해빈류의 생성 원인 및 실험 개요, 과정

해빈류 실험해빈류의 생성 원인 및 실험 개요, 과정

이번 시간에는 항만설계 시 해빈류 실험에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

 

 

작성될 내용을 좀 더 자세히 알아보고 싶으신 분들은 관련 설계기준을 다운 및 확인할 수 있는 아래 사이트를 확인하시기 바랍니다.!!

 

항만기술기준 정보시스템 (portcals.go.kr)

 

 

해빈류의 생성 원인

1) 파에 의한 질량 수송(Stokes drift)

파랑이 천해역을 진행할 때 수면 아래의 물입자는 타원 운동을 하지만, 실제로 물입자는 파랑의 진행방향으로 이동합니다. 이러한 현상을 파에 의한 질량 수송이라고 하며, 질량 수송의 속도는 파고의 제곱에 비례합니다. 질량 수송이 생기는 원인은 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 임의 지점에서 물입자는 파봉이 통과할 때 파의 진행방향으로 이동하고 파곡이 통과할 때는 반대 방향으로 이동하며, 이동 속도는 거의 같습니다. 그러나 파봉이 통과할 때의 수심이 파곡이 통과할 때의 수심보다 깊기 때문에 파의 진행방향으로 해수의 잔여 이동량이 발생하게 됩니다.

 

2) 잉여 응력(Radiation stress)

파랑 주기 동안의 파 운동량을 평균하면 운동량의 잉여량 또는 잔여량이 발생하며, Longuet-Higgins(롱깃 히긴스)와 Stewart(스튜어트)는 1961년에 이를 파의 전파에 수반되는 힘이라는 의미에서 Radiation stress라고 명명하였습니다. 즉 잉여응력은 질량 수송의 개념을 보다 정량화한 것으로서 파의 순간 운동량을 1 파랑 주기 동안 평균하고 수심 적분한 것입니다. 해안선에 직각 방향을 x축, 해안선 방향을 y축으로 잡고, 파랑의 진행방향이 x축과 이루는 각을 θ라고 할 때 x, y 방향의 잉여응력 Sxx와 Syy, 그리고 y방향 운동량에 의한 x방향 잉여응력 성분 Sxy와 x방향 운동량에 의한 y방향 잉여응력 Syx는 다래 식과 표현됩니다.

 

3) 파에 의한 평균수면의 변화

해안으로 진행하는 파는 쇄파점에 접근할수록 파고가 커지고 쇄파 후 해안선으로 가면서 파고가 감소합니다. 잉여응력은 파고의 제곱에 비례하므로 쇄파대 외측에서는 쇄파점으로 갈수록 잉여응력이 증가하여 평균수면이 하강하고, 쇄파대 내측에서는 해안선으로 갈수록 잉여응력이 감소하여 평균수면이 상승합니다. 전자를 파에 의한 Setdown, 그리고 후자를 Setup이라고 부릅니다.

 

해안선 방향의 파고 분포가 다르면 쇄파대 내측에서 파랑에 의한 Setup 높이가 달라집니다. 이 평균수면 경사에 따라 해안선에 평행한 흐름이 형성되며 이를 연안류(Longshore current)라고 합니다. 연안류가 Setup이 상대적으로 낮은 지점에서 수렴하면 해안선에 직각방향의 강하고 좁은 흐름이 형성되며 이를 이안류(Rip current)라고 합니다. 이안류는 쇄파대를 가로질러 외해로 유출되며 외해에서는 유속이 급격하게 감소합니다. 연안류와 이안류를 포함한 해안 순환류를 해빈류(Nearshore current) 또는 파랑류(Wave-induced current)라고 합니다. 해빈류는 잉여응력이 크고 또한 잉여응력의 공간 변화율이 크며 수심이 얕은 지역에서 강하게 발생합니다. 방파제 선단부와 같이 파랑의 전파가 급격하게 차단되는 지역에서도 강한 해빈류가 발생할 수 있습니다.

해빈류 모식도

 

해빈류 실험 개요

해빈류 수치실험을 위하여는 먼저 파랑 수치실험을 수행하여 파고와 파향 분포를 산정하여야 합니다. 해빈류 모형의 기본방정식은 해수유동 방정식과 동일하나, 여기에 파랑 분포에 의한 잉여응력항이 추가됩니다. 잉여응력은 해수유동 실험에서 바람에 의한 해수면 전단응력을 처리하는 것과 같은 방법으로 수치해석합니다.

 

최근에 미국에서 개발된 SWAN-SHORECIRC 접합모델은 파랑 모형인 SWAN과 해빈류 모형인 SHORECIRC를 접합시켜 시간에 따른 파랑과 흐름의 상호작용을 모의할 수 있도록 개발되었습니다. SWAN에서 계산된 잉여응력의 공간분포가 SHORECIRC의 외력으로 작용하며, SHORECIRC에서 계산된 유속과 수위 분포가 SWAN의 흐름 조건으로 다시 입력되어 반복 계산됩니다. 기존의 해빈류 모형은 파랑 모델에서 계산된 대표파고와 파향을 입력하여 해빈류를 계산하였는데, 이 접합모형은 다방향 불규칙파에 의한 해빈류를 계산할 수 있어서 더욱 실제적인 해빈류를 모의할 수 있습니다.

 

해빈류 실험 과정

해빈류 실험은 대상 해역의 해빈류 분포 양상을 파악하고 구조물 설치에 따른 해빈류 분포의 변화를 예측하기 위하여 수행합니다. 해빈류 실험결과는 퇴적물의 이동경로를 예측하기 위한 기초자료로 활용되며, 퇴적물이동 실험의 직접적인 입력자료로도 사용됩니다. 해빈류는 쇄파대 내측에서 강하게 형성되기 때문에 쇄파대 내·외측의 급격한 파랑 및 수심 분포 변화를 정확하게 모의하기 위해서는 격자 크기를 충분히 작게 구성하여야 합니다. 또한, 이안류가 저층에서만 형성(Undertow)되기도 하므로 이를 실제적으로 재현하기 위해서는 3차원 모형을 운용할 필요도 있겠습니다.

 

해빈류 모형의 신뢰성을 확보하기 위하여 해빈류 관측 결과와 수치모형을 검정할 필요가 있습니다. 해빈류 관측은 평상시 부표 추적에 의한 관측보다 이상시 유속계에 의한 관측이 더 바람직합니다. 그림(a)는 강릉항 전면에서 ADCP에 의한 해빈류 관측자료 중 취송류 성분을 배제하기 위해 바람의 영향을 덜 받고, 유의파고가 1.5m 이상이 되는 2009년 2월 18일 20시 ~ 19일 1시까지의 기간을 선택하여 해빈류 수치모의 결과와 비교한 결과입니다. 입사파는 동 기간의 관측 파향(ENE), 파고(1.90m), 주기(8.5초)를 입력하였습니다.

 

그림(b)는 2.5m 이상의 고파가 발생하여 해빈류 유속이 증가하는 2008년 1월 12일 5시 ~ 19시까지의 기간을 선택하여 해빈류 수치모의 결과와 비교한 결과입니다. 해빈류 실험을 위한 입사파는 파랑관측결과로부터 파향 ENE, 파고 3.02m, 주기 9.4초를 입력하였습니다. 수치모형 결과와 비교할 층별 해빈류 관측자료는 관측 수심의 중층에 해당하는 결과를 사용하였습니다.

해빈류 관측 결과와 수치실험 결과 비교(강릉항 인근)

 

지금까지 항만설계 시 해빈류 실험에 대하여 자세히 알아보았습니다. 내용이 조금 전문적이어서 어려우실거라 생각됩니다. 추가적으로 전문서적을 통해 알아보시면 좋을 것 같습니다. 이상입니다.