1.서 론

환태평양 조산대에 속한 일본을 비롯한 태평양 여러 나라에서는 지속적 으로 지진이 발생하고 있으며, 최근 들어 지진 및 지진해일에 의한 엄청난 피해가 발생하고 있다(KMA.[1]). 지난 2004년 규모 9.3의 인도양 수마트 라 지진해일이 발생하여 약 25만 명의 인명손실과 엄청난 재산피해를 입혔 다. 또한 2011년 3월 11일에는 일본 동북부 태평양 연안에서 규모 9.0의 강 진으로 인해 최대 처오름높이 38.9 m, 사망 및 실종자 20,001명과 부상자 6,013명, 총 피해액 330조 원이 발생하여 일본은 물론 전 세계적으로 지진 해일의 위험성과 해안방어체계 구축에 대한 관심이 집중되고 있는 상황이 다. 해안방어체계 구축에 관한 연구는 안전한 해안사회 구축에 필수적인 사 항으로 해안재해로 인한 막대한 경제적인 손실을 저감시키고 중요한 국가 기간산업을 보호한다는 국가 기본적략으로서의 특성을 갖고 있다(Park and Cho.[2]).

일본 서해안에는 대형 지진 발생 가능성이 매우 높은 소위 지진공백역 (seismic gap)이 존재하므로 우리나라 동해안은 지진해일에 대비할 필요가 있다. 더욱이, 최근 태평양의 소위 불의 고리(Ring of Fire) 지역에서 일련의 해저지진이 발생하고 있을 뿐만 아니라 Fig. 1에 도시한 것과 같이 우리나라 근해에서는 매년 많은 수의 해저지진이 발생하고 있어 이에 대비하는 것이 필 요하다. 우리나라 동해안에서는 많은 인구밀집지역과 항만시설은 물론 한울 원자력발전소 등과 같은 국가기간시설물이 위치하고 있어 지진해일이 급습하 였을 경우 많은 인명피해와 엄청난 재산피해가 예상된다.

지진해일과 같은 거대한 자연재해는 예측은 물론 방어하는 것이 거의 불 가능하다. 따라서 한반도에너지개발기구 KEDO[3]에서 제안한 해저지진 의 발생 가능성이 높은 지역, 즉 지진공백역에서 가상 지진해일(virtual tsunami)을 발생시켜 수치모의한 후 침수피해를 예측하고, 이를 토대로 지 진해일 재해정보도를 작성 및 보급하여 실제 지진해일이 발생하였을 때 인 명피해와 재산피해를 최소화하는 것이 필요하다. 미국과 일본 등 선진국들 은 대부분의 해안지역에 지진해일 재해정보도가 보급되어 있는 실정과 달 리 우리나라는 아직 대부분의 지역에서 보급되어 있지 않아 갑작스럽게 재 해가 발생하였을 때 신속하게 안전지역으로 대피할 수 없는 상황이다.

지난 100여년 동안 우리나라에 영향을 주었던 지진해일은 세 경우이다. 먼저, 1964년 니이가타 지진해일은 인명피해 없이 약간의 재산피해만 야기 시켰으며, 1983년 규모 7.7의 동해 중부 지진해일과 1993년 북해도 남서 외해 지진해일은 동해안 지역에 비교적 큰 피해를 입혔다. 특히, 1983년 지 진해일로 인해 강원도 삼척시 원덕읍 임원항 인근에서 인명피해(1명 사망, 2명 실종)와 재산피해 4억원 정도가 발생하였다. 또한, 1993년 북해도 남서 외해 지진해일에 의해서는 인명피해는 없었으나 약 4억여원의 재산피해가 발생하였다(MPSS, NIDP..[4, 5]).

따라서 본 연구에서는 실제 지진해일의 영향으로 피해를 경험하였던 임 원항을 대상지역으로 선정한다. 아울러, 일본 근처에서 이미 발생하여 우리 나라에 영향을 주었던 3개(1964년 니이가타, 1983년 동해 중부, 1993년 북해도 남서 외해)의 과거 지진해일(Past tsunami)과 일본 지진조사 위원 회에서 제공한 30년 발생가능 지진공백역의 위치로부터 선정된 발생 가능 성이 높은 11개의 가상 지진해일을 수지치모의하고 기존에 작성하였던 임 원항 지진해일 재해정보도를 보완하여 새로 작성한다(Ahn et al.[6]). 특히, 국민안전처(MPSS.[4])의 재해정보도 작성 지침에 따라 기존에 작성하였 던 재해정보도와 다르게 지진해일고, 지진해일 발생원, 지진해일 전파도, 지진해일 정보, 침수심을 추가하였다.

2.지진원 결정

대상지역을 수치모의 하려면 먼저 지진원을 결정해야 한다. 발생원의 초 기 수면변위를 추정하기 위해 Manshinha and Smylie[7]가 제시한 초기 수면변위가 해저변위의 연직성분과 같다는 가정으로 Fig. 2에 도시한 단층 매개변수를 기초로 한 모형을 사용하였다. 단층면에서의 단층매개변수는 H: 단층면 상단의 깊이(Height), θ: 단층면의 주향(Strike angle), δ: 단 층면의 경사진 각(Dip angle), λ: 단층면이 미끄러지는 방향(Slip angle), L: 단층의 길이(Length), W: 단층의 폭(Width), D: 단층면이 어긋난 변위량(Dislocation)을 나타낸다.

가상 지진해일은 우리나라에 지진해일 피해를 유발시킬 가능성이 매우 높은 일본 홋카이도와 혼슈의 서쪽 해안을 따라 남북으로 길게 발달된 단층 대에 설정된 11개의 가상 지진해일 발생원을 사용하였으며 지진매개변수 로서 한반도에너지개발기구 KEDO[3]가 제시한 값에 따라 초기수면변위 를 재현하였다. 과거 지진해일은 우리나라에 피해를 입혔던 1983년 동해 중부 지진해일과 1993년 홋카이도 남서 외해 지진해일, 1964년 니이가타 지진해일을 발생원으로 사용하였다. Table 1에 가상 지진해일의 초기수면 변위 생성을 위한 단층매개변수를 나타냈고, Table 2에는 과거 지진해일의 초기수면변위 생성을 위한 단층매개변수를 나타냈다. 또한 가상 지진해일 과 과거 지진해일의 발생원 분포도를 Fig. 3과 Fig. 4에 도시하였다.

3.수치모형실험

지진해일은 수심이 깊은 원해를 전파할 때와 수심이 비교적 얕은 근해를 전파할 때 차이가 있다. 원해를 전파하는 경우 수면변위가 수심과 비교하여 상대적으로 작기 때문에 선형 Boussinesq 방정식을 지배방정식으로 적용 하는 것이 바람직하다. 그러나 선형 Boussinesq 방정식은 3계 미분항으로 표시되어 있는 분산항을 포함하고 있어 차분화하는 것이 복잡하고 비효율 적이다. 따라서 본 연구에서는 수정차분기법을 이용하여 분산항을 무시한 선형천수방정식을 사용하였으며, 차분과정에서 발생하는 수치분산 오차 가 선형 Boussinesq 방정식의 분산항을 대체할 수 있도록 조정하였다 (Cho, Cho et al.[8, 9]). 식 (1)-(3)에서 ζ는 자유수면변위(m), h는 정수면 에서부터 바닥까지의 수심(m), P와 Q는 각각 x축과 y축 방향의 평균수 심의 체적유량이고, g는 중력가속도이다.(2)(5)

지진해일이 심해를 지나 해안선 근처로 전파해오면, 파장이 짧아지고 파 고는 증가하기 때문에 비선형 효과와 바닥마찰이 분산효과와 비교하여 상 대적으로 중요한 역할을 한다. 따라서 원해를 전파할 때 사용한 선형천수방 정식 대신 비선형천수방정식을 이용하여 비선형 효과와 바닥마찰을 고려 해야 한다(Kajiura and Shuto, Liu et al.[10, 11]). 식 (4)-(6)에서 H는 전 체수심이고 n은 Manning 조도계수이다. 또한 영역별 해안선의 연속적 움 직임을 정확히 표현하여 수치모의의 정확성을 향상시키기 위해 외해경계 조건으로 동시격자접속기법을 사용했다(Lim et al.[12]). 또한 식 (1)-(6) 에 대한 자세한 내용과 검증은 Cho et al.[9]에서 확인할 수 있다.

지진원으로부터 대상지역인 임원항까지 도달하는 지진해일의 크기를 정확하게 예측하기 위해서는 파랑이 전달되는 위치의 해저지형을 실제에 가깝게 표현해야하고 이를 위해서는 유한차분 격자의 크기를 작게 해야 한 다. 본 연구에서는 큰 격자와 작은 격자의 크기 비를 1:3으로 하여 지형을 세 분화하였으며 이러한 방법으로 대상 영역의 격자를 분할하여 그 세부 영역 으로 Fig. 5의 지형 자료를 작성하였다. Table 3에 각 영역별 계산 조건을 나 타냈으며, Fig. 6에는 과거 지진해일 3개와 가상 지진해일 11개 중 최대 처 오름높이 산정을 도시하였다. 최대 처오름높이 산정은 수치모형 실험을 통 해 한 지점에서 파의 전파양상을 1/20초로 나누어 계산하였을 때의 최대값 으로 선정했다(Cho, Cho et al.[8, 9]).

4.최대침수예상도 작성

침수예상도는 국토지리정보원에서 제공한 대상지역의 주거지 및 구조 물이 상세히 표시된 수치지형도위에 지진해일 범람수치모의 결과(범람침 수심)를 합성하여 제작한다. 지진공백역에서 발생한 3개의 과거 지진해일, 11개의 가상 지진해일을 초기수면변위로 이용한 수치모형실험에서 지진해 일 발생 후 150분이 경과하였을 때의 임원항의 범람양상을 Fig. 7, Fig. 8, Fig. 9에 도시하였다. 각 지진해일의 발생위치에 따라 서로 다른 범람양상 을 보임을 알 수 있으며 침수예상도를 통해 범람에 취약한 지역을 파악하면 사전에 지진해일 내습에 대응하기 위한 조치를 취할 수 있다.

앞서 언급한 총 14개의 침수예상도(과거 및 가상 지진해일 침수예상도) 에서 지점별 최대침수심을 추출하여 임원항 최대침수예상도 Fig. 10을 작 성하였다. 각각의 침수예상도를 결합하여 제작한 최대침수예상도는 발생 가능한 지진해일을 대상으로 제작하였기 때문에 실제 지진해일이 발생한 상황에서 인근 사용자들이 위험지역을 쉽게 파악하고 위험지역으로부터 가장 안전한 곳으로 대피할 수 있는데 큰 도움을 줄 수 있으며, 지진해일로 부터 인명피해를 최소화 할 수 있다.

5.지진해일 재해정보도 작성

앞의 4장에서 언급했듯이 과거 지진해일 3개와 가상 지진해일 11개를 종합하여 작성한 최대침수예상도와 재해정보도의 기본 정보중 중요도가 높은 정보를 더 크게 나타내어 긴급상황에서 먼저 확인할 수 있도록 Fig. 11 을 작성하였다.

Cho et al.[13]에 따르면 실제 규모가 큰 무역항의 경우 정박되어 있는 선박을 수심 400 m 이상인 곳으로 이동시켜야 한다고 권고되어 있지만 대상지역인 임원항의 경우 소규모 어항이며 선박의 규모도 작아 권고사 항에 포함되지 않음으로 본 연구에서는 선박의 이동경로는 제외하였다.

재해정보도는 최대침수예상도와 함께 지진해일고, 지진해일 발생 원, 지진해일 전파도, 지진해일 정보, 대피시 주의사항, 비상시연락처, 대피소 위치 및 상세내역, 침수심, 범례 등 필요 정보를 포함하여 작성 하였다(MPSS.[4]). 작성된 재해정보도는 범람예상지역을 쉽게 알려 줄 뿐만 아니라 신속한 대피를 위한 정보제공의 역할을 수행할 수 있다.

지진해일고에는 지진해일 도달시간과 도달 후 지진해일고의 변화를 나타 내었다. 지진해일 발생원과 지진해일 전파도에는 그림을 삽입하여 발생원 위 치와 전파양상을 쉽게 알아볼 수 있도록 하였다. 지진해일 정보에는 사용된 지진원과 지진해일고 기준 및 최대 침수심 높이 등을 간략히 나타내었다.

대피 시 주의사항에 대피과정에서 필수적인 지식을 간략히 수록하여 대피자들이 안전하고 신속하게 대피할 수 있도록 정보를 나열하였고, 비상시 연락처에는 긴급상황을 알려 조취를 취하거나, 위험에 빠진 대 피자가 도움을 청하는데 필요한 연락처를 제공하였다. 대피소 위치 및 상세내역에는 대피장소의 사진과 대피장소에 대한 간략한 설명을 추가 하였다. 침수심에는 수치지형도와 최대침수예상도를 합성한 그림에서 침수구역의 색에 따른 침수심 높이를 나타내었다. 범례에는 긴급대피장 소와 대피장소의 기호와 도로폭에 따른 기호의 차이점을 보였다.

본 연구의 재해정보도는 대피활용형, 방재교육용과 방재정보용으로 활용할 수 있도록 제작하였다. 재해정보도의 대피소를 시나리오별로 지 정할 수 있으나 재난시 대피는 효율성보다는 효과성이 우선시되므로 보 수적인 차원에서 모든 시나리오를 종합한 최대침수예상도를 바탕으로 대피소를 지정하였다. 또한 각 대피소까지의 대피거리는 교통약자들의 침수예상구역 이탈가능시간과 지진해일 최소도달시간을 종합적으로 고 려하여 교통약자들도 충분히 대피할 수 있도록 하였다.

6.결 론

지진해일과 같은 자연재해는 언제 어디서 발생할지 예측할 수 없어 피해 를 최소화하려면, 발생 전 미리 방재대책을 수립하는 것이 반드시 필요하다. 한반도 주변해역에서는 최근 10년간 매년 평균 20회 이상의 해저지진이 발 생하고 있으며 한반도에도 피해를 입힐 정도로 가까운 일본 서해안에 지진 공백역이 존재하고 있어 안심하기 어려운 상황이다. 특히 1983년 동해 중 부 지진해일로 인한 피해사례로 안전지역이 아니라는 것이 확인되었다.

본 연구에서는 새롭게 개정된 국민안전처(MPSS.[4])의 재해정보도 작성 지침에 따라 지진해일고, 지진해일 발생원, 지진해일 전파고, 침수심 을 추가하여 대피자들이 재해정보와 주의사항을 쉽고 간편하게 알아볼 수 있도록 기존의 지진해일 재해정보도를 개선하였다. 또한, 대상지역에 대 한 현장조사를 실시하였고 그 결과를 토대로 대피계획 수립에 필요한 사 항들을 실제 대상지역의 지형특성을 고려하여 효율적으로 작성하였다.

기존의 재해지도 제작기술을 개선하여 범람구역 설정 시 가장 안전한 대 피소를 선별하여 추가함으로 침수예상도 및 재해정보도의 신뢰성을 향상 시켰다. 단순한 1회성 제작에 그치지 않고 항만개발, 환경 변화에 충분히 적 용할 수 있도록 의견을 수렴하고 지속적으로 개선한다면, 향후 우리나라 연 안재해대응체계 수립에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.