기상 변화에 의한 힘과 하구의 순환, 최대 탁도

기상 변화에 의한 힘(meteorological forces)

Wind stress와 대기압력 변화는 특히 안정된 천해하구에서 부유퇴적물의 이동에 영향을 주는 취송류와 해수면 변화를 가져온다. Chespeake만, Potomac 하구에서 이 힘은 하구순환의 강도를 변화시키고 방향이 역전될 수 있다. 장기적인 해류 측정(long-term current measurement)으로부터 Eliott(1978)는 지역적 바람과 해류의 상호관계를 발견했다. 아래로 불어오는 바람(downstream wind)은 표면에서 외류(outflow)와 저층부에서 내류(inflow)를 야기시킨다. 하구 위와 주변 와류 상부로부터 부는 바람(upstream wind)은 거의 표면 흐름(near-surface flow)의 역전을 야기시킨다. 이런 변동은 하구순환을 아주 복잡하게 한다. 따라서, 이동과 퇴적 기작(transport and accumulation mechanism)에 관해 앞서 언급한 힘(force)들이 하구에서 어떻게 상호작용하여 퇴적물을 침식, 이동, 퇴적시키는가 하는 문제를 해결해 보려한다.

 

---

하구의 순환

조류의 왕복운동(back and forth movement)을 강조한다면 하구순환(estuarine circulation)이라 칭할 수 있는 흐름(flow)이 있다. 무엇이 이를 조정하는가? 만약, 하구에 이르는 담수(fresh water)가 존재하지 않거나 상대적으로 소조차(潮差)일 때 해수는 실제로 하구를 채운다. 담수가 강으로부터 유입될 때 하구는 해수를 해양방향으로 밀게 된다. 해수는 담수 보다 밀도가 크기 때문에 담수 아래부분으로 침투한다. 반면에, 담수는 위 부분으로 흘러서 외해로 빠져나가려 한다. 이것은 염분도(salinity)의 분포에 따라서 파악할 수 있다. 실제로 하구에서는 염분도가 제로(zero)에서 30~35%까지 이르게 된다. 바로 이 염분도는 하구의 안정도 및 혼합정도를 지시한다.

 

전형적인 하구흐름은 저층(lower layer)을 따라서 육지 방향으로 흐르는 흐름(landward flow)과 해양방향(seaward)의 흐름이 조석시간과 담수의 배수량(discharge)에 따라서 하구의 순환을 결정지어 준다. 그 방향 사이의 면(boundary between seaward and landward-flowing layer)의 유속은 0 이다. 즉, 순수한 움직임이 없는 층(level of no-net motion)이다.

 

이 수준의 깊이 (depth), 경사도(inclination)에 따른 층의 두께는 inflow, 조석, 지형에 따라서 변한다. Pritchard(1955)는 이 같은 변수들에 의해 나타나는 하구순환 형태(mixing types)를 순위에 따라 분류하였다.

 

Type-A(salt wedge): 이는 하천류가 우세하고 조석의 영향이 적다. 담수가 필도가 큰 해수의 상부로 흐르고 해양방향으로 흐른다. 저층부 (underlying layer)는 쐐기(wedge) 모양으로 육지 방향으로 엷게 나타난다. 담수와 해수 사이의 뚜렷한 면에서 염분 변화가 큰(halocline) 특징이 나타난다.

R. Type-B (partially mixed): 부분 혼합층과 하천류가 우세하게 되는 것을 보완하기 위해서 비교적 조류가 상승하는 지역이다. 조석혼합(tidal mixing)은 충돌 사이의 급격한 변화면을 제거하고 담수, 해수 모두가 상부만큼 하부로도 이동된다, 육지 방향 흐름은 염수 진입첨부(salt intrusion head)에서 부유퇴적물을 이동시키기에 충분히 강하다. 이 첨부에는 최대다. (turbidity maximum)또는 구름(shoal)이 형성된다. 퇴적물은 상층에서 하층으로 침전됨에 따라 유래된 것이고 해양에서 유입된 것도 있다. 대표적인 하구에는 chesapeake 만이 있다. 이런 하구를 부분혼합(partially mixed)하구라 칭한다.

Type-C(well mixed): 이 형태는 조차(潮差)와 해류가 염분 층서화(salinity stratification)를 완전히 없애기에 충분한 곳에서 형성된다. 그래서 수직적으로 균일하게 수평면 (laterally)으로 변하는 염분도를 나타낸다. 육지 방향의 흐름은 거의 없고 육지에서 해양 쪽으로 염분도가 증가함을 보인다. 부유퇴적물은 측면으로부터 또는 적은 하천 기원으로부터 멀리 확산된다. Delaware 하구가 대표적이고 이를 완전혼합(well-mixed) 하구라 칭한다. 다른 변수(factor)들이 동일할 때, 일반적으로 하구순환은 B형을 거쳐서 C형에서 A형으로 이전하는 경향이 있다(하천류의 증가, 조석의 감소, 폭의 감소, 수심의 증가에 따라서).

 

---

 

최대탁도(turbidity maximum)

부분적인 혼합하구의 상부, 중부에서 부유퇴적물의 농도가 바다 멀리 하천에서 보다 10 ~ 100배 높은 농도를 나타낸다. 이를 '최대탁도'로 칭하는데, 이 특성은 아마존(Amazon), 테임즈(Thames), 미시시피 (Mississippi) 강처럼 여러 하구에서 나타난다. 강한 담수의 흐름, 해수와의 희석, 혼합에도 불구하고 존재한다. 이론적으로, 담수 부유퇴적물(fluvial suspended sediment)은 낮은 탁도수에 의해 단순히 희석되고 해수 침입첨부에 들어감에 따라 퇴적될 수 있으며 고농도가 발견된다. 이 최대탁도의 3가지 모델을 염분도와 이에 따른 현장표본과 연관지어서 분류한다.

model A, 부유퇴적물은 해수의 육지부분 한계 근처에서 최대(peak)에 이른다. 이 한계지점은 하천류와 해저층 육지 방향 하구 흐름의 수렴 지역 또는 "Null Zone" 에 해당한다. 퇴적물은 강과 해양으로부터 유입되고 또는 하구 내의 하구 순환에 의해 재 순환된 퇴적물 입자 침강은 상부 혼합을 상회하는 한 멀리 "Null zone" 에서 효율적으로 차단된다.

 

혼합이 덜 활발한 중부하구의 고염도 지역에서 부유퇴적물은 상부층에서 저층으로 침강할 수 있다. 바다에서 유입되는 퇴적물과 만나서 염분 첨단부에서 육상 쪽으로 이동한다. Postma(1967)에의하면 최대탁도의 정도는 첫째, 하천으로부터 부유퇴적물의 양과 둘째, 하구순환의 강도에 따라 좌우된다고 한다. 이 함수들은 하천류에 직접적으로 관계된다.

하구순환에서 최대탁도의 위치가 변하는 것은 많은 하천류 유입기간 동안 해수 진입(salt intrusion)이 하부로 이동함에 따라서 해양 방향으로 이동함을 나타낸다(Nichols, 1977). 최대탁도의 유지 또는 형성에 flocculation, agglomeration의 효과는 의심스러운 일이다. Flocculation은 입자 침강을 증가시키고 해수진입 한계에서 침전을 가속시키고 농도는 비교적 고농도를 나타낸다. Krone(1972)은 이 같은 작용이 최대탁도 형성을 유발시키며 flocs가 형성될 때 쉽게 퇴적된다는 것을 보였다. 조석에 의한 최대탁도에 관한 연구는 Gironde강 하구에 관한 연구에서 보여주었다(Allen et al. , 1980). 그림 9-10은 조석시간에 따른 염분도의 분포와 부유 퇴적물의 수직적 분포를 나타낸 것이다. 최대탁도의 위치는 조석의 영향에 따라서 상류, 하류로 이동하고 형태도 변한다.