초록 ▼

I. 제 목 : 해수교환방파제의 실용화 연구(IV) II. 연구개발의 목적 및 필요성 재래식의 비투과성 방파제를 설치하여 조성된 항내의 수역은 폐쇄성 수역이 되므로 항내？외의 해수 유통이 크게 저하되어 조석간만의 차이가 크지 않은 경우에는 항내에 산소가 만성적으로 부족하게 되며 부영양화가 발생하기도 한다. 이러한 변화는 결국 항내 생태계에 악영향을 미침으로써 항내 수역의 생산능력을 저하시킬 뿐 아니라 심한 악취를 발생하게 함으로써 국민보건에 위해를 가하게 된다. 현재, 국내의 많은 항만 및 어항은 자정능력 상실로

I. 제 목 : 해수교환방파제의 실용화 연구(IV) II. 연구개발의 목적 및 필요성 재래식의 비투과성 방파제를 설치하여 조성된 항내의 수역은 폐쇄성 수역이 되므로 항내？외의 해수 유통이 크게 저하되어 조석간만의 차이가 크지 않은 경우에는 항내에 산소가 만성적으로 부족하게 되며 부영양화가 발생하기도 한다. 이러한 변화는 결국 항내 생태계에 악영향을 미침으로써 항내 수역의 생산능력을 저하시킬 뿐 아니라 심한 악취를 발생하게 함으로써 국민보건에 위해를 가하게 된다. 현재, 국내의 많은 항만 및 어항은 자정능력 상실로 수질이 매우 악화되어 어민들이 많은 어려움을 겪고 있다. 우리나라는 연안개발이 세계에서 가장 활발한 나라중의 하나로서 항만 개발과 어항의 확충 소요는 꾸준히 증가하고 있다. 만일 별도의 정책적 조치가 없는 한 재래식 항만 개발로 인하여 항내의 수질은 더욱 악화될 전망이다. 따라서, 항내의 수질을 보전하거나 개선하기 위해서는 우선 오염원이 항내로 유입되지 않도록 하는 정책의 강화와 함께 관련 시설의 설치가 필요하다. 그리고 이와는 별도로 국민에게 쾌적한 생활공간을 제공하고 볼거리를 제공하며 어민의 소득을 향상시키기 위해서는 항만 및 어항을 개발할 때에 수질환경을 보전할 수 있는 새로운 항만 건설기술을 개발함이 필요하다. 본 연구는 이와 같은 필요성에 진취적으로 대처하기 위하여 신형 해수교환방파제의 형식을 개발하고 이를 실용화하는 기술을 연구함에 목적이 있다. III. 연구개발의 내용 및 범위 방파제를 설치할 현장의 입지여건에 따라 선택적으로 사용할 수 있도록 고안한 신형 경사식 해수교환방파제와 직립 케이슨식 해수교환방파제의 구조형식을 대상으로 단면수리모형실험과 이론연구를 통하여 각 구조형식에 의한 파고에 따른 해수유입 특성과 구조특성을 밝히고 이들을 체계화함으로써 기본설계에 필요한 지침서를 작성한다. 아울러 우리나라 주요 항만과 어항의 수질현황을 파악하여 향후 해수교환 방안 수립에 필요한 기초자료를 제공한다. IV. 연구개발결과 ■ 제 1차년도(1998) 연구의 중요 결과 - 우리나라 주요항의 수질현황 자료 분석 : 1981년부터 1996년까지의 16년간 해양경찰청(1985-1991)에서 조사한 연안해역의 수질자료 중 부산항을 포함한 9개의 항을 대상으로 COD(화학적 산소 요구량), DO(용존산소량), T-N(총질소), T-P(총인)의 시간별 변화를 파악하였다. 이들 항목의 연도별 농도는 매우 심한 변화를 보이고 있을 뿐 아니라 관측점의 수효나 위치도 항만간의 수질을 상대비교할 목적으로 사용하기에 적합하지 못하였다. 향후 상대비교를 위해서는 관측점의 수효를 증가하여야 할 필요가 있는 것으로 판단되었다. T-N과 T-P는 전체적으로 3급수의 기준을 크게 초과하고 있으며, 전반적 수질은 서해안에서보다는 남해안에서, 남해안에서보다는 동해안에서 일반적으로 더 불량하여 항내？외의 해수교환이 불량할수록 수질이 불량한 경향을 보이고 있다. - 해외의 주요 연구？시공사례의 분석 : 반 폐쇄성 수역의 수질을 개선하기 위하여 사용할 수 있는 기존 기술의 유형을 검토하였다. 이에는 오염원의 유입을 삭감하는 방법, 해저로부터 용출되는 오염량을 삭감하는 방법, 수역의 내부에서 오염이 생산되는 것을 삭감하는 방법, 수질을 직접 정화하는 방법, 그리고 외해수를 유입하거나 오염도를 희석시키는 방법 등이 있다. 이 중 외해수를 유입하여 오염도를 희석시키는 방법이 항내의 수질을 보전하기 위하여 많이 사용되고 있다. 항내？외의 해수교환은 난류혼합, 수평순환류, 그리고 연직순환류 등 여러 가지의 기구로 발생하므로 이들이 방파제의 배치에 따라 변화되는 양상에 대한 연구결과들을 검토하였다. 한편, 일본에서 시공된 다양한 형식의 해수교환방파제의 단면들을 비교？검토하여 장단점을 평가하였다. - 바람직한 해수교환방파제의 요건 정의 : 상기의 조사？분석을 통하여 본 연구에서 개발할 방파제가 이?? 정의하였다. ① 항내로 일방향 흐름을 유도할 수 있는 형식,② 평상시의 작은 파력을 효과적으로 이용할 수 있는 형식, ③ 유입수를 방파제로부터 멀리 떨어진 항내의 수역까지 유도할 수 있는 형식, ④ 유입수로 인하여 항내의 수면이 크게 교란되지 않는 구조형식, ⑤ 방파제 주변의 수리현상이 수려하여 관광자원으로 이용될 수 있는 형식, - 신구조형식의 고안 및 개략적 비교실험 : 직립케이슨식 및 경사식 등 7가지 새로운 형식의 방파제 단면을 고안하여, 규칙파를 이용한 기본적인 단면수리모형실험연구를 수행하였다. 파고에 따른 해수의 유입강도를 개략적으로 상대 비교함으로써 해수 유입 측면의 기초 특성을 파악하였으며 단면 형식별 설계인자들을 정리함으로써 향후 실용화 목표 형식을 선정할 뿐 아니라 정밀 연구에 필요한 자료들을 확보하였다. 아울러 월류제를 이용하는 해수유입시스템에 대한 단면수리모형실험을 통하여 주문진항의 수질개선을 위하여 적합하다고 판단되는 구조형식을 선정하였다. ■ 제 2차년도(1999) 연구의 중요 결과 제2차년도에는 제1차년도의 연구결과를 이용하여 주문진항의 해수교환방안을 수립하는 실해역 지향적인 연구를 수행하였다. 주요 연구결과는 다음과 같다. - 현장조사 및 자료 분석 : 주문진항 방파제의 기부측 외해역에서 파력에너지를 추정하기 위하여 파랑관측을 통하여 월별 주기별 파고의 통계적 분포특성을 파악하였다. 또한 수질 현황을 파악하기 위하여 항내？외의 정점들에서 DO(용존산소량)와 COD(화학적 산소요구량)를 조사하였다. 그리고 현장의 기타 여건을 파악하기 위하여 조석, 조류 및 수심도 조사하였다. - 항내 해수순환 수치모형실험 : 해수교환 방파제의 설치위치와 규모, 해수 유입구의 설치위치 그리고 해수 유입량의 변화에 따른 항내 COD의 확산 상황을 예측하기 위하여 수치모형실험을 수행함으로써 바람직한 평균 해수유입량을 추정하였다. - 해수유입 구조물의 기본설계를 위한 수리모형실험 : 단면수리모형실험을 통하여 주문진항에 설치 가능한 월류제의 구조형식과 단면의 규모를 설정하여 안정성을 검토하고, 이를 이용한 해수유입량 평가실험을 통하여 연간 해수 유입량을 개략적으로 추정하였다. 아울러 구조물의 1차적 평면 배치안을 제시하였다. ■ 제 3차년도(2000) 연구의 중요 결과 1차년도의 연구의 연장선상으로 다시 돌아와 실용화에 적합한 2가지의 구조형식을 대상으로 기본설계에 필요한 후속연구로서 수리특성에 관한 연구를 수행하였다. - 유수실 내장 경사제의 수리특성 : 경사제 형식의 방파제에 적용하기 위하여 유수실이 내장된 경사식 방？제 형식을 대상으로 조위 및 파고등의 변화에 따른 해수의 유？출입 유속과 유？출입 유입량의 변화특성에 대한 불규칙파 실험 연구를 수행하였으며, 파고에 따라 개략적으로 순유입량을 예측할 수 있는 1차적 경험식을 도출하였다. - 진동수로 내장 케이슨제의 수리특성 : 직립 케이슨식 방파제에 적용하기 위하여 1차년도에 구체화된 진동수로가 내장된 케이슨식 방파제 형식을 대상으로 진동수로의 길이 및 파고와 파의 주기의 변화에 따라 진동수로 내에서 발생하는 수위의 상승폭과 수위 상승이 최대가 되는 공진주기의 변화 양상을 규명하기 위한 연구를 수행하였다. 아울러 진동수로의 외력에 대한 안정성 문제를 검토하기 위하여 진동수로의 유입구 부근에서 파압을 측정하여 구조형상으로 인한 충격파는 발생하지 않음을 확인하였다. - 항내 정체지수의 개발 : 향후 해수교환방파제의 설치 필요성을 평가하고 설치 우선순위를 결정할 때에 이용할 수 있도록 항내정체지수라는 새로운 지수를 제안하였으며, 이를 동해, 남해, 서해 남부 해역의 연안항과 무역항 그리고 1종어항 등 69개항을 대상으로 지수를 산정하였다. - 현장조사 : 항내 수질 개선이 요구되고 있는 묵호항과 속초항을 대상으로 방파제 외측 해역의 파랑을 관측하여 파고 및 주기의 분포를 파악하였으며, 항내의 공간별 수질분포를 개략적으로 파악하기 위하여 수온, COD 그리고 DO를 조사하여 분석하였다. - 본 연구결과는 주문진항 해수유입구조물 실시설계에 이용된 결과 재래식 공법에 비하여 공사비는 대폭 절감되며밝혀졌다. ■ 제 4차년도(2001) 연방파제를 채용한 3가지 형식의 해수교환 구조물 형식을 대상으로 단면 제원의 변화에 따른 해수유입 측정실험을 통하여 파고에 따른 해수의 유입강도를 예측할 수 있는 1차적 경험식들을 도출하여 비교？분석함으로써 기본설계에 이용될 수 있도록 하였다. - 유수실 내장 경사식 해수교환방파제의 케이슨에 작용하는 파압분포를 파악하였다. - 방어진항 남방파제 외측 해역에서 파고관측을 수행하였으며, 항내 수역의 COD를 측정하였다. V. 연구개발결과의 활용계획 연구개발 결과는 2002년도 연구사업에서 기본설계 지침서를 개발할 때에 중점적으로 활용될 예정이다. 현재까지의 연구결과는 현장 설계의 요구가 있을 경우에는 보완연구를 통하여 현장의 특수 여건에 따른 설계에 이용될 수 있다. VI. 연구개발목표 달성도 및 대외 기여도 해수유입특성의 정밀 연구라는 2001년도의 목적을 달성하였으며, 연구 결과는 주문진항의 해수교환구조물 실시설계 사업에 직접적으로 이용되었다.

Abstract ▼

I. TITLE A Study of Putting Water-Exchange Breakwaters to Practical Use II. Necessity and Objective Water quality in the harbor basin semi-closed by impermeable breakwaters is getting worse due to the shortage of dissolved oxygen caused by weakened flow circulation between inside and outside the

I. TITLE A Study of Putting Water-Exchange Breakwaters to Practical Use II. Necessity and Objective Water quality in the harbor basin semi-closed by impermeable breakwaters is getting worse due to the shortage of dissolved oxygen caused by weakened flow circulation between inside and outside the harbor. In Korea, many harbors and fishing ports of this shape are troubled with water quality problem. In order to preserve or improve the water quality inside the harbor, the comprehensive countermeasures should be prepared, such as the blockage of the pollutant supply and the elevation of self-purification power of seawater inside the harbor. The former can be realized by enforcement of the relevant policy. The best way to solve the latter problem technically is to increase the supply of oxygen into seawater of the harbor, which can be achieved by strengthening flow circulation and increasing water-exchange rate between inside and outside the harbor. This is the reason that a water-exchangeable breakwater is suggested as a new concept of the harbor exterior structure. This study had been launched based on the recognition of the necessity on the improvement of water quality inside a harbor. The purpose of the study is 'to develop the technology related to the breakwater which has the function of water-exchange between inside and to put the technology to practical use'. III. Scope of the Study The scope of this 5-year project can be classified into 4 parts: 1) device of various types of water-exchange breakwater including rubble-mound type and vertical caisson type, 2) comprehensive analysis on water-exchange characteristics and structural properties of the selected types of breakwaters, which are rubble-mound type and vertical caisson type by means of hydraulic experiments and theoretical study, 3) systematization of relevant technologies and preparation of the user manual for the practical use in the basic design of the water-exchange breakwater, and finally 4) provision of fundamental data on present water quality state of major harbors and fishing ports of Korea from collection and analysis of existing data, which can be used as the background data for the establishment of the plan on water quality control of a harbor using the water-exchange breakwater developed in this study. IV. Results and Discussion ■ 1st Year Study In the first year, the study was carried out on the following 4 major topics ; 1) collection and analysis of water quality data of major port in Korea including Busan harbor, 2) survey of foreign researches and construction examples related to design and construction of water-exchange breakwater, 3) setting-up of desirable conditions on the water-exchange breakwaters to be developed, and finally 4) conceptual design of new types of water-exchange breakwaters and hydraulic experiments for the comparison with each other. Main results of this year study are as follows. All 7 types of water-exchange breakwaters are suggested and modelled to be used selectively in accordance with the real wave conditions. Comparison the water inflow rate through a breakwater with each other shows that the breakwater with a fluctuating channel and reservoir yield the largest flow rate. It is found that the breakwater with a reservoir has an advantage over others in supplying inflowing water far away from the breakwater. ■ 2nd Year Study A conceptual designing work was conducted on the seawater inflowing structure for Jumunjin harbor in the East Sea, of which seawater inflowing is induced by the action of water waves. The wave height around the harbor, the current at the harbor mouth, and the water quality inside the harbor are measured. Through the numerical modelling of hydrodynamics, the required quantity of inflowing water into the harbor was determined. The outline of the water-exchange system designed for the water quality improvement of Jumunjin harbor can be described as follows. A seawater pool surrounded by the existing breakwater and a seawall at the sea side is created. The seawall allows overflow in order to raise the water surface elevation in the pool. The water in the pool flows into the harbor through the pipe due to the difference of elevations of water surface between the pool and the harbor. The shape and dimension of the seawall is determined by hydraulic model experiments. It is arch-shaped to allow seawater overflow into the pool irrespective of the direction of water waves, and also to get the sufficient stability against the impact of water waves. Particulars to be considered in designing the wall including dimension and layout of the pipe are also suggested. ■ 3rd Year Study In the 3rd year, two new types of water-exchange breakwaters were developed : a water-exchangeable rubble mound breakwater with the running water storage and a water-exchangeable composite breakwater with pipes for oscillating water. Two series of hydraulic scale model experiments were carried out to evaluate the hydraulic performance of each breakwater. For the practical use in the design of the water-exchangeable rubble mound breakwater, empirical formulas were derived for the prediction of the net inflow in various conditions of wave heights and dimensions of the breakwater cross-section. For the water-exchangeable composite breakwater, no occurrence of impulsive wave pressure at the mouth of oscillating water columns was confirmed. A new Harbor Stagnation Index(S.I.) for the evaluation of the pollution vulnerability in the harbor was suggested and applied for 69 harbors located in the eastern and southern coasts of Korea. The wave heights and periods were measured at Mukho harbor and Sokcho harbor, which are known as the places the improvement of water quality is urgently required. The spatial distributions of water temperature, COD and DO were also investigated. ■ 4th Year Study For 3 types of water-exchange structure, which adopt the water-exchangeable rubble mound breakwater with the running water storage, hydraulic scale model experiments were carried out to evaluate the seawater inflow characteristics according to the variation of cross-section dimensions. For the practical use in the basic design, empirical formulas for the prediction of the inflow rate in various conditions of wave heights were derived and compared with each other. Pressure distribution acting on the caisson of the water-exchangeable rubble mound breakwater with the running water storage was investigated. Wave measurements were carried out outside Bangeojin harbor and COD inside the harbor was also investigated. V. Practical Application of the Study All the results from this study will be used as a basis on the user manual for the basic design of water-exchange breakwater, which will be prepared in the next year. All the developed technologies on the water-exchange breakwater including empirical formulas and relevant parameters can be applied to the practical design with supplementary study. V. Accomplishment and Contribution The goal of this year study was attained with satisfactory results. The research results were directly applied to the execution design on the water-exchange structure of Jumunjin harbor.

목차 Contents

• 표지 ...1
• 제출문 ...2
• 요약문 ...3
• SUMMARY ...8
• 목차 ...12
• 표목차 ...15
• 그림목차 ...16
• 제1장 서론...21
• 제2장 경사식 해수교환방파제의 유입특성 수리모형실험...23
• 제1절 개요...23
• 제2절 조파기 및 실험장치...23
• 제3절 모형 및 계측기기의 설치...25
• 제4절 실험조건...27
• 제5절 유속 측정을 위한 실험 단면안 및 실험방법...30
• 제3장 유속측정 결과 및 중회귀분석에 의한 변수 검토...39
• 제1절 변수 검토의 목적...39
• 제2절 변수 선택법...41
• 제3절 불규칙파 실험 분석결과...41
• 제4절 토론...48
• 제4장 구조형식별 유입유속특성...49
• 제1절 개요...49
• 제2절 유입유속 특성곡선의 추정...49
• 제3절 구조형식별 유입유속 특성곡선식의 고찰...59
• 제5장 경사식 해수교환 방파제의 케이슨에 작용하는 파압 분포...66
• 제1절 개요...66
• 제2절 실험 결과...67
• 제6장 연안해역 수질자료 수집 분석...79
• 제1절 개요...79
• 제2절 자료 분석...80
• 제3절 결론...114
• 제7장 현장관측 및 자료 분석...115
• 제1절 파랑 관측.분석...115
• 제2절 COD 조사.분석...130
• 제8장 결론 및 향후 연구계획...136
• 제1절 결론 및 제언...136
• 제2절 향후 연구계획...138
• 참고문헌...139
• 부록...140