본 연구에서는 2종류의 피라미드형 패조류용 인공어초의 안정성 평가를 위해 Froude 상사법칙을 적용한 고정상 및 이동상 수리모형실험을 수행하였으며, 현장 설계외력(파랑, 흐름 등) 조건에 따라 이론적/실험적 검토를 하였다. 실험 결과는 파랑-흐름 공존장에서 어초의 안정성에 영향을 미치는 무차원 영향인자(설계파라메타)인 쇄파상사지수, 수립자속도, 파압 등을 사용하여 상호관련성을 검토하였다. 그 실험결과, 어초의 활동을 일으키는 한계조건은 고정상 실험에서는 쇄파상사지수에 따라서 무차원 최대수립자속도가 약 0.4 이상일 때, 이동상 실험에서는 무차원 파압에 따라서 상대수심이 약 0.11 이하일 때 나타났다. 또한 상대수심에 따른 수평 및 연직 파압은 상대수심이 증감함에 따라서 선형적으로 감소하는 경향을 나타내었다.
본 연구에서는 2종류의 피라미드형 패조류용 인공어초의 안정성 평가를 위해 Froude 상사법칙을 적용한 고정상 및 이동상 수리모형실험을 수행하였으며, 현장 설계외력(파랑, 흐름 등) 조건에 따라 이론적/실험적 검토를 하였다. 실험 결과는 파랑-흐름 공존장에서 어초의 안정성에 영향을 미치는 무차원 영향인자(설계파라메타)인 쇄파상사지수, 수립자속도, 파압 등을 사용하여 상호관련성을 검토하였다. 그 실험결과, 어초의 활동을 일으키는 한계조건은 고정상 실험에서는 쇄파상사지수에 따라서 무차원 최대수립자속도가 약 0.4 이상일 때, 이동상 실험에서는 무차원 파압에 따라서 상대수심이 약 0.11 이하일 때 나타났다. 또한 상대수심에 따른 수평 및 연직 파압은 상대수심이 증감함에 따라서 선형적으로 감소하는 경향을 나타내었다.
This study conducted hydraulic testing to assess the stability of two types of pyramid-shaped artificial reefs (ARs) constructed to promote the growth of shellfish and seaweed. Previous theoretical and hydraulic experimental studies have clearly demonstrated Froude similitude. The results of this st...
This study conducted hydraulic testing to assess the stability of two types of pyramid-shaped artificial reefs (ARs) constructed to promote the growth of shellfish and seaweed. Previous theoretical and hydraulic experimental studies have clearly demonstrated Froude similitude. The results of this study revealed that some dimensionless design parameters affected the stability of both types of artificial reefs under various wave and current field conditions (e.g., surf similarity parameters, water particle velocity, wave pressure). In the fixed bed condition, the dimensionless water particle velocity based on the surf similarity parameter was large (about 0.4), and in the moveable bed condition, the relative water depth based on the dimensionless wave pressure was low (about 0.11). In addition, horizontal wave pressure and uplift pressure varied by relative water depth, demonstrating the tendency for wave pressure to decrease linearly with increased relative depth. These findings indicate that the development of more stable design technology forartificial reefs should be based on long-term data and additional study of sliding due to wave action. The findings also highlight the importance of hydraulic experiments in solving problems that have emerged in the design and construction of artificial reefs.
This study conducted hydraulic testing to assess the stability of two types of pyramid-shaped artificial reefs (ARs) constructed to promote the growth of shellfish and seaweed. Previous theoretical and hydraulic experimental studies have clearly demonstrated Froude similitude. The results of this study revealed that some dimensionless design parameters affected the stability of both types of artificial reefs under various wave and current field conditions (e.g., surf similarity parameters, water particle velocity, wave pressure). In the fixed bed condition, the dimensionless water particle velocity based on the surf similarity parameter was large (about 0.4), and in the moveable bed condition, the relative water depth based on the dimensionless wave pressure was low (about 0.11). In addition, horizontal wave pressure and uplift pressure varied by relative water depth, demonstrating the tendency for wave pressure to decrease linearly with increased relative depth. These findings indicate that the development of more stable design technology forartificial reefs should be based on long-term data and additional study of sliding due to wave action. The findings also highlight the importance of hydraulic experiments in solving problems that have emerged in the design and construction of artificial reefs.
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문제 정의
본 연구에서는 해역 갯녹음 극복을 위한 패조류용 어초의 안정성 평가를 위해 Froude 상사법칙을 적용한 고정상 및 이동상 2차원 수리모형실험을 수행하였으며, 천해역 수심조건에서 설계외력(파랑, 흐름 등) 변화 조건에 따라 어초 활동, 전도 및 지반변형 특성 등 패조류용 어초의 안정조건이 되는 한계치를 이론적/실험적으로 평가하였다.
이에 본 연구는 해역 갯녹음 극복을 위한 패조류용 어초의 연안역 시설시 수심 변화, 해양외력(파랑, 흐름)의 영향에 대한 어초 거동 특성을 Froude 상사법칙을 적용한 고정상 및 이동상 2차원 수리모형실험을 통해 검토하고자 하였다. 실험방법은 고정상 및 이동상 수리모형실험으로서 2차원 흐름조파수조를 이용하여 천해역 수심조건 10 m, 15 m를 기준으로 파고, 주기, 흐름 등을 변화시켜 파랑·흐름 공존장에서의 어초 활동, 전도 및 해저면 변화 특성 등 패조류용 어초의 안정조건이 되는 한계치를 이론적/실험적으로 평가하고자 하였다.
입사파랑이 사면상에 도달하면 천수, 굴절 등에 의해 흐름이 생성되며, 어초 형상에 따라 축류, 와류 등이 발생된다. 이에 어초의 안정성에 미치는 영향인자로서 해저경사면상의 흐름을 계측하여 활동과 전도 특성을 파악하고자 하였다.
가설 설정
이때 파동장에서는 태풍이나 폭풍파의 지속시간을 3시간으로 가정하여 실험시간을 30분으로, 파랑·흐름 공존장에서도 동일한 실험시간을 적용하였다.
제안 방법
따라서 이들 입사파조건을 실험시 입력스펙트럼으로 각각의 파고와 주기를 변화시켜 조파기 입력함수로 사용하여 실험을 수행하였다. 또한 Figure 4(a)와 같이 조파수조의 길이방향으로 어초 전후 중앙선을 따라서 2 cm 간격으로 해저면 변동을 사면계를 이용하여 측정하였다. 아울러 Figure 4(b)와 같이 입사파랑에 대해서 어초의 대표길이 만큼 어초가 이동한 경우를 ‘활동’이라 정의하였으며, 초기 조파에 의한 미동, 수조벽면의 파랑의 간섭 및 진동 등에 의한 움직임은 고려하지 않았다.
Figure 3의 경우, 실험조건 가운데 대표적인 Case에 해당되는 파랑스펙트럼 해석결과를 나타낸 것으로, 입사파주기의 피크치와 실험치는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다[6]. 따라서 이들 입사파조건을 실험시 입력스펙트럼으로 각각의 파고와 주기를 변화시켜 조파기 입력함수로 사용하여 실험을 수행하였다. 또한 Figure 4(a)와 같이 조파수조의 길이방향으로 어초 전후 중앙선을 따라서 2 cm 간격으로 해저면 변동을 사면계를 이용하여 측정하였다.
또한 유속 변화는 흐름장에서의 유속, 파동장에서의 수립자속도 및 파랑·흐름 공존장에서의 합성유속을 기준으로 실험하였다.
실험방법은 고정상 및 이동상 수리모형실험으로서 2차원 흐름조파수조를 이용하여 천해역 수심조건 10 m, 15 m를 기준으로 파고, 주기, 흐름 등을 변화시켜 파랑·흐름 공존장에서의 어초 활동, 전도 및 해저면 변화 특성 등 패조류용 어초의 안정조건이 되는 한계치를 이론적/실험적으로 평가하고자 하였다.
불규칙 입사파랑 조건은 2차원 흐름조파수조의 조파특성을 고려하여 Table 1과 같이 설정하였다. 실험에서는 입사 파고, 주기 및 유속별 측정데이타를 취득하여 무차원량으로 안정성을 검토하였다. 또한 유속 변화는 흐름장에서의 유속, 파동장에서의 수립자속도 및 파랑·흐름 공존장에서의 합성유속을 기준으로 실험하였다.
어초 모형은 Figure 2와 같이 패조류형 어초 2종으로 그 크기는 수조 특성, 실험파 제원, 조파기 성능 등을 고려하여 Froude 법칙에 의거 실물의 1/40으로 제작하였다(모형 크기 및 무게의 측정오차는 2%이내). A형 어초의 경우, 실제 크기 5.
이는 어초 설치수심이 쇄파대에 위치하고, 파형경사(H/L)가 클수록 쇄파가 발생하는 경향이 있으므로, 쇄파에 의한 에너지 감쇄 등의 비선형성에 기인한 결과로 판단된다. 입사파장에 비해 구조물의 크기가 작은 착저식 인공어초에 작용하는 파력은 Figure 6과 같이 초소형 파압계를 이용하여 전술한 어초의 영향인자와 더불어 안정성을 검토하였다. 즉, 무차원 파압(P/(ωoH1/3 ))과 ξ 사이에는 선형적인 관계가 예상되므로, 다양한 실험조건하에서 최대 파압값을 계산하고, 이를 상대수심(h/L1/3)별로 어초의 안정성과 관련지어 검토하였다.
즉, 무차원 파압(P/(ωoH1/3 ))과 ξ 사이에는 선형적인 관계가 예상되므로, 다양한 실험조건하에서 최대 파압값을 계산하고, 이를 상대수심(h/L1/3)별로 어초의 안정성과 관련지어 검토하였다.
대상 데이터
본 연구의 대상 어초인 패조류용 어초는 우리나라 일반어초 중 반구형, 원통형 등 약 15종이며, 인공어초 적지 및 효과조사 요령에 의하면 패조류용 어초는 대상수심 15 m 이내를 원칙으로 한다[4]. 하지만 기 시설되는 패조류용 어초의 해역 저질 및 해양외력 특성에 적합 여부를 파랑·흐름 공존장에서 실험적/학술적으로 검토된 사례는 찾아 보기 힘든 실정이며 수행된 일부 연구 자체도 적지선정에 한정될 뿐 어초 자체의 안정조건 한계치 평가 연구로는 미흡한 실정이다[5].
수리모형실험에 사용된 실험장비는 2차원 흐름조파수조, 측정장치로는 용량식파고계(CH401, KENEK Co), 프로펠러형 유속계(VO-301DK, KENEK Co.), 사면계(WHT-100, KENEK Co.) 및 초소형파압계(P310-05, KENEK Co.) 등이다(Figure 1). 2차원 흐름조파수조는 길이 30 m, 폭 1.
수조의 해저면 경사는 천수효과를 고려하여 1/40으로 제작·설치하였으며, 고정상 실험에서는 마찰계수를 고려하여 콘크리트 바닥재를[8], 이동상 실험에서는 중앙입경(d50) 0.2 mm의 가는 모래를 이용하였다.
성능/효과
1) 실험결과로서 고정상 실험결과의 경우, 무차원 최대수립자속도와 Surf similarity parameter를 이용하여 어초의 활동 범위(무차원 최대수립자속도 약 0.4이상)를 나타낼 수 있었으며, 어초에 작용하는 파압의 분포를 상대수심별로 각각 나타내어 활동의 범위(상대수심 약 0.11이하)를 판단할 수 있었다. 그러나 추후 쇄파와 같은 비선형성을 고려하여 다양하게 접근할 필요성이 있을 것으로 생각된다.
2) 이동상 실험결과의 경우, 패조류용 어초는 활동과 침하 등 어초전면에 세굴이 발생하면서 기울어지는 현상이 발생하였다. 따라서 사질대에 어초를 시설할 경우에는 어초의 세굴, 침하 발생에 대한 보완대책으로서 지면과 접하는 어초 부재면 또는 4각 보다는 삼각형상의 다리형상 구조를 가지는 어초에 대한 검토가 요구된다고 할 것이다.
Figure 11은 이상의 결과중에서 대표적인 흐름장(CASE-B1), 파동장(CASE-B3), 파랑·흐름 공존장(CASE-B5)인 경우에 대해서 사면계를 이용하여 얻어진 해저면 변화 결과를 나타낸 것으로 어초의 전면은 실험조건에 따라 세굴 및 퇴적 패턴이 달라졌으나, 어초의 배후면은 전형적인 퇴적 패턴이 두드러졌다. 결과적으로 이동상 실험결과, 패조류용 어초는 활동과 침하 등 어초전면에 세굴이 발생하면서 기울어지는 현상이 발생하였다. 따라서 사질대에 어초를 시설할 경우에는 어초의 세굴, 침하 발생에 대한 보완대책으로서 지면과 접하는 어초 부재면 또는 4각 보다는 삼각형상의 다리형상 구조를 가지는 어초에 대한 검토가 요구된다고 할 것이다.
후속연구
3) 본 연구에서 검토 결과로서 어초의 이론적인 안전율과 실험적인 결과는 다소 차이가 발생하고 있음을 알 수 있는데, 이는 실험 어초의 형상과 항력계수, 관성력계수 및 어초의 배치에 따른 것으로 판단되며, 어초의 형상에 따른 양력이 고려되지 못한 결과로 생각되는데 향후 이에 대한 검토가 요구된다고 할 수 있다.
결론적으로 본 연구에서 획득된 연구결과는 향후 새로 개발되는 패조류용 어초의 설계외력에 대한 안정조건을 수립하기 위한 기초자료로서 활용될 수 있을 것으로 생각된다. 특히 인공어초를 해역에 시설하기에 앞서, 본 연구와 같이 이론적인 검토뿐만 아니라, 실험적인 검토를 통한 어초의 안정성 확보가 요구된다고 할 수 있다.
결과적으로 이동상 실험결과, 패조류용 어초는 활동과 침하 등 어초전면에 세굴이 발생하면서 기울어지는 현상이 발생하였다. 따라서 사질대에 어초를 시설할 경우에는 어초의 세굴, 침하 발생에 대한 보완대책으로서 지면과 접하는 어초 부재면 또는 4각 보다는 삼각형상의 다리형상 구조를 가지는 어초에 대한 검토가 요구된다고 할 것이다.
51 sec, 수심 10 m 및 U=2 m/sec 일 때, A형 어초의 경우 실험시간 1분 경과시 관측범위를 벗어났으며, B형 어초의 경우 실험 30분경과 후에도 활동은 발생하지 않았다. 또한 CASE-A1과 동일한 파랑장에 설계유속 U=2 m/sec에 상당하는 흐름을 주었을 때, 활동과 전도는 발생하지 않았는데, 이는 전술한 Morison식에 의한 안전율과 수리실험결과와는 다소 차이가 있는 것으로 향후 어초의 형상 및 영향인자 적용성의 재검토가 요구된다고 할 것이다.
어초의 활동/전도에 대해 수심별로 각각 안정한 값을 나타내고 있으나, 어초의 형상계수(∇) 등 각 계수 값들의 정의에 대해 추후 검토 연구가 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
갯녹음 현상의 대처방안은 무엇인가?
이와 같이 우리나라 연안의 수온상승, 조식동물의 섭식압, 연안개발에 따른 오염현상 등 복합적인 원인에 의해 연안 갯녹음 현상이 급속히 진행되고 있으며, 향후 연안 생태계 파괴, 수산자원 감소, 해조류의 종조성과 현존량 감소 등의 발생 가능성이 높다[3]. 일반적으로 갯녹음 해역의 대처방안으로는 해역 정화능력 이상의 오염원 유입을 차단하고, 인공어초를 설치하여 인위적인 해양생물 서식공간을 조성하기 위한 해조류 이식과 같은 인공적인 복원의 노력이 요구되고 있으며, 이 경우에 주로 시설되는 인공어초는 패조류용 또는 해중림 어초이다.
파랑-흐름 공존장에서 어초의 안정성에 영향을 미치는 무차원 영향인자에는 무엇이 있는가?
본 연구에서는 2종류의 피라미드형 패조류용 인공어초의 안정성 평가를 위해 Froude 상사법칙을 적용한 고정상 및 이동상 수리모형실험을 수행하였으며, 현장 설계외력(파랑, 흐름 등) 조건에 따라 이론적/실험적 검토를 하였다. 실험 결과는 파랑-흐름 공존장에서 어초의 안정성에 영향을 미치는 무차원 영향인자(설계파라메타)인 쇄파상사지수, 수립자속도, 파압 등을 사용하여 상호관련성을 검토하였다. 그 실험결과, 어초의 활동을 일으키는 한계조건은 고정상 실험에서는 쇄파상사지수에 따라서 무차원 최대수립자속도가 약 0.
연안 갯녹음 현상의 원인은?
이와 같이 우리나라 연안의 수온상승, 조식동물의 섭식압, 연안개발에 따른 오염현상 등 복합적인 원인에 의해 연안 갯녹음 현상이 급속히 진행되고 있으며, 향후 연안 생태계 파괴, 수산자원 감소, 해조류의 종조성과 현존량 감소 등의 발생 가능성이 높다[3]. 일반적으로 갯녹음 해역의 대처방안으로는 해역 정화능력 이상의 오염원 유입을 차단하고, 인공어초를 설치하여 인위적인 해양생물 서식공간을 조성하기 위한 해조류 이식과 같은 인공적인 복원의 노력이 요구되고 있으며, 이 경우에 주로 시설되는 인공어초는 패조류용 또는 해중림 어초이다.
참고문헌 (9)
김미경, 신재기, 차재훈, "하계 독도 연안 해조류의 종조성 변동과 갯녹음 현상", 한국조류학회지, 제19권, 제1호, pp. 69-78, 2004.
한국해양연구원, 전해역 심해설계파 추정보고서, pp. 302, 2005.
최창근, 곽석남, 손철현, "동해안 울진 연안 조하대 저서 해조류의 군집구조", 한국조류학회지, 제21권, 제4호, pp. 463-470, 2006.
Goda, Y. and Suzuki, Y., "Estimation of incident and reflected waves in random wave experiments", Proc. 15th Conf., Coastal Eng., Honolulu, pp. 828-845, 1976.
Goda, Y., Random sea and design of marine structures, University of Tokyo Press, pp. 323, 1985.
류청로, 김현주,"착저식 인공어초에 작용하는 파력특성에 관한 연구", 한국수산학회지, 제27 권, 제5호, pp. 605-612, 1994.
Battjets. J.A.,"Surf similarity", Proc. 14th Conf. on Coastal Eng., ASCE, pp. 466-480, 1974.
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