1. 서 론

연구대상 해역은 노량수로를 중심으로 서측에는 광양만 이 여수해협을 통해 외해와 연결되고, 동측의 진주만, 강진 만, 사천만은 대방수로와 창선수로를 통해 외해와 연결되어 있으며, 섬진강과 가화천(남강댐)을 포함한 51개의 하천에서 담수가 유입되고 있다. 광양만과 진주만, 강진만, 사천만은 비교적 수심이 낮고, 하계 우기시의 하천유출수 유입으로 인한 극심한 염분변화를 받는 해역이며, 노량수로를 통해 서로 연결되어 해양생물을 포함한 해양환경에 미치는 영향 이 우리나라 타 연안역에 비해 상대적으로 큰 해역이다.

2010년 이전에는 노량수로를 경계로 광양만 및 진주만 권 역 각각에 대한 연구가 주로 수행하였지만, 2010년 이후에는 노량수로를 통한 광양만 및 진주만 권역의 해수순환이 밀접 한 연관성을 지니고 있음이 Kim(2010)의 진주만의 해수순환 에 미치는 남강댐 방류수 영향 및 확산에 관한 연구, Kim and Kim(2012)의 섬진강 하구역의 해수순환에 관한 연구 등 으로 밝혀졌다. 따라서 광양만에 관한 연구나 진주만에 관 한 연구를 각각 수행하는 경우에도 본 연구와 같이 광양만, 진주만, 강진만 및 사천만을 모두 포함하는 영역을 대상으 로 하는 연구가 요구된다.

기존에도 본 연구대상 해역을 대상으로 섬진강 유량과 남 강댐 방류수를 동시에 고려한 연구가 수행되었는데, 광양만 과 진주만 사이 노량수로에서의 해수 순환에 관한 연구(Cho, 2005), POM을 이용하여 섬진강 하구역의 해수유동 특성에 대해 섬진강 유량을 고려한 연구(Kim, 2006), 조석만을 고려 하여 광양만과 진주만의 해수순환에 대한 연구(Kang and Lee, 2008) 등이 있으며, Chae et al.(2009)은 조석, 수온, 염분 을 고려하여 2007년 하계 상황에 관한 광양만 및 진주만과 강진만의 해수순환 양상을 재현하여 노량수로와 대방수로 중간 해역에서 해수가 수렴 또는 발산된다고 주장하였다. Kang et al.(2011)은 광양만과 진주만 해역에 대한 조석과 수 온, 염분을 고려한 3차원 해수순환 양상을 재현하여 진주만 은 남강댐 방류가 없는 경우에도 섬진강의 영향을 받는 것 으로 제시한 바 있다.

이 외에도 광양만으로 유입되는 섬진강 유출수와 섬진강 하구역 주변의 산업단지 온배수 유입에 따른 섬진강 하구역 의 수괴의 시․공간적 분포 특성에 대한 연구(Cho, 2012), 조 위 조건과 섬진강, 수어천 및 가화천의 하천 유량과 하동화 력발전소 일별 온배수 유출량을 고려한 섬진강 하구역 잔차 류의 시공간적 변동 특성에 대한 연구(Kim et al., 2012), 태풍 ‘나리’와 태풍 ‘루사’ 때의 남강댐 방류수의 확산 및 해수순 환에 미치는 영향에 대한 연구(Kim, 2012) 등 노량수로로 연 결된 광양만 및 진주만 권역의 해수순환에 대한 연구가 수 행되었다.

본 연구는 광양만, 진주만, 강진만 및 사천만을 포함하는 연구대상 해역에 위치한 51개 하천의 평수시와 50년빈도 홍 수시 유출수를 모두 고려하여 광양만 권역과 진주만 권역의 해수교환율, 체류시간 특성을 파악하였고, 홍수시 섬진강과 가화천의 하천유출수가 미치는 영향에 대해 파악하여 향후 대상 해역에서의 연구에 필요한 자료를 확보하는 것에 목적 이 있다.

2. 자료 및 방법

2.1 하천

본 연구대상 해역 주변은 51개의 하천이 있으며, 이들 하 천의 풍수량, 평수량, 저수량에 대한 자료는 국토교통부와 경상남도, 전라남도 등 각 지자체에서 작성한 하천기본계획 보고서를 참조하였다.

51개 하천의 갈수량은 0.0001 ~ 9.10 ㎥/sec, 저수량은 0.0141 ~ 15.00 ㎥/sec, 평수량은 0.0172 ~ 22.60 ㎥/sec, 풍수량은 0.0384 ~ 41.10 ㎥/sec로 섬진강 유량이 가장 많은 것으로 나타났고, 50년빈도 홍수량은 37 ~ 11,611 ㎥/sec, 100년빈도 홍수량은 42 ~ 13,174 ㎥/sec로 홍수량 또한 섬진강에서 가장 많은 것으로 나타났다(Fig. 1, Table 1).

연구대상 해역 인근 51개 하천의 50년빈도 홍수량의 합은 25,740 ㎥/sec이고, 섬진강 홍수량이 11,611 ㎥/sec로 전체의 45 %, 남강댐 방류량(가화천 홍수량)이 3,250 ㎥/sec로 전체의 13 % 로 두 하천의 홍수량이 전체의 58 %를 차지하였다. 따라서 전체 하천유출수의 50 % 이상을 차지하는 섬진강과 가화천 의 하천유출수가 연구 대상해역의 해수순환에 미치는 영향 또한 클 것으로 판단된다.

2.2 해수유동 수치실험

본 수치모형실험에는 연안, 하구, 호소, 습지, 저수지 등의 유동 및 물질수송을 모의하는 수치모델로서 미국에서 개발 되었으며, 대학, 연구기관, 국가기관, 사설연구기관 등에서 널리 이용되는 EFDC(Environmental Fluids Dynamics Computer) 를 사용하였다.

현장에서 실시한 수온, 염분 관측결과 및 연구대상 해역 에서 과거 관측된 조석, 조류 자료 및 기상청, 국립해양조사 원 자료를 토대로 해수유동실험의 검증 및 보정 작업을 실 시하여 연구대상 해역의 평상시 유동장을 재현하였고, 섬진 강과 가화천을 포함한 주변 51개 하천의 평수시와 50년빈도 홍수시 유량을 적용하였으며, 홍수량은 대조기에 하루 동안 지속되는 것으로 가정하였다.

본 연구에서 수치모형 영역의 크기는 동서방향으로 57.0 km, 남북방향으로 56.5 km로 설정하였다(Fig. 2). 모델의 격자는 대부분의 영역은 30 ~ 400 m의 가변격자를 사용하였으며, 연 구대상 해역의 하천 중 유량이 많은 섬진강과 가화천의 경 우에는 곡선가변격자를 적용하여 곡선이 많은 하천 지형의 특성이 잘 반영되도록 하였다. 구성된 격자망은 동서방향 359개, 남북방향 319개이며, 이 중 유효한 수치 계산이 행해 지는 격자의 수는 총 34,548개이다.

홍수시 섬진강과 가화천의 하천유출수가 미치는 영향을 파악하기 위하여 총 6개 실험안에 대한 실험을 수행하였다 (Table 2). 조위의 개방경계 조건은 연구대상 해역에서 기 관 측된 자료와 삼천포, 광양 및 여수 검조소의 조석 자료에 근 거하여 시․공간의 함수로 주어 수차례 시행착오를 거쳐 조 석과 조류에 대한 검증 및 보정 과정을 거친 후에 확정하였 다. 수치모델 및 조류관측 검증 계산시간은 대조기에서 소 조기를 포함하는 30일간의 수치실험을 수행하였다. 계산시 간 간격은 CFL 조건을 만족하는 2초로 설정하였고, 조류의 개방경계 조건으로 개방경계에 수직한 속도성분은 모델영 역 외부의 속도성분을 필요로 하는 이류항과 수평와동항을 무시하고 운동방정식을 사용하여 구하였다.

연구대상 해역에서 기존에 관측된 조석 17개 정점, 조류 24개 정점에 대한 검증을 실시하였다(Fig. 3). 조석과 조류의 계산값이 관측값을 잘 재현하였는지를 정량적으로 판단하 기 위하여 현장 관측값과 수치실험으로 계산한 값의 결정계 수(R², coefficient of determination)를 계산한 결과, 조석 17개 정점에 대한 R²의 범위는 0.9395 ~ 0.9957, 평균은 0.9727로 관 측값과 계산값의 상관성은 매우 높은 것으로 나타났고, 조 류 24개 정점 표․중․저층에 대한 R²의 범위는 동방성분은 0.2853 ~ 0.9910(평균 0.8308), 북방성분은 0.2045 ~ 0.9941(평균 0.8397)로 검증을 수행한 24개 정점 중 5개 정점의 R²가 0.5 미만으로 나타났지만 계산한 조류 결과가 수평방향으로 최 대 400 m × 400 m 격자의 평균 조류이나 관측된 조류는 한 지 점에서의 관측 결과인 점을 고려하고, 조석과 조류의 관측 값과 계산값의 시계열 비교를 통해 검토한 검증 결과는 본 해수유동실험이 대상해역의 조석과 조류 특성을 잘 재현하 고 있음을 보여준다(Fig. 4, Fig. 5).

2.3 입자추적 수치실험

입자추적 수치모형실험은 EFDC 모델에 포함되어 있는 입 자추적 모듈을 사용하였다. 입자추적 수치모형실험은 가상 의 입자를 모델의 격자에 위치시킨 후, 이류 및 분산에 의하 여 이동한 거리를 라그랑쥐(Lagrange) 방법으로 산정하여 입 자의 위치를 추적하는 실험으로 분산은 Random walk 방법을 사용하였다.

해수교환율은 입자추적 실험을 사용하여 일정 영역 내의 초기입자 수에 대한 잔류 입자수의 비율을 백분율로 환산하 는 다음 식과 같이 산정하였다.

여기서, R는 해수교환율, P_t는 잔류 입자수, P₀는 초기 입자수이다.

본 연구에서 체류시간은 일정 영역 내의 입자가 영역 경 계를 처음으로 벗어날 때까지 소요되는 시간을 의미하며, 입자의 초기 위치에 따라 다르게 나타난다.

입자추적 수치모형실험은 노량수로를 경계로 서측의 광 양만과 여수해협을 포함하는 광양만 권역과 동측의 진주만, 강진만, 사천만을 포함하는 진주만 권역으로 크게 구분하여 실시하였다(Fig. 6). 초기 입자수는 구역내 격자마다 1개씩 설정하였으며, 광양만 권역은 9,727개, 진주만 권역은 11,021 개이다. 입자는 계산시작 후 1일 후에 투입하였으며, 각 입 자의 위치는 1시간 간격으로 기록하였고, 기록된 결과를 토 대로 해수교환율과 체류시간을 산정하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 해수유동

평수시 유량을 적용한 경우(Case 1) 대조기 창조류 흐름 방향은 노량수로에서는 북동향류로 나타났고, 대방수로에서 는 북서향류로 나타났으며, 광양만 내측에서는 남서향류로 나타났다(Fig. 7). 진주만 내측 에서는 동향류 또는 남동향류 로 나타났고, 강진만 내측에서는 남서향류로 나타났으며, 사 천만 내측에서는 북향류로 나타났다. 낙조류 흐름 방향은 노량수로에서는 남서향류로 나타났고, 대방수로에서는 남동 향류로 나타났으며, 광양만 내측에서는 북동향류로 나타났 다. 진주만 내측에서는 서향류 또는 북서향류로 나타났고, 강진만 내측에서는 북동향류로 나타났으며, 사천만 내측에 서는 남향류로 나타났다.

평수시 유량을 적용한 경우와 비교하여 50년빈도 홍수시 유량을 적용한 경우(Case 2)에 섬진강 하구역과 여수해협 및 가화천 하구를 포함한 사천만에서의 흐름 변화가 큰 것으로 나타났다. 하천유출수로 인한 강한 남향류의 영향으로 창조 류는 약화되고, 낙조류는 강해지는 양상을 보였는데, 홍수시 유출량의 직접적인 영향을 받는 섬진강 하구와 가화천 하구 에서는 창조류와 낙조류 모두 유속이 크게 증가하였고, 여 수해협과 사천만 남쪽 해역에서 창조류 유속은 감소하고, 낙조류 유속은 증가하였다.

3.2 입자추적

평수시 유량을 적용한 경우(Case 1)의 입자 투입 후 시간 별 입자분포도를 보면 광양만과 여수해협을 포함하는 광양 만 권역에 투입한 입자는 주로 여수해협을 통해 외해로 이 동하지만, 다수의 입자가 노량수로를 통해 진주만, 강진만, 사천만으로 이동한 후에 대방수로를 통해 외해로 이동하는 것으로 나타났다. 홍수시 유량을 적용한 경우(Case 2 ~ Case 6) 에는 더 많은 입자가 노량수로를 통해 진주만, 강진만, 사천 만으로 이동하는 후에 대방수로를 통해 외해로 이동하는 것 으로 나타났다(Fig. 8).

진주만, 강진만, 사천만을 포함하는 진주만 권역에 투입한 입자는 주로 대방수로를 통해 외해로 이동하는 것으로 나타 났고, 평수시 유량 적용(Case 1)시에는 노량수로를 통해 광양 만, 여수해협으로 거의 이동하지 않는 것으로 나타났으며, 홍수시 유량을 적용한 경우(Case 2 ~ Case 6)에는 노량수로를 통해 광양만 권역으로 이동하는 입자가 다소 발생하지만 광 양만 권역에서 노량수로를 통해 진주만 권역으로 이동하는 입자수에 비해 상대적으로 적은 것으로 나타났다.

광양만 권역과 진주만 권역에서 하루 간격으로 해수교환 율을 각각 산정한 후, 광양만 검조소와 삼천포 검조소의 수 위 시계열과 각 영역별 해수교환율 시계열을 함께 제시하였 다(Fig. 9). 30일 후 각 실험안의 해수교환율은 광양만 권역에 서 각 실험안별로 44.40(Case 6) ~ 67.21 %(Case 2)로 나타났고, 진주만 권역에서 각 실험안별로 50.37(Case 1) ~ 73.10 %(Case 2)로 광양만 권역과 진주만 권역 모두 홍수시 유량을 적용한 경우 해수교환율이 큰 것으로 나타났지만, 광양만 권역의 경우 가화천만 홍수량을 적용한 경우(Case 6) 평수시보다 해 수교환율이 다소 작아지는 것으로 나타났다(Table 3).

광양만 권역은 노량수로와 여수해협 남단을 경계로 설정 하고, 진주만 권역은 노량수로, 대방수로 및 창선수로를 경 계로 설정하여 체류시간을 각각 산정하였다. 계산을 마친 후 영역 내에 남아 있는 입자의 체류시간은 30일로 산정하 였다. 각 실험안별 평균 체류시간은 광양만 권역에서는 각 실험안별로 7.07일(Case 2) ~ 15.36일(Case 6)로 나타났고, 진주 만 권역에서는 각 실험안별로 6.45일(Case 3) ~ 12.75일(Case 1) 로 나타났다(Fig. 10, Fig. 11). 평균 체류시간은 광양만 권역과 진주만 권역 모두 홍수시 유량을 적용한 경우에 작아지는 것 으로 나타났고, 진주만 권역의 경우 51개 하천 중 섬진강과 가화천을 제외한 나머지 하천의 홍수량을 적용한 경우(Case 3)에 평균 체류시간이 가장 작은 것으로 나타났다(Table 3).

3.3 단면유량 Flux

해수유동실험 결과를 이용하여 단면유량 flux를 산정하였 다. 연구대상 해역을 Fig. 12와 같이 7개의 내부 영역과 5개 의 외부 영역을 설정하고, 해수유동실험 결과로 구해진 1시 간 간격 수위 자료와 유속 및 유향 자료를 이용하여 설정된 단면의 유량을 산정하였다.

7개의 내부 영역은 연구대상 해역의 광양만 권역과 진주 만 권역 해역의 단면유량 flux의 상호작용을 가장 효율적으 로 파악하도록 설정하였고, 8번과 9번은 섬진강과 가화천의 하천유출수가 유입되는 영역, 10번은 여수해협을 통한 유출/ 유입 경계, 11번은 창선수로를 통한 유출/유입 경계, 12번은 대방수로를 통한 유출/유입 경계이다.

해수유동실험 결과를 토대로 각 실험안별 각 단면별, 영 역별 유량 flux는 최대 홍수량이 지속되는 대조기 25시간 동 안과 수치실험 계산기간 중 안정화 기간을 뺀 30일 동안에 대해 산정하였고, 유량 flux의 증가는 양의 수치로, 감소는 음의 수치로 표기하였다.

현재 상황에서 노량수로로 연결된 영역 Ⅲ과 영역 Ⅵ의 유량 flux를 살펴보면, 평수시 유량을 적용한 경우(Case 1)에 는 크기의 차이는 있지만 25시간과 30일간의 결과 모두 영 역 Ⅲ → 영역 Ⅵ로 유량 flux가 이동하는 것으로 나타났고, 영역별 유량 flux 밀도를 살펴보면 여수해협인 영역 Ⅳ와 강 진만인 영역 Ⅶ은 감소가 크고, 진주만인 영역 Ⅵ은 증가가 큰 것으로 나타났다(Fig. 13, Fig. 14).

현재 상황에서 홍수시 유량을 적용한 경우(Case 2)에는 평 수시 유량을 적용한 경우(Case 1)와 비교하여 섬진강과 가화 천에서 유출량이 크게 증가하였다(Fig. 15, Fig. 16). 영역 Ⅲ 과 영역 Ⅵ 사이의 유량 flux는 25시간 결과에서는 영역 Ⅵ → 영역 Ⅲ로, 30일간 결과에서는 영역 Ⅲ → 영역 Ⅵ로 이 동하는 것으로 나타났다. 홍수시 유량을 적용한 경우(Case 2) 영역별 유량 flux 밀도를 살펴보면 25시간의 결과는 여수해 협인 영역 Ⅳ, 사천만인 영역 Ⅴ 및 강진만인 영역 Ⅶ은 감 소가 크고, 섬진강 하구인 영역 Ⅰ과 광양만 외측인 영역 Ⅲ 과 진주만인 영역 Ⅵ는 증가가 큰 것으로 나타났고, 30일간 의 결과는 광양만 내측인 영역 Ⅱ, 여수해협인 영역 Ⅳ 및 강진만인 영역 Ⅶ은 감소가 크고, 섬진강 하구인 영역 Ⅰ과 광양만 외측인 영역 Ⅲ, 진주만인 영역 Ⅵ은 증가가 큰 것으 로 나타나 평수시 유량을 적용한 경우와 차이를 보였다.

현재 상황에서 홍수시 유량을 적용한 경우(Case 2) 유량 flux의 주 흐름 경로는 8 → Ⅰ→ Ⅲ → Ⅳ → 10로 섬진강 하천유출수가 여수해협을 거쳐 외해로 이동하는 흐름과 9 → Ⅴ → Ⅵ → 12로 가화천 하천유출수가 사천만, 진주만, 대방수로를 거쳐 외해로 이동하는 흐름이 25시간과 30일간 의 결과에서 모두 나타나고 있고, 노량수로에서는 25시간 결 과는 낙조 방향, 30일간 결과는 창조 방향으로 나타났으며, 대방수로와 창선수로에서는 25시간과 30일간의 결과 모두 낙조 방향으로 나타났다.

현재 상황에서 Case 3 ~ Case 6의 경우 크기의 차이는 있지 만 30일간의 결과로 산정한 노량수로로 연결된 영역 Ⅲ과 영역 Ⅵ의 유량 flux는 영역 Ⅲ → 영역 Ⅵ로 이동하는 것으 로 나타났고, 영역별 유량 flux 밀도를 살펴보면 여수해협인 영역 Ⅳ와 강진만인 영역 Ⅶ은 감소가 크고, 섬진강 하구에 위치한 영역 Ⅲ과 진주만인 영역 Ⅵ은 증가가 큰 것으로 나 타났다. 유량 flux의 주 흐름 경로는 Case 2와 유사한 것으로 나타났으며, 전반적으로 연구대상 해역의 유량 flux의 주 흐 름 경로는 섬진강 하천유출수의 영향을 많이 받는 것으로 나타났다.

4. 요약 및 결론

본 연구에서는 연구대상 해역에 유입되는 전체 하천유출 수의 50 % 이상을 차지하는 섬진강과 가화천을 포함한 51개 하천을 모두 고려하여 광양만과 진주만의 계절별 해수교환 율과 체류시간 특성을 파악하기 위해 수치모형실험을 수행 하였다.

입자추적 수치모형실험을 수행하여 광양만과 진주만 권 역에서의 계절별 해수교환율과 체류시간을 산정한 결과, 광 양만 권역에 투하한 입자는 노량수로를 통과하여 진주만 권 역으로 상당히 이동하는 것으로 나타났지만, 진주만 권역에 서 노량수로를 통과하여 광양만 권역으로 이동하는 입자는 상대적으로 적은 것으로 나타났다.

계절별 해수교환율 산정 결과, 하천 유량이 많은 하계의 해수교환율이 타 계절과 비교하여 큰 것으로 나타났다. 계 절별로 산정한 평균 체류시간은 광양만 권역에서 7.07 ~ 15.36일, 진주만 권역에서 6.45 ~ 12.75일로 진주만 권역의 체 류시간이 광양만 권역보다 작은 것으로 나타났고, 광양만 권역에서 섬진강 유량이 타 계절에 비교하여 상대적으로 많 은 하계의 체류시간이 가장 짧은 것으로 나타났다.

Kwak and Cho(2019)이 농도 변화를 이용하여 본 연구대상 해역에서 산정한 동계와 하계의 체류시간은 광양만 권역에 서 각각 23.1일, 5.4일이었고, 진주만 권역에서 각각 5.1일, 4.9일로 본 연구결과와 차이를 보였는데, 이는 체류시간 산 정 영역의 차이, 적용 하천 유량의 차이 등으로 인한 결과로 판단된다.

본 실험에서 고려한 섬진강과 가화천의 2017년 계절별 하 천 유량은 각각 12.4 ~ 65.1 ㎥/sec, 17.9 ~ 21.4 ㎥/sec로 계절별 차이가 크지 않고, 하계의 유량이 그렇게 많지 않았는데, 집 중 호우로 인한 섭진강과 가화천의 하천 유량이 압도적으로 많아질 경우의 광양만 권역과 진주만 권역의 해수교환율과 체류시간의 변화에 대한 다각적인 고찰 또한 필요할 것으로 판단된다.

광양만과 진주만 권역에서의 해수순환 구조를 살펴보기 위해 두 폐쇄성 해역에 대해서 7개 내부 영역과 5개 외부 영 역에 대한 30일 동안의 단면유량 flux를 산정하였다. 그 결 과, 평수시와 홍수시 모두 전반적으로 광양만 권역에서 진 주만 권역으로 유량 flux가 이동하는 것으로 나타났다. 홍수 시 유량을 적용할 경우 연구대상 해역의 유량 flux의 주 흐 름 경로는 섬진강 하천유출수가 여수해협을 거쳐 외해로 이 동하는 흐름과 가화천 하천유출수가 사천만, 진주만, 대방수 로를 거쳐 외해로 이동하는 흐름으로 나타났다.