서핑 파도의 형성이나 서핑 활동 자체에 영향을 주는 해안환경 요소들을 일컬어 서핑자원(Surfing Resources)이라 부른다(Atkin et al., 2019). 서핑은 적절한 쇄파가 발생할 때 즐길 수 있기 때문에 서핑 스팟의 해저 지형조건이나 해안선의 모양, 해안시설물 같은 해안환경 요소들은 적절한 상호작용을 이루고 있어야 한다. 이는 즉, 해변 인근에 새로운 항만시설, 방파제와 같은 해안시설물이 건설 또는 철거됨에 따라 서핑 파도가 생성 또는 소멸할 수 있다는 것을 의미한다. 마찬가지로, 동해안의 주요 이슈 중 하나인 해안 침식에 따른 해안선의 변화 역시 장기적인 관점에서 서핑 파도의 변화 요인이 될 수 있다. 따라서 서핑 산업이 자리 잡은 서핑 스팟에서는 서핑 파도의 지속가능성에 대한 중요도를 인지하고, 해안환경이 변화하거나 인근 해안시설물의 건설 및 철거가 이루어질 때, 기존의 서핑 파도가 사라지지 않도록 하는 서핑자원의 관리가 필요하다.

서핑자원의 관리는 특정 변인에 의해 시스템 전체에서 어떤 변화가 일어나는지 파악하는 데에서 시작한다. 그리고 이러한 변화를 쉽고 정확하게 예측하기 위해서는 해안환경의 정량화를 통한 장기적인 데이터 축적이 필요하다. 축적된 데이터를 통해 해안환경에 변화를 가져오는 사건이 발생했을 때, 과거의 경향성을 이용한 예측이나 사전(事前) 모의와 같은 방법을 통해 서핑 파도의 변화 가능성에 대해 대비할 수 있을 것이고, 체계적인 서핑자원 관리를 수행할 수 있을 것이다.

Fig. 1은 기획재정부에서 제시하는 타당성 평가의 흐름도에 서핑 파도의 지속가능성에 대한 평가항목을 추가한 것이다. 본 연구에서는 이처럼 서핑 산업이 지역 경제에서 중요한 요소로 자리 잡은 서핑 스팟에서 해안시설물의 건설 및 철거와 같이 서핑자원에 영향을 미칠 수 있는 사업의 계획 단계에서 서핑 파도의 지속가능성을 평가할 필요성을 제언하고 그 구체적인 방법에 대해 제시하였다. 이에 따라 연구 대상 지인 강원도 양양군 죽도해변에서 수행한 설문조사를 바탕으로 타당성 평가의 평가 요소로 활용가능한 경제성 분석의 시범적인 방법을 제시하였다. 또한, 서핑자원 관리의 핵심적인 역할을 수행할 파도의 서핑 가능성과 사업 수행 이후의 지속 가능성을 평가할 수 있는 방법을 죽도해변에서의 모의를 통해 제시하였다.

서핑 파도의 질적 보전을 위해 우수한 서핑 파도가 무엇인지를 정립할 필요가 있다. Henriquez(2005)는 서핑 파도의 서핑 가능성을 결정하는 요인들을 파속(wave velocity), 파고(wave height), 쇄파의 종류(breaker type), 그리고 파도가 부서지는 각(peel angle) 4가지로 제시했다. 이외에도 파도가 부서지는 강도(breaking intensity)와 같은 요소 또한 우수한 서핑 파도를 평가하는 항목이 될 수 있다.

실제 서핑을 하게 될 때 파도가 부서지는 순간에 맞추어 파도에 올라타야 하므로 파속이 너무 빠를 경우, 서퍼들이 파도를 따라잡기가 힘들게 된다. 천해에서 파속은

를 따른다.

충분한 파고가 확보된다면 파도가 반드시 부서지지 않더라도 파도를 탈 수 있다. 0.15 m 이상의 파고에서 서핑이 가능하지만, 0.5 m에서 10 m 사이의 충분한 파고를 가지고 부서지는 파도가 우수한 서핑 파도로 여겨진다(Henriquez, 2005). 그 때의 파고를 산정하는 방식에 대해서는 오래 전부터 많은 연구가 진행되어 왔으며, 수심, 바닥 경사 등의 요인에 의해 파도가 부서지는 파고가 결정된다고 알려져 있다. 제시된 수많은 식 중, 본 연구에서는 McCowan(1894) 이 제시한 수심과 파고의 비율에 의해 파도가 부서짐을 보여주는 식,

를 활용하였다. 이 때, 아래 첨자 b는 파도가 부서질 때를 의미하며, 쇄파 발생의 기준이 되는 수심과 파고의 비 κ = 0.78이다.

파도가 부서지는 형태에 따라 서핑 가능성을 평가할 수도 있다. 파도가 부서지는 해안에서의 Iribarren number(ξ_b)

의 크기를 통해 파도가 부서지는 형태에 따른 쇄파의 종류가 결정된다. s는 바닥 경사이며, L₀는 먼 바다에서의 파도의 파장 길이이다. Iribarren number에 따른 쇄파의 구체적인 분류범위는 Table 1과 같다.

숙련된 서퍼들의 서핑 장면을 보면, 서퍼들은 파도를 탈 때 해안에 수직한 방향이 아닌, pocket이라 불리는 파도가 이미 부서진 부분과 부서지지 않은 부분 사이에서 파도를 타는 것을 선호한다(Hutt et al., 2001, Fig. 2 참조).

파도가 진행하면서 pocket의 위치가 좌우로 이동하게 되는데, 서퍼들은 그 속도에 맞추어 서핑을 할 때 가장 오랫동안 파도를 탈 수 있다.

Fig. 3에서 볼 수 있듯이, 포켓의 이동 속도(V_p; peel rate), 파도의 속도(C)와 합한 속도(V_b; break rate)가 서퍼들의 최소 속도가 된다. 그리고 이 때 V_p와 V_b가 이루는 각의 크기를 파도가 부서지는 각(α)이라 한다. α, V_b는 파고와 함께 서핑 난이도를 결정하는 수치로 활용된다(Hutt et al., 2001).

Mead and Black(2001)은 세계적인 서핑 스팟의 해저바닥 지형, 수심, 파도의 특성을 조사하여 plunging 형태의 쇄파가 만들어내는 고리 모양(tube)이 파도가 부서지는 강도 그리고 바닥 경사와 관련이 있음을 밝혔다. tube의 횡방향 너비와 종방향 길이의 비를 vortex ratio라 부르고, 이 비가 1에 가까울수록 부서지는 강도가 강하며, 3 이상이 되면 약하게 부서지게 되어 서핑을 하기에 용이해진다(Mead and Borrero, 2017). 40여개의 서핑 스팟을 대상으로 바닥 경사(orthogonal seabed gradient; X)와 vortex ratio(Y)를 측정하여

의 선형성을 제시했다(R² = 0.71).

위의 서핑 파도를 평가할 수 있는 다섯 가지의 요소는 공통적으로 파도가 부서지는 곳의 수심이나 바닥 경사의 영향을 받는 것을 알 수 있다. 따라서 체계적인 서핑자원의 관리를 위해, 무엇보다 해저지형에 대한 장기적인 데이터 축적이 필요하며, 축적된 데이터를 활용하여 지속적인 해안환경의 변화 예측과 모의 또한 필요하다.

Delft3D는 FLOW, WAVE 등의 다양한 모듈로 구성되어 있어, 바람, 수심 및 해류 조건으로부터 파랑뿐 아니라 연안, 호수, 하구에서의 유사이송 및 지형변동을 3차원으로 모의할 수 있다(Booij et al., 1999; Ris et al., 1999). 본 연구에서는 3세대 파랑 모델인 SWAN(Simulating WAves Nearshore) model을 사용하는 Delft3D-WAVE 모듈을 사용하여 모의를 수행하였다. SWAN 모델은 쇄파와 같이 비선형 현상이 지배하는 상황에서도 파도를 2차원 파동 밀도 스펙트럼(wave action density spectrum)으로 표현할 수 있다. 에너지 밀도의 경우, 유체의 흐름(currents)이 존재할 경우, 보존되지 않기 때문에 SWAN에서는 에너지 밀도 스펙트럼(energy density spectrum; E(σ, θ)) 대신 파동 밀도 스펨트럼(N(σ, θ))을 고려한다. 이 두 스펙트럼에는

의 관계가 성립하며, 이 때 σ=ω-k→·U→는 흐름의 속도U→로 움직이는 좌표에서의 각주파수(relative frequency), θ는 파향(wave direction)을 의미한다. SWAN의 지배방정식은

의 파작용 평형방정식(spectral action balance equation)이다. c_x, c_y, c_σ, c_θ는 각각에서의 위상 속도를 의미한다. 우변의 S는 바람에 의한 공급이나, whitecapping, 마찰, 쇄파에 의한 소산, 파랑 간의 상호작용을 고려한 원천항(source term)이다.

SWAN 모델에 대한 상세한 내용은 Delft3D의 매뉴얼(Deltares, 2020)을 참고할 수 있다.

모의에는 큰 계산영역의 해석 결과를 작은 계산영역의 경계값으로 사용할 수 있는 nesting 기법을 활용하였다. 따라서 계산영역을 두 개의 영역으로 나누었으며, 최종적으로 결과 분석에 활용한 작은 계산영역은 죽도해변으로부터 2 km 해상까지의 영역이다(Fig. 7 참조).

본 연구에서는 죽도해변에서의 모의를 위한 경계값으로 양양군의 낙산해수욕장 전면 해상에 위치한 해양관측부이의 관측자료를 활용하였다. 2019년 9월부터 2020년 8월까지의 데이터를 계절별로 나누어, 이상치와 결측치를 제외한 유의파고(significant wave height), 최대파주기(peak wave period)의 평균값을 사용하여 모의를 수행하였다. 그 결과는 Table 4와 같다. 표를 통해 죽도해변 인근의 파도의 세기는 겨울 - 봄, 가을 - 여름 순으로 약해지는 것을 알 수 있다. Fig. 8은 계절별 유의파고와 최대파주기 데이터의 시계열 자료이다. 해안으로 흘러오는 파도의 방향은 해안의 수직한 방향인 75° (NE 방향)으로 설정하였다.

계절별 모의 결과 중, 파도의 세기가 가장 강한 겨울의 사례를 중심으로 분석하였다. 이를 통해, 양질의 서핑 파도가 도달하는 죽도해변에서 서핑 가능성을 평가하여 본 연구에서 제시하는 평가 방법을 검증하고, 죽도해변의 서핑 가능 구역이 어느 정도 규모인지에 대한 현황 분석을 수행하였다.

Fig. 9(a)와 (b)는 모의를 통해 계산된 유의파고와 최대파 주기의 결과이다. 식(2)의 파고와 수심의 비 κ 값은 파도가 부서지는 영역(surf zone)을 표현할 수 있는 지표가 될 수 있다. 단, 서핑은 파도가 부서지기 시작하는 순간에 시작되는 것이 아니라, 파도가 부서지기 전, 파고가 상승할 때 파도를 따라잡는 것에서 시작한다. 따라서 Fig. 9(c)에서 식(2)의 κ = 0.78보다 작은 κ > 0.68의 영역을 서핑가능 구역으로 표현하였다. Fig. 9(d)는 식(3)의 ξ_b를 활용하여, 쇄파의 종류를 표현한 결과이다. 모의 결과, ξ_b가 0.4를 넘기 전에 파도가 부서지며 해안 근처에서 0.2 < ξ_b < 0.4의 값을 가진다. 즉, 해안 근처에서 spilling 형태의 쇄파가 일어나는 것을 확인할 수 있다. Fig. 9(e)는 (c)와 (d)에서 두 가지 방법으로 표현된 서핑가능 구역을 겹쳐서 비교한 것으로, 두 영역이 거의 정확하게 일치함을 볼 수 있다. 이는 죽도해변은 주로 spilling 형태의 쇄파가 발생하는 우수한 서핑 스팟임을 보여준다. 또한, 이러한 방식의 서핑 가능성 평가가 실제로 서핑 파도가 도달하는 해안에서 적용 가능하다는 것을 확인할 수 있다. Fig. 9(f)는 서핑 가능 구역의 규모를 측정할 수 있는 방법으로, (c)의 서핑가능 구역의 해안으로부터 거리를 위도에 따라 표현한 것이다. 실선은 κ = 0.68, 점선은 각각 κ = 0.73, 0.63일 때로 (c)에서 서핑가능 구역의 기준을 임의로 설정하였기 때문에, 그 변동성을 표현하였다. Fig. 10은 계절별로 (f)의 서핑가능 구역의 규모를 κ = 0.68일 때로 비교한 것이다. 그 결과, 겨울 - 봄, 가을 - 여름의 순으로 그 구역이 넓음을 확인할 수 있었다.

이와 같은 방법으로, 해변에 어떤 종류의 쇄파가 발생하는지, 그리고 서핑가능 구역이 어느정도 크기가 되는지를 평가함으로써 서핑 스팟의 우수성을 평가할 수 있을 것이다. 이를 등급을 부여하는 식의 방법으로 절대적인 기준을 마련한다면 해안환경의 변화가 발생할 때 서핑 파도의 질이 떨어지지 않는지 또는 서핑이 지속가능한지 등에 대한 예측 및 사전검증을 수행할 수 있을 것이다.