[논문]유량변화에 따른 아이스하버식 어도의 수리학적 이동효율 분석

조재안; 한은진; 김영도; 백경오

doi:10.12652/ksce.2013.33.5.1841

유량변화에 따른 아이스하버식 어도의 수리학적 이동효율 분석
Analysis of Hydraulic Passage Efficiency of Ice-Harbor Type Fishway for Flowrate Change 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.33 no.5, 2013년, pp.1841 - 1850

조재안 (인제대학교 환경공학과) , 한은진 (인제대학교 환경공학과) , 김영도 (인제대학교 환경공학과(낙동강유역환경연구센터)) , 백경오 (국립한경대학교 토목안전환경공학과)

초록
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4대강에 설치된 16개의 다기능보에는 횡단구조물의 건설로 인한 생태계의 악영향을 최소화하기 위해 다양한 형태의 어도가 설치되어 있다. 달성보에 설치된 아이스 하버식 인공형 어도는 상류측에 가동보를 설치하여 하천유량에 상관없이 어도 내로 일정한 양을 통수시킬 수 있다. 어도의 유입유량은 내부의 수리적 특성과 밀접한 관계가 있으며, 이는 어류의 이동효율에 영향을 준다. 그러므로 어도의 이동효율을 효율적으로 관리하기 위하여 최적 유입유량 등의 다기능보 운영조건을 산정하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 낙동강 달성보의 아이스하버식 인공형 어도를 대상으로 FLOW-3D 모형을 이용하여 유량에 따른 수리특성과 이동효율을 분석하였고, 이동효율을 고려한 최적의 어도 가동보 유량 조건을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The various types of fishways are installed at the multi-functional weirs in the four major rivers to minimize the negative effect due to the construction of the transverse structures. The movable weir was installed at the upstream of the ice-harbor type artificial fishway of the Dalseong weir in the Nakdong river, which can control the fishway flowrate regardless of the river flowrate. The incoming flowrate to the artificial fishway is closely related with the hydraulic characteristics that dominate the fish passage efficiency. Thus, it is crucial to find out the weir operation rule for properly sustaining efficient fish-passage, such as the optimized flowrate. In this study, the FLOW-3D was used to analyze and compare the various hydraulic characteristics associated with the passage efficiency, based upon the given different flowrate, and subsequently provide the optimized flowrate for the fishway movable weir to maintain the best efficient flow condition for the fish-passage.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 낙동강 달성보 내 아이스하버식 인공형 어도를 대상으로 하여 동일한 제원과 규격의 3차원 격자를 작성하고, 이를 이용하여 다양한 유량조건에 따른 어도 내 흐름특성을 모의하였다. 또한 유량변화에 따른 어도 내 순환류 세기를 분석하여 어류가 상류로 이동하기에 적합한 유입유량을 산정하고자 하였다.
본 연구는 달성보의 아이스하버식 인공형어도의 유량변화에 따른 어도 내 흐름특성을 분석하였다. 월류부와 잠공부에서의 평균 및 최대유속과 비월류부에서의 순환류의 세기, 어도 내 흐름방향을 비교·분석하여 어류가 상류로 소상함에 있어 적합한 지 분석을 실시하였다.
본 연구에서는 낙동강 달성보 내 아이스하버식 인공형 어도를 대상으로 하여 동일한 제원과 규격의 3차원 격자를 작성하고, 이를 이용하여 다양한 유량조건에 따른 어도 내 흐름특성을 모의하였다. 또한 유량변화에 따른 어도 내 순환류 세기를 분석하여 어류가 상류로 이동하기에 적합한 유입유량을 산정하고자 하였다.
본 연구에서는 실제 설치된 달성보 인공형 어도를 대상으로 3차원모형인 FLOW-3D모형을 이용하여 어도입구의 가동보 운영에 의한 유입유량의 차이에 따른 어도 내 흐름특성을 비교하기 위하여 유량조건에 따른 어도 내 수리학적 특성을 분석하였다. 연구를 위하여 실제 설치된 어도와 같은 제원으로 3D Solid를 구축 후 수치모의를 통하여 수리특성을 조사하였다.

제안 방법

014를 적용하였다. 3차원 모형의 적용에 앞서 어도 내의 흐름을 안정화시키기 위하여 결과 도출시간을 1,200 sec로 지정하였으며 유량조건을 제외한 격자망 및 나머지 경계조건은 동일하게 지정하였다.
Table 2는 모델 입력조건을 나타낸 것이다. 난류모델은 어도 내 흐름특성과 비월류부의 흐름을 분석하기 위해 흐름조건에 만족하는 크고 작은 레이놀즈수를 제공하며 k-e 모형에 비하여 계산 시간은 길지만 복잡한 난류 흐름을 더욱 정확하게 모의 할 수 있는 RNG(Re-Normalized Group) 모델을 적용하였고, 수치모의에 이용되는 유체는 비압축성 유체로 밀도는 1,000 kg/m³, 점성계수(viscosity)는 0.001 m²/s, 중력가속도는 Z방향으로 9.806 m/s²를 적용하였으며, 조도계수는 콘크리트 조도계수로 통상 설계에서 쓰이는 값인 0.014를 적용하였다. 3차원 모형의 적용에 앞서 어도 내의 흐름을 안정화시키기 위하여 결과 도출시간을 1,200 sec로 지정하였으며 유량조건을 제외한 격자망 및 나머지 경계조건은 동일하게 지정하였다.
따라서 경계면의 경계조건은 벽면인 Ymax, Ymin은 벽(wall)으로 어도의 상부인 Zmax는 흐름영역과 대칭인 가상벽(symmetry)로 지정하였으며 유입부인 Xmin는 유량·수위 조건을, 하류부인 Xmax는 연속적인 흐름이 진행되는 continuative로 지정하였다.
본 연구에서는 Autocad 프로그램을 이용하여 실제어도와 동일한 제원의 어도를 3D solid로 구축하였다. 어도 3D 구조물은 어도의 상 · 하부가 Z_min · Z_max, 좌· 우측이 Y_max · Y_min, 출·입구는 X_min · X_max이며 격자구성은 X방향으로 581개, Y방향으로 49개, Z방향으로 49개로 총 1,394,981개의 격자로 구성하였다.
본 연구에서는 실제 설치된 달성보 인공형 어도를 대상으로 3차원모형인 FLOW-3D모형을 이용하여 어도입구의 가동보 운영에 의한 유입유량의 차이에 따른 어도 내 흐름특성을 비교하기 위하여 유량조건에 따른 어도 내 수리학적 특성을 분석하였다. 연구를 위하여 실제 설치된 어도와 같은 제원으로 3D Solid를 구축 후 수치모의를 통하여 수리특성을 조사하였다. 유입유량 조건으로 각각 0.
월류부와 잠공부에서의 평균 및 최대유속과 비월류부에서의 순환류의 세기, 어도 내 흐름방향을 비교·분석하여 어류가 상류로 소상함에 있어 적합한 지 분석을 실시하였다.
유입유량 조건으로 각각 0.6 m3/s, 0.8 m3/s, 1.0 m3/s, 1.2 m3/s, 1.4 m3/s을 적용하여 순환류 세기와 월류부 및 잠공에서의 유속과 연직흐름양상을 비교·검토하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

2). 달성보는 고령교 하류로 3.43 km, 박석진교 상류로 4 km에 위치하며 보의 총길이는 총 580 m이며 고정보(경간 길이 418 m, 높이 9.5 m)와 가동보(경간길이 162 m, 높이 9.6 m, 3련) 및 좌안에는 인공하도식 어도를 우안 부근에는 인공형 어도인 아이스하버식 어도를 설치하였다. 아이스하버식 어도는 최근 설치 비중이 점차 증가하고 있으며, 포켓으로 인해 어도내 적정 유속을 유지하여 어종의 유영 제한이 없을뿐더러 어류가 소상 시 포켓 내부의 유속이 정체가 되어 최적의 쉼터를 제공해 주는 역할을 하며 비교적 최근까지 국내의 하도계획에서는 격벽식 어도가 많이 설치되었으나 최근에는 아이스하버식 어도가 국내 어도실정에 적합한 것으로 나타나고 있어 많이 설치되고 있는 실정이다(Ahn et al.
본 연구에서는 대구광역시 달성군에 위치한 낙동강 달성보 내 아이스하버식 인공형 어도를 대상으로 하였다(Fig. 2). 달성보는 고령교 하류로 3.
분석지점은 인공형 어도의 중간 지점인 15번째, 16번째, 17번째 어도구조물을 비교·분석지점으로 하였으며, 자유수면에 가까운 월류부로부터 0.1 m 높이를 A-A’ 단면, 잠공지점인 B-B’ 단면, 잠공이 위치한 곳의 월류부 지점을 C-C’ 단면, 잠공이 없는 월류부 지점 D-D’ 단면을 분석지점으로 선정하였다(Fig. 4).
어도 3D 구조물은 어도의 상 · 하부가 Zmin · Zmax, 좌· 우측이 Ymax · Ymin, 출·입구는 Xmin · Xmax이며 격자구성은 X방향으로 581개, Y방향으로 49개, Z방향으로 49개로 총 1,394,981개의 격자로 구성하였다.

성능/효과

(1) 낙동강 달성보 아이스하버식 인공형 어도에 대한 수치모의결과 유입유량에 따른 연직흐름분포의 경우 0.8 m³/s이하인 경우 어도를 통하여 어류가 소상하기 적합한 흐름인 잠입류가 발생하였고, 1.0 m³/s일 경우 천이상태인 Inclined flow가 발생하였으며 1.2 m³/s이상일 경우 어류가 소상할 시 종종 상류방향을 잃을 수 있는 표면류가 발생되는 것을 확인하였다. 그 결과 어류의 소상을 용이하게 하기 위해서는 가동보의 적절한 운영을 통하여 어도 내의 유입유량을 0.
(2) 유입유량에 따른 수평흐름분포 결과를 분석해봤을 때 유입유량이 0.8 m3/s일 경우 월류부 최대유속은 1.24 m/s, 유량이 1.2 m3/s 일 경우 1.42 m/s로 증가하는 것으로 나타났으며 유량이 증가함에 따라 상·하부 모두 순환류가 발생하는 것을 확인하였고 유량증가에 따른 순환유속은 증가하지만 중앙 비월류부에서는 주변흐름의 영향으로 순환류가 발생하지 않는 것을 확인하였다.
(3) 유량조건에 따른 잠공의 최대 유속은 모두 약 1.7 m/s로 비슷하게 나타났으며 격벽 내의 퇴사 등을 효과적으로 배출할 수 있을 것이라 판단되며 잠공에 있는 월류부에서는 고른 흐름이 나타나며 순환류는 발생하지 않는 것을 확인하였다.
51 m/s로 평균유속과 최대유속 모두 조금씩 증가하는 경향을 나타냈다. ⓐ, ⓑ, ⓒ 단면 비교시 월류 직후인 ⓐ단면의 유속이 모든 유량조건에서 가장 높게 나타났으며, ⓑ단면와 ⓒ단면의 유속은 비슷하였다(Fig. 6). 비월류부에서는 순환류가 발생하였고, 유량이 1.
2 m³/s이상일 경우 어류가 소상할 시 종종 상류방향을 잃을 수 있는 표면류가 발생되는 것을 확인하였다. 그 결과 어류의 소상을 용이하게 하기 위해서는 가동보의 적절한 운영을 통하여 어도 내의 유입유량을 0.8 m³/s 이하로 유지해야 할 것으로 판단된다.
잠공이 있는 월류부에서는 순환류가 발생하지 않았으며 ⓐ, ⓑ, ⓒ 단면 모두 동일한 흐름양상을 나타났다. 어도의 상부와 하부에서는 월류 직후인 ⓐ 단면의 유속이 가장 높았고 중간부분에서는 ⓐ 단면의 유속이 가장 느린 것으로 나타났다(Fig. 10).
5). 유량이 0.6 m³/s일 때 월류부 평균유속은 0.70 m/s, 최대유속은 1.19 m/s, 0.8 m³/s일 때 월류부 평균유속은 1.10 m/s, 최대 유속은 1.24 m/s, 1.0 m³/s일 때 평균유속 1.23 m/s, 최대유속 1.31 m/s, 1.2 m³/s일 때 평균유속 1.31 m/s, 최대유속 1.42 m/s, 1.4 m³/s일 때 평균유속 1.43 m/s, 최대유속 1.51 m/s로 평균유속과 최대유속 모두 조금씩 증가하는 경향을 나타냈다. ⓐ, ⓑ, ⓒ 단면 비교시 월류 직후인 ⓐ단면의 유속이 모든 유량조건에서 가장 높게 나타났으며, ⓑ단면와 ⓒ단면의 유속은 비슷하였다(Fig.
7). 유량이 0.6 m³/s일 때 잠공부근에서의 평균유속은 0.55 m/s, 최대유속은 1.59 m/s, 0.8 m³/s일 때 잠공평균 유속은 0.59 m/s, 최대유속은 1.74 m/s, 1.0 m³/s일 때 평균유속 0.60 m/s, 최대유속 1.75 m/s, 1.2 m³/s일 때 평균유속 0.68 m/s, 최대유속 1.79 m/s, 1.4 m³/s일 때 평균유속 0.70 m/s, 최대유속 1.80 m/s로 평균유속과 최대유속 모두 조금씩 증가하는 경향을 나타냈다. 어도 하부에서는 상부와 달리 유량이 증가 할수록 순환류의 발생이 증가하였다(Fig.
2 m³/s일 때는 월류하는 흐름은 표면을 따라 흐른 뒤 다음 격벽에서 월류하는 흐름과 하부로 향하는 흐름 발생 후 구조물 하부에서 역류하는 흐름이 발생한다. 유량이 증가함에 따라 월류부에서의 월류유속은 증가하는 경향을 나타났다. ⓐ, ⓑ, ⓒ 단면을 비교 시 유량이 0.
4 m³/s일 때는 ⓐ, ⓑ, ⓒ단면은 상부에서는 하류로 흐르는 흐름이 발생하였고 하부에서는 상류로 역류하는 흐름이 발생하였다. 이것으로 보아 유량이 0.8 m³/s이하인 경우 어류가 소상하기 쉬운 흐름인 잠입류가 나타났으며 유량이 1.0 m³/s 일 경우 Inclined flow가 유량이 1.2 m³/s이상인 경우 어류가 소상함에 있어 종종 방향을 잃어 소상을 실패 할 수 있는 표면류가 발생하였다.
9). 잠공으로 인해 고른 흐름이 나타났으며 유량이 증가함에 따른 월류부의 유속의 크기는 증가하였으며 잠공의 경우 유속이 비슷하였다. 잠공이 있는 월류부에서는 순환류가 발생하지 않았으며 ⓐ, ⓑ, ⓒ 단면 모두 동일한 흐름양상을 나타났다.

후속연구

(4) 모의결과를 분석해봤을 때 어도 내 흐름특성은 유입유량에 따라 다른 값과 양상을 나타내었고, 이는 가동보의 운영에 따라 어도의 흐름은 다르게 나타날 것으로 판단되었으며, 향후 효과적인 어도관리를 위한 기초자료로 활용할 수 있을 것이라 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	16개의 다기능보는 어떤 문제점이 있는가?	최근 건설된 16개의 다기능보는 댐이나 취수보, 낙차공과 같은 하천의 횡단 구조물로서 하천에 서식하는 어류의 이동통로를 차단시킴으로써 구조물 상류의 어류 개체수가 감소하는 등의 악영향을 초래할 수 있다(Baek, 2012). 이와 같은 하천 횡단구조물들은 치수와 이수의 목적으로 설치되기 때문에 여러 가지 이점이 있으나 구조물 상하류 간의 하천 생태계를 단절시킬 수 있으므로, 이에 대한 대책으로서 다양한 형태의 어도를 설치한다(Lim, 2009).
	하폭이 넓은 하천에 건설되는 횡단구조물은 무엇이 중요한가?	하폭이 넓은 하천에 건설되는 횡단구조물의 경우 소상하려는 어류가 어도의 입구로 잘 유인되는 것이 중요하다(Baek, 2012). 또한 어류의 소상을 용이하게 하기 위해서는 적정유속, 흐름구조, 도약수심 등의 어도 내 수리특성을 갖추어야 하며, 적절한 어도의 형식으로 인해 와류 등을 발생시키지 말아야 한다.
	소상하려는 어류에게 도움을 주려면 횡단구조물은 어떠해야 하는가?	하폭이 넓은 하천에 건설되는 횡단구조물의 경우 소상하려는 어류가 어도의 입구로 잘 유인되는 것이 중요하다(Baek, 2012). 또한 어류의 소상을 용이하게 하기 위해서는 적정유속, 흐름구조, 도약수심 등의 어도 내 수리특성을 갖추어야 하며, 적절한 어도의 형식으로 인해 와류 등을 발생시키지 말아야 한다. 그러나 국내에 기 설치된 어도의 경우 다양한 어류가 소상하기 어렵게 설계된 경우가 다수 나타나고 있다.

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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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