Development of Tidal-Induced Local Scour Around Offshore Structure: A Case Study in Shinan Area

JI HEE Oh; BYEONG JIN Jeon; SEONG WOON Jeong; JAE HYEOK Shin; INSUNG Jeon; HO KYUNG Ha

doi:10.7850/jkso.2025.30.2.081

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Article

The Sea Journal of the Korean Society of Oceanography. 31 May 2025. 81-92
https://doi.org/10.7850/jkso.2025.30.2.081

Development of Tidal-Induced Local Scour Around Offshore Structure: A Case Study in Shinan Area

조석에 의한 해상 구조물 주변 국지세굴 발달 양상: 신안해역 사례

JI HEE OH¹

BYEONG JIN JEON¹²

SEONG WOON JEONG¹

JAE HYEOK SHIN¹

INSUNG JEON³

HO KYUNG HA⁴^*

오 지희¹

전 병진¹²

정 성운¹

신 재혁¹

전 인성³

하 호경⁴^*

¹Graduate Student, Department of Ocean Sciences, Inha University, Incheon 22212, Korea

²Associate, Korea Hydrography and Research Association, Seoul 08590, Korea

³Principal Researcher, Korea Electric Power Research Institute, Daejeon 34056, Korea

⁴Professor, Department of Ocean Sciences, Inha University, Incheon 22212, Korea

¹인하대학교 해양과학과 대학원생

²한국해양조사협회 사원

³한국전력공사 전력연구원 책임연구원

⁴인하대학교 해양과학과 교수

^{*Corresponding Author}

License (open-access, https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/):

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ABSTRACT

Local scour is a geomorphological process around offshore structures and directly affects their structural stability. In tidal-dominated regions, in particular, the tidal asymmetry can induce directional bias in the development of local scour. In order to investigate the development characteristics of local scour under tidal forcings, a rotary sonar profiler was installed on a jacket-type offshore platform located within the Shinan Offshore Wind Farm, Jeollanam-do for 22 days from April 18 to May 9, 2024. The in-situ mooring observations revealed the formation of an asymmetric local scour with deeper scour depth in the ebb direction because of an ebb-dominant tidal asymmetry. On average, the scour depth in the ebb direction (1.83 m) was approximately 31.6% deeper than that in the flood direction (1.39 m). The maximum scour depth reached 3.11 and 3.03 m during the spring and neap tides, respectively. Although the maximum scour depth varied during the mooring period, it remained consistently around 2.85 m, indicating the local scour had generally reached a stabilization state, despite short-term fluctuations by tidal variations. The scour slopes in the ebb (<26°) and flood (<16°), referenced to the local seabed, were both lower than the typical angle of repose (~32°) commonly observed in tide-dominant environments. It is speculated that the repetitive cycles of erosion and redeposition contributed to the development of a relatively gentle and stable scour slope. Sediments eroded during the scour process were transported by tidal currents, and subsequently redeposited as a 0.5 m-high mound on the northwestern side of the structure. This study quantitatively elucidated the influence of tidal asymmetry on the local scour morphology and the structural stability around an offshore platform. Furthermore, the results could serve as baseline data for predicting and managing benthic morphological changes around offshore platforms.

Keywords

Local scour

Rotary sonar profiler

Offshore structure

Tidal asymmetry

국지세굴은 해상 구조물 주변에서 발생하는 해저 지형 변화로, 구조물의 안정성에 직접적인 영향을 미치는 중요한 현상이다. 특히, 조석 흐름이 지배적인 해역에서는 조류의 비대칭성으로 인해 세굴의 깊이와 형태가 특정 방향으로 발달하는 경향이 있다. 본 연구에서는 조석 주기에 따른 국지세굴의 발달 양상을 파악하기 위해, 전라남도 신안 해상풍력단지 내 자켓형 해상 플랫폼에 회전식 소나 프로파일러(rotary sonar profiler)를 설치하고, 2024년 4월 18일부터 5월 9일까지 총 22일간 현장 관측을 수행하였다. 관측 결과, 조석 방향을 따라 비대칭적인 국지세굴이 관측되었으며, 연구지역의 낙조 우세 비대칭형 조석으로 인해 낙조 방향에서 더 깊은 세굴 깊이가 확인되었다. 평균 세굴 깊이는 창조(1.39 m)보다 낙조(1.83 m) 방향에서 약 31.6% 더 깊었다. 최대 세굴 깊이는 대조기와 소조기에서 각각 3.11과 3.03 m까지 도달하였다. 최대 세굴 깊이는 지속적으로 증감하였으나, 평균적으로 2.85 m에서 안정적으로 유지되었다. 이는 국지세굴이 초기 및 발달 단계를 지나 점차 안정화되었으며, 조석에 기인한 단기적 변동이 존재함에도 불구하고 전체적으로는 안정화 상태에 도달했음을 시사한다. 세굴 경사는 바닥면을 기준으로 낙조(<26°)와 창조(<16°) 방향 모두에서 왕복성 조류가 지배적인 환경에서 일반적으로 관측되는 안식각(~32°)보다 작았으며, 이는 반복되는 퇴적물 침식과 재퇴적 과정으로 인해 경사면이 완만하게 유지된 것으로 해석된다. 세굴 과정에서 침식된 퇴적물은 구조물 주변의 조석에 의해 북서 방향 외곽에 약 0.5 m 높이로 재퇴적되었다. 본 연구는 조석의 비대칭성이 해상 플랫폼 주변의 국지세굴 형태와 구조물의 안정성에 미치는 영향을 정량적으로 규명하였다. 현장 관측 결과는 향후 해상 플랫폼 주변 해저 지형 변화를 예측하고 관리하는 데 유용한 기초자료로 활용될 수 있다.

MAIN

1. 서 론
2. 연구지역
3. 재료 및 방법
3.1 현장자료 수집 및 분석
3.2 조석 비대칭
4. 결과 및 토의
4.1 기상 및 수리역학 변화
4.2 국지세굴 변동성: 깊이와 단면 경사
5. 결 론

1. 서 론

전 세계적으로 화석연료 사용의 급격한 증가로 인해 이산화탄소 배출이 급증하며, 지구온난화와 기상이변이 가속화되고 있다(Kim and Kim, 2008). 이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 재생에너지가 주목받고 있으며, 특히 해상풍력발전은 해양 공간을 활용한 친환경적이고 지속 가능한 에너지원으로서 육상풍력에 비해 설치 공간의 제약이 적고, 강하고 안정적인 풍력 자원을 활용할 수 있다는 점에서 더욱 주목받고 있다(Kim et al., 2022; Kyong et al., 2003).

우리나라는 2050년 탄소중립 목표 달성을 위한 핵심 재생에너지원으로 해상풍력발전을 적극적으로 추진하고 있으며, 서남해는 기술적 발전 잠재량 12.4 GW를 보유하고 있는 핵심 지역으로 평가된다(Jeong et al., 2018; Roh, 2021). 서남해는 수심이 20 m 내외로 얕아 대규모 해상풍력발전단지 건설에 적합하며 경제성이 뛰어난 천해지역으로 평가된다. 그러나, 바닥 퇴적물이 대부분 니질과 사질로 구성되어 있어 조류의 변화에 따라 침식 및 이동될 가능성이 높으며(Seo et al., 2019), 이는 국지세굴을 유발하는 주요 원인으로 지적되고 있다(Qi and Gao, 2014; Keshtpoor et al., 2015; Zhang et al., 2023).

국지세굴은 구조물 주변에서 유속이 증가함에 따라 발생하는 현상으로, 구조물 전면과 측면에서 형성되는 말발굽 와류(horseshoe vortex)와 구조물 후면에서 형성되는 배후 와류의 복합적인 작용에 의해 유발된다. 특히, 말발굽 와류의 강도는 구조물 전면으로 접근하는 유체가 수직 하강 흐름을 형성할 때 크게 좌우되며, 구조물 주변 유동장을 변화시켜 바닥 퇴적물의 침식을 촉진하는 주요 요인으로 작용한다(Roulund et al., 2005; Baykal et al., 2017; Euler et al., 2017). 그 결과, 구조물의 기초를 노출시키고 지반의 지지력을 약화시켜 장기적으로 구조물의 안정성에 부정적인 영향을 미친다(Qi and Gao, 2014; Couldrey et al., 2020). 지금까지의 선행 연구(Harris et al., 2004; Dixen et al., 2012; Schendel et al., 2018)는 해상풍력 기초 구조물 중 가장 널리 사용되는 모노파일형 해상 플랫폼을 대상으로 최대 세굴 깊이를 조사하는데 초점을 맞췄다. 그러나, 최근 국내 해역에서 주로 사용되는 자켓형 해상 플랫폼 주변에서 발생하는 퇴적물 침식 메커니즘이나 해저 지형 변화 등에 대한 현장 연구는 부족하며, 이에 따라 수조 실험 등으로 연구가 진행되고 있다(Yang et al., 2011; Chen et al., 2023). 특히 대한민국의 서남해는 지역별로 조석 비대칭성이 상이하게 나타나지만, 이에 따른 세굴 형태와 퇴적물 동역학의 상관관계에 대한 연구 또한 대부분 수치모델링(Oh et al., 2012; Park and Kim, 2017)이나 실내 수조실험(Yang et al., 2020)에 의존하고 있어, 실제 해역에서의 현장 관측 기반 연구의 필요성이 더욱 강조되고 있다.

자켓형 해상 플랫폼에서 발생하는 국지세굴의 특성을 규명하는 것은 해상풍력발전의 안정성과 지속 가능성을 확보하기 위한 중요한 과제로 여겨진다. 특히, 실제 해역에서의 관측 장비 장기 계류를 통한 조사는 기존 연구의 한계를 보완하고, 국지세굴 메커니즘에 대한 이해를 더욱 깊이 있게 할 수 있는 중요한 방법이다(Oh et al., 2012). 따라서, 본 연구는 서남해에 설치된 자켓형 해상 플랫폼에 회전식 소나 프로파일러(rotary sonar profiler)를 장기 계류하여 (1) 조석이 국지세굴에 미치는 영향을 규명하고, (2) 시간에 따른 국지세굴 변화 양상을 분석하여 정량적으로 평가하는 것을 목적으로 한다.

2. 연구지역

연구지역은 전라남도 신안군 임자도로부터 서쪽으로 약 30 km 떨어진 해상에 위치한 신안 해상풍력발전단지이다(Fig. 1). 연구지역이 속해 있는 서남해는 해상풍력 자원이 풍부하여 2017년 발표된 재생에너지 2030 이행계획 이후, 국가 재생에너지 정책의 주요 개발 지역으로 선정되어 왔다(Lee et al., 2023). 일반적으로 서해는 조차가 크고, 연안을 따라 반일주조가 우세한 조석 특성을 가진다(Choo and Kim, 2013; Seo et al., 2019; Woo et al., 2020). 특히, 서남해의 조류는 복잡한 해안선, 다도해 지형 및 수로로 인해 국지적으로 복잡하게 나타나며, 전반적으로 창조 시에는 북동류, 낙조 시에는 남서류가 우세한 왕복성 조류의 특성을 보인다(Choo and Kim, 2013; Choi, 2014). 이러한 조석 우세 환경에서는 강한 조류에 기인한 난류에 의해서 국지세굴이 발생하며, 주변 해저 지형 변화에 중요한 영향을 미친다(Harris et al., 2004; Qu et al., 2023; Zhang et al., 2023).

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Fig. 1.

Map of the study area (red rectangle in the inset). The blue triangle represents the offshore platform (35°03'13"N, 125°45'43"E) where a rotary sonar profiler was installed. The yellow dot and pink square represent the locations of the marine buoy (34°32'35"N, 125°48'10"E) and the tidal station (35°10'04"N, 126°21'34"E) operated by Korea Hydrographic and Oceanographic Agency (KHOA), respectively. The light brown area denotes the intertidal flat.

연구지역은 평균 조차 3.7 m, 최대 조차 4.8 m의 대조차 환경이며(Lee et al., 2024), 동아시아 계절풍의 영향으로 여름철에는 남풍-남동풍, 겨울철에는 북풍-북서풍으로 바람 방향이 바뀐다(Ryu et al., 2004; Baek et al., 2016). 신안군 인근 해역은 해발고도 110 m 기준으로 연평균 풍속이 4.4 m/s 이상으로 나타나며, 수심은 약 10–30 m 내외로 해상 플랫폼 설치에 유리한 환경이다(Ryu et al., 2021; Park et al., 2024). 대상해역은 주로 육상에서 유입된 세립질 퇴적물에 의해서 영향을 받으며, 연안역에서는 점토와 실트가 혼재된 니질 퇴적물이 우세한 반면, 외해역으로 갈수록 사질 퇴적물이 우세하다(Cho et al., 2023; Lee et al., 2024).

3. 재료 및 방법

3.1 현장자료 수집 및 분석

시간에 따른 국지세굴 형태의 변화를 조사하기 위해 2024년 4월 18일부터 5월 9일까지(총 22일) 회전식 소나 프로파일러(Imagenex Technology Corp., 881AP)를 자켓형 해상 플랫폼에 설치하였다(Fig. 2(a)). 소나 프로파일러는 360° 회전이 가능한 회전기어(Imagenex Technology Corp., Azimuth Drive)와 함께 운용되어 관측 기기가 회전하며 해저면을 전방위적으로 관측할 수 있도록 설정되었다(Fig. 2(b)). 관측 기기는 평균 해수면을 기준으로 약 6 m 아래에 설치되었으며, 해상 플랫폼 하부 구조물에 고정되었다. 소나 프로파일러의 음향 송출 각도와 증가분은 각각 150°와 6°로 설정되었으며, 회전기어의 회전각과 증가분은 각각 360°와 6°로 설정되어 반경 15 m 내의 3차원 해저면 이미지를 생성하였다. 관측 간격은 12.42 h로 설정되어 매 고조마다 관측을 실시, 관측자료는 실시간으로 해상 플랫폼 상부에 설치된 데이터로거(ALS, Iris Link)로 전송되었다(Table 1). 관측 자료는 프로그래밍 언어 MATLAB^®을 통해 나선형 격자 형태로 재구성되었으며, 총 40개의 해저면 이미지를 생성하였다(Jeon et al., 2024). 세굴 깊이는 기준 수심면 대비 상대적인 깊이 변화를 기반으로 산정하였다. 기준 수심면은 각 지점에서 관측된 최소 수심 값들의 평균으로 정의하였으며, 이를 기준으로 각 관측 시점의 수심 값과의 차이를 상대 세굴 깊이로 산정하였다. 최대 세굴 깊이는 분석 주축을 설정한 후, 해당 주축에서의 상대 세굴 깊이 중 가장 깊은 값을 추출하였다. 세굴 범위는 기준 수심면 대비 수심이 0.5 m 이상 침식된 구간을 유효 세굴 영역으로 정의하였다. 이 중, 보다 심각한 세굴이 발생한 영역을 분석하기 위해 1 m 이상 침식된 구간을 중심으로 분석을 수행하였다. 또한, 바람, 조석, 파랑 등의 외력이 국지세굴 발달 양상에 미치는 영향을 비교하기 위해 국립해양조사원(바다누리 해양정보 서비스, 2024a, 2024b)에서 제공하는 향화도 조위 관측소(35°10'04''N, 126°21'34''E)에서의 조위 관측자료와 우이도 해양 관측 부이(34°32'35"N, 125°48'10"E)에서 수집된 풍속, 풍향, 파랑, 표층 해류 관측 자료를 활용하였다.

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Fig. 2.

(a) Photograph of the offshore platform where a rotary sonar profiler was installed. (b) Schematic diagram showing the mounting configuration of the mooring system near the pile (O) for monitoring the local scour.

Table 1.

Setups used during the mooring of the rotary sonar profiler

Setup parameters	Values
Operating frequency (kHz)	675
Vertical resolution (m)	0.01
Horizontal resolution (m)	0.1
Sampling interval (h)	12.42
Beam angle (increment) (°)	150 (6)
Azimuthal rotation angle (increment) (°)	360 (6)

3.2 조석 비대칭

조석 비대칭은 창조와 낙조의 지속 시간과 유속 차이로 인해 발생하는 현상으로, 퇴적물 이동과 해저 지형 변화에 중요한 영향을 미친다(Sanford et al., 2001; Seo et al., 2022). 창조 시 유속이 빠르고 지속 시간이 짧다면, 부유퇴적물은 육지방향으로 이동되고, 반대로 낙조 시 유속이 빠르고 지속 시간이 짧다면, 부유퇴적물은 바다방향으로 이동될 수 있다(Seo et al., 2022). 관측 기간 동안의 연구지역의 조석 비대칭성을 평가하기 위해, 조위 관측자료에서 24.84 h 주기로 저역통과 필터(low-pass filter)를 수행하였다(Guo et al., 2019; Seo et al., 2022).

일반적으로 조석 비대칭성 평가에는 조석의 지속 시간 비대칭( $γ_{0}^{ζ'}$ )과 유속 비대칭( $γ_{0}^{U}$ )이 활용되며, 지속 시간 비대칭은 다음과 같이 정의된다(Guo et al., 2019; Seo et al., 2022):

(1)

γ_{0}^{ζ'} = \frac{\frac{1}{N - 1} \sum_{t = 1}^{N} (ζ'_{t} - \bar{ζ'})^{3}}{{[\frac{1}{N - 1} \sum_{t = 1}^{N} (ζ'_{t} - \bar{ζ'})^{2}]}^{3 / 2}}

$N$ 은 조위 데이터의 갯수, $ζ'$ 는 조위의 시간에 대한 미분 결과, $\bar{ζ'}$ 는 평균 조위의 시간에 대한 미분 결과이다. $γ_{0}^{ζ'}$ >0이면 창조 우세를 나타내며, 창조류 지속 시간이 짧고 낙조류 지속 시간이 길어진다는 것을 의미한다. 반면, $γ_{0}^{ζ'}$ <0이면 낙조 우세로, 반대의 현상이 발생한다(Nidzieko, 2010; Figueroa et al., 2020).

유속 비대칭은 다음과 같이 계산된다(Guo et al., 2019; Seo et al., 2022):

(2)

γ_{0}^{U} = \frac{\frac{1}{N - 1} \sum_{t = 1}^{N} (U_{t} - \bar{U})^{3}}{{[\frac{1}{N - 1} \sum_{t = 1}^{N} (U_{t} - \bar{U})^{2}]}^{3 / 2}}

$U_{t}$ 는 특정 시점( $t$ )의 유속이며, $\bar{U}$ 는 평균 유속을 의미한다. $γ_{0}^{U}$ >0이면 창조류의 유속이 우세함을, $γ_{0}^{U}$ <0이면 낙조류의 유속이 우세함을 나타낸다(Nidzieko, 2010; Figueroa et al., 2020).

4. 결과 및 토의

4.1 기상 및 수리역학 변화

관측 기간 동안 풍속은 주로 북서 방향으로 0.4–7.9 m/s 범위에서 변동하였으며, 특히, 5.0–6.0 m/s 구간에서 가장 높은 빈도를 보였다(Fig. 3(a)). 유의파고는 0.3–1.2 m의 범위에서 변동하였고, 풍속이 증가하면 같이 증가하는 경향을 보였다(Figs. 3(a) and 3(b)). 최대 세굴 깊이는 유의파고가 증가할 때 얕아지는 경향을 보였다(Figs. 3(b) and 3(d)). 파랑은 세굴의 발생과 발달에 다양한 기작으로 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, 강한 파랑에 의해 유의파고가 증가하여 침식이 가속될 수 있다(Sumer and Fredsøe, 2001; Whitehouse et al., 2008; Sumer et al., 2013). 그러나 파랑이 통과할 때 발생하는 와류는 퇴적물의 재부유를 유도하여, 세굴 내로의 뒤채움을 유발할 수 있다(Sumer et al., 2013; Baykal et al., 2017). 이러한 뒤채움 과정은 침식된 세굴 경사를 완만하게 하며 결과적으로 최대 세굴 깊이를 일시적으로 감소시키는 효과를 초래할 수 있다(Sumer et al., 2013; Baykal et al., 2017).

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Fig. 3.

Time series data collected from the marine buoy, rotary sonar profiler, and tidal station: (a) wind speed, (b) significant wave height, (c) tidal level, and (d) scour depth. (e) Rose diagram of tidal currents from April 18 to May 9, 2024, showing the probability of occurrence (%) for current direction and speed.

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Fig. 4.

Temporal variability in the duration asymmetry (solid line) and velocity skewness (dashed line). Positive and negative values indicate flood- and ebb-dominated currents, respectively.

회전식 소나 프로파일러 관측기간은 22일로 대조기와 소조기를 모두 포함하고 총 40회의 조석주기(창‧낙‧고‧저)로 구성되어 있다(Fig. 3(c)). 조류는 창조 시 북북서 방향(340°), 낙조 시 남남동 방향(160°)으로 흘렀으며, 각각 0.02–1.55 m/s 및 0.03–1.77 m/s의 범위를 보였다(Fig. 3(e)). 전체 조석 주기 동안, 창조 지속시간(6.75 h)은 낙조 지속시간(5.65 h)보다 약 19.5% 길었으며, 이는 대조기와 소조기에서 모두 확인되었다. $γ_{0}^{ζ'}$ 는 전 구간에서 -0.5–-0.1 사이의 음의 값을 보였으며(Fig. 4), 이는 낙조의 지속시간이 창조보다 상대적으로 짧다는 것을 의미한다(Nidzieko, 2010; Figueroa et al., 2020). 창조 시 최대 유속은 1.55 m/s, 낙조 시는 1.77 m/s로 측정되어, 낙조류가 창조류보다 14.2% 빠르게 나타났다(Fig. 3(e)). $γ_{0}^{U}$ 값은 -0.69–0.14 범위로 분포하였으며, 대부분 음의 값을 나타내었다(Fig. 4). 이는 유속 측면에서도 연구지역이 낙조가 우세한 지역임을 의미한다. 이러한 결과는 조석 에너지가 낙조 방향으로 집중됨을 보여주며, 비대칭적인 국지세굴 형태 발달의 주요한 요인으로 작용할 수 있다(Chen et al., 2014; Zhang et al., 2023). 특히, 짧은 시간동안 높은 유속이 집중되는 낙조는 순간적인 유속의 증가와 그에 따른 전단응력의 증가를 유발하여 세굴의 진행 속도를 가속화할 수 있다(Zhang et al., 2023). 따라서, 해상 플랫폼의 하부 구조물 주변에 발생한 비대칭적인 국지세굴은 조석 지배적인 연구 해역의 특성을 반영하여, 특히 우세한 조석(낙조) 방향으로 심화된 퇴적물 침식이 발생했음을 보여준다.

4.2 국지세굴 변동성: 깊이와 단면 경사

연구지역 내 국지세굴에서 보다 심각한 침식이 발생한 구간을 분석한 결과, 기준면 대비 1 m 이상 침식된 범위는 낙조 방향으로 구조물로부터 최대 4.2 m까지 확장된 것으로 나타났다(Fig. 5). 대조기와 소조기 모두에서 세굴은 주로 낙조 방향으로 집중되는 경향을 보였다. 세굴이 집중된 영역을 기준으로 평균 세굴 깊이를 산정한 결과, 낙조 방향에서 1.83 m, 창조 방향에서 1.39 m로, 낙조 방향의 세굴이 창조 방향에 비해 약 31.6% 더 깊었다. 이는 우세한 조석 방향으로 비교적 확장된 국지세굴이 형성된다는 기존 연구 결과와 일치한다(McGovern et al., 2014; Qu et al., 2023; Zhang et al., 2023; Geng et al., 2024). 본 연구지역은 낙조 우세 조석 특성이 뚜렷하게 나타나는 지역으로, 우세한 조석 시기에 더 강한 유속과 함께 구조물 주변에서는 말발굽 와류와 배후 와류가 형성된다(Roulund et al., 2005; Euler et al., 2017). 이러한 와류 구조는 유동을 교란하고 바닥 전단응력을 증가시켜, 낙조 방향으로 세굴이 집중되고 심화되는 원인으로 작용한 것으로 해석된다. 최대 세굴 깊이는 A-A’ 단면을 기준으로 최대 세굴 깊이를 산정하였으며, 최소 2.51 m에서 최대 3.11 m 까지의 범위에서 관측되었다. 대조기에 3.11 m로 가장 깊었고, 소조기의 최대 깊이는 3.03 m로 측정되었다(Fig. 3(d)). 이는 대조기의 강한 유속과 그에 따른 와류 발생으로 인해 침식 작용이 더욱 촉진된 결과로 판단된다(Qu et al., 2023; Zhang et al., 2023). 조석의 세기가 국지세굴에 어떤 영향을 미치는지 구체적으로 파악하기 위해, 연구지역의 세굴 형성 방향을 고려하여 A-A’ 단면을 기준으로 대조기와 소조기 동안의 국지세굴 단면도를 분석하였다(Fig. 6). 단면도는 각 지점에서 실제 관측된 수심 자료들의 평균값을 도시하고, 10개 지점에 대해 이동평균하여 도출하였다. 최대 세굴 깊이는 대조기가 소조기보다 약 0.1 m 더 깊게 형성되었으며, 이는 최대 세굴 깊이에서 관측된 차이와 동일한 수리역학적 원인에 기인한 것으로 판단된다. 따라서, 향후 국지세굴 예측이나 구조물 설계 시에는 조석 조건에 따른 조류 및 생성 등의 유동 특성을 포함한 정밀한 분석이 요구된다.

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Fig. 5.

Image of local scour captured by a rotary sonar profiler. “O” represents the location of the foundation pile (see Fig. 2 for location) where a rotary sonar profiler was installed. The light gray area indicates the acoustic shadow zone, resulting from sound wave reflection and obstruction near the pile structure. The line A-A’ represents the primary axis of analysis, aligned with the dominant current direction and the principal orientation of scour development around the offshore structure. Positive values indicate deposition, and negative values indicate scour relative to the reference seabed.

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Fig. 6.

Cross-sectional profiles of local scour along the line A-A’ (see Fig. 5 for location). Dots represent individual measurements by a rotary sonar profiler, and solid lines indicate the mean scour profiles calculated for each tidal condition. The red and blue lines correspond to spring and neap tide conditions, respectively.

안식각은 외력이 가해지지 않는 정적인 조건에서, 퇴적물 입자의 크기, 형상, 밀도 등에 따라 결정되는 자연적인 최대 안정 경사각으로, 퇴적물이 붕괴하지 않고 쌓일 수 있는 한계 경사를 의미한다. 이는 경사면의 안정성을 평가하는 데 중요한 기준이 된다. 본 연구에서는 세굴 경사면의 안정성을 평가하기 위해 실제 경사도를 분석하였으며, 연구지역 인근 표층 퇴적물은 70% 이상이 실트로 구성된 환경으로 확인되었다. 왕복성 조류가 지배적인 환경에서 이와 같은 미세질 퇴적물의 일반적인 안식각은 약 30-32° 수준이며(Roulund et al., 2005), 본 연구에서 관측된 경사각은 낙조 방향에서 대조기 26°, 소조기 23°, 창조 방향에서 대조기 16°, 소조기 10°로, 전체적으로 30° 보다 낮은 값을 보였다(Fig. 6; Roulund et al., 2005; Schlömer and Herget, 2023). 이러한 완만한 경사각은 주기적인 조류에 의해 퇴적물이 유동하는 과정에서 국지세굴 경사면을 따라 침식된 퇴적물이 재퇴적되며 세굴 경사각이 안식각보다 완만하게 유지된 결과로 해석된다(Hartvig et al., 2010; Qi and Gao, 2019; Zhang et al., 2023). 최대 세굴 깊이 역시 계류관측 기간 동안 시기별로 증감하는 변동성을 보였으나, 평균적으로 약 2.85 m에서 안정적으로 유지되었다(Fig. 3(d)). 이는 국지세굴 발달 4단계(①초기 → ①발달 → ③안정화 → ④평형) 중, 극심한 퇴적물 침식이 발생하는 초기 및 발달 단계를 지나 “안정화 상태”에 도달했음을 시사한다(Sumer et al., 2001; Whitehouse et al., 2008; Jeong et al., 2023; Zhang et al., 2023).

국지세굴의 외측에서는 구조물 기준 북서쪽에 약 0.5 m 높이의 퇴적물이 쌓인 지형이 형성되었다(Figs. 5 and 6). 이는 세굴 과정에서 침식된 퇴적물이 구조물 주변의 복잡한 유동 패턴, 특히 조석에 의해 북서 방향으로 운반되어 재퇴적된 결과로 해석된다. 이러한 퇴적 양상은 Whitehouse et al.(2011)과 Euler et al.(2017)에서 보고된 세굴-퇴적 패턴과 유사하며, 특히 Du et al.(2022)에서 제시한 유속 감쇠에 따른 퇴적 메커니즘과도 일치하는 경향을 보인다. 본 연구에서는 세굴의 진행과 함께 구조물 외측에 퇴적이 동반되는 지형 변화가 확인되었으며, 이는 해상 플랫폼 설계 시 국지세굴 뿐만 아니라 주변 해저 지형 변화와 퇴적물 이동 경향을 종합적으로 고려해야 함을 시사한다.

5. 결 론

본 연구에서는 전라남도 신안군에 위치한 해상풍력발전단지 내 해상 플랫폼에 회전식 소나 프로파일러를 장기 계류하여 조석이 국지세굴에 미치는 영향을 조사하였다. 총 22일간의 현장 관측을 통해 도출된 주요 결론은 다음과 같다:

(1)조석의 지속시간 비대칭성이 음의 값을 나타내어 낙조 우세형 조류 특성이 확인되었으며, 이에 따라 국지세굴은 낙조 방향을 따라 비대칭적으로 형성되어 최대 길이가 4.2 m까지 발달하였다.

(2)최대 세굴 깊이는 조석 주기에 따라 2.51 m에서 3.11 m 사이에서 변동하였으며, 특히 낙조 방향에서 형성된 세굴이 창조 방향보다 평균적으로 약 31.6% 더 깊게 관측되었다. 이는 낙조 시 유속이 창조 시보다 강하여 상대적으로 강한 바닥전단응력이 발생했음을 의미하며, 조석 주기에 따른 조류의 비대칭성이 세굴 깊이 및 형태에 미치는 영향을 정량적으로 보여준다.

(3)세굴 경사는 낙조 방향에서 23-26°, 창조 방향에서 10-16°로 관측되었으며, 이는 왕복성 조류 환경에서 일반적으로 관측되는 안식각(~32°)보다 낮은 수치이다. 왕복성 조류에 의해 퇴적물이 유동하는 과정에서 국지세굴 경사면을 따라 침식된 퇴적물이 재퇴적되어 세굴 경사면이 완만하게 유지된 것으로 해석된다.

(4)구조물 주변에서 국지세굴이 발생함에 따라, 세굴 범위 외측의 북서 방향에 약 0.5 m 높이의 퇴적물이 쌓인 지형이 형성되었다. 이는 세굴 형성 과정에서 침식된 퇴적물이 구조물 주변에 형성된 와류와 조석 의해 북서 방향으로 이동되어 재퇴적된 결과이다.

(5)계류관측 기간 동안 최대 세굴 깊이는 지속적으로 증감하였으나, 평균 최대 세굴 깊이는 약 2.85 m 수준에서 비교적 안정적으로 유지되었다. 이는 연구지역의 국지세굴이 초기 및 발달 단계를 지나 점차 안정화되었으며, 조석에 기인한 단기적 변동이 존재함에도 불구하고, 전체적으로는 세굴이 안정화 상태에 도달했음을 시사한다. 다만, 본 연구는 자켓형 단일 구조물에서 한 달 미만의 현장 관측을 수행한 것으로, 공간적 일반화 및 장주기 흐름의 영향 분석에는 한계가 있다. 향후에는 다양한 구조물 유형에 대한 동시 다점 관측과 장주기 흐름 특성을 반영한 정밀한 관측 설계를 통해 국지세굴 메커니즘을 보다 체계적으로 규명할 수 있는 관측 체계의 구축이 요구된다.

Acknowledgements

본 연구는 해양수산부 재원으로 해양수산과학기술진흥원의 지원을 받아 수행된 연구입니다(RS-2021-KS211469, 과학기술 기반 해역이용 영향평가기술개발). 또한, 한국전력공사의 2022년 착수 기초연구개발 과제 연구비의 지원을 받았습니다(과제번호: R22XO05-12).

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The Sea Journal of the Korean Society of Oceanography ISSN:1226-2978(Print) 2671-8820(Online) 한국해양학회지 바다

Preview

Development of Tidal-Induced Local Scour Around Offshore Structure: A Case Study in Shinan Area

ABSTRACT

MAIN

Fig. 1.

Fig. 2.

(a) Photograph of the offshore platform where a rotary sonar profiler was installed. (b) Schematic diagram showing the mounting configuration of the mooring system near the pile (O) for monitoring the local scour.

Table 1.

Setups used during the mooring of the rotary sonar profiler

(1)

(2)

Fig. 3.

Fig. 4.

Temporal variability in the duration asymmetry (solid line) and velocity skewness (dashed line). Positive and negative values indicate flood- and ebb-dominated currents, respectively.

Fig. 5.

Fig. 6.

Acknowledgements

References