태풍 차바 내습시 해운대 마린시티의 호안 월파에 대한 고찰

2.1 바람장

태풍 차바 내습시 기상청(KMA[2016])의 지역별 상세관측자료(AWS)를 수집하여 2016년 10월 5일 24시간의 시간경과에 따른 풍속과 풍향을 살펴보았다. Fig. 1(a)는 대연동, Fig. 1(b)는 해운대 지역의 관측 자료를 나타낸다. 마린시티 호안 월파로 인해 피해가 발생한 시점은 AM 10:00~11:00시 사이에 해당한다. 이때 마린시티호안 월파시 해운대 기상관측소에서 약 9 m/s의 S방향의 바람이 관측되었다. 그림에서 두 곳 관측지점 모두 태풍 내습전에는 풍향이 E 또는 NE방향이지만 AM 10:00~11:00시 사이에는 S 또는 SE방향, AM 11:00시 이후에는 점차 W방향의 풍향을 보이고 있음을 알 수 있다.

Fig. 1.

Wind observation results during the passing of Typhoon Chaba (KMA[2016]).

특이하게도 태풍 내습 경로 및 바람의 회전 방향을 고려할 때 NE→N→W방향으로의 풍향이 발생될 것으로 예상되나 실제 관측된 자료에는 NE→S→W방향으로의 풍향이 발생하였다. S방향의 풍향 발생시 마린시티 호안 월파로 인한 피해가 발생하였다. 당시 왜 S방향의 풍향이 발생하였는지에 대해서는 보다 면밀한 검토가 요구된다고 할 것이다.

2.2 조위

태풍 차바 내습시 국립해양조사원(KHOA[2016])의 실시간 해양관측정보를 수집하여 2016년 10월 5일 24시간의 시간경과에 따른 부산항 조위 변화를 살펴보았다(Fig. 2). 부산항 조위관측소의 조위는 AM10:20에 121 cm가 예측(조석표 예측치) 되었으나 이번 태풍 차바 내습시(AM 10:10)에 최대 조위 218 cm가 관측되었다. 따라서 관측치와 예측치의 차이값은 97 cm이다. 즉, 인근에 위치한 해운대 마린시티의 태풍에 의한 해수면 상승고(해일고, Storm surge height)는 97 cm라고 할 수 있다. 이는 앞서 Kang[2005]이 태풍 매미 내습시 추정한 약 0.6 m 정도, Hur et al.[2006]가 예측한 0.86 m 보다도 큰 값을 나타내고 있다.

Fig. 2.

Tidal observations during the passing of Typhoon Chaba.

2.3 해양파랑

태풍 차바 내습시 기상청(KMA[2016])의 파고부이 관측자료(거제도, 부산북항, 부산남항)를 수집하여 2016년 10월 5일 24시간의 시간경과에 따른 최대파고(H_max), 유의파고(H_1/3), 주기(T_1/3), 파향(θ)을 살펴보았다. 그 결과는 Fig. 3과 같다.

Fig. 3.

Observation results of ocean waves during the passing of Typhoon Chaba.

해양파랑 관측결과에 따르면 태풍 차바 내습 당시(AM 10:00) 거제도 해상부이에서 H_max=13.7 m, H_1/3=10.1 m, T_1/3=12.8 sec의 파랑이 파향 287°로 내습하였으며, 해운대 마린시티와 인접한 부산북항에서 동일한 시간에 H_max=7.1 m, H_1/3=6.3 m, T_1/3=11.8 sec가 계측되었다. 거제도 해상부이에서 최대값을 보인 AM 11:00시의 경우 H_max=13.7 m, H_1/3=11.5 m, T_1/3=12.8 sec의 파랑이 파향 161°로 내습하였으며, 부산북항에서 동일한 시간에 H_max=9.1m, H_1/3=8.1m, T_1/3=10.5 sec가 계측되었다.

또한 인근 해운대 해수욕장 전면 해상(N35°08′56″,E129°10′11″)의 해양관측부이에서 태풍 차바 내습시 관측된 결과는 Table 1에 제시된 바와 같다. 해운대 마린시티와 위치 및 수심, 지형적인 차이가 있으나 태풍 차바 내습 당시(AM 10:00) 해운대 전면 해상에서는 H_max=4.42 m, H_1/3=3.59 m, T_1/3=11.75 sec의 파랑이 파향 171°로 내습하였으며, 관측값의 최대치는 AM 10:30에 H_max=7.77 m, H_1/3=5.93 m, T_1/3=13.78 sec의 파랑이 파향 180°로 내습하였다. 심해 파랑이 천해로 내습하는 과정에서 파랑변형에 의해서 파고가 작아지는 경향을 보이고 있음을 알 수 있다.

Table 1.

Observation results of ocean waves and wind during the passing of Typhoon Chaba

3.1 호안 반사

태풍 차바 내습 당시 해운대 마린시티 인근 주민들이 촬영하거나 언론에 보도된 동영상을 Youtube로부터 수집하여 호안 구간에서 내습 파랑의 반사 상황을 분석하고자 하였다. 동영상 촬영 위치는 Fig. 4와 같다.

Fig. 4.

Approximate locations of video footage collected during the passing of Typhoon Chaba.

태풍 차바 내습시의 호안 반사 특성은 Site A~G까지의 수집된 7개 동영상 중에서 다소 고층에서 촬영된 Site C의 호안 월파 장면을 바탕으로 분석을 수행하였다. 동영상에 기록된 자료를 통해 전면 해상에 내습한 파랑의 파향을 역추적 하였다. 다만 해상부이에 기록된 관측결과중에서 파향이 상이할 경우 외해 입사파랑이 연안으로 전파하면서 대기상의 바람영향으로 파향이 변화된 결과로 추정할 수 있다. Fig. 5는 고층 아파트(Site C)에서 촬영된 동영상에서 호안으로 내습하는 파랑을 캡쳐한 후 도로 표식 및 가로수 등의 위치를 고려하여 파랑 입사각을 추정한 결과이다.

Fig. 5.

Wave reflection and overtopping around the seawall at Haeundae Marine City caused by Typhoon Chaba.

결과적으로 파랑은 호안 월파후 반사되는 장면에서 호안 법선에 입사각 약 15~20°(파향 S), 주기 약 15 sec로 입사하는 것으로 나타났다. 마린시티 호안은 EW방향으로 볼 때 위도상으로 W측이 높고 E측이 낮은 약 20°정도 경사를 이루고 있는 점을 감안하면 태풍 차바 내습시 호안 월파된 파랑의 입사각은 정확히 S방향과 일치한다고 할 수 있다. 앞서 살펴본 바와 같이 거제도 해상부이에서 파고값이 최대를 보인 AM 11:00시의 경우 파향 161°로 내습하였음과 기상관측자료에서 동일 시간에 S방향의 바람이 관측되었음을 고려하면 파랑 내습과 대기에서의 바람 응력이 호안으로의 파랑 월파를 증대시켰을 것으로 판단할 수 있다.

3.2 호안 소상고

2003년 9월 12일 부산해역을 통과한 14호 태풍 매미로 인해 부산 해운대 마린시티는 호안 월파에 의한 배후 해안도로, 상업시설 및 주거 시설이 침수/파괴되는 피해를 입었다. 그 당시 피해상황 조사결과를 바탕으로 Kang[2005]은 외해 측의 해일은 약 0.6 m 정도, 파고 6~7 m(주기 15 sec), 호안에서 월파(월류)에 의한 수위는 해일보다 7.5 m정도 더 상승한 것으로 추정하였다. 즉, 태풍 매미 내습시 당일 조위(H.W.L)보다 상승한 수위(8.15 m) 중에서 파의 처오름에 의한 상승(7.53 m) 비율이 약 90% 정도로서 대부분 파의 처오름에 의해서 피해가 발생하였음을 강조한 바 있다. 당시 월파 상황에 대한 모식도는 아래 Fig. 6과 같다.

Fig. 6.

Sketch of the water level change induced by wave overtopping around the seawall at Haeundae Marine City (Kang[2005]).

본 연구에서는 Kang[2005]의 연구와 유사하게 태풍 차바 내습 당시 해운대 마린시티 인근 주민들이 촬영하거나 언론에 보도된 동영상을 Youtube로부터 수집하여 호안 구간별로 파랑 내습 상황 및 월파 현상을 분석하고자 하였다. Fig. 7과 같이 Site A~Site G까지 총 7개의 동영상을 대상으로 화면상에 나타나는 최초 동영상 촬영 위치 및 방향, 호안 월파 장면과 주변 구조물들(천단고, 통신주, 가로등, 가로수 등)과의 높이, 호안에서의 파랑의 반사 및 월파, 호안 월파 시점에서의 파랑의 주기, 호안 월파후 배후지 침수 상황 등을 분석하였다.

Fig. 7.

Overtopping around the seawall during the passing of Typhoon Chaba and measurements of the heights of coastal structures.

마린시티 호안의 경우 사면 경사 1:1.5, 중량 16 ton의 테트라포드(Tetrapod)가 시설되어 있으며, 호안 마루높이 DL.(+)5.1 m, 배후면 도로는 DL.(+)4.1 m, 배후지 건물은 호안으로부터 약 23 m 이격되어 있다. 결과적으로 동영상에서 호안 월파 장면을 캡쳐하고 직접 현장을 찾아 스타프(5 m)를 이용하여 호안 주변 구조물들(호안 천단, 통신주, 가로등, 가로수 등)의 높이(Level)를 측정하여 호안 월파 장면의 호안 소상고를 산정하였다.

마린시티 호안 구간별로 구분한 것이 Fig. 7과 같다. 동영상 속에서 Site A지점에서는 호안 천단(DL.(+)5.1 m)으로부터 약 4.5 m 높이까지 해수가 처오름하는 것, 또한 Site B지점의 경우 호안 천단으로부터 1 m 이격되어진 통신주(높이 약 6 m)가 파의 처오름에 사라지는 것이 발견되었다. 또한 Site D지점의 경우 호안 천단으로부터 4 m 이격되어진 가로등(높이 약 6 m)이, 심지어 호안 천단으로부터 약 23 m 이격된 배후 가로수가 월파된 해수에 의해 사라지는 장면이 발견되었다.

해운대 마린시티 호안의 경우 경사면이 테트라포드(Tetrapod)로 구성된 침투성 사면인 것을 고려하여 Kang[2005]의 태풍 매미 및 이번 현장조사 결과로부터 유도된 태풍 차바 내습시의 입사파랑 조건을 바탕으로 호안에서의 파의 소상고(Wave runup height)를 비교하여 보았다. 파의 소상고 산정에 사용된 Hunt[1959]의 실험경험 공식은 다음 식 (1)과 같다.

여기서 R은 정수면에서의 소상고, C_p는 경사면 유공성 파라메터(불투수성인 경우 1, 침투성인 경우 1보다 작은 값), H_b는 쇄파고, L_o는 심해파의 파장, tanθ는 구조물 사면 경사를 나타낸다.

전술한 Kang[2005]의 태풍 매미 당시의 조건(파고 7m, 주기 15 sec, 파의 소상고 R=7.53m)을 식 (1)에 대입하여 계산하면 C_p=0.23을 얻을 수 있는데, 이 값을 태풍 차바 내습시의 조건(파고 8.1m, 주기 10.5 sec, tanθ=0.667)으로 대입하면 R=3.74 m, 이는 현장 Site A지점에서 목측된 소상고에 비해서 크게 저평가되는 결과임을 알 수 있다. 그러나 Kang[2005]의 태풍 매미 당시 소상고(DL.(+)9.43 m)와 이번 동영상 속의 현장 Site A지점에서 목측된 소상고(DL.(+)9.60 m)는 대체적으로 일치하는 결과임을 알 수 있다. 따라서 이번 현장 Site A지점에서 동영상 속에서 추정한 천단으로부터 높이 4.5m의 값을 적용할 경우 해운대 마린시티 호안의 경사면 유공성 파라메터 C_p는 0.39의 값을 얻을 수 있었다. 여기서 얻어진 경사면 유공성 파라메터 C_p는 향후 재해대책 수립을 위한 호안 시설물 설계시에 참고될 수 있을 것으로 생각된다.

한편 해양파랑이 호안을 넘는 상황에서 파랑의 주기를 살펴보았다. 동영상 속에서 연속된 파랑의 주기를 관측할 수 있었던 것은 4개 동영상이다. Site B는 10~11 sec, Site C는 15~16 sec, Site D는 11~12 sec, Site G는 15 sec로 해석되었다. 주기는 호안 구간별로 다소 차이를 보이나 약 15 sec로 입사 및 월파하는 것으로 나타났다.

3.3 호안 월파

부산 해운대 마린시티 지역은 태풍 매미(2003년 9월), 뎬무(2010년 8월), 볼라벤(2012년 8월), 산바(2012년 9월), 차바(2016년 10월) 등 태풍 내습 때마다 호안 월파에 따른 배후지 침수 피해를 받아 왔다. 2012년 12월 해안방수벽(1.2 m)을 설치했지만, 이는 저층 조망권을 악화시킨다는 주민 민원때문에 적정 높이의 절반에 해당하는 천단고를 시설함으로써 그 후 연안재해 위험에 지속적으로 노출되어온 지역에 해당한다. 2016년 10월 5일 AM 10시 부산해역을 통과한 18호 태풍 차바로 인해 부산 해운대 마린시티는 호안 월파에 의한 배후 해안도로, 상업시설 및 주거 시설이 침수/파괴되는 피해를 입었다.

Fig. 8은 이번 태풍 차바 내습시 수집된 동영상에서 캡쳐한 외해측 파랑 입사 장면과 호안 월파 상황을 모식도로 나타낸 것이다. 전술한 바와 같이 Site D지점의 경우 호안 천단으로부터 약 23m 이격된 배후 가로수가 월파된 해수에 의해 사라지는 장면이 발견되었다.

Fig. 8.

Sketch of the water level change induced by wave overtopping around the seawall at Haeundae Marine City during the passing of Typhoon Chaba.

Sohn[2001]은 3D 수리모형실험을 통해 마린시티 호안 구역을 대상으로 H_1/3=4.5 m, T_1/3=13.5 sec의 실험조건에서 마린시티 호안의 경우 전반적으로 허용 월파량 0.01 m³/m·sec을 초과하며 이번 태풍 차바 내습시와 같이 고파랑 내습시 수심의 제약에 의해 중복파의 쇄파조건 및 극단적인 비선형 파동의 간섭에 의해 월파량 증대가 발생함을 강조한 바 있다.

본 연구에서 수집된 동영상을 통해 월파량을 정량적으로 산정하는 것은 다소 어려움이 있지만 동영상에서 호안 월파된 해수가 배후지도로 및 건물을 침수시킴과 동시에 건물로부터 반사되어 호안 내측 도로를 가로질러 외해측으로 다시 월류되는 장면이 관찰되기도 하였다.