2.1 관리해안선 구분 및 정의

본 연구에서는 선진국 관리해안선 사례 조사와 국내 연안에서의 주거, 해양공사 여건 등을 고려하여 목적별 관리해안선으로 연안해역행위제한선, 평형(평균)해안선, 연안침식관리해안선, 연안육역개발통제선과 같이 4가지 해안선을 두고 아래와 같이 정의한다.

연안해역행위제한선(Offshore action control line, OACL)은 연안에서 발생하는 준설공사 등과 같이 연안 표사계의 침식을 직접적으로 유발하는 공사 또는 행위를 제한하는 준설공사 등과 같이 연안 표사계의 침식을 직접적으로 유발하는 공사 또는 행위를 제한하는 해안선으로 해안선 설정은 장기간의 수심측량 자료로부터 수심의 변화가 거의 발생하지 않는 수심을 기초로 설정한다. 이를 설정하는데 깊게 관련된 수심으로는 이동한계수심(Closure depth)이 있다.

평형해안선(Equilibrium shore line, ESL)은 장기간 해안선 측량자료를 활용하여 해안선의 평균으로부터 추출하여 결정하므로 평균해안선으로서 일반적으로 우리가 지칭하는 해안선에 해당된다. 따라서 평형해안선은 단기적인 유입 파랑의 변화로 발생하는 해안선 변화는 무시되고 모래보전적인 차원의 장기적인 관점의 관리해안선을 의미한다.

연안침식관리선(ECL)은 해안침식의 단기적인 해안선 변화 개념으로 폭풍 및 태풍 내습시 해안 침식으로부터 주거시설, 호안도로, 식생공간 등을 보호하기위한 해안선으로 평형해안선으로부터 해안선 침식폭 만큼의 완충 여유폭을 설정하여 결정한다. 즉, 연안침식관리선은 평형해안선과 달리 재해적인 관점에서 고파랑이나 단기적 재해로 인해 발생하는 해안선 후퇴에 따른 해안도로 및 구조물을 보호하기 위해 설정한 관리해안선이다. 이 해안선은 장기간 관측자료로부터 빈도분석을 통해 결정된다. 본 연구에서는 30년 빈도 침식해안선을 연안침식관리선으로 설정하였다.

연안육역개발통제선은 해수면상승, 파의 처오름 등과 같이 파랑 또는 수위상승 등 재해로 인해 피해가 예상되는 경계선으로 대상지역에는 개발제한 또는 피해를 방지할 수 있는 시설을 설치하여야 한다. 즉, 물로 인한 침수 또는 영향으로 인한 피해가 예상되는 해안선으로 기존에 피해를 받은 해안선이거나 100년 빈도의 파랑 또는 해수면 상승 등을 적용한 수치실험 결과를 기초로 적용된다.

2.2 목표 및 평가 해안선의 구분

연안역의 환경보존 및 재해저감을 위하여 평형해안선과 침식한계선 등 4가지 관리해안선의 필요성을 언급하였다. 그러나 실질적인 관리를 위하여 관리의 목표가 되는 목표해안선의 설정이 필요하다. 즉, 평형해안선과 침식한계선과 같은 관리해안선은 사빈보전 목표와 침식 저지라는 목표를 이루기 위한 관리해안선으로 그 달성 여부를 평가하기 위해서는 보전하고자 하는 해안선의 연평균 값에 대한 목표로서의 ‘평균유지 목표해안선’과 침식을 저지시킬 한계선으로서의 ‘침식저지 목표해안선’이라는 목표해안선의 정의와 설정이 우선시 된다. 연평균적으로 보전하고자 하는 이른바 ‘평균유지 목표해안선‘을 설정하는 방법은 다음과 같이 세 가지 종류가 있을 수 있다. 첫째는 오래전 기후 변화나 연안개발이 이루어지기 전의 해안선을 항공사진 등의 방법으로 취득하여 지속적으로 유지되도록 설정하는 방법이고 둘째는 현재의 해양 및 연안 환경을 인정하고 최근 몇 년간 취득한 해안선이라도 지속적으로 유지할 목적을 갖고 설정하는 방법이며, 마지막으로는 이러한 자료보다는 사질 해변의 기대효용의 수준에 따라 관리책임 기관에서 임의로 설정하도록 하는 방법도 가능하다.

마지막 방법은 현재 평균해안선의 유지보다는 미래 해안침식율(Background erosion rate)을 감안하여 평균목표해안선을 보수적으로 후퇴시켜 설정할 수 있으나 충분한 완충구간이 확보되는 경우가 아니면 침식의 재현빈도 증가로 피해 규모가 커질 수 있다. 그 반대로 현재의 해변의 효용성을 증가시켜 좀 더 나은 가치를 창출할 목적으로 지속적인 양빈이나 침식저감 시설의 배치를 통하여 평균유지 목표해안선을 전진시키는 것도 가능하다. 그러나 이러한 목표해안선은 어떤 방법을 취하든 일단 사회적 결정 과정을 거쳐 정해지면 특별히 달리 변경하지 않는 한 지속되는 것으로 간주한다.

이와 같이 목표해안선이 설정되면 관리의 척도로 소개된 평형해안선과 침식한계선이라는 평가해안선의 정량적 평가가 필요하다. 목표해안선은 일단 결정되면 변하지 않는 해안선이나 평가해안선은 기후의 변화 그리고 유역, 연안, 해역 환경의 변화에 따라 시간적, 공간적으로 변화가 발생한다. 이러한 변화를 예측하는 방법론으로는 충분한 관측 자료의 확보나 믿을 만한 예측 수단의 개발로 가능하며 본 연구에서는 그 방법론을 소개한다. 아래 Fig. 1은 평형해안선과 침식한계선을 비롯하여 연안침식 관리를 위하여 필요한 관리해안선과 평형해안선, 그에 대한 효율적 관리를 위한 목표해안선을 함께 도시한 것이며 Table 1은 그에 대한 간단한 정의를 보여준다.

Fig. 1

Shoreline for coastal erosion management

Table 1

Definition of control coastal line

3.1 평가해안선 설정

연안정비사업 전⋅후의 평가해안선 설정기술의 과정은 평균 해안선(MSL)설정과 침식한계선(ECL)을 통해 이루어진다. 해안선 장기관측 데이터를 통해 평균해안선을 설정하고 해안구조물 설치에 따른 해안선 변화를 예측하여 평형해안선 예측 모델인 미파솔(MeePaSoL)을 통하여 평균해안선을 설정한다. 또한, 해안선 관측 데이터의 변동성 분석을 통해 중앙입경 및 30년 빈도 파고값을 적용하여 고파랑 해안 침식폭 예측 모델인 해사빈(HaeSaBeeN)에 적용하면 침식한계선 설정이 가능해진다. 이 두 라인을 통해 평가해안선의 설정이 이루어지며 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 2

Establishment of management coastline

3.2 관측자료를 이용한 침식한계선 설정

관측 자료를 통한 해안선 변동성 분석과 30년 빈도 파고, 중앙 입경, 해빈경사의 적용을 통한 고파랑 침식 폭을 산정한다. 수집한 해안선 자료를 기초로 각 표본해안별 평균해안선 및 30년 빈도 침식선을 산정하여 아래 Fig. 3에 나타내었다. 평균해안선은 관측데이터의 평균값이며, 30년 빈도 침식선의 경우 평균해안선을 기준으로 정규분포함수에서 σ=1일 때 재현주기에 따른 침식폭 값을 적용하여 산정하였다.

Fig. 3

Establishment of MSL and ECL

수집된 해안선 자료를 기초로 각 해안별 해안선 변동성 분석을 수행하였다. Table 2에서 제시한 30년 빈도 침식선의 경우 수집 해안선이 정규분포를 이룰 때, σ=1에 대한 값을 도시화한 결과이며, 본 연구에서는 해변별 관측자료를 기초로 σ 값을 재산정하여 일일 변동폭을 산정하였다.

Table 2

Normal distribution function σ =1, erosion width by return period

봉포해변은 수집된 52회 해안선 측량자료를 모두 이용하였으며, 정규분포를 통해 산정된 표준편차(σ)는 9.48이 산정되었고, 속초해변은 수집된 31회 해안선 측량결과를 모두 이용하여 정규분포를 통해 산정된 표준편차(σ)는 13.35가 산정되었으며, 맹방해변은 수집된 54회 해안선 측량결과 중 관측 길이가 짧은 2018년 6월, 7월, 9월 및 2019년 2월, 3월, 6월 총 6개 데이터를 제외한 48개를 이용하여 정규분포곡선을 산정하였다. 이때, 표준편차(σ)는 16.12가 산정되었다. 또한, 정동진해변은 수집된 37회 해안선 측량결과 모두를 이용하였으며, 정규분포를 통해 산정된 표준편차(σ)는 17.59가 산정되었다. 산정된 일일 변동폭은 1일 간격으로 30년 동안 관측 했을 시 최대 침식폭으로 정의할 수 있다. 아래 Fig. 4는 각 해변별 정규분포 곡선을 나타내었고, Table 3은 30년 빈도 일일 변동폭을 나타낸 결과이다.

Fig. 4

Normal distribution curve

Table 3

Result of the 1-day variance

3.3 평행해빈단면 개념을 이용한 해안선 변동

Dean(1977)의 평형해빈단면의 개념을 이용하여 유입되는 파랑 에너지에 따라 수렴하는 고유한 해안선 위치간의 변화관계를 분석한 선행연구 Kim and Lee(2018)에서 현장 관측으로부터 유입되는 파랑 에너지에 따른 고유한 해안선 위치에 대한 관계식이 아닌 모든 해안에 대하여 이러한 관측을 수행하지 않고도 해빈 입자 특성에서부터 그 관계를 얻어내는 방법론을 제시하였다.

이와 같은 방법론은 가장 단순하면서도 보편적으로 인정되고 있는 대표적 해빈단면곡선식이며, 이를 이용하면 비교적 간단하게 중앙입경(D₅₀) 자료나 해빈축척계수(A)로부터 입사하는 고파랑의 쇄파고에 따라 해빈정선의 전진⋅후퇴의 경향을 파악하여 침식폭을 추정할 수 있도록 하였다. 충분히 긴 시간 지속적으로 파랑이 입사하며, 파고가 낮은 평상파가 지속될 경우 해빈단면이 1:m의 일정 경사면을 회복한다고 가정하였고, 개념에 대한 정의는 아래 Fig. 5와 같다.

Fig. 5

Concept and definition of HaeSaBeeN model using equilibrium beach profile

위 방법론을 기초로 하여 중앙입경(D₅₀)자료에 의한 파고(Wave height)와 파랑에너지(Wave energy)의 평균해안선(MSL)간의 상관성과 해빈단(Berm height)의 영향을 고려하여 파고에 따른 해안선 전진, 후퇴 경향을 간단하게 살펴볼 수 있는 HaeSaBeeN 모형을 개발하였다.

고파랑 시 해빈축척계수(A)에 따른 Dean and Chales(1994)의 해빈단면과 비교하여 Side view의 해빈단면적이 보전된다는 가정에서 유도하였다. 초기 1:m의 일정 경사로 이루어진 면적(A₁)과 고파랑 유입시 해빈축척계수(A)로 변형되는 면적(A₂)을 두고 서로의 면적이 같게 된다고 하였고, 아래 식 (1)과 같이 표현하였다.

여기서, 첨자 b는 Braking depth를 의미한다. y_b는 점 O에서부터 Braking depth까지의 이안거리, ∆y는 고파랑 유입에 따라 전진, 후퇴로 인해 형성되는 이안거리이고, Y에서 y_b를 빼면 결정된다. 그리고 식 (1)을 침식폭 ∆y에 관하여 정리하면 식 (2)와 같이 표현된다.

여기서, y_b는 식 (3)과 같이 적용하였고, 이를 h_b에 관하여 재정리하면 식 (4)과 같게 된다.

식 (4)는 쇄파고 H_b에 대해 쇄파 시작수심, h_b를 산정하기위한 Miche(1944)의 수식이 적용되었으며, 여기서 적용된 k는 0.7~0.13의 범위를 갖는다. 적용된 k는 평상파일 경우 적용하는 0.78을 사용하였다.

해수면 하단부가 계산되고 나면 해빈단부는 평평한 해빈단 높이까지 해빈정선이 후퇴하는 경우와 그렇지 않은 경우에 대해 고려하여 침식과 퇴적의 양을 계산할 수 있도록 하였다.

우선 해빈단부가 평평한 면까지 해빈정선이 후퇴하는 경우는 식 (5)의 경우이고, 그렇지 않은 경우는 식 (6)과 같이 유도되었다.

식 (5)와 (6)에 사용된 h_Be와 h_Bs는 해빈단부 계산시 조건을 나누기 위한 해빈단 높이를 의미하며, 각 Case의 해빈단부의 계산결과는 식 (2)의 계산된 결과와 함께 후퇴거리 및 경사 결과에 반영하여 최종적인 전진⋅후퇴 거리를 추정할 수 있게 된다.

연안침식 핵심관리구역의 육역부분 결정방법은 연간침식률의 30배로 설정(NOAA, 2012)하고 있다. 이는 연안침식 관리를 위한 연안구조물 및 관리해안선 설정에 중요한 인자로 판단하여 본 연구에서는 파랑에너지 산출을 30년 빈도 파고를 적용하였다. 30년 빈도 파고를 산정하기 위해 파랑자료 수집 및 분석을 통해 결정된 NCEP의 40년간(1979년~2018년) 파랑자료를 기초로 연도별 최대파고를 이용하여 극치분석을 수행하였다. 극치분석은 CEDAS(Coastal engineering design & analysis system)내 프로그램을 이용하였으며, 이때 사용되는 확률분포함수는 FT-Ⅰ(Fisher-tippett type Ⅰ)분포와 k값이 각각 0.75. 1.0, 1.4, 2.0인 Weibull 분포로 총 5개 확률분포를 이용하였다. FT-Ⅰ분포의 식은 다음 식 (7)와 같다.

여기서, A는 축척 매개변수(Scale parameter), B는 위치 매개변수(Location parameter)이다. 그리고 Weibull 분포는 식 (8)과 같다.

여기서, A 는 축척 매개변수(Scale parameter), B는 위치 매개변수(Location parameter), k는 형상 매개변수(Shape parameter)이다. Fig. 6은 사용한 확률분포 함수의 그래프를 나타내었다.

Fig. 6

Probability distribution function graph

5개 확률분포를 통해 극치분석을 수행한 후 상관계수(Correlation)가 1에 가까운 분포를 각 표본해변 빈도별 파고값으로 채택하였으며, 프로그램 결과로는 2, 5, 10, 25, 50, 73, 100년 빈도 파고값이 산정된다. 본 연구에서 필요한 파고값은 30년 빈도 값으로 이는 극치분석을 통해 산정된 빈도별 파고값을 이용하여 추세선을 그리고 이를 적용하여 역으로 30년 빈도 파고값을 산정하였다.

봉포 및 속초해변은 같은 격자점 자료를 사용하였으며, 40년간(1979~2018) 연도별 최대파고를 추출하여 극치분석을 수행하였다. Weibull 분포(k=1.40)일 때 상관계수가 0.990으로 가장 크게 나타났으며(Table 5), 산정된 빈도별 파고값의 추세선으로부터 30년 빈도 파고 6.48m가 산정되었다(Fig. 7). 맹방해변, 정동진해변에 대한 30년 빈도 파고값도 각각 6.74m, 6.84m 산정 되었다.

Table 5

Result of the Extreme value statistics

Fig. 7

30year periods wave height

각 해변별 중앙입경(D₅₀) 값은 강원도 환동해본부의 연안침식 실태조사 보고서(The Province of Gangwon, 2017; The Province of Gangwon, 2018)에서 조사한 자료를 바탕으로 사용하였으며, 입도분포를 통해 대표 중앙입경의 값을 Table 6에 나타내었다. 또한, 동해안의 해저지형과 특성을 반영하여 동일하게 m=1:30을 적용하였다.

Table 6

Representative median grain size (D₅₀) of beach

3.4 HaeSaBeeN 모델을 통한 침식한계선 설정

HaeSaBeeN 모델은 해안선 침식원인 중 고파랑에 의한 단기적인 침식이며, Yates et al.(2009)와 Dean(1977)의 개념을 사용한 모델이다. Dean(1977)의 평형해빈 단면식을 이용하면 간단히 중앙입경과 해빈축척계수로부터 입사되는 고파랑의 쇄파고에 따라 해빈정선의 침식폭을 추정할 수 있다. 해안선 변동거리를 산출하기 위한 계산과정은 다음과 같다. 첫 단계는 Berm height를 제외한 해수면 하단부를 계산한다. 두 번째 단계는 Berm height 부분을 계산한다. 이때에는 2 Case로 나누어 진행되어진다. 마지막 단계는 계산된 첫 번째 두 번째 단계의 계산결과를 결합하여 최종적인 해안선의 전진, 후퇴거리가 계산되어진다.

HaeSaBeeN 모델에 적용한 결과는 아래 Table 7에 나타내었으며, 앞서 관측자료를 활용한 해안선 변동성 분석결과의 일일 변동폭 결과와 비교하였다. 지역별 변동폭 차이가 다소 있지만, 맹방과 정동진 같은 경우는 대체로 비슷한 경향을 확인할 수 있었다.

Table 7

Compare of the 1-day variance (30 years, m)