서 론

우리나라에서 강풍에 의한 어구 유실은 상당수가 서 해안에서 발생한다. 국가재난정보센터 (National Disaster Information Center, NDIC)의 10년간 (2002–2011년)의 자료에 의하면 우리나라에서 발생하는 강풍(풍랑)에 의 한 어구 유실은 대부분 서해 지역 (81%, 약 276억원)에 서 발생한 것으로 나타나 통계상으로도 서해가 어구 유 실에 매우 취약한 것을 알 수 있다 (Fig. 1).

어구 유실 발생 시 지자체에서 보상금을 지급하고 있 지만, 그 규모가 재난 수준의 특정 기준을 초과할 때만 지급이 이루어지므로 어구 유실을 해결하는 데 실질적 인 도움이 되지 못하고 있다. 이러한 상황이 매년 되풀 이 되고 있음에도 불구하고 관련 연구나 대안은 없어 어민들은 매년 경제적 손실을 감수하고 있다. 그러므로 서해 해역에서 반복적으로 유실되는 어구에 대한 손실 을 최소화할 수 있는 방안을 마련하는 것이 시급하다.

이러한 문제들을 해결하기 위해서는 첫째로 강풍에 의해서 어구가 어떻게 유실되는지를 파악하는 것이 필 요하다. 관련된 연구를 살펴본 결과, 대다수의 연구 (Xu et al., 2011; Lee et al., 2008; Fredriksson et al., 2004; Decew et al., 2010; Zhao et al., 2013)가 어구에 작용하는 유체력과 그에 따른 어구의 거동변화에 대한 해석을 다루었다. 이러한 연구들은 어구 유실 과정을 이해하는 데 도움이 되지만 어구 유실에 초점을 둔 연 구는 아니다. 둘째로 필요한 것은 강풍에 의해 거친 풍 랑이 발생하는 지역의 해양환경을 파악하는 것이다. Kim et al. (2004)과 Ko et al. (2005)은 우리나라 주변 해역의 해양환경에 대해 조사하고 이를 분석하였다. 이 러한 연구들은 어구 유실과 관련된 지역의 환경 특성을 이해하는 데 일부 참고할 만하지만 어구나 어구 유실과 관련된 부분은 전혀 다루고 있지 않다. 이와 같이 강풍 에 의한 어구유실에 대한 연구는 매우 부족하다.

이 연구에서는 서해안에서 강풍에 의해 자망 어구가 유실되는 과정을 구명하기 위한 기초 연구로써 서해안 에서 가장 어구 유실이 많은 지역의 조류와 파랑 데이 터를 조사하고 이를 기반으로 자망 어구의 거동을 수치 모델링한 후 그 결과를 통해 자망 어구가 유실되는 원 인을 파악하고자 하였다.

재료 및 방법

파랑 및 조류 데이터

우리나라에서 어구유실이 가장 많은 지역을 파악하 기 위해 국가재난정보센터 웹사이트에 공개된 자료를 이용하였다. 해당 자료들을 통해 서해권역의 시도별로 강풍 (풍랑)에 의한 손실 규모를 분석하여 가장 손실이 많은 지역을 파악하고, 선택된 지역에 대해 최근 10년 간의 파랑 및 조류 데이터를 조사하였다. 파랑 자료는 기상청 해양기상부이 및 등표에서 2004에서 2013년까 지 관측한 파랑 자료로부터 유의파 파고 및 주기 자료 를 추출하여 월별 10년간의 평균을 구하였다. 조류 관 련 자료는 국립해양조사원의 조류 수치 모델을 통해 도 출된 자료 (2004–2013년)에서 최대 유속 값을 추출하여 월별 10년간의 평균을 구하였다. 이와 같이 구한 자료 를 자망 어구 시뮬레이션에 적용하였다.

대상어구

모델링 대상으로 사용한 어구는 나일론 경심 3호, 150 mm 망목을 사용하는 홑자망 어구였다. 어구 한 조 는 7폭으로 구성되며, 한 폭의 가로 길이는 49.5 m (1080코), 세로 높이는 1.86 m (13 코)였으며, 망지의 성형률은 95.2%였다. 부이줄 (PP ∅6 mm)의 길이는 15 m, 닻줄 (PP ∅6 mm) 의 길이는 22 m였다. 닻 (철 닻) 의 무게는 15 kgf였으며, 나머지 규격은 Fig. 2에 표시하였다.

모델링 방법

파랑 및 조류의 흐름 중 자망 어구의 거동과 어구에 작용하는 힘을 해석하기 위해 어구를 구성하는 망지와 로프, 부이, 닻 등의 요소들을 질량 스프링 모델을 통해 기술하였다 (Lee et al. 2008). Fig. 3과 같이 망지를 구 성하는 발 또는 로프 등은 탄성이 있는 스프링으로 간 주하고, 망지의 매듭 또는 로프의 각 연결 마디는 질량 이 있는 점, 즉 질점으로 표현하였다. 어구에 작용하는 모든 힘은 각 질점에만 작용하고 어구가 가지는 질량, 수중 무게, 면적 등은 질점에만 부과되는 것으로 가정 하였다. 스프링에는 어구 재료가 가지는 고유 탄성 계 수를 적용하여 각 질점들이 힘을 받아 위치가 변하게 되면 그 변위에 비례하여 탄성력이 작용하게 하였다.

각 질점에 작용하는 힘은 질점과 그 주변 유체의 상 대적인 운동에 의해 생성되는 유체력과 이 힘에 대해 그물이 자신의 고유한 물리적 구조를 유지하려는 힘 즉, 그물발의 탄성력으로 표현된다. 전자를 외력, 후자 를 내력으로 표현하였다. 모델화된 질점들의 운동을 표 현하기 위해 뉴톤의 제2법칙에 따른 운동 방정식을 사 용하였으며, 이 방정식에 질점에 작용하는 외력과 내력 을 반영하여 식 (1)과 같이 나타내었다.

여기서 m은 질점의 질량, m_a는 부가질량, q ⋅ ⋅는 질점 의 가속도, F_i는 질점에 작용하는 내력, F_e는 외력이 다. 부가질량 계수는 Lee et al.(2010)의 연구를 참조하 여 정하였다. 외력은 질점의 수중무게(F_w), 항력(F_d), 양력(F₁)의 합이며, 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.

각 질점이 받는 외력에 의해 발생하는 유체저항은 저 항 계수 즉, 항력 및 양력 계수로 대표되는데, 이는 수 조 실험과 모리슨 방정식 (Morison et al., 1950)을 통해 구하였다. 질점은 일반적인 매듭의 형상을 따라 대략적 으로 구의 형태를 띠는 것으로 가정하고 그물 발은 원 기둥 형상으로 가정하여 그 부피와 면적 등을 결정하였 다. 수중에서 그물발의 배치는 매우 불규칙하고 다양하 나 그물발의 모델링 형태인 원기둥의 구조적 특성상 원 기둥의 단면원을 수직으로 통과하는 직선축 (도심)을 가정할 때, 이 직선축과 유체 흐름의 방향을 나타내는 벡터가 만들어 내는 영각은 0–90° 범위로 정해진다. 따 라서 저항계수를 구하는 실험은 실제 망지에 대해 그 굵기와 재질이 동일한 줄을 흐름과 나란하게 배열하고, 이 줄이 흐름과 이루는 각을 위에서 언급한 영각 범위 에서 10° 단위로 변화시키면서 각 영각에서의 저항력 을 측정하고 모리슨 방정식을 이용하여 각 영각에서의 저항계수를 도출하였다. 이와 같이 도출된 계수들을 이 용하여 양력과 항력을 구하였다 (식 (3) 및 식 (4)).

여기서, V는 질점의 속도벡터, 조류의 속도 벡터, 파 랑에 의해 생성되는 물입자의 속도 벡터의 합력 벡터를 의미하며 식 (5)와 같이 표현된다.

여기서, V_m 은 질점의 속도 벡터, V_c는 조류의 속도 벡터, V_w는 파랑 물입자의 속도 벡터이다. 이 중 파랑 물입자의 속도 벡터는 2차원 규칙파에 의한 것으로, 선 형파 이론에 따라 경계조건을 정의한 뒤 이 경계조건을 만족하는 속도 포텐셜 함수의 일반해를 구하고, 이를 물입자의 수평 및 연직 성분에 대해 각각 편미분하면 식 (6) 및 (7)과 같이 파랑 물입자의 속도 벡터에 관한 식이 구해진다 (Jeon et al., 2012).

여기서, u는 물입자 속도 벡터의 수평 성분이고, v 는 수직 성분이다. 그리고 H 는 파고, T 는 주기, k는 파 수, σ는 파의 각빈도, d는 수심, x 와 y 는 물입자의 수 평 및 연직 방향상의 위치, t는 시간이다.

스프링의 탄성력으로 표현되는 내력은 그물이나 로 프를 구성하는 섬유의 특성을 고려하여 인장력만이 작 용하는 것으로 가정하였으며 그 힘은 식(8)을 이용하여 구하였다.

여기서, r은 현재 계산중인 질점에 연결된 질점의 위 치 벡터, n_r 은 r의 단위벡터, l은 질점과 질점 사이를 연결하는 스프링의 원래 길이, k_s는 재료의 강성도 (stiffness)를 나타내는 계수로써 식 (9)와 같이 구하였다.

여기서, E 는 재료의 영률, A 는 스프링의 유효 단면 적이다.

닻의 파주력은 식(10)을 이용하여 계산하였다.

여기서, w 는 닻의 수중 무게, k는 파주력 계수이다 (Chang and Seo, 1982).

이와 같이 구해진 운동방정식은 상미분 방정식의 해 법 중 비교적 정확도가 높은 룬지쿠타 4차 방법을 이용 하여 해를 구하였다. 이 때 구해진 해들은 각 질점의 시 간 변화에 따른 연속적인 3차원 위치 벡터 값으로써 Visual C 기반에 OpenGL 라이이브러리로 제작한 렌더 링 프로그램에 대입하여 입체로 표현한 뒤, 파랑 및 조 류의 영향을 받을 때의 어구의 거동 및 하중 해석에 이 용하였다.

시뮬레이션 조건

자망어구 유실 과정을 확인하기 위해서 여러 가지 환 경 조건에 대해서 시뮬레이션을 실시하고, 자망어구를 구성하는 주요 부분들이 받는 하중을 조사하였다. 어구 유실은 궁극적으로 어구를 구성하는 로프나 그물이 끊 어지는 경우와 어구를 해저에 고정하는 닻이 닻줄에 작 용하는 장력을 견디지 못하고 뽑혀서 이동하는 경우로 볼 수 있기 때문에 모든 시뮬레이션 조건에서 어구의 파단 여부와 닻줄에 작용하는 장력의 변화를 조사하였 고, 부이줄 장력도 함께 조사하였다. 닻줄의 장력은 닻 과 닻줄이 만나는 부분에서 측정하였고, 부이줄의 장력 은 부이와 부이줄이 만나는 부분에서 측정하였다. 닻줄 의 장력은 원래는 벡터의 크기를 의미하지만 이 논문에 서는 파주력과의 손쉬운 비교를 위해 닻줄 장력의 수평 방향에 대한 분력으로 정의하였다. 모든 시뮬레이션에서 닻의 파주력 계수는 저질을 사니질로 가정하여 7 (Kenji and Atilla, 2012)로 정하였으나, 각 시뮬레이션에서 파 주력을 계산하기 위한 참고 값으로만 사용하고, 닻줄의 장력이 파주력을 초과하여도 닻이 움직이지 않도록 하 여 각 조건에 따른 닻줄의 최대 장력 값을 확인할 수 있게 하였다. 시뮬레이션 과정 중에 어구가 파단 또는 파망 되는 것을 확인하기 위해 어구를 구성하는 망지와 각종 로프별로 파단 한계 값을 지정하여 각 요소에 작용 하는 장력이 파단 한계 값을 초과하면 끊어지게 하였다.

시뮬레이션은 다음의 몇 가지 단계로 수행되었다. 첫 째, 어구 유실이 가장 많은 지역의 실제 조업 상황에서 의 유속을 파악하기 위해 유속별 어구 전개 형상을 조 사하였다. 현장 조사에서 어업인들은 자망의 전개 형상 을 고려하여 유속이 느린 시기에만 조업을 한다고 하였 으나 정확한 값을 알 수 없었다. 따라서 어구 형상이 유 지되는 적정 유속을 찾기 위해 관측 자료로부터 최대 유속을 구하고 이 범위 안에서 0.1 m/s 간격으로 자망 어구의 뜸줄 수심 또는 자망어구의 높이 변화를 조사하 였다. 이 때 조류가 어구의 유실에 영향을 미치는 정도 를 파악하기 위해 유속별로 닻줄의 장력을 함께 조사하 였다.

둘째, 조류와 파랑이 어구에 동시에 작용할 때 어구 가 받는 영향을 조사하였다. 이를 위해 조류와 파랑의 세기에 따른 닻줄의 장력 값들을 관찰하고, 동시에 이 값들이 닻의 파주력 한계를 초과하는지를 확인하였다. 부이가 닻줄의 장력변화에 영향을 미치는지 파악하기 위해 부이줄의 장력도 함께 조사하였다. 이 때 조류의 세기는 위의 첫 번째 단계에서 도출된 유속 범위에서 0.1 m/s 간격으로 적용하였고, 파랑의 세기는 유실이 가장 많은 지역과 시기(월)에 관측된 최대 유의파 범위 안에서 파고는 1 m 간격으로, 파주기는 월별 최대 유의 파 주기의 평균값을 적용하였다.

셋째로 부이가 닻줄에 미치는 영향을 파악하기 위해 부이의 형상을 대표하는 부이의 유체저항계수를 변화 시켰을 때 닻줄이 영향을 받는지를 조사하였다. 이것은 부이가 부이줄을 통해 닻줄에 붙어 있을 뿐만 아니라 어구 구성상 수면에 위치하면서 파랑의 영향을 가장 많 이 받는 부분이기 때문이다. 부이의 형상은 정육면체로 가정하였고, 저항계수는 1.0, 0.5, 0.25로 하였다. 이때도 조류와 파랑을 동시에 적용하였고, 조류의 세기는 첫 번 째 결과에서 도출된 값의 최대값을 적용하였으며, 파랑 조건은 두 번째 단계의 시뮬레이션과 동일하게 하였다.

네 번째 단계에서는 세 번째와 조건이 같으나, 부이 의 저항계수 대신 부이의 크기 (체적)변화가 닻줄의 장 력 변화에 어떤 영향을 미치는지를 조사하였다. 부이의 크기는 충남 지역의 꽃게 홑자망 어구에서 사용하는 스 티로폼 부이의 체적 (0.0214 m³)을 기본 크기로 정하고 이 값의 50% 및 25 % 체적을 가진 부이가 사용되었을 때의 차이를 조사하였다. 이 때 부이의 저항계수는 1.0 이었다.

모든 시뮬레이션에서 조류의 진행 방향은 현장 실태 조사 결과에 따라 어구와 수평방향으로 나란하게 하였 다. 파랑의 진행 방향은 기상청 자료 검토 및 예비 시뮬 레이션을 통해 조류의 방향과 동일하게 하였다. 어구 설치 수심은 현장 실태 조사에 따르면 10–40m인 것으 로 파악이 되었으나, 어구 유실이 크게 발생한 시점의 어장 수심이 10–15m 사이였던 것을 참고로 하여 10 m 로 정하였다.

결 과

파랑 및 조류 데이터

조사 결과 어구 유실은 서해권역에 속하는 경기, 인 천, 전북, 충남 지역 중 충남 지역이 10년간 (2002~ 2011년) 257억 원으로 서해 전체 피해 금액의 93.1%를 차지하여 어구 유실의 대부분이 충남 지역에서 일어나 는 것으로 나타났다 (Fig. 4). 따라서 충남 지역 인근 해 에 위치한 가대암 (C), 외연도 (D), 십이동파도 (E)의 월별 최대 조류의 세기를 조사하였다. 해당 지역은 기 상청에서 파랑 데이터를 관측하는 6개의 정점 중 충남 연안에 해당하는 정점이다. Fig. 5는 6개 정점의 위치를 나타낸 그림이다. 조사 결과, 이 지역의 월별 (10년 평 균) 최대 조류의 세기는 Fig. 6에 나타난 바와 같이 크 게 두 그룹으로 나누어 나타났는데, 그 값은 평균적으 로 약 1.6 m/s와 0.7 m/s였다. 가대암의 최대유속은 약 1.6 m/s, 외연도와 십이동파도는 약 0.7 m/s였다.

최대 유의 파고의 월별 (10년 평균) 분포는 Fig. 7과 같이 나타났고, 최대 유의파 주기는 Fig. 8과 같이 나타 났다. 충남 지역 인근 해에 위치한 가대암 (C), 외연도 (D), 십이동파도 (E)의 데이터를 비교하였을 때 세 지 역 중 십이동파도의 파고가 가장 높고 파주기는 가장 짧은 것으로 나타나 십이동파도의 파랑 에너지가 가장 큰 것으로 판단하였다. 십이동파도의 월별 최대 유의 파고는 최고값이 약 6.7 m, 평균값은 5.1 m였고, 주기 는 최대값이 5.2 s, 평균값은 4.4 s였다.

시뮬레이션 결과

어구 유실 피해가 가장 많은 충남 연안 지역에서 파 랑의 위력이 가장 큰 곳은 십이동파도로 나타났기 때문 에 이 지역의 최대 유속인 0.7 m/s를 참고로 하여 첫 번 째 시뮬레이션에서는 0.1부터 0.7 m/s까지 0.1 m/s 간격 으로 유속별 어구 전개 형상을 시뮬레이션을 통해 조사 하였다. 그 결과는 Fig. 9와 같았다. 자망 어구의 높이 (뻗친 높이)는 0.1 m/s 이후부터 0.3 m/s까지 매우 급격 한 감소를 보였고, 이 후 0.7 m/s까지 완만한 감소를 보 였다. 뜸줄 수심이 0.3 m/s부터는 거의 그물이 해저에 붙어 그물 전개가 이루어지지 않으므로 어획이 어려울 것으로 판단하고 그물의 형상이 어느 정도 유지되는 유 속인 0.2 m/s까지를 시뮬레이션 조건 범위로 정하였다. 유속 변화에 따른 닻줄의 장력을 조사한 결과는 Fig. 10과 같았다. 닻줄의 장력은 유속이 증가함에 따라 지 수적으로 증가하였다. 그리고 최고 유속에서도 닻줄의 장력은 파주력을 초과하지 않았다.

둘째로 조류와 파랑이 어구에 동시에 작용할 때 어구 에 미치는 영향을 확인하기 위해 적용한 유속 값은 첫 번째 결과에서 도출된 적정 유속 값인 0.2 m/s와 한 단 계 작은 값인 0.1 m/s였다. 그리고 파랑 적용을 위해 사 용한 파고는 충남 연안에서 기록된 최대 유의파고 (6.7 m)를 참고하여 2, 3, 4, 5, 6 m의 파고를 시뮬레이션에 적용하였고, 주기는 파고변화에 따른 결과 확인을 위해 월별 최대 유의파들의 평균 주기값인 4.4 s를 적용하였 다. Fig. 11은 파랑 및 유속 조건 변화에 따른 자망 어 구 부이줄 및 닻줄의 장력을 나타낸 것이고, Fig. 12는 닻줄의 최대 장력을 나타낸 것이다. 부이줄과 닻줄의 장력은 파고와 유속이 증가할수록 커졌다. 부이줄의 장 력은 닻줄 장력보다 작았지만 시간에 따른 변화의 패턴 은 닻줄과 거의 유사하였다. 닻줄의 최대 장력은 파고 증가에 따라 지수적인 증가를 보였고, 유속 증가에 대 해서는 시뮬레이션 조건이 적어 단순한 증가 정도만 파 악할 수 있었다. 닻줄의 최대 장력이 파주력 한계를 초 과하는 시점은 유속과 파고에 따라 달라졌다. 닻줄의 장력은 유속이 0.1 m/s일 때는 파고 4.5 m에서, 0.2 m/s 일 때는 4.0 m에서 파주력 한계에 도달하였다. 조류만 적용된 결과와 달리 파랑과 조류가 함께 적용된 경우 닻줄의 장력은 큰 폭으로 증가하였다. Fig. 13은 조류만 적용한 경우와 파랑과 조류를 함께 적용한 경우에 대한 닻줄 장력의 비를 나타낸다. 장력의 비는 유속과 파고 에 따라 최소 4배에서 52배까지 차이가 났다.

부이의 저항계수를 달리 적용한 세 번째 시뮬레이션 의 결과는 Fig. 14에 나타냈다. 시뮬레이션 결과, 파고 의 크기에 상관없이 부이의 저항계수가 감소할수록 부 이줄과 닻줄의 장력이 감소하였다. 저항계수가 0.5 이 하일 때 4 m이상의 높은 파고 조건에서도 닻줄의 장력 이 파주력을 초과하지 않았다. 구체적으로 저항계수가 1.0일 때는 파고 4 m에서 닻줄의 장력이 파주력을 초과 하였지만 저항 계수가 0.5일 때는 파고 5 m일 때 파주 력 한계에 도달하였다. 그리고 저항계수가 그보다 작은 0.25일 때는 파고 6 m일 때 파주력을 초과하였다. 세 번째 시뮬레이션에서도 역시 부이줄의 장력은 닻줄의 장력 패턴을 따라 변하였다. Fig. 15는 파고 증가에 따 른 닻줄의 최대 장력을 부이의 저항계수별로 나타낸 것 이다. 저항계수가 낮을수록 파고에 따른 곡선의 기울기 가 감소하였다.

네 번째 부이의 크기 변화에 대한 시뮬레이션 결과는 Fig. 16과 같이 나타났으며, 그 결과는 세 번째 시뮬레 이션 대한 결과와 유사하였다. 파고와 상관없이 부이의 크기가 감소할수록 부이줄과 닻줄의 장력이 함께 감소 하였다. 부이의 크기가 작을수록 닻줄의 장력이 파주력 을 초과하는 파고의 크기가 증가 하였다. 즉, 부이의 크 기가 100%일 때는 파고 4 m에서 닻줄의 장력이 파주 력을 초과하였지만 부이의 크기가 50%일 때는 파고 5 m일 때의 파주력을 초과하였다. 그리고 부이의 크기가 원래 크기의 25%일 때는 닻줄의 장력이 파고 6 m인 조건이 되어서야 파주력을 초과하였다. Fig. 17은 파고 증가에 따른 닻줄의 최대 장력을 부이의 크기에 따라 나타낸 것으로 부이의 크기가 작을수록 파고에 따른 곡 선의 기울기가 감소하였다. Fig. 18은 부이 크기변화에 대한 시뮬레이션 결과와 저항계수 변화에 대한 시뮬레 이션 결과의 차이를 비교하기 위해 Fig. 15에 나타난 결과와 Fig. 17에 나타난 결과를 비율로 나타낸 것으로 그래프에서 세로 축의 값이 작을수록 두 결과가 차이가 없음을 나타내며, 비교 결과 두 결과는 거의 차이가 없 었다.

각 시뮬레이션에 대해 자망어구를 구성하는 망지와 로프의 파망 또는 파단 현상을 관찰하였는데, 모든 시 뮬레이션 조건에서 파단 및 파망 현상은 발생하지 않았 다.

고 찰

서해에서 어구 유실이 가장 많은 지역으로 조사된 충 남 연안의 최대 유의 파고는 약 7 m, 파주기는 약 4 s 였다. 서해안의 6개 정점에서 조사된 데이터를 분석하 면 평균적으로 충남연안에서 발생하는 파랑의 높이가 가장 높고, 파주기는 가장 짧다. 일반적으로 주기가 짧 고, 파고가 높을수록 파랑 에너지가 커지므로 충남 연 안에서 발생하는 파랑의 위력이 가장 크다고 할 수 있 다. 따라서 파랑의 영향이 강한 지역일수록 어구 유실 이 발생할 가능성이 높다는 것을 짐작할 수 있다. 이에 반해 조류의 세기는 인천 및 경기 지역의 경우 약 1.6 m/s로 충남지역의 0.7 m/s의 두 배 이상임에도 불구하 고 어구유실이 거의 없는 것으로 나타났다. 그러므로 서해에서 어구 유실은 조류보다는 파랑의 영향을 더 많 이 받는다는 것을 알 수 있다.

자망 어구의 높이는 어획 효율에 영향을 미치며, 반 면 조류의 빠르기에 영향을 받는다 (Park et al. 2006). 특히, 서해안은 조류가 빠르기 때문에 올바른 조업 조 건을 고려하기 위해서는 조업이 가능한 적정 유속을 파 악하는 것이 중요하다. 첫 번째 시뮬레이션에서는 조업 이 가능한 한계 유속을 0.2 m/s로 도출하였다. 해당 유 속에서 자망 어구의 높이는 0.62 m였고, 이보다 빠른 유속인 0.3 m/s에서는 약 0.22 m 였다. 자망 어구의 높 이가 어획에 얼마나 영향을 미치는지는 알 수 없으나 어구 높이가 약 0.2 m 정도가 되면 해저에 붙어서 이동 하는 어류 이외의 대상은 어획이 어려울 것으로 판단되 며 이러한 논리를 근거로 조업이 가능한 한계 유속을 0.2 m/s로 정하였다. 유속에 따른 어구 높이 변화는 (Park et al. 2006)의 연구에서 도출된 실험 결과와 그 경향이 비슷하였다. 그물의 상대 높이 (유속에 따른 높 이 / 초기 높이) 는 유속 0.05–0.25 m의 범위에서 0.22– 0.91였으며, 이 연구에서 구해진 값은 0.23–0.93으로 비 슷하였다. 그리고 값의 변화 경향도 두 연구결과에서 모두 지수함수적으로 나타났다. 이러한 결과들은 시뮬 레이션이 실험 결과와 어느 정도 일치한다는 것을 보여 준다. 한편, 유속 증가에 따른 닻줄의 장력은 최대 유속 에서 닻의 파주력 한계에 근접하였지만, 앞서 구한 한 계 유속 0.2 m/s를 고려하면 닻줄에 작용하는 장력은 약 8 kgf 정도이므로 이 값을 고려한다면 조류의 영향 만으로는 어구 유실이 발생할 가능성은 적을 것으로 판 단된다.

조류만 적용한 첫 번째 시뮬레이션과 달리 두 번째 시뮬레이션에서는 파랑과 조류를 동시에 적용하였다. 조류의 세기가 비교적 약했기 때문에 예상한 바대로 파 랑이 추가 적용된 결과에서는 부이줄 및 닻줄의 장력이 비교적 크게 나타났고, 그 차이는 조류만 적용했을 때 에 비해 유속과 파고에 따라 닻줄 장력의 경우 무려 52 배까지 났다. 뿐만 아니라 파고가 높아질수록 이 차이 에 대한 비율은 지수적으로 증가하였다. 이러한 결과들 을 볼 때 일반적으로 어구 유실을 우려하는 높은 파고 에서는 조류의 영향은 매우 미미하여 무시해도 될 만할 정도다. 그러나 여기서 잠시 눈여겨 보아야할 부분은 앞서 언급한 두 조건에서의 결과 차이가 유속 증가에 따라 비교적 큰 폭으로 줄어든다는 점이다. 동일하게 파고가 6 m일 때 유속 0.1 m/s인 경우는 닻줄의 장력이 52배 차이 났지만 0.2 m/s인 경우에는 그것의 절반인 26배가 차이 났다. 유속이 빠를수록 차이가 줄어드는 것이다. 뿐만 아니라 Fig. 13의 결과를 살펴보면, 유속 이 클 때는 파고 증가에 따른 장력의 증가 정도도 완만 해 진다. 다시 말해 유속이 빠를수록 파랑의 영향이 감 소하는 것을 알 수 있다.

Fig. 11과 12에 나타난 닻줄 장력의 패턴을 Zhao et al. (2008)의 연구 결과와 비교하였다. 이 연구에서는 고정된 파주기에서 파고 증가에 따라 평면 망지가 받는 힘을 구하였는데, 망지가 프레임에 고정되어 변형이 없 는 상태이고, 주기가 1.4 s로 다를 뿐만 아니라 조류의 영향을 고려하지 않아 이 연구와는 차이가 있다. 그러 나 Froude 상사를 통해 1/10 축적비를 적용하면 파주기 가 거의 같아지는 점과 이 연구의 시뮬레이션 조건이 조류의 영향에 비해 파랑의 영향이 지배적인 점 등을 감안하면 어느 정도 실험 조건이 비슷함을 알 수 있다. 때문에 직접적인 비교는 힘들지만 망지가 받는 힘을 나 타낸 그래프의 패턴과 파고에 따른 최대 하중 값의 증 가 경향은 이 연구의 결과와 유사한 것을 확인 하였다. 한편, Fig. 11에 나타난 그래프를 살펴보면, 모든 조건 에 대해 공통점이 나타난다. 이것은 부이줄 장력이 기 록된 패턴이 크기 차이를 제외하면 닻줄의 장력 패턴과 출현시점이 거의 같다는 것이다. 이러한 결과는 부이줄 이 닻줄과 연결되어 있기 때문에 나타난 것으로 볼 수 있다. 일반적으로 파랑의 영향은 수심이 깊어질수록 감 소하기 때문에 수심이 보다 깊은 곳에 있는 닻줄의 장 력이 작게 나타나는 것이 정상이라고 생각할 수도 있으 나, 두 요소는 서로 연결되어 있고 부이줄의 끝은 파랑 의 영향을 가장 많이 받는 부이에 연결되어 있기 때문 에 예외적으로 닻줄의 장력이 크게 나타난다고 보아야 할 것이다. 뿐만 아니라 닻줄은 길이가 350 m나 되는 그물과 연결되어 있기 때문에 닻줄이 받는 힘은 상대적 으로 크다 할 수 있다.

다음으로 유속 증가에 따른 닻줄의 장력과 파주력의 관계를 살펴보면, 유속이 빠를수록 닻줄의 장력이 증가 하므로 같은 파고 조건이라도 빠른 유속에서 파주력을 초과할 가능성이 높아진다. 예를 들어 유속이 0.1 m/s 일 때는 파고 4.5 m에서 파주력 한계에 도달하였지만 0.2 m/s일 때는 4.0 m에서 파주력 한계에 도달하는 것 을 알 수 있다. 따라서 동일한 파랑 조건에서 조류의 속 도에 따라 어구의 상대적인 고정력이 달라지는 것을 알 수 있다.

세 번째 및 네 번째 시뮬레이션의 결과는 자망 어구 가 파랑 및 조류의 영향을 받을 때 부이가 어구의 고 정력에 어떤 영향을 미치는지를 잘 보여준다. 결과에서 도 알 수 있듯이 부이의 저항 계수 또는 크기를 줄이면 닻줄에 작용하는 장력은 낮아지므로 이 값들이 감소할 수록 동일한 파고 조건에서 어구의 고정력은 상대적으 로 높아진다는 것을 알 수 있다. 또한 Fig. 15와 Fig. 17 에 나타난 바와 같이 부이의 저항계수 또는 크기가 감 소할수록 파고의 증가에 따른 곡선의 기울기도 감소하 는 것을 볼 수 있는데, 이것은 파고가 높아질수록 저항 계수 또는 크기 감소의 효과가 커진다는 것을 의미한 다. Fig. 15와 17의 결과에 따르면 부이의 저항계수 또 는 부피가 각각 25%로 감소할 때 닻줄이 받는 하중은 약 2배까지 줄어든다는 것을 알 수 있다. 이러한 논리 에 따르면 두 가지 요소를 동시에 줄일 경우 이론적으 로는 닻줄이 받는 힘을 최대 4배까지 줄일 수 있다. 따 라서 자망 어구가 파랑 및 조류의 영향 받을 때 부이의 저항계수 또는 부이의 크기를 줄이면 어구의 고정력을 상대적으로 높일 수 있고 이것을 통해 자망 어구의 유 실도 줄 일 수 있을 것으로 판단된다.

일반적으로 닻의 파주력은 닻줄이 당겨지는 방향이 닻채가 뻗은 방향에 가까울수록 증가한다. 그런데 부이 줄 길이가 짧아지게 되면 부이줄과 닻줄은 기하학적으 로 수직에 점점 가까워지고 이 상태에서 부이가 파랑 물입자의 영향을 받아 상하 운동을 하게 되면 부이줄이 닻을 수면을 향해 연직방향으로 당기기 때문에 닻의 파 주력은 크게 약화된다. 반대로 부이줄의 길이가 길어질 수록 부이줄이 작용하는 방향이 닻채와 나란해지므로 파주력은 증가한다. 본 연구에서는 부이줄 길이를 현장 조사결과를 반영하여 수심의 1.5배인 15 m를 적용하였 으나 이 값은 어업인들의 경험에 의해 결정된 값이기 때문에 이것이 적정한지에 대해서는 추가적인 연구를 통해 밝혀야 할 것이다.

강풍에 의한 어구 유실은 문자 그대로 바람이 원인이 므로 바람이 바다와 어구에 미치는 파악하는 것이 필요 하나, 결국 파랑이란 것은 해상에서 바람이 분 것에 대 한 결과이므로 이 결과에 대한 자료를 적용하면 강풍에 대한 영향을 파악 할 수 있을 것이다. 그리고 자망 어구 의 경우 대부분이 물속에 잠겨 있기 때문에 바람에 의 한 영향은 크지 않다고 볼 수 있다. 다만 일부 수면 위 에 노출된 부분이 바람의 영향을 받을 수 있기 때문에 보다 정확한 해석을 위해서는 이 부분에 대한 모델링이 추후 이루어져야 할 것이다.

결 론

서해안에서 발생하는 자망 어구 유실의 원인을 구명 하기 위해 서해안에서 어구 유실이 가장 많은 지역의 조류와 파랑 데이터를 조사하고 이를 자망 어구의 거동 해석 모델에 적용 및 시뮬레이션 함으로써 그 원인을 파악하고자 하였다. 그 결과 서해안에서의 어구 유실은 대부분 충남 지역에서 발생하였고, 이 지역의 최대 유 의 파고는 6.7 m, 주기는 평균 4.4 s, 조류의 세기는 최 대 0.7 m/s인 것으로 나타났다. 이러한 조사 결과를 자 망 어구의 거동 해석 모델에 대입하여 시뮬레이션 한 결과는 다음과 같았다.

자망 어구가 파랑과 조류의 영향을 동시에 받을 때 파고가 증가하면 자망어구를 해저에 고정하는 닻줄이 받는 하중은 지수적으로 증가하였다. 부이의 특징 변 화가 자망 어구의 고정력에 미치는 영향을 살펴본 결 과에서는 자망어구가 조류와 파랑의 영향을 받을 때 부이의 저항계수 또는 크기 (체적)가 감소하면 닻줄이 받는 하중도 감소하여 자망 어구의 상대적인 고정력은 증가하고, 파고 증가에 따른 닻줄 장력의 증가율은 감 소하는 것으로 나타났다. 그리고 부이의 저항계수와 부이의 크기 변화에 따른 닻줄 장력의 변화량은 서로 비슷하였다.

이상의 결과들을 종합하면, 자망 어구가 파랑과 조류 의 영향을 받을 때 부이의 형태와 크기를 개선하면 수 중에 부설된 어구의 고정력을 향상 시킬 수 있으며 나 아가 어구 유실 저감에도 기여할 수 있을 것으로 판단 된다.