Scour depth analysis of foundation structure of southwestern sea offshore wind power demonstration complex

서남해 해상풍력 실증단지 기초구조물의 세굴심 분석

Abstract

In order to understand water depth distribution in the waters of the southwestern sea offshore wind power demonstration complex, field observations were conducted using a multi-beam echosounder from before construction (2018.2) to operation (2022.8). After data processing and correction of the observed depth, cross-sectional analysis was performed to calculate the maximum water depth value, and time phase analysis was performed using the maximum water depth value. The maximum water depth change rate over time tended to gradually decrease, and there was little difference in the rate of change before the construction of the wind turbine foundation structure, and the rate of change was rapid when the foundation structure was under construction. As a result of time phase analysis, the rate of change of the first (2018.02) and the second (2018.05) showed a rate between -6.27 and -4.13, on average, as the rate of change before the construction of the offshore wind farm, and there was no difference between the first and second rates. The third (2018.11) rate of change was -4.25 to -1.82, and the fourth (2019.04) rate of change was -2.34 to -1.22, and the rate of change increased rapidly after the third time. The fifth (2019.07) rate of change was -2.11 to -1.31, the sixth (2021.05) rate of change was -2.09 to -1.28, and the seventh (2022.08) was -2.11 to -1.22 rate of change, and after the rate of change reached some extent, the change was analyzed in an insufficient graph.

기호설명

h₀ : 초기 수심 깊이 [m]

y_m : 변화된 세굴 깊이 [m]

t : 시간 [h]

t₁ : 경과일수 [day]

1. 서론

전 세계적인 산업화와 비약적 발전은 지구온난화 및 기후변화로 이어지고 있으며, 중·장기적으로 온실가스 감소 및 이산화탄소 저감을 위한 조치가 필요한 상황이다. 이러한 배경으로 볼 때, 재생 에너지에 투자하는 것은 환경오염을 감소시킬 뿐만 아니라 바람, 태양, 조석 에너지 등 무한한 재생 자원을 활용할 수 있게 해준다 [1].·

재생 가능 에너지원 중, 상대적으로 뛰어난 경제성과 기술 신뢰성을 확보한 풍력 발전은 기후변화 협약에 의한 온실가스 방출 억제에 능동적으로 대처할 수 있는 새로운 발전 기술로서 각광받고 있다 [2]. 특히, 해상풍력발전은 해외의 많은 국가에서 대규모 단지로 건설하고 있는 신재생 발전 중 하나이다.

2022년, 전 세계적으로 약 906 GW의 해상풍력 용량이 설치되는 등 해상풍력의 발전은 빠른 성장세를 보이고 있는 실정이며, GWEC(Global Wind Energy Council)는 향후 5년 동안(2023∼2027) 680 GW 의 신규 설치 용량에 이를 것으로 예측했다 이는 2027년까지 연간 136 GW 에 해당하는 용량이다 [3].

위치적으로 우리나라는 삼면이 바다로서 해양 자원이 풍부하며, 해상풍력을 활용할 수 있는 잠재적 에너지가 매우 풍부하다. 하지만 건설 및 운영 중인 해상풍력발전단지가 거의 없어 해상풍력기의 국부세굴에 대한 연구는 매우 부족한 상황이다.

고정식 해상풍력발전기에서는 터빈의 크기가 커짐에 따라 그에 따른 하중이 증가하게 되고, 해상의 열악한 환경에서 발전기를 안정적으로 지지할 수 있는 해상기초구조물의 설치가 중요하게 작용한다. [4].

고정식 해상풍력터빈과 같이 기초가 해저면에 고정되어 있는 구조물에서 발생하는 문제점 중의 하나는 세굴에 의한 침식 현상이다 [4].

해상풍력 구조물이 해상에 건설되면 구조물은 해류 및 파동 운동에 의해 국부적인 세굴 증가가 발생한다.

국부적인 세굴은 파일의 매설 깊이를 감소시키고 파일의 진동 변화로 인해 하부구조물의 안정을 위협하는 요소가 된다 [5].

파랑이나 해류에 의한 세굴은 평형세굴에 도달할 때까지 지속적으로 발생하여 여러 종류의 해양구조물에 피해를 입힌다 [6].

해상풍력발전기의 경우 교량·교각의 경우처럼 세굴현상에 대한 연구가 광범위하게 진행되지는 않았지만, 고정식 해상풍력발전기의 운용 기간이 점차 증가함에 따라 세굴 문제에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있다 [7]. 해상풍력단지 구조물 주변의 세굴로 인한 해저지형 변화를 파악하는 것은 해상풍력단지 초기 설계에 있어서 구조물의 안정성, 입지 선정, 그리고 건설 및 운영 시 해양환경 문제를 파악할 수 있는 중요한 기초자료가 될 수 있다.

본 연구에서는 서·남해 해상풍력 실증단지에서 현장관측한 자료를 이용하여 시간 변화에 따른 해상풍력발전단지의 건설 전, 건설 중, 건설 후 및 운영 중의 해상풍력 기초구조물 주위에서 일어나는 국부세굴에 대한 세굴심을 파악하여 해상풍력발전단지의 건설 및 운영에 기초자료를 제공하는데 목적이 있다.

2. 재료 및 방법

2.1 대상해역의 특징

서남해 해상풍력 실증단지는 전라북도 고창군과 부안군의 관할 해역 일대에 20기의 풍력발전기와 1기의 해상변전소가 설치된 전체 면적 298,608 ㎡ 의 국내 최대용량의(2023년 12월 기준) 해상풍력발전소이다(Fig. 1).

Fig. 1 Bathymetric survey location map of the southwestern sea wind power demonstration complex.

서남해 해상풍력 실증단지의 북측으로는 위도와 격포항이 위치하고 있으며, 동남쪽에는 구시포항이 위치하고 있다. 그리고 반경 10 km 이내에는 실증단지에 영향을 미칠만한 섬 또는 천퇴 등의 수심 변화 구간은 존재하지 않는다. 실증단지는 연안해역으로부터 약 11 km 정도 떨어져 있으며 환경보호지역, 조류 이동경로 및 서식지로부터 충분한 이격거리를 확보하고 있다[8].

해상풍력발전단지의 기초구조물의 시공은 자켓 형식의 구조물을 해저면에 안착시킨 다음 암반표면까지 항타 및 암반 내부로 드릴링을 하여 구조물을 설치한 후 내부 공간에 콘크리트를 채우는 공법을 적용하였다 [9].

2.2 관측방법

서·남해 해상풍력 실증단지 해역을 대상으로 하부구조물의 국부세굴에 대한 세굴심을 분석하기 위하여 해상풍력발전단지 건설 전부터 운영 시까지 해상풍력 발전기(4, 5, 9, 10, 14, 15, 19, 20호기) 총 8기가 포함된 연구 지역을 선정하였으며, Multibeam echosounder(TELEDYNE RESON, T-50P)를 이용하여 2018년부터 2022년까지 총 7회 수심측량을 실시하였다 (Table 1).

Table 1 Observation area and observation period of the southwestern sea offshore wind power demonstration complex.

Multibeam echosounder 시스템 구성으로는 음파 신호를 송·수신하는 Transducer, 조사 선박의 정확한 해상위치를 결정하는 인공위성위치측정기(DGNSS), 선박의 Heave, Roll, Pitch 등을 보정해주는 모션센서(MOTION SENSOR), 수중의 음속을 측정하는 수중음속단면측정기(SVP)로 구성되어 있다.

Multi-beam echosounder는 음파를 발신하는 송파기(Transducer)와 음파를 수신하는 수파 (Hydrophone) 및 신호처리를 위한 시스템(Processor)로 구성되어 있다. 음파 송신, 수신부 중 송신부는 조사 선박과 수평으로 설치되어 조사 선박의 좌우방향으로 음파가 발생되며, 수신부는 조사 선박과 수직으로 설치되어 해저면에 반사되는 음파 신호를 수신한다.

인공위성측정기(DGNSS)는 상시관측소 성과를 이용하여 조사선의 정밀위치를 파악하는 기기로서 기준국의 위치자료가 포함된 오차를 실측 자료에 보정하는 상대 측위 방식으로 결정된다.

Multi-beam echosounder와 함께 장착되는 모션센서는 선박의 히브(Heave), 롤(Roll), 피치(Pitch)를 실시간으로 측정하는 정밀계측기이다. 선박의 모션정보와 위치정보를 계산하고 Transducer의 움직임을 실시간으로 보정하여 수심정보의 정확성을 높인다.

선박의 움직임에 대해서 시스템 보정을 위한 3성분의 지향각(Pitch, Roll, Yaw)과 신호 지연속도(Latency)는 각 센서의 위치에 따라 큰 영향을 받으므로 각 센서의 Offset을 측정해야 한다. Offset 측정은 조사 선박의 무게중심(Reference Point)을 기준으로 Transducer를 포함한 각 센서(DGNSS, 모션센서, 송수파기)의 좌우, 상하 위치의 상대거리를 측정하는데, 각 축은 무게중심(Reference Point)에서 거리 기준을 중심으로 각각 음과 양의 부호를 붙이며 Y축은 선수 방향, X축은 선박의 우현, Z축은 선박 위 방향이 양(+)을 의미한다. 본 연구에서는 관측 장비를 선박 하부에 부착하여 센서를 고정시킴으로써, 외부요인에 의한 선박 검·교정값변동 가능성을 최소화하였다.

수심측량은 IHO(국제수로기구)의 수로측량 최소기준(S-44, 수로측량 등급기준) [10] 및 국립해양조사원의 수로측량 업무규정에 [11] 따라 초정밀측량을 실시하였으며, 연구 해역의 수심 기준에 따라 30 m 측선간격을 설정하여 1a등급(중첩률 40 %)이상 소해측량을 실시하였다 (Fig. 2). 그리고 계획선(주측선)의 비교 및 교차검증을 위하여 검측선을 설정하였고, 수심측량을 수행하기 전 선박의 흘수 측정 및 음향측심기의 검·교정을 실행하여 장비 오차를 최소화하였다.

Fig. 2 Planning lines for bathymetric areas.

음속 측정은 현지 상황 또는 Profile 변화에 따라 2시간 간격으로 측정하여 분석하였다.

2.3 분석방법

2.3.1 Multi-beam echosounder 분석방법

Multi-beam echosounder 수심측량 원시자료는 TELEDYNE RESON 사에서 정의하고 있는 PDS 형식으로 저장하였으며, Multi-beam echosounder 자료처리 전용 프로그램인 CARIS&SIPS를 [12] 이용하여 오측자료 제거, 음속도 보정, 조석 보정을 실시한 후, 수심 검토 과정을 거쳐 최종 수심 자료를 생성하였다(Fig. 3).

Fig. 3 Schematic diagram of data processing of raw bathymetry data.

모션(Motion)자료 보정은 Roll(°), Pitch(°), Heave(m)의 연속된 값에 대하여 오측 자료가 발생할 때 제거하는 과정이며, 모션자료의 오측은 모션센서가 안정화되지 않았거나 Roll과 Pitch가 조사 허용값인 ±5°를 초과하는 경우에 가장 많이 발생한다. 모션자료에서 이상 자료에 대한 처리는 연속된 자료에서 Roll과 Pitch는 0.5°, Heave는 0.6m 이상의 값이 발생할 때 이를 필터링하였고 자료의 이상이 연속적으로 나타나는 구간은 선택하여 제거하였다.

위치자료를 통한 항적 보정은 조사선 속도, 거리 및 진행방향에 대한 오측자료를 제거하는 과정이며, DGNSS 신호의 오측자료가 기록된 경우는 기상악화 조건이거나, 조사구역의 기준국 보정신호가 미약하게 수신될 경우 발생 할 수 있다. 조사선의 속도는 3∼6 knots 범위로 설정하여 필터링하였으며, 거리와 진행방향은 연속된 자료 내에서 발생되는 이상변위 값을 선택 및 제거하여 보정하였다.

음속 보정의 경우 현장에서 음속 보정을 하지만, 음속의 시·공간적인 변화로 인하여 해저지형의 형태가 실제와 상이하게 기록되어 오차가 발생할 수 있다. 이러한 오차를 최소화하기 위해 음속 굴절(Refraction) 효과를 고려하여 보정하였다.

현재 전자해도 및 종이해도의 수심 자료는 선박의 안전한 항해를 위하여 약최저저조면을 기준으로 환산된 자료이다. 실제 수심측량을 실시할 경우, 조석 운동에 의해 수심자료의 기준면이 계속적으로 변한다. 이러한 기준면의 변화를 해도 기준면인 약최저저조면 기준으로 변환하기 위해 수심측량 결과에 조위를 보정하여 약최저저조면 기준의 수심으로 변환하였다.

실제 조석의 높이는 동시간이라도 장소에 따라 각 분조의 조화상수가 다르기 때문에, Multi-beamechosounder 자료에서 조사선의 실제 위치를 1초 간격으로 추출한 항적파일과 현장 조사 구역 인근에 위치한 영광/위도 조위관측소의 조석 실측성과를 바탕으로 국립해양조사원에서 제공하는 TIDEBED Lite 1.0.5 프로그램을 [13] 활용하여 조위보정을 실시하였다.

라인 기반 자료처리(Swath Editor)는 현장 조사 당시 Error Data(선박버블, 고파고, 발신 강도 에러 등)를 제거하는 과정이다. Multibeam echsounder의 단면별 자료의 수심, 중첩도 등 전체적인 경향을 파악한 후 필터링을 적용하여 빔 외각의 Error와 장비에 의한 오측자료를 제거하였다. 각 기선의 정확한 표면(Surface)을 생성하기 위하여 Swath Editor를 사용하여 단면별 자료의 품질을 검토하였다. Swath Editor는 Multibeam ecosounder 자료의 Profile간 상관관계를 확인하여 Data 경향을 검토한 후 Error를 판단한다. 또한 Multibeam ecosounder 자료의 Profile상에서 인접 수심과 큰 차이를 보이는 경우는 삭제하였으며, 1개 단면상 Profile에서 1/3 이상 Error로 판단된 경우 Profile의 전체를 삭제하여 정확한 표면(Surface)을 생성할 수 있도록 하였다.

공간기반 자료처리(Subset Editor)는 오측심 값을 제거하는 마지막 단계로서 Data 상호 연계성을 바탕으로 라인 기반 자료처리 단계의 보정 및 오측심 자료제거가 잘 수행되었는지를 분석자가 수동으로 확인 및 검토하는 과정이다.

전체적인 자료의 신뢰도 분석을 위해 최종 자료 분석 시, 연구 구역의 주·검측이 교차하는 지점에 대해 자료의 신뢰도 검증을 실시하였다.

2.3.2 단면 분석

CARIS&SIPS 프로그램을 이용하여 자료처리 및 보정 후 항적 수심을 추출하여, 1m 격자 수심으로 변환하였다. 다시 자켓형태의 하부구조물 주변 200 m × 200 m를 선정하여 변환된 수심을 추출하였으며, 4개의 기초구조물 기둥 중심을 지나는 기준 단면선(200 m)을 설정하여 각 조사시기별 수심을 추출하였다. 기준 단면선은 남서-북동방향(조류방향)으로 설정하였으며, 기준 단면선을 이용하여 추출한 수심을 각 조사시기별 DL 0m(약최저저조면)의 기준면을 적용하여 기초구조물 중심을 지나는 단면선의 최대깊이를 산정하였다(Fig. 4).

Fig. 4 Cross-sectional selection method for wind turbine substructure.

단면 폭 산정기준으로는 풍력발전단지 건설 전 자연상태의(2018.02) 해저지형 해저면을 기준으로 기초구조물 주변부의 총 부분을 폭으로 선정하여 기준수심값을 산정하였으며, 자연현상에 의한 침퇴적 변화는 미반영하였다. 단면적은 폭 산정기준으로 선정된 면적을 분석하였다 (Fig. 5).

Fig. 5 Method for calculating the maximum depth and width around the wind turbine substructure.

2.3.3 Time Phase 분석

Time Phase 분석 방법이란, DL(약최저저조면) 0 m기준, 평탄한 해저지형(기초구조물 건설 전)에 따른 세굴의 깊이 변화율(기초구조물 건설 후 및 운영 중)에 따른 분석 방법이다 [14].

기초구조물 중심을 지나는 단면선을 기준으로 각조사시기별 1m 격자수심 값을 이용하여 최대깊이값을 분석하였다. (Fig. 6).

Fig. 6 Time phase analysis method for scour impact. [10]

\(\begin{align}\text {시간에 따른 세굴 변화율}=\ln \frac{y_{m}}{h_{0}}=\ln \frac{t}{t_{1}}\end{align}\)       (1)

Time Phase 분석은 시간이 지남에 따라 단계별로 적용되며 4단계로 분류된다.

1단계는 시작화(Initiation)단계로서 세굴이 균일하게 나타나는 단계이며, 이 단계는 침식작용이 가장 심각하게 일어나는 단계로 특정 지을 수 있다.

2단계는 발달화(Development)단계로 세굴의 깊이가 증가하지만, 세굴의 모양은 일정하게 유지되는 단계로 볼 수 있다.

3단계는 안정화(Stabilization)단계로 최대 세굴 깊이의 발달 속도가 감소하는 단계로 볼 수 있다.

4단계는 평형화(Equilibrium)단계이며, 세굴의 깊이가 변화하지 않으며 일정해지는 단계, 즉 세굴이 더이상 일어나지 않으며 평형상태에 머무르는 단계로 볼 수 있다 [14].

3. 결과

3.1 단면 분석 결과

1차(2018.02)에서 7차(2022.08)까지 각 호기별 최대깊이 분석 결과는 다음 Table 2 ∼ 9에 기술하였으며, 각 차수별 분석된 결과를 비교하여 단면도로 도식화하여 나타내었다 (Fig, 7).

Table 2 Maximum depth change of unit 4.

Table 3 Maximum depth change of unit 5.

Table 4 Maximum depth change of unit 9.

Table 5 Maximum depth change of unit 10.

Table 6 Maximum depth change of unit 14.

Table 7 Maximum depth change of unit 15.

Table 8 Maximum depth change of unit 19.

Table 9 Maximum depth change of unit 20.

Fig. 7 Maximum depth cross-sectional line diagram of each unit according to survey period

대표적인 4호기의 분석 결과는 2018년 2월(1차) 4-A의 최대깊이는 7.90 m, 4-B의 최대깊이는 7.90 m, 4-C의 최대깊이는 7.87 m, 4-D의 최대깊이는 7.85 m로 나타났으며, 2018년 5월(2차) 4-A의 최대깊이는 7.88 m, 4-B의 최대깊이는 7.84 m, 4-C의 최대깊이는 7.85 m, 4-D의 최대깊이는 7.81 m로 분석되었다. 2018년 11월(3차)의 경우, 4-A의 최대깊이는 9.16 m, 4-B의 최대깊이는 9.09 m, 4-C의 최대깊이는 9.09 m, 4-D의 최대깊이는 9.07 m,이며, 2019년 4월(4차)은 4-A의 최대깊이 10.01 m, 4-B의 최대깊이 10.21 m, 4-C의 최대깊이 9.96 m, 4-D의 최대깊이 10.00 m로 나타났다. 2019년 7월(5차) 4-A의 최대깊이 10.01 m, 4-B의 최대깊이 9.96 m, 4-C의 최대깊이 9.97 m, 4-D의 최대깊이 9.88 m로 나타났으며, 2021년 5월(6차)은 4-A의 최대깊이 9.97 m, 4-B의 최대깊이 10.07 m, 4-C의 최대깊이 10.00 m, 4-D의 최대깊이 9.84 m이며, 2022년 8월(7차)의 경우, 4-A의 최대깊이 10.21 m, 4-B의 최대깊이, 10.12 m, 4-C의 최대깊이, 10.10 m, 4-D의 최대깊이 10.06 m로 분석되었다.

해상풍력단지 건설 전 조사 결과인 1차(2018.02) 기준으로 2차(2018.05) 최대깊이의 경우, 2차 역시 해상풍력단지 건설 전의 해저지형 자료이므로, 최대깊이의 변화가 없게 나타났으며, 3차(2018.11)부터 공사 중 영향으로 최대깊이가 깊어지는 변화를 나타내었다. 4차(2019.04) 역시 공사 중 영향으로 최대깊이가 증가하였으며, 5차(2019.07)부터 점점 최대깊이의 변화가 줄어들어 어느 정도 깊이의 변화가 미비해지는 수치를 나타내었다.

단면의 폭 및 단면적 분석 결과는 다음 Table 10∼17에 기술하였으며, 1차(2018.02)에서 2차(2018.05)는 해상풍력 건설 전의 자연 상태의 해저지형이므로, 변화가 미비하여 단면 폭 및 단면적을 ‘0 으로 가정하였다. 대표적인 4호기의 분석 결과 단면의 폭은 3차(2018.11) 분석 결과, 1번 단면 22.21 m, 2번 단면 23.02 m로 나타났으며, 4차(2019.04)는 1번 단면 15.19 m, 2번 단면 21.02 m, 5차(2019.07)는 1번 단면 20.90 m, 2번 단면 25.54 m, 6차(2021.05)는 29.86 m, 2번 단면 35.67 m, 7차(2022.08)는 1번 단면 31.81 m, 2번 단면 40.86 m,로 단면의 폭이 분석 되었다.

Table 10 Changes in Width, Cross-Sectional area of unit 4.

Table 11 Changes in Width, Cross-Sectional area of unit 5.

Table 12 Changes in Width, Cross-Sectional area of unit 9.

Table 13 Changes in Width, Cross-Sectional area of unit 10.

Table 14 Changes in Width, Cross-Sectional area of unit 14.

Table 15 Changes in Width, Cross-Sectional area of unit 15.

Table 16 Changes in Width, Cross-Sectional area of unit 19.

Table 17 Changes in Width, Cross-Sectional area of unit 20.

단면적 분석 결과는 3차(2018.11) 1번 단면 10.12 ㎡, 2번 단면 11.25 ㎡, 4차(2019.04) 1번 단면 12.75 ㎡, 2번 단면 15.74 ㎡, 5차(2019.07) 1번 단면 16.68 ㎡, 2번단면 19.49 ㎡, 6차(2021.05) 1번 단면 17.62 ㎡, 2번 단면 22.68 ㎡, 7차(2022.08) 1번 단면 18.18 ㎡, 2번 단면24.37 ㎡로 분석되었다.

단면의 폭 및 단면적 역시 해상풍력단지 건설 중의 영향으로 점점 수치가 증가하는 모습을 보였으며, 해상풍력단지 건설 이후, 단면 폭 및 단면적의 변화가 줄어드는 수치를 나타냈었다.

Fig. 7에서 (d), (f), (n) 그림을 보면 –40m 정도에서 overshoot 발생하였다. (d) 및 (f)의 경우, 2021년 05월 조사 결과로서, 해상풍력단지 운영 중, 해상풍력기의 점검 및 정비로 인한 Jackup Barge선 설치 영향이며, (n)의 경우, 2019년 07월 조사 결과로서, 해저케이블 매설 공사로 인한 굴착 영향으로 나타났다.

3.2 Time Phase 분석 결과

각 호기별 Time Phase 분석 결과는 Fig. 8에 제시하였으며, 대표적으로 4호기의 경우, 1차(2018.02) ∼ 7차(2022.08)의 경과일수에 따라 4호기의 Line 1-A 구조물은 –6.27 ∼ -1.22의 변화율을 보이며, Line 1-B 구조물은 –4.88 ∼ -1.26의 변화율을 보인다. Line 2-C의 구조물은 –6.26 ∼ -1.26의 변화율을 보이며, Line 2-D의 구조물은 –5.16 ∼ -1.25의 변화율을 나타내었다.

Fig. 8 Scour change rate of the substructure of wind turbines over time.​​​​​​​

각 호기별 4개의 기초구조물들은 시간경과에 따른 변화율 그래프가 점진적으로 감소하는 양상을 보이며, 1차(2018.02) 및 2차(2018.05)의 경우, 해상풍력단지 건설 전, 자연상태의 변화율이라 변화가 미미한 양상을 보였으며, 3차(2018.11) 및 4차2019.04)까지는 급격히 변화가 일어나는 변화율 그래프 양상을 나타낸다.

5차(2019.07) 이후부터는 점진적으로 변화폭이 줄어드는 양상을 보이며, 6차(2021.05) 및 7차(2022.08)까지의 변화율은 변화가 미비한 변화율 폭을 나타내는 것으로 분석되었다.

4. 결론

서·남해 해상풍력 실증단지에서 2018년 2월(1차)부터 2022년 8월(7차)까지 총 7회 Multi-beamechosounder 장비를 이용하여 관측된 수심자료를 자료처리 및 보정 후, 항적 수심을 추출하였으며, 추출한 수심을 1m 격자 수심으로 생성하였다.

200 m × 200 m 범위를 선정하여 수심을 추출하였으며, 기초구조물 중심을 지나는 2개의 단면을 선정하여 수심을 재추출하여 분석하였다.

단면 비교 분석 결과, 1차(2018.02) 및 2차(2018.05)의 경우, 해상풍력단지 건설 전의 관측된 자료, 즉 자연상태의 해저면이기 때문에 최대깊이 값의 변화 차이가 없었으며, 3차(2018.11)부터 기초구조물 건설 공사시작 단계이므로, 기초구조물 굴착으로 인한 최대깊이값이 급격히 증가하는 양상을 나타냈으며. 4차(2019.04) 및 5차(2019.07) 역시 풍력기 건설 공사로 인한 최대 깊이값이 근소하게 증가하는 양상을 나타냈다.

6차(2021.05)에서 7차(2022.08)까지는 완공 이후, 해상풍력단지 운영 중 관측된 Data로서, 5차(2019.07)에서부터 6차(2021.05) 근소하게 최대 깊이값이 증가하다가 7차(2022.08)에서 최대 깊이값이 변화가 미비해지는 양상을 나타내었다.

Time Phase 분석 결과, 단면 분석과 비슷한 양상을 보이며, 시간경과에 따른 1차(2018.02) 및 2차(2018.05) 분석된 자료의 경우, 마찬가지로 해상풍력단지 건설전의 변화율이며, 자연 상태의 변화율로서, 변화율이 미비한 것으로 나타났다. 3차(2018.11) 이후부터 급격히 변화율이 증가하는 것으로 나타났으며, 6차(2021.05)에서 7차(2022.08) 변화율 역시 어느 정도 변화율에 도달된 후, 변화가 미비한 그래프 양상으로 분석되었다.

Time Phase 분석 방법에서 제시한 [Hoffmans, G. J. C. M and Pilarczyk, K. W]의 분석 방법을 인용하여 분석한 결과, 비슷한 그래프 양상을 도출할 수 있었다.

단면 분석 및 Time Phase 분석을 통하여 건설 전의 해저면의 최대깊이 값은 자연 상태의 값으로 판단되어 변화가 없으며, 3차(2018.11)이후 기초구조물 및 풍력기 건설 영향(굴착 및 터파기)으로 인한 최대깊이값의 증가한 것으로 판단된다.

기초구조물 건설 이후 4차(2019.04)부터 구조물의 무게 및 와류 형성으로 인해 세굴이 발생되는 것으로 판단되며, 그로 인하여 세굴심도가 점점 더 증가되는 것으로 판단된다. 완공 이후 운영 중일 때까지의 관측하여 분석한 결과로써는, 근소하게 세굴심도가 증가는 하지만 그 변화폭 및 변화율이 점점 감소하고 있는 양상이 나타났으며, 이는 최대 세굴 심도의 발달속도가 점차 감소하고 있는 상태로 판단된다.

해상풍력단지 건설 착수 후부터 운영 중까지 세굴심이 Stailization 도달까지의 기간은(7차 조사까지) 대략적으로 60개월.(약 5년) 정도의 기간이 소요되었으며, 그 소요되는 기간되는 세굴이 발생되어 영향을 미치는 요소로는 건설 초기에는 기초구조물 설치를 위한 드릴링 및 터파기로서, 굴착할 때의 해저지형에 영향이 있으며, 그 이후 기초구조물의 하부 설치(기둥 삽입)를 하여 구조물 무게의 따른 해저지형의 변화가 일어나며, 기초구조물 기둥 삽입으로 인한 와류 형성으로서의 세굴심 변화가 일어나는 것으로 판단된다. 건설 이후 운영 중까지 미치는 영향은 점점 줄어들어, 점차 안정화 단계로 접어드는 것으로 판단된다.

결론적으로, 본 연구에서 관측 및 분석된 자료는 해상풍력발전단지의 건설 전부터 운영 시까지의 세굴심 변화에 대해 기초자료로 제공될 수 있을 것으로 판단된다. 하지만, 정확한 세굴심을 파악하기 위하여 장기간의 모니터링이 충분히 필요하며, 각각의 해양상태에 따른 세굴심도 분석이 이루어져야 할 것으로 판단된다.

이미 국외에서는 대규모 해상풍력발전단지의 대한 공사 및 시설, 그리고 운영 전후의 해양환경 및 기초 구조물의 세굴심에 대한 장기적인 모니터링이 이루어지고 있으며, 점차 우리나라도 신재생에너지인 해상풍력발전단지의 건설 전 및 건설 중, 건설 후, 운영 시 까지의 관측 및 분석을 통하여 장기적인 모니터링이 이루어져야 된다고 사료된다.

후기

본 연구는 산업통산자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구(No.20203030020080, 해상풍력 단지 해양공간 환경 영향 분석 및 데이터베이스 구축)입니다.