| Home | E-Submission | Sitemap | Contact Us |  
Kim and Han: Applicability of Investigation Modified Design Wave Model Considering Diffraction and Water Depth Effects

Abstract

The purpose of this study is to review and overcome the limits of the existing design wave model applied to such waters as those located inside bays or near islands where the impact of wind influenced waves are more dominant, due to the nature of topographic isolation, than the influence of direct waves coming from the open sea. Although the existing model for an inside bay design wave is excellent for considering wind factors and very adaptable to topographically complicated areas compared to other models, it is difficult to show the wave diffractions and reflections caused by large scale structures or topographic features in the region. The study examined the various methods capable of taking into account wave diffraction, the angle of wave reflection, and changes in water depth. As a result of applying the modified design wave model to the target situation (inside bay or near island areas), it was found that the reliability of the design wave height around marine structures was improved, compared to the existing models. Therefore, it is fair to predict that the new model could provide more accurate design waves in the design of marine structures.

Abstract

본 연구에서는 만 또는 도서지역과 같이 지형적으로 차폐되어 외해로부터 직접적인 파랑전파가 어렵고 바람에 의해 발달된 파랑의 영향이 클 것으로 판단되는 지역에 사용되는 기존 만내설계파 모델의 문제점을 분석하고 개선방안을 검토하였다. 기존 만내설계파 모델은 바람을 고려할 수 있고 타 모델에 비해 복잡한 지형에도 비교적 간편하게 사용할 수 있는 장점을 지니는 반면 인근 대형 구조물 또는 지형에 의한 파랑의 회절 및 반사 등의 고려가 곤란하다. 기존모델의 단점을 극복하기 위해 회절 및 반사각, 수심변화 등의 고려가 가능한 개량된 만내설계파 모델을 현지에 적용하고 기존 모델과 비교·검토한 결과 구조물 주변에서 설계파고의 값에 신뢰성이 향상되는 것을 확인하였다. 따라서 개선된 만내설계파 모델은 차폐되어 있는 해역에서 항만 구조물 설계 시 기존의 방법에 비해 보다 고정도의 설계파를 산정하는 방법으로서 이용될 수 있을 것으로 판단된다.

1. 서 론

방파제 건설시 과대한 설계파의 산정은 비경제적인 구조물을 야기시키고, 반대로 과소한 설계파의 산정은 구조물의 안정성을 담보할 수 없을 뿐만 아니라, 피해 발생 시 막대한 복구비가 소요된다. 과거 25년간(1976~2000년) 국내에서 발생한 주요 항만시설물의 피해사례를 조사해보면 구조물에 대한 설계파고 보다 큰 파랑이 내습하여 피해가 발생한 경우가 전체 피해의 약 79%에 달한다.
이와 같은 피해발생의 주요 원인은 해양환경 변화로 인해 심해설계파가 증대되었음에도 불구하고, 파랑관측 자료의 부족 및 수치모형의 부정확성 등으로 구조물에 대한 설계파의 과소평가에 기인한 것으로 판단된다. 현재 국내에 건설되고 있는 항만구조물은 일반적으로 50년 재현빈도의 심해설계파에 기초하여 천해설계파를 산정하고 있다. 하지만 우리나라 서남해안 지역과 같이 대규모의 만 또는 다수의 섬으로 이루어진 복잡한 지형으로 인해 외해로부터 파랑이 차폐되는 해역에서는 일반적으로 사용되는 심해설계파 추정자료를 적용하기는 곤란하다.
차폐해역에서 설계파를 추산하는 방법으로는 크게 유의파법과 스펙트럼법으로 분류할 수 있다(Nakai et al., 1990). 최근에는 스펙트럼모델에서 발전된 비선형모델인 SWAN, WAM, Wave Watch Ⅲ, JWA3G 모델 등도 이용되고 있다. 하지만, 이러한 비선형모델들은 격자해상도에 따라 계산비용이 증가하는 경향이 있기 때문에 지형이 복잡하고, 시공단계별 검토 등 상세한 격자구성이 필요한 해역에 대해서는 간편하게 적용하기 어려운 단점을 지닌다. 또한 이러한 사항을 고려하여 현장에서 이용할 만큼 간편하고 정도 높은 설계파 추산법은 보편화 되어있지 않다. 아울러 차폐해역에서 안정성과 신뢰성을 고려한 최적의 연안구조물을 설계하기 위해서는, 파랑이외에 풍속, 풍향 등 지형적인 조건과 시공 중 발생할 수 있는 해양환경적 변화들을 정도 높게 예측할 수 있는 수치모형의 개발 및 개선이 필요하다.
본 연구에서는 차폐해역에서 간편하게 이용할 수 있는 스펙트럼법을 이용한 파라메타모델인 만내설계파 모델(Shin et al., 2005)에 회절, 반사각 및 수심효과를 고려하여 모델의 개선을 시도하였다. 개량된 만내설계파 모델은 차폐해역에서 비교적 신속하고 간편한 계산이 가능한 기존 모델의 장점을 그대로 유지하면서, 공사 단계별 검토를 시도 할 경우뿐만 아니라 인접지역에 해양구조물이 건설된 경우 파의 회절 및 반사등 인근 구조물로 부터 미치는 여러 가지 영향을 동시에 고려할 수 있으므로 산출파고의 정도를 높일 수 있어 보다 신뢰성 있는 만내설계파 산정이 가능 할 것으로 판단된다

2. 기존 만내설계파 모델의 개량

2.1 만내설계파의 기본방정식

만내설계파 모델은 Goto(1988), Nakai et al.(1990)에 의해 제안된 파라메타법을 천해역에 적용한 것으로, 유의파법에 의한 파랑 발달을 고려한 에너지평형방정식(Karlsson, 1969)에 기초한다.
특히 유의파 추산을 위해 본 모델에 적용된 Wilson법은 심해역을 그 대상으로 하기 때문에 천해역의 감쇠효과를 고려한 Ijima(1986)식이 보다 타당하다고 생각되지만, Ijima식의 적용시 감쇠항의 영향으로 인해 대상해역에서 실측치보다 과대평가할 수 있으므로 비교적 안전값을 고려하는 Wilson식을 적용하였다. Wilson법에 의한 유의파의 추산식은 다음식과 같다.
JKSCOE_2013_25v6n_349_f0s1.jpg
여기서, 유의파고, 주기, 취송거리는 해상 10 m 높이의 풍속, 중력가속도를 사용하여 다음과 같이 무차원화 할 수 있다.
JKSCOE_2013_25v6n_349_f0s2.jpg
만내 발생파에서 파의 전파에 따른 단위시간 당 파랑에너지의 발달은 파랑에너지의 취송거리에 의한 증분을 이용하여 다음과 같이 표현된다.
JKSCOE_2013_25v6n_349_f0s3.jpg
식(1)을 이용하여 파랑에너지의 취송거리에 의한 증분을 나타내면 식(4)와 같다.
JKSCOE_2013_25v6n_349_f0s4.jpg
여기서, H*'는 파랑에너지로부터 산정되는 무차원 파라메터이며 취송거리는 파랑에너지(파고)에 의해 표현된다.
JKSCOE_2013_25v6n_349_f0s5.jpg
식 (3)은 일정한 풍속시에 파랑에너지로부터 파랑의 전파에 따른 에너지 증가율을 추정하는 식이다. 이것을 고정된 좌표계에서의 에너지 평형 방정식으로 표현하면 다음과 같이 된다.
JKSCOE_2013_25v6n_349_f0s6.jpg
여기서, S는 파랑의 방향 스펙트럼, (x, y)는 수평좌표, θ는 x축으로부터 반시계 회전에 측정한 파향각, εb는 에너지 감쇠계수며 특성 속도(vx, vy, vθ)는 다음식과 같다.
JKSCOE_2013_25v6n_349_f0s7.jpg
(s, n) 파향·파봉에 연관된 좌표, C는 파속, Cg는 군속도, Sin은 식(9)에서 얻어지는 바람에 의한 에너지 유입항이다.
JKSCOE_2013_25v6n_349_f0s9.jpg
만내발생파 모델의 기본방정식인 에너지평형방정식은 상기와 같이 계산함으로서 굴절, 천수변형, 쇄파 변형의 고려가 가능하며 광역의 파랑 변형 계산 모델로서 많이 이용되고 있으나 파랑의 반사나 회절효과를 고려하지 못하는 문제점이 계속 지적되어 왔다. 따라서 개량된 모델에서는 회절 및 반사각, 수심변화등을 고려할 수 있도록 개선하였다.

2.2 회절효과

본 모델의 기본방정식인 에너지평형방정식은 전술한 바와 같이 위상평균모델로 평균화에 의한 위상정보의 부재로 파랑의 회절효과를 고려할 수 없었지만, 최근에는 위상평균모델에 회절효과를 도입한 연구가 다수 진행되고 있다. 대표적인 연구로 Booij(1997), Revero(1997), Mase(1998)의 연구를 들 수 있다. Booij(1997), Revero(1997)의 방법은 특성속도에 회절의 효과를 음적으로 도입한 것이며, 이에 비해 Mase(1998)의 방법은 특성속도에 양의 형태로 회절항을 도입한 것으로 후자가 비교적 계산이 용이하고 안정된다는 장점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 Mase(1998)가 제안한 회절항을 도입하였다. 이 방법은 포물형태 파동 방정식을 기본으로 회절항을 정식화하여 에너지 평형 방정식에 도입한 것이며, 기본적인 포물형태 파동 방정식은 다음과 같다.
JKSCOE_2013_25v6n_349_f0s10.jpg
식(10)에 A의 공액 복소수를 곱한 것과 전체의 공역 복소수에 A를 곱한 것을 더해, 즉, {식 (10) × A*}+{식 (10)* × A}를 구하면, 식 (11)를 얻을 수 있다.
JKSCOE_2013_25v6n_349_f0s11.jpg
위의 식이 성립되기 위해서는 다음과 같은 조건이어야 한다.
JKSCOE_2013_25v6n_349_f0s12.jpg
식 (12)는 에너지의 보존식을 나타내고, 식(13)은 회절에 의한 에너지의 균형을 나타낸다. 파랑 에너지는 E ∝ |A|2이고, 식(10) 및 식(13)의 좌변 제1항은 E로 표현 할 수 있지만, 제2항의 Ay Ay*은 E로 표현할 수 없다. 여기서, A = a + ib로서 얻을 수 있다. Ay Ay*의 표시식이 가능한 한 같게 되도록 Eyy/4로 한다. 따라서, 식(13)은 다음 식과 같이 된다.
JKSCOE_2013_25v6n_349_f0s14.jpg
여기서, 식(12)의 좌변이 식(6)의 좌변과 비교하여 에너지 E를 방향 스펙트럼 S로 간주한다. 그리고, 거의 “0”인 식(14)의 ES로서 식(6)의 우변에 더하면 모델의 방정식은 다음과 같다.
JKSCOE_2013_25v6n_349_f0s15.jpg
여기서, x는 회절항에 관한 영향 계수이다. 포물형태 근사 방정식은 파랑의 전파 방향인 x축방향에 수직인 방향으로 회절 효과를 도입할 수가 있다. 여기에서는 다방향 불규칙파의 성분파 각각에 회절 효과를 도입하려고 하는 것이다. 각각의 성분파의 전파 방향은 x축과는 다르며 그 만큼 cosθ에 대한 계수가 추가된다.
회절항의 효과를 검증하기 위해 기존의 만내설계파 모델과 회절항을 추가로 도입한 개량된 만내설계파 모델을 이용하여 방파제의 상대 개구폭이 B/L = 2와 8인 경우에 대해, 무차원 파고계산을 수행하였으며, 계산결과를 Goda(1975)의 해석치와 비교하였다(Figs. 1, 2). 보다 상세한 비교를 위해 바람에 의한 에너지 증분은 고려하지 않았으며, 회절영향계수 k는 2.5를 적용하였다. Figs. 12에서 확인되는 바와 같이 B/L = 8에서는 회절항의 도입여부와 관계없이 계산결과가 Goda(1975)의 실험결과와 비교적 잘 일치하였지만, B/L = 2에서는 회절계수를 고려한 경우의 실험결과가 Goda(1975)의 실험결과를 보다 정도 높게 재현하고 있음을 확인할 수 있다.
Fig. 1.

Experiment results of testing Diffraction (B/L = 2).

JKSCOE_2013_25v6n_349_f001.jpg
Fig. 2.

Experiment results of testing Diffraction (B/L = 8).

JKSCOE_2013_25v6n_349_f002.jpg

2.3 반사각의 도입 및 효과 검증

본 모델의 기본방정식인 에너지평형방정식은 전술한 바와 같이 위상평균모델로서 평균화에 따른 위상정보의 상실로 인해 이론적으로 파랑의 반사효과를 고려할 수 없다. 이에 Tomotsuka et al.(1990)은 파랑의 반사항을 도입한 실용적인 에너지 평형방정식을 제안하였다. 본 연구에서는 Tomotsuka et al.(1990)에 제안된 방법을 이용하여 에너지 평형방정식에 파랑의 반사효과를 고려하였다.
계산의 대상영역을 정방격자로 근사시키면, 육상경계나 방파제와 같은 구조물은 격자선으로 얻을 수 있게 된다. 특히 구조물에 작용하는 반사파는 반사조건에 따라 취급을 달리하면 Fig. 34와 같은 2가지 경우로 나타낼 수 있다. Fig. 3 4의 사선부를 반사경계면이라고 하면, x축에 수직인 경계면에서 반사된 파랑은 외해측으로 돌아가고, y축에 수직인 경계면에서 반사된 파랑은 해안방향으로 전파되게 된다.
Fig. 3.

Wave reflection on the plane perpendicular x-axis.

JKSCOE_2013_25v6n_349_f003.jpg
Fig. 4.

Wave reflection on the plane perpendicular y-axis.

JKSCOE_2013_25v6n_349_f004.jpg

2.3.1 x, y축에 수직인 경계에서의 반사파

y축에 수직인 반사경계에서 반사된 파의 방향은 반사면에 대해 대칭이 된다. 따라서 계산 영역보다 외측의 격자점(x, y = δy)이 K2ryS(x, y + δy, f, −θ)가 되는 스펙트럼을 가지는 파랑이라 가정하고 y축 반사경계면 조건을 적용하여 식(6)을 계산하고 입력조건으로 격자좌표와 반사율(Kry)을 고려하면 y축에 수직인 경계에서의 반사파 계산도 동시에 수행 할 수 있다. 단 식(6)의 계산시, 입사파의 성분파는 모두 x축에 정방향으로 진행되는 파랑의 조건으로 해석하기 때문에, y축에 수직인 경계에서의 반사파는 모두 해안방향으로 진행되는 파랑이 된다. x축에 수직인 반사경계에서 반사된 파랑은 외해측으로 돌아가기 때문에 반사파를 계산할 수 없으므로 식(6)의 계산시 반사파 조건을 고려하지 않은 상태와 반사파 조건을 고려한 상태 2가지로 나누어 계산하고 계산결과를 중첩하여 파고를 산정하는 방법을 채택하였다. 반사파 조건을 고려한 계산 방법은 반사되는 파랑의 격자만큼 K2ryS(x, y, f, 2πθ) 스펙트럼을 가지는 파랑이 존재한다는 가정하에 반사파랑의 좌표 조건을 이용한 외해측의 상태를 고려함으로서 계산영역 내에서 식(6)을 2회 계산한 계산결과를 중첩하여 파고를 산정하였다.
x축 계산시 외해측에 파를 반사하는 경계가 존재하는 경우에는 이 경계의 격자좌표와 반사율(Krx)을 입력조건으로 적용하며 식(6)을 이용하여 외해측의 반사파를 보정하는 경우에는 Sin을 “0”으로 설정하였다.

2.3.2 경사면에서의 반사효과

기존의 방법은 Fig. 5(a)와 같이 계산 격자체계가 직각으로 구성되고 반사파의 진행 방향도 직각인 면에서만 결정되므로 Fig. 5(b)와 같이 경사진 면에 대한 반사각의 개선이 필요하다. 특히 항만구조물 설계시 생성되는 반사파는 인근지역과 구조물에까지 상당한 영향을 미칠 수 있으며, 방파제 두부와 우각부, 도제 주변에서는 중복파보다도 파고가 커지므로 파고 증대에 따른 반사파 검토가 이뤄져야 한다.
Fig. 5.

Wave reflection on boundaries of structures.

JKSCOE_2013_25v6n_349_f005.jpg
따라서 본 연구에서는 Fig. 6과 같이 가장 일반적인 항만형상과 구조형식을 선정하여 경사면에서의 반사각 효과를 검증했다. 격자간격은 5 m의 정방격자를 이용하였으며(Dx = 1200, Dy = 1000), 항내수심은 7 m의 일정수심과 반사파 저감을 위하여 방파제 항내 일부는 소파구조로 고려하였다. 또한 Goda(1990)의 반사율을 참고로, 소파구조는 0.4, 직립구조는 0.9를 적용하였다.
Fig. 6.

Testing effects of reflection angle on slopes.

JKSCOE_2013_25v6n_349_f006.jpg
Fig. 6에 경사면에서의 반사효과에 대한 계산결과를 보인다. 반사각을 고려하지 않았을 경우 Fig. 6(a)과 같이 입사된 방향으로 다시 파향이 반사되는 것을 확인할 수 있으나 반사각을 고려하였을 경우에는 Fig. 6(b)에서 알 수 있듯이 구조물의 수직선과 입사파와의 입사각이 70o보다 큰 경우 이므로 machstem이 존재하여 구조물로부터 직각 방향으로 파가 형성되어 반사되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 개량된 만내설계파 모델의 경우, Fig. 6(b)과 같이 구조물의 배치형태에 따른 반사각을 고려할 수 있으므로 구조물에 의한 반사파의 산정시 보다 정확한 파랑 변화를 예측할 수 있을 것으로 판단된다.

2.4 쇄파에 의한 파고 감쇠항의 도입

본 모델에서는 Tomotsuka et al.(1990)이 제안한 것과 동일하게 쇄파로 인해 감쇠되는 파랑 에너지는 각각의 성분파 에너지에 비례한다고 가정하여, 다음 식(18) 같이 에너지평형방정식을 개량하였다.
JKSCOE_2013_25v6n_349_f0s18.jpg
여기서, εb는 단위시간에 쇄파에 의한 에너지 소산율을 나타내며, εb의 값은 계산격자 내에 진입한 파랑이 나오는데 필요로 하는 평균시간에 비례한다고 가정하여 다음 식(19)와 같이 나타내었다.
JKSCOE_2013_25v6n_349_f0s19.jpg

2.5 수심변화효과의 검증

천해역의 파고는 파의 진행을 방해하며 장애물 역할을 하고 있는 많은 섬들이나 천수 변형에 따른 지형적인 요인으로 상대적으로 낮게 형성되거나, 이와는 반대로 파의 회절 및 굴절 효과가 중첩되어 높게 형성될 수도 있다. 이러한 경우 굴절, 회절 및 천수변형도 고려해야 함으로 Sakamoto와 Ijima등은 Wilson의 심해풍파 도식계산법을 천해풍파에 확장했다. 특히 Ijima는 전자계산기를 이용해서 평면적인 풍역내의 파랑을 추산하는 방법을 개발하고, 이를 위하여 심해파에 대한 Wilson의 식에 기초하며 천해역의 취송거리 도표를 다음 식(20)과 같이 정식화 하였다.
JKSCOE_2013_25v6n_349_f0s20.jpg
JKSCOE_2013_25v6n_349_f0s21.jpg
파랑은 풍역 내의 임의의 점으로부터 임의의 시각에 출발해서, 각 시점의 도달 위치에서의 풍향에 따라 진행하며, 파랑이 진행해 온 방향과 풍향이 각도 θ만큼 다를 경우, 파고가 H0= Hcosθ로 감소한다고 가정하고 계산을 한다(단 주기는 연속이라고 가정한다).
본 연구에서는 바람에 의한 파랑에너지 도입항의 풍파발달식으로 Ijima식을 사용하였다. 개량된 에너지 평형방정식 모델의 적용성을 검토하기 위하여 간단한 격자를 수립하여 취송거리(Fetch)거리에 따른 파고를 산정하여 계산하였으며 W.M.O(1998)에서 제시한 무차원 취송거리에 따른 무차원 파고의 곡선과 산출결과를 비교검토하였다.

2.5.1 Fetch 거리에 따른 파랑발달 검토

해역에서 일정한 풍속의 바람이 불기 시작하면 해면에서는 파랑이 발생하고, 그 파고와 주기는 시간에 따라 커지며, 그 풍속에 대응하는 값까지 상승되는데, 이를 과도상태라 한다. 이때 파고나 주기는 풍속과 취송시간에 의해 결정되며, 일정 시간 후 그 크기도 일정하게 유지된다.
따라서 본 검증실험에서는 바람에너지에 의한 파고 발달 상황만을 검토하기 위하여 파의 유입은 제한하였으며, 수심이 일정한 이상적인 해역에서 10m/s의 풍속이 일정방향으로 지속적으로 유지되게 하였다. 모델의 격자구성 및 기타조건은 계산의 용이성을 위하여 다음과 같이 설정하여 Table 1에 정리하였으며, h* = 0.2, 1.0, 5.0의 경우에 대해서 검증실험을 수행하였다. 특히 격자간격을 변화시켜 계산함으로 W.M.O에서 검토된 무차원 취송거리인 X*=100~107 범위를 만족시킬 수 있도록 하였다.
Table 1.

Experiment specification for testing wave development by fetch

Variables Value
Lattice h* = 0.2, h* = 1.0
: 3000*750(δx = δy = 50~1,000 m)
h* = 5.0 : 200*1000(δx = δy = 50~100,000 m)
Water depth h* = 0.2 : 2.04 m
h* = 1.0 : 10.20 m
h* = 5.0 : 51.02 m
Wind velocity U = 10m/s
Major factors Non-dimensional fetch distance X* = gF/U2
Non-dimensional water depth h* = gh/U2
Non-dimensional significant wave height
H* = gH/U2

2.5.2 Fetch 거리에 따른 파랑발달 검토 실험결과

취송거리에 따른 파랑발달현상의 검증실험결과, 무차원 파고가 H* = 0.3, 0.15, 0.05 정도에 다다르면 취송거리가 연장되어도 거의 일정한 파고가 유지되는 것을 알 수 있었다.
Fig. 7에서 나타낸 바와 같이 무차원 파고의 크기에 약간의 차이는 있으나, WMO(1998)에서 제시된 무차원 파고곡선의 경향과 비교적 잘 일치하는 것을 알 수 있으며, 이러한 검증실험의 결과로서, 개량된 에너지 평형방정식 모델의 바람에 의한 파랑에너지 도입항의 신뢰성이 입증되었다고 판단된다.
Fig. 7.

Non-dimensional wave height curve by fetch distance.

JKSCOE_2013_25v6n_349_f007.jpg

3. 모델의 현지적용 및 고찰

개선된 만내설계파 모델을 현지에 적용하여 회절 및 반사에 따른 산출파고의 변화를 검토하였다. 대상해역은 Fig. 8에 보이는 바와 같이 지형적으로 심해에서의 파랑이 차폐되어 바람에 의한 풍파가 우세한 광양만 서측해역으로 설정하였다. 대상해역과 같이 만내측에 계획시설이 위치하는 경우 만에서의 바람에 의한 파랑발달이 외해로부터의 유입파랑에 비해 훨씬 탁월하게 나타난다.
Fig. 8.

Depth contour map.

JKSCOE_2013_25v6n_349_f008.jpg
만내설계파 모델의 주된 외력조건인 바람자료는 대상해역과 가장 인접한 여수기상대의 20년간(1986~2005년) 연도별, 방향별, 최대풍속자료를 이용하였으며, 육상에서의 관측풍을 해상풍으로 보정한 후, 10년, 20년 및 50년 재현빈도의 설계풍속을 Goda의 방법에 의한 극치분석으로부터 산정하였다. 모델에 사용된 조위는 삭망평균만조위(H.W.L)인 1.782 m를 적용하였으며, 대조차 및 소조차는 각각 3.16 m과 1.15 m 로 조사되었다.
본 연구에서는 묘도 및 서측 컨테이너 부두등에 의한 회절효과 및 서측 컨테이너부두 및 여수 국가산업단지의 반사효과를 중점적으로 검토하였으며, 실험조건은 Table 2에 보인다. 반사를 적용하는 CaseIII에서는 서측 컨테이너부두 및 여수 국가산업단지의 반사파만을 적용하여 수치실험을 진행하였다.
Table 2.

Experiment specification

Case Wind Lattice Diffraction Reflection
Case I
Case II
Case III
Direction:
ENE Maximum velocity
for 50 years: 39.26 m/s
26.7×17.7 km
dx = dy = 30 m
(890×590)
Non-applicable

Diffraction
influence factor k = 2.5

Non-applicable

Kr = 0.6
Fig. 910에 수치모형실험결과를 나타냈다. Fig. 9에서 확인되는 바와 같이 회절계수의 적용 유무에 대한 파고변화는 묘도 남측 수로부만을 제외하고 미미하게 나타났다. 이는 대상해역과 같이 수심이 복잡한 지형에서는 파랑의 회절효과에 비해 굴절, 천수변형 등에 의한 영향이 상대적으로 크게 작용하기 때문인 것으로 사료된다.
Fig. 9.

Comparison of change in wave height by diffraction factor.

JKSCOE_2013_25v6n_349_f009.jpg
Fig. 10.

Comparison of change in wave height by angle of reflection.

JKSCOE_2013_25v6n_349_f010.jpg
반면, Fig. 10 의 반사각 적용에 따른 파고변화는 서측 컨테이너부두 및 여수 국가산업단지 전면해역에서 0.2 m 정도로 비교적 크게 나타났으며, 묘도 인근해역의 파고가 0.8 m 이상까지 상승하는 영향을 미치고 있는 것을 알 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 만 또는 도서지역과 같이 지형적으로 차폐되어 외해로부터 직접적인 파랑전파가 어렵고 바람에 의해 발달된 파랑의 영향이 클 것으로 판단되는 지역에 사용되었던 기존 만내설계파 모델의 문제점을 분석하고, 개선방안을 검토하여 다음과 같은 결과를 도출 할 수 있었다.
기존 만내설계파 모델은 바람을 고려할 수 있고 타 모델에 비해 복잡한 지형에도 간편하게 사용할 수 있는 장점을 지니고 있지만 인근 대형 구조물 또는 지형에 의한 파랑의 회절 및 반사등의 표현이 쉽지 않은 단점이 존재한다. 따라서 먼저 Mase et al.(1998) 등이 제안한 회절항을 모델에 도입하고 풍파 발달에 따른 회절효과 검증실험을 통해 모델의 신뢰성을 확보하였다. 대상해역과 같이 수심 및 지형조건이 복잡한 해역에서는 회절의 영향이 비교적 작게 나타나는 것을 확인 할 수 있었는데, 이는 파의 굴절 및 천수변형 등의 영향이 우세하기 때문인 것으로 판단된다. 또한 기존 모델의 경사면 반사조건을 개선하고, 가장 일반적인 항만형상과 구조형식을 선정하여 반사각 효과를 검증하였다. 대상해역의 구조물 반사파 영향이 비교적 크게 나타남으로 반사파 결과가 개선되어 정확한 파랑 변화를 확인할 수 있었으며, 모델의 신뢰성을 입증하였다.
수심 변화에 따른 효과를 검증하기 위해 바람에 의한 파랑에너지 도입항인 풍파발달식으로 Ijima(1986)식을 사용하여 취송거리(Fetch)거리에 따른 파고를 산정하였다. W.M.O(1998)에서 제시한 무차원 취송거리에 따른 무차원 파고의 곡선과 산출결과를 비교검토하여 결과가 비교적 잘 일치하는 것을 알 수 있었다.
이상으로부터, 회절 및 반사각, 수심변화등을 고려할 수 있도록 개선된 만내설계파 모델은 기존의 방법에 비해 보다 간편하게 정도 높은 천해설계파를 산정하는 방법으로 이용될 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구는 해상에서의 기상관측 자료가 극히 제한되어 있는 광양만 서측해역의 영구 또는 반영구 구조물의 건설을 위한 설계파를 합리적으로 산정하기 위한 일차적인 시도로 이루어진 것이며, 향후 해상에서의 기상 및 파랑 관측 데이터를 확보하여 기타 지역까지 확장검토를 통해 개선된 모델의 현지 적용성에 대한 추가 연구가 수행되어져야 할 것으로 사료된다.

ACKNOWLEDGEMENTS

본 연구(과제)는 국토교통과학기술진흥원이 시행하는 2013년도 지역기술혁신사업(12지역기술혁신B01)의 지원을 받아 수행된 연구결과입니다. 연구 지원에 감사드립니다.

References

1. Booij, N, Holthuijsen, L.H, Ris, R.C. (The “SWAN” wave model for shallow water, Proc. 25th Int, Conf Coastal Eng, 1996). 668-676.

2. Booji, N, Holthuijsen, L.H, Doorn, N, Kieftenburg, A.T.M.M. (Diffraction in a spectral wave model, Proc, 3rd Int. Symp. On Wave '97, ASCE, 1997). 243-255.

3. Booij, N, Ris, R.C, Holthuijsen, L. (A third generation wave model for coastal regions, Part I. Model description and valdation. J. Geophys. Res, 1999). 7649-7666. 10.1029/98JC02622.

4. Han, H.N. (Applicability Study of Wind Wave Model include the Effects of Diffraction and Reflection, 2007 KSCE Conference, 2007). 4577-4580.

5. Holthuijsen, L.H, Herman, A, Booij, N. (Phase-decoupled refraction-diffraction for spectral wave models, Coastal Engineering, 2003). 49, 291-305. 10.1016/S0378-3839(03)00065-6.
crossref
6. JSCE. coastal waves. 1994.

7. Karlsson, T. (Refraction of continuous ocean wave spectra, Proc. ASCE, Vol.95, No.WW4, 1969). 471-4.

8. Kim, T.H. (Distribution of Wind Waves in the Gyeonggi Bay Derived from Numerical Wave Model, Asia-Pacific Journal of Atmospheric Sciences, 2005). 41(5):697-706.

9. Mase, H, Takayama, T, Kunitomi, S, Mishima, T. (Multidirectional spectral wave transformation model including diffraction effect, Journal of Hydraulic, Coastal and Environmental Engineering, JSCE, 1999). 628(II-48):177-187.

10. Oki, K, Mase, H. (Development of Multidirectional Random Wave Transformation Model in Wave-Current Coexisting Field, JSCE, 2008). 35, 1-5.
crossref
11. Rivero, F.J, Arcilla, A.S, Carci, E. (An analysis of diffraction in spectral wave model, Proc. 3rd Int. Symp. On Wave '97, ASCE, 1997). 431-445.

12. Shin, B.S. (Numerical calculation method of the design wave with considering wind effect in a closed coastal area, 2005 KSCE Conference, 2005). 784-7.

13. Toshihiko, N, Chiaki, G, Koji, K. (Wave hindcast model using the hybrid-parameter method(1st report)-Application to the Tokyo Bay-, Report of the Port and Harbour Research Institute, 1990). 29(4):85-118.

14. Tomotsuka, T. (Present status of the calculation method of the deformation of an ocean wave and its estimated accuracy, Report of the Port and Harbour Research Institute, 1990). 195-235.

15. Wilson, B.W. (Numerical prediction of ocean waves in the North Atlantic for December, 1959, Deut, Hydro, Zeit., Jahrg., 18, Ht. 3, 1965). 114-1. 10.1007/BF02333333.
crossref
16. W.M.O. 「Guide to wave analysis and forecasting (second edition), WMO-No.7」. 1998.

17. Yoshimi, G, Yasumasa, S. (Computation of refraction and diffraction of sea waves with Mittsuyasu's directional spectrum, technical note of the port and harbour research institute ministry of transport, japan No.230, 1975). 45.

Editorial Office
Korean Society of Coastal and Ocean Engineers,
#1132, LG EClat, 71 Banpo-daero 14-gil, Seocho, Seoul, Korea
Tel: +82-2-3474-1934,   Fax: +82-2-3473-1934   E-mail : cocean@kscoe.or.kr
Copyright© Korean Society of Coastal and Ocean Engineers. All rights reserved.       powerd by M2community
About |  Browse Articles |  Current Issue |  For Authors and Reviewers