In this study, to predict the effect of beach nourishment at Haeundae Beach, the waves and wave-induced currents were compared before and after beach nourishment using the XBEACH model. Representative wave conditions were determined for the data observed during 2014 (KHOA). Then, the Hs,max and Hs,1/10 values, and their prevalent directions, were used in the numerical modeling input data. A variable grid system was used for the 5 km × 2.5 km model areas, and irregular waves based on the JONSWAP spectrum were given as incident wave conditions. In the summer season, eastward wave-induced currents were developed along the beach by the incident wave direction. Before the beach nourishment, the maximum speed around the surf zone was 1.2–1.5 m/s in the central zone of the beach, whereas the maximum speed increased to 1.4–1.6 m/s at the same areas when the currents toward Mipo Harbor were blocked as an effect of the groins after the beach nourishment. In the winter season, westward wave-induced currents were developed along the beach by the incident wave direction. After the beach nourishment, the maximum current speed increased slightly around the surf zone in the central area of the beach, and the littoral current speed decreased at the submerged breakwaters located at Dongbaek Island. As a result, after the beach nourishment, the maximum wave-induced currents increased about 10% in the surf zone of the central area of the beach.
본 연구의 대상지역인 해운대 해수욕장은 국내 최대의 해수욕장으로서 도심 속에 위치하여 해운대 관광특구의 중추적인 역할을 담당하고 있다. 그러나 최근 호안도로의 건설, 춘천의 복개 등 주변지역의 도시화로 인해 모래공급원이 감소되었고 백사장 모래 유실로 인해 해빈의 폭 및 길이가 점차적으로 감소되어 사회적 문제로 대두되고 있다(Tac, 2008). 이러한 표사이동 및 해빈변형에 영향을 주는 성분은 파랑과 파랑에 의해 발생하는 흐름 등 여러 가지 성분들이 있다. 이에 대한 연구사례를 살펴보면, Kim(1988)은 해빈류의 유황과 지형변동의 경험적 고유함수법을 사용하여 해운대 해수욕장의 해빈변형을 연구하였고 Tac(2008)은 해운대 해수욕장의 계절별 표사수지를 파랑, 해빈류 및 조석류를 고려하여 분석하였다. Yoon(2009)은 낙동강 하구역에서 파랑, 조석, 하천류 등 다양한 외력요소를 고려하여 표사이동을 연구하였으며 Kim et al.(2013)은 계절별 대표파랑과 이상파에 대한 해빈류 및 표사이동에 관해 연구한 바 있다.
최근 해운대 해수욕장 해빈 침식문제에 대한 대책으로 2012년부터 2017년까지 5년에 걸친 해운대 연안정비사업이 진행 중에 있다. 이에 따른 해운대 해수욕장의 양빈 후 지형변화를 파악하기 위해서는 양빈 전·후의 계절적인 파랑 및 해빈류 특성 변화를 파악할 필요가 있다. 본 연구의 목적은 흐름, 지형변화 등 연안의 과정들을 수치모의 할 수 있는 XBEACH 모델(Extreme beach behaviour model)을 이용하여 양빈 전·후의 계절적인 파랑 및 해빈류 특성 변화를 예측하고 해운대 해수욕장의 양빈후의 지형변화에 대한 개략적 고찰을 수행하고자 한다.
본 연구의 대상지역인 해운대 해수욕장은 해빈 길이 1.5km, 폭 30~50m에 이르는 우리나라 최대의 해수욕장이다. 하지만 최근 침식문제로 인하여 매년 해빈의 면적 및 폭이 감소하고 있다. 이에 해빈 침식문제에 대한 대책으로 해운대 연안정비사업이 진행 중에 있다. 해운대 연안정비사업의 일환으로 2회에 걸쳐 양빈사 581,185m3를 들여 해빈폭을 평균 약 100m까지 넓히고 모래 유실 및 해빈 침식을 방지하기 위하여 미포측 돌제 110m 및 잠제 180m, 동백섬측 잠제 150m 및 모래유실방지공 45m를 설치하는 공사가 시행되었다.
Fig. 1은 해운대 해수욕장의 양빈 전 2013년 10월과 양빈 후 2014년 10월의 수심 분포도를 나타내고, Fig. 2는 양빈 전·후의 수심변화량을 나타낸다. 양빈 전 해운대 해수욕장 연안의 해빈경사는 완만하였으나 양빈 후에는 육상 중심의 양빈 영향으로 해빈경사가 다소 가파르게 변하였으며, 상대적으로 깊은 수심지역은 큰 변화가 없는 것으로 파악되었다. 그리고 해운대 해수욕장 전면 해역은 대부분 암반지대가 분포하고 있으며 특히 미포항 전면 해역에서 원형천퇴 등의 암반층이 분포하여 수심이 복잡하게 나타난다. 이러한 해운대 해수욕장 전면의 해저천퇴에 따른 복잡한 수심의 영향으로 파랑의 굴절 및 회절이 발생하고, 파향이 서로 다른 파랑들이 해안에 전파 및 쇄파되어 해운대 해수욕장 연안에서 이안류가 자주 발생하고 있다. 양빈 후 해운대 해수욕장의 평균 해빈 폭은 크게 증가하여 전체적으로 해안선이 외해 쪽으로 전진하였다. 이에 따른 양빈 및 구조물에 의한 해수욕장 전면의 수심 및 지형변화로 인한 해빈류 특성변화가 예상된다.
해운대 해수욕장 수치모의의 초기조건 및 외력조건을 산정하기 위해 국립해양조사원의 해운대 해수욕장 해양관측부이 W1지점에서 실시간으로 관측하고 있는 파랑데이터 중 2013년 12월에서 2014년 11월까지 1년간의 데이터를 분석하여 대표파고 및 파향을 선정하였다. Fig. 3은 해운대 해수욕장 해양관측부이의 위치를 나타낸다.
계절별 대표파고는 관측된 유의파고
[Table 1.] Representative wave height in Haeundae, 2014
Representative wave height in Haeundae, 2014
XBEACH(Roelvink et al., 2009) 모델은 연안의 파의 전파, 흐름, 표사이동 및 지형변화에 대하여 변화하는 파랑과 흐름경계 조건을 고려하여 수치모의를 할 수 있는 2차원 모델이다(Delft University of Technology and Deltares, 2010). 낮은 주파수를 가지는 흐름의 경우 천수방정식을 이용하며, 파에 의한 질량플럭스와 연속적인 흐름을 고려하기 위하여 수심평균된 일반화된 라그랑지 평균(Generalized Lagrangian Mean, GLM) 공식(Andrews and McIntyre, 1978a; Andrews and McIntyre, 1978b; Walstra et al., 2000)을 사용한다. 이러한 구조에서 운동방정식과 연속방정식은 라그랑지 속도
라그랑지 평균 운동량 방정식과 연속방정식은 다음과 같다.
여기에서
여기에서
여기에서 파군의 변화하는 단파에너지와 방향은 파동의 작용 평형방정식(Wave action balance equation)으로부터 얻어진다. 또한, 흐름계산에 대한 경계조건들은 (
Fig. 5는 XBEACH 모델의 흐름도를 나타낸다.
수치모형의 계산영역은 해운대 해수욕장을 중심으로 동서방향 5.0km, 남북방향 2.5km로 설정하였다. 격자체계는 직교가변격자체로 구성하였으며 최대격자는 10m, 최소격자는 5m로 격자수는 700×350로 설정하였다(Fig. 6). 모델의 수치모의결과는 연안부근의 상세역 결과만을 나타내었다. 수치모형의 외력조건은 앞에서 선정한
[Table 2.] Initial conditions of numerical simulation
Initial conditions of numerical simulation
본 연구에 적용된 XBEACH 모형의 적용성을 파악하기 위하여 해운대 해수욕장이 양빈을 시작하는 2013년 11월 전에 파랑 및 해빈류 관측자료를 확보하여 검토하였다. Fig. 7는 해양수산부(BROOF, 2013)에서 관측한 자료와 2013년 10월 6일 대표파랑 조건인 파고 0.9m, 주기 6.7sec, ESE 파향 조건으로 수치모의한 해빈류 패턴을 나타낸다. 관측된 해빈류 평균유속은 9.0~13.0cm/s, 유향은 W(West) 계열이 우세하게 관측되었다. 수치계산된 해빈류 유속은 평균적으로 5.0~40.0cm/s를 나타냈으며 유향은 W 계열이 우세하게 나타났다. 해빈류 수치모의결과 유속 및 흐름패턴이 관측결과와 유사하게 나타났다.
한편, 해운대 해수욕장의 1차 양빈을 완료되고 난 후(2014년 2월말) 백사장의 양빈안정화 과정이 어느 정도 진행된 후에 대하여 양빈 전과 같이 파랑 및 해빈류 관측자료를 확보하여 검토하였다. Fig. 8은 해양수산부(BROOF, 2014)에서 관측한 자료와 2014년 7월 24일 대표파랑조건인 파고 0.7m, 주기 10.0sec, S파향 조건으로 수치모의한 해빈류 패턴을 나타낸다. 관측된 해빈류 평균유속은 10.0~24.0cm/s, 유향은 E(East)~NNE(North north east) 계열이 우세하게 관측되었다. 수치계산된 해빈류 유속은 평균적으로 5.0~25.0cm/s를 나타냈으며 유향은 E~ENE(East north east) 계열이 우세하게 나타났다. 해빈류 수치모의 결과 유속 및 흐름패턴이 관측결과와 유사하게 나타났다.
5. 이상파랑 시 불규칙파에 의한 해빈류 수치모의 결과
하계 S 계열의 이상파랑 입사 시, 양빈 및 돌제 건설 전에는 전반적으로 해수욕장 서쪽 동백섬에서 해안을 따라 해수욕장 동쪽 미포항을 향하는 해빈류가 강하게 나타났다. 해빈류 유속은 동백섬 부근에서 1.0~1.2m/s, 해수욕장 중앙에서 최대 1.2~1.5m/s로 가장 큰 해빈류가 나타났고 해수욕장 동쪽 부근에서도 0.4~0.75m/s의 해빈류가 나타났다. 양빈 및 돌제 건설 후의 해빈류 패턴은 양빈 전과 유사한 해수욕장 서쪽에서 동쪽을 향하는 흐름이 나타났다. 해빈류 유속은 동백섬 부근에서 1.05~1.25m/s, 해수욕장 중앙에서 최대 1.4~1.6m/s로 양빈 전과 비교하여 증가하였으며 돌제 건설의 영향으로 해수욕장에서 미포항으로 향하는 해빈류 흐름이 차단되어 나타났다(Fig. 9).
이러한 해빈류 계산결과로 인한 침·퇴적 경향은 양빈 전에는 해수욕장 서쪽 조선비치호텔 앞에서 많은 침식이 일어나 침식된 표사들이 해빈류를 타고 해수욕장 동쪽 끝부분이나 미포항으로 흘러 들어가 퇴적될 것으로 예상된다. 하지만 양빈 후에는 돌제의 영향으로 인해 표사가 미포항쪽으로 더 이상 이동하지 못하고 많은 양의 표사가 돌제 부근에서 퇴적될 것으로 예상된다.
동계 ESE 계열의 이상파랑 입사 시, 양빈 및 돌제건설 전에는 해수욕장 동쪽 미포항에서 해안을 따라 해수욕장 서쪽 동백섬을 향하는 해빈류가 강하게 나타났고 동백섬 부근에서는 외해 방향의 흐름이 나타났다. 해빈류 유속은 해수욕장 중앙 부분에서 최대 0.8~1.1m/s의 해빈류가 나타났고 해수욕장 서쪽 동백섬 부근에서 0.4~0.6m/s 크기의 외해방향의 흐름이 나타났다. 양빈 및 돌제 건설 후의 해빈류 패턴은 양빈 전과 유사하게 해수욕장 동쪽에서 서쪽을 향하는 해빈류가 나타났다. 해수욕장서쪽 동백섬 부근의 외해방향의 흐름은 0.2~0.4m/s 정도의 크기로 나타났고 양빈 전과 비교하여 그 크기는 감소하였는데 이는 모래유실방지공 건설의 영향인 것으로 판단된다. 전반적인 해수욕장 부근의 해빈류 유속은 최대 0.9~1.4m/s로 양빈 전과 비교하여 증가하였지만 돌제 배후 해안의 흐름은 양빈 전과 비교하여 감소하였다(Fig. 10).
이러한 해빈류 계산결과로 인한 침·퇴적 경향은 양빈 전에는 해수욕장 동쪽에서 많은 침식이 발생하고 침식된 표사들이 해빈류 흐름을 타고 흘러가 해수욕장 서쪽에서 퇴적되거나 외해방향의 흐름을 타고 외해방향으로 모래유실이 일어날 것으로 예상된다. 하지만 양빈 후에는 해수욕장 서쪽 모래유실방지공 건설로 인한 외해방향의 흐름 감소로 외해방향의 모래유실이 감소되고 침식된 표사가 모래유실방지공 주변에서 퇴적될 것으로 예상되며, 또한 해수욕장 동쪽 돌제 부근은 파의 회절의 영향으로 돌제 배후 해안에서 침식된 표사가 돌제 주변에서 퇴적될 것으로 예상된다.
5.3.1 하계 해빈류 변화량
Fig. 11은 하계 기간 동안의 양빈 전 해빈류 유속과 양빈 후 해빈류 유속의 변화량을 나타낸다. 해빈 부근에서 해빈류 유속은 양빈으로 인해 0.2~0.6m/s 정도 증가한 것으로 나타났다. 이는 양빈으로 인한 해안선의 전진으로 수심이 얕아지고 쇄파대폭이 좁아졌기 때문인 것으로 판단된다. 그리고 돌제의 영향으로 인해 양빈 후 돌제에서 미포항 사이의 흐름은 최대 0.4m/s 정도 작아진 것으로 나타났고 모래유실방지공 설치로 인해 해수욕장 서쪽 조선비치호텔 앞 부근의 양빈 후 해빈류 유속은 감소한 것으로 나타났다.
5.3.2 동계 해빈류 변화량
Fig. 12은 추계 기간 동안의 양빈 전 해빈류 유속과 양빈 후 해빈류 유속의 변화량을 나타낸다. 해수욕장 중앙과 서쪽해안의 해빈류 유속는 0.2~0.8m/s 정도 증가한 것으로 나타났다. 이것 또한 하계 때와 마찬가지로 양빈으로 인한 해안선 전진으로 수심이 얕아지고 쇄파대폭이 좁아졌기 때문인 것으로 판단된다. 그리고 돌제의 영향으로 돌제 배후 파라다이스호텔 앞 해안에서 해빈류 유속은 0.2~0.5m/s 정도 작아졌고 돌제 주변의 양빈후 유속은 0.2~0.6m/s 정도 더 증가한 것으로 나타났다. 이는 파의 회절의 영향인 것으로 판단된다. 해수욕장 서쪽 조선비치 호텔 앞쪽의 해빈류 유속은 최대 1.0m/s 정도 더 증가한 것으로 나타났으나 모래유실방지공 부근의 전반적인 외해방향의 흐름은 감소된 것으로 나타났다.
본 연구는 해운대 해수욕장 양빈 전·후의 해빈류 특성변화를 파악하기 위한 기초연구로서 XBEACH 모델을 이용하여 이상파랑 시에 대한 양빈 전·후의 해운대 해수욕장의 해빈류 특성을 수치모의하였다. 모델의 외력조건은 국립해양조사원에서 실시간으로 조사하고 있는 해운대 해수욕장 해양관측부이의 파랑자료를 사용하여 대표파랑을 산정하여 모델에 적용하였으며 JONSWAP 스펙트럼을 사용하여 불규칙파에 대한 수치모의를 수행하였다.
수치모의 결과 하계 S 계열의 이상파랑 입사 시 해수욕장 서쪽 동백섬에서 해안을 타고 해수욕장 동쪽 미포항으로 향하는 해빈류 흐름이 강하게 나타났다. 양빈 전의 해빈류 유속은 해수욕장 중앙에서 최대 1.2~1.5m/s 크기로 나타났다. 반면에 양빈 후의 해빈류 유속은 최대 1.4~1.6m/s로 양빈 전과 비교하여 증가하였고 돌제 건설의 영향으로 해수욕장에서 미포항으로 향하는 해빈류가 차단되어 나타났다. 이러한 해빈류 흐름으로 인해 양빈 전에는 해수욕장 서쪽에서 침식된 표사가 해수욕장 동쪽 부근과 미포항으로 흘러들어와 퇴적될 것으로 예상된다. 하지만 양빈 후에는 돌제 건설의 영향으로 미포항으로 향하는 해빈류 흐름이 감소되어 돌제부근에서 많은 퇴적이 발생할 것으로 예상되며, 이로 인해 미포항으로 흘러들어가는 표사가 감소하여 항내매몰을 다소 나마 방지할 수 있을 것으로 예상된다.
추계 ESE 계열의 이상파랑 입사 시에는 해수욕장 동쪽 미포항에서 해수욕장 서쪽 동백섬을 향하는 해빈류 흐름이 나타났고 동백섬부근에서 외해방향의 강한 흐름이 나타났다. 양빈 전의 해빈류 유속은 해수욕장 중앙에서 최대 0.8~1.1m/s 크기로 나타났다. 양빈 후의 해빈류 유속은 최대 0.9~1.4m/s로 양빈 전과 비교하여 증가하였고 동백섬부근의 외해방향의 강한 흐름은 모래유실방지공 건설로 인해 감소하였다. 이러한 해빈류 흐름으로 인해 양빈 전에는 해수욕장 동쪽에서 침식된 표사가 해수욕장 서쪽으로 흘러와 퇴적되거나 외해방향의 강한 흐름으로 모래유실이 발생될 것으로 예상된다. 양빈 후에는 해수욕장 서쪽 조선비치호텔 앞의 해빈류 유속 증가로 침식이 더 커질 것으로 예상되지만 외해방향의 흐름 감소와 잠제 건설의 영향으로 침식된 표사의 외해방향 모래유실은 감소되고 잠제 주변에서 퇴적될 것으로 판단된다.
마지막으로 XBEACH 모델은 2차원 모델이라는 단점이 있지만 연안의 파의 전파, 흐름, 표사이동 및 지형변화에 대하여 수치모의를 할 수 있으며 비정수압항의 사용으로 연안에서의 파의 비선형성, 파-흐름의 상호작용 및 쇄파를 보다 더 정확하게 계산할 수 있는 장점이 있다. 그리고 XBEACH 모델은 해빈류 수치 모의에만 국한되지 않고 표사이동 및 지형변화까지 광범위한 적용이 가능하기 때문에 그 활용성이 클 것으로 기대된다.
