한국해안 해양공학회논문집 /ISSN 1976-8192(Print), ISSN 2288-2227(Online) Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers 27(3), pp. 149~158, Jun. 2015 http://dx.doi.org/10.9765/kscoe.2015.27.3.149 천문조, 배조및복합조특성을이용한경기만한강하구구역별조석체계분류 The Regional Classification of Tidal Regime using Characteristics of Astronomical Tides, Overtides and Compound Tides in the Han River Estuary, Gyeonggi Bay 윤병일 * 우승범 * 김종욱 * 송진일 * Byung Il Yoon*, Seung-Buhm Woo*, Jong Wook Kim* and Jin Il Song* 요지 : 경기만한강하구에서주요수로의조석전파특성을이용하여, 천문조, 배조및복합조의분포를파악하고, 조석형태수의특징에따라구역별조석체계 (tidal regime) 를분류하였다. 주요수로에서보이는조석전파특성은외해는천문조로대표되는 5대분조 (e.g., M 2, S 2, N 2, K 1 및 O 1 ) 가지배적이지만, 상류로진입할수록천해분조 (e.g., M 4 ) 와장주기분조 (e.g., MS f ) 의뚜렷한증가가보인다. 반일주조성분이우세한경기만및한강하구에서천문조, 배조및복합조를이용하여제시된조석형태수 (tidal form number) 의특성에따라크게 3구역으로분류하였다. 1구역은천문조가우세한지역으로외해에서인천항전면까지 ( 염하수로 ), 외해에서석모수로의북쪽입구로제시된다. 2구역은염하수로남쪽입구에서북쪽입구까지와강화북수로지역으로단주기천해분조 (e.g., M 4 와 MS 4 ) 가강하게나타나는지역이다. 마지막으로 3구역은신곡수중보이후부터한강상류지역으로장주기복합조 (e.g., MS f ) 가제일우세한지역이다. 일반적인하구와마찬가지로한강하구의조석비선형성은지형적특성에기인한천해분조가증가를하며, 1/4일주기 (fourth-diurnal) 및장주기 (long-term period) 분조의확연한분포차이를보인다. 특히, 수중보의영향은구조물의상류와하류지점의조석체계에지대한변화를일으킨다. 핵심용어 : 천문조, 배조, 복합조, 구역별분류, 조석형태수, 한강하구 Abstract : In this study, we investigate tidal wave propagation characteristics, and classify regional tidal regime using tidal form number considered distribution of astronomical tide, overtides, and compound tides in the Han River Estuary, Gyeonggi Bay. The characteristics of the tidal wave propagation in main channels show dominance of major tidal constituents (e.g., M 2, S 2, N 2, K 1 and O 1 ) contributing to the astronomical tide however, distinct increasing of shallow water (e.g., M 4 ) and long period (e.g., MS f ) components toward up-estuary. Using the characteristics of tidal form number to astronomical tide, overtides, and compound tides, the regional tidal regime could be assorted into three regions. Firstly, a dominance area of astronomical tide was presented from open sea to a front of Incheon Harbor (Yeomha channel) and to north entrance of Seokmo channel. The area between south and north entrance of Yeomha channel and Ganghaw north channel classified into zone of showing strong shallow water components. It could be separated into upper estuary, upstream the Singok underwater dam, showed dominance of shallow overtides (e.g., M 4 and MS 4 ) water and long-term compound tides (e.g., MS f ) larger magnitude than astronomical tide. The shallow water components was earlier generated in lower part (south entrance) of Yeomha channel have strong bottom by effect of shallower and narrower compared with Seokmo channel. Tidal asymmetries of upper estuary cause by a development of overtides and compound tides are mainly controlled by influence of man-made structure. Keywords : astronomical tide, overtides, compound tides, regional classification, tidal form number, Han River estuary 1. 서론 하구는하천의담수와외해의해수가만나서혼합이발생하는전이지역으로해양물리학적, 퇴적학적그리고생지화학적변화가시공간적으로매우복잡하고독특하게나타난다. 이러한시공간적인변화는하구의물리적외력인조석, 파랑및하천유량등의복합적인상호작용으로발생한다 (McLusky and Elliott, 2004). 다양한외력조건의상호작용에의한하구의다양한변화를이해하기위해서는각각의물리적작용에대한연구가필수적이다. 특히, 하구지역의가장큰외 * 인하대학교해양과학과 (Corresponding author: Seung-Buhm Woo, Department of Ocean Science, College of Natural Science Inha University, Incheon 402-751, Korea, Tel: +82-32-860-7710, Fax: +82-32-862-5236, sbwoo@inha.ac.kr) 149
150 윤병일 우승범 김종욱 송진일 력조건중의하나인조석에대한연구는물리적해양환경변화에따른퇴적학적그리고생지화학적변화를파악하기위해수행되어야할가장기본적인과정이다. 외해와비교되는하구지역의특징은조차의크기를수심과비교할때무시할수없고, 바닥마찰의영향이강하게작용하는것이다 (e.g., Pugh, 1987; Parker, 1991). 이러한비선형효과때문에일정한사인 (sine) 형태를보이는외해조석은하구로진입하면서고조와저조또는창조와낙조의크기와지속시간이불균형한조석변형이발생한다 (LeBlond, 1978). 조석변형과비대칭성은배조와복합조로정의된천해분조로표현할수있다 (Gallo and Vinzon, 2005). 천해분조는하구조석연구의중요한요소이고, 지형적효과, 바닥마찰등여러비선형원인에의해서발생한다 (Parker, 1991). 천해분조는결합하는분조에따라서배조또는복합조로정의된다 (Le Provost, 1991). 배조는동일한분조의결합으로생성되기때문에기본천문조주파수의항상정확한배수의주파수와위상이고정된파속을가진다 (Pugh, 1987). 배조의생성원리와는다르게두개의다른기본분조의중첩으로발생하는분조를복합조라고한다. 다양한기본천문조의결합으로배조또는복합조가생성되고, 이러한영향에의한조석비대칭은하구와외해조석의가장큰차이점이다 (Dronkers, 1986; Pugh, 1987; Dyer 1997). 배조와복합조에의해서변형된조석의왜곡정도는진폭성분의비율 ( H M4 H M2 ) 과상대적인위상차이 ( 2ϕ M2 ϕ M4 ) 를이용하여정량화되었다 (e.g., Friedrichs and Aubrey, 1988). 조석비대칭의크기와방향이반일주조중에서 M 2 분조그리고배조성분인 M 4 분조와의관계를중심으로제시된다. 이러한전통적인방법은다른분조와의결합에의한반응을확인해야하며다른천문조가우세한지역과의직접적인비교가어렵다 (Song et al., 2011). 반일주조가강한지역에서는배조성분인 M 4 ( M 2 + M 2 ) 가가장큰천해분조이지만로알려져있지만, 복합조성분인 MS 4 ( M 2 + S 2 ) 그리고 MS f ( M 2 S 2 ) 를무시할수없다 (Pugh, 1987). 반일주조가강한서해연안은조차가크고수심이낮기때문에조간대가넓게분포되어있다 (e.g., Koh and Khim, 2014). 서해연안의대하천하구는경기만의한강하구를제외하고대부분하구둑이설치되어있다 (Lee et al., 2011). 지형학적특징과인위적인구조물의영향때문에서해에서진입하는조석 은연안및하구지역에이르면서천해분조의영향으로변형된다. 서해연안역에서천해분조와관련된여러연구가진행되었고, 각지역의특징에따라발생되는천해분조의특성및원인을제시하였다 (e.g., Kang and Jun, 2003; Byun and Cho, 2006; Yoon and Woo, 2011; Yoon and Woo, 2012a). 서해연안의조석비대칭에대한기존연구중에서 Yoon and Woo (2011) 는경기만의주된분조인 M 2 의진폭변화를이용하여수로별조석전파특성과지형적특성을제시하였다. Yoon and Woo (2012a) 는 M 2 와 M 4 성분을이용하여 한강하구의조석과조류의비대칭성과낙조우세의원인을파악하였다. Byun and Cho (2006) 은서해남부의함평만에서 M 2 와 S 2 분조의결합에의해생성된복합조를분석하여창조이중고점 (double peak-flood) 현상을재현하였다. Kang and Jun (2003) 은 M 2 분조의조류타원도분포와 M 4 분조의크기및낙조지속시간분석을통해영산강과금강하구를각각낙조와창조우세지역으로구분하였다. M 2 분조뿐아니라 S 2 분조도우세한경기만한강하구는다수의담수유입원 ( 한강, 임진강, 예성강 ) 과수로 ( 염하수로, 석모수로, 교동수로 ) 로구성되어있다 (Fig. 1). 각수로마다상이한지형적 ( 수심, 수로폭 ) 특징을보여준다 (Yoon and Woo, 2011). 또한, 하류부에설치된하구둑에의해일부조석및염수의침입이차단된다 (Yoon and Woo, 2012b). 이러한지형적특성의공간적인차이와인위적인구조물의영향은공간적으로다른비선형성을야기할수있고, 배조인 M 4 와더불어복합조인 MS 4, MS f 의공간적분포가다르게나타날수있다. 본연구의목적은다양한외력이복합적으로작용하고수로별지형적특징이다른경기만한강하구의 1) 천문조, 배조및복합조가포함된조석전파특성을제시하는것이고, 2) 배조와복합조가고려된천해조석형태수 (shallow water tidal form number) 를제시하고이를이용하여 3) 경기만한강하구의조석체계를구역별로분류하는것이다. Fig. 1. Topographic map of the study area with 5 (thin black line) and 30 m (gray line) isobaths. The observation points for tide (T1 T20, black circles) and for current (C1, C4 C6, symbols) are shown around Gyeonggi Bay. The shaded areas (light gray) indicate intertidal flats.
천문조, 배조및복합조특성을이용한경기만한강하구구역별조석체계분류 151 2. 연구방법 연구지역의조석특징을정량적으로분석하기위해서외해지역의 6 정점 (T1 T5, T9), 강화도동쪽지역의 4 정점 (T6 T8, T15), 강화도서쪽지역의 5 정점 (T10 T14), 그리고한강하구상류지역의 5 정점 (T16 T20) 으로총 20개의정점의조석자료를수집하였다 (Fig. 1). 수집된조석자료는국립해양조사원 (Korea Hydrographic and Oceanographic Administration, KHOA), 한강홍수통제소 (Han River Flood Control Office, HRFCO) 에서제공받았고, 연구보고서 (Ministry of oceans and fisheries, 2001; Ministry of oceans and fisheries, 2002) 의내용을기반으로한다. Kim (1997) 에서제시된경기만외해에서한강하구까지의흐름을참고하여조석자료를구역별로구성하면다음과같다. 먼저염하수로 (Fig. 1의 Yeomha channel, YHC) 는대산 (T1) 앞의동수로이후영흥도 (T2), 팔미도 (T3), 인천항전면 (T4와 T5), 세어도 (T6) 를지나강화대교 (T8) 의정점으로구성된다. 다음으로석모수로 (Fig. 1의 Seokmo channel, SMC) 는외해의덕적도 (T9) 이후장봉도 (T10) 를지나석모수로북쪽입구 (T14) 의정점이다. 염하및석모수로가합쳐진이후의한강 하류정점에는전류리 (T16) 이있고, 신곡수중보 (Fig. 1의 Singok underwater dam, SUD) 의하류 (T17) 그리고상류 (T18 T20) 정점이있다. 강화북수로 (Fig. 1의 Ganghwa north channel, GNC) 는군사지역으로관측이불가능하여서관련자료가없다. 강화북수로를제외하면경기만외해조석이상류로유입되는흐름을충분히분석할수있는자료로구성되어있다. 4대분조의조화상수값을이용하여조석형태수 (tidal form number, F; 식 (1)) 를계산하였고, 배조및복합조의영향을평가하기위해서천해조석형태수를제시하였다. F = ( H K1 + H O1 ) ( H M2 + H S2 ) F FD = ( H M4 + H MS4 ) ( H M2 + H S2 ) F LP = ( H MSf + H MM ) ( H M2 + H S2 ) 여기서, H는각분조의진폭을의미하고, 아래첨자는분조를나타낸다. 식 (1) 에제시된바와같이반일주조 ( M 2 + S 2 ) 와일주조 ( K 1 + O 1 ) 의진폭비로정의되는조석형태수 (F) 가 3.0 이상일경우는일주조형태, 1.5 3.0이면일주조가우세한혼합조, 0.25 1.5 사이값이면반일주조가우세한혼합조, 그리고 0.25 보다작을때는반일주조우세로정의된다 (Defant, 1961; Kjerfve, 1981). 배조와복합조는 4대천문조성분의주기보다짧은 1/4일주기 (fourth-diurnal) 성분과긴장주기 (long-term period) 성분으로구분하였다. 주기를바탕으로조석형태수는단주기조석형태수와장주기조석형태 (1) (2) (3) 수로구분하였다. 단주기조석형태수 (fourth-diurnal tidal form number, F FD ; 식 (2)) 는배조성분 (M 4 ) 와복합조성분 (MS 4 ) 를사용하고구하고, 장주기조석형태수 (long-term period tidal form number, 한다. F LP ; 식 (3)) 는 M M 과 MS f 를이용 조석형태수와천해조석형태수의분포특징과더불어조류의변화를함께파악하기위해서염하수로의조류관측자료 (Song and Woo, 2011; Yoon and Woo, 2012a) 를분석하였다. 조류자료는주성분분석 (principal component analysis) 을사용하여구한주축방향성분을조화분해하여조화상수를추출하였다. 한강하구를구성하는각각수로의지형적인영향과함께인위적인구조물의영향을비교하기위하여신곡수중보건설이전 (1985년) 과이후 (2008년) 의행주대교수위를비교하였다. 3. 연구결과 3.1 천문조, 배조및복합조전파특성 20개정점 (T1 T20) 에대한조화상수값을장주기 (longterm period), 일주조 (diurnal), 반일주조 (semi-diurnal) 그리고 1/4일주기 (fourth-diurnal) 성분으로구분하여제시하였다 (Table 1). 제시된조화상수를사용하여식 (1) 의조석형태수 (F) 를각정점에대해서계산하였다. 대부분관측지역의 F 는반일주조우세또는반일주조가우세한혼합조의특성을보이는 0.17 0.55의범위로나타난다 (Table 1). Table 2에조류의조화상수를주기에따라구분하여제시하였다. F는조석과마찬가지로반일주조가우세하게나타나며, 조류의시계열 (Song and Woo, 2012) 결과역시반일주조가우세한흐름을보여준다 (Fig. 2). 반일주조 (e.g., M 2 ) 는외해에서하구로진입하면서점진적으로증가하다가특정정점이후에급격히감소한다 (Fig. 3a 와 4a). 반일주조의진폭이급격히감소하는위치는염하수로의남쪽입구 (T7) 와석모수로의북쪽입구 (T14) 이다. 또다른반일주조 (e.g., S 2 ) 및일주조 (e.g., O 1 ) 성분은크기는작지만, M 2 성분과비슷한형태를보여준다 (Fig. 3a와 4a). 다른분조 (N 2 와 O 1 ) 분조는제시하지않았지만, 상류로진입하면서비슷한경향을보인다. 이러한조석전파형태는 hyper-synchronous로정의되고 (Dyer, 1997), Yoon and Woo (2011) 의연구와일치하는결과를보인다. 1/4일주조 (e.g., M 4 ) 성분은반일주조및일주조성분의변화와는다르게외해정점에서는큰변화가없고, 하구로진입하면서진폭이급격하게증가한다 (Fig. 3b와 4b). 염하수로의수로의남쪽입구 (T7) 및석모수로의수로의북쪽입구 (T14) 이후부터 20 cm 이상의증가를한다. 1/4일주조의진폭의최대값은두수로가합류된지점 (T15) 에서발생한이후에점진적으로감소하다가 T18 ( 신곡수중보 ) 에서급격히감소한다. 다른 1/4일주조인 MS 4 분조도비슷한진폭의크기
Table 1. Amplitudes (a, unit: cm) and phase (g, unit: degree) of the significant tidal constituents for T1 T20 station. Tidal regime calculated from tidal components Tidal components (T1 T20 station in Fig. 1) Tidal regime ( ) St. Long-term period Diurnal Semi-diurnal Fourth-diurnal M m MS f O 1 K 1 N 2 M 2 S 2 M 4 MS 4 F F FD F LP R a g a g a g a g a g a g a g a g a g T1 5.7 125.5 0.9 198.0 26.6 259.5 37.5 288.3 44.1 100.2 243.2 110.9 99.0 160.3 3.5 120.3 3.0 117.4 0.19 0.019 0.019 0.014 T2 2.7 238.0 1.6 244.3 30.8 262.5 48.6 309.8 59.2 102.2 261.7 124.6 84.2 199.4 4.2 125.1 3.4 201.4 0.23 0.022 0.012 0.016 T3 2.1 264.6 0.9 218.8 31.7 263.4 48.8 310.7 62.6 106.0 276.4 127.2 87.9 201.4 5.3 119.1 4.0 200.2 0.22 0.025 0.008 0.019 T4 1.7 164.6 1.5 15.5 29.7 265.0 39.6 303.2 53.3 111.0 288.5 131.3 114.8 188.7 6.6 125.4 6.0 189.4 0.17 0.031 0.008 0.023 T5 3.0 175.3 1.0 339.4 30.1 264.5 39.9 303.4 53.1 112.4 288.9 131.4 117.3 187.4 6.2 119.5 5.5 194.5 0.17 0.029 0.010 0.021 T6 4.0 291.2 0.7 90.1 31.2 267.5 48.6 314.7 64.2 111.4 288.2 133.8 91.6 210.4 4.7 116.1 3.7 193.8 0.21 0.022 0.012 0.016 T7 3.5 191.2 3.4 84.8 30.9 267.2 48.8 315.5 65.9 113.6 290.0 135.5 91.2 212.7 4.4 145.0 3.6 221.8 0.21 0.021 0.018 0.015 T8 11.7 16.4 28.4 56.3 22.1 271.7 27.8 319.8 32.0 156.2 204.3 178.9 73.3 242.8 28.5 305.7 23.3 5.3 0.18 0.186 0.144 0.140 T9 2.4 357.3 2.2 55.3 29.8 261.8 47.3 309.7 56.1 102.5 240.5 125.3 76.4 200.2 3.6 94.2 2.7 173.2 0.24 0.02 0.145 0.015 T10 1.9 254.4 0.6 198.8 31.5 265.2 48.9 313.2 62.9 110.4 277.1 131.9 87.4 206.6 1.3 210.2 1.5 256.5 0.22 0.01 0.007 0.005 T11 1.1 207.1 0.8 78.1 30.9 268.6 49.1 317.7 62.5 118.6 279.0 140.9 88.7 217.9 10.5 197.1 8.0 267.6 0.22 0.05 0.005 0.038 T12 14.3 52.3 5.0 87.6 28.6 271.7 37.9 318.2 53.2 131.3 273.1 148.8 102.0 213.0 14.9 229.3 14.4 273.2 0.18 0.08 0.052 0.055 T13 39.6 85.4 10.9 65.9 26.5 267.6 34.3 322.0 52.3 136.6 264.9 149.5 96.5 218.2 21.9 247.4 20.7 292.1 0.17 0.12 0.140 0.083 T14 16.3 318.0 5.6 19.6 27.4 270.5 36.0 319.7 53.2 133.2 265.0 150.4 93.4 216.1 19.8 241.4 18.1 285.3 0.18 0.11 0.061 0.075 T15 9.4 27.7 32.3 54.6 20.9 278.7 28.4 326.4 35.7 167.3 202.9 191.6 70.9 254.4 35.5 322.7 28.7 21.7 0.18 0.23 0.152 0.175 T16 12.2 94.8 52.5 81.2 15.7 303.9 20.5 345.4 13.3 198.7 104.9 241.6 40.3 310.3 31.8 58.0 29.0 117.1 0.25 0.42 0.445 0.303 T17 20.8 1.0 52.6 221.4 15.4 301.1 14.9 0.5 12.3 222.6 68.0 258.7 25.4 308.8 23.3 96.4 16.9 145.9 0.32 0.43 0.786 0.343 T18 11.8 31.9 22.6 116.1 8.8 270.5 5.3 9.3 4.3 240.9 15.9 272.5 12.0 339.9 4.1 114.8 3.6 191.8 0.51 0.28 1.233 0.258 T19 6.3 31.2 20.8 63.0 4.8 311.2 5.4 357.0 3.5 256.6 12.3 281.2 8.6 338.8 3.6 136.4 3.3 190.3 0.49 0.33 1.297 0.290 T20 9.1 21.3 21.6 60.1 5.1 315.7 5.5 28.7 4.3 269.8 11.4 291.9 7.7 345.8 4.0 172.0 3.5 232.2 0.55 0.39 1.607 0.351 F: tidal form number (Eq. 1), F FD : fourth-diurnal tidal form number (Eq. 2), F LP : long-term period tidal form number (Eq. 3), and R: amplitude ratio ( H M4 H M2 ) 152 윤병일 우승범 김종욱 송진일 Table 2. Amplitudes (a, unit: cm) and phase (g, unit: degree) of the significant tidal constituents for T1 T20 station. Tidal regime calculated from tidal components Tidal components (C1, C4 C6 station in Fig. 1) Tidal regime ( ) St. Long-term period Diurnal Semi-diurnal Fourth-diurnal MS f O 1 K 1 M 2 S 2 M 4 MS 4 F F FD F LP R a g a g a g a g a g a g a g C1 4.5 218.6 4.2 193.9 6.8 230.0 89.1 69.2 34.1 115.8 5.7 260.9 2.8 298.1 0.09 0.07 0.037 0.06 C4 5.4 217.3 2.5 175.7 5.7 222.0 111.4 86.1 38.9 132.7 8.0 224.9 6.4 254.6 0.05 0.10 0.036 0.07 C5 2.6 243.1 3.4 134.4 4.4 204.9 80.6 84.2 20.0 142.9 15.4 212.6 9.6 266.4 0.08 0.25 0.026 0.19 C6 15.4 27.5 4.9 327.1 4.1 92.5 77.3 350.6 17.9 43.4 43.4 188.5 16.2 233.4 0.09 0.63 0.162 0.56 F: tidal form number (Eq. 1), F FD : fourth-diurnal tidal form number (Eq. 2), F LP : long-term period tidal form number (Eq. 3), and R: amplitude ratio ( H M4 H M2 )
천문조, 배조 및 복합조 특성을 이용한 경기만 한강하구 구역별 조석체계 분류 153 Fig. 2. Stick diagram of tidal current stations (C1, C4, C5, and C6 in Fig. 1). A gray box is for all common periods of Dec. 2~16, 2005. This figure adapted with permission from Song and Woo (2011, Fig. 3). Fig. 3. (a) A change of amplitude of semi-diurnal (M2; black line and S2; black dotted line) and diurnal (K1; gray line) constituents. (b) A change of amplitude of fourth-diurnal (M4; black line and MS4; black dotted line) and long-term period (MSf; gray line) constituents. (c) Amplitude ratio ( R = HM4 H M2 ; black line) and arrival time (gray line) of tide based on phase of constituent of water level (Warner et al., 2003) along the Yeomha channel (YHC). Tidal constituent stations (reverse triangles) are marked along the distance in the top of figure. Fig. 4. (a) A change of amplitude of semi-diurnal (M2; black line and S2; black dotted line) and diurnal (K1; gray line) constituents. (b) A change of amplitude of fourth-diurnal (M4; black line and MS4; black dotted line) and long-term period (MSf; gray line) constituents. (c) Amplitude ratio ( R = HM4 H M2 ; black line) and arrival time (gray line) of tide based on phase of M2 constituent of water level (Warner et al., 2003) along the Seokmo channel (SMC). Tidal constituent stations (reverse triangles) are marked along the distance in the top of figure. 및 변화를 보여준다. 앞서 제시한 바와 같이 전통적인 방법 만, 장주기는 상대적으로 일정한 값 이상을 보여준다. 다른 장 에서 M4 성분만을 이용한 비선형 반응 정도를 제시하는 것 주기 분조인 MM 분조도 비슷한 경향을 보이며, 최대 위치도 은 경향성에 대한 파악은 가능하다. 그러나 MS4 분조가 큰 동일하기 때문에 제시하지 않았다. 지역에서는 정량적인 비교에는 어려움이 있을 수 있다. 모든 분조에서 보이는 또 다른 특징은 T17 정점 이후 급 장주기 (e.g., MSf ) 성분은 외해에서 상류로 진입하면서 1/ 격한 진폭의 감소이다. 앞서 제시한 반일주조와 일주조에서 4일주조와 같은 위치에서 증가하지만 그 크기는 작다 (Fig. 3b 보이는 급격한 진폭의 감소 (e.g., T7, T14)와 가장 큰 차이 와 4b). 같은 천해 분조이지만 1/4일주조와 확연하게 다른 점 는 거리에 따른 감소 비율이다. T7에서 T8 (염하수로)은 은 진폭의 최대값이 나타나는 정점이다. 장주기 성분의 최대 86 cm/11 km ( 7.8 cm/km)이고, T14에서 T15 (석모수로)는 진폭은 1/4일주조 성분의 상류로 약 32 km에 위치한 신곡 수 63 cm/26 km ( 2.4 cm/km)이다. 그러나 T17과 T18 정점의 중보 하류 정점인 T17 정점에서 나타난다. 또 다른 점은 1/ 거리 차이는 1.4 km에 불구 하지만, 진폭의 감소 52 cm에 이 4일주조 성분이 T18 정점 이후에 급격한 진폭 감소를 하지 른다 ( 37.1 cm/km). 이는 자연적인 조석 전파 특성에서는
154 윤병일 우승범 김종욱 송진일 나타나기힘든현상으로 T17, T18 정점사이에있는신곡수중보의영향때문이다. 즉, 진폭이급격하게감소하는이유는인위적인구조물에의해서조석의차단또는소멸하여발생하는현상으로 4.2 신곡수중보에의한영향 에서자세히제시하였다. 하구, 연안지역의비선형성의반응정도를간단하게제시하는데사용하는 M 4 M 2 진폭비율 (R) 을염하, 석모수로로구분하여 Fig. 3c와 Fig. 4c에각각제시하였다. 연구지역에서보이는 R 값의범위는외해에서는 0.02 정도로낮은값을보여주지만, 하구상류로진입하면서점점값이커져 0.34 까지이른다 (Table 2). M 2 분조의진폭이급격히감소와 M 4 분조의급격한증가로염하와석모수로의 T7과 T14 정점부터 R 값은 0.1 이상을보인다. 지속하게증가하는 R 값은신곡수중보가존재하는 T17 이후에급격히감소한후상류지점까지점진적으로증가한다. 외해정점인 T1과 T9에서상류로진입하면서소요되는조석전파시간을주된반일주조성분인 M 2 의위상과각속도 (degree/h) 을이용하여제시하였다 (Fig. 3c와 4c). 염하와석모수로의북쪽입구 (e.g., T8, T14) 까지전파속도는각각 85.5 km/2.35 h ( 36.5 km/h), 66.9 km/0.87 h ( 76.5 km/h) 로 2배이상의차이를보인다. 염하수로에서 T1에서 T7까지소요된시간은 0.85시간이지만, T7에서 T8까지는 1.5시간이소요되기때문에염하수로의전파속도가매우작아진다. 이는염하수로특히 T7 T8 사이의급격한수심감소에의한바닥마찰등의영향으로판단된다. Yoon and Woo (2011) 에서제시된석모수로보다상대적으로염하수로가바닥마찰이강하다는연구결과와부합된다. 염하와석모수로의합류점인 T15까지의전파속도를계산하면염하수로가 90.5 km/ 2.78 h ( 32.5 km/h) 석모가 93.4 km/2.29 h ( 40.8 km/h) 을보인다. 석모수로북쪽입구이후급격한마찰의영향을받는것으로보이며, 두수로의위상차이에의한전파속도차이는합류점에서독특한수위, 염분, 조류의변화를보일가능성이크다. 3.2 천해조석형태수 H M4 앞서제시된비대칭영향정도 ( H M2 ), 위상을이용한조석전파시간산정 (e.g., ) 등의결과는주로반일주조 M 2 성분중에서가장큰 M 2 분조와배조성분인 M 4 를이용하였다. Table 2에제시된바와같이 M 2 다음으로큰조석성분은 S 2 분조이고, 이런영향으로 MS 4 성분의크기가 M 4 성분만큼큰것을보았다. 즉, 두분조 (e.g., M 2 + S 2 ) 의결합에의한복합조성분의생성과특성을제시할필요가있다. 천해지역에서 M 2 와 S 2 의비선형상호작용으로 MS 4 및 MS f 등이생성되는데, 이를고려하기위해서천해의영향이대소조기주기를통해서조위의제곱에비례한다고하면식 (4) 와같이 4가지의분조가생성된다 (Pugh, 1987). { H M2 cos2ω 1 t+ H S2 cos2ω 0 t} 2 1 2 2 = -- ( H M2 + S S2 ) 1 -- ( H M2 ) 2 cos4ω 1 t 1 + + -- ( H S2 ) 2 cos4ω 0 t 2 2 2 + H M2 H S2 cos2( ω 1 + ω 0 )t+ H M2 H S2 cos2( ω 0 ω 1 )t 여기서, H는 M 2 와 S 2 의진폭이고, ω 0 와 ω 1 는각각 M 2 와 S 2 의각속도 (radians) 이고 t는시간이다. 식 (4) 의오른쪽항의첫번째에서세번째항은하루에 4번의반복을보이는 M 4, S 4 와 MS 4 를의미하며, 각속도는각각 4ω 1, 4ω 0 와 2( ω 1 + ω 0 ) 를가진다. 두분조의각속도의차이에의해서생성되는속도 2( ω 0 ω 1 ) 를보이는분조는 MS f 로정의되고, 주기는 14.78 day이다. MS f 분조는정확하게대소조기변동 2 2 성과같은주기를보인다. 또한 MS f 는 H M2 + S S2 항에의한 평균해수면의변화를생성하기도한다 (Pugh, 1987). 한강하구에서주된반일주조인 M 2 분조의합성으로생성되는배조 (M 4 ) 가조석비선형에큰영향을미치지만, 또다른반일주조성분인 S 2 분조도작은값이아니므로 M 2 와 S 2 의합성으로발생하는복합조 ( MS 4, MS f ) 도적지않다 (Table 1과 Table 2). 그러므로본연구에서는 M 4 진폭만이아닌 M 2 와 S 2 의합성으로생성되는복합조를고려할필요가있다. 이를파악하기위해서조석형태수의형태를수정한천해조석형태수를주기에따라서 1/4일주조성분조석형태수 (F FD ) 와장주기조석형태수 ( F LP ) 를제시하였다. 조석과조류성분에대한각정점에서의 F FD, F LP 을각각 Table 2와 Table 3에제시하였다. F FD 의경우 R 값과비슷한경향을보이지만절대적인값은더크게나타나고있다. (4) Table 3. The regional classification by tidal regime Region Station F F FD F LP R Tidal wave propagation S1 T1 T6 Semi-diurnal Weakly Weakly 0.1< Mixed S2 T9 T14 Semi-diurnal Weakly Weakly 0.1< S3 T7, T8 Semi-diurnal Strongly Strongly 0.1~0.2 Almost standing S4 T15 T16 Semi-diurnal Very Strongly Strongly 0.2~0.3 Mixed S5 T16 T20 Mixed mainly semi-diurnal Strongly Very strongly 0.3>
천문조, 배조및복합조특성을이용한경기만한강하구구역별조석체계분류 155 S 2 분조의진폭이상대적으로작지않은경기만한강하구역의경우 R 값에의한비선형천해분조의영향을가늠하는것과더불어 F FD 의값을이용하여 MS 4 분조의영향을고려하는것이바람직하다고판단된다. 조류의경우도조석과비슷한경향을보이지만, R과 F FD 를비교하면상대적으로더큰변화를보여주는데 (Table 3), 이것은하구의비선형효과에의한간섭이조석보다는조류에영향을더크게작용하기때문이다. 외해에서 T1 ( 염하수로 ), T9 ( 석모수로 ) 하구상류로진입하면서변하는 F, F FD 와 F LP 을 Fig. 5에제시하였다. 염하와석모수로의 F LP 값은 FF, FD 와비교하면상대적으로크기때문에그림의오른쪽축을기준으로도시하였다. 전형적인 F 는 0.2 0.3의변화를보이고반일주조우세또는혼합된반일주조우세를보인다. F는신곡수중보 (T18, 상류정점에서 22 km 떨어진지점 ) 를지나면서증가한다. 이러한이유는반일주조, 일주조모두감소하지만, 상대적으로일주조의감소폭이작기때문이다. 장주기분조의변화인 F LP 은 F FD 와같이 T18 지점까지는지속해서증가를하다가이후에는 F FD 와다르게오히려급격히증가한다. F값이이지점에서급격히증가하듯이 F LP 도증가한다. 이는상대적으로단주기성분인반일주조와 1/4일주조성분이일주조또는장주기성분보다바닥마찰의영향을적게받아적게영향을받아감소폭이작기때문이다. 3.3 구역별조석체계분류 조석형태수 (F), 단주기조석형태수 (F FD ), 장주기조석형태수 (F LP ) M 4 M 2 진폭비 (R), 그리고전파특성등을종합적으로고려한조석체계를이용하여경기만해역및한강하구지역을분류하였다 (Table 3). 구분된지역은 Fig. 5의 염하와석모수로의정점위에같이도시하였다. 조석체계의특성에따라 S1 S5지역으로구분하였고, 크게 3개구역으로분류할수있다. 각구역은외해구역 (S1과 S2), 1/4일주조천해구역 (S3), 그리고장주기구역 (S4와 S5) 로지정된다. 먼저, S1과 S2 구역 ( 염하수로남쪽입구이전과석모수로북쪽입구이전 ) 은반일주조가우세하며 F FD 값은작고 R 진폭비가 0.1 이하로외해특성의조석체계구역으로분류할수있다. 다음으로 S3 구역 ( 염하수로 ) 은인천항이후의외 해조석이하구비선형의영향으로및가강해지 고 R 진폭비가 0.1 0.2의범위를보여준다. S4 구역은 S3 구역에서증가한천해분조를비롯하여장주기분조가더욱강해지며, S2 구역에서진입하는조석의영향과담수의직접적인영향으로 S1, S2 구역의조석체계와는다른모습을보일것으로예상한다. S4 구역은관측자료가전혀없어서직접적인분석이어려운상황이다. S5 구역은특히장주기조석의특성이강하고, 신곡수중보같은인위적인구조물에의한영향이조석체계에큰영향을미친다. 인위적구조물에의한영향을명확하게파악하기위해서는수치모델을이용한연구가추적으로필요하다. 4. 논의 F FD F LP 4.1 지형학적특징에의한영향조류자료는주성분분석 (principal component analysis) 을사용하여구한주축방향성분의진폭과위상을 Table 2 에제시하였다. 조석조화상수와마찬가지로반일주조성분이가장큰값을보여주며, 최대진폭값은조석 M 2 분조의최대값이나타난염하수로남쪽입구 (T7) 의인근정점인 C4에서나타났다. C4에서최대값을보인이후에 5개천문조는감소한다. C4 정점부터증가한배조및복합조는 C6 정점에서최대값을보인다. 조석전파특성과더불어조류전파특성을확인하기위해서조류자료의상관도분석을수행하였다 (Fig. 6). 조류에대한자세한분석과결과는 Yoon and Woo (2012a) 에제시 Fig. 5. The variation of tidal form number (F; black solid line), fourth-diurnal tidal form number (F FD ; black dotted line), and long-term period tidal form number ( F LP ; gray solid line) along the (a) Yeomha channel (YHC) and (b) Seokmo channel (SMC). Tidal constituent stations (reverse triangles) and regional classifications of tidal regime (both arrows) are marked along the distance in the top of figures. Fig. 6. Cross correlation of the along-channel component between C1 C4 (black line), C4 C5 (dotted line), and C5 C6 (gray line). X-axis indicted lag of time with respect to maximum flood current between each tidal current station.
156 윤병일 우승범 김종욱 송진일 되어있다. C1 C4과 C4 C5의상관도는 0.9 이상의높은상관관계를보인다. 그러나 C5 C6 상관도는 0.6 이하의상대적으로낮은상관관계가나타났다. 이러한상관관계를볼때, 적어도인천항 (C1) 이후염하수로 (C4, C5) 를따라조류변형특성은일정한변화특성을보이지만, 이후강화북수로에서진입하는조석의영향또는한강과임진강의담수유입등의영향으로상관도가낮게나타날가능성이존재한다. 조류조화상수와인근의조석조화상수의진폭과위상값을재구성하여정상파와진행파의형태를가늠할수있는 hysteresis diagram (Dyer, 1997) 을 Fig. 7에도시하였다. Dyer (1997) 의제시에의하면인천항 (C1 T6) 지역에서는정상파 (standing wave) 와진행파 (progressive wave) 가혼합된형태를보여준다. 염하수로를따라조석파가진행하면서정상파의형태가강해지다가, 수로끝부분 (C5 T8) 에서는조석과조류의위상차이가 80 o 로거의정상파에가까운 Fig. 7. Hysteresis diagram of (C1 T6, thick black line), (C4 T7, dotted black line), (C5 T8, dotted gray line), and (C6 T16, thick gray line) for M 2 + M 4 components. The positive elevation (current) means high tide (flood current). This figure adapted with permission from Yoon and Woo (2012, Fig. 10). 형태가나타난다. 강화도북쪽수로로부터진입한조석의영향으로전류리 (C6) 지역의경우다시진행파의모습이나타나는데, 상관도분석에서보았듯이 (C6 T16) 와염하수로의정점 (C4, C5) 사이의낮은상관도와일치하는결과이다. 염하수로에서보이는변하는수심의감소와수로폭이작아지는지형적특성에의한변화라고판단되며, 조석뿐아니라조류의상관도및조석과조류의 hysteresis diagram에서도확인을수있다. 다만, 석모수로의조류관측정점이추가된다면석모, 염하수로의각각의상관도및두수로가합류된이후의상관도비교가가능할것으로보인다. 4.2 신곡수중보에의한영향한강의하류부에있는신곡수중보는유람선등의운항수심을위한수위유지, 농업용수공급등의이수목적및염수침입방지를위해 1987년에설치되었다 (Baek and Yim, 2011). 신곡수중보의높이는 2.7 m ( 보마루표고 E.L. 2.4 m + 월류고 0.3 m) 이기때문에외해에서전파된조석의조위가 2.7 m 이상일때만조석이신곡수중보를월류하여상류로전파된다. 수중보의높이때문에신곡수중보상류의조석현상은대조기또는중조기일때발생한다 (Chang and Oh, 1991). 즉, 조차가작다면대부분신곡수중보에서차단되지만, 조차가큰기간이라면신곡수중보상류로조석의영향이미치게된다. 이렇게전파된조석도대부분은잠실수중보 (E.L. 6.2 m) 에서차단된다 (Yoon and Woo, 2012b). 신곡수중보건설이전 (1985년) 과이후 (2008년) 의신곡수중보인근의행주대교에서관측된수위를보면확연한조석의차이를확인할수있다 (Fig. 8). 평수기, 조석주기가비슷한두시기의수위를보면 1985년은대소조기의뚜렷한변화및일조부등을확인할수있다. 반면에 2008년자료는소조기에는조석 (e.g., 6월 13일 ) 변화가뚜렷하지않고, 대조기 (e.g., 6월 5일 ) 에작은조석의증감을확인할수있다. 또한, 수중보건설로일정수위 (2.0 m) 를유지하고있는것도볼수있다. 즉, 현재는대조기또는중조기이상의조석이진입하였을때만상류로조석이전파되기때문에상대적으로신곡수중보상류에는장주기 (e.g., MS f ) 가강한것으로판단된다. Fig. 8. Water levels at the Haengju Bridge near the Singok underwater dam (SUD) during June, 1985 (gray line) and June, 2008 (black line) under normal freshwater discharge condition. Gray (year 1985) and black (year 2008) bar chart indicate freshwater discharge rate refer to Paldang dam (60 km upstream from SUD).
천문조, 배조및복합조특성을이용한경기만한강하구구역별조석체계분류 157 신곡수중보에의한조석의변형또는차단은자연적인현상보다매우큰조석전파특성의변화를일으킨다. 신곡수중보설치본래의목적에반하여현재는자연적인하구환경복원, 수질개선등의목소리가높아지고있다. 수중보관련된여러연구가수행되었고이전또는철거와관련된장점과문 제점등이보고되었다. 철거를가정한다면명확한사실은조석의상류로전파가길어지고, 염분의침입이증가한다는것이다. 다만, 조석의크기및한계, 염수의침입거리등은계속된논의가필요하다. 5. 결론 경기만한강하구에서조석과조류의조화상수를이용하여제시된주요수로의조석전파특성은천문조, 1/4일주조및장주기성분에따라특징적으로나타났다. 천문조는 hypersynchronous 형태를보이며, 바닥마찰의차이로주요수로에서보이는최대값의위치가다르게나타났다. 1/4일주조는천문조가급격히감속하는위치에서급격한증가를하며, 지속해서증가를하다가인위적구조물에의해서급격한감소를한다. 장주기분조는 1/4일주조와비슷한경향을보이지만, 인위적구조물의영향은상대적으로적은것으로조사되었다. 천문조, 배조및복합조를이용한조석형태수및진폭비율의조석체계의특성에따라서경기만을크게 3구역으로분류하였다. 먼저, 외해조석 ( 천문조 ) 이우세한지역은외해에서인천항전면까지, 외해에서석모수로의북쪽입구로나타났다. 염하수로남쪽입구에서북쪽입구까지와강화북수로는 1/4일주조의천해분조가강하게나타나는지역으로분류할수있다. 신곡수중보이후부터상류까지는장주기복합조 ( MS f ) 가천문조크기이상으로나타나는지역이다. 하구의조석비선형성은천해분조의생성에서비롯되며, 수중보와같은인위적인구조물의영향이크게작용한다. 감사의글 이논문은 2014년해양수산부재원으로한국해양과학기술진흥원의지원을받아수행된연구임 ( 하구역종합관리시스템개발연구 ). 이논문은 2015년해양수산부재원으로한국해양과학기술진흥원의지원을받아수행된연구임 ( 경기씨그랜트사업 ) References Baek, K. O. and Yim, D. H. (2011). Flow Characteristics Induced by Shift and Modification of Submerged Weir at Han River Estuary. KSCE Journal of Civil Engineering, 28(2B). 109-119 (in Korean). Byun, D. S. and Cho, Y. K. (2006). Double peak-flood current asymmetry in a shallow-water-constituent dominated embayment with a macro-tidal flat, Geophys. Res. Lett., 33, L16613, doi:10.1029/2006gl026967. Chang, H. D. and Oh, J. K. (1991). Depositional sedimentary environments in the Han River estuary and around the Kyunggi Bay posterior to the Han River s development. Journal of the Korean Society of Oceanography 26, 13-23 (in Korean). Defant, A. (1961). Physical oceanography, vol II. Pergamon, New York. Dronkers, J. J. (1986). Tidal asymmetry and estuarine morphology. Journal of sea research, 20, 117-131. Dyer, K. R. (1997). Chapter 3 Tides in Estuaries Estuaries: A Physical Introduction 2nd Edition (Ed: Dyer, K.R.) John Wiley & Sons Ltd, 195. Friedrichs, C. T. and Aubrey, D. G. (1988). Non-linear tidal distortion in shallow well-mixed estuaries: A synthesis, Estuar. Coast. Shelf Sci., 27, 521-545. Gallo, M. N. and Vinzon, S. B. (2005). Generation of overtides and compound tides in Amazon estuary, Ocean Dynam., 55, 441-448. Kang, J. W. and Jun, K. S. (2003). Flood and ebb dominance in estuaries in Korea. Estuar. Coast. Shelf Sci. 56, 187-196. Kim, H. S. (1997). Numerical modeling of tidal dynamics and salinity distributions in Gyounggi Bay. MS Thesis, Inha University, Incheon, Korea (in Korean). Kjerfve, B. (1981). Tides of the Caribbean Sea. J. Geophys. Res., 86, 4243-4247. Koh, C.-H. and Khim, J. S. (2014). The Korean tidal flat of the Yellow Sea: Physical setting, ecosystem and management. Ocean Coastal Manage., 102(Part B), 398-414: doi:10.1016/j.ocecoaman.2014.07.008 Le Provost, C. (1991). Generation of overtides and compound tides (review). In: Tidal hydrodynamics, (Ed: Parker, B.B.) John Wiley & Sons, Inc., 269-295. LeBlond, P. H. (1966). On tidal propagation in shallow rivers. J. Geohhys. Res., 83, 4717-4721. Lee, K. H., Rho, B. H., Jho, H. J. and Lee, C.-H. (2011). Estuary classification Based on the Characteristics of Geomorphological Features, Natural Habitat Distribution and Land Uses. The Sea, Journal of the Korean Society of Oceanography. 16(2), 5369. McLusky, D. S. and Elliott, M. (2004). The Estuarine Ecosystem: Ecology, Threats and Management, third ed. Oxford University Press, Oxford, 216 Ministry of oceans and fisheries (2001). Study of the tide influence on the Han and Imjin River estuary. BSPM 00080-00-1345-2, 542. Ministry of oceans and fisheries (2002). Study of the tide influence on the Han and Imjin River estuary (II). BSPM 12800-1463-2, 452. Parker, B. B. (1991). The relative importance of the various nonlinear mechanism in a wide range of tidal interactions (review). In: Tidal hydrodynamics, (Ed: Parker, B.B.) John Wiley & Sons, Inc., 237-268.
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