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문제 정의
- 이와 관련하여 지금까지 수행된 연구분야로서는 대략적으로 어초 재료, 어초 주변의 유황특성, 어초의 최적배치, 어초의 수리학적 안정성, 어초 주변의 국소세굴 및 어초의 매몰, 침하 및 그 대책공법, 어초 설치 효과 및 평가 등을 들 수 있다. 따라서 여기서는 이들 연구분야와 관련한 현황을 체계적으로 살펴보고자 한다.
- 이러한 관점에서 Matsumi(1988)는 어초에 작용하는 유체력을 수리실험결과에 기초하여 측정하고, Morison식의 어초에 대한 적용성을 검토하였다. 또한 그는 어초의 유공성 및 군체 어초의 설치간격에 의한 CDL, CML의 변화특성 및 저면효과에 대하여 검토하였다. 그 결과, 어초에 작용하는 수평방향의 최대 유체력의 산정에 있어서는 Morison식의 적용이 큰 문제는 없으나, 이 식에 포함된 항력계수 및 관성력계수는 저면효과 등이 고려된 값을 사용할 필요가 있다고 결론지었다.
- 본 연구에서는 1972년부터 2016년까지 우리나라를 비롯한 동아시아 각국에 있어서의 해중림초를 포함한 인공어초 또는 이들 사업과 관련하여 개발 연구된 자료를 광범위하게 수집하고 이를 체계적으로 분석하였다. 얻어진 주요결과는 다음과 같다:
- 본 연구에서는 일반어초와 해중림초 모두를 어초로 정의하고, 이들 어초의 개발 및 연구와 관련하여 지금까지 우리나라를 비롯한 동아시아에서의 인공어초 개발 역사와 연구현황을 살펴봄으로써 앞으로 어초어장의 이용 효율을 극대화하고 또한 새로운 개념의 어초개발을 통해 건전하고 지속가능한 해양생태계의 창조와 회복 방향을 모색하는 데 필요한 기초자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- (2010)는 환경영향평가에 있어서의 정량적인 예측방법을 확립하기 위한 일환으로서, 해조류 4종 즉 대황, 괭생이 모자반, 꽈배기 모자반, 쌍발이 모자반에 대한 문헌정보를 정리하여, 각 종에 따른 서식장 적성지수(Habitat Suitability Index, HSI) 모형을 작성하였다. HSI 모형을 구축하는 적성지수(Suitability Index, SI)로서 그들은 착생기질, 저온기(2월) 평균수온, 고온기(8월) 평균수온, 수심, 투명도, 파랑, 염분 및 COD를 채용하였다. HSI 모형은 1974년 미국의 연방야생생물국(USFWS)에서 개발된 서식장 평가수법(Habitat Evaluation Procedure, HEP)에 있어서 처음 사용된 것으로, HSI라고 하는 지수는 개념적으로는 다음 식과 같이 표현되며, 0에서 1까지의 수치를 취한다.
- jp)에서는 2011년 동일본 대지진 재해로 인해 방대한 양의 재해폐기물이 발생하여 그 처리가 큰 과제였으며, 또한 쓰나미에 의해 재해를 입은 지역의 어업 화복과 어장의 조속한 재생도 절신한 상황인 점에 주목하여, 재해폐기물을 어장 조성에 효율적으로 이용할 수 있는 방안을 모색하였다. 그 결과, 본 연구소에서는 어장 시설에 대한 재해폐기물 등의 재생이용을 검토하여, 재해로 인해 발생한 콘크리트를 써서 이와테 (岩手)현의 2개 마을에는 다시마와 미역의 증식초, 그리고 아오모리(青森)현 1개 마을에는 다시마 양식용 엥커 블록을 각각 제작, 침설하였다. 또한 이 연구소에서는 이들 사업의 성과를 정리하여“어장시설에의 재해폐기물 등 재생이용의 지침”을 작성하였고, 현재 증식초 설치후의 모니터링을 자체적으로 실시하고 있다.
- 실제 HSI 산출에 있어서는 환경조건으로서 복수의 요인이 있다고 생각되기 때문에 개개의 요인마다 요인과 대상생물의 적성과의 관계를 모형화한 적성지수(SI) 모형으로부터 유도되는 값을 종합하여 SI를 구한다. HSI는 서식장으로서의 적성을 나타내는 지수이지만, HSI 모형은 대상생물의 HSI를 산출하는 수순을 나타낸 지수로서, 우선 대상생물에 대한 생태정보가 표현된다.
- (2016)은 1987년부터 2002년 사이 우리나라에 설치된 사각어초의 현재 상태를 추정하기 위하여 실제 사용가능한 체적과 매몰된 체적을 이용하였다. 여기서 그들은 어초 설치시의 해저 상태(즉, 경성질 해저면 또는 연성질 해저면)와 시설 표준 체적에 근거하여, 어초의 전체 유실, 실제 사용가능한 체적 및 매몰된 체적을 추정하기 위해 세개의 체적계수를 각각 제안하였다. 비록 이들이 제안한 계수를 사용할 경우 10% 내외의 오차는 있으나 어초의 현재 상태를 확인하는 데 있어서 멀티빔이나 사이드 스캔소나의 사용 또는 잠수 조사 등을 줄일 수 있어 비용면에서 효율적임을 주장하였다.
- 본 연구에서는 1972년부터 2016년까지 우리나라를 비롯하여 일본이나 미국의 대학, 학회, 연구소, 컨설팅회사 및 출판사 등에서 발행한 인공어초와 해중림초 또는 어초의 개발 연구 및 사업과 관련한 논문과 인쇄물, 국제회의 및 세미나 자료, 인터넷상에 공개된 온라인 자료 등을 광범위하게 수집하였다. 이들 수집된 자료를 바탕으로 먼저, 동아시아를 중심으로 인공어초(또는 해중림초)의 개발 현황을 살펴보고, 다음으로 어초와 관련한 연구로서 어초 재료, 어초 주변의 유황특성, 어초의 최적배치, 어초의 수리학적 안정성, 어초 주변의 국소세굴 및 어초의 매몰, 침하 및 그 대책공법, 어초 설치 효과 및 평가 등과 관련한 지금까지의 연구 동향을 체계적으로 정리, 고찰하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 1972년부터 2016년까지 우리나라를 비롯하여 일본이나 미국의 대학, 학회, 연구소, 컨설팅회사 및 출판사 등에서 발행한 인공어초와 해중림초 또는 어초의 개발 연구 및 사업과 관련한 논문과 인쇄물, 국제회의 및 세미나 자료, 인터넷상에 공개된 온라인 자료 등을 광범위하게 수집하였다. 이들 수집된 자료를 바탕으로 먼저, 동아시아를 중심으로 인공어초(또는 해중림초)의 개발 현황을 살펴보고, 다음으로 어초와 관련한 연구로서 어초 재료, 어초 주변의 유황특성, 어초의 최적배치, 어초의 수리학적 안정성, 어초 주변의 국소세굴 및 어초의 매몰, 침하 및 그 대책공법, 어초 설치 효과 및 평가 등과 관련한 지금까지의 연구 동향을 체계적으로 정리, 고찰하였다.
- (2015)는 중국 Daya Bay에 어초가 설치된 후의 생태학적 효과에 관한 현장조사를 실시하였다. 이 현장조사에서는 클로로필-a(Chl-a)농도, 영양염, 부착생물, 유영생물, MODIS에 의한 위성자료 등의 자료가 수집되었다. 그 결과, 어초 설치후 Chl-a농도, 유영생물량, 종다양성 등이 어초 설치 전에 비하여 각각 증가한 것으로 나타나, 어초 설치에 의한 생태적 효과가 확인되었다.
- 이러한 어초효과 진단시스템을 도입함으로써 첫째, 어초를 효율적이고도 효과적으로 관리 운영할 수 있는 database가 구축되어 에너지 절약을 도모할 수 있고 둘째, 어업자에게 어초의 설치상황을 정확히 알려주어 어초의 이용을 촉진할 수 있으며 셋째, 어초설치효과의 정량화, 화폐화가 가능해져서 원단위(어초의 공(空)m3당의 연간 증가생산량)를 정확히 알 수 있는 등의 이점이 있다. 현재 일본에서는 2009년도 나가사키(長崎)현에서의 실증실험을 시작으로, 현재까지 7건의 실시사례가 있다.
이론/모형
- Nakamura & Uekita(1975)의 어초 침설시의 착저 충격력에 관한 연구를 수행하였다.
성능/효과
- 1)동아시아에서의 인공어초사업의 목적은 크게 세 가지로 볼 수 있는데 첫째, 어업자원의 증식과 보호, 둘째, 어업인의 소득증대, 셋째, 생태관광산업을 위한 인프라 구축이 그것이다. 그러나 말레이시아와 타일랜드를 제외한 대부분의 나라에서는 인공어초 개발기술이나 사업이 아직 초기단계에 머물고 있는 것으로 생각된다.
- 2)어초의 어류 위집효과는 그 배후에 형성되는 후류와(wake) 또는 후류장(wake length)에 의해 결정되는데, 이들 값은 어초의 공극률과 K-C수가 클수록 크다.
- 3)어초의 크기나 어초간의 배치간격은 어종 즉 저서성 어류인가 회유성 어류인가에 따라 다르나, 어초의 배치는 가능한 한 주류 방향에 횡단하여 설치하는 것이 바람직하다. 그러나 어초간의 간격은 현장에서의 생물학적인 경험에 기초하여 판단하되, 대개 2∼20m이내로 하는 것이 좋을 것으로 판단된다.
- 4)어초의 안정성은 어초에 미치는 유체력 중 주로 항력계수를 어떻게 평가하는가에 달려 있으며, 현재 어초의 유체력 산정에 사용되고 있는 이른 바 Morison식은 다소 개선의 여지는 있으나, 실용상 큰 문제는 없는 것으로 나타났다. 또한 동일한 유체력이 어초에 작용하는 경우, 수심이 비교적 얕은 천해역에 설치되는 어초가 보다 깊은 수심에 설치되는 어초에 비해 상대적으로 유체력에 취약한 것으로 나타났다.
- 5)어초 주변에서의 국소세굴은 어초 전면의 중앙부에서 생기는 하강류에 의해 발생하며, 또한 이때의 어초 침하량은 K-C수보다는 Reynols No. 또는 Shiels No.
- 6)어초는 설치후 단위노력당의 어획량이 증가하는 등 대체로 긍정적인 결과를 보인 것으로 나타났다. 그러나 어초의 설치효과를 정량적이고 합리적으로 평가, 판단하기 위한 수단이나 방법은 아직 제대로 확립되어 있지 못한 것이 현실이라고 생각된다.
- 그 결과, 군체 어초를 종렬로 배치하였을 경우, K-C수가 5 이하에서는 lf/a=1(여기서, lf는 한 군체 어초와 인접한 다른 군체 어초간의 설치간격, a는 군체 어초내의 어초간의 간격), K-C수가 7 이상에서는 lf/a=2가 후류와(後流渦) 영역의 확대에 최적인 어초간격인 것으로 나타났다.
- 이에 대하여, Matsumi(1988)는 파랑장에 설치된 어초를 상정하여, 흐름으로서 진동류를 사용하여 어초의 공극률 및 흐름의 제원을 계통적으로 변화시키는 것에 의해 단체어초 배후의 유황특성을 수리실험적으로 검토하였다. 그 결과, 그는 유공각주(有孔角柱)형 어초 배후의 후류와 (後流渦, wake) 영역은 어초의 형상이나 공극률에 관계없이 K-C수(Keulegan-Carpenter NO., 여기서, K-C수=umT/D, um은 원주에 작용하는 파의 최대 수립자속도, T는 파의 주기)의 증가에 따라 거의 선형적으로 증대한다는 사실을 밝혔다. 또한 그는 후류와 영역의 최대값은 어초의 공극률이 56%일 때 나타난다는 사실을 밝혔다.
- (1998)는 통영 사량면의 수우도 해역 (시설면적 640ha, 사각형 어초시설량 4,000개)의 어초어장에 대한 경제성을 분석하였다. 그 결과, 그들은 어초어장이 처음으로 조성되기 시작한 1988년 이래, 2001년 현재 어초어장의 가치가 총 투자비용을 능가하는 것으로 진단하였다. 또한, Ahn et al.
- 이 현장조사에서는 클로로필-a(Chl-a)농도, 영양염, 부착생물, 유영생물, MODIS에 의한 위성자료 등의 자료가 수집되었다. 그 결과, 어초 설치후 Chl-a농도, 유영생물량, 종다양성 등이 어초 설치 전에 비하여 각각 증가한 것으로 나타나, 어초 설치에 의한 생태적 효과가 확인되었다.
- 또한 그는 어초의 유공성 및 군체 어초의 설치간격에 의한 CDL, CML의 변화특성 및 저면효과에 대하여 검토하였다. 그 결과, 어초에 작용하는 수평방향의 최대 유체력의 산정에 있어서는 Morison식의 적용이 큰 문제는 없으나, 이 식에 포함된 항력계수 및 관성력계수는 저면효과 등이 고려된 값을 사용할 필요가 있다고 결론지었다. 또한 그는 어초의 항력계수는 단체 또는 군체 어초를 불문하고, K-C수가 증가하면 감소하는 한편, 관성력계수는 K-C수가 10 부근에서 최대값을 나타낸다는 사실을 유체력 측정실험으로부터 밝혔다.
- Dǖzbastilar & Şentǖrk (2009)는 FLUENT software를 사용하여 어초의 설계 중량, 주류 흐름에 대한 방향각, 수심 및 저면 경사를 달리할 경우에 있어서의 파와 어초간의 상호작용에 관하여 조사하였다. 그 결과, 어초의 항력계수는 주류 흐름에 대한 각도에 따라 값이 다르며, 또한 저면 경사는 어초의 설계중량과 설치 수심에 현저한 영향을 준다는 사실을 지적하였다. Sohn et al.
- (2003)은 폐콘크리트로부터 생산된 재생골재를 인공어초의 재료로서 활용하기 위한 역학적 특성을 연구하였다. 그 결과, 재생골재를 사용한 다공성 콘크리트의 경우, 일반 콘크리트에 비해 pH가 상대적으로 낮게 나타나 해조류 부착이 용이하여 어초 재료로서의 유리한 조건을 갖추고 있음을 확인하였다. 한편, Chen et al.
- 그후, 어초군내의 산소량이나 수중조도와 어류의 서식상황, 어초 높이와 위집효과와의 관계, 어초 배치구조와 생산량의 관계 등 다양한 조사가 이루어졌다(Japan Artificial Reef Research Institute(JARRI), 1976). 그 결과, 저서성 어류를 대상으로 한 어초는 어초 높이보다는 평면적인 넓이가 더 효과적인 반면, 회유성 어류의 어초는 어초가 클수록 집어효율이 더 높다고 알려져 있지만, 아직 이들에 대한 정량적 평가는 이루어져 있지 않다. 이후, Fisheries Agency of Japan(FAJ)(1981)은 인공어초어장조성계획 지침안을 작성하였다.
- 그 결과, 전단강도가 2∼3kPa 이상인 곳을 제외한 대부분의 곳에서 침하가 발생하고 있음을 확인하였다.
- (2008)는 생산성이 높은 lagoon지역에 인접하고 있으나, 설치 위치가 다소 다른 두 개의 어초계에 대한 환경평가를 위해 영양염 순환과 해저 생물 풍부도를 각각 조사하였다. 그 결과, 한 어초계는 생산성이 있는 계인 반면, 다른 어초계는 빈영양상태의 계로 나타났는데, 이러한 차이는 물리 순환계의 차이로 판단하였다.
- 그후 Matsumi(1988)는 파랑류를 고려하여 어초 주변에 있어서의 국소세굴에 따른 지형변동과 세굴방지책을 수리실험적으로 규명하였다. 그 결과, 현행의 공극률 60%정도인 어초에서는 하강류에 의해 생기는 어초 하부의 중앙부 세굴심이 어초의 침하량을 좌우하며, 이 때 최대 침하량은 K-C수에 관계없이 어초 한 변의 10%정도로 나타났다. 또한 국소세굴 방지 대책공법으로서는 어초 바닥에 날밑(鍔)을 부착하는 공법이 세굴방지에 뛰어난 효과를 발휘한다는 사실을 밝혔다.
- (2014)은 우리나라의 대표적인 24개의 어초에 대하여 후류역(wake region)에 대한 어초의 구조적 반응을 수치적 방법으로 조사하였다. 그 결과, 후류장(wake length)은 어초의 높이가 증가할수록 증가하지만, 주류의 유속과는 무관하다는 사실을 밝혔다.
- (2015)은 황화알루민산염(sulpoaluminate), 바다모래, 해수 등을 사용하여 만든 새로운 어초 콘크리트(New Artificial Reef Concrete, NARC)를 제안하였다. 그들이 제안한 NARC는 포틀랜드 시멘트 콘크리트와 하천 모래, 담수를 사용하여 만든 기존의 어초에 비해 가공성(질 저하, 응집력 상실, 물 유지력), 역학적 성질(압축강도, 파단인장강도, 동역학적 탄성계수), 친화성(표면 초기 pH값, 콘크리트에 있어서의 알칼리성 물질의 침출 속도) 등에 있어서 매우 뛰어난 실험결과를 얻었다.
- 4)어초의 안정성은 어초에 미치는 유체력 중 주로 항력계수를 어떻게 평가하는가에 달려 있으며, 현재 어초의 유체력 산정에 사용되고 있는 이른 바 Morison식은 다소 개선의 여지는 있으나, 실용상 큰 문제는 없는 것으로 나타났다. 또한 동일한 유체력이 어초에 작용하는 경우, 수심이 비교적 얕은 천해역에 설치되는 어초가 보다 깊은 수심에 설치되는 어초에 비해 상대적으로 유체력에 취약한 것으로 나타났다.
- 또한 어초간의 배치 간격은 현장에서의 생물학적인 경험에 기초하여 판단하되, 단체 어초 길이의 약 2∼4배 정도로 하는 것이 후류와 영역의 확대나 어초간의 상호간섭효과를 생각할 경우 어초의 최적배치조건인 것으로 판단된다.
- 또한 어초군과 어초군간의 간격은 단체 어초 길이의 약 2∼4배 정도로 하는 것이 후류와 영역의 확대나 어초간의 상호간섭효과를 생각할 경우 어초의 최적배치조건인 것으로 판단된다.
- 이들 모니터링 조사에서는 증식초로서의 어류의 위집상황 조사, 목재 부분에 있어서의 먹이동물의 발생상황 조사, 증식초 주변에 위집하는 위 내용물 조사 등이 이루어지고 있는데, 지금까지의 조사결과, 어류의 위집상황의 관찰과 합쳐서 설치후 수개월의 증식초의 목재 부분에 있어서 단기간에 지렁이류(해수중의 목재에 천공하는 이매패의 동물)가 대량으로 발생한 것이 확인되었다. 또한 이 지렁이류가 천공한 갱도의 공간이나 묵은 목재 표피 밑에서는 간극성의 갑각류(소형 새우, 게 등)나 다모류 등의 어류가 좋아하는 먹이동물이 증가한 사실을 확인하였다.
- 여기서 그들은 어초 설치시의 해저 상태(즉, 경성질 해저면 또는 연성질 해저면)와 시설 표준 체적에 근거하여, 어초의 전체 유실, 실제 사용가능한 체적 및 매몰된 체적을 추정하기 위해 세개의 체적계수를 각각 제안하였다. 비록 이들이 제안한 계수를 사용할 경우 10% 내외의 오차는 있으나 어초의 현재 상태를 확인하는 데 있어서 멀티빔이나 사이드 스캔소나의 사용 또는 잠수 조사 등을 줄일 수 있어 비용면에서 효율적임을 주장하였다.
- Jeong & Kim(2007)은 정상 흐름장에 놓인 사각형 어초 주변의 유황, 특히 세굴현상에 대하여 수치적으로 검토하였다. 이들 결과에 따르면, 전단응력이 가장 큰 어초 전면의 양 끝단에서 가장 먼저 세굴이 발생하였고, 또한 그 세굴의 크기도 어초내부의 저면에서 발생하는 세굴에 비해 상대적으로 컸다. 또한 어초 주변에서의 세굴 깊이는 Shields No.
- 이 사업에서는 수산생물에 있어서 유효한 먹이생산의 기반이 되고 수산생물의 위집효과도 발휘되는 목재 증식초의 모니터링 조사를 실시하고 있다. 이들 모니터링 조사에서는 증식초로서의 어류의 위집상황 조사, 목재 부분에 있어서의 먹이동물의 발생상황 조사, 증식초 주변에 위집하는 위 내용물 조사 등이 이루어지고 있는데, 지금까지의 조사결과, 어류의 위집상황의 관찰과 합쳐서 설치후 수개월의 증식초의 목재 부분에 있어서 단기간에 지렁이류(해수중의 목재에 천공하는 이매패의 동물)가 대량으로 발생한 것이 확인되었다. 또한 이 지렁이류가 천공한 갱도의 공간이나 묵은 목재 표피 밑에서는 간극성의 갑각류(소형 새우, 게 등)나 다모류 등의 어류가 좋아하는 먹이동물이 증가한 사실을 확인하였다.
- 이상의 결과로부터, 어초는 설치후 단위노력당의 어획량이 증가하는 등 대체로 긍정적인 결과를 보인 것으로 나타났다. 그러나 어초의 설치효과를 정량적이고 합리적으로 판단하기 위한 수단이나 방법이 아직 우리나라에서는 확립되어 있지 못한 것이 현실이라고 생각된다.
- 이상의 결과로부터, 어초에 의한 어류 위집효과는 그 배후에 형성되는 후류와(wake)의 영역 또는 후류장(wake length)이 얼마만큼 큰가에 의해 결정되며, 이 후류와 영역이나 후류장은 어초의 공극률과 K-C수가 클수록 크다는 것을 알 수 있다.
- 이상의 결과로부터, 어초의 안정성은 어초에 미치는 유체력 중 주로 항력계수를 어떻게 평가하는가에 달려 있는 것으로 생각된다. 또한 현재 어초의 유체력 산정에 사용되고 있는 이른 바 Morison식은 다소 개선의 여지는 있으나, 실용상 큰 문제는 없는 것으로 나타났다.
- 이상의 결과로부터, 어초의 크기나 어초간의 배치간격을 어느 정도로 하는 것이 어초의 집어 효과를 높일 수 있을까에 대하여는 대상 종(즉, 저서성 어류인가 또는 회유성 어류인가)에 따라 다르지만, 어초의 배치는 주류 방향에 횡단하여 설치하는 것이 바람직한 것으로 생각된다. 또한 어초간의 배치 간격은 현장에서의 생물학적인 경험에 기초하여 판단하되, 단체 어초 길이의 약 2∼4배 정도로 하는 것이 후류와 영역의 확대나 어초간의 상호간섭효과를 생각할 경우 어초의 최적배치조건인 것으로 판단된다.
- 또한 현재 어초의 유체력 산정에 사용되고 있는 이른 바 Morison식은 다소 개선의 여지는 있으나, 실용상 큰 문제는 없는 것으로 나타났다. 한편, 복수의 어초로 조성된 어초어장에서는 어초 상호간의 간섭효과, 파나 주류 흐름의 변화, 저면경사 등이 어초의 안정성에 영향을 주게 되며, 또한 동일한 유체력이 어초에 작용하는 경우에도 수심이 비교적 얕은 천해역에 설치되는 어초가 보다 깊은 수심에 설치되는 어초에 비해 상대적으로 유체력에 취약한 것으로 나타났다.
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