파랑작용이 해안대수층의 해수침투에 미치는 영향 및 저감방안

Effects of Wave Action on Seawater Intrusion in Coastal Aquifer and Mitigation Strategies

  • ABSTRACT

    This study conducted numerical simulations using LES-WASS-3D ver. 2.0 to analyze the seawater intrusion characteristics of the incident waves in a coastal aquifer. LES-WASS-3D directly analyzed the nonlinear interaction between the seawater and freshwater in a coastal aquifer, as well as the wave-current interaction in the coastal area. First, the LES-WASS-3D results were compared with the existing experimental results for the mean water level under wave action in the coastal aquifer and seawater penetration into the coastal aquifer. The mean water level, shape and position of the seawater-freshwater interface, and intrusion distance were well implemented in the results. This confirmed the validity and effectiveness of LES-WASS-3D. The overall seawater penetration distance increases in the coastal aquifer as a result of wave set-up and run-up in the swash zone caused by continuous wave actions, and it increases with the wave height and period. Furthermore, a numerical verification was performed by comparing the suggested existing structure and newly suggested curtain wall as a measure against seawater penetration. An existing underground dam showed a better effect with increased height. Additionally, the suggested curtain wall had a better effect when the embedded depth was increased.


  • KEYWORD

    해안대수층 , 해수침투 , 해안지하수의 거동 , 지하댐 , 커튼월

  • 1. 서 론

    우리나라에서는 1998년부터 2011년까지 117개소의 해수침투 관측망을 설치하여 운영하고 있다. 특히 해수침투 피해가 큰 제주에는 56개소의 관측소를 별도로 설치하여 지방정부에서 관리하고 있다. 최근 제주특별자치도에서는 해안지하수의 해수침투 여부를 감시하기 위하여 관측정의 특정깊이에 1개의 염분센서를 설치한 기존의 방식에서 벗어나 최대 8개의 염분센서를 설치하여 3차원 해수침투 감시체계를 구축할 계획을 발표하였다. 이 3차원 해수침투 감시시스템의 구축이 완료되면, 해수침투 감시를 통한 신속한 대응이 가능해짐으로 해수침투에 의한 피해를 최소화 할 수 있을 것이다. 그리고 농림수산식품부와 한국농어촌공사에서 매년 해수침투조사 보고서 그리고 한국환경정책・평가연구원에서 해안지역 지하수 수자원 통합관리방안에 대한 연구를 추진하여 해수침투 실태 및 관리방안을 검토하였다. 또한 해수침투 지역을 대상으로 한 연구들이 다음과 같이 수행되었다. Oh et al.(2000)Kim et al.(2001)이 제주도 동부지역의 관측자료를 분석하여 해안대수층 지하수의 염수화에 관한 연구를 진행하였다. Shin et al.(2002)은 전남 고금도 지역의 관측공에서 채취한 시료에서 염소이온 등을 측정하여 해수침투범위를 추정하였다.

    한편 해수-담수 평형상태가 유지되고 있는 해안대수층에 외적 요인에 의한 수리환경변화는 해수-담수 압력경도에 영향을 미쳐 해수-담수 경계면을 이동시키게 된다. 중장기적인 수리환경변화로는 해안지하수의 오남용에 의한 지하수위 저하 그리고 지구온난화에 기인한 해수면 상승, 홍수기와 갈수기 같은 계절적 요인, 천체운동에 의한 천문조, 기상적인 요인에 의한 기상조 등이 있다. 그리고 단기적인 수리환경변화는 외해로부터 끊임없이 유입되는 풍파가 가장 대표적이라고 할 수 있다. 그러므로 해안대수층의 해수침투를 고정도로 예측하기 위해서는 이상의 수리환경변화에 따른 해안지하수의 거동특성을 이해할 필요가 있다.

    과거의 해안대수층의 해수침투에 관한 연구사례들을 살펴보면, 이론적 연구로서는 해수-담수 밀도차에 의한 압력분포 그리고 거의 혼합되지 않는 특성에 착안한 Ghyben-Herzberg법칙이 제안되었다. 그리고 위치흐름 분석법에 근거한 이론식(Glover, 1959), 호도그래프를 적용한 이론식(Henry, 1959) 그리고 위치흐름 분석법을 이용한 Strack(1976)의 근사법 등이 제안되었다. 근래에는 실험적 연구들이 수행되고 있으며, 국내에는 Park et al.(2009)이 해안대수층의 담수-해수 경계면과 근사값을 비교 및 검토하였다. Suh et al.(2010)은 양수 시에 담수-해수 경계면 거동을 분석하여 최대 및 최적 양수량을 추정하였다. 국외에서는 Goswami and Clement (2007)는 지하수위 변화에 따른 해수-담수 경계면의 변화특성을 논의하였다. Lu et al.(2013)은 대수층의 매질의 종류와 입도분포가 해수침투에 미치는 영향을 분석하였다. 최근에는 컴퓨터의 비약적인 발전의 영향으로 다양한 수치모델이 개발되어 국내외에서 많은 연구들이 활발히 진행되고 있다. 대표적 국내의 수치적 연구들을 살펴보면, Park(1995)은 DSTRAM모형을 이용하여 대수층의 정상 해수-담수 경계면 및 염분확산에 영향을 미치는 유속과 확산지수에 관한 분석을 수행하였다. Shim and Chung(2003)은 SHARP 모형을 적용하여 해안대수층의 해수-담수 경계면을 모사하고, 분석결과로부터 해수침투모사의 한계성에 대하여 논의하였다. Kim et al.(2004)은 MODFLOW모형을 활용하여 해안대수층의 지하수-지표수 연계하여 수치분석을 진행하기도 하였다. Hong et al. (2009)은 해안대수층의 염수쐐기를 제어하기 위한 인공주입에 관한 단면 2차원 수치실험을 수행하였다. Kim(2016)은 Boussinesq 방정식 기반의 평면 2차원 수치모델을 개발하여 지하댐이 해수침투에 미치는 영향을 분석하였다. 국외의 수치해석 연구로서는 Jung et al.(2014)은 수치모의를 통하여 이중 양수법에 의한 해수침투 저감효과에 관해 고찰하였다. Bear et al.(1999)은 해수침투 피해사례로부터 기본개념 및 위험성을 경고하였고, 해수침투해석방법의 통합을 추진하였다. Oude Essink(2001)는 MOC3D모형(Konikow et al., 1996)를 활용하여 네덜란드의 북부에 해안 지하수 시스템에 조사하였다. Barlow(2003)는 미국 대서양 연안의 해수침투 현황 및 관리 시스템에 관하여 고찰하였다.

    해안대수층의 외적요인에 기인한 수리환경변화가 해수침투에 미치는 영향에 대해서는 다음과 같은 연구들이 수행되었다. 중장기적인 수리환경변화에 대해서는 Ataie-Ashtiani et al.(1999)이 SUTRA모델을 활용하여 조석영향을 고려한 해수-담수 경계면의 이동특성을 수치적으로 고찰하였다. Werner and Simmons(2009)는 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change) 보고서에 따른 해수면 상승이 해안대수층의 해수침투에 미치는 위험성을 논의하였다. Wood and Harrington(2015)은 계절변화에 따른 해수면변화가 해수침투에 미치는 영향을 분석하였다. 국내에서는 Kim(2009)은 부산 용호만에서 조석이 해안대수층의 해수-담수 경계면에 미치는 영향을 조사하였다. Shim and Lee(2011)은 석모도 일대에서 장기 모니터링을 통하여 지하수위와 조석과의 관계를 분석하였다. Yang and Kim(2016)은 계층화 분석기법을 이용하여 해수면 상승에 따른 해수침투 취약지역을 검토하였다. 이상과 같은 중장기적인 수리환경변화에 관해서는 상대적으로 다양한 연구들이 수행되었다. 그러나 단기적인 수리환경변화인 파랑작용에 의한 해수침투에 관한 연구는 미흡한 실정이다. 그 이유는 파랑작용과 해수침투가 발생하는 시간스케일이 크게 차이나기 때문에 수리실험에서 두 현상을 동시에 재현하기가 매우 어렵다. 그러므로 Cartwright et al.(2003)Jazayeri Shoushtari and Cartwright(2013)은 해수와 담수의 밀도차를 배제한 채, 직립해안을 대상으로 파랑작용이 해안대수층의 수위변화에 관한 수리모형실험을 수행하였다. 한편 Bakhtyar et el.(2012)은 단면 2차원 RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)모형을 활용한 수치실험으로부터 파랑작용이 해안대수층의 유동 및 해수-담수 경계면의 거동에 미치는 영향을 수치적으로 분석하였다. 그러나 이 연구에서 적용하는 RANS모형에 대한 검증이 수행되지 않아 수치해석결과에 대한 신뢰성이 떨어진다.

    최근 Lee et al.(2015)은 국내최초로 Porous body model(PBM; Sha et al., 1977) 기반의 3차원 N-S(Navier-Stokes) Solver(LES- WASS-3D ver 2.0; Lee and Hur, 2014)를 적용하여 해수위-지하수위 차에 따른 해수침투를 모의하였다. 이 연구에서 이용한 LES- WASS-3D는 해안대수층의 유동해석에 있어서 기존의 투수계수에 의존하는 방식에서 탈피하여 해안대수층의 특성(입경, 공극, 형상 등)에 따른 지하수 유동을 직접 모의할 수 있다. 게다가 파랑 및 흐름과 같은 물리력을 수치수조에서 무반사로 생성할 수 있다.

    본 연구에서는 해수침투해석에 있어서 새로운 접근방법인 LES-WASS-3D ver 2.0(Lee and Hur, 2014)를 활용하여 지속적인 파랑작용이 해수침투에 미치는 직접적인 원인을 규명하는 것을 목적으로 한다. 나아가 기존의 지하댐 그리고 새롭게 접근하는 커튼월과 같은 지중 구조물을 활용한 해수침투 저감방안에 대해 수치적으로 검토한다.

    2. 수치모델

    본 연구에서는 파랑작용이 해안대수층의 해수침투에 미치는 영향을 분석하기 위하여 해수침투모의에 있어서 적용성이 확인된 3차원 N-S Solver(LES-WASS-3D ver. 2.0; Lee and Hur, 2014)를 이용한다. LES-WSS-3D ver. 2.0은 PBM 기반의 3차원 파동장 모델(Hur et al., 2012a)을 토대로 밀도류를 고려할 수 있게 개량된 것이며, 해수-담수 비선형 상호간섭을 직접 해석할 수 있다. 격자 크기보다 작은 난류현상을 해석하기 위하여 아격자(Sub-grid scale)의 LES(Large eddy simulation) 기법(Smagorinsky, 1963)에 기초한 동적 와동점성모델(Germano et al., 1991; Lilly, 1991)을 적용하고 있다. 자유수면 및 계면의 표면장력을 수치적으로 고려하기 위하여 CSF(Continuum surface force)모델(Brackbill et al., 1992)을 고려하고 있다.

    한편 LES-WASS-3D ver. 2.0는 유한차분법 기초한 수치모델로서 경사구조물을 처리하는 것에 있어서 왜곡이 발생하게 된다. 이것을 최소화하기 위하여 Hur et al.(2008)이 제안한 투과성 경사면 처리기법을 적용한다.

       2.1 지배방정식

    수치모델은 3차원 비압축성・점성유체에 기초하여 무반사로 파랑과 흐름을 발생시키기 위한 소스항이 포함된 연속방정식 (1)과 PBM 기반의 N-S 운동량 방정식 (2)로 구성된다.

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    여기서 vix, y, z방향의 유속, q*는 파랑/흐름소스의 유량밀도, γv는 투과매체의 체적 공극율, γi는 투과매체의 x, y, z방향의 면적 투과율, t는 시간, ρ는 물의 밀도, p는 압력, νT는 물의 동점성계수(ν)와 와동점성계수(νt)의 합을 의미한다. Dij는 변형률속도텐서, Si는 CSF모델의 표면장력항, Qi는 파랑/흐름의 소스항, Ri는 투과매체에 의한 유체저항항, gi는 중력가속도항, Ei는 부가감쇠영역의 에너지 감쇠항을 나타낸다.

    VOF(Volume of fluid)함수, F는 각 격자에서 물이 차지하고 있는 체적비로서 연속방정식 (1)에 비압축성 유체에 대한 가정과 PBM에 기초한 VOF함수를 고려하여 유체의 보존형식으로 나타내면 식 (3)과 같다.

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       2.2 투과매체의 유체저항

    투과성 매체에 의한 유체저항(Ri)은 층류저항(RL), 난류저항(RT), 관성저항(RI)을 고려하며, 식 (4)와 같다. 그리고 RLLiu and Masliyah(1999), RTErgun(1952), RISakakiyama and Kajima (1992)의 실험식 (5)-(7)을 각각 적용한다. 이 유체저항식들은 입경과 공극에 따라 유체저항을 정량적으로 추정할 수 있음으로 다양한 투수성 구조물에 적용이 가능하다.

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    여기서 dp는 투과성 매체의 평균입경, CL은 층류저항계수, CT는 난류저항계수, CI는 관성저항계수이다.

       2.3 상태방정식

    N-S 운동량 방정식 (2)에서 밀도차에 따른 유체의 운동량을 계산하기 위해서는 그 유체의 물성치(밀도, 동점성계수 등)를 정확하게 대입하여야 한다. 따라서 LES-WASS-3D ver. 2.0에서는 온도와 염분에 따른 물의 밀도 및 동정성계수를 추정할 수 있는 상태방정식을 도입하였다.

    2.3.1 밀도 산정

    LES-WASS-3D ver. 2.0에서는 물의 밀도(ρ)를 산정하기 위하여 Gill(1982)이 제안한 상태방정식 (8)을 도입하였다. 4℃ 물의 밀도(ρ0)를 기준으로 ΔρT는 수온변화, ΔρS는 염분변화에 따른 밀도의 변화량이고, 식 (9)와 식 (10)로 각각 나타낼 수 있다. 밀도산정에 이용되는 경험상수들은 Table 1과 같다.

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    여기서 T는 수온, S는 염분이며, 온도의 단위는 ℃이고, 염분의 단위는 psu이다.

       2.3.2 동점성계수 산정

    물의 동점성계수(ν)는 식 (11)을 이용하여 추정할 수 있으며, 밀도(ρ)는 식 (8)에서 추정된 값을 대입한다. 물의 점성계수(μ)는 Riley and Skirrow(1965)이 제안한 염분과 온도를 고려할 수 있는 상태방정식 (9)을 이용하며, 4℃ 물의 점성계수(μ0)를 기준으로 한다. 식 (13)과 식 (14)는 수온에 따른 변화량(ΔμT)과 염분에 따른 변화량(ΔμS)을 각각 나타낸다. 그리고 물의 점성계수 추정을 위한 경험상수들은 Table 2와 같다.

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       2.4 이류-확산 방정식

    밀도류의 운동을 정밀하게 추정하기 위해서는 지배방정식에 정확한 밀도(ρ)와 동점성계수(ν)를 대입하여야 한다. 그러기 위해서는 ρν에 절대적인 영향을 미치는 온도(T)와 염분(S)의 정량적인 계산이 무엇보다 중요하다. 이에 LES-WASS-3D ver. 2.0에서는 TS에 대한 3차원 이류-확산 방정식 (11)을 적용하고 있다.

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    여기서 CT 또는 S, CiA는 이류항(= γiviC), CiD는 확산항이다. ϵi는 확산계수이고, 수평방향은 동적 난류모델로부터 산정된 동점성계수(νt), 수직방향은 νt/σc를 적용한다. σc는 Prandtl/Schmidt수이며, 실험결과(Mellor and Yamada, 1982) 및 해양 관측결과(Gregg et al., 1986; Peters et al., 1988)에서 추정된 1.0을 적용한다.

       2.5 수치해석의 흐름

    밀도류 해석을 위한 LES-WASS-3D Ver. 2.0의 계산흐름은 Fig. 1에 나타내고, 계산절차는 다음과 같다.

    (1) 수심, 유체 상태(염분, 온도), 파랑과 흐름의 입사조건, 구조물의 기하학적인 형상 등과 같은 초기조건을 입력한다.

    (2) 유체 상태에 따른 밀도와 동점성계수, 표면장력, 투과성 구조물에 의한 유체저항력, 파랑과 흐름의 생성을 위한 유량밀도 그리고 유동현상에 의한 와동점성계수를 산정한다.

    (3) 안정조건을 만족할 수 있게 운동량 방정식을 풀어 다음 시간스텝의 유속들을 구한다.

    (4) 연속방정식을 만족하도록 유속들과 압력을 조정하는 수렴 과정을 수행한다.

    (5) 유속들을 이류방정식에 대입하여 VOF함수를 계산한다.

    (6) VOF함수 F를 이용하여 자유표면의 형상을 결정한다.

    (7) 수렴된 유속들과 확산계수를 3차원 이류-확산방정식에 대입하여 유체의 염분과 온도를 계산한다.

    (8) 시간증분에 따라 (2)-(7)의 과정을 반복한다.

    나머지 상세한 수치해석조건 및 방법들에 대해서는 Hur and Lee(2007)Hur et al.(2012a) 그리고 밀도류 해석에 관해서는 Lee and Hur(2014)를 참고할 수 있다.

       2.6 수치모델의 검증

    2.6.1 파랑작용에 의한 지하수 거동

    본 연구에서는 파랑작용이 해안대수층의 해수침투에 미치는 영향을 수치적으로 분석하기 위해 수치모의를 수행한다. 수치모의에 적용하는 PBM 기반의 수치모델 LES-WASS-3D ver. 2.0의 타당성 및 유효성을 확인하기 위하여 Fig. 2의 수치파동수조를 구성한다. 이 수치파동수조는 Lee et al.(2007)의 수리모형실험에 근거한 것으로 해석영역에는 평균입경(dp) 5mm, 체적 공극율(γv) 0.37으로 구성된 비탈면 경사 1:7의 자갈해빈을 고려한다. 수치파동수조의 경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사를 방지하기 위하여 외해 측에는 조파소스와 부가감쇠영역을 설치하고, 경계에는 방사조건을 적용한다. 그리고 바닥의 경계조건은 Non-slip이다. 지하수위를 조절하기 위하여 자갈해빈의 배후에는 일정한 수위가 유지되는 별도의 수조를 배치한다. Lee et al.(2007)이 수리모형실험에 적용한 입사파랑 및 지하수위의 조건은 Table 3과 같다. 그리고 초기 해수위-지하수위 차(△h0)는 0cm, 5cm 그리고 10cm이다.

    Fig. 3은 파랑작용에 의한 해안대수층의 평균수위분포이며, 그래프에서 기호들은 수위계로부터 취득한 평균수위(), 실선은 수치모의에서 계산된 평균수위()를 입사파고(Hi)에 대해 무차원하였다. 여기서 검정색 원()과 실선(), 파란색 사각형()과 실선() 그리고 빨간색 삼각형()과 실선()은 각각 △h0=0cm, △h0=5cm, △h0=10cm의 경우이다.

    Fig. 3으로부터 본 연구의 계산결과가 실험결과를 매우 잘 재현하고 있다. 그리고 파랑작용에 의해 해안대수층의 평균수위가 상승하는 경향이 나타나며, 이것은 외해로부터 지속적으로 유입되는 파랑이 포말대(Swash zone)에서 처오름 및 평균수위 상승(Wave set-up)의 영향에 의해 발생하는 것으로 생각된다. 그 결과, 해안대수층으로 유입되는 유량이 증가하여 정선 부근의 지하수위가 크게 상승한다. 이 같은 현상은 △h0가 클수록 뚜렷이 나타나며, △h0가 클수록, 포말대에서 수위차에 의해 발생한 흐름과 외해로부터 유입되는 파랑과의 상호작용이 더욱 격렬한 유체운동을 유발시키기 때문으로 이해된다.

    이상의 파랑작용에 의한 해안대수층의 평균수위 검증결과에 근거하여 본 연구에서 이용하는 LES-WASS-3D는 파랑작용에 의한 해안대수층의 지하수 거동을 해석하는 것에 있어서 적합한 수치모델인 것을 확인할 수 있다. 또한 과거에 수행한 파랑작용에 의한 해안지하수의 동적 거동(Hur et al., 2012b) 그리고 해빈 내부의 투수층 설치 유무에 따른 정선에서의 평균수위(Hur et al., 2012c)에 관한 검증으로부터 LES-WASS-3D의 타당성 및 유효성을 확보할 수 있다.

    2.6.2 해안대수층의 해수침투

    해안대수층의 해수침투모의를 수행하기 전에 이용하는 수치모델(LES-WASS-3D ver. 2.0)을 검증하기 위하여 기존의 모래수조실험결과(Goswami and Clement, 2007)와 비교 및 분석한다. Goswami and Clement(2007)Fig. 4와 같은 모래수조에서 지하수위의 변화에 따른 해수-담수 경계면을 측정하였다. Fig. 4의 수치수조의 해석 영역에는 해안대수층을 고려하기 위하여 평균입경(dp) 1.1mm, 체적 공극율(γv)과 면적 투과율(γi) 0.385의 모래를 배치한다. 그리고 수치수조의 좌측에는 40psu 해수 그리고 우측에는 담수(0psu)를 배치한다. 해석영역의 좌측에는 부가감쇠영역을 두어 수위차에 의해 발생한 흐름의 재반사를 방지한다. 수치수조의 초기수심은 25.5cm, 해수위-지하수위 차(△h)는 1.2cm이고, 안정상태에 도달한 후에 △h를 0.7cm, 1.05cm 단계적으로 수위를 변화시키며, 각 단계의 안정상태에서 해수-담수 경계면을 측정한다.

    Fig. 5는 해안대수층의 해수-담수 경계면을 비교하여 나타낸 것으로 붉은색 실선()은 실험, 검정색 실선()은 계산에 의한 해수-담수 경계면을 각각 나타낸다. 그리고 파란색 실선()은 대수층 내부의 자유수면을 의미한다. Fig. 5에서 (a)는 초기수위차가 1.2cm의 경우, (b)△h를 0.7cm로 변화시킨 단계 그리고 (c)는 최종적으로 △h를 1.05cm로 변화시킨 단계에서 각각의 압력경도 평형상태를 나타내고 있다.

    Fig. 5(a)로부터 초기 수위차에 의한 압력 평형상태에서의 해수-담수 경계면 및 해수침투거리를 잘 재현하고 있다. 그러나 △h를 변화시킨 (b)(c)의 경우에서는 조금 차이를 나타내며, (b)에서는 해수침투 시작지점(x=0cm)과 (c)에서는 해수침투거리에서 과소 또는 과대평가하는 경향이 있다. 이것은 실험에서는 유입되는 담수를 그대로 밖으로 배출되지만, 계산에서는 부가감쇠영역에서 해수-담수 혼합되기 때문에 압력경도의 평형지점이 달라지기 때문으로 판단된다.

    이상에 근거하여 본 연구에서 해안대수층의 해수침투모의에 수치모델 LES-WASS-3D ver. 2.0를 적용함에 있어서 타당성과 유효성이 입증되었다고 판단된다. 또한 해수위 및 지하수위가 고정된 상태의 해수침투실험(Park et al., 2009)에 관한 검증은 선행연구(Lee et al., 2015)을 참조할 수 있다.

    3. 해수침투모의

       3.1 수치실험의 개요

    파랑작용이 해안대수층의 해수침투에 미치는 영향을 수치적으로 분석하기 위하여 Fig. 6의 수치수조를 설치한다. 수치수조의 교란을 방지하기 위하여 외해측에는 부가감쇠영역과 조파소스를 설치하고, x방향의 양쪽 경계에는 방사조건을 고려한다. 수심 6m의 해석영역에는 해안대수층을 고려하기 위해 평균입경(dp) 0.2mm, 체적 및 면적 공극율(γv, γi) 0.4 그리고 비탈면 경사 1:5의 투과성 해빈을 설치한다.

    해수침투모의에 이용된 초기 수위와 입사파랑조건은 Table 4와 같다. 모든 계산조건에서 초기 수위차(△h0)는 0.2m이고, 입사파랑은 파고(Hi) 0.6m, 1m, 1.4m 그리고 주기(Ti) 4s, 5.5s, 7s이다. 여기서 해수침투모의는 해수위-지하수위 차에 따른 해안대수층의 해수-담수 경계면이 평형상태를 이룬 다음에 파랑을 작용시킨다.

       3.2 평균수위분포

    Fig. 7은 파랑작용 하에서 입사파고(Hi) 변화에 따른 평균수위() 분포이며, 해안대수층의 해수-담수 경계면이 평행상태에서 3주기 동안의 수위변동을 평균하여 나타낸다. 여기서 검정색 실선()은 파랑이 작용하지 않는 Case 7의 경우, 빨간색 실선()은 Hi가 0.6m인 Case 1의 경우, 파란색 실선()은 Hi가 1m인 Case 2의 경우 그리고 연두색 실선()은 Hi가 1.4m인 Case 3의 경우를 각각 나타내고, Case 1-3의 입사주기(Ti)는 5.5s로 동일하다. 그리고 Fig. 7에서 점선은 해빈표면을 의미한다.

    Fig. 7로부터 모든 수치실험조건에서 정선의 해수위와 지하수위의 차(△h)가 발생하며, 파랑이 유입되는 Case 1-3에서는 Hi가 클수록 포말대(Swash zone)의 평균수위가 상승하는 경향을 나타낸다. 이것은 투수매체인 해빈의 유체저항과 쇄파에 의한 수위상승(Wave setup) 및 파랑의 처오름(Run-up)에 의해 발생한다. 그리고 이 현상은 포말대로 침투하는 해수의 유량을 증가시켜, 정선부근 해안대수층의 평균수위를 상승시킨다. 그 결과, 해안대수층의 수위경사가 작아지는 것을 확인할 수 있다.

    Fig. 8은 파랑작용 하에서 입사주기(Ti) 변화에 따른 평균수위()분포를 비교한 것이며, 수치수조에서 파동장 및 유동장이 안정된 이후에 3주기 동안의 수위를 평균한 것이다. 여기서 검정색 실선()은 파랑작용이 없는 경우 그리고 빨간색 실선(), 파란색 실선(), 연두색 실선()은 Ti가 각각 4s, 5.5s, 7s의 경우를 각각 나타내고, 입사파고(Hi)는 1m로 모든 경우가 동일하다.

    Fig. 8에서는 Ti가 클수록 포말대에서 처오름 높이가 증가하기 때문에 해빈으로 스며드는 해수의 유량이 증가하게 된다. 이로 인하여 정선부근의 지하수위가 상승하고, 그로인해 해안대수층의 수위경사가 작아지는 것을 알 수 있다.

    이상의 결과에 근거하여 파랑이 지속적으로 유입될 경우, 포말대에서는 평균수위 상승과 처오름 현상에 의해서 해빈을 통해 스며드는 해수의 유량이 증가한다. 그 영향으로 해안대수층의 수위경사가 감소하는 것으로 파악된다. 이와 같은 파랑작용에 의해 해안대수층의 수위경사 변화는 압력경도의 평형지점을 내륙 측으로 이동시킬 것으로 판단된다. 즉 해수-담수 경계면이 육지측으로 이동할 것으로 예상되며, 후술에서 상세한 논의를 이어간다.

       3.3 해수침투 특성

    Fig. 9는 파랑작용에 의한 정상상태의 해수-담수 경계면 분포를 입사파고(Hi)에 따라 나타낸다. 여기서 검정색 실선()은 파랑이 작용하지 않는 Case 7의 경우, 빨간색 실선()은 Hi가 0.6m인 Case 1의 경우, 파란색 실선()은 Hi가 1m인 Case 2의 경우 그리고 연두색 실선()은 Hi가 1.4m인 Case 3의 경우를 각각 나타내고, Case 1, Case 2, Case 3의 Ti는 5.5s로 같다.

    Fig. 9에서 지속적인 파랑의 유입은 해안대수층의 해수침투거리가 증가시키는 것으로 나타난다. 이것은 평균수위분포에서 논의한 것처럼 파랑작용에 의해 평균수위가 상승하게 되면, 수위경사가 작아져 해수-담수 압력경도의 평형지점이 내륙으로 이동하기 때문이다. 그 결과, 해수침투거리가 증가하고, 해수-담수 경계면은 내륙쪽으로 이동하게 된다. Hi가 클수록 정선부근의 평균수위 상승효과가 커기 때문에 해수침투거리가 증가함을 알 수 있다. 지속적인 파랑작용에 의한 포말대에서의 처오름 현상은 해빈표면을 통한 해수침투를 유발시켜, 해안대수층의 상층부까지 해수침투 발생하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 Hi가 커질수록 해수침투가 증가하는 것을 알 수 있다. 이 현상은 해안선 부근의 해안대수층 압력을 증가시켜, 해수-담수 경계면을 내륙 쪽으로 이동하는 것에 일조할 것으로 판단된다.

    Fig. 10은 파랑의 입사주기(Ti) 변화가 해안대수층의 지하수 거동에 미치는 영향을 분석하기 위하여 해수-담수 경계면의 공간분포를 비교하여 나타낸다. 여기서 검정색 실선()은 파랑을 고려하지 않은 경우 그리고 빨간색 실선(), 파란색 실선(), 연두색 실선()은 Ti가 각각 4s, 5.5s, 7s의 경우이며, Hi는 모든 경우에서 1m로 같다.

    Fig. 10으로부터 알 수 있듯이 파랑작용 하에서는 그렇지 않은 경우에 비해 해수침투거리가 길어진다. 그리고 전술한 것과 같이 포말대의 평균수위가 높을수록 해안대수층의 수위경사가 작아지기 때문에 Ti가 커질수록 해수-담수의 경계면이 내륙 쪽으로 이동한다. 또한 Ti가 클수록 포말대에서 처오름 높이와 거리가 커지기 때문에 해안대수층으로 침투하는 해수량이 증가함으로써 상층부까지 해수영역이 넓어지는 현상이 발생한다. 이 현상은 해안대수층의 해수침투를 가속화시킬 것으로 사료된다.

    이상의 종합적인 결과에 근거하여 지속적인 파랑작용이 해안대수층의 해수침투피해를 증가시키는 것을 확인할 수 있었다. 그러므로 단기적인 해안대수층의 해수침투해석에 있어서 파랑작용은 반드시 고려하여야 할 주요한 인자임이 틀림없다.

    4. 해수침투 저감방안

    본 연구에서는 해안대수층의 해수침투 저감에 있어서 구조물을 이용하는 방법에 대해서 수치적인 검토를 수행한다. 지하수 제어의 목적으로 사용되고 있는 기존의 지하댐 그리고 본 연구에서 새롭게 검토하는 커튼월에 관한 해수침투 저감효과를 수치시뮬레이션을 통하여 분석한다.

       4.1 지하댐에 관한 검토

    4.1.1 수치실험의 개요

    해안대수층의 해수침투 제어의 목적으로 적용사례가 있는 지하댐의 해수침투 저감효과를 분석하기 위하여 Fig. 6의 수치수조에 지하댐을 설치하여 Fig. 11과 같은 수치수조를 구성한다. 지하댐은 대수층에 댐 형식으로 설치되는 불투과성 구조물이다. 본 연구에서는 지하댐의 폭을 0.8m로 고정하고, 높이(hs) 2m, 3m, 4cm에 대해 검토를 수행한다. 그리고 해수-담수 수위차(Δh0) 조건은 0.1m, 0.2m, 0.3m이며, 이용된 상세한 수치해석조건은 Table 5와 같다.

    4.1.2 해수침투 특성과 저감효과

    Fig. 12는 대표적으로 해수위-담수위 차(Δh0)가 0.1m인 Δh0/h =0.017의 경우에서 지하댐의 설치유무와 지하댐 높이(hs)에 따른 해안대수층의 평균류 및 해수-담수 경계면의 공간분포도이다. (a)는 지하댐을 적용하지 않은 Case 10, (b)는 Case 1(hs=2m), (c)는 Case 4(hs=3 m) 그리고 (d)는 Case 7(hs=4 m)의 경우를 각각 나타낸다. 여기서 빨간색 실선()은 해수-담수 경계면, 파란색 실선()은 평균수면 그리고 벡터는 평균류를 의미한다.

    Fig. 12에서 지하댐을 설치함으로 인하여 해안대수층의 해수침투거리가 크게 감소할 뿐만 아니라, hs가 3m 이상인 Case 4와 Case 7에서는 지하댐 배후로는 해수가 전혀 침투하지 못하는 것을 알 수 있다. 자세히 살펴보면, 해수가 지하댐으로 월류하는 (b) Case 1(hs=2m)에서는 바다로 빠져나가는 담수 흐름이 지하댐에 가로막혀 수위가 상승한다. 그로 인하여 압력경도의 평형지점이 바다 측으로 이동하는 현상이 발생한다. 그 결과, 해수의 월류가 발생함에도 불구하고 해수침투거리는 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 그리고 지하댐에서 해수의 월류가 발생하지 않는 (c) Case 4(hs=3m)와 (d) Case 7(hs=4m)은 전혀 배후로 해수침투가 발생하지 않는다. 심지어 지하댐 높이가 가장 높은 (d) Case 7(hs=4m)에서는 지하댐에 의한 수위 상승효과로 인하여 지하댐 전면의 해수가 바다 측으로 밀리는 현상이 발생하기도 한다.

    해안대수층에서 지하댐 높이에 따른 해수침투 저감효과는 댐 높이가 가장 낮고, 해수-담수 수위차가 가장 작은 Case 1(hs=2m)에서만 해수침투가 발생하였다. 그러므로 적절한 높이의 지하댐은 해안대수층의 해수침투 저감에 상당히 효과적인 것으로 판단된다. 그러나 지하댐의 건설은 굴착작업이 수반될 뿐 아니라, 막대한 비용이 소요될 것으로 예상된다. 따라서 본 연구에서는 큰 굴착작업 없이도 상대적으로 저렴하게 설치가 가능한 커튼월에 대한 해수침투 저감효과를 다음 단락에서 검토한다.

       4.2 커튼월에 관한 검토

    4.2.1 수치실험의 개요

    앞서 검토한 지하댐을 건설하기 위해서는 해안대수층의 바닥까지 굴착하여 함은 물론이고, 긴 공사기간이 요구될 뿐만 아니라 공사비용 또한 무시할 수 없다. 이에 본 연구에서는 기존 지하댐의 기능을 대처할 수 있는 커튼월에 대한 해수침투 저감효과를 수치적으로 분석하기 위하여 Fig. 6의 수치수조에 커튼월을 설치하여 Fig. 13과 같은 수치수조 구성한다. 여기서 커튼월의 폭은 0.8m로 고정하고, 정수면을 기준으로 근입깊이(ds) 2m, 3m, 4m를 적용한다. 그리고 해수-담수 수위차(Δh0)는 0.1m, 0.2m, 0.3m를 고려하며, 수치모의에 이용된 상세한 사항은 Table 6과 같다.

    4.2.2 해수침투 특성

    Fig. 14는 해수-담수 수위차가 0.1 m(Δh/h=0.017)의 경우에서 커튼월의 설치유무 그리고 근입깊이(ds)에 따른 해안대수층의 평균류 및 해수-담수 경계면을 나타낸다. (a)는 커튼월을 설치하지않은 Case 10, (b)는 Case 1(ds=2m), (c)는 Case 7(ds=4m)의 경우이다. 여기서 빨간색 실선()은 해수-담수 경계면, 파란색 실선()은 평균수면 그리고 벡터는 평균류이다.

    Fig. 14로부터 커튼월을 설치함으로 인하여 해수침투가 감소하며, ds가 증가할수록 효과가 우수한 것을 확인할 수 있다. 이것은 ds가 증가할수록 바다로 빠져나가는 흐름이 막혀 커튼월 배후의 수위가 상승하기 때문에 압력경도의 평형지점이 바다 쪽으로 이동함으로써 나타나는 현상이다. 이와 동시에 커튼월 아래로 빠져나가는 흐름의 유속이 커지기 때문에 유입되는 해수를 밀어내는 작용이 수반된다. 그 결과 근입깊이가 가장 큰 Case 7(ds=4m)에서는 상당한 해수침투 저감효과가 나타난다. 반면에 ds가 가장 작은 (b) Case 1(ds=2m)에서는 커튼월의 효과가 크지 않다.

    4.2.3 저감효과

    Fig. 15는 커튼월의 근입깊이(ds)에 따른 구조물 배후의 평균수위와 해수침투거리의 상관관계를 나타낸 그래프이다. Fig. 15 (a)는 커튼월의 근입깊이와 수심과의 비(ds/h)에 따른 구조물 배후의 평균수위() 그리고 (b)ds/h에 따른 해수침투거리(l)를 나타낸다. 모든 그래프에서 빨간색 삼각형()은 Δh0=0.1m, 파란색 사각형()은 Δh0=0.2m 그리고 초록색 마름모()는 Δh0=0.3m을 각각 의미한다.

    Fig. 15 (a)로부터 ds/h와 가 비례관계를 나타내며, ds가 증가할수록 구조물 배후의 의 상승효과는 크다. 이것은 Δh0가 클수록 해안대수층의 흐름이 증가하기 때문에 구조물 배후의 수위 상승이 커지는 것으로 이해된다. Fig. 15 (b)에서는 ds/hl가 반비례관계를 가지며, ds가 커질수록 l가 작아지는 경향을 보인다. 그리고 Δh0가 작을수록 ds에 따른 해수침투거리 저감에 효과적인 것을 확인할 수 있다. 그리고 Fig. 15에서 (a)(b)를 관련하여 살펴보면, 커튼월의 근입깊이가 증가할수록 해안대수층의 흐름 저항이 증가하여 구조물 배후의 수위 상승이 커진다. 결과적으로 지하수의 수위경사가 감소하여 해수-담수 압력경도의 평형지점이 바다 쪽으로 이동함으로써 해수침투를 저감시킬 수 있다.

    본 연구에서 해안대수층 해수침투 저감을 위하여 새롭게 검토한 커튼월은 기존 지하댐의 저감효과에 미치지는 못하지만, 근입깊이가 깊은 경우에는 해수침투 저감효과가 우수하다. 그리고 커튼월은 기존의 지하댐에 비해 시공성이 우수할 뿐만 아니라, 시간/경제적 유리한 점을 가지고 있다. 따라서 실현장에서 해안대수층의 해수침투 저감 목적으로 구조물을 설치할 경우, 커튼월도 하나의 검토대상이 될 수 있을 것으로 판단된다.

    5. 결론 및 고찰

    본 연구의 수치모의에서는 온도와 염분에 따른 밀도류를 해석할 수 있는 PBM기반의 LES-WASS-3D ver. 2.0(Lee and Hur, 2014)을 적용하였다. 그리고 동시간 스케일로 해석하기 어려운 파랑작용과 해수침투를 직접 고려한 수치모의를 수행하였다. 그 결과 파랑작용이 해안대수층의 해수침투에 미치는 영향, 나아가 해수침투 저감을 위한 지하댐과 커튼월에 대한 수치적인 검토를 진행하였다. 이것들로부터 얻어진 주요한 결과는 다음과 같다.

    (1) 해수침투모의에 적용한 수치모델(LES-WASS-3D ver. 2.0)의 타당성 및 유효성을 검증하기 위하여 기존의 수리모형실험들과 비교・검토하였다. 그결과, 파랑작용에 의한 해안대수층의 평균수위 뿐만 아니라, 지하수위 변화에 따른 해수-담수의 경계면을 잘 재현하였다.

    (2) 지속적으로 파랑이 해안에 유입될 경우, 포말대의 평균수위 상승(Wave set-up) 현상으로 인하여 해안대수층의 수위경사가 작아진다. 그리고 파랑의 처오름(Run-up)현상은 해빈표면으로 침투하는 해수량을 증가시켜, 지하수의 수위경사를 더욱 감소시켰다. 이 현상들은 파고 및 주기가 증가할수록 뚜렷이 나타났다.

    (3) 이상에 기인한 해안대수층의 수위경사 감소는 해수-담수 압력경도의 평형지점을 내륙쪽으로 이동시켜 해수침투를 증가시켰다.

    (4) 해수침투 시뮬레이션을 통하여 해안대수층의 해수침투 저감에 있어서 기존의 지하댐은 일정높이 이상에서 탁월한 효과를 나타내었다.

    (5) 새롭게 검토한 커튼월의 경우에서는 근입깊이가 깊어질수록 구조물 배후의 평균수위가 상승하여 해수위-지하수위 차를 증가시켰다. 그 결과 해수-담수 경계면이 바다 쪽으로 이동하였다. 그리고 커튼월이 적절한 근입깊이를 가질 경우, 해안대수층의 해수침투 저감에 상당히 효과적인 것을 확인할 수 있었다.

    이상의 수치해석결과를 종합해 보면, 단기적인 해안대수층의 해수침투에 파랑작용이 미치는 영향이 상당부분 있는 것으로 확인되었다. 그러므로 해안대수층의 해수침투를 고정도로 해석하기 위해서는 반듯이 파랑을 고려하여야 할 것이다. 그리고 해안대수층의 해수침투 저감을 위해 구조물을 설치할 경우 다양한 사항들을 종합적으로 검토하여 설치되어야 한다. 그렇기 위해서는 파랑과 해수침투를 동시에 고려할 수 있는 수리모형실험 또는 본 연구와 같은 고정도의 직접 수치모의가 수반되어야 할 것으로 판단된다.

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  • [Table 1] The coefficients for density estimation
    The coefficients for density estimation
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  • [Table 2] The coefficients for viscosity estimation
    The coefficients for viscosity estimation
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  • [Fig. 1] Flowchart of numerical model used in this study
    Flowchart of numerical model used in this study
  • [Fig. 2] Definition sketch of numerical wave tank for verification
    Definition sketch of numerical wave tank for verification
  • [Table 3] Initial and incident conditions for verification
    Initial and incident conditions for verification
  • [Fig. 3] Comparison of measured and calculated mean water levels in coastal aquifer
    Comparison of measured and calculated mean water levels in coastal aquifer
  • [Fig. 4] Definition sketch of numerical water tank based on Goswami and Clement(2007)'s experiments
    Definition sketch of numerical water tank based on Goswami and Clement(2007)'s experiments
  • [Fig. 5.] Comparison between measured and calculated saltwater-freshwater interfaces
    Comparison between measured and calculated saltwater-freshwater interfaces
  • [Fig. 6] Definition sketch of 3-D numerical water tank for simulation of seawater penetration in coastal aquifer
    Definition sketch of 3-D numerical water tank for simulation of seawater penetration in coastal aquifer
  • [Table 4] Initial and incident conditions for numerical simulations
    Initial and incident conditions for numerical simulations
  • [Fig. 7] Spatial distribution of mean water elevations due to variation of incident wave heights
    Spatial distribution of mean water elevations due to variation of incident wave heights
  • [Fig. 8] Spatial distribution of mean water elevations due to variation of incident wave periods
    Spatial distribution of mean water elevations due to variation of incident wave periods
  • [Fig. 9] Spatial distributions of seawater-freshwater interface due to incident wave heights
    Spatial distributions of seawater-freshwater interface due to incident wave heights
  • [Fig. 10] Spatial distributions of seawater-freshwater interface due to incident wave periods
    Spatial distributions of seawater-freshwater interface due to incident wave periods
  • [Fig. 11] Definition sketch of 3-D numerical water tank including underground dam
    Definition sketch of 3-D numerical water tank including underground dam
  • [Table 5] The conditions of water depth and ground dam height
    The conditions of water depth and ground dam height
  • [Fig. 12] Comparison of mean flow fields and seawater-freshwater interfaces due to dam heights in coastal aquifer
    Comparison of mean flow fields and seawater-freshwater interfaces due to dam heights in coastal aquifer
  • [Fig. 13] Definition sketch of 3-D numerical water tank including curtain wall
    Definition sketch of 3-D numerical water tank including curtain wall
  • [Table 6] Initial conditions on water depth and embedded depths of curtain wall
    Initial conditions on water depth and embedded depths of curtain wall
  • [Fig. 14] Comparison of flow fields and seawater-freshwater interfaces due to embedded depths of curtain wall in coastal aquifer
    Comparison of flow fields and seawater-freshwater interfaces due to embedded depths of curtain wall in coastal aquifer
  • [Fig. 15] Characteristics of mean water elevations behind curtain wall and intrusion length of seawater due to embedded depths of curtain wall
    Characteristics of mean water elevations behind curtain wall and intrusion length of seawater due to embedded depths of curtain wall