1.서 론

내파성 연승 수하식 양식시설은 가리비 및 굴과 같은 패류 양식과 다시마, 미역류의 해조류 양식에 주로 사용되는 대표 적인 시설로 그 생산량은 양식기술의 발달로 지속적으로 증 가하는 추세이다. 이러한 양식시설은 기본적으로 연승줄과 계류삭, 계류 블록으로 구성되며, 해면 또는 수중에 설치된 간승에 양식물을 수하시켜 계류시키며, 시설의 하중과 양식 대상생물의 하중을 부이로 지탱하는 구조양식을 가진다.

하지만 지구온난화의 영향으로 기후 환경의 급변, 해수면 상승과 같은 해양환경 변화가 문제시 되고 있으며 전술한 양식시설에 미치는 외력환경도 증가되고 있는 실정이다. Shin and Kim(1996)은 내파성 연승식 양식시설이 케이블-부이 -중량물 시스템(cable-buoy-weight system)으로 나타낼 수 있으 며, 닻 위치에서의 장력과 파, 조류, 해류 등의 영향으로 인 한 부이나 중량물 연결부에서의 장력 및 거동의 변화를 해 석하는 것이 최적설계를 위해서도 중요하다고 강조하였다. 하지만 계류삭의 닻줄에 미치는 장력 및 시설의 동적거동의 변화는 해일, 고파랑, 강한 흐름 등과 같은 외력조건 뿐만 아니라, 계류시스템, 시설 길이, 양식물(양식대상생물)의 중 량에 따라 복잡한 특성을 보일 것이나, 이에 대한 공학적 연 구가 부족하여 시설 설계, 관리를 위한 기본지침의 마련이 어려운 실정이다(NFRDA, 1994; Lee, 1997).

최근 기존 석유자원을 대체할 수 있는 새로운 자원의 발 굴 및 지속적으로 사용할 수 있는 자원으로 생물체 유래의 바이오매스(Biomass), 특히 해양바이오매스가 새롭게 각광을 받고 있고 대량생산 문제를 해결하기 위해 외해(offshore)에 서의 해조류 생산기술 개발이 추진되는 상황이다(Lee et al., 2011). 하지만 외해생산을 위해서는 태풍과 고파랑, 강한 해 류 등 물리적 충격을 극복할 수 있는 양식시설 개발이 요구 되고 동일한 면적에 생산성을 극대화하기 위해서는 생물종 의 대형화가 필요하다. 최근 MIFAFF(2012)가 완도 해역에서 시범 해조류 양식장을 구축하고 이를 바탕으로 대량생산을 위한 현장 기초실험을 수행한 바 있다.

하지만 양식대상생물인 해조류(미역 또는 다시마 등)의 성 장 및 해양환경 조건에 따라서 해조류간의 꼬임 또는 해조류 가 자신 또는 바로 인접한 연승줄에 꼬이는 현상이 발생할 수 있다. Fig. 1은 연승줄 간격을 달리할 경우 수리실험에서 의 해조류 꼬임(kink 또는 twist) 현상을 나타낸 것이다. 이러 한 해조류 꼬임현상은 양식된 해조류의 질과 생산량 저감, 양식장의 거동특성을 변화시켜 전체 시설물 불안정성을 초 래하게 되므로 그 원인을 규명하고 이에 대한 대책을 수립하 는 것이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 해조류의 꼬임현상 에 영향을 미치는 연승줄 간격, 계류 블록 이동에 따른 양식 장 형상변화 등을 수리모형실험을 통해 검토하고자 하였다.

2.재료 및 방법

2.1.실험장비 및 장치

본 연구의 수리모형실험에서 사용된 2차원 단면수로는 1×1×35 m(폭×깊이×길이)이고, 한쪽 끝에는 전기서보 피스톤 식 조파기시스템(wave maker system)이 설치되어 있으며, 규 칙파 및 불규칙파를 조파할 수 있다. 수로 내에 소파제(wave absorber), 수조벽면 및 경사로 인한 반사파와 조파판에서 발 생하는 재반사를 효과적으로 제어하기 위해 단면수로 중앙 을 벽체로 각각 폭 0.5 m로 분할하였다. 단면수로는 주기와 파고를 연속적으로 변화시킬 수 있게 설치되어 있으며, 흐 름 재현 순환시스템(circulation water channel)이 설치되어 있 으나 본 연구는 흐름장 조건을 적용하지 않았다.

입사 파랑 관측을 위해 양식장 모형 전면에서 3개의 용량 식 파고계를 설치하여 입반사 분리를 수행하였다. 또한 파 랑작용하에서 계류삭에 작용하는 장력을 계측하기 위해 장 력계를 설치하였다. Fig. 2는 단면수로의 구성 모식도 및 양 식장 모형을 설치한 사진이다.

2.2.실험조건

본 수리모형실험은 Table 1과 같이 크게 입사파랑과 구조 물의 실험조건으로 나타낼 수 있다. 본 실험에서는 물의 점 성과 표면장력의 역할은 크지 않고, 관성과 중력이 지배력인 요소로 작용하므로 Froude 상사법칙을 적용하였다. MIFAFF (2012)의 완도 해역의 해조류 시범 양식장의 수심 조건(약 20~25 m)을 고려하여 1:50 축척으로 수리모형실험을 수행하 였다. 실험에 사용된 입사파랑 조건은 Jeon et al.(2012)의 실 험결과를 바탕으로 파고(H)가 0.5 13.0 cm, 주기(T)가 0.71~1.41 s의 범위를 갖는 규칙파로 설정하였으며 실험수심(h) 는 40 cm이다. 모래를 사용한 이동상 실험의 경우 해저 지 형이 실험시에 계속적으로 변화하며, 초기 조건을 일정하게 유지할 수 없으므로 마찰계수 실험을 통해 모래와 마찰력 이 유사한 AA-50규격의 사포를 부착하여 모래지반을 재현 하였다.

구조물 실험조건은 Fig. 2에 제시된 바와 같이 양식장 길(L_f)와 폭(B_f)은 각각 100.0 cm, 30.0 cm이고, 양식된 해조류 길이(L_s)와 폭(B_s)은 각각 10.0 cm, 1.0 cm이며, 계류삭길이(L₁)는 수심의 2배인 80.0 cm로 설정하였다. 이때 연승줄 사이 간격(S₁)을 2.5~10.0 cm로, 계류 블록의 중량(W_b)을 24.0~64.0 g으로 변화시키며 실험을 수행하였다.

2.3.실험방법

본 연구에서는 해조류 꼬임현상에 영향을 미치는 연승줄 의 간격, 계류 블록의 이동에 따른 양식장 형상변화 등을 수리모형실험을 통해 검토하고자 하였다.

먼저, 연승줄 간격(S₁)에 따른 해조류의 꼬임현상을 살펴 보기 위해 연승줄 간격(S₁)을 달리하면서 타 실험조건은 동 일한 조건을 적용하여 실험을 수행하였다.

본 실험의 양식장 형상변화 및 장력 측정에 사용된 계측 기기는 장력계와 캠코더를 사용하였다. 장력계는 SSK LT6 형 초소형 모델로 출력전압이 30 mVFS이며, 캠코더는 Sony HDR-cx560 모델을 사용하였다. 실험에 앞서 구조물이 설치 된 수조 외측 유리면에 1×1 cm 간격의 격자를 표시하고 캠 코더를 이용해 획득한 영상을 실험주기의 1/20 추출 간격으 로 프레임을 분류한 후 시간경과에 따른 양식장의 연승줄 및 계류삭, 계류블록의 변위를 측정·기록하였다. 이를 통해 시간경과에 따른 양식장 연승줄과 계류삭, 계류 블록의 궤 적 및 거동을 살펴보았다.

또한 계류 블록의 이동에 따른 양식장 형상변화를 살펴 보기 위해 계류블록 중량(W_b)을 변화시켜 입사파랑에 따른 계류블록 안정성(이동/거동)을 살펴보았다. 입사파랑의 파고 값을 점진적으로 증가시키며 블록의 이동이 발생하는 임계 파고를 확인하고, 블록의 안정과 불안정을 검토하였다. 실 험 중 외력에 의해 계류블록이 이동한 경우 그 이동거리를 측정하였으며, 계류삭에 장력계를 설치하여 작용하는 장력 을 측정하였다.

3.결과 및 고찰

3.1.해조류 꼬임현상 재현실험 결과

연승줄 간격(S₁)에 따른 해조류 꼬임현상을 살펴보기 위 해 입사파랑조건과 연승줄 간격(S₁)을 달리하면서 해조류 꼬임 현상을 관찰하였다.

Fig. 3은 연승간격에 따라 해조류 꼬임이 초기에 발견되 는 임계 입사파랑조건을 나타내고 있다. 결과적으로 입사파 랑 주기(T)가 5.0 s일 경우 연승줄 간격(S₁)이 1.0 m, 2.0 m, 3.0 m, 4.0 m일 때 각각 파고(H)가 2.1 m, 2.6 m, 2.6 m, 3.7 m 인 조건에서, 주기가 7.0 s일 때 각각 파고가 2.7 m, 3.7 m, 3.7 m, 5.4 m인 조건에서, 주기가 10.0 s일 때 각각 파고가 2.8 m, 3.8 m, 4.8 m, 6.3 m인 조건에서 해조류의 꼬임현상이 최초 발생하였다. 즉, 해조류의 꼬임현상은 연승간격이 감 소함에 따라 낮은 파고에서도 발생하였으며, 주기 10 s인 경우처럼 주기가 큰 경우 그 감소기울기도 더욱 크다는 것 을 알 수 있다.

이와는 반대로 연승줄 간격이 클수록 보다 큰 파랑조건 에서도 해조류 꼬임현상이 발생하지 않는 안정한 상태를 유 지할 수 있음을 나타낸다. 이상의 결과를 통해 해조류의 꼬 임 현상은 연승간격에 민감하게 영향을 받음을 확인할 수 있으며, 양식장의 규모 및 생산성을 고려하여 적정한 연승 간격을 선택하는 것이 필요하다는 것을 알 수 있다.

이와 관련하여 부산 기장군 해조류 양식장에서 기존의 연승줄 간격(S₁)을 5.0 m에서 절반에 해당하는 2.5 m로 시설 한 사례가 있다. 이를 통해 해조류의 꼬임 현상 저감 및 생 산성 증가를 가져왔다는 어업인들의 견해는 충분히 고려해 볼 만하다고 판단된다.

또한 Fig. 4와 Fig. 5는 블록중량과 주기를 변화시켰을 때 연승줄과 계류삭의 시간경과에 따른 거동을 나타내고 있다. 먼저 Fig. 4(a)에서 파랑입사시 시간경과에 따른 양식장의 거 동을 살펴보면 입사파랑조건이 작은 경우에는 표층면에서 연승줄의 움직임이나 해조류 거동이 크지 않으며, 외측(전 면) 입사파 방향의 계류삭 움직임도 크게 변하지 않음을 알 수 있다. 하지만 Fig. 4(b)처럼 입사파랑조건이 큰 경우에는 양식장 전체 거동을 발견할 수 있고 계류삭의 움직임도 상 하방향으로 크게 진동하고 있음을 알 수 있다. 그리고 Fig. 5 는 블록중량과 주기를 변화시켰을 때 연승줄과 계류삭의 시 간경과에 따른 변화로서 계류블록이 이동하기 시작한 임계 파고에서의 거동을 나타낸다. 즉, 블록 중량 및 주기가 길어 짐에 따라 전체적으로 임계파고가 커지는 경향을 나타내고 있다. 주기가 7 s인 조건에서 블록 중량이 3 ton에서 8 ton으로 증가하였을 때 임계파고의 값은 1.3배 증가하고 있으나, 주 기가 3 s인 조건에서는 3.1배 증가하고 있다. 주기가 짧을수 록 블록의 중량 증가에 따른 임계파고가 급격히 증가하는 결과를 나타낸다. 앵커 블록의 거동에 의해 연승줄의 거동 이 커지는 경향을 나타내고 이는 전술한 바와 같이 해조류 꼬임현상이 쉽게 발생할 수 있는 조건을 제공한다는 것이 다. 또한 기존 연구결과에서와 같이 케이블-부이-중량물 시 스템에 작용하는 해류의 방향이 시설물에 직각으로 작용할 수록 시스템 양 끝단의 닻위치에서 작용하는 장력은 점점 증가하는 반면, 부이의 위치는 점점 감소함(해저 Bottom에 가까워짐)을 알 수 있다(Shin and Kim, 1996; Shin, 1987).

3.2.계류 블록 중량에 따른 거동

계류 블록 중량(W_b)에 따른 해조류 양식장 전체의 안정 성을 살펴보기 위해 입사파랑조건과 계류 블록 중량(W_b)을 달리하면서 그의 거동을 살펴보았다.

Fig. 6은 외측(전면) 계류 블록 중량 변화에 따른 블록의 초기 이동조건에 해당하는 임계입사파랑조건을 나타내고 있다. 결과적으로 입사파랑 주기(T)가 5.0 s일 경우 계류 블 록 중량(W_b)이 3.0 ton, 5.0 ton, 8.0 ton일 때 각각 파고가 1.9 m, 2.6 m, 5.8 m인 조건에서 이동하였고, 입사파랑 주기(T)가 7.0 s인 경우 계류블록이 3.0 ton, 5.0 ton, 8.0 ton일 때 각각 파 고가 3.7 m, 4.6 m, 5.6 m에서 불안정한 결과가 나타나기 시작 하였으며, 입사파랑 주기(T)가 10.0 s인 경우 계류블록이 3.0 ton, 5.0 ton, 8.0 ton일 때 각각 파고가 4.8 m, 4.8 m, 6.4 m인 조 건에서 이동이 발생하였다. 이에 반해 내측(후면) 블록의 경 우는 모든 입사파랑조건하에서 안정한 상태를 나타내었다.

입사파랑의 영향으로 외측블록이 민감하게 반응하는 반면, 내측의 경우 거의 영향을 받지 않음을 확인할 수 있었다.

Fig. 7은 계류 블록의 이동이 발생하였을 때 초기 실험조 건으로부터 실제 이동한 거리를 측정한 결과를 나타내었다. 이때 입사파 주기에 대한 상대적인 이동 특성을 파악하기 위해 무차원 파라메터인 x/L 을 사용하였다. 외측(전면)의 경우 파형경사(H/L)가 증가함에 따라 계류 블록의 이동거 리가 증가하는 경향을 나타내고 있는데 특히 0.1 < H/L < 0.14인 범위에서 x/L 값이 0.2보다 큰 값을 나타내고 있다. 즉, 입사파랑조건이 커짐에 따라 계류 블록의 이동거리도 점진적으로 증가하는 추세를 나타내고 있다. 블록 중량이 8.0 ton으로 증가함에 따라 안정성이 크게 확보되는 결과를 통해 블록 중량이 클수록 이동거리도 작다는 것을 알 수 있 다. 한편, 내측(후면)의 경우 계류 블록 중량이 3.0 ton인 경 우에 0.06 < H/L < 0.08에서 3가지 경우가, 5.0 ton인 경우 H/L = 0.14 값에서 발생하는 1번의 실험 결과를 제외하고는 계류 블록의 이동이 거의 없음을 확인할 수 있다. 이는 전면 입사파랑이 크고, 계류 블록의 중량이 작은 경우 배후면의 계류 블록의 이동량 및 경우의 횟수도 많음을 나타내고 있 다. 계류 블록 중량이 8.0 ton인 경우에는 모든 입사파랑조건 하에서 배후면의 계류 블록 이동은 발생하지 않았다.

Fig. 8은 계류블록의 중량에 따른 외측 계류삭의 최대장력 을 나타낸다. 파형경사가 증가함에 따라 그 값이 증가하는 경향을 나타내고 있으며, 약 3.0 ton/m의 최대값을 나타낸다. 또한 계류 블록의 중량이 증가함에 따라 계류블록의 안정성 이 확보되어 계류장력이 증가하는 경향을 나타낸다.

4.결 론

본 연구에서는 해조류의 꼬임현상에 영향을 미치는 연승 줄의 간격, 계류 블록의 이동에 따른 양식장 형상변화 등을 수리모형실험을 통해 검토하고자 하였다. 본 연구를 통해 얻어진 주요 결과를 요약하면 다음과 같다. 해조류의 꼬임 현상은 연승간격이 감소함에 따라 낮은 파고에서도 발생하 였으며, 주기 10 s인 경우처럼 주기가 큰 경우 그 감소기울기 도 더욱 크다는 것을 알 수 있다. 이와는 반대로 연승줄 간 격이 클수록 보다 큰 파랑조건에서도 해조류 꼬임현상이 발 생하지 않는 안정한 상태를 유지할 수 있음을 나타낸다. 즉, 해조류의 꼬임 현상은 연승간격에 민감하게 영향을 받으므 로 양식장의 규모 및 생산성을 고려하여 적정한 연승간격을 선택하는 것이 필요하다.

블록 중량 및 주기가 길어짐에 따라 전체적으로 계류블록 이 이동하기 시작한 임계파고가 커지는 경향을 나타내고 있 다. 이는 앵커 블록의 거동에 의해 연승줄의 거동이 커지는 경향을 나타내고 더불어 해조류 꼬임현상이 쉽게 발생할 수 있는 조건을 제공한다. 계류 블록 중량에 따른 해조류 양식 장 전체의 안정성을 살펴보기 위해 입사파랑조건과 계류 블 록 중량을 달리하면서 그의 거동을 살펴본 결과, 전면의 블 록 중량이 3.0 ton에서 8.0 ton으로 증가함에 따라 안정성이 크게 확보되는 결과를, 이에 반해 후면에서는 블록의 거동 이 거의 발생하지 않았다. 또한 계류블록의 중량에 따른 전 면 계류삭의 최대 장력은 파형경사가 증가함에 따라 그 값 이 증가하는 경향을 나타내고 있으며, 약 H/L = 0.14에서 약 3.0 ton/m의 최대값을 나타낸다