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문제 정의
- 본 연구에서는 Heaundae District, Busan(2008)의 계절별 파랑 및 조류관측, 해빈단면 및 수심측량, 해저질, 해저영상조사, 지층탐사 등의 장기적이고 종합적인 관측자료를 기초로 표사이동기구를 규명하고자 하였다.
- 본 연구에서는 Heaundae District, Busan(2008)의 장기적이고 종합적인 관측자료에 근거하여 표사이동를 수치모의하였다. 이를 위하여 해빈류와 표사이동실험에서 관측결과와 비교·검증과정을 통하여 수치실험의 타당성을 확보하였으며, 계절적 대표파랑과 이상파를 산정하여 수치실험에 반영하였다.
제안 방법
- 4에 도시한 바와 같이 2007년 1월 27일부터 5월 13일까지 관측된 파랑데이터와 전술한 수심 측량 자료를 이용하여 수행하였다. 108일간 관측된 1시간 간격의 유의파고와 주기, 그 파향을 입사경계조건으로 하여 파랑변형실험을 수행한 후 이로부터 추출된 radiation stress를 해빈류실험의 입력자료로 구성하였다.
- 50년 빈도 이상파의 경우 KORDI(2005)의 자료를 참고하여 “격자점 074123” 광역(wide computed area)의 외해 파랑경계조건을 구성하였고, 수치실험 결과로부터 해운대 인근 세역 경계에서의 50년빈도 파고와 주기를 파향별로 추출하였다.
- 계절적 표사이동 특성을 분석하기 위하여 여름과 겨울에 대한 평상파랑 수치실험을 실시하였다. 이상파의 경우 1년빈도와 50년빈도 모두 S계열 및 E계열의 대표 파향으로 SSW, ESE 파랑을 각각 선정하였고, 해빈류 실험은 각 대표파가 입사하여 유동장이 안정상태가 될 때까지 수치모의하였다.
- 해운대 해수욕장의 해빈전면에서 부표를 이용하여 2008년 6월 4일 14시부터 2시간에 걸쳐 해빈류 특성을 관측하였다. 또한 지형의 영향을 받지 않고 심해 입사파를 구성할 수 있도록 거제 동측 먼 바다에서 수집된 거제 부이 자료를 수집하였고, 입사 파랑조건을 파악하기 위하여 거제도 부이에서 관측된 동시간대의 유의파를 분석하여 입력자료로 활용하였다((파고 2.0m, 주기 6.0s, SE 파향).
- 6s로 나타났다. 또한, 관측자료를 분석한 결과 해운대 해수욕장에 큰 영향을 미치는 파향은 SSW, S, SSE, ESE, E 순으로 나타났으며, 1년빈도 이상파를 산정하기 위하여 각 파향별 파고 중 상위 5개를 평균하여 파고와 주기를 결정하였다. 그 결과, SSW파향의 경우는 1.
- 수치모형실험 결과에 대한 신뢰성을 확보하기 위하여 해빈류 실험과 표사이동실험에 대한 검증을 실시하였다.
- 수치모형실험에서 수행된 전반적인 경계조건과 입력 파라미터는 해빈류와 표사이동실험의 검증과정을 거쳐 수정되었다. 외해경계에서는 JONSWAP Spectrum을 이용한 불규칙파를 생성하여 파랑변형실험을 수행하였다. 이때 저면소산계수는 Nikuradse 조도계수 0.
- 이를 위하여 해빈류와 표사이동실험에서 관측결과와 비교·검증과정을 통하여 수치실험의 타당성을 확보하였으며, 계절적 대표파랑과 이상파를 산정하여 수치실험에 반영하였다.
- 장기적인 해운대 해수욕장의 모래유실 방지대책을 세우기 위해서 해운대 해수욕장의 계절적 특성과 이상파를 고려한 표사수송을 해석하는 것이 중요할 것으로 판단된다. 이를 위해 장기적으로 관측된 파랑특성으로부터 파고와 파향을 고려한 계절적 대표파랑과 이상파를 산정한 후 파랑변형 및 해빈류 수치모형실험을 실시하였고, 표사이송모델을 이용하여 해운대 해수욕장의 계절별 이동특성과 고파랑 내습시 표사경로를 파악하고자 하였다.
- 계절적 표사이동 특성을 분석하기 위하여 여름과 겨울에 대한 평상파랑 수치실험을 실시하였다. 이상파의 경우 1년빈도와 50년빈도 모두 S계열 및 E계열의 대표 파향으로 SSW, ESE 파랑을 각각 선정하였고, 해빈류 실험은 각 대표파가 입사하여 유동장이 안정상태가 될 때까지 수치모의하였다.
- 파랑과 해빈류실험 결과를 이용하여 동기간 해운대 해수욕장 전면의 표사이송량을 구하였고, 이를 해운대 지형측량 1차 결과(2007년 1월 25일∼2월 5일)와 2차 결과(2007년 5월 7일∼5월 19일)의 변화량과 비교하였다(Fig. 5).
- 해운대 해수욕장 중앙에서 동측으로 2개 지점, 서측으로 7개 지점에서 관측을 실시하였으며, 전술한 파랑조건에 의해 파랑변형실험과 해빈류실험을 수치모의한 후, 그 결과를 Fig. 2와 Fig. 3에 각각 도시하였다. 수치실험 결과 해빈류는 전반적으로 동측(미포항)에서 흘러들어 연안을 따라 서측(동백섬)으로 빠져나가는 양상을 나타냈고, 9개 관측지점과 동일한 지점에서 관측결과와 해빈류 수치결과를 비교·분석한 결과 서측으로 가장 바깥인 9번 지점이 비교적 큰 오차를 보이고 있으나, 내측 2∼6지점은 0.
- 해운대 해수욕장의 저질특성을 파악하기 위하여 2007년 6월과 12월 총 2회에 걸쳐 해저질 조사가 실시되었고, Side Scan Sonar를 통하여 저질특성을 분석하였다(Heaundae District, Busan, 2008). 관측자료에 의하면, 해운대 해수욕장의 서측 동백섬 인근 및 전단부에 돌출된 암반층이 있으며, 동측 미포방파제 전단부에 커다란 암반층이 존재하는 것으로 확인되었다.
- 해운대 해수욕장의 해빈전면에서 부표를 이용하여 2008년 6월 4일 14시부터 2시간에 걸쳐 해빈류 특성을 관측하였다. 또한 지형의 영향을 받지 않고 심해 입사파를 구성할 수 있도록 거제 동측 먼 바다에서 수집된 거제 부이 자료를 수집하였고, 입사 파랑조건을 파악하기 위하여 거제도 부이에서 관측된 동시간대의 유의파를 분석하여 입력자료로 활용하였다((파고 2.
대상 데이터
- 파랑의 계절적 특성과 이상파를 고려한 표사이동을 해석하기 위해 평상파(ordinary wave)와 이상파(extraordinary wave), 그리고 50년빈도 설계파(50 year return period wave)를 산출하여 수치실험시 입력자료로 활용하였다.
- 표사이동실험의 검증은 Fig. 4에 도시한 바와 같이 2007년 1월 27일부터 5월 13일까지 관측된 파랑데이터와 전술한 수심 측량 자료를 이용하여 수행하였다. 108일간 관측된 1시간 간격의 유의파고와 주기, 그 파향을 입사경계조건으로 하여 파랑변형실험을 수행한 후 이로부터 추출된 radiation stress를 해빈류실험의 입력자료로 구성하였다.
- 해운대 해수욕장에 내습하는 파랑특성을 파악하기 위하여 2005년 5개월 동안 관측된 파랑자료와, 2007년 1월부터 11월까지 총 5회에 걸쳐 수집된 파랑자료(Table 1), 그리고 KORDI(2005)의 50년빈도 심해설계파 자료를 이용하였다.
- 해운대 해수욕장의 지형특성을 파악하기 위하여 2007년 2월부터 11월까지 총 5회에 걸친 수심 및 지형측량 자료를 수집하였다(Heaundae District, Busan, 2008). 해운대 해수욕장은 서측에 동백섬, 동측에 미포항이 위치하고 있다.
이론/모형
- 소류사량은 Shields 파라미터에 의해 결정되는 Engelund and Fredsõe(1976)의 모델을 사용하였고, Fredsõe et al.(1985)의 부유사에 대한 수직 확산방정식을 사용하여 부유표사량을 계산하였으며, 소류사량과 부유표사량은 다음과 같이 구할 수 있다.
- 소류사량은 Shields 파라미터에 의해 결정되는 Engelund and Fredsõe(1976)의 모델을 사용하였고, Fredsõe et al.
- 파랑변형실험으로부터 radiation stress결과를 추출하고 이를 입력자료로 하는 해빈류 재현은 다음과 같이 비압축성 유체에 대해 수심적분된 연속방정식과 운동방정식을 근간으로 ADI(Altrnating Direction Implicit) 기법에 의해 수치모의하였다(MIKE21, 2009).
- 파랑변형실험은 초기형태의 포물형 완경사방정식을 파랑이 진행방향과 이격되는 경우에도 적용이 가능하도록 다음과 같이 개선된 완경사방정식(Kirby, 1986)에 의해 모의하였다.
- 해빈류 실험의 저면마찰계수는 Manning number 30을 사용하였고, 표사이동실험에 사용된 모래밀도는 2.65, Shields 계수는 0.05, 공극율 0.4, 중앙입경은 0.3mm를 적용하였다.
성능/효과
- 1년 빈도 이상파 중 SSW 파랑 내습시 동백섬측에서 동쪽으로 연안류가 발생하고 있고, 이 흐름과 미포 남동측에서 흘러든 해빈류로 인해 외해 방향으로 이안류(rip current)가 발생하는 것으로 나타났다(Fig. 8). 여름철 평상파와 비슷하게 동백섬측에서 침식이 발생하고 미포 전면으로 퇴적 양상을 보이고 있다.
- 50년빈도 이상파 내습시, SSW 파랑의 경우 해운대 해수욕장 중앙에서 외해로 이안류가 발생하고 있고, ESE 파랑의 경우 미포측에서 연안을 따라 서측 동백섬 전면으로 흐름이 발생하여 표사가 외해로 유출되는 것으로 나타났다. 추후 보다 더 명확한 표사이동경로 및 순환과정을 파악하기 위해 지속적인 파랑 및 조류관측, 수심측량 등이 수행되어야 할 것으로 보이며, 이를 기초로 장기적 관측자료를 이용하여 수치모형실험 및 수리모형실험에 의한 비교·검토가 이루어져야할 것으로 판단된다.
- 또한, 관측자료를 분석한 결과 해운대 해수욕장에 큰 영향을 미치는 파향은 SSW, S, SSE, ESE, E 순으로 나타났으며, 1년빈도 이상파를 산정하기 위하여 각 파향별 파고 중 상위 5개를 평균하여 파고와 주기를 결정하였다. 그 결과, SSW파향의 경우는 1.8m, 6.5sec, S파향은 2.6m, 11.3s, SSE파향은 2.4m, 10.6s, ESE파향은 2.8m, 9.9s, E파향은 2.3m, 8.6s로 나타났다.
- 이를 위하여 해빈류와 표사이동실험에서 관측결과와 비교·검증과정을 통하여 수치실험의 타당성을 확보하였으며, 계절적 대표파랑과 이상파를 산정하여 수치실험에 반영하였다. 수치모의 실험결과 서측의 동백섬과 동측의 미포항까지 평상파에 의한 계절별 표사이동 및 1년빈도 이상파에 의한 연안을 따른 표사이동 순환과정과, 50년빈도 고파랑으로부터 암반지대를 포함한 해수욕장 전면해역의 이안류에 의한 표사이동경로를 파악할 수 있었다.
- 수치실험 결과 해빈류는 전반적으로 동측(미포항)에서 흘러들어 연안을 따라 서측(동백섬)으로 빠져나가는 양상을 나타냈고, 9개 관측지점과 동일한 지점에서 관측결과와 해빈류 수치결과를 비교·분석한 결과 서측으로 가장 바깥인 9번 지점이 비교적 큰 오차를 보이고 있으나, 내측 2∼6지점은 0.02m/s 이내로 나타나 해빈류 특성을 잘 재현하는 것으로 나타났다.
- 11-(c)). 유사 이송도로 분석한 결과 50년 빈도파로 ESE 방향을 갖는 파랑이 1일간 지속될 경우, 미포항 방파제 전면부에서 유입이 발생되는 것을 확인할 수 있고, 해운대 해안 전반에 걸쳐서 1,715m3day의 유사가 외해로 유출되는 것으로 나타났다.
- 10-(c)). 유사 이송도를 통하여 이러한 경향을 분석한 결과 50년 빈도파로 SSW 방향을 갖는 파랑이 1일간 지속될 경우, 동백섬쪽을 타고 많은 양의 유사가 유입되었으며, 미포항 부근 전면부와 해운대 중간지역에서 모두 1,680m3day 의 유사가 유출됨을 확인할 수 있다(Fig. 10-(d)).
- 평상파와 1년빈도 이상파 내습시, 여름 및 S계열 파랑에 의해 해빈류가 동백섬 인근에서 동쪽으로 흘러 연안류 형태로 나타나고, 해수욕장 서측 송림공원 전면에서 침식이 발생하여 해안을 따라 미포측에서 퇴적되는 것으로 나타났다. 한편, 겨울 및 E계열 파랑은 여름 및 S계열 결과와 반대로 해안선 동측에서 침식이 일어나고 해안을 따라 서측으로 퇴적양상을 보였다.
- 해수욕장 사빈은 연장 약 1.6km에 달하는 포켓비치를 이루고 있으며, 폭은 계절에 따라 유동적이나 약 30∼40m로 나타났다.
- 50년 빈도 이상파의 경우 KORDI(2005)의 자료를 참고하여 “격자점 074123” 광역(wide computed area)의 외해 파랑경계조건을 구성하였고, 수치실험 결과로부터 해운대 인근 세역 경계에서의 50년빈도 파고와 주기를 파향별로 추출하였다. 해운대 해수욕장에 큰 영향을 미칠 것으로 판단되는 파향은 1년 빈도 이상파와 유사하게 나타났으며, SSW파향의 경우 5.2m, 11.84s, S파향은 8.4m, 13.93s, SSE파향은 11.15m, 14.72s, SE파향은 11.0m, 14.14s, ESE파향은 9.8m, 13.49s로 나타났다.
후속연구
- 50년빈도 이상파 내습시, SSW 파랑의 경우 해운대 해수욕장 중앙에서 외해로 이안류가 발생하고 있고, ESE 파랑의 경우 미포측에서 연안을 따라 서측 동백섬 전면으로 흐름이 발생하여 표사가 외해로 유출되는 것으로 나타났다. 추후 보다 더 명확한 표사이동경로 및 순환과정을 파악하기 위해 지속적인 파랑 및 조류관측, 수심측량 등이 수행되어야 할 것으로 보이며, 이를 기초로 장기적 관측자료를 이용하여 수치모형실험 및 수리모형실험에 의한 비교·검토가 이루어져야할 것으로 판단된다.
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