1. 서 론

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 상하류간의 하천 생태계를 단절시킬 수 있으므로, 이에 대한 대책으로서 다양한 형태의 어도를 설치한다(Lim, 2009).

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. 어도를 이용하는 목표어종에 대한 연구가 부족하여 어도를 이용하는 어종들의 도약력과 유영력에 대한 정보가 부족하여 목표어종의 소상능력을 고려하지 못하고 설계가 되었고 어도 설계에 관련한 수리학적인 연구가 미흡하여 어도 내 수리특성 분석 자료 및 설계기준이 명확히 제시되어 있지 않다(Lim, 2009). 또한 어도의 유속, 유량과의 밀접한 관계로 인한 어려움과 내부에 유량이 흐르지 못하는 현상이 하천내에 방치되어 있어 어도 본래의 기능을 다하지 못하는 실정이다.

어도의 기능을 원활히 유지 및 수행하기 위해서는 어도 내의 수리학적 특성을 대상 어류종의 대하여 적합하도록 설계하는 것이 가장 중요하다. 또한 어류가 어도를 통하여 상류로 소상함에 있어 적절한 흐름구조가 형성되어야 한다. 다기능보에는 인공형어도 및 인공하도식 어도가 설치되어 생태계가 단절되지 않도록 운영하고 있다. 또한 어도 상류 측에는 가동보를 설치하여 하천유량에 상관없이 항상 어도내로 일정하게 물이 흘러가게 하고 있다. 어도 내의 유입유량은 수리학적 특성과 밀접한 관계가 있어 적절한 어도 내 유입유량을 찾는 것이 중요하다.

어도 내의 이동효율과 관련한 연구는 수리실험, 현장조사, 수치모의 기법으로 구분할 수 있다. 어도와 같이 미세한 월류 수심으로 그 성능이 좌우되는 수리구조물은 세부설계를 수행함에 있어 1차원 수리계산으로는 분석이 불가능하다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 어류 모니터링, 수리모형실험이 주로 이용되어 왔지만 시간적, 공간적, 경제적인 제약이 따를 뿐만 아니라 정확성 및 적용성에 한계가 있다. 최근에는 다양한 전산 유체역학 프로그램들이 개발되어 수치모의에 의한 어도 내 흐름에 대한 연구가 이루어지고 있다. 국내 연구사례를 살펴보면 Kim et al.(1994)는 계단식어도의 흐름을 수리모형실험을 통하여 계단식 어도에 잠공을 설치하는 경우 신중을 기하여야 한다고 밝혔다. Kim et al.(2006)은 수정 라리니에식 어도에서 경사와 조류제 형태별 유속을 조사하고 어류의 소상능력을 평가하였다. Baek et al.(2008)은 왕숙천의 어도를 대상으로 HEC-RAS를 이용하여 1차원 흐름해석과 RMA-2를 이용하여 2차원 흐름해석을 하였고, SED-2D를 이용하여 어도 입출구부의 세굴 퇴적 양상을 분석하였다. Kim et al.(2012)은 아이스하버식 어도의 격벽 간격에 따른 수리특성을 분석하였다. Ahn et al.(2012)은 아이스하버식 어도에서 비월류부에서의 순환류 특성과 월류부에서의 수리특성을 분석하였다. 국외 연구사례를 살펴보면 Liu et al.(2006)은 연직슬롯(vertical slot)식 어도를 난류흐름에 가깝게 적용하여 그에 대한 흐름 특성을 분석하였다. Cea et al.(2007)은 연직슬롯식 어도를 대상으로 난류흐름 모의가 가능한 모형을 이용하여 어류가 이동 가능한 평균적인 수심분석을 실시하였다. Stephan et al.(2008)은 풀(pool)식 어도에서 FLOW-3D 모형을 이용하여 어도 내의 흐름특성을 분석하였다. 그러나 어도의 흐름특성에 관한 연구는 어도 설치와 구조물 개발에 비하여 연구결과가 빈약한 실정이며, 어도 내 흐름특성분석은 구조물의 기하학적 형상의 변화에 따른 흐름특성 변화만을 분석하였고 기 설치된 어도의 적절한 기능 수행을 위한 연구는 이루어지지 않았다.

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.

2. 연구방법

2.1 어도내 흐름특성

인공형 어도 설계에 있어 두 가지 중요한 인자는 유속과 흐름구조이다. 어도 내의 최대 유속은 대상어류의 돌진속도보다 작아야 하며, 어도 내의 흐름구조는 어류가 쉽고 안전하게 소상함에 있어 적절해야 한다. 어도 내의 흐름구조는 어도 구성이 조금만 변화더라도 흐름은 쉽게 변화하므로 파악하기 어렵다. Clay(1961)는 어도 내 흐름구조를 표면류(streaming flow)와 잠입류(plunging flow) 두 가지로 구분하였다(Fig. 1(a), 1(b)). Hayashida et al.(2000)은 Clay(1961)가 정의한 두 가지 흐름특성의 천이구간인 경사류(inclined flow)를 추가하여 구분하였다(Fig 1(C)). 표면류의 경우 어류는 종종 상류방향을 잃어버리고 소상을 실패하지만 잠입류의 경우 적절한 어도 내 흐름특성으로 어류는 배플(baffle)을 통해 쉽게 소상할 수 있어 어도 내의 적절한 흐름구조라고 할 수 있다.

2.2 FLOW-3D 모형의 개요

FLOW-3D 모형에서 지배방정식으로 사용하는 비압축성 유체에 대한 연속방정식과 운동량 방정식은 Eqs. (1)∼(4)와 같다.

         (1)

   

      (2)

  

      (3)

  

      (4)

여기서, 는 유체에 접하고 있는 체적, 는 유체의 밀도, 는 난류확산항, 는 질량생성항, 는 방향으로의 유속, 는 방향 유체의 접촉 면적, 는 Body Acceleration 이고, 는 Viscous Acceleration, 는 구조물을 통과하면서 발생되는 손실을 표시하며, 마지막 항은 계산영역내의 질량생성을 의미한다(Lim, 2009).

3. 모형의 적용 및 분석

3.1 연구대상지역

본 연구에서는 대구광역시 달성군에 위치한 낙동강 달성보 내 아이스하버식 인공형 어도를 대상으로 하였다(Fig

. 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. 2012). 달성보 아이스하버식 인공형 어도의 제원은 길이 약 83 m, 폭 8 m, 경사 5%, 구조물은 비월류부 3열, 월류부 4열로 총 7열 35행으로 조사되었으며 상류측에서 유량에 관계없이 흘러 내려 보내는 방식인 기설치된 다른 어도와 달리 상류단에 가동보가 설치되어 갈수시 또는 비상시에 유량조절이 가능하도록 하였으며 Set-back식 어도로 설치되었다. Set-back식 어도는 기존의 돌출식 어도는 횡단구조물인 보 본체에서 하류측으로 돌출되어 어류가 횡단구조물 바로 하류에 체류하기 쉽고 어도 하류 끝에 도달하기 어렵다는 단점이 일본에서 제시되어 이를 보완하여 제시된 어도형태가 Set-back식 어도로 보의 상류측에서 끌어들인 형태로 어도의 하류 끝단을 보의 축에 맞춘 것으로 어류가 이동을 쉽게 할 수 있도록 되어있다(Choi. 2012).

3.2 3차원 모형 구축

본 연구에서는 Autocad 프로그램을 이용하여 실제어도와 동일한 제원의 어도를 3D solid로 구축하였다. 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. 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.

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 안정화 시키기 위하여 결과 도출시간을 1,200 sec로 지정하였으며 유량조건을 제외한 격자망 및 나머지 경계조건은 동일하게 지정하였다.

3.3 수치모의를 통한 어도 내 흐름특성 분석     

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. 순환류라 함은 흐름이 흘러오던 방향으로 다시 방향을 바꿔 역으로 흐르는 흐름으로 순환류의 크기가 세기 등은 격벽의 간격과 높이 등의 변화에 민감하여 흐름방향에 거슬러 소상하는 어류에게는 직접적인 영향을 주며, 순환류 유속의 정도가 커지면 어류는 소상하지 못하고 포켓내부에서 순환을 하게된다(Ahn et al. 2012). 분석지점은 인공형 어도의 중간 지점인 15번째, 16번째, 17번째 어도구조물을 비교·분석지점으로 하였으며, 자유수면에 가까운 월류부로 부터 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).

3.3.1 수평흐름 특성

유량조건 변화에 따른 구조물 상부의 유속분포는 다음과 같다(Fig. 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. 6). 비월류부에서는 순환류가 발생하였고, 유량이 1.2 m3/s 이상일 때 중앙 비월류부에서는 역류하는 흐름과 주변흐름이 혼합되어 순환류는 발생하지 않았으며(Fig. 6(C)) 유량이 1.4 m3/s일 때 비월류부 모두에서 순환류가 발생하지 않았다(Fig. 6(D)). 이는 유량 증가시 어도를 이용하는 어류의 휴식공간이 감소되는 것을 알 수있다.

어도 하부에서의 유속은 상부에 비하여 전체적으로 낮은 유속분포를 나타내었다(Fig. 7). 유량이 0.6 m3/s일 때 잠공부근에서의 평균유속은 0.55 m/s, 최대유속은 1.59 m/s, 0.8 m3/s일 때 잠공평균유속은 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. 8). 이는 0.8 m3/s이하일 때는 잠입류, 1.2 m3/s이상일 때는 표면류의 영향으로 판단된다.

3.3.2 연직흐름 특성

유량조건에 따른 잠공이 위치한 월류부 연직흐름분포는 다음과 같다(Fig. 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. 어도의 상부와 하부에서는 월류 직후인 ⓐ 단면의 유속이 가장 높았고 중간부분에서는 ⓐ 단면의 유속이 가장 느린 것으로 나타났다(Fig. 10).

유량조건에 따른 월류부 연직흐름분포는 다음과 같다(Fig. 11). 유량이 0.8 m3/s일 때 월류하는 흐름은 바닥으로 향한 후 다음 격벽에서 상승한 후 월류하는 흐름과 상류 측으로 역류하는 흐름이 발생 한다. 유량이 1.2 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 0.6 m3/s과 0.8 m3/s일 때 ⓒ 단면 상부에서 역류하는 흐름이 발생하였으며 유량이 0.6 m3/s일 때만 ⓑ 단면 상부에서 역류하는 흐름이 발생하였다. 유량 1.2 m3/s과 1.4 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.

   

4. 결 론

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 0.6 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.

(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 0.8 m3/s 이하로 유지해야 할 것으로 판단된다.

(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.

(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.