"쓰나미는어떡하조"의 두 판 사이의 차이

2019년 12월 23일 (월) 19:41 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 동해안의 지진해일 처오름 분석 및 대책 마련

영문 : Analysis of tsunami run up on the east coast and countermeasures

과제 팀명

쓰나미는어떡하조

지도교수

김대홍 교수님

개발기간

2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학과 20168600** 김**(팀장)

서울시립대학교 토목공학과 20168600** 성**

서울시립대학교 토목공학과 20148600** 이**

서울시립대학교 토목공학과 20148600** 강**

서울시립대학교 토목공학과 20158600** 카**

서론

연구 배경 및 목적

전 세계에서 가장 위험하고 파괴적인 자연재해 중 하나로 지진해일을 뽑을 수 있다. 한반도는 판구조론의 측면에서 볼 때 환태평양 지진대에서 떨어져 있다는 이유로 지진해일 안전지대라고 주장하는 사람들이 많았다. 하지만 그러한 주장과 달리 최근 올해 동해안에서 규모 4 이상의 해저지진이 모두 울릉단층을 따라 발생하였고, 2016년 9월 12일 대한민국이 기상관측을 시작한 이래 최대 규모의 지진이 경주시 남서쪽 8,9 km에서 두 차례 발생하였다. 이와 같이 지진이 잇따르자 양산 단층과 울산단층 같은 동해지역 단층들이 ‘활성단층’일 수 있다는 우려가 나오고 있다. 지진 전문가들은 동해 해저에 남북으로 길게 단층대가 분포하고 있고, 규모 7 정도의 쓰나미를 일으킬 수 있는 해저지진이 발생할 가능성도 있다고 말한다. 이와 같이 우리나라 또한 더 이상 지진해일의 안전지대가 아님을 인지하고 있어야 한다.

2011년 3월 11일 일본 도호쿠 지방 앞바다의 대지진과 지진해일로 인하여 최악의 피해인 후쿠시마 방사능 유출 사고가 있었다. 지진해일이 덮치면서 무려 2만 명이 넘는 사람들이 목숨을 잃고 원전사고로 인해 약 8년이 넘은 현재까지도 방사능으로 인한 피해는 심각하다. 방사능의 오염수와 폐기물 처리는 끝나지 않는 문제이다. 특히 우리나라는 동해안을 따라 세워진 원자력발전소의 분포도가 높다. 따라서 동해에서 해저지진이 일어났을 시 원전들의 파괴로 발생할 수 있는 2차 피해 또한 클 것으로 보여 동해안 지역에 보수적인 방재대책이 시급하다.

이 연구에서는 지역별 지형적 특징에 따른 지진해일의 처오름 높이가 현저히 다르게 나타나고 있음 감안하였다. 따라서 동해안의 해저지형을 고려하여 처오름 높이를 분석하고 이에 따른 대책마련을 하는 것이 본 연구의 목표이다. 동해 연안의 해저지형을 대륙붕과 대륙사면을 고려하여 대략 60개의 지점으로 나누어 수치모형화하고 초기파고와 주기를 결정하여 처오름 높이를 분석해 보다 정확한 대책을 구한다.

연구 동향 및 방법

LDN(leading depression N-wave)과 LEN(leading eleation N-wave)으로 구분되는 N-형 지진해일의 발생과 전파 및 처오름에 관한 다수의 연구가 진행되어왔다. 기존 연구에서는 주로 LDN이 LEN 보다 처오름 높이가 크다는 결과가 제시되었으나(Scrinvas Tadepali, 2017), 최근 들어 LDN과 LEN의 상대적 처오름 높이차는 지형의 경사와 파쇄조건에 따라 달라질 수 있다는 결과가 보고되었다(Kim and Son, 2019).

본 연구는 Kim and Son (2019)의 연구를 확장하여, 우리나라 동해안의 지형에 따른 처오름 높이를 분석한다. 울진부터 울산 부근까지의 해저 경사는 Google Earth Pro 프로그램을 통해 구하였고, 고립파(solitary wave), LDN 그리고 LEN 세 가지 파에 대하여 처오름 높이를 계산하였다. 또한, 체계적인 연구 수행을 위해 다음과 같은 절차로 연구를 수행하였다.

2장은 부시네스크 흐름모델을 사용한 이유와 파와 지형의 설정을 설명하였다. 파의 설정에서는 고립파, LDN과 LEN에 대하여 자세하게 다루었다. 지형은 단순화된 모형을 통해 설명하였다.

3장에서 Google Earth Pro 프로그램을 통해 대상 지역을 산정하고, 그에 대한 해저 경사를 구축하였다. 그 값에 대한 입력자료를 Fortran을 통해 지구물리학적 규모에서 처오름 높이를 계산하였고, Matlab 프로그램을 이용하여 SImulation하고 검토하였다. 추가로 6가지 경우에 대한 지형에 따른 처오름 높이를 분석하였다.

4장에서는 3장에서 구한 Simulation 이용하여 각 지역별 처오름 높이를 분석한 결과를 토대로 위험지역을 산정하였다, 본 팀은 위험지역에서 일괄적인 방파제를 적용시키는 것보다는 지형별로 파력 분산 효과가 뛰어난 방파제 모델이 제시되어야 한다고 고려하였다. 따라서 새로운 방파제 모델을 제안하였다.

이론적 배경

흐름모델

부시네스크 흐름모델

물리적 실험이나 실제 관측은 쓰나미에 대한 실제적 정보를 제공할 수 있다. 하지만 쓰나미는 간헐적으로 발생하고, 실제 관측되는 경우도 매우 드물다. 추가로, 파도의 진폭/깊이가 매우 작으므로 실험하는 것 역시 부적절하다. 결과적으로, 현장 관찰 또는 실험실 측정으로 부터 충분한 양의 정확한 데이터를 획득하고, 측정된 데이터를 사용하여 물리량을 정밀하게 분석하는 것은 어렵다.

따라서, 수치적 방법을 기반에 둔 부시네스크 방정식을 사용한다. 부시네스크 모델은 쓰나미의 발생조건과 파쇄현상을 고려할 수 있다. 또한, 비선형성 분산성 회전성 난류흐름을 고려할 수 있기 때문에 본 연구에서는 부시네스크 모델을 사용한다. (Kim et al, 2009)

위 방정식에서 x는 공간적 격자를 나타내며, t는 시간이다.

다음 방정식은 컴퓨터 프로그래밍을 이용하여 모델링할 수 있다. 이 모델은 성공적으로 다양한 물리적 특성을 고려할 수 있고, 쓰나미의 발생과 파쇄, 보조파 생성과 같은 해안가 근처에서의 현상을 고려할 수 있다 (Kim and Lynett, 2011).

지형과 파의 설정

지형의 설정

지형은 지구물리학적 규모를 고려하였다. 지진해일은 수심 2000m의 지형에서 발생하며, 2000~200m 사이의 경사가 1/15이고, 수심이 200m 이하인 경우 지형의 경사는 3장에서 제시된 대륙붕의 경사를 이용하였다 (Fig. 2.1).

파의 설정

파는 세가지 경우를 고려하였다. 고립파와 LDN과 LEN의 경우의 처오름 높이를 고려하였다. 고립파는 단 하나의 파도가 솟아올라 수면 위로 진행하는 파이다 (Fig. 2.2). LDN은 N-형 파 중 하나로, negative wave가 먼저 해안가에 오고 positive wave가 그 뒤를 따라서 오는 파이다 (Fig. 2.4). LEN은 positive wave가 먼저 오고 그 뒤를 negative wave가 뒤따라 오는 N-파이다 (Fig. 2.3).

N파의 방정식은 다음과 같다(Tadepalli and Synolakis,1996).

a0는 파의 진폭이고, Tw는 파의 주기 그리고 Lw는 파장이다. μ는 해수면으로부터 마루또는 골의 길이를 지정하는 인자이다. N-파의 경우, μ의 값을 1로 하였고, 고립파의 경우 μ를 0으로 하였다. 또한, (x-xe)/Lw = π/8이며, (x-xd)/Lw = -π/8 으로 지정하였다 (Kim and Son, 2019). 이러한 설정을 바탕으로 동해안의 지형학적 특성을 확인하기 위해, 지진해일의 발생조건은 일정하게 지정하였다. 전체 수심 d=2000m로 울릉분지의 평균적인 수심을 적용하였고, 지진해일은 수심이 d=2000m가 되는 지점으로부터 100km 떨어진 지점에서 발생한다고 지정하였다. 또한 초기 발생조건의 setup은 주기는 780s, 초기파고는 0.5m와 1m 두가지 경우에 대하여 simulation을 진행하였다.

대상지역 및 자료

대상지역의 선정

Google Earth Pro를 이용하여 울진 부근의 위도 37°18'22.81"N, 경도 129°18'0.22“ 의 지점을 <지점 1>로 지정하였고, 울산부근의 위도 35°22'22.54"N, 경도 129°21'8.20"E의 지점을 <지점 60>으로 지정하였다. <지점 1> 부터 <지점 60>의 지점을 평균 4400m 간격으로 60등분하여 60개의 지점을 선정하였다 (Fig. 3.1). 해당 60개의 지역의 해안선으로부터 수직방향으로 수심 200m인 지점까지의 거리(Fig. 3.1의 빨간색 경로)를 이용하여 계산하였다 (Fig. 3.2)

Fig.3.1과 Fig.3.2의 자료를 토대로 해저지형을 구축하였다. 60개의 지점에서 Simulation을 통하여 처오름 높이를 계산하였다.

입력자료의 구축

Fortran 프로그램을 사용하여 N-파와 지구물리학적 규모의 지형을 넣어 처오름 높이를 계산하도록 하였다. Fig. 3.3은 초기파고가 0.5m일 때의 LEN파의 경우를 에시로 들어 wake maker 코드를 설명한 것이다. 483~484줄은 파의 방정식이고, 485줄의 값을 변화시켜 파고의 높이를 변화시켰다. 또한, Fig. 3.4는 지형을 만드는 파이다. 607~608줄의 값을 변화시켜 대륙사면과 대륙붕의 경사를 지정할 수 있다. 610~614줄은 대륙사면의 지형을 만드는 코드이고, 624~635줄은 대륙붕 지형이다 (Kim and Son, 2019). Fig. 3.3과 3.4에 제시된 코드에서 값을 변화시켜, 초기 파고 ,지진해일의 파와 지형의 변화에 따른 360개의 처오름 높이를 계산하고 Simulation 하였다 (Fig. 3.5)

앞서 Fortran을 이용하여 얻은 결과값을 matlab 프로그램을 이용하여 검토하는 작업을 하였다. 검토한 결과 해저지형은 깊이는 2000m이고, 대륙붕은 수심 200m에서부터 생성되어 있음을 확인할 수 있었다. 또한 지진해일은 수심 2000m가 되는 지점으로부터 100km에서 파도가 생성됨을 확인할 수 있었다. 그림 9는 파고가 1m일 때의 처오름 Simulation이다.

처오름 높이 결과 및 분석

처오름 높이 결과는 앞서 Fig 3.5에 제시된 바와 같이 6가지 경우에 대하여 360개의 Simulation을 하였다. 그에 대한 결괏값을 Fig. 3.7에 나타내고, 각각의 평균값을 Fig. 3.8에서 구하였다.

LDN, LEN 그리고 고립파 모두 초기파고가 0.5m에서 1m로 두 배 증가하였을 때, 처오름 높이 또한 두 배가량 증가함을 확인할 수 있다.

Fig. 3.9는 같은 초기발생조건을 가지는 경우 대륙붕 경사의 변화에 따른 처오름 높이를 비교한 그래프를 나타낸 것이다. LDN_0.5m의 경우 5번 지점, LDN_1m의 경우 28번 지점, 그리고 LEN_0.5m의 경우 10번과 22번 그리고 26번 지점이 다른 지점보다 높은 처오름 값을 보임을 확인할 수 있다. LEN_1m 및 고립파의 경우 경사의 변화에 따른 차이가 크지 않음을 확인할 수 있다.

본 연구가 확장한 Kim and Son, 2019에서 S ≲ 1/200일 경우, LDN이 LEN보다 위험하고, S ≳ 1/100 의 경우, LEN이 LDN보다 처오름 값이 크다는 결과가 제시되었다. 하지만 Kim and Son, 2019 연구와 초기조건을 다르게 하였을 때, 기존 연구와는 다른 결과가 있음을 확인할 수 있었다. 초기파고 가 0.5m일 때, LDN과 LEN의 값을 비교한 결과를 Fig. 3.10에 나타내였다.

선정한 60개의 지점 중 57개는 기존 연구와 같이 경사가 비교적 급할 때 LDN이 LEN보다 높은 처오름 값을 갖고, 경사가 완만할 때 낮은 처오름 값을 갖는다. 하지만 10번, 22번 그리고 26번 세 개의 지점의 경사는 Fig.3.7.1에 제시된 바와 같이 순차적으로 68.455, 72.94 그리고 64.835으로 비교적 경사가 급함을 확인할 수 있다. 그럼에도 불구하고, LDN보다 LEN의 처오름 값이 큰 것을 확인할 수 있다. 이에 대한 원인을 확인하기 위해 matlab SImulation 결과를 검토하였다 (Fig. 3.11). Fig. 3.11은 22번의 순차적인 처오름 결과를 나타낸 것이다.

Fig. 3.11애서 3번째 Simulation에서 처오름이 생긴 후, 4번째에서 처오름에 의한 처내림이 발생한 것을 확인 할 수 있다. 처내림이란, 파의 처오름 현상에 의해, 해변 또는 구조물의 사면에 따라 위로 밀려올라간 물이 파랑이 후퇴함에 따라 다시 바다로 흘러 내려가는 현상이다. 지형학적 특성에 따라 처내림과 negative wave이 맞물려 두 번째 처오름 때 다른 값보다 3배 가량 큰 처오름 높이가 기록되었음을 추측해볼 수 있었다. Simulation을 해보니, 10번과 26번 또한 Fig. 3.11과 비슷한 결과가 있었다. 따라서 세 지점의 높은 처오름의 이유는 지형학적 특성에 의한 처내림으로 추측해볼 수 있었다.

모형 적용 및 분석

적용 지역 선정

지역별 처오름 높이의 차이를 실제적으로 확인하려는 이유에서 Fig. 3.5에 제시된 6가지 경우에 대하여 3D 맵을 이용해 3차원 지도를 도시화하였다. 앞서 3장 3절에서 확인하였을 때, 파는 LDN이고, 초기파고가 0.5m 1m일 경우와 파는 LEN이고 초기파고가 0.5일 때, 지역별로 비정상적으로 높은 처오름 높이 결과가 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 이 세가지 경우에 대한 3D맵을 만들어 확인하였다 (Fig. 4.1, 4.3, 4.6).

Fig 4.1은 초기파고가 0.5m일 때의 LDN파에 대한 처오름 높이를 3d 맵으로 도시화한 결과이다. 5번 지점이 상대적으로 처오름 높이가 높은 것을 확인 할 수 있다. 그에 반해 52~57 지점은 상대적으로 낮은 수치가 나왔다. 55~57 지점은 울산 부근으로 확인할 수 있었고, 5번 지역은 Fig. 4.2에 나타내고, 중점적으로 설명하였다.

Fig. 4.2을 보면 5번 지점은 한울 원자력 발전소가 위치해 있다. 발전소는 국가적으로 보수적인 방재시설이 필요한 지점이다. 한국수력원자력 문의 결과 부지가 10m 이라는 이유로 해안방벽과 같은 지진해일에 대비한 방재시설이 없는 것으로 확인되었다. 기본적인 테트라 포드 방파제가 설치되어 있지만 Simulation 결과 비정상적으로 높은 처오름 수치가 나왔다. 4장 2절에서 이에 대한 보수적인 방파제를 제시한다.

Fig 4,3은 초기파고가 1.0m일 때의 LDN파에 대한 처오름 높이를 도시화한 결과이다. 그림을 통해 17, 28 지점이 높은 수치가 나온 것을 확인할 수 있다. 또한 52~57 지점인 울산 부근은 초기파고가 0.5m일 때와 동일한 결과로 상대적으로 낮은 처오름 높이가 나왔다. 따라서 LDN 파 조건에서 울산 지역은 다른 지역에 비해 안전하다는 것을 확인할 수 있다. 높은 처오름 결과가 나온 17과 28번 지점에 대하여 중점적으로 확인하였다 (Fig. 4.4, 4.5).

Fig 4.4 와 Fig 4.5에서 17과 28 지점은 인구 밀집 지역임을 확인할 수 있다. 또한 두 개 지점 모두 해수욕장이다. 방파제가 없어, 쓰나미에 취약할 것으로 추측해볼 수 있다. 이에 대한 방재대책은 4장 2절에서 자세히 다룬다.

Fig 4.6은 초기파고가 0.5m일 때의 LEN파의 처오름 결과를 나타낸 것이다. 비정상적으로 높은 처오름 값이 나온 10 ,22, 26 지점에 대해 자세히 알아보았다 (Fig. 4.7, 4.8, 4.9)

방재대책 수립

이 절에서는 앞서 1절에서 중점적으로 제시되었던 지점에 대해 다뤄본다. 한울 원자력 발전소가 있는 5번 지점은 더 보수적인 방파제 모델을 제안하여 보강한다. 10, 17, 26 그리고 28 지점은 해수욕장이 길게 형성되어있다. 따라서 알림시스템을 설치하는 방법을 제시한다. 또한 중점적으로 다루어야할 22번 지점에 대해서 방파제모델과 알림시스템을 모두 도입하여 보완한다.

현재 Fig. 4.10과 같이 원자력발전소의 부지고가 10m가 넘는 곳은 해안방벽이 따로 설치 되어있지 않고 지진해일에 대비한 방재시설이 없는 것으로 확인되었다. 기본적인 테트라포드 방파제가 설치되어 있다. 하지만 특히 5번 한울 원자력에서의 Simulation 결과 비정상적으로 높은 처오름 수치가 나왔다. 그러나 일본 후쿠시마 원전 사고 시 13.1m가 넘는 쓰나미가 원전을 덮쳤고, 5.7m인 해안 방벽은 무용지물이었다. 이에 따른 방지대책으로 우리는 새로운 방파제 모델을 제시한다.

이 방파제는 직립형의 케이슨 방파제(caisson breakwater)에 관한 것이다. 방파제는 항만 시설이나 선박을 외해의 파도로부터 보호하기 위한 외각 시설로서 크게 구조상 사석(블록) 방파제, 직립 방파제, 혼성 방파제로 구분할 수 있다. 현재, 전 세계적으로 가장 적용이 많이 되고 있는 방파제는 테트라포드 등의 인공 블록으로 피복된 사석방파제이며, 일본 등지에서는 직립형의 케이슨 방파제가 다수 시공이 되고 있다. 테트라포드 등으로 피복된 사석 방파제는 시공실적이 많아 잘 알려져 있음으로 안전성이 어느 정도 확인된 방파제라 고 볼 수 있으나, 지반이 연약하거나 수심이 깊어지면 공사비 소요가 급격히 증가되어 경쟁력을 잃는 문제점을 안고 있다. 또한 시공 후 친수 공간으로서의 심미감이 결여되는 문제점이 있다.

여기에 파력 분산을 위한 직립 케이슨 방파제가 개시된다. 파력 분산 케이슨 방파제의 좌대부는 상부면 보다 넓게 형성되어 해저면에 안착된다. 방파제의 전면 중앙에는 기울어지도록 돌출되는 전면 돌출부가 구성되고 전면 돌출부의 양측에 기울어진 경사면이 구비한다. 전면 돌출부에 의해 파도의 파력이 순차적으로 작용되어 분산 저감되고, 전면 돌출부와 양측 경사면이 갖는 기울기에 의해 파도의 파력이 방파제의 자중이 증가되도록 방파제에 연직 하향력을 미친다. 본 발명의 케이슨 방파제에 의하면, 전면 돌출부에 의해 파력 분산이 이루어지므로 미끌림 파괴에 대한 안전성 을 높일 수 있으며, 돌출부와 경사면이 갖는 기울기에 의해 파도의 파력이 연직 하향력으로 작용하게 되어 케이슨 방파제의 자중을 증가시키게 됨으로 보다 성능이 우수한 방파제를 제공할 수 있게 된다. 이는 파도의 파력을 보다 효과적으로 분산시켜 미끌림 파괴를 방지하고 시공 후 친수 공간으로서 질서정연하고 안정감을 준다. Fig. 4.11은 AutoCAD를 이용한 방파제 설계 도면이다.

Fig 4.4, 4.5, 4.7 에서 보면 알 수 있듯 해수욕장이 있는 지역들은 방파제가 없어 파도에 저항이 취약하다. 따라서 다음 지역은 지진해일을 더욱 빠르고 정확하게 경보하는 시스템이 필요한 실정이다. 하지만 우리나라는 아직 지진해일 조기 경보 시스템이 아직 부실하다. 따라서 고성능의 지진해일 경보 시스템이 필요하다. 일본에서는 지진해일을 감지하기 위해서 DART (deep-ocean assessment and reporting of tsunmais) system을 사용한다. 바다 표면위에 둥둥 떠다니는 Surface Buoy 와 바닥에서 압력을 감지하는 Bottom Pressure Recorder 로 구성되는데 Bottom Pressure Recorder에서 관측된 결과를 Surface Buoy가 위성에 전송해주는 구조이다. 웨일스 카디프 대학에서는 수중청음기로 지진으로부터 발생하는 음향중력파를 기록하는 방법으로 조기 경고 시스템을 고안할 수 있다는 사실을 알아낸 사례가 있다. 음향중력파는 지진 관련 정보를 운반하며, 곧 발생하게 될 쓰나미의 성격을 결정하는데 이용될 수 있어, 조기 탐지를 가능케 한다고 한다. 우리나라 또한 충분한 연구기반을 바탕으로 더 활발한 연구가 필요하다. 현재 국내에서 지진과 지진해일 분야는 일부 연구기관과 소수 대학에서만 진행되고 있는 상태이다. 따라서 연구개발 확대로 연구의 다양성이 유도되면 지진 및 지진해일에 관한 기술도 성장할 수 있고, 과학적 근거를 바탕으로 국내외적 신뢰도 얻을 수 있다. 분석은 물론이고 내진설계, 연구인력 육성에 이르기까지 모든 과정에 연구결과가 있어야 하는데, 지금으로서는 상당히 부족하다. 정부나 국가기관이 선제적으로 나서 연구개발 지원기반과 환경을 구축해야 할 것이다.

참고문헌

1. Dae-Hong Kim, Sangyoung Son (2019). “Role of shelf geometry and wave breaking in single N-type tsunami runup under geophysical-scale” Ocen Modelling 138 pp. 13-2.

2. Srinivas Tadepalli and Costas Emmanuel Synolakis (2017). “The Run-up of N-waves on Sloping Beaches” Mathematical and Physical Sciences, Vol. 445. No. 1923 (Apr. 8. 1994), pp.99-112

3. Kim, D., Son, S., 2018. Lagrangian-like volume tracking paradigm for mass, momentum and energy of nearshore tsunamis and damping mechanism. Sci. Rep. https://doi. org/10.1038/s41598-018-32439-6.

4. Kim,D.,Lynett,P.,2011.Dispersiveandnonhydrostaticpressureeffectsatthefrontof surge.J.Hydraul.Eng.137.https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900. 0000345.

5. 한국해양연구원. 2001. 파력분산케이슨 방파제 설계지침서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

캡스톤 모형

포스터

파일:토목공학과 1조 쓰나미는 어떡하조 피피티 포스터.pdf

향후계획

본 과제를 확장하여 2020년 1월에 한국방재학회에 논문을 제출하고, 학술대회에 참여할 예정.