1. 서 론

국내의 해상풍력사업은 지속적으로 활성화 되고 있으며, 정부의 '재생에너지 3020 이행계획' 통해 2030년까지 추가적 으로 해상에 약 13 GW의 용량을 설치할 예정이다(Kim and Oh, 2018). 그러나 해상풍력사업의 증가로 선박 통항 제한(또 는 금지) 해역은 확대될 것이며, 그로 인해 연․근해 어업권 축소 및 통항 위험성 증가라는 부작용이 수반될 것이다. 실 제로 어업권 보상 협상과 단지개발에 대한 관련기관의 인· 허가 문제로 국내의 해상풍력사업은 당초 예상과 달리 많은 어려움을 겪으며 지연되고 있는 실정이다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 관련 기관에서는 발전사업자와 해역 이용 자가 서로 공존하고 협력할 수 있는 방안을 찾고 있다. 국외 의 몇몇 해상풍력발전단지들은 특정 선박의 통항을 허용하 고 있으며, 대표적으로 영국의 Greater Gabbard 해상풍력발전 단지에서는 어선 및 소형선박(작업용, 레저 등)의 통항을 허 용하고 있다. 이처럼 국내 해상풍력발전단지에서도 특정 선 박에 대한 풍력단지 내 통항 허용과 어선의 어로작업이 가 능한 방향으로 제도를 마련할 필요성이 대두되고 있다.

하지만 해상풍력발전단지 내 특정선박의 통항허용을 위 해서는 우선적으로 통항하는 선박 및 풍력터빈의 안전 확보 가 전제되어야 한다. 이를 위해서 선박통항에 대한 위험성 평가가 선행되어야 하며, 그 결과를 바탕으로 그 위험을 합 리적으로 제거·감소시키기 위한 안전대책이 제시되어야 한 다. 국내에서는 해상풍력발전단지의 대체통항로 통항안전성 평가에 관한 연구(Yang, 2014)와 서남해 해상풍력발전단지 부근 해역의 어선 통항 안전평가 연구 해상풍력발전단지 해 역에서의 선박 통항 안전성 평가에 관한 연구(Yoo and Jeong, 2017)가 있었다. 그러나 현재까지 대상해역 내 항로형태에 따른 선박운항자의 조선부담감(스트레스)을 토대로 한 위험 도 평가 연구는 아직까지 없다. 따라서 본 연구에서는 풍력 터빈의 배치형태가 기존의 국내 해상풍력단지와 달리 직사 각형의 형태로 건설 예정인 서남해 해상풍력발전 실증단지 를 대상으로 항로의 형태에 따른 선박통항 위험도를 ES Model(Environment Stress Model, 이하 ES 모델)을 통해 위험도 를 평가하였다. 또한, IWRAP(IALA Waterway Risk Assessment Programme, 이하 IWRAP) 프로그램을 이용하여 대상해역 내 항로에서의 연간 충돌확률을 분석하였다. 분석 결과를 바탕 으로 대상해역 내 항로의 지정 및 계획 시의 안전대책을 검 토하고자 한다.

2. 대상해역의 교통현황

2.1 서남해 해상풍력발전단지의 개요

서남해 해상풍력발전단지 1단계 실증단지는 서남해 연안 의 부도·위도 인근부터 영광 안마도 해상에 현재 국내에서 는 찾아볼 수 없는 직사각형의 형태로 건설 예정이다.

Fig. 1은 서남해 해상풍력발전단지 실증단지 내 풍력터빈 의 제원을 나타낸 것으로 날개의 수직 높이는 약최고고조위 수면부터 풍력터빈 날개 회전반경 끝단까지의 수직거리가 19.17 m이며, 날개 회전직경은 100 m 내외로 설계된다. 또한, 터빈간의 이격거리는 약 800 m로 건설되며, 터빈의 배치형태 는 Fig. 2와 같이 총 20기의 풍력터빈이 4 × 5의 직사각형 형태 로 배치될 예정이다.

2.2 교통조사

서남해 해상풍력발전단지 해역 내 교통현황을 조사하기 위하여 Fig. 2와 같이 대상해역에 총 4개의 통과선을 설정하 고 2017년 분기별 7일간의 교통흐름과 교통량을 분석하였 다. 대상해역 내 주 통항선박은 소형선박 및 어선인 것으로 분석되었으며, Fig. 3은 대상해역 내 한해 분기별 통항량으로 당해 연도 3분기에 312척으로 가장 많았으며, Fig. 4는 3분기 에 대상해역 내 통항선박들의 교통흐름을 나타낸 것이다.

Table 1은 3분기 중 대상해역 내 통과선박의 크기별 교통 량을 분석한 것으로 0 ~ 10톤 미만의 선박이 277척(88.7 %)으 로 가장 많은 것으로 조사되었다. 또한, Fig. 5는 조사기간 중 시간대별 통항척수를 Table 2는 각 Gate line별 시간당 통항량 을 나타내고 있다.

3. 해상풍력발전단지 내 통항 위험도 평가조건

3.1 선박 통항로

1) 해상풍력발전단지 내 항로 형태

서남해 해상풍력발전단지 해역의 교통현황 조사결과 통 항선박 대부분은 10톤 미만의 소형어선으로 분석되었다. 일 반적으로 어선은 어로작업 및 어획물 수송이 주된 목적으로 통항경로대의 설정에 있어 일정한 교통흐름이 존재하지 않 아 통항로의 형성이 어렵다. 그러나 본 연구에서는 해상풍 력발전단지 내 실제 선박이 통항하는 경우를 가정하기 위 해, 선박의 항로형태를 Fig. 6과 같이 풍력터빈의 사이에 십 자형(Cross pattern)으로 왕복하여 통항할 수 있는 4개의 직선 항로와 및 Fig. 7과 같이 격자형(Grid pattern)으로 왕복하여 통항할 수 있는 14개의 직선 항로를 설정하여 평가하고자 한다.

2) 해상풍력발전단지 내 항로의 폭

직선항로에 있어 동일한 통항척수일 경우 항행 폭이 증가 되면 선박운항자가 느끼는 위험도는 낮아진다는 연구결과 를 바탕(Park et al., 2006)으로 통항로 내 가항수역의 폭은 터 빈간의 설계계획상 이격거리 800 m에 선박의 보호를 위한 내측안전구역(Inner safety zone)을 제외한 최대 범위로 설정 하였다. 통항로의 내측 안전구역 설정은 터빈날개 회전직경 (100 m)에 터빈으로부터의 여유수역(Margin) 150 %를 적용(Ohn et al., 2018)하여 Fig. 8과 같이 600 m로 설정하였다.

3.2 통항선박의 발생

서남해 해상풍력발전단지 내 가상으로 설정된 2개의 통항 로에 통항할 선박은 해상교통조사 결과를 기반으로 하여 선 박 교통량, 선박크기, 선박속력을 구성하였다. 교통량은 통 항이 가장 많았던 피크타임(Peak time) 시간대에 각 Gate line 별로 Table 4와 같이 발생시켜 재현하였다. 특히, 격자형 항 로에 발생되는 교통량은 십자형 항로에서 발생되는 선박의 척수를 각 항로에 균등하게 나누어 교통류가 분리되어 발생 하도록 하였다. 항로선박의 크기 비율은 Table 3과 같이 현 재 실정과 동일하게 적용하였다. 또한, 각 대표 선형별 선박 속력은 10 ~ 15노트의 범위 내에서 발생되도록 설정하였다. 선박은 구성된 조건 내에서 시뮬레이션 동안 난수를 통한 선박 크기별 선형계수가 임의로 조합되어 발생되도록 하였 다(Park et al., 2017). 한편, 장래 통항량 증가 및 향후 해상풍 력발전단지 내 선박 통항량을 제한할 것을 가정하여 현재의 교통량, 현재보다 3배, 5배, 10배 증가한 경우에 대하여 시뮬 레이션을 실시하여 비교 분석하였다.

3.3 시뮬레이션의 구성

위험도 평가를 위하여 항로의 형태, 시간당 발생척수를 토대로 Table 5와 같이 총 8가지의 시나리오를 구성하여 시 뮬레이션을 진행하였다.

시뮬레이션에 대한 위험도 평가는 ES 모델(Inoue, 2000)을 이용하였다. 또한, 동일한 시뮬레이션 조건을 기반으로 IWRAP(Peter Friis Hansen, 2008)을 프로그램을 이용하여 대상 해역에서의 충돌 확률을 분석하여 비교하였다. ES 모델은 운항 중 선박을 둘러싸고 있는 자연, 지형, 시설, 교통 조건 등의 주변 환경으로부터 선박가 느끼는 조선부담감을 정량 화한 모델이다. ES 모델은 선박 침로를 중심으로 ± 90도 범위 를 탐색하여 본선 주변의 지형적인 제약 조건 및 타선의 분 포 등을 감안하여 시간적 여유를 산출하며, 이 시간적 여유 를 선박운항자가 느끼는 스트레스 치로 단계적으로 정량화 한다. ES 모델의 스트레스치는 0 ~ 500, 500 ~ 750, 750 ~ 900, 900 ~ 100의 4단계로 분류되며, 종합환경 스트레스 수치가 750 이상으로 나타나면 대상해역에서 선박 운항자가 위험을 느끼는 ‘위험’ 상태로 평가된다. IWRAP은 특정 수로에서 선 박의 충돌 및 좌초의 가능성을 평가하기 위한 목적으로 교 통량, 항적분포, 선속, 선박길이, 통항로, 선박의 흘수 등의 자료와 수심, 해상구조물 등의 자연환경 등의 기하학적인 자료를 기반으로 대상해역에서의 연간 선박의 충돌 및 좌초 확률을 산출하여 위험도를 분석하는 프로그램이다.

4. 해상풍력발전단지 내 통항 위험도 평가결과

4.1 ES 모델 평가 결과

1) 십자형 항로에서의 시뮬레이션 결과

Fig. 9는 서남해 해상풍력발전단지 내 십자형태의 통항로 를 이용하여 선박이 통항하였을 경우 선박운항자가 느끼는 위험도를 분석한 결과이다. 먼저 Case 1의 시뮬레이션의 결 과 현재의 교통량에서 종합환경스트레스치 750 이상이 나타 나는 해역은 없는 것으로 분석되었다. Case 2의 시뮬레이션 결과 전체 해역에서 선박운항자가 위험을 느끼는 구간의 발 생비율은 약 0.18 %이며, 1일 약 0.2시간 동안 위험도가 발생 할 것으로 예상된다. Case 3의 시뮬레이션 결과 전체해역에 서 선박운항자가 위험을 느끼는 구간의 발생비율은 약 0.35 % 이며, 1일 약 0.7시간동안 위험도가 발생할 것으로 예상된다. Case 4의 시뮬레이션 결과 전체해역에서 선박운항자가 위험 을 느끼는 구간의 발생비율은 0.82 %이며, 1일 약 3.6시간 동 안 위험도가 발생할 것으로 예상된다. 교통량의 증가에 따 라 위험도 발생비율이 증가하였으며 특히 교차점에서 높아 짐을 확인할 수 있었다.

2) 격자형 항로에서의 시뮬레이션 결과

Fig. 10은 서남해 해상풍력발전단지 내 격자형태의 통항로 를 이용하여 선박이 통항하였을 경우 선박운항자가 느끼는 위험도를 분석한 결과이다. Case 5의 시뮬레이션 결과 현재 의 교통량에서 종합환경스트레스치 750 이상이 나타나는 해 역은 없는 것으로 분석되었다. Case 6의 시뮬레이션 결과 전 체 해역에서 선박운항자가 위험을 느끼는 구간의 발생비율 은 약 0.08 %이며, 1일 약 0.1시간 동안 위험도가 발생할 것으 로 예상된다. 위험도 발생비율이 십자형태에 비해 약 0.10 % 감소하였다. Case 7의 시뮬레이션 결과 전체 해역에서 선박 운항자가 위험을 느끼는 구간의 발생비율은 약 0.13 %이며, 1일 약 0.2시간 동안 위험도가 발생할 것으로 예상된다. 위 험도 발생비율이 십자형태에 비해 약 0.22 % 감소하였다. Case 8의 시뮬레이션 결과 전체해역에서 선박운항자가 위험 을 느끼는 구간의 발생비율은 약 0.31 %이며, 1일 약 1.2시간 동안 위험도가 발생할 것으로 예상된다. 위험도 발생비율이 십자형태에 비해 약 0.51 % 감소하였다.

평가결과, 선박 침로 범위 내에 고정 장애물인 터빈과 타 선의 분포가 밀집되는 항로의 교차구간에서 공통적으로 위 험도가 높아졌다. 또한, Fig. 11과 같이 전체해역에 대하여 교통량이 분산된 격자형 항로에서 십자형 항로에 비해 위험 도가 낮아짐을 확인할 수 있었다. 이는 ES 모델이 선박 침로 를 중심으로 주변의 지형적인 제약 조건 및 타선의 분포 등 을 감안하여 시간적 여유를 산출하며, 이 시간적 여유를 선 박운항자가 느끼는 스트레스 수치로 나타내기 때문이다.

4.2 IWRAP 평가 결과

1) 십자형 항로에서의 시뮬레이션 결과

Table 6은 서남해 해상풍력발전단지 내 십자형 항로에서 현재의 교통량에서부터 교통량이 10배까지 증가하였을 경우 에 IWRAP을 통한 선박간의 연간 충돌확률을 나타낸 것이 다. Case 1은 현재의 교통량에서 십자형 항로를 운용하는 경 우 연간 충돌확률 결과이다. 전체해역에서 선박간의 연간 충돌확률은 4.5 × 10^-2이며, 그 중 교차상태에서의 연간 충돌 확률이 3.1 × 10^-2로 가장 높은 것으로 분석되었다. Case 2는 교통량이 현재보다 3배 증가하고 십자형 항로를 운용하는 경우 연간 충돌확률 결과이다. 전체해역에서 선박간의 연간 충돌확률은 4.1 × 10^-1이며, 그 중 교차상태에서의 충돌확률이 3.8 × 10^-1로 가장 높은 것으로 분석되었다. Case 3은 교통량이 현재보다 5배 증가하고 십자형 항로를 운용하는 경우 연간 충돌확률 결과이다. 전체해역에서 선박간의 연간 충돌확률 은 9.5 × 10^-1이며, 그 중 교차상태에서의 연간 충돌확률이 7.8 × 10^-1로 가장 높은 것으로 분석되었다. Case 4는 교통량이 현재보다 10배 증가하고 십자형 항로를 운용하는 경우 연간 충돌확률 결과이다. 전체해역에서 선박간의 연간 충돌확률 은 5.2이며, 그 중 교차상태에서의 연간 충돌확률이 3.1로 가 장 높은 것으로 분석되었다.

2) 격자형 항로에서의 시뮬레이션 결과

Table 7은 서남해 해상풍력발전단지 내 교차형 항로에서 현재의 교통량에서부터 교통량이 10배까지 증가하였을 경우 에 IWRAP을 통한 선박간의 연간 충돌확률을 나타낸 것이 다. Case 5는 현재의 교통량에서 격자형 항로를 운용하는 경 우 연간 충돌확률 결과이다. 전체해역에서 선박간의 연간 충돌확률은 3.7 × 10^-2이며, 그 중 교차상태에서의 연간 충돌 확률이 3.2 × 10^-1로 가장 높은 것으로 분석되었다. Case 6은 교통량이 현재보다 3배 증가하고 격자형 항로를 운용하는 경우 연간 충돌확률 결과이다. 전체해역에서 선박간의 충돌 확률은 3.2 × 10^-1이며, 그 중 교차상태에서의 연간충돌확률이 2.7 × 10^-1로 가장 높은 것으로 분석되었다. Case 7은 교통량이 현재보다 5배 증가하고 교차형 항로를 운용하는 경우 충돌 확률 결과이다. 전체해역에서 선박간의 연간 충돌확률은 8.4 × 10^-1이며, 그 중 교차상태에서의 연간 충돌확률이 7.7 × 10^-1 로 가장 높은 것으로 분석되었다. Case 8은 교통량이 현재보 다 10배 증가하고 격자형 항로를 운용하는 경우 연간 충돌 확률 결과이다. 전체해역에서 선박간의 연간 충돌확률은 3.2 이며, 그 중 교차상태에서의 연간 충돌확률이 3으로 가장 높 은 것으로 분석되었다.

5. 결 론

본 연구는 서남해 해상풍력발전단지 내 1차 실증단지에 항로를 설정하고 선박운항자의 환경적 스트레스를 기반으 로 한 ES 모델과 좌초 및 충돌의 해양사고확률을 계산하는 IWRAP을 통하여 특정선박의 통항에 대한 위험도를 평가 하였다. 본 논문에서 도출된 항로형태에 따른 선박운항자 의 위험도와 선박간의 충돌확률에 대한 분석결과는 다음과 같다.

현재의 교통량에서는 선박운항자의 조선부담감이 위험한 구간은 없는 것으로 나타났으며, 연간 충돌확률도 큰 차이 가 없었음을 확인하였다. 교통량이 3배 증가한 경우 십자형 항로에서의 위험도를 100 %로 볼 때 격자형 항로에서의 운 항자의 조선부담감으로 인한 위험도는 약 55.6 %, 선박간의 연간 충돌확률은 22.0 %의 감소 효과가 있음을 알 수 있었 다. 교통량이 5배 증가한 경우 십자형 항로에서의 위험도를 100 %로 볼 때 격자형 항로에서의 운항자의 조선부담감으로 인한 위험도는 약 62.9 %, 선박간의 연간 충돌확률은 11.6 % 의 감소 효과가 있음을 알 수 있다. 교통량이 10배 증가한 경우 십자형 항로에서의 위험도를 100 %로 볼 때 격자형 항 로에서의 조선부담감으로 인한 위험도는 약 62.2 %, 선박간 의 연간 충돌확률은 61.5 %의 감소효과가 있음을 알 수 있 다. 또한, 각 항로형태에서 교통량이 증가함에 따라 교차지 점에서의 위험도가 공통적으로 높아짐을 확인할 수 있었다.

그러나 본 연구의 결과가 서남해 해상풍력발전단지 내 항 로를 격자 형태로 설정해야 한다는 것은 아님을 밝혀둔다. 격자형 항로형태는 교통량을 분산시킴으로써 전체해역에 대한 위험도는 낮으나, 대상해역 내 선박의 진입과 동시에 교차구간에서의 선박간의 충돌위험이 발생할 수 있기 때문 이다. 향후 서남해 해상풍력발전단지 내 항로의 지정 및 계 획에 있어 본 연구의 결과를 토대로 대상해역 내 어업활동 으로 인한 교통량 증가를 고려한 다수의 항로확보와 교차구 간을 최소로 하여 설계할 필요가 있다고 판단된다. 또한, 본 연구에서 검토된 조건 이외 대상해역 내 통항선박에 대하여 어로작업 중인 선박과의 위험도, 양식장 설치 등을 추가적 으로 평가한다면 향후 해상풍력발전단지 내 항로설정, 조업 형태 및 운영방안 등에 활용이 가능할 것으로 기대된다.