2.1 자료 수집 및 현장 조사

Fig. 1은 본 연구에서 수집한 동해안과 서해안의 인공어초 설치 지반의 현장 조사 위치를 각각 나타낸다. 이때 현장 시료를 채취한 위치는 한국수산자원공단에서 제공한 기초 자료 조사 결과를 토대로 실내실험에서 사용할 현장 시료의 채취 위치(investigation location)를 결정하였다.

지반 조건에 따른 인공어초의 세굴 특성을 알아보기 위해 동해안 및 서해안 지반의 현장 시료를 채취하였다. Fig. 2는 현장 조사 및 시료 채취 전경을 나타낸다. 현장에서 채취한 시료는 자연상태의 해저지반을 채취한 것으로 다량의 조개, 굴패각 등 불순물이 포함되어 있는 경우가 있으므로 채취한 시료를 48시간 동안 자연 건조한 후 4번체(4.75 mm)를 이용하여 불순물을 제거하였다. 불순물 제거 후 입도분포시험을 수행하였으며 그 결과는 Fig. 3과 같다. 입도분포시험은 실험의 정확성을 위해 각각 3회씩 수행하였다. 입도분포시험 결과 동해안 시료의 평균 입경(D50)은 0.35 mm, 서해안 시료의 D50은 0.08 mm로 나타났다.

Table 1은 각각 동해 및 서해 시료의 기본 물성 실험 결과를 나타낸다. 각 지반에 대하여 통일분류법으로 분류한 결과 동해 지반과 서해 지반이 각각 입도불량한 모래(SP)와 모래질 실트(ML)로 나타났다.

Fig. 1. Investigation Location at the Site of Artificial Reef Installation

Fig. 2. Overview of On-site Seabed Soil Sampling: (a) On-site Visit, (b) Seabed Soil Sampling Equipment, (c) Sample Transportation

Fig. 3. Particle-size Distribution Curve

2.2 실험 방법

동해안 및 서해안 연안에서 채취한 시료의 세굴 특성을 알아보기 위해 2차원 흐름 수조 실험을 수행하였다. Fig. 4는 2차원 흐름 수조의 단면과 계측 장치를 나타낸다. 2차원 흐름 수조는 수조를 따라 일정한 유속으로 흐르는 물이 파이프를 통해 다시 순환되는 구조로 되어 있다. 모터를 통해 유량을 조절하여 유속의 크기를 결정할 수 있다. 세굴의 깊이와 유속은 레이저 및 유속계에 연결된 컴퓨터를 이용하여 실시간으로 측정하였으며, 카메라를 통해 인공어초의 기울어짐을 관측하였다. 또한 실시간으로 세굴의 발생 깊이를 측정하기 위하여 Fig. 5와 같이 레이저를 인공어초 전면부 가장자리에 위치하였다. ^{Yun et al.(2022)}는 수치해석을 통해 인공어초 주변부의 세굴 발생 경향을 확인하였으며, 이를 통해 최대 세굴은 인공어초의 전면부 가장자리에서 발생하는 것을 확인하였다.

Fig. 4에 나타난 각각 장비에 대한 내용은 다음과 같다. 먼저 (1)은 유속측정기를 나타낸다. 본 연구에서 사용한 유속측정기는 Nortek 제품으로 3개의 센서를 이용해 유속을 실시간으로 측정하며, 최대 3 m/s까지 유속을 측정할 수 있다. (2)는 인공어초 전면부를 측정하는 레이저 센서와 카메라를 나타낸다. 레이저 센서는 10-6 m까지 변위 측정이 가능하며, 초당 10개의 데이터를 수집하여 시간 변화에 따른 세굴 변화량을 정밀하게 측정하였다. 카메라를 통해 인공어초가 세굴되는 형상을 촬영하였다. (3)은 유출된 물을 받는 물탱크를 나타낸다. 유속의 재현을 위한 기본적인 형태는 물이 순환되는 구조이며, 실험을 진행하는 메인 수조에서 유출된 물이 물탱크로 모이며, 이는 다시 모터를 통해 파이프 관을 지나 상부로 올라가 유속을 구현한다. (4)는 유속측정기, 레이저 및 카메라 데이터를 수집하는 모니터링 현황이다. (5)는 유속의 크기를 조절하기 위한 모터를 나타낸다.

2차원 흐름 수조 실험에 적용한 수심, 유속 및 인공어초의 크기는 상사법칙(law of similarity)를 고려하여 1:40으로 크기를 축소하여 수행하였다. 이때 실험의 세부 조건은 Table 2에 나타난 바와 같다. 수심은 인공어초의 설치 깊이를 고려하여 10 m로 결정하였으며, 유속의 크기를 점진적으로 변화시키며 실험을 수행하였다. 초기 유속의 크기는 10 cm/s에서 시작하였으며 2.0 cm/sec씩 증가하면서 실험을 수행하였다. 여기서 일정한 유속 상태에서 세굴 깊이가 더 이상 증가하지 않고 5분 이상 유지될 때 다음 단계의 유속으로 크기를 증가시켰다.

Fig. 4. 2-D Flow Water Tank Equipment: (1) Velocity Measurement, (2) Laser Sensor, (3) Water Tank, (4) Computer, (5) Motor

Fig. 5. Location of Scour Depth Measurement Using a Laser Sensor

3.1 인공어초 실태 조사 결과 분석

동해안 및 서해안 해역에 설치된 인공어초의 침하(settlement) 및 세굴(scour) 등과 같은 인공어초의 소실 현황을 확인하기 위하여 기초 자료를 수집하였다. 여기서 인공어초 설치 현황에 대한 기초 자료 조사는 한국수산자원공단(FIRA)에서 제공받은 자료와 선행 연구 문헌을 참고하였다.

동해안 및 서해안 지반에 설치된 인공어초에 대하여 침하 및 세굴 등과 같은 인공어초의 소실 종류와 더불어 전체 설치 수량 대비 소실된 수량의 비율을 확인하였다. Table 3은 동해안 및 서해안에 설치된 인공어초의 조사 결과를 나타낸다. 여기서 소실비(loss ratio)는 전체 설치된 인공어초 수량 대비 소실된 인공어초 수량의 비율로 계산하였다. 여기서 인공어초의 상태 조사는 해저지형 정밀조사기기인 다중빔 음향측심기(Multi Beam Echo Sounder) 및 전문 다이버(Scuba diver)에 의한 수중카메라 촬영, 육안 관찰 등을 통해 세굴 및 침하에 대한 인공어초의 소실 현상을 분류하였다.

수집된 자료는 동해안 13개소, 서해안 18개소이다. 침하 및 세굴 등과 같은 인공어초 소실 상태와 각 조사 지역에 대한 모래, 실트 및 점토 등과 같이 인공어초가 설치된 지반 특성을 분류하였다. 인공어초 설치 지역의 지반 구성비를 조사한 결과, 동해안 지반은 모래 비율이 96 %로 대부분 모래로 이루어진 것으로 조사되었다. 반면 서해안 지반의 경우 모래 78 %, 실트 21 %로 모래와 실트가 약 3:1의 비율로 구성되어 있는 것으로 조사되었다.

Fig. 6. Loss Rates Distribution according to Loss Types of Artificial Reef

Fig. 6은 동해안 및 서해안 지역에서 침하와 세굴에 대한 소실비(loss ratio) 분포를 나타낸다. 두 지역 모두 침하에 의한 소실보다 세굴에 의한 소실 비율이 더 크게 나타났다. 각각 조사 지역에 대한 침하에 대한 소실 비율을 살펴보면 동해안 지역은 평균 약 8.4 %, 서해안 지역은 약 6.5 %로 나타났으며, 대부분 10 % 이하로 나타났다. 세굴에 의한 인공어초의 소실 비율 분포를 살펴보면 동해안 및 서해안 지역에 따라 큰 차이를 보이는 것으로 나타났다. 먼저 동해안 지역의 경우 세굴에 대한 소실 비율은 평균 약 24 %로 나타났으며, 50 % 이상 소실되지 않고 유지되는 것으로 나타났다. 반면 서해안 지역의 세굴에 의한 인공어초 소실 비율 분포를 살펴보면 대부분 50 %를 초과하였으며, 인공어초가 전량 소실된 지역도 있는 것으로 조사되었다. 즉, 동해안 및 서해안 지역에 설치된 인공어초의 소실은 침하보다는 세굴에 더 취약한 것으로 확인되었으며, 특히 서해안 지역의 경우 세굴에 의해 전체가 소실될 수도 있는 것으로 나타났다.

본 연구의 결과는 제한된 조사 내용의 자료를 기반으로 분석되었으므로 해당 지역의 지반 특성을 완전히 대표한다고 하기에는 한계가 있다. 따라서 추후 인공어초 설치 지반의 실태 조사 및 데이터 확보 등을 통해 결과의 분석 및 검증을 수행해야 할 필요가 있다.

3.2 세굴 실험 결과

Fig. 7은 동해안 및 서해안 시료에 대해 2차원 흐름 수조 실험을 수행하여 인공어초의 유속 단계에 따른 세굴 깊이의 변화를 나타낸다. 여기서 단계별 유속 제어로서 5분 동안 세굴이 발생하지 않는 안정 상태(stable)을 확인한 후 다음 유속 단계로 증가시켰다. 세굴 크기는 유속이 빨라짐에 따라 계단식으로 점차 증가하는 경향을 보였다. 또한 일정한 유속 단계에서 최대 깊이까지 도달한 이후 큰 변화없이 유지되는 현상을 보였다. 최대 세굴심은 동해안 시료의 경우 약 10.4 mm, 서해안 시료의 경우 약 11.2 mm로 서해안 시료에서 더 큰 세굴이 발생하였다.

상대적으로 지반 입자가 큰 동해안 지반의 경우 초기 유속 단계(10 cm/s)에서는 세굴이 발생하지 않았으며(no scour), 작은 유속 단계(12 cm/s, 14 cm/s)에서는 세굴 발생 시간이 아주 짧게 나타나는 경향을 보였다.

Fig. 8은 각각 동해안 및 서해안 지반의 유속 크기에 따른 시간-세굴 증가량(time vs an increased scour depth) 관계 곡선을 나타낸다. 여기서 세굴 증가량은 각 유속 단계에서 추가로 발생한 세굴로서 이전 유속 단계에서 발생한 세굴 깊이는 제외한 값이다.

평균 입경(D50)이 0.35 mm인 모래 지반으로 구성된 동해안 지반의 경우 낮은 단계의 유속(10 cm/s)에는 세굴이 전혀 발생하지 않았으나, 이후 유속 단계가 증가갈수록 세굴 깊이가 점차 증가되는 경향을 보였다. 특히 유속 단계에 따른 추가 세굴 발생량은 유속 단계가 증가갈수록 큰 차이를 보이는 것으로 나타났다. 서해안 지반의 경우 상대적으로 입자 크기가 작아 낮은 단계의 유속(10 cm/s)에서도 세굴이 발생하였다. 이때 입자가 상대적으로 작은 서해안 지반에서는 유속의 크기가 증가됨에 따라 세굴되는 흙 입자의 분산(suspension) 현상이 발생하여 레이저 센서로 측정된 데이터의 분포가 많이 분산되는 경향을 보였다.

Fig. 7. Time-scour Curve according to Various Flow Velocity: (a) East Seabed, (b) West Seabed

Fig. 8. Increased Scour Depth according to Different Velocity Step: (a) East Seabed, (b) West Seabed

동해안 및 서해안 지반 조건에서 유속 단계에 따른 세굴 실험을 카메라로 관측하였으며 그 결과를 Figs. 9~10에 나타내었다. 유속에 따른 인공어초 세굴 거동을 살펴보면 전면부에서 세굴된 지반 입자의 일부가 인공어초의 측면에 퇴적되는 현상을 보였다. 또한 세굴의 깊이가 인공어초 높이의 약 10 %를 초과하는 시점으로부터 인공어초가 전면부(세굴이 발생된 방향)로 기울어지는 현상이 발생하였다. 이와 같이 세굴 깊이가 증감함에 따라 인공어초가 기울어질 수 있으며, 이러한 현상으로 인해 더 큰 세굴이 발생될 수 있을 것으로 판단된다.

지반 조건에 따른 세굴 발생량을 상대적으로 비교하기 위해 인공어초 높이(H) 대비 각 유속 단계에 따른 세굴 발생 깊이의 비율을 계산하였다. Fig. 11(a)와 Fig. 11(b)는 각각 지반 조건에서 유속 단계에 따른 세굴 증가량 비율(increased scour depth ratio, ΔS/H)과 누적 세굴 발생 깊이 비율(cumulative scour depth ratio, S/H)을 각각 비교한 것이다. 여기서, ΔS는 각 유속 단계별 발생한 세굴 깊이를 나타내며, S는 유속이 증가함에 따라 누적된 총 세굴 깊이를 나타낸다.

먼저 Fig. 11(a)에 나타난 바와 같이 유속 단계에 따른 세굴 증가량 비율을 살펴보면 낮은 유속 단계에서는 입자가 작은 서해안 지반에서 세굴이 상대적으로 더 크게 발생하였으나 유속이 점점 증가됨에 따라 입자가 큰 동해안 지반의 세굴 발생량도 같이 증가하는 경향을 보였다.

각 지반 조건에서 누적된 세굴 발생 깊이의 변화를 살펴보면 낮은 유속 단계에서는 세굴 깊이의 차이가 크게 나타났으나 유속이 빨라짐에 따라 그 차이가 점차 감소하는 경향을 보였다(Fig. 11(b)). 또한, 앞서 Fig. 10의 비디오 촬영 결과에서 나타난 바와 같이 인공어초의 기울어짐(tilting of artificial reef)은 동해안과 서해안 지반에서 유속이 각각 16 cm/sec와 14 cm/sec일 때 발생하였으며, 이때 인공어초의 기울어짐을 유발한 세굴 발생 깊이는 전체 인공어초 높이의 약 10 %이다.

Fig. 9. Tilting Phenomenon in Artificial Reef according to Velocity (East Seabed): (a) v = 12 cm/sec, (b) v = 14 cm/sec, (c) v = 16 cm/sec,

Fig. 10. Tilting Phenomenon in Artificial Reef according to Velocity (West Seabed): (a) v = 12 cm/sec, (b) v = 14 cm/sec, (c) v = 16 cm/sec,

Fig. 11. Scour Depth Ratio according to Flow Velocity: (a) Increased Scour Depth Ratio, (b) Cumulative Scour Depth Ratio

Fig. 12는 각 지반조건에서 유속의 크기에 따른 세굴률(scour rate, ΔS/Δt)의 변화를 나타낸다. 이때 세굴률은 각 유속 단계에서 세굴이 발생한 깊이(ΔS)와 세굴이 발생한 시간(Δt)과의 관계를 계산한 값이다. 각 지반 조건에서 세굴률은 유속의 크기가 증가할수록 점차 증가하는 경향을 보였다. 이때 낮은 유속 단계에서는 상대적으로 지반 입경이 큰 동해안 지반의 세굴률이 서해안 지반에 비해 작은 값을 보였으나, 유속이 빨라짐에 따라 지반 입경에 따른 세굴률의 차이가 점차 감소하는 경향을 보였다.

Fig. 12. Scour Rate with Velocity

본 실험의 결과는 하나의 인공어초에 대한 단일 조건으로 지반을 조성하여 실험을 수행한 것으로 추후 다양한 지반 조건 및 인공어초 특성에 따른 추가 세굴 실험 등을 통한 결과의 검토 및 분석이 필요하다.