으로 -5.6~11.9 cm/s, 남북 방향으로 -21.9~5.2 cm/s의 유속을 나타냈으며, 조석 잔차류와 밀도류는 동서 방향으로 -4.9∼12.7 cm/s, 남북 방향으로 -31.9~3.1 cm/s의 유속을 보였다. 순수한 밀도류에 의한 흐름은 동서 방향으로 -1.3~2.9 cm/s, 남북 방향으로 -14.1~0.9 cm/s 로 나타났으며, 특히 섬진강 하구인 St.2에서 동 서 방향으로 -0.6cm/s, 남북 방향으로 -11.4 cm/s의 흐름을 보였고, 노량수로에 근접한 진주만 내 격자점인 St.8에서는 동서 방향으로 2.9 cm/s, 남북 방향으로 -0.9 cm/s의 흐름이 나타났다. 대방수로에 근접한 격자점인 St.9는 동서 방향이 0.6 cm/s, 남북 방향이 -1.8 cm/s로 밀도류의 세기가 비교적 약하게 나타났다(Table 5).

Table 5.

Statistics of the residual current velocity for Model run S10TN and S10TDA

3.5 체적 수송량의 수지 분석

광양만 권역에서의 담수유입 영향을 이해하기 위하여 각 경계면에서의 체적 수송량을 계산하였다. 본 연구에서는 담수의 유입은 섬진강 하천수의 유입만이 고려대상이며, 모델 내 평균 해수면(Mean Sea Level; MSL)의 안정화 이후 총 15일간의 모델결과를 이용하여 수송량을 계산하였다. 수송량의 계산을 위해 각 경계면의 모든 격자에서 매 시간별 해수위 변화를 포함한 체적을 계산하였고, 계산된 체적을 유속 결과와 함께 연산하여 체적 수송량을 계산하였다. 그 후 Ji et al. (2007)이 제시한 하구역 내 담수 체적 계산식을 이용하여 해수의 초기 염분값과 감소된 염분값의 비율을 통해 담수 체적 수송량을 계산하고, 전체 체적 수산하였다. 이 때 사용된 식은 식 (5)~(7)와 같다.

여기서 VT_t: 전체 체적 수송량(Total Volume Transport; m³/s), VT_f: 담수 체적 수송량(Volume Transport of Fresh water; m³/s), VT_s: 해수 체적 수송량(Volume Transport of Sea water; m³/s), S₀: 해수의 초기 염분값, S: 계산된 염분값, S_m: 평균 염분값, A: 단면적(m²), U: 유속(m/s)

모델 내 각 경계면에서의 체적 수송량은 Fig. 11과 같다. 조석에 의한 수송량(a)과 담수 유입 효과만을 고려한 수송량(c), 그리고 두 효과를 합친 수송량(b)으로 구분하였다. 조석 효과만을 고려한 수송량에서는 여수수로를 통해 광양만으로 유입된 체적 중 99.3%가 노량수로를 통해 진주만으로 유입되었다. 진주만으로 유입된 해수는 대방수로를 통해 70.2%가 외해로 유출되며, 창선수로를 통해 28.4%가 유출되었다. 담수 유입 효과만을 고려한 수송량 계산 결과, 먼저 북쪽 경계면에서 광양만으로 유입된 담수 중 여수수로를 통해 외해로 81.2%가 유출되었으며, 18.4%가 노량수로를 통해 진주만으로 유입되었다. 조석과 담수 유입의 효과를 모두 고려한 결과, 여수수로에서 광양만으로 체적이 유입되는 양상을 보였다. 광양만으로 유입된 체적은 99.2%가 노량수로를 통해 진주만으로 유입되며, 대방과 창선수로를 통해 각각 70.8%, 27.8%가 외해로 유출되는 양상을 보였다.

Fig. 11.

Volume Flux for the SKY system by Model Run S10TN (a; only tide), S10TDA (b; tide+discharge) and S10TDA-S10TN (c; river discharge effect).