潛堤 設置에 따른 周邊 海濱의 地形變化 豫測 = (A) Simulation of Beach Evolution around Submerged Breakwaters

국문 초록 (Abstract)

연안해역에 있어서 인위적인 개발로 인하여 표사의 이동이 불균형을 이루어 해안침식과 항내매몰 등의 해빈지형변화를 일으키게 되므로 이러한 문제들을 해결하기 위해서는 주변 환경변화의 영향을 사전에 정량적으로 예측할 수 있는 연구가 선행되어야 하며, 이를 위해서는 우선 연안역에서의 파랑변형, 해빈류 및 지형변화를 정확히 예측할 수 있어야 한다.
본 연구에서는 연안역에서 잠제의 설치에 따른 주변 해빈의 지형변화를 예측하기 위하여 파랑변형모형, 해빈류모형, 지형변화모형으로 구성하였으며, 모형의 현지 적용과 수리실험을 통하여 기존 수치모형의 현지 재현성을 보다 향상시키고자 하였다.
본 연구의 파랑변형모형은 광역과 상세역으로 구분하였으며 광역모형은 파랑의 불규칙성을 재현할 수 있는 에너지 평형방정식으로 심해로부터 천해로의 파고변화를 순차적으로 계산해 나가는 방법을 사용하였다. 상세역모형은 굴절, 회절 및 반사까지도 고려할 수 있는 쌍곡선형 완경사방정식을 선정하고 쇄파대내에서는 쇄파로 인한 에너지 감쇠를 고려하였다. 구조물이존재하는 중복파랑장에서 유한차분법으로 수치해를 구한 다음, Watanabe and Maruyama의 수리실험 결과와 비교하였는데 구조물 전후면을 통하여 수리실험치와 거의 일치하는 파고분포를 보였으며 쇄파대 주변에서의 파고분포도 수리실험치와 거의 일치하는 결과를 보여 주었다. 무반사성 입사경계로는 Watanabe and Maruyama의 투과경계조건을 사용하였고, 해빈류에 대하여 기류력을 제공하는 중복파랑장에서의 라디에이션 응력식은 수치해의 오차를 최소화시키는 Watanabe and Maruyama의 식을 사용하였다.
해빈류모형에서는 비압축성 유체에 대한 연속방정식과 운동방정식을 수심적분하고, 한주기 시간평균하여 비정상, 비선형 형태의 평균류에 대한 기본방정식을 유도하였다 수치해로 기본방정식을 유한차분화하여 구조물 배후에서 흐름의 형태를 구한 다음, Nishimura of al.의 수리실험 결과와 비교 검토하였는데 흐름의 형태와 크기, 위치에 있어서 전반적으로 거의 일치하는 결과를 보여 주었다.
파랑변형모형과 해빈류모형의 계산결과를 이용해서 수심변화를 계산하는 지형변화모형에서는 소류사와 부유사를 동시에 고려할 수 있는 표사량 산정 식으로 수립된 모형을 사용하였다. 그리고 본 수치모형들을 부산 송도해수욕장에 적용하여 수리모형실험 결과와 비교 검토하여 현지 해안에서의 본모형의 재현성을 확인하고 침식억제 방안을 구상하였다.
송도해수욕장의 침식대책공법으로서 잠제의 설치위치에 따른 평면계획이해수욕장 전면해역의 파랑변형, 해빈류, 지형변화에 어느 정도 영향을 미치는 가에 대해서 고찰한 후, 최적안으로는 인공양빈에 의한 모래사장의 확장과 병행하여 해안선에서 평균 이격거리 약 240m의 위치에 잠제(천단고 : D.L.(-)0.5m, 천단폭 : 40m)를 연장 100m×3개소, 잠제간 이격거리 50m로 설치하는 것이 이상파랑을 가장 효과적으로 제어하여 침식현상을 최소화시킬 수 있는 안으로 제시되었다.
앞으로 파랑의 비선형 효과와 구조물의 투과성을 고려하는 경계처리의 개선이 필요하며, 현지 적용시에는 현장의 조건을 충분히 재현할 수 있도록 수치모형에 포함된 무차원상수 및 계수들을 정확히 결정하기 위하여 충분한 현장관측과 아울러 수리모형실험의 수행이 필수적이라 생각된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The sediment budget is unbalanced due to the artificial development of the nearshore zone. And it causes beach evolution such as shore erosion and accretion. So, to solve these problems, a study which can quantitatively predict, ahead of time, the impect of the environmental changes close by should be done beforehand. The best study to solve these problems would be one that predicts the wave transformations, wave induced current and bottom topography deformation precisely.
In the wave transformation model of this thesis, the energy balance equation is selected to compute wave transformations at computational large domain and the hyperbolic mild slope equation is selected at computational detail domain to compute wave transformations involving refraction, diffraction and reflection, and energy dissipation term due to wave breaking at the surf zone is added to the basic equation. Numerical solutions are obtained by a finite difference method and are compared with the results from Watanabe and Maruyama's hydraulic experiment for the composite wave field associated with a coastal structure. Watanabe and Maruyama's transmitive boundary condition is used as the nonreflective incidence boundary condition. For the radiation stress formula in the composite wave field which offers the driving force to the wave induced current, Watanabe and Maruyama's formula which minimizes numerical error is selected.
In the wave induced current model, the depth-Integrated and time-averaged governing equation of an unsteady nonlinear form is derived from the continuity and momentum equations of an incompressible fluid. Numerical solutions are obtained by a finite difference method for the governing equation and the computed flow patterns of in the shadow zone of a structure are compared with the results from Nishimura et al.'s hydraulic experiment. In the vicinity of a structure, computed wave height distributions and flow patterns agreed well with the hydraulic experimental results.
The bottom topography deformation model is established from the conservation equation for sediment mass that can be considered the bed and suspended load simultaneously on the basis of the calculation of the previous sub models in the wave-current coexistent field.
We should adapt these models into Songdo beach, in Busan, and compare and check them with the hydraulic experimental results and confirm the agreement of these models in the local coast and come up with an erosion control work.
As the simulation result, the following erosion control work into Songdo beach is proposed to construct submerged breakwaters(crown elevation : D.L.(-)0.5m, crown width : 40m) 100m×3EA, 50m apart distance of 240m from shoreline together with artificial beach nourishment.
It is expected that these models would be very useful to predict, in a short-term period, the changes to the bottom topography in the future for nearshore zone development.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 = ⅰ
• 목차 = ⅲ
• Ⅰ. 서론 = 1
• 1. 연구의 필요성 및 목적 = 1
• 2. 연구의 범위 및 내용 = 3
• Ⅱ. 파랑변형 수치모형 = 5
• 1. 개설 = 5
• 2. 기본방정식 = 10
• 가. 에너지 평형방정식 = 10
• 나. 쌍곡선형 완경사방정식 = 14
• 3. 수치계산법 = 23
• 가. 에너지 평형방정식 = 23
• 나. 쌍곡선형 완경사방정식 = 25
• (1) 계산격자의 전체구성 = 26
• (2) 기본방정식의 차분화 = 26
• (3) 초기조건 및 경계조건 = 30
• (4) 차분계산의 안정조건 = 35
• 4. 모형의 적용 및 검토 = 36
• 가. 이안제에 대한 적용 = 36
• 나. 모형의 검토 = 36
• Ⅲ. 해빈류 수치 모형 = 41
• 1. 개설 = 41
• 2. 기본방정식 = 45
• 가. 평균류에 대한 연속방정식 = 46
• 나. 평균류에 대한 운동방정식 = 48
• (1) 라디에이션 응력 = 53
• (2) 수평확산 = 55
• (3) 저면마찰 = 56
• 3. 수치계산법 = 59
• 가. 수치계산의 방법 = 59
• (1) 계산방법의 검토 = 59
• (2) 기본방정식의 차분화 = 59
• 나. 초기조건 및 경계조건 = 67
• (1) 초기조건 = 67
• (2) 경계조건 = 67
• 다. 차분계산의 안정조건 = 68
• 4. 해빈류모형의 적용 및 검토 = 69
• 가. 이안제에 대한 적용 = 69
• 나. 모형의 검토 = 69
• Ⅳ. 지형변화 수치모형 = 74
• 1. 개설 = 74
• 2. 기본방정식 = 76
• 가. 흐름에 의한 표사량 = 78
• 나. 파랑에 의한 표사량 = 80
• 다. 저면마찰력 = 85
• 라. 이동한계 마찰속도 = 87
• 3. 수치계산법 = 89
• Ⅴ. 송도해수욕장의 지형변화 수치모형실험 = 92
• 1. 개설 = 92
• 2. 수치모형의 수립 = 94
• 가. 파랑변형 수치모형 = 94
• (1) 광역모형 = 96
• (2) 상세역모형 = 96
• 나. 해빈류 수치모형 = 102
• 다. 지형변화 수치모형 = 102
• 3. 모형의 적용 및 결과 = 104
• 가. 실험안의 구상 = 104
• 나. 모형의 적용 및 고찰 = 106
• (1) 광역모형 = 106
• (2) 상세역모형 = 106
• Ⅵ. 송도해수욕장의 표사이동에 관한 수리모형실험 = 120
• 1. 상사법칙 = 120
• 2. 실험장치 및 실험방법 = 124
• 3. 모형의 축척과 제작 = 127
• 4. 실험의 종류 = 129
• 5. 실험결과 및 고찰 = 130
• 가. 현상태에 대한 결과 = 130
• 나. 실험안에 대한 결과 = 130
• (1) 파고분포 계측 결과 = 130
• (2) 단면변화 및 지형변화실험 결과 = 132
• Ⅶ. 결론 = 141
• 부록 A. 중복 파랑장에서 선유량과 수면변위로 표현된 라디에이션 응력식 = 143
• 부록 B. 조위보정에 따른 연도별 해빈폭산정 및 변화추이도 = 148
• 참고문헌 = 151
• ABSTRACT = 162
• 감사의 글