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이학석사 학위논문
태풍에 대한 사질해빈과 자갈해빈의 지형반응 차이 - 해운대와 감지 해빈의 예
Contrasting morphodynamic response of sand and gravel beaches to typhoons - a case study from Haeundae and Gamji beaches in Busan
지도교수 장 태 수
2020년 8월
한국해양대학교 대학원
해 양 생 명 환 경 학 과 이 영 윤
[UCI]I804:21028-200000342549 [UCI]I804:21028-200000342549 [UCI]I804:21028-200000342549 [UCI]I804:21028-200000342549
본 논문을 이영윤의 이학석사 학위논문으로 인준함
위원 장 : 이 경 은 인 위 원 : 도 기 덕 인 위 원 : 장 태 수 인
2020년 6월
한국해양대학교 대학원
목 차
List of Tables ···ⅳ List of Figures ···ⅴ Abstract ···ⅶ
1. 서 론
1.1 연구 배경 ··· 1
1.1.1 해운대 사질해빈 ··· 2
1.1.2 감지 자갈해빈 ··· 4
1.2 연구 목적 ··· 5
2. 연구 지역 2.1 연구 지역 개관 ··· 6
2.1.1 지질과 해저지형 ··· 6
2.1.2 기후와 해양환경 ··· 7
2.2 해운대 사질해빈의 환경 ··· 8
2.2.1 지질과 지형 ··· 8
2.2.2 기후 환경 ··· 9
2.2.3 인공 구조물 ··· 11
2.3 감지 자갈해빈의 환경 ··· 11
2.3.1 지질과 지형 ··· 11
2.3.2 기후 환경 ··· 13
2.4 태풍 개요 ··· 15
2.4.1 태풍 차바 전·후의 조석, 파랑 변화 ··· 16
2.4.2 태풍 콩레이 전·후의 조석, 파랑 변화 ··· 18
2.4.3 태풍 다나스 전·후의 조석, 파랑 변화 ··· 19
3. 연구 방법 3.1 지형측량 ··· 20
3.1.1 가상 기지국 GPS 측량법 ··· 20
3.1.2 해운대 측량 ··· 20
3.1.3 감지 측량 ··· 21
3.2 입도 분석 및 퇴적물 형태 분석 ··· 21
3.2.1 해운대 사질해빈의 표층시료 획득 및 입도분석 ··· 21
3.2.2 감지 자갈해빈의 표층시료 획득 및 입도분석 ··· 22
3.3 드론 사진촬영을 통한 퇴적물 이동 계산 ··· 25
4. 연구 결과 4.1 태풍에 대한 해운대 사질해빈의 지형반응 ··· 27
4.1.1 해운대 사질해빈의 지형반응 ··· 27
4.1.2 해운대 사질해빈의 입도변화 ··· 29
4.2 태풍에 대한 감지 자갈해빈의 지형반응 ··· 31
4.2.1 감지 자갈해빈의 지형반응 ··· 31
4.2.2 감지 자갈해빈의 입도 분포 ··· 35
4.2.3 감지 자갈해빈의 공간적인 퇴적물 이동과 지형반응 ··· 39
5. 토의 5.1 해빈침식의 원인에 대한 고찰 ··· 42
5.1.1 외력의 변화 ··· 42
5.1.2 퇴적물 공급의 변화 ··· 42
5.2 해빈침식에 대한 태풍의 기여 ··· 43
5.2.1 해운대 사질해빈 ··· 43
5.2.2 감지 자갈해빈 ··· 45
5.3 향후 계획 ··· 47
5.3.1 해저 지형에 대한 자료 부족 ··· 47
5.3.2 유실된 퇴적물의 행방 ··· 48
5.3.3 자갈 퇴적물의 이동 기작 ··· 48
6. 결론 6.1 해빈에 대한 태풍의 영향력 ··· 49
6.2 사질해빈과 자갈해빈의 태풍에 대한 지형반응 차이 ··· 50
참고문헌 ··· 51
List of Tables
Table 1 Average wind speed, maximum wind speed, and most wind direction measured in Busan (기상청, 2019). ··· 13
List of Figures
Fig. 1 Annual changes in Haeundae beach area ··· 3 Fig. 2 Pictures taken after typhoons Chaba (2016) and Kong-rey (2018) 4 Fig. 3 Location map of the Busan coast and study area ··· 7 Fig. 4 Tidal level changes for three months in 2016 ··· 8 Fig. 5 Five monitoring transect lines on Haeundae beach and the bathymetry of
the offshore region. ··· 9 Fig. 6 Summer and winter wave rose-diagram in Haeundae beach ··· 10 Fig. 7 Six monitoring transect lines for beach profiling with sampling locations for
grain size analysis ··· 12 Fig. 8 Significant wave height changes for three months in 2018 ··· 14 Fig. 9 Track of typhoons Chaba (2016), Kong-rey (2018) and Danas (2019) ···· 16 Fig. 10 Wave and tide condition during pre- and post-typhoon (2016) ·· 17 Fig. 11 Wave and tide condition during pre- and post-typhoon (2018) ·· 18 Fig. 12 Wave and tide condition during pre- and post-typhoon (2019) ·· 19 Fig. 13 Beach transect profiles of the Haeundae beach ··· 22 Fig. 14 Beach transect profiles of the Gamji beach showing the locations
of upper and lower berms ··· 24 Fig. 15 Phantom 4 RTK model (a), GCP location in Gamji beach (b) and
PIX 4D software (c) ··· 26 Fig. 16 Topographic changes in beach profiles during the pre- and post-typhoon
‘Chaba’. ··· 28 Fig. 17 Slope changes in beach profiles during the pre- and post-typhoon
‘Chaba’. ··· 29
Fig. 18 mean grain size (a) and sorting (b) changes along the transect HB-03 ··· 30 Fig. 19 Topographic changes in beach profiles during the pre- and post-typhoon
Kong-rey (2018) ··· 32 Fig. 20 Time-series changes in beach slopes for the transect GJ-03 before
and after typhoon Kong-rey (2018) ··· 33 Fig. 21 Time-series topographic changes in beach profiles during the pre-
and post-typhoon Danas (2019) ··· 34 Fig. 22 Time-series changes in beach slopes for the transect GJ-03 before
and after typhoon Danas (2019) ··· 35 Fig. 23 Alongshore variation in mean grain sizes and sorting values ··· 36 Fig. 24 Cross-shore variation in mean grain sizes and sorting ··· 37 Fig. 25 Distribution patterns of gravel shape plotted by Zingg(1935)’s classification
scheme ··· 38 Fig. 26 DEM of Gamji beach showing the elevation during pre-(a) and
post-typhoon (b) ··· 40 Fig. 27 The elevation difference between before and after typhoon ··· 41 Fig. 28 Schematic diagram illustrating morphologic response of gravel beach
to typhoons ··· 46 Fig. 29 Schematic diagram showing the seasonal change of the beach · 47
태풍에 대한 사질해빈과 자갈해빈의 지형반응 차이 - 해운대와 감지 해빈의 예
이영윤
한국해양대학교 대학원 해양생명환경학과
논문요지
해빈(beach)은 모래로 이루어진 사질해빈(sand beach)이 일반적이며, 조수 (tide)의 에너지보다 파랑(wave)에너지가 더 강한 해안에 형성된다. 사질해빈 은 일반적으로 태풍 내습 시 해빈경사가 비교적 완만해지고, 이후 해빈이 회 복되며 해빈경사가 비교적 급해지는 특징을 나타낸다. 현재 국내외를 막론하 고 많은 사질해빈들이 심각한 침식에 노출되어 있으며, 사질해빈 침식의 일 반적인 원인은 지구온난화로 인한 해수면 상승과 태풍을 지목하고 있다. 이 러한 상황에서, 자갈해빈 또한 사질해빈과 마찬가지로 파랑 에너지가 우세한 해안에서 형성되나, 사질해빈처럼 태풍 내습으로 인한 해빈침식이 발생하는 지는 의문이다. 따라서 사질해빈과 자갈해빈에 대한 태풍의 영향력을 조사하 기 위하여 해운대 사질해빈에서 2016년 10월에 내습한 태풍‘차바’에 대하 여 VRS-GPS측량과 입도분석을 실시하고, 태종대 감지 자갈해빈은 2018년 10 월에 내습한 태풍‘콩레이’와 2019년 7월에 내습한 태풍‘다나스’에 대하 여 VRS-GPS, 드론측량을 하고 입도분석을 실시하였다.
연구지역은 부산광역시 해운대구에 위치한 해운대 해빈과 태종대에 위치한 감지 해빈으로, 해운대는 해빈의 폭이 약 80m, 길이 1.5km인 만입형 사질해 빈이며, 감지 해빈은 자갈(> 2mm)로 이루어진 해빈의 폭이 약 40m, 길이
대 사질해빈은 2016년 10월 4일부터 2016년 12월 3일까지, 감지 자갈해빈은 2018년 7월부터 2019년 10월 21일까지 VRS-GPS system을 사용하여 지형측 량을 실시하고, 입도분석과 드론 사진촬영을 실시하였다. 측량 결과, 태풍이 나 폭풍과 같은 이벤트(event)가 발생하지 않은 보통의 기상상태 (fair-weather condition)에서는 해운대 해수욕장의 경우 태풍 내습 전후 범 (berm)이 침식되어 평균 1.4m 높이의 퇴적물이 소실되었고, 해빈 경사는 약 1.7도로 완만해졌으나, 태풍 내습 2주 후 해빈이 회복되며 7.8도의 비교적 급 경사를 보이고 최종적으로 4.3도의 경사를 보이며 해빈이 안정화되었다. 퇴 적물 평균입도는 해빈이 회복되는 과정에서 평균 1.2Φ에서 1.6Φ로 세립해 졌으며, 분급은 상대적으로 양호해졌다. 반면, 감지 해빈의 경우, 태풍‘콩레 이’내습 후 감지 자갈해빈의 상부 범(upper berm)의 자갈들은 침식되어 소 실되고 배후지(back shore) 또한 약 0.5m가량 침식된 것으로 확인되었으나, 하부 범(lower berm)의 위치는 변하지 않았고, 경사도는 약 13°를 유지하며 변하지 않은 것으로 확인되었다. 태풍 내습 이후 하부 범은 시간이 지남에 따라 다시 뒤로 후퇴하여 상부 범을 형성하는 것이 확인되었다. 감지 해빈의 자갈퇴적물은 서쪽에서 동쪽으로 갈수록 평균 –6.2Φ에서 –5.4Φ로 세립해지 며, 해안선의 수직방향으로는 포말대(swash zone)에서 상대적으로 세립한 구 형의 퇴적물 (-4.5Φ)이, 범(berm)에서는 상대적으로 조립하고 편평한 퇴적물 (-5 ~ -6Φ)이 나타난다.
이러한 결과를 보았을 때, 사질해빈과 자갈해빈 모두 태풍 내습 초기에 침 식이 발생하는 것은 동일하나, 이후 해빈 회복속도에서 차이가 발생하고, 해 빈의 침식에 있어서 태풍 내습 후 2달 만에 해빈이 거의 복원되는 모습을 볼 때, 해운대와 감지 해빈은 상대적으로 고에너지 환경이며, 자갈해빈의 해 빈침식에 대한 해빈의 회복력이 매우 뛰어남을 시사한다.
KEY WORDS: 태풍; 해빈침식; 해빈 회복; 사질해빈; 자갈해빈
Contrasting morphodynamic response of sand and gravel beaches to typhoons - a case study from
Haeundae and Gamji beaches in Busan
Young Yun, Lee
Dept. of Marine Bioscience and Environment
Graduate School of Korea Maritime & Ocean University
Abstract
The beach is generally composed of sand, and is formed in an environment in which the wave predominates over tide. Sand beaches generally have a relatively gentle slope before the typhoons, whereas, after the typhoon invasion, the beach slope becomes very steep. After then, the beaches start to be recovered slowly. Currently, many sandy beaches are exposed to severe erosion. Many previous studies demonstrated that the beach erosion has been caused by sea level rise and typhoons associated with global warming. The gravel beaches occur also in wave-dominated environment, but it is questionable whether the beach erosion along the gravel beach due to typhoon invasion occurs like the sand beach. In this regard, we investigate the impact of typhoons on sand and gravel beaches. Beach profiling using a VRS-GPS system and sediment sampling for grain sizes were conducted before and after the typhoon 'Chaba' that invaded Haeundae sand beaches in October 2016. In addition, Taejongdae Gamji gravel beach was investigated using a VRS-GPS and a drone before and
after the typhoon “Kong-rey” invaded in October 2018 and the typhoon
“Danas” invaded in July 2019. Grain sizes for gravels were measured using a calipers manually in the field. Haeundae and Gamji beaches are located in Busan. Haeundae is a curved sand beach with a width of about 80 m and a length of 1.5 km. Gamji beach, a curved gravel beach, is about 40 m in width and 250 m in length. To observe the topographical changes in the study area, beach profiling survey in Haeundae beach was conducted from October 4, 2016 to December 3, 2016, and for the Gamji beach, field survey was carried out from July 2018 to October 21, 2019.
Beach profiling survey shows that, during fair-weather condition, the berms in Haeundae were eroded after the typhoon invasion. About 1.4m high sediments were eroded. The beach slope became gentler, about 1.7°.
However, after two weeks, the beach was recovered, showing a relatively steep slope of 7.8°, and finally the slope was stabilized with a slope of 4.3°. The mean grain size of sediments changed from 1.2 Φ to 1.6 Φ. On the other hand, the upper berm in Gamji beach was eroded, and about 0.5 m of the back shore was eroded after the typhoon ‘Kong-rey’ invasion.
However, the lower berm remained stable, and the beach slope maintained about 13°. After the typhoon invasion, lower berm retreated back over time finally to form the upper berm. Gravel sizes on Gamji beach changed from -6.2Φ to -5.4Φ from west to east. Relatively fine spherical sediments occur in the swash zone in the cosss-hore direction, whereas, in the berm, relatively granulated and flat sediments are found.
These results suggest that, in the early stage of the typhoon, both sand and gravel beaches have experienced similar severe erosion, but since then, recovery rates differ considerably. Sand beach in Haeundae has been almost restored within two months after the typhoon. Recovery rates in Gamji beach are much faster. It can be thus said that recovery of gravel beach against the typhoon erosion is excellent.
KEY WORDS: Typhoon; Beach erosion; Beach recovery; Sand beach; Gravel beach
제 1 장 서 론
1.1 연구 배경
해빈(beach)은 파랑우세환경(wave-dominant)의 연안에서 연안표사이동 (longshore transport)을 따라 해안선에 평행하게 퇴적물들이 이동하여 퇴적되는 지형이다. 해빈은 생물들에게는 서식처 및 활동 장소가 되기도 하며, 인간에게 는 관광지로서 휴식 공간을 제공하기도 한다. 해빈은 구성 퇴적물에 따라 사질 해빈(sand beach), 자갈해빈(gravel beach), 생물기원해빈(biogenic beach)으로 나눌 수 있으며, 퇴적물의 공급과 침식의 균형, 계절에 따른 파랑의 변화, 태풍 의 내습 등으로 인하여 그 형태가 끊임없이 변화한다.
해빈의 침식문제는 국내외를 막론하고 겪고 있는 현상이며, 이에 따라 많은 연구가 수행되었는데, 해빈 침식의 원인으로는 지구온난화로 인한 파랑에너지 증가(Zhang, 2004, Davidson-Arnott, 2005, Fitzgerald, 2008)와 비정기적으로 해 빈에 내습하는 태풍이 지목되고 있다(Morton, 1994, Wang et al., 2006, 도 외, 2015, Lee et al., 2016). 또한, 인간 활동의 영향으로 퇴적물 공급·침식의 균형 이 파괴되어 해안침식은 더 심해지고 있다. 우리나라의 태풍은 지난 10년간 연 평균 23.8회 발생하며, 그중 연평균 2.8회의 태풍이 직접 한반도에 상륙하여 지 나간다(국가태풍센터, 2018). 일반적으로 태풍 내습 시, 평상시 파랑보다 더 강 한 파랑에너지를 가지는 폭풍해일이 발생하게 되고, 증가한 파랑에너지는 해빈 에 심각한 침식을 일으킨다고 알려져 있다. 태풍 내습 이후 해빈은 정상상태의 파랑에너지 상태에서 천천히 회복되며, 이때 해빈 회복속도는 그 지역의 평균 파랑에너지에 따라 달라지는 것으로 알려져 있다(Wang et al., 2006, Houser and Hamilton, 2009, Yu et al., 2013, 이와 장, 2019).
사질해빈의 경우 대부분 관광지로서 경제적 가치가 높고, 사질퇴적물의 형태 가 단순하며, 파랑에 의한 이동이 쉬운 특징 때문에 과거로부터 많은 연구가 진행되어 해빈의 계절적 변화(beach seasonal change)나 퇴적물의 순환(beach rotation) 등이 잘 알려져 있다. 그러나 자갈해빈의 경우, 사질해빈에 비해 경제
적 가치가 비교적 낮고, 퇴적물의 형태가 복잡하며, 파랑에 의한 이동이 복잡한 문제 등으로 자갈해빈의 연구는 상대적으로 부족한 실정이며, 자갈해빈의 국내 에서 진행된 선행연구는 거제도와 울산의 해안에서 몽돌해빈에 대한 연구가 있 고(한민, 2013), 함 외(2002)는 학동 자갈해빈에서 해빈의 침식 원인을 조사하였 다. 이 외(2005)는 동해 나아 해빈에서 태풍에 의한 자갈해빈의 단기 변화를 연 구하였다. 한편, 한민(2013, 2018)은 자갈 추적자를 투입하는 방법(radio frequency identifier tracer method, RFID)을 사용하여 울산 강동 자갈해빈과 안 면도 방포 자갈해빈에서 자갈 퇴적물의 장기적인 이동을 추적하는 연구를 수행 한 바 있다.
1.1.1 해운대 사질해빈
해운대의 침식 현황
부산의 대표적인 사질해빈이자 관광지인 해운대 해빈은 1940년대 춘천천 유 로 변경 공사 이후로 춘천천에서 해운대 해빈에 공급되던 퇴적물의 공급이 차 단되어 퇴적물 공급균형이 파괴되었으며(Baek et al., 2018), 이후 해운대의 해 안선이 지속적으로 후퇴하여 2005년 기준 1940년대에 비해 해안선이 20m가량 후퇴하였다(Lee et al., 2016).
Yang et al.(2010)에 의하면, 1947년 조사결과에서 해운대 해빈의 면적은 약 88,658.5㎥로 계산되었으나, 이후 꾸준히 해빈의 면적이 감소하여 2005년에는 약 57,893.6㎥로 계산되었다. 결과적으로 해운대 해빈은 2013년에 실시한 연안 침식 모니터링에서 침식등급‘우려(해양수산부)’판정을 받고, 이후 연안정비사 업 대상지가 되어 2013년부터 2015년까지 총 3회의 대규모 양빈을 통해 총 581,185㎥의 모래를 투입했고(해양조사원, 2016), 2017년 1,619㎥, 2018년에 576
㎥의 모래를 추가로 투입하여 퇴적물이 공급되었다(Fig. 1).
Fig. 1 Annual changes in Haeundae beach area (MOF, 2016). Arrows in blue indicate typhoons invaded and Red arrows the years of beach nourishments
conducted.
해운대의 침식 원인
해운대 해빈은 현재 3번의 대규모 양빈과 수중잠제 설치에도 불구하고 지속 적인 침식을 받는 상황이며(이 외, 2009, 김 외, 2012, 도 외, 2015, 해양수산부, 2016, 강 외, 2017), 앞선 3회의 대규모 양빈으로 해빈 폭이 약 103.8m까지 증 가하였으나, 2016년에는 해빈침식이 발생하여 해빈 폭이 91.8m로 다시 감소하 였고 이후 해빈침식으로 인해 소폭이지만 지속적으로 해빈이 감소하고 있다 (Fig. 1, 해양수산부).
Lee et al.(2016)은 지속적인 침식의 원인으로 해운대 해수욕장의 도시화 개발 과 과거 춘천천의 유로변경 공사를 지목하였고, 해양수산부(2014)와 도 외(2015) 는 대규모 양빈 후 발생하는 해빈 안정화 작용으로 퇴적물이 유실되는 점과 태 풍으로 인한 폭풍해일로 해빈 퇴적물이 외해로 유실되는 점을 해빈침식이 지속 되는 원인으로 지목하였다. Lee et al.(2016)은 태풍으로 인해 유실되는 모래가 쇄파대(surf zone)를 통해 이동하여 동백섬 쪽으로 빠져나가는 것으로 보고했 다. 이와 관련하여 이와 장(2019)은 해운대에 내습한 태풍‘차바(2016)’의 사례 를 조사하여, 태풍 내습 전·후 해운대 해빈의 지형반응과 회복력을 조사하였 다.
해운대 해빈은 현재 지속적인 양빈을 통해 퇴적물을 공급하고 있음에도 해빈 이 감소하고 있으므로 해빈침식의 원인으로 퇴적물 공급의 감소를 지목하기 어
려우며, 퇴적물 공급의 문제보다는 외력의 변화로 인한 해빈침식이 발생하고 있는 것으로 추측된다. 따라서 본 연구에서는 태풍으로 인해 해빈침식이 가속 화하고 있는지를 조사의 주요 목적으로 설정하고, 2016년 해운대를 내습한 태 풍‘차바’가 해운대 해빈에 미친 영향을 조사하였다.
1.1.2 감지 자갈해빈
부산시 영도구 태종대는 강한 파랑에 직접적으로 노출되어 있어 해안을 따라 암반이 노출되어 있거나, 곶(headland) 사이에는 자갈해빈이 군데군데 소규모로 분포한다. 이 중에서 감지 자갈해빈은 소규모이지만 관광지로서, 과거 태풍
‘차바(2016)’와 ‘콩레이(2018)’ 내습 당시 월파(overwash)에 의한 피해사례 가 보고된 바 있다(Fig. 2). 하지만 태풍에 의한 해빈침식이 자주 발생하는 해운 대, 송정, 광안리와 같은 사질해빈과 달리, 감지 자갈해빈은 태풍 내습 시 해안 침식이 발생하였다는 보고는 아직까지 없다. 따라서 본 연구에서는 자갈해빈에 서도 사질해빈과 같이 태풍에 의한 해빈침식이 발생하는지에 대한 여부를 조사 하기 위해서 2018년에 감지 해빈을 내습한 태풍 ‘콩레이’와 2019년에 내습한 태풍 ‘다나스’가 감지 자갈해빈에 미친 영향을 조사하였다.
Fig. 2 Pictures taken after typhoons Chaba (2016) and Kong-rey (2018).
1.2 연구목적
본 연구에서는 사질해빈과 자갈해빈의 태풍에 대한 지형반응의 차이를 비교 하고자 다음의 조사를 수행하였다.
1) 해운대 사질해빈과 감지 자갈해빈의 태풍 내습 전·후의 지형변화를 관찰 하기 위해, 해안선에 수직으로 기준점을 세우고 주기적인 측량 모니터링을 실 시하여 해빈의 침식과 회복과정을 조사하였다.
2) 두 해빈에서 입도분석을 실시하여, 해운대 해빈의 태풍 침식 후 해빈이 회 복되며 발생하는 퇴적물 변화를 조사하였으며, 감지 해빈의 퇴적물 분포를 조 사하여 자갈 퇴적물의 형태에 따른 분급과 퇴적물의 이동에 대해 토의하였다.
3) 상기 조사결과를 토대로 태풍 내습에 대해 사질해빈과 자갈해빈의 지형반 응 차이를 비교하였다.
제 2 장 연구지역
2.1 연구지역 개관
2.1.1 지질과 해저지형
연구지역인 부산은 대한민국 남동쪽 연안에 위치한 도시이며, 부산의 서쪽에 는 낙동강과 함께 평야지대가 존재하고, 동쪽에는 산간지대와 복잡한 리아스식 해안이 주를 이룬다(Fig. 3). 특히, 부산 서측의 낙동강은 한반도 내륙의 퇴적물 들을 대한해협의 해류를 통해서 부산 연안에 공급하는 역할을 하고 있다(park et al, 1999, yoo and park, 2000).
부산 연안의 해저지형은 연안 쪽은 약 60km 정도의 대륙붕이 존재하며, 외해 쪽에는 수심이 약 230m에 달하는 해곡이 위치한다. 이 해저지형은 주로 낙동강 및 섬진강에 의해 퇴적물이 공급되고 있으며, 주로 수심이 80m 이내 지역에는 균질한 니질 퇴적물로 구성되어있다. 그리고 수심 80-120m 사이의 지역에는 사 질 퇴적물이 분포하는데, 이는 잔류퇴적물(relict sediment)로 해석되었다(유동근 외, 2011). 낙동강의 사질 퇴적물들은 대부분 하구역에 퇴적이 되며, 부산의 연 안들의 조립질 퇴적물은 인근의 소규모 강에서 직접 유입되는 퇴적물과 낙동강 과 섬진강을 통해 간접적으로 유입되는 퇴적물로 구성이 되어있다(서영교 외, 2011).
Fig. 3 Location map of the Busan coast and study area (red box). Yellow dot indicates ocean observation buoy.
2.1.2 기후와 해양환경
부산지역의 연강수량은 약 1,531.8mm이며, 전체 강수량의 약 50%가 여름인 6~8월에 집중되는 것으로 나타났다. 바람의 경우 겨울에는 북서풍이, 여름에는 남서풍과 남동풍이 우세한 것으로 나타났고, 연 평균 풍속은 3.6m/s이며, 겨울 보다 여름에 약 0.2m/s 더 강한 풍속을 보인다(해양수산부, 2016).
부산지역의 조석환경은 약간의 반일주조가 우세한 형태에서 일부 일주조의 영향도 크게 나타나는 혼합조 형태이며, 평균조차는 0.8m, 약최고고조위는 1.3m를 보이는 소조차환경이다(Fig. 4, 해양조사원).
Fig. 4 Tidal level changes for three months in 2016.
한편 해양수산부 (2016)은 부산 연안의 경우 대한난류의 영향권에 있으며, 이 해류는 계절에 따라 6~9월은 북동류가 강하게 나타나고, 해류가 조류보다 우세 하여 흐름이 항시 북동쪽으로 나타난다고 보고하였다.
2.2 해운대 사질해빈의 환경
2.2.1 지질과 지형
해운대 해빈은 길이 약 1.5 km이며, 폭은 약 80m 이다(Fig. 5). 해빈의 양 끝 인 달맞이고개(동측)와 동백섬(서측)이 곶 역할을 하는 만곡형 해빈이다. 해빈의 후방은 제방이 존재하며, 제방은 시민들의 산책로, 여가활동 등에 이용된다.
해운대 해빈 전면의 수심 약 0 ~ -7m 지점까지 비교적 수심이 얕은 연안부 는 비교적 급경사를 이루고 있어 수심이 빠르게 깊어지고 있으며, 이 수심대는 등수심선이 해안선에 비교적 평행하게 분포한다. 그러나 수심이 약 –10 ~ -15m 로 해안선에서 더 멀어지는 곳에서는 경사가 다소 완만해지며, 이 수심대는 일 부 기반암의 돌출(basement highs)로 인해서 매우 복잡한 해저지형이 나타난다.
이후 수심 –15m 지점부터는 등수심선이 다시 해안선에 평행해지고 굴곡이 줄
어들어 단조로운 형태가 된다.
Fig. 5 Five monitoring transect lines on Haeundae beach and the bathymetry of the offshore region. Yellow dot indicates ocean observation buoy.
2.2.2 기후 환경
해운대의 파고를 관찰하기 위하여 해운대 전면해상 약 1.4km 떨어진 지점에 국립해양조사원의 파고부이가 설치되어 있으며, 이 부이기록에 의하면 평상시 파랑의 주파향은 겨울에는 동남동 방향이 가장 우세한 것으로 나타났고, 여름 에는 남향이 가장 우세하고 일부 동남동 방향의 파향이 존재하는 것으로 나타 났다(Fig. 6). 그리고 유의파고는 평균적으로 약 1m 미만이며, 계절에 따른 파고 의 유의미한 변화는 관찰되지 않았다. 관측기간 동안 첨단파주기는 4~5초로 나 타났다.
Fig. 6 Summer and winter wave rose-diagram in Haeundae beach.
해운대의 조석은 해운대 인근에 위치한 부산조위관측소(해양조사원)의 조석자 료를 분석하였으며, 부산조위관측소의 조석기록에 의하면, 해운대의 평균조차는 약 0.8m이고, 약간의 일조부등이 존재하는 반일주조형태를 띈다(Fig. 4).
2.2.3 인공 구조물
대규모 양빈과 더불어 지속적으로 발생하는 퇴적물의 유실을 막기 위하여 2014년에는 동백섬 측에 45m 길이의 모래유실방지공을 설치하였고, 2015년에는 미포항 측에 120m 길이의 돌제와 길이 180m, 폭 20m 규모의 잠제를 설치하였 다. 2016년에는 동백섬 측에 길이 150m, 폭 20m 규모의 잠제를 추가로 설치하 였다.
결과적으로 현재의 해운대 해빈은 도시형 해빈(urban beach)이라고 할 수 있 는데, 이는 해빈이 도시화 개발의 영향을 많이 받아, 자연 상태에서 인위적으로 변형된 해빈이라고 할 수 있다. 해운대의 경우, 해빈 사구(coastal dune)가 없고 대신 그 자리에는 방파제와 빌딩이 들어서 있다. 그 결과, 자연적인 해빈-사구 퇴적물 교환이 방파제에 의해 차단되어 있어서, 해일 발생 시 퇴적물의 범람 (overwash)으로 인한 퇴적물 유실은 거의 발생하지 않고 대부분 해양방향으로 이동하여 유실되는 것으로 추측된다.
2.3 감지 자갈해빈의 환경
2.3.1 지질과 지형
연구지역인 태종대의 기반암은 중생대 경상계 유천층군의 암회색응회질퇴적 암과 안산암질 화산각력암으로 구성되며, 태종대는 해안절벽, 파식대, 해식동굴 등 파랑의 침식작용으로 형성된 해안침식지형으로써 우리나라에서 가장 전형적 인 해안단구가 발달해있는 지형이다. 태종대의 해안단구는 산정으로부터 해안 을 향하여 급경사를 이루며, 이는 백악기 말에 호수에서 쌓인 퇴적층이 해수면 상승으로 인해 융기되고 파도에 의해 침식되어 현재 태종대는 융기 파식대의 형태로 존재한다(지광훈 외, 2007).
감지 해빈은 길이 약 250m이며, 폭은 약 50m인 소규모 자갈해빈이다(Fig. 7).
해빈의 서측은 기반암 돌출부가 존재하여, 퇴적물은 서쪽의 기반암에서 풍화·
침식된 퇴적물들이 연안수송을 통해 공급되는 것으로 추측된다. 동측에는 소규
모의 유람선 선착장이 곶 역할을 하여, 감지 해빈은 만곡형의 형태를 취하고 있다. 해빈의 후방은 제방이 설치되어 있는데, 중앙과 동측의 제방은 비교적 해 안에 접근이 용이한 계단형 제방으로 구성되어 있으며, 해빈의 서측은 수직 제 방으로 구성되어 있다.
Fig. 7 Six monitoring transect lines for beach profiling with sampling locations for grain size analysis.
감지 해빈의 전면 해상의 비교적 수심이 얕은 수심 -5m 지점까지는 자갈이 분포하고, 파랑의 변화에 따라 끊임없이 해저지형이 변한다. 수심 -5m 이상의 수심에서는 매우 조립한 암석들이 분포하고 있으며, 수심 –7m 부근에는 사질 퇴적물이 분포하고 있다. 이후 수심 10m 부근에는 다시 조립질 암석이 분포한 다.
2.3.2 기후 환경
기상청의 부산시 2019년 월별 평균풍속, 최대풍속, 최다풍향을 수집하여 분석 해본 결과, 대체적으로 서풍 계열의 바람이 우세하나, 9월은 다른 시기에 비해 북동풍이 조금 더 우세한 특성을 보였다. 이는 감지 해빈이 남남서 방향으로 열려있는 해빈이기 때문에 이 시기에는 다른 시기보다 비교적 약한 파고가 자 주 발생하였으리라 추측된다(Table 1).
Jan. Feb. Mar. Apr. May. Jun.
평균풍속
(km/h) 11.2 10.4 13 11.5 11.9 9.4 최대풍속
(km/h) 15.1 17.3 25.9 20.9 23.8 12.6
최다풍향 W WNW SW W SSW W
Jul. Aug. Sep. Oct. Nov. Dec.
평균풍속
(km/h) 13.3 11.2 10.1 10.8 9.7 9.4 최대풍속
(km/h) 24.5 21.2 26.6 22 17.6 18.4
최다풍향 SW WSW NNE SSW WSW WNW
Table. 1 Average wind speed, maximum wind speed, and most wind direction measured in Busan (기상청, 2019).
감지 해빈의 파고를 관찰하기 위하여 감지 해빈 인근의 다대포부이(기상청)에 서 파랑 자료를 수집하였다(Fig 8). 이 부이기록에 의하면 유의파고는 평균적으
로 약 1m 미만이며, 첨단파주기는 4~5초로 나타났다. 조석자료는 해운대와 마 찬가지로 부산 조위관측소의 조위기록을 사용하였다(Fig. 4). 부산조위관측소의 조석기록에 의하면, 해운대의 평균조차는 약 0.8m이고, 약간의 일조부등이 존재 하는 반일주조형태를 띈다.
Fig. 8 Significant wave height changes for three months in 2018.
2.4 태풍 개요
태풍 차바는 2016년 10월 5일 한반도에 내습하여 해운대 해빈을 아주 근거리 에서 지나간 태풍이다. 기상청의 태풍 분류 기준으로 중형의 매우 강한 태풍이 며, 한반도 상륙 당시 중심기압 975hPa, 최대풍속 32m/s을 기록했다(기상청, Fig. 9).
태풍 콩레이는 2018년 10월 6일 부산 인근을 관통하여 지나간 태풍이다. 기 상청의 태풍 분류 기준으로 중형의 매우 강한 태풍이며, 상륙당시 중심기압 975hPa, 32m/s를 기록했다. 태풍 콩레이의 경로는 태풍이 한반도에 도달하기 전까지는 태풍 차바와 유사한 경로로 북상하였으나, 내륙에 도착하고 나서는 태풍 차바 경로보다 더 북진하였다(기상청, Fig. 9).
태풍 다나스는 2019년 7월 20일 한반도 내륙을 관통하여 지나간 태풍이다.
기상청 기준 소형의 열대폭풍이며, 한반도 상륙 당시 중심기압 990hPa, 최대풍 속은 19m/s를 기록했다. 태풍 다나스는 한반도 상륙 직후 열대저압부로 약화되 었으며, 태풍 차바, 콩레이 보다 더 북쪽에서 한반도를 관통하여, 연구지역이 위치한 부산에는 앞선 두 태풍보다 약한 영향을 주었다(기상청, Fig. 9).
Fig. 9 Track of typhoons Chaba (2016), Kong-rey (2018) and Danas (2019)
2.4.1 태풍 차바 전·후의 조석, 파랑 변화
태풍 차바 내습당시 국립해양조사원(2016)에서 발표한 자료에 의하면, 해운대 기상관측부이는 파손 이전까지 유의파고는 최고 6.3m, 첨단파주기는 최고 15.3 초를 기록하였으나, 태풍의 영향력이 점점 더 강해지는 시기에 파손되어 온전 한 자료를 획득할 수는 없었다(Fig. 13). 대신에 해운대 부이로부터 약 3.6km 서 측에 위치한 오륙도 부이(35°7'54"N, 129°8'9"E, 기상청)는 파손되지 않았기 때문에, 온전한 자료를 획득할 수 있다. 오륙도 부이 자료에 따르면, 유의파고
Fig. 10 Wave and tide condition during pre- and post-typhoon. (A) Significant wave height (Hs), (B) Peak wave period
(Tp), and (C) Tidal level changes in October, 2016.
조위관측소(국립해양조사원)에서 측정된 해수면은 최고 218cm가 기록되어 평상 시 조위보다 1m 이상 높았다(Fig. 10c).
2.4.2 태풍 콩레이 전·후의 조석, 파랑 변화
낙동강 하구에 위치한 다대포 부이(35°01'20.6"N 128°57'22.0"E, 기상청)에 의하면, 2018년 태풍 콩레이 내습 당시 최고 유의파고는 약 11.2m, 첨단파주기 는 약 11.6초로 나타났다(Fig. 11). 부산조위관측소(해양조사원)의 수위는 태풍 콩레이 내습 당시 예측 값보다 약 40cm 더 상승한 것으로 나타났다.
Fig. 11 Wave and tide condition during pre- and post-typhoon.
(A) Significant wave height (Hs), (B) Peak wave period (Tp), (C) Tidal level changes in October, 2018 and (D) Wave rose-diagram
2.4.3 태풍 다나스 전·후의 조석, 파랑 변화
다대포 부이에 의하면, 2019년 발생한 태풍 다나스는 태풍 콩레이의 경로보 다 더 북측 내륙 쪽을 지나가며(Fig. 9) 태풍 차바, 콩레이보다 다소 약한 유의 파고 5.9m, 첨단파주기 10.2초를 기록하였고 해수면은 약 20cm 정도 상승한 것 으로 나타났다(Fig. 12).
Fig. 12 Wave and tide condition during pre- and post-typhoon.
(A) Significant wave height (Hs), (B) Peak wave period (Tp), (C) Tidal level changes in July, 2019
and (D) Wave rose-diagram during typhoon ‘Danas’.
제 3 장 연구방법
3.1 지형측량
3.1.1 가상 기지국 GPS 측량법
연구지역의 지형변화를 관찰하기 위해서 가상 기지국 GPS 측량법(Virtual Reference Station GPS Survey, VRS-GPS)을 사용하여 지형을 측량하였다. 사용 한 장비는 SOUTH사의 S82T장비 이며, 장비의 오차는 수평 ±1cm, 수직 ±2cm 이다.
지형측량을 하기 위해, 먼저 해빈에 해빈 단면 측선을 설정하고, 설정한 측선 을 주기적으로 측량하였다(Fig 5, 7). 측선의 위치를 고정하면 해빈에서 연구기 간 동안 해빈의 고도변화를 측정할 수 있으며, 이를 통해서 해빈의 고도변화에 따라서 해빈이 퇴적 또는 침식이 진행되고 있음을 파악할 수 있기 때문이다.
그리고 측량 간 오차를 줄이기 위하여 국토지리정보원에서 고시한 U부산14 및 U부산16 통합기준점을 1개월마다 정기적으로 측량하여 연구지역의 측량결과를 보정하였다.
VRS-GPS로부터 획득한 데이터는 goldensoftware grapher를 사용하여 지형단 면(profile)의 형태로 도시하였으며, 시계열 분석을 통해 태풍 내습에 대한 해빈 지형단면의 변화를 조사하였다.
3.1.2 해운대 측량
해운대 해빈에서 측선은 해안선에 수직 방향(cross-shore)의 지형변화를 관찰 하기 위하여 해안선에 수직 방향으로 설정하였다. 그리고 퇴적물의 해안선에 수평 방향(alongshore) 이동을 추적하기 위해서 총 5개의 측선을 설치하였으며, 서측의 동백섬 인근을 HB-01번 측선으로 설정하였고, 중앙의 HB-03번 측선을 주요 측선으로 지정하고, 최종적으로 동쪽 미포항 측에 HB-05번 측선을 설정하
하여 바다 방향으로 측량하였다. 측량은 태풍 차바 내습 하루 전 2016년 10월 4일부터 내습 직후 10월 6일, 그리고 2주 후 10월 19일과 2개월 후 12월 3일까 지 총 4회 실시하였다.
3.1.3 감지 측량
감지 해빈의 경우, 측선은 해안선에 수직 방향(cross-shore)의 지형변화를 관 찰하기 위하여 해안선에 수직 방향으로 설정하였다. 그리고 퇴적물의 해안선에 수평 방향(alongshore) 이동을 추적하기 위해서 측선은 감지 해빈의 서측 암반 부근에 GJ-01번 측선을 설정하였고, 이후 약 30m 간격으로 동측 선착장 부근 의 GJ-06 측선까지 총 6개 측선을 설정하였다. 해빈 중앙 GJ-03 측선을 주요 측선으로 정하였다. 각 측선은 방파제 바로 아래 해빈이 시작되는 부분을 0m로 설정하여 바다 방향으로 측량하였다(Fig. 7). 측량은 2018년 7월 5일부터 2019년 10월 21일까지 약 2개월 간격으로 실시하였다.
3.2 입도 분석 및 퇴적물 형태 분석
3.2.1 해운대 사질해빈의 표층시료 획득 및 입도분석
본 연구에서는 해운대 해빈에서 태풍 내습 이후 해빈의 회복으로 인한 퇴적 물의 수직적인 이동을 알아보기 위해 중앙측선 HB-03에서 총 24점의 표층퇴적 물을 획득하였다. 표층시료는 표층 1cm 깊이의 퇴적물을 획득하였으며, 태풍 내습 후 10월 19일과 12월 3일에 해빈 전면부 모래턱(berm)에서 저조위선 지점 까지 획득하였다(Fig. 13).
Fig. 13 Beach transect profiles of the Haeundae beach. The black arrows mark sampling locations for grain-size measurement.
입도분석을 위해 획득한 시료는 실험실로 운반하고 500ml 비커에 시료를 분 취한 후, 증류수를 사용하여 4~5회 가량 세척하여 염분을 제거하였다. 그 후 과 산화수소와 염산을 부어 퇴적물 내 유기물과 패각을 제거하고, 증류수로 다시 4~5회 세척하여 전처리를 수행하였다. 그리고 Ro-tap 체가름 시험기를 사용하 여 –1~4Φ(phi) 구간에서 0.25Φ 간격으로 건식체질(dry sieving)을 하였고, 입도 분석 자료의 조직변수(평균입도와 분급) 값은 Folk and Ward(1957)의 계산식을 따랐다.
3.2.2 감지 자갈해빈의 표층시료 획득 및 입도분석
감지 자갈해빈의 일반적인 퇴적물 분포를 파악하기 위해서 2018년 태풍 콩레 이 내습 이후 해빈을 상부 범(upper berm), 범 곡(berm trough), 하부 범(lower berm), 포말대(swash zone), 수중 지역(underwater zone)으로 구분하고 해안방향 (cross-shore)으로 표층퇴적물에 대해 입도분석을 실시하였다(Fig. 14). 또한 해 안선에 평행방향(alongshore)의 퇴적물 분포를 보기 위해서 각 측선의 하부 범 능선(lower berm crest) 위치에서 표층퇴적물 입도분석을 실시하였다(Fig. 7).
한편, 자갈해빈은 사질해빈의 퇴적물보다 더 조립한 퇴적물이 분포하고 있기 때문에 사질퇴적물을 분석하는데 사용하는 방법을 적용하기 어려운 문제점이 있는데, 조사하고자 하는 퇴적물이 더 조립해질수록, 체가름 시험에 필요한 퇴
적물의 무게가 증가하는 문제가 있기 때문이다(Church et al., 1987). 자갈해빈 의 퇴적물을 보다 효율적으로 조사할 수 있도록 자갈 계수법(wolman, 1954)나 면적격자법(Kellerhals and Bray, 1971)등이 고전적인 자갈 입도측정법으로 연구 되었다. Adams (1979)는 자갈퇴적물 입도분석에 있어서 이미지 분석법을 적용 하여 더 효율적으로 현장에서 입도를 분석하는 방법을 고안하였다. 초기의 이 미지 분석법의 경우 촬영한 영상을 다시 연구자가 수동으로 분석하여 이미지 분석을 실시하는 방법이었으나, 2000년대부터는 소프트웨어가 자동으로 이미지 분석을 실시하여 더 빠르게 퇴적물 입도를 조사하는 방법이 고려되었다 (McEwan et al., 2000).
본 연구에서는 자갈 퇴적물의 입도분석을 위해 기본적으로 1m * 1m의 격자 를 만들고, 버니어 캘리퍼스를 사용하여 최소 100개 이상의 자갈에 대해 장축- 중축-단축을 직접 측정하였으며, 저조위선 아래의 입도분석이 어려운 수중지역 은 수중에서 카메라 촬영 후 2차원 이미지분석법을 사용하여 자갈의 중축 입도 만을 얻었다. 직접 측정한 자갈의 입도는 Zingg diagram (Zingg, 1935)을 사용하 여 자갈퇴적물 형상(gravel shape) 분류를 수행하였다.
Fig. 14 Beach transect profiles of the Gamji beach showing the locations of upper and lower berms. The black arrows mark sampling locations for
grain-size measurement.
3.4 드론 사진촬영을 통한 퇴적물 이동 계산
해빈 연구에서 해빈의 지형변화를 조사하기 위해서 관측 측선을 설정하고, 측량을 실시하여 단면도를 측정하는 방법이 사용되었으나(윤현호, 2011, 이와 장, 2019), 최근에는 무인기를 이용한 영상촬영을 정사보정하여 수치표고모델 (Digital Elevation Model, DEM)을 제작하는 방법도 사용되고 있다(최 외, 2016, 최와 이, 2016). 기존 측량법이 해빈에 대한 전수조사가 어렵고, 시간이 많이 소모되는 단점이 존재하지만, 항공측량법은 높은 고도에서 영상촬영을 사용하 기 때문에, 짧은 시간에 넓은 지역을 조사할 수 있는 장점이 있다. 하지만 항공 촬영은 기상상태의 제약과 수직 해상도가 비교적 떨어지는 단점도 존재하여, 전통적 측량법을 병행해서 상호 보완적인 방향으로 실시해야 할 것으로 판단된 다.
본 연구에서는 퇴적물의 이동양상과 그에 따른 공간적인 지형변화를 관측하 기 위해서 드론 촬영을 실시하였다. 드론은 DJI사의 Phantom 4 RTK 모델을 사 용하였으며, 별도의 카메라 교체 없이 기본 내장 카메라를 사용하였다(Fig.
15a). DEM의 고도 값을 보정하기 위해서 총 5개의 지상기준점(Ground Control Point, GCP)를 설치하였으며(Fig. 15b), 드론 촬영 중첩도는 70%, 항공고도는 70m로 설정하였다. 드론 촬영한 사진은 PIX4D 소프트웨어를 사용하여 정사보 정을 실시한 후 DEM자료를 추출하였다(Fig. 15c).
Fig. 15 Phantom 4 RTK model (a), GCP location in Gamji beach (b) and PIX 4D software (c)
제 4 장 연구 결과
4.1 태풍에 대한 해운대 사질해빈의 지형반응
4.1.1 해운대 해빈의 지형반응
연구지역의 태풍 내습 전후의 해빈지형 측량자료 비교 결과, 태풍 내습 시 모든 측선에서 약 1~1.8m에 달하는 해빈 침식이 발생하였다(Fig. 16). 서측 HB-01에서 중앙 HB-03 측선까지는 방파제로부터 80m 지점 부근에서 가장 많 은 모래침식이 발생하였으며, 동측 HB-05는 40m 지점 부근에서 가장 많은 침 식이 발생했다. 태풍 이후 해빈침식으로 인해 모든 측선에서 범(berm)이 소실 되었고, 이에 따라서 해빈의 경사는 매우 완만해져 HB-01 측선을 제외한 모든 측선에서 범과 배후 지역의 경계가 불분명해졌다(Fig. 16). 다만, HB-01 측선은 희미한 경계와 범이 관찰된다. 놀랍게도 태풍 내습 2주 후, 모든 측선에서 범의 경계가 다시 뚜렷해졌으며, 모두 과거 범이 위치하던 지역에서 해빈지형이 높 아지면서 퇴적이 이루어졌다. 전체적으로 평균 1m의 해빈 퇴적이 발생하였으 며, 따라서 해빈의 경사는 상대적으로 가파르게 되었다. 태풍 내습 2개월 후, 모래턱은 거의 회복되어 전반적으로 해빈은 태풍 내습 전과 매우 유사한 형태 를 보이게 되었으며, 경사는 태풍 내습 전과 비슷해졌다. 태풍 내습 2주~2개월 후의 변화양상, 즉 회복의 과정을 살펴보았을 때, 범 상층부(berm top)에서는 큰 변화는 관찰되지 않았고, 전체적으로 포말대(swash zone)는 지속적으로 회복 되면서 바다방향으로 전진하는 양상이 확인된다. 태풍 내습 직후의 변화와 비 교하여 최대 0.6~1.3m의 해빈 퇴적이 발생하였다.
Fig. 16 Topographic changes in beach profiles during the pre- and post-typhoon ‘Chaba’.
중앙측선 HB-03의 해빈 단면 경사는 초기, 즉 태풍 내습 이전 3.8°로 이는 Wright and Short(1984)의 분류에 따르면 중간형(intermediate state) 해빈에 해 당한다. 하지만, 중간형 해빈의 특징인 사주(bar)의 존재는 조하대 영역을 측량 하지 못하여 확인하지 못했다. 태풍 내습 당시 범이 사라지고 해안선이 후퇴하 며 해빈의 경사도는 1.7°로 매우 완만해졌다. 태풍 내습 2주 후, 다시 범이 출 현하며, 해빈경사도는 7.8°로 매우 가팔라졌으며, 2개월이 지난 후에는 범의 조정기를 거쳐 4.3°로 초기 해빈 경사와 유사한 수준까지 해빈의 회복이 관측 되었다(Fig. 17).
Fig. 17 Slope changes in beach profiles during the pre- and post-typhoon ‘Chaba’.
4.1.2 해운대 사질해빈의 입도변화
퇴적물 입도분석 자료 비교결과, 평균입도는 내습 2주 후(폭풍상태) 평균 약 1.2Φ에서 태풍 내습 2개월 후(정상상태) 평균 약 1.6Φ로 평균적으로 약 0.4Φ 더 세립해졌으며, 부분적으로는 최대 약 1.3Φ 더 세립한 결과도 나타난다(Fig.
18a). 분급은 태풍 내습 2주 후 평균 약 0.6Φ, 내습 2개월 후 평균 약 0.5Φ로 큰 차이는 없었으나, 부분적으로 최대 약 0.4Φ 더 양호한 분급이 나타났다(Fig.
18b).
Fig. 18 mean grain size (a) and sorting (b) changes along the transect HB-03.
4.2 태풍에 대한 감지 자갈해빈의 지형반응
4.2.1 감지 자갈해빈의 지형반응
감지 해빈은 일반적으로 바다 방향으로 2열의 범(berm)을 가지고 있다(Fig 14, 19). 전방의 하부 범은 평상시 퇴적이 발생하는 곳으로, 범의 위치는 시간 이 지남에 따라 고파랑의 발생으로 점차 육지 방향으로 이동한다. 후방의 상부 범은 과거 태풍 등에 의한 고파랑시 퇴적이 발생하는 곳으로, 전방의 하부 범 보다 변화가 작아서, 장기적인 퇴적이 발생하는 지역이다. 조사기간 중 대체로 상부 범은 하부 범의 약 10m 후방에 위치하였다. 하부 범은 연중 일정한 해빈 경사를 보이며, 시간이 지날수록 후방으로 점차 후퇴하여 상부 범 방향으로 일 정하게 이동하는 양상이 관측되었다.
태풍 ‘콩레이(2018)’ 내습 당시 내습 전과 3일 후의 지형측량 결과를 비교 하면(Fig. 16), 서측측선(GJ-01)의 경우, 전방의 하부 범에서 뚜렷한 변화는 관찰 되지 않았으나, 후방의 상부 범에서 0.8m 높이의 침식이 발생하였다. 그리고 침 식된 퇴적물은 후방으로 이동하여 방파제 앞에 퇴적되어 그곳의 해빈은 급경사 를 이루었다고 추측된다. 동측 측선의 경우(GJ-06), 태풍 내습 후 포말대에서 뚜렷한 지형변화는 없었으나, 하부 범 능선을 기준으로 배후지 전반에서 최대 1.4m 높이의 침식이 발생하였다.
이후 약 2달 간격으로 해빈을 측량한 결과, 하부 범이 육지 방향으로 점진적 으로 후퇴하며, 태풍 내습 4개월 후에는 과거 상부 범의 위치에 도달하게 되었 으며, 서측측선(GJ-01)과 중앙측선(GJ-03)의 전방에는 새로운 하부 범이 형성되 는 것이 관측되었다. 약 6개월 후에는 상부 범이 약 2m 더 육지 방향으로 이동 하는 반면, 하부 범에서는 지속적인 퇴적이 발생하였으며, 동측측선(GJ-06)의 경우 범에서 뚜렷한 변화는 없었으나, 범 능선의 배후지에서 지속적인 퇴적이 발생하였다.
Fig. 19 Topographic changes in beach profiles during the pre- and post-typhoon Kong-rey (2018). The hatched area in blue denotes net deposition, whereas the area in red erosion.
해빈경사도의 경우, 태풍 ‘콩레이(2018)’ 내습 전 하부 범의 해빈경사는 서 쪽 GJ-01 측선에서 약 15°로 경사가 가장 급하고, 평균 약 13°의 경사를 나 타낸다. 연구지역의 중앙측선에서 태풍 내습으로 인한 경사도 변화를 계산해본 결과(Fig. 20), 태풍 내습 3일 후 하부 범의 해빈경사는 거의 변하지 않았다. 이 후 장기간 관측에서 해빈경사는 하부 범이 상부 범 위치로 후퇴함에 따라 약 1° 내의 범위에서 변화가 관찰되었다.
Fig. 20 Time-series changes in beach slopes for the transect GJ-03 before and after typhoon Kong-rey (2018). The red line marks initial slope of swash
zone after typhoon.
한편, 태풍‘다나스(2019)’내습 전과 후의 해빈 지형측량 결과를 비교했을 때(Fig. 21), 서쪽 측선(GJ-01)에서는 해빈 전방의 하부 범과 상부 범에서 최대 0.8 m 높이의 침식이 발생하였으나, 상부 범의 배후지에서 0.8m 높이의 퇴적이 발생하였다. 그리고 중앙측선(GJ-03)에서는 하부 범과 상부 범에서 최대 약 1m 높이의 침식이 발생하였으나, 상부 범의 배후지에서는 최대 약 0.5m 높이의 퇴 적이 발생하였다. 동측 측선(GJ-06)의 경우, 태풍 내습 전 하나의 범만 존재하 였으며, 태풍 내습 후에는 기존의 범에서 최대 약 1m 높이의 침식이 발생하였 으나, 범의 배후지에서 0.8m 높이의 퇴적이 발생하였다.
태풍 내습 이후, 해빈의 모든 측선 전방에서 매우 빠른 속도로 퇴적이 발생 하여 태풍 내습 3일 만에 새로운 하부 범이 출현하였고, 약 1개월 후에는 새롭 게 생성된 하부 범의 배후지에서 최대 약 1.2m 높이의 퇴적이 발생하였다.
Fig. 21 Time-series topographic changes in beach profiles during the pre- and post-typhoon Danas (2019). The hatched in blue denotes deposition, but the red area erosion.
태풍‘다나스(2019)’내습에 의한 경사도 변화는 태풍 내습 직후 하부 범의 해빈 경사는 침식으로 인하여 태풍 내습 전 경사도 11.2°에서 내습 후 평균 9.5°로 이전보다 1.7° 더 완만해진 것이 관측되었으며, 태풍 내습 3일 후 다 시 측량한 결과 해빈경사가 평균 약 13°로 다시 원래 경사로 복원이 되었다.
이후 1개월 후 해빈경사는 하부 범이 육지방향으로 후퇴하며 약 11.1°로 완만 해졌다(Fig. 22).
Fig. 22 Time-series changes in beach slopes for the transect GJ-03 before and after typhoon Danas (2019). The red line marks initial slope of swash
zone after typhoon.
4.2.2 감지 자갈해빈의 입도 분포
자갈 퇴적물의 입도 분석 결과, 해안선의 평행방향으로는 서측 GJ-02 측선에 서 입도가 평균 –6.2Φ로 가장 조립한 것으로 나타나며, GJ-05 측선까지 동측으 로 갈수록 약 –5.4Φ까지 점차 세립해지나 GJ-06번 측선에서 다시 –5.6Φ를 보 이며 대략 0.2Φ 조립해진다(Fig. 23). 그리고 분급도(sorting)의 경우 0.3~0.4Φ 로, 전 측선에서 양호한 분급을 보인다.
Fig. 23 Alongshore variation in mean grain sizes and sorting values. Note that the coarsest cobbles are present in the west,
the mean sizes decreasing towards the east.
한편 해안방향의 입도분석 결과, 서측측선(GJ-01)에서는 범의 배후지역(back shore)에서 –6.8Φ의 가장 조립한 왕자갈 크기의 퇴적물이 분포하며, 연구지역 에서 가장 큰 자갈의 이들은 더 이상 이동하지 않는 잔류 자갈퇴적물(cobble lag)의 형태로 남아있는 것으로 보인다(Fig. 24). 포말대를 제외한 지점은 매우 조립질 잔자갈-왕자갈(very coarse pebble-cobble)이 분포한다. 포말대에서는 상 대적으로 세립한 약 –4.5Φ 입도의 조립질 잔자갈(coarse pebble) 퇴적물이 분포 한다. 중앙측선(GJ-03)의 경우, 위와 마찬가지로 포말대를 제외한 지점에서 매 우 조립질 잔자갈-왕자갈이 분포하며, 포말대 지역은 조립질 잔자갈 크기의 자 갈이 존재한다. 동측측선(GJ-06)의 경우 전반적으로 바다방향으로 세립해지는 경향을 보였으며, 포말대에서는 뚜렷한 입도변화가 관찰되지 않는다. 분급은 서 측측선(GJ-01)과 중앙측선(GJ-03)에서 수중지역을 제외한 지점에서 상대적으로 양호한 분급(moderately well sorted)을 보였으며, 수중지역 퇴적물은 상대적으 로 더 불량한 분급(moderately sorted)을 나타낸다. 동측측선(GJ-06)에서는 전 지점에서 모두 양호한 분급(well sorted)을 나타낸다.
Fig. 24 Cross-shore variation in mean grain sizes and sorting. Note, in general, the shoreward coarsening trend in mean grain sizes along the transect GJ-01 (a),
GJ-03 (b) and GJ-06 (c).
중앙측선(GJ-03)에서 퇴적물의 장축, 중축, 단축으로 Zingg(1935)의 다이어그 램을 사용하여 자갈퇴적물의 형태분석을 실시한 결과, 자갈은 대부분 편구형
(oblate)에 도시되었으나, 포말대에서는 가장 많은 구형(equant)의 자갈이 분포 하는 것으로 드러났다(Fig. 25). 이는 과거 선행 연구들에서 제시한 자갈해빈에 서 나타나는 뚜렷한 분급과 잘 일치한다(한민, 2013, Orford, 1975, Orford et al., 2002). 이러한 양상은 전방의 포말대에서는 파랑의 쳐올림(swash)과 쳐내림 (back-wash)시 밑짐(bed-load)의 형태로 이동하는 구형의 퇴적물이 주로 퇴적되 고, 범 능선과 그 배후지에는 월파 발생 시 뜬짐(suspended load) 형태로 퇴적 되는 것으로 추측된다. 이러한 해안방향의 분급작용은 감지 해빈이 파랑작용에 의해 자갈의 형태, 입도별 분급이 발생하고 있음을 의미한다.
Fig. 25 Distribution patterns of gravel shape plotted by Zingg(1935)’s classification scheme. DL : length of long axis,
DI : length of intermediate axis, DS : length of short axis.
4.2.3 감지 자갈해빈의 공간적인 퇴적물 이동과 지형반응
태풍 전후 2회의 드론 지형측량자료를 분석한 결과, 태풍‘다나스(2019)’내 습 전 해빈은 2개의 배수구가 있어, 배수구의 배출통로가 존재하였으나, 태풍 내습 이후 자갈퇴적물이 급격히 퇴적되며 서측의 배출통로와 배수구를 덮었으 며, 동측 배수구의 경우, 자갈이 퇴적되어 기존의 배출통로를 막고, 유로가 동 측으로 변경된 것으로 확인된다(Fig. 26a, b). 한편 해빈의 동측은 태풍 내습 전 표고가 2m 이하로, 해빈의 서측보다 고도가 더 낮았으나, 태풍 내습 후 배후지 에서 많은 퇴적이 발생하여 표고가 전반적으로 높아졌다.
Fig. 26 DEM of Gamji beach showing the elevation during pre-(a) and post-typhoon (b). Topographic data acquired in
June (a) and August (b) in 2019.
태풍 전후의 해빈 표고 변화를 계산한 결과, 태풍 내습으로 하부 범과 상부 범이 위치한 전방 지역에서 대부분 침식이 발생하였으며, 배후지의 위치에서
변경으로 배수구의 동쪽에서 침식이 발생하였다(Fig. 27).
Fig. 27 The elevation difference between before and after typhoon.
제 5 장 토 의
5.1 해빈침식의 원인에 대한 고찰
5.1.1 외력의 변화
IPCC (2014)는 지구온난화로 인해서 전 세계적인 해수면 상승이 발생하고 있 다고 밝혔는데, 이에 대해 Jeon (2008)은 조위 관측소 통계를 수집 및 활용하여 부산의 해수면 변화를 계산하여 1961년부터 2002년까지 해수면이 약 1.77mm/year 상승했다고 밝혔다. 그리고 김민수 외(2019)는 부산의 조위관측소 자료를 수집하여 지난 11년간 부산의 해수면은 약 2.1mm/year 상승했다고 밝 혔다.
해운대 해빈의 경우, 1947년 관측 이후 2013년까지 약 40%의 해빈 면적이 감 소하였는데, 1961년부터 2019년까지의 해수면 상승량은 약 10cm 정도로, 해빈 침식량보다 해수면 상승량이 너무 낮아서, 해빈 침식에 있어서 해수면 상승보 다는 다른 원인을 찾아야 한다.
한편, 설동일(2010)은 지구온난화에 대하여 1951~2008년의 태풍의 빈도와 강 도의 변화를 조사하여 태풍의 빈도는 초기 20년에 비해 후기 20년 동안 약 1.3 회 감소하나, 최대풍속은 서서히 증가하는 추세를 보인다고 보고하였다. 그러나 평균 최대풍속 변화는 1m 내외로, 태풍의 강도가 증가하지만, 태풍 빈도 감소 가 더 뚜렷한 것으로 해석된다. 해운대 해빈과 감지 해빈 조사결과, 태풍 내습 으로 침식이 발생하지만, 이후 매우 빠른 속도로 회복되어 해빈이 복구되기 때 문에, 태풍 강도 증가는 해빈침식의 원인으로 지목하기 어려워 보인다.
5.1.2 퇴적물 공급의 변화
해빈침식에 있어서, Uda (2010)은 연안구조물 설치와, 퇴적물 공급, 순환의 변 화를 원인으로 지적하였으며, 해빈 인근의 강과 하천에서 지속적인 퇴적물이
기 위한 지속적인 준설과 바닷물 유입을 막기 위한 하굿둑 건설, 인근 해역에 서 해사 채취 등의 행위로 퇴적물 공급이 방해받을 수 있다고 보고하였다. 또 한, 해빈은 해빈 내의 퇴적물 순환뿐만 아니라, 인근 해빈과 퇴적물을 주고받는 cell 순환을 형성하는데, 인근 해빈의 연안정비 공사 등으로 퇴적물 순환이 파 괴되어 해빈침식이 유발된다고 보고하였다.
연구지역인 해운대 해빈의 경우 낙동강과 춘천천이 과거 퇴적물 공급원의 기 능을 하였으나, 지금은 하굿둑 건설과 유로변경 공사로 제 역할을 하지 못하고 있지만, 인위적 양빈을 통해 퇴적물이 지속적으로 공급되고 있어서, 최근의 해 빈침식은 퇴적물 공급변화가 아닌 다른 원인이 있는 것으로 추측된다.
한편, Uda (2010)는 연안 구조물에 의한 외력의 변화가 연안침식을 가속화 시 킨다고 보고하였으며, 특히 연안을 보호하기 위해 설치하는 제방, 잠제, 그로인 (groin)이 연안침식을 더 가속화시키고, 추가적인 침식을 막기 위해 구조물을 더 설치하게 되는 악순환을 지적하였다. 해운대 해빈의 경우, 과거 사구가 위치 하던 구역에는 월파를 막기 위한 제방이 건설되었고, 해빈 동측에는 미포항이 놓여있다. 그리고 2014년과 2015년에 해빈 전면 해상에 잠제가 추가로 설치되 었는데, 잠제 설치가 해빈침식을 가속화시킬 것인지에 대한 장기적인 모니터링 이 필요하다.
5.2 해빈침식에 대한 태풍의 기여
5.2.1 해운대 사질해빈
일반적으로 고에너지의 파랑을 수반하는 태풍은 해빈침식, 특히 전사구 (foredune)와 범(berm)의 침식을 일으키며, 이때 침식된 퇴적물은 바다 쪽의 조 하대로 이동하여 사주(bar)를 형성하는 것으로 알려졌다. 모래턱의 침식으로 해 빈경사는 완만해지며, 해빈은 소산형(dissipative state) 해빈을 나타낸다 (Masselink et al., 2014, Seibold and Berger, 2017). 태풍이 지나간 후 정상상태 에서 파랑의 비대칭으로 사주의 퇴적물은 육지 쪽으로 점차적으로 이동하여 침 식된 범을 채우고, 해빈의 경사는 급경사를 이루어서 해빈은 다시 반사형
(reflective) 해빈으로 되돌아가는 것으로 알려졌다.
해운대 해수욕장의 해안선은 태풍 내습 후 2개월 만에 대부분 회복되는 것으 로 확인되었다. 이와 유사한 사례로 Wang et al. (2006)의 연구 결과, 미국 플로 리다 사주섬 연안에서 2004년 허리케인 ‘Ivan’ 내습 후 회복까지 약 90일이 걸린 것으로 드러났다. 또한 저에너지 환경의 텍사스 연안에서는 허리케인
‘Alicia(1983)’ 내습 후 그 복원에 4~5년이 소요되었다(Morton, 1994). 특히, Yu et al. (2013)은 홍콩에서 태풍 ‘Hagupit(2008)’ 내습 후 저에너지 해빈과 고에너지 해빈의 회복을 비교하였는데, 고에너지 환경의 해빈은 첫 2~3개월 동 안 대부분 회복된 반면, 저에너지 환경에서는 4개월이 지나도록 복구가 되지 않은 것으로 알려졌다.
이러한 해빈의 침식과 회복 현상을 Austin and Masselink (2006)은 퇴적물 이 동으로 설명하였다. 그들에 따르면 폭풍 발생 시 퇴적물은 기존 범의 위치에서 월파에 의해 육지 방향으로 일부 퇴적물이 이동하게 되며, 대부분은 바다 방향 으로 이동하게 된다. 이후 저에너지 상태에서 바다에 있는 퇴적물이 육지방향 으로 이동하여 포말대에 다시 퇴적된다. 이때 바다로 휩쓸려간 퇴적물의 수심, 폐쇄수심(closure depth)은 평상시보다 2m 이상 깊어진다고 주장하였다.
국내의 연구 사례로는 최광희 외(2012)는 태풍 ‘곤파스(Kompasu, 2010)’ 내 습 후 충남 보령의 소황사구 등 서해안 일대의 해안 사구에서 침식과 회복을 연구하였다. 그들은 태풍 내습 후 소황사구의 침식단애의 높이를 측정하여 2m 이상 최대 4~5m의 침식단애가 발생했고, 태풍 내습 시 사구마루는 육지 쪽으로 2m 후퇴하고 겨울 동안 다시 1m 해안방향으로 전진한 것으로 보고하였다. 이 와 같이, 태풍에 의한 침식 이후 회복의 시간은 그 지역의 물리적 에너지 환경 에 따라 다른 것으로 해석된다. 다른 지역의 연구사례와 비교할 때, 해운대 해 빈의 약 2개월의 회복시간은 비교적 짧은 것으로, 해운대 해빈의 파랑에너지 상태(energy regime)는 상대적 고에너지 상태임을 시사한다.
5.2.2 감지 자갈해빈
감지 해빈의 경우, 태풍 콩레이(2018) 내습 3일 후 관측한 결과에서는 하부 범의 변화가 관찰되지 않아 태풍 내습 당시 침식되지 않은 것으로 해석했지만, 태풍 다나스(2019) 내습 후 관측한 결과에 따르면 태풍 내습 1일 후에는 하부 범과 상부 범이 모두 침식되었으나, 3일 후 하부 범이 복구되어 있는 것을 볼 때, 태풍 콩레이 내습 3일 후 관측된 하부 범은 태풍 내습 당시 침식되었으나 이후 새로이 형성된 것으로 추측된다(Fig. 28).
마찬가지로 태풍 다나스(2019) 내습 시 감지 해빈의 배후지에서 일부 퇴적이 발생했는데 이것은 월파 작용으로 일부 자갈퇴적물이 육지 방향으로 이동한 것 으로 해석된다. 나머지 대부분의 자갈퇴적물은 Austin and Masselink (2006)의 주장처럼 바다 방향으로 휩쓸려 나가 조하대에 퇴적된 것으로 보인다.
위의 결과를 종합해보면 감지 자갈해빈의 회복속도는 매우 빠른 것으로 사료 되며, 해빈의 전면이 매우 빠른 회복속도를 가지고 있어, 태풍의 강도에 따라 배후지에 퇴적이나 침식이 발생함을 시사한다.
Fig. 28 Schematic diagram illustrating morphologic response of gravel beach to typhoons. Note growth and destruction of upper and lower
berms scaled to the magnitude of typhoons.
5.3 향후 계획
5.3.1 해저 지형에 대한 자료 부족
이 연구는 태풍 전후의 해빈면(beachface)의 VRS-GPS, 드론 지형자료를 사용 하여 범(berm) 부분의 침식과 회복을 관측할 수 있었다. 하지만 저조위선 보다 아래 수심이 깊은 곳은 관측을 할 수 없어 태풍 내습 전후의 사주(bar)의 형성 과 bar가 범으로 이동하여 해빈이 회복되는 메커니즘에 관한 것은 아쉽게도 확 인할 수 없었다(Fig 29). 하지만, 태풍 전후의 해빈면 지형반응을 조사하여, 최 소한 해빈면의 침식과 회복과정은 인지할 수 있었다. 향후 연구에서는 전체적 인 퇴적물 이동과 해빈의 지형반응을 이해하기 위해 수심이 깊은 조하대 영역 (subtidal)을 포함하는 후속연구가 필요하다.
Fig. 29 Schematic diagram showing the seasonal change of the beach,
5.3.2 유실된 퇴적물의 행방
연구기간 동안, 태풍 차바 내습 후 해운대 해빈의 퇴적물은 내습 2개월 만에 대부분 회복되었으나, 유실된 퇴적물이 완전히 회복되는 모습을 관찰하지는 못 하였다. 이는 해운대 해빈의 모래가 지속적으로 유실되기 때문에, 태풍 내습 당 시 침식된 퇴적물이 모두 돌아오지 못한 것으로 추측된다. 이 유실된 퇴적물의 행방에 대해서 Lee et al. (2016)의 연구는 퇴적물이 해빈의 서측인 동백섬 방 향으로 이동하여 유실된다고 보고하였고, Lee et al. (2018)은 썰물 시 부유된 퇴적물이 해운대에서 유실된다고 보고한 바 있다. 한편, Baek et al. (2019)는 해운대 해빈 연안의 탄성파 자료를 해석하여 침식된 퇴적물이 해운대 서측에 로브(lobate) 형태로 퇴적된 것을 발견하여 이를 해빈 서쪽으로 이동하던 퇴적 물이 퇴적된 결과로 해석하였다.
이 선행연구 결과들을 고려하면, 태풍 차바 내습으로 인해 바다 방향으로 이 동한 퇴적물 일부가 연안수송(alongshore transport)을 통해 동백섬으로 빠져나 간 것으로 추측된다. 따라서 빠져나간 퇴적물이 최종적으로 어디에 퇴적되는지 에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
5.3.3 자갈 퇴적물의 이동 기작
자갈해빈은 태풍과 같은 고에너지 환경 아래에서 침식의 발생 후 해빈의 복 원성이 매우 뛰어나며, 중급 강도의 태풍 내습 시에는 오히려 퇴적현상이 발생 한다. 하지만, 연구지역의 해빈이 소규모(150m)이고, 태풍 콩레이와 다나스의 내습경로가 완전히 일치하지는 않기 때문에, 해빈규모에 따른 퇴적양상 차이와 태풍 내습 시 고파랑 입사파의 파향에 의한 퇴적물의 이동에 대해서 추가적인 연구가 필요하다. 또한, 해운대 사질해빈의 퇴적물에 비해 그 입도가 훨씬 큰 왕자갈 퇴적물이 더 빠른 회복속도(이동속도)를 보이고 있어서, 이를 이해하기 위해서는 자갈의 이동률과 그 기작에 대한 더 추가적인 연구가 필요하다.
