1. 서론
지진해일은 일본과 태평양 연안을 둘러싸고 있는 소위 불의고리(Ring of Fire)라 불리는 환태평양 지역에서 자주 발생하고 있다. 최근, 2011년 3월 11일 발생한 동일본 지진해일은 최근 100여년간 발생한 지진해일 중 가장 막대한 재산피해를 초래한 지진해일로 전형적인 지진해일 피해, 즉 수많은 인명피해와 범람으로 인한 엄청난 재산피해를 유발시켰을 뿐만 아니라 지진원에서 멀리 떨어지지 않은 해안에 위치한 후쿠시마원자력발전소를 급습하여 냉각수를 공급하는 시설을 범람시켜 원자력발전소를 가동 불가능의 상태로 만들어 현재도 피해가 진행되고 있다.
지진해일은 해저지반의 융기 또는 침하로 바닷물의 갑작스러운 상승 또는 하강으로 인해 거동되는 바닷물의 위치에너지의 갑작스러운 증가로 불안정한 상태에서 중력에 의해 사방으로 전파되는, 즉 운동에너지로 변환되는 자연현상이다. 깊은 바다에서의 지진해일의 파고는 수 m에 불과한 반면 파장은 수십 내지 수백 km에 이르기 때문에 깊은 바다에서 지진해일을 관측하는 것은 거의 불가능하다. 반면에, 지진해일이 수심이 상대적으로 얕은 해안부근으로 접근하면 파장은 짧아지나 천수효과에 의해 파고가 급격히 증가하여 해안지역에 막대한 피해를 초래할 수 있다.
우리나라는 해저지진으로부터 비교적 안전한 지대로 인식되어 왔으나 일본열도 주위에서 발생하는 해저지진으로 인한 지진해일로 지속적으로 피해를 받고 있는 것으로 역사적으로 기록되고 있다. 특히, 1707년 10월 일본 남-동남-동 (도카이, 도난카이 및 난카이) 등 세 지진이 연동하여 발생한 규모 8.6의 Hoei 해저지진으로 인한 지진해일은 일본은 물론 우리나라 제주도와 중국에서도 피해가 발생하였다고 역사는 기록하고 있다. 주목할 만한 것은 탐라지에서는 어원은 분명하지 않으나 지진해일(地震海溢)이라는 용어를 이미 조선시대에 사용하고 있음을 분명히 보여주고 있다(KBS, 2011).
미국 해양대기청(NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration)에 따르면, 최근 발생한 여러 지진해일 중에서2004년 12월 26일 발생한 수마트라 지진해일은 동남아시아는 물론 아프리카 등에서 약 30여만 명의 인간의 목숨을 빼앗아갔으며, 약 100억 달러의 재산피해가 발생하였다. 또한, 2010년 2월 27일 발생한 칠레 지진과 지진해일은 약 600여명의 인명피해와 30억 달러의 재산피해를 야기시켰다. 지난 2011년 3월 11일 발생한 동일본 지진해일은 20,001명의 인명피해(사망과 실종)와 약 3,000억 달러의 재산피해 물론, 현재도 진행중인 후쿠시마 원자력발전소의 피해 등을 유발시켜 전세계적으로 엄청난 사회적 충격을 주고 있다.
동해는 우리나라, 일본 및 러시아에 둘러싸여 있으며, 1900년 이후 1940년 홋카이도(北海道) 샤코탄(積丹)반도 외해에서 규모 7.5의 지진으로 발생한 카무이미사키(神威岬) 지진해일, 1964년 니가타(新潟)현 해안에서 규모 7.5의 지진으로 발생한 니가타 지진해일, 1983년 아키타(秋田)현 서쪽 외해에서 규모 7.7의 지진으로 발생한 동해 중부 지진해일 그리고 1993년 홋카이도 오쿠시리섬(奧尻島) 남서쪽 외해에서 규모 7.8의 지진으로 발생한 홋카이도 남서 외해 지진해일 등 모두 4건의 지진해일이 발생하였다. 특히, 1964년, 1983년 및 1993년에 발생한 지진해일은 우리나라에도 직접적으로 영향을 끼쳤으며, 1983년 5월 26일 발생한 동해 중부 지진해일은 최근100년 동안 발생한 지진해일 중 한반도에 직접적인 인명피해를 야기시킨 유일한 지진해일이다. Fig. 1은 4건의 역사지진해일 지진원 위치를 도시한 것이며, 그림에 표시된 임원항(어항)에서 1983년 동해 중부 지진해일에 의해 3명의 인명피해(1명 사망, 2명 실종)와 재산피해가 발생하였다.
우리나라는 현재 동해안에 울진, 월성 및 고리에 원자력발전소를 가동하고 있으며, 추가로 수기의 발전소를 건설하고 있거나 건설 예정이다. 특히 울진에는 한울원자력발전소(Hanul Nuclear Power Plant)에 발전소 6기가 현재 가동 중에 있으며, 신한울원자력발전소 2기를 건설 중이며, 2기를 추가로 건설할 예정이다. 본 연구에서는 동해안에 위치한 한울원자력발전소의 지진해일에 대한 안전성을 검토하여 실제 지진해일 발생 시 원자력발전소 부근에서의 지진해일의 파고를 예측하여 피해를 방지 또는 최소화하고자 한다. 특히, 우리나라에 직접적인 영향을 미쳤던 3건의 역사지진해일, 즉 1964년 니가타 지진해일(Case 64), 1983년 동해 중부 지진해일(Case 83) 그리고 1993년 홋카이도 남서 외해 지진해일(Case93) 등 모두 3건을 수치해석하여 한울원자력발전소의 안전성을 검토한다.
2. 수치모형
해저지진에 의한 지진해일의 초기 형태는 장파의 형태로 존재하며, 지진해일은 비교적 먼 거리를 전파하기 때문에 지진해일의 해양에서의 거동은 분산효과를 포함한 지배방정식으로 해석해야 한다. 따라서, 선형 Boussinesq 방정식을 이용하여 지진해일의 전파과정을 수치해석하는 것이 바람직하다. 그러나, 분산항은 고차 미분항으로 주어지기 때문에 차분화 과정이 복잡하고 쉽지 않다.
따라서, 본 연구에서는 선형 Boussinesq 방정식 대신에 선형 천수방정식을 지배방정식으로 사용한다. 선형 천수방정식을 leap-frog 차분기법으로 차분화하는 과정에서 발생하는 수치분산오차를 물리적 분산을 대체하도록 하는 수정차분기법(modified scheme)을 사용하여 실제로 선형 Boussinesq 방정식을 해석한 결과를 얻을 뿐만 아니라 정확도 또한 향상된다(Imamura and Goto, 1988; Cho and Yoon, 1998; Yoon, 2002; Cho et al., 2007).
식 (1)-(3)에서 ζ는 자유수면변위, h는 정수면(SWL, still water level)에서의 수심, P와 Q는 각각 x축과 y축 방향의 수심평균된 체적흐름율이며, g는 중력가속도이다. 최근 Ha and Cho(2015)는 식 (1)-(3)을 수치해석하는 새로운 수정차분기법은 제안하였으며, 제안된 수정차분기법은 수심이 변화하는 지형을 지나는 지진해일의 전파과정을 수치해석할 수 있다. 계산결과는 Boussinesq 방정식에 기반한 FUNWAVE에 의한 결과와 비교하여 비교적 잘 일치하였으며, 제안된 기법은 또한 2011년 동일본 지진해일이 태평양으로 전파하는 과정의 수치모의에 적용되어 실제지형에도 사용됨을 보였다.
지진해일이 수심이 상대적으로 얕은 해안지역에 접근하면 일반적으로 파장은 짧아지고 파고는 증가한다. 따라서 비선형항의 중요성이 커지고, 바닥마찰의 영향이 증가하므로 선형천수방정식 대신에 바닥마찰을 고려한 다음과 같은 비선형천수방정식을 사용하여 지진해일의 거동을 해석한다(Cho, 1995).
지배방정식 (4)-(6)에서 P와 Q는 각각 x축과 y축 방향의 체적 흐름율, 즉 P=uH와 Q=vH를 나타내고, u와 v는 각각 x축과 y축 방향의 수심 적분한 유속, H=h+ζ이며, H는 전체수심을 의미하다. 운동량방정식 (5)와 (6)의 마지막항은 마찰항을 의미하며, 일반적으로 Manning공식 또는 Chezy공식과 같은 실험공식을 이용하여 표현한다(Liu et al., 1994). 본 연구에서는 바닥마찰을 Manning 공식을 이용하여 나타내며, 바닥마찰계수는 0.025를 사용한다. 비선형 천수방정식 (4)-(6)는 유한차분법을 이용하여 수치해석하며, 상세한 차분기법 등과 해안선의 이동을 추척하는 이동경계조건은 기존의 연구(예를 들어, Liu et al., 1994)에서 이미 상세히 언급되어 있으므로 여기서는 생략한다. 따라서, 육상에서의 지진해일의 최대 처오름높이는 이동경계조건을 이용하여 자동적으로 계산된다(Liu et al., 1994).
본 연구에서는 식 (1)-(3)을 수치해석하는 전파모형(propagation model)과 식 (4)-(6)을 해석하는 처오름모형(run-up model)으로 구성된 복합모형을 이용하여 일본 서해안 부근에서 발생했던 3개의 역사 지진해일을 수치해석하여 한울원자력발전소에서의 지진해일에 의한 최대 처오름높이와 최저 처내림높이를 예측하여 원자력발전소 부지에서의 범람 여부와냉각수 공급 가능 여부를 예측하여 안전성을 검토한다.
3. 역사지진해일
본 연구에서는 Fig. 1에 도시된 4건의 역사지진해일 중 우리나라에 직접 영향을 끼쳤던 3개의 역사지진해일을 수치해석하여 한울원자력발전소의 안전성을 검토한다. 역사지진해일은 과거 발생했던 지진해일 중 우리나라 동해에 직접적으로 피해를 유발시켰던, 즉 1964년에 발생한 니가타 지진해일, 1983년에 발생한 동해 중부 지진해일 및 1993년에 발생한 홋카이도 남서 외해 지진해일 등이다. Table 1은 3개의 역사지진해일의 초기수면 생성을 위한 지진 매개변수를 도표화한 것이다.
Table 1
Earthquake parameters for initial free surfaces of historical tsunami events
먼저 우리나라에 가장 큰 영향을 끼쳤던 1983년 동해 중부 지진해일, 즉 Case 83에 대하여 인명피해가 발생했던 임원항에서의 최대 처오름높이를 예측하여 기존의 관측자료와 비교하였다. 제2장의 수치모형을 이용하여 Case 83 지진해일에 의한 임원항 부근의 처오름높이를 예측하여 Fig. 2에 도시하였으며, 그림에 표시된 번호는 처오름높이를 관측한 지점을 의미한다. 현장조사와 Fig. 2에 따르면 도로의 북측에 위치한 상가와 가옥이 일부 침수되었으며, 바다에 가까운 지역은 도로 전면까지 해일이 내습하였다. 또한, 항구의 서측, 임원천하구에 분포하는 모래사장의 대부분이 범람하였으며, 주택지 역시 일부 침수되었음을 알 수 있다. Table 2는 수치모형으로 예측한 처오름높이를 기존의 관측자료(안 등, 2010)와 비교한 것을 보여주고 있다. 전체적으로 수치해석을 통해 예측한 처오름높이는 현장조사에서 획득한 처오름높이와 비교하여 상당히 근사한 결과를 보이고 있다.
Table 2
Comparison of observed and predicted maximum run-up heights
Table 1에서 각 매개변수는 지진해일 단층의 주향각(θ), 단층면의 상연깊이(H)와 dip angle(δ) 및 slip angle(λ), 단층길이(L)와 폭(W), 단층의 변위(D) 등은 매개변수는 Manisinha and Smylie(1971)의 모형을 사용하여 최대의 수면변위가 발생할 수 있는 조건을 사용하였다(안 등, 2010).
4. 원자력발전소의 안전성 검토
지진해일에 의한 원자력발전소의 안전성 검토는 일반적으로 두 가지 관점에서 수행한다. 즉, Fig. 3에 도시된 것과 같이 최대 처오름높이(maximum run-up height)에 의한 원자력발전소 및 부대시설의 범람 여부와 최저 처내림높이(minimum run-down height)에 의한 냉각수(cooling water) 공급 가능여부를 검토하는 것이다.
Fig. 4는 지진해일의 최대 처오름높이를 정의한 것으로 정수면(SWL, still water level)으로부터 해안경사를 따라 최대로 올라간 높이까지의 연직거리, 즉 R을 최대 처오름높이(maximum run-up height)로 정의한다. 따라서, 최대 처오름높이는 해당지역의 범람 여부를 결정하는 매우 중요한 공학적 요소이다. 또한, 최저 처내림높이는 정수면에서 가장 많이 내려간 지점까지의 연직높이를 의미하며, 취수구조물의 높이를 결정하는 요소로 지진해일의 최저 처내림높이가 취수구조물보다 아래에 위치할 경우 냉각수 공급이 원활하지 못할 수 있다. 실제로 후쿠시마 원자력발전소는 냉각수 공급 차질로 인해 원자로가 과열된 것으로 알려져 있다.
일반적으로 해안에 위치한 인구밀접지역과 원자력발전소와 같은 국가기간시설물 등은 예상치 못한 지진해일의 급습에 취약할 수 있기 때문에 지진해일에 치명적인 피해를 방지하기 위해서는 사전에 미리 설정된 지진해일을 수치해석하여 지진해일의 급습이 예상되는 지역에 안전구역을 설정한다. 일반적으로 안전구역은 최대 처오름높이를 사용하여 지정한다. 특히, 원자력발전소에서는 최대 처오름높이는 부지의 범람 여부를 판단하는데 사용되며, 최저 처내림높이는 냉각수 공급과 관련된 필수 서비스 수위의 적절 여부를 평가하는 데 주로 사용된다.
Table 1에 열거한 3개의 역사지진해일은 직접적으로 우리나라 동해안에 영향을 끼쳤으며, 동해안에는 주요 기간시설물, 즉 항만시설과 원자력발전소 등이 위치하고 있다. 특히, 울진에 위치한 한울원자력발전소는 현재 6기의 원자력발전소가 가동 중에 있을 뿐만 아니라 추가로 2기를 건설하고 있어 지진해일의 영향을 면밀히 검토할 필요가 있다. 참고로, 한울원자력발전소의 경우 여러 번의 현장방문에서 관측한 바에 따르면 취수구조물과 배수구조물 모두 거의 직립호안 인근에 설치되어 있어 최대 처오름높이와 최저 처내림높이 대신에 지진해일 최대 파고 및 최저 파고로 정의하는 것이 바른 표현이다.
일본의 서해안에 남북방향으로 분포하고 있는 진원역으로부터 대화퇴(大和堆, Yamato Rise)를 거쳐 동해안에 도달하는 지진해일의 크기를 정확하게 평가하기 위해서는 지진해일이 전달되는 위치의 해저 지형을 실제에 가깝게 표현해야 하고 이를 위해서는 유한차분 격자의 크기를 줄여야 한다. 본 연구에서는 큰 격자와 작은 격자를 이용하여 동해안의 지형과 한울원자력발전소 부근의 영역을 세분화하여 격자를 구성하였다(한국수력원자력주식회사, 2013). 아울러, 세분화한 영역의 공간 및 시간격자의 크기와 격자의 수를 Table 3에 열거하였다.
Table 3
Numerical parameters of each numerical region
Fig. 5는 Fig. 1에 도시한 역사지진해일 중 Case 83의 초기지진해일의 도달시간을 도시한 것으로 일본의 서해안 부근에서 발생한 지진해일의 경우 대략 110분 정도 여행한 후에 우리나라의 동해안에 도달함을 알 수 있다. 따라서, 인명피해의 관점에서는 일본과의 공조체계를 갖출 경우 비교적 충분한 대피시간을 확보할 수 있다. 물론, 원자력발전소의 경우 충분한 방어대책을 준비하는 것이 바람직하다. 가장 최선의 방법은 설계단계에서 지진해일의 영양을 충분히 반영함으로써 예상하지 못한 지진해일의 급습이 있더라도 충분히 방어할 수 있는 원자력발전소를 건설하는 것이다. 본 연구에서 사용된 수심은 모두 LMSL(Local Mean Sea Level)을 기준으로 하였으며, 이를 인천평균해수면, 즉 IMSL으로 환산하여 안전성을 검토하였다(한국수력원자력주식회사, 2013).
모두 3건의 역사지진해일에 의한 최대파고와 최저파고는 Case 83에 의해서 발생되는 것으로 예측되었다. 따라서, 본 논문에서는 Case 83에 대해서만 기술한다. Fig. 6과 Fig. 7은 Case 83에 의한 한울원자력발전소 부근의 최대파고(maximum tsunami height)와 최저파고(minimum tsunami height)가 발생한 시점의 snapshot이다. 그림에서 나타난 것과 같이 최대파고와 최저파고 모두 호안과 방파제 사이에서 발생하는데 방파제가 외부로부터 입사하는 지진해일을 일부 막아주는 반면 지진해일이 외해로 빠져나가는 것을 방해하는 것으로 판단된다. 취수구조물은 호안과 방파제 사이에 설치되어 있으므로 최대파고와 최저파고 모두 호안과 방파제 사이에서 발생하는 것만 관심의 대상이다. 특히, Fig. 7에서 외곽 방파제의 두부(head) 주위에서 최저파고가 순간적으로 발생하기는 하나 취수구조물과 거리가 있어 고려하지 않았다.
마지막으로 Table 4는 Case 83에 의한 한울원자력발전소 부근의 최대파고와 최저파고를 비교한 것이다. 한울원자력발전소의 부지높이(GL, ground level)는 EL +10.00m이며, 취수구조물의 취수가능 최저수위(ESW, essential service water pump bell mouth elevation)는 EL -4.06 m이다. 즉, 부지는 범람에 대비하여 충분한 여유가 있으나, 최저수위는 비록 취수 가능 최저수위 보다 충분한 여유가 없다. 따라서, 현 상태에서 역사지진해일에 대하여 안전하더라도 지진의 규모가 커지고 있으며, 해저지진 발생빈도가 증가함을 고려하여 지속적인 관심을 갖고 주기적으로 지진해일에 대한 안전성을 검토하는 것이 바람직하다.
5. 결론
본 연구에서는 전파모형과 처오름모형으로 구성된 복합모형을 이용하여 지진해일에 의한 원자력발전소의 안전성을 검토하였다. 일반적으로 지진해일에 의한 원자력발전소의 안전성 평가는 최대 처오름높이를 이용하여 지진해일에 의한 범람 여부를 검토하며, 아울러 최저 처내림높이를 이용하여 냉각수 공급 가능 여부를 검토한다.
한울원자력발전소의 안전성 평가를 위하여 우리나라에 직접 영향을 끼쳤던 3개의 역사지진해일을 수치해석하였다. 한울원자력발전소는 모든 지진해일에 대하여 범람이 발생하지 않았다. 즉, 부지는 범람에 대비하여 비교적 여유가 있으나, 최저수위는 비록 취수가능 최저수위 보다 충분한 여유가 없다. 따라서, 현 상태에서 역사지진해일에 대하여 안전하더라도 지진의 규모가 커지고 있으며, 해저지진 발생빈도가 증가함을 고려하여 지속적인 관심을 갖고 주기적으로 지진해일에 대한 안전성을 검토하는 것이 바람직하다. 더불어, 기후변화에 따른 해수면 상승 등의 영향 등으로 범람의 위험이 증가하고 있으므로 지속적인 모니터링이 필요하다.
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