1. 서 론

낙동강하굿둑 외해측의 조석특성은 일반적인 연안역의 조석과는 달리 하천수의 유출, 배수갑문의 조작, 연안사주지 형에 의한 조석 변형 등 매우 복잡하고 불규칙적인 특성을 가진다고 볼 수 있다.

뿐만 아니라 기상성분(기압, 바람 등)에 의한 교란은 조석 예보시 예측에 반영할 수 없어, 이러한 조석 예보치의 산정 은 어느 정도 한계가 있다고 볼 수 있다.

다만, 보다 정도 높은 조석 예보치 산정을 위해서는 예측 정확도가 높은 조석조화분해(Tidal Harmonic Analysis) 프로그 램을 사용하는 것이 중요하며, 또한 최신의 조석자료 특히 1 년 이상의 장기조석자료를 확보하여 이를 통해 예측하는 것 이 보다 정밀한 예보치를 얻을 수 있다.

이에 본 연구에서는 낙동강하굿둑 외해역에서 관측된 2020년, 2021년 2년간의 장기 조석관측자료를 이용하여 2022 년 이후의 장래 조석 예보치를 산정하고자 한다.

2. 관련 선행연구

감조하천을 포함한 대부분의 하구 부근은 지형이 복잡성 과 함께 수심의 변화가 심하여 천해조의 발달이 두드러지는 경향과 조석은 조차와 하천유량뿐 아니라 하천의 형상에 따 라 전파양상에 차이가 발생하며 연안에서 관측되는 조석과 는 사뭇달라지는 특성이 있다(Kang and Moon 2001).

과거 낙동강 하구에 선행된 연구 Ryu and Chang(1979), Choi (1985) 등은 낙동강하굿둑 건설전 하구 감조 하천에 대한 연 구로 하굿둑 건설 후 조석에 대한 연구는 전무한 상태이다.

2000년대 활발히 진행되었던 하구 지형특성과 변동, 퇴적 환경에 관한 연구는 하구 주변 대표적인 부산 또는 가덕도 지점의 조석표를 이용하거나 조화분해를 통해 조위를 산정 하여 사용하는 등 하굿둑 시설물 수문운영에는 물리․수리 적 특성을 대표하지 않는다.

현재 진행중인 낙동강하구 기수생태복원 연구에서 해수 유입은 가장 중요한 매개인자로 수문 외해 조위에 의해 해 수유입량이 수문개도에 따라 예측되어 산정되는 만큼 하굿 둑 지점에서 정밀한 조석이 필요하다.

3. 자료 및 방법

3.1 조석자료

낙동강하굿둑 외해측의 장기 조석 예보치 산정을 위하여 낙동강하굿둑 외해측(NDG)에서 관측된 2020년, 2021년 각각 1년간의 조석 관측자료를 정밀 분석하였다. 분석에 사용된 자료는 Table 1, Fig. 1과 같다.

3.2 조석조화분해

낙동강하구둑 외해측의 장기 조석 예보치 산정을 위하여 하구둑 외해측(NDG)에서 2020년, 2021년 각각 1년간 10분 간 격으로 관측된 조위자료를 활용하였다.

먼저 관측자료의 저장 상태 및 이상 자료 유무를 확인하고, 조석조화분해 프로그램인 TASK2000(Tidal Analysis Software Kit) Package를 이용하여 조화분해 하였다. 연구절차는 Fig. 2 의 방법으로 진행하였다.

TASK2000은 TIRA(Tidal Institute Recursive Analysis) 해법에 의하여 조석 조화분해 및 조위 예측이 가능한 프로그램으로서 영국 Proudman 해양 연구소(Proudman Oceanographic Laboratory) 의 P. L. Woodworth 등에 의해 개발되어 현재 국내․외의 많 은 연구기관에서 사용되고 있으며, 그 신뢰성 또한 높이 평 가되고 있다(Bell et al., 1999).

관측된 조석자료의 조화분해시 임의 시(時)의 조위(Ht)는 다음과 같이 여러 분조의 합으로 표시할 수 있다.

여기서,

조석은 다수의 규칙적인 분조들이 합성되어, 위 식에서 각 분조의 반조차(H)와 지각(K)을 조화상수(harmonic constant) 라 하며, 조화상수를 구하는 계산을 조화분해라 한다.

비조화상수는 조화상수로부터 유도되며, 조석의 특성을 나타내는 상수이다. 여러 분조 중 주요 4대 분조의 특성 및 비조화상수 계산식은 Table 2와 같다.

4. 연구결과 분석

4.1 조화분해

낙동강하굿둑 외해측(T1)에서 관측된 2020년, 2021년 자료 를 이용하여 조석조화분해를 실시하였다.

관측 조위자료는 TASK Package를 사용하여 조석조화분해 하였으며, 그 결과는 Table 4, Table 5와 같다.

조화분해에 사용한 데이터 수는 2020년은 52,704개이며, 2021년은 52,560개이다.

10분 간격으로 관측된 자료로써 2020년과 2021년의 자료 개수가 차이가 나는 것은 2020년인 윤년인 관계로 1일이 많 은 366일이기 때문이다.

TASK Package에서는 일반적으로 1년 관측의 경우 추출할 수 있는 주요 분조(major constituents)는 63개(평균해면치 Z0 포함)까지 조화분해할 수 있다.

참고로 6개월 관측인 경우에는 55개 분조를, 1개월 관측 일 경우에는 상대분조 8개, 주요분조 27개의 총 35개 분조를 분해할 수 있다.

Table 3은 주요 4대 조화상수 진폭과 지각이다.

반년 주기(SA, SSA)이상의 분조의 합은 2020년에 16.33 %, 2021년에 14.90 %로 나타났다. 또한, 조석의 비선형을 잘 나타 내는 N2, K2분조의 경에는 2020년에 9.77 %, 2021년에 10.74 % 로 각각 나타났다.

Fig. 3은 2020년, Fig. 4는 2021년의 낙동강하굿둑 외해역에 서 관측된 조석자료를 각각 조석조화 분해한 결과를 나타낸 다. 그림에서 붉은 점으로 나타낸 것이 관측자료이며, 청색 실선으로 나타낸 것은 예측조위이다.

마지막으로 검은색 실선으로 표시한 부분은 조석잔차성분 즉, 관측치에서 예측치를 뺀 성분을 나타내며, 이는 서두에서 언급 한 하천유출수의 영향, 배수갑문의 영향, 연안사주에 의한 조 석변형 및 기압, 바람 등의 기상성분에 의한 영향을 나타낸다.

하계 시에 피크를 띄며 차이를 보이는 부분들은 태풍이나 저기압 통과로 인한 기상성분의 영향이 크게 반영된 것이다.

한편, 2020년과 2021년에 대하여 조화분해한 분조의 상수 및 위상을 막대그래프로 나타내었다(Fig. 5, Fig. 6).

Fig. 4의 2021년 조석관측 시계열 자료의 조화분해 결과를 살펴볼 때, 앞서 언급한 바와 같이 낙동강 하구둑 외해역의 조석의 복잡성과 불규칙성을 고려하면 예측 정확도가 상당 부분 확보되는 것으로 나타났. 또한, 2021년의 주요 조석분 조 및 크게 영향을 미치고 있는 장주기 성분과 비선형 조석 성분의 크기를 비교해 볼 때 거의 편차가 없이 나타나 조석 조화상수를 이용한 예보의 가능성을 확인할 수 있다.

4.2 조위예측

낙동강 하구둑 외해역의 조위예측을 위하여 조위예측 프 로그램인 TASK2000 Package를 이용하였다. 사용한 프로그램 MARIE는 TIRA의 조화분해를 역으로 이용하는 방법으로 조 화상수를 이용하여 조석을 재산정, 예측하는 프로그램이다.

본 연구에서는 2020년의 1년치의 조석자료를 이용하여 조 화분해된 조화상수 63개를 이용하여 2021년의 조석 예보치 를 산정하였으며, 이를 2021년의 낙동강 하구둑 외해역의 조 석관측치와 비교하는 방식으로 조위예측치를 검증하였다.

Fig. 7은 2021년 조위예측치와 조위관측치의 1대1 그래프 를 나타낸 것이다. 가로축은 조석 관측치이며, 세로축은 조 석 예보치를 나타낸 것으로 1대1로 잘 매칭되는 것을 볼 수 있다.

이들의 상관관계를 파악하기 위하여 두 성분에 대하여 회 귀상관분석을 수행하여 붉은 선으로 표시하였으며, 예측치 와 관측치 사이에는 Pre = 0.9541 × Obs - 0.013과 같은 관계식 이 성립하는 것으로 분석되었다.

또한, 두 성분간의 상관도는 0.9334로 높게 나타났으며, 이 러한 관계성으로 볼 때, MARIE를 이용한 조위예측 프로그 램의 신뢰도가 매우 높은 것으로 사료된다.

5. 조위예측 자료의 활용 및 기대효과

5.1 기수생태복원 해수유입량 자료 활용

낙동강 하구는 35년만에 기수 생태 복원을 본격화하는 다 양한 노력과 연구가 진행되고 있다. 해수를 유입시켜 기수 생태복원을 하기 위해서는 하류수위(조위)가 상류수위보다 높을 경우에 수문개도를 통해 해수유입량을 결정한다. 여기 서 하류수위(조위)를 예측하고 정확하게 측정하는 것은 해 수유입량 결정에 중요한 요소 중에 하나이다. 현재 기수생 태복원은 상류 농업용수(15 km 서낙동강 유입) 및 하천 생공 용수(약 26 km 양산, 물금취수장) 등 제약사항으로 15 km 이 내로 수문개도와 해수유입량으로 제어하고 있다.

본 연구에서는 기수복원 염수침투 거리(L)과 해수유입량 (Q)에 가장 영향을 주는 매개변수가 하류 수위(조위)를 정밀 하게 예측함으로써 신뢰성 있는 기수생태복원을 조성하는 데 있다.

5.2 하구통합물관리시스템 모듈 탑재

본 연구결과는 모형 검보정 상관계수가 90 % 이상으로 모형 구축 신뢰성을 확인하였으며, Fig. 8과 같이 기 구축된 낙동강 하구 통합물관리 플랫폼에 탑재되어 낙동강 본류 기수역생태 복원 수문데이터와 연계되어 의사결정시스템으로 활용한다.

6. 결 론

본 연구를 요약하면 다음과 같다. 연구방법으로는 계측된 과거 10분 수위데이터로 조석조화분해 프로그램인 TASK2000 (Tidal Analysis Software Kit) Package를 이용하여 관측조위와 예측조위 비교하였고, 관측조위와 예측조위를 뺀 성분인 조 석잔차성분을 구했다. 조화분해결과, 예측정확도가 상당 부 분 확보되어 조위 예보 가능성을 확인할 수 있었다. 조위검 증은 낙동강 하굿둑 외해역의 조석관측치와 조석예측치를 1대 1 비교하는 방식으로 검증과 상관관계를 파악하기 위 하여 두 성분에 대하여 회귀상관분석을 수행결과, 두 성분 간의 상관도는 0.9334로 높게 나타났다. 현재 낙동강 하구는 2022년부터 본격적인 기수생태복원중(상류 15 km 이내, 서 낙동강 유입지점까지)으로 침투 거리를 예측하기 위한 해수 유입량 산정에 절대적으로 필요한 하류수위(조위)를 예측 산정하고 있으며, 하구통합물관리시스템에 모듈로 탑재되어 의사결정시스템으로 활용되고 있다.

본 연구를 통해 도출된 향후 개선방향은 1) 지속적인 측 정과 유속계을 통한 해수유입량 산정식 개발(개도-방류량); 2) 상류 유입량 vs 해수유입량 변화에 따라 기수복원 염수침 투 길이 산정과 수질변화; 3) 향후 AI 기술을 이용한 해수유 입량 산정식 개발 등의 향후 노력과 조사 연구가 필요할 것 으로 사료된다.