Corresponding author: Ik-Soon Cho, +82-51-410-5072, 1. 서 론
1.1 연구 배경 및 목적
선박의 항행으로 발생하는 항주파는 인근의 부두까지 전달되어 계류 선박에 영향을 미칠 수 있다. 이는 계류 선박의 과도한 동요를 유발하고 계류시설이나 하역설비의 파손으로 이어져 인적 피해와 경제적 손실을 야기할 수 있다. 또한, 해상운송의 증가에 따른 선박의 항만 이용률 증가와 기술 발달에 기인한 선박의 운항속도 증가는 항주파의 발생과 직접적으로 관계하고 있다.
선박의 계류 안전성을 위해서는 다양한 측면의 검토와 단계별 관리가 필요하다. 설계 단계에서 쓰나미 등 장주기파의 항만 내습과 같은 외력조건을 고려하여 계류 선박의 동적 동요를 해석할 필요가 있다(Cho, 2005). 또한, 부두 이용 선박의 규모를 고려하여 적절한 부두 계류 장치를 설치하여야 하며, 설계 접안에너지에 따라 적절한 접안속도로 선박을 운항하는 등 부두 운영을 위한 적절한 관리가 요구된다(Kang et al, 2021). 항만의 건설 이후에도 부두의 노후화 및 계류 선박의 대형화 등을 고려하여 계류 환경 개선을 위한 고민이 필요하다(Kim et al, 2021). 마찬가지로 통과 선박의 영향은 계류 선박의 안전을 위해 필히 확인되어야 하는 요소이며, 특히 항로와 인접한 부두일수록 그 중요성은 더욱 증가한다.
1990년에 발생한 U.S.JUPITER호의 화재 사고는 통과 선박의 위험성을 보여주는 대표적인 사례이다. U.S.JUPITER호는 10,900DWT의 유조선으로 미국 미시간주 새기노강(Saginaw River)에 접안하여 가솔린을 하역하고 있었으며, 17,500DWT의 BUFFALO호가 약 20m의 간격을 두고 선속 4.2kts로 인근을 통과하였다. 당시 통과 선박의 영향으로 인하여 계류삭 및 하역설비가 파손되면서 화재가 발생하였다. Fig. 1과 같이 해당 사고로 계류 선박은 전손되었으며, 인명피해가 발생하였다(Seelig, 2001).
개방된 해역에서 발생한 항주파는 점차 감쇠하다가 소멸되는 것이 일반적이다. 그러나 수로의 폭이 좁거나, 수심이 낮은 경우 항주파가 변형되어 파고가 증폭되는 경우도 생기게 된다. 따라서 항주파의 발생과 전파에 따른 변형에 관하여 예측하고 분석할 필요가 있다(Kim, 2008). 이처럼 수역의 범위가 제한된 항내에서 항로와 인접한 부두에 계류된 선박은 항로를 통항하는 선박에서 발생하는 항주파의 영향을 더 많이 받게 된다. 더 나아가, 항만배후지역의 확보를 위한 항만수역의 잠식, 직립안벽의 설치 등은 항주파에 의한 문제를 가중시키고 있다(Jung, 2008). 따라서, 본 연구에서는 통과 선박에 의해 항로 인접 부두에 계류 중인 선박에 발생하는 위험성을 검토하고 안전성을 확보할 수 있는 항로 항행 기준을 모색하고자 하였다.
또한, 이와 같은 항주파의 영향은 항만의 개발 단계에서 해상교통안전진단을 통해 위험성이 식별되어야 한다. ｢해상교통안전진단시행지침｣에서는 계류안전성평가의 고려사항에서 통과 선박의 영향을 직접적으로 언급하고 있지 않다(Ministry of Oceans and Fisheries, 2022). 한편, 통과 선박의 영향을 제하고 산출한 계류 선박 동요량의 예측값과 실측값을 비교한 연구에서 대형선의 인근 통항 시 계류 선박에서 예측보다 큰 선체 동요량이 나타나 통과 선박 영향의 중요성이 강조된 바 있다(Kwon, 2021). 따라서, 본 연구에서는 항행기준 제언과 동시에, 부두 설계 과정에서의 통과 선박 영향 평가 및 위험성 관리의 중요성을 강조하고자 한다.
1.2 연구 방법
연구 방법을 요약하면 Fig. 2와 같다. 통과선박의 영향으로 인해 계류삭 절단 사고가 발생하는 것으로 추정되는 울산항 Ａ 부두를 연구 대상으로 선정하였으며, 계류해석 시뮬레이션 프로그램(OPTIMOOR Software)을 통해 분석을 수행하였다. 대상 부두는 울산항 제1항로와 평행에 가까우며, 부두와 항로의 최단 거리가 약 80m로 검토되었다. 모델링 및 시나리오 구성을 위해 부두 운영사로부터 제공받은 부두의 도면과 운영 매뉴얼을 검토하였다. 대상 부두를 이용할 수 있는 선박은 유조선과 LPG 운반선으로 두 선박에 대한 평가를 각각 수행하였다.
또한, 평가를 위하여 실제 통과 선박의 제원(수선간장, 배수톤수)과 이격거리 및 통과 속력을 구현할 필요가 있다. 따라서, 과거 울산항 제1항로 통항 선박 및 울산본항 입⋅출항 선박을 조사하여 이를 토대로 통과 선박 조건을 반영하였다. 아울러, 울산항의 지형 조건에 따라, 해당 해역에서 발생할 가능성이 있으며 동시에 선박 계류에 가장 불리한 자연환경 조건을 입력하였다.
조사 결과를 바탕으로 부두, 계류 선박, 통과 선박, 자연환경 조건을 모델링하였다. 그리고 평가 목적에 따라 부두 운영의 적정성 평가, 부두와 항로의 거리 적정성 평가, 통과 선박의 속력 및 이격거리에 따른 영향 평가를 위한 세 가지 시나리오를 구성하여 시뮬레이션을 수행하였다. 평가 결과를 종합하여 통과 선박의 위험성을 판단하고 Risk Matrix를 도출하였다. 마지막으로, Risk Matrix를 바탕으로 대상 부두의 안전성 확보를 위한 통과 선박의 항행기준을 제안하였다.
2. 계류 선박과 통과 선박의 이격거리 기준
항만 설계 단계에서 위와 같은 통과 선박의 영향을 고려하여 부두와 항로의 배치에 유의할 필요가 있다. 따라서, 국내⋅외 설계기준에서는 다음과 같은 가이드라인을 제시하고 있다.
2.1 항만 및 어항 설계기준
국내의 ｢항만 및 어항 설계기준｣에서는 항주파의 영향이 고려되어야 함을 언급하고 있다. 항주파는 선박이 항행할 때 발생하는 파도로 선박이 클수록, 속도가 빠를수록 파고가 커진다. 해당 기준에서는 일본 해난방지협회의 항주파연구위원회에서 제안한 항주파의 파고추산식을 참조자료로 제시하고 있다(Ministry of Oceans and Fisheries, 2021a).
여기서, H0 : 임의 관측점의 항주파 최대파고(m)
LS : 선박의 길이(m)
VK : 선박의실제항해속력(kts)
EHPW : 조파마력(W)
조파마력 EHPW는 다음과 같이 산정된다
여기서, SHPm : 연속최대 축마력 (W)
ρ0 : 해수밀도 (kg/m3), ρ0 = 1,030 (kg/m3)
V0 : 만재항해속도 (m/s), V0 = 0.514VK
CF : 마찰저항계수
ν : 물의 동점성계수(m2/s), ν ≒ 1.2 × 10-6(m2/s)
∇ : 배의 만재배수량 (m3)
2.2 PIANC Rule
국외의 항만 설계기준으로 국내의 항만 및 어항 설계기준과 더불어 해상교통안전진단에서 보편적으로 적용되고 있는 PIANC Rule에서도 항로 인근에 부두가 있는 경우 통과 선박의 영향을 고려할 것을 명시하고 있다. 특히, 계류 선박이 움직임에 민감한 원유와 가스 터미널, 그리고 컨테이너선의 정박지와 같은 곳에서는 선박의 통과 영향이 보다 중요할 수 있으므로 통과 선박의 속력 및 이격거리에 대한 제한이 정해져야 할 것을 강조한다.
PIANC Rule에 따르면 개념 설계 단계에서 계류 선박에 심각한 동요를 유발할 가능성이 없는 조건으로 선체 측면 간의 거리가 최소 선폭의 두 배일 경우 통과속도를 4kts 이하로, 최소 선폭의 네 배일 경우 통과속도를 6kts 이하로 제한할 것을 권고한다(PIANC, 2014).
3. 통과 선박의 영향 계산
1940년대 이후부터 선박, 특히 유조선이 급속히 대형화됨에 따라 계류 선박에 작용하는 통과 선박의 영향에 대한 관심이 증가하였고 실측, 모형 실험, 모델 개발 등의 활발한 연구로 이어졌다. 통과 선박의 영향 예측은 프로토타입 측정, 물리적 모델 측정 또는 수학적 방법을 기반으로 할 수 있다.
본 연구에서는 유조선 외 선종의 통과선박 영향 분석에 비교적 정확하다고 보이는 ‘Flory-Remery’ 모델을 활용하였다(Pierre, 2010). 해당 모델에서 통과 선박이 계류 선박에 미치는 영향은 베루누이 원리에 기반한다. 선박이 항진할 경우, 선수와 선미에는 높은 압력, 선체의 중앙부에서는 낮은 압력이 나타난다. 이러한 압력장의 차이로 인해 발생하는 반발력과 인력을 기본 원리로 모델이 개발되었다. 계류된 선박은 파랑과 베르누이 효과의 조합으로 인해 부두 방향 또는 부두 반대 방향으로 격렬하게 끌릴 수 있다(Seelig, 2001).
Remery는 1974년 Netherlands Ship Model Basin(NSMB)에서 1:60 축척의 모형 시험을 수행하였으며, 계류 선박에 대한 통과 선박의 위치를 기준으로 측정된 힘과 모멘트를 도표화하여 제시하였다. Remery는 시험을 통해 통과 선박에 의해 발생하는 힘과 모멘트는 속력의 제곱에 비례하며 선박 사이의 상대적인 위치와 관련이 있음을 발견하였다(Remery, 2014).
1년 후 Muga에 의해 1:68 축척의 모형 시험이 이루어졌다. Muga는 시험 결과를 바탕으로 통과 선박의 힘과 모멘트의 계산 방법을 개발하였다(Muga and Fang, 1975). 보다 상용화된 계산 방법을 제공하고자 Remery와 Muga의 시험 결과를 바탕으로 Flory의 모델이 개발되었다. Flory는 다양한 계류 선박에 적용할 수 있도록 축척 계수(Scale factor)를 포함하여 방정식을 정립하였다(Flory, 2022). Flory 모델에서 사용되는 명칭과 규칙에 대한 설명은 Fig. 3과 같으며, Fig. 4는 계류 선박과 통과 선박의 종방향 거리에 따른 힘과 모멘트를 무차원화한 결과이다.
여기서, V는 통과 선박의 속력, DR은 계류 선박 대비 통과 선박의 배수톤수를 의미하며, SR은 선측 간의 횡 간격(Separation Distance)을 통과 선박과 계류 선박 길이의 평균으로 나눈 값을 말한다. 위의 식에서 축척 계수는 다음과 같이 구할 수 있다.
선박이 얕은 수심에서 계류하는 경우 횡방향 이동에 아주 큰 저항을 받게 된다. 따라서 이를 유의할 필요가 있으며, 해당 식에서는 선저와 해저 사이 여유수심(Under Keel Clearance)에 따른 영향을 아래와 같이 계산한다. 여기서, UKDCR(Under Keel Clearance to Draft Ratio)은 선저와 해저 사이 간격을 계류 선박의 흘수로 나눈 값을 말한다.
4. 울산항과 대상부두 현황
4.1 부두 현황
울산항은 울산시에 위치한 국가관리 무역항으로 울산본항, 온산항, 미포항 및 울산신항으로 구성되어 있으며, Ａ 부두는 울산본항에 위치한다. 울산항에는 제1항로부터 제5항로까지 총 5개의 지정항로가 존재한다. 울산항 제1항로를 북향하여 울산본항으로 진입이 가능하며, 제1항로 입구대에는 동방파제가 위치하여 울산본항의 정온도를 확보한다. 동방파제의 북측으로 Ａ 부두가 위치하며, 제1항로와 가장 근접한 부두인 것으로 확인된다. Ａ 부두는 민영 부두로서 운영사에 의해 자체적으로 관리되고 있다.
해당 부두는 돌핀형 부두로 70,000DWT의 유조선과 60,000DWT의 LPG 운반선의 계류가 가능하도록 설계되었다. 부두의 양 끝단에 위치하는 계선주 사이의 간격은 330m이며 부두의 각도는 약 0°에 해당한다. 부두 관리 매뉴얼 상 계류가 가능한 선박의 최대 전장은 280m로 검토되었다. 부두의 최저수심은 14.8m이며, 기본수준면으로부터 부두의 높이는 5.5m로 확인되었다. UKC(Under Keel Clearance)를 흘수의 10% 이상 확보하도록 관리되고 있으며, Ａ 부두에 계류가 가능한 선박의 최대 흘수는 13.3m로 제한된다. 부두의 주요 제원을 정리하면 Table 1과 같다.
OCIMF(Oil Companies International Marine Forum)에서는 탱커의 계류 한계풍속을 60kts로 권고하고 있으나 부두의 조건에 따라 60kts에서 계류가 어려울 수 있다(OCIMF, 2008). 또한 계류가 가능하더라도 화물의 적⋅양하 작업에 위험성이 존재할 수 있다. 탱커의 화물 특성상 계류 중 발생하는 문제는 화재⋅폭발과 같은 사고를 야기할 수 있다.
4.2 부두와 항로 위치
본 연구에서 선박 간의 이격거리는 계류 선박의 현측으로부터 통과 선박의 현측 까지를 의미한다. 해당 이격거리 정의를 도시하면 Fig. 5와 같다. 항적을 통해 검출한 부두 통과 시 선박의 위치는 선박 중심을 의미하므로, 부두 법선에서 선박 중심까지의 거리에서 계류 선박의 선폭1)과 통과 선박 선폭의 반을 차감해주면 선박 현측 간의 이격거리를 구할 수 있다. 계류 선박의 부두 반대 방향 현측 선체 중앙으로부터 항로까지의 거리는 약 80m로 검토되었다.
4.3 제1항로 통항 선박 현황
해상교통조사 및 분석은 특정 해역의 선박 통항 흐름을 조사하여 그 자료를 수집하고 분석하는 과정이며, 통항하는 선박이 이용하는 항로와 해양시설물이 선박의 통항에 어떠한 영향을 미칠 가능성이 있는지 예측할 수 있다(Son et al., 2019). 본 연구에서는 대상 부두 인근 통과 선박을 선종, 선박길이, 통과 속력, 이격거리별로 분석하기 위하여 해양수산부 GICOMS(General Information Center on Maritime Safety & Security)의 선박 항적 자료를 활용하였다. 기상청의 기상특보 자료와 PORT-MIS의 선박 입⋅출항 자료를 통해 1년간(‘19년 09월 01일~’20년 08월 31일)의 기간 중 기상특보가 발효되지 않고 통항량이 가장 많은 연속된 7일을 선정하였으며, 해당 기간은 ‘19년 10월 24일~10월 30일로 나타났다.
통과 선박 중 입항 선박보다 출항 선박이 계류 선박에 근접하여 통항하므로 Ａ 부두에 미치는 영향이 더 클 것으로 예상된다. 따라서, 출항 선박의 항적을 살펴보기 위해 선박의 침로가 090°를 초과하고 270° 미만인 항적만 추출하여 Fig. 6과 같이 위성 지도에 나타내었다. 또한, 특정 지역을 통과한 선박을 찾을 때 가장 가까운 점형의 항적 정보를 활용하는 방법도 있으나, 선형의 항적에서 교차점을 도출하는 방법은 비교적 정확한 이격거리의 계산이 가능하다는 이점이 있다. 따라서, Fig. 7과 같이 데이터를 선형의 항적으로 변환하였으며, 부두의 횡방향 중앙선과 교차점을 도출하여 이격거리 분석을 수행하였다.
4.3.2 통과 속력
통과 선박을 선박의 종류별⋅통과 속력별로 Table 4, Fig. 9와 같이 구분하여 분석하였다. 울산항은 현재 항만의 해상 교통 안전성 또는 항내 정온도 확보를 위한 속력제한 규정이 존재하지 않는다. 대신, 항만지역의 대기질 개선을 목적으로 하는 ｢선박저속운항 해역 및 대상 선종 등 기준 고시｣에 따라 저속운항 해역 범위에 해당한다. 이에 따라, 컨테이너선과 자동차운반선의 경우 권고 속도가 12kts, 세미(혼재) 컨테이너선과 유조선(원유 운반선, 케미컬 및 석유제품운반선)의 경우 권고 속도가 10kts로 확인되었다(Ministry of Oceans and Fisheries, 2021b).
실제 부두 통과 속력은 최대 13.2kts로 나타났으며, 검토된 모든 선박의 속력 평균값은 9.6kts로 나타났다. 다만, 13척(4.2%)의 선박이 12kts 이상의 속력으로 통항하는 것으로 식별되었는데 이는 대부분 길이 100m 미만의 유조선 및 LPG 운반선으로 권고 속력 적용 대상에 해당하지 않는 것으로 나타났다.
4.3.3 이격거리
해역에 따라 선박의 통항 분포는 정규분포를 따르기도 하지만 근래에 들어서는 선박의 통항 분포를 정규분포로 해석하기에 적합하지 않다는 연구결과가 다수 발표되기도 하였다. 본 연구에서는 통항 분포 분석을 통해 해양시설물과 선박간 적정 이격거리를 도출한 선행 연구(Son et al., 2020)를 참조하여 A 부두 인근 선박 통항 패턴을 분석하였다. 표본의 검토 결과를 요약하면 Table 5와 같다. 표본의 히스토그램을 대상해역에 도시한 결과는 Fig. 10과 같으며, 데이터의 Q-Q plot은 Fig. 11과 같다.
대부분의 선박이 부두로부터 150m 이상 200m 미만의 이격거리를 갖는 것으로 나타났다. 이격거리 데이터를 정규분포로 분석하고자 먼저 결측치와 이상치를 검토하였다. 데이터 중 선박의 제원 정보가 누락된 데이터는 정확한 이격거리를 산출하기 어려우므로 결측값으로 판단하여 삭제 처리하였다(Son et al., 2022). 나머지 286개 데이터의 Boxplot을 검토한 결과, 이상치로 도출되는 값은 129.2m 미만 276.4m를 초과하는 값으로 26개가 나타났다. 129.2m 미만의 값들은 항로를 벗어나 부두와 근접하여 통항하거나 항로의 경계선을 지나는 선박들로 검토되었다. 276.4m를 초과하는 값들은 항로의 중심으로부터 동쪽에 가까우며, 출항선 기준 좌현에 치우쳐 통항한 선박들로 검토되었다. 즉, 도출된 이상치는 울산항 제1항로 출항 선박의 일반적인 운항 형태를 갖는다고 보기 어려우므로 삭제 처리하였다. 따라서 정규분포에 적용한 데이터는 총 260개이다.
데이터의 정규성 검정을 위해 Kolmogorov-Smirnov test 평가 방법을 이용하였으며, p-value의 값이 0.05 이상으로 정규성을 따른다고 판단하였다. 결론적으로, 울산항 제1항로 출항선이 항로의 경계를 벗어나지 않고 일반적인 운항형태를 갖는 경우 Ａ 부두와 통과 선박의 이격거리는 정규분포를 따르며 97.5%의 신뢰구간 범위가 형성되는 것을 확인할 수 있었다.
5. 계류안전성평가
5.1 계류안전성평가 모델링
5.1.1 대상 부두
부두 모델링의 정확성을 위하여 Ａ 부두의 도면을 제공받아 이를 참조하였다. 대상 부두는 현재 총 8개의 돌핀으로 이루어져 있다. 1983년도에 6개의 돌핀으로 설계되어 부두가 축조되었으며, 2007년도에 2개의 돌핀을 추가하도록 설계 및 증축되었다.
5.1.3 통과 선박
본 연구에서 적용한 Flory 모델에 따르면 통과 선박의 제원 측면에서 수선간장과 배수량이 클수록 통과 선박에 의한 작용 힘이 커지게 된다. 따라서, 통과 선박으로는 울산항 제1항로를 이용하는 최대급 선박을 채택하였다. 통과 선박의 모델링을 위하여 울산항 항만시설 운영세칙, 국내⋅외 설계기준, PORT-MIS 상 선박 입⋅출항 현황, 현존선의 제원 등을 검토하였다.
Fig. 14와 같이 울산항 항만시설을 검토하여 울산항 제1항로 내측에 접안 가능한 최대급의 탱커, 화물선, 자동차 운반선의 배수량과 수선간장을 비교하였다. 그 결과, 자동차 운반선이 통과 선박 중 최대의 배수량과 수선간장을 갖는 것으로 검토되었다.
과거 울산항 입⋅출항 자동차 운반선 중 최대 선박과 현존 자동차 운반선 중 최대 선박의 규모를 Table 7과 같이 비교한 결과, 두 값에 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 따라서, 현존하는 자동차 운반선 중 최대 제원을 적용하여도 무리가 없을 것으로 판단하여 통과 선박으로 57,391DT, 수선간장 250m의 자동차 운반선을 적용하였다.
5.2 시나리오
본 연구에서는 평가의 목적에 따라 Table 8 및 Fig. 15와 같이 크게 세 가지의 시나리오로 구분하였다. 첫 번째 시나리오의 평가 목적은 통과 선박의 영향을 제외하였을 때 현재의 계류시설 및 부두 관리 방안이 적절한가를 판단하기 위함이다. 두 번째 시나리오에서는 현재 부두와 항로의 이격거리 적정성을 검토하고자 통과 선박의 영향이 가장 최대로 나타날 수 있는 조건을 적용하여 평가를 수행하였다. 또한, 다양한 외력 조건을 적용하여 통과 선박 영향과 외력의 합력이 계류 선박에 가장 불리하게 나타나는 경우를 식별하였다. 마지막으로, 세 번째 시나리오를 통해서는 실제 울산항의 해상교통 현황을 반영하여, 이격거리 및 선속에 따른 계류 안전성 확보 여부를 검토하였다.
5.3 평가 기준
계류안전성 평가는 계류삭에 작용하는 최대장력, 방충재에 작용하는 최대반력, 계선주에 작용하는 견인력의 계류안전성 평가요소와 외력에 의한 선체 동요에 의해 선박의 통상적인 하역작업이 가능한 범위 내에 있는지 평가하는 하역안전성 평가로 크게 구분된다(Cho, 2017).
계류삭이 최대로 견딜 수 있는 힘을 파단강도(Maximum Breaking Load, MBL)라고 하며, 파단강도는 계류삭의 재질, 직경 등에 따라 차이가 있다. OCIMF에서는 계류삭에 걸리는 장력이 MBL의 55% 미만을 유지하도록 권고하고 있다(OCIMF, 2008). 따라서 현행 해상교통안전진단에서는 이를 준수하여 평가를 수행하고 있으며, 본 연구에서도 동일하게 적용하였다(Ministry of Oceans and Fisheries, 2022).
선체동요량은 선박의 하역작업 안전성을 판단하기 위한 기준으로, 항만 및 어항 설계 기준에 명시되어 있는 선종별 하역가능 동요량에 따라 평가를 수행하는 것이 일반적이다. 유조선과 LPG 운반선의 허용 가능한 동요량은 Table 9와 같으며, 유조선보다 LPG 운반선의 선체 동요가 제한적인 것을 확인할 수 있다.
또한, 부두 시설물에서 계선주는 작용하는 최대 견인력이 계선주의 용량을 초과할 경우, 방충재는 최대 반력이 방충재의 허용용량을 초과할 경우 위험성이 존재하는 것으로 본다.
앞서 언급한 평가기준에서 사용자에게 허용한계에 근접하는 수치에 대한 경고를 나타내기 위해 IMO Circular 등의 Safe Working Load(SWL)에 대한 기준(IMO, 2005)을 준용하여 장력이 허용 한계의 80 % 미만일 때는 ’안전‘, 80%이상 100% 미만일 때를 ‘주의’, 100 % 이상일 때는 ‘위험’으로 구분하여 표현하였다(Kang and Park, 2016).
5.4 평가 결과
5.4.1 계류시설 및 부두 관리 현황 평가
첫 번째 시나리오에서는 통과 선박을 제외하고 평가를 수행하여 계류시설 및 부두 관리 자체의 안전성을 평가 하였다. 옵티무어를 이용하면 특정된 조류와 파랑의 특성에 따라 평가 기준을 만족하는 풍향별 한계풍속을 도출할 수 있다. 따라서 계류가 가능한 한계풍속을 Table 10, Fig. 16과 같이 검토하고 부두운영 매뉴얼의 기준과 비교하였다. 한계풍속은 49kts로 나타났으며, Table 2의 부두 운영 매뉴얼 상 긴급 이안 풍속인 21m/s(약 41kts)보다 큰 것으로 확인되었다. 따라서, 통과 선박의 영향이 없을 경우 부두 운영 매뉴얼에 따라 계류 선박을 관리하면 선박과 부두의 안전성을 확보할 수 있을 것으로 보인다.
5.4.2 부두와 항로의 이격거리 적정성
통과 선박의 영향은 이격거리에 반비례하고, 속력에 비례하는 점을 고려하여 항로 조건에 따라 통과 선박의 영향이 최대로 나타날 수 있는 조건을 적용하였다. 자연환경 조건은 총 18가지이며, 대상선박은 만재⋅경하 상태의 유조선과 LPG 운반선으로 총 72가지의 경우에 대한 평가를 수행하였다.
Flory 모델에 따르면, 통과 선박에 의한 힘은 계류 선박과 통과 선박의 정횡이 평행하기 전⋅후 2L의 종방향 거리 간에 발생한다. 여기서 L은 계류 선박과 통과 선박의 수선간 장 평균으로 유조선이 계류할 경우 L은 233.5m, LPG 운반선이 계류할 경우 L은 247.5m가 된다. 따라서 통과 선박이 2L의 거리를 통과하는데 소요되는 시간은 각 76초와 80초로 계산된다.
선박의 종방향으로 작용하는 힘(Long.Force)은 통과 선박의 정횡이 계류 선박의 정횡을 통과하기 전⋅후 0.5L의 종방향 거리에서 선수 방향의 최대값, 정횡에서 0으로 나타난다. 선박의 횡방향으로 작용하는 힘(Transver.Force)은 계류 선박과 통과 선박의 정횡이 평행하기 전⋅후의 0.5L 종방향 거리에서 계류 선박의 좌현 방향(부두 방향)으로 작용하는 힘이 크게 나타나며, 계류 선박과 통과 선박의 정횡이 평행할 때 계류 선박의 우현 방향(부두 반대 방향)으로 작용하는 힘이 최대로 나타난다. 선박에 작용하는 모멘트(Yaw Moment/LBP)는 두 선박의 정횡이 평행하기 전⋅후 0.5L의 종방향 거리에서 최대로 나타난다. 선박의 종류와 적재상태별로 살펴보면, 선박의 배수량이 상대적으로 큰 LPG 운반선과 만재 상태에서 비교적 더 큰 힘이 작용하는 것으로 나타난다. 선종 및 적재 상태에 따라 통과 선박에 의한 작용 힘을 시계열 데이터로 나타내면 Fig. 17과 같다.
계류삭의 장력을 검토하여 각 시나리오별 가장 큰 계류삭의 장력을 검토하였으며, 결과는 Table 11과 같다. 만재상태의 선박에서는 계류삭에 파단강도를 초과하는 장력이 나타나 계류삭이 끊어지는 것으로 나타났다. 유조선이 경하 상태일 경우에는 최대 21.4ton(32.9%)의 장력이 걸리는 것으로 나타났으며, 270˚의 풍향과 180˚의 장주기 파랑이 함께 적용될 경우 계류삭에 큰 장력이 작용하는 것으로 검토 되었다. 경하 상태의 LPG 운반선 계류 시에는 계류삭이 파단되지 않으나, 파단강도의 55%에 해당하는 평가 기준을초과하는 것으로 나타나 안전성이 확보된다고 보기 어렵다고 판단된다.
Fig. 18과 같이 시계열 자료의 검토를 통해 선체의 좌우동요량이 계류설비에 작용하는 힘의 양상을 결정하는 주요 요소임을 확인할 수 있다. 횡방향 작용 힘이 가장 커지는 시점은 통과 선박과 계류 선박의 종방향 거리가 0일 때, 즉 통과 선박과 계류 선박의 정횡이 평행할 때이다. 그러나 선박의 좌우동요량이 최대이면서 계류삭에 작용하는 힘이 최대로 나타나는 시점은 통과 선박이 계류 선박의 정횡을 조금 더 지났을 때로 검토되었다.
이는 통과 선박의 정횡이 계류 선박의 정횡을 통과할 때는 선박이 종방향 작용 힘과 Yaw 모멘트의 작용 없이 횡방향 작용 힘만 최대가 되어 각 계류삭에 작용하는 힘이 분산되게 된다. 반면, 통과 선박과 계류 선박의 종방향 거리가 점차 증가하면서, 선박이 선수 방향으로 받는 힘, 반시계 방향으로 회전하려는 힘이 함께 작용하여 선미가 부두와 멀어지게 되고, 선미 측에 위치하는 계류삭에 장력이 집중되는 것으로 보인다. 시간에 따른 통과 선박 영향의 양상과 계류 선박이 움직임을 비교하여 도시한 결과는 Fig. 19와 같다.
5.4.3 선속 및 이격거리별 안전성 평가
세 번째 시나리오는 현재 울산항 제1항로 출항 선박의 통항 현황을 고려하여 통과 선박의 속력과 이격거리별로 시나리오를 구성하였다. 선박의 속력은 8kts에서 12kts까지 1kts 간격으로, 이격거리의 경우 130m에서 200m까지 10m 간격으로 설정하였다. 두 번째 시나리오에서 통과 선박에 의하여 받는 영향이 큰 것으로 검토되는 만재 상태의 계류 선박에 대해서만 평가를 수행하였다. 또한, 환경 외력 조건은 두 번째 시나리오에서 선박의 계류에 가장 불리하다고 판단되는 조건을 적용하였다. 따라서 세 번째 시나리오에서는 만재 상태의 선박 2척에 속력 및 이격거리에 따라 40가지 조건을 적용하여 총 80가지의 경우에 대한 평가를 수행하였다. Figs. 20, 21과 같이 Flory 모델에 따라 산출된 통과 선박의 영향을 도시하였으며, 이는 속력에 비례하고 이격거리에 반비례 하는 것을 확인할 수 있다.
평가 기준 중 선체의 동요량과 방충재와 관련하여 모두 안전 범주에 속하는 것으로 나타났으나, Figs. 22, 23과 같이 계류삭과 계선주의 평가에서 일부 위험한 구간이 식별되었다. 최종적으로 Table 12와 같이 설정한 위험도 단계에 따라, 평가기준별 결과를 종합하여 Figs. 24, 25와 같이 통과 선박의 속력 및 이격거리에 따른 Risk Matrix를 도출하였다.
평가 기준별 위험도 Matrix를 종합하여 Figs. 20, 21과 같이 통과 선박의 속력 및 이격거리에 따라 위험도를 단계별로 구분하여 도시하였다. 각 평가기준에 따른 평가 결과를 비교하였을 때, 동일한 속력과 이격거리에서 1개 이상의 평가기준에서 위험 단계가 포함될 경우 해당 속력과 이격거리는 위험 단계로 구분하였다. 반면 위험 단계는 포함되지 않으나 주의 단계가 1개 이상 포함될 경우 주의 단계로 구분하였다. 마지막으로 위험, 주의 단계가 모두 포함되지 않을 경우 안전 단계로 구분하였다. 전체 결과를 종합한 Risk Matrix는 Figs. 24, 25와 같다.
선종별 계류 안전성 평가 결과를 비교하였을 때, 동일한 조건에서 LPG 운반선의 계류가 비교적 위험할 수 있는 것으로 도출되었다. 7일간의 울산항 GICOMS를 분석한 결과 Ａ 부두를 통과하여 출항한 선박들의 평균속력은 9.6kts, 평균 이격거리는 198.1m로 안전 범위에 포함되는 것으로 보인다. 그러나 속력 중 최대값인 13.2kts와 이격거리 중 이상치를 제외한 최소값인 129.2m를 적용한다면 위험 범위에 해당한다.
6. 항로 통항 기준 제시
위험도 Matrix에 따라 Ａ 부두의 계류안전성 확보를 위한 울산항 제1항로의 통항기준을 다음과 같이 제안한다. 울산항의 해상교통현황 조사 결과 제1항로 내를 통항하는 선박과 부두의 최소 이격거리가 130m로 나타남에 따라 8kts 미만의 속력으로 항로 내를 통항할 필요가 있다. 그러나 기상 악화 등의 이유로 선박의 조종성능을 확보하기 위하여 선박의 증속이 불가피할 수 있다. 이와 같은 경우 가능한 항로의 중앙으로 통항하여 부두와 충분한 이격거리를 확보하여야 하며, 항로의 중앙을 통과한다면 250m 이상의 이격거리를 확보할 수 있다. 또한, 항로 내에서 2척 이상의 선박이 교행하게 된다면 확보 가능한 이격거리는 보다 축소될 수밖에 없다. 따라서, 입⋅출항 선박의 교행을 제한하고 출항선이 Ａ 부두와 충분한 이격거리를 확보할 수 있도록 선박 교통관제가 필요할 것으로 판단된다.
7. 결 론
계류 선박은 부두 인근의 항로를 통항하는 통과 선박의 영향을 받는다. 과거의 해양사고를 분석해 보면, 통과 선박에 의해 발생한 항주파는 계류 선박의 과도한 동요를 유발하여 위험 상황이 발생할 수 있음을 확인하였다. 통과 선박의 영향은 속력이 빠를수록, 선박 간의 이격거리가 가까울수록 커지므로, 항로와 인접한 부두일수록 통과 선박에 대한 주의가 요구된다. 따라서, 항로와 인접한 울산항 Ａ 부두를 대상으로 통과 선박에 의한 위험성 존재 여부를 판단하고, 개선안을 제안하였다.
평가를 위한 계류 선박으로는 Ａ 부두의 이용이 가능한 최대 선박으로 70,000DWT의 유조선과 60,000DWT의 LPG 운반선을 선정하였다. 통과 선박의 경우 울산본항의 선석 용량과 취급화물을 검토하여 출항선을 식별하였으며, 선종별 제원을 조사하였다. 그리고 조사 결과 통과 선박의 영향이 가장 클 것으로 예상되는 40,000DWT의 자동차 운반선으로 선정하였다. 평가 기준으로는 해양수산부의 ｢해상교통안전진단 시행지침｣과 IMO의 Safety Working Load를 준용하였으며, 평가 결과는 다음과 같다.
(1) 통과 선박의 영향을 평가하기에 앞서 부두의 설계 및 운영 현황을 검토하기 위해 통과 선박을 제외하고 계류안전성 평가를 수행하였다. 평가 결과, 통과 선박이 존재하지 않을 경우 평가 기준을 모두 만족하며 계류가 가능하다고 판단되는 최소 한계풍속은 49kts로 나타났다. 현재 부두 운영 매뉴얼에서는 21m/sec(약 41kts)의 풍속에서 계류 선박을 긴급 이안하도록 명시하고 있다. 따라서, 부두의 설계 및 운영 현황이 적절하다고 판단하였다.
(2) 항주파가 최대로 발생할 수 있는 조건으로 최소 이격거리 80m와 권고속도인 12kts를 적용하여 부두와 항로 이격거리의 적정성을 검토하고자 하였다. 이때 풍속은 기상특보 발효 기준인 14m/sec(약 27kts)를 적용하였다. 그 외의 외력은 부두 전면에서 발생할 수 있으며 계류에 불리할 것으로 보이는 조건을 적용하였다. 평가 결과, 만재상태의 선박 계류 시 계류삭의 장력이 모두 파단강도 이상으로 나타나거나 계류삭이 절단되어 평가기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 현재 부두와 항로 경계의 이격거리가 충분하지 않다고 보인다. 또한, 270˚의 풍향과 180˚의 장주기 파랑이 함께 적용될 경우 계류삭에 큰 장력이 나타나는 것으로 검토되었다.
(3) 울산항 제1항로 통과 선박의 조사⋅분석 결과를 반영하여 속력과 이격거리에 따른 평가 시나리오를 구성하였다. 이격거리는 130m부터 200m까지 10m 단위로, 속력의 경우 8kts부터 12kts까지 1kts 단위로 나누어 시나리오를 구성하였다. 환경외력 조건의 경우 두 번째 시나리오에서 검토된 계류에 가장 불리한 조건을 적용하였다. 평가 결과, 선박의 동요량과 방충재의 최대 반력은 모두 기준을 만족하는 것으로 나타났으나, 계선주의 최대 견인력과 계류삭의 최대 장력에 의해 기준을 불만족하는 것으로 검토되었다. 평가 결과에 따라 위험도를 3단계로 구분하여 Risk Matrix를 제시하였다.
Risk Matrix에 따라 Ａ 부두의 계류안전성 확보를 위해 부두 인근에서 통과 선박은 8kts 미만의 속력을 유지하거나, 가능한 항로의 중앙으로 통항하여 부두와 200m 이상의 충분한 이격거리를 확보해야 할 것으로 판단된다. 항로의 중앙을 통과한다면 250m 이상의 이격거리를 확보할 수 있다. 또한, 해당 안전대책의 실현을 위하여 선박교통관제가 적절히 이루어져야 할 것으로 사료된다.
한편, 위와 같은 평가 결과는 해상교통안전진단 중 통과 선박이 계류 선박에 미치는 영향에 대한 평가가 필요함을 강조한다. 과거 해상교통안전진단 보고서를 검토한 결과, 항로의 설계기준 검토에서 계류 선박에 대한 확인이 제외되었거나 선박의 계류안전성 평가 부분에서 통과 선박의 영향이 포함되어 있지 않은 것을 다수 확인할 수 있었다. 항만 개발 시, 특히 항로 지정 또는 부두 신설 시 항만을 입출항하는 최대급 선박의 통항이 인근 부두에 미치는 영향을 반드시 고려하여야 한다.
안전성 확보를 위해서는 항만 설계 중 통과 선박의 영향이 가능한 작을 수 있도록 부두와 항로의 이격거리를 확보하는 것이 최우선이다. 다만, 기존 항만에서 이격거리를 확보하기 어려운 경우에는 평가 결과에 기반하여 속력제한, 통항 기준 제시 등의 안전대책을 수립하여야 한다.
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