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문제 정의
- 본 연구는 현재 주문진항에 설치 된 해수교환방파제의 단점을 해소시킬 목적으로 수행되었다. 다기수로를 가진 새로운 해수교환 시스템에 대하여 수치모형실험과 수리모형실험을 수행하여 해수교환의 효율성을 예측해 보았다. 새로운 해수교환시스템의 적용 결과, 기존의 해수교환방파제의 흐름 정체수역이 다기수로를 설치하여 원활한 해수교환이 이루어졌음을 확인하였고, 유량손실이 발생하여도 다기수로를 설치하여 원거리 방류가 가능하면 항내 수질개선을 증대 할 것으로 분석되었다.
- 본 연구는 기존의 주문진항에 설치된 반월류형 해수교환방파제의 효율을 증대시킬 목적으로 외해수의 원거리 방류가 가능한 다기수로를 설치하여 해수순환의 양상과 수질개선 효과에 대해서 CASE별 수치모형실험을 수행하였고, 해수교환율이 우수한 수치 모형실험 CASE들을 선정하여 수리모형실험을 병행, 그 결과들을 비교 및 정량적으로 평가하였다. Fig.
- 본 연구는 현재 주문진항에 설치 된 해수교환방파제의 단점을 해소시킬 목적으로 수행되었다. 다기수로를 가진 새로운 해수교환 시스템에 대하여 수치모형실험과 수리모형실험을 수행하여 해수교환의 효율성을 예측해 보았다.
- 본 연구의 수치모형실험에서의 조석고려는 주문진항 인근의 조차가 0.3 m인 관계로 유입해수로 인한 항내 해수유동에의 영향이 미흡 할 것이라 판단되며, 수리모형실험과 비교하여 해수교환율을 분석하는 것이 목적이기 때문에 무시하였다.
제안 방법
- [1998]은 Yamamoto et al.[1997]의 연구 개발을 토대로 하여 도수관의 개구비율(opening ratio), 파형기울기, 그리고파랑전달계수(wave transmission coefficient)와의 상호관계를 이용한 수리학적 특성을 연구하였다. 그리고 Ohmura et al.
- 축척오차를 방지하기 위해서는 구조물실험파의 제원에 대해 수조의 크기 및 조파기의 성능이 허용하는 한도 내에서 모형을 가능한 한 크게 하는 편이 좋다. 따라서 본 연구에서는 각 모형 구조물의 축척을 1/60로 선정하여 재현하였다.
- 수리모형실험은 수치모형실험과의 비교를 위하여 현상태(CASE 1)를 포함한 4개안에 대한 실험을 수행하였으며, 파고는 0.7 m~3.0 m, 주기는 5.0 sec~15.0 sec, 파향은 ENE~ESE, 조위는 0.2 m의 조건에서 다양한 수리특성에 관한 유입유량 특성을 파악하는 실험을 수행하였다. 실험 축척은 수조의 크기, 구조물의 실제 크기, 실험파의 제원, 조파기의 성능 등을 고려하여 결정하였다.
- 수리모형실험은 평면조파수조에서 규칙파를 이용하여 주문진방파제의 현재 상태 재현 및 다기수로를 이용하는 경우의 해수교환 효과를 검토했다. 실험에서는 형광염료를 이용한 항내의 흐름양상 및 확산범위를 검토하였다.
- 2 m의 조건에서 다양한 수리특성에 관한 유입유량 특성을 파악하는 실험을 수행하였다. 실험 축척은 수조의 크기, 구조물의 실제 크기, 실험파의 제원, 조파기의 성능 등을 고려하여 결정하였다. 모형에서 계측하고자 하는 각종 물리량은 축척에 비례하여 변화한다.
- 실험방법은 위의 실험조건에 맞추어 모형을 제작 후, 항내에 일정흐름이 발생할 수 있도록 20분간 조파를 시작한다. 조파 시작 후 15분이 경과한 다음에 동영상 촬영을 실시한다.
- 수리모형실험은 평면조파수조에서 규칙파를 이용하여 주문진방파제의 현재 상태 재현 및 다기수로를 이용하는 경우의 해수교환 효과를 검토했다. 실험에서는 형광염료를 이용한 항내의 흐름양상 및 확산범위를 검토하였다. 평면수조 제원은 Table 2와 같다.
- [1994]는 유공제 전면에 수위를 상승시키는 방법으로 외해측의 방파제 전면에 직립벽을 설치하여 유수부가 생성되도록 구조형식을 개발하였다. 이 구조형식의 장점은 유공제 전면에 피복제를 이용한 잠제를 설치하여 유수실이 확보되는 기존의 山本 等[1987]의 연구 개발을 응용하여, 유수부의 연직벽을 유공제와 일체구조로 제작이 가능하고, 수심이 깊은 해역에서 단면이 대규모가 될때 공사비가 절감되도록 하였다. Yamamoto et al.
- [1994]). 이 이후로 방파제 내부에 L자형 진동수로를 내장시켜 시공성을 향상시켰고, L자형 진동수로내 수위의 진폭 및 진동수로를 통한 유량이 최대가 되는 공진주기를 예측하였다(이 등[1999]). 또한 월류제를 사용하지 않고 유수실을 방파제에 내장시킨 해수교환방파제는 제주외항 서방파제 축조공사에 적용하였다.
- 주문진 항내의 해수순환 양상을 수치모형으로 재현하기 위하여 격자소의 크기가 인 정방형 격자체계를 사용하였다. 격자의 수는 x 방향으로 408개, y방향으로 469개로 수치모형을 위한 총 격자수는 개다.
- 16은 각 CASE별 해수교환율의 우열을 비교 분석하였다. 해수교환율은 수치모형에서의 격자 1개 당 1.0을 부여하여 구역별(A, HEAD, B, BODY) 격자소의 개수와 계산된 농도의 합을 나누어 해수교환율을 계산하였다.
- 해수교환율의 정량적 평가를 위하여 Fig. 12과 같이 항내 가장 오염도가 높은 내부(A, HEAD)와 중앙부(B, BODY)로 분리하여 Fig. 13에서 Fig. 16은 각 CASE별 해수교환율의 우열을 비교 분석하였다. 해수교환율은 수치모형에서의 격자 1개 당 1.
- 해수유동 수치모형의 결과는 해수교환 수치모형(KU-SUS)의 입력자료가 된다. 해수유동에 의한 해수교환율을 원하는 시간 간격으로 시뮬레이션할 수 있도록 수치모형을 구성하였다. 수치모형은 수심평균화된 2차원모형으로서 기본 방정식은 질량보존의 개념을 나타내는 이동·확산 방정식으로 식 (13)과 같다.
대상 데이터
- 이 이후로 방파제 내부에 L자형 진동수로를 내장시켜 시공성을 향상시켰고, L자형 진동수로내 수위의 진폭 및 진동수로를 통한 유량이 최대가 되는 공진주기를 예측하였다(이 등[1999]). 또한 월류제를 사용하지 않고 유수실을 방파제에 내장시킨 해수교환방파제는 제주외항 서방파제 축조공사에 적용하였다. 서방파제 중앙 60 m 구간에 설치된 유입수 노출 유수실 내장형 해수교환방파제는 수질 1등급 청정해역 제주지역에 항만을 건설함에 있어 방파제 축조로 내항 오염 및 수질변화 발생 대책을 수립하고자 해수소통 효과가 탁월한 지점에 파력을 이용한 해수교환방파제를 설치하였다(국토해양부[2006]).
- 2,3,4,5 and 6)를 보여주고 있다. 본 연구를 위해 선정된 CASE들 중, CASE 1은 기존의 해수교환방파제의 6개의 도수관을 모두 사용한 경우이며, CASE 2는 기존의 6개의 도수관 중 3개의 도수관과 다기수로 3,5 그리고 6번을 사용한 경우이다. CASE 3은 기존 3개의 도수관과 다기수로 4,5 그리고 6번을 사용한 경우이며, 마지막 CASE 4는 기존의 도수관을 모두 막고, 다기수로만 이용한 경우로 2,3,4,5 그리고 6번을 사용한다.
- 격자의 수는 x 방향으로 408개, y방향으로 469개로 수치모형을 위한 총 격자수는 개다. 수심은 2007년 6월 국립해양조사원에서 발행한 해도 No. 165(축척: 1/5,000)를 사용하여 수치모형의 입력자료로 사용하였으며, 평균 해수면은 해도에 제시된 0.20 m를 적용하였다. Coriolis 계수를 위한 위도의 기준은 37.
데이터처리
- 0 m로 하였고, 각각의 유입 관경은 거의 동일한 유량이 항내로 유입되도록 Table 1과 같이 원거리로 갈수록 점점 커지도록 설계하였다. 현재 주문진항에 설치된 해수교환방파제의 평균 유입량과 Manning의 경험식으로 계산된 유입량을 비교 계산하여 상관계수 Cq=0.035를 얻었다. 이 상관계수가 0.
이론/모형
- 본 수치모형에서는 난류마감을 위해 난류응력이 평균속도 변화율에 비례한다고 가정하는 Boussinesq[1872]의 와점성계수 개념을 도입하였으며, 난류 와동점성계수의 추정을 위하여 혼합거리 개념을 적용한 0 방정식(zero equation) 모형을 적용하였다. 혼합 거리개념은 와동점성계수(vt)가 평균유속(V)과 Length Scale(L)에 비례한다는 가정하에 유도된다.
- 그러나 이러한 각각의 현상을 현장관측을 통하여 정확히 산정하는 것은 매우 어려우며 한 가지 현상에 대한 분류도 대상해역의 크기 및 모형의 격자크기에 따라 변하므로 각각의 현상을 수치모형 상에 효과적으로 고려하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 난류확산을 고려하면서 층별 유속차로 인하여 발생하는 전단확산(shear diffusion)을 고려할 수 있도록 유도된 Elder[1959]의 식을 이용한다.
- 수심적분 평면 2차원(x, y 방향) 해수유동 수치모형의 기본방정식은 연속방정식과 운동방정식에서 유도된다. 질량보존법칙으로부터 유도되는 3차원 비압축성 유체의 연속방정식과 난류유체의 운동량보존방정식인 3차원 Reynolds 방정식을 이용하여 이들 중에서 수평방향 유속에 관하여 수심적분하면 아래와 같은 전개식들이 된다.
성능/효과
- 6에서 유입되는 유량에 의해 발생되는 유속이 합쳐져 항 중앙에 상당한 해수교환 효율을 증대하였기 때문이다. Fig. 5(CASE 3)와 Fig. 6(CASE 4)에서도 CASE 2에서 분석된 결과보다 해수교환이 양호하지는 못하였지만, 기존 해수교환 방파제보다 우수한 수질개선 효과를 보여주었다. 특히 CASE 4의 경우 기존의 유입구를 막고 다기수로만 이용하여 발생되는 유입량손실을 가져왔음에도 불구하고 CASE 1보다 해수교환율이 양호한 것으로 계산되었다.
- 기존의 해수교환방파제(CASE 1)는 전체적으로 해수교환이 이루어졌었지만 오염도가 높은 지역에서 해수교환율이 다른 CASE들보다 낮은 것으로 분석되었다. CASE 2(1356)는 전체적으로 다른 CASE들보다 가장 탁월한 수질개선 효과를 보여주었다.
- 특히 해수순환이 원활하지 않는 흐름이 정체되어 있는 B구역의 경우 기존 CASE 1의 해수교환율은 39%가 산정되었다. 반면 CASE 2, CASE 3, 그리고 CASE 4는 CASE 1과 비교시 해수교환율이 각각 28%, 26%, 그리고 28% 향상하였다. 특히 CASE 2는 다른 CASE들보다 다른 흐름 정체수역에서도 해수교환이 우수한 것으로 분석되었다.
- 주문진항의 경우에는 항내 정박지의 형태가 전형적인 동해안의 항만 형태와 상이하므로, 기존의 해수 교환방파제의 위치는 매우 적절하지만 흐름 정체수역의 필수적인 발생은 불가피하다. 본 연구를 통해 주문진항은 기존 해수교환방파제와 다기수로를 적절히 혼합한 하이브리드 방식을 적용하여 수질 개선 효과를 극대화시키는 것이 가장 효율적이라고 사료된다. 추후 동해안과 같이 조차가 매우 적고, 파랑이 우세한 해역에서의 해수교환율 연구는 물론 서해안과 같이 조석이 우세한 해역에서의 해수교환율 연구도 수행되어야 할 것이며, 종합적으로 해역별 특성에 맞는 해수교환방파제의 실용화 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 다기수로를 가진 새로운 해수교환 시스템에 대하여 수치모형실험과 수리모형실험을 수행하여 해수교환의 효율성을 예측해 보았다. 새로운 해수교환시스템의 적용 결과, 기존의 해수교환방파제의 흐름 정체수역이 다기수로를 설치하여 원활한 해수교환이 이루어졌음을 확인하였고, 유량손실이 발생하여도 다기수로를 설치하여 원거리 방류가 가능하면 항내 수질개선을 증대 할 것으로 분석되었다. 주문진항의 경우에는 항내 정박지의 형태가 전형적인 동해안의 항만 형태와 상이하므로, 기존의 해수 교환방파제의 위치는 매우 적절하지만 흐름 정체수역의 필수적인 발생은 불가피하다.
- 수치 및 수리 모형실험 비교 분석결과 기존 해수교환방파제(CASE 1) 설치 보다 다기수로를 이용한 해수교환시스템을 적용시 흐름 정체수역의 해소와 함께 수질개선 능력에 우수함을 보였으며, 특히 CASE 2의 경우 다른 CASE들에 비해 가장 우수한 해수교환율을 나타내었다. 아래의 Fig.
- CASE 4(23456)는 보여지는 것처럼 A지역과 HEAD지역에서 우수한 수질개선 효과를 얻을 수 있다. 하지만 CASE 2(1356)와 비교시 해수교환 효과가 낮은 것으로 분석되었고 다기수로가 많아질수록 유량의 손실이 크게 되므로 전체적인 해수교환율에는 불리한 양상을 보였다. 이와 관련하여 Table 4는 15일 후의 CASE별 해수교환율을 정량적으로 계산된 값을 보여준다.
후속연구
- 수치 및 수리 모형실험 비교 분석결과 기존 해수교환방파제(CASE 1) 설치 보다 다기수로를 이용한 해수교환시스템을 적용시 흐름 정체수역의 해소와 함께 수질개선 능력에 우수함을 보였으며, 특히 CASE 2의 경우 다른 CASE들에 비해 가장 우수한 해수교환율을 나타내었다. 아래의 Fig. 17과 Fig. 18에서 가운데 그림들은 수치모형실험의 절대농도 0.7 이상을 재 표현하여 수리모형실험과의 비교가 편리하도록 재작되었고, 두 실험에 대한 비교가 정확히 일치하지 않는 이유는 수치적 확산과 수리적 확산의 상 이성 때문이며, 이에 대한 연구는 심도 있게 다루어 추후 논문에 게재 할 예정이다.
- 본 연구를 통해 주문진항은 기존 해수교환방파제와 다기수로를 적절히 혼합한 하이브리드 방식을 적용하여 수질 개선 효과를 극대화시키는 것이 가장 효율적이라고 사료된다. 추후 동해안과 같이 조차가 매우 적고, 파랑이 우세한 해역에서의 해수교환율 연구는 물론 서해안과 같이 조석이 우세한 해역에서의 해수교환율 연구도 수행되어야 할 것이며, 종합적으로 해역별 특성에 맞는 해수교환방파제의 실용화 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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