[논문]해일 침수범람지역 예측기술 및 재해도(Hazard Map) 작성기술 개발

심재설; 윤종주

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문제 정의

태풍시 해일고를 신속하고 정확하게 예측하기 위한 예보시스템의 구축과 운영을 위한 연구는 주요 방재 선진국인 미국, 일본을 비롯한 영국, 네덜란드, 덴마크, 독일 등의 유럽에서 앞서 이루어졌고, 우리나라에서도 해양과기원의 ‘운용해양(해양예보) 시스템 연구(2009~2013)’ 등이 수행 중에 있다. 이러한 연구의 최종 목표는 이상해면의 실시간관측시스템과 연계한 단기 이상해면 예측시스템을 개발하고 사용하는 것이다. 한편 폭풍해일고의 정밀한 수치모의에서 확장하여 이에 따른 침수범람을 모의하고 분석하는 연구는 재난대응 및 피해의 평가체계 구축을 위한재해지도(Hazard Map)의 작성을 위해서 매우 중요하다.

제안 방법

이를 위하여 국토해양부는 2006년 연안관리정보시스템구축사업의 일환으로 ‘해안침수예상도 작성기준’을 작성하고 2007년 지침(소방방재청 2006-6호, 재해지도 작성 등에 관한 지침)을 확정하였다. 그리고 해안침수예상도 시범제작 사업을 진행하였으며 2006년부터 2008년도에 걸쳐 과거 고파랑, 태풍, 백중사리 시 빈번한 피해가 있었던 마산, 군산, 목포 등의 지역을 중심으로 해안침수예상도를 제작하였다. 해안침수예상도에는 50년, 100년 빈도에 해당하는 시나리오를 선정하고 각각의 시나리오에 대한 결과를 이용하여 최대 침수범람구역을 나타내었으며, 여기에는 침수흔적, 예상 침수구역 및 침수수심, 주요공공시설 및 피난시설의 위치 등의 정보를 포함하였다.
<그림 4>에는 본 연구에서 구축되어 운용중인 실시간 폭풍해일 침수범람예측시스템의 모식도를 나타내었다. 본 시스템은 평상 시(비태풍시)와 태풍 시로 구분되어 운용되고 있으며, 평상시에는 WRF 기상모델에서 산출된 72시간 기상자료를 활용하여 폭풍해일고를 산출하며, 태풍 시에는 태풍 해상풍 모델을 활용하여 태풍에 의한 해일고를 산출하게 된다. 그리고 태풍시에는 해일침수범람에 대한 모의를 위하여 해안저지대까지 계산영역을 확장한 네스팅 격자망에 대한 모의가 추가로 수행된다.
그리고 해안침수예상도 시범제작 사업을 진행하였으며 2006년부터 2008년도에 걸쳐 과거 고파랑, 태풍, 백중사리 시 빈번한 피해가 있었던 마산, 군산, 목포 등의 지역을 중심으로 해안침수예상도를 제작하였다. 해안침수예상도에는 50년, 100년 빈도에 해당하는 시나리오를 선정하고 각각의 시나리오에 대한 결과를 이용하여 최대 침수범람구역을 나타내었으며, 여기에는 침수흔적, 예상 침수구역 및 침수수심, 주요공공시설 및 피난시설의 위치 등의 정보를 포함하였다. 이 연구에 이어서 국토해양부에서는 2009년부터‘연안취약성지도 종합기본계획 수립 및 시범제작‘ 사업을 수행하면서 주요 침수예상지역을 확장하여 폭풍해일침수범람 모형을 수립하고 각 시나리오 태풍에 따른 해일고의 산정과 함께 이에 따른 침수예상도를 시범제작하고 있다.

대상 데이터

폭풍 해일에 기인한 연안역에서의 침수범람 피해에 대비하기 위해 한국해양과학기술원(이하 해양과기원)은 ‘해일 침수범람지역 예측기술 및 재해도 작성기술개발’ 연구(2008~2014)를 통해 연안 국지에서의해일고 및 해일성 침수범람을 수치모형을 통해 정밀 예측하는 시스템을 개발하고 방재방안을 강구하기 위한 연구를 수행 중에 있다. 본 연구는 크게 해일침수범람지역 예측, 폭풍해일 침수범람 재해도 작성, 침수범람재해 방지시설 연구 등으로 구성되어 있다.

이론/모형

폭풍해일고 및 해일침수범람을 정밀하게 산출하기 위한 수치모형으로는 해안선을 정밀하게 나타낼 수 있는 삼각형 가변(Unstructured) 격자망이 적용된 유한체적모형 FVCOM이 적용되었다. FVCOM은 정밀 폭풍해일 산출에 있어서 이미 현업화된 3차원 수치모형이며, 향후 연안환경, 침퇴적, 생태 모형 등으로도 많은 응용이 가능하다.

성능/효과

<그림 3>에는 2003년도 태풍 Maemi 내습시, 경남 마산에서 발생한 침수범람 피해를 수치모형으로 재현한 결과를 나타내었다. 수치모의에 의해 계산된 침수범람역의 공간분포는 관측치를 정확히 재현하는 것으로 나타났는데, 이러한 수치모형적 접근을 통한해일침수범람 연구의 활용성은 매우 클 것으로 나타났다. 따라서 정확한 해상풍의 공간분포에 대한 정보를 활용할 수만 있다면, 빠른 시간 내에 해일범람 등의 모의를 통한 연안재난피해 예측시스템의 구축에 있어서 그 활용도가 매우 높다고 할 수 있다.
그리고 태풍시에는 해일침수범람에 대한 모의를 위하여 해안저지대까지 계산영역을 확장한 네스팅 격자망에 대한 모의가 추가로 수행된다. 해일침수범람의 예측시스템은 태풍정보의 업데이트에 맞추어 신속한 계산이 필수적인데, 본 시스템에서는 태풍정보의 입수에서부터 예측정보의 생산까지 약 1시간 정도 소요되어 비교적신속한 예측이 가능하다.

후속연구

특히 연구과제를 통하여 개발된 해일차단벽(Strom Surge Barrier) 시설의 실용화를 최종목표로 하고 있으며, 목포, 부산, 마산, 여수, 삼척 등의 해일피해 위험지역을 우선 적용 대상으로 하고 있다. 그리고 현재까지 수행된 폭풍해일에 대비한 침수범람 예측 및 방재시설물의 개발 연구에서 확장하여, 지진해일에 대비한 연구도 추가로 진행 중에 있다. <그림 8>에서 나타나는 바와 같이 동해 뿐 아니라 류큐 열도에서의 해저지진 발생가능성이 계속 제기되고 있어, 우리나라의 동해 및 남해안에서의 지진해일 피해의 가능성이 여전히 크기 때문이다.
그러나 현재의 전 지구적인환경변화는 침수범람 방지시설을 구축하기 위한 설계조건 등을 산출하는데 있어 많은 불확실성을 내포하고 있다. 따라서 정확한 방재대책 수립을 위해서는 기존의 연구사업을 통해 도출된 빈도별 폭풍 해일고, 지진 해일고, 설계파고 및 해수면 상승 등의 기후변화 데이터를 종합적으로 검토하여 현지 지형에 적합한 방재시설을 제시하고, 이를 설계하는데 있어서 기반기술을 제공하는 것이 필요하다. 해양과기원은 이를 최종 목표로 하여 국민의 생명과 재산을 보호하는데 합리적이고 지속가능한 방재계획의 수립을 위한 연구를 계속 진행 중에 있다.
특히 태풍에 의한 고파랑 및 연안저지대의 해일침수범람은 직접적인 인명의 피해 및 막대한 양의 재산 피해를 발생시킨다. 본 연구에서는 이러한 해양재난으로부터 안전성을 확보하기 위한 소프트웨어적(해일침수범람 예측시스템 구축),하드웨어적(해일차단벽 개발) 방재 연구를 동시에 수행 중에 있다. 특히 국내해역의 특성에 맞는 침수범람방지시설의 개발 연구 및 정밀한 설계 조건의 산정은 무엇보다도 중요하다.
그 중에서도 마산과 같이 만으로 구성된해역의 침수범람을 방지하기 위한 ‘부침식 폭풍해일방벽’ 시설은 상당 부분 연구가 진척되어 해당 기술에 대해서는 현재 국내 특허출원된 상태이다. 이러한 방재시설물들이 향후 실해역에 구축된다면 침수범람을 선제적이고 적극적으로 방어함으로써 연안역의 인명과 재산 피해를 줄이는데 큰 기여를 할 것으로 기대하고 있다. 최근 국토해양부에서는 각종 해양재해로 인한 연안침수, 항만시설물 유실 등에 대비한 종합대비책을 발표하였다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

태풍에 의한 고파랑 및 연안저지대의 해일침수범람은 어떤 피해를 발생시키는가?

태풍에 의한 연안역에서의 각종 피해는 해마다 반복되어 발생하고 있다. 특히 태풍에 의한 고파랑 및 연안저지대의 해일침수범람은 직접적인 인명의 피해 및 막대한 양의 재산 피해를 발생시킨다. 본 연구에서는 이러한 해양재난으로부터 안전성을 확보하기 위한 소프트웨어적(해일침수범람 예측시스템 구축),하드웨어적(해일차단벽 개발) 방재 연구를 동시에 수행 중에 있다.

해양과기원에서 수행하고 있는것은?

해양과기원은 수행중인 본 연구를 통해 ‘아라미르 프로젝트’에 대한 이론적이고 기술적인 지원을 수행하고 있으며, 항만 및 연안의 주요 시설들에 대한 방재대책을 수립함으로써 연안 저지대의 안전성을 확보하는데 기여하고 있다.

FVCOM 모형은 유한차분법의 간단한 이산법의능률성과 유한요소법의 기하학상의 유연성이 잘 조화된 장점이 있다고 본 이유는?

이 적분식은 유한차분법의 흐름계산을 이용하여 수치적으로 풀 수 있지만, 유한요소법과 같은 삼각형격자망을 이용한다. 유한체적법은 개개의 제한된 요소와 완전한 계산영역으로서 질량보존의 특징을 가지고 있다. 따라서 FVCOM 모형은 유한차분법의 간단한 이산법의능률성과 유한요소법의 기하학상의 유연성이 잘 조화된장점이 있으며, MPI 병렬 사용이 가능하여 이를 통한 방대한 모형 계산시간을 효율적으로 사용할 수 있다.

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