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문제 정의
- 본 연구는 해운대 해수욕장 양빈 전ㆍ후의 해빈류 특성변화를 파악하기 위한 기초연구로서 XBEACH 모델을 이용하여 이상파랑 시에 대한 양빈 전ㆍ후의 해운대 해수욕장의 해빈류 특성을 수치모의하였다. 모델의 외력조건은 국립해양조사원에서 실시간으로 조사하고 있는 해운대 해수욕장 해양관측부이의 파랑자료를 사용하여 대표파랑을 산정하여 모델에 적용하였으며 JONSWAP 스펙트럼을 사용하여 불규칙파에 대한 수치모의를 수행하였다.
- 4는 2014년 1년간 관측된 입사파의 파랑장미도를 나타낸다. 본 연구에서는 각 입사파향별 해수욕장의 해빈류 특성을 파악하기 위해 S 계열의 파가 우세한 계절 중 하계, ESE 계열의 파가 우세한 계절 중 동계를 대상으로 해빈류 수치모의를 수행하였다.
- 이에 따른 해운대 해수욕장의 양빈 후 지형변화를 파악하기 위해서는 양빈 전ㆍ후의 계절적인 파랑 및 해빈류 특성 변화를 파악할 필요가 있다. 본 연구의 목적은 흐름, 지형변화 등 연안의 과정들을 수치모의 할 수 있는 XBEACH 모델(Extreme beach behaviour model)을 이용하여 양빈 전ㆍ후의 계절적인 파랑 및 해빈류 특성 변화를 예측하고 해운대 해수욕장의 양빈후의 지형변화에 대한 개략적 고찰을 수행하고자 한다.
제안 방법
- JONSWAP 스펙트럼을 사용할 경우 첨두계수(Peak enhancement factor)를 결정해야 하나, 본 연구에서는 해당지역의 파랑스펙트럼 부재로 일반적으로 광대역과 협대역 파랑분포를 구분하는 경계값인 첨두계수 γ=3.3을 사용하였다.
- 이는 하계에는 태풍 할롱(1411), 나크리(1412), 추계에는 태풍 봉퐁(1419)의 영향으로 최대 유의파가 크게 나타난 것으로 판단된다. 계절별 대표 파향으로는 발생빈도가 가장 많은 파향을 선정하였으며 시기적으로 봄에 해당하는 3~5월에는 S(South) 계열과 ESE(East south east) 계열의 파가 우세하였고 여름에 해당하는 6~8월에는 S 계열의 파가 우세하였으며 가을, 겨울에 해당하는 9~11월, 12~2월에는 ESE계열의 파가 우세하였다. Fig.
- 계절별 대표파고는 관측된 유의파고 Hs를 사용하여 최대 유의파(Hs,max) 및 유의파 중 상위 10%의 평균값(Hs,1/10)을 계산하여 수치모형의 외력조건으로 사용하였다. Table 1은 해운대 해수욕장의 2014년 계절별 대표파고를 나타낸다.
- 3을 사용하였다. 그리고 XBEACH 모델의 두 가지 모드인 Hydrostatic mode와 Non-hydrostatic mode 중 Hydrostatic mode를 사용하여 계산하였다. Hydrostatic mode는 장파와 흐름으로부터 단파의 변화가 계산되어져 나와 계산시간을 단축할 수 있다는 장점이 있고 기존의 Surf beat 모형과 비교하여 평균 파향 예측이 필요하지 않으며 서로 다른 파군이 서로 다른 방향에서 이동하는 것을 허용한다.
- 본 연구에 적용된 XBEACH 모형의 적용성을 파악하기 위하여 해운대 해수욕장이 양빈을 시작하는 2013년 11월 전에 파랑 및 해빈류 관측자료를 확보하여 검토하였다. Fig.
- Hydrostatic mode는 장파와 흐름으로부터 단파의 변화가 계산되어져 나와 계산시간을 단축할 수 있다는 장점이 있고 기존의 Surf beat 모형과 비교하여 평균 파향 예측이 필요하지 않으며 서로 다른 파군이 서로 다른 방향에서 이동하는 것을 허용한다. 수치계산영역의 경계조건으로 외해경계에는 약반사조건을 사용하여 반사파의 영향을 최대한 줄였으며 해안선과 직각방향의 수평경계에서는 Neumann의 경계조건을 사용하여 종단방향의 속도가 경계를 따라 동일하게 설정되도록 하였다. 또한 XBEACH 모델은 Ruessink의 접근법(Ruessink et al.
- 모델의 수치모의결과는 연안부근의 상세역 결과만을 나타내었다. 수치모형의 외력조건은 앞에서 선정한 Hs,max와 Hs,1/10중 연안 주변의 구조물과 연안의 흐름에 가장 크게 영향을 미칠 것으로 판단되는 Hs,max를 사용하였다. 파의 생성은 불규칙파에 대한 수치모의를 수행하기 위해 해안선과 평행한 외해경계에서 JONSWAP(Joint North Sea wave project) 스펙트럼을 사용하여 조파하였다.
- 한편, 해운대 해수욕장의 1차 양빈을 완료되고 난 후(2014년 2월말) 백사장의 양빈안정화 과정이 어느 정도 진행된 후에 대하여 양빈 전과 같이 파랑 및 해빈류 관측자료를 확보하여 검토하였다. Fig.
- 이에 해빈 침식문제에 대한 대책으로 해운대 연안정비사업이 진행 중에 있다. 해운대 연안정비사업의 일환으로 2회에 걸쳐 양빈사 581,185㎥를 들여 해빈폭을 평균 약 100m까지 넓히고 모래 유실 및 해빈 침식을 방지하기 위하여 미포측 돌제 110m 및 잠제 180m, 동백섬측 잠제 150m 및 모래유실방지공 45m를 설치하는 공사가 시행되었다.
대상 데이터
- 격자체계는 직교가변격자체로 구성하였으며 최대격자는 10m, 최소격자는 5m로 격자수는 700×350로 설정하였다(Fig. 6).
- 본 연구의 대상지역인 해운대 해수욕장은 국내 최대의 해수욕장으로서 도심 속에 위치하여 해운대 관광특구의 중추적인 역할을 담당하고 있다. 그러나 최근 호안도로의 건설, 춘천의 복개 등 주변지역의 도시화로 인해 모래공급원이 감소되었고 백사장 모래 유실로 인해 해빈의 폭 및 길이가 점차적으로 감소되어 사회적 문제로 대두되고 있다(Tac, 2008).
- 본 연구의 대상지역인 해운대 해수욕장은 해빈 길이 1.5km, 폭 30~50m에 이르는 우리나라 최대의 해수욕장이다. 하지만 최근 침식문제로 인하여 매년 해빈의 면적 및 폭이 감소하고 있다.
- 수치모형의 계산영역은 해운대 해수욕장을 중심으로 동서방향 5.0km, 남북방향 2.5km로 설정하였다. 격자체계는 직교가변격자체로 구성하였으며 최대격자는 10m, 최소격자는 5m로 격자수는 700×350로 설정하였다(Fig.
- 해운대 해수욕장 수치모의의 초기조건 및 외력조건을 산정하기 위해 국립해양조사원의 해운대 해수욕장 해양관측부이 W1지점에서 실시간으로 관측하고 있는 파랑데이터 중 2013년 12월에서 2014년 11월까지 1년간의 데이터를 분석하여 대표파고 및 파향을 선정하였다. Fig.
이론/모형
- , 2009) 모델은 연안의 파의 전파, 흐름, 표사이동 및 지형변화에 대하여 변화하는 파랑과 흐름경계 조건을 고려하여 수치모의를 할 수 있는 2차원 모델이다(Delft University of Technology and Deltares, 2010). 낮은 주파수를 가지는 흐름의 경우 천수방정식을 이용하며, 파에 의한 질량플럭스와 연속적인 흐름을 고려하기 위하여 수심평균된 일반화된 라그랑지 평균(Generalized Lagrangian Mean, GLM) 공식(Andrews and McIntyre, 1978a; Andrews and McIntyre, 1978b; Walstra et al., 2000)을 사용한다. 이러한 구조에서 운동방정식과 연속방정식은 라그랑지 속도 uL의 항으로 표현되고 이것은 한파의 주기에서 수립자가 이동한 거리를 주기로 나누어주는 것으로 정의된다.
- 수치계산영역의 경계조건으로 외해경계에는 약반사조건을 사용하여 반사파의 영향을 최대한 줄였으며 해안선과 직각방향의 수평경계에서는 Neumann의 경계조건을 사용하여 종단방향의 속도가 경계를 따라 동일하게 설정되도록 하였다. 또한 XBEACH 모델은 Ruessink의 접근법(Ruessink et al., 2001)에 의해 저면전단응력을 계산하였다. 여기서 저면마찰계수는 전형적으로 모래 해변에서 많이 사용되어지는 Chezy 계수 55m1/2s-1를 사용하여 계산하였다.
- 본 연구는 해운대 해수욕장 양빈 전ㆍ후의 해빈류 특성변화를 파악하기 위한 기초연구로서 XBEACH 모델을 이용하여 이상파랑 시에 대한 양빈 전ㆍ후의 해운대 해수욕장의 해빈류 특성을 수치모의하였다. 모델의 외력조건은 국립해양조사원에서 실시간으로 조사하고 있는 해운대 해수욕장 해양관측부이의 파랑자료를 사용하여 대표파랑을 산정하여 모델에 적용하였으며 JONSWAP 스펙트럼을 사용하여 불규칙파에 대한 수치모의를 수행하였다.
- , 2001)에 의해 저면전단응력을 계산하였다. 여기서 저면마찰계수는 전형적으로 모래 해변에서 많이 사용되어지는 Chezy 계수 55m1/2s-1를 사용하여 계산하였다. Table 2에는 수치모형의 초기조건을 나타내었다.
- 수치모형의 외력조건은 앞에서 선정한 Hs,max와 Hs,1/10중 연안 주변의 구조물과 연안의 흐름에 가장 크게 영향을 미칠 것으로 판단되는 Hs,max를 사용하였다. 파의 생성은 불규칙파에 대한 수치모의를 수행하기 위해 해안선과 평행한 외해경계에서 JONSWAP(Joint North Sea wave project) 스펙트럼을 사용하여 조파하였다. JONSWAP 스펙트럼을 사용할 경우 첨두계수(Peak enhancement factor)를 결정해야 하나, 본 연구에서는 해당지역의 파랑스펙트럼 부재로 일반적으로 광대역과 협대역 파랑분포를 구분하는 경계값인 첨두계수 γ=3.
성능/효과
- 0sec, S파향 조건으로 수치모의한 해빈류 패턴을 나타낸다. 관측된 해빈류 평균유속은 10.0~24.0cm/s, 유향은 E(East)~NNE(North north east) 계열이 우세하게 관측되었다. 수치계산된 해빈류 유속은 평균적으로 5.
- 7sec, ESE 파향 조건으로 수치모의한 해빈류 패턴을 나타낸다. 관측된 해빈류 평균유속은 9.0~13.0cm/s, 유향은 W(West) 계열이 우세하게 관측되었다. 수치계산된 해빈류 유속은 평균적으로 5.
- 이것 또한 하계 때와 마찬가지로 양빈으로 인한 해안선 전진으로 수심이 얕아지고 쇄파대폭이 좁아졌기 때문인 것으로 판단된다. 그리고 돌제의 영향으로 돌제 배후 파라다이스호텔 앞 해안에서 해빈류 유속은 0.2~0.5m/s 정도 작아졌고 돌제 주변의 양빈 후 유속은 0.2~0.6m/s 정도 더 증가한 것으로 나타났다. 이는 파의 회절의 영향인 것으로 판단된다.
- 이는 양빈으로 인한 해안선의 전진으로 수심이 얕아지고 쇄파대 폭이 좁아졌기 때문인 것으로 판단된다. 그리고 돌제의 영향으로 인해 양빈 후 돌제에서 미포항 사이의 흐름은 최대 0.4m/s정도 작아진 것으로 나타났고 모래유실방지공 설치로 인해 해수욕장 서쪽 조선비치호텔 앞 부근의 양빈 후 해빈류 유속은 감소한 것으로 나타났다.
- 동계 ESE 계열의 이상파랑 입사 시, 양빈 및 돌제건설 전에는 해수욕장 동쪽 미포항에서 해안을 따라 해수욕장 서쪽 동백섬을 향하는 해빈류가 강하게 나타났고 동백섬 부근에서는 외해 방향의 흐름이 나타났다. 해빈류 유속은 해수욕장 중앙 부분에서 최대 0.
- 마지막으로 XBEACH 모델은 2차원 모델이라는 단점이 있지만 연안의 파의 전파, 흐름, 표사이동 및 지형변화에 대하여 수치모의를 할 수 있으며 비정수압항의 사용으로 연안에서의 파의 비선형성, 파-흐름의 상호작용 및 쇄파를 보다 더 정확하게 계산할 수 있는 장점이 있다. 그리고 XBEACH 모델은 해빈류 수치모의에만 국한되지 않고 표사이동 및 지형변화까지 광범위한 적용이 가능하기 때문에 그 활용성이 클 것으로 기대된다.
- 0cm/s, 유향은 E(East)~NNE(North north east) 계열이 우세하게 관측되었다. 수치계산된 해빈류 유속은 평균적으로 5.0~25.0cm/s를 나타냈으며 유향은 E~ENE(East north east) 계열이 우세하게 나타났다. 해빈류 수치모의 결과 유속 및 흐름패턴이 관측결과와 유사하게 나타났다.
- 0cm/s, 유향은 W(West) 계열이 우세하게 관측되었다. 수치계산된 해빈류 유속은 평균적으로 5.0~40.0cm/s를 나타냈으며 유향은 W 계열이 우세하게 나타났다. 해빈류 수치모의결과 유속 및 흐름패턴이 관측결과와 유사하게 나타났다.
- 수치모의 결과 하계 S 계열의 이상파랑 입사 시 해수욕장 서쪽 동백섬에서 해안을 타고 해수욕장 동쪽 미포항으로 향하는 해빈류 흐름이 강하게 나타났다. 양빈 전의 해빈류 유속은 해수욕장 중앙에서 최대 1.
- 6m/s 크기의 외해방향의 흐름이 나타났다. 양빈 및 돌제 건설 후의 해빈류 패턴은 양빈 전과 유사하게 해수욕장 동쪽에서 서쪽을 향하는 해빈류가 나타났다. 해수욕장 서쪽 동백섬 부근의 외해방향의 흐름은 0.
- 추계 ESE 계열의 이상파랑 입사 시에는 해수욕장 동쪽 미포항에서 해수욕장 서쪽 동백섬을 향하는 해빈류 흐름이 나타났고 동백섬부근에서 외해방향의 강한 흐름이 나타났다. 양빈 전의 해빈류 유속은 해수욕장 중앙에서 최대 0.
- 하계 S 계열의 이상파랑 입사 시, 양빈 및 돌제 건설 전에는 전반적으로 해수욕장 서쪽 동백섬에서 해안을 따라 해수욕장 동쪽 미포항을 향하는 해빈류가 강하게 나타났다. 해빈류 유속은 동백섬 부근에서 1.
- 이는 파의 회절의 영향인 것으로 판단된다. 해수욕장 서쪽 조선비치호텔 앞쪽의 해빈류 유속은 최대 1.0m/s 정도 더 증가한 것으로 나타났으나 모래유실방지공 부근의 전반적인 외해방향의 흐름은 감소된 것으로 나타났다.
후속연구
- 마지막으로 XBEACH 모델은 2차원 모델이라는 단점이 있지만 연안의 파의 전파, 흐름, 표사이동 및 지형변화에 대하여 수치모의를 할 수 있으며 비정수압항의 사용으로 연안에서의 파의 비선형성, 파-흐름의 상호작용 및 쇄파를 보다 더 정확하게 계산할 수 있는 장점이 있다. 그리고 XBEACH 모델은 해빈류 수치모의에만 국한되지 않고 표사이동 및 지형변화까지 광범위한 적용이 가능하기 때문에 그 활용성이 클 것으로 기대된다.
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