1.서 론

조간대가 발달한 해안에서 퇴적물수송은 파와 파에 의한 흐름 이외에도 조석∙조류의 영향을 크게 받는다. 조간대에 서 수심은 조석주기 내에서 조차만큼 변하며, 이에 따라 해안 선의 위치도 폭 넓게 변하기 때문에 조간대에서 파랑에 의한 유체운동과 퇴적물수송을 취급하는데 많은 어려움이 따른다. 그리고 조간대에서 유체운동은 조석에 의한 조류, 파의 수립 자운동, 파에 의한 연안류 즉 해빈류 및 바람에 의한 흐름 등 에 의한 결과적인 유체운동으로 나타난다. 이러한 유체운동 으로 인하여 퇴적물 수송과 해안의 침식∙퇴적이 발생하기 때문에 조간대에서 조석∙조류, 파랑, 해빈류 및 바람에 의한 복합적인 유체운동을 해석하는 것은 매우 중요하다. 그러나 현 지해안의 연안류 성분중에서 어느 성분이 우세한지에 대하여 는 조사된 바가 거의 없지만 일반적으로 현지 연안의 해안부근 의 흐름의 예측에는 수치모형이 널리 사용되고 있다(Hamrick, 1992; Tetra Tech, 2007; Svendsen et al., 2004).

조간대에서 조석∙조류의 수치모의는 조위에 따라 해안선 을 이동시키는 이동경계기법을 적용하는 방법이 Flather and Heaps(1975)와 Falconer(1984) 등에 의하여 도입∙적용되었으 며, EFDC(Hamrick, 1992)와 같은 해수유동모형에서 널리 사용 되고 있으며, 쇄파대에서 해빈류의 수치모의에 있어서도 파 에 의한 평균수면상승(Wave Set-up)에 의하여 해안선을 이동 시키는 이동경계기법도 널리 사용되고 있다(Lee et al., 2005).

한편 해안역에서 파와 쇄파로 인한 해빈류는 조석위상에 따라 크게 달라진다. 즉 간조시와 만조시에 수심과 지형조 건이 달라지므로 파는 굴절, 천수 및 쇄파변형 등에 의해 크 게 다른 값을 가질 수밖에 없다. 최근 Cheon and Suh(2013)는 해안에서 불규칙 파랑변화에 미치는 해수면상승효과 즉 수 심증가의 영향을 검토한 바 있다. 따라서 해저경사가 완만 하여 조간대가 넓은 해안에서 파랑변형과 해빈류를 해석할 경우에 조석위상에 따른 수심변화와 해안선의 이동경계를 고려해야 한다. 그러나 지금까지 대부분의 연구에서 조석에 의한 조류와 해빈류를 각각 별개로 취급하여 해빈류는 평균 해면이나 고조시 또는 저조시와 같은 특정한 조석조건에 대 하여 수치계산하여 평가하는 것이 일반적이었다.

본 연구에서는 조간대가 발달한 우리나라 서해안의 전북 구시포 해안에서 연안류에 미치는 외력성분의 기여도를 평 가하기 위하여, 조석∙조류 및 파에 의한 해빈류를 고려한 복합해수유동 수치모형을 구축하였다. 구축된 모형에서 조 석∙조류는 EFDC 모형, 파랑은 SWAN 모형, 그리고 해빈류 는 SHORECIRC 모형을 사용하였다. 이 수치모형의 적용성을 검토하기 위하여, 현지에서 조석∙조류와 입사파를 현장관 측하였고 인근 기상관측소의 바람자료를 조사하였다. 그리 고 현지의 조간대에서 GPS를 장착한 경량 Drogue의 추적실 험을 수행하여 연안류 성분을 추출하였다. 또한 현장관측조 건에 맞추어 수치모형에 의한 수치 Drogue 추적실험을 수행 하여 복합모형에 의한 연안류를 재현하고 그 결과를 현장관 측치와 비교∙검토하였다. 따라서 본 연구의 결과에 의해 조간대가 발달한 쇄파대에서 조석에 의한 조류성분과 파에 의한 해빈류 성분 중에서 어느 것이 더 우세한지 평가할 수 있을 것이며, 앞으로 해안부근에서 퇴적물수송을 예측할 때 기초적인 자료로 활용될 수 있을 것이다.

2.현장조사

구시포 해빈(Fig. 1)은 우리나라 서해안의 전북 고창군 서 남단에 위치한 모래해안으로 해빈의 총연장은 약 1,500 m이 고, 조간대의 길이는 약 250~600 m 정도이다. 그리고 해저질 은 주로 세사 또는 실트질사로 구성되어 있으며, 해저경사 는 약 1도 정도로 아주 완만한 편이다. 그리고 이 해역의 약 최고만조위(AHHWL)는 6.7 m로서 조차가 큰 편이다.

2.1.연안류 외력의 현장조사

구시포 주변해역의 조석∙조류 및 입사파를 파악하기 위 하여 Fig. 2과 같이 정점 W1 및 W2에서 1200 kHz와 600 kHz의 ADCP(RDI Inc., USA)를 각각 사용하여 조석∙조류 및 입사파 를 현장관측하였다. 여기서 정점 W1의 수심은 DL –2 m이고 W2의 수심은 DL –6 m이다. 그리고 연안류에 관한 Drogue 추 적조사가 수행된 2011년 하계와 2012년 춘계에 외해측의 W2 정점에서 관측된 유의파고(H_s), 피크주기(T_p) 및 주파향(D_p) 의 시계열은 Fig. 2와 같으며, Drogue 추적실험시각의 파랑, 조위 및 바람자료는 Table 1에 제시되어 있다.

2.2.연안류의 Drogue 추적조사

조간대에서 표사이동의 외력으로 작용하는 연안류를 관 측하기 위하여, 2011년 하계와 2012년 춘계에 GPS가 장착된 경량의 Drogue를 사용하여 Lagrange 방식으로 부표의 이동속 도와 방향을 10초 간격으로 측정하였다. 이 때 관측된 연안 류는 파에 의한 해빈류 이외에도 조석에 의한 조류와 바람 에 의한 취송류 성분도 포함하고 있을 것으로 기대된다.

1)2011년 하계

2011년 8월 16일(대조기)과 8월22일(소조기)에 Drogue를 사 용하여 현장관측된 연안류의 추적경로를 정리한 것은 Fig. 3 같다. 이때 Drogue의 투입시각, 평균이동속도 및 조석조건을 정리한 것은 Table 2와 같다. 이 표에서 나타난 최대이동속도 는 평균속도보다 약 2~3배 정도 크게 나타났는데, 이는 국지 적으로 지형조건이 다르고 파가 부서지면서 봉괴되는 파봉의 속도가 Drogue에 영향을 주었기 때문인 것으로 관찰되었다.

2)2012년 춘계

Fig. 4은 2012년 4월21일(대조기)과 4월27일(소조기)의 연 안류 조사결과를 나타낸다. 조사결과를 표로서 요약한 것은 Table 3와 같다. 여기서 2012년 4월 27일 14:00 이후의 연안류 를 살펴보면, 비록 이 시점이 소조기였지만, 평균이동속도가 0.25~0.4 m/s 그리고 최대이동속도가 0.6 m/s 정도로 다른 경 우보다 큰 값을 보였는데, 이것은 조류의 영향을 무시할 수 없겠지만 유의파고가 0.4 m 정도로 4월 21일보다 컸고, 또한 3.0 m/s의 바람이 해안선과 직각방향(NW)으로 꾸준히 불었던 것이 주원인이었던 것으로 생각할 수 있다.

2.3.구시포 해안의 연안류 특성

해안의 남북측에 돌제와 연육교가 건설되어 있어 조류의 영향을 작게 받을 것이며 상대적으로 파에 의한 해빈류의 영향을 크게 받을 것으로 예상되는 해안역의 수심 약 1 m 내 외의 영역에서 Drogue를 사용하여 연안류 흐름을 Lagrange 적으로 추적조사 하였다. 이상의 Drogue 추적결과를 정리하 면 다음과 같다.

(1) 현장 Drogue의 평균속도는 0.1~0.4 m/s 정도의 범위로 나타났으며 유속크기는 시기와 관계없이 비교적 균일하였 다. 이러한 결과로부터 조간대에서 연안류는 대조기 또는 소 조기와 같은 조시의 영향을 크게 받지 않는 것으로 보인다.

(2) 창조류시에 Fig. 9(a)와 같이 조류와 같은 방향인 북측 으로 이동하는 연안류가 관측되었으며 이 방향의 연안류는 일반적이라 할 수 있다. 그러나 Fig. 8(a)와 같이 낙조류시에 조류방향과 반대방향인 NW-NWN 방향의연안류가 관측되었 는데, 이것은 이 해안에서 지형적인 영향으로 와류와 같은 특이한 현상이 발생된 것으로 생각된다.

(3) 2012년 4월 27일 소조기 창조류시 해안을 따라 NW 방 향으로 평균 0.25~0.4 m/s 정도로 빠른 유속을 가진 연안류가 관측되었는데, 이것은 비록 관측시점이 소조기였지만 최강류 시여서 조류성분을 무시할 수 없겠지만 조류성분 이외에 파 와 바람의 영향을 더 크게 받았기 때문인 것으로 판단되었다. 즉 Drogue의 부력부는 구조적으로 수면위에 드러나므로 이 부 분이 파와 바람의 영향을 많이 받았을 것으로 생각된다.

3입자추적에 의한 실시간 해수유동모형

해저경사가 아주 완만한 조간대에서 해수유동은 조석∙ 조류 이외에 파에 의한 흐름인 해빈류(Wave-induced Current) 및 바람의 영향을 받는다. 따라서 이 경우 어느 한 점에서 Euler적인 속도성분은 식(1)과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, V 는 수평속도 벡터, < >는 파의 주기평균값을 나타낸다.

조석과 파의 공존장에서 파∙흐름의 상호작용을 무시하면 임의의 한 점(i,j)에서 임의시간 t의 수평유속 V (i,j,t)는 식 (1)과 같이 각 흐름성분을 합성하여 나타낼 수 있으며, 본 연 구에서는 각각의 흐름성분으로부터 합성유속을 Fig. 5의 흐 름도와 같이 산정하는 복합해수유동 수치모형을 구축하였 다. 즉 Fig. 5와 같이 우선 어떤 사건의 기간동안 바람을 고 려한 조석∙조류를 일정시간간격으로 계산하고, 이후 계산된 조석정보에 따라 파와 해빈류는 조위를 고려하여 해당 Time Step의 지형과 수심조건에서 파와 해빈류를 계산한다. 이같은 파와 해빈류에 대한 계산과정은 주어진 사건시간동안 반복된 다. 이상의 계산과정이 완료되어 바람이 고려된 조석∙조류, 파 및 해빈류의 유속자료가 구축되면, Random Walk 모형(Lee and Kim, 1995)을 이용하여 가상의 수치 Drogue를 원하는 위 치에 투하하고 이 수치 Drogue를 실제 현장 Drogue처럼 추적 하여 복합해수유동 수치모형에 의한 연안류의 정보를 획득하 게 된다.

3.1.조석∙조류 및 취송류

조석∙조류 및 취송류에 관한 수치모의는 EFDC 모형 (Hamrick, 1992)을 사용하였다. 이 모형은 미국 VIMS(Virginia Institute of Marine Science)에서 개발되어 미국 환경청(US EPA) 의 공인받은 3차원 수치모형이며, 수평방향으로 직교 또는 곡 선직교좌표계의 사용이 가능하고 연직방향으로 σ좌표계를 사용한다. 특히 질량보존기법을 이용하여 천해역에서의 조간 대의 처리가 가능하도록 설계되어져 있어 조간대가 넓게 분 포되어 있는 곳에서 적용이 용이하다(Hamrick, 1994). 그리고 Mellor and Yamada(1982)의 level 2.5 난류종결기법을 사용하며, 수평난류확산 계수는 Smagorinsky 형(Smagorinsky, 1963)을 사 용한다. 이 모형의 자세한 기술은 그 이론서(Hamrick, 1992; Tetra Tech, 2007)에 상세히 소개되어 있다.

3.2.파랑변형

파랑변형은 네덜란드 Delft 공대에서 개발한 SWAN 모형 (Booij et al., 1996)을 사용하였다. 이 모형은 수심변화에 따른 천수변형, 굴절, 회절 및 쇄파 등의 제반현상을 고려하여 심 해로부터 천해로의 파고변화를 순차적으로 계산해 나가는 모형으로서, 주어진 바람과 해저면 및 해류 조건으로부터 연안역, 호수 및 하구의 파랑을 계산한다. 이 모형의 기본방 정식은 파작용 평형방정식이며(Mei, 1983), 사용되는 파랑에 너지의 생성항에 따라 제1세대, 제2세대 및 제3세대 모델로 분류된다. SWAN 모형에 대한 자세한 내용은 User Manual SWAN Cycle III version 40.91ABC(The SWAN Team, 2013)에 기 술되어 있다.

3.3.파에 의한 해빈류

파고의 공간적인 분포에 의하여 발생하는 파에 기인한 흐름 인 해빈류는 미국 Delaware University에서 개발된 SHORECIRC 모형(van Dongeren et al., 1994; Kaihatu et al., 2002; Svendsen et al., 2004)을 사용하였다. 이 모형은 준3차원 모형으로 수심적 분되고 시간평균된 연속방정식 및 운동방정식을 기초로 하였 으며, 기동력인 Radiation Stress는 Phillips(1966; 1977)의 정의를 사용하였다. 그리고 와동점성계수의 정식화는 쇄파와 저면기 원난류를 모두 설명할 수 있어야 하므로 쇄파대 외측에서는 Svendsen and Putrevu(1994)와 Coffey and Nielsen(1984)의 연구를 기초로 하였으며 쇄파대 내측에서는 수정된 Battjes(1975)의 모 형을 적용하였다. 이 모형의 기본방정식은 Wei and Kirby(1995) 가 Boussinesq 방정식 개발에 이용하였던 Predictor-Corrector 기법을 사용하여 풀어지게 된다. 이 모형에 대한 자세한 내 용은 Svendsen et al.(2004)에 기술되어 있으며 이 모형의 계산 을 위해 필요한 입력값인 각 격자점에서의 파고, 주기, 파향 및 Radiation Stress 값은 SWAN 모형의 결과를 이용하여 계산 할 수 있다.

4.실시간 연안류 추적 모형의 적용

바람, 조석∙조류 및 파에 의한 해빈류를 고려한 실시간 흐름을 예측하는 수치모형을 구축하였고, 현장에서 Drogue 추적실험을 수행하여 연안류를 실측한 구시포 해안에 구축 된 모형을 적용하였다.

4.1.조석·조류, 파랑 및 해빈류

바람을 고려한 조석∙조류 수치모형의 계산영역은 국립 해양조사원에서 발행한 수치해도 NO.344 및 국지적인 수심 측량자료(FISI CNU, 2012)를 사용하여 구시포 해안을 중심으 로 Fig. 6(a)의 전영역과 같이 동서방향 15.0 km 남북방향 14.4 km로 설정하였다. Fig. 6(b)의 격자망은 직교가변격자체계로 구성하였으며 최대격자는 160 m 그리고 최소격자는 10 m로 하였다. 조석∙조류의 계산시 외해경계조건은 조석의 주요 4대분조(M₂, S₂, K₁ 및 O₁)의 조화상수를 입력하여 개경계 조건으로 사용하였으며, 바닥마찰계수는 0.02, 수평와동점성 계수에 관한 Smagorinsky 상수 C = 0.1 그리고 계산시간증분 Δt = 1초를 입력하였다. 외력조건으로는 Table 1과 같은 연안 류 현장조사시의 조석과 바람조건을 그대로 입력하여 사용하 였다. 한편 모형의 재현성을 검토하기 위하여, 일례로서 Fig. 1의 W2 정점의 현장관측된 조위와 유속(2011년 8월 5~20일) 을 수치계산결과와 비교하여 Fig. 7에 나타내었다. W2 정점 에서 조석과 조류의 수치계산결과는 현지관측결과와 잘 일 치하는 결과를 보였다.

그리고 구시포 해빈에서 파랑과 해빈류를 계산하기 위하여 외해에 위치한 W2 정점에서 관측한 파랑조건을 입사파경계조 건으로 하였다. 계산영역은 조석∙조류 계산격자와 Nesting시켜 Fig. 6 내의 사각형 박스의 영역과 같이 동서방향 3.96 km, 남북 방향 4.20 km로 하였으며 격자간격은 10 m의 정격자로 구성하였 다. SWAN 모형에서 사용한 입사파는 관측치로부터 JONSWAP Spectrum을 사용하였으며, 이 때 형상계수 γ는 파형경사와 방향 집중도를 고려하여 3.3을 적용하였고, 방향분해능은 72 방위, 주 파수분해능은 0.04~1 Hz로 34개 분할로 계산하였다. 또한 회절계 수에서 smpar = 0.2, smum = 6 그리고 쇄파계수에서 alpha = 0.9, gamma = 0.8을 사용하였다. 그리고 SHORECIRC 모형에서 조석 조건은 조석∙조류를 계산한 EFDC 모형의 실시간 조위값을 사 용하였고, 쇄파대 내외측의 결합된 와동점성계수 v_t에서 경험 상수 C_1k = 02, M = 0.08을 사용하였으며, Smagorinsky 상수 C 와 바닥마찰계수는 EFDC와 동일한 값을 주었으며, 계산시간증 분은 0.1초를 사용하였다.

1)2011년 하계의 재현

Fig. 8은 2011년 8월 16일 10시의 조류(a), 파랑(b) 및 해빈 류(c)의 계산결과를 나타낸다. 이 시점의 조류는 남향의 낙 조류였으며, 파랑은 SW계열의 입사파로서 해빈전면에서 0.2 m 정도의 작은 파고값을 보였다. 그리고 해빈류는 작은 파 고분포의 영향으로 해빈중앙부에서 남측으로 약한 흐름이 계산되었다.

Fig. 9는 2011년 8월 16일 15시의 계산결과로서 조류는 북 향의 창조류 흐름이었으며, 입사파향은 SW계열로서 해빈전 면에서 0.3 m 정도의 파고로 나타났으며, 해빈류는 해빈 중 앙부와 남측에서 연안을 따라 남쪽으로 약한 흐름을 보였으 며 해빈북측에서 북향의 약한 흐름을 나타내었다.

2)2012년 춘계의 재현

Fig. 10은 2012년 4월 21일 10시의 상황으로서 조류는 창 조류로서 SW 에서 NE 방향의 흐름으로 나타났다. 입사파 향은 SW 계열이었고 해빈전면에서 0.2 m 의 파고로서 재 현되었다. 해빈류는 해빈중앙부에서 남향류 그리고 해빈북 측에서 북향의 흐름을 보였다.

Fig. 11은 2012년 4월 27일 14시의 계산결과를 나타낸 것으 로 조류는 창조류로서 NE 방향의 흐름이 나타난다. 입사파 향은 W 계열로서 해빈전면에서 0.4 m 정도의 파고가 계산되 었다. 그리고 해빈류는 해빈중앙부와 북측에서는 연안을 따 라 북향의 흐름으로 해빈 남측에서는 남향의 흐름으로 나타 났다.

4.2.수치모형에 의한 실시간 연안류 추적결과 및 고찰

Drogue 추적에 의한 연안류의 현장조사결과와 수치모형에 의한 연안류의 계산결과를 비교하기 위하여, 현장조사 당시 의 조석, 바람 및 파랑조건을 입력하여 조류, 파랑 및 해빈 류를 각각 계산하였다. 그리고 이들 각 유속계산결과를 입 력자료로 하여 Random Walk 방법으로 가상의 수치 Drogue를 표류시켜 이 수치 Drogue의 이동경로와 이동속도를 산출하 고 이 결과를 현장 Drogue 자료와 비교하였다.

Fig. 12는 Fig. 3에 나타낸 Drogue No. 1~6번에 해당하는 2011년 8월 16일 10시와 15시에 수치모형으로 재현된 수치 Drogue 추적결과를 나타낸다. 10시에 구시포 어항 남측부근 에 투하된 수치 Drogue는 연육교 방향으로 이동하였으며, 평 균이동속도는 0.14 m/s 그리고 최대이동속도는 0.27 m/s를 나 타내었다. 한편 15시에 해빈 중앙부에 투하된 수치 Drogue는 해안을 따라 북측으로 이동하였으며, 평균이동속도는 0.09 m/s 그리고 최대속도는 0.28 m/s 정도였다.

Fig. 13은 Fig. 4에 나타낸 Drogue No. 1~23번에 해당하는 2012년 4월 21일 10시와 2012년 4월 27일 14시의 수치 Drogue 추적결과를 나타낸다. 4월 21일 10시에 해빈중앙부에 투하된 수치 Drogue는 해안을 따라 북쪽으로 이동하였으며, 평균이 동속도는 0.12 m/s 그리고 최대이동속도는 0.14 m/s이었다. 4 월 27일 14시에 해빈중앙부에 투하된 수치 Drogue도 역시 북 측으로 이동하였으며, 이때의 평균이동속도는 0.14 m/s 그리 고 최대이동속도 0.24 m/s 이었다.

한편 Table 4는 조사시간별로 계산된 각 외력성분별 유속의 크기와 수치 Drogue 및 현장 Drogue의 이동속도를 정리한 것 이다. 여기서, 계산된 합성속도성분(U_C , V_C)은 바람+조류성분 (U_T, V_T)과 해빈류성분(U_W, V_W)의 합을 나타낸다. 이상과 같 이 수치 Drogue 추적법으로 연안류를 수치계산한 결과를 정리 하면 다음과 같다.

5.요약 및 결론

본 연구에서는 조간대가 발달한 우리나라 전북 서해안의 구시포 해안에서 연안류에 미치는 외력성분을 평가하기 위 하여, 조석ㆍ조류 및 파에 의한 해빈류를 고려한 복합해수 유동 수치모형을 구축하였다. 그리고 현지의 조간대에서 GPS를 장착한 경량 Drogue의 추적실험을 수행하였고 연안류 성분을 추출하였다. 또한 현장관측조건에 맞추어 수치모형 에 의한 수치 Drogue 추적실험을 수행하여 복합모형에 의한 연안류를 재현하고 그 결과를 현장관측치와 비교ㆍ검토하 였다. 이상의 결과를 요약하면 다음과 같다.