1. 서 론
2. 수리실험
2.1 실험조건
2.2 LS-PIV 유속측정
2.3 실험결과
3. 어류서식처 적용
3.1 난류운동에너지
3.2 재순환영역
3.3 실험결과 적용
4. 결론 및 향후연구
1. 서 론
수제는 흐름 방향과 유속을 제어하여 하안 또는 제방을 유수에 의한 침식작용으로부터 보호하기 위해 호안 또는 하안 전면부에 설치하는 구조물로, 하천 내에서 다양한 생태 환경을 제공할 수 있어 하천의 환경 기능을 향상시키는 데 활용될 수 있는 다용도 구조물이다. 따라서 하천설계기준 ‧ 해설(KWRA, 2019)은 수제는 하안 또는 제방보호 뿐만 아니라 생태학적 및 친수환경적인 측면을 고려할 것을 제시하고 있다. 그러나 수제를 다양한 측면의 적용범위를 고려하여 설계할 수 있도록 하는 적합한 설계기준이 제시되어 있지 않으며, 현재 국내에서 이용되는 수제 설치 기준은 유럽이나 일본에서 제안된 경험공식에 근거하고 있을 뿐이다(Lee et al., 2018). 향후 하천 안정화 및 환경개선 등과 같은 수제가 활용될 수 있는 분야에서 다양한 설계 요구사항을 모두 만족하기 위해서는 수제로 인한 흐름의 변화가 야기할 수 있는 문제점에 대해서 연구가 필요한 실정이다. 현재 제시하고 있는 국내외 수제 설계기준은 Table 1과 같다.
Table 1.
Comparison of squr dikes design criteria
국내 ‧ 외에선 수제 주변의 흐름특성에 관련된 연구가 활발히 수행되어 왔다. Kang et al.(2006)은 실험을 통해 수제의 설치간격에 따라 변화하는 수제 주변의 유속을 측정하여, 적절한 수제간격을 결정할 수 있는 기초자료를 제공하였다. Lee and Jang(2016)은 수치모형을 이용하여 수제의 간격과 길이변화에 따라 변화하는 흐름과 함께 발생하는 하도 특성의 변화를 연구하였다. 또한, Jeon and Kang(2016)의 연구에선 개수로 내에 설치된 수제 주위에서 발생하는 난류 흐름의 특성을 분석하였으며, Froude 수에 따른 재순환영역의 상관관계는 미미한 것을 밝혀냈다. Lee et al.(2018)은 개수로에 잠긴 수제를 설치하고, 3차원 흐름을 분석하여 잠기지 않은 수제를 이용한 Jeon and Kang(2016)의 연구결과와 비교하였다. 이로 인해 잠기지 않은 수제의 경우가 잠긴 수제의 경우보다 난류에너지 크기가 큰 것을 관찰할 수 있었다. Nayyer et al.(2019)은 수치모의를 수행하여 수제주변의 세굴을 방지하기 위한 목적으로 유속 및 난류운동에너지 등을 줄일 수 있는 방안을 제시하였다.
또는 수제로 인해 발생하는 흐름의 변화를 환경적인 측면으로도 적용시킬 수 있다. Kim and Jee(2009)는 수제역 내의 재순환영역이 하천환경을 개선시킨다는 기능을 중점적으로 연구하였으며, 수제는 안정된 유량 및 수심확보, 수질개선, 서식공간의 다양화 등과 같은 환경적인 측면에서의 여러 가지 이점을 제공한다고 주장하였다. 이처럼 수제로 인해 발생하는 흐름의 변화에 대한 연구가 활발히 수행되고 있으며, 동시에 이러한 흐름의 변화를 환경적인 측면에 적용시키려는 노력이 나타나고 있다. 그러나 수제의 환경적인 기능 중 하나인 수생물의 서식환경 개선효과는 아직 정량화되기 어려운 실정이며, 이를 해결할 수 있는 적절한 설계기준도 제시되어 있지 않다.
수제역 내의 재순환영역(Recirculation zone)은 하천의 플랑크톤을 수제 뒤쪽으로 운반하여 어류에게 풍부한 먹이를 제공할 뿐만 아니라 어류에게 적합한 서식지를 제공할 수 있다(Chang et al., 2019). 재순환영역은 비교적 느린 유속을 가지는 구간이기 때문에 어류들에게 휴식처가 될 수 있다고 받아들여지고 있다. 이처럼 일부 어류들에겐 수제로 인해 발생하는 재순환영역이 휴식처의 역할을 할 수 있지만, 하류에서 상류로 이동해야하는 어류들은 재순환영역으로 인해 방해를 받을 수 있다. 어류는 순환류의 영역이 너무 크면 방향을 잃게 되어, 어류의 이동 효율이 심각하게 감소되기도 한다(Zheng et al., 2022). 또한, 재순환영역의 유속이 어류의 유영속도보다 큰 경우에는 어류가 재순환영역에 갇히는 경우가 발생하기도 한다.
앞서 살펴본 바와 같이 수제가 설치되면 하천의 환경은 변화하게 되는데, 하천 및 수제의 특성에 따라 흐름이 다양하게 변화한다. 이에 따라 수제의 설치는 어류가 변화하는 환경을 적응할 수 있는 범위 내에서 수행되어야 한다. 그러나 현재 어류에게 가장 적합한 난류운동에너지 및 재순환영역에 대한 정량적인 연구가 부족한 실정이며, 수제의 설치로 인한 흐름의 변화를 대비하는 정확한 설계 기준조차 정립되어 있지 않다. 따라서 어류에게 적합한 환경을 제공할 수 있는 수제를 설계하기 위해서 어류에 대해 친화적인 흐름특성을 제공할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 어류의 서식환경을 개선할 수 있도록 수리실험을 통해 수제로 인해 변화하는 흐름특성을 분석하여, 난류운동에너지 및 재순환영역이 어류서식처에 미치는 영향을 검토하였다.
2. 수리실험
본 연구에서는 수제로 인한 흐름의 변화를 분석하기 위해 LS-PIV기법을 이용하여 수제역 내에서의 표면유속을 측정하였다. 본 수리실험은 Fig. 1과 같은 순서대로 수행하였으며, LS-PIV기법으로 측정한 표면유속을 분석하여 난류운동에너지 및 재순환영역을 산정하여 어류서식처에 미치는 영향을 검토하였다.
2.1 실험조건
본 수리실험은 직선 개수로에서 수행하였으며, 길이는 30.00 m, 폭은 1.52 m, 높이는 1.00 m이다. 수제 모형은 직각수제로 길이 0.50 m, 폭 0.10 m, 높이 0.25 m이며, 실험 수로의 양 측면을 따라 각각 2.0 m, 6.0 m의 간격을 두고 엇갈림 배열로 설치하였다. 수로의 하류 수문 높이를 조절하여 0.2~0.4 m의 수심조건을 형성하였으며, 수제의 잠김 정도에 따른 실험조건을 설정하였다. Fig. 2는 실험수로와 수로 내 설치된 수제의 모형을 나타내고 있으며, Fig. 3은 수제가 설치된 수로의 평면도를 도식화하여 실험조건을 나타내고 있다. Table 2와 같이 실험 수심(H)은 0.20 m, 0.25 m, 0.30 m, 0.40 m으로 4가지의 조건으로 설정하여 총 8가지의 케이스로 구성되었으며, 잠김정도는 수로의 수심과 수제의 높이 비(H/H*)를 이용하였다. 수제역의 잠김정도와 설치간격에 따라 발생하는 흐름특성의 차이를 분석하기 위한 목적으로 실험조건을 구성하였다.
Table 2.
Experimental condition
2.2 LS-PIV 유속측정
유속은 Table 3에 나와있는 SONY사의 카메라인 DSC-RX100M5A를 사용하여, LS-PIV기법으로 표면유속을 측정하였다. LS-PIV기법은 영상해석기술을 이용하여 유속을 측정하는 PIV(Particle Image Velocimetry)를 비교적 큰 영역에 적용함으로써 표면유속을 측정할 수 있는 영상측정기법이다(Kang and Kim, 2018). LS-PIV는 ADV와 같은 특정 지점의 유속을 측정하는 유속기기의 한계를 극복하여 대상 영역 전체의 순간 유속장을 획득할 수 있기 때문에 구조물 주변의 국부적 흐름변화를 측정하기에 탁월한 장점을 가지고 있다(Ettema and Muste, 2004). LS-PIV기법은 유속을 측정하기 위해 영상획득, 영상변환, 영상분석의 3가지의 실험과정으로 수행된다.
Table 3.
Specifications of camera
| Camera model | Resolution | frame rate |
| SONY DSC-RX100M5A | 1,920⨯1,080 UHD | 30 frame/second |
2.2.1 영상획득
표면유속 측정영역으로부터 충분히 상류 위치에서 하폭에 걸쳐 최대한 균일하게 추적자를 투입하였다. 영상촬영장치를 활용하여 각 실험조건마다 최소 300초간 30 fps, 해상도 1920⨯1080 FHD의 조건에서 동영상을 촬영하였으며, Fig. 4와 같이 촬영된 동영상으로 정지영상을 획득하였다.
2.2.2 영상변환
영상획득 시 비스듬한 각도로 수표면의 영상을 촬영하므로 카메라 촬영각도에 따른 원근상의 왜곡을 수정하였다. Fig. 5에 나타나듯이 영상왜곡 보정을 위하여 사전에 측량된 4점의 물리적 좌표를 활용하고 2차원 투영 좌표 변환법(Fujita et al., 1997)을 적용하여 영상을 변환하였다. 2차원 투영좌표 변환법은 8개의 변환계수를 이용하므로 4개의 참조점을 이용하여 계산될 수 있으며, Fig. 6의 물리좌표계(,)와 영상좌표계(, )간의 관계는 식 (1)과 식 (2)로 나타난다. 물리좌표계란 본 실험에서 참조점에 대한 좌표이며, 영상좌표계란 영상의 좌상단을 원점으로 하는 화소 단위의 좌표계이다.
여기서, , 는 물리적좌표계, , 는 영상좌표계에 대한 좌표이며, 은 회전, 병진 등을 위한 변환계수를 의미한다.
참조점의 좌표를 정하고, 참조점으로부터 8개의 변환계수가 정해진다. 8개의 변환계수를 이용하여 식 (1)과 식 (2)를 반복 계산하여 나머지 좌표에 대한 변환을 수행하게 된다. 이와 같이 영상좌표를 역변환하여 물리적좌표를 계산할 수 있으며, 이는 Fujita et al.(1997)에 의해 제시된 식이다.
2.2.3 영상분석
표면유속계산은 연속된 한 쌍의 정지영상에서 입자군 이동으로부터 유속벡터를 산정하며, 이 때 상관영역(Interraogation area) 및 검색영역(Searching area)의 크기를 결정하는 것이 중요하다. Fig. 7에서는 상관영역 및 검색영역의 예시가 나타나있다. 상관영역은 상관계수 계산을 위한 입자군의 크기를 의미하며, 이 크기를 기준으로 상관계수를 결정한다. 검색영역은 두 번째 영상 내에서 동일한 입자의 판별을 위한 검색범위로, 이 영역 내에서 상관계수를 계산한다. 본 실험에서는 투입된 입자크기를 고려하여 상관영역을 설정하였으며, 획득된 정지영상의 흐름을 개략적으로 분석하고 동일한 입자군의 최대 이동 화소를 고려하여 검색영역을 설정하였다. 그러나 흐름조건에 따라 상관계수에 수렴하는 검색영역의 크기를 조절해야 하는 경우가 발생하였으며, 시행착오법으로 적절한 크기의 검색영역을 설정하였다. 따라서 상관영역의 크기(pixel)를 128⨯128, 검색영역의 크기를 512⨯512로 설정하여 계산을 수행하였다.
촬영된 영상을 이용하여 개수로 흐름의 표면유속을 측정하기 위한 기본 알고리즘은 일반적으로 상호상관법을 사용한다. 상호상관법은 식 (5)로 정의되며, 두 장의 연속된 영상에서 첫 번째 영상 내 입자군의 명암값과 두 번째 영상의 명암값에 대한 상관계수를 계산하여 상관계수 의 값이 1에 가장 가까운 입자군을 찾아서 이동거리를 계산하는 방법이다(Fujita et al., 1998).
여기서, , 는 상관영역의 크기, , 는 각각 dt 시간간격으로 연속되는 두 영상 내의 상관영역의 화소에 대한 열과 행에 대한 명암값을 나타내고, , 는 상관영역 내의 모든 명암값 평균이다
두 정지영상에서 입자들 간의 이동거리를 구하고 이를 두 영상간의 시간간격으로 나누어 계산을 수행하여 순간 유속장을 획득하였다. 순간 유속장에서는 다양한 원인에 의하여 오류벡터가 발생하며, 본 분석에서는 상관계수 기준 범위를 0.70~0.99로 설정하여 기준범위를 벗어난 경우 해당 벡터는 계산에서 제외하였으며, 주변의 벡터로 보간하였다. 보간법은 공간정도 및 연산시간의 두가지면에서 합리적인 보간법으로 평가되고 있는 2차 테일러전개 보간법(식 (6))을 선정하였다(Choi et al., 1996). 따라서 최종적으로 순간 유속장을 시간평균 계산을 하여 해당 구간의 평균 유속장을 획득하였다.
2.3 실험결과
LS-PIV기법을 이용하여 분석된 재순환영역 및 유속장은 각각 Figs. 8 and 9와 같다. Fig. 8은 수제로 인해 변화되는 재순환영역을 케이스별로 나타내고 있으며, Fig. 9는 수제역 내에 유속장을 케이스별로 나타내고 있다. 이를 통해 난류운동에너지(Turbulence Kinetic Energy, TKE)의 분포를 산정하였으며, Fig. 10과 같다. 난류운동에너지는 유속결과로 계산할 수 있으며, 식 (7)을 이용하였다.
여기서, 는 난류속도성분이며, 는 난류속도성분의 평균을 의미한다.
3. 어류서식처 적용
수리실험을 통해 산정한 난류운동에너지 및 재순환영역을 기준으로 어류에게 적합한 서식지가 될 수 있는지 판단하였다. 난류운동에너지 및 재순환영역의 적합기준은 선행연구의 결과를 이용하여 산정하였다.
3.1 난류운동에너지
난류운동에너지는 어류의 움직임에 영향을 미치는 주요 요소 중 하나로 알려져 있다. 과도한 난류는 어류가 적절한 방향으로 이동하는 것을 방해하며, 어류가 수제역 내에서 정체하는 시간을 증가시킨다(Bermúdez et al., 2010; Marriner et al., 2016). Marriner et al.(2014)은 난류운동에너지를 0.05 m2/s2로 기준으로 하여 어류의 선호도를 실험하였으며, 실험 결과 0.05 m2/s2 이하의 난류운동에너지에서 어류의 선호도가 높다고 밝혀졌다. 이 기준을 적용하여 Shahabi et al.(2021)은 어류를 대상으로 난류운동에너지에 대한 실험을 수행하였으며, 0.05 m2/s2 이상의 값으로 증가할수록 어류에게 과도한 스트레스를 부과하여 어류가 폐사할 가능성이 높다고 밝혔다. 따라서 수제역 내 난류운동에너지의 기준은 어류가 스트레스를 받아 폐사할 수 있는 수치인 0.05 m2/s2로 한다.
3.2 재순환영역
재순환영역은 수제역 내 저속구역의 역할을 하여 어류들에게 충분한 휴식공간을 제공한다. 그러나 재순환영역이 과도하게 발생한다면 하천흐름을 방해하며, 수질이 저하되고 하상변동으로 인한 어류의 서식처 변화가 발생할 수 있다. 수제역 내의 흐름과 유사한 흐름양상이 나타나는 어도 같은 경우는 어류에게 휴식처를 제공할 수 있도록 어도 내의 저속구역이 30~50%를 차지해야한다(Bell, 1986). 이와 같은 기준을 이용하여 재순환영역의 기준은 수제역 내 30~50%로 한다. 따라서 수제역 내에서 발생하는 흐름특성은 Fig. 11과 같이 설명할 수 있다.
3.3 실험결과 적용
난류운동에너지는 0.05 m2/s2 이상의 값을 가지는 면적을 총면적으로 나눠 무차원화를 하였으며, Case별 난류운동에너지의 발생정도를 비교하였다. 비교 결과 8가지의 Case 중 Case 1, 2, 5에서만 0.05 m2/s2 이상의 값이 나타났으며, 수제간격이 2 m인 Case에서 수제간격이 6 m인 Case보다 0.05 m2/s2를 초과하는 난류운동에너지의 분포가 최소 7%에서 최대 20%까지 차지하고 있다. 또한 유량이 일정한 경우, 수제의 잠김정도에 따라서도 난류운동에너지의 차이가 나타났으며, 수제가 완전히 잠겨있는 상태에서는 난류운동에너지가 기준 값을 초과하지 않았다. 난류운동에너지가 기준 값을 초과한 3가지의 Case인 Case 1, 2, 5에서는 각각 21, 7, 13%의 구역에서 어류에게 부적합한 난류운동에너지가 발생하였다.
재순환영역도 난류운동에너지와 마찬가지로 무차원화를 하였으며, 수제의 간격이 짧고 잠김정도가 낮을수록 큰 값이 나타났다. 재순환영역은 난류운동에너지에 비해 큰 구간을 차지하고 있으며, Case 1에서는 측정구간의 절반 이상이 재순환영역으로 나타났지만 Case 4와 8에서는 비교적 낮은 유속으로 인해 재순환영역은 전혀 나타나지 않았다. Bell(1986)이 제시하고 있는 저속구간의 기준 30~50%에 부합하는 케이스는 단지 3 Case로 각각 39, 42, 37%로 나타났다. Case 1에서는 재순환영역이 52%로 기준을 초과하였는데, 이는 난류운동에너지와 재순환영역의 기준을 모두 초과하여 어류의 서식환경으로 부적합하다고 할 수 있다. 케이스별 재순환영역과 난류운동에너지의 크기의 결과는 Table 4와 Fig. 12에 정리하였다. 따라서 수로폭 대비 수제의 간격이 2/1이며 잠김정도가 낮은 Case에서 난류운동에너지와 재순환영역의 크기 및 분포가 비교적 큰 것으로 나타나, 수제의 간격이 짧고 잠김정도가 낮을수록 어류의 서식환경 측면에서는 부정적인 영향을 초래할 수 있다는 것을 추정할 수 있었다.
Table 4.
Recirculation zone and TKE area on experimental condition
4. 결론 및 향후연구
본 연구에서는 수리실험을 통해 수로폭 대비 수제간격(2/1 또는 6/1) 및 잠김정도에 따라 변화하는 흐름에 따라 어류서식처의 영향을 검토하였다. 수리실험의 결과로 일부 Case에서 수제 설치 후에 어류의 서식환경으로서 부적합하다고 나타났다. 이로 인해 수제를 설계함에 있어서 어류의 서식환경측면을 고려하기 위해서는 난류운동에너지 및 재순환영역의 크기를 계산하는 것이 선행되어야 할 필요가 있음을 주장한다.
본 연구의 결과를 통해 수제로 인한 재순환영역이 어류의 서식환경 개선 측면에서 중요한 역할을 하는 요인으로 밝혀졌으며, 앞으로의 연구방향을 제시하고 있다고 볼 수 있다. 보다 정확하게 서식환경을 고려하기 위한 설계식을 도출하기 까지는 많은 연구가 필요할 것이며, 오랜 기간이 소요될 것이다.
국내의 경우 수제 설치에 대한 어류의 서식환경 측면에서의 연구가 미비하기 때문에 다양한 수제에 대해서 설계기준을 단번에 정립하기에는 어려움이 있었다. 그리하여, 다양한 케이스의 추가적인 연구를 통해 수제의 정량적인 설계기준을 산정하는 것이 필요할 것으로 판단된다. 또한, 향후 주기적으로 변화하는 하천유량에 따라 수제가 어류서식처 변경, 하상변동, 홍수위에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하여 서식환경 측면뿐만이 아니라 다른 측면까지 포함할 수 있는 수제의 종합적인 설계기준을 제시할 필요가 있을 것이다.
