포항 도로교 건설에 따른 주경간장 결정에 관한 연구

2012년~2016년 Port-MIS 기반 포항항 구항의 선박 통항 현황조사 결과 5년간 총 4,850척의 선박이 입항하였으며, 도로교 하부 통항 대상 부두인 1~4 물양장, 어선 물양장, 조선소의 최근 5년간 입출항 실적은 <Table 1>과 같다.

<Table 1>

No. of Traffic by Port-MIS at Pohang Old Port

5년간 대상해역의 통항 선박 중 총톤수 1,000톤 이상의 선박은 총 10척으로 연간 2척 약 0.6%를 차지하였고, 500톤이상 1,000톤 미만의 선박은 총 19척으로 연간 3.8척 약 1%를 차지하였으며, 500톤 미만의 선박이 1,680척 연간 336척 약 98.3%를 차지하는 것으로 조사되었다.

2017년 포항항의 도로교 건설 대상해역의 선박 주요 통항 흐름을 살펴보기 위하여 2016년 8월 25일에서 27일까지 대상해역의 3일간의 GICOMS 자료를 분석하였다([Fig. 2]참조).

[Fig. 2]

Traffic Pattern at Pohang Old Port by GICOMS

<Table 2>와 같이 조사기간 동안에 총 69척이 통항하였으며, 일평균 23척, 시간당 평균 0.96척이 통항하였다. 선종별로는 예인선이 32척으로 가장 많았으며, 유람선이 28척, 탱커선이 7척, 화물선이 2척으로 조사되었다. 규모별로는 길이 50m 이하의 선박이 67척으로 가장 많았으며, 50~100m 이하의 선박이 2척, 100m 이상의 선박은 통항하지 않았다.

<Table 2>

No. of Traffic at Pohang Old Port by GICOMS

GICOMS의 자료는 어선 등의 선박 현황을 파악하기 어려워 대상해역에서 AIS, RADAR 등을 이용하여 2017년 9월 25일 18시부터 26일 18시까지 1일간의 현장 교통조사를 실시하였다([Fig. 3] 참조).

[Fig. 3]

Traffic Pattern at Pohang Old Port by RADAR, AIS

<Table 3>과 같이 조사기간 동안에 총 202척이 통항하였으며, 시간당 평균 8.42척이 통항하였다. 선종별로는 어선이 179척으로 가장 많았으며, 174척은 눈으로 관측으로 통하여 확인된 선박이었다. 어선 이외에는 관공선이 9척, 유람선이 5척, 탱커선, 화물선, 여객선, 미확인 선박이 각 2척, 도선이 1척, 기타 선종이 2척이었다. 규모별로는 길이 50m 이하의 선박이 198척으로 가장 많았으며, 50~100m 이하의 선박이 3척, 100m 이상의 선박은 통항하지 않았고, 길이를 알 수 없는 선박이 1척 조사되었다.

<Table 3>

No. of Traffic at Pohang Old Port by RADAR, AIS

Port-MIS, GICOMS 및 현장조사를 통하여 대상해역의 통항 선박은 500톤 미만, 길이 50m미만의 선박이 대부분을 차지하고 있다. Port-MIS 자료에서는 약 98.3%가 500톤미만의 선박이었으며, GICOMS 자료에서는 50m미만의 선박이 약 97.1%, 현장조사에서는 50m미만의 선박이 약 98.0%를 차지하였다. 하지만 선행연구에서는 대상해역을 통항하는 최대 선박의 재원에 초점을 맞추고 그 선박의 통항 안전성 확보에만 주력하였다.

Port-MIS 자료상 대상해역을 통항한 최대선박은 주로 수리 조선소에 입항한 선박이었으나, 제3차 전국 항만기본계획 수정계획에 따라 도로교가 건설되고 수리조선은 영일만항으로 이전 계획이 있어 본 연구 대상에서는 제외하였고, GICOMS 및 현장조사 시 파악한 최대선박은 국동크루즈로 조사되었다. 또한 Port-MIS 및 GICOMS와 현장조사에는 파악되지 않았지만 방문기관 면담 시 해경경비함도 대상해역을 통항하는 것으로 파악되었으며, 두 선박의 재원은 <Table 4>와 같다.

<Table 4>

Particulars of Two Vessels

도로교 건설 대상해역의 해면 폭은 약 219.5m이며, 통항흐름의 검토를 위하여 목표선 분석을 시행하였다. 목표선 분석은 선박의 항적도를 바탕으로 관심이 되는 점 또는 선을 선정하고 그 지점에서 선박이 통과할 때 근접거리를 구하여 분석하는 방식으로 해상교통안전진단 등에서 사용되고 있다(Jeong & Lee, 2007). 목표선 분석을 위하여 측정지점을 [Fig. 4]와 같이 선정하였으며, 입항과 출항을 구분하여 측정지점으로부터 통항선박의 근접거리를 측정하였다.

[Fig. 4]

Measuring Point of Distance at Pohang Old Port

눈으로 관측한 자료를 제외하고 조사기간 동안에 총 117척의 화물선이 대상해역을 입항한 것으로 조사되었으나, 화물선 1척은 모래운반선으로서 도로교가 설치되는 장소 인근 부두에 접안하기 위한 통항이었으며, 4척은 항로표지선으로 해당 수역을 배회하는 항적을 보여 통항선박이라 보기 어려운 운항 패턴이라 제외하였다. 따라서 조사기간 동안 대상수역을 입항한 총 112척의 선박의 흐름을 검토하였고, 그 분포는 [Fig. 5]와 같다.

[Fig. 5]

Histogram for Entering at Pohang Old Port

<Table 5>에서 보는바와 같이 입항 시 선박의 최소 근접거리는 41.3m이고, 최대 근접거리는 140.6m이며, 평균 85.25m의 근접거리를 두고 대상해역을 통과하였다.

<Table 5>

Distance for Entering at Pohang Old Port

눈으로 관측한 자료를 제외하고 조사기간 동안에 총 154척의 화물선이 대상해역을 입항한 것으로 조사되었으나, 화물선 1척은 모래운반선으로서 도로교가 설치되는 장소 인근 부두에 접안하기 위한 통항이었으며, 5척은 항로표지선으로써 해당 수역을 배회하는 항적을 보여 통항선박이라 보기 어려운 운항 패턴이라 제외하였다. 따라서 조사기간 동안 대상수역을 출항한 총 148척의 선박의 흐름을 검토하였고, 그 분포는 [Fig. 6]과 같다.

[Fig. 6]

Histogram for Departure at Pohang Old Port

<Table 6>에서 보는바와 같이 출항 시 선박의 최소 근접거리는 35.3m이고, 최대 근접거리는 110.2m이며, 평균 73.69m의 근접거리를 두고 대상해역을 통과하였다.

<Table 6>

Distance of Departure at Pohang Old Port

선박이 항로를 통항할 경우, 일반적으로 항로 단면에서의 선박 항행 궤적의 분포는 [Fig. 7]과 같이 정규분포(Normal Distribution)를 이루는 것으로 알려져 있다(Kim et al., 2016).

[Fig. 7]

Normal Distributions

선박 운항자는 항로의 중앙을 따라 운항하려는 경향이 강하며, 따라서 항로의 중앙에 집중되는 정규분포에 근사하게 되는 것이다.

따라서 해사안전법상 해상교통안전진단 등에서도 충돌확률 등을 구할 때 정규분포를 가정하여 정규분포의 누적 확률분포 함수를 이용하여 확률을 추정한다.

하지만 다수의 선행연구에서 이러한 정규분포가 적합하지 않는 경우도 있었다. Nguyen et al. (2015)은 말라카해협의 교통분포가 정규분포와 상이하다고 분석하였으며, Yoo(2016)는 인천항 통항로에서 혼합 확률분포가 보다 적합하다고 하였고, Kim et al. (2017)은 부산북항과 감천항의 위험물운반선이 정규분포를 따르지 않는다고 하였다.

따라서 항로분포가 정규분포를 따르는지 따르지 않는지에 대한 정규성 검정이 선행되어야 하며, 정규성을 따르지 않는 경우에는 보다 적합한 분포를 이용하여야 한다.

귀무가설 ‘입·출항선박의 근접도 데이터가 정규분포에 따른다.’와 대립가설 ‘입·출항선박의 근접도 데이터가 정규분포에 따르지 않는다.’를 검정하기 위하여 SPSS 프로그램을 이용하여 Kolmogorov-Smirnov test(이하 KS test) 및 Shapiro-Wilk test(이하 SW test)를 실시하였으며, 그 결과는 <Table 7>과 같다.

<Table 7>

Result of KS-test and SW test at Pohang Old Port

<Table 7>에서 보는 바와 같이 입항의 경우 KS test의 유의도는 .05보다 작은 값을 보여 귀무가설이 기각되고 대립가설이 성립되나, SW test 결과는 유의도 .05보다 큰 값을 보이므로 귀무가설이 성립됨을 알 수 있다. 다만, 이들 두 검정결과가 차이가 있을 경우에는 표본수가 2,000보다 클 때에는 KS test를 사용하고 2,000보다 작을 때에는 SW test를 사용하는 것이 적절하다(Choi, 2015).

출항의 경우 KS test의 유의도와 SW test의 유의도 모두 .05보다 큰 값을 보이므로 귀무가설이 성립됨을 알 수 있다. [Fig. 8]과 [Fig. 9]는 각각 입항과 출항에서의 Q-Q 도표를 나타낸 것이다. 입·출항 모두 선형에 가까워 정규분포를 따른다고 할 수 있다.

[Fig. 8]

Q-Q Diagram for Enter at Pohang Old Port

[Fig. 9]

Q-Q Diagram for Departure at Pohang Old Port

앞서 살펴본 바와 같이 대상해역의 통항 특성은 우선 정규분포를 이룬다는 것이다. 따라서 [Fig. 10]과 [Fig. 11]은 정규분포를 이룬다고 할 수 있다.

[Fig. 10]

Normal Distributions for Enter at Pohang Old Port

[Fig. 11]

Normal distributions for Departure at Pohang Old Port

왜도(Skewness)는 관측값들의 비대칭성을 측정하는 도구로, 왜도의 값이 0이면 좌우 대칭을 이루는 것이다. 첨도는 관측값들의 산술평균 주위에 밀집된 정도를 측정하는 것으로 첨도의 값이 0에 가까우면 정규분포를 이룬다(Kim et al., 2017). <Table 8>은 SPSS를 이용하여 대상해역의 입항과 출항에서 왜도와 첨도를 구한 결과이다. 왜도의 경우에는 입항 시 약 0.4, 출항 시 약 0.2로써 0에 가까운 값을 보이지만 평균에 비해서는 약간 우측으로 치우친 것을 알 수 있다. 첨도의 경우에는 입항 시 약 –0.2, 출항 시 약 –0.2로써 0에 가까운 값을 보이지만 평균에 피해 약간 퍼진 형태로 분포하고 있다.

따라서 대상항로에서 선박은 중간에서 우측으로 약간 치우쳐 통항하며, 항로를 다소 고루 이용하는 경향이 있다.

<Table 8>

Result of Skewness and Kurtosis

선박 통항이 빈번한 해역에서 도로교 등을 건설할 경우에는 대상해역 선박 통항의 정규분포 및 통항특성을 바탕으로 해상교량의 주경간장의 결정이 필요하다.

대상해역에서의 선박의 통항은 정규분포를 이룬다고 추정할 수 있으며, 이를 근거로 정규분포의 누적 확률분포 함수를 이용하여 통항확률을 추정할 수 있다.

평균 및 표준편차를 이용하여 정규분포의 누적 확률분포 함수를 구하고, 해상교통안전진단에서 규정하는 충돌확률 1.0 X 10-4를 만족하는 값을 구하면 <Table 9>와 같다.

<Table 9>

Result of Collision Probability

<Table 9>와 같이 입항의 경우 측정 지점으로부터 10.7m ~ 159.8m 사이로, 출항의 경우 측정 지점으로부터 16.5m ~ 130.9m 사이로 항해한다면 해상교통안전진단에서 규정하는 충돌확률 이하로 항해할 수 있다.

<Table 9>에서 결정된 주경간장 사이를 교통조사에 관측된 선박은 입출항 모두 100% 통과하는 것으로 판단되고, 누적 확률분포 함수를 이용한 통항확률은 입출항 모두 99.98%로 판단된다(<Table 10> 참조).

<Table 10>

Result of Passing Probability

따라서 해상교통안전진단의 기준을 충족하는 항로 폭은 입항의 경우 149.1m이고, 출항의 경우 114.4m로 판단된다. 따라서 안전을 확보할 수 있는 최소 주경간장은 149.1m로 결정할 수 있다.

앞서 살펴본 대상해역의 주경간장 결정(안)을 통항최대선박을 이용한 선행연구 기준을 비교 검토하였다.

국내 해상교량건설기준안(MOF, 2007) 은 앞서 언급한 바와 같이 항로 폭은 교행여부와 상관없이 선박길이의 2.5배이며, 교량통과 구간 전·후로 직선거리 선박길이의 8배 이상을 확보하도록 하고 있다. 해당조건을 만족하지 못한 경우에는 관계기관의 의견수렴 및 선박통항 시뮬레이션을 실시하여야 한다. 기준안에 따라 해양경비함은 160m, 국동크루즈는 131.25m의 항로 폭이 필요한 것으로 판단된다(<Table 11> 참조).

<Table 11>

Comparison with Route Design Standards

국외 기준안으로 대표적인 것은 AASHTO의 Bridge Protection Planning Guidelines가 있다. 이 가이드라인에서는 선박운항이 가능한 수로를 가로지르는 새로운 교량의 계획과 관련하여 교량의 위치 및 배치, 경간장, 형하고, 방호 시스템 등에 대하여 기술하고 있으며, 경간장의 경우 Shoji 등에 의해 수행된 실제 선박과 교량의 충돌사고에서 선박의 크기와 수평 이격거리의 상관관계에 대한 조사 결과에 근거하고 있다. 특히 지침에서는 교량의 주경간장은 설계 선박 길이의 2~3배보다 작으면 선박 충돌에 특히 취약하다고 기술하고 있다. 따라서 해양경비함은 128m ~ 192m, 국동크루즈는 105m ~ 157.5m의 주경간장이 필요한 것으로 판단된다(<Table 11> 참조).

국내·외 주경간장 설계에 따른 기준안과 항로특성을 고려한 주경간장 결정 안을 비교하면 AASHTO의 기준안의 경우 일부 만족하고, 해양수산부의 기준안의 경우에는 국동크루즈는 만족하지만 해양경비함의 경우에는 다소 만족하지 않은 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서 제안된 주경간장 결정 안은 선박조종시뮬레이션을 수행하지 않아도 국제기준과 국내기준을 일부 충족시킬 수 있는 유의미한 방안이 될 수 있다.