울산 회야강 하구 도류제 건설에 따른 표사이동 특성
이성대+ ․ 김봉익*
한라대학교 토목공학과
*경상대학교 해양토목공학과
Characteristics of Sediment Transport due to the Construction of Jetty at the Heoya-River Mouth, Ulsan
Seong-Dae Lee+ ․ Bong-Ik Kim* Dept. of Civil Engineering, Halla Univ, Wonju, Korea
*Dept. of Ocean Civil Engineering, Gyeongsang Univ, Tongyeong, Korea
요 약
연안에서 표사문제의 대책을 장기적인 관점에서 수립하기 위해서는 연안에서의 표사뿐만 아니라 배후지 하천으로부터 유 출되는 유사량을 포함한 종합적인 토사관리 필요성이 증가하고 있다. 이와 같은 관점에서 본 연구에서 연안해역으로 유 출되는 하천 유사의 이송, 하구에서 사주발생과 발달 및 하구폐색, 연안으로 유출된 유사의 저류문제, 홍수 시 외해로 유 출되는 유사의 특성 등에 대해 검토하였다. 최근 울산 회야강 하구에 하구폐색과 하구사주의 발생에 따른 대책으로 1997 년부터 2004년에 걸쳐 총연장 156m의 도류제를 건설하였다. 이에 따라 회야강 하구에서 도류제 건설에 따른 토사이동 특 성이 변히고 있음에 따라 해저지형 변동과 표사이동을 해석하기 위하여 1차원 수치해석을 수행하였다. 이를 위해 먼저 울산 회야강 하구역에서 유출하는 유사량을 3가지 모래가 혼합되어 있다고 가정한 혼합입경의 관점을 가정하였다. 그리 고 회야강 하구인근의 파동장, 해빈류장 및 표사이동 특성을 Bailard(1981)의 에너지 모형에 의해 해저지형 변동 특성을 해석하였다. 또, 하구폐색의 변동특성을 확인하기 위하여 항공사진을 통한 회야강 하구 및 진하 해수욕장 인근 지형변화 를 비교하였다.
핵심용어 : 회야강 하구, 하구폐색, 도류제, 혼합입경, 표사이동, 해빈류
Abstract
Integrated sand control including sediment discharge from hinterland rivers is necessary to maintain coastal sand resources over a long term. In this regard, the following subjects should be considered; efficient ways to transfer discharged sand from a river to the neighboring coast, measures to improve storage efficiency of the discharged sand at the river delta and/or river terrace, measures to prevent the sand resources from being discharged into the deep sea during flooding. From the 1997 to January 2004, the jetty of 156 m length was constructed the Heoya-river mouth to protect the blockade of river mouth. Several tests were carried out to investigate the characteristics of sediment transport and morphological change due to the construction of the jetty at the Heoya-river mouth. Firstly, The sand discharge from Heoya river is quantified by one-dimensional numerical analysis assuming the mixed sand of three different particle diameters. Also the numerical mode system, which predicts the sea bed changes obtained from the Bailard's energy model(1981), was combined with the wave, wave-induced currents and sediment transport models. Then, to understand the changes to the blockade of the river mouth, several aerial photographs were compared, which showed that the changes were significant.
Keywords : Heoya-River Mouth, Blockade of River Mouth, Jetty, Mixed Sand, Sediment Transport, Wave Induced Currents
+ Corresponding author :[email protected]
1. 서 론
최근 우리나라의 경제 및 사회 문화적인 측면에서 발전을 거듭하면서 생활공간의 확대, 관광자원으로서 의 연안 개발이 대두되고 있으나, 인위적인 연안 해 역 개발에 의한 환경적, 사회적 갈등도 동시에 현실 화 되고 있다. 특히, 해안이나 해빈(백사장) 침식의 경우에는 매년 증가하고 있는 실정으로 이에 대한 원 인규명이 절실하게 요구되고 있으며(Jung et al., 2004;
Cho et al, 2006; Kim et al, 2005), 대응책도 다양하게 수립되고 있다. 그러나 해빈침식 발생 원인에 대한 충분한 연구나 검토가 없이 복구나 대책이 이루어지 는 경우가 속출하고 있으며, 결과적으로 연안해역의 환경이나 해안경관에 악영향을 끼치게 될 뿐만 아니 라 침식현상이 주변해역으로 전이되어 버리는 문제점 을 초래하고 있다. 일반적으로 해빈침식현상은 다양 한 원인에 의해 발생하며, 특히 우리나라와 같이 각 해역별 다양한 자연적 및 지형적 특성을 갖는 경우에 는 지역에 따라 침식현상 또한 복잡하게 나타나고 있 다(Cho et al, 2006).
따라서 이러한 연안에서의 표사문제를 이해하기 위해서는 산지-하천-연안 해역을 종합한 통합적인 토 사관리가 필요하다. 산지에서 발생한 토사의 하천유 출량을 정량적으로 파악하고, 이들이 어떻게 하구에 서 사주를 형성하고 연안 해역의 표사로서 이송⦁확 산되어가는 가를 이해하는 것은 하천 유사관리의 측 면 뿐만 아니라 연안에서의 표사과정을 규명하는 기 초적인 자료가 된다. 특히, 표사이동에 의한 대표적인 현상인 연안침식의 경우에는 해안 육지부가 침식되어 해안선이 후퇴하기 때문에 중요하게 다루어지고 있으 며, 이를 이해하기 위한 다양한 연구나 접근법이 시 도되고 있다(Cho et al, 2006; Lee and Park, 2007,;
Bae and Kang, 2012). 하천에서 연안해역으로 유출되 는 유사의 경우에는 시간에 따른 변동이 심한 하천유 량과 함께 이송되기 때문에 유사량을 특정의 유량으 로부터 규정하는 것은 어렵다. 또한 하구에서 사주가 발생, 발달하고 최종적으로 하구폐색 현상과 같은 복 잡한 하구 현상이 나타나는 수리학적 문제를 전체적 으로 파악하는 것도 난제이다.
우리나라 동해안의 경우 해빈침식의 요인으로 하 도 내 댐이나 저수지 등의 하천구조물 건설에 따른 하천 유출량과 유사량의 감소와 방파제 등의 해안⦁
항만구조물 건설에 의한 해안 유황의 변화 그리고 외 해에서 전파하는 파랑과 흐름의 변화에 의한 표사의 이동이 지적되고 있다. 동해로 유출되는 대부분의 하
천이 홍수시를 제외하면 하천을 통한 유출량이 적어 외해로 부터 전파되는 해빈류(wave induced currents) 등에 의해 하구사주 발달이 용이한 것으로 알려져 있 으며, 하구사주의 확대를 거쳐 하구폐색 현상으로 나 타나고 있다. 이 때 홍수에 의한 하천 외수범람 등의 문제가 나타나거나 하구부에 소규모 어항이 있는 경 우 어선의 입ㆍ출항이 제한되고 있는 실정이며 이를 해결하기 위해 하구사주의 지속적인 준설과 하구 도 류제 축조를 계획하여 시행하고 있으나, 도류제의 축 조가 또 다른 해빈변형을 야기하기도 한다(Cho et al, 2006).
본 연구의 대상이 되는 울산광역시 울주군 온산읍 에 위치한 회야강은 동해로 유입되는 지방2급 하천으 로 하구부는 상류에서 유입되는 유사에 의해 하구사 주가 발달하여 하구폐색이 나타나고 있어 이러한 연 구에 적합한 지역이다. 특히 회야강 중류부에 울산지 역의 수자원 확보를 위해 1986년 회야댐을 축조하면 서 유량이 감소하였고, 외해에서 전파되는 파랑으로 말미암아 발생하는 해빈류와 해류나 조류 등 흐름과 지형특성 등 복합적으로 발생하는 하구현상으로 하구 사주 발달이 우세하여 하구폐색이 나타나고 있다. 이 를 개선하기 위해 1997년부터 2004년에 걸쳐 회야강 남측 하구에서 외해측으로 직선방향의 경사 도류제를 156m 축조하였으나 이후에도 계속되는 폐색현상으로 정기적으로 준설이 시행되고 있는 실정이다. 특히 회 야강 하구 남측에는 명선도가 있고 그 남측에는 총연 장 1km에 달하는 진하해수욕장이 위치하고 있으나 백사장(해빈) 침식이 발생하여 장기적인 관광자원의 소실로 인한 갈등이 대두되고 있다.
이러한 회야강 하구 부근 해역에서의 표사이동 및 침⦁퇴적을 분석하기 위하여 Min et al(1994)은 완경 사방정식 파랑모형을 통해 진하해수욕장의 표사이동 기구를 다루었으며, Kim et al(2008)은 하구 도류제 건설에 따른 장기 해안선 변동을 1-line 모형을 통해 연구한 사례가 있다. 그리고 Park et al(2009)은 소규 모 하천에 도류제를 축조함에 따라 토사유출의 확산 범위를 확산모형을 적용하여 해석하였다. 또한, Hasegawa et al.(2005)이 홍수량에 따른 유사와 표사 의 수지분석을 통해 장기적인 해안 지형변동을 검토 하였으며, Hosoyamada et al.(2011)은 하천류와 해빈류 가 동시에 작용하는 하구주변의 사주 변동을 수치해 석을 통해 연구하였으나 하천유사와 해안표사의 이동 특성을 함께 검토한 연구는 아직까지 미흡한 실정이 다. 특히, 본 대상해역인 회야강 하구 및 인근 진하해 수욕장의 침⦁퇴적 기구를 해석하기 위해서는 회야강
하구의 유사량 변동에 따른 하구사주의 발생과 발달 그리고 인근 해역의 해저지형 및 표사이동 특성에 대 한 이해가 필수적이다. 특히 하천과 연계한 연안 해 역에서의 표사는 하천 유사가 주요한 공급원이므로 하천에서 해역으로 공급되는 유사량과 이들이 어떻게 효과적으로 연안해역으로 표사원이 되어 이송되어 가 는가를 파악하는 것이 중요하다. 따라서 본 회야강 하구역에서는 도류제와 같은 해안구조물이 설치됨에 따라 표사와 유사의 이동의 급격한 변동이 나타나고 있으며(Lee et al, 2007), 이같은 변동을 야기하는 영 향인자를 고려하여 연구할 필요가 있다.
따라서 본 연구의 목적은 울산 회야강 하구역에서
유출되는 유사량을 혼합입경의 관점에서 검토하여 도 류제 설치에 따른 하구역 에서의 지형변동 및 하구폐 색현상을 하천에서 유출되는 토사량과 종합적으로 해 석하는 데 있다. 이를 위하여 하천에서의 소류사와 부유사 해석과 이송, 도류제에 의한 영향과 외해에서 의 영향인자를 고려한 수치해석을 수행하고 이를 검 토하였다. 추가적으로 하천에서 유출된 유사의 이동 특성과 하구현상을 파악하기 위해 파랑에 의한 해빈 류장과 표사이동특성을 검토하여 예측하였고, 파랑에 의한 회야강 하구인근에서의 흐름장과 침퇴적 해석을 통해 하구 인근해역의 지형변동특성을 고찰하고자 하 였다.
Station Catchment ()
length ()
design discharge ()
Heoya River
mouth 218.34 40.80 1,940
After joined
Namchang river 198.99 36.48 1,770 Before joined
Namchang river 147.54 36.48 1,320 Table 1. Design flood discharge of Heoya-River
year date amount of
dredging ()
2005 6/9 - 7/14 18,300
2006 12/21 - 1/27 12.274
2007 11/22 - 1/5 13,627
2008 - -
2009 2/27 - 4/20 19,300
2010 5/7 - 6/28 32,351
2011 3/3 - 4/28, 11/10 - 2/15 57,262
2012 3/12 - 6/10 46,294
Total - 199,408
Table 2 Amount of dredging in Heoya-River mouth
2. 회야강 하구의 변화분석
2.1 회야강 유역 특성
회야강은 경상남도 양산시 웅상읍 천성산(해발 922.2 )에서 발원하여 울산광역시 울주군 온산읍 강양리의 동해로 유입하는 낙동강 기타수계 지방2급 하천이다. 회야강은 유역면적 218.34, 유로연장 40.80 인 중소하천으로 대체로 동서로 뻗은 장 방형의 형상을 이루면서 동경 129〫 06′20〞～129〫 21′
03〞, 북위 35〫20′49〞～35〫 30′40〞 사이에 위치하고 있는데 남북의 길이는 약 19.1 , 동서로는 22.3
가 된다. 회야강 유역의 북쪽은 청량천 및 태화강 유역과 접하고 있으며, 서쪽은 낙동강 제1지류인 양 산천, 남쪽은 기타수계의 효암천, 장안천, 수영강 등 의 유역과 접하고 있다. 회야강은 천성산에서 발원하 여 월평리에서 덕계천과 합류하고 유향의 큰 변동 없 이 여러 개의 지천이 합류된 뒤 울주군 웅촌면 부근 에서 대복천과 합류하여 회야댐 지점에 다다르게 된 다. 회야댐을 거친 회야강은 방향을 남쪽으로 유하하
다가 온산읍을 지나 남창천이 합류되고 동해로 유입 된다. 회야강의 하상경사는 하류부가 약 1/2,500로 상 당히 완만한 편이며, 중류부가 약 1/800, 상류부 약 1/300 정도의 하상경사를 유지하고 있다.
한편 유역내의 토지이용 현황을 보면 농경지가 34.16 로 약 15.7 % 를 점유하고 있으며, 임야가 144.91로 66.4 % 를 차지하고 있다. 그리고 과거 30개년 간 기록에 의한 연평균 강수량은 1,439
이다. 그리고 회야강의 홍수량은 유역내 댐에 의한 홍수조절효과와 하도 및 주변의 토지이용 상황 등을 고려하여 계획된 지점별 설계홍수량은 회야강하구, 남창천 합류전 및 후로 구분하여 Table 1과 같다.
회야강은 특히 하구 폐색현상과 함께 진하해수욕 장의 해빈침식이 지속적으로 나타나 지역사회의 갈등 요소로 대두되고 있다. 이에 대한 대책으로 하구 남 측에 도류제를 축조하였으나 하구부로 유입되는 하천 유사와 연안표사에 의해 하구사주가 감소되지 않고 있는 실정이다. 이 때문에 매년 회야강 하구부에 항 로 유지 및 배후지 침수 대책을 위해 Table 2과 같은
토사량 준설이 이루어지고 있다. Table 2와 같이 하구 도류제가 축조된 2004년 이후에도 지속적으로 준설이 이루어 지고 있으며 2010년 이후에는 준설량이 증가 하여 특히 2011년에는 57,000 이상의 토사를 하 구부에서 준설하고 있음을 알 수 있다.
2.2 항공사진을 통한 회야강 하구 분석
항공사진을 통한 회야강 하구 및 진하해수욕장 인 근 지형 변화에 대해서는 Fig. 1에 나타내었다. Fig. 1 과 같이 회야강 하구사주 발달과 이에 다른 하구폐색 현상은 1967년 이전부터 발생하여 왔으며 명선도 배 후 톰보로 확장에 따른 섬과의 연결은 조위나 표사의 퇴적 정도에 따라 달라지고 있다. 1975년 5월 사진까 지 나타났던 회야강 하구 좌안 사주(모래톱)는 1987 년 5월 항공사진에서는 사라지고 있다(Fig. 1(c)). 그 리고 1987년 5월 항공사진의 하구우안에 건설된 강양
항 입구측으로 사주가 나타나고 있으며 전체적으로 하구부 퇴적이 우안 상류측으로 이동하고 있음을 보 이고 있다. 그리고 1996년에는 하구 도류제가 건설 되기 전의 모습(Fig. 1(d))으로 하구 좌⦁우안에 걸쳐 하구사주가 발달하여 하구폐색이 나타나고 있다. 하 구사주의 지속적인 발달과 하구 우안에 조성한 진하 항과 좌안에 있는 강양포구로 어선이나 소규모 선박 의 입출항이 어려워져, 이의 대책으로 1997년부터 2001년 사이에 회야강 하구 우안에 길이 156m의 도 류제가 건설되었다. 2010년 5월 회야강 하구부의 항 공사진에 의하면 대체로 안정된 하구부를 형성하고 있는 것처럼 보이나 실제로는 Table 2와 같이 항로매 몰 대책을 위한 지속적인 유지준설에 의한 것이다.
2011년 2월 하구 명선교에서 상류측 사진에 의하면 하구의 우안에 위치한 진하항 입구부에 넓은 하구사 주가 새롭게 발달하고 있음을 알 수 있다.
(a) Nov. 1967
(b) May 1975
(c) May 1987
(d) Nov. 1996
(e) May 2010
(f) right bank of river mouth(Feb. 2011) Fig. 1 Aerial photo view in the vicinity of Heoya River mouth
3. 하구현상 및 지형변동 해석
3.1 하상변동 수치모형
하천의 하상 및 지형변동을 해석하기 위하여 1차 원 하상변동 수치모형을 통하여 해석하였다. 하천에 서의 흐름은 정상상태의 상류이며 유사량은 소류사 및 부유사를 대상으로 하며 하천의 상류측에서는 동 적 평형상태의 유사량을 그리고 하상재료 및 유사는 혼합입경으로 가정하였다(Wongsa and Shimizu, 2001).
하상변동의 계산에는 1차원하상변동 수치모형을 이용하고, 유량은 시간적으로 일정하며 흐름은 상류 이고 수위 경계조건은 하류단을 0으로 설정하였다.
흐름의 운동방정식은 식(1)과 같은 부등류 방정식 을 사용하였다.
(1)여기서, 는 하류방향을 +로 하는 좌표축, 는 수 위, 는 에너지경사이다. 수위의 계산은 상류인 경우 에는 하류 수위가 기지이므로 (1)식으로부터 상류측 의 수위를 Newton반복법을 통해 계산하였다.
그리고, 혼합입경을 고려한 소류사량을 구하기 위 해 식(2)와 같은 입경별 해석식을 이용하였다(Ashida and Michiue, 1971).
′
(2)여기서, 는 입경별 단위폭당 소류량, 는 모래 입경, 아래첨자 는 혼합입경 에 대한 물리량을 나 타낸다. 그리고 는 모래의 수중비중, 는 입경 인 입자가 하상의 교환층에 존재하는 비율, (=
)는 입경별 무차원 소류력, ′ (=′)은 입 경별 무차원 유효소류력, ′은 유효마찰속도, (=
)는 입경별 무차원 한계소류력 그리고 는 입경별 한계마찰속도이며 Egiazaroff(1965)의 방법을 사용하여 해석하였다.
부유사의 하상에서의 부유사량은 식(3) 및 식(4)에 의해 산정되었다(Itakura and Kishi,1980).
′
(3)
′∞
exp
′∞
′
(4)
여기서, 는 입경별 부유사의 단위면적당 하상에 서의 부상량, 는 입경별 부유사의 침강속도이며, Rubey식(Rubey, 1933)을 사용하였다.
; ≤
;
(5)
′′ 이며 =0.5, =0.14, =0.008,
는 부유입자의 밀도, 는 물의 밀도이다. 는 양 력을 계산할 때 마찰속도 를 적용하기위한 환산계 수이고 균일입경인 경우는 으로 일정값을 사용하였다.
입경별 부유사 농도 연속방정식은 식(6)과 같다.
〈〉 〈〉
(6)
여기서, 는 하상부근의 입경에서의 거리, 〈〉는 수심평균의 입경별 부유사 농도이다.
혼합입경에서의 입경별 유사의 연속방정식은 교환 층에서의 입경별 유사의 교환, 하상의 변동 및 하상 변동에 따라 새롭게 교환층에 가해지는 입경분포를 고려하면 식(7)과 같다.
(7)흐름이 상류인 경우 안정한 계산을 위하여 시간에 대해서는 전진차분, 거리에 대해서는 후방차분을 통 해 수치해석하였다.
유송토사량을 해석하기위해 소류사㎡ , 부유 사 , 부상한 후 침강속도 로 침강하 여 가는 유사와 같이 3종류로 분류하였고 식(8)을 사 용하였다.
(8)
여기서, 는 하폭, 는 하상재료의 공극률이다.
3.2 하상변동 수치해석 결과
대상하천인 회야강의 하상변동, 하구사주의 발달 및 유송토사량의 특성을 해석하기 위해 수치계산은 하구에서부터 상류방향으로 4400m, 외해측으로는 2000m 지점까지의 구간을 대상으로 일정유량이 80시 간동안 정상상태로 흐르는 경우를 가정하여 계산하였
다. 상류측은 회야댐 하류를 그리고 외해측은 수심 25m 이상의 바다측을 경계로 설정하였다. 대상 하천 의 입경이 위치에 따라 다르기 때문에 회야강 하천기 본 정비계획(1991)의 하구부에서의 10%입경 (0.120mm), 50%입경(0.397mm) 및 90%입경(1.48mm) 을 입력조건으로 사용하였다.
discharge (㎥/sec)
sediment yield(㎥/hr)
with jetty without jetty
500 507.5 506.25
1000 1787.5 1775
1940 5000 4500
Table 3 Sediment yield with discharge
(a) without jetty
(b) with jetty Fig. 2 Relationship of the flux rate of sediment transport due to the mixed grain
(a) without jetty
(b) with jetty Fig. 3 Change of the river bed height due to discharge ( ) 회야강의 홍수유출량 변동에 따른 도류제 축조전
및 축조후의 하구역에서의 유송토사량에 대한 계산결 과는 Fig. 2에 도시하였으며 그림에서 횡축은 홍수량
을 그리고 종축은 하구원점에서의 유송토사량을 나타 낸다. Fig. 2에서 홍수량 미만에서는 회 야강 하구를 통해 유출되는 유송토사량은 그다지 크
지 않은 것으로 계산되었으며 토사유출은 유량이 300
이상에서 거의 선형적으로 증가하기 시작하는 특성을 보여주고 있다. 유출토사량의 계산결과 도류 제 축조후가 축조전에 비해 토사량 유출이 미소하지 만 감소하고 있음을 보여주고 있다. 그리고 유량 1,500이상이 되면 외해로 유출되는 유송토사량 이 다소 감소하는 경향을 보이고 있다. 도류제 축조 전 및 축조후의 회야강을 통해 계산시간 동안 유출되 는 토사량 결과는 다음 식(9)와 식(10)에 각각 나타내 었다.
도류제축조전 :
; (9)
도류제 축조후 :
; (10)
여기서, 는 유송 토사량(), Q는 홍수량 ()을 나타내고 있다.
또, 유출토사량의 계산결과 도류제 축조후가 축조 전에 비해 유량이 1,500이하에서는 토사량 유출 이 증가하고 있음을 보여주고 있는데 이는 도류제 축 조에 따라 도류제내부에서 유속이 증가하였기 때문이 라 판단된다. 그리고 홍수량에 따른 유출토사량의 결 과는 Table 3에 나타내었으며, 홍수량에 따른 하구에 서의 하상변동은 Fig. 3(a) 및 (b)에 각각 도시하였으 며 그림에서 횡축은 하구를 원점으로 - 방향은 외해 측을 +방향은 하천방향을 의미하고 있으며 그리고 종축은 하상을 나타내며, 그림에서는 홍수량 1,000
인 경우에 시간경과에 따른 하상(BED) 및 수위 변동(W.EL)을 도시하였다.
Fig. 3과 같이 도류제 축조전의 경우 시간의 경과 에 따라 하구부에서의 하상변동이 점차 크게 나타나 고 있으며 그 영역이 시간과 함께 점차 외해측으로 확장되어가는 경향을 보여주고 있다. 그리고 도류제 축조후에는 도류제 내부에는 하상의 변동이 거의 나 타나지 않고 있으며 도류제 바깥쪽에 토사가 퇴적하 는 경향을 보여주고 있다. 즉, 도류제가 축조되면 홍 수유출량에 의해 도류제 바깥쪽으로 점차 사주가 이 동ㆍ확장되어가는 특성을 보여주고 있고 유량의 증가 에 따라 유출토사량이 비선형적으로 증가하고 있음을 보여주고 있다.
4. 해빈류장 및 해저지형변동 해석
4.1 해저지형 변동 수치모형
심해에서 생성․발달한 파랑이 연안해역으로 전파함 에 따라 수심이나 흐름에 의해 천수, 굴절 및 회절현 상에 의해 변형되고, 최종적으로 해안선 부근에서 쇄 파되어 소멸되어 된다. 이러한 파랑변형과정에서 수반 되는 파랑의 잉여응력의 변화에 따라 해빈류가 발생 하게 된다. 따라서, 파랑에 의한 연안해역의 해수순환 과 표사이동 및 침퇴적 관계를 파악하기 위해서 보다 정확한 파랑장 해석과 해빈류장의 해석이 요구된다.
본 연구에서는 먼저 천해역의 불규칙파 추산모형 인 SWAN(Simulating WAves Nearshore)모형을 이용하 여 파랑분포특성을 해석하였다(Allard et al., 2004).
SWAN모형은 방향분산성이 강한 불규칙파의 해석에 유리하며, 각 성분파에 대한 계산이 동시에 이루어지 므로 각 성분파의 합성파 정보를 필요로 하는 불규칙 파의 부분쇄파 및 바닥마찰을 정도 높게 고려할 수 있는 장점이 있다(Settelmaier et al., 2011). 기본방정식 은 파동평형방정식 (wave action balance equation)으로 식(11) 및 (12)와 같다.
(11)
θ
(12)
해빈류는 수심 평균된 천수방정식에 잉여응력항과 마찰항 및 난류에 의한 수평혼합항을 고려한 해빈류 장 모형을 적용하여 파랑에 의한 흐름장을 계산하였 다. 해저지형변동은 파동장 및 해빈류장의 계산 결과 로부터 해석이 가능하다. 파랑과 흐름이 공존하는 해 역에서의 표사량 해석은 Bagnold(1956)의 에너지 모 형을 적용한 Bailard(1981)모형과 부유사와 소류사를 분리하여 정식화하는 Flux모형 등이 사용되고 있으나 본 연구에서는 현지관측을 통한 파랑, 저질입경 및
지형변화의 적용성이 상대적으로 단순한
Bailard(1981) 모형을 사용하였다.
본 모형에서는 전표사량을 소류사 와 부유사 의 합으로 나타내었으며 이들은 다음과 같이 해저면 에서의 물입자속도 로 각각 나타내었다.
〈〉 tan 〈
〉 tantan〈
〉 (13)
〈〉 〈〉 〈〉 (14)
여기서 〈 〉는 1주기 파랑의 평균을 의미하며 ,
는 표사량 계수 tan는 해저경사, 는 저질입자의 내부마찰각, 는 저질입자의 침강속도, 는 물의 밀 도, 는 해저마찰계수이다.
식 (13)과 식 (14)로부터 전표사량 가 구해
지면 지형변화는 저질이동의 영향을 고려한 식(15)를 통해 얻을 수 있다(Watanabe et al, 1986).
×
(15)
여기서 는 저면바닥 높이, 는 저질입자의 공극 율, 그리고 은 정수를 나타낸다.
(a) wave propagation (b) wave induced currents (c) sea bed changes
Fig. 4 Waves of ENE group after construction of jetty
(a) wave propagation (b) wave induced currents (c) sea bed changes
Fig. 5 Waves of ESE group after construction of jetty
4.2 수치모형 해석 결과
울산 회야강 하구도류제 건설에 따른 해빈류에 의 한 표사이동 특성을 검토하기 위하여 실험대상 입사 파랑을 선정하였다. 본 대상 해역은 겨울철에는 ENE
계열이 그리고 여름철에는 ESE계열의 심해파랑이 주 로 내습하고 있으며, 여기서는 우리나라 장기파랑산 출자료집(MOF, 1997)을 근거하여 겨울철에는
=2.50m, T=8.5s, =ENE, 여름철에는 =2.50m, T=8.5s, =ESE를 입사파랑 조건으로 추출하여 수
치 계산하였다.
Fig. 4에 ENE계열의 파랑을 그리고 Fig. 5에는 ESE계열의 파랑이 내습하는 경우에 대한 파랑전파 과정과 해빈류장 그리고 해저지형변동 특성을 나타내 었으며 Fig. 4 및 5에서 보듯이 회야강 하구부와 진 하해수욕장 부근에서의 변동특성은 외해에서의 입사 파향과는 큰 차이가 나타나지 않고 있으며, 회야강 하구 전면에 위치한 명선도 부근의 해저 수심의 영향 으로 인해 파랑 집중 현상을 보이고 있다. 해빈류 수 치해석결과 회야강 하구를 중심으로 북측에서는 남향 류가 그리고 남측에서는 북향류의 해빈류가 우세하게 나타난다. 또, 회야강 북측에는 순환류셀과 이안류가 발생하는 반면 남측에는 북향류만 발생하고 있음을 보이고 있으며 이같은 경향은 명선도 남측에 위치한 진하해수욕장과 명선도 배후 톰보로 사이에서도 미약 하지만 북향의 해빈류가 나타나고 있다. Fig. 4 및 5(c)에는 이에 따른 각 파향별 해저지형변동 특성을 도시하였으며 그림에서 회색은 침식을 그리고 검은색 은 퇴적을 나타내고 있다. 그림에서 알 수 있듯이 진 하해수욕장에서는 전체적으로 침식의 경향을 보이고 있으며 회야강 하구 도류제 우안 내측에 퇴적이 상대 적으로 강하게 형성되는 것으로 예측되었다. 그리고 명선도 배후에서도 부분적으로 퇴적이 발생하고 있는 것으로 나타난 바 이것은 도류제 전면에 나타나는 북 향류의 해빈류에 의한 영향으로 예측된다.
따라서, Fig. 1(f)에서 나타난 회야강 하구 우안의 하구 폐색 현상은 이러한 해빈류의 영향으로 인한 것 으로 판단되며, 지속적인 회야강 하구의 준설작업도 이러한 해빈류로 인한 퇴적의 원인으로 보인다. 또한 진하해수욕장 지역에서도 지속적인 해빈침식 현상이 나타나고 있는 것으로 파악되었다. 따라서, 이러한 하 구 폐색과 해빈침식의 영향을 해소하기 위하여 추가 적인 조사 및 해빈류에 대한 영향저감을 위한 추가적 인 연구가 요구된다.
5. 결 론
본 논문에서는 하구폐색 현상과 해빈침식이 지속 적으로 나타나 사회적인 문제가 되고 있는 울산광역 시 울주군에 위치한 회야강을 대상으로 먼저 연안사 주 발생 및 발달특성을 혼압입경의 관점에서 1차원적 으로 해석하였으며, 파랑전파에 따른 하구인근해역의 표사이동 및 해빈변동 특성을 파악하기 위하여 이 해 역에서의 기존 자료 분석과 파랑변형, 해빈류 특성과 해저지형변동의 수치해석을 수행하여 변화를 검토하
였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1. 회야강 하구에서 혼합입경을 고려하여 수치해석 한 결과 유출시간의 경과에 따라 하구역의 하상고가 점차 상승하여 하구사주의 발달과정을 확인할 수 있 었으며 이에 따른 하구 폐색의 특성을 확인할 수 있 었다. 또한 유출토사량에 대한 해석결과 혼합입경을 고려한 경우 홍수량 증가에 비례하여 유출토사량이 점차 증가하고 있는 것을 알 수 있었다.
2. 평상파 파랑이 내습하는 경우 파랑전파과정과 해빈류 특성 및 이에 따른 해저지형변동 특성을 수치 해석을 통해 검토하였으며, 해빈류 흐름의 순환류가 회야강 하구에 나타나고 있으며, 수치해석 결과에서 보듯이 도류제 축조후에도 하구부 인근해역에서 퇴적 이 지속적으로 이루어지고 있는 것으로 판단되었다.
3. 회야강 하구현상을 파악하기 위해서는 흐름특성 뿐만 아니라 토사이동과 지형변동에 대한 지속적인 모니터링이 요구되며, 관측 결과와의 정량적인 검토 에 관해서는 계속적인 연구가 필요하다. 그리고, 하천 에서의 유사와 연안해역의 표사이동 특성을 통합한 종합적인 하구-해역의 지형변동모형 개발에 관한 지 속적인 연구가 되어야 할 것으로 판단된다.
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○ 논문접수일 : 2014년 06월 26일
○ 심사의뢰일 : 2014년 07월 03일
○ 심사완료일 : 2014년 11월 27일
