서 론

우리나라에서 강풍에 의한 어구 유실은 상당수가 서해 안에서 발생하며 그 손실액도 연간 27억 원이 넘는다 (Lee et al., 2015). 이러한 문제가 지속적으로 발생되고 있으나 이에 대한 대안이나 연구는 부족한 실정이다. 관련 연구를 찾아보면 어구가 조류나 파랑의 영향을 받을 때의 거동에 관한 연구 (Xu et al., 2011; Lee et al., 2008; Fredriksson et al., 2004; Decew et al., 2010; Zhao et al., 2013)나 서해 의 해양환경을 분석하여 지역별 파랑의 영향을 밝힌 Kim et al. (2004)과 Ko et al. (2005)의 연구들을 찾아 볼 수 있지만 어구 유실 문제를 주제로 해서 수행된 연구는 찾아보 기 힘들다. 2015년에 수행된 Lee et al. (2015)의 연구에 의 하면 우리나라 서해안에 위치한 지역 중에서도 충청남도 지역이 강풍에 의한 어구 유실이 가장 많은 것으로 나타났 다. 충청남도 지역의 어촌계를 직접 방문하여 수행한 현장 조사 결과에 따르면, 강풍에 의해 유실되는 어구는 자망, 패류껍질어구, 통발, 안강망 등이 대부분인 것으로 나타났 으며, 그 중에서도 패류껍질어구의 유실이 상당 부분을 차 지하는 것으로 나타났다. 연안복합어업에 속하는 패류껍질 어업 (일명 주꾸미 소호)은 피뿔고둥과 같은 패류껍질을 횡 으로 전개되는 모릿줄에 연속적으로 매달아 물속에 침지시 켜서 일정 시간 경과 후 패류 껍질 속에 들어간 주꾸미를 포획하는 어업이다. 서해에서 패류껍질어구는 다른 연안 어업들에 비해 비교적 얕은 수심인 15 m 전후의 연안에 설 치되어 파랑의 영향에 쉽게 노출될 뿐만 아니라, 어구 고정을 위한 수단으로 닻에 비해 상대적으로 파주력이 약한 멍을 사용하므로 어장 환경이나 어구 구성이 어구 유실에 매우 취약한 것을 알 수 있다. 이러한 패류껍질어구의 유실을 줄 이기 위해서는 근본적으로 어구의 고정력을 개선하는 것도 필요하지만 강풍에 의해 강한 파랑이 발생할 때 어구가 받는 힘을 줄이는 것도 필요하다. 파랑에 의한 유체력이 가장 크 게 발생하는 곳은 수면 근처인데, 패류껍질어구에서 이와 관련된 부분은 뜸과 뜸줄이다. 뜸의 부력이나 형상이 어구 유실에 미치는 영향은 일부 연구된 바가 있으나 뜸줄 길이 차이가 어구 유실에 미치는 영향은 연구된 바가 많지 않다 (Lee et al, 2015). 따라서 본 연구에서는 뜸줄 길이가 패류 껍질어구의 유실에 미치는 영향을 파악하고자 패류껍질어 구가 파랑의 영향을 받는 과정을 수치모델링하고 뜸줄 길 이에 따라 멍줄 장력이 어떻게 달라지는지를 조사하였다. 더불어 멍줄의 길이에 따른 멍줄 장력 변화도 조사하였다.

재료 및 방법

모델링

모델링 대상 어구는 주꾸미를 어획하는 패류껍질어구 였으며, 패류껍질의 수량은 800개, 패류껍질의 간격은 1m이었다. 어구 양쪽에는 Fig. 1과 같이 뜸줄과 멍줄 1쌍 이 각각 연결되며 뜸줄 끝에 달린 뜸의 부력은 10 kgf이 었다. 멍줄의 장력을 확인하기 위해서 멍줄의 끝부분인 멍은 초기위치에 고정되도록 하였다.

파랑의 영향을 받는 패류껍질어구의 거동과 어구에 작용하는 힘을 해석하기 위해 Lee et al. (2008)의 연구 에서 기술한 질량 스프링 모델링 기법을 적용하였다. 식 (1)은 질량 스프링 모델을 구성하는 각 질점에 작용하는 힘을 기술하는 운동방정식을 나타낸다.

여기서 m은 질점의 질량, m_a는 부가질량, q는 질점 의 가속도, F_i는 질점에 작용하는 내력, F_e는 외력이다.

Fig. 2는 질량 스프링 모델로 구성한 패류껍질어구를 나타낸다. 어구 모델에 파랑을 적용하기 위해 Lee et al. (2015)의 연구에서 기술한 방법을 이용하였다. 식 (2)와 (3)은 각각 질점에 작용하는 파랑 물입자의 연직방향 및 수평 방향의 속도 벡터를 기술하는 방정식이다.

여기서 u는 물입자 속도 벡터의 수평 성분이고, v 는 수직 성분이다. 그리고 H 는 파고, T 는 주기, k는 파수, σ는 파의 각빈도, d는 수심, x와 y 는 물입자의 수평 및 연직 방향상의 위치, t 는 시간이다 (Jeon et al., 2012).

수중에서의 패류껍질어구 저항을 구하기 위해 국립수산과 학원 수직순환형 회류수조 (L 25.12 m, W 4.5 m, D 8.27 m; 관측부 L 8.0 m, W 2.8 m, D 1.4 m)와 6분력계 (Denshikogyo Co., DL 61025)를 이용하여 저항을 측정하였다. 실험에 사용한 패류껍질어구는 생분해성 어구 성능 시험을 위해 이전에 제작 한 생분해성 인조 고둥이었다. 실험 대상 고둥의 규격과 실험 세트의 구성은 Fig. 3과 같다. 고둥의 저항은 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 0도에서 90도까지 15도 간격으로 측정하였다.

저항 측정 실험 시 유속 범위는 0.4 m/s에서 1.0 m/s, 측 정 간격은 0.1 m/s이었다. 이와 같은 방법으로 각 유속 및 영각에 대해 측정된 저항값을 식 (4)에 대입하면 고둥의 저 항계수를 구할 수 있다 (Morison et al., 1950). 그러나 본 연구에서는 저항계수를 식 (5) 및 식 (6)과 같이 투영면적 을 포함하는 값으로 재구성하였다. 이것은 투영면적의 경 우, 그 값이 일정하여 상수 취급이 가능하므로 저항계수에 포함시켜도 무방할 뿐만 아니라 고둥의 복잡한 구조 때문 에 이론적으로 계산한 투영면적이 정확하지 않기 때문이 다. 이와 같이 구한 저항계수를 k로 나타내었으며, 이 값을 시뮬레이션에 대입하였다. 시뮬레이션의 정확성을 검증하 기 위해 Fig. 5와 같이 고둥을 와이어로프 (∅ 0.6 mm, Nylon coated stainless steel wire, 0.75 m)에 연결하여 흐름 중에 놓이게 한 뒤 이 로프에 작용하는 장력을 유속 0.4∼ 1.0 m/s까지 0.1 m/s 간격으로 측정함으로써 각 유속에서의 장력 값을 구하고 이 결과를 시뮬레이션과 비교하였다.

시뮬레이션

모든 시뮬레이션에서 조사한 값은 멍줄 (최대)장력 벡터 의 수평 성분의 크기 (이하 멍줄 장력 또는 S-line tension : sand bag line tension)였다. 이 값은 멍의 파주력과 평 형을 이루는 값이다. 즉 방향은 반대이고 크기가 같은 값이다. 이 값이 증가하면 멍의 파주력도 함께 증가하는 데, 이 값이 멍의 최대 파주력을 초과하면 멍이 끌리기 시작하고 어구가 초기 설치 위치를 벗어나 이동하기 시 작한다. 이 과정이 지속적으로 장시간 발생하면 어구가 유실되는 것이다. 모든 시뮬레이션에서 멍줄의 장력은 멍을 나타내는 질점과 이 멍에 직접 연결된 질점 사이에 서 발생하는 장력으로 기술하였다.

네 가지 경우에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 첫 번 째 시뮬레이션은 수심이 일정한 어장에서 뜸줄 길이가 달라졌을 때 멍줄에 걸리는 장력의 차이를 알아보는 것 이다. 어장 수심 15 m, 뜸줄 길이는 16.8, 21.2, 27.0, 33.5, 40.4, 47.5 m로 정하였다. 이 뜸줄 길이는 뜸줄이 Fig. 6과 같이 놓였을 때 수심 d에 대한 가로길이 w의 비 율이 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0인 값이다. 이렇게 정한 것 은 뜸줄에 작용하는 장력이 동일할 때 뜸줄과 멍줄이 연 결되는 매듭 지점에 작용하는 힘이 멍의 이동에 영향을 미칠 뿐만 아니라 이 힘이 w/d와 비례관계에 놓이기 때 문이다 (Fridman, 1986). 뜸줄의 길이 변화와는 별도로 멍줄의 길이도 멍의 고정력과 관련이 있을 것으로 추정 하고 멍의 길이 차이에 따른 장력의 변화를 함께 조사하 였다. 현장 조사결과를 바탕으로 멍줄의 길이는 10, 20, 30, 40 m로 정하였다. 뜸줄과 멍줄의 길이에 따른 시뮬레 이션에 적용한 파랑은 파고 4 m에 주기 7, 8, 9초인 규칙 파였다.

두 번째 시뮬레이션은 조수간만의 차이에 의해 수심이 달라졌을 때 뜸줄 길이에 따른 멍줄 장력의 차이를 확인 하기 위해 수행하였다. 서해안은 다른 해역과 달리 조차 가 커 수심 변화가 매우 큰 편이다. 그런데 실제 현장에서 는 어장에 따라 뜸줄이나 멍줄의 길이를 정하기 때문에 어장이 결정되면 이들의 규격은 어장의 만조 시 수심을 기준으로 정해진다. 그러므로 만조에서 간조로 수심이 낮 아졌을 때의 현상에 대한 해석도 필요하다. 이를 위해 만 조 시 수심을 15 m, 간조 시 수심을 8 m 로 가정하고, 뜸 줄 길이를 만조 수심 15 m 기준인 16.8, 21.2, 27.0, 33.5, 40.4, 47.5 m (수심 d가 15 m 일 때 w/d가 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0인 길이)로 둔 상태에서 수심만 간조 시 수심 인 8 m로 변경하여 각 뜸줄 길이 조건에 대한 시뮬레이션 을 실시한 후 첫 번째 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 이 때 파랑은 파고 4 m, 주기 8초인 규칙파를 적용하였다.

세 번째 시뮬레이션은 w/d와 멍줄장력 사이의 상관관 계가 수심이 달라져도 동일하게 성립하는지를 파악하기 위해 수행하였다. 이를 위해 수심은 8 m로 정하고, 뜸줄 길이를 수심이 8 m일 때 w/d가 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0인 길이 8.9, 11.3, 14.4, 17.9, 21.5, 25.3 m로 변경하 여 시뮬레이션을 실시한 후 첫 번째 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 이 때 적용한 파랑 조건은 파고 4 m에 주기 8초의 규칙파였다.

네 번째 시뮬레이션은 두 번째 시뮬레이션과 같은 방식으로 실시하되 간조와 만조 시 수심을 보다 깊게 했을 때 앞에서 나타난 결과들과 어떤 차이가 있는지를 알기 위해서 만조 시 수심을 22 m, 간조 시 수심을 15 m로 하 여 시뮬레이션을 수행하였다. 이 때 적용한 파랑 조건 역시 파고 4 m에 주기 8초의 규칙파였다.

결과 및 고찰

모델링

영각에 따른 패류껍질의 저항 측정 결과는 Fig. 7과 같았 다. 패류껍질의 저항은 0도일 때 가장 작았고 영각이 증가 할수록 지수적으로 증가하였다. Fig. 8과 같이 전체 관측점 에 대한 회귀 곡선을 구하고 이 곡선의 방정식을 유속에 따 른 패류껍질의 저항 계산식으로 정하였다 (식 (7)). 이 때 관 측값 중 0도와 90도의 측정 결과는 최소 및 최댓값에 해당 하므로 계산의 오차를 최소화하기 위해 계산에서 제외하였 다. 식 (7)에서 F는 패류껍질의 저항, v는 유속을 나타낸다.

구해진 식 (7)을 식 (6)에 대입하여 계수 k를 구하였다 (Fig. 9). 이렇게 얻은 계수 k를 패류껍질의 운동을 기술 하는 방정식에 대입하여 패류껍질어구에 로프가 연결된 기본 모델에 대해 시뮬레이션을 실시하고 유속별 로프의 장력을 계산하였다. Fig. 10은 패류껍질어구가 매달린 로프의 장력을 유속별로 실물 실험과 시뮬레이션에 대해 서 비교한 그래프이다. 느린 유속 조건에서는 실험결과 가 시뮬레이션에 비해 조금 낮게 나타났으나 전반적으로 두 개의 결과는 잘 일치하였다. 패류껍질어구는 거의 전 체가 줄과 패류껍질의 연결로 구성되어 있고, 각 패류껍 질간의 간격과 패류껍질의 크기를 고려했을 때 하나의 패류껍질에서 생긴 반류가 이웃한 패류껍질에 미칠 영향 이 매우 미미할 것으로 생각되어 이 결과를 복수개의 패 류껍질이 달린 어구에 적용하여도 무리가 없을 것으로 판단하였다.

시뮬레이션

패류껍질 모델에 대한 검증결과를 바탕으로 800개의 패류껍질이 연결된 어구 1조에 대한 시뮬레이션을 수행 하였다. Fig. 11은 앞서 언급한 네 가지 시뮬레이션 중 첫 번째 시뮬레이션에 대한 결과를 나타낸 것으로서, 수 심이 15 m인 조건에서 이 어구에 파고 4 m, 주기 7, 8, 9초의 규칙파를 각각 400초 동안 가했을 때 한쪽 멍줄에 걸리는 장력의 최댓값을 뜸줄 및 멍줄 길이별 그리고 파 랑 주기별로 나타낸 것이다. 이 결과에서 패류껍질어구 의 멍줄에 작용하는 장력은 파랑 주기에 상관없이 뜸줄 과 멍줄의 길이가 증가할수록 감소하였다. 그러나 멍줄 보다는 뜸줄 길이에 따른 장력의 변화가 보다 극적으로 나타났다. 특히 뜸줄의 길이가 21.2 m에서 27.0 m로 변 할 때 장력이 감소하는 정도가 매우 컸고, 그 이후 33.5 m 까지 완만하게 감소하다가 그 이후로는 감소의 정도가 미미하였다. 이러한 현상은 거의 모든 파랑 주기에서 비 슷하게 나타났다.

이처럼 뜸줄의 길이가 길수록 멍줄이 받는 하중이 줄 어든다는 것을 알 수 있으나, 뜸줄의 길이를 무작정 길 게 하는 것은 어구 비용을 증가시킬 뿐만 아니라 조업의 편리성을 떨어뜨리고 안전에도 지장을 줄 우려가 있기 때문에 여러 가지 상황을 고려한 최소 길이를 도출하는 것이 필요하다. 이러한 관점에서 뜸줄의 길이를 멍줄의 하중이 가장 극적으로 감소하는 27.0 m와 33.5 m의 사 이 값인 30 m로 정하는 것이 적절할 것으로 판단된다 (Fig. 11). 이 값을 수심 15 m에 대한 비율로 환산하면 수심의 두 배에 해당하는 값이다. 현장에서는 통상 수심 의 1.5 배를 뜸줄의 수심으로 정하고 있으나 시뮬레이션 결과를 반영한다면 수심의 약 2배 또는 w/d 약 1.75가 적당한 뜸줄의 길이로 판단된다.

첫 번째 시뮬레이션에서 제시한 적정 뜸줄 길이에 대 한 판단은 수심이 15 m로 고정된 조건에 대해서만 성립 된다. 수심 15 m가 만조 시 수심이고 조수간만의 차이가 7 m라고 가정하면 이 어구는 6시간 후에 수심 8 m의 간 조 조건에 놓이게 된다. Fig. 12는 두 번째 시뮬레이션에 대한 결과를 나타낸 것으로서, 파고 4 m, 주기 8초의 규 칙파 조건에서 만조 시인 수심 15 m와 간조 시인 수심 8 m에서의 뜸줄 및 멍줄 길이에 따른 멍줄 장력을 함께 나타낸 것이다. 모든 조건에서 멍줄의 장력은 만조 시 장력보다 간조 시에 2배 이상 상승하였다. 그리고 만조 시에 나타났던 장력의 극적인 감소효과가 사라졌을 뿐만 아니라 뜸줄 길이에 상관없이 멍줄 장력은 거의 동일한 것으로 나타났다. 뜸줄 길이에 따른 장력 감소 효과가 현저히 감소한 이유는 수심이 얕은 간조 시에도 만조 시 수심을 기준으로 뜸줄 길이가 맞춰져 있기 때문이다. 앞 서 제시된 연구결과에 따르면 뜸줄의 길이가 수심의 약 두 배일 때 멍줄 장력 감소가 효과가 가장 크게 나타난 다고 하였는데, Fig. 12의 결과에서는 뜸줄 길이가 가장 짧은 조건인 16.8 m의 뜸줄 길이에서도 이미 간조 시 수 심인 8 m의 두 배를 초과한 조건이기 때문에 그 이후의 뜸줄 길이에서는 멍줄 장력 감소의 효과가 현저히 사라 졌다고 추정할 수 있다.

이에 반해 멍줄의 길이에 따른 장력 차이는 상대적으 로 크게 나타났다. 멍줄 길이가 길수록 멍줄 장력이 거 의 선형에 가깝게 감소하였는데, 멍줄 길이가 10 m일 때 보다 40 m일 때 약 1/4 정도의 장력이 감소하였다. 따라 서 이상과 같은 파랑과 만조 시 수심이 15 m이고 간조 시 수심이 8 m가 되는 조건에서는 뜸줄 길이 차이에 따 른 멍줄 장력의 감소 효과가 미미하다는 것을 알 수 있 으며, 반면 멍줄의 길이가 길어질수록 장력이 선형적으 로 감소하는 효과가 있다는 것을 알 수 있다. 그러나 40 m 이상으로 길어졌을 때의 효과는 추가적인 시뮬레이션을 통해 확인해야 할 것이다.

Fig. 13은 세 번째 시뮬레이션의 결과로서, 수심 8 m 와 15 m일 때 w/d 비에 따른 멍줄 장력의 변화를 비교 한 것이다. 결과를 살펴보면, 수심 8 m에서도 w/d 비율 을 수심 15 m 조건과 같이 주면 뜸줄길이가 증가할 때 멍줄 장력이 감소하는 것을 알 수 있다. 그러므로 w/d의 값은 8 m 수심에서도 멍줄 장력과 상관관계가 있음을 알 수 있다. 그러나 수심 15 m일 때와는 달리 특정 뜸줄 길이에서 값이 급격하게 변하는 경향은 나타나지 않았고 뜸줄 길이 증가에 선형에 가까운 패턴으로 멍줄 장력이 감소하였다. 또한 수심 15 m 조건에서는 w/d가 1.75인 지점에서 장력값이 수렴하는 경향을 보인 것과 달리 2.0 에서 2.5 사이에서 수렴하였다. 따라서 첫 번째 시뮬레이 션 결과를 통해 도출한 추정 즉, 멍줄의 장력을 최소화 할 수 있는 적정 뜸줄 길이가 수심의 두 배라는 추정은 수심 8 m인 조건에서는 성립하지 않는 것을 알 수 있다.

네 번째 시뮬레이션에서는 만조 수심 22 m와 간조 수 심 15 m에서 각각 첫 번째 시뮬레이션의 결과인 Fig. 11 과 유사한 패턴이 나타났다 (Fig. 14). 뜸줄 길이 증가에 따라 멍줄 장력이 감소하였을 뿐만 아니라 특정한 값에 서 장력 값이 급격하게 감소하는 현상도 함께 나타났다. 그러나 멍줄 길이에 따른 장력 차이는 크지 않았다. 수심 15 m 조건에서는 뜸줄 길이 31.1 m에서 최저 장력을 기 록했고, 수심 22 m 조건에서는 뜸줄 길이 39.7 m에서 최 저장력을 기록하였다. 각 뜸줄 길이는 약간의 차이는 있 지만 거의 수심의 2배 또는 w/d 가 1.75에 해당하는 길이 다. 따라서 만조 시 수심이 22 m이고, 간조 시 수심 15 m 인 조건에서 뜸줄 길이를 수심의 두 배 이상으로 하면 멍 줄의 하중을 최소화할 수 있다는 것을 알 수 있다.

본 연구를 통해 얻은 뜸줄 길이의 적정 수심에 대한 결과들은 Kim et al. (2001)의 연구에서 제시한 해상 양 식시설의 적정 계류줄 길이에 대한 연구 결과와 매우 유 사하다. 이 연구에서는 수심 15 m 내외의 지역에 설치되 고 파랑의 영향을 받는 해상가두리에 대해서 계류줄의 하중을 최소화할 수 있는 적정 길이를 도출하였는데, 그 결과치가 수심의 2배 이상인 것으로 나타났다. 또한 본 연구의 결과에서도 나타난 바와 같이 Kim et al. (2001) 의 연구에서도 계류줄의 장력이 계류줄의 길이와 반비례 하는 것으로 나타났다.

지금까지의 결과들을 종합해 볼 때, 앞에서 제시한 적 정 뜸줄 길이에 대한 추정은 어느 정도 타당성이 있다는 것으로 생각된다. 이처럼 w/d 증가에 따른 멍줄 장력 감 소 경향은 수심에 관계없이 적용되는 것으로 볼 수 있지 만, 뜸줄 길이가 수심의 2배인 것이 멍줄 장력이 최소가 되는 적정 길이라는 것은 현재까지의 연구결과로는 15 m 이상의 수심 범위에서만 적용되는 것으로 추정된다. 또 한 조수간만의 차이가 7 m일 때 만조 시 수심이 15 m인 조건에서는 뜸줄 길이 조절에 따른 멍줄 장력 감소의 효 과가 미미하기 때문에 뜸줄보다는 멍줄 길이를 길게 하 는 것이 효과가 큰 것으로 판단된다. 이와는 달리 만조 시 수심이 22 m인 조건에서는 뜸줄 길이 조절에 따른 멍줄 장력 감소의 효과가 큰 반면 멍줄 길이 조절에 따 른 효과는 미미한 것으로 보인다.

결 론

뜸줄 길이가 패류껍질어구의 유실에 미치는 영향을 파악하고자 패류껍질어구가 파랑의 영향을 받는 과정을 수치모델링하고 뜸줄 및 멍줄 길이에 따라 멍줄 장력이 어떻게 달라지는지를 조사한 결과는 다음과 같다.

파고 4 m, 주기 8초인 규칙파를 받는 조건에서 패류 껍질어구의 멍줄에 작용하는 장력은 뜸줄과 멍줄의 길이 가 증가할수록 감소한다. 패류껍질어구 멍줄의 장력은 w/d가 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0의 값으로 증가할 때 수 심 8, 15, 22 m 조건 모두에서 감소한다. 그리고 뜸줄 길 이가 수심의 약 두 배 또는 w/d가 약 1.75일 때 멍줄 장 력은 최소가 된다. 단 이러한 결과는 수심이 15 m와 22 m인 조건에서만 적용되고 수심이 8 m 일 때는 적용되지 않는다. 조수간만의 차이가 7 m일 때 만조 시 수심이 15 m 인 조건에서는 뜸줄 길이 증가에 따른 멍줄 장력 감소의 효과는 미미한 반면 멍줄 길이 증가는 효과가 있다. 이 와는 달리 만조 시 수심이 22 m인 조건에서는 뜸줄 길 이 조절에 따른 멍줄 장력 감소의 효과가 크고 멍줄 길 이 조절에 따른 효과는 미미하다. 이상과 같은 조건에서 멍줄의 길이를 40 m 이상, 뜸줄의 길이를 수심의 2배 이 상으로 할 때 멍줄이 받는 하중을 최소화할 수 있고, 어 구 유실 가능성도 낮출 수 있을 것으로 판단한다.