Investigation of Characteristics of Rip Current at Haeundae Beach based on Observation Analysis and Numerical Experiments

대 한 토 목 학 회 논 문 집 제32권 제4B 호·2012년 7월 pp. 243 ~ 251

해안 및 항만공학

관측자료 분석과 수치모의에 의한 해운대 이안류 발생 특성 연구

Investigation of Characteristics of Rip Current at Haeundae Beach based on Observation Analysis and Numerical Experiments

윤성범*·권석재**·배재석***·최준우****

Yoon, Sung Bum ^· Kwon, Seok Jae ^· Bae, Jae Soek ^· Choi, Junwoo

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Abstract

To investigate the characteristics of rip current occurring at Haeundae beach, observations obtained from a buoy and a CCTV were analyzed and numerical experiments were conducted. During observed rip-current events, the CCTV images showed that a couple of wave-trains, which are close to regular waves with slightly different directions, propagated to the beach, and wave- let analyses of data from the buoy showed very narrow-banded spectra with a peak frequency. From the evidences, it was inferred that a known mechanism of generating rip current due to the nodal line area of honeycomb-patterned wave crest was one of the significant factors of rip current occurrences of Haeundae beach. The mechanism has been explained by the fol- lowing: When two wave-trains with slightly different directions propagate to a beach, wave crests of the incident wave-trains form honeycomb pattern due to nonlinear interaction. The nodal lines of honeycomb pattern are developed in the cross-shore direction. And longshore currents flow toward the nodal line area which has very low wave energy. Consequently their mass flux is expelled through the area toward the sea direction. To confirm the generation, numerical experiments were performed using a nonlinear Boussinesq equation model. In the cases with two incident wave-trains with slightly different directions and with a monochromatic wave propagating over a submerged shoal, it was seen that the honeycomb pattern of wave crests was well developed, and thus rip currents were evolved along the nodal lines.

Keywords: Rip current, Haeundae beach, observation analysis, numerical experiment, COULWAVE

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요 지

국립해양조사원의 해운대 부이로 부터 관측된 자료와 CCTV 영상자료를 분석하고 수치실험을 수행하여 해운대 해변에서 발생하는 이안류의 특성을 연구하였다. CCTV 영상자료를 분석한 결과로 부터 이안류가 발생할 때 규칙파에 가깝고 진행방 향이 약간 다른 파랑이 중첩되어 입사되고 있는 것을 관찰할 수 있었으며, 부이 관측자료의 웨이브릿 분석으로부터 한 주기 에 파랑에너지가 집중된 협대역 스펙트럼을 확인할 수 있었다. 이로부터 이미 알려진 이안류 발생 메커니즘가운데 하나인 벌집구조의 절점선 영역을 통한 이안류의 발생이 해운대 이안류의 주요한 발생 메커니즘임을 추론할 수 있었다. 이러한 이 안류 발생 메커니즘은 다음과 같이 설명할 수 있다. 진행방향이 약간 다른 규칙파가 해안으로 전파될 때 서로 중첩되어 비 선형 상호작용으로 파봉선이 벌집구조 형상으로 변형된다. 여기서, 파고가 영(zero)인 절점선이 해안선에서 외해방향으로 발 달하게 된다. 파고가 상대적으로 작은 이 절점선 영역을 향하여 연안류의 질량수송이 집중되며 일시에 외해로 이안류를 발 생시키게 된다. 벌집구조 파봉형상 입사파에 의한 이안류 발생을 재현하기 위해 완전 비선형 Boussinesq 방정식 모형을 이 용해 수치모의를 수행하였다. 이 수치모의로부터 진행방향이 서로 다르므로, 그리고 일방향 파랑이 수중천퇴에 의하여 변형 되므로 발생된 벌집구조 현상에 의하여 이안류가 잘 발생함을 확인하였다.

핵심용어 : 이안류, 해운대, 관측분석, 수치실험, COULWAVE

···

1. 서 론

부산 해운대 해수욕장은 전국 약 276 개의 해수욕장 중에 서 가장 많은 방문객이 물놀이를 즐기기 위해 찾는 우리나 라의 대표적인 피서지이다 . 특히 2011 년은 약 1 천 238 만

명이 2 개월 (7~8 월 ) 간 해운대 해수욕장을 찾았으며 연중 각종 국내외 주요 행사가 개최되는 등 국제적인 관광지로 자리잡 고 있어 해운대 해수욕장을 찾는 여행객의 수는 점차 늘어 날 것으로 예상된다 . 그러나 최근 이안류가 자주 발생하여 비록 큰 인명피해는 없었지만 수십 명의 해수욕객이 구조

*정회원·한양대학교공학대학건설환경공학과교수

(E-mail : [email protected])

(E-mail : [email protected])

***한양대학교대학원건설환경공학과박사과정

(E-mail : [email protected])

****정회원·교신저자·한국건설기술연구원하천해안연구실수석연구원

(E-mail : [email protected])

조치되고 있다 . 따라서 다양한 연구와 그에 따른 공학적 대 책들이 시도되고 있으나 , 뚜렷한 원인파악이나 근본적인 대 책은 아직 제시되지 못하고 있는 실정이다 .

일반적으로 이안류는 연안의 수심 분포를 비롯한 지형 및 환경적 특성과 비선형파의 상호작용 및 평균자유수면변위의

불안정성 등에 기인하여 파랑 에너지가 연안방향 (longshore

direction) 으로 강한 비균등성이 형성될 때 발생하는 것으로 알

려져 있다 (Dalrymple, 1975, 1978; Tang and Dalrymple, 1989). 즉 , 연안방향을 따라 파랑에너지 ( 또는 파고 ) 가 급격히 낮아지는 쪽으로 파랑 잉여운동량 플럭스 (wave induced

excess momentum flux) 의 기울기가 발생하므로 그 부분의

평균수면 상승과 더불어 이안류 수로 (rip channel) 를 통하여

외해 쪽으로 강한 흐름이 발생하게 된다 ( 최준우 등 , 2011).

이안류는 Shepard(1936) 로부터 관찰되고 , 연구되기 시작하였

으며 , 연구 초기에는 이론적 모형들을 이용하여 기본적인 발 생 메커니즘을 밝히려는 내용들을 다루었다 . 그 예로

Bowen(1969), Bowen and Inman(1969), Dalrymple and Lozano(1978) 등을 들 수 있다 . 국내에서는 1990 년대에 처 음 연구가 진행되었으며 연구 초기에는 해안침식원인 분석 을 위해 연안류와 이안류에 대한 연구가 진행되었다 . 이후

2009 년 해운대에서 발생한 사고로 사람들의 관심이 집중되 면서 이안류에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 . 최근 국 내에서는 수치모의를 이용한 연구로 잉여응력 (radiation

stress) 개념을 이용하는 파랑과 흐름의 결합모형을 이용하는

방법 ( 김인철 등 , 2011) 과 Boussinesq 방정식 모형을 이용하

는 방법 ( 최준우 등 , 2011) 으로 해운대 해수욕장에서 발생한

이안류를 수치모의한 연구가 발표되었다 .

최근 Dalrymple et al. (2011) 은 그 동안의 기존 연구들을 바탕으로 다양한 이안류의 발생원인 및 특성과 영향인자들 을 자세히 정리하였다 . 그 가운데 Hammack et al. (1990) 을 인용하면서 다음과 같은 이안류 발생 메커니즘을 언급하고 있다 . 진행방향이 약간 다른 규칙파가 해안으로 전파될 때 서로 중첩되어 비선형 상호작용으로 파봉선이 벌집구조 형

상을 나타내고 , 파고가 영 (zero) 인 절점선이 해안선에서 외해

방향으로 발달하게 된다 . ^{파고가 상대적으로 작은 이 절점선}

영역을 향하여 연안류의 질량수송이 집중되며 일시에 외해 로 이안류를 발생시키게 된다 . 이러한 이안류 발생 메카니즘 은 기존에 알려져 있는 반복오목해안 (cusp beach, periodic

pocket beach) 에서 관찰되는 이안류를 포함한 연안흐름의 패

턴 (Thornton et al ., 2007; MacMahan et al ., 2005) 과는 정반대임을 밝히고 있다 . 본 연구에서는 기존에 해운대에서 발생하는 이안류를 설명하기 위해 인용되어 오던 메커니즘 과 다른 이러한 이안류 메커니즘이 해운대 이안류를 보다 명확하게 설명할 수 있음을 실제 관측한 자료들의 분석과 수치해석을 통하여 밝히고자 한다 .

2. 해운대 이안류 관측

국립해양조사원 (Korea Hydrographic and Oceanographic

Administration, KHOA) 에서 운영 중인 해운대 주변의

CCTV 영상 자료를 확보하고 이를 분석하여 해운대 해수욕

장에서의 이안류 발생 현황을 파악하였다 . Fig. 1 과 같이

CCTV 는 해운대의 서북측에 위치한 글로리 콘도에서 남동향

으로 해운대 해변을 향해 설치 및 운영하였으며 , CCTV ^를

통한 영상 이미지는 1 초 간격으로 저장되어 있다 . 또한 ,

Fig. 1 에 국립해양조사원에서 설치하여 운영 중인 파랑부이

의 위치를 나타내었다 . 이 부이는 기본적으로 정밀 위치확인

시스템 (GPS) 이 자유수면의 변형을 인식하는 방식을 채택하

고 있다 . 이 관측 시스템은 수면변화에 따라 변동하는 3 축 의 변위를 이용하여 대표 파고 , 주기 , 파향 등을 계산한다 .

2Hz 로 샘플링 되는 3 축 변위에 해당하는 원 데이터는 자체

저장장치에 저장되고 , ^{대표 파고} , ^주기 , ^{파향 등의 파랑정보}

는 매 5 분마다 1024 개에 해당하는 이동 데이터 프레임을

사용하여 계산되며 , 이 계산 값들은 국립해양조사원의 서버 로 전송된다 .

해운대 지역에 대한 실질적인 관측은 2011 ^년 6 ^월부터 9 ^월

까지 4 개월 동안 이루어졌으며 기록된 영상자료 중에서 태 풍 및 우천 등으로 인하여 기상조건이 양호하지 않아 영상 자료의 판독이 불가능한 일부의 자료를 제외한 나머지 영상 자료들을 확인 및 분석하였다 . ^{그 결과} CCTV ^{영상 자료를}

Fig. 1 Topographical information around Haeundae beach and the locations of CCTV and the observation buoy of KHOA

통해 2011 ^년 6 ^월 12 ^{일을 비롯하여 여러 차례에 걸쳐 이안}

류가 발생하였음을 확인하였다 . Fig. 2 에 보인 바와 같이

2011 년 6 월 12 일 11 시 21 분 , 11 시 35 분 , 11 시 58 분 세 번 에 걸쳐 이안류가 발생되었다 . 그 당시 해운대 부이에서 관

측된 유의파고 및 주기를 Fig. 3 에 도시하였다 . 이안류가 발

생한 2011 년 6 월 12 일 11 시 21 분 , 35 분 , 58 분에 파고가 상대적으로 높고 주기가 길다는 것을 확인할 수 있다 . 그리 고 매초 저장된 이미지를 이용하여 해안선 근처의 고정된 위치를 통과하는 쇄파에 의해 하얗게 보이는 파봉선을 육안 으로 추적하여 분 단위로 평균주기를 추정하였다 . 이렇게 추 정된 주기로부터 규칙파에 가까운 파랑이 입사되는 것으로

판단되고 , 파봉선의 길이가 긴 몇 개의 파랑열 (wave-train) 이

번갈아 가며 거의 일정한 방향으로 입사하는 것을 관찰할

수 있었다 . 이 당시 발생한 이안류들은 지속시간이 수분 이 내인 돌발성 이안류로 파악된다 . ^{이안류가 발생한 당시} , ^즉 , 6 월 12 일 11 시 50 부터 12 시 10 분사이의 원자료를 이용하여

웨이블릿 분석을 실시하여 Fig. 4 에 제시하였다 . 이안류 발

생전후의 웨이블릿 스펙트럼을 통하여 약 9 초의 첨두주기에 에너지가 집중되어 지속적으로 유지되는 것을 볼 수 있다 .

또한 , 이 첨두주기는 Fig. 3 에 나타낸 유의주기에 비하여 크

며 , CCTV 의 이미지 분석으로부터 파봉선을 추적하여 산정

되는 주기에 더 유사함을 알 수 있었다 .

또 다른 이안류의 발생은 태풍 메아리 (MEARI) ^{가 서해를}

북상하여 신의주에 상륙한 2011 년 6 월 27 일 11 시경부터 수 시간 동안 산발적으로 관찰되었다 . 이안류가 발생하는 상황 을 보여주는 영상의 이미지를 Fig. 5(b) 에 , 그리고 6 월 27

일 11 시 이전인 오전의 이안류 발생이 확인되지 않는 이미

Fig. 2 CCTV image of a rip current event occurred at Haeundae beach and its snapshots at (a) 11:21, (b) 11:35, and (c) 11:58 am of the 12th June, 2011

Fig. 3 Time history of wave height and period (June 12, 2011) recorded at Haeundae at buoy of KHOA

Fig. 4 Wavelet Analysis of the time series of observation for

about 20 minutes from 11:50 to 12:10 in June 12, 2011

recorded at Haeundae at buoy of KHOA. Left panel

shows wavelet power spectrum varied with time (m

/s)

and right panel shows wavelet power spectrum (m

).

지를 Fig. 5(a) ^{에 나타내었다} . ^{태풍 메아리는} 6 ^월 26 ^{일 이전}

부터 서해 해상에 진입하여 통과하고 있었으며 , 6 월 26 일 오후에 해운대 파고관측 부이에서 측정한 유의파고는 최대

2 m, 주기는 최대 10 초에 달하여 올해 해운대 개장이후 3

개월의 기간 동안 가장 파고가 높고 주기도 길었다 . Fig. 6

에 태풍 메아리의 이동경로를 , Fig. 7 에 2011 년 6 월 25 일부 터 6 월 28 일까지 기간 동안의 해운대 부이에서 관측한 유의 파의 파고와 주기를 도시하였다 . 단순히 파고가 높고 주기가 길면 이안류가 발생한다는 생각으로부터 6 월 26 일 오후나

27 일 오전에 이안류가 강하게 발생했을 것으로 추정할 수

있으나 , 규모가 크고 지속시간이 긴 이안류는 태풍이 소멸된

6 월 27 일 오전 11 시부터 더 뚜렷하게 관측되었다 . 이때의 유의파고는 최대치보다 작은 1 m 정도이며 , 주기는 5~6 초 정도로 짧아졌다 . 이러한 강한 태풍이 지나간 이후나 후반부 에 이안류가 더 잘 관측된다는 증거들은 다른 참고 문헌

(Dalrymple et al. , 2011) 에서도 찾아 볼 수 있다 .

6 ^월 27 ^일 11 ^{시 이전과 이후} 20 ^{분 단위의 스펙트럼을 웨}

이블릿 분석으로 도출하여 Fig. 8 과 Fig. 9 에 도시하였다 .

이 두 시기의 스펙트럼의 광협도를 살펴보면 , 11 시 이후의 스펙트럼이 상대적으로 협대역으로 첨두주기에 에너지가 더 집중되어 있는 것을 확인할 수 있다 . 따라서 이안류가 지속

Fig. 5 CCTV image of a rip current event occurred at Haeundae beach and its snapshots at (a) 09:30 and (b) 11:14 am of the 26th June, 2011

Fig. 6 Trajectory of Typhoon MEARI

Fig. 7 Time history of the significant wave height and period observed from the 25th to the 28th of June 2011 at Haeundae Bouy

Fig. 8 Wavelet Analysis of the time series of observation for about 20 minutes from 10:50 to 11:10 in June 27, 2011 recorded at Haeundae at buoy of KHOA. Left panel shows wavelet power spectrum varied with time (m

/s) and right panel shows wavelet power spectrum (m

).

Fig. 9 Wavelet Analysis of the time series of observation for

about 20 minutes from 11:20 to 11:40 in June 27, 2011

recorded at Haeundae at buoy of KHOA. Left panel

shows wavelet power spectrum varied with time (m

/s)

and right panel shows wavelet power spectrum (m

).

적으로 관측되는 시기의 스펙트럼은 6 월 12 일의 경우와 마 찬가지로 규칙파에 가까운 협대역 스펙트럼의 파랑에서 잘 발생하는 것으로 추정될 수 있다 . 스펙트럼 광협도에 따른

파랑의 특성은 Fig. 5 에 일부를 나타낸 CCTV 영상자료를

판독 결과로 부터도 확인할 수 있었다 . 6 월 27 일 오후보다

6 월 26 일이나 27 일 오전 당시는 태풍의 영향으로 상대적으

로 해안선방향으로 파봉선의 길이가 상대적으로 짧고 불규 칙성이 강하며 , 여러 주기의 파랑이 발생하여 혼재되어 있어 보였다 . 반면에 , 6 월 27 일 11 시 이후의 CCTV 영상자료는 해운대 해안으로 입사하는 파랑의 주기가 상당히 규칙적이

며 파봉선의 길이가 긴 몇 개의 파랑열 (wave-train) 이 번갈

아 가며 거의 일정한 방향으로 입사하는 것으로 보였다 .

앞에서 언급한 것처럼 CCTV 의 이미지는 매초마다 저장되

며 , 이러한 이미지의 해안선 근처 파봉선을 추적하여 산정되 는 주기는 해운대 부이의 유의주기보다 유의미한 정도로 길 었다 . 예를 들어 , 6 월 26 일과 27 일 오전에 9 초정도의 유의

주기가 기록될 때 , CCTV 의 이미지로부터 해안에서는 약 11

초 이상의 주기가 추산되었다 . 또한 , 6 월 27 일 오후에 해운 대 부이에서 6 ^{초정도의 유의주기가 관측될 때} , ^{해안에는 약} 10 초 정도의 주기가 추산되었다 . 이러한 차이는 Fig. 8 과 9

에 나타낸 웨이블릿 분석에 의한 스펙트럼을 근거로 설명될 수 있을 것이다 . 즉 , 스펙트럼에 의해 산정되는 첨두주기는

CCTV 의 이미지로부터 추산되는 주기와 유사하다 . 이미지에 서 추산되는 파주기는 첨두주기에 더 가까워 보인다 .

태풍 메아리는 Fig. 6 에 제시된 바와 같이 6 월 27 일 신 의주 부근까지 북상하고 세력이 약화되었음을 확인할 수 있 다 . ^즉 , 6 ^월 27 ^{일 해운대 해안으로 입사되고 있는 파랑은}

태풍 메아리가 한반도의 남서측 해안을 지나 북상하며 발생 시킨 장파성분이 제주도를 지나 해운대로 전파되어 온 파랑 으로 판단할 수 있다 . 이러한 규칙파에 가까운 장파성분이 지배적인 너울성 파랑은 해운대 앞바다의 수중천퇴 및 산맥 에 의하여 굴절되므로 , 서론에서 밝힌 것과 같은 입사각이 약간 다른 두 방향의 규칙파가 중첩되어 발생되는 파봉선이 벌집구조 형상을 보이는 물리적 현상이 나타나는 것으로 판 단된다 . ^{이 파봉선이 벌집구조 형태를 구성할 때 발생되는}

이안류에 대한 메카니즘 설명은 다음절에 자세히 다룬다 . 3. 해운대 이안류 발생원인 분석

전형적으로 파봉선이 길쭉한 육각형 벌집 형상을 보이는 현상은 비선형 규칙파가 직립구조물에 작은 각도로 비스듬 히 입사하여 반사될 때 , 진행방향이 비슷한 입사파와 반사파

가 중첩되어 나타나는 연파 (stem wave) 에서 관찰된다 ( 이종인

등 , 2006). 구조물에 평행한 방향으로 전파되는 진행파와 직

각방향으로 발생하는 중복파의 비선형 합성 및 변형으로 육 각형 벌집구조가 형성된다 . 한 방향으로 전파되지만 구조물 의 직각방향으로 인접한 2 개의 파봉선은 중복파의 특성을 포함하므로 서로 반파장의 위상차를 이루게 되며 , 따라서 두 파봉선 사이에 파고가 영 (zero) 인 절점선 (node line) 이 존재 한다 . 또한 , 두 진행파의 파향 차이가 작을수록 인접한 두 파봉선의 길이 , 즉 절점선간의 거리 ( 또는 중복파의 파장길이 ) 가 상대적으로 길어지게 된다 .

해안을 향해 전파되는 파랑의 파향이 서로 다른 경우에 해안선 근처에서도 이러한 파봉선이 육각형 벌집구조 형상을 보이게 된다 . ^{육각형 벌집구조 입사파가 해안에 도달하면} , ^절

점선 사이의 파고가 큰 중앙부의 파봉으로부터 쇄파가 발생 하고 절점선을 향하여 쇄파가 전이되므로 쇄파에 의해 발생 하는 연안류도 파고가 큰 중앙부의 파봉으로부터 절점선 영 역이 있는 좌우방향으로 발달하게 된다 . 동시에 반파장의 위 상차를 가지고 입사하는 좌우의 인접 벌집구조의 파랑 역시 순차적으로 쇄파되어 절점선 영역을 향하여 흐르는 연안류 가 발생되게 된다 . 이렇게 발생한 연안류의 흐름은 상대적으 로 파고 및 평균수위가 낮은 절점선 영역을 향하여 흐르게 되고 이 흐름은 일시에 외해로 빠져 나가면서 이안류를 발

생시키게 된다 . Fig. 10 은 전술된 벌집구조 형상의 입사파에

의한 이안류 발생 개념도를 보여주고 있다 .

이러한 벌집구조 입사파의 쇄파영역과 절점선 영역이 공간 적 주기성을 갖고 지속적으로 고정되어 이안류가 일정한 위 치에서 발생하게 되면 , 중기적 관점의 해안지형 변동관점에 서 조금 더 살펴볼 필요가 있어 보인다 . ^{쇄파가 가장 강력}

한 파고를 갖는 절점선 사이 중앙의 해변은 침식되어 해안 선이 육지 쪽으로 들어가게 될 것이고 , 두 연안류가 만나는 이안류의 시발점이 되는 절점선 영역의 해안선부분은 퇴적 되어 ( 또는 덜 침식되어 ) 돌출되므로 , 해안선이 정현 (sine) 곡선 을 이루는 반복오목해안 (cusp beach, periodic pocket beach) 이

Fig. 10 Definition sketch for rip current generation due to honeycomb pattern incident wave

Fig. 11 Rip current generation due to honeycomb pattern

incident wave sketched over the image of 11:14 am,

the 27th of June, 2011

형성될 수 있다 . 오목해안의 들어간 부분을 오목부 (embay-

ment), 돌출한 부분을 돌출부 (horn) 이라 부른다 . 이와 같은

추론은 명확하지는 않지만 Dalrymple et al. (2011) ^{도 그 가}

능성을 언급하고 있고 , 이로부터 Fig. 11 에 나타난 실제 해

운대 해안을 배경으로 벌집 구조의 진행파에 의해 발생하는 이안류의 형상과 해안선을 스케치 하였다 . 벌집구조 파봉 현 상에 의한 이안류 메커니즘은 보편적으로 알려진 오목해안 의 오목부 또는 연안사주 시스템에서의 이안류 발생 메커니 즘과 이안류의 발생 위치가 서로 정반대가 되는 메커니즘을 갖게 된다 . 이 추론에 대한 실증과 지형변동을 포함한 두 가지 이안류 발생 메커니즘의 상관관계를 위한 연구는 앞으 로 추가로 수행될 필요가 있어 보인다 .

전술한 메커니즘을 갖는 이안류가 해운대에서 발생하는 이 유는 해역의 해저 지형에서 그 원인을 찾을 수 있을 것으로

판단된다 . Fig. 12 에서 볼 수 있듯이 해운대 해안 전면부에

는 3 줄기의 해저산맥 또는 암초군이 발달되어 있다 . 하나는 해운대 해변의 서쪽 경계를 이루는 누리마루 부근의 돌출 암초이며 , ^{두 번째는 동쪽 경계의 미포항 부근으로부터 뻗어}

나간 암초군 , 마지막으로 해운대 만 중앙부의 암초군이다 . 이 중앙부 암초군 위를 일정 주기에 에너지가 집중된 장주기파 가 입사하게 되면 중앙 암초군 좌우의 수심이 깊은 곳을 진 행하는 파는 전파속도가 빨라 암초군 위를 진행하는 파봉선 에 비해 빨리 진행하게 되고 , 암초군을 지나 해변에 가까워 지면서 암초군의 좌측을 지나온 파군과 우측을 지나온 파군 이 서로 중첩되어 벌집 구조를 만들 수 있다 . 실제 해운대 해안 전체에 대한 수치모의를 통해 검증될 수 있으며 이러 한 수치모의 통한 해운대 이안류의 검증연구는 향후연구로 남겨 두고 , 다음 절에서 이상적인 벌집구조에 따른 이안류의 발생을 수치실험을 통해 증명한다 .

4. 벌집 구조에 의한 이안류 재현 수치모의

이 절에서는 앞서 기술한 벌집구조 입사파에 의한 이안류

의 발생을 Boussinesq ^{방정식 모형으로 수치모의하여 그 가}

능성을 확인한다 . 벌집 구조 입사파에 의한 이안류 현상을 모의하기 위해서는 파의 위상을 고려할 수 있어야 하며 , 회 전흐름의 해석이 가능해야 한다 . 본 연구에서는 Lynett and Liu(2004a, b) 에 의해 유도된 다층 (N 층 ) Boussinesq 방정식을 지배 방정식으로 사용하는 수치모형인 COULWAVE 를 사용

하였다 . 이 모형은 코넬대학 (Cornell University) 에서 개발한

완전 비선형 Boussinesq 방정식 모형으로 기본구성은 Wei

and Kirby(1995), Wei et al .(1995) 및 Kirby et al .(1998)

의 수치기법에 기초하여 수립되었으며 , Chen et al .(2003) 의 부분적 회전흐름을 고려할 수 있는 추가항이 첨가되어 있다 .

따라서 , ^{이 모형은 파의 주기에 대한 제약이 없고 식에 비}

선형 항이 포함되어 있으므로 여러 종류의 주기파 간의 비 선형 효과를 고려할 수 있다 . 또한 , 회전흐름을 고려할 수 있 으므로 잉여응력과 같은 지속성분이 자동적으로 고려되므로 별 도의 흐름모형을 필요로 하지 않는다 . 본 연구에서 사용한

Boussinesq 방정식의 수치모형은 Lynett and Liu(2008) 에 기 술된 것과 동일하며 , 해안선에서의 이동경계조건이 가능하다 .

이 모형은 다양한 연구를 통해 검증되었다 . 따라서 수치모형 에 대한 자세한 내용은 그 문헌들로 대신하도록 한다 .

Fig. 13 은 파향이 서로 약간 다른 두 규칙파가 해안으로

입사하여 발생되는 이안류의 수치실험을 수행하기 위해 설 정한 계산영역 및 수심 분포를 보여준다 . 이 수치실험은 일 직선의 해안선을 가진 경사평면지형에 대해 수행되므로 오 목해안이나 이안류수로 지형에서 발생하는 일반적인 이안류 가 발생하지 않는다는 점에 유의할 필요가 있다 . 수심 분포 의 스케일은 실제 해운대 주변 해역의 지형의 것과 유사하 도록 구성하였다 . 입사파의 형태가 벌집구조가 형성되는 환 경을 구성하기 위하여 2 개의 조파라인을 X 형태로 교차시켜 두 개 파향의 파랑을 조파하였다 . 수치모의를 위한 계산격

자의 크기는 dx=dy=2m ^{로 설정하였으며} , ^{계산간격은 초로}

설정하였다 . 조파라인의 각도 ( θ ) 와 조파되는 파의 진폭 ( a ) 은 각각 θ =7 및 15 도와 a =0.2 m 및 0.4 m 로 설정하였으며 주기 10 초의 규칙파를 조파하여 360 초 동안 수치실험을 수 행하였다 .

Fig. 14 에서 부터 Fig. 17 까지의 그림에 두 방향의 파랑을

조파하여 수행한 수치실험 결과를 나타내었으며 , 각각 자유 수면 변위와 시간 (2 주기 ) 평균된 흐름유속에 대한 벡터분포 를 도시한 것이다 . ^{수치모의 결과에서 알 수 있듯 두 진행}

파 사이의 파향 각도 가 작을수록 파봉선의 길이 , 즉 , 해안

Fig. 12 Undersea mountains and submerged shoals in coastal area of Haeundae beach

Fig. 13 Computational domain and bathymetry for the two

incident directional wave case

선 방향으로의 중복파의 파장이 길어짐을 확인할 수 있다 . 중

복파의 영향으로 파고가 영 (zero) 인 절점선이 존재하며 이

절점선을 경계로 인접한 2 ^{개의 진행파 파봉선은 반파장의}

위상차를 보이며 전파됨을 확인할 수 있다 . 또한 , 중복파의 특성으로 부터 파봉선의 정중앙에서는 파고가 상대적으로 크 고 , 중앙으로부터 좌우로 절점선에 가까울수록 파고가 작아 진다 . ^{이러한 벌집구조 파봉형상은 앞서 제시한} CCTV ^영상

자료 및 개념도에서 언급된 벌집구조 형상의 파랑 형태와 일치한다 . 벌집구조 형상의 파봉선과 더불어 뚜렷하게 재현 되는 해안으로부터 심해방향으로 발달되는 절점선을 따라 이 안류 흐름이 발달하고 있음을 평균흐름 벡터분포로부터 확 인할 수 있다 . 이는 파고가 상대적으로 작은 절점선으로 질 량수송이 집중되며 발생하는 현상으로 판단할 수 있다 . 이 흐름의 강도는 입사파의 파고가 클수록 강하게 해안에서부

Fig. 14 Rip current due to honeycomb pattern incident wave ( θ = 7

, a = 0.2 m)

Fig. 15 Rip current due to honeycomb pattern incident wave ( θ = 7

, a = 0.4 m)

Fig. 16 Rip current due to honeycomb pattern incident wave ( θ = 15

, a = 0.2 m)

Fig. 17 Rip current due to honeycomb pattern incident wave ( θ = 15

, a = 0.4 m)

터 심해방향으로 흐름이 발달하고 있다 . 이는 파고가 클수록 파랑의 질량수송이 커지며 동시에 절점선으로 집중되는 질 량수송의 크기가 커져 발생하는 현상으로 판단된다 . 본 수치 모의는 벌집구조 입사파랑으로 인하여 발생하는 이안류 현 상을 충분히 잘 재현하고 있다고 판단된다 .

Fig. 18 ^{은 수중 천퇴위를 일방향 규칙파가 통과하며 굴절}

에 따른 변형에 의하여 파향이 서로 약간 엇갈리며 입사하 므로 발생되는 이안류를 수치실험하기 위해 설정한 계산영 역 및 수심 분포를 보여준다 . 앞의 수치실험과 마찬가지로 ,

수심 분포의 스케일은 실제 해운대 주변 해역의 지형과 유 사하도록 구성하였다 . 그림에 나타낸 것처럼 수중천퇴의 중

심은 x 방향으로 500 m, m, y 방향으로 500 m 에 위치하고 있

으며 바닥면의 반경은 250 m 이다 . 바닥으로부터 천퇴의 높

이 (Hs) 는 7.5 m 와 10 m 이며 , 입사파의 진폭은 0.4 m, 주기

10 초로 두 가지 경우 모두 동일하며 , 360 초 동안 조파하여

수치실험을 수행하였다 . 수치모의를 위한 계산격자의 크기는

dx=dy=2 m 로 구성하였으며 , dt =0.05 계산간격은 초로 설정하 였다 .

Fig. 19 와 Fig. 20 은 수중 천퇴를 통과하는 파랑의 굴절

에 따른 이안류 발생을 확인하기 위하여 수행한 수치실험 결과로 자유수면 변위와 시간 평균된 흐름유속에 대한 벡터 분포를 도시한 것이다 . 수치모의 결과에서 알 수 있듯 일방 향 규칙파가 수중 천퇴를 통과하면서 굴절되고 , 에너지 집중 에 따른 초점이 생기며 , 동시에 회절되는 현상을 잘 재현하 고 있다 . 특히 , 굴절에 의하여 파향이 다른 파랑들이 중첩되 므로 해안에 도달하는 파랑의 파봉선이 벌집구조 형상을 띄 는 것를 확인할 수 있다 . 앞서 제시된 수치실험의 결과와 마찬가지로 이 파봉선의 벌집구조에서 길쭉한 육각형들 사 이의 파고가 영인 절점선이 해안으로부터 심해방향으로 발 달되고 , ^{이 절점선 위치에서 이안류 흐름이 발달하고 있음을}

평균흐름 벡터분포로부터 확인할 수 있다 . 본 수치모의에서 도 해안에 도달하는 벌집구조 입사 파랑으로 인하여 발생하 는 이안류 현상을 충분히 잘 재현하고 있다고 판단된다 . 제 시한 두 종류의 수치실험은 Fig. 12 에서 보여지는 해운대 앞바다의 수중 산맥과 천퇴 ( 암초 ) 로부터 발생될 수 있다고 판단되는 파랑변형에 대한 이상적인 조건으로부터 벌집구조 파봉선 현상에 기인한 이안류 발생을 확인하였다 . 그러나 실 제 해운대 해안 전체에 대한 수치모의를 통해 검증될 필요 가 있으며 이러한 해운대 이안류의 검증연구는 향후연구로 남겨 두기로 한다 .

Fig. 18 Computational domain and bathymetry for the submerged shoal case

Fig. 19 Rip current due to honeycomb-patterned wave crests caused by a submerged shoal incident wave (Hs=7.5 m, a=4.0 m)

Fig. 20 Rip current due to honeycomb-patterned wave crests caused by a submerged shoal incident wave (Hs=10.0 m, a=4.0 m)

5. 결론 및 토의

2011 년 6 월부터 9 월까지 해운대에서 부이로부터 관측된 파

랑자료의 웨이브렛 스펙트럼 분석과 CCTV 영상자료를 분석

을 통하여 이안류가 발생할 때 파향이 약간 다른 규칙파에 가까운 장파성분의 너울성 파랑이 서로 중첩되어 입사되고 있는 것을 관찰할 수 있었다 . 여기서 너울성 파랑이란 조석 이나 해일과 같은 장파가 아니라 평상 입사파에 비해 상대

적으로 장주기를 갖는 파랑을 의미한다 . 그리고 Boussinesq

파랑모형을 이용한 수치실험을 통하여 , 다음의 두 가지를 확 인할 수 있었다 . 첫째 , 위와 같은 너울성 규칙파가 파향이 서로 다르게 입사되는 경우에 벌집구조 형상의 파봉선과 파 고가 영인 절점선이 해안에서 심해방향으로 발달함과 이 절 점선을 따라 이안류가 발생함을 확인하였다 . 둘째 , 이러한 파 봉선의 벌집구조 현상은 수중 천퇴를 통과하며 굴절 변형되 어 중첩되는 규칙파들에 의해서도 나타나며 , 이러한 벌집구 조 파봉선 현상의 절점선을 따라 역시 이안류가 잘 발달함 을 확인하였다 . 따라서 이미 알려진 이안류 발생 메커니즘가 운데 하나인 벌집구조의 절점선 영역을 통한 이안류의 발생 이 해운대 이안류의 주요한 발생 메커니즘임을 추론할 수 있었다 . 지형적 이안류 수로와 관계없이 파랑에너지가 매우 낮은 벌집구조의 절점선 영역이 일종의 이안류 수로 역할을 함을 알 수 있었다 . 그러나 향후에 해운대 전체 해역에 대 한 수치모의를 통한 구체적인 검증 연구가 필요하다 .

해운대에서 발생하는 이안류는 두 종류의 이안류 발생 메 커니즘이 있는 것으로 추정된다 . 첫째는 본 연구에서 주장하 고 있는 벌집구조 파봉선을 갖는 입사파에 의해 발생하는 이안류이다 . 이러한 이안류가 주기성을 갖는 절점선 위치에 서 일정기간동안 지속적으로 발생한다면 , 지형 변동을 초래 하여 반복 오목해안을 만들어주게 될 것이다 . 두 번째는 이 렇게 형성된 각각의 오목해안에 의해 파가 굴절되고 쇄파되 어 오목해안 중앙부를 향하여 연안류가 발달하고 이로부터 이안류가 발생한다고 알려진 통상적 이안류 메커니즘이다 .

이 두 가지 이안류 발생 메커니즘은 동일한 해안에서 발생 할 수 있지만 , ^{시기적으로 서로 다르며} , ^{반복 오목해안의 돌}

출부를 만드는 이안류와 반대로 오목해안 중앙에서 발생하 는 이안류는 그 시발점의 위치가 서로 정반대가 된다 . 이러 한 지형변동을 포함한 이안류의 발생 메커니즘은 아직 다른 참고문헌에서도 추정에 그치고 있으며 완전히 증명되고 있 지는 못하다 . 그러나 매우 타당성이 높다고 판단되며 향후 검증을 위한 연구가 필요하다고 판단된다 .

감사의 글

본 연구는 국토해양부 시험연구비 ( 일반 2000-2033-307-

210-13) 지원에 의해 수행되었습니다 .

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( 접수일 : 2012.5.4/ 심사일 : 2012.5.16/ 심사완료일 : 2012.5.24.)