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가설 설정
- 본 수리실험은 잠제를 중심으로 좌우측에서 발달하는 물리적 특성이 대칭이라고 가정하였다. 이는 예비실험으로 잠제 주변 파굴절에 의한 파봉의 간섭이 발생하지 않음을 확인하였고, 수로벽에 의한 마찰 영향은 무시할 수 있다고 가정하였다.
- 본 수리실험은 잠제를 중심으로 좌우측에서 발달하는 물리적 특성이 대칭이라고 가정하였다. 이는 예비실험으로 잠제 주변 파굴절에 의한 파봉의 간섭이 발생하지 않음을 확인하였고, 수로벽에 의한 마찰 영향은 무시할 수 있다고 가정하였다. 본 논문에는 제시하지 않았으나 중심벽의 유무에 따른 수치실험을 통해서도 흐름대칭성을 확인할 수 있었다.
- , 1986). 임의의 원형 해안에 대하여 1/10의 축척으로 가정하고, 원형표사 D50 = 0.40mm의 침강속도에 대하여 Froude 상사를 만족하는 모형의 표사입경 D50 = 0.19mm을 가정하였다. 가정된 모형의 표사입경에 따른 침강속도(= 2 cm/s)에 해당하는 형상계수(A = 0.
제안 방법
- 본 연구에서는 잠제 후면 해안선의 침퇴적 반응을 연구한 Ranasinghe et al.(2010)의 수치모의 결과를 검증하기 위해 기존 연구의 평형단면 지형과 잠제 파라미터를 고려한 다양한 잠제 모형을 제작하여 수리실험을 수행하였다. LSPIV(Large Scale Particle Image Velocimetry) 이미지 분석기법을 적용하여 잠제 후면 해안선 침퇴적 반응을 결정하는 흐름 패턴을 관찰하였고, 흐름패턴 결정 원인을 파악하기 위해 평균수면변위와 평균파고분포를 관측하여 분석하였다.
- (2010)의 수치모의 결과를 검증하기 위해 기존 연구의 평형단면 지형과 잠제 파라미터를 고려한 다양한 잠제 모형을 제작하여 수리실험을 수행하였다. LSPIV(Large Scale Particle Image Velocimetry) 이미지 분석기법을 적용하여 잠제 후면 해안선 침퇴적 반응을 결정하는 흐름 패턴을 관찰하였고, 흐름패턴 결정 원인을 파악하기 위해 평균수면변위와 평균파고분포를 관측하여 분석하였다. 해안선 반응을 유도하는 잠제 후면 흐름패턴 결과를 검토하기 위해,본 수리실험의 흐름패턴에 따른 해안선 반응 분석결과를 기존의 경험식과 비교하였다.
- 잠제 주변의 수면변위 및 흐름패턴 관측을 위해 각 실험조건에 대하여 조파를 20분간 지속하였고, 다음과 같은 절차로 측정하고 분석하였다. 각 조건에서 조파된 첫 파가 해안선에 도달 후 약 5.0초가 경과한 t0로부터 각 측정위치에서 계측된 5분 동안의 수면변위자료(약 90파 이상)를 추출하여 평균수면변위와 평균파고를 산정하여 그 분포를 결과에 제시하였다. 흐름유속 측정을 위하여 각 실험조건의 조파된 첫 파가 해안선에 도달한 직후에 약 2000개의 추적 입자를 해안선 위에서 동시에 방출하였고, 입자의 이동을 천장 카메라로 촬영하였다.
- (2010)의 조건과 같이 불투수성으로 제작되었다. 다양한 실험조건을 재현하기 위해 잠제는 이동이 가능하고, 높낮이를 조절 할 수 있도록 블록 형태로 제작하였다. 앞서 언급한 바와 같이 본 연구에서는 규칙파 조건을 입사파 조건으로 사용하였고, 경험식(1) 산정을 위해서 관측결과를 유의파고(0차 모멘트 파고)로 환산하여 적용하였다.
- 그러나 일부 실험조건에서 기존 경험식과 일치하지 않는 결과를 보였고, 또한 두 가지 경우 가운데 하나로 결정하기 힘든, 두 패턴이 동시에 공존하는 실험결과도 관찰되었다. 따라서 흐름패턴으로 해안선 침식반응과 퇴적반응의 두 가지 경우로 분류하는 기존의 방법에 한계가 있는 것으로 판단하여 두 가지 흐름패턴 구간 사이에 천이영역이 존재하는 것으로 제안하였다. 즉, 천이영역 밖의 침식에 안전한 구간의 잠제 파라미터 사용이 적절하다고 판단된다.
- (2016)의 이동상 실험결과로부터 평형상태 포말대의 단면 경사를 추출한 것이다. 또한 실험조건의 파랑에 대한 변형을 무시할 수 있는 수심을 60 cm로 가정하여 Fig. 1과 같이 구성하였으며 해안선 방향으로 수심변화를 최소화하여 모형을 제작하였다.
- 본 연구에서는 조파실험을 통해 잠제가 설치된 연안의 파고 및 평균수면 분포를 관측하고, 잠제 후면 해안선 근처에서 LSPIV 이미지 분석 기법을 통해 평균흐름을 관측하였다. 이 관측결과를 통해 잠제 배후의 침퇴적을 결정하는 흐름패턴을 연구한 Ranasinghe et al.
- 다양한 실험조건을 재현하기 위해 잠제는 이동이 가능하고, 높낮이를 조절 할 수 있도록 블록 형태로 제작하였다. 앞서 언급한 바와 같이 본 연구에서는 규칙파 조건을 입사파 조건으로 사용하였고, 경험식(1) 산정을 위해서 관측결과를 유의파고(0차 모멘트 파고)로 환산하여 적용하였다. 주기 변화에 따른 흐름 패턴 조사를 위한 조건도 포함시켰으며, Ranasinghe et al.
- 기존 연구의 경우, 파랑흐름 상호작용 및 반사파 영향의 부재, 해안선 고정경계 조건 등 사용된 수치모형이 갖는 한계를 내포하고 있다. 이러한 한계가 없는 수리실험을 수행하여 기존연구를 검증하였고, 결과를 도출하였다. 그러나 본 수리 실험은 규칙파를 대상으로 하였고, 축소효과 및 비정상상태의 흐름결과를 이용한 분석이라는 단점이 있음을 밝힌다.
- 잠제 주변의 수면변위 및 흐름패턴 관측을 위해 각 실험조건에 대하여 조파를 20분간 지속하였고, 다음과 같은 절차로 측정하고 분석하였다. 각 조건에서 조파된 첫 파가 해안선에 도달 후 약 5.
- 잠제 후면의 유속 측정을 위한 카메라는 정사보정 오차를 줄이기 위해 실험수조 바닥으로부터 약 8 m 높이의 실험실 천장에 카메라를 설치하였으며, 잠제 설치 연안 부근을 수직으로 촬영하도록 설정하였다. 촬영 카메라의 기종은 삼성테크윈사의 피쉬아이타입 카메라(SND-K2083R)이며, 촬영영상의 프레임 구성은 1920 × 1080 pixels, 프레임 속도는 60 fps이다.
- 파고측정을 위해 잠제와 해안선 주변에 측점 120곳을 선정하고, Kenek사의 용량식 파고계를 사용하였다. 잠제의 후면부와 해안선 부근에 파고계를 조밀하게 설치하였으며, 특히 잠제 주변 파고계는 해안선으로부터 수직방향의 잠제 설치 거리(xB)에 따라 위치를 이동시켜 계측하였다.
- LSPIV(Large Scale Particle Image Velocimetry) 이미지 분석기법을 적용하여 잠제 후면 해안선 침퇴적 반응을 결정하는 흐름 패턴을 관찰하였고, 흐름패턴 결정 원인을 파악하기 위해 평균수면변위와 평균파고분포를 관측하여 분석하였다. 해안선 반응을 유도하는 잠제 후면 흐름패턴 결과를 검토하기 위해,본 수리실험의 흐름패턴에 따른 해안선 반응 분석결과를 기존의 경험식과 비교하였다. 입사파 조건으로는 규칙파를 사용하였고, 파고자료는 유의파고로 환산하여 불규칙파를 사용한 Ranasinghe et al.
- (2010)은 지형변동 모형은 배제된 파랑-흐름 수치모의를 이용하여, 잠제 배후 해안선을 따라 흐르는 흐름이 분기되는 패턴의 경우를 해안선 침식 반응으로, 집중되는 경우를 해안선 퇴적 반응으로 분류하고, 두 패턴의 모드가 재현되는 조건들을 분석하였다. 해안선에 평행하게 위치한 직선 잠제에 대하여, 지형, 잠제 형상 및 위치, 입사파 등의 조건으로 부터 잠제 후면 해안선 침퇴적을 결정하는 파라미터를 도출하고, 수행된 수치모의 흐름패턴으로부터 해안선 침퇴적 반응을 구분하는 경험식을 제안하였다.
- 0초가 경과한 t0로부터 각 측정위치에서 계측된 5분 동안의 수면변위자료(약 90파 이상)를 추출하여 평균수면변위와 평균파고를 산정하여 그 분포를 결과에 제시하였다. 흐름유속 측정을 위하여 각 실험조건의 조파된 첫 파가 해안선에 도달한 직후에 약 2000개의 추적 입자를 해안선 위에서 동시에 방출하였고, 입자의 이동을 천장 카메라로 촬영하였다. 녹화된 영상으로부터 추출한 이미지는 카메라 렌즈에 의한 왜곡을 정사보정하고(Heckbert, 1989), 보정된 추출이미지에서 이동하는 입자를 추적하여 잠제 후면과 해안선 부근의 유속분포를 LSPIV 기법으로 산정하였다(Fujita et al.
대상 데이터
- 수리실험은 Fig. 1과 같이 전체 길이 40 m, 폭 30 m, 높이 1.2 m의 조파실험수조에서 수행하였다. Ranasinghe et al.
- 촬영 카메라의 기종은 삼성테크윈사의 피쉬아이타입 카메라(SND-K2083R)이며, 촬영영상의 프레임 구성은 1920 × 1080 pixels, 프레임 속도는 60 fps이다.
- 촬영 카메라의 기종은 삼성테크윈사의 피쉬아이타입 카메라(SND-K2083R)이며, 촬영영상의 프레임 구성은 1920 × 1080 pixels, 프레임 속도는 60 fps이다. 추적입자는 지름 4 cm의 구멍이 있는 폴리프로필렌 공을 사용하였다. 수면위에서 이동하는 구멍이 없는 추적입자와 비교하여 일정 부분 수면에 잠겨 이동하기 때문에 급격한 수면변화 구간에서 발생할 수 있는 슬라이딩 현상이 최소화될 수 있고 물입자 이동에 따른 유속측정에 더 적합하다고 판단된다.
- 파고측정을 위해 잠제와 해안선 주변에 측점 120곳을 선정하고, Kenek사의 용량식 파고계를 사용하였다. 잠제의 후면부와 해안선 부근에 파고계를 조밀하게 설치하였으며, 특히 잠제 주변 파고계는 해안선으로부터 수직방향의 잠제 설치 거리(xB)에 따라 위치를 이동시켜 계측하였다.
이론/모형
- Ranasinghe et al.(2010)에서 모의한 잠제 설치 연안을 재현하기 위해 실험수조의 단면지형은 아래의 평형단면 경험식을 사용하여 구성하였다(Dean, 1991).
- 흐름유속 측정을 위하여 각 실험조건의 조파된 첫 파가 해안선에 도달한 직후에 약 2000개의 추적 입자를 해안선 위에서 동시에 방출하였고, 입자의 이동을 천장 카메라로 촬영하였다. 녹화된 영상으로부터 추출한 이미지는 카메라 렌즈에 의한 왜곡을 정사보정하고(Heckbert, 1989), 보정된 추출이미지에서 이동하는 입자를 추적하여 잠제 후면과 해안선 부근의 유속분포를 LSPIV 기법으로 산정하였다(Fujita et al.,1998; Kantoush et al., 2011). 본 연구에서 제시되는 실험결과는 조파된 첫 파가 해안선에 도달 후 약 5.
- 평형단면 지형의 수심을 위해 적용되는 형상계수는 표사의 침강속도에 의해 결정되며,이는 표사의 입경(D50)에 따라 추정할 수 있다(Rouse, 1937). 본 실험 지형의 규모에 적합한 형상계수를 결정하기 위해 표 사입경의 침강속도에 대한 Froude 상사를 적용하였다(Kriebel et al., 1986). 임의의 원형 해안에 대하여 1/10의 축척으로 가정하고, 원형표사 D50 = 0.
성능/효과
- LSPIV 이미지 분석 기법의 평균흐름 패턴으로부터 해안선 침식 반응을 초래하는 잠제 배후 중심부에서 측면부로 흘러나가는 흐름과 해안선 퇴적반응을 초래하는 잠제 배후 측면부에서 중심부로 흘러 들어오는 흐름이 관찰되었다. 또한, 파고, 평균수면 분포로부터 잠제 후면 흐름패턴이 잠제에 의한 파고분포 변화와 그에 따라 발달하는 잠제 후면과 측면의 쇄파유도류 및 평균수면 상승효과의 상호작용에 의해 변화됨을 확인할 수 있었다.
- 결론적으로, 퇴적반응은 잠제 후면 중심의 낮은 파고 영역으로 연안류가 집중되어 발달하여 초기의 평행한 해안선이 전진하는 경우이며, 침식반응은 잠제 상단의 쇄파에 따른 쇄파 유도류와 상승한 평균수면 기울기에 의해 흐름이 중심부의 좌우로 발달되어 초기의 평행한 해안선이 후퇴하는 경우이다. 그러나 Fig.
- 기존 경험식에 따른 침퇴적 반응의 흐름 패턴 결과와 관측 흐름패턴은 전반적으로 일치하는 것을 확인하였다. 그러나 일부 실험조건에서 기존 경험식과 일치하지 않는 결과를 보였고, 또한 두 가지 경우 가운데 하나로 결정하기 힘든, 두 패턴이 동시에 공존하는 실험결과도 관찰되었다. 따라서 흐름패턴으로 해안선 침식반응과 퇴적반응의 두 가지 경우로 분류하는 기존의 방법에 한계가 있는 것으로 판단하여 두 가지 흐름패턴 구간 사이에 천이영역이 존재하는 것으로 제안하였다.
- 또한, 파고, 평균수면 분포로부터 잠제 후면 흐름패턴이 잠제에 의한 파고분포 변화와 그에 따라 발달하는 잠제 후면과 측면의 쇄파유도류 및 평균수면 상승효과의 상호작용에 의해 변화됨을 확인할 수 있었다. 기존 경험식에 따른 침퇴적 반응의 흐름 패턴 결과와 관측 흐름패턴은 전반적으로 일치하는 것을 확인하였다. 그러나 일부 실험조건에서 기존 경험식과 일치하지 않는 결과를 보였고, 또한 두 가지 경우 가운데 하나로 결정하기 힘든, 두 패턴이 동시에 공존하는 실험결과도 관찰되었다.
- 즉, 천이영역 밖의 침식에 안전한 구간의 잠제 파라미터 사용이 적절하다고 판단된다. 또한, 본 실험에서 동일 조건에서도 주기가 변화하는 경우에 흐름패턴이 역전될 수 있음도 확인할 수 있었다.
- LSPIV 이미지 분석 기법의 평균흐름 패턴으로부터 해안선 침식 반응을 초래하는 잠제 배후 중심부에서 측면부로 흘러나가는 흐름과 해안선 퇴적반응을 초래하는 잠제 배후 측면부에서 중심부로 흘러 들어오는 흐름이 관찰되었다. 또한, 파고, 평균수면 분포로부터 잠제 후면 흐름패턴이 잠제에 의한 파고분포 변화와 그에 따라 발달하는 잠제 후면과 측면의 쇄파유도류 및 평균수면 상승효과의 상호작용에 의해 변화됨을 확인할 수 있었다. 기존 경험식에 따른 침퇴적 반응의 흐름 패턴 결과와 관측 흐름패턴은 전반적으로 일치하는 것을 확인하였다.
- 이는 예비실험으로 잠제 주변 파굴절에 의한 파봉의 간섭이 발생하지 않음을 확인하였고, 수로벽에 의한 마찰 영향은 무시할 수 있다고 가정하였다. 본 논문에는 제시하지 않았으나 중심벽의 유무에 따른 수치실험을 통해서도 흐름대칭성을 확인할 수 있었다. 이는 잠제에 의한 흐름발달과 관심영역 밖 측면 수로벽의 간섭문제를 최소화하기 위한 방안이었음을 밝힌다.
- , 2011). 본 연구에서 제시되는 실험결과는 조파된 첫 파가 해안선에 도달 후 약 5.0초(추적 입자가 방출되는 시간)가 경과한 t0로부터 60초 동안의 이미지가 정사 보정되고 LSPIV 기법으로 분석된 평균유속 분포이다. 분석시간 60초는 추적 입자의 관심지역 밖 이동에 따라 입자 분포도 감소되었기 때문에 이에 따른 오차를 최소화하기 위한 것이다.
- 이로부터 연안의 평균흐름은 천수의 연속방정식 조건 아래에서 파랑잉여응력 기울기와 평균수면 기울기항의 균형으로 결정됨을 알 수 있다. 위 내용을 근거로 본 수리실험의 결과인 평균수면변위와 해안선에 직각 입사하는 파향에 큰 변화가 없다는 가정하에 파랑잉여응력에 가장 지배적인 요소인 파고의 분포를 제시하였다.
- 이 경우의 유속분포는 잠제 후면 중심부로 집중되는 흐름과 측면부 밖으로 흘러 나가는 흐름이 동시에 발달하고 있음을 알 수 있다. 즉,잠제 후면 중심부에서는 해안선의 퇴적 반응으로 구분되는 흐름패턴이 보이고, 동시에 잠제 후면 측면부에서는 해안선 침식 반응으로 구분되는 흐름패턴이 관찰되었다. 평균수면 분포 뿐만 아니라 파고 분포로부터 잠제 후면부 연안방향으로의 기울기가 상호 역방향으로 두드러져 보인다.
후속연구
- 또한 상기 연구에서 수치모의를 통해 밝히고 있는 것처럼, 조위에 따른 수심지형의 변화가 크지 않은 경우와 해안선 근처의 굴절을 고려할 때 협각입사 파향의 경우는 각각의 영향이 크지 않다고 판단하고 있다. 그러나 입사파의 주기와 관련된 파라미터의 생략에 대해서는 근거가 부족해 보여, 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다. 상기 연구에서도 밝히고 있는 것처럼 파랑흐름 상호작용 및 반사파 영향의 부재,해안선 고정경계조건 등 사용된 수치모형이 갖는 한계가 있기 때문에 수리실험을 통한 검증이 필요하다고 판단된다.
- 그러나 본 수리 실험은 규칙파를 대상으로 하였고, 축소효과 및 비정상상태의 흐름결과를 이용한 분석이라는 단점이 있음을 밝힌다. 따라서 두 연구 결과를 직접 비교하기 위해서는 불규칙파 조건을 포함한 추가 실험 및 수치모의 연구가 필요하다고 판단된다. 참고로 연구에서 제안하고 있는 경험식은 상기에 기술한 한계를 포함한 결과를 기반으로 하고 있으며, 입사파 주기, 파장에 대한 영향을 무시하고 있는 문제점도 있다.
- 나아가 본 연구의 단순지형과 해안선에 평행한 단일 잠제형상이라는 기본적인 전제는 실제 현장적용에 적합하다고 말할 수 없다. 따라서 현장 설계를 위해서는 최소한 침퇴적 반응 흐름패턴을 확인할 수 있는 수치모의 및 수리실험이 선행될 필요가 있다고 판단된다. 추가로 침퇴적 반응의 흐름패턴에서 지속적인 지형변화를 초래하는지에 대하여 검증할 이동상 실험도 필요할 것으로 판단된다.
- 그러나 입사파의 주기와 관련된 파라미터의 생략에 대해서는 근거가 부족해 보여, 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다. 상기 연구에서도 밝히고 있는 것처럼 파랑흐름 상호작용 및 반사파 영향의 부재,해안선 고정경계조건 등 사용된 수치모형이 갖는 한계가 있기 때문에 수리실험을 통한 검증이 필요하다고 판단된다.
- ,2010). 수치모의를 통한 더 다양한 조건에서의 연구가 가능할 것으로 판단된다. 이미 일부 제한적인 조건에서 의미 있는 결과를 도출한 연구들(Zanuttigh, 2007; Martinelli et al.
- 따라서 현장 설계를 위해서는 최소한 침퇴적 반응 흐름패턴을 확인할 수 있는 수치모의 및 수리실험이 선행될 필요가 있다고 판단된다. 추가로 침퇴적 반응의 흐름패턴에서 지속적인 지형변화를 초래하는지에 대하여 검증할 이동상 실험도 필요할 것으로 판단된다.
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