조류와 파랑이 가로림만 퇴적물 분포에 미치는 영향 연구

Abstract

1978년에 Smith(Smith, 1977)와 Madsen(Grant and Madsen, 1986)이 독립적으로 파랑과 해류가 공존하는 해저 경계층에서 파랑과 해류의 비선형적 상호 작용에 의해 해저 전단응력이 증가한다는 해저 경계층 이론을 소개한 이후, 연안에서 해저 경계층의 해수유동과 퇴적물 이동에 대한 관심이 높아졌으나, 국내에서의 연안 혹은 만 해역에서 특징적으로 발생할 수 있는 퇴적물 이동에 대한 이론적 고찰은 만족할만한 수준에 이르지 못하고 있으며, 관측결과를 바탕으로 퇴적물의 입도분석 결과를 통해 퇴적분포 양상을 추론하는 정성적인 연구가 주류를 이루어 왔다. 따라서 본 연구에서는 가로림만에서의 비교적 풍부한 부유사 및 퇴적물 관측결과를 바탕으로 수치모형 실험을 통하여 가로림만의 파랑 및 조류를 재현하고, 이를 바탕으로 퇴적물 분포에 직접적으로 영향을 미치는 전체의 해저면 전단응력 중에서 파랑에 의한 전단응력과 조류에 의한 전단응력을 경험식을 통해 산정하였다. 또 퇴적물 분포와 파랑, 조석운동이 퇴적물 분포에 미치는 영향을 알아보기 위하여 연구대상 해역에서의 현장조사 결과를 토대로 해저면 퇴적물의 임계전단응력을 산출하고 조류 전단응력 및 파랑 전단응력과의 공간적 분포 비교를 통해 연관성을 살펴보았다. 그리고 최종적으로 임계전단응력과 조류 전단응력 및 파랑전단응력과의 차이를 구하여 공간적?지역적 분포를 살펴봄으로써 가로림만 내에서의 전반적인 침식, 퇴적 양상을 개략적으로 추론해 보았다. 기존의 연구결과들을 통해 충분히 신뢰성이 검증된 EFDC 모형과, SWAN 모형을 이용하여 가로림만의 조석?조류 및 파랑을 모의하였으며, 관측값과의 비교검증 결과 조석모델 결과는 전체적으로 모델결과 값이 관측치에 비해 모델의 조위값이 다소 작고 위상은 모델결과가 관측치에 비해 약간 늦게 나타나나, 전반적으로 보아 조간대 지역에서의 육지경계 이동(moving boundary) 효과를 포함하여 비교적 가로림만에서의 조석에 의한 해수유동을 잘 재현하였으며, 파랑모델에 대한 검증결과 전반적으로 외해에서 전파된 파고가 가로림만 입구를 통과한 후 얕은 수심과 좁은 수로의 영향으로 인하여 급격하게 파고가 감소하는 경향을 보이는데, 이러한 파고 및 파향의 분포는 한국전력공사(1986) 및 한국해양연구원(2005)의 관측결과와 대체로 일치하고 있다. 한국해양연구원(2001)과 국립해양조사원(2004)에 의해 관측된 퇴적물 조사결과를 분석한 결과, 모래질 뻘(sandy mud) 퇴적층이 만 내부에 넓게 분포하고 있고, 만의 서측, 즉 이원면 동측 해안의 경우 비교적 모래 함량이 높은 뻘질 모래(muddy sand) 퇴적층이 분포하고 있는 경향을 보여주었다. 퇴적물 입도분석 결과와 수치모형 수행 결과를 토대로 통계분석을 실시한 결과, 가로림만에서의 해저면에 영향을 미치는 전단응력에서 조석운동으로 인한 비중이 파랑 작용에 의한 전단응력에 비해 전반적으로 더 큰 것으로 계산되었으며, 조류 전단응력의 공간적 분포는 북쪽의 가로림만 입구해역에서 가장 크게 나타나고 만의 내부로 진행하면서 상대적으로 주수로가 위치한 중앙부에서는 비교적 큰 전단응력 값을 보여주고 있는데 반해, 좌우의 해안선 주변 연안역에서는 비교적 작은 전단응력 값이 분포한다. 파랑 전단응력의 공간분포는 조류 전단응력의 경우와 달리 만의 중앙부와 주변부에 따른 차이가 뚜렷하게 나타나지 않고 있으며 만 입구로부터의 거리에 따라 점차 전단응력 값이 감소하는 형태를 보이고 있다. 해저퇴적물의 임계전단응력은 최소 약 0.01 N/m2 ～ 최대 약 1.0 N/m2의 범위로 계산되었으며, 분포양상은 조류 및 파랑의 전단응력 분포와 유사하게 북쪽의 만 입구 및 중앙부의 주수로 주변과 웅도-고파도 선의 북쪽해역에서 전반적으로 크게 나타나는 반면, 남측해역과 만의 좌우 연안, 그리고 남쪽의 태안읍 연안에서는 작은 값을 보인다. 퇴적물의 임계전단응력에서 조류와 파랑의 전단응력을 뺀 나머지 응력값을 계산 침식-퇴적 응력값의 계산 결과 전반적으로 가로림만의 입구와 웅도-고파도 선의 북측 해역 및 중앙부의 주수로 주변해역에서는 침식작용이 우세하게 일어나며, 그 반면에 만의 가장자리인 좌우의 해안선 주변 해역과 만의 남측인 태안읍 해안의 소규모 만 지역에서는 퇴적작용이 우세한 것으로 추론되는 바, 이러한 결과는 가로림만 퇴적물에 관한 기존의 연구결과(해양연구원, 2005 및 Lee, 2004)와 일치하였다. 조류 전단응력 및 파랑 전단응력의 지역적 분포를 퇴적물의 임계전단응력 분포와 대비하였을 때 뚜렷한 공간적 분포의 유사성이나 연관성은 찾기 어려웠으며, 이는 가로림만의 퇴적물 이동 양상은 조류와 파랑의 어느 한 요소에 의해 주로 영향을 받는 것이 아니라 두 가지 모두에 의해 복합적으로 결정된다는 점을 시사하는 것으로 이해된다. 본 연구의 특성상 첫째, 해류 및 파랑이 공존하는 해역에서의 퇴적물의 이동에중요한 영향을 미칠수 있는 두 요소 간의 비선형적 상승효과를 고려하지 못했고, 둘째, 파랑 수치모델의 입력 파랑을 하나의 주기와 파고를 갖는 단주기파로 가정하여 실제 가로림만에서 발생되는 파랑효과를 완전하게 고려하지 못하였으며, 셋째, 전단응력과 임계전단응력의 계산에 이용된 경험식의 선택에 있어 계산오차의 범위가 침식, 퇴적의 정량적 분석을 위한 한계를 넘었을 가능성이 있어 정확한 정량적 분석을 배제하고 가로림만 내에서의 침식과 퇴적에 관한 개략적인 패턴을 이해하는 범위에서만 적용한 것 등의 한계가 있었던 바, 이러한 한계에도 불구하고 퇴적물 현장조사 결과 및 수치모형과 경험식을 이용한 정량적 방법을 연안역에서의 퇴적물 침식, 퇴적 연구에 적용한 것은 그 의의가 있을 것으로 사료된다. 향후, 비선형 상호작용에 의한 전단응력 상승효과를 파악하기 위해서는 부유사를 포함한 퇴적물의 분포 및 이동 양상의 장기적이고 세밀한 관측과 더불어, 우리나라 연안해역의 해수유동 특성에 따른 전단응력 산정에 관한 이론연구와 수치모형을 통한 전단응력과 퇴적물 이동과의 관계 등이 역학적으로 명확하게 해석되어야 할 것으로 보인다.

The study area, Garolim Bay of gourd-shaped is located in the Taean Peninsula, the mid-west coast of Korea. Tidal currents and wind waves are simulated with EFDC and SWAN model for figuring out the effects of currents and waves on bottom sediment distribution in the bay. With the results of NORI(2004) and KORDI(2005) field work, threshold bed shear stress of bottom sediment, bed shear stress of tidal current and wind wave are calculated using empirical formulas of Rijn(1993) and Soulsby(1997) from the outputs of numerical models. It is roughly found out that local pattern of erosion-sedimentation in the bay through analyzing the calculated sedimentation-resuspension stress fields, which is subtracted the bed shear stress of current or wave, from threshold bed shear stress of bottom sediment. According to the field study of NORI(2004) and KORDI(2001), sandy mud is widely distributed in the Garolim Bay, whereas muddy sand with high contents of sand is locally distributed along west coast of bay. Calculated bed shear stress of tidal current exceed those of wind wave in most parts. The field of tidal bed shear stress shows maximum value at narrow entrance located north of the bay, and it is gradually decreased in advance to inner parts. They are relatively high in central part around the main stream, slowly decreased toward east and west coast. Bed shear stress of wind waves are similar to those of tidal current, except that there is no difference between off and on the coast. Calculated threshold bed shear stress field of bottom sediment ranges from 0.01 ～ 1.0 N/m2, shows high value at entrance and northern central part around the main stream whereas small value along the east, west and south coast. As a whole, it is presumed that erosion and resuspension process occurs at the entrance and northern part of the line of Gopado-Ungdo around main stream. On the other hand, sedimentation occurs along the east, west and south coast of the bay. These results are consistent with the former study of Lee(2004), and KORDI(2005). Compared the bed shear stress of tidal current and wind wave respectively with threshold bed shear stress, it is hard to find out any relations or similarities. This implies that sediment transport in the Garolim Bay mostly depends on both tide and wave with complexity, not only the one of tide or wave. This study has some limitations : ⅰ) any consideration about non-linear interaction effects between tide and wave, which is important in sediment transport process according to the former studies(Smith, 1977; Grant and Madsen, 1986) is not included, ⅱ) simple sinusoidal wave of one period is inputted as a forcing in wave model, which can not reflect the real wave effect on sediment transport, and ⅲ) there is a possibility of considerable error in applying the empirical formula of Rijn(1993) and Soulsby(1997) to calculate bed shear stress of current and wave. So only rough descriptive analysis of erosion, transportation and sedimentation pattern in Garolim Bay can be performed instead of precise quantitative analysis. In spite of all limitations described above, the attempt of applying the quantitative procedure to calculate bed shear stress with field work results, numerical models, and empirical formulas is meaningful in coastal sedimentology of KOREA. In the future study, it may be needed to research the relation of sediment transport and bed shear stress using quantitative method of applying theoretical dynamics with sediment numerical modelling and a long haul of bottom and suspended sediment observation.