[논문]월파허용방파제에 의한 해수교환 수치모의

김인호; 이정렬

월파허용방파제에 의한 해수교환 수치모의
Numerical Simulation of Water-Exchange due to Overtopped Breakwaters 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.24 no.3 = no.94, 2010년, pp.21 - 30

김인호 (강원대학교 공학대학 건설방재공학과) , 이정렬 (성균관대학교 공과대학 사회환경시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study presents a numerical simulation of sea water-exchange as a preliminary accessing tool of water quality in the protected shore behind a overtopped breakwater. The overtopped breakwater is taken into account for a safe swimming and beach protection. The overtopping rate is calculated by empirical models and the consequent currents, known as wave-induced currents, are calculated under the conditions of H.W.O.S.T and L.W.O.S.T. The rate of sea water exchange is used to evaluate the characteristics of sea water exchange and calculated through the simulation processes such as advective discharging through the outlets and random-walking diffusion of particles released within a basin. The numerical results show that the overtopped waves sufficiently improve the water exchange without healthless stagnation of contaminated mass and the consequent currents are not too strong for swimming.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 사질 해안의 침식 방지 시설의 하나로서 월파를 허용하는 방파제의 설치에 따른 배후 유영 공간에서의 해수교환 능력을 평가한다. Fig.
본 연구에서는 침식 해수욕장의 한 보호 방편으로 그리고 안전한 유영 공간 확보 차원에서 적용되는 월파허용방파제 후면 해수욕장에서의 수질 확보 차원에서 해수 교환 특성을 수치모의하였다. 월파는 EurOtop의 경험 모형을 통하여 산출하였고 그에 따른 해빈류는 물론 대조평균만조위와 대조평균저조위 상에서의 조류가 함께 모의되었다.
특히 우리나라 동해안의 경우 해안을 하나의 계로 간주하며, 전 수역에 대하여 포괄적인 접근을 해야 한다. 하지만, 본 연구에서는 열악한 지방재정 및 국가재정의 한계성으로 인하여, 불가피하게 국지적 대책을 수립을 해야 하는 경우를 가정하여 국지적인 개념의 월파허용방파제에 대한 연구를 시도하였다.

가설 설정

Table 2에는 월파허용 방파제 전면에서의 파고가 제시되었다. 본 연구에서는 입사각에 따른 월파량 감소는 무시하였다.
단층 불투과성 사석으로 방파제를 건설하였을 경우 콘크리트 방파제에 비하여 월파량이 감소하였다. 수직벽 전면의 사석 폭이 월파량에 미치는 영향이 큰 것으로 평가되며 유영객의 안정에 필요한 월파량 도출과 사석 크기를 감안하여 2m로 가정하였다. 전면 하부경사는 1 : 3, 상부 경사는 1:1로 가정하였다.
는 각각 x와 y 방향 부유사 확산계수이다. 이 수심 적분된 이송 및 확산 방정식은 Fractional step method에 의하여 이송과 확산과정을 각각의 독립과정으로 가정(Chorin, 1978)하고 이송 및 확산 모두 오염입자의 선형 이동 및 무작위 확산 행보를 순차적으로 전방추적하는 방법으로 각각 수치 해석한다. 이러한 방법의 장점은 입자의 생성이 없는 경우 수치계산이 빠르고 안정되며 실제 오염 물질이 거동하는 것과 유사한 결과를 제공하는 기법이다.
수직벽 전면의 사석 폭이 월파량에 미치는 영향이 큰 것으로 평가되며 유영객의 안정에 필요한 월파량 도출과 사석 크기를 감안하여 2m로 가정하였다. 전면 하부경사는 1 : 3, 상부 경사는 1:1로 가정하였다.
11에 도시된 대상구역내의 각 격자당 표식입자 2개씩이 투하되었다. 확산 계수는 0.25m²/s로 가정하였다. 월파에 의한 Splash는 방파제 바로 후면에서 큰 해수의 확산거동을 유발할 수 있지만 전체 유영공간에서의 월파에 따른 파랑은 쇄파대 내의 수심에 비하면 작게 발생하므로 비교적 작은 값으로 선정하였다.

제안 방법

이와 같이 해안의 지속성 및 유지 관리의 편의성을 위하여 최근 월파를 허용하는 방파제를 설치하여 해수의 수질을 개선하려는 시도가 많이 이루어지고 있으나 상대적으로 그에 대한 연구가 부족한 면이 있었다. 따라서 본 연구에서는 월파 허용 방파제 배후의 해수욕 공간에 다수의 표식입자를 투하하고 월파로 인한 해수 유입에 수반된 표식입자의 거동을 예측하여 일정시간 경과 후의 항내 잔류입자 수의 예측을 바탕으로 해수교환율을 산정한다.
단, 파랑 환경이 정온하여도 후면의 유영 공간에서의 해수교환이 최소한 만조 상태에서는 이루어지도록 만조위에 수직벽의 천단고가 위치하도록 하였다. 따라서 해수교환 수치실험은 대조평균고조위(H.W.O.S.T)와 대조평균저조위(L.W.O.S.T) 조건에서의 조류 흐름과 여름철 평균 파랑으로 발생한 해빈류가 결합된 조건에서 수행되었다. 대상 해역의 주요 4대분조(M², S², O¹, K¹)가 Table 1에 제시되었으며 개방경계에서 대조평균고조위 및 대조평균저조위 시 조위 조건이 입력되었다.
본 연구에서 제안하는 월파허용 방파제는 조위차가 작은 동해안에 설치하는 것이 바람직하므로 동해안 주문진 조위 자료를 통하여 얻은 조석 정보를 적용하였다. 단, 파랑 환경이 정온하여도 후면의 유영 공간에서의 해수교환이 최소한 만조 상태에서는 이루어지도록 만조위에 수직벽의 천단고가 위치하도록 하였다.
본 절에서는 해수교환율에 대한 정의를 제시하며 월파로 인하여 배후 유영 공간에 유입되는 오염 물질이 완전혼합(Well-mixed)되는 것으로 가정하였을 때 유입된 오염물질의 1/2이 배출되는 데 걸리는 시간을 추정한다. 해수교환율 E는 보존성 오염물질의 농도 변화로부터 다음과 같이 정의된다.
본 해빈류 모의실험은 강문 침식 해안을 대상으로 하며 Fig. 8과 같이 강문해수욕장을 포함하는 550m × 820m의 영역으로 설정하였고 계산 격자망은 ∆x = ∆y = 5m의 등격자망으로 구축하였다.
유동은 해빈류 모의실험에서 산정된 대조평균고조위와 대조평균저조위에서의 해빈류와 조류 결과를 합성하여 적용하였다. 월파량이 가장 많은 대조평균고조위와 월파량이 가장 적어 수질이 염려되는 대조평균저조위 시 대상구역내 표식입자를 투하하고 총 1시간 해빈류 및 조류 작용에 따른 입자의 거동을 추적하였다. 입자 거동 추적시 모형경계 밖으로 유출된 입자는 추적에서 완전히 제외하였다.
유동은 해빈류 모의실험에서 산정된 대조평균고조위와 대조평균저조위에서의 해빈류와 조류 결과를 합성하여 적용하였다. 월파량이 가장 많은 대조평균고조위와 월파량이 가장 적어 수질이 염려되는 대조평균저조위 시 대상구역내 표식입자를 투하하고 총 1시간 해빈류 및 조류 작용에 따른 입자의 거동을 추적하였다.
월파는 EurOtop의 경험 모형을 통하여 산출하였고 그에 따른 해빈류는 물론 대조평균만조위와 대조평균저조위 상에서의 조류가 함께 모의되었다. 해수 교환 특성을 파악하기 위한 해수교환율은 배후 유영 공간에서 투하한 입자가 흐름에 따라 방파제 배출구를 통하여 배출되고 무작위법에 의하여 확산되는 모의 과정을 통하여 산출되었다. 수치 모의 결과 월파로 인하여 배후의 유영 공간에서 발생하는 이안류는 유영을 방해하고 안전을 해칠 만큼 크게 발생하지 않으며 해수의 정체가 크게 우려되는 저조위에도 오염물질이 유입된 후 30분 내로 절반이 배출될 만큼 해수의 교환 능력도 크게 산정되었다.

대상 데이터

입자 거동 추적시 모형경계 밖으로 유출된 입자는 추적에서 완전히 제외하였다. 최초 투하 입자는 Fig. 11에 도시된 대상구역내의 각 격자당 표식입자 2개씩이 투하되었다. 확산 계수는 0.

이론/모형

그러나 최근 EurOtop(2007)은 거의 대부분의 월파허용 구조물을 망라하는 1만개 이상의 월파 실험 자료를 통하여 신뢰도가 높은 월파량 Regression 결과를 제공하고 있다. 따라서 본 연구에서는 위에 언급된 것과 같은 어느 특정 공식의 형태보다는 EurOtop의 Overtopping manual(www.overtopping-manual.com)로부터 월파량을 산정한다. 단면 선정은 전면에서의 반사파로 인한 쇄굴을 가능한 줄이기 위한 복합 단면과 과도한 월파량으로 인한 유영객 위험을 줄이기 위하여 수직벽을 둔 Fig.
전자는 진행파가 우월한 파랑장에 적용할 수 있는 모형으로 격자에 대한 제약이 약하여 광역에 적용할 수 있고 신속한 계산이 가능하다는 장점이 있으나 후자는 한 파장 당 최소 10개 이상의 격자가 필요하므로 광역에 적용하는데 제약이 있는 대신 반사파 해역 등 복잡한 파랑 환경에도 적용할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 파랑 환경이 단순한 해안에 적용하는 경우로 조류와 해빈류를 동시에 모의하기 위하여 전자의 천수방정식 모형을 적용한다. 잉여응력을 계산하기 위한 파랑 모형으로는 선형파 쌍곡선형 완경사방정식을 ADI 기법으로 수치해석하는 수치모형인 WADEM(WAve DEformation Model)모형을 사용하였다.
본 해빈류 모형의 검증을 위하여 Fig. 6의 단순 지형에서 해빈류 모형이 수행되었다. 수심과 같이 도시된 Fig.
본 연구에서는 침식 해수욕장의 한 보호 방편으로 그리고 안전한 유영 공간 확보 차원에서 적용되는 월파허용방파제 후면 해수욕장에서의 수질 확보 차원에서 해수 교환 특성을 수치모의하였다. 월파는 EurOtop의 경험 모형을 통하여 산출하였고 그에 따른 해빈류는 물론 대조평균만조위와 대조평균저조위 상에서의 조류가 함께 모의되었다. 해수 교환 특성을 파악하기 위한 해수교환율은 배후 유영 공간에서 투하한 입자가 흐름에 따라 방파제 배출구를 통하여 배출되고 무작위법에 의하여 확산되는 모의 과정을 통하여 산출되었다.
본 연구에서는 파랑 환경이 단순한 해안에 적용하는 경우로 조류와 해빈류를 동시에 모의하기 위하여 전자의 천수방정식 모형을 적용한다. 잉여응력을 계산하기 위한 파랑 모형으로는 선형파 쌍곡선형 완경사방정식을 ADI 기법으로 수치해석하는 수치모형인 WADEM(WAve DEformation Model)모형을 사용하였다. 해수 유동 모형은 조석에 의한 조류 재현 모형으로 널리 사용되는 모형으로 파랑에 의한 잉여응력을 포함한 수심 적분된 천수 방정식을 ADI 기법으로 수치해석하는 수치모형인 DICEM(Depth Integrated Currents & Elevation Model)모형을 사용하였다.
해수 유동 모형은 조석에 의한 조류 재현 모형으로 널리 사용되는 모형으로 파랑에 의한 잉여응력을 포함한 수심 적분된 천수 방정식을 ADI 기법으로 수치해석하는 수치모형인 DICEM(Depth Integrated Currents & Elevation Model)모형을 사용하였다.

성능/효과

해수 교환 특성을 파악하기 위한 해수교환율은 배후 유영 공간에서 투하한 입자가 흐름에 따라 방파제 배출구를 통하여 배출되고 무작위법에 의하여 확산되는 모의 과정을 통하여 산출되었다. 수치 모의 결과 월파로 인하여 배후의 유영 공간에서 발생하는 이안류는 유영을 방해하고 안전을 해칠 만큼 크게 발생하지 않으며 해수의 정체가 크게 우려되는 저조위에도 오염물질이 유입된 후 30분 내로 절반이 배출될 만큼 해수의 교환 능력도 크게 산정되었다.
16에 도시되었다. 해수교환 수치모의 실험결과에 의하면 고조위 및 저조위 해수교환율이 30분 후 각각 85%와 50% 이루어지고 있다는 것으로 수치 모의되었다. 따라서 저조위라 하더라도 평균 파랑 조건이 유지되어 계획된 월파가 이루어진다면 유영 공간 내 오염 물질이 유입된 후 30분 후에 그 절반이 배출될 만큼 충분히 양호한 해수교환이 이루어질 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	월파는 어떤 경우 발생하는가?	월파는 파랑의 수면이 방파제 천단보다 높으면 발생하는 것으로 다음과 같이 그에 따른 월파량은 구조물의 특성과 파랑 조건에 따라 결정된다.
	월파량 공식 형태는 어떤 것이 있나?	대표적인 월파량 공식 형태로는 Kikkawa et al.(1968)의 Weir 모형, Owen의 Regression 모형, SPM(Shore protection Manual)과 TAW의 Runup 공식 응용 모형이 있으며 다음과 같다
	월파를 허용하는 방파제에서 발생할 수 있는 문제점은?	월파를 허용하는 방파제는 잠제와는 달리 배후의 모래 해안을 보호할 목적으로 월파에 따른 해수의 유입은 허용하나 배후 해안의 형상을 보전하고 모래의 유출을 철저히 차단하도록 저면이 방파제로 둘러싸이도록 건설하는 것이다. 그러나 월파허용방파제는 모래의 유실을 효과적으로 차단할 수 있으나 그 배후를 유영 공간으로서 해수욕장 기능을 살리려면 충분한 해수 수질을 확보하는 데 있어 문제가 발생할 수 있다. 따라서 모래 유실을 막는 기능을 해치지 않는 한도 내에서 월파를 충분히 허용하여 최적의 해수 교환 능력을 살리도록 설계할 필요가 있다.

참고문헌 (18)

곽문수, 이홍규, 박성윤, 편종근 (2006). "시간의존 완경사 방정식을 이용한 월파량 산정 방법", 한국해안.해양공학회, 제18권, 제4호, pp 372-382.
이정렬, 김인호 (2004). "항만의 해수교환 능력의 평가 지표", 한국해양공학회지, 제18권, 제6호, pp 22-28.

원문보기 상세보기
Bradbury, A.P. and Allsop, W. (1988). Hydraulic effects of breakwater crown halls, In Proc. of Conf. on Design of Breakwaters, Institution of Civil Engineers, London, UK, pp 385-396.
CEM (2003). EM1110 Coastal Engineering Manual, US Army Corps of Engineers.
Chorin, A.J. (1978). "Vortex Sheet Approx. of Boundary Layers", J. Compt. Phys., Vol 27, pp 428-442.

상세보기
Department of Land and Natural Resources (2005). Kuhio Beach Improvements ？- Facts on Beach History and Engineering Design.
Ebersole, B.A. and Dalrymple, R.A. (1980). Numerical modeling of nearshore circulation, Proceedings of the 7th Coastal Engineering, 2710-2725.
EurOtop (2007). European Manual for the Assessment of Wave Overtopping, Eds. Pullen, T., Allsop, N.W.H., Bruce, T., Kortenhaus, A., Schu''ttrumpf, H. & van der Meer, J.W. www.overtopping-manual.com.
Geeraerts, De Rouck, Beels, Gysens, De Wolf (2006). Reduction of wave overtopping at seadikes: Stilling Wave Basin. Proc. Int. Conf. Coastal Engineering, 2006. San Diego, USA, pp 4680-4691.
Kabiling, M.B. and Sato, S. (1993). "Two-Dimensional Nonlinear Dispersive Wave-Current and Three-Dimensional Beach Deformation Model", Coastal Engrg. in Japan, Vol 36, pp 196-212.
Kikkawa, H., Shi-Igai, H. and Kono, T. (1968). "Fundamental Study of Wave Over-Topping on Levees", Coastal Engineering in Japan, Vol 11.
Kofoed, J.P. (2002). Wave overtopping of Marine Structures ？ Utilization of Wave Energy, Aalborg University.
Lee, J.L. and Lee, D.Y. (2001). An Operational Prediction System for Cohesive Sediment Transport in the West and South Coast of Korea, J. Coastal Research, SI().
Lee, J.L. and Park, C.S. (2001). "Development of Weakly Nonlinear Wave Model and its Numerical Simulation", J. the Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, Vol 12, No 4, pp 181-189.
Owen, M.W. (1980). Design of seawalls allowing for wave overtopping, HR-Wallingford, UK, Technical Report EX-924.
Owen, M.W. (1982). "The Hydraulic Design of Seawall Profiles", Proc. Conf. on Shoreline Protection, ICE, London, UK, pp 185-192.
Shore Protection Manual (SPM) (1984). US Army Coastal Engineering Research Center, Vicksburg, Mississippi, USA.
TAW (2002). Technical Report Wave Run-up and Wave Overtopping at Dikes, Technical Advisory Committee on Flood Defence, Delft, 2002.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증