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문제 정의
- 본 연구에서는 조간대가 발달한 우리나라 서해안의 전북 구시포 해안에서 연안류에 미치는 외력성분의 기여도를 평가하기 위하여, 조석ㆍ조류 및 파에 의한 해빈류를 고려한 복합해수유동 수치모형을 구축하였다. 구축된 모형에서 조석ㆍ조류는 EFDC 모형, 파랑은 SWAN 모형, 그리고 해빈류는 SHORECIRC 모형을 사용하였다.
- 본 연구에서는 조간대가 발달한 우리나라 전북 서해안의 구시포 해안에서 연안류에 미치는 외력성분을 평가하기 위하여, 조석ㆍ조류 및 파에 의한 해빈류를 고려한 복합해수유동 수치모형을 구축하였다. 그리고 현지의 조간대에서 GPS를 장착한 경량 Drogue의 추적실험을 수행하였고 연안류성분을 추출하였다.
- 구축된 모형에서 조석ㆍ조류는 EFDC 모형, 파랑은 SWAN 모형, 그리고 해빈류는 SHORECIRC 모형을 사용하였다. 이 수치모형의 적용성을 검토하기 위하여, 현지에서 조석ㆍ조류와 입사파를 현장관측하였고 인근 기상관측소의 바람자료를 조사하였다. 그리고 현지의 조간대에서 GPS를 장착한 경량 Drogue의 추적실험을 수행하여 연안류 성분을 추출하였다.
제안 방법
- Drogue 추적에 의한 연안류의 현장조사결과와 수치모형에 의한 연안류의 계산결과를 비교하기 위하여, 현장조사 당시의 조석, 바람 및 파랑조건을 입력하여 조류, 파랑 및 해빈류를 각각 계산하였다. 그리고 이들 각 유속계산결과를 입력자료로 하여 Random Walk 방법으로 가상의 수치 Drogue를 표류시켜 이 수치 Drogue의 이동경로와 이동속도를 산출하고 이 결과를 현장 Drogue 자료와 비교하였다.
- SWAN 모형에서 사용한 입사파는 관측치로부터 JONSWAP Spectrum을 사용하였으며, 이 때 형상계수 γ는 파형경사와 방향 집중도를 고려하여 3.3을 적용하였고, 방향분해능은 72 방위, 주파수분해능은 0.04~1 Hz로 34개 분할로 계산하였다.
- 구시포 주변해역의 조석ㆍ조류 및 입사파를 파악하기 위하여 Fig. 1과 같이 정점 W1 및 W2에서 1200 kHz와 600 kHz의 ADCP(RDI Inc., USA)를 각각 사용하여 조석ㆍ조류 및 입사파를 현장관측하였다. 여기서 정점 W1의 수심은 DL –2 m이고 W2의 수심은 DL –6 m이다.
- 그리고 구시포 해빈에서 파랑과 해빈류를 계산하기 위하여 외해에 위치한 W2 정점에서 관측한 파랑조건을 입사파경계조건으로 하였다. 계산영역은 조석ㆍ조류 계산격자와 Nesting시켜 Fig.
- Drogue 추적에 의한 연안류의 현장조사결과와 수치모형에 의한 연안류의 계산결과를 비교하기 위하여, 현장조사 당시의 조석, 바람 및 파랑조건을 입력하여 조류, 파랑 및 해빈류를 각각 계산하였다. 그리고 이들 각 유속계산결과를 입력자료로 하여 Random Walk 방법으로 가상의 수치 Drogue를 표류시켜 이 수치 Drogue의 이동경로와 이동속도를 산출하고 이 결과를 현장 Drogue 자료와 비교하였다.
- 이 수치모형의 적용성을 검토하기 위하여, 현지에서 조석ㆍ조류와 입사파를 현장관측하였고 인근 기상관측소의 바람자료를 조사하였다. 그리고 현지의 조간대에서 GPS를 장착한 경량 Drogue의 추적실험을 수행하여 연안류 성분을 추출하였다. 또한 현장관측조건에 맞추어 수치모형에 의한 수치 Drogue 추적실험을 수행하여 복합모형에 의한 연안류를 재현하고 그 결과를 현장관측치와 비교ㆍ검토하였다.
- 본 연구에서는 조간대가 발달한 우리나라 전북 서해안의 구시포 해안에서 연안류에 미치는 외력성분을 평가하기 위하여, 조석ㆍ조류 및 파에 의한 해빈류를 고려한 복합해수유동 수치모형을 구축하였다. 그리고 현지의 조간대에서 GPS를 장착한 경량 Drogue의 추적실험을 수행하였고 연안류성분을 추출하였다. 또한 현장관측조건에 맞추어 수치모형에 의한 수치 Drogue 추적실험을 수행하여 복합모형에 의한 연안류를 재현하고 그 결과를 현장관측치와 비교ㆍ검토하였다.
- 그리고 현지의 조간대에서 GPS를 장착한 경량 Drogue의 추적실험을 수행하여 연안류 성분을 추출하였다. 또한 현장관측조건에 맞추어 수치모형에 의한 수치 Drogue 추적실험을 수행하여 복합모형에 의한 연안류를 재현하고 그 결과를 현장관측치와 비교ㆍ검토하였다. 따라서 본 연구의 결과에 의해 조간대가 발달한 쇄파대에서 조석에 의한 조류성분과 파에 의한 해빈류 성분 중에서 어느 것이 더 우세한지 평가할 수 있을 것이며, 앞으로 해안부근에서 퇴적물수송을 예측할 때 기초적인 자료로 활용될 수 있을 것이다.
- 바람, 조석ㆍ조류 및 파에 의한 해빈류를 고려한 실시간 흐름을 예측하는 수치모형을 구축하였고, 현장에서 Drogue 추적실험을 수행하여 연안류를 실측한 구시포 해안에 구축된 모형을 적용하였다.
- 조간대에서 표사이동의 외력으로 작용하는 연안류를 관측하기 위하여, 2011년 하계와 2012년 춘계에 GPS가 장착된 경량의 Drogue를 사용하여 Lagrange 방식으로 부표의 이동속도와 방향을 10초 간격으로 측정하였다. 이 때 관측된 연안류는 파에 의한 해빈류 이외에도 조석에 의한 조류와 바람에 의한 취송류 성분도 포함하고 있을 것으로 기대된다.
- 조석ㆍ조류의 계산시 외해경계조건은 조석의 주요 4대분조(M2, S2, K1 및 O1)의 조화상수를 입력하여 개경계조건으로 사용하였으며, 바닥마찰계수는 0.02, 수평와동점성계수에 관한 Smagorinsky 상수 C = 0.1 그리고 계산시간증분 Δt = 1초를 입력하였다.
- 조석과 파의 공존장에서 파ㆍ흐름의 상호작용을 무시하면 임의의 한 점(i, j)에서 임의시간 t의 수평유속 V (i, j, t)는 식 (1)과 같이 각 흐름성분을 합성하여 나타낼 수 있으며, 본 연구에서는 각각의 흐름성분으로부터 합성유속을 Fig. 5의 흐름도와 같이 산정하는 복합해수유동 수치모형을 구축하였다. 즉 Fig.
- 5의 흐름도와 같이 산정하는 복합해수유동 수치모형을 구축하였다. 즉 Fig. 5와 같이 우선 어떤 사건의 기간동안 바람을 고려한 조석ㆍ조류를 일정시간간격으로 계산하고, 이후 계산된 조석정보에 따라 파와 해빈류는 조위를 고려하여 해당 Time Step의 지형과 수심조건에서 파와 해빈류를 계산한다. 이같은 파와 해빈류에 대한 계산과정은 주어진 사건시간동안 반복된다.
- 해안의 남북측에 돌제와 연육교가 건설되어 있어 조류의 영향을 작게 받을 것이며 상대적으로 파에 의한 해빈류의 영향을 크게 받을 것으로 예상되는 해안역의 수심 약 1 m 내외의 영역에서 Drogue를 사용하여 연안류 흐름을 Lagrange 적으로 추적조사 하였다. 이상의 Drogue 추적결과를 정리하면 다음과 같다.
대상 데이터
- 그리고 구시포 해빈에서 파랑과 해빈류를 계산하기 위하여 외해에 위치한 W2 정점에서 관측한 파랑조건을 입사파경계조건으로 하였다. 계산영역은 조석ㆍ조류 계산격자와 Nesting시켜 Fig. 6 내의 사각형 박스의 영역과 같이 동서방향 3.96 km, 남북 방향 4.20 km로 하였으며 격자간격은 10 m의 정격자로 구성하였다. SWAN 모형에서 사용한 입사파는 관측치로부터 JONSWAP Spectrum을 사용하였으며, 이 때 형상계수 γ는 파형경사와 방향 집중도를 고려하여 3.
이론/모형
- 본 연구에서는 조간대가 발달한 우리나라 서해안의 전북 구시포 해안에서 연안류에 미치는 외력성분의 기여도를 평가하기 위하여, 조석ㆍ조류 및 파에 의한 해빈류를 고려한 복합해수유동 수치모형을 구축하였다. 구축된 모형에서 조석ㆍ조류는 EFDC 모형, 파랑은 SWAN 모형, 그리고 해빈류는 SHORECIRC 모형을 사용하였다. 이 수치모형의 적용성을 검토하기 위하여, 현지에서 조석ㆍ조류와 입사파를 현장관측하였고 인근 기상관측소의 바람자료를 조사하였다.
- 특히 질량보존기법을 이용하여 천해역에서의 조간대의 처리가 가능하도록 설계되어져 있어 조간대가 넓게 분포되어 있는 곳에서 적용이 용이하다(Hamrick, 1994). 그리고 Mellor and Yamada(1982)의 level 2.5 난류종결기법을 사용하며, 수평난류확산 계수는 Smagorinsky 형(Smagorinsky, 1963)을 사용한다. 이 모형의 자세한 기술은 그 이론서(Hamrick, 1992; Tetra Tech, 2007)에 상세히 소개되어 있다.
- 이 모형은 준3차원 모형으로 수심적분되고 시간평균된 연속방정식 및 운동방정식을 기초로 하였으며, 기동력인 Radiation Stress는 Phillips(1966; 1977)의 정의를 사용하였다. 그리고 와동점성계수의 정식화는 쇄파와 저면기 원난류를 모두 설명할 수 있어야 하므로 쇄파대 외측에서는 Svendsen and Putrevu(1994)와 Coffey and Nielsen(1984)의 연구를 기초로 하였으며 쇄파대 내측에서는 수정된 Battjes(1975)의 모형을 적용하였다. 이 모형의 기본방정식은 Wei and Kirby(1995)가 Boussinesq 방정식 개발에 이용하였던 Predictor-Corrector 기법을 사용하여 풀어지게 된다.
- , 2004)을 사용하였다. 이 모형은 준3차원 모형으로 수심적분되고 시간평균된 연속방정식 및 운동방정식을 기초로 하였으며, 기동력인 Radiation Stress는 Phillips(1966; 1977)의 정의를 사용하였다. 그리고 와동점성계수의 정식화는 쇄파와 저면기 원난류를 모두 설명할 수 있어야 하므로 쇄파대 외측에서는 Svendsen and Putrevu(1994)와 Coffey and Nielsen(1984)의 연구를 기초로 하였으며 쇄파대 내측에서는 수정된 Battjes(1975)의 모형을 적용하였다.
- 그리고 와동점성계수의 정식화는 쇄파와 저면기 원난류를 모두 설명할 수 있어야 하므로 쇄파대 외측에서는 Svendsen and Putrevu(1994)와 Coffey and Nielsen(1984)의 연구를 기초로 하였으며 쇄파대 내측에서는 수정된 Battjes(1975)의 모형을 적용하였다. 이 모형의 기본방정식은 Wei and Kirby(1995)가 Boussinesq 방정식 개발에 이용하였던 Predictor-Corrector 기법을 사용하여 풀어지게 된다. 이 모형에 대한 자세한 내용은 Svendsen et al.
- 이같은 파와 해빈류에 대한 계산과정은 주어진 사건시간동안 반복된다. 이상의 계산과정이 완료되어 바람이 고려된 조석ㆍ조류, 파 및 해빈류의 유속자료가 구축되면, Random Walk 모형(Lee and Kim, 1995)을 이용하여 가상의 수치 Drogue를 원하는 위치에 투하하고 이 수치 Drogue를 실제 현장 Drogue처럼 추적하여 복합해수유동 수치모형에 의한 연안류의 정보를 획득하게 된다.
- 조석ㆍ조류 및 취송류에 관한 수치모의는 EFDC 모형(Hamrick, 1992)을 사용하였다. 이 모형은 미국 VIMS(Virginia Institute of Marine Science)에서 개발되어 미국 환경청(US EPA)의 공인받은 3차원 수치모형이며, 수평방향으로 직교 또는 곡선직교좌표계의 사용이 가능하고 연직방향으로 σ좌표계를 사용한다.
- 파고의 공간적인 분포에 의하여 발생하는 파에 기인한 흐름인 해빈류는 미국 Delaware University에서 개발된 SHORECIRC 모형(van Dongeren et al., 1994; Kaihatu et al., 2002; Svendsen et al., 2004)을 사용하였다. 이 모형은 준3차원 모형으로 수심적분되고 시간평균된 연속방정식 및 운동방정식을 기초로 하였으며, 기동력인 Radiation Stress는 Phillips(1966; 1977)의 정의를 사용하였다.
- 파랑변형은 네덜란드 Delft 공대에서 개발한 SWAN 모형(Booij et al., 1996)을 사용하였다. 이 모형은 수심변화에 따른 천수변형, 굴절, 회절 및 쇄파 등의 제반현상을 고려하여 심해로부터 천해로의 파고변화를 순차적으로 계산해 나가는 모형으로서, 주어진 바람과 해저면 및 해류 조건으로부터 연안역, 호수 및 하구의 파랑을 계산한다.
성능/효과
- (1) 2011년 8월 16일 10시, 2011년 8월 16일 15시, 2012년 4월 21일 10시 및 2012년 4월 27일 14시에 연안류로 재현된 수치 Drogue 속도의 크기는 현장 Drogue 속도의 크기에 대해 88.2 %, 68.0 %, 102.0 % 및 105.2 %의 범위로 각각 재현되었으며, 특히 남북방향의 흐름이 탁월한 이 해안의 특성상 #과 #는 서로 방향이 모두 동일하였고 유속크기의 오차는 –16.7~ +10.0 %의 범위로 양호하였다.
- (1) 현장 Drogue의 평균속도는 0.1~0.4 m/s 정도의 범위로 나타났으며 유속크기는 시기와 관계없이 비교적 균일하였다. 이러한 결과로부터 조간대에서 연안류는 대조기 또는 소조기와 같은 조시의 영향을 크게 받지 않는 것으로 보인다.
- (1) 현장 Drogue의 평균이동속도는 0.1~0.4 m/s 정도의 범위로 나타났으며 유속크기는 조사시기와 관계없이 비교적 균일하였다. 이러한 결과로부터 조간대에서 연안류는 조시의 영향을 크게 받지 않는 것으로 보인다.
- (2) 복합해수유동 모형으로 계산된 연안류의 합성유속에 대해 조류와 해빈류의 기여정도를 살펴보면, SW 계열의 입사파가 탁월한 하계의 경우 해빈류의 크기는 조류에 비해 6 % 이하로 무시할 만 하였으며, W계열의 입사파가 탁월한 춘계에는 해빈류가 조류에 대해 크기가 30~40 % 정도로서 그 영향은 상당하였다.
- (2) 연안류로 재현된 수치 Drogue 속도의 크기는 현장 Drogue 속도의 크기에 대해 68.0~105.2 %의 범위로 각각 재현되었으며, 특히 남북방향의 흐름이 탁월한 이 해안의 특성 상 남북방향의 유속은 서로 방향이 모두 동일하였고 유속크기의 오차는 –16.7~ +10.0 %의 범위로 양호하였다.
- (3) 복합해수유동 모형으로 계산된 연안류의 합성유속에 대해 조류와 해빈류의 기여정도를 살펴보면, SW 계열의 입사파가 탁월한 하계의 경우 해빈류의 크기는 조류에 비해 6 % 이하로 무시할 만하였으며, W계열의 입사파가 탁월한 춘계에는 해빈류가 조류에 대해 크기가 30~40 % 정도로서 그 영향은 상당하였다.
- (3) 현장조사에서 현장 Drogue의 이동은 조시와 관계없이 주로 해빈남측에서 북측에서 이동하는 경향이 탁월하였으며, 복합해수유동실험의 수치 Drogue의 추적실험결과에서도 동일한 결과가 나타났다. 이것은 해빈북측에 위치한 구시포 어항에 의해 조류와 파랑이 지형적인 영향을 받았기 때문에 나타난 현상으로 보인다.
- (4) 바람이 해안선에 직각방향으로 불었고 파고가 0.4 m였던 춘계인 2013년 4월 27일의 경우 해빈류는 그 크기가 상당하였으나, 이를 제외한 다른 모든 경우의 입사파고는 0.3 m 이하였으며 이 경우 해빈류는 전반적으로 미약하였다. 따라서 구시포 해빈에서 입사파고가 0.
- (4) 현장조사에서 현장 Drogue의 이동은 조시와 관계없이 주로 해빈남측에서 북측에서 이동하는 경향이 탁월하였으며, 복합해수유동실험의 수치 Drogue의 추적실험결과에서도 동일한 결과가 나타났다. 이것은 해빈북측에 위치한 구시포 어항에 의해 조류와 파랑이 지형적인 영향을 받았기 때문에 나타난 현상으로 보인다.
- 7에 나타내었다. W2 정점에서 조석과 조류의 수치계산결과는 현지관측결과와 잘 일치하는 결과를 보였다.
- 이때 Drogue의 투입시각, 평균이동속도 및 조석조건을 정리한 것은 Table 2와 같다. 이 표에서 나타난 최대이동속도는 평균속도보다 약 2~3배 정도 크게 나타났는데, 이는 국지적으로 지형조건이 다르고 파가 부서지면서 봉괴되는 파봉의 속도가 Drogue에 영향을 주었기 때문인 것으로 관찰되었다.
후속연구
- 또한 현장관측조건에 맞추어 수치모형에 의한 수치 Drogue 추적실험을 수행하여 복합모형에 의한 연안류를 재현하고 그 결과를 현장관측치와 비교ㆍ검토하였다. 따라서 본 연구의 결과에 의해 조간대가 발달한 쇄파대에서 조석에 의한 조류성분과 파에 의한 해빈류 성분 중에서 어느 것이 더 우세한지 평가할 수 있을 것이며, 앞으로 해안부근에서 퇴적물수송을 예측할 때 기초적인 자료로 활용될 수 있을 것이다.
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