[논문]항만정온도 추정방법 개선방안 검토

정원무; 류경호

doi:10.9765/kscoe.2014.26.6.397

항만정온도 추정방법 개선방안 검토
Review of the Improvement of the Estimation Method of Harbor Tranquility 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.26 no.6, 2014년, pp.397 - 404

정원무 (한국해양과학기술원 연만공학연구본부) , 류경호 (한양대학교 ERICA 캠퍼스 건설환경공학과)

초록
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우리나라의 항만정온도 검토 방법에는 이상 시 항내정온도 검토와 항만가동율 검토 등이 있으며 대부분의 경우에 두 가지 방법을 모두 수행하고 있다. 전자에서는 정온도 기준을 합리적인 근거가 없는 항내파고 절대치로 판단하고 있는 문제점이 있으며 그 실효성에도 의문이 제기된다. 후자에서는 초과출현율 파 또는 장기간의 실측 및 역추산 자료의 파향-주기군을 사용하여 항만가동율을 산정하는 방법 등이 사용되고 있는데 이들 중 초과출현율 파의 사용은 정확도에 문제가 있으므로 장기간 자료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 현재 적용되는 하역한계파고의 기준은 너무 단순하여 실제 상황을 반영하는데 한계가 있다. 본 논문에서는 부산항 신항에서 관측한 파고 실측자료를 사용하여 현행 항만정온도 및 항만가동율 검토방법의 문제점을 실질적으로 입증하였으며 실측자료의 중요성을 강조하였다. 향후 우리나라 주요 항만 내 외에서 장기간의 실측 자료를 확보함으로써 개선된 항만정온도 기준을 마련하는데 적극적으로 활용하는 것이 바람직하다.

Abstract ▼ AI-Helper

In Korea, harbor tranquility is generally estimated by using both methods of investigating harbor calmness under abnormal wave condition and evaluating the harbor serviceability. The efficiency of the former method is questionable as the tranquility of a harbor is judged by a wave height criterion that is arbitrarily determined without rational basis. In case of the latter method, the utilization rate of a harbor is estimated by using the exceedance probability of wave height or the distribution of wave heights and periods that is obtained from longterm measured or hindcasted wave data. Use of long-term data is desirable in order to guarantee the accuracy of the exceedance probability. Meanwhile, the criterion for determining maximum allowable wave height for cargo handling works is too simple and has limitations for being used in an actual field condition. Problems of existing method for estimating harbor tranquility were verified by the wave observation data in Busan New Port. And the importance of the field observation data was emphasized. It is necessary to perform long-term wave monitoring inside and outside of major ports in Korea in order to establish more advanced standard for evaluating harbor tranquility based on such observed wave data.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

5% 파를 입력조건으로 하여 수치 또는 수리모형실험을 수행하여 대상 부두 전면의 파고를 구한다. 고려한 모든 파향에 대해서 계산된 부두 전면에서의 파고가 하역한계파고 값보다 작게 되는 비율로서 항만가동율을 계산하며, 가동율 97.5%를 확보하는 것을 목표로 하게 된다. 이 방법은 수치계산량이 작고, 수치계산 결과와 해당 지역의 파랑자료를 가지고 가동율을 산정하는 별도의 절차가 없기 때문에 항만의 타당성조사, 기초조사 및 기본계획 등에서 적용한 사례가 상당수 있다.
5% 이상을 확보하는 항만가동율 검토는 항만의 이용 효율 측면, 즉 항만물류 측면에서 정온도를 평가하는 방법이며 상시 파랑이 주된 검토 대상이 된다. 그러나 이상 시 항내정온도 검토는 악천후 시에 방파제, 부두 등 항만시설의 안전 및 방재 측면에서 설계빈도에 해당하는 이상 시 고파랑이 내습하는 경우 항내수역이 어떠한 파랑 상황에 놓이게 될지를 고려하고 이에 대비하기 위한 목적으로 수행된다.
본 논문에서는 우리나라의 항만정온도 검토 방법의 문제점과 개선 방안을 제시하고자 하였으며, 부산항 신항을 대상으로 검토 사례를 제시하였다. 본 논문의 주요한 결론 및 토의 사항을 다음에 정리하였다.
우리나라의 두 가지 항만정온도 검토방법은 각각의 기준이 근거가 모호하거나 실제상황을 반영하지 못하는 등의 문제점을 가지고 있으며 입지조건이 열악하거나 너울의 영향이 큰 항만에서 적용하는 경우에는 방법②를 만족하더라도 방법①은 만족하지 못하는 문제점이 존재한다. 본 논문에서는 현행 항만정온도 검토방법의 문제점에 대해서 고찰하고 개선방안을 제시하였다.
5% 이상을 확보하도록 권고하고 있다. 여기에서는 항만가동율 산정에 필요한 파랑자료, 현행 항만가동율 산정방법과 문제점 및 개선방향에 대해서 제시하였다.
항만가동율 또는 항내정온도와 관련하여 사용되는 몇몇 용어가 혼동되어 사용되는 경우가 종종 있기 때문에 본 논문에서는 아래와 같이 몇 가지 용어들에 대한 정의를 제시하였다.

제안 방법

5 m를 대상 정점의 파고비로 나누어 작업한계 입사 파고를 계산하였다(④). 계산된 작업한계 입사파고와 매시간 파고, 주기 및 파향 실측자료를 이용하여 각 파향-주기 구간별로 하역한계 입사파고를 초과하는 파의 수를 합하고 이를 전체 파랑 자료수로 나누어 하역불능율을 산정하였다(⑤). 마지막으로 (100-하역불능율)로부터 항만가동율을 산정하였으며 (⑥), 북컨테이너 부두의 경우 가동율이 97.
부산항 신항 동방파제 전면에서의 실측 자료를 입사파 조건으로 사용한 수치실험을 수행하여 북컨테이너 부두의 항만 가동율을 우리나라 기준 및 표준해석법이라고 불리는 일본 기준(Coastal Development Institute of Technology, 2004)에 의해 각각 계산하고, 대상선석에서의 실측자료와 비교한 결과를 다음에 제시하였다.
1절에서 정의한 바 있으며, 초과출현율 파를 적용하여 항만가동율을 산정하는 방법은 다음과 같다. 우선 항외측에서 16방위별로 구해진 초과출현율 2.5% 파를 입력조건으로 하여 수치 또는 수리모형실험을 수행하여 대상 부두 전면의 파고를 구한다. 고려한 모든 파향에 대해서 계산된 부두 전면에서의 파고가 하역한계파고 값보다 작게 되는 비율로서 항만가동율을 계산하며, 가동율 97.
입사파 조건에 따른 수치 실험을 통해 부두 전면의 파고비를 계산(③)하고 항만 및 어항 설계기준의 중·대형선(500~50,000톤)에 대한 하역한계 파고 0.5 m를 대상 정점의 파고비로 나누어 작업한계 입사 파고를 계산하였다(④).
항만가동율 산정 절차에 따라 우선 항외의 관측정점 DW 에서 수집된 3년간의 파랑 실측자료를 분석하여 파향-주기 구간별 출현율(①)을 구하고 부산항 신항의 지역적인 특성과 현 상태의 평면배치 현황을 고려하여 수치실험을 위한 입사파 조건을 파향 5개(SSE, S, SSW, SW, WSW), 주기 6개(4, 6, 8, 10, 12, 15초)로 결정하였다(②). 입사파 조건에 따른 수치 실험을 통해 부두 전면의 파고비를 계산(③)하고 항만 및 어항 설계기준의 중·대형선(500~50,000톤)에 대한 하역한계 파고 0.

대상 데이터

적용 선박의 규모는 부산항만공사에서 홈페이지에 제시하는 2011~2012년 물동량 통계치를 참조하여 부산항 신항에서 입출항 빈도가 가장 높은 30,000~50,000톤급 선박의 중간값인 40,000톤급 선박으로 결정하였다. 대상 선석은 북컨테이너 2-1단계 부두의 선석으로 선택하였는데, 그 이유는 이 선석이 현재 부산항 신항에서 운영 중인 선석 중에서 항만가동율이 가장 낮을 것으로 예상되었기 때문이다.
수치 실험은 30 m 정방격자로 구성된 단일격자 체계로 수행되었으며, 입사파 조건은 부산항 신항 동방파제 남쪽으로 약 400 m 지점에 설치한 파향·파고계(Fig. 1의 정점 DW)를 이용하여 1999년 이후 관측한 자료 중에서 결측율이 가장 낮은 연속 3년(2001년 4월~2004년 3월)간의 파향·파고자료를 활용하여 결정하였다.
적용 선박의 규모는 부산항만공사에서 홈페이지에 제시하는 2011~2012년 물동량 통계치를 참조하여 부산항 신항에서 입출항 빈도가 가장 높은 30,000~50,000톤급 선박의 중간값인 40,000톤급 선박으로 결정하였다. 대상 선석은 북컨테이너 2-1단계 부두의 선석으로 선택하였는데, 그 이유는 이 선석이 현재 부산항 신항에서 운영 중인 선석 중에서 항만가동율이 가장 낮을 것으로 예상되었기 때문이다.

이론/모형

항만가동율을 계산하기 위해 범용 파랑변형 수치모형 SWAN을 사용하였다. 항외의 관측정점 DW와 항내 관측정점 W4(가동율 대상선석 위치)는 전술한 Fig.

성능/효과

2.1절에서 검토한 결과에서 나타난 바와 같이 현행 항내기준파고에 의한 이상시 항만정온도 검토는 이상 시 파랑에 대한 항만의 안전 및 재난 방지라는 목적을 감안하면 설계파 검토와 통합하여 월파에 의한 항만시설 및 적치물의 안전성 확보를 전제로 경제성을 고려하여 방파제 등 항만 외곽시설과 부두의 규모를 결정하는 방향으로 개선되는 것이 타당하다고 판단된다. 즉, 50년 재현빈도의 심해설계파를 적용하여 산정한 천 해설계파를 대상으로 방파제의 유무 또는 방파제의 규모를 결정하고 이에 따른 부두의 마루높이를 결정하면 된다.
3.4절에서 기술한 바와 같이 항만가동율을 산정하는 절차 등의 방법은 적절하다고 판단된다. 그러나 부두의 하역 상황은 근본적으로 선체 동요량에 의해 결정되기 때문에 하역의 가부(可否)를 판단하는 기준은 현행 국내 하역한계파고 기준처럼 단순한 기준보다는 선체 동요량과 각 선석의 파랑조건을 고려하여 선박 규모와 계류상황 별로 세부적인 기준으로 정해질 필요가 있다.
4.1절에서 보인 수치실험 결과와 대상선석에서의 입사 파향을 가지고 일본 표준해석법에 의한 하역한계파고 기준을 적용하여 항만가동율 산정 절차에 따라 계산한 결과 97.1 %로 나타났다. 해당 선석의 입사파향에 따라 주기가 12초 이상인 경우 우리나라 하역한계파고 기준에 비해서 하역한계파고 기준값이 작아지는 영향으로 항만가동율이 97.
5 m를 초과하는 경우가 나타나는 등 실효성에도 의문이 제기된다. 또한 이상 시 파랑에 대한 항만의 안전 및 재난 방지라는 목적을 감안하면 현행 이상 시 항내정온도 검토를 생략하고 기존 천해설계파 검토에 이상 시 항내 수역의 상황을 반영하여 월파에 의한 항만시설 및 적치물의 안전성 확보와 경제성을 고려하여 방파제 등 항만 외곽시설과 부두의 마루높이를 결정하는 방향으로 개선되는 것이 타당하다고 판단된다.
계산된 작업한계 입사파고와 매시간 파고, 주기 및 파향 실측자료를 이용하여 각 파향-주기 구간별로 하역한계 입사파고를 초과하는 파의 수를 합하고 이를 전체 파랑 자료수로 나누어 하역불능율을 산정하였다(⑤). 마지막으로 (100-하역불능율)로부터 항만가동율을 산정하였으며 (⑥), 북컨테이너 부두의 경우 가동율이 97.5%로 제시되었다.
5%로 나타난다. 즉, 4.1절에 보인 수치실험에 의한 항만가동율 산정 결과인 97.5%에 비해 가동율이 더 높게 나타남을 확인할 수 있다. 수치실험에 비해 항만가동율이 높게 계산된 이유는 수치모형의 파고 재현성에도 일부 기인한 것으로 추정되지만, 한편으로는 항외 뿐만 아니라 항내 파고 실측자료의 확보가 중요함을 보여주는 사례라고 할 수 있다.
5%에 미치지 못하는 것으로 판단된다. 즉, 일본 표준해석법은 선석에서의 입사 파향에 따라 너울 등 비교적 주기가 긴 파를 별도로 고려하여 항만가동율을 산정하고 있기 때문에 우리나라 기준에 비해서 항만가동율이 더 낮게 산정될 수 있음을 확인하였다. 그러나 4.
5~2 m 정도로 상향시켜서 적용한 바 있다(Korea Maritime and Port Administration, 1994). 항만 가동율 검토 방법(방법②)을 적용할 경우 신항만들의 연간 항만가동율은 대체로 97.5% 이상의 조건을 만족한 것으로 나타났다. 하지만 기존의 하역한계파고 기준으로 계산한 항만 가동율과 실제 가동율의 차이가 심하게 나타나는 등 기존의 하역한계파고 기준이 실제상황을 반영하지 못하는 사례도 나타나고 있다(Pohang Regional Maritime Affairs and Port Administration, 2010).

후속연구

- 일본의 경우 선박의 종류, 규모, 선박에 입사하는 파의 방향 및 주기 등에 따라 다양한 하역한계기준을 항만가동율 산정에 적용하고 있으며 유럽의 경우 선종별로 하역작업 및 안전계류조건과 선체의 운동을 고려하여 항만정온도를 검토하고 있으나, 우리나라에서 적용하는 항만 및 어항 설계기준 (Ministry of Maritime Affairs and Fisheries, 2005)에 제시된 하역한계파고의 기준은 너무 단순하여 실제 상황을 반영하는데 한계가 있으므로 지속적인 연구를 통하여 하역한계기준을 개선할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 한편, 항만정온도 검토방법의 보완 및 개선을 위해 실측 자료의 중요성을 다시 확인하였으며 우리나라 주요 항만 내·외에서 실측 자료를 확보하여 개선된 정온도 기준을 마련하는데 적극적으로 활용할 필요성이 있다.
따라서 가동율이 가장 낮을 것으로 예상되는 부두 전면에서의 장기 모니터링 자료는 현황 파악 및 대책 마련을 위해서 반드시 필요하며, 앞으로 주요 항만의 경우 계획단계에서부터 항내·외 주요 정점에서의 파랑 모니터링 계획의 수립 및 시행이 필요할 것으로 사료된다.
그러나 이러한 방법은 대부분 천해설계파 검토와 중복된다. 따라서 이상 시 항내정온도 기준파고를 만족하는지 검토하는 방법이 기준파고의 적정성과 실효성에 문제가 있다는 점을 더불어 생각하면 현행 이상 시 항내정온도 검토를 생략하고 이상 시 항내 수역의 상황을 반영하여 천해설계파 검토와 외곽시설 및 접안시설의 마루높이 산정을 보다 적절히 결정할 수 있는 방안을 검토해봐야 할 것이다.
실제로 최근 포항 신항에 대해서 수행된 연구 결과(Pohang Regional Maritime Affairs and Port Administration, 2010)를 보면 중·대형선 선박의 실질적인 하역한계파고가 평균 0.3 m 정도로 나타나서 현행 기준과 큰 차이를 보였는데, 향후 지속적인 연구를 통해서 항내 파랑특성에 따라 하역한계파고를 수정하고 세분화할 필요가 있다.
더불어 선박별 하역방식 또는 선박 종류에 따라 구분된 기준이 마련되어 있지 않아 개선의 필요성이 있는 것으로 판단된다. 이상의 문제점에 대해서는 차후 체계적이고 지속적인 연구를 통해 개선방안을 도출할 필요가 있다. 실제로 최근 포항 신항에 대해서 수행된 연구 결과(Pohang Regional Maritime Affairs and Port Administration, 2010)를 보면 중·대형선 선박의 실질적인 하역한계파고가 평균 0.
2절의 결과 비교에서 볼 수 있듯이 수치모형이 실제 관측된 항내파고를 충분히 재현하지 못하고 있을 수 있기 때문에 이 결과만으로 부산항 신항의 항만가동율이 문제가 있다고 판단할 수는 없다. 추후 부산항 신항의 항내파고를 보다 정밀하게 재현한 수치모델을 구축하거나 파향을 포함하는 복수 정점에서의 항내파고 관측 자료가 확보된다면 보다 엄밀하게 항만가동율을 평가할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우리나라의 항만정온도 검토 방법은 무엇이 있는가?	우리나라의 항만정온도 검토 방법에는 이상 시 항내정온도 검토와 항만가동율 검토 등이 있으며 대부분의 경우에 두 가지 방법을 모두 수행하고 있다. 전자에서는 정온도 기준을 합리적인 근거가 없는 항내파고 절대치로 판단하고 있는 문제점이 있으며 그 실효성에도 의문이 제기된다.
	항만정온도 검토 방법으로 항만가동율 검토를 이용할시 문제점은?	우리나라의 항만정온도 검토 방법에는 이상 시 항내정온도 검토와 항만가동율 검토 등이 있으며 대부분의 경우에 두 가지 방법을 모두 수행하고 있다. 전자에서는 정온도 기준을 합리적인 근거가 없는 항내파고 절대치로 판단하고 있는 문제점이 있으며 그 실효성에도 의문이 제기된다. 후자에서는 초과출현율 파 또는 장기간의 실측 및 역추산 자료의 파향-주기군을 사용하여 항만가동율을 산정하는 방법 등이 사용되고 있는데 이들 중 초과출현율 파의 사용은 정확도에 문제가 있으므로 장기간 자료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 현재 적용되는 하역한계파고의 기준은 너무 단순하여 실제 상황을 반영하는데 한계가 있다. 본 논문에서는 부산항 신항에서 관측한 파고 실측자료를 사용하여 현행 항만정온도 및 항만가동율 검토방법의 문제점을 실질적으로 입증하였으며 실측자료의 중요성을 강조하였다.
	본 논문에서는 상시 파랑을 어떻게 정의하였는가?	- 상시 파랑 : 알기쉬운 항만설계기준 핸드북(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2010)에서는 혼동을 초래하기 쉬운 ‘평상파’라는 용어 대신 ‘이상시 파랑’에 대응되는 개념으로서의 ‘상시 파랑’이라는 용어를 다음과 같이 4가지 방법으로 설명한 바 있다. ① 16방위별로 파고가 상위 2.5%에 해당되는 파(전술한 초과출현율 2.5% 파와 동일하며, 항만가동율 약식 평가에 사용되기도 함), ② 계절별 대표파향의 파고를 평균한 파(퇴적물이동 수치실험에 사용 가능), ③ 풍랑주의보 발효 기준인 파고 3m의 파(소파 또는 해수소통 구조물 설계에 사용 가능), ④ 기타의 용도로 설계자가 산정하는 통계적인 파. 여기서 ①에 해당되는 파는 ‘(16방위별) 초과출현율 2.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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