Corresponding author: Ho-Jun Yoo, +82-10-4148-8956, 1. 서 론
모래해빈은 자연이 주는 천혜의 자원으로 인간의 생활환경, 레저, 생태 서식지 등을 제공하며, 해상에서 발생되는 외력으로부터 육지을 방호하는 역할을 수행한다(Shi et al., 2003; Neumann et al., 2015; Barbier et al., 2011). 다수의 국가에서 모래해빈의 보존가치와 중요성을 파악하고 자연유산으로 지정하여 보호하는 노력이 시행되고 있으며(Roelvink et al., 2018), 기술적 측면에서 해안을 관리하는 기법(평균유지⋅침식저지 목표해안선)이 시도되어 효과적인 구조물의 배치 및 침식 저감을 위한 연구가 수행 중이다(Park et al., 2019; Lee et al., 2020; Yoo et al., 2022). 해수면 상승, 폭풍, 해일, 지반 침하와 같은 자연적 원인 또는 방파제, 도류제, 돌제, 이안제, 잠제, 호안, 하천개발로 인한 퇴적물공급 감소 등의 인위적 원인으로 전세계 모래해빈은 약 70%가 후퇴 경향을 보인다(Bird, 1985; Ranasinghe et al., 2013). 해빈침식에 기인하는 영향은 지역마다 다르고 다양한 원인이 복합적으로 작용하여 이를 명확하게 규명하거나 예측하는 것은 용이하지 않다. 해빈침식의 정밀한 원인분석을 위해서는 다양한 외력조건과 더불어 자연적⋅인위적인 환경변화 영향을 복합적으로 고려해야 하며(Yoon et al., 2007), 해안선의 복잡함, 인위적인 구조물에 의한 해양환경 변화를 고려할 수 있는 과학적인 분석 방법이 필요하다(Roelvink et al., 2018).
해빈의 침식과 퇴적에 의한 해안선 변화는 수십분에서 장기간에 걸쳐 다양한 공간 규모로 나타난다(Larson and Kraus, 1995). 모래해빈은 태풍, 폭풍을 포함하는 단기 이벤트에 의해 횡단표사이동(crossshore sediment transport)이 발생하거나 일시적으로 해안선이 후퇴하지만 이후 해빈단면 모래의 재분배를 거쳐 서서히 원래 해빈폭을 회복하고, 중⋅장기적으로 평형상태를 유지한다(Lee and Jang, 2019; Yoo et al., 2021). 중⋅장기 해빈변화는 파랑에너지 유입에 의한 연안표사이동(Longshore Sediment Transport)이 지배적이다. 따라서 연구자는 대상 지역의 시⋅공간적인 모래해빈 변화를 이해하고, 해석 방법의 설계와 더불어 적절한 수치해석 또는 수치모델을 결정하는 과정이 필요하다(Larson and Kraus, 1995; van de Kreeke, 1996).
모래해빈 변화는 해역과 육역의 지형변화 모의가 가능하며, 파랑, 해빈류, 유속, 바람, 하천유량 등 다양한 외력조건과 해저질 특성, 해상과 육역의 높이, 인공구조물 등 해빈정보가 포함된 2차원 수심평균 모델인 Xbeach(Roelvink et al., 2009)를 통해 모의하여 대상지역의 다양한 환경변화를 검토하는 것이 최적이지만, 이는 다수의 입력조건 표준화 과정과 계산 시간 비용의 소모가 과도하여 단기간의 해빈침식을 모의하는데 적합하다(Roelvink, 2018; Kim et al., 2015). 따라서 장기간의 해안선 변화 또는 인공구조물 설치 후 수년간의 해빈 변화를 이해하기 위해서는 시간비용 소모를 줄이고 빠르게 분석할 수 있는 툴이 필요하다.
연안을 이용하고자 하는 인간의 활동에 의해 설치된 인공 구조물은 해빈모래의 장기적 평형을 붕괴시키고 모래를 재분배시키며, 일부 지역에 급격한 해안선 후퇴를 유발하였다. 인공구조물 건설로 인한 해안선 변화를 평가하기 위해서는 연안표사이동에 대한 이해가 필요하다(Gowthaman et al., 2015). 일반적으로 해안선 변화는 연 또는 수년 단위 이상의 해빈변화 정보가 축적된 장기 시간규모이며, 우리나라 동해안과 같이 미세조차(micro-tidal) 지역은 파도와 해빈변화를 복합적으로 해석하는 접근이 필요하다. 모래 확산 개념을 적용한 연안표사이동은 최소 입사각과 동일한 종방향 해빈 형태, 경사를 가정하여 Pelnard-Considere(1956)에 의해 최초 개발되었다. 최소입사각 가정은 GENESIS (Hanson, 1989), LITPACK (Kristensen et al., 2016) 등의 표준 1D 모델에 적용되며, 그 개념이 다소 완화되고 적용성이 점차 확대되었다. 이후 연안표사이동 식은 해빈경사, 입도 등의 상향된 물리적 개념을 적용하며, Kamphuis(1992), Walton and Brono (1989), Vanrijn(2014) 등에 의해 점차 고도화된 경험식이 제안되고, 다양한 경험공식이 적용된 Unibest(Deltares, 2011), ShorelineS(Roelvink et al., 2018) 해안선변화 모델에 탑재되었다.
본 연구에서는 인공구조물 설치에 의한 해안선변화를 모의하기 위해 대한민국 동해안 원평해수욕장에 모델을 적용하였다. 해안선 변화 모델은 네덜란드 ShorelineS TKI 프로젝트에서 델타레스와 IHE-Delft연구소, 유럽 및 아시아국가 참여하여 공동 개발(2022~2024)중인 prototype의 ShorelineS를 이용하였다. 모델 최적화를 위해 궁촌항 방파제 연장 시기 (2009~2013년)를 대상으로 보정 및 검정을 수행하였으며, 궁촌항 방파제, 원평해수욕장 전면 구조물 설치 및 제거 등의 시나리오를 수립하여 인공구조물에 의한 해안선 변화 메커니즘을 연구하였다.
2. 모델 수립
2.1 대상 지역
원평 해수욕장은 대한민국 강원도 삼척시 근덕면(37° 18' 56"N, 129° 16' 43''E)에 위치하며, 북측은 궁촌항 방파제가, 남측은 초곡항이 있다(Fig. 1). 해빈의 후면에는 방풍림이 위치하고, 배후면에 레저관광을 위한 레일바이크가 운영되고 있다. 해빈은 남⋅북 방향으로 약 2.8km 길이이고, 해저질 입경은 대부분 모래이며, 평균 1ϕ 내외로 조립하다. 해빈폭은 25~50m이며, 후빈고(berm)는 최대 3m이다. 대상 해빈에 유입되는 소하천은 궁촌항 방파제 남측의 원평천이 위치하며, 해빈에 폭 5m의 배수구 4기가 설치되어 있다. 조차는 20cm 미만의 미세조차 지역이다. 원평해수욕장은 1980년대 궁촌항 방파제가 건설된 이후, 해빈침식이 지속적으로 발생하며, 2013년 궁촌항 동⋅남 방파제 연장, 2017년 폭 120m의 잠제 3기와 70m의 지오튜브, 2022년 이안제 360m 2기, 돌제 280m 3기 등의 인공구조물 설치 및 양빈이 포함된 2차 연안정비사업이 완료되었으며, 해양수산부(2021)의 제3차 연안정비사업(2020~2029)의 대상해빈으로 양빈과 인공구조물 설치가 계획되어 있다.
2.2 사용 모델
본 절에서는 ShorelineS의 모델링 흐름도, 입력파 조건, 연안표사이동 식, 파랑변형, 퇴적물이동 지배방정식을 제시한다. 해안선변화 모델은 네덜란드 ShorelineS TKI 프로젝트에서 델타레스와 IHE-Delft연구소, 유럽 및 아시아 연구 기관이 참여하여 공동개발 중인 prototype의 ShorelineS 모델을 이용하였다. 모델은 풍상 차분법(upwind scheme)을 적용한 45° 이상의 불안정한 파향 내습에 대한 안정적인 해석, 다양한 연안 표사이동 공식, 파 음영대(wave shadow zone)의 해안선 발달, 고정구조물과 월파(overwash), 사주 결합 및 분리 등의 모의가 가능하다(Roelvink et al., 2018). 모델은 초기 해안선 위치, 구조물, 해상 및 육상경계를 입력하면 모델의 기준조건 설정, 해안선 변화 계산, 해안선 업데이트 및 표출 순으로 계산되며, 개별 해안선 및 모의시간별 변화된 해안선을 계산한다(Fig. 2).
2.2.2 연안표사이동 식(LST)
ShorelineS모델의 연안표사이동 식(LST)은 CERC1(SPM, 1984), CREC2(Ashton et al,. 2001), CREC3, KAMP(Kamphuis, 1992), VR14(van Rijn, 2014) 등 5가지 옵션을 제공하며, 사용자는 대상해역에 적합한 LST 공식을 선택하여 적용할 수 있다(Table 1).
CERC1은 널리 알려진 연안 파에너지 플럭스를 이용한 단순화된 LST 공식으로 식 (1)과 같다.
여기서 Qs는 연안표사량(m3/year), 는 표사량 매개변수 (-), Hs0는 심해파고(m), ϕloc는 심해파향과 진북 기준 해안선의 회전각이다.
CERC2은 CREC1의 개선된 공식으로 파주기, 천해반사 조건을 적용하며, 식 (2)와 같다.
여기서 K2는 연안표사량 보정계수(-), T는 파 주기(sec)이다.
CERC3은 쇄파대 파랑조건을 고려한 공식으로 식 (3)과 같다.
여기서 Hsb는 쇄파대의 파고(m), ϕlocb는 쇄파대 파향과 진북기준 해안선의 사이각이다.
KAMP는 쇄파대 파고, 주기와 해빈정보(경사, 대표입경)를 고려한 공식으로 식 (4)와 같다.
여기서 mb는 해빈경사(deg), D50은 해빈 대표입경(mm)이다.
VR14은 쇄파대 파고와 해빈정보(경사, 대표입경), 너울성 파랑 조건 및 유속(해빈류, 조류, 취송류)를 고려한 공식으로 식 (5)와 같다.
여기서 Kswell은 너울성 파고(m), Vt는 Vwave(해빈류)와 Vtide(조류) 및 Vwind(취송류)의 합이다.
2.2.3 파랑
수치모델의 파랑은 심해파고 또는 쇄파고가 모델 경계에 입력되며, 모델영역과 사용자 결정에 의해 빈도별 파랑 또는 실시간 파랑 정보가 반영된다. 여기서 파랑 정보는 파고, 주기, 파향을 의미한다. 심해에서 전파되는 파랑굴절은 Snell의 선형파 이론에 의해 쇄파대의 파속이 결정되며, 쇄파고는 식 (6)에 의해 결정된다(van Rijn, 2014).
여기서 c1은 쇄파대의 파속, avr14는 쇄파고 매개변수(default = 1.8), γ은 쇄파 매개변수(default = 0.78)이다. CERC1, CREC2, CREC3 공식은 식 (6)에 의해 쇄파고가 입력되며, KAMP, VR14 공식은 입력조건에 기존이론 및 별도의 수치모델을 통해 결정된 쇄파고가 ShorelineS 모델에 입력된다.
구조물이 설치된 경우, 파 음영대가 발생하며 구조물의 배후로 파랑이 회절하며 전파된다. 해안으로부터 쇄파고 위치는 개방해역보다 작을 수 있으며 ShorelineS는 기존경험식을 통해 구조물에 의한 파랑변형 효과를 모의할 수 있다. 구조물 배후에 위치한 해안의 쇄파고는 파 음영대 영역과 파 전달영역의 파고가 다르게 계산되며, ShorelineS 모델에서는 U.S.Army(1984)의 파향선법을 적용하여 굴절계수 및 회절계수를 산정하고 배후지 파고를 산출한다. 구조물 배후 파향은 Hurst et al.(2015), Dabees(2000), Roelvink et al.(2018) 등 3가지 경험공식이 제공되며, 모델의 기본 설정은 Roelvink et al(2018)이다. 구조물 배후의 쇄파위치는 Dean(1977)의 평형해빈 단면식을 적용하여 파향선을 따라 해안 정점별 모델의 쇄파고 위치가 결정되며, 계산 간격별로 달라진다. 평형해빈 단면식에 적용된 해빈축적 계수(A)는 1 m1/3이다.
2.2.4 퇴적물이동
수치모델의 해안선변형 질량보존 방정식은 식 (7)과 같다.
여기서 n은 횡방향(cross-shore) 위치, s는 종방향(longshore) 위치, Dc는 후빈고, Qs는 연안표사이동 량(m3/year), RSLR은 해수면 상승(m), tanβ는 해빈경사(-), qi는 소스/싱크항(m3/m/year)으로, 횡단표사 이동, 월류, 양빈, 모래 준설 및 하천 유사량이 이에 해당된다. 질량보존 방정식은 매시별 양해법(explicit scheme)으로 계산되며, 계산 정점과 전⋅후 해안선 정점에 의해 해빈의 전진 및 후퇴가 계산된다.
2.3 모의 조건
보정 및 시나리오 모델의 초기 해안선과 인공구조물 위치를 Fig. 4에 제시하였으며, 모델입력 변수는 Table 2에 제시하였다. 위성 영상(Goolgle earth)을 이용하여 2009년 원평해수욕장의 해안선 위치정보를 취득하고, 궁촌항~원평해수욕장~초곡항을 포함하는 남북방향 2.8km의 해안선을 모델의 초기 해안선 자료로 입력하였다. 수치모델의 격자 간격은 10m 이며, 모의 영역의 외측경계 평균 수심과 평균 해빈 경사, 평균 후빈고는 수심측량 및 해빈단면 측량결과를 이용하여 입력하였으며, 입력파랑 조건은 기상청(동해 해양 기상부이) 자료로 입력하였다. 본 연구에서 하천 유량과 유사량은 고려하지 않았다. 수치모델 모의기간은 궁촌항 방파제 연장 전⋅후 시기를 고려하여 2009~2013년으로 4년간 모의하였다. 보정 실험은 최적화된 LST공식 적용 및 시나리오 모의를 위해 수행되었으며, 위성자료의 방파제 연장 전⋅후 해안선과 보정모델 모의결과를 비교하였다. 시나리오 S1는 보정 실험과 동일한 방파제 연장 후 실험이다. 시나리오 S2는 2009년 시나리오 S1에서 해안선에 궁촌항 방파제 연장공사 이전상황, 시나리오 S3는 시나리오 S1에서 원평해수욕장 전면에 이안제 인공구조물 3기를 설치 상황이며, 시나리오 S1과 비교하여 해안선변화 메커니즘을 검토하였다. 시나리오 S2, S3의 모의 조건은 보정자료와 동일하게 적용하였다.
3. 모의 결과
3.1 보정 및 검정 결과
위성자료의 해안선과 보정실험(N1, N2, N3)의 4년간 모의결과를 비교하였으며, 분석구역을 Fig. 5(a)에, 해빈폭 비교를 Fig. 5(b)에. IOA 분석 및 일대일 비교결과를 Fig. 6에 제시하였다. 분석구역은 방파제 연장에 의해 퇴적과 침식이 뚜렷한 경계를 기준으로 설정하였다. 분석 구역별 모델의 정확도 평가는 IOA(Index of Agreement)를 적용하였으며, IOA는 1에 가까울수록 모델치의 재현율이 높다(Wilmott, 1982). IOA는 식 (8)과 같으며, Pi는 모델치, Qi는 관측치, O ¯
궁촌항 방파제 연장 후 해빈 중앙부는 파랑의 직접내습 영향으로 해빈폭 감소경향이 뚜렷하며, 구조물 설치로 파랑이 차폐된 방파제 남측은 해빈폭이 증가한다. 모델 결과와 비교시, 구역 A에서 N1 모델은 IOA 0.97로 방파제 연장 후 해빈폭 증가 경향을 잘 재현하였으며, N2, N3는 IOA 각각 0.97, 0.81로 해빈폭 감소 경향을 대체로 재현하지만, 모델치가 과소평가 한다. 구역 B와 C에서 모델치의 IOA는 0.15~0.42 범위이고, 후퇴 경향은 유사하지만 대체로 모델치가 크다. N2, N3 시나리오에 적용된 LST공식은 파향 또는 쇄파대의 파랑 조건을 고려한 경험공식으로, 외해파고 또는 쇄파고 등의 입력파랑의 위치 조건이 다르며, Ahmne (2018)의 연구와 같이 파향이 커짐에 따라 해빈의 전진⋅후퇴가 감소하는 경향을 보인다. 각각의 실험안은 대체로 방파제 연장 후 침식 및 퇴적 구역의 해안선 변화를 유사하게 재현하였으며, 본 연구에서 N1 을 최적 보정 실험으로 결정하고 시나리오 모의를 수행하였다.
3.2 인공구조물에 의한 시나리오 모의 결과
궁촌항 방파제 연장전 시나리오(S2)와 궁촌항 방파제 연장 이후 원평해빈 전면에 150m 길이의 이안제 인공구조물 3기 설치 시나리오(S3)를 모의하고 기준 시나리오(S1)와 비교하여 인공구조물에 의한 해빈 변화를 검토하였다(Fig. 7; Table 3). 시나리오의 해빈폭은 보정실험과 동일한 2009년 해안선 기준이다. S2 시나리오 모의결과, 궁촌항 방파제 연장 전 해빈의 변화폭은 전체 구역에서 작으며, 방파제 연장 후 방파제 끝단의 파 회절로 남측 배후면의 파랑은 감소하고, 해빈모래가 퇴적되며 해안선이 전진한다. 구역 A에서 해안선 변화폭은 6m로 S1 시나리오 보다 해안선 전진폭이 다소 감소하며, 이는 B, C구역은 해안선 후퇴 감소(각각 -23m, -3m)에 기인하다.
S3 시나리오 모의결과 이안제 배후면은 파랑 내습이 감소하고, 육계사주 형태의 해안선 전진 경향이 뚜렷하다. 구역 A는 해빈폭의 후퇴과 전진경향이 교호하며, 이안제 배후면 구역 B는 S1 시나리오의 해안선 후퇴(-28m)에서 해안선 전진(38m)으로 변경되고 이안제 배후면 해빈폭 증가 경향이 다소 뚜렷하다. 이는 구조물로 인해 파 회절 및 파 에너지가 집중되는 이안제 양 끝단의 침식에 기인한다. 결과적으로 ShorelineS모델이 인공구조물에 의한 해안선 변화를 적절히 재현하였으며, 인위적인 구조물 설치는 평형상태의 해빈을 급격히 변화시키고 구조물 인근에 퇴적 효과와 파랑 직접내습 구역의 침식 효과를 증가시킨다.
4. 결 론
본 연구에서는 인공구조물 설치에 의한 해안선 변화를 모의하기 위해 대한민국 동해안 원평해수욕장에 모델을 적용하고 구역별 해안선변화를 평가하였다. 해안선변화 모델은 해안선 단위격자에 장기해안선의 평형 개념을 도입하여 해안선 전진 또는 후퇴가 균형성을 유지하는 prototype의 ShorelineS 모델을 이용하였다. 보정실험을 통해 다양한 연안표사량 경험식(LST)을 판별하였으며, CERC1공식이 궁촌항 방파제 인근의 퇴적경향을 적절히 재현하였다. 시나리오 모의결과 궁촌항 방파제 설치 전 해빈폭 변화 경향은 ±25m 내외로 작으며, 방파제 설치에 의해 남측 퇴적이 집중된다. 이안제 설치 후 해빈의 침식과 퇴적 경향은 변경되며, 해빈 중앙부의 해안선 후퇴가 다소 억제되고, 이안제 배후면은 육계사주가 형성됨을 모의 결과를 통해 검토하였다. 인위적인 구조물 설치는 평형상태의 해빈을 급격히 변화시키고 구조물 인근에 퇴적 및 파랑 직접내습 구역의 침식을 증가시킴을 본 연구 결과로 적절히 재현하였다.
현재 우리나라는 침식으로부터 해빈을 보호하기 위해 다양한 정비사업이 진행 중이며, 일부 해빈에서는 인공구조물이 설치되고 모니터링 등을 통해 해빈의 단기 및 중⋅장기변화를 주의 깊게 검토하고 있다. 인공구조물 설치 후 체계적인 토사이동 메커니즘을 파악하고 적절하게 해빈을 관리하기 위해서는 중⋅장기 규모의 해안선변화 예측모델이 필수적이며, 본 연구에 적용된 ShorelineS 모델은 비교적 단순화된 해양환경 및 해빈정보를 입력하여 인공구조물에 의한 해안선 변화를 적절히 재현하고 장기 변화를 예측할 수 있는 장점이 있다. 또한 ShorelineS 모델은 다양한 연안 표사이동 공식 탑재, 파 음영대의 해안선 발달, 고정 구조물과 월파, 사주 결합 및 분리, 구조물 배후면의 육계사주 등 실제 연안에서 발생 가능한 다양한 현상을 모의할 수 있어 연안 침식에 대응하기 위한 분석 도구로 적절한 활용이 가능하다. 실제 해안선은 기후변화에 의한 해면 상승, 해류 변화, 지반 침하, 양빈, 준설, 하천토사 공급 등 다양한 원인에 의해 변화한다. 본 연구에서는 하천 유사랑, 연간 해면변화, 양빈 등이 고려되지 않았으며, 대상 해빈에 적용 가능한 다양한 파라메터를 ShorelineS 모델에 적용하여 고도화된 해안선 변화 예측모델 수립의 필요성이 있다. 우리나라 연안에는 정비사업으로 잠제가 다수 설치되어 있으며, 향후 본 모델의 개발단계에서 잠제 영향을 고려할 수 있는 적절한 메커니즘을 적용하고, 국내해안에 대한 모델 적용성을 확대하는 등 기술 발전과 지속적인 검증이 필요하다.
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