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문제 정의
- 반면 우리나라 해안에서의 기존의 연구는 대부분 퇴적물의 특성에 관한 연구로서 저자가 아는 한 퇴적물의 특성에 추가하여 해저표면형상을 연구한 사례가 전무한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 우리나라 해안 중 계절적으로 발생하는 폭풍 및 태풍 등이 매우 복잡하게 나타나는 서해안 중 대표지역(경기안산 풍도 인근, 태안 앞바다, 선갑도 인근, 어청도 인근)에서의 기존의 해저표면형상 관측 자료를 모아 이들의 특성을 파랑과 흐름의 공존시 해저면 형상을 예측한 Khelifa and Ouellet 와 Soulsby 의 예측식으로 분석하기로 한다.
제안 방법
- Khelifa and Ouellet 은 Tanak and Dang(1996)이 제안했던 모래결 길이 예측식을 분석 후 변수를 조정하여 해저면 형상에 관한 새로운 예측식을 제안하였다.
- 파랑과 흐름의 공존시 해저표면형상 예측식 적용결과도 그와 동일하였으나, 실험실 자료및 특정해역에서의 적용된 자료를 기반으로 하였기에 계측된 모래결 길이와는 다소 차이가 있었으므로 Khelifa and Ouellet 과 Soulsby 의 경험식은 실제 우리나라 서해의 천이역 수심에 적용시계수 조정을 제안한다. 계수조정은 각 실해역 자료의 분포를 파악 후 적절히 계수조정안을 제시하였고, 실측지와 비교하였다. 계수조정 후 적용 결과 자료의 위치에 따른 분포차이는 존재하였으나, 실제 해역의 모래결 길이와 매우 유사한 경향을 나타내었음을 확인하였다.
- 해저면 측사는 조사선 스크류에서 발생하는 수중 물거품을 최소화시키기 위하여 수중 예인체(Tow-fish)를 조사선 후미에서 약 10m 정도 이격시켜 수행된 조사이며, 400 kHz의 주파수가 사용된 고해상도 영상을 획득하였다. 본 자료는 스와스(swath)의 50 %에 해당하는 간격의 측선을 설정하여 모든 지역이 200 %의 유효지역 중복비율을 갖는다. 획득된 자료는 XTF 형태로 되어 있으며, SonarWiz Map 소프트웨어의 포맷으로 변환하여 자료처리에 이용되었다.
- 실제 해역에 정밀한 해저면 형상을 기존의 4개의 보고서를 통하여 분석하였다. Khelifa and Ouellet(2000)과 Soulsby(2005)의 해저표면 형상 중 모래결 길이 예측에 적용될 변수들 중 수심, 입경 등은 각 각의 해역에서의 조사된 보고서 자료를 바탕으로 적용하였고, 파고 및 주기는 해상 파랑관측 및 조사(해양조사원, 2003)와 각 지역의 보고서에 포함된 파랑벡터도 및 내용 등을 참조하였다.
- 선정된 대표지역의 해저표면형상은 골채재취 및 규사채광을 위한 해역이용협의서 보고서((주)장강산업개발, 2011; 한국골지협회인천지회, 2009; 한국 수자원공사, 2009; 충남골재협회, 2011)에서 확보하였다. 위 보고서에 제시된 해저지형도 및 해저표면형상을 분석하고 모래결의 길이를 측정하였다. 파랑과 흐름 공존시의 형성되는 해저면 형상 예측식을 사용하여 대상해역에서의 표면형상을 예측하여 보며, 현장관측 자료 재현 정도를 검토하기로 한다.
- 다중빔 음향측심 시스템은 복수의 소나 트랜듀서 배열로 구성되어 있으며, 각 소나 배열의 위상차를 조절하여 지향각을 갖는 매우 좁은 빔을 생성한다. 전자적으로 생성되는 다중의 빔을 사선방향으로 투사하여 조사선박의 현방으로 수심의 3 배 이상 거리까지 수심을 동시에 측정한다. 사선방향으로 투사된 빔이 수온경계층에서 굴절되므로, 물리적 해양특성에 대한 정보가 실시간 요구되며, 현 방향으로 탐사하기 때문에 정확한 선수방향 및 탐사선의 움직임에 대한 계측이 필요하다.
- 위 보고서에 제시된 해저지형도 및 해저표면형상을 분석하고 모래결의 길이를 측정하였다. 파랑과 흐름 공존시의 형성되는 해저면 형상 예측식을 사용하여 대상해역에서의 표면형상을 예측하여 보며, 현장관측 자료 재현 정도를 검토하기로 한다.
- 획득된 자료는 XTF 형태로 되어 있으며, SonarWiz Map 소프트웨어의 포맷으로 변환하여 자료처리에 이용되었다. 획득된 해저면 측사 자료는 속도보정과 경사 거리 보정을 실시한 후, 모든 음향 영상 자료를 종합하여 모자이크(Mosaic)음향영상을 작성하였다. 모자이크 영상 위에 좌표계를 결합하여 해저면 측사 영상 도면이 완성되었고, 본 연구의 해저면 형상 중 모래결 길이의 측정에 사용되었다 (Fig.
대상 데이터
- 본 논문에서는 기존의 4편의 보고서에 제시된 Side Scan Sonar 및 MultiBeam Echo Sounder를 이용한 현장 해저지형 자료로부터 해저표면형상자료를 독취하여 활용하였다. Khelifa and Ouellet(2000)과 Soulsby(2005)의 경험식에 적용될 계수들 중 수심과 입경, 각 각의 해역에서의 조사된 자료로부터 구하였고 파고 및 주기는 해상 파랑관측 및 조사(해양조사원, 2003)를 참조하였으며, 조류속은 기존 4편의 보고서의 관측일시 중에서 평균대조기의 최대 유속값을 취하여 사용하였으며, 공간적인 변화가 있는 경우에는 국립해양조사원의 동일위치 자료를 보간하여 사용하였다. 적용 결과 모래결 길이는 조류속의 크기에 큰 연관성이 있다고 분석되었다.
- 본 논문에서 우리나라 서해안에서 해역의 특성에 관한 연구 내용 중 해저표면형상 자료는 4권의 기존 자료조사 보고서로부터 구하였다. 기존자료의 취득 대상 해역은 우리나라 서해의 경기도 안산시 풍도인근 해역, 경기만 인근 옹진군 선갑도 남남동쪽 10.0 km 지점해역, 태안군 관할해역, 서해 태안 앞바다 인근 어청도 등 총 4 지역이다(Fig. 1참조). 해저표면 형상인 모래결은 대상 해역의 표층퇴적물의 특성과 관계가 있으므로 이러한 퇴적물 특성을 조사선을 설정하여 조사한 자료가 가용되었다.
- 모래결 길이의 각도는 보고서의 그림을 참조하여 파악하였다. 또한, 조류속은 기존 4 편의 보고서의 관측일시 중에서 평균대조기의 최대 유속값을 취하여 사용하였으며, 공간적인 변화가 있는 경우에는 국립해양 조사원의 동일위치 자료를 보간하여 사용하였다.
- 본 논문에서 사용한 해저면형상자료 중 모래결 길이(ripple length)는 Reson(U.S.A)사에서 제조된 모델명 Seabat 8124인 다중빔 음향측심기(Multibeam Echo Sounding Survet)와 DSME E&R 제조사의 Side Scan Sonar Survey 로 관측된 정밀표면수심 및 형상으로부터 구하였다.
- 본 논문에서 우리나라 서해안에서 해역의 특성에 관한 연구 내용 중 해저표면형상 자료는 4권의 기존 자료조사 보고서로부터 구하였다. 기존자료의 취득 대상 해역은 우리나라 서해의 경기도 안산시 풍도인근 해역, 경기만 인근 옹진군 선갑도 남남동쪽 10.
- 본 논문에서는 기존의 4편의 보고서에 제시된 Side Scan Sonar 및 MultiBeam Echo Sounder를 이용한 현장 해저지형 자료로부터 해저표면형상자료를 독취하여 활용하였다. Khelifa and Ouellet(2000)과 Soulsby(2005)의 경험식에 적용될 계수들 중 수심과 입경, 각 각의 해역에서의 조사된 자료로부터 구하였고 파고 및 주기는 해상 파랑관측 및 조사(해양조사원, 2003)를 참조하였으며, 조류속은 기존 4편의 보고서의 관측일시 중에서 평균대조기의 최대 유속값을 취하여 사용하였으며, 공간적인 변화가 있는 경우에는 국립해양조사원의 동일위치 자료를 보간하여 사용하였다.
- 선정된 대표지역의 해저표면형상은 골채재취 및 규사채광을 위한 해역이용협의서 보고서((주)장강산업개발, 2011; 한국골지협회인천지회, 2009; 한국 수자원공사, 2009; 충남골재협회, 2011)에서 확보하였다. 위 보고서에 제시된 해저지형도 및 해저표면형상을 분석하고 모래결의 길이를 측정하였다.
- 이를 위하여 정밀 전자 계측 장비의 통합시스템 DGPS 와 연계되어 운영된다. 자료 처리는 국리배양조사원의 자료를 이용하여 조위 보정을 실시하였으며, 수심별 연속수증음파 전달 속도를 이용하여 수층 내에서의 속도변화를 보정, 실제 수심에 가장 근접한 값을 획득하였고, 위와 같은 결과의 자료를 본 연구에서 사용하였다(Fig. 2참조, Table. 1 ~ 2참조). 해저면 측사는 조사선 스크류에서 발생하는 수중 물거품을 최소화시키기 위하여 수중 예인체(Tow-fish)를 조사선 후미에서 약 10m 정도 이격시켜 수행된 조사이며, 400 kHz의 주파수가 사용된 고해상도 영상을 획득하였다.
- 조사된 지역 중 대표적으로 경기 안산 풍도 인근해역을 해저면 측사 모자이크 도면은 CAD 의 UTM 좌표계에 적용되어 나타낸 것이고 본 연구의 해저표면형상 예측식과의 비교에 사용되었다. 측사 영상은 대규모 모래결은 물론 소규모의 모래결까지도 잘 나타내었다.
- 1참조). 해저표면 형상인 모래결은 대상 해역의 표층퇴적물의 특성과 관계가 있으므로 이러한 퇴적물 특성을 조사선을 설정하여 조사한 자료가 가용되었다. 이러한 표층퇴적물 자료는 퇴적물의 교란을 방지하기 위해 건조시에 라이너(Linar)를 퇴적물 속에 삽입하여 1.
이론/모형
- 실제 해역에 정밀한 해저면 형상을 기존의 4개의 보고서를 통하여 분석하였다. Khelifa and Ouellet(2000)과 Soulsby(2005)의 해저표면 형상 중 모래결 길이 예측에 적용될 변수들 중 수심, 입경 등은 각 각의 해역에서의 조사된 보고서 자료를 바탕으로 적용하였고, 파고 및 주기는 해상 파랑관측 및 조사(해양조사원, 2003)와 각 지역의 보고서에 포함된 파랑벡터도 및 내용 등을 참조하였다. 모래결 길이의 각도는 보고서의 그림을 참조하여 파악하였다.
- 는 물의 밀도와 각 각의 침전물 밀도, g는 중력가속도이다. 이 계수를 결정하는 식은 Kleinhans(2005)에 무차원 입경계수산정식에 의하여 결정되었다. Soulsby가 제시한 파랑과 흐름 공존시 해저면형상 중 모래결 길이 예측 경험식은 다음과 같다.
성능/효과
- 유속의 변화량이 클수록 모래결 길이는 그 크기가 더욱 증가하고, 형상 또한 또렷함을 해저면 형상 자료를 통하여 확인할 수 있었다. Khelifa and Ouellet 과 Soulsby 의 경험식을 실제 해저면 형상의 모래결 길이와 비교한 결과 실제 현장자료와 경향은 비슷하였으나, 전체적으로 과소 평가하는 결과를 얻었다. 이는 기존의 두 경험식이 실험실 자료 및 특정해역에서의 자료를 기반으로 하였기 때문으로 추측된다.
- 각 예측식에 변수들을 입력하여 적용한 결과 모래결 길이는 유속에 큰 연관성이 있다고 판단되었다. 유속의 변화량이 클수록 모래결 길이는 그 크기가 더욱 증가하고, 형상 또한 또렷함을 해저면 형상 자료를 통하여 확인할 수 있었다.
- 상관계수 rxy는 부등식- 1≤rxy≤ 1을 만족시키며, 상관관계가 1에 가까울수록 자료의 분포도는 양호하다. 경험식에 적용하여 분석결과 Khelifa and Ouellet 경험식과 현장분석 자료의 상관계수는 0.64였고, Soulsby의 경험식과 현장분석 자료의 상관계수는 0.66으로 두 식 모두 현장분석 자료와 상관관계가 매우 유의하다고 사료된다.
- 계수조정은 각 실해역 자료의 분포를 파악 후 적절히 계수조정안을 제시하였고, 실측지와 비교하였다. 계수조정 후 적용 결과 자료의 위치에 따른 분포차이는 존재하였으나, 실제 해역의 모래결 길이와 매우 유사한 경향을 나타내었음을 확인하였다. 실제해역의 해저표면형상 중 모래결 길이와 Khelifa and Ouellet 과 Soulsby 의 해저표면형상 예측식의 상관계수를 아래의 식을 적용하여 분석하였다.
- 기존의 경험식에 계수를 취하였으며, 이 조정 경험식으로부터 예측한 해저면 형상 길이는 자료의 위치에 따른 차이는 존재하였으나, 실제 해역의 모래결 길이와 매우 가까운 값을 나타내었다. 실제해역의 모래결 길이와 위 두 예측식을 적용하여 예측한 모래결 길이와의 상관계수를 구하였으며 현장자료와 Khelifa and Ouellet 예측식의 상관계수는 0.64였고, 현장자료와 Soulsby 의 경험식 상관계수는 0.66으로 상관관계가 매우 유의하다고 사료된다. Soulsby 의 경험식에서 해저면 입경이 주로 큰 영향을 미침에도 불구하고 Khelifa and Ouellet 의 경험식과 거의 같은 상관계수를 보이는 것은 파랑, 조류와 같은 여러변수의 영향이 입경에 이미 간접적으로 반영되었기 때문으로 추정된다.
- 각 예측식에 변수들을 입력하여 적용한 결과 모래결 길이는 유속에 큰 연관성이 있다고 판단되었다. 유속의 변화량이 클수록 모래결 길이는 그 크기가 더욱 증가하고, 형상 또한 또렷함을 해저면 형상 자료를 통하여 확인할 수 있었다. Khelifa and Ouellet 과 Soulsby 의 경험식을 실제 해저면 형상의 모래결 길이와 비교한 결과 실제 현장자료와 경향은 비슷하였으나, 전체적으로 과소 평가하는 결과를 얻었다.
- 적용 결과 모래결 길이는 조류속의 크기에 큰 연관성이 있다고 분석되었다. 유속이 클수록 모래결 길이는 그 크기가 더욱 증가하고, 형상 또한 또렷함을 해저면 형상 자료를 통하여 확인할 수 있었다. 파랑과 흐름의 공존시 해저표면형상 예측식 적용결과도 그와 동일하였으나, 실험실 자료및 특정해역에서의 적용된 자료를 기반으로 하였기에 계측된 모래결 길이와는 다소 차이가 있었으므로 Khelifa and Ouellet 과 Soulsby 의 경험식은 실제 우리나라 서해의 천이역 수심에 적용시계수 조정을 제안한다.
- 적용 결과 모래결 길이는 조류속의 크기에 큰 연관성이 있다고 분석되었다. 유속이 클수록 모래결 길이는 그 크기가 더욱 증가하고, 형상 또한 또렷함을 해저면 형상 자료를 통하여 확인할 수 있었다.
- 태안인근의 해저표면 퇴적물의 분석결과 비교적 일정한 사질의 형태이며 평균입도가 1.78 ∅이었다.
- 풍도 인근의 해저표면 퇴적물은 사질 우세 해역이고 평균입도는 1.66 ∅, 선갑도 인근은 사질 우세 해역으로 조사되어 있고 평균입도는 1.22 ∅, 어청도 인근은 비교적 일정한 사질의 형태를 보이고 평균 입도가 1.89 ∅로 대부분의 지역이 분급도가 나쁜 편으로 조사되었다.
후속연구
- 4 A-A’참조). 대부분 6 ~ 12 m 정도의 모래결의 길이가 측정되었으며 이는 추후에 Khelifa and Ouellet 과 Soulsby 의 해저표면형상 예측식에 각 해역에서의 초기조건을 적용, 실제해역의 측정치와 해저표면형상 예측식의 이론치를 비교하는데 사용된다.
- 하지만, 다양한 해역에서 천이역에서의 모래결 길이를 측정하고 자료를 취득하였다는 것은 매우 의미 있게 활용될 수 있을 뿐만 아니라, 타 해역에도 유용하게 적용되리라 예상된다. 서해안 인근의 다양한 해역을 적용하였으나 계측된 자료가 많지 않았기에 추후 후속 논문을 통한 다양한 해역에서의 분석이 필요하다. 또한, 해저표면형상의 첨도(steepness) 및 모래결 높이(ripple height)에 관하여서도 분석이 필요하다.
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