고파랑 유입시 부유사 수평거동 개념에 의한 지속시간 제한 조건에서의 해안선 변동 예측 :The duration-limited shoreline response under a storm wave incidence by the concept of horizontal behavior of suspended sediments

김태곤

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김태곤 (성균관대학교, 성균관대학교 일반대학원)

지도교수: 이정렬

발행연도: 2021

저작권: 성균관대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수4

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2021

고파랑 유입시 부유사 수평거동 개념에 의한 지속시간 제한 조건에서의 해안선 변동 예측

김태곤 건설환경시스템공학과 2021.01 학위논문

2018

평형해빈단면 개념을 이용하여 파랑 에너지 유입에 따른 해안선 변동 해석

김태곤 , 이정렬 한국해양공학회지 2018.04 학술저널

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연안의 해안 침식은 고파랑이 갖는 파랑 에너지뿐만 아니라 지속시간에 따라 영향을 받는다. 고파랑 유입에 따라 쇄파대 내의 해빈단면의 변화를 예측하기 위한 많은 연구가 오랜 기간동안 수행되어 상당한 발전이 이루어졌다. 그러나 상당한 발전에도 불구하고 침식 영향 평가 용도로의 수치 모형의 계수에 대한 불확실성으로 인한 신뢰성이 부족하다. 또한 현재까지도 아직 장기간에 걸쳐 해빈의 횡단 방향의 침식과 퇴적 과정을 시뮬레이션하기에는 부족한 점이 많이 있다.
본 연구에서는 고파랑 유입에 따른 표사의 부유 및 회귀 과정을 수평적 거동으로 해석하여 파랑의 쇄파 작용으로 해안정선의 시간에 따른 후퇴 및 전진 과정을 지배하는 해안선 반응 모형을 ODE로 유도하였다. 지배방정식에 등장하는 표사 과정과 관련된 주요 계수는 파랑 쇄파 에너지에 의하여 부유되는 부유사 양을 나타내는 부유 계수와 수평적으로 해안을 향하여 회귀되는 회귀 계수가 있다. 두 계수간의 비율인 해빈 반응 계수는 현장 관측으로부터 거의 변하지 않는 값인 것으로 확인된 바 있다. 이는 어려운 현장 실험을 통하지 않아도 평형해빈단면식을 이용하여 현장에서 샘플링한 모래 중앙 입경만으로도 해빈 반응 계수를 추정할 수 있다.
기존의 유사한 모형들이 기적용된 Montano et al.(2020)의 뉴질랜드의 Tairua 해변에서의 파랑 자료와 해안정선 관측 자료를 본 연구의 해안선 반응 모형에 대해 타당성을 검증한다. 본 모형을 적용하여 해빈 반응 계수와 해빈 회귀 계수의 변화에 따라 모형 예측치의 민감도를 유사성(일치성) 판단 지표를 통하여 살펴보았다. 또한 평균 수위 상승에 따른 오차가 상관 빈도 분포와 해안 정선의 스펙트럼 분포에 미치는 영향을 살펴보았다. 평균 수위 상승의 영향이 스펙트럼 분포 개선에 지대한 영향을 미치는 것으로 판단되며 그 영향을 근사적으로 반영하면 유사성 지표에서도 향상된 값인 약 0.74의 상관 계수와 3.77의 평균 제곱근 오차가 얻어졌다.
그리고 미국 국립 해양 기상청(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)에서 제공하는 동해안의 40년간의 파랑 자료로부터 고파랑 시나리오별 지속시간 특성을 분석하고 각 시나리오의 누적된 쇄파 지점에서의 파랑 에너지와 관측된 해안선의 실제 변동성과의 상관 관계로부터 해안 침식의 취약성을 제시하였다. 고파랑 시나리오의 지속시간 분석을 위하여 해당 시나리오 별 최대파고에 대한 무차원 특성을 제시하고 대표성을 갖는 방정식을 제안한다. 그리고 해안선의 변동성은 우리나라 동해안에 위치한 맹방 해변에서 연간 4회씩 9년간 관측한 해안선 관측 자료를 통하여 이루어졌다. 해당 해변에 유입되는 누적된 파랑 에너지와 해안선 변동성과는 대체로 선형적인 관계를 보이고 있다. 또한 유입하는 파랑 시나리오의 최대 파고를 알면 해안선이 얼마나 후퇴할 수 있는지를 파악하는 간단한 방법이 제시된다.

Coastal beach erosion is affected by not only the wave energy of a storm wave, but also its duration. Many advancements have been made for a long time conducted many studies to predict changes in the breaking wave zone according to wave incidence. However, despite such progress, the reliability of the numerical model to diagnose and evaluate beach erosion effects have not been sufficiently attained due to the uncertainty of related factors. It is reported that there is still no individual model that can simulate the cross-shore sediments transport process of the beach recovery and erosion over a long period of time is no needed.
In this study, an ordinary differential equation that governs shoreline evolution over time due to the wave breaking was derived by analyzing the sediments suspension and recovery process as a horizontal transport according to high wave. The main factors related to the sedimentation process include beach erodibility factor, which represents the amount of
sediments suspended by breaking wave energy, and the beach recovery factor that represents the sediments that return to the beach horizontally. The beach response factor, which is the ratio of these two factors, has been found by field observation of Yates et al. (2009) to be a value that rarely changes by beaches. Furthermore, the beach response factor can be estimated by the median grain size of sand sampled from the site applying
the equilibrium beach profile equation of Dean (1977) without using a field experiment. The model was applied using the wave and shoreline data in Tairua Beach (New Zealand), which had been applied by Monta?o et al. (2020) to verify the validity of existing similar models. In addition, the sensitivity of model predictions according to the change of the beach response factor and recovery factor was examined using a similarity indicator. It was found that the error according to the wave set-up has a significant effect on the correlation frequency distribution and the spectrum distribution of shoreline evolution. When this effect was reflected approximately, improved similarity indicators, that is, a correlation of approximately 0.74 and an root mean square error of 3.77, were obtained.
Furthermore, the changes in shoreline evolution in the time and spectrum domains reflecting the errors due to set-up level in the prediction results were plotted.
Analyzes the duration characteristics for different storm wave scenarios using wave data obtained over 40 years; these data were provided by the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). To analyze the duration of storm wave scenarios, we propose dimensionless characteristics for peak wave height per storm wave scenario and a representative mathematical function for storm wave scenarios. Shoreline variability is
calculated using the shoreline survey data for Maengbang Beach, located on the eastern coast of South Korea, measured quarterly for nine years. The cumulative breaking wave energy flowing into the beach generally exhibited a linear relationship with the shoreline variability. Therefore, this study suggests a simple method to determine the extent to which the shoreline retreats given the peak wave height of the incoming wave scenario.

#횡단표사 #부유사 수평 거동 모형 #해빈 회귀 계수 #해빈 반응 계수 #고파랑 시나리오

제 1 장 서 론 1
1.1 연구의 배경 및 필요성 1
1.2 연구의 목적 및 내용 3
1.3 논문의 구성 6
제 2 장 연구의 동향 8
2.1 횡단표사 이동에 의한 해빈 단면 변화 8
2.2 평형해빈단면과 관련된 연구 동향 10
2.2.1 Bruun (1954)의 평형해빈단면 경험식 11
2.2.2 Dean (1977)의 평형해빈단면 경험식 11
2.2.3 Larson (1991)이 제안한 평형해빈단면 식 12
2.2.4 Jara 등(2015)이 제안한 평형해빈단면 식 13
2.3 해빈 지형 변화와 관련된 연구의 동향 15
2.3.1 해안선 반응 모형 16
2.3.2 해빈 단면 및 해저면 변화 모형 18
제 3 장 해안선의 시간적 변화 예측 20
3.1 부유사 발생과 침식 깊이와의 관계 20
3.2 부유사 수평거동 개념에 의한 해안선 반응 25
3.3 기존 타 경험식과의 비교 31
3.3.1 Wright 등(1985) 식과의 비교 31
3.3.2 Hanson과 Larson(1998) 식과의 비교 32
3.3.3 Miller와 Dean(2004) 식과의 비교 33
3.3.4 Yates 등(2009)의 식과의 비교 34
제 4 장 해안선 후퇴의 수렴성 35
4.1 파랑에너지와 평형해안선(ESP)의 관계 35
4.2 비례 상수 의 추정 38
제 5 장 해안선 반응 모형 적용 및 계수 민감도 분석 46
5.1 해안선 반응 모형의 적용 46
5.2 해안선 반응 모형의 해빈 반응(beach response) 검증 50
5.2.1 쇄파 에너지로의 변환 50
5.2.2 관측 자료와의 비교 분석 51
5.2.3 해안선 변동 주파수 스펙트럼 분석 54
제 6 장 맹방해변에서 고파랑 시나리오의 추출과 Beach Erosion Potential 65
6.1 고파랑 시나리오 분석 65
6.1.1 NOAA 파랑자료 65
6.1.2 파고 시나리오의 time evolution 분석 68
6.1.3 해빈침식의 파랑에너지 잠재력(WEP) 70
6.2 해안선 관측 자료로부터 해안선 변동성 분석 73
6.2.1 맹방해변에서의 침식실태조사 73
6.2.2 중앙입경 자료로부터 수렴 침식 폭의 추정 74
6.2.3 해안선 관측 자료로부터 변동성 분석 77
6.3 해안선의 해빈 반응 분석 82
6.3.1 유입파고의 극치분석 82
6.3.2 맹방해변 침식 취약성 분석 84
6.3.3 쇄파 에너지별 지속시간 영향력 분석 86
6.4 해빈 회복 계수의 추정 및 해빈 취약성 지표 89
6.4.1 평형해안선 지배방정식 89
6.4.2 해빈 회귀 계수(beach recovery factor) 의 추정 90
6.4.3 해빈 취약성 지표 91
6.4.4 SWSM식의 적용에 따른 최대 침식 폭 예측 93
제 7 장 결 론 96
참 고 문 헌 99
부 록 111

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