최근 가속된 기후변화로 인해 태풍의 강도 및 특성이 급변하고 있고, 해안지역에 인구와 시설이 집중됨에 따라 그 피해 또한 급증하고 있다. 태풍에 의해 발생하는 가장 직접적인 재해 중에 하나로 해안에 큰 피해를 발생하는 폭풍해일에 대한 능동적인 대응 방안이 2005년 Hurricane Katrina에 의한 재난 이후 전 세계적으로 큰 관심을 받으며 집중적으로 연구되고 있다. 대기와 해양의 상호 작용에 의해 해양으로부터의 열에너지 공급이 태풍 활동에 주요한 지배적인 요인임을 많은 연구자에 의해 연구되었다(Black, 1983; Dickey et al., 1998; Mei et al., 2015; Lee et al., 2017). 폭풍해일 발생과 직접적인 관계가 있는 태풍의 강도 특성을 결정하는 주요 요인들에 대한 연구는 오랜 기간 연구를 통해 많은 발전을 이루었으나, 현재까지 이런 요인들을 이용하여 태풍을 직접 제어할 수 있는 연구 결과는 매우 미흡한 실정이다. 따라서 부족한 기술로 인해 폭풍해일을 직접 방재하기 위한 연구는 발전 속도가 매우 느렸으며, 이를 보완하기 위해 사전 예보 연구와 폭풍해일을 직접 막아낼 수 있는 구조물 관련 연구로 집중되어 수행되었다. 그동안 태풍의 이동 경로와 최대 풍속 등의 특성들을 사전 예보하기 위한 연구는 꾸준히 발전되어 왔으며, 슈퍼컴퓨터 연산 능력의 급속한 발전과 함께 정확도와 신속성에서도 뛰어난 결과를 보여주고 있다. 이 결과로태풍에 의해 발생하는 폭풍해일 예보도 수 시간 내 가능한 수준으로 발전하였다.

최근 10여 년간 태풍 및 폭풍해일의 예보 기술은 급속한 발전을 하였으나, 이를 직접적으로 막아내기 위한 구조물 연구는 큰 발전이 없는 듯하다. 특히 자연 지형과 방파제와 같은 구조물을 사용하여 태풍시 발생하는 풍파를 감쇄시키는 파랑 저감 기술은 발전하였으나, 폭풍해일과 같은 해수위 상승에 대응하기 위한 방법은 매우 제한적이다.구조물을 이용하여 폭풍해일을 방재하기 위한 방법으로는 일반적으로 두 가지 방법이 있으며, 조류구나 강 하구를 고정식 또는 이동식 방벽으로 막는 방법이 사용된다. 국내에서는 그동안 지형적인 이유로 폭풍해일에 의해 피해가 심했던 마산합포구에 지난 2018년 높이 2 m, 길이 1.2 km로 설치된 차수벽이, 2022년 9월 태풍 Hinnamnor(태풍번호: 2211)의 피해를 방지했다고 평가하고 있다. 해외 사례를 보면 육지가 해수위 보다 낮은 네덜란드는 폭풍해일의 피해에 대응하기 위해 그동안 다수의 인공 구조물을 건설하였으며, 대표적인 사례로 1986년 Eastern Scheldt storm surge barrier라는 이름을 가진 길이 9 km의 콘크리트 방벽이 폭풍해일 방재를 위해 건설되었다(Bijker, 2002). 이탈리아의 베네치아는 조류에 의한 피해를 막기 위해 모세(MOSE) 프로젝트를 통해 78개의 블록 형태의 차단벽을 건설한 사례가 있다(Guarino, 2014). Maeslant storm surge barrier는 로테르담 항구의 홍수 피해를 막기 위해 1997년에 건설된 가동식 방벽으로, 210 m 길이의 2개의 방벽이 평상시에는 개방되어 선박의 통행을 가능하게 하고 해수면보다 3 m 높은 폭풍해일이 발생하면 컴퓨터에 의해 자동으로 폐쇄하여 내륙 지역을 보호한다(Bol, 2005; Hillen et al., 2010). 콘크리트와 강재 등이 사용된 구조물을 이용한 폭풍 해일 방재 방법은 현재까지 가장 효과적이고 대표적인 방재 방법임에도 불구하고, 건설에 필요한 막대한 재원 확보 및 거대한 구조물에 따른 환경 문제가 가장 큰 걸림돌이 되어왔다.

Kang et al.(2009)는 다양한 가상 태풍 모의를 수행한 결과를 분석하여 마산과 통영 인근의 높은 폭풍해일고는 지형적인 원인이 주된 요인임을 보여주었다. Moon et al.(2012)은 다양한 경로의 모의 태풍을 이용하여 제주도를 통과하는 태풍에 의한 폭풍해일 변화를 연구하였다. 국립해양조사원(Korea Hydrographic and Oceanographic Administration, 2011)은 다양한 조건으로 시뮬레이션을 수행하여 한반도 전체 해안을 대상으로 폭풍해일에 의한 침수 예상도를 작성하였다. Yoon et al.(2014)은 공기 주입으로 방벽이 기립되는 부유구조체를 개발하여 수리실험을 수행하였다. Westerink et al.(1992)은 FEM 기반의 GWCE 조위 모델을 개발하여, 폭풍해일을 모의하였다. Park and Suh(2012)는 조석의 변화에 의해 조위가 낮은 곳에서는 폭풍해일이 더욱 증가하는 것을 ADCIRC(ADvanced CIRCulation) 모델 시뮬레이션을 통해 발견하였다. Sebastian et al.(2014)은 대륙붕 형상의 지형으로 인해 수심이 비교적 낮은 미국 Texas Galveston에서 허리케인의 최대 풍속 증가율보다 폭풍해일 증가율이 더욱 큰 것을 보고하였다.

파랑과 관계된 풍파의 발달 기전은 fetch limit과 duration limit에 의해 결정 됨을 Sverdrup and Munk(1947), Hasselmann et al.(1973), Komen et al.(1984), Smith(1991) 등의 연구에 의해 오래 전부터 잘 알려져 있다. 태풍에 의한 폭풍해일은 풍파와는 발생 원리가 다르며 수 시간 동안의 해수위 상승으로 나타나기 때문에, 방파용 구조물과 같이 해역이 개방된 구조물로는 감쇄 효과가 크지 않을 것으로 예상된다. 하지만, 본 연구는 구조물을 사용하여 폭풍해일에 능동적으로 대응하는 방법을 극대화하기 위한 기본 연구로서, 제주도와 같은 거대 자연 구조물이 폭풍해일에 미치는 영향을 분석하였으며, 취송거리(fetch)를 기반으로 다양한 조건을 통해 폭풍해일 저감 효과도 함께 분석하였다.

기후변화가 가속됨에 따라 점차 강해지는 태풍에 의해 발생하는 폭풍해일에 능동적으로 대응하고자, 폭풍해일을 감소시킬 수 있는 자연 지형과 인공 구조물을 활용하기 위한 기본 연구를 수행하였다. 이를 위해 한반도에 큰 피해를 남긴 태풍이 대부분 통과하는 해역에 위치한 제주도와 같은 자연 지형을 활용하는 방법을 연구하였으며, 막대 형상의 인공 구조물의 최적 배치를 통한 폭풍해일 저감 연구도 수행하였다. 현재 제주도의 위치와 같은 위도에서 동쪽으로 이동할 경우의 폭풍해일 변화는 거의 없었으며, 제주도와 동일 선상에 위치한 배후지역뿐만 아니라 다른 지역도 거의 영향이 없는 것을 확인하였다. 이것은 제주도가 매우 큰 섬임에도 불구하고 남해안까지의 거리가 너무 먼 이유로 폭풍해일의 감소 효과가 거의 없었던 것으로 판단된다. 경제성을 고려하여 제주도를 두께가 얇은 막대 형상의 구조물로 대체하였을 경우에도 큰 변화가 없는 것을 고려하면, 진행 방향에 대한 구조물의 두께는 폭풍해일 감소 효과와 상관없는 것으로 보여진다. 하지만, 방재구조물이 해안에 너무 가까이 위치한 경우 오히려 유체 흐름이 변화하여 폭풍해일이 증가하는 역효과를 보여주는 경우도 발생하기 때문에, 방재구조물의 배치시 반드시 이를 고려한 최적화 작업이 필요하다고 생각된다. 폭풍해일은 파랑과 달리 긴 시간 동안 해수위 상승에 의해 생성됨으로, 해역이 개방된 지역은 구조물에 의한 방재 효과가 미흡한 것으로 판단되며 다만 태풍으로부터 발생한 강한 바람에 의한 set-up은 다소 저감될 수 있을 것으로 판단된다. 마지막으로 방조제와 같이 해역을 완전히 폐쇄하는 형태의 방재구조물에 의한 저감 효과가 가장 컸으며, 구조물의 일부분이 개방된 경우 태풍의 통과 위치와도 직접적인 상관 관계가 있는 것으로 보이며 구조물의 배치에 따라 폭풍해일에 많은 변화가 있을 것으로 보여진다. 본 연구는 구조물을 활용한 폭풍해일 감소 방법에 대해 방향 제시를 위한 선행 연구로 수행되었다. 하지만 본 연구에서는 각 상황을 비교 분석하기 위해 폭풍해일을 결정하는 다수의 태풍 특성들을 단순화한 이유로 실제 현장에 적용하기 위해서는 많은 추가 연구가 필요하다. 더욱이 폭풍해일은 태풍의 영향뿐만 아니라 해당 지역의 지형, 수심, 조위, 해류 등 여러 요인에 의해 변화가 발생하므로 본 연구 결과의 직접 적용은 많은 한계가 있다. 실용화를 위해서는 수치해석에서 조밀하여 해상도가 높은 다수의 정밀 격자를 사용하여 다양한 구조물 형상과 길이 변화를 통한 폭풍해일 감소 효과 비교도 수행되어야 한다. 본 연구에서는 수치해석을 통해 방재구조물에 의한 폭풍해일 저감 가능성을 확인하였으며, 실용화를 전제한 세부적인 적용 방법에 관한 연구는 수행하지 못하였으나 구조물 배치에 따라 감쇄 효과가 크게 변하는 것을 확인하였으며, 향후 좀 더 구체적이고 경제적인 구조물의 형상 및 배치에 관한 추가 연구가 수행될 필요가 있다고 판단된다.