서 론

서해안에서 통발 어구는 자망, 패류껍질어구 등과 더 불어 풍랑에 의한 유실이 많은 어구 중의 하나다 (Lee et al., 2015). 통발 어구의 유실은 어구의 구성 특성상 통발 어구를 구성하는 로프나 부이가 파손되는 경우를 제외하면 강한 풍랑에 의해 어구의 고정력이 약해져 떠 내려가면서 발생한다고 볼 수 있다. 일반적으로 통발 어구 한 세트는 수평방향으로 길게 전개되는 모릿줄에 통발을 일정한 간격마다 아릿줄로 연결하여 구성된다. 어구의 고정은 모릿줄 양 끝에 철닻을 연결하여 이루어 지고, 어구의 위치 표시 및 투·양망을 위한 부이줄과 부 이가 모릿줄 양 끝에 설치된다. 이러한 통발의 구조에서 풍랑에 가장 취약한 부분은 부이일 가능성이 높다. 왜냐 하면 부이는 수면에 상시 노출되어 파랑의 영향을 직접 받는 부분이기 때문이다. 부이는 부력을 갖기 때문에 파랑의 발생으로 인해 수면이 상승하면 함께 상승하여 부이와 연결된 부이줄을 당긴다. 부이줄이 당겨지면 부이줄과 연결된 닻줄도 당겨지고 닻줄 끝에 있는 닻도 같이 힘을 받게 되어 닻의 고정력에 영향을 주게 된다 (Lee et al., 2016). 궁극적으로 부이가 받는 힘이 어구 의 고정력에 영향을 미치게 되는 것이다. 따라서 통발 어구의 유실의 줄이기 위해서는 부이가 받는 힘을 최소 화하는 연구가 필요하다. 이처럼 부이가 받는 힘을 최 소화하면 파랑이나 조류에 의해서 발생하는 유체력이 동일하더라도 어구의 고정력은 상대적으로 높아지기 때문에 어구가 떠내려갈 가능성도 낮아진다. 그러므로 이러한 연구는 통발 어구의 유실을 줄이는 근본적인 방안이 될 수 있다. 이와 관련된 연구들을 살펴보면, 유실된 어구의 이동경로를 위성과 비행기 등을 이용하 여 추적하고 그 영향 등을 분석한 Johnson and Eiler (1999), Pichel et al. (2012)의 연구 등이 있다. 그러나 이러한 연구들은 이미 유실이 되거나 과정에 있는 어구 의 위치를 추적하는데 초점이 맞춰져 있어 어구 유실 현상 자체를 줄이려는 연구와는 거리가 있다. 어구 유 실 저감과 관련하여 최근 수행된 연구를 살펴보면, Lee et al. (2014)은 수조 실험을 통해 부이의 모양에 따른 부이줄 장력 차이를 연구한 바 있으며, Lee et al. (2015)은 수치 모델링을 이용해 자망 어구의 유실 과정 을 해석한 바 있다. 또한 Cho et al. (2016)은 자망 어구 에 사용하는 깃대가 부이줄 장력에 미치는 영향을 연구 하였고, Lee et al. (2016)은 패류껍질 어구에서 부이줄 및 닻줄의 길이가 어구 유실에 미치는 영향을 연구한 바 있다.

그러나 이 연구들 가운데 통발 어구의 유실 문제 개 선이나 원인 파악을 위한 연구는 수행된 바가 드물다. 따라서 본 연구에서는 통발 어구의 유실을 줄이기 위한 연구의 일환으로 통발 어구에 사용되는 부이가 통발 어구의 고정력에 영향을 미친다고 가정하고 부이의 크 기와 부이의 저항 계수 차이에 따른 통발 어구 닻줄의 장력 변화를 수치 모델링을 통해 해석하였다.

재료 및 방법

모델링 방법

모델링 대상 어구는 꽃게를 어획하는 통발어구였으며 통발의 수량은 50개, 통발의 간격은 5 m, 아릿줄 (PP, ∅6 mm)의 길이는 2 m였다. 어구 양쪽에는 Fig. 1과 같이 부이줄과 닻줄이 각각 연결되며 각 줄의 끝에는 부이와 닻이 달려 있다. 부이줄의 길이와 굵기는 각각 37.5 m, 12 mm, 닻줄의 길이와 굵기는 각각 15 m, 12 mm였다.

통발어구가 파랑과 조류의 영향을 받는 조건에서 부 이의 크기와 부이의 저항 계수 차이에 따른 통발 어구 닻줄의 장력 변화를 파악하기 위해서 Lee et al. (2008) 의 연구에서 기술한 질량 스프링 모델과 해석 방법을 사 용하였다. 이 모델에서 통발 어구를 구성하는 로프는 유 한개의 질점과 스프링으로 모델화 되는데, 질량은 오직 질점에만 있고 스프링에는 탄성력만이 작용한다. 통발, 부 이, 닻은 각각을 하나의 질점으로 모델화하였다. Fig. 2는 질량 스프링 모델로 구성한 통발어구를 나타낸다.

각 질점에 작용하는 힘은 식 (1)의 운동방정식으로 기술된다.

여기서, m은 질점의 질량, m_a는 부가질량, q ¨는 질점 의 가속도, F_i는 질점에 작용하는 내력, F_e는 외력이다. 외력은 질점의 수중무게 (F_w), 항력 (F_d), 양력 (F_l)의 합이며, 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.

로프의 외력은 Lee et al. (2008) 연구에서 제시한 값을 사용하였다.

닻의 파주력은 식 (3)을 이용하여 계산하였다.

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

어구 모델에 파랑을 적용하기 위해 Lee et al. (2015)의 연구에서 기술한 방법을 이용하였다. 식 (4)와 (5)는 각 각 질점에 작용하는 파랑 물입자의 연직방향 및 수평 방향의 속도 벡터를 기술하는 방정식이며, u는 물입자 속도 벡터의 수평 성분이고, υ는 수직 성분이다. 그리고 H 는 파고, T 는 주기, k는 파수, σ 는 파의 각빈도, d는 수심, x 와 y 는 물입자의 수평 및 연직 방향상의 위치, t는 시간이다 (Jeon et al., 2012). 식 (4)와 (5)에서 구해 진 u, υ값은 외력 계산을 위한 파라메터로 입력된다 (Lee et al., 2015).

이와 같이 구해진 운동방정식의 해는 룬지쿠타 4차 방법을 이용하여 0.002 s 간격으로 구해진다. 구해진 해 는 3차원 공간상에서 통발 어구 각 질점의 위치를 나타 내는 위치 벡터의 형태로 나타나는데, 이 벡터들을 Visual C 6.0 프로그램과 OpenGL 그래픽 라이브러리를 이용하여 입체적인 형상으로 표현하였다.

통발의 저항 측정

통발 어구의 저항을 구하기 위해 수조를 이용하여 저 항 측정 실험을 실시하였다. 실험에 사용한 수조는 국립 수산과학원 수직 순환형 회류수조 (L 25.12, W 4.5, D 8.27 m; 관측부 L 8.0, W 2.8, D 1.4 m)였다. 저항의 계측은 6분력계 (Denshikogyo Co., DL 61025)를 이용하 여 실시하였다. 실험에 사용한 통발은 서해안에서 꽃게 를 어획할 때 사용하는 것으로 그물 규격은 겉망이 재질 은 PE, 망목크기 35 mm, 굵기는 1.0 mm (ø0.22×15ply), 누두망이 재질은 PE, 망목크기 20 mm, 굵기 0.88 mm (ø0.22×9ply)였고, 프레임 (철, ∅ 9 mm)의 지름은 0.58 m, 높이 0.24 m였다. Fig. 3은 실험을 위해 회류 수조 안에 설치한 꽃게 통발의 사진을 나타낸 것이다.

저항은 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 0도에서 90도까지 15도 간격으로 측정하였다. 저항 측정 실험 시 유속 범 위는 0.4 m/s에서 1.0 m/s, 측정 간격은 0.1 m/s이었고 측정 빈도는 200 Hz였다. 통발 저항 실험 세트의 구성을 Fig. 5에 나타냈다.

실험에서 측정된 영각 및 유속별 저항 값을 식 (6)에 대입하여 저항계수를 도출하였다 (Morison et al., 1950). 본 연구에서는 Lee et al. (2016)의 방법을 참고하여 저항 계수를 식 (7) 및 식 (8)과 같이 투영면적을 포함하는 값 k로 재구성하였다. 그 이유는 저항계수를 도출하기 위해서는 투영면적의 정확한 산출이 필요한데, 통발의 경우 겉망과 누두망 그리고 프레임 등으로 구성된 복잡 한 구조물이기 때문에 투영면적을 정확히 계산하는 것 이 어렵기 때문이다. 이렇게 도출된 계수 k를 통발 어구 의 시뮬레이션에 대입하였다.

시뮬레이션 조건

서해에서 어구 유실이 많은 지역의 환경 조건 (Lee et al., 2015)을 고려하여 조류와 파랑이 동시에 작용할 때 통발 어구가 받는 영향을 조사하였다. 조류 조건은 유속 0.7 m/s, 파랑 조건은 주기 4.4 s, 파고 3, 4, 5, 6 m였다.

조류의 흐름 방향과 파랑의 진행 방향은 서로 일치하 게 하였고 수심은 25 m였다. 이와 같은 시뮬레이션 조건 에서 통발 어구에 가해지는 힘을 파악하기 위해서 시간 변화에 따른 부이줄의 장력과 닻줄의 장력을 측정하였 다. 닻줄의 장력은 닻과 닻줄이 만나는 부분에서 측정하 였고, 부이줄의 장력은 부이와 부이줄이 만나는 부분에 서 측정하였다. ‘닻줄의 장력’ 이라는 표현은 원래는 벡 터의 크기를 뜻하지만, 이 논문에서는 닻의 파주력과의 손쉬운 비교를 위해 닻줄 장력의 수평 방향 분력을 나타 내는 표현이라고 가정하였다 (Lee et al., 2015).

부이의 특성이 통발 어구에 미치는 영향을 파악하기 위해 부이의 저항 계수와 크기 차이에 따른 시뮬레이션 을 수행하였다. 부이의 저항계수 조건은 0.8, 0.4, 0.2로 정하고, 부이의 크기 조건은 원래 체적 (0.0311 m³)에 대해 100, 50, 25%가 되도록 하여 각 조건에 대해 시뮬 레이션을 수행하였다. 부이 크기 조건에 대한 시뮬레이 션에서 부이의 저항계수는 0.8이었다.

시뮬레이션에서는 닻이 끌리면 닻줄의 장력을 관찰할 수 없기 때문에 닻은 초기 위치에 고정되도록 하였다. 그러나 자료 분석 시 닻줄의 장력과 비교 값으로 사용하 기 위한 닻의 파주력이 필요하므로 닻 무게 (25 kgf)의 7배인 175 kgf를 닻의 파주력으로 설정하였다 (Kenji and Atilla, 2012).

통발 어구의 시뮬레이션 과정에서 조류 및 파랑의 영 향에 의해 로프가 끊어지는 과정을 확인하기 위해 습시 인장 강도 값을 로프 종류별로 입력하여 로프에서 발생 하는 장력이 이 값을 초과하면 자동으로 끊어지도록 구 현하였다 (Table 1).

결과 및 고찰

통발의 저항 계수

통발 어구의 저항 측정 결과를 Fig. 6에 나타냈다. 통 발이 받는 유수저항은 유속 증가에 따라서 지수적으로 증가하였다. 영각변화에 대해서는 영각의 크기가 증가 할수록 저항의 증가폭이 조금씩 증가하였으나 영각 60 ∼90도일 때는 측정 결과가 서로 비슷하였다. 계산을 단순화하기 위해서 Fig. 7과 같이 영각별 측정값에 대 한 회귀곡선식을 구하여 이를 유속변화에 따른 통발 의 저항식으로 정의하였다 (식 (9)). 식 (9)에서 v는 유속을 뜻한다. 다음으로 통발의 저항식을 식 (8)에 대입하여 Fig. 8과 같이 저항계수 k의 곡선과 이를 기 술하는 저항 계수 방정식을 도출하고 이를 시뮬레이션 에 대입하였다.

시뮬레이션

시뮬레이션 결과, 모든 시뮬레이션 조건에서 로프의 파단 현상은 발생하지 않았다. 이것은 통발어구의 경우 시뮬레이션에서 부여한 유속 7.0 m/s, 파고 6 m (주기 4.4 s) 이하의 조건에서는 어구 파단으로 인한 유실이 발생하기 어렵다는 것을 보여준다.

부이의 저항계수 및 파고 차이에 따른 부이줄과 닻줄 의 장력 변화를 Fig. 9에 나타냈다. Fig. 9에 나타난 바와 같이 부이줄과 닻줄의 장력은 부이의 저항계수가 작아 질수록 감소하였다. 저항계수가 0.8일 때 닻줄의 장력은 파고 4 m인 조건에서 파주력 한계에 도달하였지만, 저 항계수가 0.4로 감소했을 때는 닻줄 장력이 파고 5 m에 서도 파주력 한계를 넘지 않았다. 저항계수가 0.2로 감 소했을 때는 닻줄 장력이 파고 6 m에서도 파주력 한계 를 넘지 않았다. 따라서 저항계수가 감소할수록 어구의 상대적인 고정력은 증가하고 높은 파도에 보다 잘 견딜 수 있다는 것을 알 수 있다. 일반적으로 부이의 저항 계수 감소는 부이가 유체로부터 받는 힘이 줄어든다는 것을 의미한다. 그런데 부이가 받는 힘이 줄었을 때 닻줄 에 작용하는 장력도 함께 줄어들었다면 이것은 부이가 어구의 고정력에 영향을 미쳤다는 것을 의미한다. 특히 Fig. 9에서 부이줄과 닻줄 장력의 변화 패턴과 주기가 서로 일치하는 것을 통해 그 영향이 매우 직접적이라는 것을 알 수 있다.

Fig. 10은 Fig. 9의 결과에서 닻줄에 작용하는 최대 장력을 저항계수 감소에 따라 나타낸 것으로 파고가 높 을수록 저항계수 감소에 따른 장력의 감소율이 커지는 것을 보여준다. 저항계수가 0.8에서 0.2로 감소할 때 파 고가 3 m일 때는 장력이 약 10%p 감소하였지만 파고가 6 m일 때는 약 50%p가 감소하였다. 따라서 부이의 저항 계수 감소는 파고가 높을수록 통발어구의 고정력 향상 에 효과적이라는 것을 알 수 있다.

부이의 크기 변화에 대한 시뮬레이션 결과는 Fig. 11 에 나타냈다. Fig. 11에 나타난 바와 같이 부이줄과 닻줄 의 장력은 부이의 크기가 작아질수록 감소하였다. 부이 의 크기가 100%일 때 닻줄의 장력은 파고 4 m 조건에서 파주력 한계에 도달하였지만, 부이의 크기가 50%로 감 소했을 때는 닻줄의 장력이 파고 5 m에서도 파주력 한 계를 넘지 않았다. 부이의 크기가 25%로 감소했을 때는 닻줄의 장력이 파고 6 m에서도 파주력 한계를 넘지 않 았다. 이와 같이 부이 크기 감소 시에도 닻줄 장력의 변화 패턴은 저항계수의 그것과 매우 유사하였다. 저항 계수의 경우와 마찬가지로 부이의 크기를 줄이는 것 역 시 부이가 받는 힘을 줄이는 방법이다. 부이의 크기가 줄게 될 경우 투영면적이 감소하므로 부이가 받는 유체 저항이 감소하고, 부피감소에 의해 부가질량도 감소하 므로 관성력도 함께 감소한다. 그뿐만 아니라 부이의 크기가 줄어들면 부력이 감소하므로 부이줄에 연결된 닻줄을 위로 당기는 힘도 줄어들어 닻줄에 미치는 영향 도 줄어들 것이다. 특히 파랑의 상승주기에서는 상승한 해수면의 높이만큼 부이의 위치도 높아지려 하기 때문 에 만약 부이의 부력이 크다면 그만큼 누워 있는 닻의 닻채 끝을 위로 더 강하게 당겨서 고정력을 보다 약화시 킬 가능성이 커진다. 이와 같이 부이의 크기 감소에 의해 부이가 받는 힘이 감소하고 동시에 닻줄이 받는 힘도 줄었다면 부이의 크기변화가 닻줄의 장력 변화에 영향 을 미친다고 볼 수 있다. 그러므로 시뮬레이션 결과에서 부이의 크기 감소에 따라 닻줄이 받는 힘도 감소하였으 므로 부이의 크기 축소는 통발어구의 고정력 향상에 기 여한다고 볼 수 있다.

Fig. 12는 Fig. 11의 결과에서 닻줄에 작용하는 최대 장력을 부이의 크기 감소 비율에 따라 나타낸 것으로, 파고가 높을수록 크기 비율 감소에 따른 장력의 감소율 이 커지는 것을 보여준다. 구체적으로 부이의 크기 비율 이 100%에서 25%로 감소할 때 파고가 3 m일 때는 장력 이 약 24%p 감소하였지만, 파고가 6 m일 때는 약 55%p 가 감소하였다. 따라서 부이의 크기 감소는 파고가 높을 수록 통발어구의 고정력을 높이는데 효과적이라는 것을 알 수 있다.

현재까지의 결과들을 종합해 보면, 통발 어구에 사용 되는 부이의 저항계수 또는 크기를 적절히 줄이면 통발 어구가 파랑으로부터 받는 힘을 줄일 수 있다는 것을 알 수 있으며, 이를 통해 어구 유실 가능성도 줄일 수 있다는 것을 알 수 있다. 향후 연구에서는 저항계수와 크기를 줄인 부이를 개발하고, 이 부이를 실물 어구에 부착한 후 파랑과 조류의 영향을 동시에 받는 조건에서 닻줄의 장력이나 어구의 고정 상태가 기존 어구와 어떤 차이가 있는지를 비교 연구할 계획이다.

결 론

본 연구에서는 부이의 특성이 통발어구의 유실에 미 치는 영향을 파악하고자 파랑과 조류를 동시에 받는 조 건에서 부이의 크기와 부이의 저항 계수 차이에 따른 통발 어구 (꽃게통발 50개) 닻줄의 장력 변화를 수치 모델링을 통해 조사하였고, 그 결과는 다음과 같았다.

통발어구에서 사용되는 부이의 저항계수를 감소시킬 때 통발어구를 고정하는 닻줄이 받는 힘도 감소하였다. 이때 파고가 높을수록 저항계수 감소에 따른 장력의 감 소율은 증가하였다. 부이의 크기가 줄어드는 경우에도 닻줄이 받는 힘이 감소하였으며, 파고가 높을수록 부이 크기 감소에 따른 장력의 감소율은 증가하였다. 그리고 통발어구에 파고 6 m, 파주기 4.4 s인 파랑과 유속 7.0 m/s인 조류가 동시에 가하였을 때 통발어구를 구성하는 로프의 파단은 발생하지 않았다.

통발 어구가 파랑과 조류의 영향을 받을 때 부이의 저항계수와 크기를 줄이면 통발 어구가 받는 힘을 줄여 서 통발 어구의 고정력을 향상시킬 수 있으며, 유실 가능 성도 낮출 수 있을 것으로 판단된다.