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문제 정의
- 본 연구에서는 수치해석 및 수리모형실험을 통하여 자연형 어도의 수리특성을 분석하였고, 유량점증 방법론(Instream Flow Incremental Methodology, IFIM)의 2차원 물리서식처 모의 모형인 River2D를 적용하여 백제보 자연형 어도의 어류서식처를 평가하고자 한다. 또한, 공간상의 어류물리서식처인 가중가용면적(WUA)을 향상시키기 위한 방법을 모색하기 위하여 백제보 자연형 어도내 소의 횡단 폭을 인위적으로 변형시켜 최적의 가중가용면적(WUA) 향상 방법을 제시하고자 한다. 본 연구에서 수행한 연구방법을 정리하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 금강유역에 시행되고 있는 금강살리기 백제보 건설사업중 백제보 우측에 설치중인 자연형 어도에 대하여 수리모형실험 및 수치해석을 통해 자연형 어도의 수리특성을 분석하였으며, 백제보 설치구간 내 분포하는 우점종인 피라미에 대하여 자연형 어도의 평수시 흐름에 대한 가중가용면적을 산정하여 어류서식처를 평가하였다. 가중가용면적의 향상을 위해 자연형 어도의 소를 인위적으로 변화시켜 어류서식처가 향상되는 조건을 검토하고, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서는 수치해석 및 수리모형실험을 통하여 자연형 어도의 수리특성을 분석하였고, 유량점증 방법론(Instream Flow Incremental Methodology, IFIM)의 2차원 물리서식처 모의 모형인 River2D를 적용하여 백제보 자연형 어도의 어류서식처를 평가하고자 한다. 또한, 공간상의 어류물리서식처인 가중가용면적(WUA)을 향상시키기 위한 방법을 모색하기 위하여 백제보 자연형 어도내 소의 횡단 폭을 인위적으로 변형시켜 최적의 가중가용면적(WUA) 향상 방법을 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 자연형 어도의 수심과 유속모의를 위해 River2D 모형에 자연형 어도의 상·하류 경계조건을 바탕으로 수심과 유속에 대해 산정하였다.
제안 방법
- 1) 수리모형실험은 축척 1/60의 정상모형으로 자연형 어도를 제작하였고, 백제보의 관리수위 4.2El.m 일 때 자연형 어도의 유입유량 1.3 m3/s를 적용하여 자연형 어도의 수리특성을 분석하였다.
- 2) 2차원 수치모형(River2D)을 활용하여 자연형 어도의 유입유량 흐름에 대한 수심 및 유속을 계산하고, 이를 통하여 수리모형실험으로 측정한 수심과 비교하였다.
- 3) 검정된 수치모형을 활용하여 금강유역의 우점종인 피라미 성어기(Adult)와 산란기(Spawning) 등 두 개의 성장단계별 가중가용면적을 산정하고 자연형 어도의 어류서식처를 평가하였다.
- 4) 공간상 어류서식처인 가중가용면적의 변화를 검토하기 위하여 자연형 어도의 소 횡단폭을 인위적으로 변화시키면서 성어기와 산란기 두 개의 성장단계별 가중가용면적을 비교·분석하였다.
- River2D 모형을 이용하여 자연형 어도의 상·하류 경계조건을 입력조건으로 하여 수심과 유속에 대해 분석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 금강유역에 시행되고 있는 금강살리기 백제보 건설사업중 백제보 우측에 설치중인 자연형 어도에 대하여 수리모형실험 및 수치해석을 통해 자연형 어도의 수리특성을 분석하였으며, 백제보 설치구간 내 분포하는 우점종인 피라미에 대하여 자연형 어도의 평수시 흐름에 대한 가중가용면적을 산정하여 어류서식처를 평가하였다. 가중가용면적의 향상을 위해 자연형 어도의 소를 인위적으로 변화시켜 어류서식처가 향상되는 조건을 검토하고, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 수치해석모형을 적용하기 위해서는 먼저 대상구간을 모형화 하여야 한다. 따라서 백제보 건설지점의 수치지도를 이용하여 절점과 요소로 구성된 지형파일을 구축하였고, River2D_Bed에서 구축된 지형파일을 바탕으로 유한요소망을 구축하였다. 절점은 총 349개, 요소는 총 586개로 구성되었으며, 구축된 유한요소망은 Fig.
- 그러나 실제 어류의 개체 수만큼 채집이 안 되고, 조사 횟수의 부족 등 여러 가지 제약에 의해 부득이 한 경우 동일어종에 대해 다른 유역에서의 작성된 서식처 적합도 지수의 이용이 가능하다(USGS, 2001). 따라서 본 연구에서는 과거 낙동강유역조사(건설교통부, 한국수자원공사, 2004)시 작성된 피라미의 성어기와 산란기의 서식처 적합도 곡선을 적용하였으며, 본 적합도 곡선은 금강유역에(오국열 등, 2008; 오국열, 2009) 적용되어져 피라미의 물리서식처가 분석되어진 바 있다. 피라미의 서식처 적합도 곡선을 통해 유속, 수심, 하상재료의 적합도 지수를 Figs.
- 14에 제시하였다. 또한, 인위적 변화에 따른 변화 시나리오는 총 5개의 Case로 Table 9에 제시하였으며, 소 A와 B의 횡단 폭을 각각 1 m씩 최대 5 m까지 증가시킨 후 가중가용면적을 산정하여 자연형 어도의 어류서식처가 향상되는 조건을 검토하였다.
- 먼저 실제 하천의 횡단면형과 하도 설계계획 자료를 근거로 1/60 축척에 대한 하천단면을 재현하였다. 재현된 하도 단면에 대해서는 단면 검측을 수행하였으며, 하류단에는 수위 조절용 수문을 설치하여 수위를 조절할 수 있도록 하였다.
- 자연형 어도를 통과하는 흐름을 지배하는 힘은 중력과 관성력이므로, 본 실험에서는 원형과 모형의 Froude 수를 같게 하는 Froude 상사법칙을 적용하여 실험을 수행하였다. 모형의 설계는 수리모형실험의 목적 및 대상 영역의 수리적 특성, 실험조건 및 경제적 여건 등을 고려하여 모형의 축척을 결정하였으며, 모형제작에 착수하기 전에 모형 제작 및 수리모형실험에 필요한 각각의 요소들을 구성하여 원형의 재현이 올바르게 이루어질 수 있도록 하였다. 실험 조건에 따른 유량 공급 계획을 수립하여 필요한 유량의 공급이 이루어 질 수 있도록 설계하였으며, 각 하도 단면을 검토하여 모형 제작 및 수리모형실험 수행에 있어 발생할 수 있는 오차를 최소화 할 수 있도록 설계하였다.
- 백제보의 평수시 관리수위 4.2 El.m일 때 자연형 어도 내 흐름특성을 분석하기 위하여 2차원 수리모형인 River 2D를 적용하고, 수리모형실험을 통해 산정한 지점과 동일한 지점에 대하여 수심결과를 비교하는 방법으로 모형을 검정하였다.
- 복합서식처 적합도 지수(Ci)는 유속에 대한 서식처 적합도 지수(vi), 수심에 대한 서식처 적합도 지수(di), 하상 지수에 대한 서식처 적합도 지수(si)의 적합도 기준을 조합하여 산정하게 되는데 산정방법에는 곱셈방법, 기하평균 방법, 최소치 방법 등이 있으며, 본 연구에서는 모든 변수의 적합도 지수가 최적상태인 지수 1.0의 경우에만 존재하는 것을 의미하는 곱셈방법을 적용하여 복합 서식처 적합도 지수를 선정하였고, 곱셈방법의 수식은 다음 Eq. (6)과 같다.
- 수리모형실험에 이용되는 물은 순환방식으로 사용되고, 저수조→양수펌프→고수조→유량측정장치→모형→귀환수로→저수조의 순서로 물이 순환되도록 설계하였다.
- 수리모형실험에서는 모형의 설계 및 제작과정에서 발생할 수 있는 오차를 최소화 할 수 있도록 모형을 설계하였고, 자연형 어도의 평면도는 Fig. 2와 같다.
-
3.2 자연형 어도구간에서의 수리모형실험 수행
수리모형실험을 통하여 자연형 어도의 수심을 측정하기 위하여 백제보의 평수시 관리수위 4.2 El.m일 때 자연형 어도로 유입되는 유입유량 1.3 m3/s를 적용하여 모형 실험을 수행하였다. 자연형 어도의 수심 및 유속 측정 지점은 총 6개 지점으로 Fig.
- 수리모형실험을 통하여 측정한 수심과 2차원 수치모형(River2D)으로 모의한 수심을 비교하였다. 자연형 어도의 수심 비교는 측점 6개에 대하여 수행하였으며, 비교 결과 최소 0.
- 모형의 설계는 수리모형실험의 목적 및 대상 영역의 수리적 특성, 실험조건 및 경제적 여건 등을 고려하여 모형의 축척을 결정하였으며, 모형제작에 착수하기 전에 모형 제작 및 수리모형실험에 필요한 각각의 요소들을 구성하여 원형의 재현이 올바르게 이루어질 수 있도록 하였다. 실험 조건에 따른 유량 공급 계획을 수립하여 필요한 유량의 공급이 이루어 질 수 있도록 설계하였으며, 각 하도 단면을 검토하여 모형 제작 및 수리모형실험 수행에 있어 발생할 수 있는 오차를 최소화 할 수 있도록 설계하였다. 이와 같은 모형 설계를 바탕으로 본 실험에서는 길이 축척을 1/60로 설정하였고, Froude 상사법칙에 의해 결정된 축척은 Table 3과 같다.
- 실험 조건에 따른 유량 공급 계획을 수립하여 필요한 유량의 공급이 이루어 질 수 있도록 설계하였으며, 각 하도 단면을 검토하여 모형 제작 및 수리모형실험 수행에 있어 발생할 수 있는 오차를 최소화 할 수 있도록 설계하였다. 이와 같은 모형 설계를 바탕으로 본 실험에서는 길이 축척을 1/60로 설정하였고, Froude 상사법칙에 의해 결정된 축척은 Table 3과 같다.
- 자연형 어도의 상·하류 경계조건은 백제보에 평수시 관리수위 4.2 El.m 일 때 자연형 어도로 유입되는 유량 1.3 m3/s를 상류단 경계조건으로 설정하였고, 그때의 하류단 수위 1.5 El.m를 하류단 경계조건으로 설정하였다.
- 먼저 실제 하천의 횡단면형과 하도 설계계획 자료를 근거로 1/60 축척에 대한 하천단면을 재현하였다. 재현된 하도 단면에 대해서는 단면 검측을 수행하였으며, 하류단에는 수위 조절용 수문을 설치하여 수위를 조절할 수 있도록 하였다. 수리모형실험에 이용되는 물은 순환방식으로 사용되고, 저수조→양수펌프→고수조→유량측정장치→모형→귀환수로→저수조의 순서로 물이 순환되도록 설계하였다.
이론/모형
- 대상어종 선정을 위하여 최근 현장에서 조사한 결과를 사용하는 것이 바람직하므로, 최근에 조사된 결과인 금강수계 하천기본계획(국토해양부, 대전지방국토관리청, 2009)을 참고하였으며, Table 5에 제시한 바와 같다. 조사결과 출현 어종은 피라미, 밀어, 납지리, 붕어, 모래무지 순으로 나타났으며, 이 중에서 최다수가 출현한 우점종인 피라미를 대표어종으로 선정하였다.
- 자연형 어도를 통과하는 흐름을 지배하는 힘은 중력과 관성력이므로, 본 실험에서는 원형과 모형의 Froude 수를 같게 하는 Froude 상사법칙을 적용하여 실험을 수행하였다. 모형의 설계는 수리모형실험의 목적 및 대상 영역의 수리적 특성, 실험조건 및 경제적 여건 등을 고려하여 모형의 축척을 결정하였으며, 모형제작에 착수하기 전에 모형 제작 및 수리모형실험에 필요한 각각의 요소들을 구성하여 원형의 재현이 올바르게 이루어질 수 있도록 하였다.
성능/효과
- 가중가용면적의 주된 분포는 어류 휴식공간으로 조성된 소에 집중되어 분포하였으며, 소의 횡단 폭 증가량이 +0 m일 때 성어기의 WUA는 195.39 m2, 소의 횡단폭 증가량이 +1 m일 때, 산란기의 WUA는 352.33 m2으로 가장 큰 가중가용면적이 산정되었다.
- 금강 백제보 평수시 관리수위 4.2 El.m를 유지하며 어도로의 유입유량(1.3 m3/s) 유입시 자연형 어도의 유수흐름은 원활하게 소통되는 것으로 나타났다. Fig.
- 넷째, 피라미의 성장단계별 WUA의 향상조건의 검토를 위하여 자연형 어도의 소 횡단폭을 인위적으로 변화시켜 WUA를 산정한 결과 성어기의 경우 소에 인위적인 변화가 없을 때 195.39 m2, 산란기의 경우 소의 횡단 폭이 1 m 증가하였을 때 352.33 m2로 가장 큰 WUA가 산정되었다.
- 둘째, 수리모형실험을 통해 측정한 수심과 수치모형을 통한 모의수심의 비교를 통해 자연형 어도의 수리특성을 분석하였으며, 비교 결과, 최소 0.05∼최대 0.15 m의 차이로 모의 수심값이 측정수심을 비교적 근접하게 모의하는 것으로 나타났다.
- 모형실험을 통해 수심을 측정한 결과 0.36∼1.08 m로 나타났으며, 이 결과에 하상고를 더하여 수위로 환산하면 1.52∼4.26 El.m의 범위로 나타났다.
- 백제보 평수시(관리수위 El. 4.2 m) 자연형 어도에 유입되는 유량 1.3 m3/s를 소의 횡단 폭을 인위적으로 변화시킨 자연형 어도에 적용하여 대표어종 피라미의 성어기와 산란기 두 개의 성장단계별 가중가용면적 산정결과 성어기의 WUA는 소의 크기변화가 없을 때 가장 큰 WUA가 산정되었으며, 소의 크기가 증가할수록 감소하는 추세로 나타났다. 이는 소의 크기가 증가하면서 피라미의 성어기 시의 적정수심 및 유속을 확보하지 못하는 것으로 판단된다.
- 이는 소의 크기가 증가하면서 피라미의 성어기 시의 적정수심 및 유속을 확보하지 못하는 것으로 판단된다. 산란기의 WUA는 소의 횡단 폭이 1 m 증가하였을 때에 352.33 m2로 가장 큰 WUA가 산정되었으며, 전체면적 증가에 따른 WUA의 상대적 증가량도 가장 크게 산정되었다. 하지만 횡단 폭이 점차 증가할수록 감소하는 경향을 보였다.
- 15에 제시하였다. 성어기의 WUA의 경우 소의 횡단 폭이 증가할수록 감소하는 경향을 보이며, 산란기의 WUA의 경우 소의 횡단 폭이 1m 증가하였을 때 최고치를 보이며, 소의 횡단 폭이 증가할수록 점차 WUA가 감소하는 것으로 나타났다.
- 셋째, 백제보 설치구간 내에 분포하는 어종 중 최우점종인 피라미를 선정하여 물리서식처 및 활동영역을 의미하는 가중가용면적을 성어기와 산란기 두 개의 성장단계별로 산정한 결과 성어기의 WUA는 195.39 m2, 산란기의 WUA는 334.47 m2로 산정되었다.
- 수치해석을 통하여 산정된 자연형 어도의 수심 분포는 최소 0.31∼최대 1.14 m의 범위로 산정되었으며, 어도 유입부에서 유출부까지 자연형 어도의 수위는 1.54∼4.21 El.m의 범위로 나타났다.
- 최근에 금강유역의 어류상 조사결과(국토해양부, 대전지방국토관리청, 2009) 총 6과 22종으로 조사되었으며, 백제보 설치 지역의 어류 조사결과 피라미가 우점종으로 나타났으며, 우세종으로 밀어, 납지리, 붕어순으로 나타났다(Table 5). 자연형 어도의 수심 분포는 백제보 설치구간 내에 분포하는 주요 어종 서식처 수리조건 범위에 포함되며, 자연형 어도는 설치구간 내 분포하는 주요 어종들이 서식하거나 활동 가능한 적정수심이 형성되는 것으로 나타났다.
- 자연형 어도의 수심 비교는 측점 6개에 대하여 수행하였으며, 비교 결과 최소 0.05∼최대 0.15 m 차이를 보였으며, 측정된 모형 수심과 모의된 수심이 비교적 근사하게 나타나 수치해석 결과 백제보 우측에 설치되는 자연형 어도를 적절하게 모의한 것으로 나타났다.
- 대상어종 선정을 위하여 최근 현장에서 조사한 결과를 사용하는 것이 바람직하므로, 최근에 조사된 결과인 금강수계 하천기본계획(국토해양부, 대전지방국토관리청, 2009)을 참고하였으며, Table 5에 제시한 바와 같다. 조사결과 출현 어종은 피라미, 밀어, 납지리, 붕어, 모래무지 순으로 나타났으며, 이 중에서 최다수가 출현한 우점종인 피라미를 대표어종으로 선정하였다.
- 첫째, 축적 1/60의 수리모형실험을 통해 평수량에 대한 수심을 분석한 결과, 백제보 설치구간 내 분포하는 어종의 서식처 수리조건 범위 안에 포함되며, 이는 자연형 어도 내의 흐름이 주요 어종의 서식 및 활동에 적합한 적정 수심을 형성하는 것으로 판단된다.
- 최근에 금강유역의 어류상 조사결과(국토해양부, 대전지방국토관리청, 2009) 총 6과 22종으로 조사되었으며, 백제보 설치 지역의 어류 조사결과 피라미가 우점종으로 나타났으며, 우세종으로 밀어, 납지리, 붕어순으로 나타났다(Table 5). 자연형 어도의 수심 분포는 백제보 설치구간 내에 분포하는 주요 어종 서식처 수리조건 범위에 포함되며, 자연형 어도는 설치구간 내 분포하는 주요 어종들이 서식하거나 활동 가능한 적정수심이 형성되는 것으로 나타났다.
- 피라미의 서식 및 활동영역으로 조성된 소의 S-2 일부구간을 제외하고 하중도 주변으로 피라미에 적합한 가중 가용면적(WUA)이 확보되는 것으로 나타났다. 이는 피라미의 서식 및 활동에 지장이 없을 것으로 판단되며, 가중 가용면적(WUA)의 분포는 Fig.
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