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문제 정의
- 본 연구에서는 경상북도에 위치한 월포항과 주변해 역을 대상으로 해양환경과 수치모형실험의 입력자료 및 수치실험결과의 검증을 위하여 1998년 4월부터 12 월까지 4차에 걸친 해양관측을 실시하였다. 우선 수심 측량은 2회(1998년 5월 10월)에 걸쳐 실시하여 월포 항 주변 해저지형의 계절적 변동을 분석하였으며, 본 대상해역에 내습하는 파랑특성을 파악하기 위하여 일 정기간 동안의 파랑관측과 해빈류 관측을 수행하였다.
- 우선 수심 측량은 2회(1998년 5월 10월)에 걸쳐 실시하여 월포 항 주변 해저지형의 계절적 변동을 분석하였으며, 본 대상해역에 내습하는 파랑특성을 파악하기 위하여 일 정기간 동안의 파랑관측과 해빈류 관측을 수행하였다. 우선 해빈류 현지관측결과를 수치모형실험과 비교함으 로써 수치모형의 적용성 및 신뢰도를 검증하고, 향후 월포항 주변해역의 표사이동과 해안선 변화를 재현하고 예측하기 위한 기초적 연구를 수행한다.
제안 방법
- 월포항 주변의 파랑특성을 파악하기 위하여 Fig.l 의 1개 정점(WC-1 : 위치 N36°11‘56", E129 ° 23‘08”)에서 메모리형 수압식 파고계를 설치하여 1998년 6월 25일부터 8월 6일까지 매2시간마다 20분 간 0.5sec 간격으로 40일동안 실시되었으며 모든 자료는 유실없이 회수되었으며 상태 또한 양호하였다 관측 을 통해 수압식 파고계의 기록으로부터 읽어낸 자료는 수위자료로 변환시켜야한다. 수압자료로부터 수위자료 로의 변환 및 수위자료해석법을 Fig.
- 1의 10 개 지점(A~J) 즈 파랑 내습시 쇄파대 부근에서 수행하였다. 관측은 5월과 10월 2계절의 특성을 파악하기 위하여 2차에 걸쳐 수행하였으며, 그 중 5월의 월포항 인근해역의 해빈류 경향은 Fig. 5에 도시하였다 Fig. 5는 전체적인 경향을 도시한 것이며, 절대적인 유속값은 Table 2에 나타내었다. 관측결과 월포항 방파제 선단해역(A)은 해안을 향하는 서향류가 약하게 나타나 며, 월포항 방파제 배후해역(B,C,D)은 해안을 따라 남 향류가 발생하였다.
- 그리고 부자의 궤적을 파악하기 위하여 평판 및 트 랜싯을 이용하였으며 측정간격은 파랑의 특성이나 연 안의 흐름 상태에 따라 달리 결정할 수 있으나 본 조 사에서는 1~2분 간격으로 측정하고,측정된 자료를 좌표와 연결하여 부자의 궤적과 유속을 구하였다 그리고 필요에 따라서 VTR에 의해 실시간 기록을 수행하 고, 화상 해석 및 부자의 움직인 거리를 추적하여 거 리에 따라 유속을 환산하여 유속계로부터 얻어진 결과와 비교하여 측정결과의 오차를 최소화하도록 하였다.
- 염료를 사용하는 방법은 근해에서 해수의 표면 흐름을 파악하는데 가장 적합한 방법이지만 쇄파대에서는 염료투입 후 확산현상이 너무 빠르게 나타날 뿐만 아니라 쇄파에 의해서 투입염료에 대한 경계가 쉽게 흐트러져 버리기 때문에 사용상에 어려움 이 따른다. 따라서 본 연구에서는 해빈류의 유속 및 유향관측을 위해 우선 측류판 형태의 부자를 이용하여 연안류의 유황을 관측하였으며, 유속의 보정을 위하여 전자유속계를 동시에 사용하여 측정하였다
- 본 연구에서 사용된 수치모형은 파랑계산영역과 해 빈류장 계산영역으로 구분하며 파랑계산의 결과가 해 빈류장 해석의 입력이 되도록 하여 계산을 수행하였다
- 본 연구의 대상해역인 월포항 주변해역에 대하여 해 빈류 수치모형실험을 실시하였다. 수치계산을 수행하기 위한 입사파 제원을 얻기 위하여 인근해역에서의 기 관측된 파랑자료를 수집 분석하였으며, 월포항 인근 해 역에서의 파랑관측은 해양수산부에서 포항 장기곶 및 화진보조관측소를 통해 1989년 이후 측정되고 있으며 특히 화진관측소는 월포항 북측 약 4km지점에 위치하고 있어 금번 수행된 파랑관측과의 비교 · 검토를 통해 결정하였다.
- 33m와 매우 유사한 결과임을 알 수 있다. 수 치실험은 우선 타원형 완경사방정식 모형으로부터 심 해역에서부터 대상해역에 이르기까지의 광역에 대해 계산을 수행한 후 광역의 파랑변형 실험결과로부터 해 빈류 실험을 위한 세부영역의 입사파 조건을 결정하고 실험영역내의 파랑이 정상상태에 이를 때까지 계산을 수행하였다. 대상해역에 대한 계산격자는 격자간격을 Jx=Jy= 5m로 하여 400 X308개의 격자수로 구성하 였다 계산에 사용된 반사율은 해안선에 대해서는 0.
- 연안류의 수치 계산은 유차차분 양해법을 사용하였으며, 외해에서는 개방경계조건을 적용하고 육지와 접 하는 곳에서는 수위의 상승과 하강에 따라 경계를 이 동하는 이동경계(moving boundary) 조건을 적용하였다. 수치계산에 있어서는 파랑변형실험결과를 이용하여 잉여응력(radiation stress)를 구하고, 연안류의 계산결과가 정상상태에 도달할 때까지 계산하였다.
- 본 연구의 대상해역인 월포항 주변해역에 대하여 해 빈류 수치모형실험을 실시하였다. 수치계산을 수행하기 위한 입사파 제원을 얻기 위하여 인근해역에서의 기 관측된 파랑자료를 수집 분석하였으며, 월포항 인근 해 역에서의 파랑관측은 해양수산부에서 포항 장기곶 및 화진보조관측소를 통해 1989년 이후 측정되고 있으며 특히 화진관측소는 월포항 북측 약 4km지점에 위치하고 있어 금번 수행된 파랑관측과의 비교 · 검토를 통해 결정하였다. 화진파랑관측소에서의 4계절 1년동안의 연 속관측자료는 1995년 6월에서 1996년 5월까지의 관측 결과가 제시되어 있으며 이때의 최대 유의파고를 본 월포항의 심해입사파로 환산하여 입사파제원으로 하였다.
- 연안류의 수치 계산은 유차차분 양해법을 사용하였으며, 외해에서는 개방경계조건을 적용하고 육지와 접 하는 곳에서는 수위의 상승과 하강에 따라 경계를 이 동하는 이동경계(moving boundary) 조건을 적용하였다. 수치계산에 있어서는 파랑변형실험결과를 이용하여 잉여응력(radiation stress)를 구하고, 연안류의 계산결과가 정상상태에 도달할 때까지 계산하였다.
- 본 연구에서는 경상북도에 위치한 월포항과 주변해 역을 대상으로 해양환경과 수치모형실험의 입력자료 및 수치실험결과의 검증을 위하여 1998년 4월부터 12 월까지 4차에 걸친 해양관측을 실시하였다. 우선 수심 측량은 2회(1998년 5월 10월)에 걸쳐 실시하여 월포 항 주변 해저지형의 계절적 변동을 분석하였으며, 본 대상해역에 내습하는 파랑특성을 파악하기 위하여 일 정기간 동안의 파랑관측과 해빈류 관측을 수행하였다. 우선 해빈류 현지관측결과를 수치모형실험과 비교함으 로써 수치모형의 적용성 및 신뢰도를 검증하고, 향후 월포항 주변해역의 표사이동과 해안선 변화를 재현하고 예측하기 위한 기초적 연구를 수행한다.
- 이에 따라 여러가지 해빈류 해석모형이 Ebersole과 Dalrymple(1979), Nishimura 등(1985), Copeland(1985), Larson과 Kraus (1991) 등에 의해 개발되어져 오고 있으나 현지의 복 잡한 해저지형여건과 파랑외력에 의해 발생되는 해빈 류를 만족스럽게 재현하기는 쉽지가 않으며 현지 재현 성의 검토가 요구되고 있는 실정이다. 이를 위해 실제 해역에서의 해빈류 관측이 외국에서는 활발히 행해지 고 있으며 현지관측을 위한 유속측정에서는 여러가지 형식의 유속계 및 부자를 이용하여 해빈류의 발생기구 및 해빈류모형의 타당성을 검증하였다. 따라서 보다 합 리적인 표사이동 및 해빈변형예측을 위해서는 해빈류 의 예측 및 재현이 필수적이며 이를 위해서는 수치모 형실험과 수리모형실험 그리고 현장조사·관측 등이 고려될 수 있으며 다양한 방법을 통해 현지 여건에 접 합한 방법을 이용하여 합리적인 결과를 도출하여야 할 것이다.
- 입사 및 투과 경계에서는 내부 의 반사파가 원활하게 계산 영역 밖으로 방사될 수 있도록 하였으며, 임의 반사율 경계에서는 해안과 구조물 의 형태에 따라 반사계수를 적절히 조정할 수 있다. 입사 경계조건과 계산조건이 주어지면 유한차분 양해 법으로 기본 방정식을 풀어서 수위와 선유량 벡터를 계산하는데, 각 격자점의 파고와 파향은 파랑 한 주기 계산 종료마다의 결과를 이용하여 결정한다. 계산은 파 고 분포가 준 정상상태에 도달할 때까지 수행하는데 앞 계산단계와의 파고비 변화가 1% 이하이면 준 정상 상태에 도달한 것으로 간주하여 계산을 종료하였다
- 월포항 인근해역에서의 파랑변형 및 해빈류에 대한 수치모형실험을 수행하였으며, 수치실험에 사용된 파랑 은 황천시 파랑으로 화진관측소의 관측파랑(1995년 6 월 ~ 1996년 5월)중 최대 유의파고를 심해입사파로 환산하여 사용하였다. 파랑변형 및 해빈류 실험은 동일한 계산영역에 적용하였으며, 해빈류 실험에서는 파 랑변형실험결과를 입력 자료로 이용하여 실험결과가 정상상태에 이를 때까지 계산하는 방법으로 실험하였다 파랑변형실험을 위한 입사파조건을 결정하기 위해 월포항 주변 일대의 황천시 파랑에 대한 광역 실험을 수행하였으며 광역의 수치계산 결과 입사파 제원은 H1/3이 1.1m ~ 2.1m, 파향은 N78° E ~ N8V E로 분포하고 있다.
- 4를 적용하였다. 해빈류계산시의 입력조건은 파랑의 실험결과를 사용하며 경계조건은 파랑 및 해빈류모형을 동일하게 적용하 였으며 수평혼합계수 N과 저면마찰계수 G는 각각 0.016, 0.01 로 하였다.
대상 데이터
- 수 치실험은 우선 타원형 완경사방정식 모형으로부터 심 해역에서부터 대상해역에 이르기까지의 광역에 대해 계산을 수행한 후 광역의 파랑변형 실험결과로부터 해 빈류 실험을 위한 세부영역의 입사파 조건을 결정하고 실험영역내의 파랑이 정상상태에 이를 때까지 계산을 수행하였다. 대상해역에 대한 계산격자는 격자간격을 Jx=Jy= 5m로 하여 400 X308개의 격자수로 구성하 였다 계산에 사용된 반사율은 해안선에 대해서는 0.1 로 하였으며, 사석방파제에 대해서는 0.4를 적용하였다. 해빈류계산시의 입력조건은 파랑의 실험결과를 사용하며 경계조건은 파랑 및 해빈류모형을 동일하게 적용하 였으며 수평혼합계수 N과 저면마찰계수 G는 각각 0.
- 월포항 인근해역에 대한 해빈류관측은 Fig. 1의 10 개 지점(A~J) 즈 파랑 내습시 쇄파대 부근에서 수행하였다. 관측은 5월과 10월 2계절의 특성을 파악하기 위하여 2차에 걸쳐 수행하였으며, 그 중 5월의 월포항 인근해역의 해빈류 경향은 Fig.
- 월포항 인근해역에서의 파랑변형 및 해빈류에 대한 수치모형실험을 수행하였으며, 수치실험에 사용된 파랑 은 황천시 파랑으로 화진관측소의 관측파랑(1995년 6 월 ~ 1996년 5월)중 최대 유의파고를 심해입사파로 환산하여 사용하였다. 파랑변형 및 해빈류 실험은 동일한 계산영역에 적용하였으며, 해빈류 실험에서는 파 랑변형실험결과를 입력 자료로 이용하여 실험결과가 정상상태에 이를 때까지 계산하는 방법으로 실험하였다 파랑변형실험을 위한 입사파조건을 결정하기 위해 월포항 주변 일대의 황천시 파랑에 대한 광역 실험을 수행하였으며 광역의 수치계산 결과 입사파 제원은 H1/3이 1.
이론/모형
- 그리고, 해저면 마찰웅력은 단일진행파를 대상으로 유도한 Nishimura(1985)의 근사식을 사용한다.
- 해빈류 모형은 파랑변형수치계산결과를 이용하여 연 안역에서의 파랑에 의한 흐름을 계산한다. 기본방정식 은 파랑에 의한 잉여응력(radiation stress)을 계산한 후 이것을 외력으로 하는 천수 방정식으로서 다음과 같은 연속방정식과 운동방정식을 사용하였다
- 식(1)에 부가된 에너지감쇠항 Yoo와 O'Connor (1987)의 마찰감쇠식 Ff와 Watanabe와 Maruyama (1986)의 쇄파감쇠식 Fd를 사용하였으며 다음과 같다.
- 파랑모형의 계산은 유체의 운동 방정식과 연속 방정 식을 수심 적분하여 파랑변형의 제 요인인 천수, 굴절, 회절, 반사 및 해저면 마찰과 쇄파에 의한 에너지 감 쇠를 고려할 수 있는 Watanabe와 Maruyama(1986) 의 시간의존 완경사 방정식을 기본방정식으로 사용하 였다 파랑의 운동은 수면변위 η와 벡터 선유량#의 시간에 따른 변화를 계산하는 식으로서 다음과 같이 나타낼 수 있다.
성능/효과
- 5는 전체적인 경향을 도시한 것이며, 절대적인 유속값은 Table 2에 나타내었다. 관측결과 월포항 방파제 선단해역(A)은 해안을 향하는 서향류가 약하게 나타나 며, 월포항 방파제 배후해역(B,C,D)은 해안을 따라 남 향류가 발생하였다. 그외 해역은 대부분 해빈을 따라 북향하는 흐름의 경향을 뚜렷히 나타내었으며, I지점서는 국부적으로 순환하는 연안류 cell이 형성됨을 알 수 있었다.
- 3cm/s 정도로 타 지점보다 상대적으로 약한 유속이 형성되었 으며, 1, 2차 관측시 최대유속은 J 지점에서 발생하였다. 관측된 유속은 약 60cm/s 로 국지적인 변화가 큼 을 알 수 있었다.
- 본 연구에서는 경상북도 포항시에 위치한 월포항 및 인근해역을 대상으로 해빈류 특성에 관한 현지관측과 파랑 및 해빈류 수치모형 실험을 실시하였고 그 결과 수치실험의 결과와 현지관측결과가 대체로 잘 부합하고 있음을 알 수 있었다. 해빈류의 특성은 월포해수욕 장 전면에서는 전체적으로 북향류의 연안류가 탁월하며 월포항 부근에서는 크기가 다소 미약한 남동향류가 주 흐름으로 예측 · 조사되었다.
- 화진파랑관측소에서의 4계절 1년동안의 연 속관측자료는 1995년 6월에서 1996년 5월까지의 관측 결과가 제시되어 있으며 이때의 최대 유의파고를 본 월포항의 심해입사파로 환산하여 입사파제원으로 하였다. 입사파향은 대상해역의 주파향인 NE방향으로 취하 였고, 대상해역의 심해파고 Hi/3=2.80m, 그리고 주기 는 T1/3=11.3sec을 사용하였으며, 타원형 완경사방정식 모형을 이용하여 심해역에서 월포항 인근해역까지의 광역에 대해 수치계산을 행하였으며 이 결과 본 파랑 관측지점 WCT에서의 파고가 H1/3=1.4m로 예측되었는 바 이는 1998년 7월 25일 10시경에 측정된 H1/3=1.33m와 매우 유사한 결과임을 알 수 있다. 수 치실험은 우선 타원형 완경사방정식 모형으로부터 심 해역에서부터 대상해역에 이르기까지의 광역에 대해 계산을 수행한 후 광역의 파랑변형 실험결과로부터 해 빈류 실험을 위한 세부영역의 입사파 조건을 결정하고 실험영역내의 파랑이 정상상태에 이를 때까지 계산을 수행하였다.
후속연구
- 해빈류의 특성은 질량수송류로 나타나며 이같은 흐름 은 표사이동을 일으키며 특히 우리나라 동해안에서 문제가 되고 있는 해빈변형, 항로 및 항내 매몰의 주 원 인이 되므로 해빈류의 재현정도가 가장 중요한 요소가 될 것이다. 따라서 보다 엄밀한 예측을 위해서는 파랑 및 해빈류의 상세한 현지관측 및 검증 그리고 적용성 검토가 요구된다. 하겠다 비록 본 연구에서는 해빈류특성 만을 대상으로 하였으나 해빈류에 의한 표사이동 및 해저지형 변동에 관한 현지관측 및 수치해석에 관한 적용성 및 검토가 계속 되어져야만 할 것이다
- 이를 위해 실제 해역에서의 해빈류 관측이 외국에서는 활발히 행해지 고 있으며 현지관측을 위한 유속측정에서는 여러가지 형식의 유속계 및 부자를 이용하여 해빈류의 발생기구 및 해빈류모형의 타당성을 검증하였다. 따라서 보다 합 리적인 표사이동 및 해빈변형예측을 위해서는 해빈류 의 예측 및 재현이 필수적이며 이를 위해서는 수치모 형실험과 수리모형실험 그리고 현장조사·관측 등이 고려될 수 있으며 다양한 방법을 통해 현지 여건에 접 합한 방법을 이용하여 합리적인 결과를 도출하여야 할 것이다.
- 따라서 보다 엄밀한 예측을 위해서는 파랑 및 해빈류의 상세한 현지관측 및 검증 그리고 적용성 검토가 요구된다. 하겠다 비록 본 연구에서는 해빈류특성 만을 대상으로 하였으나 해빈류에 의한 표사이동 및 해저지형 변동에 관한 현지관측 및 수치해석에 관한 적용성 및 검토가 계속 되어져야만 할 것이다
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