70
Haeundae Beach
김인철* · 이주용** · 이정렬***
In Chul Kim*, Joo Yong Lee** and Jung Lyul Lee***
요 지 : 2009년 8월 13일과 15일, 부산 해운대 해수욕장 앞 해상에서 이안류가 발생하였다. 또한, 올 여름인 2010년
7월 29일과 30일에도 이안류가 발생하여 피서객 들이 조난된 사고가 발생하였다. 해수욕객들은 전원 구조되어 인명
피해는 발생하지 않았지만 최근 이안류 발생이 너무 잦아져 이에 대한 원인파악과 대책마련이 시급한 실정이다. 본 논문에서는 파랑모형과 조류가 결합된 해빈류 모형을 기본으로 튜브거동까지 재현되는 사용자 편의를 위하여 GUI 로 개발된 HAECUM 모형(HAEundae CUrrent Model)을 이용, 해운대 해수욕장의 이안류 발생 수치모의를 실시하였다.
핵심용어 : 이안류, 해운대 해수욕장, 해빈류 모형, 수치모의, 튜브 거동
Abstract : At Haeundae Beach in Busan, people were swept away by the fast-moving rip current and rescued, on August 13th and 15th, 2009 & July 29th and 30th, 2010. In predicting the wave-induced current and consequent tube movement for public safety, the coastal flows and waves are calculated at each time step and grid point by means of systematic interfacing of hydrodynamic and wave models (Lee, 2001). To provide a user-friendly simulation tool for end-users, the forecasting system has been built in a software package called HAECUM. Outputs from the system are viewed as graphs of tube positions with combined current vectors for easy decision of emergency management officials. The tube-wave interaction is taken into account and the traces of swim tube are simulated by using a Lagrangian random walk (Chorin, 1978; Lee, 1994). In this study, we use the Lee’s approach (Lee, 1993) in estimating the surface onshore currents due to wave breaking.
Keywords : rip current, Haeundae Beach, HAECUM, numerical simulation, tube-wave interaction
1. 서 론
2009년 여름 이후로 부산의 해운대 해수욕장에서 이안류란 더 이상 기술적인 용어가 아니다. 2009년 8월 13일 오후 1시 45분 과 8월 15일 오후 15시 25분경, 부산 해운대 해수욕장의 파라 다이스 호텔 앞 해상에서 이안류가 발생하였다. 8월 13일에는 피 서객 43명이 2차 통제선(해상 100 m)까지 조난되었으나 35분 만에 전원 구조되었고, 8월 15일에는 강한 바람 및 너울성 파도 가 치고 있는 상태였는데 피서객 63명이 1차 통제선(해상 50 m) 까지 조난되었다가 전원 구조되었다(Fig. 1(a)). 또한, 올 여름인 2010년 7월 29일 오후 2시 10분경과 7월 30일 오후 12시 15분 경에도 Fig. 1(b), (c)와 같이 각각 파라다이스 호텔 앞(3번 망 루와 4번 망루사이) 해상과 4번 망루와 5번 망루 사이에서 이 안류가 발생하여, 각각 피서객 26명과 28명이 조난되었다. 해 수욕객들은 전원 구조되어 인명피해는 발생하지 않았지만 최
근 이안류 발생이 너무 잦아져 이에 대한 원인파악과 대책마 련이 시급한 실정이다. 해운대 해수욕장에는 2007년 이후 이안 류에 의하여 2007년 120명, 2008년 150명, 2009년에는 150명, 2010년에는 100여명이 조난되었다가 구조되었다(홍, 2009).
언론을 통하여 제시되는 이안류의 발생 메카니즘과 원인에 대한 보도자료를 보면 간혹 undertow 현상과 혼돈하거나 하 천류에 기반한 잘못된 분석을 제시하는 등 그릇된 기사를 종종 접하게 되는데 undertow는 쇄파가 발생되는 해역에서 파가 쇄파되면서 수면을 따라 해안으로 밀리는 흐름이 발생하는 데 이 흐름이 해안에 막히면서 평균수면 아래로 해저면을 타고 다시 바다를 향하여 생기는 흐름으로 이안류처럼 특정해역에 좁게 발생하지 않으므로 위협적이지 않은 흐름이다. 또한 몇몇 언 론에서는 하천류와 같이 낮은 수심에서 큰 흐름이 발생하므로 마치 이안류가 낮은 지형에서 외해로 큰 흐름이 발생하는 것 이라고 보도되었지만 간혹 파향에 따라 낮은 수심을 통하여
***동서대학교 건축토목공학부 (Division of Architecture & Civil Engineering, Dongseo University, Busan, Korea)
***성균관대학교 건설환경시스템공학과 (Department of Civil and Environmental Engineering, Sungkyunkwan University, Suwon, Korea)
***성균관대학교 사회환경시스템공학부 (Corresponding author:Department of Civil and Environmental Engineering, Sungkyunkwan University, Suwon 440-746 Korea, [email protected])
이안류가 발생할 수가 있으나 이는 일반적인 이안류 발생의 메커니즘이 아니다.
본 논문에서는 이안류의 발생 시점에서 해운대 해수욕장 해 상을 촬영한 영상 자료로부터 파랑 조건을 유추한 파랑모형과 조류가 결합된 해빈류 모형을 기본으로 하여 사용자 편의를 위 하여 GUI로 개발된 HAECUM 모형(HAEundae CUrrent Model) 을 해운대 실제 지형을 대상으로 해운대 해수욕장의 이안류 발 생 수치모의를 실시하였다. 따라서 GUI 기반 사용자 편의 모형과 파랑 관측 시스템을 연계하여 예기치 않은 이안류로 인하여 발 생할 해수욕객에 노출된 사고 위험을 미연에 방지할 필요가 있다.
2. 이안류
2.1 이안류의 개요
이안류의 발생원인과 메커니즘을 규명하기 위한 노력은 1940년대부터 시작되었다. 이안류의 연구는 관측 및 실험, 이론 및 해석기술의 두 가지로 각기 진행되어 왔는데 국내외 이안 류에 관한 연도별 주요 연구내용을 Table 1에 제시하였다.
연안을 따라 들어오는 파의 쇄파고에 차이가 발생하면 평 균 수위의 차이가 생기며 이 차이는 결국 쇄파대에서 종종 깊은 바다를 향하는 작지 않은 흐름을 발생시키는 데 이것이 이안류 Fig. 1. Rip current generation at Haeundae Beach.
Table 1. Rip current research by year
Period Rip current research
International Note Domestic Note
1961 -1960
Rip Current Observation
(Surf zone wave height change⇒ Rip current occurrence) (Shepard et al., 1941; Shepard and Inman, 1950)
Point out problems following the
observation
1961 -1970
Wave effect⇒ Momentum radiation stress theory (Longuet-Higgins and Stewart, 1960, 1961, 1962, 1964) Wave superposition/Surging breaker
⇒ Rip current occurrence (Bowen and Inman, 1969) Rip current laboratory experiments
(Bowen and Inman, 1969)
Identifying causes according to the theory
1971 -1980
Numerical analysis using radiation stress (Noda, 1974; Liu and Mei, 1976)
Surf zone instablitiy⇒ Rip current occurrence
(Hino, 1974; LeBlond and Tang, 1974; Dalrymple and Lozano,1978; Miller and Barcilon, 1978)
Quickening period of the
numerical modeling
1981 -1990
Wave action theory (Mei,1989)
Wave-current interaction model (Yoo,1989)
Applying of the wave-current
interation
Rip current numerical modeling (Yoo, 1990; Kim, 1990)
Introductory period of the numeircal modeling technique
1991 -2000
Quasi 3D numerical modeling (Lee,1993) Importance of the wave-currnet interaction
(Falques et al.,1999)
Numerical simulation using nonlinear wave (Kabiling and Sato,1993)
Maturity of the numerical
modeling
Current fluctuation of the storm period (Kim et al., 1993)
Introduction of Yamaguchi nearshore current model (Choi et al., 1994) Nearshore current considering the
wind effect (Lee et al., 1998) Numerical simulation of nonlinear
wave model (Lee et al., 2000)
Heyday of the numeircal modeling
2001 -the present
Vortex theory and Numerical analysis
(Buhler and Jacobson, 2001; Long and Ozkan-Haller, 2009) Rip current observation using PIV techniques
(NCEX rip current observation project, 2003) Drifter experiment (Spydell et al., 2007, 2009)
Rip current observation (Remote sensing/drifter)
Nearshore current simulation using the nonlinear Boussines formula (Cheon et al., 2005)
Numerical simulation using swim tube movement (Kim et al., 2009)
Attempt period of the buoy observation experiment
발생의 주 원인이 된다. 따라서 흐름으로서의 이안류 발생의 단초를 제공하는 흐름이 존재하는 데 이 흐름을 해빈류(wave- induced current)라 칭하는데 연안에서 쇄파에 따른 해수면 상 승의 차이로 인하여 쇄파대에서 우월하게 발생하는 흐름이다.
해빈류가 해안선에 거의 평행으로 흐르면 연안류(longshore current)라 칭하며, 이러한 연안류가 어느 한 지역으로 집중 되어 Fig. 2와 같이 외해로 급속하게 좁은 물길을 타고 빠져 나가면 이안류(rip current)라 칭한다.
해빈류는 파랑의 운동 성분과 서로 중첩되어 부유된 모래를 이동시키는 데 크게 관여하므로 해안 침·퇴적 및 해안선 변 화의 주요 요인으로 작용한다. 그러나 해빈류는 쇄파대 내·
외에서 다양하게 변화되어 나타나므로 명확한 발생 메커니즘 의 분석을 위해서는 정확한 조석·조류 환경의 재현 하에서 입사 파랑의 입력에 따른 해빈류 수치 결과의 지속적인 비교·
분석이 요구된다. 특히 해운대에서 이안류에 의하여 튜브가 외해로 떠내려가는 것을 예측하기 위해서는 튜브의 거동 및
발생하는 수치모형 결과의 벡터를 보여준 것이다. 골을 따라 이안류가 발생하는 이유는 양 옆의 수심이 낮은 곳에서는 수 심이 낮은 관계로 파가 먼저 부서지면서 가운데 수심이 깊은 곳보다 평균수위가 상승한다. 그러면 평균 수위가 높은 양 옆의 해수가 평균 수위가 낮은 가운데로 몰리면서 그 몰린 흐름이 평균 수위가 낮은 깊은 골을 따라 그림과 같이 외해로 빠져 나가게 된다.
3. 모형 설명
연안역에는 그 기인력이 서로 다른 다양한 해안류(coastal currents)가 존재한다. 이러한 흐름으로는 조석현상에 의한 조 류, 계절적으로 변화하며 공간적으로도 그 규모가 비교적 큰 해류, 바람의 영향에 의한 취송류, 그리고 파랑의 직접적 영 향으로 발달되는 해빈류 등을 들 수 있다. 이 중 단기간에 지 역적으로 연안역(coastal zone)에 가장 큰 영향을 미치는 것은 파랑의 변형으로부터 비롯되는 해빈류라 할 수 있다. 즉, 심해 에서 주로 바람에 의해 발생하고 발달된 파랑은 연안역으로 전파함에 따라 상대적으로 급격히 변하는 수심 및 흐름에 의 해 천수, 굴절, 회절현상으로 변형되고, 그리고 해안선 가까이 에서 쇄파되어 결국 소멸되는 과정을 거치게 된다. 이러한 파 랑의 변형과정에서 수반되는 파랑의 잉여응력의 변화에 따라 해빈류가 발생하게 된다. 따라서 연안역 해수순환 현상 및 해 저 퇴적물 이동현상을 연구하기 위해서는 보다 정확한 파랑장 재현 및 해석이 필수적이며 해빈류의 실측을 통하여 검증할 필요가 있다.
해운대에 최적화된 해빈류의 예측을 위하여 2010년 성균관 대학교 해안환경연구실에서 개발한 광각 포물선형 파랑 모형과 해빈류 모형이 결합된 HAECUM이 사용되며 파랑모형으로 부터 해빈류 모형까지의 계산과정을 Fig. 4에 도시하였다.
수치모형실험은 포물선형 파랑변형 모형과 잉여응력을 이 용하여 해빈류 및 수면 변화를 산출하는 모형으로 수행되었 다(Lee et al., 2004). 파랑 모형으로부터 산정된 파랑의 질량 이송 및 잉여응력을 구한 다음, 수심적분된 연속방정식의 원천 (source)으로 그리고 운동방정식의 외력으로 작용시켜 연안역 에서 해빈류를 발생시킨다.
3.1 포물선형 파랑 모형
파랑 모형의 결과로부터 해빈류의 발생을 일으키는 잉여응 력과 해저면으로부터 부유사의 발생량에 영향을 미치는 전단 응력이 산정된다. 연안역에서 파랑변형에 따른 파랑장 재현을 Fig. 2. Rip current formation.
Fig. 3. Vector diagram of rip current.
(dark color:deep; light color:shallow)
위해 사용되는 파랑 모형은 진폭 및 파수 벡터를 미지수로 하는 주기 평균된 타원형 모형과 파랑의 주 진행 방향으로 파 진동에 의한 위상(phase)변화를 완화시킨 포물선형 모형 등이 있다.
주기 평균된 타원형 모형은 격자 크기에 제한이 적고 비교적 부드러운 계산 결과를 제공하므로 광역에 적용하기 가장 유 력한 수치모형으로 추천되어 왔으나, 실제 지역에 적용한 결과 천퇴(shoal)가 있는 지역에서 천퇴후면에서의 파의 교차를 소 화시켜주지 못하고 있다. 파가 교차할 수 없다는 것은 파수 벡터의 비회전성이 진행파의 위상변화로부터 얻어지기 때문 이다. 따라서 본 논문에서는 주기 평균된 타원형 모형보다는 포물선형 모형을 사용하여 수치해석하며, 광각에 대한 포물선 형 모형의 근본적인 오차를 줄이기 위하여 22.5o보다 큰 경 우에는 45o를 주입사각으로 계산이 수행되도록 하였다.
3.2 해빈류 예측 수치모형
부유된 토사는 다시 해저면으로 가라앉는 동안 연안역에서 발생하는 흐름에 의하여 그 위치를 이동하며 확산되는데 연 안역에서의 흐름에는 기인력이 서로 다른 해류, 취송류, 조류, 해 빈류 등이 존재하며, 또한 이 해역은 복잡한 과정을 거치면서 생성, 전파, 변형된 파랑이 쇄파라는 마지막 변형과정을 거치면 서 소멸되는 해역으로서, 다양한 흐름과 파랑변형 현상의 복합적 상호작용에 의한 결과로 연안역 해수 순환현상이 나타난다.
단순화된 자연해빈 주변 연안역의 해수 순환현상을 재현하 고자 하는 연구가 지난 20년 동안 광범위하게 진행되어 왔다. 이 에 대한 관련 문헌 소개 및 평가가 Basco(1983) 및 Battjes(1988) 에 의해 수행된 바 있다. 이러한 대부분의 연구들이 수심평균 된 형태의 방정식을 기초로 수행되었으며, 이는 수심을 따라 유속이 일정하다는 가정을 내포하고 있으며 때로는 해빈류의 수심에 따른 유속분포가 개수로 정상류의 경우에 적용되는 로 그 함수적 분포를 갖는다는 가정하에 수행되기도 하였다. 한
편 해빈류의 발생역학에 대한 연구는 잉여응력의 소개와 함 께 급진전 되었으며 대부분의 해빈류 모형은 천수방정식에 잉 여응력을 포함시켜 해석함으로써 파랑작용으로 인한 잔차류 인 해빈류를 모의하고 있다.
해빈류 산정 모형이 잉여응력 유도상의 제한으로 주로 진 행파에만 적용되었으나 최근 Boussinesq 또는 완경사방정식 형태의 비선형 방정식의 유도로 이러한 잉여응력의 유도과정 없이 반사파가 우세한 해역에도 사용될 수 있게 되었다. 잉여응 력 접근방법은 파랑 위상에 대하여 시간 적분된 천수방정식을 이용하므로 비교적 격자 간격의 제한이 적어 광역에 적용할 수 있는 장점이 있는 반면, 비선형 파랑모형을 이용한 방법은 한 주기당 부분 반사파의 위상재현을 위하여 요구되는 격자 간 격의 제한이 있으므로 광역의 적용에 어려움이 있다.
잉여응력을 이용한 해빈류 모형은 운동량 방정식에 잉여응 력을 추가함으로써 파고의 차이 및 감쇄 현상에 따른 해빈류의 발생을 모의하는 것이다. 따라서 연속 방정식은 다음과 같이 천수 방정식과 동일한 형태를 갖는다(김, 1990; Lee, 1993).
(1)
여기서, η는 평균 수위 상승이며, Qx와 Qy는 수심 적분된 유 량의 x와 y성분이다. undertow를 예측하려면 mass flux가 유 량 벡터에 추가된다. 운동량 방정식의 유속성분을 흐름성분과 파운동 성분으로 분리하고 수심 적분한 후 파주기에 대하여 평 균하면 아래와 같이 식 (2)와 식 (3)으로 나타낼 수 있다.
(2)
(3)
여기서 Sxx, Syy와 Sxy는 잉여응력으로 파고와 파향의 함수 로서 파랑의 영향으로 발생하는 해빈류와 쇄파로 인한 평균 수면의 상승을 산정하기 위하여 해수 순환 모형에 적용되는 데 각각의 요소는 아래와 같다.
: 수심적분된 유량벡터 (E : 파랑에너지, θ : 파향)
∂η
∂ t--- ∂ Qx
---∂ x ∂ Qy
---∂ y + + =0
∂ Qx
---∂ t ∂
∂ x--- Qx2
h+η ---
⎝ ⎠
⎛ ⎞ ∂
∂ y--- QxQy
h+η ---
⎝ ⎠
⎛ ⎞ 1 ρ--- ∂Sxx
---∂ x ∂ Syx
---∂ y
⎝ + ⎠
⎛ ⎞ g h η( + )∂η
∂ x---
+ + + +
τBx
---ρ τSx
--- fQρ y ∂
∂ x--- Dx ∂ Qx
---∂ x
⎝ ⎠
⎛ ⎞ ∂
∂ y--- Dy∂ Qx
---∂ y
⎝ ⎠
⎛ ⎞ +
= – – +
∂ Qy
---∂ t ∂
∂ x--- QxQy
h+η ---
⎝ ⎠
⎛ ⎞ ∂
∂ y--- Qy2
h+η ---
⎝ ⎠
⎛ ⎞ 1 ρ--- ∂Sxy
---∂ x ∂Syy
---∂ y
⎝ + ⎠
⎛ ⎞ g h η( + )∂η
∂ y---
+ + + +
τBy
---ρ τSy
--- fQρ x ∂
∂ x--- Dx ∂ Qy
---∂ x
⎝ ⎠
⎛ ⎞ ∂
∂ y--- Dy∂ Qy
---∂ y
⎝ ⎠
⎛ ⎞ +
= – – +
Qx hu zd , Qy
–
∫η –ηhu zd
∫
= =
Sxx E Cg
---C(cos2θ 1+ ) 1 2--- –
=
Sxy E Cg
---Csinθcosθ
=
Syy E Cg
---C(sinθ+1) 1 2--- –
= Fig. 4. Flow chart of a numerical model system (HAECUM).
τBx, τBy는 저면 마찰에 의하여 발생한다. 사용된 수치기법 은 교호격자를 이용하여 factorization 기법에 의하여 단계별 로 수치해석하는 음해법의 유한차분 모형이다.
3.3 튜브 거동의 모의
이송에 의한 튜브의 위치를 파악하기 위하여 다음 식이 사 용된다.
(4)
여기서 튜브의 위치를 나타내는 공간 좌표벡터 x의 성분은 (x, y)이며, 유속 벡터 u의 성분은 (u, υ)이고 k는 보정계수로서 관측을 통하여 보정해야할 보정 계수이지만 편의 상 0.5를 사 용하였다. 유속은 조류, 해빈류, 그리고 파랑에 의하여 생성된 표면류 성분으로 이루어지며 튜브는 유속에 의하여 해수 입자 처럼 그대로 거동하지 않고 상호 작용에 의하여 다소 지연 거 동된다. 파랑에 의한 표면류는 Lee(1993)로부터 유추하였다.
Lee(1993)의 쇄파대 해석에 의하면 연안방향의 표면 유속 은 다음 식과 같이 주어지고 이 식이 쇄파에 의한 튜브이동 모의시 적용된다.
(5)
여기서 hb는 쇄파고를 의미하고, β0와 β는 현장관측을 통 해서 추정될 수 있으며 β는 1보다 큰 값이다.
시간 간격 ∆t가 작은 경우 식 (4)는 시간 단계 n에서 입자가 위치한 (xn, yn)로부터 다음 시간단계 n + 1에서의 위치를 다 음과 같이 구할 수 있다.
xkn+1
= xnk+ kuk∆t, ykn+1
= ynk+ kυk∆t (6) 여기서 (uk, υk)는 각 각 튜브가 놓인 지점에서의 선형 보 간된 유속이다. 이동된 입자는 확산에 의하여 무작위 행보를 하는데 다음과 같이 반영된다.
xkn+1= xnk+ kuk∆t + δkx
, ykn+1= ynk+ kυk∆t+ δky
(7) 여기서 δ는 평균이 0이고 확산계수가 D인 경우 2D∆t의 분 산으로 발생되는 무작위 값이다. 추적된 위치가 유동장을 벗 어나 육지영역으로 이동한 경우, 그 위치는 mirror image기 법에 따라 다시 유동장 안으로 반사처리되고 개방경계를 벗 어나 외해로 방출되는 경우는 고려 대상에서 제외한다.
곳을 집중적으로 관찰하고 있다.
해운대 해수욕장은 동백섬과 미포항 사이의 약 1.4 km정도 길이로 발달된 다소 움푹 들어온 해안으로 약간의 파향 변화 에도 연안류가 다양하게 집중되어 해운대 동측 파라다이스호텔 앞 해상과 서측 글로리콘도 앞 해상 등 여러 곳에서 이안류 형 태로 나타나며, 또한 전면해상에 여러 개의 암초가 산재하고 있어 이것이 해안선 부근의 파고 변화를 일으켜 협곡과 같은 사주(sand bar)의 부분적인 단절이 초래되어 Fig. 2에 도시한 형태의 이안류가 발생하는 특징이 있다.
2010년 7월 29일에 발생한 이안류의 경우, 전일 강한 파랑 으로 인한 해운대 일대의 수심변화가 발생되어 29일 이안류 발생지역에 깊은 수심대역이 형성되었으며 상대적으로 수심이 얕은 부근에서 쇄파가 발생되는 것에 비하여 이안류 외측 이동 영역 내에서는 쇄파가 일어나지 않고 있었고, 14시 10분에 이 안류로 인한 해수욕객이 외해로 이동하는 현상이 발생하였는데 이는 풍파(wave)와 해류(current)가 서로 충돌하면서 상대적 으로 수심이 깊은 지역으로 에너지가 축적되다가 매우 약한 파가 전파하는 지점에서 에너지 플럭스가 무너져 이안류가 발 생한 것으로 보였다.
부산 지역의 조석표와 이안류의 발생 시점(2009년 8월 13일 13:45분은 120 cm, 8월 15일 15:25, 2010년 7월 29일 14:10, 7월 30일 12:15)의 조석변화도가 Fig. 6에 제시되었다. 발생 시 점의 조위 값은 각각 2009년 8월 13일 13시45분의 120 cm, 8월 15일 15시25분은 108 cm, 2010년 7월 29일 14시10분은 67 cm, 7월 30일 12시15분은 119 cm와 같다.
2009년 8월 13일과 15일에 발생한 이안류의 경우, 발생 시 점의 해운대 해수욕장 앞 해상에서의 파랑조건을 정확히 알 수 없기에 발생 시점에 해운대 해수욕장 해상을 촬영한 영상 자 료로부터 파고와 주기를 추정하였다. 입사 파향은 Fig. 7과 같이 dx
---dt =ku
us β0 ghb β h hb
---
⎝ – ⎠
⎛ ⎞
=
Fig. 5. Rip current occurrence point with frequency.
해운대 해수욕장의 계절별 파향 분석(이 등, 2007)의 분석결 과를 인용하여 해운대 해수욕장에서 하계 파향이 남향이 지배 적임을 알 수 있었다. 이를 기준으로 모형기준 170o, 180o, 190o(모형 기준 180o에서 정남향에서 북쪽으로 파가 전파하는 경우임)의 세 가지 실험 조건으로 8월 13일과 15일에 대해서 각각 수치모의하였다. 영상자료로부터 추정한 60 cm의 입사 파고와 약 10초의 주기 조건으로 파랑 모형과 조류가 결합된 해빈류 모형(HAECUM)을 이용하여 이안류 발생에 관련된 수 치모의를 수행하였다.
HAECUM을 이용하여 수행한 수치모의 케이스들의 대상 날짜 및 수치모의시 사용한 초기조건들이 Table 2에 제시되 었다. 2010년 7월 29일과 30일에 발생한 이안류의 발생 시 점의 파랑정보는 기상청 자료에서 확인할 수 있었다. 기상청 에서 사용하는 WAVEWATCH-III 파랑모형은 현재 NOAA/
NCEP에서 기존의 모형을 대신해서 현업으로 이용되고 있으며, Delft 대학에서 Tolman(1989)에 의해 처음 개발되었고, NASA 에서 WAVEWATCH-II (Tolman, 1992)로 발전되어져 왔다. 기 상청 WAVEWATCH-III(이하 WW3으로 표기)의 자료를 통해
해운대 해수욕장 앞 해상에 가장 근접한 계산격자로부터 2010 년 7월29일 14시경에 파고 152 cm, 파향 211o, 주기 11.8 sec, 2010년 7월 30일 12시경에 파고 107 cm, 파향 214o, 주기 10.9 sec의 파랑정보를 획득하였고, 취득한 파랑정보를 이용 하여 2010년 7월 29일과 30일에 발생한 이안류에 대해서 HAECUM을 이용하여 수치모의하였다.
Fig. 6. Tidal chart of Busan & tide information of rip generation time (National Oceanographic Research Institute, 2010).
Fig. 7. Frequency of occurrence between wave height and direction at Haeundae Beach (Lee et al., 2007).
Table 2. Cases of HAECUM simulation
Case No. Date Wave angle (deg)
Wave Height (cm)
Wave Period (sec) 1
2009.8.13
170 60 10
2 180 60 10
3 190 60 10
4
2009.8.15
170 60 10
5 180 60 10
6 190 60 10
7 2010.7.29 197 152 11.8
8 2010.7.30 195 107 10.9
현되었다(Fig. 9). 이를 통해 2009년 8월 13일과 15일에 발 생한 이안류 사고당시 해운대 해수욕장 해상에서의 파향은 남
동을 통해 실제 사고발생지역과 수치모의 결과의 사고발생 위 치가 동일함을 확인할 수 있다. 기상청 파랑모형인 WW3를
Fig. 8. Simulation results for seaward drifting of swim tubes due to rip currents (2009. 8. 13; Wave height : 60 cm, Wave period : 10 sec, Wave angle : 180o).
Fig. 9. Simulation results for seaward drifting of swim tubes due to rip currents (2009. 8. 15; Wave height : 60 cm, Wave period : 10 sec, Wave angle : 180o).
Fig. 10. Simulation results for seaward drifting of swim tubes due to rip currents (2010. 7. 29; Wave height : 152 cm, Wave period : 11.8 sec, Wave angle : 197o).
통해서 획득한 파랑자료에서는 7월 29일과 30일의 사고발생 시점에 각각 211o와 214o의 파향을 얻었으나 파랑자료를 계 산한 해당격자가 해운대 해수욕장 앞에서 상당히 떨어진 외 해에 위치하고 있었다. 그러므로, 해당 지점로부터 파가 해운대 해수욕장으로 입사하는 과정에서 수심변화 등의 이유로 파향이 굴절되므로 해안가에 이르게 될 당시는 파향이 변화가 일부 되었다고 판단하였다. 따라서, 실제 해안가에 입사하게 된 파 향은 WW3에서 획득한 파향과 다소 차이가 있었고, 충분히 오차범위내에 있다고 판단한 실제 수치모의시 사용한 파향은 197o와 195o이다.
7월 29일의 경우, 4번과 5번 망루앞에서 실제 사고가 발생 해서 해수욕객들이 조난 후 구조되었으나, Fig. 10의 수치모의 결과를 보면 1번과 3번 망루앞에서도 이안류가 재현되었음을 볼 수 있다. 그러나, 29일은 주말이 아닌 평일이라 1번과 3번 망루앞에 해수욕객들이 거의 없었기에 실제 보도된 사고는 4번과 5번 망루앞에 국한된 것이라고 볼 수 있다. 7월 30일의 경우 3번 망루앞 해상뿐만 아니라 미포항쪽 (1번 망루앞 해 상)에도 이안류가 재현되었으나 그 지역은 해수욕객의 출입이 없는 지역이라 실제 사고는 3번 망루앞에서 일어난 것으로 보 도되었다고 볼 수 있다.
5. 결 론
이안류는 1) 파향이 해안선에 직각으로 오는 경우에 대부분 발생하며 2) 해수욕이 가능한 쾌청한 날씨에 강한 이안류가 발생했다면 파고가 높게 오는 장주기의 경우에 발생할 확률이 높다. 만조위에 발생했다는 것은 수심이 깊어져 파랑 에너지 손실이 적었거나 만조위에서의 해저 지형이 이안류 발생 가능 성을 높였다고 볼 수도 있으나 아직 속단은 어렵다.
파랑 에너지가 크게 작용하고 있는 상황에서 만조위라면 조석 및 파랑 에너지가 해안을 따라 잔뜩 집중된 상황에서 썰물로 바뀌게 되면 고파랑에 의하여 잔뜩 긴장한 setup 환경이 깨 지면서 쇄파가 작게 발생하는 해안을 뚫고 이안류가 갑자기
발생할 가능성이 있다. 따라서 해빈류는 물론 조류 모형을 동 시에 결합시켜 수치모의할 필요성이 있다.
파랑모형과 조류와 결합된 해빈류모형이 합쳐진 해운대 이 안류 모형인 HAECUM을 이용하여 2009년 8월 13일과 15일, 2010년 7월 29일과 30일에 해운대 해수욕장에 발생한 이안류 사고에 대해 수치모의하였다. 기상청을 통해서 사고발생 시 점의 파랑정보를 획득한 2010년의 경우 사고발생위치와 동일 한 지점에서 이안류가 재현되었음을 확인할 수 있었고, 파랑 정보를 획득하지 못한 2009년의 이안류 사고의 경우 하절기 해운대에서 지배적인 남향위주의 파향에 대해서 각각 세 가지 경우에 대해서 수치모의한 결과 특정 파향에 대해서 사고발 생지역에 이안류가 우월하게 재현되었음을 확인할 수 있었다.
튜브의 유적자료로부터 모형의 검증과정을 거쳐 신뢰도를 높인 후, 해운대 현지 관리자가 운용하기 쉬운 사용자 편의 모형을 통하여 외해 모니터링 자료로부터 5~10분 이내 튜브 들이 어떻게 이동할 지를 예측하는 시스템의 구축이 필요하다. 이 경우 튜브와 파랑의 상호 작용에 대한 고려도 필요하다.
감사의 글
본 연구는 기상청 기상지진기술개발사업(CATER 2010- 1184)의 지원으로 수행되었습니다.
참고문헌
김인철 (1990). 연안역 구조물 주위에서의 파랑과 해빈류의 수 치모형에 관한 연구, 박사학위논문, 서울대학교.
김인철, 이주용, 이정렬 (2009). 해운대 해수욕장의 이안류 발생 수치모의, 한국해안해양공학회 2009년도 발표 논문집, 18, 29-32.
김창식, 박광순, 김선정, 전기천, 심재설, 오병철, 박영길, 최영미, 김형기 (1993). 폭풍시 연안류 변동에 따른 연안재해요소 연구, 한국해양연구소.
유동훈 (1990). 불규칙파에 의한 연안류. 대한토목학회논문집, 10(4), 151-158.
Fig. 11. Simulation results for seaward drifting of swim tubes due to rip currents (2010. 7. 30; Wave height : 107 cm, Wave period : 10.9 sec, Wave angle : 195o).
토목학회 정기학술대회논문집, 756-759.
최은주, 유수진, 김현우, 권정곤 (1994). 방향분산성이 고려된 해 빈류 유동특성에 관한 연구, 대한환경공학회 추계학술연구발 표회 논문집, 475-477.
홍성진 (2009). 국립방재연구소 Newsletter 제26호.
Basco, D. R. (1983). Surfzone currents. Coastal Eng., 7, 331-355.
Battjets, J. A. (1988). Surfzone dynamics. ann. Rev. Fluid Mech., 20, 257-293.
Bowen, A. J. and Inman, D. L. (1969). Rip currents: 2. Laboratory and field observations, J. Geophys. Res., 74, 5479-5490.
Buhler, O. and Jacobson, T. E. (2001). Wave-driven currents and vortex dynamics on barred beaches, J. Fluid Mech. 449, 313-339.
Chorin, A. J. (1978). Vortex sheet approx. of boundary Layer, J.
Compt. Phys., 27, 428-442.
Dalrymple, R. A. and Lozano, C. J. (1978). Wave-current interac- tion models for rip currents, J. Geophys. Res. 83 (C12), 6063-6071.
De Vriend, H. J. (1986). 2DH computation of transient seabed evolu- tions. Proc. 20th Int. Conf. on Coastal Engrg., ASCE, 1689-1712.
Falques A., Ribas F., Larroude P. and Montoto A. (1999). Nearshore oblique bars. modelling versus observations at the Truc Vert Beach.
In: I. A. H. R. Symposium on River, Coastal and Estuarine Mor- phodynamics, DIAM: Genoa, Italy. 207-216.
Hino, M. (1974). Theory on the formation of rip-current and cus- pidal coast. Proceedings of the 14th International Conference on Coastal Engineering. Am. Soc. of civ. Eng., Copenhagen, 901-919.
Kabiling, M. B. and Sato, S. (1993). Two-dimensional nonlinear dispersive wave-current and three dimensional beach deformation model, Coastal Eng. Japan 35, 195-212.
LeBlond, P. H. and Tang, C. L. (1974). On energy coupling between waves and rip currets, J. Geophy., Res., 79, 811-816.
Lee. J. L. (1993) Wave-current interaction and quasi 3D numerical modeling in nearshore zone, PhD. Dissertation, University of Florida.
Lee, J. L. and Wang, H. (1994). One-D model prediction of pollutant transport at a canal network, The Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, 6(1), 51-60.
Lee, J. L. and Park, C. S. (2000). Development of weakly nonlinear wave model and its numerical simulation. J. Korean Soc. of Coastal and Ocean Engineers, 12(4), 181-189.
Lee, J. L. and Lee, K. J. (2001). Effect of a surface-piercing vertical thin breakwater to harbor tranquility. The First Asian and Pacific Coastal Engnering Confernce, 186-195.
Lee, J. L., Liu, J. and Teng, M. (2004). A numerical study on near- shore sediment transport around Oahu Island in Hawaii. Journal
Longuet-Higgins, M. S. and Stewart, R. W. (1960). Changes in the form of short gravity waves on long waves and tidal current, J.
Fl. Mech. 8, 565-583.
Longuet-Higgins, M. S. and Stewart, R. W. (1961). The changes in amplitude of short gravity waves on steady non-uniform currents.
J. Fl. Mech., 10, 529-549.
Longuet-Higgins, M. S. and Stewart, R. W. (1962). Radiation stress and mass transport in gravity waves, with application to “surf- beats.”, J. Fl. Mech. 13, 481-504.
Longuet-Higgins, M. S. and Stewart, R. W. (1964). Radiation stress in water waves, a physical discussion with applications. Deep-Sea Res. 11(4), 529-563.
Mei, C. C. (1989). The Applied dynamics of ocean surface waves.
World Scientific, Singapore.
Miller, C. and Barcilon, A. (1978). Hydrodynamic instability in the surf zone as a mechanism for the formation of horizontal gyres, Journal of Geophysical Research, 83, C8, 4107-4116.
Nearshore Canyon EXperiment. (2003).
Noda, E. K. (1974). Wave induced nearshore circulation, J. Geophys.
Res. 79, 4097-4106.
Shepard, F. P., Emery, K. O. and E. C. LaFond, (1941). Rip currents:
A process of geological importance, J. Geol., 49, 337-369.
Shepard, F. P., and D. L. Inman. (1950). Nearshore circulation related to bottom topography and wave refraction, Eos Trans. AGU, 31(4), 555-565.
Spydell, M. and Feddersen, F. (2009), Lagrangian drifter dispersion in the surf zone: Directionally spread normally incident waves, J. Phys. Ocaeanogr., 39, 809-830.
Spydell, M., Feddersen, F. Guza, R. and W. Schmidt. (2007), Observ- ing surf-zone dispersion with drifters, J. Phys. Ocaeanogr., 37, 2920-2939.
Tolman, H. L. (1989). The numerical model WAVEWATCH: A third generation model for the hindcasting of wind waves on tides in shelf seas, Communications on Hydraulic and Geotechnical Engi- neering, Delft Univ. of Techn., ISSN 0169-6548, Rep. no. 89-2, 72.
Tolman, H. L. (1992). Effects of numerics on the physics in a third- generation wind-wave model. J. Phys. Oceanogr., 22, 1095-1111.
Yoo, D. (1989). Explicit modelling of bottom friction in combined wave-current flow, Coastal Eng., 13, 325-340.
원고접수일: 2011년 1월 3일 수정본채택: 2011년 1월 7일 게재확정일: 2011년 1월 10일
