• 수중소음이란?

  해양에는 다양한 수중소음원이 존재하며, 수중소음은 자연 발생적인 소음과 인간의 활동에 의한 소음으로 구분된다. 자연 발생적인 소음은 바람에 의한 소음, 강우에 의해 발생되는 소음, 생물에 의한 소음, 지진에 의해 발생되는 소음 등이 있으며, 인간의 산업 활동으로 인해 발생되는 소음은 수중 공사소음, 선박소음, 해저 지층탐사 시 발생되는 소음 등이 있다. 일반적으로 해양에서의 수중소음 준위는 저주파대역에서 소음준위가 높으며 고주파대역으로 갈수록 감소하는 경향을 보인다.

  수중소음은 발생기작에 따라 서로 다른 주파수 대역을 가지며, 특정 주파수 대역에서 강한 특성을 보인다. 지진파와 해수면운동에 의해 발생하는 압력변화로 인해 발생하는 초저주파소음(1~10Hz), 선박과 같은 해양 운항기기들로부터 발생하는 저주파소음(10Hz~1kHz), 바람이 불어 발생하는 해상상태의 변화와 그로 인해 나타나는 기포들에 의해 발생하는 중주파소음(100Hz~10kHz), 해수 분자의 열 교란에 의하여 발생하는 초고주파소음(50kHz 이상)이 존재한다(Wenz, 1962). 한반도 주변 해역의 경우 시공간적인 변동 폭이 크고 불규칙하여 지역에 따라 음파전달특성 및 소음의 발생 원인이 다르며, 최복경 등(2003)은 한반도 주변해역의 측정 자료를 바탕으로 Wenz curve 식의 계수를 조절하여 한반도 연근해 수중소음 모델을 제시하였다.

• [ 수중 음원의 스펙트럼 및 주파수 분포 ]

  

  출처 : G. M. Wenz, 1962

관측방법 및 분석방법

수중소음은 물 속의 소리를 녹음하거나 듣기 위해 설계된 마이크인 수중청음기를 이용하여 측정한다. 수중청음기로 수신된 신호는 소음이 발생하는 주파수 대역에서 동일한 증폭 성능을 갖는 증폭기를 통과시켜 디지털 신호로 변환하여 저장한다.

수중 배경소음이나 운영소음과 같이 지속적으로 해양에 존재하는 소음은 일정시간 음압의 평균으로 주파수영역에서 표현되는 파워 스펙트럼 밀도(PSD, Power Spectral Density)로 분석한다. 반면에 항타소음과 같이 충격파 형태의 짧은 신호는 에너지 스펙트럼 밀도(ESD, Energy Spectral Density)로 분석한다.

해상풍력단지와 수중소음

해상 풍력은 녹색 에너지로의 전환에서 점점 더 중요한 부분을 차지하고 있지만, 해양 환경에 부정적인 영향을 미칠 수 있다는 우려가 존재한다. 수중소음은 해상풍력발전소에서 발생하는 주요 이슈 중 하나이며, 해상 풍력 발전 단지의 모든 단계에서의 활동은 수중 소음을 생성한다(Mooney et al., 2020).

해상풍력단지 개발의 4가지 주요 단계는 (1) 탐사 및 현장 조사, (2) 건설, (3) 운영, (4) 해체이며 각각 다른 소음을 방출한다.

지금까지 해상 풍력 발전과 관련된 수중 소음 영향에 대한 연구는 특히 항타소음이 발생하는 건설 단계에 중점을 두었다. 파일을 해저면에 고정시키는 공정은 매우 높은 음압레벨의 수중소음을 발생시키므로, 건설 작업에서 발생하는 항타소음이 가장 중요한 원인이라고 결론지었다. 따라서 항타소음이 해양생태계에 미치는 영향을 평가하는 기준을 마련하기 위해 많은 노력이 있었다. 항타소음의 매커니즘과 전파 특성을 조사하기 위해 여러 연구가 수행되었으며, 소음의 측정, 분석, 예측 기준을 제시하였다(ISO 18406; Han andChoi, 2022).

반면에 운영 단계에서 발생하는 운영소음은 저주파와 저강도로 제한되어 선박소음보다 상당히 낮다고 결론 지었으며, 해양생태계에 대한 영향이 작을것으로 생각했다. 그러나 최근들어 발전기의 크기가 커지고, 대규모 해상풍력발전단지가 건설됨에 따라 미래에는 운영소음의 크기도 무시할 수 없을 것으로 예측하고 있다(Tougaard et al., 2020; Stober and Thomsen, 2021).

항타소음

• - 항타소음 발생 매커니즘
  항타소음은 해상풍력 기초 구조물을 설치할때 발생하는 소음으로 해머가 파일을 타격할때 굉장히 빠른 속도의 마하파(Mach wave)가 발생한다. 파일의 상단에서 발생한 이 음파는 파일의 하단으로 이동하며 물에서는 원뿔형 복사 패턴으로 전파된다. 이후 하단에 도착한 음파는 다시 상단으로 반사되며, 파일 사이를 왕복하며 감쇄하게 된다.

  [ 항타소음의 방사 패턴 ]

  

  출처 : Reinhall and Dahl, 2011

• - 항타소음의 음향특성
  항타소음은 파일의 종류와 지역해양환경의 차이에 따라 달라질 수 있다. 항타소음이 해양생태계에 미치는 영향을 파악하기 위해서남해 해상풍력 단지 건설현장에서 국제 표준 및 가이드(ISO 18406)에 따라 항타소음을 측정하고, 음향특성 및 거리에 따른 항타소음의 변화를 확인하였다(Han and Choi, 2022).

  [ 항타 공정 ]

  

  출처 : Han and Choi, 2022

서남해 해상풍력 단지 항타소음 모니터링

운영소음

• - 운영소음 발생 매커니즘
  운영 소음은 주로 풍력 터빈 나셀 내부의 기어박스를 포함한 다양한 기계 부품의 움직임으로 인해 발생하는 진동에서 발생하는 것으로 알려져 있다. 전력 생산을 위해 풍력발전기가 작동하는 동안 지속적으로 발생하는 기계적 진동은 타워를 통해 아래쪽으로 전달되어 수중으로 방사된다.

  [ 운영소음의 발생 매커니즘 ]

  

  출처 : Yoon et al., 2022

• - 운영소음의 음향특성
  운영소음은 일반적으로 1kHz 미만의 저주파에서 토널 형태로 나타나며, 풍속 및 풍력 터빈 매개변수에 따라 음향특성이 달라진다. 운영소음에 대해서는 아직 많은 연구가 진행되지 않았으며, 서남해 해상풍력 단지에서 발생하는 운영소음의 특성을 정량화하기 위해 0~20 m/s의 풍속 범위에서 운영소음을 측정하였다(Yoon et al., 2022).

서남해 해상풍력 단지 운영소음 모니터링

영향예측

해상풍력발전기 공사 시 발생하는 항타 소음 및 운영 중에 발생하는 운영소음은 이론적인 전달손실(10*logR ~ 20*logR) 로 간단히 계산될 수 있다. 그러나 이 방법은 해양환경에 따라 급격하게 변화하는 수중 음파 전달 특성을 반영할 수 없어 실제 전달 범위와 차이가 존재한다. 따라서 음파의 전달 범위를 예측하기 위해서는 음원의 주파수 특성, 음원의 발생 매커니즘, 해저 지형 및 해저면 특성, 수온구조 등을 고려한 음파 전달 모의가 수행되어야 한다. 해상풍력 발전과 관련된 수중소음의 음파 전달 모의는 복잡한 해양 환경에 대해 수치적 적용이 용이하며 중/저 주파수대역에서 정확한 장점이 있는 포물선 방정식 기반 RAM으로 예측하는 것이 효과적이다. 이 방법은 방위에 따라 달라지는 해양환경을 고려할 수 있으며, 소음원의 특성(항타소음 : 광대역 지향성 음원, 운영소음 : 풍속에 따른 주파수 특성)을 고려할 수 있어 보다 정확한 소음 영향 예측을 수행할 수 있다.

마치면서...

• 수중소음은 해상풍력 발전단지에서의 주요 환경 이슈 중 하나이다. 한국은 해상풍력 개발의 초기 단계로 과거 사례가 많지 않아 아직 충분한 영향관계가 밝혀지지 않았다. 특히 수중소음의 경우 기존의 환경 영향 평가 항목에 없었으며 해상풍력단지 개발로 인해 추가되었다. 해외에서 수행된 조사 및 연구 결과들을 일부 활용하여 가이드라인을 제시하고 있으나, 전반적으로 수중소음에 대해 체계적이지 못한 평가가 수행되고 있다.
  
  해상풍력 관련 환경 조사 및 영향 평가는 정확한 측정 및 분석을 통해 결과가 도출되어야 하며, 과학적 사실 기반의 합리적인 기준이 제시되어야 한다. 서남해 해상풍력 실증단지에서 항타소음과 운영소음에 대한 연구가 수행되었으나, 수중소음으로 인한 국내 해양생태계의 영향을 정확하게 예측하기에는 아직까지 연구 사례가 부족하다. 현재 건설중이거나 건설될 풍력단지에 대해서도 수중소음 조사가 필요하며, 연구 결과를 바탕으로 향후 측정 방법, 영향 예측 및 평가 기준이 보완되어야 할 것으로 생각된다.

• [ 수중소음을 줄이기 위한 ‘bubble curtain’ 방법 ]

  

  출처 : https://www.geodrillinginternational.com

본 연구는 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구(No. 20203030020080, 해상풍력 단지 해양공간 환경 영향 분석 및 데이터베이스 구축, 2020~2024)의 결과입니다(문의 : 한양대학교 최지웅 교수, choijw@hanyang.ac.kr).