Research Article

Journal of Korea Water Resources Association. June 2021. 433-442
https://doi.org/10.3741/JKWRA.2021.54.6.433

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 조석비대칭 국내현황

  •   2.1 연안 및 하구역의 천해조

  •   2.2 창조우세와 낙조우세

  •   2.3 조위자료의 왜도 분석

  •   2.4 조석비대칭과 최강조류속

  • 3. 감조하천의 조석비대칭

  •   3.1 감조하천의 구분 및 특성

  •   3.2 조석파 전파 및 조석비대칭 심화 양상

  • 4. 결 론

1. 서 론

국내 서해안은 조석의 영향이 심한 해역으로서 인천 부근에서 8 m가 넘는 대조차를 보이고 있으며 남쪽으로 갈수록 감소하는 경향으로 목포해역의 대조차는 4 m 정도에 이른다. 이러한 조석의 영향은 해안에 국한되지 않고 하천의 입구인 하구를 거쳐 감조하천의 상류 방향으로 전파된다. 조차가 심한 우리나라 서해안에 위치한 하천의 하류부는 예외 없이 조석파의 영향이 미치는 감조하천이지만 국내 4대강 중 낙동강과 금강, 영산강의 경우 하구부에 건설된 하굿둑으로 차폐되어 있어 현재 조석파가 전파되는 감조하천은 4대강 중 한강이 유일하다.

감조하천으로 전파되는 조석은 조차와 하천유량 뿐 아니라 하천의 형상에 따라 전파양상에 차이가 발생하며 연안에서 관측되는 조석과 사뭇 달라지는 특성이 있다. 일반적인 해역에서는 조석주기가 12.42시간이므로 6.21시간씩 창조지속시간 및 낙조지속시간을 형성하게 된다. 그러나 수심이 깊을수록 수심의 제곱근에 비례하여 빨라지는 장파의 파속을 감안할 때 상류방향으로 고조가 전파되는 속도가 저조가 전파되는 속도보다 빠르므로 상류에서는 고조가 도착하는 시간이 더 짧게 형성된다. 결과적으로 상류지점에 도착한 조석파의 파형은 저조부터 고조에 이르는 시간(창조지속시간)이 6.21시간보다 짧게 형성되는 반면 고조에서 저조에 이르는 시간(낙조지속시간)은 6.21시간보다 길게 형성되는 경향을 보이게 된다. 이에 따라 감조하천 상류에서는 Fig. 1(a)에 보인 바와 같은 형태의 조석파형이 형성되는 것이 보편적이다. 이렇게 창조지속시간이 낙조지속시간보다 짧게 되면(하천유량은 배제한 상태에서) 창조시 최대조류속이 낙조시 최대조류속보다 커지게 되며 이를 창조우세라 일컫는다. 국내외 대부분의 감조하천은 이와 같이 창조우세가 형성되는 것이 일반적인데, 본문에 언급될 사유에 기인하여 Fig. 1(b)와 같이 창조우세와 반대 상황의 낙조우세(ebb dominant)를 보이는 하구역도 존재한다(Kang and Kim, 2020).

/media/sites/kwra/2021-054-06/N0200540607/images/kwra_54_06_07_F1.jpg
Fig. 1.

Propagation of tidal wave and tidal asymmetry (Kang and Kim, 2020)

Kang and Moon (2001)은 국내 하구역 중 하굿둑으로 차단되기 이전의 자료로부터 군산해역을 비롯한 금강하구와 목포해역을 비롯한 영산강하구가 각각 국내에서 대표적으로 심한 창조우세 및 낙조우세라고 밝힌 바 있다. 하저에서 소류사의 움직임은 토사의 크기가 큰 경우 유속의 1.5승에서부터 가는 모래의 경우 유속의 6승에 비례한다고 알려져 있어(Ackers and White, 1973) 약간의 조류속 차이에도 창·낙조시 토사의 이동량에는 큰 차이가 발생하게 되므로 하구역 및 하천전반의 퇴적물 이동특성에도 적지 않은 영향이 있다.

본 연구에서는 서해안 전체해역에 대하여 조석비대칭 현황을 제시한 후 한강, 금강, 영산강 하구역 및 감조하천에 대한 조석비대칭 현상을 조망한다. 금강과 영산강의 경우 1990년과 1981년 각각 체절된 하굿둑 이전에 대한 자료를 수집하여 분석한 반면 한강의 경우 최근 자료를 통해 현재 상황에 대한 분석을 시행하였다.

2. 조석비대칭 국내현황

2.1 연안 및 하구역의 천해조

조화분석을 통해 얻어진 분조에는 M2분조 및 S2분조와 같이 달 또는 태양의 기조력에 기인한 천문조 뿐 아니라 이들 천문조가 천해역을 거치면서 바닥마찰과 같은 비선형효과에 의해 생성되는 M4분조 및 MS4분조 등과 같은 천해조를 포함하고 있다. 390가지가 넘는 모든 분조를 고려할 필요 없이 상기 4개 분조만 해석해도 조석비대칭 현상을 정량화할 수 있다. 즉, M2 및 S2와 같은 천문조 성분과 M4 및 MS4와 같은 천해조 성분의 상대적 위상에 따라 창조우세 또는 낙조우세의 조석비대칭 현상으로 나타나게 된다. 대부분의 해역에서 M2분조와 M4분조의 2개 분조 만의 해석을 통해서도 이러한 조석비대칭 현상에 대한 정량적 평가가 가능하기에(Boon and Byrne, 1981; Aubrey and Speer, 1985) 국내외 조석비대칭 연구는 대부분 M2분조와 M4분조에 대한 해석을 통해 이루어지고 있다.

2000년대 들어서부터 Kang (2000)의 연구를 시작으로 조석비대칭 관련 국내연구(Kang and Jun, 2003; Suh, 2011; Jung, 2011)가 본격화되었는데, Kang (2000)은 한국해양연구원(KORDI, 1996)에서 발간한 조화상수자료집에 수록된 M2분조와 M4분조의 조화상수로부터 국내 조석비대칭 현상에 대한 연구를 수행한 바 있다. 본 연구에서도 국내 서해안과 남해안 해역에서 천해조 발달상황 및 조석비대칭 현상을 파악하기 위해 Kang (2000)의 연구에 사용된 자료를 포함해 추가적인 자료에 대한 조화분석을 통해 M2분조와 M4분조의 조화상수를 구하였다. 추가된 자료는 국립해양조사원에서 제공하는 비실시간 장단기 조위자료(국립해양조사원 홈페이지 www.khoa.go.kr → 해양정보 → 바다누리 해양정보 → OPEN API → API 목록 → 조위 → “비실시간장단기 조위” 부분에서 제공하는 “비실시간 장단기 조위 ObsCode 코드”를 이용하여 API 다운로드)로, 우리나라 연안 176개 지점의 자료이다. 자료의 시간간격은 10분이며, 관측기간은 일시적인 기간으로 1개월 또는 1년 정도로 지점에 따라 다르다. 본 연구에서는 이 자료를 수집-정리한 후, R 프로그램 {TideHarmonics} 패키지에서 제공하는 ftide 함수를 이용하여 조화분석을 수행하여, M2, M4 분조 성분의 진폭, 지각 정보를 추출하여 분석에 사용하였다.

이렇게 얻어진 천문조인 M2분조와 천해조인 M4분조의 진폭 및 천문조에 대한 천해조의 비를 나타내는 진폭비를 Fig. 2에 제시하였다. Fig. 2(a)에 제시된 바와 같이 M2분조의 경우 국내에서 가장 조차가 큰 해역인 인천에서 3 m 정도의 진폭을 보이고 있으며 군산 이남에서 2 m를 거쳐 남해안에서는 1 m에 미달하는 양상을 보이고 있다. 반면 Fig. 2(b)의 M4분조의 경우 그 모체가 되는 M2분조와는 달리 서해안에서 남쪽으로 갈수록 점차 작아지는 경향은 뚜렷하지 않고 대신에 원으로 표기된 한강, 금강, 영산강 등 하구역을 중심으로 크게 형성되고 있음을 볼 수 있다. 이에 따라 Fig. 2(c)의 진폭비 역시 천해조가 발달된 하구역에서 크게 나타나고 있는데, 이는 하구역의 마찰 및 지형특성 등 비선형 효과와 관련이 있음은 전술한 바와 같다.

/media/sites/kwra/2021-054-06/N0200540607/images/kwra_54_06_07_F2.jpg
Fig. 2.

Ampltudes of M2 and M4 tidal constituents at domestic coasts

2.2 창조우세와 낙조우세

M2분조와 M4분조의 진폭비 ε=AM4/AM2 및 상대지각 Ψ=2φM2-φM4 해석을 통해 해당해역의 조석비대칭 특성이 결정되는데 천해조가 발달할수록 진폭비가 커지게 되어 조석비대칭 현상이 심화된다. 또한 상대지각에 따라 조석비대칭 양상이 달라지는데, 상대지각이 180도를 경계로 90도에 가까울수록 창조우세, 270도에 가까울수록 낙조우세 등으로 구분된다. Fig. 1(a)의 경우 진폭비 0.1, 상대지각 90도이고 Fig. 1(b)의 경우는 진폭비 0.1, 상대지각 270도인 경우이다. 한편 진폭비와 상대지각으로부터 낙조지속시간을 다음 Eq. (1)과 같이 산정할 수도 있다(Kang, 2000). Fig. 2의 각 지점에서 Eq. (1)(ω2는 M2분조의 지각임)에 의해 산정된 낙조지속시간에서 6.21(hr)를 뺀 값을 Fig. 3에 제시하였다. 빨간색으로 표기한 양(+)의 값은 낙조시간이 긴 창조우세를 의미하고 파란색으로 표기한 음(-)의 값은 낙조시간이 짧은 낙조우세를 의미한다.

(1)
te=π+4εsinΨ/ω2

Fig. 3의 결과는 천해조가 발달된 한강, 금강, 영산강 하구역에서 심한 조석비대칭이 발생하고 있음을 보이고 있는데, 특히 영산강하구 및 목포해역에서 유독 심한 낙조우세가 형성되고 있음을 나타내고 있다. 대다수 하구에서는 창조우세가 발생함이 일반적이지만 조간대가 발달된 해역에서는 낙조우세가 형성되는 경향이 있음은 다음과 같이 설명될 수 있다.

/media/sites/kwra/2021-054-06/N0200540607/images/kwra_54_06_07_F3.jpg
Fig. 3.

Flood/ebb dominance hours at domestic coasts

조석비대칭현상은 바닥마찰 뿐 아니라 조간대상 저류공간과 같은 지형학적 조건에 따라 구분된다고 알려져 있다(Boon and Byrne, 1981; Friedrichs and Aubrey, 1988). 바닥마찰과 관련된 매개변수로는 M2분조 진폭과 수심과의 비가 사용되는데, 바닥마찰효과가 크면 창조우세화 되는 경향이 있는 반면, 작으면 낙조우세화 되는 경향이 있다고 알려져 있다. 또한 조간대가 발달되어 조간대상 저류공간의 크기가 수로상 저류공간의 크기에 비해 큰 경우에는 Fig. 1(b)에 보인 바와 같이 고조시 평균수심이 저조시 평균수심보다 오히려 얕아 고조의 전파속도가 느려져 낙조우세를 유발하므로 조간대가 발달된 하구는 낙조우세 경향이 있게 된다. 또한 하구역에서 형성된 조석비대칭은 감조하천 상류로 갈수록 천문조의 쇠락과 함께 천해조가 성장함으로써 창조우세 또는 낙조우세가 더욱 심화되는 양상을 보이게 된다. 낙조우세 하구에서는 퇴적물 이동과 관련된 한계소류력을 초과하는 유속이 낙조시에 발생하는 경향을 감안할 때 감조하천의 하류방향 및 외해역으로의 퇴적물 이동이 창조우세 하구에 비해 상대적으로 용이하다고 할 수 있다. 따라서 낙조우세를 보이는 감조하천 및 하구역에서는 수로의 중심 부분이 깊게 형성되어 여타 지역은 드넓은 조간대가 형성되는 경향이 있다. 창조우세를 보이는 군산해역의 수심이 대략 10 m 이하인 반면 낙조우세를 보이는 목포해역의 수심은 20 m에 이르고 있고 조간대가 광범위하게 형성되어 있다. 즉, 조간대가 발달된 목포해역과 영산강하구역은 조간대로 인해 낙조우세 특성을 보임과 동시에 낙조우세 해역이라 조간대가 형성되어 있다고 볼 수 있다.

2.3 조위자료의 왜도 분석

조석비대칭 현상을 정량적으로 산정하는 다른 하나의 방법으로 조위 시계열에 대한 왜도(skewness)를 TDA (tidal duration asymmetry) 지표로 정량적으로 산정하는 방법이 제안된 바 있다(Guo et al., 2018). TDA 지표를 산정하기 위하여 조위곡선의 변화율(dη/dt)에 대한 왜도를 Eq. (2)와 같이 산정할 수 있다. 가용한 1시간 조위자료에 대한 왜도를 산정한 결과를 Fig. 4에 제시하였는데 빨간색으로 나타낸 양(+)의 왜도는 창조우세를 의미하고 파란색으로 나타낸 음(-)의 왜도는 낙조우세를 의미한다. 제시된 바와 같이 목포해역을 제외한 대부분 해역에서 양의 왜도인 창조우세 경향을 보이고 있는 반면 목포에서는 음의 왜도이면서 심한 낙조우세임을 확인할 수 있다. 이와 같이 산정된 결과를 Fig. 3과 비교하기 위하여 결과를 함께 도시한 Fig. 5를 보면 상관계수가 0.885로 두 방법에 의한 조석비대칭 평가가 거의 동일한 결과를 보이고 있음을 확인할 수 있다.

(2)
γχ=1N-1i=1Nχi-χ31N-1i=1Nχi-χ23/2

/media/sites/kwra/2021-054-06/N0200540607/images/kwra_54_06_07_F4.jpg
Fig. 4.

Skewness coefficient of tide data at the domestic coasts

/media/sites/kwra/2021-054-06/N0200540607/images/kwra_54_06_07_F5.jpg
Fig. 5.

Correlation of ebbing time and skewness coefficient (ρ = 0.885)

2.4 조석비대칭과 최강조류속

Figs. 3 and 4에 제시한 바와 같이 서해안 하구역에서는 천해조 발달로 인해 조석비대칭 현상이 뚜렷하게 나타나고 있으며, 한강과 금강 하구의 경우 창조우세, 영산강하구의 경우 낙조우세로 구분되고 있다. 창조우세의 경우 최강창조류가, 낙조우세의 경우 최강낙조류가 각각 더 크게 형성되는데, 이를 실제 조류(tidal current) 관측자료로 확인하기 위해 관련자료를 수집하였다.

조류 관측자료 역시 국립해양조사원(www.khoa.go.kr)에서 제공받을 수 있다. 실시간해양관측정보시스템(http://www.khoa.go.kr/oceangrid/koofs/kor/seawf/sea_wf.do → 해수유동정보 → 조류 → “조류 관측” 화면에서 전체(또는 1주야, 30주야, 30주야 초과 등 조건 선택 가능) 선택하여 도시되는 지점을 각각 클릭하여 실측자료를 다운로드 받았다. 본 연구에서는 30주야 조건으로 제한하고, Fig. 6에 제시된 바와 같이 한강하구, 금강하구, 영산강 하구 지점에서 총 6개 지점의 자료를 수집-정리하였다. 한강하구에서는 Fig. 6(a)에 도시된 4개 지점(HC1∼HC4), 금강하구의 경우 Fig. 6(b)에 도시된 군산항입구(KC1) 지점, 그리고 Fig. 6(c)에 도시된 영산강하구의 목포구(YC1) 지점에서 Table 1에 제시된 기간 동안 관측된 조류 자료에 대하여 분석을 실시하였다.

/media/sites/kwra/2021-054-06/N0200540607/images/kwra_54_06_07_F6.jpg
Fig. 6.

Maps of study estuaries

Table 1.

Sources of tide and tidal current data

Index St. name Period Location (lngt./lttd.)
Tidal current HC4 2005.11.15-12.18 126 40 00 37 42 22
HC3 2005.11.18-12.17 126 31 19 37 45 12
HC1 2007.05.08-06.11 126 15 46 37 42 35
HC2 2007.05.07-06.11 126 21 11 37 38 20
KC1 2006.02.01-03.06 126 30 48 35 58 30
YC1 2001.05.12-06.12 126 18 16 34 45 33
Tide HT1 Yoon et al. (2015) 126 20 24 37 47 10
HT2 Yoon et al. (2015) 126 39 50 37 41 33
KT1 1983.09.01-09.30 126 45 02 36 00 51
KT2 1983.09.01-09.30 126 52 57 36 07 54
YT1 1963.10.01-10.30 126 23 27 34 43 37
YT2 1963.10.01-10.30 126 31 21 34 54 10

조류속의 비대칭현상을 파악하기 위해 조류 자료에 대한 산포도(scatter diagram)를 Fig. 7과 같이 작성한 후 2차원 “Box- plot”으로 간주되는 Bag-plot 작업을 수행하였다. 이 그림은 R 프로그램 {aplpack} 패키지에서 제공하는 bagplot 함수를 이용하였으며, 그림에서 자료를 둘러싸는 다각형은 자료의 포함정도를 의미한다. 전체 자료의 5%가 가장 밀집된 무게중심 지점(노란색 도형)을 기준으로 전체 자료의 50%, 95%를 포함하는 다각형(bag)으로, 유별나게 벗어나는 자료의 영향을 저감하고 자료의 분포 양상을 검토할 수 있다. Fig. 7(a)에서 95% 자료에 해당하는 바깥쪽 타원형의 창조방향과 낙조방향의 각 방향별 원점에서 최외곽까지의 거리는 창조시와 낙조시의 최강조류속의 크기를 각각 의미한다. Fig, 7(b)Fig. 7(a)와 동일한 그림인데 관측자료 전체의 평균치를 하늘색 점으로 표시하였으며 이 점으로부터 최외곽까지의 거리를 나타내고 있다. 이 값이 원점 부근에 있을 경우 창조시 조량과 낙조시 조량에 큰 차이가 없는 왕복성 조류패턴을 의미하는 반면 원점에서 떨어져 있는 경우 그 방향으로 떨어진 거리만큼 잔차류(residual current)가 발생하고 있음을 의미한다. 원점에서부터 가장 먼 거리가 최강유속의 크기인 반면 평균치로부터 최외곽까지의 거리는 잔차류를 배제한 상태에서의 최강유속을 의미한다.

Fig. 6에 위치가 제시된 금강하구의 KC1 지점과 영산강하구의 YC1 지점의 경우 Fig. 7(b)의 하늘색 점인 평균조류속이 원점 부근에 위치하고 있다. 이는 해당지점을 통과해 창조기간 동안 유입되는 조량과 낙조기간 동안 유출되는 조량에 별 차이가 없는 왕복성 조류패턴이 형성되고 있음을 의미한다. 즉, KC1의 경우 지형특성에 따라 북동방향의 창조류 및 남서방향의 낙조류가 형성되고 있으며, YC1의 경우 남동방향의 창조류 및 북서방향의 낙조류가 형성되고 있다. 두 지점 모두 형성된 조류속 방향대역의 폭이 좁은 왕복성 조류패턴이어서 미량의 잔차류가 발생하고 있으며, 조석비대칭 현상에 따라 최강 조류속은 서로 상반된 특성을 보이고 있다. 즉, Fig. 7(a)에 보인 바와 같이 KC1 지점에서는 128 cm/s, 92 cm/s의 최강창조류 및 최강낙조류가 각각 형성되고 있어 최강창조류가 최강낙조류의 1.39배에 이르는 심한 창조우세를 보이고 있는 반면, YC1 지점에서는 138 cm/s, 187 cm/s의 최강창조류 및 최강낙조류가 각각 형성되고 있어 최강낙조류가 최강창조류의 1.36배에 이르는 심한 낙조우세를 보이고 있다.

이렇게 금강하구역 및 영산강하구역 외해측은 왕복형 조류패턴을 보이고 있는 반면 한강하구역의 경우 Fig. 6(a)에 보인 바와 같이 한강 하류부에 위치한 강화도 및 인근 도서들 사이로 여러 수로가 형성되어 있어 다소 복잡한 조류패턴을 보이고 있다. 하구역의 조석비대칭은 근본적으로 감조하천에서 1차원적 왕복성 조류패턴에 적용될 수 있는 이론이기에 1차원 단일수로 형태가 아닌 한강하구역과 같은 곳에서는 창조시 주로 유입되는 수로와 낙조시 주로 유출되는 수로가 일치하지 않음에 기인하여 다소 다른 양상으로 나타날 수 있다. 즉, 창조우세 해역으로 구분되더라도 국지적으로 낙조시 최대조류속이 더 크게 나타나는 곳도 존재할 수 있다. 이러한 경우 회전성 조류패턴이 나타날 수도 있으며 국지적으로 낙조우세가 형성되는 곳도 있을 수 있다. Fig. 7에 도시된 그림에서 HC1 지점이 그러한 지점으로서 조류방향이 넓게 퍼져있으며 하늘색 점으로 표시한 조류속 평균치 역시 남서방향의 낙조방향으로 치우쳐 있어 해당지점을 통과하는 창조시 조량에 비해 낙조시 조량이 더 큰 회전성 조류형태의 특성을 보이고 있다. 이와 같이 회전성 조류패턴을 보이는 곳에서는 창조시와 낙조시 조량이 일치하지 않을 수 있어 작지 않은 잔차류가 발생하고 있다. Fig. 7(a)의 원점으로부터 산정된 창조와 낙조시 최강조류속은 각각 141 cm/s 및 150 cm/s 정도로 큰 차이가 없지만, 유속평균치(잔차류를 의미)를 기준으로 산출(잔차류가 배제됨을 의미)한 수치는 Fig. 7(b)에 보인 바와 같이 각각 157 cm/s, 132 cm/s로 창조시 유속이 1.19배 더 크게 나타나는 창조우세적 특성을 보이고 있다. 한편 인근의 HC2 지점에서는 보는 바와 같이 폭이 좁은 조류속 분포와 평균 조류속이 원점 근처에 위치한 왕복성 조류형태를 보이고 있으며 창조시 최대조류속이 227 cm/s로 낙조시 최대조류속 166 cm의 1.37배에 이르는 전형적인 창조우세 패턴을 보이고 있으며 잔차류를 배제한 경우와 큰 차이가 없게 나타나고 있다.

강화도 동측 수로(염하수도)의 한강본류 합류부 입구에 위치한 HC3 지점의 경우 북서방향이 창조이고 남동방향이 낙조방향인데, Fig. 7(a)의 창조시 최대조류속이 100 cm/s로 낙조시 131 cm/s의 0.76배로 나타나 창조우세특성과는 상반된 결과를 보이고 있다. 그러나 이 지점 역시 잔차류는 남동방향으로 향하고 있어 잔차류를 배제할 경우 Fig. 7(b)에 보인 바와 같이 창조시와 낙조시 최대조류속이 각각 130 cm/s, 100 cm/s로서 창조시가 낙조시의 1.30배로 창조우세적 특성을 유지하는 것으로 확인된다. 즉, 강화도 북측의 한강본류에서 갈라지는 강화도 동측의 염하수도에서는 창조시 조량은 적게 형성되고 낙조시 조량은 크게 형성되는 수로로서 잔차류는 남동방향의 낙조방향으로 형성되지만 잔차류를 제거할 경우 창조우세적 조류특성을 유지하고 있다.

한강하구역 중 한강하류부에 해당하는 HC4 지점의 경우 지형상으로는 왕복성 조류 성향을 띠게 되는 지역이지만 하천유량이 잔차류 발생의 근원이 되고 있다. 이곳에서 잔차류이자 하천유량인 조류 평균치는 50 cm/s 정도 북쪽 방향으로 형성되고 있다. 따라서 이 지점에서 창조시와 낙조시 최대조류속이 Fig. 7(a)에서 각각 142 cm/s, 140 cm/s로 비슷한 크기로 형성되고 있지만 잔차류 또는 하천유량을 배제하기 위해 유속 평균치로부터 산정된 최강창조류 및 최강낙조류는 Fig. 7(b)와 같이 178 cm/s, 100 cm/s 로서 창조시 최강조류속이 낙조시보다 1.78배 정도 크기의 극심한 한강하구의 창조우세를 확인할 수 있다. 이와 같이 하구역에서부터 발달하기 시작하는 천해조로 인해 감조하천 상류로 갈수록 조석비대칭 현상이 심화되며 이는 창조와 낙조시 최강 조류속의 왜곡현상으로 극명하게 나타나게 된다.

/media/sites/kwra/2021-054-06/N0200540607/images/kwra_54_06_07_F7.jpg
Fig. 7.

Scatter diagrams of observed tidal current data

3. 감조하천의 조석비대칭

3.1 감조하천의 구분 및 특성

하구역으로부터 감조하천 상류방향으로 전파되는 조석파는 수심과 폭이 감소함에 따라 바닥마찰도 증가하는 경향이 있어 조석파의 진폭과 파속 등 제반 특성이 변화하게 된다. 바닥마찰을 고려하지 않을 경우 Green의 법칙(Green, 1837)에 의해 단면감소와 더불어 진폭이 증가하게 되지만 바닥마찰을 고려할 경우 한층 복잡한 양상을 보인다. 단면이 축소하더라도 바닥마찰 정도에 따라 진폭이 증가 또는 감소할 수 있는 동시에 조석파의 파속 역시 단면축소 및 바닥마찰 정도에 적지 않은 영향을 받게 된다(Jay, 1991). 이와 관련하여 Lanzoni and Seminara (1998)은 다음 Eq. (3)과 같이 정의되는 단면축소지표(K)와 바닥마찰지표(F)에 따라 하구를 분류한 바 있다.

(3a)
K=U*λωLb*
(3b)
F=U*ωC2D*

여기서 상첨자 ‘*’는 감조하천 하류부인 하구역에서의 값이고 U는 평균유속, λ=a*/D*, a는 조석파의 진폭, D는 수심, ω는 조석파의 각속도, B는 수로폭, Lb는 수로폭이 B*e-1이 되는 곳까지의 수로 길이, C=gD*1/6/n, g는 중력가속도, n은 Manning 계수를 각각 의미한다.

금강하구역과 영산강하구역에 대해서는 Kang et al. (2002)이 자료분석을 통해 K 및 F를 Table 2와 같이 산정한 바 있다. 본 연구에서는 Yoon et al. (2015)의 자료 및 기타 추가자료를 통해 유사한 방법으로 한강에 대해서 해당 매개변수를 Table 2에 제시된 바와 같이 산정하여 하구별 상대적인 특성차를 개략적으로 파악하는데 주안점을 두어 비교하였다.

Lanzoni and Seminara (1998)K1인 경우 WC (weakly convertgent), KO (1) 이면 SC (strongly convergent)로 구분하는 동시에 F1이면 WD (weakly dissipative), F1이면 SD (strongly dissipative) 등으로 구분하여 WD-WC, WD-SC, SD-WC, SD-SC 등 4가지로 하구를 구분하고 있다. SD-WC와 SD-SC 하구는 창조우세가 되는 경향이 있고 WD-SC는 낙조우세 경향이 있는 반면 WD-WC는 별다른 우세를 보이지 않는다고 소개하고 있다. Table 2에 제시된 국내 각 하구에서 매개변수 산정에 따라 산출된 결과 역시 한강하구와 금강하구는 창조우세, 영산강하구는 낙조우세임이 해당 연구결과와 부합하고 있다.

Table 2.

Determination of tidal propagation parameters along tidal rivers

Han-R. Keum-R. Youngsan-R.
λ 0.50 (=3.0/6) 0.25 (=2.0/8) 0.08 (=1.5/18)
Lb (km) 40 40 50
U (m/s) 1.2 1.0 1.0
C 14.9 16.3 19.4
K 0.43 0.71 1.70
F 7.72 3.43 0.79
Type SD-WC SD-WC WD-SC

3.2 조석파 전파 및 조석비대칭 심화 양상

하구로부터 감조하천 상류로 갈수록 바닥마찰과 같은 비선형효과에 의해 천문조는 감쇠하고 천해조가 성장하게 되며 이로 인해 조석비대칭이 심화된다. 상류로 갈수록 천문조가 갖고 있는 에너지는 감소하지만 단면이 축소함에 따라 부분적으로 천문조의 진폭은 커질 수도 있다. 일반적으로 바닥마찰에 따라 조석파의 진폭은 감소하게 되지만 단면축소에 따라 증가하는 요인도 함께 작용하므로 하천의 물리적 형상에 따라 진폭변화는 변화하게 된다. 한강의 경우 조석파는 잠실수중보 직하류까지 영향을 미친다고 알려져 있으며(Kim et al., 2003), 하천유량에 따라 조석파 전파양상에 차이가 있을 수 있겠지만 본 연구에서는 고려하지 않았다.

천문조인 M2분조 및 이로부터 파생된 천해조인 M4분조의 변화양상을 고찰하기 위해 가용한 조위자료를 수집하였으며 자료정보는 Table 1에 제시한 바와 같다. 영산강 상류지점의 경우 하굿둑 건설이전인 1963년 10월에 1개월간 관측된 하굿둑(YT1)지점과 명산(YT2)지점이 가용한 상황이고 금강의 경우 1983년 9월 하굿둑(KT1)지점과 입포(KT2)지점의 자료가 가용한 상황이이어서 이들 자료를 토대로 분석에 활용하였다. 한강의 경우 Yoon et al. (2015)에 수록된 조위자료 중 한강의 조위변화를 대표적으로 반영할 수 있도록 하구입구부에서 천문조 및 천해조 변화가 진행되는 구간을 감안하여 2개 조위 관측지점을 선정하였다. 즉, Fig. 6에 도시한 강화도 북서쪽에 위치한 HT1 지점과 한강 본류의 전류리에 위치한 HT2 지점을 선정하여 M2분조 및 M4분조의 조화상수를 발췌하였다. 이들 3개 하구역의 하구지점으로부터 감조하천 상류지점의 M2분조와 M4분조에 대한 각 하구별 조화상수 변화를 Table 3에 제시하였다. 한강의 경우 하구입구부(HT1)에 비해 40 km 상류에 위치한 전류리(HT2)까지 M2분조 진폭은 60% 정도 감소하고 있고, 금강의 경우 금강하굿둑에서 20 km 정도 떨어진 입포지점의 M2분조 진폭은 41% 정도가 감소하고 있는 반면 영산강하굿둑에서 25 km 정도 상류에 위치한 명산의 경우 8% 정도만 감소하고 있음을 볼 수 있다. 이는 전절에서 살펴보았듯이 한강과 금강의 경우 수심이 비교적 얕아 바닥마찰지표(F)가 매우 큰 SD하구로 분류되어 천문조가 갖고 있는 에너지 소산이 매우 크게 나타나고 있는 반면 영산강의 경우 수심이 상대적으로 깊어 WD하구로 구분되어 에너지 소산이 덜 한 것으로 해석된다.

감조하천 상류로 갈수록 천문조인 M2분조의 쇠락에 따라 조석파의 진폭은 감소하지만 마찰특성과 단면변화에 따라 천해조는 일정구간에서 성장하는 경향이 있다. 즉, M2분조가 갖고 있는 조석에너지가 감조구간 상류로 전파하면서 일부 소산되는 동시에 마찰 등 비선형효과로 인해 천해조인 M4분조 성장에 기여하게 된다. 이에 따라 Table 3에 제시된 바와 같이 한강의 경우 40 km의 짧은 구간에서 M2분조가 60% 정도 감소함과 동시에 M4분조 진폭은 60% 증가하고 있음을 볼 수 있다. 금강에서는 20 km 구간에서 M2분조가 45% 정도 감소함과 함께 M4분조 진폭이 50% 정도 증가하고 있는 등 두 하구 모두 급격한 M2분조 진폭의 감소 및 M4분조 진폭의 증가현상을 보이고 있다. 반면 영산강의 경우에는 25 km 구간에서 M2분조 감소가 8% 정도에 그치고 있지만 M4분조 진폭이 두 배 가까이 증가하고 있다.

이와 같이 한강과 금강 하구의 경우 감조하천 상류방향으로 급격한 M2분조의 감쇠가 발생하고 있음을 볼 수 있는데, 이는 전절에 제시한 하구분류기준에서 한강과 금강은 마찰에 의한 에너지 소산이 심한 SD (strongly dissipative) 하구로 구분되는 반면 영산강하구의 경우 M2분조의 감쇠가 그리 크지 않은 WD (weakly dissipative) 하구로 구분되는 것과 일맥상통하는 결과이다. 특히 Yoon et al. (2015)이 제시한 한강하구 감조구간에서 조석전파특성과 천문조 쇠락 및 천해조 성장에 대한 근거를 추가적으로 제시함에 따른 의미를 부여할 수 있다.

또한 이렇게 M2분조가 쇠락함과 동시에 M4분조가 성장함에 따라 세 하구 공히 그 비율인 진폭비 역시 대폭 증가함을 볼 수 있다. 상대지각은 큰 변화 없이 진폭비만 크게 증가함에 따라 조석비대칭현상이 더욱 심화되고 있음을 확인할 수 있다. 낙조지속시간이 6.21시간보다 긴 한강 및 금강 하구에서는 상류로 갈수록 이 시간이 더욱 길어져 창조우세가 심화되는 반면 영산강하구에서는 낙조지속시간이 더욱 짧아져 낙조우세가 심화되고 있다. 즉, 하구역으로부터 20∼40 km 정도의 짧은 감조구간 상류방향으로 6.21시간을 기준으로 한 낙조지속시간 편차가 Table 3에서 보듯이 한강하구에서 +0.54(hr) → +2.17(hr), 금강하구에서는 +0.73(hr) → +1.87(hr), 영산강하구에서는 -0.59(hr) → -1.32(hr) 등으로 조석비대칭 현상이 심화되고 있음을 보이고 있다.

Table 3.

Spatial variations of amplitudes and ebbing times upward tidal rivers

River St. Dis-tance M2 M4 Ampl. ratio
ε
Rel. phase
Ψ (°)
Ebbing time
(hr)
A (cm) φ (°) A (cm) φ (°)
Han HT1 40 km 265 150 20 241 0.08 59 6.75
HT2 105 242 32 58 0.30 66 8.38
Keum KT1 20 km 192 96 19 122 0.10 70 6.94
KT2 114 178 29 289 0.26 67 8.08
Young-san YT1 25 km 126 52 16 253 0.13 211 5.62
YT2 117 91 27 316 0.22 226 4.89

4. 결 론

연안지역에서 관찰되는 조석비대칭 현상은 특히 하구역 및 감조하천에서 심화되는 경향이 있는 바 국내 하구역 및 감조하천에서의 실상을 조사하고 분석한 결과 다음의 결론을 도출하였다.

1) 천해조의 크기는 천문조에 비례하기 보다 마찰특성과 조간대 발달과 같은 지역여건에 따라 결정되며 하구역 및 감조하천에서 크게 성장하는 경향을 갖는다. 우리나라 서해안의 경우 한강하구, 금강하구, 영산강하구 등지에서 천해조가 크게 성장함에 따라 M2분조에 대한 M4분조의 비율인 진폭비 역시 하구역에서 매우 크게 나타나고 있다.

2) 천해조 발달은 조석비대칭 현상을 유발하게 되는데, M2분조와 M4분조의 상대적 위상에 따라 한강하구와 금강하구의 경우 창조우세, 영산강하구의 경우 낙조우세의 특성을 갖는다.

3) 조석비대칭 현상을 조류속 관측자료로부터 확인한 결과 금강하구역 및 영산강하구역에서는 왕복성 조류패턴과 함께 최강창조류 및 최강낙조류가 각각 더 우세한 결과가 나타나고 있어 조위자료로부터 분석한 결과와 일치하고 있다. 반면 한강하구역의 경우에는 강화도 주변의 다양한 수로가 발달되어 회전성 조류패턴을 보이는 곳에서는 창조우세적 조류특성을 보이지 않기도 한다. 그러나 잔차류와 하천유량을 배제한 상태의 조류속은 검토한 4개 지점 모두 창조우세적 특성을 보이고 있다.

4) 금강과 영산강의 경우 현재 하굿둑으로 차단되어 있어 과거 자료를 토대로 분석한 결과 하구에서의 조석은 감조하천 상류방향으로 단면변화와 바닥마찰특성에 따라 전파양상에 차이가 있게 된다. 수심이 비교적 얕은 한강과 금강의 경우 바닥마찰이 크게 작용함에 의해 천문조의 급격한 쇠락과 함께 창조우세가 심화되고 있다. 반면, 수심이 비교적 깊은 영산강의 경우 천문조는 크게 쇠락하지 않고 천해조 발달에 주로 기인함으로써 낙조우세가 심화되고 있음을 확인하였다. 또한 단면축소지표와 바닥마찰지표로부터 하구를 구분한 결과 역시 한강하구 및 금강하구는 창조우세, 영산강하구는 낙조우세임이 해당 이론과 일치하고 있음을 확인할 수 있다.

5) 이렇게 하구로부터 유입된 조석파가 감조하천 상류로 전파하면서 천문조 감소와 함께 천해조 증가 양상을 보이는데, 하천별로 매우 독특한 특성을 내포하고 있어 감조하천에 대한 수치모의를 시행할 경우 하류단의 경계조건에 천문조 뿐 아니라 천해조도 필히 포함시켜야 한다. 또한 창조우세 또는 낙조우세와 같은 조석비대칭 현상은 소류사와 부유사 이동양상에도 큰 영향을 미치게 되므로 하구 또는 감조하천에서 퇴적물 이동에 대한 수치모의 역시 천해조 경계조건 및 천해조 전파에 대하여 숙고할 필요가 있다.

6) 한강을 제외한 나머지 하구는 현재 하굿둑으로 막혀있지만 낙동강의 경우 하굿둑 수문을 개방할 움직임을 보이고 있고 여타 하구 역시 장차 수문개방 가능성이 열려있는 상황이다. 이와 함께 서해안과 남해안에는 바다로 직접 방류되는 소하천이 매우 많은 실정이어서 본 연구결과를 활용함과 동시에 해당 소하천에서 추가적인 연구를 수행할 필요성 역시 제기된다.

References

1
Ackers, P., and White, W.R. (1973). "Sediment transport: New approach and analysis." Journal of the Hydraulics, ASCE, Vol. 99, No. HY11, pp. 2041-2060. 10.1061/JYCEAJ.0003791
2
Aubrey, D.G., and Speer, P.E. (1985). "A study of nonlinear tidal propagation in shallow inlet/estuarine systems. Part I: Observations." Estuarine, Coastal and Shelf Science, Vol. 21, pp. 185-205. 10.1016/0272-7714(85)90096-4
3
Boon, J.D., and Byrne, R.J. (1981). "On basin hypsometry and the morphodynamics response of coastal inlet systems." Marine Geology, Vol. 40, pp. 27-48. 10.1016/0025-3227(81)90041-4
4
Friedrichs, C., and Aubrey, D.G. (1988). "Non-linear tidal distortion in shallow estuaries: a synthesis." Estuarine, Coastal and Shelf Science, Vol. 27, pp. 521-545. 10.1016/0272-7714(88)90082-0
5
Green, G. (1837). "On the motion of waves in a variable canal of small depth and width." Transactions of the Cambridge Philosophical Society, Vol. 6, pp. 457-462.
6
Guo, L., Brand, M., Sander, B.F., Foifoula-Geoogiou, E., and Stein, E.D. (2018). "Tidal asymmetry and residual sediment transport in a short tidal basin under sea level rise." Advances in Water Resources, Vol. 121, pp. 1-8. 10.1016/j.advwatres.2018.07.012
7
Jay, D.A. (1991). "Green's law revisited: Tidal long-wave propagation in channels with strong topography." Journal of Geophysical Research, Vol. 96, No. C20, pp. 20585-20598. 10.1029/91JC01633
8
Jung, T.S. (2011). "Numerical modeling of tide asymmetry in the Southeast coastal zone of Yellow Sea." Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineering, Vol. 23, No. 6, pp. 429-441. (in Korean) 10.9765/KSCOE.2011.23.6.429
9
Kang, J.W. (2000). "Flood/Ebb dominance in the southwestern part of Korean coastal zones and rotation of tidal currents in the Yellow Sea." Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol. 20, No. 2B, pp. 269-276. (in Korean)
10
Kang, J.W., and Jun, K.S. (2003). "Flood and ebb dominance in estuaries in Korea." Estuarine. Coastal and Shelf Science, Vol. 56, No. 1, pp. 189-198. 10.1016/S0272-7714(02)00156-7
11
Kang, J.W., and Kim, Y.S. (2020). "Analysis of tidal asymmetric characteristics in the Muan Bay." Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineering, Vol. 32, No. 3, pp. 170-179. (in Korean) 10.9765/KSCOE.2020.32.3.170
12
Kang, J.W., and Moon, S.R. (2001). "Tidal propagation characteristics in the estuary which shows significant shallow tides." Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineering, Vol. 13, No. 1, pp. 56-60. (in Korean)
13
Kang, J.W., Moon, S.R., and Park, H.S. (2002). "Bed sediment transport characteristics in the estuaries which show significant shallow water tides." Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol. 22, No. 4B, pp. 531-538. (in Korean)
14
Kim, S.H., Kim, W., and Choi, H.S. (2003). "Analysis of tidal effect on the Han and Imjin River." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 36, No. 2, pp. 301-313. (in Korean) 10.3741/JKWRA.2003.36.2.301
15
Korea Ocean Research & Development Institute (KORDI) (1996). Harmonic constants of tide around the Korea Peninsula. KORDI.
16
Lanzoni, S., and Seminara, G. (1998). "On tide propagation in convergent estuaries." Journal of Geophysical Research, Vol. 103, No. C13, pp. 30793-30812. 10.1029/1998JC900015
17
Suh, S.W. (2011). "Reproduction of shallow tides and tidal asymmetry by using finely resolved grid on the West Coast of Korea." Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineering, Vol. 23, No. 4, pp. 313-325. (in Korean) 10.9765/KSCOE.2011.23.4.313
18
Yoon, B.I., Woo, S.-B., Kim, J.W., and Song, J.I. (2015). "The regional classification of tidal regime using characteristics of astronomical tides, overtides and compound tides in the Han River estuary, Gyeonggi Bay." Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Eng., Vol. 27, No. 3, pp. 149-158. (in Korean) 10.9765/KSCOE.2015.27.3.149
페이지 상단으로 이동하기