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문제 정의
- 이에 Ministry of Oceans and Fisheries(2013)는 해빈의 복원을 위한 잠제와 도류제를 설치하고 자갈과 모래를 양빈하는 연안정비사업을 계획하여 현재 시공 중에 있다. 본 연구는 만성리해빈의 연안정비사업 이후 해빈유지를 위한 관리대책을 수립하기 위하여, 만성리해빈에서 장기간의 해안선변화를 예측하고자 하였다. 이를 위하여 2014년 3월부터 2015년 2월까지 1년에 걸쳐 해빈변형의 주요 외력으로 판단되는 조석, 조류 및 파랑을 외해역과 내해역에서 계절별로 관측하여 외력특성을 파악하였으며, 2014년 하계에 표층퇴적물을 채취하여 해저질의 조성, 입도분포 및 조직변수 등을 분석하였다.
제안 방법
- 이를 위하여 2014년 3월부터 2015년 2월까지 1년에 걸쳐 해빈변형의 주요 외력으로 판단되는 조석, 조류 및 파랑을 외해역과 내해역에서 계절별로 관측하여 외력특성을 파악하였으며, 2014년 하계에 표층퇴적물을 채취하여 해저질의 조성, 입도분포 및 조직변수 등을 분석하였다. 그리고 2014년 3월부터 2015년 2월까지 3개월 간격으로 해안선을 주기적으로 측량하여 각 계절별의 외력특성에 따른 해안선의 변동양상을 파악하였다. 이러한 현장조사결과를 바탕으로 실측된 해안선자료를 사용하여 해안선변화모형의 검증수치실험을 수행하여 전연안표사량의 경험상수 C1과 C2를 만성리해빈에서 사용할 수 있는 값으로 결정하였고, 이로부터 잠제와 도류제 등 각종 구조물이 설치된 10년 후 만성리해빈의 해안선변화를 예측하고 그 결과를 토의하였다.
- 26 m로 가장 작게 나타났다. 그리고 구조물의 회절영역에 대한 검증매개변수 C2의 검증실험을 C1에 대해 0~3배의 비율로서 1씩 증가시키면서 실험을 수행하였다. 그 결과, C2 = 0C1일 때 RMS 오차는 1.
- 05) 및 백파에 의한 에너지 감쇠를 고려하였다. 그리고 수치모형에서 사용된 계산영역은 만성리해안을 중심으로 잠제 및 어항구조물의 영향을 충분히 나타낼 수 있고 W1 정점의 파랑관측자료를 외해입사경계로 활용하기 위하여 동서방향으로 1.42 km 및 남북방향으로 1.38 km의 크기로 하였으며, 격자간격은 계산의 안정도와 정밀도 등을 고려하여 정격자의 20 m로 설정하였으며, 조위면은 평균 해면으로 하였다.
- 그리고 이 파랑변형 계산결과로부터 연안방향 격자점별의 쇄파파고, 쇄파파향 및 쇄파군속도를 Fig. 6과 같이 추출하여 사용하였다. 이 그림에서 빨간선은 잠제와 도류제 등의 구조물설치전의 외력값으로 검증실험에 사용된 것이며, 파란선은 구조물 설치후의 외력값이다.
- 04 ~ 1 Hz로 34개로 분할하여 계산하였다. 또한 쇄파(쇄파지수 = 0.73), 저면마찰(kn = 0.05) 및 백파에 의한 에너지 감쇠를 고려하였다. 그리고 수치모형에서 사용된 계산영역은 만성리해안을 중심으로 잠제 및 어항구조물의 영향을 충분히 나타낼 수 있고 W1 정점의 파랑관측자료를 외해입사경계로 활용하기 위하여 동서방향으로 1.
- 만성리해빈에서 1996년의 해안선자료를 초기조건으로 하고 2012년의 해안선을 검증해안선으로 입력하여 만성리해빈의 해안선변화의 검증실험을 수행하였다. 연안표사량에 관한 검증매개변수 C1과 구조물의 회절영역에서 연안표사량을 보정해주는 매개변수 C2를 검증실험한 결과, C1 = 0.
- 만성리해빈에서 Fig. 1과 같이 잠제와 도류제가 설치된 시점에서 10년 후 해안선변화를 예측하기 위하여, 초기해안선으로 검증실험에서 사용하였던 2012년의 해안선을 입력하였고, 전연안표사량과 표사이동방향을 결정하기 위한 외력은 Fig. 6과 같은 값을 파랑변형 계산결과로부터 추출하여 사용하였다. 다만 추후 도류제 남측의 해안선은 물양장으로 건설되어 인공해안선화되므로 그 의미가 없어서 계산에서 제외하였다.
- 단기적으로는 해상상태에 따른 계절적 변화로서 파랑이 강할 때는 해안선이 후퇴하고 파작용이 약할 때는 해안선이 전진하며, 대개 1년을 주기로 전진과 후퇴가 순환되는 경향을 보인다. 본 조사는 계절적인 해안선의 변화양상을 파악하기 위하여 2014년 3월부터 2015년 2월까지 3개월 간격으로 5회에 걸쳐 해안선을 측량하였다. 측량시기는 되도록 월말경의 대조기 간조시에 수행하였고 VRS GPS(SOUTH Co.
- , China)를 이용하여 인천평균해면기준(EL+0 m)의 해안선을 측량하였다. 이들 해안선측량자료로부터 해안선의 계절별 변동양상을 파악하기 위해, 2014년 3월의 해안선을 기준으로 2014년 6월(춘계동안의 변화), 2014년 9월(하계동안의 변화), 2014년 12월(추계동안의 변화) 그리고 2015년 2월(동계동안의 변화)의 해안선과의 차를 구하여 Fig. 3에 도시하였다.
- 이때 입사경계에서 불규칙 입사파는 JONSWAP 스펙트럼을 적용하여, 파랑관측값으로부터 검증실험을 통한 극대증진계수(γ)는 파형경사와 방향집중도(방향집중도 파라메터 dd = 1)를 고려하여 1을 적용하였고, 방향분해능은 72방위이며 그리고 주파수분해능은 0.04 ~ 1 Hz로 34개로 분할하여 계산하였다.
- 그리고 2014년 3월부터 2015년 2월까지 3개월 간격으로 해안선을 주기적으로 측량하여 각 계절별의 외력특성에 따른 해안선의 변동양상을 파악하였다. 이러한 현장조사결과를 바탕으로 실측된 해안선자료를 사용하여 해안선변화모형의 검증수치실험을 수행하여 전연안표사량의 경험상수 C1과 C2를 만성리해빈에서 사용할 수 있는 값으로 결정하였고, 이로부터 잠제와 도류제 등 각종 구조물이 설치된 10년 후 만성리해빈의 해안선변화를 예측하고 그 결과를 토의하였다.
- 본 연구는 만성리해빈의 연안정비사업 이후 해빈유지를 위한 관리대책을 수립하기 위하여, 만성리해빈에서 장기간의 해안선변화를 예측하고자 하였다. 이를 위하여 2014년 3월부터 2015년 2월까지 1년에 걸쳐 해빈변형의 주요 외력으로 판단되는 조석, 조류 및 파랑을 외해역과 내해역에서 계절별로 관측하여 외력특성을 파악하였으며, 2014년 하계에 표층퇴적물을 채취하여 해저질의 조성, 입도분포 및 조직변수 등을 분석하였다. 그리고 2014년 3월부터 2015년 2월까지 3개월 간격으로 해안선을 주기적으로 측량하여 각 계절별의 외력특성에 따른 해안선의 변동양상을 파악하였다.
- 다만 추후 도류제 남측의 해안선은 물양장으로 건설되어 인공해안선화되므로 그 의미가 없어서 계산에서 제외하였다. 이상과 같은 입력자료로부터 전연안표시량에 대한 검증매개변수(Calibration Parameters)는 검증계산에서 이미 결정된 C1 = 0.2와 C2 = 1C1을 사용하였다.
- 따라서, 검증실험에 사용할 수 있는 해안선자료는 1996년과 2012년의 자료이다. 이에 따라 1996년의 해안선을 초기해안선으로 2012년의 해안선을 검증해안선으로 입력하여 만성리해빈의 해안선변화의 검증수치실험을 수행하였다.
- 이에 따라 만성리해빈의 해저질이 아주 조립하였으므로 검증실험에서 C1을 0.0 ~ 0.4까지 0.1씩 증가시키면서 우선실험을 수행하였다. 그 결과, C1 = 0.
- 잠제와 도류제 등이 완공된 10년 후 만성리해빈의 해안선은 잠제배후역에서 현재의 해안선보다 5 ~ 15 m 정도 해안선이 전진하며, 잠제배후 해빈역에서 북측으로 가면서 5 ~ 15 m 정도 해안선이 후퇴하는 결과를 예측하였다. 이것은 잠제배후의 해빈을 보호하는 잠제설치에 관한 원래의 목적과 잘 합치되어 이 해역에서 잠제의 설치는 적절했다고 할 수 있다.
- 본 조사는 계절적인 해안선의 변화양상을 파악하기 위하여 2014년 3월부터 2015년 2월까지 3개월 간격으로 5회에 걸쳐 해안선을 측량하였다. 측량시기는 되도록 월말경의 대조기 간조시에 수행하였고 VRS GPS(SOUTH Co., China)를 이용하여 인천평균해면기준(EL+0 m)의 해안선을 측량하였다. 이들 해안선측량자료로부터 해안선의 계절별 변동양상을 파악하기 위해, 2014년 3월의 해안선을 기준으로 2014년 6월(춘계동안의 변화), 2014년 9월(하계동안의 변화), 2014년 12월(추계동안의 변화) 그리고 2015년 2월(동계동안의 변화)의 해안선과의 차를 구하여 Fig.
- 이 그림에서 빨간선은 잠제와 도류제 등의 구조물설치전의 외력값으로 검증실험에 사용된 것이며, 파란선은 구조물 설치후의 외력값이다. 한편 검증계산시 사용된 외력은 부드러운 해안선을 만들기 위하여 약간의 이동평균이 수행되었으며, 해안선 계산의 오차를 줄이기 위하여 여러 번의 계산을 시행착오적으로 반복수행하여 최종입력 값으로 사용하였다.
대상 데이터
-
The observed currents at St. W2
2014년 3월부터 2015년 2월까지 4계절에 걸쳐 정점 W1과 W2에서 파랑을 관측하였다
. 외해역인 정점 W1에서 계절별 파랑특성을 살펴보면, 2014년 춘계에 평상파의 유의파고는 0. - 이 중에서 2013년의 지형도자료는 해빈중앙부가 침식되어 있고 해빈북측이 퇴적된 것과 같은 어떤 특별한 기상이벤트 이후에 관측된 해안선으로 판단되고, 2014년의 관측자료는 외해에서 준설한 모래를 만흥천 하구주변에 거치한 때의 것으로 인위적인 요소가 포함된 해안선자료이므로 이 둘의 해안선자료는 해안선변화의 검증계산에 사용하기 어렵다. 따라서, 검증실험에 사용할 수 있는 해안선자료는 1996년과 2012년의 자료이다. 이에 따라 1996년의 해안선을 초기해안선으로 2012년의 해안선을 검증해안선으로 입력하여 만성리해빈의 해안선변화의 검증수치실험을 수행하였다.
- 만성리해안에서 Fig. 1의 W1(수심 DL-13 m)과 W2(수심 DL-5 m) 정점에서 2014년 3월부터 2015년 2월까지 계절별로 관측한 조석에서 조석형태수는 0.21 ~ 0.22로 이 해역은 반일주조가 우세한 혼합조의 조석특성을 보였다. 계절별로 국지적으로 차이가 있지만, 대조차는 280 ~ 305 cm이며, 평균고조간격은 8h 54 ~ 55 m 정도로 규칙바른 조석형태를 보였으며, 약최고고조위는 344 ~ 372 cm로서 해안 근접할수록 큰 값을 보였다.
이론/모형
- 그리고 전연안표사량과 표사이동방향을 결정하기 위한 외력은 Table 1의 연간평균유의파에 대한 파랑으로, 그 파랑변형은 SWAN 모형(The SWAN Team, 2015)을 이용하여 계산하였으며 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 이때 입사경계에서 불규칙 입사파는 JONSWAP 스펙트럼을 적용하여, 파랑관측값으로부터 검증실험을 통한 극대증진계수(γ)는 파형경사와 방향집중도(방향집중도 파라메터 dd = 1)를 고려하여 1을 적용하였고, 방향분해능은 72방위이며 그리고 주파수분해능은 0.
- 는 종단방향(On-offshore Direction)으로 기준선에서 방해구조물까지의 거리(m) 그리고 tanβ는 저면경사이다. 그리고 표사이동한계깊이 D = Db + Dc이며, 파의 소상고(Swash Limit) Db(m)와 표사이동한계수심(Closure Depth) Dc(m)는 Swart(1974)와 Hallermeier(1983)가 제안한 다음의 경험식을 각각 사용하였다.
- 전연안표사량은 대개 쇄파점에서 에너지와 군속도의 곱으로 표현되는 쇄파에너지 Flux의 해안방향성분에 비례한다는 경험식을 많이 사용하며, 구조물의 그림자 영역(Shadow Zone)에서 파고의 연안방향분포로부터 해빈순환류의 영향을 고려하는 산정식(Ozasa and Brampton, 1980; Kraus, 1981)도 널리 사용되고 있다. 본 연구는 Kraus(1981)가 제안한 식(2)와 같은 전연안표사량 산정식을 사용하였다.
성능/효과
- 2014년 3월부터 2015년 2월까지 계절별로 외해역의 W1과 내해역의 W2 정점에서 층별조류를 관측한 결과를 살펴보면, 정점 W1에서 조류는 북-남서방향의 주류를 보였으며 최강창조류의 유속은 26 ~ 48 cm/s 그리고 최강낙조류의 유속은 29 ~ 49 cm/s였으며, 조석잔차류는 2 ~ 4 cm/s 크기로 북서류하였다. 정점 W2에서 조류는 북북서-남남동향의 주류를 보였으며 최강창조류의 유속은 7 ~ 22 cm/s 그리고 최강낙조류의 유속은 13 ~ 24 cm/s였으며, 조석잔차류는 1 cm/s 크기로 남류하였다.
- 그리고 동계(2015년 2월)는 추계와 아주 비슷한 경향으로 해안선의 변화가 나타났는데, 해빈남측의 만흥천 하구주변(x = 900 ~ 970 m)에 많은 양의 양빈사를 쌓아 놓은 것을 알 수 있었다. 결론적으로 만성리해빈의 계절적 해안선변화의 특징은, 만흥천 하구의 인위적인 양빈사의 영향을 배제한 경우, 입사파와 깊은 관계를 나타내었는데, Table 1과 같이 춘계와 하계의 고파랑시에 해안선이 침식하였고 추계과 동계의 정온시에 퇴적되어 침식을 회복해가는 특징을 보였다. 그러나 2014년과 같이 강력한 태풍이 하계에 2차례 이상 내습하여 심각한 침식이 발생한 경우에 해안선은 침식전의 원래 상태로 회복되지 않았다.
- 22로 이 해역은 반일주조가 우세한 혼합조의 조석특성을 보였다. 계절별로 국지적으로 차이가 있지만, 대조차는 280 ~ 305 cm이며, 평균고조간격은 8h 54 ~ 55 m 정도로 규칙바른 조석형태를 보였으며, 약최고고조위는 344 ~ 372 cm로서 해안 근접할수록 큰 값을 보였다. 이에 따라 Davies(1964)에 의하면 이 해안은 중조차 해빈(Mesotidal Beach)로 분류될 수 있었다.
- 1씩 증가시키면서 우선실험을 수행하였다. 그 결과, C1 = 0.0일 때 실측해안선과 예측해안선과의 RMS 오차는 6.98 m, C1 = 0.1일 때 RMS 오차는 1.80 m, C1 = 0.2일 때 RMS 오차는 1.26m, C1 = 0.3일 때 RMS 오차는 1.35 m 그리고 C1 = 0.4일 때 RMS 오차 1.90 m로 계산되어, C1 = 0.2일 때, 관측치와의 RMS 오차가 1.26 m로 가장 작게 나타났다. 그리고 구조물의 회절영역에 대한 검증매개변수 C2의 검증실험을 C1에 대해 0~3배의 비율로서 1씩 증가시키면서 실험을 수행하였다.
- 그리고 구조물의 회절영역에 대한 검증매개변수 C2의 검증실험을 C1에 대해 0~3배의 비율로서 1씩 증가시키면서 실험을 수행하였다. 그 결과, C2 = 0C1일 때 RMS 오차는 1.30 m, C2 = 1C1일 때 RMS 오차는 1.26 m, C2 =2C1일 때 RMS 오차는 1.30 m 그리고 C2 = 3C1일 때 RMS 오차는 1.41 m로서, C2 = 1C1일 때 관측해안선에 대한 RMS 오차가 가장 작게 나타났다. 이상과 같이 만성리해빈에서 결정된 해안선변화에 관한 검증매개변수는 C1 = 0.
- 그리고 이상과 같은 예측결과는 잠제배후의 해빈을 보호하는 잠제설치에 관한 원래의 목적과 잘 합치되었는데 이 해역에서 잠제의 설치는 적절했다고 할 수 있다. 그러나 잠제설치역의 북측해안은 침식이 예상되고 있어 향후 잠제를북측으로 다소 확장하는 것과 같은 검토가 뒤따라야할 것으로 판단된다.
- 그리고 퇴적물의 조직변수를 살펴보면, 평균입도(Mean)는 -5.52 ~ 8.25Φ의 범위였고, 분급도(Sorting)는 0.56 ~ 3.36Φ로 Moderately Well Sorted에서 Very Poorly Sorted의 분포를 나타냈다.
- 만성리해역의 계절별 파랑특징은 춘계와 하계에 고파랑이 출현하였고, 추계와 동계는 고파랑이 출현하지 않는 정온한 해상상태를 보였다. 그리고 파향은 외해에 대해 남동방향으로 열려져 있는 지형적인 영향으로 전 계절에 걸쳐 외해역 정점 W1은 SE 계열이 우세하였고, 잠제 배후의 내해역 정점 W2는 이들 파가 진행하면서 굴절에 의해 변형되어 ESE 계열이 우세하게 나타났다(Table 1).
- 만성리해빈의 계절적 해안선변화의 특징은 입사파와 깊은 관계를 나타내었는데 춘계와 하계의 고파랑시에 해안선이 침식하였고 추계과 동계의 정온시에 침식을 회복하는 특징을 보였다. 그러나 2014년과 같이 강력한 태풍이 하계에 두 차례 이상 내습하여 심각한 침식이 발생한 경우에 해안선은 원래의 상태로 회복되지 않았다.
- 만성리해빈에서 1996년의 해안선자료를 초기조건으로 하고 2012년의 해안선을 검증해안선으로 입력하여 만성리해빈의 해안선변화의 검증실험을 수행하였다. 연안표사량에 관한 검증매개변수 C1과 구조물의 회절영역에서 연안표사량을 보정해주는 매개변수 C2를 검증실험한 결과, C1 = 0.2와 C2 = 1C1일 때 사후예측된 해안선은 실측해안선과의 RMS 오차가 1.26 m 정도로 만족스러웠다.
- 36Φ로 Moderately Well Sorted에서 Very Poorly Sorted의 분포를 나타냈다. 왜도(Skewness)는 -0.25 ~ 0.82로 Coarse-Skewed에서 Strongly Fine-Skewed까지 폭넓은 분포를 나타내었으며, 첨도(Kurtosis)는 0.58 ~ 4.05의 범위로 Very Platy-kurtic에서 Extremely Leptokurtic의 분포를 나타내었다.
후속연구
- 그리고 이상과 같은 예측결과는 잠제배후의 해빈을 보호하는 잠제설치에 관한 원래의 목적과 잘 합치되었는데 이 해역에서 잠제의 설치는 적절했다고 할 수 있다. 그러나 잠제설치역의 북측해안은 침식이 예상되고 있어 향후 잠제를북측으로 다소 확장하는 것과 같은 검토가 뒤따라야할 것으로 판단된다.
- 그리고 이상과 같은 예측결과는 잠제배후의 해빈을 보호하는 잠제설치에 관한 원래의 목적과 잘 합치되었는데 이 해역에서 잠제의 설치는 적절했다고 할 수 있다. 그러나 잠제설치역의 북측해안은 침식이 예상되고 있어 향후 잠제를북측으로 다소 확장하는 것과 같은 검토가 뒤따라야할 것으로 판단된다.
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