1. 서 론
광양항 묘도수도는 제2항로에서 여수국가산업단지 내 석유화학부두까지 약 9km에 해당하는 항로로써, 항로 폭이 좁고 불규칙하며, 항로 주변에 작은 섬이나 저수심 해역이 많아 해양사고 위험이 높다. 최근 광양항은 항만 및 배후단지 개발로 항내 통항 선박이 증가하고 있으며, 선박 대형화 등으로 부두 체선율이 증가하고 있다(KDI, 2022). 해양수산부는 묘도수도의 선박 통항 안전성을 높이기 위해 묘도수도 확장 및 직선화 사업 계획(이하 묘도수도 직선화 사업)을 발표하였다. 2022년 한국개발연구원(Korea Development Institute, 이하 KDI)의 사업 적정성 검토를 거쳐, 2024년 설계·시공 용역이 진행 중이다(Yeosu, 2023).
묘도수도를 통항하는 선박은 「여수항·광양항 선박교통 안전규정」제4조제2호에 따라 교차 통행을 할 수 없으며, 8 노트 이하의 속력으로 항행해야 한다(Yeosu, 2024). 그러나 묘도수도 직선화 사업 이후에는 항로 폭이 185m에서 300m 로 넓어지고 교통량이 증가하는 등 교통 환경이 변화하기 때문에 제한 속력을 포함한 ‘선박통항안전규정’ 개정이 필요한 실정이다. 본 연구는 묘도수도 직선화 사업 이후의 적정 제한속력을 찾고자 함에 목적이 있다. 이 연구를 위해 환경 스트레스 모델(Environmental Stress Model, 이하 ES 모델)을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
2. 이론적 배경 및 선행연구 고찰
2.1 묘도수도 확장 및 직선화 계획
2020년 여수지방해양수산청은 Fig. 1과 Fig. 2와 같이 묘도 수도의 항로 폭을 기존 185m에서 300m로 확장 및 직선화하고 수심을 DL(-)10m로 준설하는 사업계획을 전국 무역항 기본계획에 반영하였다. 이에 따라 KDI는 2022년 묘도수도 직선화에 대한 사업 적정성을 검토하였다.
KDI는 묘도수도 내 저수심 해역, 소당도 등의 장애물 존재로 인하여 실제 항로 폭이 150m로 좁고, 교통혼잡 상황이 빈번하며, 묘도수도 서쪽에 위치한 부두에서 출항하는 선박이 제2항로를 따라 입항하는 선박과 마주치게 되는 경우 수로 상에서 대기할 수 있는 공간이 거의 없는 실정으로 해양 사고 위험이 매우 높다고 평가하였다. 또한 장래 율촌산업 단지, 갈사만 산업단지, 묘도항 개발로 교통량이 증가할 것으로 예상되기 때문에 묘도수도 직선화 사업은 필요하다고 평가하였다(KDI, 2022). 묘도수도 확장(수심 준설 포함) 및 직선화 사업은 2030년 완공을 목표로 하고 있다.
2.2 묘도수도 제한속력 및 통항규칙
「해상교통안전법」제30조와 같은 법 시행규칙 제26조에 따라 선박이 통항하는 수역의 자연 조건과 선박 교통량 등을 고려하여 해당 관리청장(각 지방해양수산청장)이 시․ 도청 등 관계 행정기관의 의견을 들어 제한속력을 고시할 수 있다(MOF, 2017;MOF, 2021). 또한 「선박의 입항 및 출항 등에 관한 법률」제17조에 따라 선박이 빠른 속도로 항행하여 다른 선박의 안전 운항에 지장을 초래할 우려가 있는 경우, 해양경찰청장은 무역항의 수상구역 등에 대하여 해당 관리청장에게 선박 항행 최고속력 지정을 요구할 수 있다 (MOF, 2023;Chong, 2022).
「해상교통안전법」과 「선박의 입항 및 출항 등에 관한 법률」에 따라 여수지방해양수산청은 묘도수도에 대한 항행 최고속력(제한속력)과 통항 규칙을 고시하였다. 묘도수도를 통항하는 총톤수 500톤 이상의 선박(예인선 및 결합선의 경우 피예인선의 총톤수 포함)은 선박간 교차 통행 금지는 물론 8노트 이하의 속력으로 항행해야 한다. 여수청은 2016년 12월, 묘도수도 제한속력을 ‘10노트 이하’에서 ‘8노트 이 하’로 강화한 사례가 있다(Yeosu, 2024).
2.3 ES 모델
ES 모델은 선박운항자가 느끼는 부담감을 평가하는 모델로, 선박운항자가 받는 위험 부담감을 지형이나 시설물 등 조선 환경에 의한 ‘조선 환경 스트레스 치(Land of ES value, 이하 ESL)’와 주변 다른 통항 선박에 의한 ‘교통 환경 스트레스 치(Ship of ES value, 이하 ESS)’로 각각 구분하여 계산한 후, 이 2가지 스트레스 치를 더하여 ‘종합 환경 스트레스 치(Aggregation of ES value, 이하 ESA)’로 위험도를 평가한다.
ESA는 4단계(0~500, 500~750, 750~900, 900~1,000)로 구분하 며, ESA가 750 미만이면 ‘허용 가능한 상태’, 750~900이면 ‘허용 한계(Critical)’, 900~1,000이면 ‘허용 불가(Catastrophic)’로 평가한다(Inoue et al., 1998;Inoue, 2000;Jung et al., 2004;Kim et al., 2011).
ES 모델은 항로 주변 지리환경과 교통환경을 종합하여 선박 교통량과 통항 속력을 변수로 선박운항자가 느끼는 부담감을 정량적으로 평가할 수 있기 때문에 해상교통 안전성 평가는 물론 제한속력 평가에 적합한 시뮬레이션 모델이라 할 수 있다. 이외 해상교통안전성평가 모델로 IWRAP(IALA Waterway Risk Assessment Program) 모델, FSA(Formal Safety Assessment) 모델, PAWSA(Port and Waterway Safety Assessment) 모델 등이 있으나, IWRAP 모델은 최종 결과가 확률(예시, 1 × 10-4)로, FSA 모델은 비용-편익 비율로, PAWSA 모델은 평가자의 주관적 위험도(1～9)로 평가되기 때문에 제한속력 제시를 위한 모델로 사용하기에는 다소 한계가 있다.
2.4 묘도수도 교통 현황
묘도수도 내 해상교통 조사를 위해 선박 AIS 데이터를 7일간(2024. 4. 11. ~ 17.) 수집하였다. 조사 기간 중, 묘도수도를 통항한 선박은 총 381척(입항 189척, 출항 192척)으로, 1일 약 55척이 통항 중이었다. 선박의 종류별로는 예인선이 200척(52.5%)으로 가장 많았으며 위험물운반선 104척(28.6%), 일반화물선 5척(1.3%), 기타 72척(18.9%) 순이었다. 통항선박은 Fig. 3과 같이 대부분 제2항로를 경유하여 묘도수도를 따라 동서 방향으로 이동하고 있다. 묘도수도 통항선박의 속력은 Table 1과 같이 8노트 이상 선박이 대부분이며, 8노트 미만 선박은 14.2%에 불과하였다.
2.5 선행연구 고찰
Park(2009)은 저속선박에 대한 최저속력 규제의 필요성과 적정 최저 속력 제시를 위하여 ES 모델을 이용하여 항로 폭과 선박 교통량을 변수로 속력 규제 전/후의 위험출현빈도 (Danger Appearance Frequency, DAF)를 산출하고 항로별 잠재 위험도를 분석하였다.
Kim and Park(2016)은 광양항 출입항로 내에 있는 삼여 암초 제거 전/후의 항로 위험도를 ES 모델을 이용하여 평가하였다. 또한 항로를 2개로 분리 운영하는 방안과 3개로 분리 운영하는 방안에 대하여 시뮬레이션하고 속력 제한에 대한 위험도 저감 효과를 분석하였다.
Lee et al.(2021)은 묘도수도에 대한 교통혼잡도(Traffic Congestion)를 해상교통안전진단에서 사용하는 방법으로 계산하고 선박조종시뮬레이션(Ship-handling simulation)을 통하여 선박운항자 관점에서 묘도수도의 문제점을 도출하고 개선 방안을 제시하였다.
상기와 같이 ES 모델은 해상교통 안전성 평가는 물론 제한속력 설정을 위한 평가 모델로 여러 방면에 사용되고 있다. 다만 묘도수도 직선화 전/후의 적정 제한속력을 정량적으로 평가한 논문은 아직 찾아볼 수 없다.
3. 묘도수도 직선화 전․후 위험도 검토
본 논문에서는 ES 모델을 이용하여 묘도수도 직선화 전/ 후의 위험도를 비교․분석하고 적정 제한속력을 제시하고자 한다.
3.1 시뮬레이션 방법
1) 대상 선박
묘도수도 직선화 사업(185m → 300m로 항로 폭 확장, 준설, 항로 직선화)에 따른 해상교통류 시뮬레이션을 수행하기 위하여, 묘도수도 출입 선박 중 최대 선박을 시뮬레이션 대상 선박으로 선정하였다. 최대 선박 선정은 선박 AIS 데이터와 해운항만물류정보시스템(Port-MIS)의 선박 정보를 조사하여 선정하였다. 묘도수도 출입 선박 중 최대 선박은 총톤수 9,938톤의 KY호(일반화물선, 길이 109.0m, 너비 24.0m, 만재 흘수 6.5m)로 식별되었다.
2) 항로 설계
항로는 Fig. 4와 같이 현재 묘도수도와 같은 한 방향 통항(One-way traffic)과 묘도수도 직선화 이후 양방향 통항(Two-way traffic)을 가정하여 Fig. 5와 같이 설계하였다. 항로 폭은 한 방향 통항의 경우 185m, 양방향 통항의 경우 300m 로 설정하였다. 현재 묘도수도 부근에는 소당도, 송도, 목도가 항로 주변에 위치하고 있다. 직선화 이후에는 소당도는 모두 제거(준설)되고, 송도는 일부(약 1/2)만 남게 된다. 시뮬레이션 구간은 낙포부두에서 삼남부두 앞까지, 항로 길이 총 2.3마일(Nautical mile)이다.
3) 실험 시나리오
실험 시나리오는 Table 2와 같이 총 6가지 상황으로 구성하였다. Case 1～Case 3은 묘도수도 직선화 이전 상황, Case 4～Case 6은 직선화 이후 상황을 가정한 것이다. 선박 통항 속력은 8노트, 10노트, 12노트로 각각 설정하였다.
보통 ES 모델로 시뮬레이션을 하는 경우, 대상 해역을 통항하는 다양한 크기의 선박과 여러 척수의 선박을 시뮬레이션 시작점에서 무작위(random)로 발생시켜 시뮬레이션하는 것이 일반적이나, 본 연구에서는 대상 해역의 위험도 평가가 주목적이 아닌 적정 제한속력을 찾는 것이 본 연구의 목적이므로 최대 선박 1척만을 사용하여 시뮬레이션한 것이 기존 연구와 차이점이다. 한 방향 통항의 경우 최대 선박 1척, 양방향 통항의 경우에는 최대 선박 2척을 사용하여 시뮬레이션하였다.
3.2 묘도수도 직선화 이전 시뮬레이션 결과
1) 8노트 단독 통항의 경우(Case 1)
Fig. 6은 묘도수도 직선화 이전, 8노트 속력으로 단독 통항하는 최대선박에 대한 ES 시뮬레이션 결과이다. 평균 ESA(Average ESA)는 입항 시 630.6(ESL 630.6, ESS 0), 출항 시 324.8(ESL 324.8, ESS 0)로, 입항이 더 높았다. 최대 ESA(Max. ESA)는 입항 시 748.0(ESL 748.0, ESS 0), 출항 시 413.0(ESL 413.0, ESS 0)으로 계산되었다. 이 최대 ESA는 ESL에 의한 것으로, 입항 시 송도와 소당도가 근거리에 있기 때문에 발생한 것이다. 전체 시뮬레이션 구간에서 ESA 값이 750을 넘는 구간은 관찰되지 않았다.
2) 10노트 단독 통항의 경우(Case 2)
Fig. 7은 묘도수도 직선화 이전, 10노트 속력으로 단독 통항하는 최대 선박의 시뮬레이션 결과이다. 평균 ESA는 입항 시 640.2(ESL 640.2, ESS 0), 출항 시 344.2(ESL 344.2, ESS 0) 로, 입항이 더 높은 값을 보였다. 최대 ESA는 입항 시 746.3(ESL 746.3, ESS 0), 출항 시 432.0(ESL 432.1, ESS 0)으로 계산되었다. ESA 값이 750을 초과하는 구간은 없었다.
Case 2의 최대 ESA(746.3)는 Case 1의 최대 ESA(748.0)보다 다소 낮게 평가되었다. 이 차이(-1.7)는 대상 선박의 발생 위치(시작점)에 따른 것으로 위험도 측면에서는 큰 의미를 갖진 않는다.
3) 12노트 단독 통항의 경우(Case 3)
Fig. 8은 묘도수도 직선화 이전, 12노트 속력으로 단독 통항하는 최대 선박의 시뮬레이션 결과이다. 평균 ESA는 입항 시 631.2(ESL 631.2, ESS 0), 출항 시 338.0(ESL 338.0, ESS 0)으로, 입항이 더 높은 값을 보였다. 최대 ESA는 입항 시 770.3(ESL 770.3, ESS 0), 출항 시 428.1(ESL 428.1, ESS 0)로 측정되었다. ESA 값이 750을 초과하는 구간은 송도 부근에서 부분적으로 발생하였다. ESA 값이 증가한 이유는 높은 속도 때문이다. ESA 값이 750 이상인 구간은 입항 시뮬레이션 전체의 4.3%(0.1마일)를 차지하며, 위험 지속 시간은 대상 선박의 속력을 기준으로 30초에 해당한다.
3.3 묘도수도 직선화 이후 시뮬레이션 결과
1) 8노트 양방향 통항의 경우(Case 4)
Fig. 9는 묘도수도를 직선화한 후, 8노트 속력으로 교행하는 두 척의 최대 선박에 대한 시뮬레이션 결과이다. 평균 ESA는 486.6(ESL 466.7, ESS 34.2)이며, 최대 ESA는 876.2(ESL 748.0, ESS 594.0)로 나타났다. ESA 값이 750을 초과하는 구간은 묘도와 목도 사이에서 부분적으로 발생했으며, 이 구간은 시뮬레이션 전체의 5.6%(0.13마일), 위험 지속 시간은 대상 선박의 속력을 기준으로 58초에 해당한다.
2) 10노트 양방향 통항의 경우(Case 5)
Fig. 10은 묘도수도 직선화 후, 10노트 속력으로 교행하는 두 척의 최대 선박에 대한 시뮬레이션 결과이다. 평균 ESA는 498.3(ESL 476.4, ESS 34.0), 최대 ESA는 863.0(ESL 758.3, ESS 588.0)이었다. ESA 값이 750을 초과하는 구간은 묘도와 목도 부근에서 부분적으로 관찰되었으며, 전체 시뮬레이션 구간의 7.3%(0.17마일)에서 발생했다. 해당 구간에서 위험 지속 시간은 대상 선박의 속력을 기준으로 62초에 해당된다.
Case 5의 최대 ESA(876.2)가 Case 4의 최대 ESA(863.0)보다 다소 낮게 평가되었다. 이는 Case 2와 마찬가지로 선박 발생 위치(시작점)에 따른 것으로, 이 차이(-13.0)가 위험성 측면에서 큰 의미를 갖진 않는다. Case 4와 Case 5는 비슷한 결과라 평가할 수 있다.
3) 12노트 양방향 통항의 경우(Case 6)
Fig. 11은 묘도수도를 직선화 한 후, 12노트 속력으로 교행하는 두 선박의 시뮬레이션 결과를 보여준다. 평균 ESA는 502.9(ESL 476.1, ESS 33.9)이며, 최대 ESA는 857.0(ESL 776.7, ESS 594.0)으로 나타났다. ESA 값이 750을 초과하는 구간은 송도와 묘도대교 사이 넓은 면적에서 관찰되었다. 이 구간은 시뮬레이션 전체 구간의 29.1%(0.67마일)를 차지한다. 대상 선박의 속력을 기준으로 위험 지속 시간은 201초로 계산된다. Case 4와 Case 5와 비교하여 상대적으로 높은 위험성을 보였다.
3.4 시뮬레이션 결과 분석 및 시사점
Table 3은 6가지 시나리오에 대한 실험 결과를 정리한 것이다. Case 1 ~ Case 3은 묘도수도 직선화 이전 단독 통항 상황을 가정한 결과로, 모두가 ESL에 의한 스트레스 결과이다. ESA가 750을 넘는 경우는 Case 1과 Case 2에선 발생하지 않았으나, Case 3에서는 부분적으로 발생하였다. ESA 증가는 높은 속도 때문이다. 다만 이 위험 지속 시간은 30초 내외로 짧았다.
Case 4 ~ Case 6은 양방향 교행 상황을 가정한 결과로, Case 4 ~ Case 6은 ESL과 ESS가 동시에 발생하기 때문에 Case 1 ~ Case 3에 비해 ESA 값이 크게 증가하는 경향을 보였다. ESA가 750을 넘는 구간은 Case 4와 Case 5에서 각각 5.6%, 7.3% 발생하였으나, 위험 지속 시간이 약 1분 내외로 짧았다. 반면 Case 6에서는 최대 ESA가 750 이상인 구간이 전체 시뮬레이션 구간의 29.1%를 차지하고 위험 지속 시간이 201초로 가장 길었다. Case 6이 상대적으로 높은 위험성을 보였다.
묘도수도 직선화 사업은 항로 폭 300m, 수심 DL(-) 10m, 양방향 통항을 전제로 진행 중이다. 직선화 이후 통항 규칙 개정은 불가피하다. 따라서, 묘도수도 통항 규칙 마련 시, 제한속력은 ‘10노트 이하’가 적절하다고 판단된다. 12노트는 양방향 교행 시 750을 초과하는 위험구간이 장시간 나타나 부적절하다.
4. 결 론
묘도수도는 여수국가산업단지(석유화학산업단지)로 통항 하는 선박이 주로 이용하는 항로로, 항로 폭이 좁고(최소 항로폭 150m), 항로 주변에 장애물이 많아 해양사고 위험이 잠재된 곳이다. 이에 여수지방해양수산청은 묘도수도에 대한 통항 규칙(제한속력 8노트 이하, 교차 통행 금지)을 별도로 마련하여 운영하고 있으나, 2024년부터 2030년까지 묘도수도 확장 및 직선화 사업 추진에 따라 통항 규칙을 다시 마련할 필요성이 대두되었다.
본 연구는 ES 모델을 이용하여 묘도수도 직선화 사업 전/ 후의 위험도를 비교․분석하여 적정 제한속력을 찾고자 하였다. 이를 위해 6가지 시나리오를 마련하여 ES 모델로 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 수행 결과, 묘도수도 제한 속력은 10노트가 적절하다고 평가되었다.
이 연구는 묘도수도 직선화 이후 통항 규칙 마련을 위한 기초 자료로서 가치가 있다고 판단되며, 선박 교통량에 따른 제한속력, 항주파로 인한 주변 선박의 피해 등은 고려되지 않았음을 한계로 밝힌다.
