인공하도식 어도에서 2차원 물리서식처 모형을 이용한 어류 유입 효율 평가 -피라미를 대상으로- Assessment of Influx Efficiency at By-Pass Fishway Using Two-Dimensional Physical Habitat Simulation Model -Focused on Zacco Platypus-원문보기
본 연구에서는 낙동강 본류의 강정고령보에 설치된 인공하도식 어도의 효율성을 2차원 물리서식처 모형인 River2D를 이용하여 평가해 보았다. 강정고령보 상하류단의 실측 수위를 이용하여 모형을 보정 및 검정하였다. 모의조건은 2012년 풍수량, 평수량, 저수량을 기준으로 어도 입구 및 어도 내부의 흐름장을 분석하였다. 특히 본 연구의 목표종인 피라미가 산란기인 봄철에 주로 이동을 하므로, 저수기를 기준으로 어도가 기능을 잘 유지하는지 살펴보았다. 분석결과, 풍수 및 평수기에는 본류 수위가 높아 어도로의 피라미 유입 효율성이 떨어져 보였다. 반면 저수기에는 본류의 낮은 수위로 인해 어도 입구에 상대적으로 적절한 유속이 발생하여 유입효율과 이동효율이 높아질 것으로 평가되었다. 어도 내 흐름은 어류가 소상하기에 무리가 없는 유속장이 발생하는 것으로 파악되었다.
본 연구에서는 낙동강 본류의 강정고령보에 설치된 인공하도식 어도의 효율성을 2차원 물리서식처 모형인 River2D를 이용하여 평가해 보았다. 강정고령보 상하류단의 실측 수위를 이용하여 모형을 보정 및 검정하였다. 모의조건은 2012년 풍수량, 평수량, 저수량을 기준으로 어도 입구 및 어도 내부의 흐름장을 분석하였다. 특히 본 연구의 목표종인 피라미가 산란기인 봄철에 주로 이동을 하므로, 저수기를 기준으로 어도가 기능을 잘 유지하는지 살펴보았다. 분석결과, 풍수 및 평수기에는 본류 수위가 높아 어도로의 피라미 유입 효율성이 떨어져 보였다. 반면 저수기에는 본류의 낮은 수위로 인해 어도 입구에 상대적으로 적절한 유속이 발생하여 유입효율과 이동효율이 높아질 것으로 평가되었다. 어도 내 흐름은 어류가 소상하기에 무리가 없는 유속장이 발생하는 것으로 파악되었다.
In this study, the efficiency of the by-pass fishway installed at Kangjung-Goryong Weir in Nakdong River was assessed by using River2D which is a two-dimensional physical habitat simulation model. The model was calibrated and validated through the measured water elevation. The assessment was perform...
In this study, the efficiency of the by-pass fishway installed at Kangjung-Goryong Weir in Nakdong River was assessed by using River2D which is a two-dimensional physical habitat simulation model. The model was calibrated and validated through the measured water elevation. The assessment was performed according to flow condition such as flood, normal, and low flow. Especially the low flow condition was focused on because the target fish, Zacco Platypus, have moved frequently up and downstream at the spawning season from April to June. From simulation results, it can be deduced that the influx efficiency and the passage efficiency of the fishway in the low flow is higher than that in the flood and normal flow due to occurrence of proper velocity at fishway entrance.
In this study, the efficiency of the by-pass fishway installed at Kangjung-Goryong Weir in Nakdong River was assessed by using River2D which is a two-dimensional physical habitat simulation model. The model was calibrated and validated through the measured water elevation. The assessment was performed according to flow condition such as flood, normal, and low flow. Especially the low flow condition was focused on because the target fish, Zacco Platypus, have moved frequently up and downstream at the spawning season from April to June. From simulation results, it can be deduced that the influx efficiency and the passage efficiency of the fishway in the low flow is higher than that in the flood and normal flow due to occurrence of proper velocity at fishway entrance.
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문제 정의
본 연구에서는 2차원 물리서식처 모형을 이용한 수치해석을 통하여 강정고령보의 좌안에 설치된 인공하도식 어도의 유입 효율을 분석하였다. 일반적으로 River2D는 하천의 지형자료와 유속장을 기반으로 어류의 서식 적합도를 평가하는데 사용되는 모형이다.
본 연구에서는 대상어종을 선정하기 위하여 낙동강에서 기 수행된 어류 모니터링 결과를 분석하였다. Choi et al.
본 연구에서는 현재 낙동강에 설치된 다기능보 중에서 강정고령보의 인공하도식 어도에 대하여 2차원 물리서식처 모의 모형인 River2D를 이용하여 인공하도식 어도의 유입부의 수리학적 영향을 분석을 하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
55m이다. 성주수위표는 경상북도 성주군 선남면 선원리 (신)성주대교에 위치하여 강정고령보와 성주수 위표 간에 사이의 거리가 10.02 km로서 본 연구에서 인공하도식 어도의 접근 유속모의의 상류경계 조건으로 활용하기에 부적절 하였다. 그래서 HEC-RAS를 이용하여 부정류 모의를 수행한 다음 성주수위표로 검보정을 한 후에 모의 결과를 임의 단면에서의 경계조건으로 사용하였다.
제안 방법
2) 2차원 모형의 검보정을 위해 강정고령보의 상 하류 실측 수위를 활용하였으며 2012년도 9월(풍수기 기준)으로 14일간을 보정기간으로, 12일간을 검증기간으로 선정하여 실시하였다. 실측값과 관측값을 비교 한결과, 보정 시 R2는0.
4) 인공하도식 어도의 유입 적합도 분석에서는 낙동강에 분포하는 어종 중 우점종인 피라미를 선정하였다. 피라미를 대상으로 적합도 곡선과 유영속도를 비교한 결과 피라미의 산란기인 저수기 때의 유입부유속이 강정고령보 하류 낙동강 본류의 유속보다 높은 0.
Fig. 6은 강정고령보 상류에 위치한 왜관 수위표와 성주 수위표를 나타낸 것으로 왜관 수위표 자료를 HECRAS 부정류 모의의 상류 경계조건으로 이용하였고, 성주 수위표의 실측수위를 이용하여 검보정을 실시하였다. 모의 기간은 2012년 일별 수위 관측자료를 활용하였으며, 모형의 정확성 평가하기 위해 결정계수(R2), 절대평균오차(AME), 평균제곱근오차(RMSE) 등의 오차분석 지표를 사용하였다(Table 3).
River2D 모형을 이용하여 강정고령보의 상 하류 경계 조건을 입력조건으로 하여 수심과 유속에 대해 분석을 실시하였다. Table 4는 강정고령보의 상 하류 경계조건을 나타낸 것으로 풍수기, 평수기, 저수기의 3가지 조건으로 모의를 수행하였다.
강정고령보가 위치한 유역의 유황특성은 강정고령보상 하류에 인접한 성주수위표와 화원수위표의 WAMIS 실측 수위 자료와 수위-유량관계곡선식을 이용하여 유량을 산정하여 분석하였다(MLTM, 2010). 성주수위표의 경우 강정고령보 기준 상류 10.
검보정이 완료된 2차원 수치모형을 이용하여 강정고령보와 인공하도식 어도의 유입부의 유량조건별 수리해석을 실시하였다. 모의시 유황은 풍수량, 평수량, 저수량 세 가지로 나누어 분석하였다.
02 km로서 본 연구에서 인공하도식 어도의 접근 유속모의의 상류경계 조건으로 활용하기에 부적절 하였다. 그래서 HEC-RAS를 이용하여 부정류 모의를 수행한 다음 성주수위표로 검보정을 한 후에 모의 결과를 임의 단면에서의 경계조건으로 사용하였다.
5m)를 유지하고, 우기에 가동보를 운영한다고 되어 있다(MLTM, 2009). 따라서 본 연구에서는 풍수량의 경우 가동보 수문을 개방하여 흐름을 모의하였으며, 평 저수량의 경우 수문을 닫고 모의를 수행하였다. 그 결과, Fig.
검보정이 완료된 2차원 수치모형을 이용하여 강정고령보와 인공하도식 어도의 유입부의 유량조건별 수리해석을 실시하였다. 모의시 유황은 풍수량, 평수량, 저수량 세 가지로 나누어 분석하였다. 강정고령보의 운영계획을 살펴보면 평상시에는 가동보의 수문이 닫혀 있고 고정보로만 물이 월류하면서 관리수위(EL.
보정은 강정고령보 상류수위 표를 이용하였으며, 검증은 강정고령보 하류수위표를 이용하였다. 모형의 보정 기간은 2012년도 9월(풍수기 기준) 으로 14일간을 보정기간으로, 12일간을 검증기간으로 선정하여실시하였다. Fig.
0의 경우에만 존재하다는 것을 의미한다. 본 연구에서는 곱셈방법을 적용하여 복합 서식처 적합도 지수를 선정하였고, 곱셈방법의 수식은 다음 Eq. (8)과 같다.
순항속도는 어류의 장거리 이동시, 유지속도는 장애물이나 구조물이 설치된 경우 유지 가능한 속도, 그리고 돌진속도는 적으로부터 급히 피하거나 먹이에 대한 반응 시 나타나는 속도이다. 본 연구에서는 인공하도식 어도의 입구부의 유속과 어류의 3가지 유영속도 중 장애물이나 구조물이 설치된 경우 유지 가능한 속도인 유지속도와 급히 피하거나 빠른 반응을 나타내는 돌진속도를 비교하였다.
유황분석을 통하여 나타난 풍수기, 평수기, 저수기의수 위일 때, 인공하도식 어도의 입구부 흐름을 분석하기 위하여 2차원 수리모형인 River2D 모형을 적용하였으며, 강정고령보 지점에서 측정되고 있는상 하류 수위 측정값으로 모형을 검보정하였다. 수치해석모형을 적용하기 위해서는 먼저 대상구간을 모형화하여야 하는데 강정고령보의 주변 지형도와 수치지도를 이용하여 절점과 요소로 구성된 지형파일을 구축하였고 River2D_Bed에서 구축된 지형파일을 바탕으로 유한요소망을 구축하였다. 절점은 총 2,372개, 요소는 총 4,483개로 구성되었으며, 구축된 유한요소망은 Fig.
본 연구에서는 어도로의 유입효율과 어도내의 이동효율 등의 평가에 River2D 모형을 적용해 보았다. 어류의 유지속도와 돌진속도를 기준으로 어도 입구부에서 적절한 유속의 확보 여부를 평가하였으며, 특히 피라미의 이동이 활발한 봄철 산란기의 유량조건에 대하여 어도의 효율을 평가하였다.
1) 모의 구간에 대한 River2D 모형의 적용에 앞서 모형의 상류단의 경계조건을 부여하기 위하여 1차원 상용모형인 HEC-RAS를 이용하였다. 왜관수위표를 상류경계조건으로 성주수위표의 실측자료를 활용하여 검정을 실시하였다. 그 결과 R2 값은 0.
대상 데이터
4는 인공하도식 어도의 횡단면도를 나타낸 것이다. Table 1은 인공하도식 어도의 제원을 나타낸 것으로 총 길이 520m, 높이 5.2m, 경사 1/100로 설치되었다.
, 2007). 따라서 본 연구에서 어도의 효율을 평가하기 위한 대상어종은 피라미로 선정되었다.
Table 4는 강정고령보의 상 하류 경계조건을 나타낸 것으로 풍수기, 평수기, 저수기의 3가지 조건으로 모의를 수행하였다. 인공하도식 어도 및 낙동강에 적용되는 조도계수는 낙동강 하천기본계획(MLTM, 2009)에서 제시된 사질하상 및 콘크리트의 조도계수로서 각각 0.023, 0.013로 적용하였으며, 상 하류 경계조건 및 조도계수는 Table 5에 제시하였다.
데이터처리
6은 강정고령보 상류에 위치한 왜관 수위표와 성주 수위표를 나타낸 것으로 왜관 수위표 자료를 HECRAS 부정류 모의의 상류 경계조건으로 이용하였고, 성주 수위표의 실측수위를 이용하여 검보정을 실시하였다. 모의 기간은 2012년 일별 수위 관측자료를 활용하였으며, 모형의 정확성 평가하기 위해 결정계수(R2), 절대평균오차(AME), 평균제곱근오차(RMSE) 등의 오차분석 지표를 사용하였다(Table 3).
이론/모형
1) 모의 구간에 대한 River2D 모형의 적용에 앞서 모형의 상류단의 경계조건을 부여하기 위하여 1차원 상용모형인 HEC-RAS를 이용하였다. 왜관수위표를 상류경계조건으로 성주수위표의 실측자료를 활용하여 검정을 실시하였다.
0m/s를 기준으로 실시하였다. 그리고 수심은 Oh et al. (2008)이 피라미의 물리서식처를 분석한 바 있으며 하도지수 적합도 지수는 낙동강유역조사(Kwater, 2004)시 작성된 결과를 이용하였다.
본 연구에서는 강정고령보의 상류단에서 측정되는 수위와 하류단에서 측정되는 수위를 이용하여 River2D 모형의 검보정을 실시하였다. 보정은 강정고령보 상류수위 표를 이용하였으며, 검증은 강정고령보 하류수위표를 이용하였다. 모형의 보정 기간은 2012년도 9월(풍수기 기준) 으로 14일간을 보정기간으로, 12일간을 검증기간으로 선정하여실시하였다.
본 연구에서는 강정고령보의 상류단에서 측정되는 수위와 하류단에서 측정되는 수위를 이용하여 River2D 모형의 검보정을 실시하였다. 보정은 강정고령보 상류수위 표를 이용하였으며, 검증은 강정고령보 하류수위표를 이용하였다.
일반적으로 River2D는 하천의 지형자료와 유속장을 기반으로 어류의 서식 적합도를 평가하는데 사용되는 모형이다. 본 연구에서는 어도로의 유입효율과 어도내의 이동효율 등의 평가에 River2D 모형을 적용해 보았다. 어류의 유지속도와 돌진속도를 기준으로 어도 입구부에서 적절한 유속의 확보 여부를 평가하였으며, 특히 피라미의 이동이 활발한 봄철 산란기의 유량조건에 대하여 어도의 효율을 평가하였다.
이에 실험과 선행연구를 통하여 적합도 지수를 나타내었다. 유속은 Park et al. (2006)이 실시한 증진유속방법을 이용한 피라미의 한계유영유속 측정 실험을 바탕으로 만들어졌다(Table 8). 이 증진유속방법은 MLTM (2005)에서 제시한 어도 유속 허용 범위인 0.
유황분석을 통하여 나타난 풍수기, 평수기, 저수기의수 위일 때, 인공하도식 어도의 입구부 흐름을 분석하기 위하여 2차원 수리모형인 River2D 모형을 적용하였으며, 강정고령보 지점에서 측정되고 있는상 하류 수위 측정값으로 모형을 검보정하였다. 수치해석모형을 적용하기 위해서는 먼저 대상구간을 모형화하여야 하는데 강정고령보의 주변 지형도와 수치지도를 이용하여 절점과 요소로 구성된 지형파일을 구축하였고 River2D_Bed에서 구축된 지형파일을 바탕으로 유한요소망을 구축하였다.
이 증진유속방법은 MLTM (2005)에서 제시한 어도 유속 허용 범위인 0.5∼1.0m/s를 기준으로 실시하였다.
성능/효과
3) 인공하도식 어도의 유입부의 수리학적 분석을 하기 위해 2차원 모형을 적용한 결과 풍수기 때의 평균 유속과 수심은 각각 0.115m/s, 3.081m이며, 평수기 때의 평균 유속과 수심은 각각 0.732m/s, 3.801m이 었으며, 마지막으로 저수기의 평균 유속과 수심은 각각 0.575m/s, 0.505m로 나타났다.
239로 높은 상관관계를 보였다. HEC-RAS의 모의 결과를 바탕으로 강정고령보에서 1.5 km 상류 지점의 유량을 산정하여 경계조건으로 사용하기에 적절한 것으로 보인다.
왜관수위표를 상류경계조건으로 성주수위표의 실측자료를 활용하여 검정을 실시하였다. 그 결과 R2 값은 0.751, AME 는 0.223, RMSE는 0.239로 높은 상관관계를 보였다. HEC-RAS의 모의 결과를 바탕으로 강정고령보에서 1.
575m/s로 나타났다. 낙동강 본류의 유속은 풍수기 및 평수기에는 유속이 빠르고, 저수기에는 적은 유량으로 인하여 유속이 느린 것으로 나타났다. 풍수기의 인공하도식 어도 유입부의 유속이 낮은 이유는 가동보 개방으로 상류단의 수위가 낮아지기 때문이다.
Table 6은 낙동강 본류와 인공하도식 어도 입구부의 유속을 평균, 최대, 최소로 나타내었다. 낙동강 본류의 하류의 평균 유속은 풍수기, 평수기, 저수기 각각 0.892m/s, 0.583m/s, 0.481m/s로 나타났고, 인공하도식 어도 유입 부의 평균 유속은 각각 0.115m/s, 0.732m/s, 0.575m/s로 나타났다. 낙동강 본류의 유속은 풍수기 및 평수기에는 유속이 빠르고, 저수기에는 적은 유량으로 인하여 유속이 느린 것으로 나타났다.
물론WUA가 크다고 모든 피라미가 어도로 유입되지는 않는다. 다만 서식하고 활동하기에 적합한 환경임을 나타내는 지표이기에 이를 기초로 평, 저수기에 대상어종이 어도 주변부로 몰릴 가능성이 크며, 흐름을 따라 어도로 유입할 가능성이 높다는 결론을 내릴 수 있다.
165m로 나타났다. 또한 실측값과 관측값을 비교한 결과 보정시 R2는 0.789, AME는 0.036, RMSE는 0.050이었으며 검증시R2는0.821, AME는0.071, RMSE는 0.087로 높은 상관관계를 보였다.
채집된 어류 중 과별 종다양도는 잉어과 어류가 17종으로 가장 높았고, 그 외에 미꾸리과 3종, 검정우럭과 2종 등의 순으로 나타났다. 또한 어류의 상태풍부도(Relative abundance) 분석에따르면, 피라미(Zacco platypus) 59%, 끄리(Opsariichthys uncirostris amurensis) 10%, 몰개(Squalidus japonicus coreanus) 4% 순으로 피라미가 우점하는 것으로 나타났다. 특히 본 연구지점인 강정고령보 지점은1 2차 조사 시 피라미(Zacco platypus)가 50.
11은 검증 결과를 나타낸 것이다. 모형의 보정 및 검증 결과는 실측치와 모의치의 차이가 보정결과 최소 0.004m에서 최대 0.118m이며, 검증에서는 최소 0.005 m에서 최대 0.165m로 나타났다. 또한 실측값과 관측값을 비교한 결과 보정시 R2는 0.
2) 2차원 모형의 검보정을 위해 강정고령보의 상 하류 실측 수위를 활용하였으며 2012년도 9월(풍수기 기준)으로 14일간을 보정기간으로, 12일간을 검증기간으로 선정하여 실시하였다. 실측값과 관측값을 비교 한결과, 보정 시 R2는0.789, AME는0.036, RMSE는 0.050이고, 검증시 R2는 0.821, AME는 0.071, RMSE 는 0.087으로 높은 상관관계를 보였다.
(2007)은 낙동강 본류 6개 지점 중 금호강 합류부(S3)로 2004년7월(풍수기)에1차, 2005년 3월(갈수기)에 2차어류 조사 및 채집을 수행하였으며, 1차 조사에서 22종, 2차 조사에서 20종이 채집되어 총 28종이 채집되었다. 채집된 어류 중 과별 종다양도는 잉어과 어류가 17종으로 가장 높았고, 그 외에 미꾸리과 3종, 검정우럭과 2종 등의 순으로 나타났다. 또한 어류의 상태풍부도(Relative abundance) 분석에따르면, 피라미(Zacco platypus) 59%, 끄리(Opsariichthys uncirostris amurensis) 10%, 몰개(Squalidus japonicus coreanus) 4% 순으로 피라미가 우점하는 것으로 나타났다.
이 그림들에서 보듯이 각 유황에 따라 본류 및 어도 내부의 유속장은 서로 상이한 양상을 보이고 있다. 특히 가동보의 수문이 닫혀 있는 평수량과 저수량의 경우, 인공하도식 어도 유입부의 유속이 본류의 유속보다 최대 0.777m/s, 최소 0.094m/s 정도 차이를 보이며 빠른 것으로 나타났다. 유황에 상관없이 공통적으로 고정보 부근에서 빠른 유속을 볼 수 있는데 이것은 바닥고의 낙차에 의해 발생되었다고 사료된다.
4) 인공하도식 어도의 유입 적합도 분석에서는 낙동강에 분포하는 어종 중 우점종인 피라미를 선정하였다. 피라미를 대상으로 적합도 곡선과 유영속도를 비교한 결과 피라미의 산란기인 저수기 때의 유입부유속이 강정고령보 하류 낙동강 본류의 유속보다 높은 0.575m/s로 나타나, 어도입구로 피라미 유인에 무리가 없는 유속장이 형성되는 것으로 나타났다.
, 2006). 피라미의 돌진속도와 유지속도를 모의한 인공하도식 어도 입구부의 유속와 비교한 결과 저수기 유속이 0.575m/s로 어류의 유지속도보다 높고 돌진속도보다 낮은 유속을 보여 어류의 유입에 적합함을 보였다.
후속연구
낙동강 본류의 유속 분포 형태가 평수기 및 저수기 때에 좌안이 우안보다 유속이 높은 것을 볼 수 있다. 이로 인하여 어류가 회유할 때 우안보다 좌안으로 몰릴 가능성이 높으며, 보다 많은 개체가 어도 입구부로 효율적으로 유입될 수 있을 것으로 사료된다.
향후 16개 다기능보에 설치되어 있는 다양한 형태의 어도에 대한 유입 및 유인 효율 연구에 관한 개별적인 연구가 필요하며, 이에 대하여 현장 유속 측정 및 어류 모니터링 등의 자료 축척이 필요하다고 판단된다. 또한 별도의 유인수로가 없는 어도의 경우에는 가동보의 수문을 활용한 저수기 유입효율 개선에 관한 연구가 병행되어야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
최근 4대강사업으로 어떤 것들이 설치되었는가?
, 2011). 최근 4대강사업으로 인하여 16개의 다기능보가 설치되었으며, 각 다기능 보에는 인공하도식 어도나 아이스하버식 어도 등이 설치되어 있다. 하천 내 수공구조물은 하천에 서식하는 최상위 소비자 중 하나인 담수어류에 있어서 어류의 이동과 군집의 변화, 유전적 단절, 서식처 변화와 같은 다양한 문제를 유발한다(Moyle and Cech, 2000).
하천 내 수공구조물은 담수어류에 있어서 어떤 문제를 유발하는가?
최근 4대강사업으로 인하여 16개의 다기능보가 설치되었으며, 각 다기능 보에는 인공하도식 어도나 아이스하버식 어도 등이 설치되어 있다. 하천 내 수공구조물은 하천에 서식하는 최상위 소비자 중 하나인 담수어류에 있어서 어류의 이동과 군집의 변화, 유전적 단절, 서식처 변화와 같은 다양한 문제를 유발한다(Moyle and Cech, 2000). 특히 특정한 시기에 산란을 위하여 하천의 유로를 따라 상류로 이동하고 혹은 하류로 이동하는 회유성 어류들에게는 심각한 문제를 초래하기도 한다.
하천 내 수공구조물은 담수어류 중 특히 어떤 어류들에게 심각한 문제를 초래하는가?
하천 내 수공구조물은 하천에 서식하는 최상위 소비자 중 하나인 담수어류에 있어서 어류의 이동과 군집의 변화, 유전적 단절, 서식처 변화와 같은 다양한 문제를 유발한다(Moyle and Cech, 2000). 특히 특정한 시기에 산란을 위하여 하천의 유로를 따라 상류로 이동하고 혹은 하류로 이동하는 회유성 어류들에게는 심각한 문제를 초래하기도 한다. 그리하여 하천이 본래 갖고 있는 정상적인 유하 기능과 함께 서식하는 어류들의 보호 및 자연 생태계의 보전을 위하여 보나 댐과 같은 횡단 수공 구조물의 건설시 어류들의 이동이 가능하도록 여러 가지 형태의 어도를 설치하게 된다.
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