동수역학적 통합외력모형을 이용한 장기간 해안지형변화 모의 및 분석

국문 초록 (Abstract)

해안의 개발로 인한 연안의 모래이동 경향 변화는 급격하게 일어나며 지역적으로 침식 및 퇴적 현상이 가속화되는 사례가 증가하고 있다. 하지만 한번 침식되거나 퇴적된 모래를 원래의 상태로 되돌리는 것은 그 원인 규명이 어려울 뿐 아니라 오랜 기간의 노력으로도 불가능할 수도 있다. 연안의 모래자원을 관리하는 것은 매우 중요한 과제이며 앞으로 지구는 온난화의 영향으로 해안침식 피해가 예상되는 지역이 증가할 수 있다는 우려도 제기되고 있어 종합적인 대책과 지원이 필요하다.
연안표사의 이동에 영향을 주는 연안류에는 조석에 의해 기인하는 조류, 내습 파랑에 의해 흐름의 크기 및 방향이 결정되는 해빈류, 바람에 의해 생성되는 취송류 및 하천 유량에 의한 흐름(권경환, 2012) 등이 있다. 황우치 주변해역은 지속적인 화순항의 방파제 건설 및 확장공사로 인해 표층모래의 이동경향이 변화해 왔다. 이에 황우치 해변은 급격한 침식이 발생하였고 인근 화순항 내측에서 모래퇴적이 발생하여 항내 유지준설이 정기적으로 수행되고 있다. 화순항은 1991년 연안항으로 지정된 후, 1995년 화순항 방파제 실시설계계획을 수립하면서 본격적으로 개발되기 시작하였으며, 화순항 1단계 개발사업, 동방파제 연장과 2단계 개발사업을 거쳐 현재의 모습을 갖추게 되었다. 화순항 동방파제 건설로 인해 황우치 해변의 침식 문제가 지속적으로 발생함에 따라 해변 전면 수중에 2기의 잠제를 건설하였고, 황우치 해변에 22만㎥의 양빈 공사를 하였다. 그러나 잠제 건설과 양빈 이후에도 황우치 해변은 지속적인 침식이 발생하여, 황우치 해변의 서쪽에서는 모래를 찾아보기 힘들게 되었다.
연안의 다양한 인공구조물 건설로 발생하는 모래의 침식과 퇴적환경 변화 현상에 대한 원인을 규명하기 위해 다양한 모래 이동 연구 방법을 활용하고 있다. 본 연구는 연안의 모래 이동 경향의 변화양상을 분석하기 위하여 장기간 해양 물리 관측자료 및 수치계산으로 해역의 모래 이동에 영향을 줄 수 있는 해양물리 요인에 대한 검토를 수행하였고 수심측량, 항공사진 측량을 통해 해저지형, 해변 및 해안선의 변화에 대해 현황을 분석하였다. 장기간 모니터링으로 수집한 해양물리 자료와 수심측량 자료를 수집하여 모래이동의 주요 외력조건에 대한 해양환경 특성을 분석하였다.
기존 지형변화 계산 시 연안 표사이동에 영향을 주는 다양한 외력 요인이 동시에 반영되는 계산을 수행하는 데 있어 물리적, 기술적 한계가 있었다. 하지만 최근 계산기법의 발달과 계산 속도의 향상으로 동수역학모형에 다양한 외력을 동시에 적용하여 계산할 수 있게 되었다. 최근 연구 동향을 보면 연안의 지형변화 계산 시 파랑을 반영하여 현상과 유사한 계산 결과를 도출한 사례들이 늘어가는 추세이다. 지형변화량 계산에 있어 1 조석 주기나, 통계분석에 의한 대표 외력 조건에 의한 지형변화 계산 결과는 1년 ~ 10년 이상의 장기적인 연안 모래이동 경향을 대표하기에 어려움이 있다. 최근 연간 파랑 입력조건을 이용하여 연안의 침퇴적 계산을 수행한 사례가 있지만 조석, 조류, 파랑, 해빈류를 동시에 반영하여 10년 이상의 장기적인 계산을 수행한 사례는 찾아보기 어렵다. 본 연구에서는 장기간 후측자료를 입력자료로 한 20년간 해역의 모래이동을 계산하고 기존 계산기법의 결과와 비교를 하였으며 동수역학적 통합외력 모형의 장기간 지형변화 계산의 장점과 적용성을 평가하였다.
관측자료의 보완으로 연속적인 파랑자료 획득을 위해 1979년부터 제공하는 장기파랑 후측 모형의 결과를 이용하여 해역의 40년간 내습파랑 특성을 분석하고 2000년대 이후 화순항 인근의 모래이동 경향성의 변화 과정을 해석하기 위한 수치모형 실험의 입력자료로 활용하였다. 그리고 모래기원 분석, 모래이동 경향분석과 수중조사를 통한 복합적인 모래이동 분석결과와 수치모형 실험의 결과를 비교하며 조석, 조류 및 파랑 통합모형이 자연현상과 유사한 결과를 제시함을 확인하고 해안개발에 따른 모래이동 경향 변화를 비교하였다.
조석에 의한 조차가 큰 해안에서 수위변화에 의한 수심이 변화한다. 이와 같은 고정된 수위 조건에서 실험하는 경우 해안선 부근에서 자연 현상과 상이 한 결과를 도출할 수 있을 것으로 판단된다. 계절별 대표 파랑을 파향별 파랑 내습 빈도 및 통계분석을 이용한 실험을 보면 내습 파랑 중 특정 파랑에 대해서만 계산이 수행되어 장기간 내습 파랑의 특성을 포함하지 못하며 연안 부근의 수심 변화가 실제 수심측량 성과의 경향과 차이를 보이는 것을 확인할 수 있다.
해안개발에 따른 지형변화 검토를 위해 2000년 ~ 2019년까지 동일 외력 조건에서 실험을 수행하였다. 20년 계산된 실험결과의 분석은 크게 20년 실험 이후의 모래 퇴적층의 두께, 침‧퇴적 변화와 표사이동 누적 벡터를 분석하였다. 계산결과를 보면 화순항 및 황우치 해변 인근에서는 화순항 개발에 따라 모래 이동의 방향이 변화하는 것을 확인할 수 있다. 특히 남동쪽 외해의 모래 이동 방향이 시계 반대 방향으로 이동 방향의 변화가 나타난다. 이와 같은 결과를 볼 때 국부적인 구조물의 건설은 인근 해역 전체의 장기적인 물질이동의 방향에 대한 영향을 주는 것을 확인할 수 있다.
다양한 외력 성분을 반영한 동수역학적 외력모형은 지형변화량 계산의 정성적, 정량적 정확도를 높여주며, 실제의 자연현상과 유사한 수치실험 결과를 제시할 수 있다. 해안개발에 따른 설계, 환경적 영향 평가 시 동수역학적 통합외력모형을 활용한 장기간 지형변화 수치실험 방법을 활용한다면 연안 모래이동 환경을 과학적으로 분석하고 예측하는 하나의 방법으로 적합할 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Sand transport trends change radically due to injudicious developments in coastal areas that accelerate local erosion and deposition. Once soils are eroded or deposited, it is extremely difficult to reclaim the process back to the original state as identifying the cause of the phenomenon itself is such a complicated process and can be unachieved even with years of effort. Thus, management of sand resources must be considered more significantly as concerns arise for increased number of areas that are affected by beach erosion due to the effect of global warming. Hence countermeasures and supports by the federal government is required.
Tidal current, wave induced current, wind drift currents and flow due to river discharge are different littoral currents that cause longshore sediment transport (Kwon 2012). The movement trend of the surface erosion in Hwangwoochi Beach has changed due to breakwater construction and expansion of Hwasun Port. Therefore, Hwangwoochi Beach has been rapidly eroded and sizable amount of sand sediments have occurred within Hwasun Port which is being dredged regularly (Jeju Special Self-Governing Province, 2020).
Hwasun Port was designated as a coastal port in 1991 and the development plan for Hwasun Port breakwater was initiated after establishing a working plan implementation in 1995. With the completion of first stage development for Hwasun Port, extension of eastern breakwater and the second stage of development were initiated which resulted in current formation the port. The construction of eastern breakwater continued to raised issues on Hwangwoochi Beach hence installations of two submerged reefs in front of the beach and beach nourishment on 220,000㎡ area were carried out. However, regardless of all the effort, Hawngoochi Beach continued to erode and only left very small amount of sand in west side of the beach.
Various methods on studying the sand movement are utilized to determine the cause of sand erosion and changes in sedimentary environment due to the construction of numerous artificial structures along the coast. Long-term physical oceanography survey and numerical calculations were conducted in this study to analyze changes in sand movement trends. Therefore, external conditions that could affect sand movement can be reviewed through various techniques such as analysis of changes in seabed terrain, beaches, and coastlines using bathymetric data and aerial image survey. Long-term oceanography monitoring data and bathymetric survey data were collected to analyze the characteristics of the marine environment for major external conditions of sand migration.
Previously, physical and technical limitations on coupled calculations on various external forces that cause sediment transport existed during morphology change calculations. However, with recent development in computational methods as well as improvement in calculation speed, various external forces such as tidal elevation, wave, wind and more can be applied to a hydrodynamic model and calculated simultaneously. Recent research trend indicates that increasing number of studies produce highly realistic results occur when wave effects are considered while calculating coastal morphology changes. A single cycle of tidal activity or statistics analysis is not sufficient to be the major external condition for numerical modelling of more than 1 to 10 years of long-term coastal sand transport trends. Although, several studies considered yearly wave data inputs to calculate coastal erosion and accumulation, but the considered period is no longer than 10 years. In this study, long-term hindcast data was used an input data to account for the sand transport over 20 years of time and was compared with the results from generic computational method followed by an evaluation of the integrated hydrodynamic model for its advantage and application on long-term morphology change calculation.
The long-term hindcast model provided wave data from 1979 and was used to analyze the characteristics of incoming waves over the period of 40 years. The analyzed data was used as an input data to compute sand movement trend and the process of change near Hwasun Port after year 2000s. Additionally, the results of complex sand movement analysis through sand origin analysis, sand movement trend analysis, and underwater investigation with the results of numerical model experiments were compared to present similarities in tidal-current and wave integrated model and actual and both actual and simulated results in sand migration trend.
Areas with large tidal range have tendency to change depths by change in water elevation. If experiments are conducted under such fixed water level conditions, it is estimated that the results will differ from natural phenomena that actually occur near the coastline. From the experimental results using statical analysis and frequency of incoming waves from every direction seasonally, distinct difference between the computed results and the survey results for bathymetry can be observed since only certain wave effects were only considered and this excludes the special characteristics of long-term incoming waves.
Experiments were carried out under the identical external force conditions from 2000 to 2019 to review the changes in the landscape following coastal development.. The experimental results for thickness of sand deposits, deposition and accumulation change, accumulated vectors of sand transport were analyzed and showed evidence that coastal development of Hwasoon Port affected the sand transport trend in Hwangwoochi beach and Hwasoon Harbor. In the southeast outer sea area, sand transport in anti-clockwise direction was found which indicates that installation of localized rigid structure impacts the long-term material transport over the entire coastal area.
Integrated hydrodynamic models that utilizes several externa l conditions improve qualitive and quantitative accuracies of morphology change calculations and produce results that are close to real life scenarios relatively well.
From the results shown in this study, it can be deduced that; Long-term morphology change experiments using integrated hydrodynamic model is a suitable method for the analysis and prediction of coastal sand transport during an environment and design impact assessment for any coastal development.

목차 (Table of Contents)

• 목 차 i
• List of Table iii
• List of Figure ix
• 초 록 xv
• 1. 서론 1
• 가. 연구배경 및 목적 1
• 나. 연구내용 및 방법 5
• 다. 연구의 기대효과 8
• 2. 장기간 모래이동 연구방법 11
• 가. 모래이동 연구방법 11
• 나. 해양환경 연구자료 수집 13
• 다. 지형변화 수치모형실험 연구방법 13
• 라. 장기간 지형변화 모의 방법 18
• 3. 연구대상 해역 21
• 가. 구조물 건설 및 해안선 변화 연혁 21
• 나. 연구해역의 해양물리자료 수집 및 분석 30
• 다. 요약 및 고찰 84
• 4. 장기 지형변화 수치모형실험 87
• 가. 지형변화 모형의 선정 87
• 나. 수치계산의 개요 90
• 다. 수치모형실험 구축 112
• 라. 모형의 검증 118
• 마. 지형변화 실험방법 비교 134
• 바. 실험결과 139
• 사. 요약 및 고찰 163
• 5. 해안개발에 의한 지형변화 예측 167
• 가. 해안개발에 따른 시나리오 선정 167
• 나. 해안개발에 따른 지형변화 174
• 다. 요약 및 고찰 191
• 6. 요약 및 결론 192
• 참 고 문 헌 197
• APPANDIX 203
• 영 문 초 록 281