KR102492407B1 - 지진 해일 침수범람 위험성 평가 시스템 및 방법 - Google Patents
지진 해일 침수범람 위험성 평가 시스템 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 우리나라 동해안, 서해안 및 남해안의 가상 지진해일 시나리오를 바탕으로 수치 모형 실험을 통해 지진해일 및 조석의 영향을 고려한 지진해일의 전파특성을 분석하여 지진해일의 위험성을 평가할 수 있도록 하는, 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템 및 방법에 관한 것이다.
개시된 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템은, 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터를 입력받기 위한 입력부; 상기 입력받은 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터에 근거하여 가상 지진해일 시나리오를 생성하고, 상세 수심 정보를 포함하여 1 km 격자 간격으로 FEM(Finite Element Method) 격자체계를 구축하며, 고조와 저조, 창조, 낙조를 포함하는 조석의 영향에 따른 가상 지진해일 수치모형을 생성하는 가상 수치모형 생성부; 상기 가상 지진해일 수치모형에 따라 규모별 가상 지진해일의 전파 특성들을 분석하되, 규모 및 발생 위치에 따른 도달시간을 분석하고, 상기 규모별 가상 지진해일의 최대파고 분포를 분석하며, 상기 조석의 영향에 따른 지진해일의 전파 경향 및 파고를 분석하여 지진해일의 위험성을 평가하는 위험성 평가부; 및 상기 분석에 따라 평가된 위험성을 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.
개시된 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템은, 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터를 입력받기 위한 입력부; 상기 입력받은 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터에 근거하여 가상 지진해일 시나리오를 생성하고, 상세 수심 정보를 포함하여 1 km 격자 간격으로 FEM(Finite Element Method) 격자체계를 구축하며, 고조와 저조, 창조, 낙조를 포함하는 조석의 영향에 따른 가상 지진해일 수치모형을 생성하는 가상 수치모형 생성부; 상기 가상 지진해일 수치모형에 따라 규모별 가상 지진해일의 전파 특성들을 분석하되, 규모 및 발생 위치에 따른 도달시간을 분석하고, 상기 규모별 가상 지진해일의 최대파고 분포를 분석하며, 상기 조석의 영향에 따른 지진해일의 전파 경향 및 파고를 분석하여 지진해일의 위험성을 평가하는 위험성 평가부; 및 상기 분석에 따라 평가된 위험성을 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 우리나라 동해안, 서해안 및 남해안의 가상 지진해일 시나리오를 바탕으로 수치 모형 실험을 통해 지진해일 및 조석의 영향을 고려한 지진해일의 전파특성을 분석하여 지진해일의 위험성을 평가할 수 있도록 하는, 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템 및 방법에 관한 것이다.
전 세계적으로 크고 작은 지진이 다발적으로 발생하여 큰 피해가 발생하고 있다.
지진해일은 해저 지진 또는 해저 화산분출 등 해저 지각변동에 의하여 발생되는 해일로서, 심해에서는 파장에 비하여 극히 낮은 파고를 나타내지만 해일파가 해안에 도달함에 따라 파고가 증폭되는 천수효과(淺水效果, Shoaling effects)가 발생되어 막대한 피해를 야기한다.
미국 국립해양대기국(NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration)의 국립환경정보센터(NCEL, National Centers for Environmental Information)에 따르면, 1200개 이상의 확인된 지진해일에 대한 정보 중 가장 위험한 지진해일로 평가되고 있는 지진은 2004년 발생한 인도네시아 수마트라 지진해일과 재산피해가 가장 많은 2011년 동일본 대지진이다(NTHMP, 2019). 이와 같은 지진해일에 영향을 받을 수 있는 해안에 접하고 있는 국가들은 지진해일 침수범람 위험성 평가를 통해 지진해일 위험에 대비하기 위해 지진해일 정보 가이드, 지진해일 비상계획 등을 매뉴얼로 작성하여 배포하고 있다.
태평양 지진해일 경보 센터(PTWC, Pacific Tsunami Warning Center)는 지진 발생 시 해일경보를 발령하기 위해 실시간 지진해일 예측모델(RIFT, Real-time Forecast of Tsunami)을 구축하고 현업에 활용하고 있다. 즉, 실시간 지진해일 예측모델을 통하여 지진해일이 발생하여 해안에 전파되는 해일의 높이를 가시화하여 제공함으로써 실시간으로 대응할 수 있는 예측시스템을 운용하고 있다.
또한 국제연합재해경감전략사무국(UNISDR, United Nations Office for Disaster Risk Reducion)에서 전 세계 지진해일 위험분포도를 제시하였으며, 국립재난안전연구원에서는 한반도 주변 해역에서 지진활동에 따른 지진해일 발생 가능성을 제시한 바 있다.
우리나라의 과거 지진해일 피해 사례로는 1964년 니가타 지진해일, 1983년 동해 중부 지진해일, 1993년 북해도 남서외해 지진해일 등이 있다. 이들 지진해일은 동해(일본 서측해역)에서 발생한 해저지진으로 인하여 지진해일이 발생하였으며, 동해상을 전파하여 동해안 지역에 인명 및 재산피해를 유발하였다.
우리나라는 지진ㆍ지진해일 및 화산활동으로 인한 재해로부터 국민의 생명과 재산 및 주요 기간시설을 보호하기 위하여 제정한 「지진ㆍ화산재해대책법」이 시행 중이며, 지진해일 위험성이 상존하는 동해안 지역을 대상으로 지진해일 대비 주민대피지구를 지정 및 운영하고 있으며, 가상 지진해일 시나리오를 기반으로 지진해일 침수 예상도를 구축하고 있다.
한편, 중국 연안에 분포된 단층과, 이를 통해 과거에 크고 작은 지진이 발생한 현황을 참고하고, 대규모 지진 발생을 가정하여 동해안뿐만 아니라, 우리나라 남해안 및 서해안에서도 가상 지진 시나리오를 활용하는 과학적 분석이 필요하다.
하지만, 서해안의 경우, 얕은 수심의 영향으로 지진 해일에 의한 위험성이 상대적으로 낮아서 서해안 지역의 지진해일 연구가 다소 부족한 실정이다.
일본 유구열도 주변은 최근 30년 동안 약 10,000회에 이르는 지진활동을 보이고 있다. 필리핀해판이 유라시아판과 충돌하여 섭입하고 있는 유구열도(Ryukyu Islands) 주변에서는 오키나와 트러프, 유구열도가 위치하고 있으며 지진활동이 활발하다.
우리나라는 삼면이 바다로 동해는 일본 서해안의 단층대 공백역, 서해는 중국연안의 지진, 남해는 유구열도 대륙붕 사면에 의해 지진해일 위험에 항시 노출되어 있어 지진해일 내습에 대한 가능성이 존재한다. 최근 2011년 동일본 대지진, 2016년 경주지진, 2017년 포항지진 등 피해가 발생하였다. 동해안 지진해일에 대한 대책으로는 일본 공백역을 대상으로 가상 시나리오 기반 동해안 일부 지역(55개소)에 지진해일 침수 예상도가 구축되어 있으며, 국립재난안전 연구원은 동해안 전역에 대하여 지진해일 침수예상도를 구축 중이다.
그러나 남해안은 동해안과 비교하여 지진해일에 의한 위험성이 상대적으로 낮기 때문에 남해안에 대한 지진해일 연구도 다소 부족한 실정이다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 한반도 전역을 포함한 지진해일 전파모형을 기반으로 해안 가상 지진해일 시나리오를 적용하여 병렬 계산용 클러스터에서 수치모형 실험을 수행하되, 현장조사를 통하여 해안 지역의 지형 특성을 파악하고, 수치모형 실험의 기초자료(지형변동, 표고정보 등)를 수집하고, 해안 현장조사 및 최신 수심측량 결과를 입력하여 수치모형 실험을 위한 격자체계를 구축하고, 해안 가상 지진해일 시나리오에 대한 전파특성을 분석하고, 조석이 지배적인 해안의 지역 특성을 반영하며, 조석과 지진해일의 상호 영향을 고려하여 조석(고조, 저조, 창조, 낙조) 상황에 따른 지진해일 수치모형 실험을 수행하고, 수치모형 실험의 결과를 분석하여 해안의 지진해일 전파특성 및 위험성을 평가할 수 있도록 하는, 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템은, 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터를 입력받기 위한 입력부; 상기 입력받은 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터에 근거하여 가상 지진해일 시나리오를 생성하고, 상세 수심 정보를 포함하여 1 km 격자 간격으로 FEM(Finite Element Method) 격자체계를 구축하며, 고조와 저조, 창조, 낙조를 포함하는 조석의 영향에 따른 가상 지진해일 수치모형을 생성하는 가상 수치모형 생성부; 상기 가상 지진해일 수치모형에 따라 규모별 가상 지진해일의 전파 특성들을 분석하되, 규모 및 발생 위치에 따른 도달시간을 분석하고, 상기 규모별 가상 지진해일의 최대파고 분포를 분석하며, 상기 조석의 영향에 따른 지진해일의 전파 경향 및 파고를 분석하여 지진해일의 위험성을 평가하는 위험성 평가부; 및 상기 분석에 따라 평가된 위험성을 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.
한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법은, (a) 입력부가 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터를 입력받는 단계; (b) 가상 수치모형 생성부가 상기 입력받은 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터에 근거하여 가상 지진해일 시나리오를 생성하고, 상세 수심 정보를 포함하여 1 km 격자 간격으로 FEM(Finite Element Method) 격자체계를 구축하며, 고조와 저조, 창조, 낙조를 포함하는 조석의 영향에 따른 가상 지진해일 수치모형을 생성하는 단계; (c) 위험성 평가부가 상기 가상 지진해일 수치모형에 따라 규모별 가상 지진해일의 전파 특성들을 분석하되, 규모 및 발생 위치에 따른 도달시간을 분석하고, 상기 규모별 가상 지진해일의 최대파고 분포를 분석하고, 상기 조석의 영향에 따른 지진해일의 전파 경향 및 파고를 분석하여 지진해일의 위험성을 평가하는 단계; 및 (d) 출력부가 상기 분석에 따라 평가된 위험성을 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템은, 범람역의 DEM(Digital Elevation Model) 데이터를 입력받고, 수치지도 상의 기 설정된 등고선을 기준으로, 상기 범람역의 규모 및 상기 DEM 데이터의 해상도에 대응되는 상기 범람역 내의 격자체계를 구성하고, 상기 범람역의 해저지형 및 과거 지진해일 발생 지점의 위치 정보에 기초하여 상기 격자체계 내의 격자 수정 영역을 설정하며, 프랙탈 차원분석을 이용하여 상기 격자 수정 영역 별 격자체계의 최적 해상도를 결정하는 수치시뮬레이션 모델부; 상기 범람역에 대한 현장 조사 데이터를 입력받아 가상 지진해일 시나리오를 생성하고, 상세 수심 정보를 포함하여 1 km 격자 간격으로 FEM(Finite Element Method) 격자체계를 구축하며, 고조와 저조, 창조, 낙조를 포함하는 조석의 영향에 따른 가상 지진해일 수치모형을 생성하는 가상 수치모형 생성부; 및 상기 가상 지진해일 수치모형에 따라 규모별 가상 지진해일의 전파 특성들을 분석하되, 규모 및 발생 위치에 따른 도달시간을 분석하고, 상기 규모별 가상 지진해일의 최대파고 분포를 분석하며, 상기 조석의 영향에 따른 지진해일의 전파 경향을 분석하며, 이에 따라 조석이 고려된 지진해일의 파고를 분석하여 위험성을 평가하는 위험성 평가부를 포함할 수 있다.
한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법은, (a) 수치시뮬레이션 모델부가 범람역의 DEM(Digital Elevation Model) 데이터를 입력받고, 수치지도 상의 기 설정된 등고선을 기준으로, 상기 범람역의 규모 및 상기 DEM 데이터의 해상도에 대응되는 상기 범람역 내의 격자체계를 구성하고, 상기 범람역의 해저지형 및 과거 지진해일 발생 지점의 위치 정보에 기초하여 상기 격자체계 내의 격자 수정 영역을 설정하며, 프랙탈 차원분석을 이용하여 상기 격자 수정 영역 별 격자체계의 최적 해상도를 결정하는 단계; (b) 가상 수치모형 생성부가 상기 범람역에 대한 현장 조사 데이터를 입력받아 가상 지진해일 시나리오를 생성하고, 상세 수심 정보를 포함하여 1 km 격자 간격으로 FEM(Finite Element Method) 격자체계를 구축하며, 고조와 저조, 창조, 낙조를 포함하는 조석의 영향에 따른 가상 지진해일 수치모형을 생성하는 단계; 및 (c) 위험성 평가부가 상기 가상 지진해일 수치모형에 따라 규모별 가상 지진해일의 전파 특성들을 분석하되, 규모 및 발생 위치에 따른 도달시간을 분석하고, 상기 규모별 가상 지진해일의 최대파고 분포를 분석하고, 상기 조석의 영향에 따른 지진해일의 전파 경향을 분석하며, 이에 따라 조석이 고려된 지진해일의 파고를 분석하여 위험성을 평가하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템은, 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터를 입력받기 위한 입력부; 상기 입력받은 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터에 근거하여 상연깊이, 단층면 경사각, 슬립방향각이 적용된 가상 지진해일 시나리오를 생성하고, 상세 수심 정보를 포함하여 1 km 격자 간격으로 FEM(Finite Element Method) 격자체계를 구축하며, 고조와 저조, 창조, 낙조를 포함하는 조석의 영향에 따른 가상 지진해일 수치모형을 생성하는 가상 수치모형 생성부; 상기 가상 지진해일 수치모형에 따라 규모별 가상 지진해일의 전파 특성들을 분석하되, 규모 및 발생 위치에 따른 도달시간을 분석하고, 상기 규모별 가상 지진해일의 최대파고 분포를 분석하며, 상기 조석의 영향에 따른 지진해일의 전파 경향 및 파고를 분석하여 지진해일의 위험성을 평가하는 위험성 평가부; 및 상기 분석에 따라 평가된 위험성을 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.
한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법은, (a) 입력부가 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터를 입력받는 단계; (b) 가상 수치모형 생성부가 상기 입력받은 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터에 근거하여 상연깊이, 단층면 경사각, 슬립방향각이 적용된 가상 지진해일 시나리오를 생성하는 단계; (c) 상기 가상 수치모형 생성부가 상기 생성된 가상 지진해일 시나리오에 근거하여 상세 수심 정보를 포함하여 1 km 격자 간격으로 FEM(Finite Element Method) 격자체계를 구축하며, 고조와 저조, 창조, 낙조를 포함하는 조석의 영향에 따른 가상 지진해일 수치모형을 생성하는 단계; (d) 위험성 평가부가 상기 조석의 영향에 따른 가상 지진해일 수치모형에 따라 규모별 가상 지진해일의 전파 특성들을 분석하되, 규모 및 발생 위치에 따른 도달시간을 분석하고, 상기 규모별 가상 지진해일의 최대파고 분포를 분석하며, 상기 조석의 영향에 따른 지진해일의 전파 경향 및 파고를 분석하여 지진해일의 위험성을 평가하는 단계; 및 (e) 출력부가 상기 분석에 따라 평가된 위험성을 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 중국 렌원강 동측해역, 산둥반도 남측해역 및 발해만 해역을 포함하는 가상 시나리오를 바탕으로 서해안 가상 지진해일 수치모형 실험을 수행할 수 있다.
또한, 서해안 지진해일 침수범람 위험성 평가를 통해 서해는 전 지역이 대륙붕에 속하며, 평균수심이 45m, 최대수심 103m 정도로 수심이 낮고 전역이 완만하여 대체로 평탄하며, 서해 해안선의 길이는 약 2,220km로 해빈의 경사가 매우 완만하여 조석의 영향 범위가 인천은 약 8m, 군산은 약 6m로 매우 넓은 것을 확인할 수 있다.
또한, 서·남해 지진해일 가상 시나리오를 적용하였으며, 적용된 시나리오는 규모별로 8.0(9개), 7.5(9개), 7.0(9개)의 총 27개로 선정되었고, 선정된 시나리오를 토대로 초기 파형을 재현할 수 있으며, 규모별 변위는 2.9m, 1.5m, 0.8m로 나타남을 확인할 수 있다.
또한, 수치모형 실험을 통해 규모 8.0, 7.5 7.0에 대해 전파특성을 분석한 결과, 가상 지진해일 발생 위치별 전파 양상은 크게 세 가지로 나눌 수 있는데, 첫째 상대적으로 수심이 깊은 대륙붕 해역의 영향으로 중국 동해안을 따라 남동쪽으로 전파되고, 둘째 우리나라 서해안 전반에 걸쳐 에너지가 집중되는 전파, 셋째 남쪽의 산둥반도 방향으로 전파하는 양상을 확인할 수 있다. 그리고 도달시간의 변화는 지진의 규모 변화가 미치는 영향이 적었으며, 대륙붕의 지형의 수심 변화가 전파특성에 큰 영향을 미치는 것으로 확인할 수 있다.
또한, 규모 8.0, 7.5, 7.0에 대하여 지진해일이 갖는 에너지의 전파과정을 설명할 수 있는 최대파고 분포를 분석한 결과, 지진해일 발생 위치에 따라 명확히 구분되며, 가상 지진해일 발생 위치 ?~?에서만 에너지가 서해안으로 집중되는 양상을 확인할 수 있다.
또한, 가상 지진해일 시나리오에 따른 초기 수면변위는 높게 산출되었으나, 서해의 상대적으로 수심이 낮은 대륙붕의 넓은 지역을 지나면서 점차 감쇄되어 지진해일 영향이 우리나라 대부분 지역에서 낮은 것으로 확인할 수 있다.
또한, 지진해일과 조석의 결합 수치모형 실험을 통하여 효율적인 지진해일의 위험 대비와 지진해일 예측과 관련된 불확실성을 줄일 수 있다.
또한, 지진해일과 조석의 상호작용에 대한 지진해일고의 영향을 분석한 결과, 산둥반도 남측에서 발생하는 가상 시나리오 중 규모 8.0으로 설정된 지진에 의한 초기파형과 조석을 고려하여, 서해안에서 전파되는 지진해일고가 지진해일만 고려된 해일고보다 전반적으로 낮게 산정되었으며, 지역의 특성에 따라 지진해일고가 증가하는 지역도 있음을 확인할 수 있다. 이때, 조석 상황에 따라 지진해일 도달시간의 변화도 나타남을 확인할 수 있다.
또한, 지진해일 광역침수 시뮬레이션 모델의 성능을 확보하여, 동해안 전역을 포함하는 최적 지진해일 광역범람 수치모델의 개발 및 운영방안 수립에 활용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 유구열도 및 난카이트러프를 포함하는 가상 시나리오를 바탕으로 남해안 가상 지진해일 수치모형 실험을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 유구열도는 환태평양 조산대에서 필리핀 단층대에 속하며 약 6,000m 이상 수심이 깊고 해저 단층운동이 활발하여 최근 30년 동안 약 10,000회에 지진활동을 보이는 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 모의를 통해 규모 9.0, 8.5 8.0에 대해 전파특성을 분석한 결과, 하나는 일본 열도를 따라 이어진 유구열도를 따라서 북동과 남서 방향이며, 또 하나는 유구열도를 기준으로 직각 방향으로 전파하여 중국 동해안과 남해안을 거쳐 서해안 방향 전파임을 확인할 수 있고, 도달시간의 변화는 발생원의 규모 변화가 미미하며, 지형의 수심 변화가 전파특성에 중용한 영향을 미치는 것으로 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 지진해일이 갖는 에너지의 전파과정을 설명할 수 있는 규모 9.0, 8.5, 8.0의 최대 파고분포를 분석한 결과, 에너지 대부분은 중국과 태평양 방향으로 전파하는 양상을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 가상 시나리오의 규모와 초기 파고가 높게 모의 되지만, 분석결과 동중국해에 있는 상대적으로 수심이 낮은 대륙붕의 넓은 지역을 지나면서 점차 감쇄되어 지진해일 영향이 우리나라 대부분 지역에서 낮은 것으로 확인할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따르면, 조석과 지진해일의 상호작용에 의해 전파되는 해일을 재현하기 위해 유한요소모델인 ADCIRC와 Manshinha and Smylie가 제안한 지진해일 단층파형 모델을 결합하고, 유구열도에서 발생하는 가상 시나리오 중 규모 9.0으로 설정된 지진에 의한 초기파형과 조석을 고려하여, 서남해안에서 전파되는 지진해일고가 지진해일만 고려된 해일고보다 전반적으로 낮게 산정되는 것을 확인할 수 있고, 지진해일에 의한 위험성 평가시 지진해일은 조석과 함께 중첩되어 나타나기 때문에 조석을 고려하는 것이 필수적인 것임을 확인할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 서해안 현장조사 일정 및 대상지역을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 1차 지진해일 현장조사 지역을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 1차 지진해일 현장조사 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 2차 지진해일 현장조사 지역을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 2차 지진해일 현장조사 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 3차 지진해일 현장조사 지역을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 3차 지진해일 현장조사 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 가상 지진해일 발생 위치를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가상 수치모형 생성부에서 구축한 지진해일 수치모형 격자체계를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 제1 실시예에서 서해안 지진해일 수치모형 실험에 적용한 서해의 수심 분포도를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 격자체계의 수심분포도 및 개방경계 위치를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 조석을 고려한 가상 지진해일 발생 위치를 나타낸 도면이다.
도 15a 내지 도 15c는 본 발명의 제1 실시예에서 지진해일만 고려한 경우와 조석이 고려된 경우의 해수위 전파도를 나타낸 도면이다.
도 16a 내지 도 16c는 본 발명의 제1 실시예에서 조석이 고려된 낙조시 지진해일 변화를 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 제1 실시예에서 지진해일 및 조석이 고려된 지진해일을 비교한 그래프를 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명의 제1 실시예에서 가상 지진해일 전파특성 분석 지역을 나타낸 도면이다.
도 19는 본 발명의 제1 실시예에서 규모별 지진해일 초기 수면 변위를 나타낸 도면이다.
도 20은 본 발명의 제1 실시예에 따른 규모 8.0 지진해일 전파특성 분석에서 가상 지진해일 발생 위치 3곳에서의 에너지 집중을 나타낸 도면이다.
도 21은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 8.0 및 가상 지진해일 발생위치①에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이다.
도 22는 본 발명의 제1 실시예에서 규모 8.0 및 가상 지진해일 발생위치④에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이다.
도 23은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 8.0 및 가상 지진해일 발생위치⑦에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이다.
도 24는 본 발명의 제1 실시예에 따른 규모 7.5 지진해일 전파특성 분석에서 가상 지진해일 발생 위치 3곳의 에너지 집중을 나타낸 도면이다.
도 25는 본 발명의 제1 실시예에서 규모 7.5 및 가상 지진해일 발생위치①에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이다.
도 26은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 7.5 및 가상 지진해일 발생위치④에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이다.
도 27은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 7.5 및 가상 지진해일 발생위치⑦에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이다.
도 28은 본 발명의 제1 실시예에 따른 규모 7.0 지진해일 전파특성 분석에서 가상 지진해일 발생 위치 3곳에서의 에너지 집중을 나타낸 도면이다.
도 29는 본 발명의 제1 실시예에서 규모 7.0 및 가상 지진해일 발생위치①에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이다.
도 30은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 7.0 및 가상 지진해일 발생위치④에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이다.
도 31은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 7.0 및 가상 지진해일 발생위치⑦에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이다.
도 32는 본 발명의 제1 실시예에서 규모 및 발생 위치에 따른 도달시간 그래프를 나타낸 도면이다.
도 33은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 8.0, 가상 지진해일 발생위치①의 최대 파고 분포를 나타낸 도면이다.
도 34는 본 발명의 제1 실시예에서 규모 8.0, 가상 지진해일 발생위치④의 최대 파고 분포를 나타낸 도면이다.
도 35는 본 발명의 제1 실시예에서 규모 8.0, 가상 지진해일 발생위치⑦의 최대 파고 분포를 나타낸 도면이다.
도 36은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 8.0 및 가상 지진해일 발생위치 ①, ④, ⑦의 최고 파고 분포도를 나타낸 도면이다.
도 37은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 7.5 및 가상 지진해일 발생위치 ①, ④, ⑦의 최고 파고 분포도를 나타낸 도면이다.
도 38은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 7.0 및 가상 지진해일 발생 위치 ①, ④, ⑦의 최고 파고 분포도를 나타낸 도면이다.
도 39a 내지 도 39f는 본 발명의 제1 실시예에서 조석상황에 따른 조석 및 지진해일 전파도를 나타낸 도면이다.
도 40a 내지 도 40h는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지역별 조석상황에 따른 지진해일 수위변화를 나타낸 도면이다.
도 41은 본 발명의 제2 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 42는 본 발명의 제2 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
도 43은 본 발명의 제2 실시예에서 프랙탈 차원분석 및 그래프 작성 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 44는 본 발명의 제3 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
도 45는 본 발명의 제3 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 가상지진해일 발생원 위치(단위단층)를 나타낸 도면이다.
도 46은 본 발명의 제3 실시예에서 조석이 고려된 지진해일 가상 시나리오를 나타낸 도면이다.
도 47a 및 도 47b는 본 발명의 제3 실시예에서 지진해일만 고려한 경우(좌)와 조석이 고려된 경우(우) 해수위 전파도를 나타낸 도면이다.
도 48은 본 발명의 제3 실시예에서 지진해일 및 조석이 고려된 지진해일 비교 예를 나타낸 도면이다.
도 49a 내지 도 49b는 본 발명의 제3 실시예에서 조석이 고려된 지진해일 변화를 나타낸 도면이다.
도 50은 본 발명의 제3 실시예에 따른 남해안 현장조사 일정 및 지역을 나타낸 도면이다.
도 51은 본 발명의 제3 실시예에 따른 1차 현장 조사 지역을 나타낸 도면이다.
도 52는 본 발명의 제3 실시예에 따른 남해안 1차 조사지역 인근 기본 수준점을 나타낸 도면이다.
도 53은 본 발명의 제3 실시예에 따른 남해안 2차 현장조사 지역을 나타낸 도면이다.
도 54는 본 발명의 제3 실시예에 따른 남해안 2차 조사지역 인근 기본 수준점을 나타낸 도면이다.
도 55는 본 발명의 제3 실시예에 따른 남해안 3차 현장조사 지역을 나타낸 도면이다.
도 56은 본 발명의 제3 실시예에 따른 남해안 3차 조사지역 인근 기본 수준점을 나타낸 도면이다.
도 57은 본 발명의 제3 실시예에 따른 남해안 4차 현장조사 지역을 나타낸 도면이다.
도 58은 본 발명의 제3 실시예에 따른 남해안 4차 조사지역 인근 기본 수준점을 나타낸 도면이다.
도 59는 본 발명의 제3 실시예에서 규모 9.0 지진해일 가상 시나리오를 나타낸 도면이다.
도 60은 본 발명의 제3 실시예에서 규모 8.5 지진해일 가상 시나리오를 나타낸 도면이다.
도 61은 본 발명의 제3 실시예에서 규모 8.0 지진해일 가상 시나리오를 나타낸 도면이다.
도 62 및 도 63은 본 발명의 다른 실시예에 따른 출력부를 개략적으로 나타낸 평면도들이다.
도 64는 도 62 또는 도 63에 도시된 출력부를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 65는 도 64의 선택적 광 투과부를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 66은 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 센서를 포함한 출력부의 감지 영역의 일 예를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 67a 내지 도 67d는 본 발명의 일 실시예들에 따른 지문 화소들, 핀홀들, 및 광 센서들의 배치를 설명하기 위한 평면도들이다.
도 68은 도64의 EA 영역을 확대한 단면도이다.
도 69는 본 발명의 다른 실시예에 따른 출력부(150)의 개략적인 단면도이다.
도 70은 도 62 또는 도 63에 도시된 지문 검출부를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 서해안 현장조사 일정 및 대상지역을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 1차 지진해일 현장조사 지역을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 1차 지진해일 현장조사 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 2차 지진해일 현장조사 지역을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 2차 지진해일 현장조사 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 3차 지진해일 현장조사 지역을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 3차 지진해일 현장조사 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 가상 지진해일 발생 위치를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가상 수치모형 생성부에서 구축한 지진해일 수치모형 격자체계를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 제1 실시예에서 서해안 지진해일 수치모형 실험에 적용한 서해의 수심 분포도를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 격자체계의 수심분포도 및 개방경계 위치를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 조석을 고려한 가상 지진해일 발생 위치를 나타낸 도면이다.
도 15a 내지 도 15c는 본 발명의 제1 실시예에서 지진해일만 고려한 경우와 조석이 고려된 경우의 해수위 전파도를 나타낸 도면이다.
도 16a 내지 도 16c는 본 발명의 제1 실시예에서 조석이 고려된 낙조시 지진해일 변화를 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 제1 실시예에서 지진해일 및 조석이 고려된 지진해일을 비교한 그래프를 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명의 제1 실시예에서 가상 지진해일 전파특성 분석 지역을 나타낸 도면이다.
도 19는 본 발명의 제1 실시예에서 규모별 지진해일 초기 수면 변위를 나타낸 도면이다.
도 20은 본 발명의 제1 실시예에 따른 규모 8.0 지진해일 전파특성 분석에서 가상 지진해일 발생 위치 3곳에서의 에너지 집중을 나타낸 도면이다.
도 21은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 8.0 및 가상 지진해일 발생위치①에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이다.
도 22는 본 발명의 제1 실시예에서 규모 8.0 및 가상 지진해일 발생위치④에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이다.
도 23은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 8.0 및 가상 지진해일 발생위치⑦에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이다.
도 24는 본 발명의 제1 실시예에 따른 규모 7.5 지진해일 전파특성 분석에서 가상 지진해일 발생 위치 3곳의 에너지 집중을 나타낸 도면이다.
도 25는 본 발명의 제1 실시예에서 규모 7.5 및 가상 지진해일 발생위치①에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이다.
도 26은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 7.5 및 가상 지진해일 발생위치④에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이다.
도 27은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 7.5 및 가상 지진해일 발생위치⑦에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이다.
도 28은 본 발명의 제1 실시예에 따른 규모 7.0 지진해일 전파특성 분석에서 가상 지진해일 발생 위치 3곳에서의 에너지 집중을 나타낸 도면이다.
도 29는 본 발명의 제1 실시예에서 규모 7.0 및 가상 지진해일 발생위치①에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이다.
도 30은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 7.0 및 가상 지진해일 발생위치④에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이다.
도 31은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 7.0 및 가상 지진해일 발생위치⑦에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이다.
도 32는 본 발명의 제1 실시예에서 규모 및 발생 위치에 따른 도달시간 그래프를 나타낸 도면이다.
도 33은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 8.0, 가상 지진해일 발생위치①의 최대 파고 분포를 나타낸 도면이다.
도 34는 본 발명의 제1 실시예에서 규모 8.0, 가상 지진해일 발생위치④의 최대 파고 분포를 나타낸 도면이다.
도 35는 본 발명의 제1 실시예에서 규모 8.0, 가상 지진해일 발생위치⑦의 최대 파고 분포를 나타낸 도면이다.
도 36은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 8.0 및 가상 지진해일 발생위치 ①, ④, ⑦의 최고 파고 분포도를 나타낸 도면이다.
도 37은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 7.5 및 가상 지진해일 발생위치 ①, ④, ⑦의 최고 파고 분포도를 나타낸 도면이다.
도 38은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 7.0 및 가상 지진해일 발생 위치 ①, ④, ⑦의 최고 파고 분포도를 나타낸 도면이다.
도 39a 내지 도 39f는 본 발명의 제1 실시예에서 조석상황에 따른 조석 및 지진해일 전파도를 나타낸 도면이다.
도 40a 내지 도 40h는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지역별 조석상황에 따른 지진해일 수위변화를 나타낸 도면이다.
도 41은 본 발명의 제2 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 42는 본 발명의 제2 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
도 43은 본 발명의 제2 실시예에서 프랙탈 차원분석 및 그래프 작성 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 44는 본 발명의 제3 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
도 45는 본 발명의 제3 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 가상지진해일 발생원 위치(단위단층)를 나타낸 도면이다.
도 46은 본 발명의 제3 실시예에서 조석이 고려된 지진해일 가상 시나리오를 나타낸 도면이다.
도 47a 및 도 47b는 본 발명의 제3 실시예에서 지진해일만 고려한 경우(좌)와 조석이 고려된 경우(우) 해수위 전파도를 나타낸 도면이다.
도 48은 본 발명의 제3 실시예에서 지진해일 및 조석이 고려된 지진해일 비교 예를 나타낸 도면이다.
도 49a 내지 도 49b는 본 발명의 제3 실시예에서 조석이 고려된 지진해일 변화를 나타낸 도면이다.
도 50은 본 발명의 제3 실시예에 따른 남해안 현장조사 일정 및 지역을 나타낸 도면이다.
도 51은 본 발명의 제3 실시예에 따른 1차 현장 조사 지역을 나타낸 도면이다.
도 52는 본 발명의 제3 실시예에 따른 남해안 1차 조사지역 인근 기본 수준점을 나타낸 도면이다.
도 53은 본 발명의 제3 실시예에 따른 남해안 2차 현장조사 지역을 나타낸 도면이다.
도 54는 본 발명의 제3 실시예에 따른 남해안 2차 조사지역 인근 기본 수준점을 나타낸 도면이다.
도 55는 본 발명의 제3 실시예에 따른 남해안 3차 현장조사 지역을 나타낸 도면이다.
도 56은 본 발명의 제3 실시예에 따른 남해안 3차 조사지역 인근 기본 수준점을 나타낸 도면이다.
도 57은 본 발명의 제3 실시예에 따른 남해안 4차 현장조사 지역을 나타낸 도면이다.
도 58은 본 발명의 제3 실시예에 따른 남해안 4차 조사지역 인근 기본 수준점을 나타낸 도면이다.
도 59는 본 발명의 제3 실시예에서 규모 9.0 지진해일 가상 시나리오를 나타낸 도면이다.
도 60은 본 발명의 제3 실시예에서 규모 8.5 지진해일 가상 시나리오를 나타낸 도면이다.
도 61은 본 발명의 제3 실시예에서 규모 8.0 지진해일 가상 시나리오를 나타낸 도면이다.
도 62 및 도 63은 본 발명의 다른 실시예에 따른 출력부를 개략적으로 나타낸 평면도들이다.
도 64는 도 62 또는 도 63에 도시된 출력부를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 65는 도 64의 선택적 광 투과부를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 66은 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 센서를 포함한 출력부의 감지 영역의 일 예를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 67a 내지 도 67d는 본 발명의 일 실시예들에 따른 지문 화소들, 핀홀들, 및 광 센서들의 배치를 설명하기 위한 평면도들이다.
도 68은 도64의 EA 영역을 확대한 단면도이다.
도 69는 본 발명의 다른 실시예에 따른 출력부(150)의 개략적인 단면도이다.
도 70은 도 62 또는 도 63에 도시된 지문 검출부를 개략적으로 도시한 블록도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용 중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면 중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가는 서해안의 지진해일 위험성을 평가하는 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템(100)은, 입력부(110), 가상 수치모형 생성부(120), 위험성 평가부(130), 제어부(140) 및 출력부(150)를 포함할 수 있다.
또한, 도시되지는 않았지만 데이터베이스(DB) 또는 저장부를 더 포함할 수 있다.
입력부(110)는 사용자 또는 작업자로부터 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터를 입력받는다. 여기서, 입력부(110)는 컴퓨터용 키보드를 비롯하여 사용자가 휴대하는 스마트폰이 될 수 있고, 현장을 비행하며 촬영한 영상 데이터를 무선으로 송출하는 드론 장치 등이 될 수 있다. 또한, 입력부(110)는 서해안 현장에 일정 구간마다 설치된 CCTV 장치 등도 포함할 수 있다.
가상 수치모형 생성부(120)는 입력받은 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터에 근거하여 가상 지진해일 시나리오를 생성하고, 상세 수심 정보를 포함하여 1 km 격자 간격으로 FEM(Finite Element Method) 격자체계를 구축하며, 고조와 저조, 창조, 낙조를 포함하는 조석의 영향에 따른 가상 지진해일 수치모형을 생성한다.
위험성 평가부(130)는 가상 지진해일 수치모형에 따라 규모별 가상 지진해일의 전파 특성들을 분석하되, 규모 및 발생 위치에 따른 도달시간을 분석하고, 상기 규모별 가상 지진해일의 최대파고 분포를 분석하며, 상기 조석의 영향에 따른 지진해일의 전파 경향 및 파고를 분석하여 지진해일의 위험성을 평가한다.
제어부(140)는 입력부(110)를 통해 입력받은 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터에 근거하여 가상 지진해일 수치모형을 생성하거나, 조석의 영향에 따른 지진해일의 전파 경향 및 파고를 분석하여 지진해일의 위험성을 평가하는 동작을 제어한다.
출력부(150)는 가상 지진해일의 전파 특성들의 분석, 규모 및 발생 위치에 따른 도달시간의 분석, 규모별 가상 지진해일의 최대파고 분포 분석, 조석의 영향에 따른 지진해일의 전파 경향 및 파고의 분석에 따라 평가된 지진해일의 위험성을 출력한다. 예를 들면, 출력부(150)는 전술한 바와 같은 분석에 따라 지진해일의 위험성 평가 결과를 음향이나 화면으로 출력한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법은 서해안의 지진해일 위험성을 평가하는 방법에 관한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템(100)은, 입력부(110)가 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터를 입력받는다(S210).
이어, 가상 수치모형 생성부(120)는 입력받은 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터에 근거하여 가상 지진해일 시나리오를 생성한다(S220).
이어, 가상 수치모형 생성부(120)는 상세 수심 정보를 포함하여 1 km 격자 간격으로 FEM(Finite Element Method) 격자체계를 구축하며, 고조와 저조, 창조, 낙조를 포함하는 조석의 영향에 따른 가상 지진해일 수치모형을 생성한다(S230).
이어, 위험성 평가부(130)는 가상 지진해일 수치모형에 따라 규모별 가상 지진해일의 전파 특성들을 분석하되, 규모 및 발생 위치에 따른 도달시간을 분석하고, 규모별 가상 지진해일의 최대파고 분포를 분석하고, 조석의 영향에 따른 지진해일의 전파 경향 및 파고를 분석하여 지진해일의 위험성을 평가한다(S240).
이어, 출력부(150)는 분석에 따라 평가된 위험성을 출력한다(S250).
전술한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에서는 수치모형 실험을 통해 서해안에서의 지진해일에 대한 전파특성 및 조석과 지진해일의 상호영향을 고려한 전파특성을 분석하는 것이다.
서해안 지진해일 위험성 분석을 위하여 국립재난안전연구원에서 개발한 한반도 전역을 포함한 지진해일 전파모형을 기반으로 서해안 가상 지진해일 시나리오를 적용하여 병렬 계산용 클러스터에서 수치모형 실험을 수행하였다. 이와 관련하여 서해안 지역의 지형 특성을 파악하고, 수치모형 실험의 기초자료(지형변동, 표고정보 등)를 수집하기 위하여 현장조사를 선행하였다.
서해안 현장조사 및 최신 수심측량 결과를 반영하여 수치모형 실험을 위한 격자체계를 구축하고, 서해안 가상 지진해일 시나리오에 대한 전파특성을 분석하였다.
그리고, 조석이 지배적인 서해안의 지역 특성을 반영하고자 조석과 지진해일의 상호영향을 고려하여 조석(고조, 저조, 창조, 낙조) 상황에 따른 지진해일 수치모형 실험을 수행하였다. 수치모형 실험의 결과를 분석하여 서해안의 지진해일 전파특성 및 위험성을 분석하였다.
우리나라의 서해는 얕은 수심을 갖는 천해로, 해저지형의 경사가 완만하고 동중국해와 이어져 있다. 서해는 중국의 양쯔강과 황하에서 흘러나오는 담수의 영향으로 바다 색깔이 황색을 띠기 때문에 황해(Yellow Sea)로 불리기도 한다. 서해 난류는 구로시오 해류에서 갈라져 나와 북상한 해류로 봄에 북상하기 시작해서 흑산도, 백령도를 거처 중국 랴오둥반도를 지나며 세력이 강해지는 여름철에는 발해만까지 흘러든다. 가을부터는 세력이 약화되고 연안수로 변하여 남하하며 제주 해협을 따라 동쪽으로 흐른다. 한반도의 서해는 전 지역이 대륙붕에 속하며, 평균수심 45m 최대 수심 103m 정도로 수심이 낮다. 전역이 완만하여 대체로 평탄하다(대한민국 국가지도집).
서해안을 구분하는 정확한 공간적 기준은 없으나 일반적으로 경기도 해안에서 전남 해남까지를 서해안으로 보고 있으며, 해양수산부에서 발표한 공식적인 서해안의 길이는 약 2,220Km이다. 서해안은 해안선의 굴곡이 심하고 적성의 작용이 탁월하게 나타나는 지역이며 해빈의 경사가 매우 완만하여서 조석의 영향 범위가 매우 넓다. 하천의 하구역이 넓게 나타나며, 서해안의 해안선 굴곡도는 전체적으로 동해안에 비해 훨씬 굴곡이 심한 것을 알 수 있다. 충남지역의 해안선 길이는 다른 지역에 비하여 탁월하게 길고, 그 다음으로 전남 지역의 해안선이 길다(국립환경과학원).
또한, 서해안의 가장 두드러지는 특징 중 하나는 조차가 매우 크게 나타나는 대조차 해안이라는 것이다. 인천에서 약 8m, 군산에서 약 6m의 조차가 있으며 보통 4m이상인 해안을 대조차 해안으로 분류하는 것을 고려하면 한반도의 서해안은 세계적인 대조차 해안인 것을 알 수 있다. 이것은 곧 침식에너지가 크게 나타나 사빈과 해식애의 침식이 활발하다는 것을 말하는 것이기도 하다. 동해안의 조차가 1m에도 도달하지 못한다는 것을 감안하면 서해안의 뚜렷한 특징이 더욱 잘 나타난다.
수심이 깊은 동해와 달리 서해안은 해저 지형의 기복이 극히 완만하고 사면의 경사가 완만하여 조간대의 범위가 매우 넓다. 이에 비해 동해안은 해빈면의 경사가 급할 뿐만 아니라 조차가 작으므로 조간대의 범위 또한 매우 좁다. 따라서 서해안은 동해안에 비해 염습지가 매우 넓은 면적에 발달하였다. 또한 조석의 영향은 하천의 하구에도 영향을 미치는데, 서해로 유입되는 하천의 감조구간이 매우 길게 분포한다. 서해의 감조하천은 홍수 시 수위가 높아지면 범람의 가능성이 높아 침수피해가 발생하기 쉽고 해수가 역류해 염해피해가 발생할 가능성이 있어 서해안에는 금강과 영산강의 하구나 아산만 방조제 같은 인공시설물이 많이 건설되었다.
<서해안 현장조사>
본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템(100)은, 서해안 일대를 비행하며 현장을 촬영하는 드론 장치 또는 서해안의 일정 구역마다 설치된 CCTV 장치를 통하여 현장 조사 데이터를 획득하여 입력받을 수 있다. 또한, 사용자 또는 탐사자가 휴대하는 스마트폰을 통하여 서해안의 일정 구간을 촬영하여 획득한 현장 조사 데이터를 입력부(110)를 통해 입력받을 수 있다. 그리고, 측량자가 직접 수심이나 길이 등을 측정한 후 입력부(110)를 통해 현장 조사 데이터를 입력할 수도 있다.
서해안 가상 지진해일 수치모형 실험을 수행하기에 앞서 대상 지역의 지형 특성 분석을 위해 현장 조사를 수행하였다.
현장 조사는 도 3에 도시된 바와 같이 총 3차에 걸쳐 수행하였다. 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 서해안 현장조사 일정 및 대상지역을 나타낸 도면이다.
대상 지역은 에너지가 집중될 것으로 예상되는 만의 형태를 이루어지는 곳을 우선순위로 선정하였으며, 선정 후 해안 구조물의 표고 자료를 실시간 이동 측량(RTK: Real Time Kinematic) 방식을 통해 확보하여 서해안 지형특성 분석 및 수치모델링 기초자료로 활용하였다.
1차 지진해일 현장조사 지역은 도 4에 도시된 바와 같이 전라북도 부안군, 고창군, 전라남도 영광군이다. 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 1차 지진해일 현장조사 지역을 나타낸 도면이다. 1차 지진해일 현장조사 지역은 지진해일 내습시 큰 피해를 입을 수 있는 만지형과 인구밀집지역(마을, 항구)의 저지대 구조물(방파제, 해안도로, 제방, 접안시설)을 대상으로 표고측량을 수행하였다.
<1차 현장조사 결과>
1차 현장조사 결과는 도 5에 도시된 바와 같다. 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 1차 지진해일 현장조사 결과를 나타낸 도면이다.
1차 현장조사 결과, 부안군에 속한 격포항의 방파제 표고는 평균 8.4m이며 접안시설(안벽 등) 표고는 4.4m, 궁항의 방파제 표고는 6.9m, 접안시설 표고는 4.2m, 모항의 방파제 표고는 4.1m, 접안시설 표고는 4.7m, 해안도로는 5.7m, 곰소항 방파제 표고는 4.5m, 접안시설 표고는 4.6m, 제방은 5.6m로 측량되었다.
고창군의 하전마을 앞 제방의 표고는 6.2m, 마을주거지역 표고는 4.9m, 계명마을 앞 제방의 표고는 6.5m, 마을주거지역 표고는 3.8m이며, 동호항 방파제 표고는 6.0m, 접안시설 및 제방 표고는 4.1m이며, 동호마을 표고 6.2m로 측량되었다.
영광군 계마항 방파제 표고는 7m, 접안시설 표고는 4.3m이며, 법성포 제방 표고는 4.7m 마을주거지역 표고는 4.0m, 설도항 방파제 표고는 4.7m, 접안시설 표고는 4.3m, 인근 제방 표고는 5.5m로 측량되었다.
현장조사 결과, 부안군의 모항, 곰소항과 영광군의 설도항은 만 안쪽에 있으며, 조간대 지역이기 때문에 파도가 높지 않아 방파제의 표고는 접안시설의 표고와 비슷하게 나타났다. 고창군의 하전마을과 계명마을의 표고는 4m 내외로 낮아 제방 및 방파제의 표고는 6m 이상이며, 동호마을 주거지역의 표고는 6m 이상으로 제방보다 표고가 높게 나타났다.
부안군 및 고창군 연안의 지형은 크고 작은 만들과 반도, 언덕으로 이루어져 있으며, 연해 수심은 5~10m이며, 조석차는 6m로 만의 형태가 좁고 긴 지형이기 때문에 지진해일 내습 시 들어오는 해일의 파고가 증폭되고 속도가 가속되어 피해를 입을 수 있다. 지진해일이 만내에 들어올 때 파고가 증폭되는데 리아스식해안은 그 경향이 크게 나타나며 마찰이나 가파른 사면이 해일의 속도를 늦출 때까지 육지로 밀려오게 된다. 영광군 지역은 해안선의 굴곡이 심한 리아스식해안이며, 중앙에 넓은 평야 지대가 형성되어 있어 좁은 곳에서 넓은 바다로 나가는 지역에 형성된 마을이나 지진해일의 전파가 쉬운 평야 지역은 지진해일에 취약할 수 있다.
2차 지진해일 현장조사 지역은 도 6에 도시된 바와 같이 충남 태안군, 홍성군, 보령시, 서천군과 전북 군산시이다. 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 2차 지진해일 현장조사 지역을 나타낸 도면이다. 2차 지진해일 현장조사 지역은 지진해일 내습시 침수피해가 우려되는 만지형과 인구밀집지역(마을, 항구)을 대상으로 해안지역 구조물(방파제, 해안도로, 제방, 접안시설)의 표고측량을 수행하였다.
<2차 현장조사 결과>
2차 현장조사 결과는 도 7에 도시된 바와 같다. 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 2차 지진해일 현장조사 결과를 나타낸 도면이다.
2차 현장조사 결과, 조간대가 넓게 분포하는 서해안의 특성상 접안시설이 위치하는 물양장의 경우 약 3.0m 이하, 해수욕장, 구조물 등에서는 약 5.0m 이상의 표고가 분포하였다.
태안군의 안면도는 삼면이 바다와 접하고 있는 지역으로 서해와 접하는 몽산포, 백사장항, 꽃지해수욕장, 영목항의 표고는 평균 5.0m 내외로 나타났으며, 천수만 내측에 위치한 오천항(보령시 위치)의 표고는 평균 4.0m로 측량되었으며, 외측과 내측의 표고 차이는 약 1m 내외로 나타났다.
보령시에 속한 대천항, 대천해수욕장, 무창포, 무창포해수욕장 표고는 평균 6.1m, 서천군에 속한 홍원항, 마량항, 장항항 표고는 평균 5.1m, 군산시에 속한 군산내항, 비응항, 신시도, 선유도, 장자도 표고는 평균 4.9m로 측량되었다.
홍성군의 남당항은 물양장 매립이 완료되어 있으며, 조간대의 영향으로 접안시설은 방파제 내측에 위치하며 방파제의 표고는 평균 5.5m로 측량되었으며, 보령시 오천항의 경우 대조기시 범람이 자주 발생하는 지역으로 물양장 평균 표고가 4.0m로 측량되었다.
천수만에 위치하는 오천항과 금강 하구에 위치하는 장항항 등은 만의 형태가 좁고 긴 지형이기 때문에 지진해일 내습 시 들어오는 해일의 파고가 증폭되어 피해를 입을 수 있다.
지진해일이 만내에 들어올 때 파고가 증폭되는데 리아스식 해안은 그 경향이 크게 나타나며 마찰이나 가파른 사면이 해일의 속도를 늦출 때까지 육지로 밀려오게 되므로 이와 같은 지역은 지진해일에 취약할 수 있다.
3차 지진해일 현장조사 지역은 도 8에 도시된 바와 같이 인천시, 시흥시, 화성시, 충청남도 서산시, 태안군 일대이다. 도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 3차 지진해일 현장조사 지역을 나타낸 도면이다. 3차 지진해일 현장조사 지역은 지진해일 내습시 큰 피해를 입을 수 있는 만지형과 인구밀집지역(마을, 항구)의 저지대 구조물(방파제, 해안도로, 제방, 접안시설)을 대상으로 표고측량을 수행하였다.
<3차 현장조사 결과>
3차 현장조사 결과는 도 9에 도시된 바와 같다. 도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 3차 지진해일 현장조사 결과를 나타낸 도면이다.
3차 현장조사 결과, 2015년 인천 옹진군 연평도 남남서쪽 18km 해저에서 규모 3.5의 지진이 발생하였으며, 2013년 5월에는 인천 백령도 남쪽 31km해저에서 규모 4.5의 지진이, 2011년 6월에는 인천 백령도 동남동쪽 13km 해저에서 규모 4.0의 지진이 발생하였다.
인천시에 속한 을왕리 해수욕장, 소래포구 표고는 평균 6.23m, 시흥시의 오이도 표고는 평균 5.92m, 화성시의 전곡항, 제부도, 매향항 표고는 평균 6.21m, 서산군 삼길포항 표고는 5.3m 내외로 측량되었다,
제부도 바닷길 입구는 조수간만의 차이가 심하고 수심이 깊어 인명사고가 빈번하게 발생하는 지역으로 위험안내표지판, 대피안내도, 재난 예경보시스템이 설치되어 있다. 재난 예경보시스템은 지진이나 해일 등 긴급상황이 발생하면 재난 비상방송을 통해 이용객들의 대피를 유도하게 되며 평상시에도 태풍이나 집중호우의 위험을 알려주는 경보방송으로 활용된다.
2014년 4월 충남 태안군 격렬비열도 서북서쪽 100km 해저에서 규모 5.1의 지진이 발생하였다. 최근에도 2019년 2월 서격렬비도 남남서쪽 12km 해역에서 규모 2.9의 지진이 발생하였으며, 2021년 1월 서격렬비도 북북서쪽 30km 해역에서 규모 2.1의 지진이, 2021년 5월 서격렬비도 남서쪽 124km 해저에서 규모 2.2 발생하였다.
태안군의 학암포항, 만리포항, 만리포해수욕장, 신진항, 안흥항의 표고는 평균 4.7m 내외로 측량되었다.
만리포해수욕장에는 지진과 해일 등에 대비하기 위한 재난 예경보시스템이 설치되어 있으며, 안흥항의 경우 지진 및 지진해일의 피해를 대비하기 위해 해안 및 유람선 선착장에 대해 내진 보강공사가 계획 중이다.
<가상 지진해일 단층 파라미터 설정>
본 발명의 평가 대상은 서해안으로, 지진해일 수치모형 실험을 위해서는 지진해일이 발생할 수 있는 단층 파라미터 산정이 필수 요소이다. 그러기 위해서는 신뢰와 타당성 있는 문헌 조사가 선행되어야 한다.
선행 문헌 조사는 2019년 수행된 서남해안 가상 지진해일 시나리오 개발 연구성과 중의 서해안 단층 파라미터를 본 발명에 다음과 같이 적용하고자 한다.
서해안에 지진해일 영향을 끼칠 수 있는 서해에 존재한다고 추정된 단층대를 참고하여, 도 10에 도시된 바와 같이 중국 렌원강 동측해역(가상 지진해일 발생 위치 ①~③), 산둥반도 남측해역(가상 지진해일 발생 위치 ④~⑥), 발해만 해역(가상 지진해일 발생 위치 ⑦~⑨)으로 선정하였다. 도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 가상 지진해일 발생 위치를 나타낸 도면이다. 서해안의 경우에는 지진해일 발생기록이 과거 문헌에만 기록되어 있으며, 추정되는 단층대에서 대규모 지진을 가정한 연구가 다수로 이루어지고 있다. 본 발명에서는 선행연구를 참고하여 서해안 가상 지진해일 시나리오를 결정하였다.
서해안의 경우 남해안과 마찬가지로 단층의 주향각(θ)은 지진해일의 전파특성에 직접적인 영향을 주는 파라미터로써 서해안에 지진해일 영향분석을 위한 가상 지진해일 시나리오 산정이 주된 목적이므로 보수적으로 접근하여 서해안에 지진해일 에너지가 가장 많이 전파될 수 있도록 단층의 주향각(θ)을 설정하였다.
서해안의 가상 지진해일 발생 위치별 위경도 및 주향각은 다음 표 1과 같다.
단층변위량(d) 가상 지진해일 시나리오의 지진규모를 이용하여 단층 파라미터를 산정하기 위하여 규모별 지진에너지 및 단층 변위량을 다음 표 2와 같이 설정하였다.
또한, 다음 표 3과 같이, 지진깊이, 단층면 경사각, 단층면 미끄러지는 각은 Fuji and Satake에서 제시한 단층 파라미터를 서해안 가상 지진해일 시나리오에 적용하였다.
<가상 지진해일 시나리오>
다음 표 4의 단층 파라미터를 활용하여 가상 지진해일 시나리오를 선정하였다.
다만 서해에서는 단위 단층을 사용할 만큼 대규모의 지진활동이 기록되거나 예상되지 않는 지역으로 판단되어 유구 열도에서의 시나리오처럼 단위 단층 개념을 사용하지 않았으며, 각 시나리오별 단층 파라미터를 제시하였다. 중국 렌원강 동측해역(가상 지진해일 발생 위치 ①~③), 산둥반도 남측해역(가상 지진해일 발생 위치 ④~⑥), 발해만 해역(가상 지진해일 발생 위치 ⑦~⑨)으로 각 발생 위치에서 지진규모 3 개(8.0, 7.5, 7.0)를 고려하여 27 개의 시나리오를 선정하였다.
<FEM 격자체계 구축>
본 발명의 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템(100)에서, 가상 수치모형 생성부(120)는 지진해일 수치모형 실험 수행을 위해, 도 11에 도시된 바와 같이, 상세 수심 정보를 포함하여 최소격자 간격 1.0km로 된 유한요소(FEM: Finite Element Method) 격자체계를 구축하였다. 도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가상 수치모형 생성부에서 구축한 지진해일 수치모형 격자체계를 나타낸 도면이다. 영역은 격자체계 구축 시 격자 크기와 지형 및 수심을 고려하여 격자 구축 영역을 5개 영역(서해, 서남해안, 유구열도, 유구열도 남측, 동해)으로 구분하여 구축 및 결합하였다. 다만, 중국과 마주하는 대만 인근 조밀한 격자의 크고 작은 변화에 따른 불안정 현상을 격자 간격 조정을 통해 보완하였다.
수치모형 실험의 격자체계에 적용할 수심정보는 한반도 인근 국립해양조사원 대표수심자료와 GEBCO_15s를 결합하여 구축하였다.
서해안 지진해일 수치모형 실험에 적용한 서해의 수심 분포도는 도 12와 같다. 도 12는 본 발명의 제1 실시예에서 서해안 지진해일 수치모형 실험에 적용한 서해의 수심 분포도를 나타낸 도면이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 발해만 해역의 수심은 약 50m 미만으로 나타나며, 산둥반도 남측해역은 수심이 약 80m로 상대적으로 깊게 나타났다. 중국 렌원강 동측해역은 약 10m에서 약 60m의 수심 변화를 보인다.
우리나라 서해안은 동해안과 다르게 대조차 환경으로 조석이 지배적인 해역이며, 조석과 지진해일의 상호작용으로 나타나는 지진해일이 실제 자연에서 발생할 수 있는 현실적인 해일이다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 조석의 영향을 고려하여 서해안에서의 지진해일 수치모형 실험을 수행하였다.
<조석과 지진해일 상호작용이 고려된 수치모델 구축>
ADCIRC는 유한요소 모델로 절점 밀도에 따라 국부적으로 상세화할 수 있으며, 지진해일과 같이 급변하는 지역과 수심이 급변하는 지역의 절점 밀도를 증가시켜 수치모형 실험결과의 신뢰성을 제고할 수 있는 장점이 있다.
서해안의 지진에 의한 초기파형을 산정하고 급변하는 해수면 변화를 수치모델에 반영하기 위해 선행연구에서 제시한 격자 체계를 기반으로 현장 측량을 통해 서해안의 격자를 추가로 상세화하여 서해안 지형의 재현성을 높였다.
본 발명의 실시예에서는 도 13과 같은 해역의 개방경계(open boundary condition) 위치에서 전지구 조석모델 결과인 FES2004의 총 8개 조석 분조를 고려하여 지진해일 수치모형 실험을 수행하였다. 도 13은 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 격자체계의 수심분포도 및 개방경계 위치를 나타낸 도면이다.
ADCIRC는 North Carolina 대학의 Luettich와 Notre Dame 대학의 J.J. Westerink가 개발하고, Chippada에 의해 병렬화를 수행하여 현재 미국 기상대기청(NOAA)에서 폭풍해일을 예측하는 공인모델로 사용되고 있으며, 다수의 선행연구에서 조석, 폭풍해일, 파랑 등을 재현하고 예측결과를 평가하는 등 신뢰성이 검증된 모델이다. 조석과 지진해일의 영향을 고려하기 위하여 해수순환모델인 ADCIRC와 Manshinha and Smylie(1971)가 제안한 지진해일 단층파형 설정모델을 결합하였다.
조석과 지진해일의 상호작용을 고려하기 위해서는 조석이 재현되고 있는 상태에서 지진 발생시 나타나는 초기파형이 외력으로 적용되어야 한다. 따라서 본 발명의 제1 실시예에서는 ADCIRC 모형을 이용해 정지해수면으로부터 조석에 의한 외력조건을 고려해 조석과 지진해일이 우리나라 서해안으로 전파되도록 하였다.
조석 재현은 우리나라 서해안 검조소(인천, 평택, 안흥, 보령, 군산, 위도, 영광, 목포) 위치에서 안정화 되도록 5일간 수치모형 실험을 수행하였다. 각 검조소마다 위치가 다르기 때문에 고조, 저조, 창조, 낙조 상황에서 지진해일이 전파될 수 있도록 하였다.
지진해일은 규모 8.0이 도 14와 같이 산둥반도 남측해역에서 발생하는 것으로 설정하였다. 도 14는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 조석을 고려한 가상 지진해일 발생 위치를 나타낸 도면이다. Manshinha and Smylie이 제안한 방법으로 산정된 초기파형은 산둥반도에서 재현된 조위에 지진해일 초기파형을 합산하였다. 이후, 지진해일과 조석에 의한 상호작용이 고려된 해일이 연안에 도달되도록 2 일간 수치모형 실험을 수행하였다.
<조석이 고려된 지진해일 수치모형>
지진해일파와 조석파의 상호작용은 비선형성이고 양방향으로 발생하기 때문에 선형중첩으로는 상호작용을 고려할 수가 없다. 효율적인 지진해일의 위험대비와 지진해일 예측과 관련된 불확실성을 줄이기 위해 지진해일과 조석의 동시 계산이 필요하며 지진해일과 조석의 상호작용에 대한 검토가 필요하다.
따라서 본 발명의 실시예에서는 규모 8.0 실험안의 파라미터를 이용해 Manshinha and Smylie이 제안한 초기파형과 조석을 고려하여 지진해일 수치모형 실험을 수행하였다. 수치모형 실험결과는 도 15a 내지 도 15c에 도시하였다. 도 15a 내지 도 15c는 본 발명의 제1 실시예에서 지진해일만 고려한 경우와 조석이 고려된 경우의 해수위 전파도를 나타낸 도면이다. 도 15a 내지 도 15c에 도시된 바와 같이, 산둥반도에서 발생한 지진해일 초기파형이 서해안으로 경도에 따라 전파되는 것을 확인할 수 있다.
지진해일 발생 위치에서의 최대 해수위를 살펴보면, 조석에 의한 해수위에서 지진에 의한 초기파형이 더해져 지진해일만 고려한 경우보다 높게 산정된 것을 확인할 수 있다. 또한 지진해일에 의한 해일이 전파된 상황에서도 서해에서 조석에 의한 무조점 등의 특성이 잘 나타났으며, 조석에 의해 전파되는 조석파와 지진해일의 상호작용에 의해 나타나는 해일이 전파되는 현상이 잘 재현된 것으로 볼 수 있다.
<서해안 지진해일 분석>
본 발명의 제1 실시예에서는 조석을 고려한 상황에서 연안에서의 지진에 의한 초기파형을 분석하였다. 시점은 첫 지진해일이 연안에 도달하였을 때의 최대 지진해일과 조석을 분석하였으며, 대상지역은 서해안 만지형 및 인구밀집지역인 인천, 평택, 안흥, 보령, 군산, 위도, 영광, 목포를 선정하였다.
서해안 지진해일 위험성 분석을 위하여 조석에 의한 해수위(only Tide), 평균해면 기준의 지진해일고(only Tsunami), 조석과 지진해일의 상호작용을 고려한 해수위(Tide & Tsunami)를 대상으로 수치모형 실험을 수행하였다.
조석 상호작용을 고려한 지진해일고(Tidal tsunami)는 조석과 지진해일의 상호작용을 고려한 해수위(Tide & Tsunami)로부터 조석에 의한 해수위(only tide) 성분을 제거한 것으로 정의하였다.
조석과 지진해일 상호작용에 의한 지진해일과 지진해일만 고려된 해일을 비교하였다. 서해안의 검조소 위치에서 시간에 따른 조석과 지진해일의 전파 경향을 분석하였으며, 도 16a 내지 도 16c에 정점별 수위 변화를 도시하였다. 도 16a 내지 도 16c는 본 발명의 제1 실시예에서 조석이 고려된 낙조시 지진해일 변화를 나타낸 도면이다.
첫 지진해일이 연안에 도달하였을 때 조석 상황은 서해안 모두 낙조 때이며, 인천에서는 300분, 평택은 320분, 안흥은 210분, 보령은 260분, 군산은 250분, 위도는 220분, 영광은 240분, 목포는 280분 만에 해일이 도달하는 것으로 나타났다. 지진해일만 고려된 경우 첫 지진해일 도달 이후 전파되는 해일의 잔차 성분은 30시간 동안 나타났으며, 조석이 고려된 경우에는 조석의 영향으로 지진해일이 시간에 따라 감소하여 18시간 이후에는 지진해일의 영향은 없는 것으로 나타났다.
서해 중부(인천, 평택, 안흥, 보령)에서는 다음 표 5와 같이, 지진해일만 고려되었을 경우, 0.37~0.51m로 산정되었으며, 서해 남부(군산, 위도, 영광, 목포)에서는 0.57~0.94m로 산정되었다.
지진해일 발생 위치에 따라 지진해일 전파 차이는 있겠지만 서해 중부보다 서해 남부에서 지진해일고가 높게 산정되었다. 조석과 지진해일, 지진해일만 고려된 경우를 비교해보면, 서해 중부에서는 조석이 고려된 경우가 지진해일만 고려한 경우보다 인천은 65%, 평택은 59%, 안흥 4%, 보령은 15%가 감소하였으며, 서해 남부에서는 군산은 14%, 목포는 16% 증가하였으며, 위도는 4%, 영광은 9% 감소한 것으로 나타난다.
조석을 고려한 경우, 도 17에 도시된 바와 같이 인천, 평택에서는 지진해일이 큰 폭으로 감소하였으며, 보령, 안흥, 위도, 영광에서 대부분 조석을 고려한 경우 지진해일의 영향은 소폭 감소하였다. 도 17은 본 발명의 제1 실시예에서 지진해일 및 조석이 고려된 지진해일을 비교한 그래프를 나타낸 도면이다. 하지만 군산, 목포는 조석을 고려하였을 때 지진해일이 증가하는 경향이 나타났다. 이러한 현상은 조석의 에너지가 지진해일에 의한 에너지보다 크고 조석이 지배적인 해역환경의 영향으로 조석과 지진해일을 고려하였을 때 지진해일의 영향이 감소한 것으로 볼 수 있다.
한편, 군산, 목포와 같이 지역의 특성에 따라 지진해일고가 증가하는 지역도 있었다. 이처럼 지역마다 조석의 특성이 다르기 때문에 지진해일로 인한 영향을 분석하기 위해서는 창조, 고조, 낙조, 저조의 조석 상황에 따라 조석을 고려하는 것은 향후 지진해일에 의한 재해를 평가하기 위해서라도 필수적인 것으로 볼 수 있다. 따라서 본 발명에서는 창조, 고조, 낙조, 저조의 조석상황에 따라 지진해일이 전파되었을 때를 설정하여 재현하고, 분석된 결과를 제공할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 서해안 지진해일 수치모형 실험을 수행하기 위하여 서해 해저 및 해안지형의 특성을 분석하고 지진해일 내습시 큰 피해를 입을 수 있는 서해안의 만지형과 인구밀집지역의 저지대 구조물을 대상으로 표고 측량을 수행하였다. 측량된 표고자료는 서해안의 격자를 상세화하여 서해안 지형의 재현성을 높였다.
또한 서해안에 지진이 발생 될 수 있는 단층대를 참고하여 중국 렌원강 동측해역, 산둥반도 남측해역, 발해만해역 지역의 3곳을 선정하여 규모별(8.0, 7.5, 7.0)로 서해안의 가상 지진해일 단층 파라미터와 가상 지진해일 시나리오를 생성하였다.
우리나라 서해안은 동해안과 다르게 대조차 환경으로 조석이 지배적인 해역이며 조석의 영향을 고려하여 서해안의 지진해일 수치모형 실험을 수행하였다. 효율적인 지진해일의 위험대비와 지진해일 예측과 관련된 불확실성을 줄이기 위해 지진해일과 조석의 동시 계산이 필요하며 창조, 고조, 낙조, 저조의 조석 상황에 따른 지진해일 영향에 대한 검토가 필요하다.
<서해안 지진해일 침수범람 위험성 평가>
본 발명의 제1 실시예에서는 서해안에서 발생할 수 있는 가상 지진해일 시나리오를 바탕으로 지진해일을 발생시켰으며, 서해안으로 지진해일이 전파되는 과정과 특성을 분석하였다. 서해안 지진해일 전파특성 분석을 위해 가상 지진해일 발생 위치 9개, 규모 3개(8.0, 7.5, 7.0) 총 27 개의 가상 시나리오에 대하여 수치모형 실험을 하였다. 계산시간은 지진해일에 대한 영향을 충분히 고려할 수 있도록 지진 발생 시간부터 24시간 동안 수치모형 실험을 수행하였다. 분석 지역은 도 18에 도시된 바와 같이 서해안 14 개 지역이다. 도 18은 본 발명의 제1 실시예에서 가상 지진해일 전파특성 분석 지역을 나타낸 도면이다.
표 1과 같이 가상 지진해일 발생 위치 ①~⑨와, 지진규모 3개(8.0, 7.5, 7.0)에 대하여 서해안 14 개 지역의 지진해일 도달시간을 산출하였으며, 지진해일의 도달시간 기준은 1파가 도착하는 시각으로 선정하였다.
지진해일에 있어 초기파형의 의미는 변화된 수면 변위를 뜻하며 많은 시간을 필요로 하는 수치모형 실험에 앞서 초기파형에 대한 검토가 필요하다, 이에 본 발명의 제1 실시예에서 선정한 가상 시나리오 단층 파라미터를 토대로 도 19에 도시된 바와 같이 지진해일 초기파형 재현을 우선으로 수행하였다. 도 19는 본 발명의 제1 실시예에서 규모별 지진해일 초기 수면 변위를 나타낸 도면이다. 지진해일 수치모형 실험을 위해 총 27개의 초기파형을 재현하였으며, 대표적으로 가상 지진해일 ④ 위치에서의 규모 8.0, 7.5, 7.0에 대한 초기수면 최대변위가 2.9m, 1.5m, 0.8m로 나타났다.
<규모 8.0 전파특성 분석(14개 검조소)>
서해안 지진해일 침수범람 위험성 평가를 위해 설정된 9개 가상 지진해일 발생 위치에서 규모 8.0의 지진을 대상으로 지진해일 전파특성을 분석하였다.
지진해일은 대부분은 정방향으로 전파하며, 시간별 전파도를 분석을 통해 가상 지진해일 발생 위치별로 전파 양상은 도 20에 도시된 바와 같이 크게 3가지로 나타났다. 도 20은 본 발명의 제1 실시예에 따른 규모 8.0 지진해일 전파특성 분석에서 가상 지진해일 발생 위치 3곳에서의 에너지 집중을 나타낸 도면이다.
대표적으로 가상 지진해일 발생 위치 ①, ④, ⑦에서 시간별 지진해일 전파도는 도 21 내지 도 23에 도시된 바와 같다. 도 21은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 8.0 및 가상 지진해일 발생위치 ①에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이고, 도 22는 본 발명의 제1 실시예에서 규모 8.0 및 가상 지진해일 발생위치 ④에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이고, 도 23은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 8.0 및 가상 지진해일 발생위치 ⑦에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이다.
가상 지진해일 시나리오별 전파특성은 다음과 같이 구분하여 설명할 수 있다. 가상 지진해일 발생 위치 ①~③에서의 전파는 상대적으로 수심이 깊은 대륙붕 해역의 영향으로 중국 동해안을 따라 남동쪽으로 굴절 전파하여 동중국해 방향으로 나타났다. 또한, 가상 지진해일 발생 위치 ④~⑥의 경우 우리나라 서해안 전반에 걸쳐 에너지가 집중되며, 가상 지진해일 발생 위치 ⑦~⑨는 남쪽의 산둥반도 방향으로 전파하는 양상을 나타낸다. 또한 지형적으로 서해안과 가까운 가상 지진해일 발생 위치 ④, ①, ⑦ 순으로 지진해일이 전파하였다.
가상 지진해일 발생 위치 ①~③의 경우 주된 방향의 지진해일 파는 수심 변화로 인해 남동진하여 대만과 유구열도 방향으로 전파하는 양상을 보이며 대부분의 지진해일 파는 중국 동해안을 따라 전파하였다. 가상 지진해일 발생 위치 ①에서 발생한 지진해일이 서해안에 위치하는 14 개 검조소에 가장 빠르게 도달하며, 도달시간은 표 6과 같이 흑산도 240분, 어청도 300분, 안흥 330분으로 분석되었다.
가상 지진해일 발생 위치 ④~⑥은 산둥반도 남측해역에 위치하며 서해안에서 가장 근접한 가상 지진해일 발생 위치이다. 다른 지진해일 발생 위치와는 다르게 중국 산둥반도를 시작으로 중국 동해안을 따라 전파하는 양상과 우리나라 서해안으로 집중하여 전파하여 서해안을 따라 제주도까지 전파하는 양상을 보였다. 이는 같은 지진해일 발생 조건이라도 발생 위치 ①~③, ⑦~⑨보다 상대적으로 수심이 깊고 굴절과 회절 되지 않고 전파속도가 빠른 것으로 분석되었다. 발생 위치 ④에서 발생한 지진해일이 서해안에 위치하는 14개 검조소에 가장 빠르게 도달하며, 도달시간은 흑산도 150분, 어청도 180분, 안흥 201분으로 분석되었다.
가상 지진해일 발생 위치 ⑦~⑨에서 발생한 지진해일은 발해만, 라오퉁만, 라이저우만을 따라 전파하며, 주된 전파 방향과 에너지는 서해로 전파하지 못하고 산둥반도로 집중되었다. 이는 서해로 나가는 길목 즉 라오퉁 반도와 산둥반도 사이가 수심이 깊지 않고 섬들로 가로막혀 있는 것으로 판단된다. 또한 지형적 특성으로 인해 복잡한 굴절이 발생하는 양상을 보였다. 가상 지진해일 발생 위치 ⑦에서 발생한 지진해일이 서해안에 위치하는 14개 검조소에 가장 빠르게 도달하며, 도달시간은 대산, 안흥, 어청도 390분, 흑산도 450분으로 분석되었으며, 타 가상 지진해일 발생 위치보다 늦은 것은 발해만이라는 특이한 지형 특성으로 분석되었다.
종합적으로 분석하여 보면, 14개 검조소 위치를 기준으로 첫 번째 지진해일이 가장 빠르게 도달하는 시나리오는 가상 지진해일 발생 위치 ④에서 발생한 경우이며, 우리나라 흑산도를 기준으로 나머지 가상 지진해일 발생 위치보다 90~300분 빠르게 도달하였다. 이는 가상 지진해일 발생 위치가 한반도와 거리가 가까이 위치하며 상대적으로 수심이 깊은 곳에서 지진해일 파가 발달하기 때문으로 분석된다. 이와 반대로 발해만 해역의 가상 지진해일 발생 위치인 ⑦~⑨의 경우 지형적 특성 때문에 가장 늦은 도달시간이 나타나는 것으로 분석되었다.
<규모 7.5 전파특성 분석(14개 검조소)>
규모 7.5 전파 특성도 도 24에 도시된 바와 같이 발생 위치별 3가지 특성이 뚜렷하게 나타났다, 도 24는 본 발명의 제1 실시예에 따른 규모 7.5 지진해일 전파특성 분석에서 가상 지진해일 발생 위치 3곳의 에너지 집중을 나타낸 도면이다. 규모 8.0과의 도달시간 비교 결과 도달시간의 변화는 미미하였으며, 가상 지진해일 발생 위치 및 지형의 수심 변화가 전파특성에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 규모 7.5 가상 지진해일 발생 위치별 도달시간은 표 7과 같다. 도 25 내지 도 27에 도시된 바와 같이, 대표적으로 가상 지진해일 발생 위치 ①, ④, ⑦에서 시간에 따른 지진해일 시간별 전파도를 나타내었다. 도 25는 본 발명의 제1 실시예에서 규모 7.5 및 가상 지진해일 발생위치 ①에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이고, 도 26은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 7.5 및 가상 지진해일 발생위치 ④에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이고, 도 27은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 7.5 및 가상 지진해일 발생위치 ⑦에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이다.
전체적으로 비슷한 도달시간이 계산되나 규모 8.0과 비교하여 일부 지역에서 30~60분 정도 지연되는 결과가 계산되었다. 상세 비교결과, 도달 시간의 경우 표 7과 같이 가상 지진해일 발생 위치 ③은 대산 30분, 가상 지진해일 발생 위치 ④는 진도 30분, 가상 지진해일 발생 위치 ⑤에서 안흥 60분, 영광 30분, 가상 지진해일 발생 위치 ⑦에서 평택 60분, 대산 30분으로 도달시간의 차이가 발생하는 것으로 나타났다. 이는 가상 지진해일 발생 위치와 회절과 굴절에 의한 전파특성으로 분석된다.
<규모 7.0 전파특성 분석(14개 검조소)>
규모 7.0 전파특성은 도 28에 도시된 바와 같이 발생 위치별 3가지 특성이 규모 8.0 및 7.5과 마찬가지로 나타났다. 규모 8.0과 비교 결과 몇몇 지역에서 도달시간의 변화가 나타났다. 도 28은 본 발명의 제1 실시예에 따른 규모 7.0 지진해일 전파특성 분석에서 가상 지진해일 발생 위치 3곳에서의 에너지 집중을 나타낸 도면이다. 시계열 자료 분석을 통한 도달시간은 표 8과 같다. 대표적으로 가상 지진해일 발생 위치 ①, ④, ⑦의 시간에 따른 지진해일 시간별 전파도를 도 29 내지 도 31에 나타내었다. 도 29는 본 발명의 제1 실시예에서 규모 7.0 및 가상 지진해일 발생위치 ①에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이고, 도 30은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 7.0 및 가상 지진해일 발생위치 ④에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이고, 도 31은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 7.0 및 가상 지진해일 발생위치 ⑦에서의 지진해일 전파도를 나타낸 도면이다.
<규모, 발생 위치에 따른 도달시간 분석>
규모, 발생 위치에 따른 도달시간을 종합적으로 정리하고 분석하여, 도 32에 규모별 발생 위치별 도달시간 그래프를 나타냈다. 도 32는 본 발명의 제1 실시예에서 규모 및 발생 위치에 따른 도달시간 그래프를 나타낸 도면이다. 지진해일 도달시간은 서해안과 거리가 가까운 가상 지진해일 발생 위치 ④, ⑤, ⑥이 평균 270분으로 가장 빠른 도달시간을 보였으며, 각각 가상 지진해일 발생 위치별 도달시간은 약 10분씩 차이를 보였다. 중국 렌원강 동측해역에서 발생한 가상 지진해일 발생 위치 ①, ②, ③은 폐쇄적인 지형 특성으로 인해 서해안까지 평균 395분 후 도달하였으며, 발생 위치별 시간 차이는 약 30분씩 차이를 보였다. 발해만 해역에서 발생한 가상 지진해일 발생 위치 ⑦, ⑧, ⑨는 평균 494분으로 가장 늦은 도달시간을 보였으며, 발생 위치별 도달시간 차이는 약 30분씩 차이가 나타났다.
지진해일 발생 위치와 해저지형에 따라 도달시간이 다르게 나타났으며, 수치모형 실험결과 지진 규모는 도달시간에 큰 영향을 미치지 않았다. 이는 도달시간에 있어서는 규모보다는 서해의 발해만 지형 특성, 중국 렌원강 동측해역의 급격한 수심 변화를 보이는 대륙붕에서의 굴절과 회절의 반복 등 해저지형 특성과 같은 지진해일이 발생한 곳에서의 지형 특성에 많은 영향이 있는 것으로 분석되었다. 결론적으로 서해안에서 발생하는 지진해일은 동해와 달리 천해로 수심이 얕고 대륙붕 등 복잡한 해저지형의 특성으로 우리나라 서해에 미치는 영향이 매우 작은 것으로 나타났다.
<가상 지진해일 최대파고분포 특성 분석>
지진해일의 최대파고 분포는 지진해일이 갖는 에너지가 방향성을 가지고 어디로 집중되는지 설명할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 가상 지진해일 시나리오를 기반으로 규모 8.0, 7.5, 7.0의 최대 파고 분포를 분석하였으며, 대표적으로 세 가지를 제공할 수 있다.
첫 번째 서해안에서 발생시킨 지진해일은 대부분 중국 동쪽 해안을 따라 전파하며, 수심에 영향을 받아 동중국해로 회절하는 양상과, 두 번째 산둥반도 남동 방향에서 지진해일 발생시 우리나라 서해안으로 전파하는 양상과, 세 번째 발해만 내에서 전파하는 것을 확인할 수 있었다.
또한 가상 지진해일 발생 위치가 서해와 가까울수록 최대해일고는 높게 나타나는 경향을 보였다. 결과적으로 가상시나리오의 규모와 초기 파고가 높게 나타났지만, 분석 결과 수심이 낮은 서해를 지나면서 점차 감쇄되어 지진해일 영향이 우리나라 대부분 지역에서 작은 것으로 분석되었다.
이러한 전파양상으로 최대파고 분포도 도 33 내지 도 35에 도시된 바와 같이 가상 지진해일 발생 위치별로 다르게 나타났으며, 가상 지진해일 발생 위치별로 구분하여 14개 지역의 검조소에 대하여 비교분석을 수행하였다. 대표적으로 규모 8.0에 대하여 가상 지진해일 발생 위치 ①, ④, ⑦에 대하여 도 33 내지 도 35에 서해 해안선 인근의 최대파고 분포를 나타내었다. 도 33은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 8.0, 가상 지진해일 발생위치①의 최대 파고 분포를 나타낸 도면이고, 도 34는 본 발명의 제1 실시예에서 규모 8.0, 가상 지진해일 발생위치④의 최대 파고 분포를 나타낸 도면이고, 도 35는 본 발명의 제1 실시예에서 규모 8.0, 가상 지진해일 발생위치⑦의 최대 파고 분포를 나타낸 도면이다. 그 결과 서해안에는 큰 영향이 없을 것으로 분석되었다.
<규모 8.0 최대파고분포 분석(14개 검조소)>
크게 3가지 지역으로 구분하여 중국 렌원강 동측해역, 산둥반도 남측 해역, 발해만해역에서 규모 8.0에 대해 9개의 가상 지진해일 발생 위치에 대해 수치모형 실험을 수행하였다. 그 결과, 3가지 지역에 대하여 14개 지역 검조소 별 최대파고 분포가 다르게 나타나는 것을 알 수 있었다.
가상 지진해일 발생 위치 부근의 최대파고는 도 36에 나타낸 바와 같이 약 1~2m 정도 값이 나타났다. 도 36은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 8.0 및 가상 지진해일 발생 위치 ①, ④, ⑦의 최고 파고 분포도를 나타낸 도면이다. 최대 파고 분석 결과 가상 지진해일 발생 위치 ④~⑥은 서해안과 산둥반도로 집중되었으며 가상 지진해일 발생 위치 ①~③은 중국 동해안 및 동중국해로 전파되었다. 또한, 가상 지진해일 발생 위치 ⑦~⑨는 발해만에 안쪽에 위치하는 라오둥만, 발해만, 라이저우만 해안으로 전파되었다. 그리고 우리나라 서해안 대부분 지역에서 약 0.8m 미만으로 나타났으며 위도에서는 약 0.8m가 넘는 최대파고 분포를 나타냈다.
서해안 9개 가상시나리오에 대하여 지진해일 규모 8.0에 대하여 최대파고를 비교 분석하였다. 중국 렌원강 동측해역의 가상 지진해일 발생 위치 ①~③은 규모 8.0에서 14개 검조소에서 최대 0.24m 최소 0.1m의 최대파고 분포를 나타냈다. 가장 영향을 많이 받은 지역은 영광(0.24m), 평택(0.23m)이었으며, 반대로 가장 적게 영향을 받은 지역은 흑산도(0.1m), 진도(0.11m)로 나타났다. 이는 가상 지진해일 발생 위치로부터 먼 거리까지 전파하면서 에너지가 감소한 것으로 분석된다.
가상 지진해일 발생 위치 ④~⑥은 우리나라 서해안에 가장 가까운 곳으로 가상 지진해일 발생 위치 ①~③, ⑦~⑨에 비해 최대파고가 약 2~3배 정도 높게 나타났다. 이는 전파 거리도 상대적으로 짧고 수심이 깊은 것으로 분석된다. 가상 지진해일 발생 위치에서 가장 가까운 위도는 약 0.8m로 나타났으며, 이는 발생 위치와 거리가 가장 근접하고 있고, 수심이 상대적으로 깊고 감쇄 구간이 길지 않기 때문으로 분석된다.
발해만의 가상 지진해일 발생 위치 ?~?는 대부분 지역에서 최대파고가 다른 가상 지진해일 발생 위치보다 약 0.2m 미만으로 낮게 나타났으며, 가상 지진해일 발생 위치 ?에서만 평택과 영광에서 0.16m와 0.15m의 최대 파고를 보였다.
<규모 7.5 최대파고분포 분석(14개 검조소)>
중국 렌원강 동측, 산둥반도 남측, 발해만 해역에서 가상 시나리오 기반으로 규모 7.5에 대해 9개 가상 지진해일 발생 위치에 대해 수치모형 실험을 수행하였다. 규모 8.0과 비교하여 최대파고는 도 37에 도시된 바와 같이 에너지 차이로 인해 감소하였다. 도 37은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 7.5 및 가상 지진해일 발생 위치 ①, ④, ⑦의 최고파고 분포도를 나타낸 도면이다. 그러나 전파양상은 마찬가지로 대부분 중국 동쪽 해안을 따라 전파, 발해만 내에서의 전파, 우리나라 서해안으로 전파하는 세 가지로 나타났다. 가상 지진해일 발생 위치 ④~⑥에서 나머지 가상 지진해일 발생 위치 ①~③, ⑦~⑨에 비교해 상대적으로 최대 파고가 높게 나타나는 경향을 보였으며, 위도를 기준으로 규모 8.0 대비 약 3배 정도 줄어 최대파고는 가상 지진해일 발생 위치 ④에서 약 0.26m로 나타났다.
지진해일 규모별 가상 시나리오(규모8.0)의 발생 위치에 따라 비교분석 결과 중국 렌원강 동측, 산둥반도 남측, 발해만 해역 등 가상 지진해일 발생 위치 9개에 대하여 14개 지역 검조소 별 최대파고 분포가 다르게 나타나는 것을 알 수 있었다
가상 지진해일 발생 위치 ①~③의 최대파고 분포는 14개 지역 검조소에서 약 0.2m 미만으로 보이며. 최대파고는 규모 8.0 보다 대부분 약 0.1m 낮게 나타났다. 14개 지역 검조소 중 높은 최대파고 분포를 보이는 지역은 검조소 평택(0.09m), 장항(0.1m), 영광(0.1m)이며, 나머지 11개 지역 검조소(인천, 안산, 대산, 안흥, 보령, 어청도, 군산, 위도, 영광, 흑산도, 목포, 진도)는 0.1m 미만으로 나타났다.
가상 지진해일 발생 위치 ④~⑥의 최대파고 분포는 14개 지역 검조소에서 약 0.3m 미만으로 보이며 최대파고는 규모 8.0 보다 11개 검소조(인천, 안산, 평택, 대산, 안흥, 보령, 어청도, 장항, 군산, 영광, 흑산도, 목포, 진도) 약 0.2m 낮게 나타났으나 위도는 0.2m로 규모 8.0 대비 약 0.4m가 낮게 나타났다.
발해만 해역에 위치하는 가상 지진해일 발생 위치 ⑦~⑨의 최대파고 분포는 14개 지역 검조소에서 0.1m 미만으로 나타났으며, 규모 8.0과 마찬가지로 가상 지진해일 발생 위치 ⑦에서 평택과 영광에서 0.05m, 0.06m 최대파고를 보였다.
<규모 7.0 최대파고분포 분석(14개 검조소)>
규모 7.0도 마찬가지로 발중국 렌원강 동측, 산둥반도 남측, 발해만 해역에서 가상 시나리오 기반으로 수치모형 실험을 수행하였다. 그 결과, 시나리오별 규모 8.0 및 7.5와 마찬가지로 도 38에 도시된 바와 같이 에너지 크기 차이가 있을 뿐 에너지 전파 양상은 지진해일 발생 위치별로 유사하거나 같게 나타났다. 도 38은 본 발명의 제1 실시예에서 규모 7.0 및 가상 지진해일 발생 위치 ①, ④, ⑦의 최고 파고 분포도를 나타낸 도면이다. 가상 지진해일 발생 위치에 대한 14개 검조소 위치에 대해 해일고 값을 나타냈으며, 9개의 지진해일 발생 위치의 최대 파고는 약 0.1m 전후로 나타났다. 규모 7.0에서는 우리나라 서해안에 미치는 영향이 무시할 수 있을 정도로 작음을 알 수 있다.
규모 7.0도 마찬가지로 3개의 지역별 가상 지진해일 발생 위치별로 최대해일고 편차가 나타났으며, 규모 8.0, 7.5와 마찬가지 가상 지진해일 발생 위치 ④~⑥에서 상대적으로 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
가상 지진해일 발생 위치 ①~③의 최대 파고 분포는 14개 지역 검조소에서 약 0.5 미만으로 나타났으며, 최대파고는 규모 8.0 보다 약 0.2m 가까이 낮게 나타났다. 14개 검조소 중 가장 높게 최대파고 분포를 보이는 지역은 장항(0.5m), 보령(0.3m), 목포(0.3m)이며, 나머지 11개 지역 검조소(인천 안산, 평택, 대산, 안흥, 어청도, 군산, 위도, 영광, 흑산도, 진도)는 0.02m 미만으로 나타났다.
가상 지진해일 발생 위치 ④~⑥의 최대파고 분포는 14개 지역 검조소에서 약 0.1m 미만으로 보이며, 규모 8.0 대비 약 0.4m 낮게 나타났다. 규모 8.0, 7.5와 같이 위도가 상대적으로 높게 나타나는 경향을 나타냈다.
발해만 해역에 위치하는 가상 지진해일 발생 위치 ⑦~⑨의 최대파고 분포는 대부분 0.1m의 파고분포가 나타났으며, 가상 지진해일 발생 위치 ⑦에서 안흥과 장항 0.02m로 상대적으로 높은 최대 파고를 보였다.
<조석 영향에 따른 지진해일 파고변화 특성 분석>
전술한 바와 같이, 서해안을 대상으로 조석이 지진해일에 미치는 영향을 검토하였다. 분석된 바에 의하면 지진해일은 조석을 고려하는 것이 타당하며, 서해안의 경우 조석의 영향이 극히 작은 동해안 보다 조석간만의 차가 매우 커서 조석이 해양환경을 지배하는 서해안에서는 조석과 지진해일의 상호영향을 고려할 필요가 있다. 따라서 서해안에 조석 상황(창조, 고조, 낙조, 저조)에 따른 지진해일 전파특성을 분석한다.
1. 조석 영향에 따른 지진해일 전파 경향 분석
서해안은 조석간만의 차가 매우 크며, 지역별로도 조석 상황(창조, 고조, 낙조, 저조)의 시간이 조금씩 차이가 난다. 따라서 서해안의 지역 중 인천, 평택, 안흥, 보령, 군산, 위도, 영광, 목포 8개 지역을 선정하여 지역별 조석상황(창조, 고조, 낙조, 저조)의 시간대에 실험안(규모 8.0, 가상 지진해일 발생 위치 ④)의 지진해일을 발생시켜 서해안의 조석 영향에 따른 지진해일 전파 경향을 분석하였다.
본석 결과는 도 39a 내지 도 39f에 도시된 바와 같이 인천을 대상으로 조석과 조석&지진해일이 시간 변화에 따라 전파되는 수치모형 실험결과를 나타낼 수 있다. 도 39a 내지 도 39f는 본 발명의 제1 실시예에서 조석상황에 따른 조석 및 지진해일 전파도를 나타낸 도면이다. 조석 상황에 따라 변화된 해수위에 산둥반도에서 발생시킨 지진해일고가 더해져 서해안으로 전파되는 경향이 잘 나타난다.
2. 조석이 고려된 지진해일고 분석
조석상황에 따라 고려된 지진해일고와 최대 해수위 변화를 살펴보기 위해 서해안 검조소(인천, 평택, 안흥, 보령, 군산, 위도, 영광, 목포)에서 나타나는 조위와 지진해일고를 분석하였다. 앞서 언급했듯이 조석 상호작용을 고려한 지진해일고는 조석과 함께 계산된 지진해일고로부터 조석성분을 제거한 것이다.
인천에서는 표 9와 같이 창조와 낙조시 나타나는 해일고가 0.13m, 고조시는 0.29m, 저조시는 0.22m이며, 지진해일만 고려할 경우 0.37m로 나타난다.
인천은 조석의 영향이 큰 지역이기 때문에 조위 변화에 따른 지진해일고 변화가 크지 않은 것으로 분석된다.
평택은 창조시 0.24m의 해일고가 나타나며, 고조시 0.38m, 낙조시 0.21m, 저조시 0.82m로 나타난다. 지진해일만 고려할 경우 0.51m로 나타난다.
안흥에서는 창조시 0.48m의 해일고가 나타나며, 고조시 0.37m, 낙조시 0.46m, 저조시 0.61m로 나타난다. 지진해일만 고려할 경우 0.48m로 나타난다.
보령은 창조시 0.23m의 해일고가 나타나며, 고조시 0.44m, 낙조시 0.33m, 저조시 0.24m로 나타난다. 지진해일만 고려할 경우 0.39m로 나타난다.
군산 창조시 0.40m의 해일고가 나타나며, 고조시 0.42m, 낙조시 0.79m, 저조시 0.91m로 나타난다. 지진해일만 고려할 경우 0.69m로 나타난다.
위도는 창조시 0.71m의 해일고가 나타나며, 고조시 0.33m, 낙조시 0.66m, 저조시 0.23m로 나타난다. 지진해일만 고려할 경우 0.57m로 나타난다.
영광은 창조시 0.37m의 해일고가 나타나며, 고조시 0.61m, 낙조시 0.52m, 저조시 0.56m로 나타난다. 지진해일만 고려할 경우 0.57m로 나타난다.
목포는 창조시 0.29m의 해일고가 나타나며, 고조시 0.46m, 낙조시 0.66m, 저조시 0.23m로 나타난다. 지진해일만 고려할 경우 0.57m로 나타난다.
도 40a 내지 도 40h는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지역별 조석상황에 따른 지진해일 수위변화를 나타낸 도면이다. 평택과 안흥, 군산은 지진해일만 고려했을 경우보다 저조시 지진해일고가 높게 나타나는데, 이것은 저조로 인해 수심이 낮아진 상태에서 지진해일이 연안으로 전파될 때 천수변형으로 인해 상승한 것으로 분석된다. 재해 위험성 측면에서 볼때 저조시는 수위가 낮아 지진해일과 조석의 상호작용으로 지진해일고가 증가하였더라도 침수피해는 작을 것으로 보이며, 고조시는 지진해일만 고려했을 때 보다 지진해일고의 높이는 감소하였으나 수위가 높은 고조시에 지진해일고가 더해져 침수, 역류 피해는 저조시보다 더 클 것으로 판단되므로 고조시에 나타나는 지진해일고가 중요하다고 볼 수 있다.
또한 고조시는 수심이 증가하여 파의 전파속도가 높아져 지진해일만 고려했을 때의 지진해일파보다 도달시간이 빨랐으며, 저조시는 반대로 전파속도가 느려져 지진해일 도달시간이 늦어지는 경향이 나타났다.
지역에 따라 지진해일 전파특성과 조석의 위상 및 조위가 달라 일관된 경향을 찾기는 어려웠지만, 지진해일과 조석 상호작용으로 조석상황에 따라 지진해일의 파고와 도달시간에 변화를 일으키기 때문에 지진해일에 조석을 고려하는 것은 필수적이다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따라 서해안에서 발생할 수 있는 가상 시나리오를 바탕으로 지진해일이 전파되는 과정과 특성을 분석하여 위험성을 평가하였다.
서해안에서 발생하는 곳에서의 지진해일파는 동해와 달리 천해로 수심이 얕고 대륙붕 등 복잡한 해저지형의 특성으로 파가 전파될 때 굴절과 회절로 인하여 우리나라 서해에 미치는 영향이 매우 작은 것으로 평가된다.
서해안의 경우 조석 영향이 극히 작은 동해안 보다 조석간만의 차가 매우 커서 조석이 해양환경을 지배하는 서해안에서는 조석과 지진해일의 상호영향을 고려할 필요가 있다. 따라서 서해안 조석상황(창조, 고조, 낙조, 저조)에 따라 조석과 지진해일의 상호작용에 대해 검토하였다.
지역에 따라 지진해일 전파특성과 조석의 위상 및 조위가 달라 일관된 경향을 찾기는 어려웠지만, 지진해일과 조석 상호작용은 조석상황에 따라 지진해일 파의 높이와 도달시간에 변화를 일으켰다.
본 발명의 제1 실시예에 따라 서해안에서의 지진해일 침수범람 위험성 평가를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다.
첫 번째, 서해안 해저 및 해안지형 현황조사를 통해 서해는 전 지역이 대륙붕에 속하며, 평균수심이 45m, 최대수심 103m 정도로 수심이 낮고 전역이 완만하여 대체로 평탄한 것이 조사 되었다. 또한 서해 해안선의 길이는 약 2,220km로 해빈의 경사가 매우 완만하여 조석의 영향 범위가 인천은 약 8m, 군산은 약 6m로 매우 넓은 것을 알 수 있었다.
두 번째, 서남해 지진해일 가상 시나리오 개발 성과인 가상시나리오를 적용하였으며, 적용된 시나리오는 규모별로 8.0(9개), 7.5(9개), 7.0(9개) 선정되어 총 27개로 선정되었다. 선정된 시나리오를 토대로 초기파형을 재현하였으며, 규모별 변위는 2.9m, 1.5m, 0.8m로 나타났다.
세 번째, 수치모형 실험을 통해 규모 8.0, 7.5, 7.0에 대해 전파특성을 분석하였다. 가상 지진해일 발생위치별 전파 양상은 크게 세 가지로 나눌 수 있다. 첫째 상대적으로 수심이 깊은 대륙붕 해역의 영향으로 중국 동해안을 따라 남동쪽으로 전파, 둘째 우리나라 서해안 전반에 걸쳐 에너지가 집중되는 전파, 셋째 남쪽의 산둥반도 방향으로 전파하는 양상을 보였다. 또한 도달시간의 변화는 지진의 규모 변화가 미치는 영향은 적었으며, 대륙붕의 지형의 수심 변화가 전파특성에 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
네 번째, 규모 8.0, 7.5, 7.0에 대하여 지진해일이 갖는 에너지의 전파과정을 설명할 수 있는 최대파고 분포를 분석하였다. 결과적으로 지진해일 발생 위치에 따라 명확히 구분되며, 가상 지진해일 발생 위치 ④~⑥에서만 에너지가 서해안으로 집중되는 양상을 확인할 수 있었다. 가상 지진해일 시나리오에 따른 초기 수면변위는 높게 산출되었으나, 서해의 상대적으로 수심이 낮은 대륙붕의 넓은 지역을 지나면서 점차 감쇄되어 지진해일 영향이 우리나라 대부분 지역에서 낮은 것으로 분석되었다.
다섯 번째, 효율적인 지진해일의 위험 대비와 지진해일 예측과 관련된 불확실성을 줄이기 위해 지진해일과 조석의 결합 수치모형 실험이 필요하며 지진해일과 조석의 상호작용에 대한 지진해일고의 영향을 분석하였다. 산둥반도 남측에서 발생하는 가상시나리오 중 규모 8.0으로 설정된 지진에 의한 초기파형과 조석을 고려하였다. 서해안에서 전파되는 지진해일고가 지진해일만 고려된 해일고보다 전반적으로 낮게 산정되었으나 지역의 특성에 따라 지진해일고가 증가하는 지역도 있었다. 또한 조석 상황에 따라 지진해일 도달시간의 변화도 나타났다. 이처럼 지진해일은 조석과 함께 중첩되어 나타나며, 도달시간을 변화시키기 때문에 남해안과 마찬가지로 조석을 고려하는 것이 필수적인 것으로 분석된다.
도 41은 본 발명의 제2 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가는 동해안의 지진해일 위험성을 평가하는 것이다.
도 41을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템(400)은, 입력부(410), 수치시뮬레이션 모델부(412), 가상 수치모형 생성부(420), 위험성 평가부(430), 제어부(440) 및 출력부(450)를 포함할 수 있다.
또한, 도시되지는 않았지만 데이터베이스(DB) 또는 저장부를 더 포함할 수 있다.
입력부(410)는 사용자 또는 작업자로부터 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터를 입력받는다. 여기서, 입력부(410)는 컴퓨터용 키보드를 비롯하여 사용자가 휴대하는 스마트폰이 될 수 있고, 현장을 비행하며 촬영한 영상 데이터를 무선으로 송출하는 드론 장치 등이 될 수 있다. 또한, 입력부(410)는 서해안 현장에 일정 구간마다 설치된 CCTV 장치 등도 포함할 수 있다.
수치시뮬레이션 모델부(412)는 범람역의 DEM(Digital Elevation Model) 데이터를 입력받고, 수치지도 상의 기 설정된 등고선을 기준으로, 범람역의 규모 및 DEM 데이터의 해상도에 대응되는 상기 범람역 내의 격자체계를 구성하고, 범람역의 해저지형 및 과거 지진해일 발생 지점의 위치 정보에 기초하여 격자체계 내의 격자 수정 영역을 설정하며, 프랙탈 차원분석을 이용하여 격자 수정 영역 별 격자체계의 최적 해상도를 결정하게 된다.
또한, 수치시뮬레이션 모델부(412)는, 범람역에서의 과거 지진 파형을 범람역의 격자크기에 따라 시뮬레이팅된 파형과 비교하고, 그 비교 결과에 따라 범람역의 최적 격자크기를 결정할 수 있다.
또한, 수치시뮬레이션 모델부(412)는, 격자 간격 차이에 따른 격자 수정 영역의 표면적 크기를 나타내는 표면적 그래프를 작성하고, 표면적 그래프의 커브에 기초하여 제1 임계치를 추출하며, 추출된 제1 임계치에 대응되는 최적 격자 크기를 결정할 수 있다.
또한, 수치시뮬레이션 모델부(412)는, 격자 간격 차이에 따른 격자 수정 영역의 에너지 크기를 나타내는 에너지 그래프로 작성하고, 에너지 그래프의 커브에 기초하여 제2 임계치를 추출하며, 추출된 제2 임계치에 대응되는 최적 격자 크기를 결정할 수 있다.
가상 수치모형 생성부(420)는 입력받은 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터에 근거하여 가상 지진해일 시나리오를 생성하고, 상세 수심 정보를 포함하여 1 km 격자 간격으로 FEM(Finite Element Method) 격자체계를 구축하며, 고조와 저조, 창조, 낙조를 포함하는 조석의 영향에 따른 가상 지진해일 수치모형을 생성한다.
또한, 가상 수치모형 생성부(420)는 11개의 가상 시나리오를 대상으로 모멘트 규모(Mw)를 7.5 내지 8.5로 증가시키며 계산을 수행하고, 가상 시나리오는 번호가 증가할수록 일본 연안 남측에서 북측으로 이동하고, 모멘트 규모가 커질수록 파형의 범위가 동측과 북측으로 커지는 형태를 나타낼 수 있다.
또한, 가상 수치모형 생성부(420)는 가상 시나리오가 1에서 11로 갈수록 지진해일이 동해안에 늦게 도달하고, 시나리오 1의 경우 105분, 시나리오 11의 경우 125분에 동해안에 도달하는 것으로 나타낼 수 있다. 임원항의 최대 수위는 FEM모델의 경우 0.27 ~ 2.72의 범위를 갖고, 묵호항의 최대 수위는 FEM모델의 경우 0.37 ~ 1.47의 범위를 갖고, 속초항의 최대 수위는 FEM모델의 경우 0.17 ~ 0.86의 범위를 갖고, 포항구항의 최대 수위는 FEM모델의 경우 0.11 ~ 0.41의 범위를 갖고, FEM모델의 계산치를 FDM모델의 계산치보다 크게 나타낼 수 있다.
위험성 평가부(430)는 가상 지진해일 수치모형에 따라 규모별 가상 지진해일의 전파 특성들을 분석하되, 규모 및 발생 위치에 따른 도달시간을 분석하고, 상기 규모별 가상 지진해일의 최대파고 분포를 분석하며, 상기 조석의 영향에 따른 지진해일의 전파 경향 및 파고를 분석하여 지진해일의 위험성을 평가한다.
제어부(440)는 입력부(410)를 통해 입력받은 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터에 근거하여 가상 지진해일 수치모형을 생성하거나, 조석의 영향에 따른 지진해일의 전파 경향 및 파고를 분석하여 지진해일의 위험성을 평가하는 동작을 제어한다.
출력부(450)는 가상 지진해일의 전파 특성들의 분석, 규모 및 발생 위치에 따른 도달시간의 분석, 규모별 가상 지진해일의 최대파고 분포 분석, 조석의 영향에 따른 지진해일의 전파 경향 및 파고의 분석에 따라 평가된 지진해일의 위험성을 출력한다. 예를 들면, 출력부(450)는 전술한 바와 같은 분석에 따라 지진해일의 위험성 평가 결과를 음향이나 화면으로 출력할 수 있다.
도 42는 본 발명의 제2 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법은 동해안의 지진해일 위험성을 평가하는 방법에 관한 것이다.
도 42를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템(400)은, 수치시뮬레이션 모델부(412)가 범람역의 DEM(Digital Elevation Model) 데이터를 입력받고, 수치지도 상의 기 설정된 등고선을 기준으로, 범람역의 규모 및 상기 DEM 데이터의 해상도에 대응되는 범람역 내의 격자체계를 구성하고, 상기 범람역의 해저지형 및 과거 지진해일 발생 지점의 위치 정보에 기초하여 격자체계 내의 격자 수정 영역을 설정하며, 프랙탈 차원분석을 이용하여 격자 수정 영역 별 격자체계의 최적 해상도를 결정한다(S410).
이어, 가상 수치모형 생성부(220)는 범람역에 대한 현장 조사 데이터를 입력받아 가상 지진해일 시나리오를 생성하고, 상세 수심 정보를 포함하여 1 km 격자 간격으로 FEM(Finite Element Method) 격자체계를 구축하며, 고조와 저조, 창조, 낙조를 포함하는 조석의 영향에 따른 가상 지진해일 수치모형을 생성한다(S420).
이어, 위험성 평가부(430)는 가상 지진해일 수치모형에 따라 규모별 가상 지진해일의 전파 특성들을 분석하되, 규모 및 발생 위치에 따른 도달시간을 분석하고, 상기 규모별 가상 지진해일의 최대파고 분포를 분석하고, 상기 조석의 영향에 따른 지진해일의 전파 경향을 분석하며, 이에 따라 조석이 고려된 지진해일의 파고를 분석하여 위험성을 평가한다(S430).
이어, 도시하지는 않았지만 출력부(450)는 분석에 따라 평가된 위험성을 출력한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에서는 침수 범람역을 고려한 동해안에서의 지진해일 광역범람 수치모델 분할 운영방안을 평가하고, FEM 기법의 침수 시뮬레이션 모델을 구축 및 최적화하는 것이다.
<침수범람을 고려한 FEM기반 수치시뮬레이션 모델 구축 및 최적화>
1.동해 시범지역 선정을 통한 침수범람역 시뮬레이션 최적 해상도 결정
아래 표 10과 같이, 신남항, 임원항, 노곡항의 3개 시범지역을 대상으로 격자체계를 구성하였고, DEM자료, 수심측량자료, 최신해안선자료를 이용하여 격자체계를 보완하였다.
동해 시범지역의 격자체계를 구성하기 위해 1:5,000 수치지도를 활용하여 EL.10m 등고선을 기준으로 침수범람역을 구성하였고, DEM자료의 해상도(5.0m)를 고려하여 범람역 내 격자크기는 4.0m로 결정하여 범람역을 구축하였다.
항의 규모에 따라 격자수는 신남항, 임원항, 노곡항에서 각각 20,183개, 101,149개, 10,491개로 구성하였고, 범람역 외측에서는 격자크기가 점차 증가하여 최대간격 40.0m로 구성하였다.
동해 해상의 주요 해저지형 및 지진의 위치정보를 반영하여 격자수정 영역을 산정하였다.
울진-삼척 해저지형과 대화퇴 인근 해저 지형을 고려하였고, 지진해일 11개 가상 시나리오와 과거 일본 지진해일(1983, 1993) 발생 지점의 위치정보를 반영한 격자수정 영역을 산정하였다.
울진-삼척 해저지형은 두갈래로 갈라진 해저산맥으로 각각 울진 연안, 삼척 연안에서 동해 먼바다를 향하는 형상을 나타내고, 대화퇴는 반경 약 300 ~ 400km, 높이 3km, 정상부 수심 0.2 ~ 0.3km의 지형이다.
지진해일 11개 가상 시나리오는 번호가 1에서 11로 증가할수록 그 위치가 일본 연안 남측에서 북측으로 이동하고, 지진 발생 위치에 따른 지진 초기 파형을 고려하여 격자크기를 수정하였다.
2. 대상지역 정밀 표고/수심 자료 확보를 통한 광역 및 상세격자 체계 구성
격자체계의 최적 해상도를 선정하기 위해, 도 43에 도시된 바와 같이 격자수정 영역의 프렉탈 차원분석을 수행하였다. 도 43은 본 발명의 제2 실시예에서 프랙탈 차원분석 및 그래프 작성 예를 설명하기 위한 도면이다.
지형을 현상하는 dx차이에 따른 표면적 크기를 그래프로 작성하고, 그래프의 커브를 바탕으로 수정영역의 최적 dx를 선정하였고, 다음 과정에 따라 수행된다.
1) x축을 dx의 크기, y축을 수정영역의 표면적으로 하는 그래프를 작성한다.
2) dx가 작을수록 표면적이 커지는 그래프에서 그래프의 커브를 검토하여 경제적인 dx를 선정한다.
3) 격자수정 영역에 수심값을 적용시켜 O, A, B지점의 Z값을 사용한다.
4) 격자 3점의 X, Y, Z 위치정보를 사용하여 벡터의 내적 활용한 삼각형 면적을 산정한다.
표면적(A)-dx 그래프에서 임계치를 찾아 해저지형을 표현할 수 있는 대화퇴의 최적 격자크기를 선정하였다.
에너지(E)-dx 그래프에서 임계치를 찾아 지진해일 초기 파형을 적절하게 구현할 수 있는 가상시나리오 지점의 최적 격자크기를 선정하였다.
수심 및 에너지 그래프를 검토한 결과, 표면적(A)-dx 그래프의 최적 dx는 800m이고 에너지(E)-dx 그래프의 최적 dx는 1,000m로 나타났다.
수심 및 초기수위에 대한 최적 dx를 산정하기 위하여 대화퇴, 삼척-울진, 지진해일 가상시나리오 및 과거 지진, 국내 지진발생 영역에 대한 격자 크기를 선정하였다.
주요 지형 및 과거국내 지진발생지점의 결정된 격자를 기존 격자체계에 이식할 경우 격자크기의 차이로 인한 굴절, 반사로 인해 지진해일 전파에 영향을 미칠 수 있어, 동해 전체를 1,000m이하 격자로 구성하였다.
3. 수치시뮬레이션을 위한 FEM 기반 격자체계 안정화 및 최적화 수행
광역 격자망을 대상으로 과거 역사지진(1983, 1993)에 대한 반복 계산을 통해 격자체계의 안정화 및 최적화를 수행하였다.
1.0km 이하로 최종 구성된 동해영역 격자의 적절성을 검토하기 위해, 동해영역을 대상으로 격자크기를 1.0km, 2.0km, 5.0km, 8.0km, 10.0km로 구성하여 시간에 따른 공간적인 파형 전파, 동해안 주요 지점(임원, 묵호, 속초, 포항)을 대상으로 파형 비교를 통해 격자체계를 비교검토하였다.
과거 역사지진(1983, 1993)에 대한 파형 비교 결과, 격자크기가 줄어들수록 파형의 수위값이 증가하였고, 이는 격자크기에 따른 초기파형의 수위 재현에 의한 결과로 판단되어, 정도 높은 초기파형을 재현하기 위해서는 1.0km의 격자가 적합함을 확인하였다.
<동해안 내습한 지진해일 비교검증을 통한 신뢰성 확보>
1. FEM구축모델과 FDM모델 수치시뮬레이션 결과 비교를 통한 성능 평가
1) 모델 개요
가. FEM모델
ADCIRC FEM 모형은 천수방정식의 연속방정식과 운동방정식을 합성하여 수면변위에 대해 하나의 식으로 표현한 파동방정식(wave equation)을 지배방정식으로 사용하고 있다.
ADCIRC 모형은 많은 연구원들이 오랜 시간에 걸쳐 주 엔진과 전후처리 코드들을 개발하고, 현장 적용을 통해 그 타당성을 검증해왔으며, 최근에는 병렬처리코드를 개발하여 실제적인 문제를 다룰 수 있는 현실성 있는 수치모형으로 자리 잡아 가고 있다.
본 발명에 사용된 FEM모형인 ADCIRC 모형은 지난 20여년에 걸쳐 개발된 2, 3차원 동수역학적 모형이고, 병렬화는 텍사스대학의 Mary Wheeler교수의 그룹(Chippada et a.)이 만든 코드로서 현재는 수질, 생태모형과도 병렬연계하는 연구가 활발히 진행 중에 있다.
나. FDM모델
본 발명에 사용된 FDM모델은 2차원 선형 Boussinesq형 파동방정식(LBTWE, Linear Boussinesq Type Wave Equation)을 지배방정식으로 사용하고 있다.
대양을 전파해 오던 지진해일은 수심이 얕아지면서 천수화에 의해서 파장이 짧아진다. 이로 인해 대격자만의 사용은 파장과 계산격자간격의 비로 표시되는 격자 분해능 저하를 유발하며 따라서 수치분산오차가 증대되어 수치모의의 정확성이 저하된다. 이를 해결하기 위해 Lim et al.에 의해 제안된 동시격자접속기법을 적용하였다.
2) 모델 격자 구성
FEM모델은 1.0 km이하의 크기로 구성되고, FDM모델의 격자는 과거 수행된 결과를 참고하여 격자를 구성하였다.
지진해일 재해저감기술 개발 연구보고서(소방방재청)에서 사용된 FDM모델을 활용하여 동일한 격자에 대한 임원, 묵호, 속초, 포항에 대한 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
FDM모델에서 임원항의 격자의 크기는 A영역에서 F영역으로 가면서 1/3배씩 줄어드는 크기로 구성하였고, 계산시간은 격자크기에 따라 0.11 ~ 3.00sec로 계산을 수행하였다.
속초(C1~E1), 묵호(C2~E2), 포항(C3~E3)에 대하여 외부 A영역의 격자간격(=1312.0~1556.0m)과 계산시간간격(=3.0sec)을 순차적으로 1/3씩 줄여 B, C, D, E의 5단계 영역으로 나누어 격자망을 구성하였다.
속초(C1~E1), 묵호(C2~E2), 포항(C3~E3)은 검조소 관측 기록이 남아있어, 과거 역사 지진 내습시 결과를 비교 검토하였다.
구축된 FDM, FEM 격자망에 대해, 지진해일 검조 기록이 존재하는 과거 역사지진인 1983년 Akita 지진과 1993년 Okushiri 지진에 대해 4개 지점(임원, 묵호, 속초, 포항)을 대상으로 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
3) 결과 비교
FDM모델과 FEM모델의 과거 역사지진인 1983년 Akita 지진과 1993년 Okushiri 지진을 대상으로 전파도를 제시하였다.
FDM모델과 FEM모델의 초기파형을 10분 간격으로 나타내었고, 시간에 따른 파형분포를 비교하였다.
1983년 Akita 지진과 1993년 Okushiri 지진의 FDM모델과 FEM모델 파형 비교 결과, 동해안 도달시간은 약 120분으로 비슷하게 나타났고, 시간에 따른 파형도 전반적으로 비슷한 형상을 갖는 것으로 나타났다.
파형전파에 따라 FDM모델의 경우 FEM모델에 비해 파형이 분산되어 파봉선이 많이 나타나고 있어, 동해안에 전파되었을 경우 FEM모델의 입사파 에너지가 FDM모델에 비해 약간 큰 값을 나타낼 것으로 판단된다.
또한, 파형이 발생한 후 30분이 지난 시점에서 대화퇴 인근에서 파형에 차이가 나타나기 시작하고, FDM모델과 FEM모델이 동해안에 도달할 경우에 수위 시계열의 차이가 있을 것으로 예측된다.
FDM모델과 FEM모델의 결과를 비교하기 위해 임원, 묵호, 속초, 포항을 대상으로 수위 시계열 비교하였고, 검조 기록이 남아있는 묵호, 속초, 포항의 경우 조위관측소의 관측자료와 비교하였다.
1983년 Akita 지진 내습에 따른 수위는 FEM모델이 FDM모델에 비해 크게 나타났으나, 주기적인 패턴에서 두 모델의 결과가 유사하게 나타났다.
2. 주요 지점별 지진해일고 검증을 통한 FEM 기반 단층파라미터 신뢰성 확보/평가
과거 역사지진에 대한 최대해일고를 비교한 결과 FEM모델의 계산치가 FDM모델의 계산치에 비해 높은 값을 나타내었으나, 초기파형도에서 확인된 바와 같이 FDM모델의 경우 FEM모델에 비해 파형이 분산되어 파봉선이 많이 나타나고 있어 에너지가 소산되었을 것으로 판단되며, 이를 고려할 때 비교적 좋은 일치를 보이는 것으로 확인된다.
<지진해일 광역범람수치모델 병렬화>
1.계산자원 성능확보 및 병렬화에 따른 최적 시뮬레이션 규모 선정
구축된 FEM 기반 광역범람 수치모델의 병렬화에 따른 계산자원의 성능을 평가하여 최적의 시뮬레이션 규모를 검토하였고, 동해 광역 범람 수치모델 운영에 필요한 운영기관의 계산자원 규모 및 성능을 파악하였다.
계산 결과 FDM 모델은 범람역에 대한 개별 모델링이 필요하고, Single core로 계산시 약 4시간이 소요되는 것으로 나타나 실제 지진발생시 예측을 위해서는 병렬 구축이 필요하다.
FEM 모델은 동시에 범람역을 모델링 할 수 있는 장점이 있고, 560 core로 계산시 약 10분의 시간이 소요되어 실제 지진발생 시 신속한 예측을 위해서는 해당 조건과 비슷하거나 그 이상의 계산환경이 구축되어야 한다.
2. 한반도 전역을 포함하기 위한 광역수치모델 확대적용
지진해일 위험지구는 강원도, 경상북도, 울산, 부산까지 지진해일 영향권에 있는 해안가, 항구 등 259개소이며 2016년까지 55개소 지진해일 수치시뮬레이션이 수행되었다.
향후 지진해일 수치시뮬레이션이 수행되지 않은 위험지구를 대상으로 광역 수치모델을 적용하기 위해, 지진해일 침수범람역을 강원 북부, 강원 남부, 경상북도 북부, 경상북도 남부, 부산 총 5개 권역으로 분할하여 구성하였다.
실제 지진해일의 영향이 클 것으로 판단되는 강원도 지역을 대상으로 수치시뮬레이션을 수행하고, 향후 경상북도, 부산 순으로 수치시뮬레이션을 수행한다.
<FEM기반 동해 지진해일 시나리오기반 수치시뮬레이션 체계 구축>
11개의 가상 시나리오를 대상으로 모멘트규모(Mw)를 7.5 ~ 8.5로 증가시키며 계산을 수행하여 FDM모델과 FEM모델의 결과를 비교하였다.
가상 시나리오는 번호가 증가할수록 일본 연안 남측에서 북측으로 이동하고, 모멘트규모가 커질수록 파형의 범위가 동측과 북측으로 커지는 형태를 나타낸다.
11개의 가상 시나리오를 대상으로 FDM모델과 FEM모델로 모멘트규모(Mw) 7.5에 대한 계산을 수행하여 임원항, 묵호항, 속초항, 포항구항의 시계열과 최대 해일수위를 비교하였다.
가상 시나리오는 1에서 11로 갈수록 동해안에 늦게 도달하고, 시나리오 1의 경우 약 105분, 시나리오 11의 경우 약 125분에 동해안에 도달하는 것으로 나타났다.
FDM모델과 FEM모델의 결과를 비교하면, 증감의 차이는 있으나, 주기가 비슷한 파형을 갖고 대부분의 시나리오에서 잘 일치하는 것으로 나타났다.
임원항의 최대 수위는 FEM모델의 경우 0.27 ~ 2.72의 범위를 갖고, FDM모델의 경우 0.31 ~ 2.62의 범위를 갖는다.
묵호항의 최대 수위는 FEM모델의 경우 0.37 ~ 1.47의 범위를 갖고, FDM모델의 경우 0.30 ~ 0.94의 범위를 갖는다.
속초항의 최대 수위는 FEM모델의 경우 0.17 ~ 0.86의 범위를 갖고, FDM모델의 경우 0.58 ~ 1.17의 범위를 갖는다.
포항구항의 최대 수위는 FEM모델의 경우 0.11 ~ 0.41의 범위를 갖고, FDM모델의 경우 0.08 ~ 0.39의 범위를 갖는다.
각 시나리오별 최대 수위의 증감 패턴이 유사하게 나타났고, 대부분의 결과에서 FEM모델의 계산치가 FDM모델의 계산치보다 크게 나타나는 것으로 확인되었다.
11개의 가상 시나리오를 대상으로 FDM모델과 FEM모델로 모멘트규모(Mw) 8.0에 대한 계산을 수행하여 임원항, 묵호항, 속초항, 포항구항의 시계열과 최대 해일수위를 비교하였다.
가상 시나리오는 1에서 11로 갈수록 동해안에 늦게 도달하고, 시나리오 1의 경우 약 105분, 시나리오 11의 경우 약 125분에 동해안에 도달하는 것으로 나타났다.
FDM모델과 FEM모델의 결과를 비교하면, 증감의 차이는 있으나, 주기가 비슷한 파형을 갖고 대부분의 시나리오에서 잘 일치하는 것으로 나타났다.
○ 임원항의 최대 수위는 FEM모델의 경우 0.77 ~ 6.83의 범위를 갖고, FDM모델의 경우 0.37 ~ 3.77의 범위를 갖는다.
○ 묵호항의 최대 수위는 FEM모델의 경우 0.93 ~ 4.26의 범위를 갖고, FDM모델의 경우 0.46 ~ 2.56의 범위를 갖는다.
○ 속초항의 최대 수위는 FEM모델의 경우 0.43 ~ 2.60의 범위를 갖고, FDM모델의 경우 0.79 ~ 1.90의 범위를 갖는다.
○ 포항구항의 최대 수위는 FEM모델의 경우 0.39 ~ 1.43의 범위를 갖고, FDM모델의 경우 0.27 ~ 0.86의 범위를 갖는다.
○ 각 시나리오별 최대 수위의 증감 패턴이 유사하게 나타났고, 대부분의 결과에서 FEM모델의 계산치가 FDM모델의 계산치보다 크게 나타나는 것으로 확인되었다.
○ 11개의 가상 시나리오를 대상으로 FDM모델과 FEM모델로 모멘트규모(Mw) 8.5에 대한 계산을 수행하여 임원항, 묵호항, 속초항, 포항구항의 시계열과 최대 해일수위를 비교하였다.
○ 가상 시나리오는 1에서 11로 갈수록 동해안에 늦게 도달하고, 시나리오 1의 경우 약 105분, 시나리오 11의 경우 약 125분에 동해안에 도달하는 것으로 나타났다.
○ FDM모델과 FEM모델의 결과를 비교하면, 증감의 차이는 있으나, 주기가 비슷한 파형을 갖고 대부분의 시나리오에서 잘 일치하는 것으로 나타났다.
○ 임원항의 최대 수위는 FEM모델의 경우 1.76 ~ 12.81의 범위를 갖고, FDM모델의 경우 1.05 ~ 5.77의 범위를 갖는다.
○ 묵호항의 최대 수위는 FEM모델의 경우 2.09 ~ 6.88의 범위를 갖고, FDM모델의 경우 1.28 ~ 3.92의 범위를 갖는다.
○ 속초항의 최대 수위는 FEM모델의 경우 1.23 ~ 5.20의 범위를 갖고, FDM모델의 경우 1.00 ~ 3.24의 범위를 갖는다.
○ 포항구항의 최대 수위는 FEM모델의 경우 1.39 ~ 4.22의 범위를 갖고, FDM모델의 경우 0.83 ~ 2.16의 범위를 갖는다.
○ 각 시나리오별 최대 수위의 증감 패턴이 유사하게 나타났고, 대부분의 결과에서 FEM모델의 계산치가 FDM모델의 계산치보다 크게 나타나는 것으로 확인되었다.
<동향 조사를 통한 지진단층 파라미터 확보/평가>
1.지진해일 파원모델 설정을 위한 조사항목
가. 문헌조사
○ 동해 동연 판 경계 부근에서 발생하는 지진해일 파원 모델의 설정에 있어서는 과거에 발생한 대지에 영향을 미친 것으로 보이는 지진에 관한 정보를 활용하고, 세계 각지에서 발생한 대규모 지진의 발생 메커니즘과 텍토닉스 배경과의 유사성에 대해서도 지식을 수집할 필요가 있다. 특히 플레이트 경계 부근에서 발생하는 지진에 의한 해일은 2011년 동일본대지진을 포함한 세계 각국의 거대 지진에 의한 해일에 관한 지식을 활용하는 것도 중요하다.
○ 부지 주변 해역에서의 내륙형 지각 내 지진으로 인한 해일 파원 모델의 설정에 있어서는 활단층의 위치, 모양, 활동성, 길이, 폭 등에 관한 과거의 문헌 등의 지식을 수집하는 동시에 필요에 따라 필요에 따라 해상 보안청과 산업기술종합연구소(이하, 산업기술종합연구소) 지질 조사연구기관의 해상음파 탐사 기록을 입수하여 재분석에 의한 판독을 실시하기도 한다.
○ 동해 해역에서 향후 발생이 예상되는 대규모 단층 운동에 의한 지진해일 파원 모델 설정에 관한 기본적인 지식으로 일본 중앙방재회의, 내각부, 국토교통성 등 여러 기관이 운영 중인 지진 모델 검토 회의 및 다양한 워킹 그룹의 보고서를 참고할 수 있다.
○ 해저 사면 붕괴, 화산 현상(산체 붕괴, 칼데라 함몰 등)에 의한 해일의 평가에 있어서는 기존의 지식에 의한 조사 결과를 근거로, 해일 파원 모델을 적절히 설정할 필요가 있다.
○ 또한 해일 파원 모델의 설정에 있어서는 연구자들이 다양한 학술 논문에서 제안한 다양한 모델 외에도 행정 기관에서 평가 지점 또는 그 주변의 지진해일이 평가되는 경우가 있기 때문에, 해일 파원 모델 설정, 사고 분석 조건 등에 관한 지식을 수집하고 필요에 따라 활용할 수도 있다.
나. 해역 조사결과
○ 내륙형 지각 내 지진으로 인한 해일의 평가에 있어 활단층의 위치, 모양, 활동성, 길이, 폭 등을 명확히 파악함을 목적으로 필요에 따라 부지 주변 해역의 해저 지형, 지질층 서론 지층 분포, 지질 구조 등에 관한 해역에서 조사를 실시한다.
○ 또한 과거의 해저 산사태의 위치와 규모, 붕괴 퇴적 범위의 추정에 있어서도 해역 조사에 도움이 될 수 있다.
다. 그 외 의견의 수집, 분석
○ 지진 관측, 지각변동 관측 등 여타의 다른 연구를 통해 수집된 데이터를 활용할 수도 있다.
2. 결정론적 지진해일 평가기법
○ 미래에 발생할 수 있는 이벤트들 중 부지에 미치는 영향이 최대가 될 가능성이 있다고 판단되는 적절한 해일을 검토용 해일로 한다. 또한 검토용 해일의 집합체를 검토용 해일 군이라 칭한다.
○ 해일의 발생 요인의 선정에 있어서는 해일의 발생 요인과 그들 조합에 따른 것 중 조사 결과를 토대로 부지에 미치는 영향이 크다고 판단되는 것을 복수개 선정한다. 이 때 영향이 크다고 판단되는 발생 요인을 선정하는 하나의 방법으로 다음과 같은 간이예측방법 등이 있다.
- 단층운동에 따른 지진해일 : 阿部(1989) 등
- 사면붕괴 : Huber and Hager(1977)
[불확정성의 고려]
○ 부지에 미치는 영향 평가시에는 해일 발생의 불확실성을 고려한다. 단층 운동에 의한 해일에 있어서는 기본 단층 모델에 대한 파라메터 연구의 실시와 여러 지진 활동 영역이 동시에 활동 가능성 검토 생각할 수 있다.
○ 단층운동 이외의 요인에 따른 해일에 대해서는 1998년 파푸아 뉴기니 지진과 동시에 발생한 해저의 산사태에 의해 해일이 증폭됐을 가능성이 지적되고 있는 사례를 근거로(토목학회, 2002), 단층운동 및 기타 요인에 의한 해일이 거의 동시에 발생 가능성에 대해서도 검토하여 동시 발생 가능성이 있는 경우에는 이러한 중첩에 대해서도 검토한다.
○ 또한 최대 수위 상승량 및 최대 수위 하강량 (현지 상황에 따라 취수에 영향을 미치는 시간)에 주목하고, 필요에 따라 파동의 주기와 해저 지형 변화 등의 영향에 대해서도 검토한다.
나. 검토용 지진해일 작성
1) 단층운동에 기인하는 지진해일
(1) 지진발생형식
○ 해일의 발생 요인이 될 수 있는 지진의 발생 형식을 고려하여 검토용 해일 파원의 단층 파라메터를 설정한다. 동해 동연에서 해일의 발생 요인이 될 수 있는 지진의 발생 형식은 다음과 같은 것을 들 수 있다.
A) 플레이트 경계 부근에서 발생하는 지진
A-1) 플레이트의 침몰에 의한 플레이트간 지진
A-1-1) 전형적인 플레이간 역단층 지진
A-1-2) 쓰나미 지진
A-2) 침몰 플레이트 내부의 지진
A-2-1) 정단층 지진
A-2-2) 역단층 지진
B) 내륙형 지각 내 지진
B-1) 동해 동연부에서 발생하는 지진
B-2) 해역 활단층에서 발생하는 지진
및 필요에 따라 위 A), B)의 조합도 고려함
○ 검토용 해일 파원으로는 동해 동연으로부터의 원지지진해일 쪽이 평가 지점에서의 영향이 커질 가능성을 생각할 수 있다. 그러나, 필요에 따라, 동해 연안에서 발생하는 해일 등의 근지 지진해일에 의한 영향을 더해 검토용 지진 해일 파원을 설정한다.
(2) 위치와 규모
○ 지각 구조, 활단층의 분포 고착 상태, 과거 지진 발생상황 등에 따라 현재의 응력 상태를 고려한 지진의 발생 영역과 규모를 적절하게 설정한다.
(3) 단층파라미터 설정
○ 검토용 해일 파원의 단층 파라미터의 설정에 있어서는 지각 구조 해역의 특성, 해일을 유발할 수 있는 지진 발생 형식 등에 따라 적절한 스케일링 법칙을 적용할 수 있다.
○ 모멘트 규모 관련 단층 파라메터의 스케일링 방법으로는 다음 세 가지를 생각할 수 있다.
① 단층 길이 L, 단층 폭 W, 평균 슬립량 D 모두에 한계를 설정하지 않는 방법
② 단층 폭 W에만 한계를 설정하는 방법
③ 평균 슬립 량 D와 단층 폭 W에 한계를 설정하는 방법
○ 플레이트간 지진은 모멘트 규모 9 정도가 가진 지진 모멘트 단층 면적 및 평균 슬립량의 관계를 제공 Murotani et al.(2013)의 관계식이 ?의 대표적인 예이다.
A. 스케일링 법칙 및 응력 강하량
가. 지진규모에 관한 스케일링법칙
○ Mw 와 관련하여 단층 매개 변수의 조정에는 원칙적으로는 다음과 같은 세 가지 법칙이 있다.
① 아래 수학식1에 따라 단층 길이, 단층 폭, 슬립량 모두 한계를 설정하지 않는 방법
여기서 M0는 지진모멘트, μ는 진원주변 매질의 강성률, L은 단층 길이, W는 단층폭, D는 슬립량을 의미한다. 
가 0.1 증가할 때마다 L, D, W가 모두 
배 증가하게 된다.
② 단층 폭 에만 한계를 설정하는 방법 (L 모델)
○ W가 한계에 도달할 때, 가 0.1 증가하면 , 가 모두 배가 된다.
③ 평균 슬립량 와 단층 폭 에 한계를 설정하는 방법 ( 모델)
○ D, W가 한계에 도달 할 때, 가 0.1 증가하면 이 배가 된다.
○ 이 세 가지 관계는 Irikura and Miyake(2011) 및 Murotani et al.(2015)의 3 단계의 스케일링 법칙에 대응하고 있다. 3 단계의 스케일링 법칙은 단층 길이가 증가함에 따라 ① → ② → ③의 관계로 이동한다. ③은 단층 길이에 슬립량이 포화 상태에 이르며, 이는 최근 각종 데이터에 의해 뒷받침되고 있다.
B. 정적 응력 강하량
○ 단층 파괴 전후의 응력이 해소되는 양을 응력 강하량이라 한다. 단층 운동 시작 전과 완료 후 전단 응력의 차이를 특히 정적응력 강하량이라 한다. 정적응력 강하량은 단위 길이당 슬립량에 해당하기 때문에 이것이 크면, 단층 길이와 단층 면적당 슬립량이 커진다.
○ 전제 조건에 따라 정적응력 강하량의 표현은 다음 수학식 2와 같이 다양한 방법으로 한다. 해일의 단층 파라미터의 설정에서는 단층 폭의 길이가 특히 길지 않으면, 이 중 Eshelby(1957)에 의한 원형 단층식을 사용하는 경우가 많다.
여기서 
는 응력강하량, 
은 지진모멘트, S는 단층면적이다.
이는 평균 슬립량 D가 
에 비례하는 관계에 따라, ① 단층길이 L, 단층폭 W, 평균 슬립량 D에 대한 한계를 설정하지 않는 방법에 대응한다. 그 외 정적응력강하량의 식에는 이하와 같은 것들이 사용된다.
(A) 
(무한장의 잠재 정(역)단층, Starr, 1928)
(B) 
(무한장의 지표수직 정(역)단층)
(C) 
(무한장의 잠재 정(역)단층 : Knopoff, 1958)
(D) 
(무한장의 지표수직 주향이동단층)
(E) 
(무한장의 잠재단층, (A)와 (C)의 평균)
(F) 
(무한장의 지표수직단층, (B)와 (D)의 평균)
(G) 
(원형단층 : Eshelby,1957)
(H) 
(유한장의 잠재 주향이동단층의 중앙값 : Chinnery, 1969)
(I) 
(유한장의 지표수직 주향이동단층의 지표중점값 : Chinnery, 1964)
C. 플레이트간 지표 스케일링법칙과 응력강하량에 관한 지견
Murotani et al.은 세계 플레이트 간 지진의 단층모델을 분석하고, 지진에 대해 다음 수학식 3의 스케일링 규칙을 제안하였다.
여기서 S는 단층면적(
), 
은 지진모멘트(
), D는 평균 슬립량(
), 
는 어스페리티 면적이다. 상기 수학식3의 강성률을 계산하면 
, 원형파괴면의 식에 의해 응력강하량은 
가 된다. 표준편차를 고려하면 응력강하량은 
의 범위가 되며, 이는 
의 범위에 상응한다. 또한 Murotani et al.에 의한 응력강하량의 0.5×표준편차의 범위는 
가 되며, 이는 
의 범위에 상응한다.
(4) 슬립량의 불균질성
○ 과거에 발생한 지진해일 재현 계산과 슬립량의 분포에 관한 지식을 토대로 단층면에서의 슬립량의 불균질성을 설정할 수 있는 경우에는 이를 고려하는 것이 바람직하다. 슬립량의 불균질성을 고려할 경우, 과거 해일에 대한 인버전 (inversion) 계산 및 내각부, 원자력 안전 기반기구 등에 의한 플레이트 간 지진에 관한 지식을 토대로 대형 슬립영역의 슬립량 면적 및 위치를 설정할 수 있다.
A. 지표면상의 슬립량 분포의 불균질성
○ 지진 시 단층운동의 분포는 단층면에서 일정하지 않고, 슬립량이 국소적으로 큰 부분이 존재하는 것으로 알려져 있다. Somerville et al.은 1971년 ~ 1995년에 발생한 15개의 지각 내 지진의 진원 매개 변수를 통계 분석하여 스케일링 법칙을 제시하였다. 이 관계는 강진동 예측분야에서 불균질 모델의 표준 관계로도 이용되고 있다. 이 단층 운동의 불균질성은 해일에도 영향을 준다. 해일 파형 인버전에 따라 단층 운동의 불균질성을 파악하는 연구가 Satake 이후 이루어지고 있다.
이 방법은 단층면을 몇개의 작은 단층으로 세분화하고 각각의 단위 슬립량을 주었을 때의 관측점에서의 계산 해일 파형을 그린 함수로 만든다. 각 그린 함수에 가중치를 붙인 중첩한 값이 관측 파형에 적합하도록 가중치(각 소 단층의 슬립량)을 최소 자승법에 의해 결정한다.
安中 외는 평가 함수에 지진해일 흔적 높이를 도입하고, 연안 해역에서의 비선형성을 반영하는 방법을 제안하고 있다. 대상으로 하는 단층의 규모가 큰 경우 작은 단층당 변위의 시간 변화를 인버전 대상에 포함시키는 방법도 사용되어 오고 있다(Satake et al.).
슬립량 분포의 불균질성을 반영한 상정 해일 파원 모델에 특성화 모델이 사용되는 경우가 많지만, 더 임의의 슬립량의 분포를 표현하는 방법도 제안되어 있다. 이들은 Mai and Beroza에 의한 임의 진원 모델을 만드는 방법을 준수하고, 단층면에서의 슬립량 분포 등을 주파수 영역으로 확장하여 상관 거리를 설정함으로써 대규모 지진으로 큰 슬립량의 패치를 가진 복잡한 파원 모델이 생성된다. Goda et al. 및 Fukutani et al.은 일본 해구 따라 安田 외(2015)는 남해 트로프의 해일에 적용하고, 슬립량 분포의 불확실성이 지진해일 수위에 미치는 영향을 평가하고 있다.
2) 동해 동연부에서 상정되는 지진에 따른 지진해일의 파원 설정 기법
(1) 평가대상
○ 동해 동연부근에서는 명확한 플레이트 경계면은 형성되어 있지 않다고 보고 있지만, 북해도 서쪽 연안에서 니가타현 서측 외해에 걸쳐 지각 변동에 의한 변형이 집중되고 있는 것으로 보인다. 이 변형이 집중되고 있는 지역이 존재할 경우 주변보다 큰 대규모 지진과 이에 기인하는 해일이 공간적으로 거의 연속적으로 발생하는 것이 일반적이다. 이 점을 고려하여 동해 동연부에 상정할 적절한 지진에 따른 해일을 평가한다.
(2) 기본 단층모델
○ 지진의 발생 위치와 발생 형태를 근거로 상정하는 해일의 모멘트 규모 및 단층 길이에 따른 단층 모델을 기본 단층모델로 설정한다.
○ 동해 동연부에서는 경사 방향이 다른 지진이 발생하는 등 명확한 플레이트 경계면이 형성되어 있지 않은 것으로 알려져 왔기 때문에 경사각 등 매개 변수의 불확실성을 반영함과 동시에 지진 발생 층 두께의 한계를 고려하여 제공된 스케일링 법칙을 적용한다.
(3) 파원위치
○ 기본 단층 모델의 위치는 과거의 지진 발생 상황 등의 지진학적 연구결과 등을 근거로 합리적인 것으로 간주하고 위치에 해일의 발생 형식에 따라 설정한다. 기본 단층 모델은 과거의 지진 발생 상황이나 변형 집중 범위 등에 관한 지식을 바탕으로 더욱 상세하게 구분된 위치에 해일의 발생 양식에 따라 설정할 수 있다.
3) 단층운동 이외의 요인에 의한 지진해일
(1) 단층운동 이외의 원인에 의한 검토용 지진해일 작성 기본방침
○ 해저의 산사태, 사면 붕괴, 화산 현상(산체 붕괴, 칼데라 함몰 등)가 해수를 이동시킴으로써, 해일이 발생할 수 있다. 이러한 지형이나 흔적이 보이는 경우에는 조사에 의해 얻어진 규모와 발생 위치 정보에 따라 대지에 영향을 미친다고 생각되는 것을 평가 대상으로 할 수 있다.
(2) 파원의 설정
A. 검토 대상
○ 현상의 규모와 부지의 위치 관계 등, 간이 예측 방법에 따라 여러 평가 대상으로부터 자세한 평가의 대상을 추출 할 수 있다. 예를 들어, 사면 붕괴에 의한 해일의 초기 수위에 대한 간 이식으로는 Huber and Hager(1997)에 나타난 입자상돌입물을 이용한 수리실험을 근거로 도출된 다음 수학식 4를 들 수 있다.
여기서 H는 지진해일 전진폭, d는 돌입위치의 수심, α는 사면 구배, γ는 진행각을 의미하며, 
는 토괴 밀도, 
는 해수밀도, r은 바닷속 전파거리, 
는 토괴의 체적, b는 토괴의 폭을 의미한다. 대상면적을 도출하는데 있어서는 간이예측기법에 필요한 사면구배, 산사태 규모, 수심 등의 정보를, 조사에 기초하여 적절히 설정한다.
(3) 파원위치 등
○ 지반 조사 결과 등에 따라 위치와 규모를 설정하고 부지에 영향이 크게 나타날 수 있도록 파원을 선정한다. 일반적으로 해저에 산사태, 사면붕괴, 화산현상(산체붕괴 등)에 따른 지진해일은 단층운동에 기인하는 지진해일과 비교하여 진행방향으로의 에너지 지향성이 높다고 알려져 있다. 이 때문에 조사에 기초한 파원위치 등을 적절히 설정하고 부지와의 위치관계를 고려하여 영향이 클 것으로 예상되는 파원을 선정한다.
4) 불확정성의 고려
(1) 단층운동에 의한 지진해일에 관한 불확정성
○ 불확실성을 고려하는 방법의 하나로 기본 단층 모델에 대한 파라미터연구를 고려할 수 있다. 파라미터 연구에서는 기본 단층 모델의 파라미터 (위치, 길이, 폭, 주향, 경사 각도, 슬립량, 슬립각, 슬립면 상단 깊이 파괴 시작점과 파괴 전파 속도 등) 중 불확실성이 존재하는 주요 인자에 대한 매개 변수를 변화시켜 수치 계산을 실시하여 검토용 해일군을 평가한다. 검토용 해일군의 평가에 있어서는 파라미터 연구를 실시하는 요인을 적절하게 선정하고, 그 범위를 합리적으로 결정하는 것이 중요하다.
A. 파라미터 연구 절차
○ 기본 단층 모델의 매개 변수 중 더 지배적인 것으로 간주되는 변수에 관한 파라미터 연구를 실시한 후, 그 중 부지에 가장 영향을 준 단층 모델을 이용하여 다른 종속 인자에 관한 매개 변수 연구를 수행하는 것을 기본적인 절차로 한다. 또한, 파라미터 연구는 수위 상승 및 수위 하강의 각각에 대해 실시한다.
B. 파라미터연구의 인자
○ 파라미터 연구는 기본 단층 모델을 이용하여 상대적으로 불확실성이 크다고 판단되는 인자에 대해 실시하는 것을 원칙으로 한다. 이때 파원의 불확실성이 어느 파라미터에 의해 표현되고 있는가하는 점을 고려한다.
○ 또한, 파원의 확산이 매우 큰 플레이트 간 지진에 있어서는 그 영향 정도에 따라 단층 운동의 시간 변화를 나타내는 동적 매개 변수 (파괴 전파 속도 파괴 시작점 등)에 대해서도 고려한다.
C. 파라미터 연구의 범위
○ 파라미터 연구의 범위에 대해서는 불확실성의 정도를 고려하여 합리적이라고 생각되는 파라미터의 변동 범위에서 적절하게 설정한다. 또한 과거 지진 데이터에서 통계 처리가 가능한 요인은 그 표준 편차 정도 범위의 기준이 될 수 있다.
○ 또한 동해 동연부 및 해역 활단층에서 상정되는 지진으로 인한 해일 파원 내용은 불확실성이 비교적 큰 것으로 판단되는 요인에 관한 기본 단층 모델에 그 범위를 표시한다. 이러한 경우에는 이 범위를 기준으로 파라미터 연구를 수행한다.
(2) 그 외 불확정성
A. 지진해일 발생원인의 조합에 대한 고찰
○ 인과 관계를 갖는 여러 요인으로 인해 지진해일이 거의 동시에 발생할 가능성이 있는 경우에는 이러한 중첩을 고려한다. 예를 들어, 하나의 지진에서 단층 운동에 의한 해일과 해저의 산사태에 의한 해일 모두가 발생할 가능성이 인정되는 경우에는 양자가 중첩되는 현상을 평가한다. 이때 가정 해일의 발생 위치가 서로 떨어져 있거나 소규모 해일이 포함된 경우 중첩하여 부지에 상당한 영향을 미칠 가능성에 대해 검토한 후, 중첩시키는 해일을 선정한다.
B. 시간 차이 고려
○ 부지에 미치는 영향의 관점에서 각 요인으로 인해 지진해일이 발생하는 시간 차이를 고려한다. 예를 들면 지진동에 의해 해저의 산사태가 유발되는 경우, 해저 산사태의 원인이 되는 지진이 계속되는 시간을 감안하는 등 시간 차를 합리적인 범위에서 설정할 수 있는 경우, 그 범위 내에서 시간 차이를 고려 할 수 있다.
다. 상정 지진해일의 선정
1) 상정지진해일의 선정
○ 검토용 해일 중 평가 지점에서의 최대 수위 상승량 또는 최대 수위 하강 량이 최대가 되는 해일을 상정 해일로 선정한다. 이때 수위 상승 측에 대해서는 삭망평균만조수위를 하강측에 대해서는 삭망평균간조정도를 고려하는 것을 기본으로 한다. 또한, 단층 운동에 따른 부지의 수직 변위가 예상되는 경우에는 부지 높이를 기준으로 수위 변동량이 최대가 되는 검토용 해일을 선정할 필요가 있다.
2) 필요 조건
○ 상정 지진해일이 적어도 다음의 (A) 또는 (B-1) 및 (B-2) 모두 중 하나를 만족하는지 확인한다. 그러나 평가지점 부근은 해당 지점에 큰 영향을 준 과거 지진해일의 흔적고와 분포상황, 평가 지점과 해안해저 지형의 유사성을 검토 후 적절하게 설정한다.
(A) 평가 지점에 큰 영향을 준 과거 지진해일의 흔적고가 존재하고 상정 해일의 계산 결과가 더 클 경우
(B-1) 평가 지점에서 상정 해일의 계산 결과가 과거 해일의 계산 결과를 상회할 경우
(B-2) 평가 지점 부근에서 검토용 해일군의 계산 결과가 과거 지진해일의 흔적 높이를 초과 할 경우
○ (A), (B-1), (B-2)의 조건은 모두 다양한 불확실성을 가상하여 선정되는 가상 지진해일 수위 상승량이 평가 지점에서 적어도 과거 지진해일 흔적보다 높은지 확인하는 것을 목적으로 한다. 따라서 평가 지점에 큰 영향을 준 과거 지진해일의 흔적 높이가 있는 경우 (A)만 확인하면 된다. 평가 지점에 흔적 기록이 없는 경우에는 (B-1), (B-2)를 모두 만족하는 것이 바람직하지만, 과거 지진해일의 흔적에 대한 정보 취득에 한계가 있는 경우 (B- 1), (B-2) 중 하나를 확인하면 된다. 이때 평가 지점에서 상정 해일을 밑도는 경우가 분명한 작은 해일은 확인 대상에서 제외 할 수 있다.
○ 또한 상정 해일이 흔적 기록을 유발한 과거 지진해일과 동일한 위치나 발생 형식일 필요는 없지만, (A) 또는 (B-1) 및 (B-2) 중 하나를 만족하는 것은 결정적 상정 해일로 최소한의 필요 조건이라는 점에 유의한다. 또한 해일 퇴적물에 의해 지진해일의 침수 범위의 정보를 얻을 수있는 경우에는 지진해일 퇴적물의 신뢰도를 고려하고, 이러한 분포 범위를 포함 침수 계산 결과를 얻는 것이 바람직하다.
3) 동해 동연부의 상정지진
(1) 기본 단층모델 설정 근거 등에 대한 상세
A. 동해 동연부의 과거 지진해일 등에 관한 지식정보
○ 동해 동연부에서는 명확한 플레이트 경계가 형성되어 있지 않지만, 그림 5.5와 같이, M7.5 클래스의 지진은 동해 동연을 따라 좁은 폭의 영역에서 발생하고 있다. 그 주변부에서 발생하는 지진의 규모는 M7.2 정도이다. 또한, 여러 문헌이 아키타 외해 지진의 공백역을 지적하고 있다.
○ 岡村(1998)는 활단층의 주향과 특징에 따라 동해 동연부를 북동부 (샤코탄 반도 북쪽의 수심 2,000m 이천해역), 중부 (쓰가루 반도 서쪽에서 샤코탄 반도 북서쪽까지 동연), 남부 (사도 주변에서 오가 반도 북서쪽까지 야마토해구 동연)으로 대별하고 있다.
○ 1741년 오시마섬 해일의 발생원인에 관해서는 산체의 붕괴가 유력시되고 있다. 佐竹·加藤(2000) 및 佐竹(2000)는 해저 지형과 육상의 수치 표고 데이터를 이용하여 오시마섬 북방의 붕괴 지형에서 원래의 산체를 복원하면 붕괴 부피는 
정도이며, 하단의 붕괴 퇴적물 총 부피는 
임을 밝히고, 이를 바탕으로 해일의 수치 시뮬레이션을 실시한 결과 오시마 반도의 흔적 높이를 설명할 수 있었다고 한다.
○ 일본 해상보안청 수로부(2001)는 1940년 샤코탄 지진과 1993년 북해도지진 사이에는 시리베시(後志) 해산 등의 해저 화산체가 여럿 분포하고 있으며, 1993년 북해도 지진과 1983년 동해 중부지진 진원지 사이에는 오시마섬과 고지마섬 등의 화산체와 동해 확장시 형성된 마츠마에퇴가 존재하는 가운데 두 진원 지역을 나누고 있다. 또한 1983년 동해중부지진 진원 지역의 남쪽 가장자리에는 큐로쿠섬이 위치함을 1940년 샤코탄지진에서 1983년 동해 중부지진에 이르는 해역에서는 진원 지역은 화산체와 천퇴 등 주변과 지각 구조가 다른 것으로 예측되는 해저로 구분되어 있다.
(2) 지각 구조로부터 본 동해 동연부의 지진규모
A. 사용데이터
○ 지각에서 발생하는 내륙형 지진에 대한 지각구조와 지진 규모의 관계를 밝히기 위해 세계의 내륙 지진의 모델을 수집, 분석할 필요가 있다.
○ 수집된 데이터는 다음과 같다. 특히 규모가 큰 내륙 지진에 관한 통일적인 관점에서 모델을 수집한 문헌에서 데이터를 추출했다.
<지진 규모 및 단층 모델>
- Murotani et al.(2015)이 내륙의 장대 단층에 대한 스케일링 법칙의 검토에 이용한 단층 제원
- Stirling et al.(2002)에 의한 스케일링 법칙의 분석 대상에서 하시모토(2007)가 추출한 신뢰도 높은 데이터 중 지하 단층 길이의 데이터를 포함 (Murotani et al.(2015)에서도 채용)
- 토목 학회(2002)에서 채용한 동해 동연부의 과거 지진해일 흔적 높이를 재현 할 수 있는 단층 모델(1900년 이후)
- Hanks and Bakun(2002)가 내륙 지진의 스케일링 법칙의 검토시에 추가한 대규모 지진의 제원은 지진 규모의 추정에 폭을 가정하고 있는 것이 있기 때문에 필요에 따라 각종 문헌에 따라 파라미터를 수정
- 최근 발생한 대표적인 대규모 내륙 지진인 중국 Kunlun(Kokoxili) 지진(2001)과 인도 Bhuj(Gujarat) 지진 (2001)
- 단층 변위량 참고로 粟田(1999)을 필요에 따라 참조
<지각 두께 데이터>
○ Laske et al.(2013)에 의한 전지구 1 번 격자 지각 구조 모델 Crust1.0을 사용했다.
○ Crust1.0에 따르면 1964년 니가타 지진과 1983년 동해 중부 지진의 진앙 위치의 지각 두께는 각각 약 28km와 약 26km이며, 아래 그림에 표시된 탐사 결과 (野??小平, 2013)와 일치한다.
B. 지각 두께와 의 및 단층 길이의 관계
○ 세계의 지각 내 지진에 대한 지각 두께와 ??Mw 및 단층 길이의 관계를 플롯하면 아래 그림과 같으며 이로부터 다음의 사항을 알 수 있다.
- 지각 두께가 약 40km 미만의 영역에서는 8 이상의 지진은 발생하지 않았다.
- 단층의 최대 길이는 지각 두께에 의해 규정되는 것으로 추측되며, 대체로 지각 두께의 7.5배를 상한으로 하고 있다.
C. 동해 동연부의 지각구조
○ 小平(2013)에 의한 1983년 일본해 중부 지진 진원 지역 부근의 지각 구조 구분은, 두께와 지진파 속도에 근거해 지각구조를 분류하고 있다.
○ 북부(아키타외해~쓰가루 서측 외해)에서는 남부와 비교해서 도호지각이 좁아져 도호지역 뿐 만 아니라 지각구조의 경계부근에서도 변형집중대가 분포한다.
○ 1983년 동해중부지진은, 도호지각과 천이지각의 경계에서 생긴 진원지역인 서측단에서 경사를 가진 역단층을 동반한 비대칭 경사를 등지고 있는 이 단층은 모호면 부근까지 이르고 있다.
○ 남부(노토 반도~야마가타 외해)에서는 도호지각과 천이지각이, 북부(아키타 외해~ 쓰가루 서측 외해)에서는 3종류의 지각이 분포한다.
○ 남부의 변형 집중대나 피해 지진은 모두 도호지각이 형성되어 있는 영역에 분포하고 있다.
도호지각과 천이지각의 경계에서 생긴 1983년 동해 중부지진 단층이 하부 지형을 끊고 모호면까지 이르는 것은, 같은 조사에 근거한 No et al.(2014)의 여진 분포에서도 볼 수 있으며, 진원 단층은 깊이 20km까지 달하고 있다.
○ No et al.(2014)에 따르면, 단층이 하부 지각에 모호면까지 이르는 슬립을 유발하는 가운데, 도호지각과 천이지각의 경계에서 이러한 현상은 아래 그림의 모식도에서 보여주고 있다. 이는 통상적인 내륙 활단층의 상부지각 내 단층과 다른 사상이며 동해 동연부의 지각판 충돌영역으로서의 특징이 나타나고 있는 것으로 사료된다.
○ 1983년 동해 중부 지진 이외의 동해 동연부의 과거 대지진 및 공백역의 지진발생 깊이의 분포는 다음과 같다.
a. 1940년 샤코탄 반도 지진
- 一條 등(2010)이 2008년 4월부터 6월의 50일 동안, 1940년 샤코탄 반도 지진의 진원 지역 주변에서 실시한 해저 지진 관측의 진원 분포를 아래 그림에 나타낸다. 신뢰도 높은 데이터에 근거하면, 진원 깊이는 약 20km에 이른다.
b. 1993년 북해도 남서외해 지진
- 북해도대학이 제시한 OBS(해저 지진계)관측 결과에 의거한 1993년 북해도남서외해 지진의 여진 분포이다. 진원 깊이는 20km 정도까지 이른다.
- 長谷川(2002)는 이 지진의 진앙 부근의 지각 구조에 대해서 아래와 같이 설명하고 있으며, 이 지진에서도, 다른 구조의 지각의 경계 부근에서 생긴 것으로 추정된다.
- 측선 B의 서쪽 끝, 일본 해저분지 아래에서는, 전형적인 해양 지각의 성질을 나타내는 두께가 8km 정도로 희박하다. 측선의 동측단 부근으로 올라오면, 두께도 20km 정도 두꺼워진다. 지각이 급격히 두꺼워지는 지점에서는 수심도 급격히 낮아진다.
- 1993년 북해도 남서외해 지진은 지각의 두께가 급변하는 장소가 파괴되어 발생했다.
c. 1964년 니가타 지진
- Shiba and Uetake(2011)는 2004~2007년에 발생한 일본 기상청 일원화 진앙 분석에 근거하여 1964년 니가타 지진의 진앙 주변의 D10, D90의 깊이를 각각 6.9km, 21.4km로 추정하고 있다.
d. 아키타 외해 지진공백역
- 아키타 외해에는 지진 공백역이 존재하고 있지만, 변형 집중대의 일부를 이루고 있어 대지진을 상정하는 영역이 되고 있다. Sato et al.(1999)은 해저 지진계에 의한 아키타 외해 대지진 공백역 주변의 진원분포(1996년 10월~12월)를 분석하여 제시하였으며, 진원 깊이는 약 20km에 이른다.
- Nakahigashi et al.(2012) 및 Nakahigashi et al.(2013)로 동해의 지진파 속도 구조 분포는 동해 동연부 대지진 영역을 포함한 측선이 있다. 지각 두께가 급변하는 위치에서는 하부 지각 하단 깊이는 20km정도로, 다른 성질을 가진 지각의 경계부에 해당하므로 과거의 대지진의 진원 지역이 되고 있다고 보고 있다.
- 니가타 주에츠 외해에 위치한 왼쪽의 측선(d)에서는 상부 지각은 10km, 하부 지각은 20km까지 달하고 있다. 이 부근에서 발생한 2007년 니가타 주에츠 외해 지진의 여진을 보면, 여진은 대체로 상부 지각에 포함되어 있다. 즉, 이 지진은 동해 동연부 대지진과 달리 상부 지각 내에서 생기는 통상의 활단층 지진으로 취급해도 좋을 것으로 생각된다.
D. 지각두께를 규정하는 요인
○ 伊藤(2008)는 지진 발생층의 하한의 물리적 의미를 다음과 같이 설명하고 있다.
○ 지진 발생층의 하한선이 존재하는 원인은 암석의 파괴양식이 온도와 압력, 즉 깊이에 따라 변화하기 때문이라고 생각된다. 고온에 따라 암석의 변형 파괴 양식 또는 단층의 미끄럼 양식이 변화한다.
○ 지진의 하한선은 고착 미끄럼과 안정 시도의 경계가 되고 있다. 따라서 화산 부근의 하한선은 얕다.
○ 상부 지각과 하부 지각 각각 취약성 파괴 및 연성변형을 하는 모델이 성립된다. 양자 모두 단층의 마찰 구성법칙이 다르다.
○ 정상적인 열 흐름의 모델을 이용해서 온도를 어림하면 지진의 하한선은 200~400?이다. 하한의 해석은 아직까지는 확정된 것이 아니며, 변화하는 온도의 추정 범위도 오차가 크다.
○ 실제로는 상부 지각에도 안정적인 운동을 하는 영역은 있고, 하부 지각에서도 응력 집중은 있을 것이며, 물질의 차이, 가스나 유체의 존재 등도 고려한 모델이 필요하게 된다. 하한 온도에 대해서도 파라미터의 오차가 많아 깊은 곳의 자료를 얻을 수 없는 경우도 있어, 온도 견적에 오차가 크다. 어느 쪽이든, 큐리점 심도 분포와 하한의 대응도 좋고, 하한의 깊이에는 온도효과가 크다는 것은 확실하므로, 조사가 필요하지만, 그다지 진행되지 않고 있다.
○ 이를 바탕으로 Davies(2013)에 의한 지각 열흐름 분포를 보면, 동해는 열 흐름이 크지만, 규모 8 클래스의 내륙 지진을 발생하고 있는 몽골과 중국은 대체로 열류량이 작다. 이 사실로부터, 동해 동연부의 지각 두께가 대륙보다 많이 얇아졌고 하부 지각을 포함해도 20km 정도가 되는 것은 지각의 열류량의 관점에서 설명할 수 있다.
E. 지각두께와 지진규모의 관계에 관한 요약
○ 전세계의 내륙 지진의 규모와 지각 두께의 관계에 대해 기존의 지식 및 데이터에 근거해 분석을 실시한 결과, 다음과 같은 사실이 밝혀졌다.
○ 지각의 두께와 지진 규모
- 전세계에서 발생한 내륙 지진의 분석에 의하면, 지진의 규모와 지각의 두께에는 관계가 있다고 보여진다. 그 결과, 지각의 두께와 단층길이(진원 단층장)의 비율에도 일정한 상한이 있다고 생각할 수 있다.
- Mw 8이상의 지진은, 상부 지각과 중부 지각의 총 두께가 약 40km 이상으로 되는 곳에서만 발생하고 있다.
○ 단층의 하단깊이
- 내륙형 지각 내 지진은 상부 지각 내에서 생긴다고 여겨지지만, 동해 동연부는 1983년 동해 중부지진의 파괴가 하부 지각에 달했다고 본다. 동해 동연부의 적어도 일본 연안에서는, 육지의 지각과 해양 지각의 경계에서 발생하는 대지진의 파괴는 하부 지각에 미칠 수 있다. 따라서, 상부지각 내 지진인 해역활단층과는 취급을 구별할 필요가 있다.
- 하부 지각을 포함할 경우, 단층의 하단 깊이는 20km 정도가 된다. 과거에 발생한 동해 동연부의 여진역은 대체로 20km 정도의 깊이에 이르고 있으며, 이와 정합적인 대륙에 비하면 지각은 얇아지고 이 구조는 지각 열류량이 크다는 점을 설명할 수 있다.
4) 기본단층모델설정방법 사례
○ 동해 동연부의 지진해일 평가에 있어 기본단층모델 설정 사례를 설명한다.
(1) 단층길이와 Mw의 관계에 기준한 설정사례
○ 일본토목학회(2002)는, 동해에서의 과거 최대급 지진 규모 Mw7.85를 상정하고 기본 단층 모델을 상정하고 있다. 지진은 영역의 어디에서라도 발생한다고 가정하고 영역 내 복수 개소에 연속적으로 기본 단층 모델을 배치한다. 지진 발생층의 두께는 15km로, 경사각은 30~60도이다. 슬립량은 武村(1998)의 LM0 관계의 스케일링 규칙에 근거하고 있다. 주향에 대해서는, 해저 지형의 주향에 근거하여 E1 영역에서는 3도 또는 183도, E2, E3 영역에서는 20도 또는 200도를 사용한다. 단층의 경사 방향은, 서측 경사, 동측 경사의 모두를 생각하고 있다. 슬립 각도는, 하버드 CMT 솔루션 등에 근거하여 90도를 설정하였으며 이하에 그 설정 근거를 제시한다.
○ 동해 동연부에 발생한 과거 해일의 단층 모델을 아래 표 11에 나타냈다.
이들은 주로 흔적고를 설명하기 위함을 목적으로, 필요에 따라서 과거 단층 모델을 수정하고 있다. 모델 Mw은 강성률을 3.51010 N/m2으로 단층 파라미터부터 산출한 Mw이다. K 및 는 에 相田(1984)에 의한 해일 흔적고와 계산치의 공간적인 적합도를 나타내는 지표이며, 모두 본 검토로 실시한 해일의 계산 결과이다.
○ 하버드 CMT 솔루션을 이용하여, 1976년 1월 ~ 2000년 1월 사이에 발생한 Mw 5.0 이상, 깊이 60km 이하의 지진을 추출하고, 깊이를 보면, 이들은 대체로 15~20km의 얕은 위치에 집중하고 있어, 지진 발생층 두께에 상한에 있다고 볼 수 있다. 또, 표 11에 나타낸 것처럼, 단층 폭이 30km 이하의 모델로 과거의 해일을 설명할 수 있는 사실로부터, 지진 발생층 두께는 15~20km 정도로 판단된다.
○ 표 11의 각 모델을, 길이 합계, 면적, Mw이 일정하게 된 1장 단층으로 환산했다. 또한, 니가타 지진에 대해서는 두 모델의 평균을 취했다. 이때 Mw와 단층 길이의 관계는 내륙 지진에 대한 武村(1998)의 관계와 같기 때문에 수학식 5를 통해 동연부에 적용할 수 있다.
○ 또한 武村(1998)는 1885 ~ 1995년에 일본 내륙에서 발생한 Mw 4 ~ 8의 내륙형 지각 내 지진 단층 모델을 분석하여 위의 수학식 5를 도출했다. 과거 해일의 단층 모델의 경사각은 대체로 30~60도 범위에서, 지진해일의 흔적고를 설명할 수 있다. 동해 동연부에서는, 과거 지진 단층 경사 방향이 일정하지 않으며 서측 경사 및 동측 경사가 모두가 발생하고 있다.
○ 하버드 CMT 솔루션으로부터 얻은 「지형주향」은 활단층의 주향을 함께 고려한 등수심선 방향의 근사적 값으로, 발진 기구의 해는 이를 중심으로 분포하고 있다. 또, 과거 해일의 단층 모델의 슬립각은 모두 90도에 가까우며, 발진 기구 해의 슬립각 데이터도 이를 뒷받침한다.
○ 동해 동연부에서는, Mw7.5 클래스 이상의 지진은, 남북으로 이어진 좁은 폭의 영역에서 발생하고 있다. 그에 과거 해일의 파원 및 공백 지역에 대응하는 검은 색의 대지진 활동 지역을 상정한 지진 해일의 단층 파라미터 설정 방법을 제시한다.
○ 동해 동연부는 지진 발생층의 두께가 한정되어 있다고 생각할 수 있으므로, 지진 발생층의 두께를 고려하고 武村(1998)에 근거한 스케일링 규칙을 적용함으로써, 기본 단층 모델을 설정할 수 있다. 또한, 불확정성이 큰 파라미터는, 합리적이라고 생각되는 변동 범위 내에서 설정하도록 한다. 동해 동연부의 상정 지진해일에 관한 기본 단층 파라미터 설정의 흐름(木場 외(2001)를 개정)을 제시하였다.
○ 명확한 플레이트 경계면이 형성되지 않은 것에 기인하는, 위치, 경사 방향, 경사각의 불확정성을 반영하는 방법으로는, 수직면 내의 단층 위치를 복수 상정하는 방법이 있다. 경사방향, 경사각은 동서방향의 위치에 연동된다.
(2) 단층면적과 Mw의 관계에 준한 설정사례
○ 국토교통성 외(2014)에서는, 해저 단층조사결과에 근거하여 단층면을 직사각형 단층으로 근사하고 있다. 단층선의 분포가 직선상이 아닌 경우에는 복수의 선분으로 분할해 표현한다. 스케일링 규칙은 入倉, 三宅(2001)등을 토대로 설정한 평균적인 모델인 식과, 아주 양의 차이를 고려한 식 2개의 식을 사용하고 있고, 대활동 영역을 설정한 균질 모형으로서 기본 단층 모델을 작성하고 있다. 단층폭은, 단층 상단과 하단의 깊이로부터 경사각을 고려해 산출해, 단층 길이는 단층 해저면 트레이스의 길이로 하고 있다. 단층 상단의 깊이는, 각 단층의 해저면 트레이스의 평균 수심+1km로, 단층 하단의 깊이는, 지질 구조 구분에 따라서 15~25km로 있다. 단층해 저면 트레이스의 방향을 주향으로 하고 기울기는 30~90도, 슬립각은 각 단층 위치에서의 압축 응력축을 단층면에 투영한 각도로 취한다.
○ 단층 길이와 Mw의 관계에 따른 단층 파라미터 설정 법의 흐름을, 단층 면적과 Mw의 관계에 기초하도록 변경한 경우, 이 흐름에서는 Mw는 해역의 활단층 길이에 준하지 않고, Mw를 먼저 부여하는 절차를 따른다.
2.3 지진 단층운동의 불확정
가. 단층운동에 의한 지진해일에 관한 불확정성 파라미터 스터디의 대표적 인자
○ 기본 단층 모델을 이용한 파라미터 스터디가 필요한 부분으로, 정적 파라미터를 대상으로 행하는 것을 원칙으로 하지만 불확정성이 작다고 판단되는 인자는 제외할 수 있다.
나. 파라미터 스터디에 있어 불확실성이 비교적 큰 인자의 범위
○ 동해 동연부에서는 기본 단층 모델에서 경사각 30~60도, 해역 활단층에 불확실한 경우, 경사각 45~90도(서남 일본), 30~60도(니가타 쥬에츠 지방)정도로 여겨진다. 광역 응력장에서의 P축(주로 압력 축)의 방향은, 서남 일본에서 90~120도, 주에츠 지방에서 110~140도 정도(모두 북쪽에서 시계 방향)의 범위로 유지되고 있는 것으로 알려지고 있다. 이것들을 적용하는 경우, 기본 단층 모델에서 폭이 큰 파라미터를 주게 된다.
다. 지진해일 파원의 불확정성이 지진해일 수위에 미치는 영향의 검토사례
○ 파원 모델의 단층 파라미터에 있어 불확정성이 연안의 수위에 미치는 영향을 해일의 수치 시뮬레이션에 의해 평가한다. 주향, 기울기 등의 정적 파라메타에 대해서 검토한 후, 파기 시작점 등의 단층의 동적 파괴의 불확정성에 관한 파라미터로 인한 영향의 검토를 동해 동연부 지진해일을 대상으로 실시했다.
1) 모멘트 규모의 영향
○ 해일 수위의 크기가 주로 단층면상의 슬립량 크기에 지배된다는 점에서 모멘트 매그니튜드(Mw)의 영향은 적용하는 스케일링 규칙에 따라 변화한다. 3개의 스케일링 규칙에 대한 Mw와 슬립량 D의 관계는 다음과 같다.
① 단층면에 한계를 설정하지 않는 경우 : logD ∝ 0.5Mw
② 단층면의 폭에 한하여 한계를 설정하는 경우 : logD ∝ 0.75Mw
③ 단층면의 길이와 폭에 한계를 설정하는 경우 : logD ∝ 1.5Mw
이 관계를 이용하면, Mw가 0.1 증가하는 경우, 수위는 ①에서 1.12배, ②에서 1.19배, ③에서 1.41배가 된다.
○ 슬립량의 증가로 기대되는 배율(경사)의 선을 나타낼 수 있다. 수치 계산에 의한 수위의 증가율은 슬립량의 증가율에 거의 상응하고 있다.
2) 파원 평면위치의 영향
○ 파원의 평면위치와 연안에서의 최대수위 상승량의 상대비 분포를 나타내면, 단층 모델은 Mw=7.8, 단층길이 L=120km, 단층폭 W= 17.3km, 슬립량 D=8.66m, 서측경사 δ=60도, 슬립각 λ=90도는 공통이며 위치만 변화하여 5개 경우를 설정하였다.
○ 해안선 인근의 격자간격은 800m를 사용하였으며 대화퇴와 긴키제도 등이 지진해일 전파특성에 미치는 영향을 고려하여 부분적으로 400 격자를 이용하고 있다. 연안에서의 최대수위 상승량 분포는 파원이 착목점에서 정면에 위치할수록 최대수위 상승량이 커지는 경향이 있음과 착목점이 파원으로부터 먼 경우는 파원의 위치보다 전파경로의 영향이 커지는 등 특징을 볼 수 있다.
3) 단층상연깊이의 영향
○ 그 외의 조건은 변화시키지 않고 단층 상연부의 깊이만을 변화시킨 경우, 단층모델은 Mw=7.8, L=120km, W=17.3km, 슬립량 D=8.66m, λ=90도, 평면위치를 공통으로 하고 경사방향과 경사각을 변화시켜 4가지 경우를 설정하였다. 종축은 모든 경우의 최대치에 대한 비율이며, 단층상연의 깊이가 최대수위상승에 기여하는 영향은 착목지점에 따라 변화하였고, 일정한 경향은 보이지 않았다.
4) 주향의 영향
○ 그 외 조건은 변하지 않고 주향만을 변화시킨 경우 검토 사례를 아래 그림에 제시하였다. 검토한 파원의 평면위치와 연안에서의 최대수위상승량의 분포, 지점별 주향의 영향이 제시되어 있다. 단층모델은 Mw=7.8, L=120km, W=17.3km, 슬립량 D=8.66m, 경사각 δ=60도, λ=90도, d=1km를 공통으로 하고 주향을 변화시켜 5종류를 설정하였다. 주향의 변화에 따라 기준주향 대비 0.6 ~ 1.8배 정도의 변화가 나타난 지점을 볼 수 있었다. 또한, 착목한 지점에 대해 단층이 정면에 위치하는 경우 주향의 최대수위변화량이 큰 경향을 볼 수 있었다.
5) 경사방향 및 경사각의 영향
○ 5종류의 파원을 대상으로 한 단층 경사방향의 영향의 검토 사례
경사방향 이외의 파라미터는 동일한 모델에서 서측경사/동측경사로 최대수위상승량의 비를 산출하고, 그 발생확률분포를 착목위치 (샤코탄, 마츠마에, 후카우라, 사카타) 마다 표시하였다.
○ 단층모델은 Mw = 7.4 ~ 7.8, 지진발생층 깊이를 15km와 20km, δ를 30도와 60도, λ=90도, d=0km의 조건을 조합하여 설정하였다. 단층이 서측경사인 경우와 동측경사인 경우와의 최대수위상승량의 상대비교에 있어 경향은 착목지점에 따라 다르지만 기본적으로는 모든 지점에서 최대수위상승량의 비는 1.0을 중심으로 분포하고 있어 극단적으로 큰 차이는 볼 수 없었다.
6) 슬립각의 영향
○ 파원을 대상으로 하는 슬립각의 영향의 검토 사례
파원의 평면위치와 착목 지점의 관계, 지점마다의 슬립각의 영향을 나타낼 수 있다. 단층모델은 Mw=7.8, L=120km, W=17.3km, 슬립량 D=8.66m, 경사각 δ=60도, d=1km를 공통으로 하고, 슬립각을 변화시켜 5개 경우를 설정하였다. 슬립각이 90도가 될 때 최대수위상승량이 가장 커지는 결과가 4개 경우로 지배적이었다.
7) 지진발생층 두께의 영향
○ 동해 동연부의 지진활동역의 경우 지진발생 층의 두께는 15~20km로 상정되어 있다. 지진모멘트(모멘트 규모)를 같다고 보고 슬립량의 변화는 단층면의 폭 변화에 반비례하는데 지진발생층의 두께를 15km로 하는 경우 최대수위상승량은 20km인 경우와 비교하여 1~1.3배의 수위 변화가 발생하는 것으로 알려져 있다.
8) 복수 세그먼트 조합의 영향
○ 동해 중부지진 및 북해도 남서외해 지진은 복수의 면으로 구성된 단층으로 표시되고 있다. 각 세그먼트로 상정된 조합에 의한 연안 각지점에서의 최대수위상승량의 변화를 보면, 복수의 세그먼트를 고려하는 경우 각 세그먼트로부터 내습하는 지진해일은 지점에 따라 파형이 중첩되는 시점이 달라진다. 이에 따라 지진 에너지와 연안에서의 최대수위상승량에 명확한 상관관계는 구하기 어렵지만 세그먼트 구분과 착목지점에 의해 각각 다른 양상을 보이게 된다.
9) 단층면의 형상 및 응력 강하량의 영향
○ 지진 모멘트를 일정하게 하고 단층 길이의 변화에 따라 슬립량을 변화시켜 정적 응력강하량의 영향을 검토한 결과, 최대수위 상승량의 변화경향이 달라지는 것은 파원과의 상대적 위치 관계에 따른 전파특성과 기본주기의 변화에 따른 응답특성의 변화 등에 의한 것으로 볼 수 있다.
10) 단층면 슬립량의 불균질성 영향
○ 1983년 동해 중부지진을 대상으로 슬립량 분포의 행과 열을 하나씩 이동시켜 복수의 슬립량 분포에 대한 패턴을 설정한 수치계산을 수행하였다. 균질한 모델에 대한 불균질모델의 최대수위 상승량 비의 공간분포를 보면, 양자간의 평균배율과 산포된 데이터의 범위를 평가할 수 있다. 또한, 불균질 모델(어스페리티의 면적 및 슬립량 등)을 Sommerville 등(1999)가 나타낸 관계를 이용하여 설정하였고, 어스페리티의 위치를 이동시켜감으로써 복수의 슬립량 분포 패턴을 설정한 경우에 대해 같은 검토를 수행하였다.
○ 추정된 과거의 불균질 모델에 따라 어스페리티 형상을 정방으로 가정하고 Sommerville 등(1999)에 의해 각 값을 설정한다. 즉 단층을 32의 소블럭으로 분할하고, 임의의 블록 중앙에 잔여 어스페리티를 배치하는 방법을 이용하였다. 결과적으로 65=30개의 단층모델을 상정하였다.
○ 균질모델에 대한 불균질모델의 평균배율과 산포평가결과를 제시할 수 있다.
○ 평가는 각각의 불균질모델 마다 실시하였고 모든 경우의 범위와 기하평균, 중앙치, 84% 비초과치를 비교할 수 있다. 비교지점은 각 지진에서 퇴적치가 기록된 지점으로 하였다. 또한 단층면적과 지진모멘트가 같은 균질모델은 불균질 모델로부터 평균적으로 적은 수위를 보이기 때문에 동정도의 수위를 얻기 위해서는 슬립량을 보정(증가)시킬 필요가 있다.
○ 이러한 어스페리트 변화에 따른 동해안에서의 지진해일 흔적고에 대한 높이차와 지역별 분포 양상을 파악하기 위한 시뮬레이션 검토가 필요하다.
11) 원지의 파원위치, 주향의 영향
○ 원지에 위치할 경우 퇴적 높이에 대한 재현성으로 그 산포도는 파원에 크게 영향일 받지는 않는다.
2.4 지진해일 파원 특성에 따른 민감도 분석
○ 동해 동연에 위치하는 지진해일 파원 특성은 지진 파라미터에 따라 결정된다. 파원의 위치와 지진의 크기에 따른 면적과 변위량, 주향각, 경사각, 슬립각 등 다양한 변수들은 해일 생성과 전파에 영향을 미치게 된다. 앞서 살펴본 파라미터에 따른 지진해일 전파 특성 변화는 모두 파원에 가까운 일본 해안에 주목하고 있다. 그러나 먼 거리에 위치한 동해안의 경우 특성 변화는 모든 파라미터에 영향을 받지는 않는 것으로 알려져 있다.
○ 동해 중심에 위치한 대화퇴에서의 파동의 굴절과 그에 따른 렌즈 효과로 해일 에너지가 집중이 발생하는 지역이 변화하는 동해에서의 지진해일 거동은 초기 파원에서의 에너지 분출량과 방향에 의해 큰 변화를 보이게 된다. 지진 크기에 따라 해일 크기가 증가하는 것이 명백하기 때문에 그 민감도 평가를 배제하고, 그 외의 인자 중에 동해안에서의 해일 변화에 직접 영향을 줄 수 있는 경우를 대상으로 민감도 평가를 수행하였다.
○ 에너지 분출량과 방향에 영향을 주는 파라미터로 파원의 남북방향 위치 및 일본 연안으로부터의 거리 그리고 주향각을 들 수 있다. 동해에서 예상되는 가상 지진해일의 파원 조건 하에서 각각의 파라미터의 변동을 통한 민감도 이하의 사항들을 확인할 수 있었다. 아래 표는 이러한 조건들을 나열한 것으로 진앙위치의 북남방향 이동, 주향각의 변화 및 진앙의 일본 연안으로부터의 거리를 나타내고 있으며, 각각의 경우에 대한 수치모의를 통해 동해 주요 지점에서의 수위변화를 관찰하였다.
가. 파원위치에 따른 동해안 주요 지점의 지진해일 수위
○ 파원의 남북 위치는 동해 대화퇴의 렌즈효과를 유발하는데 파동의 시작점이 남북 방향으로 어디에 위치하는가를 의미한다. 동해에서 알려진 지진해일 특성가운데 파원과 대화퇴를 연결한 연장 방향으로 강한 에너지가 분출되고 있음이 알려져 있다. 따라서 파원의 남북방향 위치에 따라 방출된 에너지가 대화퇴의 렌즈효과에 따라 유발하는 지진해일 파동의 특성으로부터 그 민감도를 파악할 수 있다.
○ 파원위치를 북해도 외해, 아키타 외해, 사도시마 인근으로 변동 조건으로 동해 동해안의 임원, 묵호, 삼척 및 포항에서 수위 변동 조건을 제시하였고, 최고수위 분포를 비교하였다.
○ 임원, 묵호, 삼척 및 포항항에서의 수위변화를 보면 보면 대화퇴의 렌즈효과가 가장 크게 나타난 곳은 임원인 것을 알 수 있다. 오쿠시리 외해에 진앙을 둔 경우(O1) 수위가 가장 높았다. 대화퇴 주변에서 굴절되어 동해안으로 분기되는 파동이 초기 파동 도착 이후 뒤에서 재현되는 것을 알 수 있다. 반면 중부 및 샤코탄 외해의 경우 각각 북한과 대한해협으로 분기되어 높은 파동은 나타나지 않은 것으로 사료된다. 묵호는 샤코탄 외해를 진앙으로 둔 경우 상대적으로 높은 에너지가 나타난 것으로 판단된다. 포항의 경우 모든 에너지가 소산되고 상대적으로 긴 파장을 가진 파동만이 미약하게 도달하는 것으로 보인다.
○ 이와 같이 대화퇴의 영향으로 진앙의 위치에 따라 동해안에서의 해일 높이 분포는 다른 양상을 보이고 있어 가상지진 파라미터를 설정함에 있어 동해 남북방향의 각 위치에 따른 영향지역을 사전에 파악할 수 있다.
나. 주향각 변화에 따른 동해안 주요 지점의 지진해일 수위
○ 주향각은 단층을 직사각형으로 가정했을 때, 장축이 북쪽과 이루는 각도로 표현된다. 동해 동연에서의 주향각이 해저 지형의 등고선과 같음을 가정하지만, 그에는 다소간의 변화가 동반된다. 지진해일의 물리적 특성 가운데 파괴면의 단축 연장방향으로 강한 에너지가 방출되기 때문에 주향각변화는 초기 파형의 에너지 방출 방향을 결정하고, 이는 곧 에너지 집중 지역의 변화로 연결된다. 또한, 그러한 변화는 대화퇴의 렌즈효과가 함께하면서 더욱 복잡한 양상을 보이게 된다.
○ 주향의 변화에 따른 지진해일 수위의 변화를 관찰하기 위해 오쿠시리 외해에 진앙을 둔 단층면의 장축이 북쪽을 향하는 기본 모델과 주향각을 각각 30만큼 변화를 준 두 경우의 수치모의 결과에 따른 지진해일 수위 변화와 최고수위 분포를 모의하여, 동해안의 임원, 묵호, 삼척 및 포항에서 수위 변동 조건을 제시하였고, 최고수위 분포를 비교하였다.
○ 결과를 보면 동해 중북부의 임원과 묵호에서 변화가 두드러지게 나타나고 있는데, 단축 연장방향으로 전파된 에너지가 대화퇴와 만나 이루는 렌즈효과의 영향으로 0도인 경우 큰 수위를 동반하는 것을 알 수 있다. 그러나, ±30°의 변화를 주는 경우 지진해일의 도달시간에 다소간의 변화를 나타내지만 에너지 분기의 영향은 4개 지점에서는 볼 수 없었다. 그러나, 최고 수위분포에 있어서 각 지점에서 1m정도의 차이를 보이고 있는 것으로 동해안의 지진해일 파고 분포에 있어 파원의 주향각 역시 민감한 파라미터임을 알 수 있다.
다. 진앙의 연안거리에 따른 동해안 주요 지점의 지진해일 수위
○ 지진해일은 장주기성 파동으로 수심에 직각방향으로 전달되는 특성이 있다. 파원이 연안에서 먼 경우는 단층면의 단축연장방향으로 에너지가 방출되기 때문에 서로 반대되는 방향으로 에너지의 1/2 이 분할되어 전파된다. 그러나, 파원이 연안에 가까운 경우 대양으로 방출되는 지진해일 에너지는 지형의 영향으로 연안으로 굴절을 일으키기 쉽고, 방출 에너지 양이 변화한다.
○ 일본 연안 가까이 또는 멀리에서 발생하는 해저 지진은 곧 동해안으로의 에너지 방출량의 변화로 연결되며, 연안에 도달하는 지진해일 크기를 변화시킨다. 일본 연안의 지진해일 파원 위치를 기본 모형으로부터 서측으로 1° 및 2° 이동시켜 동해안 주요 지점에서의 지진해일 수위 변화를 수치모의를 통해 산출하였고, 동해안의 임원, 묵호, 삼척 및 포항에서 수위 변동 조건을 제시하였고, 최고수위 분포를 비교하였다.
○ 결과를 보면 일본 연안으로부터 진앙거리가 먼 경우 대양으로 방출되는 에너지 양은 임원항에서 뚜렷하게 차이를 보였다. 이는 진앙위치의 남북방향 변화에서 나타난 바와 같이 대화퇴의 영향을 크게 받고 있음을 알 수 있으며, 렌즈효과에 의해 해안 위치에 따른 지진해일 에너지 차이는 크게 나타남을 알 수 있다. 지점별 최고수위를 비교한 결과를 보면 대화퇴의 렌즈효과가 크게 작용하는 임원에서 약 2m, 묵호와 삼척에서는 약 0.5m 및 포항에서는 거의 유사한 결과를 보여 지점에 따라 차이가 나타나는 것을 알 수 있다.
라. 파원 특성변화에 따른 동해안에서의 지진해일 거동
○ 파원의 위치와 주향각의 변화에 따라 지진 파라미터 가운데 일본의 연안에 영향을 미치는 요인들이 다양하게 규명되어있는 가운데, 우리나라 동해안과 같이 원지 지진해일의 경우에는 주로 지진규모, 주향각 및 진앙위치에 따른 변화가 있을 것으로 나타났다.
○ 지진해일의 크기를 가장 크게 좌우하는 인자로, 지진규모가 클수록 높은 지진해일이 도달하고 있음을 제외하고 각 파라미터의 변동을 통해 동해에서 지진해일 수치모의를 수행하여 동해안의 임원, 묵호, 삼척 및 포항에 도달하는 지진해일 파형과 최고수위로부터, 파라미터가 지진해일 거동에 미치는 영향과 민감도를 파악하였다. 그 결과 해안선 방향에 평행한 것으로 가정되는 주향각의 차이에 따라 단축 연장방향으로 에너지 분출이 발생하게 됨을 확인하였다. 대화퇴에서의 지진해일 파동의 굴절 즉, 렌즈효과로 진앙과 대화퇴를 연결하는 방향으로 에너지 분출이 강하게 나타나는 현상이 수치모의를 통해 확인되었으며, 일본 연안으로부터 진앙이 가까울수록 전파되는 지진해일 에너지는 육지쪽으로 집중되며, 바다쪽에 있을수록 한반도에 미치는 영향이 큰 것을 알 수 있었다.
<동해안 침수범람을 고려한 FEM기반 수치시뮬레이션 모델 구축 및 최적화>
○ 신남항, 노곡항, 임원항의 3개 시범지역을 대상으로 격자체계를 구성하였고, DEM자료, 수심측량자료, 최신해안선자료를 이용하여 격자체계를 보완하였다.
○ 울진-삼척 해저지형과 대화퇴 인근 해저 지형을 고려하였고, 지진해일 11개 가상 시나리오와 과거 일본 지진해일(1983, 1993) 발생 지점의 위치정보를 반영한 격자수정 영역을 산정하였다.
○ 격자체계의 최적 해상도를 선정하기 위해 격자수정 영역의 프렉탈 차원분석을 수행하였다.
○ 주요 지형 및 과거국내 지진발생지점의 결정된 격자를 기존 격자체계에 이식할 경우 격자크기의 차이로 인한 굴절, 반사로 인해 지진해일 전파에 영향을 미칠 수 있어, 동해 전체를 1,000m이하 격자로 구성하였다.
○ 광역 격자망을 대상으로 과거 역사지진(1983, 1993)에 대한 반복 계산을 통해 격자체계의 안정화 및 최적화를 수행하였다.
○ 시간에 따른 공간적인 파형 전파, 동해안 주요 지점(임원, 묵호, 속초, 포항)을 대상으로 파형 비교를 통해 격자체계를 검토수정하였다.
<과거 동해안 내습한 지진해일 비교검증>
○ 구축된 FDM, FEM 격자망에 대해 지진해일 검조 기록이 존재하는 과거 역사지진인 1983년 Akita 지진과 1993년 Okushiri 지진에 대해 4개 지점(임원, 묵호, 속초, 포항)을 대상으로 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
○ 임원, 묵호, 속초, 포항을 대상으로 수위 시계열 비교하였고, 검조 기록이 남아있는 묵호, 속초, 포항의 경우 조위관측소의 관측자료와 비교하였다.
○ FEM모델의 계산치가 FDM모델의 계산치에 비해 높은 값을 나타내었으나, 비교적 좋은 일치를 나타내었다.
<동해안 지진해일 광역범람수치모델 병렬화>
○ 구축된 FEM 기반 광역범람 수치모델의 병렬화에 따른 계산자원의 성능을 평가하여, 최적의 시뮬레이션 규모를 검토하였다.
○ 동해 광역 범람 수치모델 운영에 필요한 운영기관의 계산자원 규모 및 성능을 파악하였다.
○ 계산 결과 FDM 모델은 범람역에 대한 개별 모델링이 필요하고, Single core로 계산시 약 4시간이 소요되는 것으로 나타났다.
○ FEM 모델은 동시에 범람역을 모델링 할 수 있는 장점이 있고, 560 core로 계산시 약 10분의 시간이 소요되는 것으로 나타났다.
<FEM기반 동해 지진해일 시나리오기반 수치시뮬레이션 체계 구축>
○ 11개의 가상 시나리오를 대상으로 모멘트규모(Mw)를 7.5 ~ 8.5로 증가시키며 계산을 수행하여 FDM모델과 FEM모델의 결과를 비교하였다.
○ 동해 동연에 위치하는 지진해일 파원 특성은 지진 파라미터에 따라 결정된다. 파원의 위치와 지진의 크기에 따른 면적과 변위량, 주향각, 경사각, 슬립각 등 다양한 변수들은 해일 생성과 전파에 영향을 미치게 된다. 앞서 살펴본 파라미터에 따른 지진해일 전파 특성 변화는 모두 파원에 가까운 일본 해안에 주목하고 있다. 그러나 먼 거리에 위치한 동해안의 경우 특성 변화는 모든 파라미터에 영향을 받지는 않는 것으로 알려져 있다.
○ 지진 크기에 따라 해일 크기가 증가하는 것이 명백하기 때문에 그 민감도 평가를 배제하고, 그 외의 인자 중에 동해안에서의 해일 변화에 직접 영향을 줄 수 있는 경우를 대상으로 민감도 평가를 수행하였다.
○ 진앙위치의 북남방향 이동, 주향각의 변화 및 진앙의 일본 연안으로부터의 거리에 대한 수치모의를 통해 동해 주요 지점에서의 수위변화를 관찰하였다.
도 44는 본 발명의 제3 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가는 남해안의 지진해일 위험성을 평가하는 것이다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템은 전술한 제1 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템(100)과 동일한 구성을 가질 수 있다.
도 44를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템(100)은, 입력부(110)가 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터를 입력받는다(S441).
이어, 가상 수치모형 생성부(120)는 입력받은 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터에 근거하여 상연깊이, 단층면 경사각, 슬립방향각이 적용된 가상 지진해일 시나리오를 생성한다(S442).
이어, 가상 수치모형 생성부(120)는 생성된 가상 지진해일 시나리오에 근거하여 상세 수심 정보를 포함하여 1 km 격자 간격으로 FEM(Finite Element Method) 격자체계를 구축하며, 고조와 저조, 창조, 낙조를 포함하는 조석의 영향에 따른 가상 지진해일 수치모형을 생성한다(S443).
이어, 위험성 평가부(130)는 조석의 영향에 따른 가상 지진해일 수치모형에 따라 규모별 가상 지진해일의 전파 특성들을 분석하되, 규모 및 발생 위치에 따른 도달시간을 분석하고, 규모별 가상 지진해일의 최대파고 분포를 분석하며, 조석의 영향에 따른 지진해일의 전파 경향 및 파고를 분석하여 지진해일의 위험성을 평가한다(S444).
이어, 출력부(150)는 분석에 따라 평가된 위험성을 화면이나 음향 등으로 출력한다(S445).
전술한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에서는 수치모형 실험을 통해 남해안에서의 지진해일에 대한 전파특성 및 조석과 지진해일의 상호영향을 고려한 전파특성을 분석하는 것이다.
전 세계적으로 크고 작은 지진이 다발적으로 발생하여 큰 피해가 발생하고 있다. 미국 국립해양대기국(NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration)의 국립환경정보센터(NCEL, National Centers for Environmental Information)에 따르면, 1200개 이상의 확인된 지진해일에 대한 정보 중 가장 위험한 지진해일로 평가되고 있는 지진은 2004년 발생한 인도네시아 수마트라 지진해일과 재산피해가 가장 많은 2011년 동일본 대지진이다(NTHMP, 2019). 이와 같은 지진해일에 영향을 받을 수 있는 해안에 접하고 있는 국가들은 지진해일 침수범람 위험성 평가를 통해 지진해일 위험에 대비하기 위해 지진해일 정보 가이드, 지진해일 비상계획 등을 매뉴얼로 작성하여 배포하고 있다.
태평양 지진해일 경보 센터(PTWC, Pacific Tsunami Warning Center)는 지진 발생 시 해일경보를 발령하기 위해 실시간 지진해일 예측모델(RIFT, Real-time Forecast of Tsunami)을 구축하고 현업에 활용하고 있다. 이 RIFT는 실시간 지진해일 예측모델 결과를 지진해일이 발생하여 해안에 전파되는 해일의 높이를 가시화하여 제공함으로써 실시간으로 대응할 수 있다.
또한 국제연합재해경감전략 사무국(UNISDR, United Nations Office for Disaster Risk Reducion)에서 제시한 전 세계 지진해일 위험분포도를 제시하였으며, 국립재난안전연구원에서도 한반도 주변 해역에서 지진활동에 따른 지진해일 발생 가능성을 제시한 바 있다.
일본 유구열도 주변은 최근 30년 동안 약 10,000회에 이르는 지진활동을 보이고 있다. 필리핀해판이 유라시아판과 충돌하여 섭입하고 있는 유구열도(Ryukyu Islands) 주변에서는 오키나와 트러프, 유구열도가 위치하고 있으며 지진활동이 활발하다. 우리나라는 삼면이 바다로 동해는 일본 서해안의 단층대 공백역, 서해는 중국연안의 지진, 남해는 유구열도 대륙붕 사면에 의해 지진해일 위험에 항시 노출되어 있어 지진해일 내습에 대한 가능성이 존재한다. 최근 2011년 동일본 대지진, 2016년 경주지진, 2017년 포항지진 등 피해가 발생하였다. 동해안 지진해일에 대한 대책으로는 일본 공백역을 대상으로 가상시나리오 기반 동해안 일부 지역(55개소)에 지진해일 침수 예상도가 구축되어 있으며, 국립재난안전 연구원은 동해안 전역에 대하여 지진해일 침수 예상도를 구축하고 있다.
그러나 남해안은 동해안과 비교하여 지진해일에 의한 위험성이 상대적으로 낮기 때문에 남해안에 대한 지진해일연구가 다소 부족한 실정이다. 이에 본 발명에서는 국립재난안전연구원에서 제안한 유구열도 및 난카이트러프를 포함하는 가상 시나리오를 바탕으로 지진해일 시뮬레이션을 통해 서남해에서의 지진해일 위험성에 대해 분석한다.
<남해안 가상지진해일 수치모형 실험>
1. 유구열도 주변 현황조사
1.1. 유구열도 지형특성 분석
과거 지진해일의 직접적인 피해가 발생하지 않았던 남해안은 지진해일에 관한 관심이 상대적으로 적다. 그러나 남해안은 유구열도 주변 지진해일 발생시 영향을 받을 수 있는 지역이며, 1771년 유구 열도 남단에서 발생한 야에야마 지진해일로 이시가키섬을 비롯한 주변 지역에 큰 피해가 발생한 사례가 있기 때문에 대비책을 마련할 필요가 있다.
해양 정책 연구소(SPF, The Sasakawa Peace Foundation)에 따르면, 유구열도는 환태평양 조산대에서 필리핀 단층대에 속하며 약 6,000m 이상 수심이 깊고 해저의 단층운동이 활발한 지역이다. 이 지역은 필리핀 해판이 유라시아판과 충돌하여 섭입하고 있는 곳으로 지진이 활발하며 최근 30년 동안 약 10,000회에 이르는 지진 활동을 보인다.
1.2. 과거 유구열도 지진 및 지진해일 발생현황
미국지질조사국(USGS, United States Geological Survey, 2020)의 지진위험프로그램 자료에 의하면, 지난 10년간 (2010.11.09.~ 2020.11.16.) 유구열도 주변에서 규모 2.5이상의 지진이 273회로 나타나며, 가장 최근에 발생한 지진은 일본 류쿠섬에서 규모 5.0으로 나타난다. 해당 기간 동안 규모가 가장 큰 지진은 일본 쿠마모토시에서 발생한 규모 7.0으로 나타난다. 유구열도에서 발생한 지진의 횟수에 비해 지진해일은 상대적으로 적게 발생하여 지진해일에 의한 영향은 미미한 것으로 나타났다.
일본지진조사추진본부는 관측조사를 통해 장기적인 관점에서 각 영역에서 지진이 발생 할 것으로 예상되는 규모와 발생 확률에 대해 평가하여 제시한 바 있다.
2. 지진해일 가상시나리오 상정
본 발명에서는 남해안 위험성 평가를 위해 가상 지진해일 단층 파라미터와 가상 시나리오를 제공한다.
2.1. 가상 지진해일 단층 파리미터 설정
본 발명의 지진해일 시뮬레이션을 위해서는 지진해일을 유발하게 시킬 수 있는 단층 파라미터 산정이 필요하다. 그러기 위해서는 타당성 있는 문헌 조사가 필요하다.
관련 조사는 2019년 수행된 서·남해안 지진해일 가상시나리오 개발에서 기술된 자료를 참고하여, 단층파라미터를 본 발명에 다음과 같이 적용하고자 한다.
도 45에 도시된 바와 같이, 대만과 일본 사이의 해역으로 길게 발달된 유구열도 및 난카이트러프 단층대를 가상지진해일 발생지역으로 선정하였다. 도 45는 본 발명의 제3 실시예에 따른 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에서 가상지진해일 발생원 위치(단위단층)를 나타낸 도면이다.
국립재난안전연구원에서는 이 지역에서의 가상지진의 규모는 9.2, 9.0, 8.5 으로 선정하였으나, 일본지진조사연구추진본부에서 추산한 지진 규모와 확률에 따라 9.0, 8.5, 8.0로 변경하였다. 또한, 이 단층대에서의 가상지진 규모와 단층면적을 고려한 시나리오가 작성될 수 있도록 단위단층 개념을 도입하여 가상지진해일 발생위치와 주향각을 설정하였다. 단위단층은 면적이 10,000km2(L×W=100km×100km)인 가상단층으로 도 45에 도시된 바와 같이 유구열도와 난카이트러프지역을 모두 포함할 수 있는 단층면적을 단위단층 64개로 나눠 구성하였다.
지진 규모별 단위단층당 에너지를 고려하여 지진단층면적을 각각 규모9.0의 경우 16개 단위단층, 규모8.5의 경우 4개 단위단층, 규모8.0의 경우 1개 단위단층으로 분할하여 단층파라미터를 설정하였다. 또한 지진발생위치(위·경도)에 따른 지진해일 변화를 분석하기 위하여 각 규모별 설정된 단층을 위·경도의 변화를 주어 가상지진 발생위치를 선정하였다.
주향각θ(°)은 지진해일 전파특성에 높은 영향을 주는 파라미터로써 남해안 지진해일 영향분석이 목적이므로 남해안에 지진해일 에너지가 많이 전파 될 수 있는 각으로 보수적으로 접근하여 설정하였다.
남해안 가상지진해일 발생원 위치정보 및 주향각(θ)은 다음 표 12 내지 표 14와 같다.
단층변위량(d) 가상 지진규모를 이용하여 단층 파라미터를 산정하기 위하여 우선적으로 규모별 지진에너지 및 단층 변위량을 표 15와 같이 설정하였다.
상연깊이, 단층면 경사각, 슬립방향각은 다음 표 16과 같은 Fujii and Satake(2007)에서 제시한 단층파라미터를 유구열도 및 난카이트러프에 적용하였다.
2.2. 가상 지진해일 시나리오
규모 9.0의 경우, 전체 단위단층 64개 중 16개가 하나의 시나리오로 활용되어 발생위치에 따라 표 17 내지 표 21과 같이 9개의 시나리오가 만들어진다.
규모 8.5의 경우, 전체 단위단층 64개 중 4개가 하나의 시나리오로 활용되어 발생위치에 따라 표 22 및 표 23과 같이 16개가 만들어진다.
마지막으로 규모 8.0의 경우, 전체 단위단층 64개 중 1개가 하나의 시나리오로 활용되나 영향을 고려하여 단위단층 33~64 위치만 선정하여 다음 표 24와 같이 32개의 시나리오로 선정하였다.
결과적으로 가상 지진해일 시나리오는 각 규모별로 9.0 9개, 8.5 16개, 8.0 32개가 선정되어 총 57개로 설정되었다.
3. FEM 격자체계 구축
지진해일 시뮬레이션 수행을 위해 ADCIRC 모형을 사용하였으며, 이를 위해 상세 수심정보를 포함하여 최소격자간격 1.0km로 된 유한요소(FEM, Finite Element Method) 격자체계를 구축하였다. 영역은 격자망 구축 시 격자 크기와 지형 및 수심을 고려하여 격자구축 영역을 5개 영역(서해, 서남해안, 유구열도, 유구열도 남측, 동해)으로 구분하여 구축 및 결합하였다.
수심정보는 한반도 인근 국립해양조사원 대표수심(2019)자료와 GEBCO_15s(2019)를 결합하여 구축하였다.
4. 조석의 영향을 고려한 지진해일 수치모형 실험
기존에는 조석이 고려되지 않은 정지해수면으로부터 지진에 의한 초기파형을 계산하여 서남해안에 전파되는 지진해일을 산정한 바 있다. 그러나 우리나라 서남해안은 동해안과 다르게 대조차 환경으로 조석이 지배적인 해역이며, 조석과 지진해일의 상호작용에 의해 나타나는 지진해일이 실제 자연에서 발생할 수 있는 현실적인 해일이다.
따라서 본 발명에서는 조석이 고려된 지진해일을 수치모형 실험을 통해 산정한다.
4.1. 조석과 지진해일 상호작용이 고려된 수치모델 구축
가. 수치모의 체계
ADCIRC는 유한요소모델로 절점 밀도에 따라 국부적으로 상세화할 수 있으며, 지진해일과 같이 급변하는 지역과 수심이 급변하는 지역의 절점 밀도를 증가시켜 수치모의 결과의 신뢰성을 제고할 수 있는 장점이 있다. 지진에 의한 초기 파형을 산정하고 급변하는 해수면 변화를 수치모델에 반영하기 위해서는 격자 상세화가 필요하며, 기존에서는 절점 밀도에 따른 지진해일 수치실험을 통해 신뢰성을 제고한 바 있다. 따라서 본 발명에서는 기존 연구에서 제시한 격자체계를 기반으로 한다.
그러나 기 구축된 격자체계의 개방경계에서 외력 조건에 의해 조석이 우리나라 연안에 전파되기 까지 최소 약 3일 이상 소요되기 때문에 안정적으로 모의하기 위해서는 최소 기간 이상을 시뮬레이션 해야 한다. 본 발명에서 신규 구축한 병렬클러스터 144 core로 구성된 CPU를 이용해 1일 수치모의하는데 소요되는 시간(Wall-clock)은 약 2시간이 소요되므로 지진해일까지 수치모의하는데 약 6시간 이상 소요된다. 다수의 실험조건을 반복적으로 수행하기에는 다소 시간이 많이 소요되기 때문에 기 구축된 격자체계를 기반으로 성근 격자체계를 구성하여 활용하였다.
기존에서는 ADCIRC 모형을 이용해 개방경계 조건으로 FES2004(Lyard et al., 2006)로부터 추출한 M2, S2, K1, O1, N2, K2, P1, Q1 등 총 8개 분조를 고려하고 조석모의를 통해 검증하고 신뢰성을 제시한 바 있다. 따라서 본 발명에서도 해역의 개방경계 위치에서 전지구 조석모델 결과인 FES2004의 총 8개 조석분조를 고려하였다. 아울러 전술한 바와 같이 한반도 인근 대표수심(2019)자료와 공간해상도가 15초 간격으로 구성된 전지구 수심자료 GEBCO_15s(2019)를 본 격자체계에 적용하였다.
나. 조석 모델 및 지진해일 모델 결합
기존 연구에서는 조석을 고려하지 않고 지진에 의한 초기파형을 고려하여 정지해수면으로부터 연안에 도달하는 해일고를 산정하였으며, 국내외 연구에서 우리나라 서남해안을 대상으로 조석과 지진해일을 고려한 사례가 없다. 최근들어 우리나라 서남해안을 대상으로 조석과 지진해일 상호작용에 대한 연구가 발표된 바 있다.
ADCIRC(Luettich et al., 1992)는 미국 기상대기청(NOAA)에서 폭풍해일을 예측하는 공인모델로 사용되고 있으며, 다수의 선행연구에서 조석, 폭풍해일, 파랑 등을 재현하고 예측결과를 평가하는 등 신뢰성이 검증된 모델이다.
본 발명에서는 실제로 나타날 수 있는 지진해일을 고려하기 위해 해수순환모델인 ADCIRC와 Manshinha and Smylie가 제안한 지진해일 단층파형 설정모델을 결합하였다. 유한요소모형을 이용한 조석+지진해일 모형결합이 국내외에서 최초로 시도되었다.
조석-지진해일 상호작용을 고려하기 위해서는 조석이 재현되고 있는 상태에서 지진 발생시 나타나는 초기파형이 외력으로 고려되어야 한다.
따라서 본 발명에서는 ADCIRC 모형을 이용해 정지해수면으로부터 조석에 의한 외력조건을 고려해 조석이 우리나라 서남해안으로 전파 되도록 하였다. 조석재현은 우리나라 서남해안 검조소(인천, 군산, 목포, 완도, 여수, 마산, 서귀포) 위치에서 안정화 되도록 10일간 수치모의 하였다. 각 검조소마다 위치가 다르기 때문에 고조, 저조, 창조, 낙조 상황에서 지진해일이 전파될 수 있도록 하였다. 지진해일은 규모 9.0이 도 46과 같이 유구열도에서 발생하는 것으로 설정하였다. 도 46은 본 발명의 제3 실시예에서 조석이 고려된 지진해일 가상 시나리오를 나타낸 도면이다. Manshinha and Smylie(1971)이 제안한 방법으로 산정된 초기 파형은 유구열도에서 재현된 조위에 초기파형을 합산하였다.
그러나 이와 같은 방법은 초기 파형이 발생하였을 때 나타나는 유속을 추정하기가 곤란하기 때문에 조석에 의해 산정된 유속이 고려되는 것으로 가정하였다. 이후, 지진해일과 조석에 의한 상호작용이 고려된 해일이 연안에 도달되도록 5일간 수치모의 된다. 이와 같은 일련의 모델결합 과정을 Perl 스크립트를 이용해 자동화 하였다.
다. 조석-지진해일 모델 결합 스크립트
deform_v2.f는 Manshinha and Smylie이 제안한 파라미터를 이용한 초기파형 산정 프로그램으로 deform.in 입력파일에 선정한 파라미터를 적용하면, 초기파형이 tsu.xyz 파일로 출력된다. tsu.xyz 파일형식 x, y 공간정보와 초기파형에 대한 지진해일 수위 값이 포함된다.
조석이 고려된 임의 시간의 hotstart 파일에는 조석에 의한 수위와 유속이 기록되어 있으며, binary code로 출력된다. tsu.xyz에 기록된 초기파형과 조석에 의한 수위, 유속 등을 합성하여 고려될 수 있도록 hot2asc.F 파일을 개선하였다.
hotstart_gen1.pl Perl 스크립트는 조석 수치모의 시 매 1시간 간격으로 hotstart 파일을 생성하게 되며, 전술된 프로그램들과 연동되어 조석+지진해일이 고려되도록 자동화하였다.
4.2 조석이 고려된 지진해일 수치모의
가. 조석이 고려된 지진해일 전파 특성
규모 9.0 실험안의 파라미터를 이용해 Manshinha and Smylie(1971)이 제안한 초기파형과 조석을 고려한 경우를 전술한 방법으로 수치시뮬레이션 하였다. 수치모의 결과는 도 47a 및 도 47b에 도시하였다. 도 47a 및 도 47b는 본 발명의 제3 실시예에서 지진해일만 고려한 경우(좌)와 조석이 고려된 경우(우) 해수위 전파도를 나타낸 도면이다. 도 47a 및 도 47b에 도시된 바와 같이, 강제적으로 고려된 지진해일 초기파형이 유구열도에서 발생 및 전파되어 우리나라 서남해안으로 도달하는 것으로 나타난다. 특히 조석과 지진해일이 고려된 실험안의 경우, 조석에 의해 전파되는 조석파와 지진해일이 함께 수치모의 되어 조석-지진해일 상호작용에 의해 나타나는 해일이 전파되는 현상이 잘 재현된 것으로 판단된다. 지진해일은 남해안의 경우 약 3시간 내외로 도달하는 것으로 나타나며, 서해안은 위도에 따라 전파되며, 목포는 7시간, 군산은 9시간, 인천은 11시간 내외로 첫 지진해일 파가 도달하는 것으로 나타난다. 최종 5일간 수치모의한 기간 동안 유구열도에서 발생한 최대 해수위를 살펴보면, 조석에 의한 해수위와 지진에 의한 초기파형이 더해져 지진해일만 고려한 경우보다 높게 산정되었다. 지진해일에 의한 해일이 전파된 상황에서도 황해에서 조석에 의한 무조점 등의 특성이 잘 나타났으며, 만족스러운 초기 결과로 분석된다.
나. 서남해안 지진해일 분석
본 발명의 제3 실시에에 따른 실험에서는 임의로 설정한 조석 상황에서 지진에 의한 초기파형을 고려한 결과를 분석하였다. 분석 시점은 첫 지진해일이 연안에 도달하였을 때의 최대 지진해일과 조석을 분석하였다.
분석 정점은 서해안에 위치한 인천, 군산, 목포를 선정하였으며, 남해안은 완도, 여수, 마산, 서귀포를 선정하였다. 첫 지진해일이 연안에 도달하였을 때 조석 상황은 서남해안 모두 낙조 때이며, 서귀포에서는 200분, 마산은 350분, 여수는 290분, 완도는 290분, 목포는 420분, 군산은 540분, 인천은 660분 만에 해일이 도달하는 것으로 나타난다.
조석과 지진해일 상호작용에 의한 지진해일과 지진해일만 고려된 해일을 비교하였다.
표 25와 도 48에 도시된 바와 같이 서해안(인천, 군산, 목포)에서는 지진해일만 고려되었을 경우, 0.09~0.18 m 높게 산정된 것으로 나타났으며, 남해안(완도, 여수, 마산, 서귀포)에서는 0.03~0.12 m 높게 산정되었다. 도 48은 본 발명의 제3 실시예에서 지진해일 및 조석이 고려된 지진해일 비교 예를 나타낸 도면이다. 증가율을 살펴보면, 서해안에서는 조석이 고려된 경우보다 지진해일만 고려한 경우 38~50%가 증가 되었으며, 남해안은 5~35% 증가된 것으로 나타난다. 따라서 지진해일에 의한 재해를 평가하기 위해서는 조석을 고려하는 것이 필수적인 것으로 판단된다. 본 발명에서 살펴본 바, 조석 상황이 지진해일에 미치는 영향이 크기 때문에 창조, 고조, 낙조, 저조 등의 조석상황에 따른 지진해일이 전파되었을 때를 설정하여 분석하고, 분석된 결과를 제공한다.
서남해안의 검조소 위치에서 시간에 따른 조석과 지진해일의 전파 경향을 분석하였으며, 도 49a 내지 도 49b에 정점별 수위 변화를 도시하였다. 도 49a 내지 도 49b는 본 발명의 제3 실시예에서 조석이 고려된 지진해일 변화를 나타낸 도면이다. 모든 검조소 위치에서 조석과 지진해일이 함께 고려된 경우보다 지진해일만 고려한 경우 지진해일고가 높게 산정되었으며, 특히 서해안의 경우 첫 지진해일 도달 이후 전파되는 해일 높이가 감소되지 않고 증가하는 경향을 보인다.
조석이 고려된 경우에는 지진해일이 시간에 따라 감소하는 경향을 보인다. 이러한 현상은 조석 에너지가 지진해일에 의한 에너지보다 크고, 조석이 지배적인 해역환경 영향으로 이해된다.
5. 남해안 가상 시나리오 상정을 위한 현장조사
남해안 지진해일 가상시나리오 초기 수치모델링의 결과로 지진해일에 직접적인 영향을 받을 수 있는 인구 밀집지역, 만의 지형, 저지대 지역을 대상으로 현장조사 지역을 선정 후 상세 구조물(직립안벽, 방파제 등)의 높이를 실시간 이동 측량(RTK, Real Time Kinematic)을 통해 확보하였다. 이를 통해 기존 수치지형자료를 점검 및 보완하고 지형특성 분석 및 수치모델링의 기초자료로 활용하였다. 현장조사는 1차(10.12.~10.14), 2차(10.21.~23.), 3차(11.02.~04), 4차(11.11.~13)로 수행하였으며, 현장조사 대상지는 도 50에 도시된 바와 같다. 도 50은 본 발명의 제3 실시예에 따른 남해안 현장조사 일정 및 지역을 나타낸 도면이다.
측량 장비 RTK의 신뢰도 확보를 위해 조사지역을 대상으로 지역별 인근 기본수준점 측량을 실시하였다. 국립해양조사원의 기본수준점 성과표와 RTK 장비의 측량값과 비교 후 그 오차를 각 지역별 상세 구조물(직립안벽, 방파제 등)의 실측치에 보정하여 표고자료를 확보하였다.
5.1. 1차 현장조사 결과
1차 현장조사 지역은 도 51에 도시된 바와 같이, 거제도 지역, 동영 지역, 가덕도 지역 및 부산 지역이다. 도 51은 본 발명의 제3 실시예에 따른 1차 현장 조사 지역을 나타낸 도면이다. RTK 측량의 신뢰도 확보를 위하여 통영 통영항, 거제도 구조라항, 가덕도 천성항, 부산 남항에 있는 기본수준점과 RTK 측량값을 비교하였다.
거제 구조라항의 경우 기본수준점 성과표와 비교결과 측량오차 7~8cm, 통영 통영항은 측량오차 4~6cm가량 발생하여 비교적 양호하였다. 가덕도 천성항의 경우 RTK1의 측량오차는 2cm 미만 RTK2의 측량오차가 12~14cm로 발생하여 RTK1으로만 측량을 수행하였으며 부산 남항의 경우 물양장 시설 확충 공사로 인해 출입통제 구역이 많아 측량이 불가한 지역이 많았다.
나. 기본수준점 검증
RTK 장비의 신뢰도를 확보하기 위하여, 도 52에 도시된 바와 같이 거제도 구조라항, 통영, 통영항, 가덕도 천서항, 부산 남항 수준점을 측량하여 국립해양조사원 기본수준점 성과표 비교검증 하였다. 도 52는 본 발명의 제3 실시예에 따른 남해안 1차 조사지역 인근 기본 수준점을 나타낸 도면이다.
5.2. 남해안 2차 현장조사
가. 조사지역 위치도
도 53에 도시된 바와 같이 2차 조사지역을 선정한 후 2차 현장 조사를 실시하였다. 도 53은 본 발명의 제3 실시예에 따른 남해안 2차 현장조사 지역을 나타낸 도면이다. RTK 측량의 신뢰도 확보를 위하여, 여수 여수항, 고흥 발포항, 하동 신노량항, 사천 삼천포항에 있는 기본수준점과 RTK 측량값을 비교하였다. 고흥 발포항의 경우 기본수준점 성과표와 비교결과 측량오차 3cm미만, 여수 여수항은 측량오차 최대 7cm가량 발생하여 비교적 양호하였다. 하동 신노량항의 경우 RTK1의 수신상태 불량으로 측량이 불가하였으며 RTK2의 측량오차가 1.2cm로 RTK2로 측량을 수행하였으며 사천 삼천포항의 최대 측량오차가 8cm 발생하였다.
나. 기본 수준점 검증
RTK 장비의 신뢰도를 확보하기 위하여 도 54에 도시된 바와 같이 고흥 발포항, 여수 여수항, 하동 신노량, 사천 삼천포항 수준점을 측량하여 국립해양조사원 기본수준점 성과표 비교검증 하였다. 도 54는 본 발명의 제3 실시예에 따른 남해안 2차 조사지역 인근 기본 수준점을 나타낸 도면이다.
5.3 남해안 3차 현장조사
가. 조사지역 위치도
도 55에 도시된 바와 같이 3차 조사지역을 선정한 후 3차 현장 조사를 실시하였다. 도 55는 본 발명의 제3 실시예에 따른 남해안 3차 현장조사 지역을 나타낸 도면이다. RTK 측량의 신뢰도 확보를 위하여 목포 목포항, 진도 수품항, 완도 완도항에 있는 기본수준점과 RTK 측량값을 비교하였다. 목포 목포항의 경우 기본수준점 성과표와 비교결과 측량오차 4cm미만, 진도 수품항은 측량 오차 2cm미만으로 비교적 양호하였다. 완도 완도항의 경우 기본수준점 성과표와 실측치를 비교하기위해 TBM NO.8, NO.9 지점을 방문했지만 구조물 증축으로 인해 측량을 실시하지 못하였고 진도의 기본수준점을 기준으로 방파제 및 호안 인근 표고측량을 수행하였다.
나. 기본 수준점 검증
RTK 장비의 신뢰도를 확보하기 위하여 도 56에 도시된 바와 같이 목포 목포항, 진도 수품항, 완도 완도항 수준점을 측량하여 국립해양조사원 기본수준점 성과표 비교검증 하였다. 도 56은 본 발명의 제3 실시예에 따른 남해안 3차 조사지역 인근 기본 수준점을 나타낸 도면이다.
5.4 남해안 4차 현장조사
가. 조사지역 위치도
도 57에 도시된 바와 같이 4차 조사지역을 선정한 후 4차 현장 조사를 실시하였다. 도 57은 본 발명의 제3 실시예에 따른 남해안 4차 현장조사 지역을 나타낸 도면이다. RTK 측량의 신뢰도 확보를 위하여 제주 성산포항, 제주항, 모슬포항, 한림항, 화순항, 서귀포항에 있는 기본수준점과 RTK 측량값을 비교하였다. 성산포항, 모슬포항, 화순항의 경우 기본수준점 성과표와 비교결과 측량오차 약19cm로 나타나 인근 방파제, 호안에서 표고측량 후 오차에 따른 표고 보정을 실시하였다. 제주항은 측량 오차 5cm미만, 한림항은 10cm미만, 서귀포항은 5 cm미만으로 비교적 양호하였다.
나. 기본 수준점 검증
RTK 장비의 신뢰도를 확보하기 위하여 도 58에 도시된 바와 같이 제주 성산포항, 제주항, 모슬포항, 한림항, 화순항, 서귀포항 수준점을 측량하여 국립해양조사원 기본수준점 성과표 비교검증 하였다. 도 58은 본 발명의 제3 실시예에 따른 남해안 4차 조사지역 인근 기본 수준점을 나타낸 도면이다.
<남해안 지진해일 침수범람 위험성 평가>
1. 규모별 가상지진해일 전파특성 분석
본 발명에서는 유구열도에서 발생할 수 있는 가상시나리오에 의한 지진해일을 발생시켰으며, 서남해안으로 지진해일이 전파되는 과정과 특성을 파악하였다. 남해안 지진해일 전파특성 분석을 위해 총 57케이스(규모 9.0 9개, 규모 8.5 16개, 규모 8.0 32개)에 대하여 수치모의 하였으며, 계산시간은 지진해일의 영향을 충분히 고려할 수 있도록 지진 발생시간부터 각각 13시간 동안 수치모의 하였다. 분석 위치는 표 26과 같이 남해안 9개소, 서해안 8개소, 동해 2개소로 총 19개이다.
규모 9.0, 8.5, 8.0에 대해 19개 발생원 중 서해안(인천, 군산), 남해안(여수, 통영) 수면 변위 시계열 자료를 예시로 제시하였으며, 이를 통해 발생원 별로 도달시간을 정리하였다. 도달시간의 정의는 발생원으로부터 첫 번째 수면 변위가 발생하는 시간으로 정하였다.
1.1. 규모 9.0 전파특성 분석(19개 검조소)
도 59는 본 발명의 제3 실시예에서 규모 9.0 지진해일 가상 시나리오를 나타낸 도면이다. 남해안 위험성 평가를 위해 설정된 가상 시나리오 규모 9.0 발생원 CASE01~CASE09까지의 지진해일 전파 특성을 분석한 결과, 발생원별로 전파 양상을 두 가지로 나누어 설명할 수 있다.
발생원 CASE01, CASE04, CASE07 위치에서의 전파는 일본 열도를 따라 이어진 유구열도를 따라서 북동과 남서방향으로 나타났으며, 나머지 발생원 CASE02, CASE03, CASE05, CASE06, CASE08, CASE09 위치에서는 유구열도를 기준으로 직각 방향으로 전파하여 중국 동해안과 남해안을 거쳐 서해안으로 향하는 전파양상을 나타낸다.
발생원 CASE01, CASE04, CASE07의 경우 주된 방향의 지진해일 파는 북서진하여 한반도 제주도 남단 도달하여 굴절과 회절 때문에 전파 방향이 북으로 바뀌면서 지진해일 파는 서해로 전파하는 양상을 보인다. 19개 검조소 중 가장 빠르게 도달하는 지진해일 발생원은 CASE07이며, 지진해일이 도달되는 시간은 흑산도 240분, 서귀포120분, 통영, 완도 120분으로 분석되었다.
발생원 CASE02, CASE05, CASE08의 지진해일 파는 유구 열도와 평행하게 발생하여 전파되며, 북동 및 남서 방향으로 전파된다. 또한, 지형적 특성, 수심 등으로 인해 복잡한 굴절이 발생하는 양상을 보였다. 지진해일 일부는 대한해협으로 전파하였으며, 지진해일 전파는 주로 중국 동해안 및 우리나라 서해안를 따라 이동하는 양상을 보였다. 19개 검조소 중 가장 빠르게 도달하는 지진해일 발생원은 CASE08이며, 흑산도 240분, 서귀포 120분, 거제도 160분으로 분석되었다.
발생원 CASE03, CASE06, CASE09는 유구열도 남서쪽에 있으며, 지진해일은 중국 동해안을 따라 북서로 전파되는 양상을 보인다. 우리나라 목포를 기준으로 다른 발생원 보다 약 30분~50분 후에 도달하는 것으로 나타났다. 19개 검조소 중 가장 빠르게 도달하는 지진해일 발생원은 CASE09이며, 흑산도 290분, 서귀포 170분, 거제도 210분으로 분석되었다.
종합적으로 분석하여 보면, 19개 검조소 위치를 기준으로 첫 지진해일이 가장 빠르게 도달하는 시나리오는 발생원 CASE07, CASE08이며, 우리나라 목포를 기준으로 다른 발생원들보다 30~50분 빠르게 도달된다. 이는 우리나라 한반도와 거리가 비교적 가까운 위치에서 지진해일이 발생하여 전파되기 때문으로 분석된다. 이와 반대로 발생원 CASE03, CASE06, CASE09는 가장 늦게 도달하는 것으로 분석되었다.
1.2 규모 8.5 전파특성 분석(19개 검조소)
도 60은 본 발명의 제3 실시예에서 규모 8.5 지진해일 가상 시나리오를 나타낸 도면이다. 남해안 위험성 평가를 위해 설정된 가상시나리오 규모 8.5 발생원 CASE01~CASE17까지의 지진해일 전파 특성은 두 가지 특성으로 두드러졌으며, 규모 9.0과 비교 하였을 때 도달시간의 변화가 분석되었다.
도달시간의 변화는 발생원과 규모 변화에는 미미하였으며, 지형의 수심 변화가 전파특성에 중요한 영향을 미치는 것으로 나타났다.
발생원 CASE01~CASE17에서 도달시간이 10~30분 느려지는 것으로 나타났으나, 흑산도의 경우 발생원 CASE13, CASE14에서 240분, 서귀포 발생원 13에서 120분으로 규모 9.0과 같은 시간에 도달하는 것으로 분석되었다. 이는 발생원이 가깝고 회절과 굴절에 의한 전파특성으로 판단된다.
1.3 규모 8.0 전파특성 분석(19개 검조소)
도 61은 본 발명의 제3 실시예에서 규모 8.0 지진해일 가상 시나리오를 나타낸 도면이다. 규모 8.0 지진해일 전파특성도 크게 두 가지 특성이 두드러졌으며, 규모 8.0도 규모 8.5와 마찬가지로 도달시간의 변화가 나타났으며, 위와 마찬가지로 지형의 수심 변화가 전파특성에 중요한 영향을 미치는 것으로 분석된다.
규모 8.0은 모든 발생원에서 도달시간이 느려지는 것으로 나타났으며, 몇몇 발생원은 일본 열도 뒤쪽에 위치하다 보니 발생시간이 전파과정에서 저항을 받아 1시간 이상 차이나는 곳도 위치하였다. 그러나 대부분의 발생원에서는 큰 차이를 보이지 않았다.
2. 가상지진해일 최대파고분포 특성 분석
지진해일의 최대 파고분포는 지진해일이 갖는 에너지의 전파과정을 설명할 수 있다. 본 발명에서는 규모 9.0, 8.5, 8.0의 최대 파고분포를 분석하였으며, 분석결과 에너지 대부분은 중국과 태평양 방향으로 전파하는 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로 가상시나리오의 규모와 초기 파고가 높게 시뮬레이션 되었지만, 분석결과 동중국해에 있는 상대적으로 수심이 낮은 대륙붕의 넓은 지역을 지나면서 점차 감쇄되어 지진해일 영향이 우리나라 대부분 지역에서 적은 것으로 분석되었다. 19개 지역의 검조소에서의 발생원 위치별 최대파고분포 변화에 대해 알아보기 위해 발생원별로 구분하여 비교분석을 수행하였다. 그 결과 남해안에는 큰 영향이 없을 것으로 분석된다.
2.1. 규모 9.0 최대 파고분포 분석(19개 검조소)
유구열도에서의 규모 9.0에 대해서 9개의 발생원에 대해 시뮬레이션을 수행하였다. 최대파고 분석결과, 에너지 대부분은 중국과 태평양 방향으로 전파되었으며. 발생원 부근의 최대파고는 약 2~3m 정도 값이 나타나는 것을 알 수 있다.
그리고 우리나라 남해안 대부분 지역에서는 약 1m 미만으로 나타났으며, 마산과 서귀포에서는 약 1m 넘는 최대파고 분포를 나타냈다. 이는 서귀포는 발생원과의 거리가 가장 근접하고 있고 전파과정에서 다른 지역보다 감쇄 구간이 짧기 때문으로 판단된다.
마산의 경우 쐐기 형태의 복잡한 지형으로 되어있기 때문에 지진해일에 의한 에너지가 집중되어 최대파고가 다른 지역에 비해 증가하는 것으로 분석된다.
지진해일 규모별 가상시나리오(규모9.0)의 발생원 위치에 따라 최대파고를 비교분석 하였다. 흑산도의 경우 발생원 9개에 대한 영향이 가장 적게 미치는 것으로 나타났으며, 반대로 가장 영향을 받는 곳은 마산으로 나타났다.
발생원 CASE01, CASE04, CASE07은 서해안 지역(8개) 중 대산에서 가장 낮은 최대파고를 보였으며, 흑산도는 발생원 위치에 대해 영향이 가장 적게 받는 지역으로 나타났다. 반대로 가장 큰 차이를 보이는 지역은 목포로 나타났다. 그리고 발생원에서 가까울수록 최대파고가 높게 나타나지만, 여수의 경우는 발생원 CASE04 보다 CASE01이 높게 나타나는 것을 알 수 있었다. 최대파고가 가장 높게 나타난 마산의 경우 발생원 CASE01과 CASE04의 차이는 크지 않으나 CASE07에서는 상대적으로 높게 나타났다.
발생원 CASE02, CASE05, CASE08 에서는 발생원 CASE01, CASE04, CASE07과 비슷한 경향이 나타났으며, 특이하게 다른 지역과는 다르게 마산과 서귀포에서에서 발생원 CASE05가 CASE02와 CASE08보다 상대적으로 높은 최대파고를 나타내었다.
발생원 CASE03, CASE06, CASE09는 대부분 지역에서 최대파고가 다른 발생원보다 서해안 약 0.2m 미만, 남해안 약 0.4m 낮게 나타났으며, 거제도에서 발생원 CASE03과 CASE06보다 CASE09가 상대적으로 낮은 최대파고를 보였다.
2.2 규모 8.5 최대파고분포 분석(19개 검조소)
가상 시나리오 따라 유구열도에서의 규모 8.0에 대해 16개의 발생원에 대해 시뮬레이션을 수행하였다. 규모 9.0과 비교하여 최대파고는 감소하였으나 마찬가지로 중국과 태평양 방향으로 전파되는 것을 볼 수 있다. 발생원 및 지역에 따라 상당한 최대파고의 차이를 나타내며 유독 마산지역에서만 약 1m가 넘는 최대파고가 나타났다. 서해안 약 0.3m, 마산을 제외한 남해안 약 0.6m 미만의 최대 파고분포를 나타냈다.
지진해일 규모별 가상시나리오(규모8.5)의 발생원에 따라 비교 분석하였다. 발생원 모두에서 규모 9.0과 마찬가지로 대산이 가장 낮은 최대파고 분포가 나타났으며, 모든 발생원에서 마산에서 가장 높게 최대파고가 나타났다. 또한, 규모 8.5에서는 발생원 위치에 영향이 가장 적은 곳은 위도로 나타났다.
발생원 CASE01. CASE05. CASE09. CASE13 에서는 최대파고 분포는 서해안은 흑산도, 목포를 제외한 나머지 6개 지역(인천, 안산, 대산, 보령, 군산, 위도)은 약 0.1m미만의 최대파고 분포를 나타내며, 제주도를 포함한 남해안은 마산을 제외한 나머지 (진도, 완도, 여수, 통영, 거제도, 부산, 제주, 서귀포)은 약 0.6m 최대파고 분포가 나타났다. 대부분 지역에서 발생원 CASE13이 높게 나타났으며, 완도, 여수, 통영에서만 발생원 CASE05가 높게 나타났다.
발생원 CASE02, CASE06, CASE10, CASE14는 서해는 흑산도와 목포를 제외한 6개 지역(인천, 안산, 대산, 보령, 군산, 위도)은 약 0.3m 미만의 최대파고 분포를 보였으며, 19개 지역에서 발생원 CASE14에서 가장 높은 최대파고가 나타났다. 흑산도에서는 발생원(CASE06, CASE14)에서의 영향이 적게 나타나는 경향을 보였다. 발생원 CASE02, CASE06, CASE10, CASE14번 순으로 대부분 지역에서는 최대파고가 높아지는 경향을 보이나 마산은 발생원 CASE02, 흑산도에서는 발생원 CASE06이 두 번째로 높게 나타났다.
발생원 CASE03, CASE07, CASE11, CASE15에서는 최대파고가 서해안의 목포를 제외한 7개 지역(인천, 안산, 대산, 보령, 군산, 위도, 흑산도)에서 약 0,2m 미만, 남해안은 마산에서 약 1.0m 미만으로 나타났다. 발생원별 영향이 가장 적게 나타나는 곳은 서해안 흑산도, 남해안 여수, 통영이다.
다른 발생원과 비교하여 상대적으로 발생원 CASE04, CASE08, CASE12, CASE16에서는 서해안, 남해안 모두 낮게 나타나는 경향을 보였다. 마산의 경우에서도 비교 결과 약 0.8m 미만으로 작게 나타났다.
2.3 규모 8.0 최대파고분포 분석(19개 검조소)
규모 9.0, 8.5와 마찬가지로 에너지 크기 차이가 있을 뿐 에너지의 전파 양상은 유사하거나 같게 나타났다. 최대 파고분포도 이미지를 나타냈으며, 각 발생원의 최대파고는 약 1.0m 전후로 나타났다. 발생원에 대한 19개 검조소 위치에 대해 최대파고가 약 0.85m를 초과하지 않았다. 또한, 서해안과 남해안에서 발생원 별 영향을 가장 많이 받는 곳으로 서해안은 위도, 남해안은 마산, 통영으로 나타났다.
규모 8.0에서는 서해안과 남해안의 최대 해일고 편차가 크게 나타난다. 서해안은 인천, 안산, 대산, 보령은 약 0.05m 미만, 군산, 위도, 흑산도, 목포는 약 0.05m ~ 0.2m 미만으로 최대 해일고가 나타났다. 남해안은 통영과 마산지역에서 최대 해일고가 약 0.5m, 약 0.8m가 나타났으며 그 외 지역은 약 0.4m 미만으로 나타났다. 발생원으로부터 거리가 가까운 서귀포보다 먼 통영 및 마산지역이 상대적으로 높은 해일고를 나타냈으며, 이는 규모 9.0에서 언급한 바와 같은 이유라 분석된다.
3. 조석영향 반영여부에 따른 지진해일 파고변화 특성 분석
앞에서 서남해안을 대상으로 조석이 지진해일에 미치는 영향을 검토하였다. 앞에서 분석된 바에 의하면 지진해일은 조석을 고려하는 것이 타당하며, 남해안의 경우 조석영향이 극히 작은 동해안 보다 조석간만의 차가 매우 커서 조석이 해양환경을 지배하는 남해안에서는 조석과 지진해일의 상호영향을 고려할 필요가 있다. 따라서 본 발명에서는 남해안에 조석 상황(창조, 고조, 낙조, 조조)에 따른 지진해일 전파 경향을 분석한다.
3.1 조석 영향에 따른 지진해일 전파 경향 분석
조석과 지진해일을 고려하기 위한 실험안(가상시나리오 규모 9.0, CASE09)을 이용하여 남해안에 위치한 검조소별 조석상황에 따른 지진해일 전파 특성을 분석하였다. 조석과 조석+지진해일이 시간 변화에 따라 전파되는 수치모의 결과는 조석 상황에 따라 변화된 해수위에 유구열도에서 발생시킨 지진해일고가 더해져 서남해안으로 전파되는 경향이 잘 나타난다.
3.2 조석이 고려된 지진해일고 분석
본 발명에서는 조석 상황에 따라 고려된 지진 해일고와 최대 해수위 변화를 살펴보기 위해 남해안 검조소(완도, 마산, 여수, 부산, 서귀포)에서 나타나는 조위와 지진해일고를 분석하였다. 조석 상황에 따른 지진해일고 비교 결과는 다음 표 27과 같다.
완도에서는 창조때 나타나는 해일고가 0.19 m, 고조와 낙조때는 0.20 m, 저조때는 0.22 m이며, 지진해일만 고려할 경우 0.22 m로 나타난다. 조위 변화에 따른 지진해일고 변화가 크지 않은 것으로 분석된다. 마산은 창조때 0.23 m의 해일고가 나타나며, 고조때 0.33 m, 낙조때 0.20 m, 저조때 0.25 m로 나타난다. 고조때 지진해일고가 크게 나타나는데, 지형적으로 쐐기 형태로된 만에서 조석에 의해 상승된 해수가 지진해일에 의해 중첩되어 지진해일고가 크게 나타나는 것으로 분석된다. 여수에서는 조시와 관계없이 0.27 m의 지진해일고가 나타났으며, 지진해일만 고려하였을 때는 0.30 m로 나타난다. 부산에서는 조차에 따라 0.15~0.17 m로 나타났으며, 서귀포에서는 0.35~0.37 m로 나타난다. 부산과 서귀포에서는 조석이 고려된 지진해일고와 지진만 고려된 해일고의 차이가 크지 않은 것으로 나타났다.
< 남해안 가상 지진해일 수치모형 실험 결과>
본 발명의 제3 실시예에서는 유구열도 및 난카이트러프를 포함하는 가상시나리오를 바탕으로 남해안 가상 지진해일 수치모형 실험을 수행하였으며, 남해안 지진해일 침수범람 위험성 평가를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다. 그리고 우리나라 지진해일 정책에 있어 개선 시 참고할 수 있는 정책, 예경보 발령 기준, 가이드 라인의 국외 자료를 조사하여 정리하였다.
첫 번째, 유구열도 주변 현황조사를 통해 유구열도는 환태평양 조산대에서 필리핀 단층대에 속하며 약 6,000m 이상 수심이 깊고 해저 단층운동이 활발하여 최근 30년 동안 약 10,000회에 지진활동을 보였다. 또한 미지질조사국의 지진위험프로그램에 따라 규모 5.0 이상 발생한 지진은 273회로 조사기간 중 가증 큰 지진은 M7.0의 일본 쿠마모토시로 조사되었다.
두 번째, 2019년도 수행된 서남해 지진해일 가상시나리오 개발 연구 성과인 가상 시나리오를 적용하였으며, 추가적인 문헌 조사를 통해 일본지진조사연구추진본부에서 추산한 지진 규모와 확률에 따라 규모 9.2를 삭제하고 규모 8.0을 추가하여 9.0, 8.5, 8.0으로 변경하여 적용하였다. 최종 적용된 시나리오는 각 규모별로 9.0-9개, 8.5-16개, 8.0-16개 선정되어 총 41개로 선정되었다
세 번째, 모의를 통해 규모 9.0, 8.5 8.0에 대해 전파특성을 분석하였다. 발생원별 전파 양상은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 하나는 일본 열도를 따라 이어진 유구열도를 따라서 북동과 남서 방향이며, 또 하나는 유구열도를 기준으로 직각 방향으로 전파하여 중국 동해안과 남해안을 거쳐 서해안 방향 전파이다. 또한, 도달시간의 변화는 발생원의 규모 변화는 미미하였으며, 지형의 수심 변화가 전파특성에 중용한 영향을 미치는 것으로 나타났다.
네 번째, 지진해일이 갖는 에너지의 전파과정을 설명할 수 있는 규모 9.0, 8.5, 8.0의 최대 파고분포를 분석하였다. 결과적으로 에너지 대부분은 중국과 태평양 방향으로 전파하는 양상을 확인할 수 있었다. 가상시나리오의 규모와 초기 파고가 높게 모의 되었지만, 분석결과 동중국해에 있는 상대적으로 수심이 낮은 대륙붕의 넓은 지역을 지나면서 점차 감쇄되어 지진해일 영향이 우리나라 대부분 지역에서 낮은 것으로 분석되었다.
다섯 번째, 조석과 지진해일의 상호작용에 의해 전파되는 해일을 재현하기 위해 유한요소모델인 ADCIRC와 Manshinha and Smylie(1971)가 제안한 지진해일 단층파형 모델을 결합하였다. 유구열도에서 발생하는 가상시나리오 중 규모 9.0으로 설정된 지진에 의한 초기파형과 조석을 고려하였다. 서남해안에서 전파되는 지진해일고가 지진해일만 고려된 해일고보다 전반적으로 낮게 산정되었다. 지진해일에 의한 위험성 평가시 지진해일은 조석과 함께 중첩되어 나타나기 때문에 조석을 고려하는 것이 필수적인 것으로 분석되었다.
종합적으로 본 발명에서는 그 동안 동해안에 한정된 지진해일 침수범람 위험성 평가를 한반도 주변 해역으로 확대하여, 남해안에서의 지진해일 침수범람 위험성 평가를 수행하였다. 그 결과 남해안에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에서는 출력부(150)를 통해 지진해일 침수범람 위험성 평가 결과를 출력할 때, 관계자나 특별 사용자의 지문을 인식하는 경우에만 출력하도록 제공할 수 있다. 이때, 출력부(150)는 터치 스크린 형태로 구현하여, 사용자의 터치 입력과 지문 입력을 수행할 수 있다.
도 62 및 도 63은 본 발명의 다른 실시예에 따른 출력부를 개략적으로 나타낸 평면도들이다.
도 62 및 도 63을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 출력부(150)는 표시 패널(PN) 및 표시 패널(PN)을 구동하기 위한 구동 회로(DCP)를 포함할 수 있다.
표시 패널(PN)은 표시 영역(DA)과 비표시 영역(NDA)을 포함할 수 있다. 표시 영역(DA)은 화소들(PXL)이 제공됨으로써 영상이 표시될 수 있고, 비표시 영역(NDA)은 표시 영역(DA)의 적어도 일측에 위치할 수 있다. 예를 들어, 비표시 영역(NDA)은 표시 영역(DA)을 둘러싸는 형태로 제공될 수 있다.
표시 영역(DA)에는 복수의 화소들(PXL)이 제공될 수 있다. 실시예에 따라, 화소들(PXL) 각각은 적어도 하나의 발광 소자를 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 발광 소자는 유기 발광 다이오드 또는 마이크로 내지 나노 스케일 범위의 크기를 가지는 초소형 무기 발광 다이오드들을 포함한 발광 유닛일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되지 않는다. 표시 장치(DD)는 입력되는 영상 데이터에 대응하여 화소들(PXL)을 구동함으로써 표시 영역(DA)에서 영상을 표시할 수 있다.
비표시 영역(NDA)은 표시 영역(DA)의 적어도 일측을 둘러싸는 영역으로서, 표시 영역(DA)을 제외한 나머지 영역일 수 있다. 실시예에 따라, 비표시 영역(NDA)은 배선 영역, 패드 영역, 및/또는 각종 더미 영역 등을 포함할 수 있다.
표시 영역(DA)은 도시하지는 않았지만 터치 입출력부를 포함하고, 터치 입출력부는, 지문 센서(FPS) 및 지문 검출부(FPDP)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 출력부(150)의 표시 패널(PN)에서 일 영역은 사용자의 지문 등을 감지할 수 있는 감지 영역(SA)으로 설정될 수 있다. 즉, 표시 영역(DA)의 적어도 일부가 감지 영역(SA)일 수 있다. 이러한 감지 영역(SA)은 표시 영역(DA)에 제공된 화소들(PXL) 중 적어도 일부의 화소들(PXL)을 포함할 수 있다.
여기서 감지 영역(SA)은 사용자의 지문을 감지하는 지문 센서(FPS)를 포함할 수 있다.
도 62에 도시된 바와 같이 표시 영역(DA) 중 일부의 영역만이 감지 영역(SA)으로 설정될 수 있다. 또한 다른 실시예에 따라 도 63에 도시된 바와 같이 표시 영역(DA)의 전체가 감지 영역(SA)으로 설정될 수 있다. 표시 영역(DA) 전체가 감지 영역(SA)으로 설정되는 경우, 표시 영역(DA)을 둘러싼 비표시 영역(NDA)은 비감지 영역(NSA)이 될 수 있다. 감지 영역(SA)에는 복수의 화소들(PXL)과 함께 복수의 광 센서들(PSR)이 배치될 수 있다.
광 센서들(PSR)은 표시 장치(DD)에서 영상이 표시되는 일면(일 예로, 영상 표시면)과 마주보는 타면 측에 배치될 수 있다. 즉, 광 센서들(PSR)은 표시 장치(DD)에서 영상이 표시되지 않는 면에 배치될 수 있다. 이러한 광 센서들(PSR)은 감지 영역(SA) 또는 그 주변에 배치된 적어도 하나의 화소(PXL)에 구비된 발광 소자를 지문 감지 등을 위한 광원으로 이용할 수 있다. 이를 위해, 광 센서들(PSR)은 감지 영역(SA)에 배치된 화소들(PXL) 중 적어도 일부와 중첩되거나, 또는 화소들(PXL)의 주변에 배치될 수 있다.
이와 같은 광 센서들(PSR)은, 감지 영역(SA)의 화소들(PXL), 특히, 화소들(PXL)에 구비된 발광 소자와 함께 광 감지 방식의 지문 센서를 구성할 수 있다. 즉, 광 센서들(PSR)은 발광 소자에서 출사된 광이 사용자에 의해 반사되는 것을 감지하고, 반사광을 검출하여 사용자의 지문을 감지할 수 있다. 상술한 실시예에서 광 센서들(PSR)이 지문 감지를 위한 용도로 이용되는 것으로 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 실시예에 따라, 광 센서들(PSR)은 지문 감지 외에 터치 센서나 스캐너 등과 같은 다양한 기능을 수행하기 위한 용도로 이용될 수 있다.
상술한 본 발명의 다른 실시예에 따른 출력부(150)는, 표시 영역(DA)에 포함된 감지 영역(SA)에 배치된 광 센서들(PSR)을 이용하여, 표시 패널(PN) 상에 위치한 물체의 형상이나 패턴 등을 감지할 수 있다. 일 예로, 출력부(150)는 사용자의 지문을 감지할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 출력부(150)는 화소들(PXL)로부터 방출되는 광을 이용하여 사용자의 지문을 감지할 수 있다. 이와 같이, 별도의 외부 광원을 구비하지 않고 화소들(PXL)을 광원으로 활용하여 지문 센서 내장형 표시 장치를 구현할 경우, 출력부(150)의 두께를 줄일 수 있고, 그의 제조 비용을 줄일 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 지문 감지를 위한 별도의 외부 광원이 채용될 수도 있다.
구동 회로(DCP)는 표시 패널(PN)을 구동할 수 있다. 예를 들어, 구동 회로(DCP)는 표시 패널(PN)로 영상 데이터에 대응하는 데이터 신호를 출력하거나, 광 센서들(PSR)을 위한 구동 신호를 출력하고 광 센서들(PSR)로부터 수신되는 전기적 신호(일 예로, 센싱 신호)를 수신할 수 있다. 구동 회로(DCP)는 전기적 신호들을 이용하여 사용자의 지문 형태를 검출할 수 있다.
실시예에 따라, 구동 회로(DCP)는 패널 구동부(PNDP)와 지문 검출부(FPDP)를 포함할 수 있다. 편의를 위하여, 도 62 및 도 63에서는 패널 구동부(PNDP)와 지문 검출부(FPDP)를 분리하여 도시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 지문 검출부(FPDP)의 적어도 일부는 패널 구동부(PNDP)와 함께 집적되거나, 패널 구동부(PNDP)와 연동하여 동작할 수 있다.
패널 구동부(PNDP)는 표시 영역(DA)의 화소들(PXL)을 순차적으로 주시하면서 화소들(PXL)로 영상 데이터 신호에 대응하는 데이터 신호를 공급할 수 있다. 이러한 경우 표시 패널(PN)은 영상 데이터에 대응하는 영상을 표시할 수 있다.
실시예에 따라, 패널 구동부(PNDP)는 화소들(PXL)로 지문 감지를 위한 구동 신호를 공급할 수 있다. 이러한 구동 신호는 화소들(PXL)이 발광하여 광 센서들(PSR)을 위한 광원으로서 동작하도록 하기 위해 제공될 수 있다. 지문 감지를 위한 구동 신호는, 표시 패널(PN) 내의 특정 영역에 마련된 화소들(PXL), 일 예로 감지 영역(SA)에 제공된 화소들(PXL)에 전달될 수 있다. 다양한 실시예에서, 지문 감지를 위한 구동 신호는 지문 검출부(FPDP)에 의하여 감지 영역(SA)의 화소들(PXL)로 전달될 수 있다.
지문 검출부(FPDP)는 광 센서들(PSR)을 구동하기 위한 구동 신호(일 예로, 구동 전압)를 광 센서들(PSR)로 전달하고, 광 센서들(PSR)로부터 수신되는 전기적 신호들에 기초하여 사용자 지문을 검출할 수 있다.
도 64는 도 62 또는 도 63에 도시된 출력부를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 65는 도 64의 선택적 광 투과부를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 62, 도 63, 도 64 및 도 65를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 출력부(150)는, 표시 패널(PN), 터치 센서(TS), 및 윈도우(WD)를 포함할 수 있다.
표시 패널(PN)은 지문 센서(SA)를 포함하고, 지문 센서(SA)는 광 감지 어레이부(LSL) 및 선택적 광 투과부(LBL)를 포함할 수 있다.
광 감지 어레이부(LSL)는 광을 방출하는 발광 소자(LD)들, 상기 발광 소자들에서 방출되어 지문 접촉면에 접촉한 지문에 의해 반사된 광을 센싱하여 지문에 대응하는 영상을 생성하는 적어도 하나의 광 센서(PSR)를 포함한다.
선택적 광 투과부(LBL)는 광 센서(PSR)로 입사되는 광의 진행 경로를 형성하는 복수의 핀홀들을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 출력부(150)는, 영상이 표시되는 제1 면(SF1) 및 제1 면(SF1)과 마주보는 제2 면(SF2)을 포함하며, 광 감지 어레이부(LSL)는 제1 면(SF1)보다 제2 면(SF2)에 인접하게 위치할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 출력부(150)의 제1 면(SF1)은 영상이 표시되는 표시면일 수 있다. 출력부(150)의 제1 면(SF1)의 일 영역은 사용자의 손가락 지문이 접촉되는 지문 접촉면일 수 있다.
표시 패널(PN)은 영상을 표시할 수 있다. 표시 패널(PN)의 종류는 영상을 표시하는 것으로서 특별히 한정되는 것은 아니다. 표시 패널(PN)로는 유기 발광 표시 패널(Organic Light Emitting Display panel, OLED panel)과 같은 자발광이 가능한 표시 패널이 사용될 수 있다. 또한, 표시 패널(PN)로는 액정 표시 패널(Liquid Crystal Display panel, LCD panel), 전기 영동 표시 패널(Electro-Phoretic Display panel, EPD panel), 및 일렉트로웨팅 표시 패널(Electro-Wetting Display panel, EWD panel)과 같은 비발광성 표시 패널이 사용될 수 있다. 비발광성 표시 패널이 본 발명의 다른 실시예에 따른 출력부(150)의 표시 패널(PN)로 사용되는 경우, 출력부(150)는 표시 패널(PN)로 광을 공급하는 백라이트 유닛을 구비할 수 있다.
표시 패널(PN)은 기판(SUB), 선택적 광 투과부(LBL), 표시 모듈(DM), 및 박막 봉지층(TFE)을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 표시 모듈(DM)은 광을 방출하는 발광 소자(LD)를 포함한 표시 소자부(DPL)와 발광 소자(LD)를 구동하는 회로 소자들을 포함한 화소 회로부(PCL)를 포함할 수 있다.
기판(SUB)은 표시 패널(PN)의 베이스 기재로서, 실질적으로 투명한 투광성 기판일 수 있다. 실시예에 따라, 기판(SUB)은 유리 또는 강화 유리를 포함한 경성 기판(rigid substrate), 또는 플라스틱 재질의 가요성 기판(flexible substrate)일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 기판(SUB)은 가요성 기판일 수 있다.
화소 회로부(PCL)는 기판(SUB)의 일면(일 예로, 상면) 상에 배치되며, 적어도 하나의 도전층을 포함할 수 있다. 일 예로, 화소 회로부(PCL)는 화소 영역들(PXA) 각각에 형성되어 해당 화소(PXL)의 화소 회로를 구성하는 복수의 회로 소자들과, 화소들(PXL)을 구동하기 위한 각종 전원 및 신호를 공급하기 위한 배선들을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 화소 회로부(PCL)는 적어도 하나의 트랜지스터 및 커패시터 등과 같은 각종 회로 소자들과, 이에 연결되는 배선들을 구성하기 위한 복수의 도전층들을 포함할 수 있다. 또한, 화소 회로부(PCL)는 복수의 도전층들 사이에 제공된 적어도 하나의 절연층을 포함할 수 있다. 또한, 화소 회로부(PCL)는 표시 패널(PN)의 비표시 영역(NDA)에 배치되어 화소들(PXL)에 연결된 배선들에 대응하는 전원 및 신호를 공급하는 팬아웃 라인부를 포함할 수 있다.
표시 소자부(DPL)는 화소 회로부(PCL)를 포함한 기판(SUB)의 일면 상에 배치될 수 있다. 실시예에 따라, 표시 소자부(DPL)는, 컨택 홀 등을 통해 화소 회로부(PCL)의 회로 소자들 및/또는 배선들에 연결되는 복수의 발광 소자들(LD)을 포함할 수 있다. 일 예로, 표시 소자부(DPL)는, 화소 영역들(PXA) 각각에 적어도 하나씩 배치된 발광 소자(LD)를 포함할 수 있다. 즉, 표시 소자부(DPL)는 복수 개의 발광 소자들(LD)을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 발광 소자들(LD)은 유기 발광 다이오드이거나 무기 결정 구조를 성장시킨 구조를 이용한 초소형의 발광 소자일 수 있다.
박막 봉지층(TFE)은 적어도 표시 영역(DA)을 커버하도록 표시 소자부(DPL) 상부에 배치될 수 있다.
선택적 광 투과부(LBL)는 적어도 감지 영역(SA)에서 기판(SUB)과 화소 회로부(PCL) 사이에 위치할 수 있다. 일 예로, 선택적 광 투과부(LBL)는 기판(SUB)과 화소 회로부(PCL)의 사이에 위치하도록 기판(SUB)의 일면 상에 배치될 수 있다. 이러한 선택적 광 투과부(LBL)는 복수 개의 핀홀들(PIH) 및 차광 패턴(LBP)을 포함할 수 있다.
차광 패턴(LBP)은 차광성 및/또는 흡광성 물질로 구성될 수 있다. 일 예로, 차광 패턴(LBP)은 인접한 핀홀들(PIH) 사이에서 불투명한 금속층으로 구성될 수 있다. 핀홀들(PIH)은 차광 패턴(LBP)의 적어도 일 영역을 관통하는 관통홀일 수 있다.
선택적 광 투과부(LBL)는 일정 크기 및 간격을 가지도록 차광 패턴(LBP)에 균일하게 제공된 복수의 핀홀들(PIH)을 포함할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 핀홀들(PIH)의 크기, 형상, 개수, 해상도 및/또는 배열 구조 등은 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 핀홀들(PIH)은 불규칙적으로 차광 패턴(LBP)에 제공될 수도 있다.
핀홀들(PIH)은 입사되는 광의 회절을 방지하면서, 보다 또렷한 지문의 형태를 감지할 수 있을 정도의 적절한 크기 및 간격으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 핀홀들(PIH) 각각의 폭은 광의 회절을 방지하기 위하여 입사되는 광의 파장에 대하여 대략 10배 이상으로 설정될 수 있다. 핀홀들(PIH)은 일정한 간격으로 이격될 수 있다. 핀홀들(PIH)은, 도 64에 도시된 바와 같이 격자 배열(grid arrangement)을 이룰 수 있다. 핀홀들(PIH) 사이의 간격은 차광층(LBL)과 광 감지 어레이부(LSL) 사이의 거리, 입사되는 광의 파장, 핀홀들(PIH)에 대하여 요구되는 관측 시야(시야각, Field Of View: FOV)를 기초로 결정될 수 있다. 예를 들어, 상대적으로 선명한 지문의 형태를 감지하기 위해서 이웃한(또는 인접한) 두 핀홀들(PIH) 사이에는 3개 내지 15개의 화소들(PXL)이 위치할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 실시예에 따라, 이웃한(또는 인접한) 두 핀홀들(PIH) 사이에 15개 이상의 화소들(PXL)이 위치하거나 3개 이하의 화소들(PXL)이 위치할 수도 있다.
핀홀들(PIH) 각각은 평면 상으로 볼 때 원 형상으로 이루어질 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 실시예에 따라, 핀홀들(PIH)은 정삼각형, 정사각형, 및 정육각형 등을 포함한 다양한 형상으로 이루어질 수 있다. 핀홀들(PIH)의 밀도(또는 해상도)는 감지 영역(SA) 전체에 균일할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 실시예에 따라 핀홀들(PIH)의 밀도는 감지 영역(SA)의 일 영역에서는 높고, 감지 영역(SA)의 다른 영역에서는 낮을 수 있다. 핀홀들(PIH) 각각은 광 감지 어레이부(LSL)로 입사되는 반사광(RL)이 수렴하는 초점(Focal Point, F)이 형성되는 유효 홀일 수 있다.
선택적 광 투과부(LBL)로 입사되는 광 중 일부는 차광 패턴(LBP)에 의해 차단되고, 나머지 일부는 핀홀들(PIH)을 통과하여 광 감지 어레이부(LSL)에 도달할 수 있다. 선택적 광 투과부(LBL)는 표시 장치(DD)의 제1 면(SF1) 상에 위치한 물체, 일 예로, 사용자의 손가락 지문에서 반사되는 반사광(RL)을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 상술한 핀홀들(PIH)은 광학적인 홀을 의미할 수 있는 것으로서, 핀홀들(PIH) 각각은 관통홀 또는 투광홀의 일종일 수 있다.
상술한 표시 패널(PN)에서, 선택적 광 투과부(LBL)는 표시 소자부(DPL)와 광 감지 어레이부(LSL) 사이에 배치되어 일부 광(일 예로, 반사광(RL))만을 선택적으로 투과시킴으로써 광의 경로 등을 제어하기 위한 광학계를 구성할 수 있다.
상술한 선택적 광 투과부(LBL)는, 표시 패널(PN)의 표시 영역(DA)에 대응되며, 표시 영역(DA)보다 크거나 혹은 동일한 크기(또는 면적)를 가질 수 있다. 일 예로, 감지 영역(SA)이 표시 영역(DA)의 전체인 경우, 선택적 광 투과부(LBL)는 표시 영역(DA)보다 크거나 동일한 크기(또는 면적)를 가질 수 있다. 다른 예로, 감지 영역(SA)이 표시 영역(DA)의 일부인 경우, 선택적 광 투과부(LBL)는 감지 영역(SA) 이상이고 표시 영역(DA) 이하인 크기(또는 면적)를 가지거나 감지 영역(SA)과 동일한 크기(또는 면적)를 가질 수 있다. 또 다른 예로, 감지 영역(SA)이 표시 영역(DA)의 일부인 경우, 선택적 광 투과부(LBL)는 감지 영역(SA)과 동일한 크기(또는 면적)를 가질 수 있다.
광 감지 어레이부(LSL)는 표시 패널(PN)의 적어도 일 영역과 중첩되도록 기판(SUB)의 타면(또는 하부 면)에 부착될 수 있다. 일 예로, 광 감지 어레이부(LSL)는 적어도 감지 영역(SA)에서 표시 패널(PN)과 중첩되도록 배치될 수 있다. 이러한 광 감지 어레이부(LSL)는 소정의 밀도(또는 해상도) 및/또는 간격으로 분산된 복수의 광 센서들(PSR)을 포함할 수 있다.
광 센서들(PSR)은 다수의 광전 변환 소자들(예컨대, 포토 다이오드, 포토트랜지스터, 포토 게이트, 및 핀드 포토 다이오드 등)이 형성된 반도체층(layer) 또는 반도체 칩으로 구현될 수 있다. 실시예에 따라, 광 센서들(PSR)은 CIS(CMOS Image Sensor) 또는 CCD(Charge Coupled Device)와 같은 이미지 센서가 구현된 반도체 레이어일 수 있다.
광 감지 어레이부(LSL)의 광 센서들(PSR)은 핀홀들(PIH)을 통과하여 수신되는 반사광(RL)에 대응하는 전기적 신호를 센싱 신호로서 출력할 수 있다. 각각의 광 센서(PSR)로 수신되는 반사광(RL)은 사용자의 손가락에 형성되는 지문의 골(valley)에 의한 것인지 아니면 융선(ridge)에 의한 것인지 여부에 따라 상이한 광 특성(일 예로, 주파수, 파장, 크기 등)을 가질 수 있다. 따라서, 광 센서들(PSR) 각각은 반사광(RL)의 광 특성에 대응하여 상이한 전기적 특성을 갖는 센싱 신호(또는 전기 신호)를 출력할 수 있다. 광 센서들(PSR)에 의해 출력된 센싱 신호는 이미지 데이터로 변환되어 사용자의 지문 식별을 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 광 센서들(PSR)을 포함한 광 감지 어레이부(LSL)와 핀홀들(PIH)을 포함한 선택적 광 투과부(LBL)는 학습자 단말기(104)의 감지 영역(SA) 내에서 지문 센서의 광학계를 구성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 감지 영역(SA)의 화소들(PXL), 핀홀들(PIH), 및 광 센서들(PSR)을 얼라인함에 있어, 핀홀들(PIH) 각각의 직경(d) 및 두께(T)는 각각의 핀홀(PIH)을 기준으로 하여 윗 면 및 아랫 면에 대한 화각(θ, Angle of View)을 결정하는 파라미터에 해당할 수 있다. 광 센서들(PSR)을 포함한 광 감지 어레이부(LSL)와, 핀홀들(PIH)을 포함한 선택적 광 투과부(LBL)의 크기, 간격, 및/또는 해상도 등을 제어함으로써, 상술한 파라미터가 결정될 수 있다.
상술한 구성들을 포함한 표시 패널(PN) 상에 터치 센서(TS) 및 윈도우(WD)가 배치될 수 있다.
터치 센서(TS)는 표시 패널(PN)에서 영상이 표시되는 면 상에 배치되어 사용자의 터치 입력 및/또는 호버(hover) 입력을 수신할 수 있다. 터치 센서(TS)는 사용자의 손이나 이와 유사한 도전체와 같은 별도의 입력 수단의 접촉 및/또는 근접에 의해 터치 커패시턴스를 감지하여 출력부(150)의 터치 입력 및/또는 호버 입력을 인식할 수 있다. 여기서, 터치 입력은 사용자의 손이나 별도의 입력 수단에 의해 직접 터치(또는 접촉)되는 것을 의미하고, 호버 입력은 사용자의 손이나 별도의 입력 수단이 터치 센서(TS)를 포함한 출력부(150)의 근처에 있지만 터치하지는 않는 것을 의미할 수 있다.
또한, 터치 센서(TS)는 사용자의 터치 동작을 감지하고, 터치 동작에 응답하여 출력부(150)에 표시된 객체를 원래 표시된 위치에서 다른 위치로 이동할 수 있다. 여기서, 터치 동작이란, 단일의 싱글 터치, 멀티 터치, 및 터치 제스처 중의 적어도 하나의 터치를 포함할 수 있다. 일 예로, 사용자의 손가락을 터치 센서(TS)의 터치면 상에 터치한 상태에서 일정 거리를 움직여 텍스트나 영상을 확대하거나 축소하는 등의 특정 제스처 등을 포함한 다양한 터치 동작이 있을 수 있다.
윈도우(WD)는 표시 패널(PN)을 포함한 출력부(150)의 최상단에 배치되는 부재로서, 실질적으로 투명한 투광성 기판일 수 있다. 윈도우(WD)는 표시 패널(PN)로부터의 영상을 투과시킴과 동시에 외부의 충격을 완화시킴으로써, 외부의 충격에 상기 표시 패널(PN)이 파손되거나 오동작하는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 외부의 충격이라 함은, 압력, 스트레스 등으로 표현할 수 있는 외부로부터의 힘으로써, 표시 패널(PN)에 결함을 일으킬 수 있는 힘을 의미할 수 있다. 이러한 윈도우(WD)는 경성 또는 가요성의 기재를 포함할 수 있으며, 윈도우(WD)의 구성 물질이 특별히 한정되는 것은 아니다.
상술한 실시예에 따른 출력부(150)의 지문 감지 방법을 간략히 설명하면 다음과 같을 수 있다. 광 센서들(PSR)이 활성화되는 지문 감지 기간 동안, 사용자의 손가락(예를 들어, 지문 영역)을 감지 영역(SA)에 접촉 또는 근접시킨 상태에서, 감지 영역(SA)의 화소들(PXL)에 구비된 발광 소자들(LD)이 발광될 수 있다. 일 예로, 지문 감지 기간 동안 감지 영역(SA)의 모든 화소들(PXL)에 구비된 발광 소자들(LD)이 동시에 또는 순차적으로 발광될 수 있다. 또는, 감지 영역(SA)의 화소들(PXL) 중 소정 간격으로 일부 화소들(PXL)에 포함된 발광 소자들(LD)만 발광되거나, 특정 색상의 광(일 예로, 청색 광과 같이 단파장대의 광)을 방출하는 일부 화소들(PXL)에 포함된 발광 소자들(LD)만이 선택적으로 발광될 수 있다.
화소들(PXL)로부터 방출된 광(EL) 중 일부가 사용자의 손가락에서 반사되어 출력부(150)의 각 층에 형성된 핀홀들(PIH)을 통과하여 광 센서들(PSR)로 입사될 수 있다. 이때, 각각 지문의 융선(ridge)과 골(valley)에서 반사되는 반사광(RL)의 광량 차이 및/또는 파형에 기초하여 사용자의 지문 형태(지문 패턴)가 검출될 수 있다.
도 66은 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 센서를 포함한 출력부의 감지 영역의 일 예를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 62 내지 도 66을 참조하면, 출력부(150)는 표시 패널(PN), 윈도우(WD), 및 지문 센서(FPS)를 포함할 수 있다. 도면에 직접적으로 도시하지 않았으나, 표시 패널(PN)과 윈도우(WD) 사이에 터치 센서(TS)가 위치할 수 있다.
지문 센서(FPS)는 사용자 지문의 융선(ridge)과 융선(ridge) 사이의 골(valley)에 의해 반사된 광(또는 빛)을 광학 센서들(PSR)을 통해 센싱함으로써 사용자의 지문을 인식하는 광학식 지문 센서일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 지문 센서(FPS)는 지문에 의해 반사된 반사광(RL)을 통과시키는 선택적 광 투과부(LBL) 및 선택적 광 투과부(LBL)를 통과한 반사광(RL)을 센싱하여 전기 신호를 발생하는 광 감지 어레이부(LSL)를 포함할 수 있다.
도 66에서는, 선택적 광 투과부(LBL)가 광 감지 어레이부(LSL)와 함께 지문 센서(FPS)를 구성하는 것을 직접적으로 설명하기 위하여 선택적 광 투과부(LBL)를 표시 패널(PN)로부터 독립된 구성으로 도시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 따라, 지문 센서(FPS)를 구현함에 있어서 광 감지 어레이부(LSL)에 대한 패키징 과정에서 선택적 광 투과부(LBL)가 광 감지 어레이부(LSL)에 적층될 수 있다. 또는, 광 감지 어레이부(LSL)를 구현하기 위한 공정 과정에서, 광 감지 어레이부(LSL)를 구성하는 하나 이상의 레이어에 선택적 광 투과부(LBL)가 레이어 형태로 광 감지 어레이부(LSL)에 적층될 수 있다. 즉, 선택적 광 투과부(LBL)가 광 감지 어레이부(LSL)에 내장된 형태로 지문 센서(FPS)가 구현될 수 있으며, 선택적 광 투과부(LBL)가 내장된 광 감지 어레이부(LSL)에 대해 패키지 과정이 수행될 수 있다. 즉, 실시예에 따라, 선택적 광 투과부(LBL)와 광 감지 어레이부(LSL)는 일체형으로 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 실시예에 따라, 선택적 광 투과부(LBL)는 도 64에 도시된 바와 같이 표시 패널(PN)의 기판(SUB)과 화소 회로부(PCL) 사이에 배치될 수 있으며, 기판(SUB)을 사이에 두고 광 감지 어레이부(LSL)와 함께 출력부(150)의 지문 센서(FPS)를 구성할 수 있다.
선택적 광 투과부(LBL)는 광 투과율 및 반사율이 낮은 재료를 이용하여 다양한 방식에 의해 구현될 수 있다. 일 예로, 선택적 광 투과부(LBL)는 광(또는 빛)을 차단하면서 반사율이 낮은(또는, 흡수율이 높은) 특성을 가짐과 함께, 온도 또는 습도 변화에도 그 경도(hardness)가 유지될 수 있는 재료를 이용하여 구현될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 표시 패널(PN)의 표시 모듈(DM)과 선택적 광 투과부(LBL)는 대략 평행하게 배치될 수 있다. 이에 따라, 표시 모듈(DM) 내의 다수의 발광 소자들(LD)로부터의 광(또는 빛, EL)이 윈도우(WD)에 위치한 지문 방향으로 전달될 수 있으며, 지문에 의해 반사된 반사광(RL)이 선택적 광 투과부(LBL)의 핀홀들(PIH)에 의해 형성된 화각(θ) 내에서 선택적 광 투과부(LBL)로 전달될 수 있다.
지문 센서(FPS)는, 출력부(150)에 접촉하거나 근접한 지문을 감지할 수 있다. 사용자의 지문이 출력부(150)의 제1 면(SF1) 상에 놓여질 때, 표시 모듈(DM) 내의 발광 소자들(LD)로부터 방출된 광이 광원이 되어 사용자의 지문으로 전달 및 반사되고, 반사된 반사광(RL)은 표시 모듈(DM) 및 기판(SUB)을 투과하여(또는 통과하여) 선택적 광 투과부(LBL)의 핀홀들(PIH)을 통해 광 감지 어레이부(LBL)로 전달될 수 있다.
광 감지 어레이부(LSL)는 복수의 광 센서들(PSR)을 포함하고, 각각의 광 센서(PSR)는 지문의 서로 다른 영역에 의해 반사된 반사광(RL)을 센싱하며, 센싱된 반사광(RL)에 대응하는 전기 신호를 발생한다. 각각의 광 센서들(PSR)은 지문의 융선(ridge)에 반사된 광에 대응하는 전기 신호를 발생하거나, 융선(ridge) 사이의 골(valley)에 의해 반사된 광에 대응하는 전기 신호를 발생할 수 있다. 광이 반사된 지문의 형태에 따라 각각의 광 센서(PSR)에서 센싱된 광의 양(또는 세기)은 달라질 수 있으며, 센싱된 광의 양에 따라 서로 다른 레벨을 갖는 전기 신호가 생성될 수 있다. 즉, 복수의 광 센서들(PSR)로부터의 전기 신호는 각각 명암 정보(또는 이미지 정보)를 포함할 수 있으며, 전기 신호에 대한 처리 동작을 통해 각각의 광 센서(PSR)에 대응하는 영역이 융선(ridge)인지 또는 골(valley)인지가 판단될 수 있으며, 판단된 정보를 조합함으로써 전체적인 지문 이미지가 구성될 수 있다.
출력부(150)에서 광학적으로 샘플링되는 지문의 영역들이 정의될 수 있다. 일 예로서, 광 감지 어레이부(LSL)의 복수의 광 센서들(PSR)에 대응하여 다수의 지문 화소들(FPXL)이 정의될 수 있으며, 각각의 지문 화소(FPXL)는 하나의 핀홀(PIH)과 하나의 광 센서(PSR)에 의해 보여지는 피사체 영역에 해당할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 각각의 지문 화소(FPXL)는 사용자가 접촉 또는 근접하여 사용자의 지문이 감지되는 감지 영역(SA)의 일 영역에 포함된 하나의 화소(PXL)를 의미할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 실시예에 따라 감지 영역(SA)의 일 영역에 포함되는 복수개의 화소들(PXL)이 하나의 그룹을 이루어 각각의 지문 화소(FPXL)를 구성할 수도 있다.
표시 패널(PN)과 선택적 광 투과부(LBL) 상의 거리(O), 선택적 광 투과부(LBL)와 광 감지 어레이부(LSL) 사이의 거리(f), 선택적 광 투과부(LBL)의 두께(T), 각각의 핀홀(PIH)의 지름(d) 및 형태 등에 따라 각각의 핀홀(PIH)에 대응하는 지문 화소(FPXL)의 형태 및 사이즈가 결정될 수 있다.
각각의 지문 화소(FPXL) 내에서 하나의 핀 홀(PIH)에 통과될 수 있는 광을 반사하는 영역이 포함될 수 있으며, 해당 영역은 광학 샘플링 영역(OSA)으로 정의될 수 있다. 광학 샘플링 영역(OSA)에 따라, 광 감지 어레이부(LSL) 내에서도 이에 대응하는 광 센싱 영역(LSA)이 정의될 수 있다. 광 센싱 영역(LSA)은 광학 샘플링 영역(OSA)에 대응되며, 광학 샘플링 영역(OSA)에서 반사된 반사광(RL)이 하나의 핀홀(PIH)을 통과하여 광 감지 어레이부(LSL)의 광학 센서들(PSR)로 입사되는 영역을 의미할 수 있다.
상술한 바와 같이, 출력부(150) 내에 포함된 일부 구성들, 일 예로, 선택적 광 투과부(LBL)와 광 감지 어레이부(LSL)를 이용하여 광학식의 지문 센서(FPS)를 용이하게 구현함에 따라 사용자의 손가락 전체를 감지할 수 있는 대면적의 지문 센서(FPS) 구현이 가능해질 수 있다. 즉, 사용자의 손가락보다 큰 크기(또는 면적)를 갖는 대면적 지문 센서(FPS)가 구현될 수 있다.
도 67a 내지 도 67d는 본 발명의 일 실시예들에 따른 지문 화소들, 핀홀들, 및 광 센서들의 배치를 설명하기 위한 평면도들이다. 구체적으로, 도 67a 내지 도 67d는 도 66의 감지 영역(SA)에 위치하는 지문 화소들(FPXL), 핀홀들(PIH), 및 광 센서들(PSR)의 상대적 크기, 밀도(또는 해상도) 및/또는 배치 관계를 다양한 실시예에 따라 설명하기 위한 평면도들이다.
우선 도 67a를 참조하면, 감지 영역(SA)은 지문 화소들(FPXL, PXL)보다 적은 개수의 핀홀들(PIH) 및 광 센서들(PSR)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 핀홀들(PIH) 및 광 센서들(PSR)은 지문 화소들(FPXL, PXL)보다 작은 크기를 가지되, 지문 화소들(FPXL, PXL)보다 낮은 밀도로 감지 영역(SA) 내에 분포될 수 있다.
한편, 도 67a에서는 핀홀들(PIH) 및 광 센서들(PSR)이 지문 화소들(FPXL, PXL)보다 밀도가 낮은 실시예를 도시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 실시예에 따라, 핀홀들(PIH) 및 광 센서들(PSR)은 일대일(1:1)로 대응하도록 실질적으로 동일한 개수 및 간격으로 감지 영역(SA)에 분포될 수 있다. 일 예로, 핀홀들(PIH) 및 광 센서들(PSR)은 일대일(1:1) 쌍을 이루어 서로 중첩되도록 배치될 수 있다. 실시예에 따라, 한 쌍을 이루는 핀홀(PIH) 및 광 센서(PSR)는 감지 영역(SA)에 배치된 어느 하나의 지문 화소(FPXL, PXL)와 중첩되도록 배치될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 핀홀들(PIH) 및 광 센서들(PSR)은 서로 중첩되지 않도록 교호적으로 배치되거나, 지문 화소들(FPXL, PXL)과 중첩되지 않도록 배치될 수도 있다.
핀홀들(PIH) 및 광 센서들(PSR)은 서로 동일 또는 상이한 크기를 가질 수 있다. 즉, 핀홀들(PIH) 및 광 센서들(PSR)의 상대적 크기나 밀도가 특별히 한정되지 않는다.
도 67b를 참조하면, 감지 영역(SA)은 지문 화소들(FPXL, PXL)보다 적은 개수의 핀홀들(PIH) 및 지문 화소들(FPXL, PXL)보다 많은 개수의 광 센서들(PSR)을 포함할 수 있다. 일 예로, 핀홀들(PIH) 및 광 센서들(PSR)은 지문 화소들(FPXL, PXL)보다 작은 크기를 가지되, 핀홀들(PIH)은 지문 화소들(FPXL, PXL)보다 낮은 밀도로 감지 영역(SA) 내에 분포되고, 광 센서들(PSR)은 지문 화소들(FPXL, PXL)보다 높은 밀도로 감지 영역(SA) 내에 조밀하게 분포될 수 있다.
광 센서들(PSR) 중 적어도 일부는, 적어도 하나의 핀홀(PIH) 및/또는 지문 화소(FPXL, PXL)와 중첩될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 실시예에 따라, 광 센서들(PSR) 중 일부는 핀홀들(PIH) 및/또는 지문 화소들(FPXL, PXL)과 중첩되도록 배치되고, 다른 일부는 지문 화소들(FPXL, PXL) 사이의 간극에 배치될 수도 있다.
도 67c 및 도 67d를 참조하면, 광 센서들(PSR)은 도 67b에 도시된 실시예보다 작은 크기 및 보다 높은 밀도를 가지도록 감지 영역(SA)에 분포될 수 있다. 일 예로, 광 센서들(PSR)은 핀홀들(PIH)의 간격에 비해 대략 1/10 배 내지 1/100 배 정도의 좁은 간격으로 감지 영역(SA)에 분포될 수 있다. 이러한 경우, 광 센서들(PSR)은, 지문 화소들(FPXL, PXL) 및/또는 핀홀들(PIH)과의 사이에서 일대일(1:1) 정렬이 필요하지 않을 정도로 감지 영역(SA)에 조밀하게 배치되며, 이에 따라 지문 화소들(FPXL, PXL) 및/또는 핀홀들(PIH)과 광 센서들(PSR)의 정렬 여부와 무관하게 모아레 발생이 방지 또는 최소화될 수 있다.
실시예에 따라, 핀홀들(PIH)은 동일 또는 상이한 밀도로 감지 영역(SA)에 분포될 수 있다. 일 예로, 핀홀들(PIH)은 도 67c에 도시된 바와 같이 지문 화소들(FPXL, PXL)과 동일한 밀도로 감지 영역(SA)에 분포되거나, 도 67d에 도시된 바와 같이 지문 화소들(FPXL, PXL)보다 낮은 밀도로 감지 영역(SA)에 분포될 수 있다.
도 67a 내지 도 67d에서는 핀홀들(PIH) 및 광 센서들(PSR)이 감지 영역(SA) 내에 규칙적인 어레이 형태로 배열되는 실시예가 도시되었지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 실시예에 따라, 핀홀들(PIH) 및/또는 광 센서들(PSR)은 감지 영역(SA) 내에 불규칙적으로 분포되거나, 감지 영역(SA)의 각 영역 또는 구간에 따라 상이한 밀도 또는 배열 구조로 분포될 수 있다.
감지 영역(SA) 내에서 지문 화소들(FPXL, PXL), 핀홀들(PIH), 및 광 센서들(PSR)의 배치 구조 등이 상술한 실시예들에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 감지 영역(SA)에 배치되는 지문 화소들(FPXL, PXL), 핀홀들(PIH), 및/또는 광 센서들(PSR)의 형상, 배열 형태, 상대적 크기, 개수, 밀도 및/또는 상호 배치 관계 등은 다양하게 변경될 수 있다.
도 68은 도64의 EA 영역을 확대한 단면도이다.
도 68에서는 도 64에 도시된 EA 영역, 일 예로, 하나의 화소에 포함된 화소 회로부(PCL)와 표시 소자부(DPL)를 보다 상세하게 도시하였다. 특히, 도 68에서는, 화소 회로부(PCL)에 제공된 적어도 하나의 트랜지스터(TR)와 표시 소자부(DPL)에 제공된 발광 소자(LD, OLED)를 도시하였다.
도 62 내지 도 68을 참조하면, 하나의 화소(PXL, 이하 '화소'라 함)는 기판(SUB), 기판(SUB) 상에 제공된 화소 회로부(PCL) 및 화소 회로부(PCL) 상에 제공된 표시 소자부(DPL)를 포함할 수 있다.
화소 회로부(PCL)는 버퍼층(BFL), 적어도 하나의 트랜지스터(TR), 보호층(PSV)을 포함할 수 있다. 표시 소자부(DPL)는 광을 방출하는 발광 소자(LD, OLED)를 포함할 수 있다. 설명의 편의를 위하여, 화소 회로부(PCL)를 우선 설명한 후 표시 소자부(DPL)에 대해 설명하기로 한다.
버퍼층(BFL)은 기판(SUB) 상에 제공될 수 있다. 버퍼층(BFL)은 트랜지스터(TR)에 불순물이 확산되는 것을 방지할 수 있다. 버퍼층(BFL)은 단일층으로 제공될 수 있으나, 적어도 이중층 이상의 다중층으로 제공될 수도 있다. 버퍼층(BFL)이 다중층으로 제공되는 경우, 각 층은 동일한 재료로 형성되거나 또는 서로 다른 재료로 형성될 수 있다. 버퍼층(BFL)은 기판(SUB)의 재료 및/또는 공정 조건 등에 따라 생략될 수도 있다. 버퍼층(BFL)은 무기 재료를 포함한 무기 절연막이거나 또는 유기 재료를 포함한 유기 절연막일 수 있다.
트랜지스터(TR)는 표시 소자부(DPL)의 발광 소자들(LD, OLED)에 전기적으로 연결되어 발광 소자(LD, OLED)를 구동하는 구동 트랜지스터를 포함할 수 있다. 도면에 직접적으로 도시하지 않았으나, 트랜지스터(TR)는 구동 트랜지스터를 스위칭하는 스위칭 트랜지스터를 포함할 수 있다.
트랜지스터(TR)는 반도체층(SCL), 게이트 전극(GE), 제1 단자(SE), 및 제2 단자(DE)를 포함할 수 있다. 제1 단자(SE)는 소스 전극 및 드레인 전극 중 어느 하나의 전극일 수 있으며, 제2 단자(DE)는 나머지 하나의 전극일 수 있다. 예를 들어, 제1 단자(SE)가 소스 전극일 경우 제2 단자(DE)는 드레인 전극일 수 있다.
반도체층(SCL)은 버퍼층(BFL) 상에 배치될 수 있다. 반도체층(SCL)은 제1 단자(SE)에 접촉되는 제1 영역과 제2 단자(DE)에 접촉되는 제2 영역을 포함할 수 있다. 제1 영역과 제2 영역 사이의 영역은 채널 영역일 수 있다. 반도체층(SCL)은 폴리 실리콘, 아몰퍼스 실리콘, 산화물 반도체 등으로 이루어진 반도체 패턴일 수 있다. 채널 영역은 불순물이 도핑되지 않는 반도체 패턴으로서, 진성 반도체일 수 있다. 제1 영역 및 제2 영역은 불순물이 도핑된 반도체 패턴일 수 있다.
게이트 전극(GE)은 게이트 절연층(GI)을 사이에 두고 반도체층(SCL) 상에 제공될 수 있다. 게이트 절연층(GI)은 무기 재료를 포함한 무기 절연막일 수 있다.
제1 단자(SE)와 제2 단자(DE) 각각은 층간 절연층(ILD)과 게이트 절연층(GI)을 관통하는 관통 홀을 통해 반도체층(SCL)의 제1 영역 및 제2 영역에 접촉될 수 있다. 층간 절연층(ILD)은 무기 재료를 포함한 무기 절연막일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 실시예에 따라 유기 재료를 포함한 유기 절연막일 수도 있다.
상술한 실시예에 있어서, 트랜지스터(TR)의 제1 및 제2 단자들(SE, DE)이 반도체층(SCL)과 전기적으로 연결된 별개의 전극으로 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 실시예에 따라, 트랜지스터(TR)의 제1 단자(SE)는 반도체층(SCL)의 채널 영역에 인접한 제1 및 제2 영역 중 하나의 영역일 수 있으며, 상기 트랜지스터(TR)의 제2 단자(DE)는 반도체층(SCL)의 채널 영역에 인접한 제1 및 제2 영역들 중 나머지 영역일 수 있다. 이러한 경우, 트랜지스터(TR)의 제2 단자(DE)는 브릿지 전극, 또는 컨택 전극 등을 포함한 연결 수단을 통해 표시 소자부(DPL)의 발광 소자(LD, OLED)에 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 화소 회로부(PCL)에 포함된 트랜지스터(TR)는 LTPS 트랜지스터로 구성될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 실시예에 따라, 산화물 반도체 박막 트랜지스터로 구성될 수도 있다. 또한, 실시예에 따라, 화소 회로부(PCL)는 LTPS 박막 트랜지스터로 이루어진 적어도 하나의 트랜지스터(TR)와 산화물 반도체 박막 트랜지스터로 이루어진 적어도 하나의 트랜지스터(TR)를 포함할 수 있다. 추가적으로, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 트랜지스터(TR)가 탑 게이트(top gate) 구조의 박막 트랜지스터인 경우를 예로서 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 실시예에 따라, 트랜지스터(TR)는 바텀 게이트(bottom gate) 구조의 박막 트랜지스터일 수도 있다.
트랜지스터(TR) 상에는 보호층(PSV)이 제공될 수 있다. 보호층(PSV)은 트랜지스터(TR) 상에 제공 및/또는 형성되어 트랜지스터(TR)를 커버할 수 있다. 보호층(PSV)은 유기 절연막, 무기 절연막, 또는 무기 절연막 상에 배치된 유기 절연막을 포함하는 형태로 제공될 수 있다. 여기서, 무기 절연막은 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 유기 절연막은 광을 투과시킬 수 있는 절연 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유기 절연막은 아크릴계 수지(polyacrylates resin), 에폭시계 수지(epoxy resin), 페놀 수지(phenolic resin), 폴리아미드계 수지(polyamides resin), 폴리이미드계 수지(polyimides rein), 불포화 폴리에스테르계 수지(unsaturated polyesters resin), 폴리페닐렌 에테르계 수지(poly-phenylen ethers resin), 폴리페닐렌 설파이드계 수지(poly-phenylene sulfides resin), 및 벤조사이클로부텐 수지(benzocyclobutene resin) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다음으로, 표시 소자부(DPL)에 대해 설명한다.
표시 소자부(DPL)는 보호층(PSV) 상에 제공된 발광 소자(LD, OLED)를 포함할 수 있다. 발광 소자(LD, OLED)는 제1 전극(AE), 발광층(EML), 및 제2 전극(CE)을 포함할 수 있다.
제1 전극(AE) 및 제2 전극(CE) 중 하나는 애노드 전극일 수 있으며, 나머지는 캐소드 전극일 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(AE)이 애노드 전극일 수 있으며 제2 전극(CE)이 캐소드 전극일 수 있다. 발광 소자(LD, OLED)가 전면 발광형 유기 발광 소자인 경우, 제1 전극(AE)이 반사형 전극이고, 제2 전극(CE)이 투과형 전극일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 발광 소자(LD, OLED)가 전면 발광형 유기 발광 소자이며, 제1 전극(AE)이 애노드 전극인 경우를 예로서 설명한다.
제1 전극(AE)은 보호층(PSV)을 관통하는 컨택 홀(CH)을 통해 화소 회로부(PCL)의 트랜지스터(TR)에 전기적으로 연결될 수 있다. 일 예로, 제1 전극(AE)은 보호층(PSV)의 컨택 홀(CH)을 통해 화소 회로부(PCL)의 트랜지스터(TR)의 제2 단자(DE)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 전극(AE)은 광을 반사시킬 수 있는 반사막(미도시) 및 반사막의 상부 또는 하부에 배치되는 투명 도전막(미도시)을 포함할 수 있다. 투명 도전막 및 반사막 중 적어도 하나는 트랜지스터(TR)에 전기적으로 연결될 수 있다.
보호층(PSV) 상에는 제1 전극(AE)의 일부, 예를 들면, 제1 전극(AE)의 상면을 노출하는 개구부(OPN)를 구비한 화소 정의막(PDL)을 더 포함할 수 있다. 화소 정의막(PDL)은 유기 절연막을 포함할 수 있다. 예를 들면, 화소 정의막(PDL)은 폴리스티렌(polystyrene), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA, polymethylmethacrylate), 폴리아크릴로니트릴(PAN, polyacrylonitrile), 폴리아미드(PA, polyamide), 폴리이미드(PI, polyimide), 폴리아릴에테르(PAE, polyarylether), 헤테로사이클릭 폴리머(heterocyclic polymer), 파릴렌(parylene), 에폭시(epoxy), 벤조시클로부텐(BCB, benzocyclobutene), 실록산계 수지(siloxane based resin) 및 실란계 수지(silane based resin) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
화소(PXL)는 표시 패널(PN)의 표시 영역(DA)의 화소 영역(PXA)에 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 화소 영역(PXA)은 발광 소자(LD, OLED)에서 광이 방출되는 발광 영역(EMA) 및 상기 발광 영역에 인접한 주변 영역을 포함할 수 있다. 주변 영역은 광이 방출되지 않는 영역일 수 있으며, 발광 영역(EMA)은 제1 전극(AE), 발광층(EML), 및 제2 전극(CE)이 중첩된 영역일 수 있다. 이러한 발광 영역(EMA)은 화소 정의막(PDL)의 개구부(OPN)에 의해 노출된 제1 전극(AE)의 일부 영역에 대응하게 정의될 수 있다.
발광층(EML)은 화소 정의막(PDL)의 개구부(OPN)에 의해 노출된 제1 전극(AE) 상면 상에 배치될 수 있다. 발광층(EML)은 적어도 광 생성층(light generation layer)을 포함한 다층 박막 구조를 가질 수 있다. 발광층(EML)은 정공을 주입하는 정공 주입층(hole injection layer), 정공의 수송성이 우수하고 광 생성층에서 결합하지 못한 전자의 이동을 억제하여 정공과 전자의 재결합 기회를 증가시키기 위한 정공 수송층(hole transport layer), 주입된 전자와 정공의 재결합에 의하여 광을 생성하는(또는 방출하는) 광 생성층(light generation layer), 광 생성층에서 결합하지 못한 정공의 이동을 억제하기 위한 정공 억제층(hole blocking layer), 전자를 광 생성층으로 원활히 수송하기 위한 전자 수송층(electron transport layer), 및 전자를 주입하는 전자 주입층(electron injection layer)을 구비할 수 있다.
광 생성층에서 생성되는 광의 색상은 적색(red), 녹색(green), 청색(blue), 및 백색(white) 중 하나일 수 있으나, 본 실시예에서 이를 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 발광층(EML)의 광 생성층에서 생성되는 광의 색상은 마젠타(magenta), 시안(cyan), 옐로우(yellow) 중 하나일 수도 있다. 정공 주입층, 정공 수송층, 정공 억제층, 전자 수송층, 및 전자 주입층은 서로 인접한 발광 영역(EMA)에서 연결되는 공통막일 수 있다.
제2 전극(CE) 상에는 제2 전극(CE)을 커버하는 박막 봉지층(TFE)이 제공될 수 있다.
박막 봉지층(TFE)은 표시 소자부(DPL)를 밀봉한다. 박막 봉지층(TFE)은 단일층으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 실시예에 따라 다중층으로 이루어질 수도 있다. 박막 봉지층(TFE)은 발광 소자(LD, OLED)를 포함한 표시 소자부(DPL)를 커버하는 복수의 절연막을 포함할 수 있다. 박막 봉지층(TFE)은 적어도 하나의 무기막 및 적어도 하나의 유기막을 포함할 수 있다. 예를 들면, 박막 봉지층(TFE)은 무기막 및 유기막이 교번하여 적층된 구조를 가질 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 박막 봉지층(TFE)은 표시 소자부(DPL) 상에 배치되고 실런트를 통해 기판(SUB)과 합착되는 봉지 기판일 수 있다.
기판(SUB)과 화소 회로부(PCL) 사이에는 선택적 광 투과부(LBL)가 제공될 수 있다. 선택적 광 투과부(LBL)는 차광 패턴(LBP)과 적어도 하나의 핀홀(PIH)을 포함할 수 있다. 선택적 광 투과부(LBL)의 핀홀(PIH)은 화소(PXL)의 발광 영역(EMA)과 중첩되도록 선택적 광 투과부(LBL) 내에 위치할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 69는 본 발명의 다른 실시예에 따른 출력부(150)의 개략적인 단면도이다.
도 69를 참조하면, 출력부(150)의 감지 영역(SA)의 제1 면(SF1)에 사용자의 지문이 접촉하면, 접촉 영역에 대응하는 지문 화소들(FPXL, PXL) 각각의 발광 소자(LD, OLED)가 구동되어 제1 면(SF1)으로 광(EL)을 방출할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위하여, 감지 영역(SA)의 제1 면(SF1) 중 사용자의 지문이 직접적으로 접촉되는 영역을 지문 접촉면(SF1)으로 지칭한다.
지문 접촉면(SF1)에 대응하는 지문 화소들(FPXL)의 발광 소자들(LD, OLED)은 동시에 발광되거나 순차적으로 발광될 수 있다. 사용자 지문으로 방출된 광은 사용자 지문에 의해 반사되어 표시 모듈(DM) 및 선택적 광 투과부(LBL)를 통과하여(또는 투과하여) 광 감지 어레이부(LSL)로 입사할 수 있다. 광 감지 어레이부(LSL)의 광 센서들(PSR)은 반사광(RL)을 수신하여 사용자의 지문 영상을 획득하고, 획득한 지문 영상을 지문 검출부(FPDP)로 소정 프레임 속도로 제공한다.
이때, 광 감지 어레이부(LSL)는 사용자 지문의 외곽부에서 반사된 반사광(RL)을 수신하여 사용자 지문의 외곽부 영상을 확득하고, 획득한 지문 외곽부 영상을 지문 검출부(FPDP)로 제공할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 사용자 지문의 외곽부라 함은, 사용자 지문이 감지 영역(SA)의 지문 접촉면(SF1)에 접촉되는 부분(A, 지문 인증부)의 주변으로 사용자 지문이 상기 제1 면(SF1)에 접촉되지 않고 제1 면(SF1)으로부터 이격된(또는 근접한) 영역(B)을 의미할 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여 사용자 지문이 지문 접촉면(SF1)에 접촉하는 부분(A, 또는 지문 인증부)을 '제1 영역(A)'으로 지칭하고, 제1 영역(A)의 외곽부를 '제2 영역(B)'으로 지칭한다.
지문의 제1 영역(A)과 지문의 제2 영역(B)은, 연속되는 융선(ridge)과 융선(ridge) 사이에 위치하며 연속되는 골(valley)을 포함하고 있으며, 영역별로 광 감지 어레이부(LSL)로 입사되는 반사광(RL)의 차이로 인하여 밝기 차이(또는 그레이 레벨 차이)가 존재할 수 있다. 이러한 차이를 이용하여 광 감지 어레이부(LSL)에서 획득된 지문 영상에서 지문의 제1 영역(A)과 지문의 제2 영역(B)의 구분이 가능할 수 있다.
도 69에 도시된 바와 같이, 사용자의 지문을 감지하는 감지 영역(SA) 내의 선택적 광 투과부(LBL)가 제1 내지 제5 핀홀들(PIH1 ~ PIH5)을 포함하는 경우, 광 감지 어레이부(LSL)는 제1 내지 제5 핀홀들(PIH1 ~ PIH5) 각각을 통과하여 광 감지 어레이부(LSL)로 진행하는 광을 수신하여 단위 핀홀(PIH) 별로 지문 영상을 획득할 수 있다. 예를 들어, 지문 인증을 위해 감지 영역(SA) 내에서 사용자 손가락이 직접 접촉되는 제1 영역(A)과 상기 제1 영역(A)의 외곽부에 위치하는 제2 영역(B)이 선택적 광 투과부(LBL)의 제1 내지 제4 핀홀들(PIH1 ~ PIH4)에 대응되는 경우, 광 감지 어레이부(LSL)는 제1 내지 제4 핀홀들(PIH1 ~ PIH4) 각각을 통과하여 광 감지 어레이부(LSL)로 진행하는 광을 수신하여 단위 핀홀(PIH) 별로 지문 영상을 획득할 수 있다.
제1 영역(A)에서 반사된 광은 제1 내지 제4 핀홀들(PIH1 ~ PIH4)을 통과하여 제1 내지 제4 핀홀들(PIH1 ~ PIH4) 각각에 대응하는 광 감지 어레이부(LSL)로 진행될 수 있다. 이와 동시에, 제2 영역(B)에서 반사된 광도 제1 내지 제4 핀홀들(PIH1 ~ PIH4)을 통과하여 상기 제1 내지 제4 핀홀들(PIH1 ~ PIH4) 각각에 대응하는 광 감지 어레이부(LSL)로 진행될 수 있다.
제1 영역(A)에서 반사된 광의 양(또는 세기)과 제2 영역(B)에서 반사된 광의 양(또는 세기)은 서로 상이할 수 있다. 일 예로, 제1 영역(A)에서 반사된 광의 양(또는 세기)은 제2 영역(B)에서 반사된 광의 양(또는 세기)보다 많을 수 있다. 제1 영역(A)은 사용자 지문이 지문 접촉면(SF1)에 직접 접촉되는 영역이고, 제2 영역(B)은 사용자 지문이 지문 접촉면(SF1)에 닿지 않는 영역이므로, 각 영역에서 지문의 융선(ridge)과 골(valley)에서의 반사율 차이가 발생할 수 있다. 이러한 반사율 차이로 인하여 광 감지 어레이부(LSL)에서 획득한 지문 영상에서 사용자 지문의 제1 영역(A)과 제2 영역(B)이 구분될 수 있다.
한편, 출력부(150)의 지문 접촉면(SF1)에는 사용자의 실제 손가락 지문이 접촉되거나 위조 지문이 접촉될 수 있다. 여기서, 위조 지문이라 함은 투명 필름 또는 종이 등에 인쇄한 위조 지문, 지문틀에 특정 물질을 부어 만든 위조 지문 등을 포함할 수 있다.
사용자의 손가락 지문(이하, '생체 지문'이라 함)이 지문 접촉면(SF1)에 접촉될 때 지문 검출부(FPDP)에서 영상처리 된 지문 영상의 일 예는, 제1 영역(A)에 생체 지문에 형성된 융선(ridge)과 골(valley)이 관측되고, 제2 영역(B)에는 제1 영역(A)에 비하여 상대적으로 희미하지만 제1 영역(A)의 융선(ridge)과 연속성을 갖는 융선(ridge) 및 제1 영역(A)의 골(valley)과 연속성을 갖는 골(valley)이 인식될 수 있다.
위조 지문, 일 예로, 종이에 인쇄한 위조 지문이 지문 접촉면(SF1)에 접촉될 때 지문 검출부(FPDP)에서 영상처리 된 지문 영상의 일 예는, 제1 영역(A)에서는 생체 지문에 형성된 융선(ridge) 및 골(valley)과 유사한 형태를 갖는 패턴이 나타나지만, 제2 영역(B)에서는 선택적 광 투과부(LBL)에 포함된 핀홀들(PIH)의 배열이 관측되는 것을 확인할 수 있다. 일 예로, 제2 영역(B)에서는 격자 배열을 이루는 핀홀들(PIH)이 인식될 수 있다.
상술한 바와 같이, 생체 지문 및 위조 지문 각각의 제1 영역(A)에서는 지문의 융선(ridge)과 골(valley)이 관측될 수 있으나, 생체 지문 및 위조 지문 각각의 제2 영역(B)에서는 서로 상이한 영상이 관측될 수 있다. 즉, 생체 지문의 제2 영역(B)에서는 희미하지만 지문의 융선(ridge)과 골(valley)이 관측될 수 있으나, 위조 지문의 제2 영역(B)에서는 핀홀들(PIH)의 격자 배열이 관측될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서는, 출력부(150)에서 생체 지문과 위조 지문 각각의 제2 영역(B)에서 관측되는 영상을 통하여 지문 접촉면(SF1)에 접촉된 지문이 생체 지문인지 위조 지문인지를 판단할 수 있다.
지문 검출부(FPDP)는 광 감지 어레이부(LSL)로부터 획득된 지문 영상에서 제1 영역(A)에 해당하는 영상과 제2 영역(B)에 해당하는 영상을 추출하고, 추출된 영상들에 대해 이미지 전처리(Preprocessing) 및 합성 등을 수행한 후 유사도 여부를 판단하거나 특정 패턴, 일 예로, 핀홀들(PIH)의 격자 배열과의 대응 여부를 판단함으로써 표시 장치(DD)의 지문 접촉면(SF1)에 접촉된 지문이 생체 지문인지 위조 지문인지를 판단할 수 있다.
지문 검출부(FPDP)는 지문 센서(FPS)로부터 영상을 입력받아 지문의 제1 영역에 대응하는 제1 영상과 지문의 제2 영역에 대응하는 제2 영상을 추출하여 제1 및 제2 영상들을 비교하여 유사도를 판단하며, 그 결과에 따라 지문 인증을 수행할 수 있다.
지문의 제1 영역은 지문 접촉면에 접촉한 지문의 일 영역이고, 지문의 제2 영역은 지문의 일 영역의 외곽에 위치하며 지문 접촉면에 접촉되지 않는 지문의 다른 영역일 수 있다.
도 70은 도 62 또는 도 63에 도시된 지문 검출부를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 62 내지 도 70을 참조하면, 지문 검출부(FPDP)는 영상 수신부(IRP), 저장부(DBP), 영상 추출부(IEP), 영상 처리부(IPP), 유사도 판단부(SDP), 및 지문 인증 수행부(FPAP)를 포함할 수 있다.
지문 검출부(FPDP)는 광 감지 어레이부(LSL)와 일체로 하나의 모듈처럼 형성될 수도 있으나, 광 감지 어레이부(LSL)와 특정 통신 인터페이스로 연결된 별도의 장치일 수도 있다. 예컨대, 지문 검출부(FPDP)는 모듈 형태로 마련된 광 감지 어레이부(LSL)와 유에스비(USB: Universal Serial Bus)로 연결된 컴퓨터 장치(또는 그 내부의 일부 구성)일 수 있다. 이러한 경우, 광 감지 어레이부(LSL)도 지문 검출부(FPDP)와 연결된 유에스비(USB) 인터페이스를 구비해야 한다.
영상 수신부(IRP)는 광 감지 어레이부(LSL)가 소정 프레임 속도로 제공하는 영상을 모두 수신하고 이를 영상 추출부(IEP)로 전달할 수 또한, 영상 수신부(IRP)는 수신한 영상들 중에서 출력부(150)의 지문 접촉면(SF1)에 지문이 접촉한 때에 광 감지 어레이부(LSL)에서 획득된 지문 영상을 인식하여 버퍼에 저장한 후 이를 영상 추출부(IEP)로 전달한다. 영상 수신부(IRP)는 수신한 영상들 중 특정 요소 값(일 예로, 그레이 레벨, 밝기 레벨, 값이 변한 화소의 개수 등)의 변화를 감지하여 지문 영상인지 여부를 확인하고, 지문 영상으로 판단되면 버퍼에 저장하고 이를 영상 추출부(IEP)로 전달한다.
저장부(DBP)는 등록 지문 영상을 저장한다. 이때, 저장부(DBP)는 등록 지문 영상에 대하여 분석된 특징점 정보를 저장할 수 있다. 특징점은 사람마다 다르기 때문에, 저장부(DBP)는 사용자로부터 등록 지문 영상을 얻고, 특징점의 위치와 개수 등을 분석하여 데이터 베이스화하여 저장할 수 있다. 여기서, 특징점은, 등록 지문 영상에서 융선(ridge)이 지나는 끝점(ending point)과 2개 이상의 융선(ridge)이 만나는 분기점(bifurcation point) 등을 포함할 수 있다.
영상 추출부(IEP)는 영상 수신부(IRP)로부터 전달된 지문 영상으로부터 원하는 영역의 영상을 추출한다. 영상 추출부(IEP)는 영상 수신부(IRP)로부터 전달된 지문 영상에서 반사광의 차이로 인한 영역별 밝기 차이(또는 그레이 레벨 차이)를 이용하여 지문 인증을 위한 제1 영역(A)의 영상과 지문 외곽부 영역인 제2 영역(B)의 영상을 각각 추출할 수 있다.
일 예로, 영상 추출부(IEP)는 지문 영상에서 상대적으로 밝은 영역에 해당하는 제1 영역(A)을 관심 영역(Region Of Interest, ROI)으로 선택하여 해당 영역의 영상만을 추출할 수 있다. 또는, 영상 추출부(IEP)는 지문 영상에서 상대적으로 어두운 영역에 해당하는 제2 영역(B)을 관심 영역(Region Of Interest, ROI)으로 선택하여 해당 영역의 영상만을 추출할 수 있다. 실시예에 따라, 영상 추출부(IEP)는 에지 트레이싱(Edge Tracing), 에지 검출(Edge Detection), 경계 추척(Boundary Flowing) 알고리즘 등을 이용하여 제1 영역(A)의 영상과 제2 영역(B)의 영상을 추출할 수 있다. 영상 추출부(IEP)는 영상 수신부(IRP)로부터 전달된 지문 영상에서 공지된 다양한 방법 등을 이용하여 지문 인증을 위한 제1 영역(A)의 영상 및 상기 제1 영역(A)의 외곽부에 해당하는 제2 영역(B)의 영상을 추출할 수 있다.
영상 추출부(IEP)에서 추출된 제1 영역(A)의 영상과 제2 영역(B)의 영상은 영상 처리부(IPP)로 전달될 수 있다.
영상 처리부(IPP)는 영상 추출부(IEP)로부터 전달된 제1 영역(A)의 영상 및 제2 영역(B)의 영상에 대해 이미지 전처리(Preprocessing)를 수행할 수 있다. 여기서, 이미지 전처리(Preprocessing)라 함은, 제1 영역(A)의 영상과 제2 영역(B)의 영상에 포함된 잡음(또는 노이즈)을 제거하고, 데이터의 양을 축소하여 필요한 정보를 찾아내기에 수월한 형태로 영상을 처리하는 것을 의미할 수 있다. 이미지 전처리(Preprocessing)는 평활화(smoothing) 과정, 이진화(binarization) 과정, 및 세선화(thinning) 과정 등을 포함할 수 있다.
영상 처리부(IPP)는 제1 영역(A)의 영상과 제2 영역(B)의 영상 각각에 대해 잡음(또는 노이즈)의 영향을 최소화시키기 위해서 명암 구분을 높이고 잡음을 제거하는 평활화 과정을 진행할 수 있다. 일 예로, 평활화 과정은 히스토그램(Histogran)을 이용한 평활화를 거쳐 미세한 잡음을 추가로 제거하는 메디언 필터(Median Filter)를 사용한 평활화를 진행할 수 있다. 또한, 영상 처리부(IPP)는 평활화 과정을 통해 잡음이 제거된 256 그레이 레벨의 제1 영역(A)의 영상과 제2 영상(B)을 0(검은색) 또는 1(흰색)로 변경하는 이진화 과정을 수행한 후 세선화 과정을 진행할 수 있다. 영상 처리부(IPP)는 이미지 전처리(Preprocessing)가 이루어진 제1 영역(A)의 영상과 제2 영역(B)의 영상을 합성한 뒤 이를 유사도 판단부(SDP)로 전달할 수 있다.
유사도 판단부(SDP)는 영상 처리부(IPP)로부터 전달된 영상을 통해 제1 영역(A)과 제2 영역(B)의 유사도 정도를 판단할 수 있다.
유사도 판단부(SDP)는, 제1 영역(A)과 제2 영역(B) 사이의 경계를 기준으로 제1 영역(A)의 영상과 제2 영역(B)의 영상 사이에 휘도(또는 밝기) 차이가 있고 서로 유사한 패턴 또는 실질적으로 동일한 패턴을 갖는 경우 제1 영역(A)의 영상과 제2 영역(B)의 영상을 유사한 영상으로 판단할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 제1 영역(A)의 영상과 제2 영역(B)의 영상이 서로 유사한 패턴을 갖거나 실질적으로 동일한 패턴을 갖는 경우는, 연속성을 갖는 지문의 융선(ridge)과 골(valley)을 포함하는 경우를 의미할 수 있다. 또한, 유사도 판단부(SDP)는 제1 영역(A)의 영상의 휘도(또는 밝기)와 제2 영역(B)의 영상의 휘도(또는 밝기)가 차이가 있되 서로 유사한 패턴 또는 실질적으로 동일한 패턴을 갖지 않을 때 제1 영역(A)의 영상과 제2 영역(B)의 영상을 유사하지 않는 영상으로 판단할 수 있다.
제1 영역(A)의 영상과 제2 영역(B)의 영상이 유사하다고 판단되면(즉, 제1 영역(A)의 영상과 제2 영역(B)의 영상 사이에 휘도(또는 밝기) 차이가 있고 서로 연속되는 지문의 융선(ridge)과 골(valley)을 포함하면), 유사도 판단부(SDP)는 지문 접촉면(SF1)에 접촉한 지문을 생체 지문으로 인식하고 그 결과를 지문 인증 수행부(FPAP)로 전달한다. 지문 인증 수행부(FPAP)는 저장부(DBP)로부터 전달된 등록 지문 영상과 제1 영역(A)의 영상의 매칭을 통해 지문 인증을 수행한다.
또한, 제1 영역(A)의 영상과 제2 영역(B)의 영상이 유사하다고 판단되지 않으면(즉, 제1 영역(A)의 영상과 제2 영역(B)의 영상 사이에 휘도(또는 밝기) 차이가 있되, 서로 연속되는 지문의 융선(ridge)과 골(valley)을 포함하지 않으면), 유사도 판단부(SDP)는 지문 접촉면(SF1)에 접촉한 지문을 위조 지문으로 인식하고 그 결과를 지문 인증 수행부(FPAP)로 전달하고, 지문 인증 수행부(FPAP)를 유사도 판단부(SDP)의 결과에 따라 지문 인증을 수행하지 않는다.
한편, 다른 실시예에 따라, 유사도 판단부(SDP)는 영상 처리부(IPP)로부터 전달된 영상과 등록된 기준 영상을 비교하여 영상들의 유사도 정도를 판단할 수 있다. 등록된 기준 영상이라 함은, 위조 지문의 제2 영역(B)에서 관측되는 핀홀들(PIH)의 격자 배열을 포함한 영상일 수 있다. 즉, 다른 실시예에 따른 유사도 판단부(SDP)는 영상 처리부(IPP)로부터 전달된 영상이 핀홀들(PIH)의 격자 배열을 포함한 기준 영상에 대응하는지 아닌지를 판단하여 그 결과를 지문 인증 수행부(FPAP)로 전달할 수 있다.
영상 처리부(IPP)로부터 전달된 영상이 핀홀들(PIH)의 격자 배열을 포함한 기준 영상에 대응하지 않는 경우, 유사도 판단부(SDP)는 지문 접촉면(SF1)에 접촉한 지문을 생체 지문으로 판단하고 그 결과를 지문 인증 수행부(FPAP)로 전달한다. 지문 인증 수행부(FPAP)는 저장부(DBP)로부터 전달된 등록 지문 영상과 제1 영역(A)의 영상의 매칭을 통해 지문 인증을 수행한다. 또한, 영상 처리부(IPP)로부터 전달된 영상이 핀홀들(PIH)의 격자 배열을 포함한 등록된 기준 영상에 대응하는 경우, 유사도 판단부(SDP)는 지문 접촉면(SF1)에 접촉한 지문을 위조 지문으로 판단하고 그 결과를 지문 인증 수행부(FPAP)로 전달하고, 지문 인증 수행부(FPAP)는 유사도 판단부(SDP)의 결과에 따라 지문 인증을 수행하지 않는다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 광 센서들(PSR)을 포함한 광 감지 어레이부(LSL)와 핀홀들(PIH)을 포함한 선택적 광 투과부(LBL)를 지문 센서(FPS)로 구성함으로써 지문 센서(FPS)를 대면적으로 구현할 수 있다. 이러한 대면적 지문 센서(FPS)를 활용할 경우, 사용자 손가락 지문의 전체 영상 취득이 가능하여 지문 접촉면(SF1)에 접촉된 지문의 제1 영역(A)의 영상뿐만 아니라 제1 영역(A)의 외곽부인 제2 영역(B)의 영상까지 획득할 수 있다. 제1 영역(A)의 영상과 제2 영역(B)의 영상만을 분석하여 유사도 정도를 판단함으로써 지문 접촉면(SF1)에 접촉된 지문이 생체 지문인지 위조 지문인지를 판단할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 출력부(150)는 생체 지문임을 판단하는 별도의 바이오 센서의 구비 없이도 지문의 위조 여부를 용이하게 판단할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 출력부(150)는 지문 접촉면(SF1)에 접촉된 지문에서 반사되는 광의 색 특성을 이용하여 지문의 위조 여부를 판단하는 센서(일 예로, 컬러 센서)의 구비 없이도 지문의 위조 여부를 용이하게 판단할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 출력부(150)는 별도의 바이오 센서 및/또는 컬러 센서의 구비에 따른 제조 비용을 절감할 수 있다.
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Claims (41)
- 서해 및 남해에 비해 상대적으로 해빈면의 경사가 급하고 조차가 작아 조간대의 범위가 좁은 동해, 남해 및 동해에 비해 상대적으로 얕은 수심을 갖고 상대적으로 조차가 큰 서해와 남해를 포함하는 각 해상의 지진해일 침수범람을 위험성을 판단하기 위한 시스템에 있어서,
현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터를 입력받기 위한 입력부;
범람역의 DEM(Digital Elevation Model) 데이터를 입력받고, 수치지도 상의 기 설정된 등고선을 기준으로, 상기 범람역의 규모 및 상기 DEM 데이터의 해상도에 대응되는 상기 범람역 내의 격자체계를 구성하고, 상기 범람역의 해저지형 및 과거 지진해일 발생 지점의 위치 정보에 기초하여 상기 격자체계 내의 격자 수정 영역을 설정하며, 프랙탈 차원분석을 이용하여 상기 격자 수정 영역 별 격자체계의 해상도를 결정하는 수치시뮬레이션 모델부;
상기 입력받은 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터에 근거하여 가상 지진해일 시나리오를 생성하고, 상세 수심 정보를 포함하여 1 km 격자 간격으로 FEM(Finite Element Method) 격자체계를 구축하며, 고조와 저조, 창조, 낙조를 포함하는 조석의 영향에 따른 가상 서해 지진해일 수치모형을 생성하는 가상 서해 수치모형 생성부;
상기 가상 서해 수치모형 생성부에 상연깊이, 단층면 경사각, 슬립방향각이 적용된 가상 지진해일 시나리오를 생성하는 특징을 더 포함하여 가상 남해 지진해일 수치모형을 생성하는 가상 남해 수치모형 생성부;
상기 수치시뮬레이션 모델부를 활용하여 상기 범람역에 대한 현장 조사 데이터를 입력받아 가상 지진해일 시나리오를 생성하고, 상세 수심 정보를 포함하여 1 km 격자 간격으로 FEM(Finite Element Method) 격자체계를 구축하며, 고조와 저조, 창조, 낙조를 포함하는 조석의 영향에 따른 가상 동해 지진해일 수치모형을 생성하는 가상 동해 수치모형 생성부;
상기 가상 서해 지진해일 수치모형 또는 상기 가상 남해 지진해일 수치모형 또는 상기 가상 동해 지진해일 수치모형에 따라 규모별 가상 지진해일의 전파 특성들을 분석하되, 규모 및 발생 위치에 따른 도달시간을 분석하고, 상기 규모별 가상 지진해일의 최대파고 분포를 분석하며, 상기 조석의 영향에 따른 지진해일의 전파 경향 및 파고를 분석하여 지진해일의 위험성을 평가하는 위험성 평가부;
상기 분석에 따라 평가된 위험성을 출력하는 출력부; 및
상기 입력부를 통해 입력받은 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터에 근거하여 가상 지진해일 수치모형을 생성하거나 조석의 영향에 따른 지진해일의 전파 경향 및 파고를 분석하여 지진해일의 위험성을 평가하는 동작을 제어하는 제어부
를 포함하되,
상기 가상 서해 수치모형 생성부는 지진해일 에너지가 집중될 것으로 예상되는 만의 형태를 이루어지는 곳을 우선순위로 선정하여, 해안 구조물의 표고 자료를 실시간 이동 측량(RTK: Real Time Kinematic) 방식을 통해 서해의 특징을 고려한 데이터를 수치모델링 기초자료로 확보하여 활용하고,
상기 수치시뮬레이션 모델부는, 상기 범람역에서의 과거 지진 파형을 상기 범람역의 격자크기에 따라 시뮬레이팅된 파형과 비교하고, 그 비교 결과에 따라 상기 범람역의 격자크기를 결정하고, 격자 간격 차이에 따른 상기 격자 수정 영역의 표면적 크기를 나타내는 표면적 그래프를 작성하고, 상기 표면적 그래프의 커브에 기초하여 제1 임계치를 추출하며, 상기 추출된 제1 임계치에 대응되는 격자 크기를 결정하고, 상기 격자 간격 차이에 따른 상기 격자 수정 영역의 에너지 크기를 나타내는 에너지 그래프로 작성하고, 상기 에너지 그래프의 커브에 기초하여 제2 임계치를 추출하며, 상기 추출된 제2 임계치에 대응되는 격자 크기를 결정하고,
상기 가상 동해 수치모형 생성부는 11개의 가상 시나리오를 대상으로 모멘트 규모(Mw)를 7.5 내지 8.5로 증가시키며 계산을 수행하고, 가상 시나리오는 번호가 증가할수록 일본 연안 남측에서 북측으로 이동하고, 모멘트 규모가 커질수록 파형의 범위가 동측과 북측으로 커지는 형태를 나타내고, 가상 시나리오가 1에서 11로 갈수록 지진해일이 동해안에 늦게 도달하고, 시나리오 1의 경우 105분, 시나리오 11의 경우 125분에 동해안에 도달하는 것으로 나타내고, 임원항의 최대 수위는 FEM모델의 경우 0.27 내지 2.72의 범위를 갖고, 묵호항의 최대 수위는 FEM모델의 경우 0.37 내지 1.47의 범위를 갖고, 속초항의 최대 수위는 FEM모델의 경우 0.17 내지 0.86의 범위를 갖고, 포항구항의 최대 수위는 FEM모델의 경우 0.11 내지 0.41의 범위를 갖고, 상기 FEM모델의 계산치를 FDM모델의 계산치보다 크게 나타내고,
상기 조석의 영향에 따른 가상 서해 지진해일 수치모형은, 서해안의 지진에 의한 초기파형을 산정하고 급변하는 해수면 변화를 수치모델에 반영한 ADCIRC 모형을 이용해 개방경계 조건으로 FES 2004로부터 추출한 M2, S2, K1, O1, N2, K2, P1, Q1의 8개 조석 분조를 고려한 조석모의를 통해 검증하고, 조석이 재현되고 있는 상태에서 지진 발생시 나타나는 초기파형이 외력으로 적용되고, ADCIRC 모형을 이용해 정지 해수면으로부터 조석에 의한 외력조건을 고려해 조석과 지진해일이 서해안으로 전파되도록 하고, 조석에 의한 해수위에서 지진에 의한 초기파형이 더해져 지진해일만 고려한 경우보다 높게 산정되고, 지진해일에 의한 해일이 전파된 상황에서도 서해에서 조석에 의한 무조점 특성이 나타나며, 조석에 의해 전파되는 조석파와 지진해일의 상호작용에 의해 나타나는 해일이 전파되는 현상이 재현되고, 조석에 의한 해수위(only Tide), 평균해면 기준의 지진해일고(only Tsunami), 조석과 지진해일의 상호작용을 고려한 해수위(Tide & Tsunami)를 대상으로 수치모형 실험을 수행하고, 조석 상호작용을 고려한 지진해일고(Tidal tsunami)는 조석과 지진해일의 상호작용을 고려한 해수위(Tide & Tsunami)로부터 조석에 의한 해수위(only tide) 성분을 제거한 것으로 정의되는 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 현장 조사 데이터는,
전북 부안군과 고창군, 전남 영광군에서 지진해일 내습시 피해를 입을 수 있는 만지형과, 마을과 항구를 포함하는 인구밀집지역의 방파제, 해안도로, 제방, 접안시설을 포함하는 저지대 구조물을 대상으로 표고측량한 데이터;
충남 태안군, 홍성군, 보령시, 서천군과 전북 군산시에서 지진해일 내습시 침수피해가 있게 되는 만지형과, 마을과 항구를 포함하는 인구밀집지역의 방파제, 해안도로, 제방, 접안시설을 포함하는 해안지역 구조물을 대상으로 표고측량한 데이터; 및
인천 광역시, 경기도 시흥시, 화성시, 충남 서산시, 태안군 일대에서 지진해일 내습시 피해를 입을 수 있는 만지형과, 마을과 항구를 포함하는 인구밀집지역의 방파제, 해안도로, 제방, 접안시설을 포함하는 저지대 구조물을 대상으로 표고측량한 데이터;
를 포함하는 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 가상 서해 지진해일 수치모형은,
서해에서 지진해일이 발생할 수 있는 단층 파라미터에 대하여, 중국 렌원강 동측해역, 산둥반도 남측해역, 발해만 해역을 단층대로 선정하고,
가상 지진해일 발생 위치에 지진해일 에너지가 전파되도록 단층의 주향각을 설정하는,
지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 가상 서해 지진해일 수치모형은,
단층변위량(d) 가상 지진해일 시나리오의 지진규모를 이용하여 단층 파라미터를 산정하기 위하여, 지진 규모별 지진 모멘트 및 단층 변위량을 설정하되, Fuji and Satake에서 제시한 단층 파라미터를 상기 가상 지진해일 시나리오에 적용하여, 지진 깊이(H)는 3 km, 단층면 경사각(δ)은 45°, 단층면 미끄러지는 각(λ)은 135°로 설정하는,
지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 FEM 격자체계는, 격자 크기와 지형 및 수심이 고려된 서해 영역, 서남해안 영역, 유구열도 영역, 유구열도 남측 영역, 동해 영역의 5 개 영역으로 구분되는,
지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 조석의 영향에 따른 가상 서해 지진해일 수치모형은, 서해안 만지형 및 인구밀집지역인 인천, 평택, 안흥, 보령, 군산, 위도, 영광, 목포의 8개 지역에 대하여, 첫 지진해일이 연안에 도달하였을 때 조석 상황은 상기 8개 지역 모두 낙조 때이며, 인천에서는 300분, 평택은 320분, 안흥은 210분, 보령은 260분, 군산은 250분, 위도는 220분, 영광은 240분, 목포는 280분 만에 해일이 도달하는 것으로 나타내고, 지진해일만 고려된 경우 첫 지진해일 도달 이후 전파되는 해일의 잔차 성분은 30시간 동안 나타내며, 조석이 고려된 경우에는 조석의 영향으로 지진해일이 시간에 따라 감소하여 18시간 이후에는 지진해일의 영향이 없는 것으로 나타내는, 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템.
- 제 10 항에 있어서,
상기 조석의 영향에 따른 가상 서해 지진해일 수치모형은, 상기 8개 지역 중 서해 중부의 인천, 평택, 안흥, 보령에서 지진해일만 고려되었을 경우, 0.37 내지 0.51m로 산정하고, 서해 남부의 군산, 위도, 영광, 목포에서는 0.57 내지 0.94m로 산정하며, 지진해일 발생 위치에 따라 지진해일 전파 차이는 있지만 서해 중부보다 서해 남부에서 지진해일고가 높게 산정하고, 조석과 지진해일, 지진해일만 고려된 경우를 비교하면, 서해 중부에서는 조석이 고려된 경우가 지진해일만 고려한 경우보다 인천은 65%, 평택은 59%, 안흥 4%, 보령은 15%가 감소하고, 서해 남부에서는 군산은 14%, 목포는 16% 증가하며, 위도는 4%, 영광은 9% 감소한 것으로 나타내는, 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템.
- 서해 및 남해에 비해 상대적으로 해빈면의 경사가 급하고 조차가 작아 조간대의 범위가 좁은 동해, 남해 및 동해에 비해 상대적으로 얕은 수심을 갖고 상대적으로 조차가 큰 서해와 남해를 포함하는 각 해상의 지진해일 침수범람을 위험성을 판단하기 위한 시스템을 이용한 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법에 있어서,
상기 지진해일 침수범람 위험 평가시스템은,
현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터를 입력받기 위한 입력부;
범람역의 DEM(Digital Elevation Model) 데이터를 입력받고, 수치지도 상의 기 설정된 등고선을 기준으로, 상기 범람역의 규모 및 상기 DEM 데이터의 해상도에 대응되는 상기 범람역 내의 격자체계를 구성하고, 상기 범람역의 해저지형 및 과거 지진해일 발생 지점의 위치 정보에 기초하여 상기 격자체계 내의 격자 수정 영역을 설정하며, 프랙탈 차원분석을 이용하여 상기 격자 수정 영역 별 격자체계의 해상도를 결정하는 수치시뮬레이션 모델부;
상기 입력받은 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터에 근거하여 가상 지진해일 시나리오를 생성하고, 상세 수심 정보를 포함하여 1 km 격자 간격으로 FEM(Finite Element Method) 격자체계를 구축하며, 고조와 저조, 창조, 낙조를 포함하는 조석의 영향에 따른 가상 서해 지진해일 수치모형을 생성하는 가상 서해 수치모형 생성부;
상기 가상 서해 수치모형 생성부에 상연깊이, 단층면 경사각, 슬립방향각이 적용된 가상 지진해일 시나리오를 생성하는 특징을 더 포함하여 가상 남해 지진해일 수치모형을 생성하는 가상 남해 수치모형 생성부;
상기 수치시뮬레이션 모델부를 활용하여 상기 범람역에 대한 현장 조사 데이터를 입력받아 가상 지진해일 시나리오를 생성하고, 상세 수심 정보를 포함하여 1 km 격자 간격으로 FEM(Finite Element Method) 격자체계를 구축하며, 고조와 저조, 창조, 낙조를 포함하는 조석의 영향에 따른 가상 동해 지진해일 수치모형을 생성하는 가상 동해 수치모형 생성부;
상기 가상 서해 수치모형 생성부, 상기 가상 남해 수치모형 생성부, 상기 가상 동해 수치모형 생성부를 포함하는 가상 수치모형 생성부;
상기 가상 서해 지진해일 수치모형 또는 상기 가상 남해 지진해일 수치모형 또는 상기 가상 동해 지진해일 수치모형에 따라 규모별 가상 지진해일의 전파 특성들을 분석하되, 규모 및 발생 위치에 따른 도달시간을 분석하고, 상기 규모별 가상 지진해일의 최대파고 분포를 분석하며, 상기 조석의 영향에 따른 지진해일의 전파 경향 및 파고를 분석하여 지진해일의 위험성을 평가하는 위험성 평가부;
상기 분석에 따라 평가된 위험성을 출력하는 출력부; 및
상기 입력부를 통해 입력받은 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터에 근거하여 가상 지진해일 수치모형을 생성하거나 조석의 영향에 따른 지진해일의 전파 경향 및 파고를 분석하여 지진해일의 위험성을 평가하는 동작을 제어하는 제어부
를 포함하되,
상기 가상 서해 수치모형 생성부는 지진해일 에너지가 집중될 것으로 예상되는 만의 형태를 이루어지는 곳을 우선순위로 선정하여, 해안 구조물의 표고 자료를 실시간 이동 측량(RTK: Real Time Kinematic) 방식을 통해 서해의 특징을 고려한 데이터를 수치모델링 기초자료로 확보하여 활용하고,
상기 수치시뮬레이션 모델부는, 상기 범람역에서의 과거 지진 파형을 상기 범람역의 격자크기에 따라 시뮬레이팅된 파형과 비교하고, 그 비교 결과에 따라 상기 범람역의 격자크기를 결정하고, 격자 간격 차이에 따른 상기 격자 수정 영역의 표면적 크기를 나타내는 표면적 그래프를 작성하고, 상기 표면적 그래프의 커브에 기초하여 제1 임계치를 추출하며, 상기 추출된 제1 임계치에 대응되는 격자 크기를 결정하고, 상기 격자 간격 차이에 따른 상기 격자 수정 영역의 에너지 크기를 나타내는 에너지 그래프로 작성하고, 상기 에너지 그래프의 커브에 기초하여 제2 임계치를 추출하며, 상기 추출된 제2 임계치에 대응되는 격자 크기를 결정하고,
상기 가상 동해 수치모형 생성부는 11개의 가상 시나리오를 대상으로 모멘트 규모(Mw)를 7.5 내지 8.5로 증가시키며 계산을 수행하고, 가상 시나리오는 번호가 증가할수록 일본 연안 남측에서 북측으로 이동하고, 모멘트 규모가 커질수록 파형의 범위가 동측과 북측으로 커지는 형태를 나타내고, 가상 시나리오가 1에서 11로 갈수록 지진해일이 동해안에 늦게 도달하고, 시나리오 1의 경우 105분, 시나리오 11의 경우 125분에 동해안에 도달하는 것으로 나타내고, 임원항의 최대 수위는 FEM모델의 경우 0.27 내지 2.72의 범위를 갖고, 묵호항의 최대 수위는 FEM모델의 경우 0.37 내지 1.47의 범위를 갖고, 속초항의 최대 수위는 FEM모델의 경우 0.17 내지 0.86의 범위를 갖고, 포항구항의 최대 수위는 FEM모델의 경우 0.11 내지 0.41의 범위를 갖고, 상기 FEM모델의 계산치를 FDM모델의 계산치보다 크게 나타내고,
상기 조석의 영향에 따른 가상 서해 지진해일 수치모형은, 서해안의 지진에 의한 초기파형을 산정하고 급변하는 해수면 변화를 수치모델에 반영한 ADCIRC 모형을 이용해 개방경계 조건으로 FES 2004로부터 추출한 M2, S2, K1, O1, N2, K2, P1, Q1의 8개 조석 분조를 고려한 조석모의를 통해 검증하고, 조석이 재현되고 있는 상태에서 지진 발생시 나타나는 초기파형이 외력으로 적용되고, ADCIRC 모형을 이용해 정지 해수면으로부터 조석에 의한 외력조건을 고려해 조석과 지진해일이 서해안으로 전파되도록 하고, 조석에 의한 해수위에서 지진에 의한 초기파형이 더해져 지진해일만 고려한 경우보다 높게 산정되고, 지진해일에 의한 해일이 전파된 상황에서도 서해에서 조석에 의한 무조점 특성이 나타나며, 조석에 의해 전파되는 조석파와 지진해일의 상호작용에 의해 나타나는 해일이 전파되는 현상이 재현되고, 조석에 의한 해수위(only Tide), 평균해면 기준의 지진해일고(only Tsunami), 조석과 지진해일의 상호작용을 고려한 해수위(Tide & Tsunami)를 대상으로 수치모형 실험을 수행하고, 조석 상호작용을 고려한 지진해일고(Tidal tsunami)는 조석과 지진해일의 상호작용을 고려한 해수위(Tide & Tsunami)로부터 조석에 의한 해수위(only tide) 성분을 제거한 것으로 정의되고,
상기 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템을 이용한 지진해일 침수범람 위험성 평가방법은
(a) 입력부가 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터를 입력받는 단계;
(b) 가상 수치모형 생성부가 상기 입력받은 현장 조사 데이터 및 수심측량 데이터에 근거하여 가상 지진해일 시나리오를 생성하고, 상세 수심 정보를 포함하여 1 km 격자 간격으로 FEM(Finite Element Method) 격자체계를 구축하며, 고조와 저조, 창조, 낙조를 포함하는 조석의 영향에 따른 가상 지진해일 수치모형을 생성하는 단계;
(c) 위험성 평가부가 상기 가상 지진해일 수치모형에 따라 규모별 가상 지진해일의 전파 특성들을 분석하되, 규모 및 발생 위치에 따른 도달시간을 분석하고, 상기 규모별 가상 지진해일의 최대파고 분포를 분석하고, 상기 조석의 영향에 따른 지진해일의 전파 경향 및 파고를 분석하여 지진해일의 위험성을 평가하는 단계; 및
(d) 출력부가 상기 분석에 따라 평가된 위험성을 출력하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 상기 위험성 평가부는, 가상 지진해일 발생 위치 9개와, 지진규모 8.0, 7.5, 7.0의 3개에 대하여, 인천, 안산, 평택, 대산, 안흥, 보령, 어청도, 장항, 군산, 위도, 영광, 흑산도, 목포, 진도의 14개 지역의 지진해일 도달시간을 산출하고, 지진해일 도달시간 기준을 1파가 도착하는 시각으로 선정하고,
상기 가상 지진해일 발생 위치 9 개에 대하여, 위치①은 위도(°N) 121.4 °이고, 경도(°E) 34.7 °로 선정하고, 위치②는 위도(°N) 121.1°이고, 경도(°E) 34.7°로 선정하고, 위치③은 위도(°N) 120.8°이고, 경도(°E) 34.7°로 선정하고, 위치④는 위도(°N) 122.7°이고, 경도(°E) 36.3°로 선정하고, 위치⑤는 위도(°N) 122.5°이고, 경도(°E) 36.6°로 선정하고, 위치⑥은 위도(°N) 122.3°이고, 경도(°E) 36.3°로 선정하고, 위치⑦은 위도(°N) 120.7°이고, 경도(E) 38.5°로 선정하고, 위치⑧은 위도(°N) 120.4°이고, 경도(°E) 38.6°로 선정하고, 위치⑨는 위도(°N) 120.1°이고, 경도(°E) 38.7°로 선정하는, 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법.
- 제 13 항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 상기 위험성 평가부는, 가상시나리오 단층 파라미터를 토대로 지진해일 초기파형을 재현하는 경우, 상기 위치④에서, 지진규모 8.0, 7.5, 7.0에 대한 초기수면 최대변위를 각각 2.9m, 1.5m, 0.8m로 나타내고, 상기 위치① 내지 상기 위치③에서의 전파는 상대적으로 수심이 깊은 대륙붕 해역의 영향으로 중국 동해안을 따라 남동쪽으로 굴절 전파하여 동중국해 방향으로 나타내며, 상기 위치④ 내지 상기 위치⑥의 경우 서해안 전반에 걸쳐 에너지가 집중되며, 상기 위치⑦ 내지 상기 위치⑨는 남쪽의 산둥반도 방향으로 전파하는 양상을 나타내는, 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법.
- 제 13 항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 상기 위험성 평가부는, 상기 지진규모 8.0인 경우,
상기 위치① 내지 상기 위치③의 경우 주된 방향의 지진해일 파가 수심 변화로 인해 남동진하여 대만과 유구열도 방향으로 전파하는 양상을 나타내고, 상기 위치①에서 발생한 지진해일이 서해안에 위치하는 14개 검조소에 가장 빠르게 도달하며, 도달시간은 흑산도 240분, 어청도 300분, 안흥 330분으로 분석하고,
상기 위치④ 내지 상기 위치⑥은 산둥반도 남측해역에 위치하며 서해안에서 일정 거리로 근접한 가상 지진해일 발생 위치이고, 다른 지진해일 발생 위치와는 다르게 중국 산둥반도를 시작으로 중국 동해안을 따라 전파하는 양상과 우리나라 서해안으로 집중하여 전파하여 서해안을 따라 제주도까지 전파하는 양상을 나타내며, 상기 위치① 내지 상기 위치, 상기 위치⑦ 내지 상기 위치⑨ 보다 상대적으로 수심이 깊고 굴절과 회절이 되지 않고 전파속도가 일정 속도 보다 빠른 것으로 분석하며,
상기 위치④에서 발생한 지진해일이 일정 속도 보다 빠르게 서해안에 위치하는 14개 검조소에 도달하며, 도달시간은 흑산도 150분, 어청도 180분, 안흥 201분으로 분석하며,
상기 위치⑦ 내지 상기 위치⑨에서 발생한 지진해일은 발해만, 라오퉁만, 라이저우만을 따라 전파하며, 주된 전파 방향과 에너지는 서해로 전파하지 못하고 산둥반도로 집중되어, 서해로 나가는 길목인 라오퉁 반도와 산둥반도 사이가 수심이 일정 이하로 깊지 않고 일정 개수의 섬들로 가로막혀 있는 것으로 나타내며, 지형적 특성으로 인해 일정 개수의 굴절이 발생하는 양상을 나타내며,
상기 위치⑦에서 발생한 지진해일이 서해안에 위치하는 14개 검조소에 일정 속도 보다 빠르게 도달하며, 도달시간은 대산, 안흥, 어청도 390분, 흑산도 450분으로 분석하는,
지진해일 침수범람 위험성 평가 방법.
- 제 13 항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 상기 위험성 평가부는, 상기 지진규모 7.5인 경우, 상기 가상 지진해일 발생 위치 및 지형의 수심 변화가 전파특성에 영향을 미치는 것으로 나타내고, 상기 지진규모 8.0과 비교하여 일부 지역에서 30분 내지 60분 정도 지연되는 결과가 계산되며, 상기 위치③은 대산 30분, 상기 위치④는 진도 30분, 상기 위치⑤에서 안흥 60분, 영광 30분, 상기 위치⑦에서 평택 60분, 대산 30분으로 도달시간의 차이가 발생하는 것으로 나타내는, 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법.
- 제 13 항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 상기 위험성 평가부는, 상기 지진규모 7.0인 경우, 상기 지진규모 8.0과 비교 결과 일부 지역에서 도달시간의 변화를 나타내되, 상기 위치 ①, ④, ⑦의 시간에 따른 지진해일 시간별 전파도를 다르게 나타내는, 지진해일 침수범람 위험성 평가 방법.
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- 제 1 항에 있어서,
상기 가상 남해 수치모형 생성부는 상기 가상 지진해일 시나리오에 대하여, 지진규모 9.0의 경우, 전체 단위단층 64개 중 16개가 하나의 시나리오로 활용되어 발생위치에 따라 9개의 시나리오를 생성하고, 지진규모 8.5의 경우, 전체 단위단층 64개 중 4개가 하나의 시나리오로 활용되어 발생위치에 따라 16개의 시나리오를 생성하며, 지진규모 8.0의 경우, 전체 단위단층 64개 중 1개가 하나의 시나리오로 활용되나 영향을 고려하여 단위단층 33 내지 64 위치만 선정하여 32개의 시나리오를 생성하는, 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템.
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- 제 1 항에 있어서,
상기 조석의 영향에 따른 가상 남해 지진해일 수치모형은, 조석이 재현되고 있는 상태에서 지진 발생시 나타나는 초기파형이 외력으로 적용되고, ADCIRC 모형을 이용해 정지 해수면으로부터 조석에 의한 외력조건을 고려하고, 각 검조소마다 위치가 다름에 따라 고조, 저조, 창조, 낙조 상황에서 지진해일이 서남해안으로 전파되도록 하는, 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 조석의 영향에 따른 가상 남해 지진해일 수치모형은 남해안의 경우 지진해일이 3시간 내외로 도달하고, 5일간 수치모의한 기간 동안 유구열도에서 발생한 최대 해수위는 상기 조석에 의한 해수위와 상기 지진에 의한 초기파형이 더해져 지진해일만 고려한 경우보다 높게 산정되는, 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 조석의 영향에 따른 가상 남해 지진해일 수치모형은 모든 검조소 위치에서 조석과 지진해일이 함께 고려된 경우보다 지진해일만 고려된 경우에 지진해일고가 높게 산정되는, 지진해일 침수범람 위험성 평가 시스템.
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