항만설계 시 폭풍해일 대책

이번 시간에는 항만설계 시 폭풍해일에 관하여 알아보도록 하겠습니다.

 

항만설계 시 폭풍해일의 제원은 될 수 있는 한 장기간에 걸친 실측값, 기왕 재해시의 침수기록, 이상 기상조건에 대한 추산값을 참고하여 정합니다.

 

폭풍해일 대책을 위한 설계조위

① 기왕고극조위 또는 이것에 설계자의 판단에 의하여 약간의 여유를 더한 조위기준검조소가 없는 곳에서는 인근 기준검조소의 기왕고극조위와 약최고고조위의 편차를 해당 지점의 약최고고조위에 더하는 방법으로 계산합니다.

② 기왕 이상조위의 발생확률곡선을 산정하고, 내‧외삽법(內‧外揷法)으로 구한 어떤 재현년도(예 : 50년 등)의 조위기준검조소가 없는 곳에서는 인근 기준검조소의 어떤 재현년도 조위와 약최고고조위의 편차를 해당 지점의 약최고고조위에 더하는 방법으로 계산합니다.

③ 해일 수치모형실험 등에 의해 해일고(海溢高)를 추산하는 경우는 약최고고조위에 해일고를 더한 조위

④ 이상고조위의 발생확률과 각 조위에 대한 배후지의 피해액 및 해일 대책시설의 건설비를 감안하여 결정이러한 방법은 어느 것이나 장단점이 있습니다.

 

먼저 방법 ①은 가장 간단하지만 장기간의 자료를 필요로 하며, 또 기왕고극조위 이상의 이상고조위가 발생하지 않는다는 보장이 없습니다. 방법 ②는 발생확률 계산결과에 의한 것으로 설계에 쓰이는 고조위가 어느 정도의 발생확률을 갖고 있는가는 명확하나, 비교적 단기간의 자료로부터 장기간의 예측을 하기 때문에 신뢰성에 문제가 있습니다. 방법 ③은 해일의 주요 특성인 조위편차에 착안하고 있는 점은 다른 방법보다 과학적이지만 약최고고조위를 기준으로 하기 때문에 장래에 대한 보장이 없는 것은 방법 ①과 같습니다. 방법 ④는 합리적이고 경제적으로 가장 유익한 방법이나 피해액의 추정 등에 상당한 기술과 노력이 필요합니다. 어느 방법을 채용하는가는 책임기술자의 판단에 따라 각각의 수치를 비교‧검토하고 실측기간, 발생빈도, 시설의 중요성 및 경제성 등을 고려하여 결정하여야 합니다.

 

해수위의 변동은 천문조, 기압과 바람에 의한 기상조, 부진동, 해류, 해수온도, 하천유량, 연안파랑 등의 합성으로 나타납니다. 폭풍해일은 태풍 및 저기압 등의 통과에 의해 나타나는 이상 조위를 뜻하며, 그 요인은 기압 강하에 따른 조위 상승, 이것이 장파로 변형하는 경우의 상승, 이에 유발되는 부진동 그리고 바람에 의한 해수의 해안 수송에 따른 상승 등이 있다. 관측조위와 추산 천문조위의 차를 조위편차(해일고)라 부릅니다.

 

관측 기간

폭풍해일의 관측기간은 될 수 있는 한 장기간일수록 바람직한데 필요한 최소 관측기간은 30년으로 생각됩니다. 수십 년 이상의 장기간에 걸쳐 폭풍해일의 기록이 정리되어 있는 검조소는 적으므로 기상조건으로부터 추산, 폭풍해일 재해, 신문, 고문서 등의 기록 조사, 기왕 재해자료 등을 수집하여 될수록 장기간의 폭풍해일에 대한 검토를 하여야 합니다.

 

바람에 의한 해면상승

수심이 얕은 항만, 해안쪽으로 강풍이 장시간 계속되면 해수 수송이 일어나서 해면이 상승한다. 취송거리를  F(km), 평균수심을 h(m), 풍속을 W(m/s)라 할 때 해안에서의 해면상승량 (cm)는 다음의 개략식으로 산정할 수 있습니다.

바람에 의한 해면상승량(cm) 산정식

 

폭풍해일의 추산식

폭풍해일의 최대 조위편차를 개략 추산하기 위해서 기압 강하에 의한 해면 상승과 바람에 의한 해면 상승을 포함한 아래 식으로 계산할 수 있으며, 보다 정확하게 추산하려면 폭풍해일 수치모델링을 수행하여야 합니다.

폭풍해일의 최대 조위편차 산정식

 

폭풍해일의 수치모델링

폭풍해일 현상을 상세하게 해석하기 위해서는 컴퓨터에 의한 수치모델링을 수행합니다. 이것은 기압강하에 따른 해수면 상승과 바람에 의한 해면의 전단응력을 외력으로 하고 해수의 운동방정식 및 연속방정식에 따라 각 지점의 조위와 유속의 변화를 일정 시간간격마다 순차 계산해 가는 방법입니다. 기본방정식은 해수유동의 기본방정식과 같으나, 기압 강하에 따른 해면 상승효과를 고려하기 위하여 운동량 보존방정식에 거리에 따른 대기압 변화항이 추가됩니다. 태풍 내의 기압과 풍속 분포는 마이어스(Myers, 1954)의 식과 같은 이론모델로 계산하거나, 일기도를 이용한 해상풍 모델을 이용하여 계산합니다. 최근에는 조석, 폭풍해일, 해파의 상호작용을 고려한 수치모델을 적용하는 추세입니다(천 등, 2009a, 2009b; 박 등, 2010; 서와 김, 2012; 최 등, 2012; Dietrich et al., 2011).

 

지금까지 항만설계 시 폭풍해일에 대하여 간략히 알아보았습니다. 최근 설계 시에는 폭풍해일 조건이 매우 중요한 만큼 위 내용을 알아두시면 설계 시 많은 도움이 되리라 생각합니다. 조금이나마 도움이 되셨기를 바라며 이만 줄이겠습니다. 그럼 다음 주제로 찾아뵙겠습니다.^^