J. Ocean Eng. Technol. Search

CLOSE


J. Ocean Eng. Technol. > Volume 30(4); 2016 > Article
해빈류 벡터 장미도를 통한 해운대 해수욕장의 이안류 민감도 분석

Abstract

Rip current forecasts, based on intensity, are marked in four levels—notice, watch, warning, and danger. However, numerical results are represented by current vectors, whose magnitudes are then converted into predictive levels. In the present study, the rose diagram is adapted as a determinative forecasting index and examined for the case of an ideal rip channel consisting of surface, bottom, and averaged currents. Further, it is employed in the sensitivity analysis of wave-induced currents generated by wave conditions at the Haeundae Beach. The simulation of surface onshore and bottom undertow currents is accomplished by including a mass flux term in the wave-averaged continuity equation.

1. 서 론

이안류란 주로 얕은 수심의 언덕이나 이안류 수로 등에 의해 연안을 따라 존재하는 파의 쇄파현상에 따른 잉여응력(Radiation stress) 차이로 인해 발생한다(Bowen and Inman, 1969). 최근 몇 년 사이 여름이면 다양한 매체에서 이안류란 용어를 자주 접할 수 있다. 특히 부산에 위치한 해운대 해수욕장은 2007년 이후 이안류에 의하여 2007년 120명, 2008년 150명, 2009년에는 150명, 2010년에는 100여명이 외해로 휩쓸린 상태에서 구조되었다(Hong, 2009). 이에 많은 사람들이 이 현상에 대해 관심을 가지게 되었다.
국내외 여러 연구진에서는 이안류를 예측하기 위한 다양한 방법의 수치모의를 진행하고 있다(Choi et al., 2011; Fang et al., 2011; Lee and Lee, 2011; Choi, 2015). 또한, 국외 여러 해수욕장에서 이안류 예보시스템을 수립하여 해수욕객들에게 알려 안전에 유의하고 있다(Lushine, 1991; Lascody, 1998; Engle et al, 2002). 그러나 최근까지 이안류에 대한 수치모의와 외해 파랑정보를 이용하는 지수 연구가 구분되어 각각 진행되고 있다.
현재 우리나라 기상청에서는 해운대 해수욕장을 포함한 4개의 해수욕장에 이안류 예측 자동화 시스템을 수립하였으며, 이를 통해 하계기간 이안류 예보를 진행 중에 있다(Lee et al., 2014). 이안류 예보는 CWW3(Coastal wavewatch III)의 데이터를 통해 72시간 수치모의가 진행되며 예보 가이던스를 통해 안전, 경계, 주의, 위험 등 4단계의 등급과, 해빈류 벡터도가 함께 자동으로 산출되게 된다(Eom et al., 2014). 그러나 수치 모의 결과는 벡터로 제시되기 때문에 4단계로의 판단이 어렵다. 따라서 본 연구에서는 벡터 장미도를 분석하여 4단계 분류를 시도하기 위한 민감도 분석을 실시하였다.
본 연구에서는 해빈류 벡터를 장미도로 도시하는 과정을 제시하며 이안류 수로에서 표층, 저층, 수심 평균 해빈류의 장미도 중 이안류 예보에 좀 더 효율적인 성분으로 판단되는 저층 흐름을 채택하였다.

2. 해빈류 예측 모형

해빈류 예측모형은 잉여응력을 포함한 해수순환모형을 사용하며 잉여응력의 계산을 위하여 파랑모형과 결합하여 사용하였다. 적용한 파랑 모형으로는 선형파 쌍곡선형 완경사방정식을 ADI(Alternating direction implicit) 기법으로 수치해석하는 수치모형인 WADEM(Wave deformation model)모형을 사용하였다. 또한 해수순환모형으로는 파랑에 의한 잉여응력을 포함한 수심 적분된 천수 방정식을 ADI 기법으로 수치해석하는 수치모형인 DICEM(Depth integrated currents & elevation model) 모형을 사용하였다. 수치모의에 사용한 DICEM은 수치계산이 빠르고 경계처리가 용이한 장점이 있으며, 수평대류항과 확산항은 각각 Eulerian-Lagrange 방법과 음해법의 유한차분으로 수치계산을 하여 결과가 정확하고 안정적인 장점을 가지고 있다(Lee and Lee, 2001).

2.1 파랑 변형 수치모형의 개요

파랑 변형 모형에서 구현하는 파랑 변형 현상으로는 천수 현상, 굴절 현상, 회절 현상, 반사 현상, 쇄파 현상 등이 있다. 비선형을 제외한 대부분의 파랑 변형 현상은 완경사 방정식을 이용한 모델로 재현 가능하다. 쇄파 모형은 Miche(1944)의 쇄파 방법을 적용하였다. 따라서 지배방정식으로는 에너지 방정식 식 (1)이 사용되었으며 구조면의 경계 처리의 효율성을 높이기 위하여 식 (2)와 같은 해수면에서 정의된 운동 방정식이 사용되었다.
HOGHC7_2016_v30n4_320_e901.jpg
HOGHC7_2016_v30n4_320_e902.jpg
여기서 S는 복소수 수면 변위, U 는 수심적분된 파 입자 유속 벡터, C는 파속, Cg는 군속도, σ는 각주파수, K는 파수이다.

2.2 해수순환 수치모형의 개요

해수 순환 모형에서는 해빈류를 예측하기 위하여 잉여응력을 포함하고 있다. 이 잉여응력은 파랑 평균 과정에서 생산된 응력으로 해빈류를 발생시키는 응력으로 작용한다. 잉여응력을 고려하여 파고의 차이 및 감쇄 현상에 따른 해빈류의 발생을 모의하기 위해 지배방정식으로는 운동량 방정식이 포함되어 있는 천수방정식을 사용하였다. 따라서 연속 방정식은 다음과 같이 천수 방정식과 동일한 형태를 갖는다(식 (3)).
HOGHC7_2016_v30n4_320_e903.jpg
여기서, η는 평균 수위 상승이며, QxQy는 파랑 전파에 의한 물질이송(Mass flux) 성분을 제외하고 수심 적분된 유량, MxMy는 파랑 전파에 의하여 육지로 유입되는 Lagrange mass flux의 xy성분이다. 물질이송 M은 파랑 전파 방향의 에너지 성분을 파속으로 나눈 값으로 정의되는 파랑 전파에 의한 물질 흐름 성분으로 쇄파대에서는 주로 이 흐름에 의해 해향저류(Undertow)가 발생된다. 운동량 방정식의 유속성분을 흐름성분과 파운동 성분으로 분리하고 수심 적분한 후 파주기에 대하여 평균하면 다음과 같이 표현할 수 있다(식 (4)-(5)).
HOGHC7_2016_v30n4_320_e904.jpg
HOGHC7_2016_v30n4_320_e905.jpg
여기서 Sxx, SyySxy는 잉여응력으로 파고와 파향의 함수로서 파랑의 영향으로 발생하는 해빈류와 평균 수위 상승을 산정하기 위하여 해수 순환 모형에 적용된다. τBx, τBy는 저면 전단 응력으로 저면 마찰에 의하여 발생하며, 그리고 Dx, Dy는 확산 계수다.
비점성 유체 수면에서의 비선형 중력파는 파랑의 전파와 함께 물질이송 벡터 M이 발생하며 이는 다음과 같이 정의 할 수 있다(식(6)-(7)).
HOGHC7_2016_v30n4_320_e906.jpg
HOGHC7_2016_v30n4_320_e907.jpg
여기서 F는 파랑 Energy flux, E는 파랑 에너지, Cg는 군속도, 그리고 C는 파속이다.
최종적으로 계산되는 QxQy는 잉여응력은 물론 물질이송의 영향으로 얻어지는 유량 성분으로서 평균 수심으로 나누면 쇄파대에서 해향저류 성분으로 간주되는 저층 유속이 된다. 반면에 물질이송을 제외하고 얻은 QxQy는 쇄파대에서의 수직순환을 재현하지 못하는 수심 적분 해빈류의 유량이 된다. 이와 유사한 결과로 Longuet-Higgins(1974)는 해빈 단면에서 Cross-shore 흐름이 막혀 있는 경우 해안과 평행하게 입사하는 파랑 전파로 발생된 물질이송이 회향하여 다음 식과 같은 파랑 및 수심 평균 흐름 성분인 해향저류 또는 Return flow가 발생하는 것을 아래와 같이 규명한 바 있다(식 (8)).
HOGHC7_2016_v30n4_320_e908.jpg
여기서 u는 유속, h는 수심이다.
본 모형에서는 해저면의 흐름이 이안류의 경향을 보다 잘 보여준다고 판단하여 물질이송의 x, y방향 성분인 Mx, My를 포함하는 연속방정식을 적용하였다. Fig. 1Okayasu et al.(1986)의 쇄파대 내에서 해빈 단면 유속 패턴을 보여주는 것으로 표층 물질이송으로 인하여 해향저류가 발생하는 것을 보여주고 있다.
Fig. 1

Undertow generation for surface mass flux (Okayasu et al., 1986)

HOGHC7_2016_v30n4_320_f001.jpg

3. 해빈류 장미도

본 절에서는 표층유속에 비해 저층유속이 이안류의 경향을 보다 잘 나타내는 것을 확인했다. 경향 비교를 위해 Fig. 2에 도시된 바와 같이 중심부에 수로를 둔 수심을 제작하여 이안류의 생성을 유도하였다. 각 격자의 간격은 Δx = Δy = 5m의 등격 자망으로 가로 400m, 세로 200m의 격자를 구축하였다.
Fig. 2

Depth contour with rip channel

HOGHC7_2016_v30n4_320_f002.jpg
층별 유속을 확인하기 위한 수치모의에 사용할 입력 파랑 조건은 파고 1m, 주기 9s, 그리고 파향은 ±30°와 0°를 사용하였다. Fig. 3은 입사 파향에 따른 해빈류의 유속과 유향을 도시한 벡터다. 자홍색은 저층, 파란색은 평균수심, 그리고 초록색은 표층 유속을 의미한다. 이안류 수로를 제외하고 등수심선이 직선적인 해안에서는 경사입사파가 유입되는 경우 연안 방향 운동량(Momentum)이 지배적으로 발생하여 이안류 발생이 억제된다. 따라서 경사입사파의 경우는 직선적인 해안에서 연안 방향으로의 운동량의 이송이 우월하게 발생되는 조건에 해당되기 때문에 이안류가 발생하지 않는 것으로 판단된다.
Fig. 3

Current vectors for each depth layers (Wave hight : 1 m, Wave perod : 9 s) (a) Wave direction : −30°, (b) Wave direction : 0°, (c) Wave direction : +30°

HOGHC7_2016_v30n4_320_f003.jpg
앞서 수행한 수치모의 결과를 이용하여 해빈류 장미도를 도시하였다. 장미도는 파향을 총 16개로 구분하였으며, 색에 따라 방향에 따른 유속을 구분하였다. 유속이 0.4m/s 이하의 경우 파란색, 0.7m/s 이하의 경우 초록색, 1.0m/s 이하의 경우 노란색, 그리고 1.0m/s 이상의 경우 붉은 색으로 도시하였다. 해변과 나란히 입사한 경우 가장 이안류가 잘 발생했으며, 수로 중심부의 흐름 분포는 표층에 비해 저층에서 이안류 성분이 확연하게 들어나는 것을 확인할 수 있다. 반면에 주파향으로부터 30°를 각각 변화를 준 파랑은 지형이 좌우 대칭이므로 흐름 또한 좌우대칭임을 확인 할 수 있다. 30°의 각도를 가지고 입사하는 흐름은 중심부의 표층에서는 연안류의 성분이 강하게 발달해 있으나 수심이 깊어질수록 이안류의 성분이 생기는 것을 확인할 수 있다(Table 1).
Table 1

Current Roses at Surface, Mean Depth, and Bottom

HOGHC7_2016_v30n4_320_t001.jpg

4. 해운대 해수욕장

본 연구의 대상지역인 해운대 해수욕장은 한반도의 동남쪽에 위치한 길이 1km, 폭 100m인 해수욕장이다. 해운대 해수욕장은 하계 최대 100만명의 해수욕객이 방문한다. 조차는 약 1m이며, 유의파고는 0.15-2.39m, 그리고 유의주기는 2.66-16.40s 이다. 현재 2012년 해운대 해수욕장 연안정비사업의 일환으로 2014년 약 15톤의 대규모 양빈사업이 시행되고 미포항 쪽에 돌제 설치가 수행되어 해빈이 많이 확장되어 50년 전의 백사장으로 복원되었다.

4.1 모의조건

본 연구에서 사용된 기본 수심 격자는 해운대 해수욕장 전면 해역을 라이다를 통해 측량한 2015년 데이터를 기반으로 2,535m×1,460m의 영역을 추출하여 사용하였다. 각 격자의 간격은 Δx = Δy = 5m의 등격자망으로 구축하였다(Fig. 4).
Fig. 4

Depth contour in Haeundeae Beach

HOGHC7_2016_v30n4_320_f004.jpg

4.2 수치모의 결과

4.1절의 입력조건을 통해 해운대 해수욕장의 표층, 평균수면, 그리고 저층의 흐름을 도시하였다. 표층흐름은 해변을 향한 흐름의 성분이 강하게 표시되는 것을 확인할 수 있으며, 저층 유속은 이안류의 유속이 다른 층과 비교하여 우월하게 표시되는 것을 확인할 수 있다(Fig. 5).
Fig. 5

Current vectors for each depth layers (Wave hight : 1.5 m, Wave period : 9 s, Wave direction : 180°) (a) Surface currents, (b) Mean depth currents, (c) Bottom currents

HOGHC7_2016_v30n4_320_f005.jpg

4.3 해빈류 장미도 민감도 분석

이안류는 파고가 높고 주기가 길며 사질해안을 구성하는 주파향각과 나란하게 파가 입사할 때 가장 빈번하게 발생한다(Lee et al., 2013). 이에 수치모의에 사용할 입력 파랑 조건은 0.5m, 0.75m, 1m, 1.25m 그리고 1.5m 파고를 적용하였다. 주기의 경우 4s, 6s, 8s, 10s 그리고 12s로 단파와 장파를 모두 포함하도록 각각 적용하였다. 마지막으로 입사 파향의 경우 해운대 해수욕장의 사질해안을 구성하는 주파향각을 기준으로 하여 ±15°, ±30°를 입사 파향으로 설정 하였다(Table 2).
Table 2

Input Wave Data

HOGHC7_2016_v30n4_320_t002.jpg
본 절에서는 해운대 해수욕장의 보다 구체적인 분석을 위하여 Fig. 6에 도시된 바와 같이 동백섬부터 글로리콘도(Zone 1), 글로리콘도부터 만남의 광장(Zone 2), 만남의 광장부터 팔레드시즈(Zone 3), 그리고 팔레드시즈부터 미포항(Zone 4) 4개의 영역으로 구분하여 해빈류 장미도를 작성하였고 이를 통해 입사파랑에 따른 민감도를 분석하였다(Fig. 6).
Fig. 6

Division in Haeundeae Beach

HOGHC7_2016_v30n4_320_f006.jpg
민감도 분석은 작성한 장미도를 기반으로 실시하였다. 수치모의를 통해 얻은 격자별 해빈류의 유속 중 수심이 4m 보다 얕은 해역에서의 흐름을 추출하여 작성하였다. 또한 각 방향 성분의 제곱 평균 제곱근(root mean square) 값을 취하여 각 방향의 크기를 추출하였다. 장미도의 데이터를 기반으로하여 전방향 유속의 상위 33%의 평균을 추출하여 아래 그림과 같이 민감도 분석을 실시하였다(Fig. 7).
Fig. 7

Flowchart for sensitive analysis

HOGHC7_2016_v30n4_320_f007.jpg
Figs. 8-11의 경우 파향에 따른 파고별 장미도 반경 변화를 도시하였다. 그래프를 통해 알 수 있듯 대부분의 경우에 대해 파고와 주기가 클수록 해빈류의 형상이 강화되는 것을 확인 할 수 있다.
Fig. 8

Result of sensitive Analysis for each zones (Zone 1)

HOGHC7_2016_v30n4_320_f008.jpg
Fig. 9

Result of Sensitive Analysis for Each Zones (Zone 2)

HOGHC7_2016_v30n4_320_f009.jpg
Fig. 10

Result of sensitive analysis for each zones (Zone 3)

HOGHC7_2016_v30n4_320_f010.jpg
Fig. 11

Result of sensitive analysis for each zones (Zone 4)

HOGHC7_2016_v30n4_320_f011.jpg
Zone 1의 경우 단파에서는 파향에 의한 해빈류 유속의 변화가 없으나 장파의 경우 단파에 비해 파향에 의한 영향이 있음을 확인할 수 있다. 반면에 주파향을 제외한 입사 파향에 대한 해빈류 변화는 파고가 증가함에 따라 수렴하는 경향을 보이고 있다(Fig. 8). Zone 2의 경우 8s에서 파향에 의한 유속변화가 가장 확연하게 나타난다. 반면에 장파의 경우 ±30°의 입사 파향을 가지는 경우에 대하여 유속이 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있다(Fig. 9). Zone 3의 경우 Zone 1과 유사하게 주기가 증가함에 따라 파향의 영향을 많이 받는 것을 확인할 수 있다. 이는 Zone 3이 Zone 1과 유사한 지형조건을 가지고 있기 때문이라 판단된다(Fig. 10). 마지막 영역인 Zone 4의 경우 주기뿐 아니라 입사 파향 또한 해빈류의 발달에 큰 영향을 주고 있음을 확인할 수 있다. 또한 –30°로 입사한 파랑에 대해 흐름의 발달이 매우 미비한 것을 확인 할 수 있으며 이를 제외한 나머지 파향에 대해 다른 지역에 비해 유속이 비교적 큰 것을 확인할 수 있다. 이는 해운대 해수욕장 연안정비사업으로 인해 건설된 돌제의 영향으로 흐름이 차단되어 해빈류가 발달하지 못한 것으로 판단된다(Fig. 11).

5. 결 론

본 연구에서는 이안류 예보 수단으로 이용되는 수치모형의 해빈류 벡터의 성격을 분석하기 위하여 채택된 방법인 장미도를 이용하는 방법에 대하여 소개하였다. 수치모형 결과로부터 수치모형에서 제시하는 해빈류 벡터를 장미도로 도시하는 과정이 제시되었으며 이안류 수로에서 표층, 저층, 수심 평균 해빈류의 장미도 분석을 통하여 이안류 예보에 좀 더 효율적인 저층 성분의 장미도를 이안류 예보에 활용하였다.
Zone 1의 경우 주파향부터 –15°의 구간에서 취약성이 큰 것으로 나타났으며, Zone 2의 경우 –30°에서의 취약성이 가장 크게 나타났다. Zone 3의 경우 –15°부터 –30°까지의 구간에서 취약성이 크게 나타나 있으며, Zone 4의 경우 주파향보다 큰 경우 취약성이 크게 나타났으며 15°에서 가장 큰 취약성을 보였다.
또한 장미도를 이용하여 해운대 해수욕장에서 파랑 조건에 따라 해빈류가 어떤 변화를 갖는 지에 대한 민감도 분석을 수행하였다. 추후 해빈류의 방향성에 대한 함수 분포를 분석하여 이안류 성분을 좀 더 효율적으로 산출하는 지표 산출 방법이 시도될 예정이다.

감사의 글

본 연구는 기상청 기상See-At기술개발사업(KMIPA 2015-1072)의 지원으로 수행되었습니다.

References

Bowen, A.J., Inman, D.L.. (Rip Currents: 2. Laboratoryand Field Observations, Journal of Geophysic, 1969). 74(23):5479-5490 10.1029/JC074i023p05479.
crossref pdf
Choi, J., Park, W.K., Yoon, S.B.. (Boussinesq Modeling of a Rip Current at Haeundae Beach, Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, 2011). 23(4):276-284 10.9765/KSCOE.2011.23.4.276.
crossref pdf
Choi, J.. (Numerical Simulations of Rip Currents Under Phase-Resolved Directional Random Wave Conditions, Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, 2015). 27(4):238-245 10.9765/KSCOE.2015.27.4.238.
crossref pdf
Engle, J., MacMahan, J., Thieke, R.J., Hanew, D.M., Dean, R.G.. (Formulation of a Rip Current Predictive Index Using Rescue Data Proceedings of National Conference on Beach Preservation Technology FSBPA, Biloxi, MS.: 2002.

Eom, H., Yun, J.H., Jeong, C.K., Seo, J.W., You, S.H.. (Introduction to KMA Operational Forecasting System for Rip Current, Journal of Coastal Research, 2014). 72(sp1):63-68 10.2112/SI72-012.1.
crossref
Fang, K., Yin, J., Zou, Z., Liu, Z.. (Boussinesq Modelling of Rip Currents on Barred Beach, Procedia Engineering, 2011). 24, 573-578 10.1016/j.proeng.2011.11.2698.
crossref
Hong, S.J.. (National Institute for Disaster Prevention Newsletter 26th Edition 2009.

Lascody, R.L.. (East central Florida Rip Current Program, National Weather Digest, 1998). 22(2):25-30.

Lee, J.L., Lee, D.Y.. (An Operational Prediction System for Cohesive Sediment Transport in the West and South Coast of Korea, Journal of Coastal Research, 2001). 326-333.

Lee, J.Y., Lee, J.L.. (Verification of the Rip Currents Predictive Model using the Tube Image Detecting Techniques, Journal of Coastal Research, 2011). 64, 917-921.

Lee, J.Y., Jun, K.C., Lee, S.C., Lee, J.L.. (A Study on a Predictive Index for Dangerous Rip Current Generation at Haeundae Beach, Journal of Coastal Research, 2013). 1(65):754.
crossref
Lee, J., Yoo, C., Lee, J.L.. (Introduction to Automated System in HAECUM (HAEundae Current Model), Journal of Coastal Research, 2014). 72(sp1):81-84 10.2112/SI72-015.1.
crossref
Longuet-Higgins, M.S.. (On the Mass, Momentum, Energy and Circulation of a Solitary Wave Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 1974). 337: 1-13 10.1098/rspa.1974.0035.

Lushine, J.B.. (A Study of Rip Current Drownings and Related Weather Factors National Weather Service Forecast Office, National Weather Digest, 1991). p 13-19.

Miche, A.. (Mouvement Ondulatoires de la mer en Profondeur Constante Oudecroissante, Annales des Ponts et Chaussees, 1944). 114, 42-78.

Okayasu, A., Shibayama, T., Mimura, N.. (Velocity Field under Plunging Waves Proceedings of 20th ICCE 1986). 660-674.

TOOLS
Share :
Facebook Twitter Linked In Google+ Line it
METRICS Graph View
  • 0 Crossref
  •   Scopus
  • 3,815 View
  • 122 Download


ABOUT
BROWSE ARTICLES
ARTICLE CATEGORY

Browse all articles >

PUBLICATION ETHICS
FOR CONTRIBUTORS
Editorial Office
President Office BD Rm. 1302, 13 Jungang-daero 180beon-gil, Dong-gu, Busan 48821, Republic of Korea
Tel: +82-51-759-0656    Fax: +82-51-759-0656    E-mail: ksoehj@ksoe.or.kr                

Copyright © 2024 by The Korean Society of Ocean Engineers.

Developed in M2PI

Close layer
prev next