류큐해구 단층 지진원을 고려한 지진해일 침수예상도
Tsunami Inundation Map due to Fault Sources at Ryuku Trench
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최근 지진해일, 폭풍해일 및 해수면 상승 등과 같은 자연재해가 해안지역을 위협하고 있다. 자연재해 중에서 지진해일은 인접지역은 물론 멀리 떨어진 지역에 까지 막대한 피해를 일으킬 수 있다. 지진해일의 급습에 노출된 연안지역에서의 가장 효과적이며 경제적인 방재대책의 하나는 침수예상도를 제작하는 것이다. 본 연구에서는 우리나라 남쪽에 위치한 류큐해구에서 발생하는 지진해일에 대하여 천수이론에 근거한 복합수치모형을 사용하여 삼천포항과 통형항의 침수예상도를 제작하였다. 제작된 침수예상도는 예상할 수 없는 지진해일의 급습에 대비한 재해정보도와 대피계획을 수립할 때 이용할 수 있다.
Trans Abstract
Recently, natural coastal hazards such as tsunamis, storm surges and sea level rising have increasingly threatened coastal communities. Among them, a tsunami may cause devastating damage not only neighboring areas but also distant areas. An effective and economic way for tsunami hazard mitigation planning is to develop inundation maps at those coastal communities vulnerable to tsunami invasions. In this study, tsunamis generated at the Ryukyu Trench zone located off the southern coast of the Korean Peninsula are investigated. A composite numerical model based on the shallow-water theory is employed to obtain inundation maps at Samchunpo and Tongyeong Ports. These maps can be used by local authorities to make mitigation plans and hazard maps against unexpected tsunami attacks.
1. 서론
우리나라는 일본의 근해에 존재하는 지진대에서 다소 떨어져 있기 때문에 안전지대로 여겨져 왔다. 하지만 지진 발생가능성이 큰 일본혼슈 남측해역과 지진공백역이 존재하는 류큐열도(Ryuku Islands) 남측해역과 접해있는 우리나라 남해안도 지진해일의 급습에 노출되어 있어 안전한 지역으로 볼 수 없다. 지진해일은 발생 빈도는 낮으나 일단 발생하게 되면 빠른 속도로 해안에 전파되어 심각한 인명 및 재산피해를 초래한다. 지진해일은 해저지진, 해저붕괴 및 해저화산분출 등에 의하여 발생할 수 있지만 대부분은 해저지진에 의해 발생한다. 2004년 12월 26일 인도네시아 수마트라섬에서 북서쪽으로 1.6km 떨어진 근해에서 발생한 서아시아 지진해일은 약 300,000명의 인명피해 및 막대한 재산피해를 입혔다(중앙일보, 2005년 1월 26일).
국내에서도 먼 거리에서 발생하는 지진해일에 대한 관심이 고조되어 남해안에 대해서도 지진해일의 영향을 검토해야 할 필요성이 제기되었다. 특히, 남해안에 위치한 월성과 고리 원자력발전소에 대한 지진해일의 파원역을 파악하고, 이로부터 전파되는 지진해일의 전파특성을 규명하는 연구가 일부 수행되었다(한국수력원자력, 2007). 또한, (최원학과 박동희 등, 2007)은 서해안과 남해안의 원자력발전소에 대한 지진해일 안전성 평가를 위해 일본의 연구진과 공동연구를 통해 류큐열도 주변의 지진해일 유발 단층지진의 변수를 결정하고 보고하였다.
지진해일은 풍파에 비해 파장이 매우 길어 장파로 해석하며, 비교적 먼 거리를 전파하기 때문에 상대적으로 분산성이 강하다. 특히, 대양을 가로질러 전파해 오는 지진해일은 분산에 의한 영향을 고려해야 할 필요가 있다. 2011년 3월 11일에 일본 도호쿠 지방 부근 해저에서 일어난 대규모 9.0 강진으로 파고 10m, 최대 처오름높이 38.9m에 달하는 지진해일이 발생하여 일본 동북지역의 태평양 연안에 엄청난 피해를 초래했다. 지진과 그에 따른 지진해일로 복합적인 재해에 의해 후쿠시마 원자력발전소 사고 이외에 각종 라이프라인, 공항, 도로 및 철도 등과 같은 사회기반시설이 큰 피해를 입었다.
우리나라 주변 해역에서는 최근 20년 사이 지각운동이 활발해져 해저지진 발생횟수가 매년 증가하고 있다. 또한, 우리나라 서해안과 남해안에 지진해일 피해를 야기할 가능성이 있는 파원역이 대만에서 일본 큐슈 남서지방에 이르는 류큐열도 부근에 위치하고 있다. 필리핀판이 유라시아판과 충돌하여 섭입(subduction)되고 있는 류큐열도 남측의 류큐해구(Ryukyu Trench)와 북쪽의 오키나와 트러프(Okinawa Trough)등의 2개 지역은 지진활동이 활발하며, 지난 30년간의 류큐열도 주변에서 지진발생 횟수는 약 10,000회에 이르고 있다. 이와 같은 류큐열도 주변의 빈번한 지진발생횟수를 고려하면 한반도 남서해안에 영향을 줄 수 있는 지진해일의 발생 가능성을 배제할 수 없다. 류큐해구에서 발생할 수 있는 지진해일은 그 규모도 크고 발생빈도도 상대적으로 높으나 이 해구와 평행하게 북쪽에 놓여 있는 류큐열도에 가로막혀 우리나라의 남서외해로 진입하는 지진해일 에너지는 비교적 작다. 그러나, 우리나라 남해안과 서해안까지 장애물이 없어 일단 이 지역에서 지진해일이 발생하면 우리나라 남해안 전역에 피해가 우려된다. 현재 동해안에 영향을 미치는 지진해일에 대해서는 지진해일의 지진원, 전파특성, 처오름높이 등 비교적 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나, 제주도를 제외한 남해안에서는 지진해일에 의한 피해사례 기록이 거의 없어 지진해일에 관한 연구가 활발하지 않은 실정이다.
본 연구에서는 분산항을 제외한 선형 천수방정식을 지배방정식으로 이용하면서 차분하는 과정에 나타나는 수치분산이 선형 Boussinesq 방정식의 분산항을 대체할 수 있도록 조정하는 기법(Cho and Shon et al., 2007)을 이용하여 지진해일의 공백역으로 알려진 한반도 남해안 및 동중국해에서 지진해일 수치모형 수립을 위한 공간격자 크기를 산정하고, 모형을 수립하여 지진해일의 전파 경로 및 영향을 격자의 동적결합을 통해 수치모의를 수행하였다.
2. 남해안에서의 과거 지진해일
역사적으로 한반도에서 지진해일에 의한 피해기록은 여러 곳에서 확인할 수 있다. 1668년 7월 31일에 평안도 철산에서 일어난 지진해일은 중국 산동성에서 발생하고, 전국 각지에서 동시에 지진이 발생한 것으로 기록이 남아있다. 역사지진에서 나타나는 지진으로 인한 피해 등을 통해서 나타난 바와 같이 남해의 경우, 동해보다 수심이 얕고 큰 지진의 위험이 적음에도 불구하고, 역사기록에 나타난 지진해일의 피해를 감안한다면 한반도 전 해역에서 발생 가능한 지진해일의 위험을 예측하기 위한 연구는 반드시 필요하다.
최근 한반도 부근에서 자주 발생하고 있는 근해 지진에 의한 지진해일이 대비한 연구가 미비하여 대비책이 수립되어있지 않다. 우리나라 주변의 해저지진 발생현황을 표시한 Fig. 1을 보면 2005년부터 2014년까지 우리나라 근해에서 308회 이상의 해저지진이 발생하여 빈도가 꾸준히 증가하고 있음을 알 수 있다. 많은 발생횟수에도 불구하고 Fig. 2에서와 같이 지진 규모가 작아 피해가 거의 발생하지 않았을 뿐만 아니라 지진해일 또한 발생하지 않아 우리나라는 지진해일에 비교적 안전한 것으로 인식되어 왔다. 그러나 2005년 3월 20일 일본 후쿠오카 인근 해역에서 발생한 규모 7.0의 지진에 의한 지진해일이 비록 규모는 작았으나 우리나라 남해안에 영향을 끼쳤다. 더욱이, 우리나라 주변의 해역에서 지진 발생횟수가 매년 증가하고 있어 방재대책에 대한 중요성이 매우 높은 실정이다.
Submarine earthquake occurrence number.
Location of Undersea Earthquake Sources (2007~2015).
3. 수치모델과 적용기법
3.1 지진해일 수치모의
지진해일의 수치모의는 원해와 근해를 나누어 진행되었다. 지진해일의 발생 및 전파가 이루어지는 원해에서는 수심에 비해 수면변위가 상대적으로 작기 때문에 선형천수이론을 적용할 수 있다. 반면에 지진해일의 전파거리가 길기 때문에 전파의 진행에 중요한 영향을 미치는 물리적 분산효과(frequency dispersion)를 고려하기 위해서는 선형 Boussinesq 방정식을 지배방정식으로 사용해야 하나 고차미분항으로 주어지는 분산항을 차분화하는 것이 복잡하고 비효율적이다.
본 연구에서는 (Cho and Yoon, 1998)과 (Cho and Sohn et al, 2007)이 사용한 수정차분기법(modified finite difference scheme)을 이용하여 분산항을 무시한 선형 천수방정식을 leap-frog기법으로 차분화하며, 차분화 과정에서 발생하는 수치분산 오차가 물리적인 분산을 대체하도록 한다.
여기서 ζ는 자유수면변위(m), h는 정수면으로부터 바닥까지의 수심(m), P와 Q는 각각 x축과 y축 방향의 수심평균된 체적유량이고, g는 중력가속도이다.
지진해일이 해안지역에 접근하면 일반적으로 파장은 짧아지고 파고는 증가한다. 따라서 비선형항의 중요성이 커지고, 바닥마찰이 중요해지므로 선형 천수방정식 대신에 바닥마찰을 고려한 다음과 같은 비선형 천수방정식을 사용하여 지진해일의 거동을 해석한다(Liu and Cho et al., 1994).
식 (4)-(6)에서 H(=h+ζ)는 전체수심이며, n은 Manning 조도계수이다.
지진해일의 해안선에서 움직임을 추척하기 위해서는 최상세역의 경우 수치모형의 경계선을 이동경계(Moving Boundary)를 적용하여 내륙으로 범람하는 지진해일의 움직임을 추적한다(Kajiura and Shuto, 1990; Liu and Cho et al., 1994).
기존 대부분의 연구에서는 지진해일을 해석함에 있어 비선형 천수방정식의 이송항을 1차 정확도 풍상차분기법으로 계산하였다 그러나 본 연구에서는 비선형항의 정확도를 높이기 위해 운동량 방정식 (5)와 (6)의 비선형 이송항을 2차 정확도의 풍상차분기법(Shyy, 1985; 인태훈과 이봉희 등, 2003)으로 차분하며, 식(4)-(6)의 나머지 항은 leap-frog기법(Liu and Cho et al., 1994)을 이용하여 해석하였다.
3.2 초기 수면변위형상 및 위치
지진해일의 수치모의는 발생원의 초기수면변위를 산정하는 것으로부터 시작된다. 본 연구에서는 류큐해구 지역에서 발생한 지진의 규모를 미국의 해양대기국(NOAA)의 PMEL(Pacific Marine Environmental Laboratory)에서 제공하는 1819년-2012년 사이의 지진기록 중 표면파 규모(Surface Wave Magnitude, Ms)와 모멘트 규모(Moment magnitude scale, Mw)가 동시에 제시되어 있는 758개의 지진기록을 이용하여 Fig. 3에 도시한 것과 같이 대략적인 관계식을 도출하였다.
Derivation of the correlation between Ms and Mw (solid line: correlation).
여기서 Ms는 먼저 도달하는 표면파만으로 지진규모를 신속히 산정할 수 있어 지진현상이 모두 끝나야만 그 규모를 결정할 수 있는 것을 말하지만 Mw는 지진이 발생할 때 방출되는 에너지의 크기를 말한다.
Fig. 3에서 얻은 관계식을 이용하여 NOAA에서 제공하는 지진자료 중 류큐해구에서 발생했던 지진에 대해 Mw 규모가 제시된 경우 이를 그대로 이용하고, Ms 규모만 제시된 과거 역사지진에 대해서는 Mw 규모로 환산하여 정리한 결과를 Fig. 4에 제시하였다.
Distribution off historical earthquake data occurred at Ryukyu Trench.
류큐해구에서 발생했던 지진에 대해 지진해일을 발생시킬 가능성이 높은 Mw 9.2의 단층매개변수(L110 km×W190 km)를 이용하여 1개의 지진원을 선정하고, 1,000년 빈도 지진규모인 Mw 8.42(L140 km×W130 km) 4개 지진원이 류큐해구를 따라 위치를 서측으로 200 km 이동시켜, 해저지진에 의한 초기수면변위를 산정하도록 하였다.
본 연구에서는(Kagan, 1997; Kagan and Schoenberg, 2001)이 제안한 특성방법(Characteristic method)에 따라 직선구간과 곡선구간을 분리하여 2개의 회귀식, 즉 1차식과 2차식으로 나타내는 단순한 방식을 사용하였다. Fig. 5에서와 같이 Mw≥7.5의 곡선구간에 대한 2차 회귀식은 tapered G-R기법에 의한 회귀식과 거의 일치하는 좋은 결과를 보인다. 따라서 Fig. 4에 나타낸 것과 같이 일정 규모 이상의 지진 자료만을 적용하여 지진규모에 대한 빈도 분석을 수행하는 것이 효과적이며 타당함을 확인할 수 있다.
Comparison of tapered G-R and quadratic distributions using virtual data.
Fig. 6은 Fig. 4에 제시한 류큐해구에서의 과거 지진자료에 대해 지진규모별 연간 발생횟수 분포와 2차 회귀식을 구하여 G-R곡선을 도시한 것이다. 이로부터 1,000년 빈도의 지진 규모를 산정할 수 있으며, 종축의 연간 발생횟수가 0.001에 해당하는 횡축의 지진규모를 읽으면 Mw 8.42이다. 따라서 류큐해구에서 발생하는 1,000년 빈도 지진의 규모는 Mw 8.42로 결정하였으며, 이 지진으로 인해 발생하는 지진해일이 우리나라 남해안으로 전파되므로 남해안에서의 지진해일 유발 1,000년 빈도 지진규모는 Mw 8.42로 결정하였다. 산정된 최대가능지진해일 초기 수면변위의 형상 및 위치는 각각 Fig. 7과 Fig. 9, 1,000년 빈도의 초기수면변위 형상 및 위치는 각각 Fig. 8과 Fig. 10에 도시하였으며, V3는 초기수위를 나타낸다.
Determination of 1,000 year recurrence-interval earthquake at Ryuku Trench.
Occurrence location of PMT.
Initial slip on displacement of 1,000 year recurrenceinterval tsunami(unit: m).
Occurrence location of 1,000 year recurrence-interval tsunami.
Initial slip on displacement of a PMT (unit: m).
또한 Fig. 10에 해당하는 case1~case4의 지진원의 위치가 해안침수에 미치는 영향을 고려하기 위해 일본큐슈로부터 대만에 이르는 류큐트렌치를 따라 4개의 1,000년 빈도 지진Mw 8.42단층을 배치하였다.
3.3 격자접속기법
지진해일 전파를 위한 수치해석은 계산영역이 넓고 파장이 길어 상대적으로 큰 격자를 사용하여 계산한다. 그리고 연안에서는 천수, 굴절, 반사 등의 여러 현상이 발생하여 육지의 침수계산에 큰 영향을 미치기 때문에 높은 공간 해상도가 요구된다. 그러나 광역에서 높은 공간해상도로 계산을 수행하는 경우 방대한 격자수와 계산시간이 필요하므로 지진해일 수치해석에서는 다른 크기의 격자간격의 영역을 접속시켜 동시에 계산을 실시하는 격자접속기법이 많이 이용된다(Liu and Cho et al., 1994).
본 모형에서는 소격자의 시간과 공간에 대한 계산간격은 일반적으로 대격자의 1:3에 해당하는 간격을 각각 사용해서, Table 1의 조건들을 적용하여 Fig. 11에 광역(A-D)으로부터 상세역(E와 F)의 총 6단계의 계산격자로 구성되어 광역모형에 해당하는 A-D영역은 선형 천수방정식을(LSWE)을 지배방정식으로 사용하고, 분산효과를 수치오차를 이용하여 효과적으로 재현할 수 있는 광역 지진해일 전파수치모의를 위한 수치모형을 구축하였으며, 상세역 모형에 해당하는 E와 F영역은 바닥마찰을 고려한 비선형 천수방정식(NSWE)을 지배방정식으로 사용하여 천해역 지진해일 전파 수치모의를 위한 수치모형을 구축하였다. 이에 따라 지배동적격자접속기법을 적용하는 동시에 격자의 분해능을 유지하여 수치모의 하였다. 또한 대격자영역과 소격자영역의 접속선을 따라 공간에 대해3차 보간하여 보간에 따른 오차를 최소화 하였다.
Computation condition
Bathymetry of the southern coast of Korea.
3.4 초기조건 및 경계조건
초기조건은 해저면 변위의 연직성분이 초기수면 변위와 같다고 가정하고, 단층매개변수에 의한 (Mansinha and Smylie, 1971)의 해석해를 이용하였다. Table 2와 Table 3에서 θ는 진북과 이루는 단층의 주향을 표시하며, δ는 단층면의 경사진각도(dip angle), λ는 단층면이 미끄러지는 각도 (slip angle), W는 단층의 경사폭, L은 단층의 길이이다. H는 단층면의 상층경계(upper boundary)의 깊이이며, D는 단층의 변위를 나타내고 이를 산정하기 위해 식(7)-(9)를 사용하였다.
Fault parameter of PMT Mw 9.2
Fault parameter of 1,000 year recurrence interval Mw 8.42
단층매개변수는 일반적으로 지진해일의 높이는 타원형을 이루는 파원의 단축방향으로 높고, 장축방향으로는 낮게 나타난다. 이는 타원형의 파원으로부터의 지진해일의 방사의 기하학적 성질에 따른다. 단층의 경사 및 변위방향의 영향에 대해서는 단층면의 경사가 급할수록 횡방향 변위가 클수록 지진해일은 높아진다.
경계조건은 해안선으로 주어지는 육지경계와 외부해역과 연결되는 개방경계로 구분된다. 육지경계에서는 해안선과 직각방향 선유량 성분을 0으로 하는 완전반사조건을 사용하고, A영역의 개방경계에서는 반사파를 최소화할 수 있는 흡수층 경계조건을 적용하였다. 또한 육지경계에 접한 5개 격자에 대해서는 바닥마찰에 의한 에너지 감쇠를 고려하였다. 또한 지진원의 위치가 해안 침수에 미치는 영향을 고려하기 위해 일본 쿠슈로부터 대만에 이르는 류큐해구를 따라 Mw 9.2 가능 최대지진해일 단층매개변수와 Mw 8.42의 1,000년 빈도 매개변수를 각각 Table 2와 Table 3에 제시하였다.
3.5 계산영역 및 수심자료
본 연구에서는 류큐해구에서 발생하여 우리나라 남해안을 내습하는 지진해일의 전파 및 범람고정을 수치모의하였다. 수치모형에서 계산영역은 서방향으로는 경도 121.0°E-137.0°E 사이, 남북방향으로 위도 21°N-36°N 사이의 동해와 서해 그리고 동중국해 및 북서태평양의 일부 영역을 포함하도록 설정하였다. 각 영역의 x축과 y축 방향의 격자의 수, 공간격자크기, 그리고 계산시간 간격을 다르게 설정하였고, 격자점의 연결위치를 나타내기 위해 다중격자연결기법을 사용하였다. 또한, 영역별로 각각의 계산시간 간격에 따라 수치모의를 수행하였다. 격자경도간격(Δψ)을 1분으로 정하고, 격자위도간격(ΔØ=cosØΔψ)은 격자망이 국부적으로 정사각형이 되도록 보정하여 사용하였으며 이를 통해 구면좌표계 대신 직각좌표계를 사용하면서도 지구곡면효과를 고려하였다. 여기서 Ø는 위도, ψ는 경도이고, ΔØ와 Δψ는 radian 값을 가진 위도와 경도 방향의 격자간격이다. 아울러 광역과 상세역의 수심자료는 국립해양조사원에서 발행된 수치해도 자료와 남해도부근 해안선조사 및 연안해역측량(국립해양조사원, 2012) 사업의 일환으로 제작된 격자망 자료를 제공받았다. 상세역의 수심분포 및 지반고에 대한 자료는 범람영역을 정밀하게 산출하기 위해 추가적으로 국토지리정보원에서 제공하는 지형도를 활용하여 실제 지형을 구현하였다.
4. 류큐해구 지진해일 특성 및 전파 수치모의
현재 과학기술로 지진발생을 예측하기는 어렵지만 먼 거리에서 발생한 지진해일에 대해서는 그 도착 시각을 예측할 수 있다(배재석과 조영준 등, 2012; 이광호와 김민지 등, 2012). 지진의 발생근원지에서 지진의 발생 형태를 근거로 파형을 산정하여 전파예측을 위한 수치모델을 적용하면 시간대별 전파양상이 계산된다.
Fig. 12는 류큐해구에 의한 지진해일이 우리나라 남해안에 영향을 미치는 최대가능지진해일을 수치모의 하였다. 1,000년 빈도의 지진해일은 남해안에 미미한 영향이 보였고, 남해안 전파과정에서 소멸되었다. Fig. 12는 최대가능지진해일의 영역에 대해 초기25분부터 50분 간격 으로 400분까지 제시한 전파모의 결과이다. 결과에 따르면 일본 서쪽에 위치한 가상공백역에서 지진해일이 발생하여 약 4시간 10분후에 남해안으로 지진해일이 전파되어 오는 것을 알 수 있다. 전체적인 전파양상을 살펴보면 지진발생과 동시에 지진해일파가 대만과 일본 필리핀판으로 동시에 전파한다. 지진해일 발생 후 25분까지는 8개의 단층으로 이상화된 류큐해구 지진해일의 진원이 각각 동심원 형태로 전파를 하다가 약 40-50분이 지나서 복잡한 남해 해저지형의 영향을 받게 된다. 1시간 40분 경과됨에 따라서 대만 서남쪽에 위치한 연안에 도달하며, 전 일본동남측으로 굴절되면서 일부는 오키나와 트러프의 해저 지형으로 인해 동중국해 영향권으로 약간 미치는 경향이 보인다. 250-300분 사이에는 공백역을 지나 얕은 수심분포의 천수화를 겪고 난 후 남해안을 향해 전파한다. 남해안의 삼천포항과 통영항에 대한 침수예상도 작성을 위하여 지진규모 9.2에 대해 범람 수치모의가 수행되었다. 지형기준면이 인천평균해면 IMSL(Incheon Mean Sea Level)이고, 수심기준면은 약최저저조면 ALLW(Approximate Lowest Low Water Level)이므로 기준면을 약최저저조면에 맞추고. 범람수치모의는 항만권역 주변해역에서 약 최고만조위를 고려하여 수행하였다. 이는 실제에 가까운 수치모의 조건을 마련함으로써 보다 정도 높은 수치모의를 수행하기 위한 것이다.
Propagation of PMT generated in Ryuku Trench at various times.
5. 침수예상도 작성
침수예상도는 지진원 결정 및 지진해일 초기파형 연구에서 제시된 가능최대지진(Probable Maximum Earthquake, PME)에 의한 가능최대지진해일(Probable Maximum Tsunami, PMT) CASE1을 적용하여 남해안 삼천포항과 통영항에 내습하는 지진해일의 범람수치모의를 수행한 결과와 각 지점에서 발생하는 최대침수심을 산정하여 제작하였으며, 침수예상지역, 피해범위, 예상침수심 등을 지도상에 표시한 지도이다. 침수심은 해수가 육지로 범람하여 침수되었을 때 침수된 육지격자에서의 최대 침수깊이를 나타낸 것이다. 또한 최대범람구역은 Fig. 13의 두 항구 삼천포항과 통영항에 대한 수치모의결과를 토대로 Fig. 14에서 나타난 바와 같이 가능최대 지진해일에 의한 범람구역을 최대지진해일고에서 지반고를 뺀 침수심을 도시하였다. 계산영역지점 중 하나인 삼천포항은 경상남도 사천시 서동에 위치해 있으며, 남해안과 서해안을 유기적으로 연결하는 서부 경남의 관문으로서 수출 광석류, 고령토 등을 처리하는 동시에 화력발전소 연료 수송지원항으로 발전하고 있는 무역항이다. 또한 통영항은 한반도 남해안 중앙부분에 위치하고 있으며, 전국의 수산물 생산향의 약 10%에 해당하는 통영지역의 수산물 연간 27만톤이 집산되는 우리나라 연근해 어업의 전진기지 항이자 남해안에 산재되어있는 크고 작은 섬들을 연결하는 해상교통의 중심지이다. 삼천포항의 최대지진해일고는 평균해면상 EL(+) 3.91 m로 항만권역의 저지대가 범람되고, 통영항의 최대지진해일고는 평균해면상 EL(+) 3.51 m로서 대부분의 항만권역이 범람된다. 또한 지진정보, 조위정보, 지진해일 전파양상 및 도달시간 등을 작성하였다. 침수예상도는 발생 가능한 지진해일을 대상으로 제작하였기 때문에 실제 지진해일이 발생한 상황에서 인근사용자들이 위험지역을 쉽게 파악하고, 실제 지진해일 발생시 인명 및 재산피해를 최소화하기 위한 도구로 사용될 수 있다.
Location of calculation points.
Tsunami inundation map.
6. 결론
본 연구에서는 류큐해구에서 발생되어 남해안을 내습하는 지진해일의 전파 및 범람 수치모의를 위한 계산영역을 동해와 서해 그리고 동중국해 및 북서태평양의 일부 영역을 포함하도록 설정하여 최대가능지진해일 Mw 9.2의 1개의 지진원과 1,000년 빈도 Mw 8.42의 4개의 지진원을 류큐해구를 따라 산정하여, 수치모의를 수행하였다.
단층매개변수는(Mansinha and Smylie, 1971)의 해석해를 이용하였다. 지진해일 특성에 따른 전파도 수치모의를 하고, 삼천포항과 통영항에 대한 시간에 따른 수위분포를 예측하고, 범람수치모의를 통해 최대침수심을 산정하여 침수예상도를 제작하였다. 삼천포항을 최대가능지진해일로 수치모의 했을 때 지진해일 발생 후 250분 후에 제 1파가 도달하며, 약 330분경에는 최고 수위상승이 0.75 m로 예측되었다. 통영지역에서는 약 280-290분 후에 제 1파가 도달하고, 약 320분경에는 약 0.5m의 수위가 상승하였다.
1,000년 빈도의 삼천포항 항만권역 부두는 최대 해일고 평균해면상 EL(+) 1.85 m로서 평균적인 지반고인 EL(+) 2.85 m보다 낮아 범람은 발생하지 않았다. 하지만 가능최대 지진해일에 의한 최대 해일고는 평균해면상 EL(+) 3.91 m로서 대부분의 삼천포항 항만권역의 저지대가 범람된다. 통영항 항만권역 부두는 최대 해일고 평균해면상 EL(+) 1.41 m로서 평균적인 지반고인 EL(+) 1.66 m 보다 낮아 범람은 발생하지 않았고, 가능최대 지진해일에 의한 최대 해일고는 평균해면상EL(+) 3.51 m로서 대부분의 통영항 항만권역이 범람된다. 이러한 분석으로 범람수치모의를 수행한 결과로 작성된 침수예상도는 지진해일에 대한 방재대책을 효율적으로 수립할 수 있을 것으로 판단된다.
또한 국토해양부에서는 2011년 [기후변화에 따른 항만구역내 재해취약지구 정비계획수립용역: 아라미르 프로젝트]를 통해 서남해안의 경우 100년 빈도의 태풍해일에 대비하고, 또한 동해안의 경우 지진해일에 대비하여 침수피해방지시설을 계획한 바 있다. 폭풍해일 대비를 위해 수립한 침수피해방지시설이 본 연구의 대상 항만에 내습하는 지진해일에 대해 적정한 위치와 규모를 가지는 것인지를 추후 침수피해가 예상되는 범위에 관하여 침수피해방지시설을 검토한다면 실제 지진해일 발생 시 인명 및 재산피해를 최소화할 수 있다.
감사의 글
본 논문은 2015년 해양수산부 재원으로 한국해양과학기술진흥원의 지원을 받아 수행된 연구입니다(과제명: 2단계 항만권역 태·폭풍 및 지진해일 재해대응체계 구축). Fig. 3-Fig. 6은 한양대학교 윤성범 교수님께서 제공해주신 것입니다.