1. 서 론
해양에서 관측장비를 활용하여 자료를 수집하는 방법은 관측원리에 따라 현장관측과 원격관측으로 나눌 수 있으며 관측범위에 따라 정점관측과 광역관측으로 나눌 수 있다. 현장관측이라 함은 직접관측으로 바닷속에 장비를 투입하여 맞닿은 매질을 통해 관측하고자 하는 항목을 측정하는 방법이다. 현장관측은 부이(Buoy)나 해저 계류형 프레임(TRBM, Trawl Resistance Bottom Mount)등과 같은 고정점 구조물을 활용하면 현장정점관측으로 분류되고 선박 또는 글라이더(Wave & Underwater Glider)와 같은 이동체를 활용하면 현장공간관측으로 분류할 수 있다. 이에 반해 첨단관측으로 분류되는 원격관측은 대부분 바닷 속이 아닌 밖에서 전자기파를 통한 간접방식으로 관측하는 방식을 일컬으며, 대표적으로 고주파 해양레이다(HF Radar), 지상드론(Drone), 위성(Satellite)과 같은 첨단 장비가 원격공간관측장비에 속한다. 대부분의 원격관측장비는 관측할 수 있는 범위가 광역적이나, 레이더식 조위계, 해양분광복사도, 휘도 측정기와 같이 원격관측이지만 한 정점에서 관측하는 원격정점관측장비도 있다.
현장 관측에 활용되는 해양관측장비는 아날로그 방식에서 전자식으로 발전함에 따라 관측의 신뢰도 및 자료의 획득률이 높아지는 기술적 향상이 이루어 지고 있으며, 이와 함께 통신 기술의 발달로 실시간 자료 획득이 가능해지면서 현장에서 발생하는 주요한 문제에 대한 대응이 가능해져 계류된 장비의 분실율을 낮추는데 기여하고 있다.
국외의 경우 자체적인 계류 장비를 제작하고 계류 시스템을 발전시켜 양질의 해양관측 자료를 얻고자 하는 연구가 지속적으로 이루어지고 있으며(Bernitsas and Papoulias 1986; von Jouanne et al. 2012; Send et al. 2013; Wang et al. 2020), 국내에서도 계류 장비의 안정성 강화, 실시간 계류 상황 확인 및 자료의 확보와 저비용 고효율의 계류 방식 연구 등 다방면에서 효율적인 계류를 위하여 노력해오고 있다(금 등 2009; 김 등 2007; 박과 신 2003; 박 등 2014, 2018; 변 등 2018; 신 등 2010; 심 등 2009). 특히 황 등(2002)은 국내 천해 계류의 계류 형태와 계류 사례를 정리하고 계류 환경을 고려한 적절한 계류 계획을 제시하였으며 황 (2008)은 심해 계류와 관련하여 수 차례의 계류 실험과 실패를 통해 그 원인과 개선책에 관하여 논의하였다.
현장 정점관측에서 부이 계류를 계획(Design)할 시 일반적으로 1) 계류 정점이 관측 자료의 대표성이 있는가, 2) 관측 대상을 고려하여 장비를 어떻게 계류할 것인가, 3) 계류 시 경제적 비용이 얼마나 소요될 것인가 등 계류의 목적 및 방법과 예산을 중점으로 검토한 뒤 계류를 진행하고 있다. 하지만 상기 절차에 의해 해양부이가 조사 정점에 설치되고 관측이 순조롭게 진행됨에도 불구하고 계류 지역의 선박과 조업 등으로 인해 관측 장비가 분실되어 관측을 실패하게 되는 사고가 빈번하게 발생한다.
따라서 지속가능하고 성공적인 부이 계류를 위해서는 계류 계획 시 기존 검토된 상기 항목과 더불어 부이 계류 후 장비나 시설물에 피해를 줄 수 있는 다양한 환경 정보를 고려할 필요가 있다. 그러나 이와 관련된 항목과 접근방법을 명확히 제시하는 자료는 찾아보기 힘든 실정이다.
이에 본 연구에서는 한반도 연안에서 실시한 다양한 계류 경험을 바탕으로 현장정점관측에 활용되는 규모에 따른 해양부이의 장,단점과 법적 계류절차를 제시하고, 성공적인 계류를 위한 사전 검토방안을 제안함으로써, 부이를 활용한 해양 관측에 도움을 주고자 한다.
2. 본 론
해양부이의 구조적 특징 및 계류 절차
현장 정점관측으로 활용되는 대부분의 해양 계류부이는 해수면에 노출되는 상부에 전력 공급장치, 위치 추적 장치(GPS), 기상 센서 등이 부착되어 운용되며, 해수면 아래 프레임에는 관측하고자 하는 다양한 항목(해류, 수온, 염분 등)에 대한 관측 장비가 설치된다.
부이의 규모에 따른 활용
계류를 위한 해양부이 선택은 관측의 위치, 수심, 계류 기간, 관측에 소요되는 경비 등에 따라 결정되며, 부이 규모에 따른 장, 단점이 존재하기 때문에 성공적인 관측을 위해서는 관측 해역의 환경과 부이의 특성을 잘 고려하여 결정하여야 한다(Table 1).
Table 1.
Characteristics according to the size of the buoy
| Large buoy | Small buoy | |
|
Mooring schematic diagram |  |  |
| Operating period |
Long-term (more than 1 month/ Direct supply of operating power) |
Short-term (within about 1 month/ built-in battery) |
| Operating position | Open ocean, Coastal | Coastal |
| Operating cost |
High cost (pre-approval cost before buoy mooring, operation cost of large ships) |
Low cost (small ships weighing less than 10 tons) |
|
On-site maintenance availability | Possible | Impossible |
| Legal matters |
Requires complicated permit procedure and takes more than 1 month (Fig. 1) |
Notice after mooring (Responsibility arises in case of an accident) |
| Buoy maintenance and stability | High stability | Low stability |
| Data transmission characteristics |
Real-time transmission and large amount of information can be transmitted |
Only a small amount of essential data can be transmitted |
대형 부이라 함은 부이 몸체(Hull)기준 직경 1 m를 초과하는 크기로써 통상적으로 직경 1.5 m가 넘는 부이(https://www.ndbc.noaa.gov/mooredbuoy.shtml)를 일컫는 반면 소형부이는 직경 1 m이내의 크기로 분류할 수 있다(Fig. 1).
대형부이는 직경 1 m가 넘는 큰 규모로 인하여 상부 프레임 4면에 태양광 패널 설치가 가능하여 통신,해양 관측 장비의 가동 및 실시간 상황을 장기간 감시할 수 있는 지속적인 전력공급 기반 환경을 구축할 수 있다. 이로 인하여 최대 연(年) 단위의 운용이 가능하며, 연안과 외양 등 설치지역에 제약 없이 관측을 수행할 수 있다. 더불어 현장의 기기 문제 발생 시, 부이의 회수 없이 부이 몸체에 올라타 현장 수리작업이 가능하므로 유지, 보수에 장점을 지닌다. 하지만 대형부이는 계류를 위한 복잡한 법적절차가 요구되며 부이 자체의 무게와 부피로 인한 계류 및 회수에 대형 선박과 다수의 인력이 투입되어야 하는 등 계류과정에 있어 높은 비용이 든다.
이에 반해 부이의 크기가 작고 선박 항해에 큰 영향을 주지 않는 소형부이는 계류를 위한 이동 및 설치에 용이한 장점을 가지고 있고, 현장에서 소형선박과 적은 인원으로 신속하게 계류 및 회수 등 작업을 수행할 수 있다. 또한 선박과의 충돌 시 사고의 위험성이 낮은 장점이 있고, 계류에 있어서도 사전 법적 절차가 요구되지 않는다. 하지만 부이의 지름이 1 m 이내인 구조는 부력의 한계로 인하여 부착할 수 있는 장비 무게의 제약과 함께, 파고나 바람에 의한 피칭(pitching)과 롤링(rolling)이 크므로 부이에 부착된 장비의 관측 정확도에 영향을 미치기도 한다. 또한 부이 몸체가 작은 소형부이의 구조는 전력 생산 장치를 설치할 공간이 부족하여 자체 전력을 생산할 수 없어 내부에 설치된 배터리의 용량이 관측기간을 결정하는 조건이 되어 부이의 문제발생시 전체 회수를 통한 점검 및 조치가 요구되므로 연안에서 단기 계류에 주로 사용된다.
선박과 충돌 발생시 큰 영향을 주지 않는 소형 부이의 단기(1개월이하)계류는 관례 상 계류 전 의무적인 인, 허가 절차 없이 즉시 계류 및 회수가 가능하기 때문에 신속한 부이 회수 및 재계류를 통한 이동식 연속관측이 가능하다. 반면에 대형 부이를 계류하기 위해서는 『공유수면관리 및 매립에 관한 법률(약칭 공유수면법)』 제 8조에 따라 관할 지역 항만청에 공유수면 점·사용 허가신청 및 사설항로표지신고가 필수이며, 부이계류 후에도 관할 항만청에 항로표지기능사, 전기기능사 또는 전자기기기능사의 자격요건을 갖춘 관할지역 부이관리자를 지정하여 부이 준공 검사절차를 진행하여야 한다. 따라서 계류 실험의 관리자는 위와 같은 세부적인 절차를 잘 숙지하고 진행하여야 한다.
부이 계류를 위한 법적 절차
부이 몸체 기준 직경 1 m이내의 소형부이와 이를 초과하는 대형부이의 운용을 위한 차이점을 Table 1에 제시하였다.
자국 연안으로부터 200해리까지의 자원에 대해 독점적 권리를 행사할 수 있는 배타적 경제수역(EEZ)내에 해양부이 운용을 위해서는 설치 전 계류 위치의 공유수면 점용,사용 허가 신청과 항로표지법에 따른 사설항로표지 신청이 필요하다. 이는 관할해역 공유수면을 관리하는 기관에 사용허가 신청을 해야 하며, 법적 절차에 따른 관할 공유수면은 『배타적경제수역법』 제2조에 따른 배타적경제수역과 『항만법』 제3조1항1호에 따른 국가관리항의 항만구역 내 공유수면지역, 그리고 그 외 기타공유수면으로 나눌 수 있다.
EEZ일 경우 해양수산부 주항만청에서, 항만구역 내 공유수면지역은 관할 지방해양수산청, 그 외 기타공유수면은 각 지역에 해당되는 특별자치도지사, 시장, 군수, 구청장이 관할한다.
공유수면 점용, 사용 허가 신청은 사업계획서, 구적도 및 설계도서, 1/25,000의 지형도(신청구역을 표시한 해도) 그리고 지적측량성과도를 허가신청서와 함께 제출하여 승인 받아야 한다(해양수산부 연안포털, https://coast.mof. go.kr/coastAdmin/shareSea/introduce.do)(Fig. 2).
공유수면 점용, 사용에 대한 허가신청이 승인되면 관할지역 해양수산청에 사설항로표지 설치허가신청을 진행하여야 한다. 신청서 및 항로표지 현황조서와 설치사유서 및 설치위치도를 첨부하여 접수하면 적합여부를 판단하여 15일 내 허가서를 교부받게 된다. 상기 2가지 허가가 완료된 후 부이계류가 가능하며, 부이 계류 후 관할해양수산청의 부이 준공 검사를 통하여 최종적으로 계류 승인절차가 완료된다. 계류된 부이의 유지 및 관리는 직접 및 위탁의 방법이 있으며, 직접관리의 경우 등부표 예비품 현황 사진, 선박 임차 계약서, 항로표지 관리원 재직 증명서, 자격증, 주민등록 등본 등 관련서류의 구비가 필요하다.
계류 실패의 원인 분석 및 대비책 제안
저자는 2008년~2020년에 걸쳐 해양에서 단층 및 다층 해류를 관측하는 장비인 RCM (Recording Current Meter)과 ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler)를 부착한 계류 부이를 이용하여 고정점 계류관측을 수차례 진행하였다. 하지만 계류 계획시 실패 확률을 줄이기 위한 체계적인 사전검토항목이 갖추어지지 않았고, 이에 대해 검토가 제대로 수행되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 계류장비의 파손 및 분실과 함께 계류의 목적을 성취하지 못한 것을 계류 관측 실패로 규정하고 이에 대한 원인을 분석하고 대비책을 제안하고자 한다.
일반적으로 부이 계류 실패의 원인으로는 장비 운용자의 경험부족에서 발생하는 기술적 요인과 선박 또는 사람에 의한 부이 파손 및 계류선(Mooring line) 절단으로 인한 인위적 요인으로 구분할 수 있다.
기술적 요인
부이는 수개월 이상의 장기 계류를 할 경우 다양한 해양환경 변수에 노출된다. 그 중 선박의 충돌, 타인에 의한 훼손과 같은 인위적인 외력 없이 부이 계류 실패로 연결될 수 있는 상황들을 기술적 요인으로 분류하였다.
계류 부이가 손상 또는 분실되거나 관측 실패로 연결되는 원인 중 기술적 요인은 1) 계류선 말단 가공에 사용되는 재질의 부적합적 선택으로 장기간 계류 시 용품이 부식되어 파손되는 경우 2) 계류 단계에서 계류선의 뭉침에 의한 절단 경우 3) 불완전한 방수작업으로 인하여 부이와 장비의 누수 발생 등이 있다. 또한 계류선 길이의 잘못된 설계로 인하여 부력재가 압력을 견디지 못하여 파손되어 부력을 상실하여 올라오지 못하거나 물에 잠겨버리는 경우가 발생하며 이 외에도 장력의 오 계산으로 인해 바닥의 무게 추(Anchor weight)가 부이를 고정시키지 못하여 계류선이 목표된 계류 위치를 벗어나기도 한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서는 해수와 금속 간의 화학적 반응에 따른 부식현상을 고려하여 계류 환경에 알맞은 재질의 계류선이 선택되어야 한다(이 등 2015). 우선적으로 계류선의 연결 부위에는 철-철 또는 스텐-스텐과 같은 동일한 재질의 용품을 사용하여 화학적 풍화를 방지해야 하며 부득이하게 이질적인 용품을 사용할 경우에는 플라스틱을 끼우거나 테이프로 감아 직접적으로 닿지 않게 해야 한다. 계류선에 연결하는 샤클은 부식을 방지하기 위하여 용융도금된 스텐을 사용해야 하지만, 그럼에도 불구하고 부식이 발생하므로 유속이 빠른 해양 환경일수록 주기적인 교체를 통한 지속적인 관리가 필요하다. 더불어 계류단계의 계류선 뭉침을 방지하기 위해서는 계류 전 선박 갑판에서 계류선의 꼬임과 뭉침 여부의 확인이 필요하며 계류 추(weight) 투하 시 상기 현상이 발생하지 않도록 계류선 정리가 반드시 요구된다.
마지막으로 계류전 부이와 장비의 접합 부분인 오링에 방수용 그리스(Vacuum grease)를 세밀하게 도포하여 해수의 침투를 철저하게 차단하는 것이 성공적인 계류를 이루는 대비책이라 할 수 있다.
계류는 설계 단계에서부터의 세밀한 계획이 필요하며 계류선을 설계함에 있어서 부력 및 총 중량에 대한 검토와 더불어 계류선에 걸리는 장력의 기울기 및 계류선의 수중 배치 형상이 계산된 계류 설계가 요구되며, 이는 황 (2008)의 논문에 자세히 기술되어 있으므로 이를 참고하도록 한다.
인위적 요인
부이를 해양에 계류함에 있어 계류 관측의 실패와 관련된 주요 원인은 계류선 절단과 계류부이 파손 등과 같은 인위적인 요인이다(Fig. 3). 위와 같은 계류 관측의 실패는 주로 어민의 조업활동으로 인해 발생하는 것으로 조업의 방법과 시기 그리고 영역에 따라 큰 영향을 받는다. 하지만 계류 전 지역 해상 상황에 대한 실제 조업구역 및 방법 등 사전정보 획득이 어려우므로 사전 계획시 고려를 하지 않는다. 하지만 인위적인 요인으로 인한 사고 발생시 높은 확률로 부이가 분실되기 때문에 계류 전 중요하게 고려되어야 할 요소라고 여겨진다.
일반적으로 어업활동으로 인한 해양 계류부이 사고는 조업활동중인 선박에 의해 부이가 끌려가 부이 및 장비가 파손되는 경우(Fig. 3a and b)와 어선에 의해 쳐놓은 그물이 조류에 밀려 계류선과 엉키면서 그것을 풀기 위해 계류선을 강제로 절단하면서(Fig. 3c~f) 부이가 떠내려가는 경우가 있다. 이와 같은 상황이 발생하면 어선에서 그물을 회수하면서 해양 부이가 이탈하거나 파손되고, 때로는 상하가 뒤집히는 사고가 발생되어 부이 상부 홀을 통하여 해수가 침수되어 수장되는 일이 간혹 발생된다(Fig. 4). 이와 같은 사고 발생시 부이 상부에 설치된 위치추적장치와 통신장치의 훼손으로 부이의 현재위치를 파악할 수 없게 된다. 이는 부이의 분실을 야기시켜 부이에 부착된 장비와 함께 모든 자료가 손실되는 결과가 발생한다.
이와 같은 조업 방법에 따른 부이계류 실패를 예방하기위해 조업을 이해하고 대비하는 것이 필요하다. 우리는 다년간의 부이계류를 통해, 해양부이 계류에 영향을 미칠수 있는 조업방식은 크게 대형 선망을 이용한 선망어업(Fig. 5a), 그물을 끌면서 이동하는 저인망어업(Fig. 5b), 마지막으로 그물을 수직방향으로 길게 펼치며 이동하는 유자망 어업(Fig. 5c)으로 파악하였고, 좀 더 구체적인 어업 활동 영역과 조업어종에 대해 국립수산과학원에서 제공하는 해,어황정보를 참고하였다(http://www.nifs.go.kr-/dokdo/bbs?id =wforecast). 위의 정보를 활용하여 어업 방식에 따른 조업 위치와 조업 어종을 Table 2와 Fig. 6에 서술하였다. 이를 참고하여 지역과 기간에 따른 주요 어종과 조업방식 그리고 영역을 파악한 뒤 영향이 적은 계류 지점을 선정한다면 부이의 파손 및 유실을 감소시킬 수 있을 것이다.
Table 2.
Fishing species caught according to fishing methods, fishing period, and fishing area
추가적으로 광활한 해역에 안전한 계류를 위한 구체적인 계류정점과 시기를 결정하는데 있어 SUOMI NPP 위성의 Day/Night Band (DNB) 자료를 활용하는 것도 유용하다. DNB (0.5 um ~ 0.9 um) 밴드는 NPP, NPOESS Preparatory Project (SUOMI NPP) 위성의 5개 센서 중 Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) 센서에서 야간의 불빛을 관측하는 밴드로써 이러한 DNB 밴드에서 기록된 빛의 패턴은 광 공해(light pollution), 산불, 어선의 이동을 연구하는데 사용되며(조 등 2005; Oh et al. 2020), 이 중 Colorado School of Mines at the Earth Observation Group (EOG)에서 DNB 자료를 이용하여 일/월 별로 야간 선박 데이터(https://eogdata.mines.edu/vbd/)를 제공한다(Fig. 7). 이는 야간 어업활동량을 산정하여 계류 시기와 영역를 결정하는데 도움을 되리라 여겨진다.
계류부이 분실 시, 역학조사를 위해서는 사고 부이 주변 선박의 이동경로를 파악하는 것이 필수적이며, 이에 관하여 최근 선박에 탑재된 AIS 데이터를 활용하여 선박탐지, 항적 분석, 이상 선박 식별등의 선박 식별과 경로 탐지에 관한 연구가 지속적으로 진행되고 있어(오 등 2018; 황 등 2016) 도움이 되리라 사료된다. 특히 선박의 움직임과 현재 위치에 대한 실시간 정보를 제공하는 커뮤니티 기반 Marine Traffic 프로젝트(www.marinetraffic.com)는 140개국에서 AIS가 탑재된 18000개 이상의 모든 선박정보를 활용하여 각각의 이동경로를 추적할 수 있으며 선박 및 항만에 대한 상세한 정보가 기술되어 있어 이를 참고하면 계류 위치를 선정하는데 도움이 될 것이다. 그러나 현재 국내 AIS 설치 대상 선박은 150톤 이상의 여객선, 국제 항해 선박, 50톤 이상의 연해구역 항해 선박으로 대체로 대형선박에만 국한되어 있으며 연안에서 발생하는 계류 손실의 주원인인 소형선박에는 의무사항이 되어있지 않아 전체 선박 항적을 파악하기에는 한계가 있다. 따라서 소형선박에서도 필수적으로 AIS를 탑재할 수 있도록 제도적 개선이 필요하다고 판단된다.
3. 결론 및 토의
해양 관측 중 부이를 활용한 현장 정점관측은 높은 관측 신뢰도와 장기 관측이 가능하다는 장점으로 현재에도 널리 사용되고 있는 방식이다. 이에 따라 다양한 규모의 해양부이가 제작 및 활용되며 해양 관측에 큰 역할을 하고 있다.
해양관측 부이를 바다에 설치하기 위해서는 우선 규모에 따른 분류가 필요하며, 그에 요구되는 법적 절차를 준수하여 진행하여야 한다. 국내에서 요구되는 사항은 부이 몸체 기준 직경 1 m 이상일 때 설치 및 관리에 대한 기준이 있으므로 본문에 언급한 내용을 잘 숙지하여 진행한다면 신속하고 효율적인 계류가 가능하리라 여겨진다.
더불어 다년간의 경험을 기반으로 성공적인 부이 계류를 진행하기 위해 계류전 고려해야 할 사항들을 제안하였다.
일반적으로 해양부이 계류 시 발생하는 사고의 원인은 1)계류선과 샤클 등 재질의 부적합한 선택, 2)계류선 끝단 처리의 문제, 3)계류시 계류선의 뭉침, 4)부주의한 방수작업, 5)짧은 계류선문제로 침수 , 6)장력의 오계산으로 인한 내부 장비의 누수 등으로 발생하는 기술적 요인과 선박 항해 및 조업활동으로 발생하는 인위적 요인으로 나뉜다.
기술적 요인은 계류선의 수심, 하중, 부력, 기울기 등을 고려한 정확한 계류도 설계와 계류선 준비 시 부식에 강한 동종 재질 사용 및 접촉면의 화학적 풍화 방지 처리와 함께 완벽한 계류선 끝단 처리, 장비의 2중 수밀 처리를 통하여 사고율을 낮출 수 있다.
이에 반해 인위적 요인의 경우는 다양한 변수가 존재하며 정확한 선박 이동경로를 예측할 수 없기 때문에 직접적으로 부이 사고를 방지하기에는 어려움이 따른다. 하지만 상기 사고는 어민들의 조업활동에 의해 발생하는 것으로 계류부이 사고에 영향을 많이 미치는 선망어업, 저인망어업 그리고 유자망 어업에 대한 현황을 파악하고 국립수산과학원의 해,어황 정보와 위성 DNB자료를 기반으로 계류지역의 시기별 조업영역을 분석하여 계류 지점을 선정하는 것이 사고율을 낮출 수 있는 방안이다.
부이 계류 전의 고려사항을 검토하는 것뿐만 아니라 계류 후의 관리 또한 장기적인 계류에 있어 매우 중요한 부분이므로 다방면에서의 사후관리가 요구된다. 계류 후에 발생하는 사고를 대응하기 위해서는 지속적인 모니터링이 필요하며 이를 위해 위치정보를 실시간으로 전송해줄 수 있는 듀얼통신(CDMA, Iridium 등)장치를 설치하는 것을 권장한다.
더욱 안정적인 계류를 위해서는 주변 어촌계와 해양관련 유관기관의 협조가 필요하며 이를 위해 계류 실험 전 계류 부이의 정보 및 위치를 해양경찰청과 관할지역 해양수산청에 통보하고 관할어촌계의 어업위치와 해저 광케이블선 및 항로 그리고 해경 해상훈련 구역을 파악하여 선박에 의한 분실 사고를 줄일 수 있도록 해야 한다. 또한 계류 분실시 역학조사를 위하여 선박에 탑재된 AIS 자료를 활용할 수 있다. 그러나 AIS의 탑재는 소형선박에는 법적인 의무사항이 없기 때문에 이에 대한 법적 개선이 필요하다고 사료되며 향후 전체 선박의 의무사항으로 적용이 된다면 소형 선박에 의한 부이 사고율을 감소시켜줄 수 있을 것으로 기대된다.
