해양 환경 변화를 고려한 최적의 전파 보정 계수 산출

1. 서 론

해상풍력 발전은 바람의 힘으로 전기 에너지를 생산하는 발전 장치로서, 화석연료를 대체하는 친환경에너지를 얻기 위한 목적으로 사용되고 있다. 최근 정부의 온실가스 배출 저감 정책 및 탄소 중립 정책에 따라 해상풍력 발전의 설치 및 운영 비중이 높아지고 있다.

해상풍력은 육지에 비해 장애물이 없어 풍속이 70%나 빠르고, 설치 위치에 대한 제약이 적어 공간 효율성이 높다는 장점이 있다. 하지만 풍력 터빈 가동 및 블레이드 회전 시 발생하는 소음 및 진동¹⁾이 수중에 전달된다는 단점이 존재한다.²⁾ 수중 소음이 증가하게 되면 음향 신호를 통해 의사소통을 하는 어류의 균형 감각 상실, 번식 억제와 같은 현상을 초래하며 해양 생태계에 부정적인 영향을 미치게 된다.^3,4)

이로 인해, 정부는 해양 개발 및 이용 사업이 해역 환경에 미치는 영향을 사전에 평가하는 해양 환경 영향평가 정책을 시행하고 있다. 이러한 정책들로 인해 수중 소음 조사가 필수적으로 요구됨으로써 명확한 피해 영향범위 예측과 해양 환경을 고려한 음원 주파수 대역 및 확산 형태 분석에 관한 연구가 이루어지고 있다.⁵⁾ Yoon 등은 천해에서의 소음 감쇠 정도를 실제 실험을 통해 만든 수식에 적용하여 피해 영향범위를 산출하였으며, 구면 확산과 원통형 확산 형태의 전달 손실을 사용하여 피해 영향범위를 예측해 왔다.^3,4)

그러나 이러한 방법들은 해역별 입사, 흡수, 흡음, 반사 등의 특성을 반영하지 못해 전파 보정 계수 선정 및 적용에 따라 전달 손실의 과대 또는 과소평가로 이어질 수 있고, 실제와 다른 결과를 초래할 수 있다. 이때 전달 손실은 측정 거리와 전파 보정 계수에 의해 결정된다. 전파 보정 계수는 수중에서 소리가 전파될 때 거리, 매질, 주파수 등에 따라 변하는 소리의 세기를 보정 하는 핵심 변수로, 수중 소음의 영향범위 예측 정확도를 향상시키는 역할을 한다.^3,4) 따라서 신뢰도 높은 수중 소음 영향평가 및 예측을 위해서는 환경변화에 따라 적합한 전파 보정 계수를 산출해야 한다.

본 연구는 실시간 변동되는 파고, 풍속 등과 같은 조건을 고려하기 위해 선박 두 대를 이용하여 선박 한 대를 소음원으로부터 최대한 근접하게 위치하여 고정하고, 다른 한 대는 등간격으로 거리를 이격시켜 동시간대 측정을 수행하였다. 또한, 거리, 매질 등에 따라 변화하는 전달 손실을 고려해야 한다. 따라서 측정을 통해 얻은 결과를 바탕으로 음원 준위를 예측하고 내부점법을 통해 예측한 음원 준위 값들의 편차가 최솟값이 되는 전파 보정 계수 최적화를 수행하였다.

2. 이론적 배경 및 연구 방법

2.2 전파 보정 계수 최적화

확산 형태만으로 전달 손실이 달라질 뿐만 아니라, 수심, 해저면의 매질 등 해양 환경에 따라서도 전달 손실 값이 달라진다. 이는 전파 보정 계수를 해역별 특성과 환경을 반영하지 않고 고정된 이론값을 이용하기 때문이다. 따라서 전파 보정 계수 N을 추정할 때, 측정 거리 및 해양 환경에 따른 오차를 최소화하고자 해양 환경에 맞는 전파보정계수 산출이 필요하다.

Fig. 1에서 보이는 바와 같이 선박 한 대(고정 선박)는 소음원(Sound Source)과 최대한 근접하게 위치하여 고정하고, 나머지 선박(이동 선박)은 등간격으로 이격하며 동시간대 측정을 수행하였다. 측정된 값을 통해 각 지점별 음원 준위를 예측하였고, 이격 거리에 따라 유사한 결과를 도출하기 위해서 전파 보정 계수를 내부점법을 이용한 최적화를 통해 전파 보정 계수를 구하였다. 내부점법(Interior point method)은 다음 식 (3)과 같이 정의한다.⁸⁾

$\[ \begin{array}{c}\underset{X\in R^n}{\text{min}}f\left(X\right)-\frac{1}{t}\sum _{i=1}^m\text{log}\left(-g_i\left(X\right)\right)\hfill \\ \text{subject to} : AX=b\hfill \end{array} \]$

(3)

Fig. 1

Example of simultaneous measurement method

식 (3)은 컨벡스 최적화 문제의 KKT(Karush – Kuhn – Tucker) 조건식으로 t를 변화하며 내부의 중심 경로에 따라 최적의 해를 점근적으로 찾아가는 특성을 갖는다. 최적화 과정에서 사용된 목적 함수는 환경 및 거리에 따라 변함없는 예측 음원 준위 값을 산출하기 위해 식 (4)와 같이 고정 선박과 이동 선박의 음원 준위 예측 차이가 최소가 되는 값으로 설정하였다.

$\[ Obj :\sum _{n=1}^4\left|S{L}_{p_n}-S{L}_{p_0}\right| \]$

(4)

여기서, SL_Pn은 이동 선박의 n번째(1,2,3,4) 지점에서 예측 음원 준위 값을, SL_P0은 고정 선박의 예측 음원 준위 값을 나타낸다. 다른 최적화 방법으로 비선형 최소 제곱법, 담금질 기법과 비교 분석해본 결과 두 가지 방법 모두 내부점법과 계산 속도가 유사하고 최적화된 전파 보정 계수 값의 오차율도 유사하게 나타나는 것을 확인하였으나, 수렴 정도를 설정할 수 있다는 측면에서 상대적으로 정확성 확보가 뛰어난 내부점법을 이용하여 최적화를 수행하였다. 또한 동시 측정 값(음압 레벨)을 이용해 최적의 전파 보정 계수를 적용한 고정 선박과 이동 선박의 예측 음원 준위를 산출하여 비교를 통해 예측 정확도를 평가하였다.

3. 측정 장비 및 방법

수중에서 발생하는 소음을 측정하기 위해 수중음향센서 Hydrophone을 사용하였다. 데이터의 신뢰도를 위해 2개의 센서를 사용하였고, 수심 10 m에서 2~5분간 수중 소음을 측정하였다. 데이터 분석 장치는 B&K사의 Pulse 3560C 장비를 사용하였으며, 측정 센서 및 장비의 세부 사양은 Table 1에 나타내었다.

Table 1

Measurement equipment specifications

일반적인 서남해 해상풍력 발전기의 시동 풍속은 최소 3 m/s 이상에서 가동되므로 풍속이 3 m/s 이하일 때 배경소음을 측정하였다.²⁾ 풍력 발전기가 가동될 때 수중 소음을 측정했고 측정 당시 날씨는 맑음, 풍속은 3~5 m/s, 파고는 0.1~0.3 m의 높이였으며, 항공기 및 선박 통과 등에 의한 인위적인 외부 소음은 기록하여 분석에서 제외하였다. 또한 서남해는 해저면이 자갈로 이루어진 동해안과 달리, 진흙과 모래로 이루어져 있고 수심이 일정하지 않다는 특성 때문에 다양한 해양 환경의 조건을 충족한다고 판단하여 서남해 지역을 측정 지역으로 선정하였다.²⁾

따라서 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 선박 한 대를 소음원과 최대한 근접하게 위치시킨 후(50 m) 닻을 내려 고정하고, 또 다른 선박 한 대를 고정 선박으로부터 250 m, 500 m, 750 m, 1 km까지 등간격으로 이격시켜 두 선박에서 동시에 측정을 수행하였다. 이를 바탕으로 Table 2 와 같이 Case를 구분하여 정리하였다.

Fig. 2

Measurement point and sequence

Table 2

Measurement point

4. 전파 보정 계수 최적화 결과

수중에서 발생하는 배경소음은 수심, 수중 음속, 파도 등과 같은 환경적 요인에 따라 영향을 받게 된다.⁹⁾ 실제 측정 당시 배경소음을 측정한 결과, 115 dB/1uPa로 측정되었다.

측정 결과는 Table 3에 나타내었으며, 풍속 세기에 따라 고정 선박에서는 129~132 dB/1uPa의 음압 레벨이, 이동 선박에서는 최대 117~122 dB/1uPa의 음압 레벨이 측정되었다. 고정 선박에서 측정된 값과 비교하였을 때, 이동 선박의 소음 값은 소음원에서 거리가 멀어질수록 소음 레벨이 점차 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 지점별 측정된 결과를 바탕으로 예측된 음원 준위의 평균 오차가 가장 적게 나타나는 값을 전파 보정 계수로 설정하였다. 앞서 기술한 바와 같이 내부점법을 이용하여 최적의 전파 보정 계수 값을 산출한 결과, 8.3의 값이 선정되었고, 이 값을 식 (2)에 대입하여 이동 선박과 고정 선박에 대한 음원 준위를 각각 예측하고 비교하여 전파 보정 계수의 적합한 선정 여부와 예측 정확도 평가를 수행하였다. 이동 선박과 고정 선박의 예측 음원 준위는 Table 4에 나타냈다. 비교 결과, 각각의 예측 음원 준위 값이 높은 수준의 유사성을 보였다.

Table 3

Measurement results

Table 4

Predicted Source Level results

Fig. 3은 고정 선박과 이동 선박에서 측정한 음압 레벨을 1/3 Octave band와 Contour map으로 나타낸 결과이다. Case 1~4는 거리의 증가에 따라 전체 음압 레벨이 낮아지는 양상을 보였으며, 주파수별 분포 특성은 전반적으로 유사한 경향을 나타냈기 때문에 Case 1의 결과만을 제시하였다. 1/3 Octave band는 측정된 특정 시간대의 진폭 정도를 밴드별로 더욱 상세히 확인하기 위해 사용하였고, Contour map은 측정시간 동안 발생하는 대역별 진폭 레벨의 변화 정보를 확인하기 위해 사용하였다. 약 500 Hz 이하의 저주파 대역에서 음압 레벨이 높게 나타나는 것을 확인할 수 있는데, 이는 풍속이 증가함에 따라 파도의 영향과 풍력 발전기에서 발생하는 수중 소음에 의한 것으로 판단된다.

Fig. 3

Contour map & 1/3 Octave band

5. 결 론

본 연구는 해상풍력 운영 시 소음피해 범위를 예측하기 위한 수심, 해저면 특성 등 해양 환경에 따라 변화하는 음압 레벨을 고려하는 전파 보정 계수 산출을 위해 동시 측정을 진행하였다. 측정은 서남해 해상풍력 실증단지에서 진행하였으며 동시 측정을 위해 두 대의 선박을 활용하였다. 두 선박 중 하나는 소음원으로부터 50 m 떨어진 지점에 고정하고 나머지 하나는 이격 거리를 250 m 간격으로 증가시키며 측정을 진행하였다. 해상 풍력기 가동 전후 소음을 비교한 결과, 가동 시 배경소음이 약 15 dB 증가한 것으로 나타났으며 특히, 500 Hz 이하의 저주파 대역에서 소음레벨이 증가한 것을 확인할 수 있었다.

측정 결과, 풍력 발전기 즉, 고정된 위치에서는 129~132 dB/uPa, 이격 거리에 따라서는 117~122 dB/1uPa의 음압 레벨이 측정되었다. 측정된 값을 바탕으로 예측 음원 준위 값이 최소가 되는 전파 보정 계수 값은 8.3으로 산출되었으며, 예측 음원 준위는 141~144 dB/1uPa으로 계산되었다. 또한 이동 선박과 고정 선박의 예측 음원 준위를 비교 검증하여 선정한 전파 보정 계수의 적합도를 평가하였고, 예측 음원 준위의 높은 유사성을 통해 최적의 전파 보정 계수가 선정됨을 입증하였다. 이러한 결과를 통해 해역별 특성을 고려하여 최적의 전파 보정 계수를 선정하고, 수중 소음에 대한 피해 영향범위를 더 정확하게 예측할 것으로 기대된다.

Acknowledgments

“이 논문은 2025년도 해양수산부 재원으로 해양수산과학기술진흥의 지원을 받아 수행된 연구임(20210427, 과학기술기반 해양환경영향평가 기술개발).”

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