KR102146159B1 - 이중 부력체와 복수재질의 그물망을 갖는 부침식 가두리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가두리를 수면에 띄울 수 있는 부력을 제공하도록 내부에 통공이 형성되고 원통 또는 각기둥으로 형성된 원형 또는 다각형의 주부력프레임, 원통형의 망사로 형성되어 원통상부 테두리는 상기 주부력프레임에 연결되어 하부로 전개되는 2차어망, 상기 2차어망의 원통하부 테두리에 연결되고 내부에 통공이 형성되고 원통 또는 각기둥으로 형성된 원형 또는 다각형으로 형성되어 해수 주입에 따라 부력이 증감하여 수중에서 부상과 침하가 가능한 네트부력프레임 및 상기 네트부력프레임에 연결되고 하부로 전개되어 양식어를 수용할 수 있는 1차어망(400);을 포함하는 것을 특징으로 하는 재난 대응형 부상침하식 가두리 시스템을 제공함으로써 깨끗한 외해 양식을 안전하게 수행할 수 있으며, 외해 양식의 양식어의 탈출, 손상, 폐사를 감소시키고 적조, 태풍 등의 자연재해에 대비할 수 있다.

Description

이중 부력체와 복수재질의 그물망을 갖는 부침식 가두리{Submergible fish cage having double buoys and net made of multiple materials}

본 발명은 태풍이나 적조 등의 재난에 대응할 수 있는 어류 양식 가두리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 메인 부력프레임과 부침식 프레임을 함께 구성하여 어류의 탈출과 손상을 방지할 수 있는 어류 부침식 가두리에 관한 것이다.

삼면이 바다로 둘러싸인 우리나라는 어업과 수산양식업이 발달했다. 최근에는 수산자원의 고갈, 환경오염 등으로 잡는 어업에서 기르는 어업으로 방향을 전환하고 있으며, 이에 따라 어류 종묘의 확보, 치어 생산에서 양식방법 양식기자재에 이르기 까지 다양한 어종의 완전양식에 대한 연구가 이루어지고 있다.

양식의 방법은 주로 연안해에 가두리를 설치하는 방법과 육지양식이 이루어지고 있는데, 연안해 가두리는 바닷가에서 여러 가지 재질의 그물로 도피 방지 시설을 만들어 어류를 양식하는 양식방법으로, 그물코를 통하여 가두리 안팎으로 물이 자유롭게 통과하므로, 물의 교환이 용이하고, 산소의 공급이 원활하게 이루어질 수 있으며, 양식 중의 대사노폐물을 별도로 제거 또는 분리할 필요가 없고, 많은 양의 어류를 길러도 가두리 내의 수질이 나빠지지 않기 때문에 대규모 양성에 매우 용이하다는 장점이 있다. 또한 양식에 필요한 기자재가 비교적 단순하고 설치가 쉬우며, 관리자와 가까운 곳에 설치되는 점에서 양식장의 관리가 용이한 편이다.

그러나 최근 연안해의 가두리 양식 어가가 증가함에 따라 양식에 따른 폐기물 등이 쌓여 연안해 환경이 악화되고 있는데다가 육지로부터 흘러나오는 오염수에 의해 쉽게 영향을 받는 문제가 있었다. 뿐만 아니라 적조나 태풍 등의 자연재해에 속수무책인 경우가 대부분이어서, 재해발생 여부에 따라 양식어가에 막대한 피해가 발생하기도 하였다.

육지양식방법은 이러한 위험을 방지하고 양식환경을 완전히 컨트롤할 수 있는 양식방법으로, 일반적으로 사육수를 여과 살균하여 재사용함으로써 양식폐기물이 적은 친환경 양식을 실현할 수 있다. 그러나 양식어에 필요한 사육수의 pH, 용존산소, 염도, 수온 및 질소/탄소 비 등을 양식어에 맞추어 정교하게 유지하기 위하여 시설, 설비가 갖추어져야하기 때문에 비용이 많이 소모되고 지속적으로 관리를 필요로 하는 문제가 있으며, 양식어 생태적 특성상 양식대상 어종이 제한되는 문제가 있다.

최근에는 자연환경을 이용하여 양식할 수 있으며 수질이 깨끗한 수역에서 양식할 수 있는 외해 양식에 대한 관심이 높아지고 있다. 외해 양식은 사람들의 왕래가 가의 없어 깨끗한 수질에서 양식어를 키울 수 있으며, 참다랑어 등 고급 회유성 어종의 양식가능성도 커져 기대를 모으고 있다.

우리나라에서는 2005년부터 2008년까지 서귀포시 표선면 앞바다에서 외해양식 시험어업을 통해 태풍에 안전한 어구 도입 및 양식 방법 등에 대한 성공 가능성을 확인하였으며, 고등어, 참돔 등의 양식에 나서고 있다. 특히 돔류의 경우 수익률이 연안 가두리에 비해 4배가 높은 것으로 분석되었으며, 양식 어류의 생존율과 사료 효율이 매우 높은 것으로 나타났다.

그러나 외해에서의 양식은 육지의 지형에 의하여 자연적으로 보호받는 연근해 양식과는 달리, 조류 또는 극심한 풍랑 등 자연 재해의 영향에 직접적으로 노출되는 문제가 있다. 따라서 외해 양식 중에는 자연환경과 지형 및 어종에 따라 가두리를 일정한 수심까지 위치시킬 수 있는 방법이 개발되고 있다.

가두리가 일정 조건에서 부상하거나 침하할 수 있도록 개발된 부침식 가두리는 가두리를 수면으로 부상시키는 과정이나, 가두리가 수면에 떠 있을 때, 또는 가두리가 수중에 있는 때 등의 모든 조건에서 가두리의 형태 및 장치 자체를 안전하게 유지시킬 수 있어야 한다.

가두리의 부침 과정에서 양식어의 탈출을 방지하기 위하여 일반적으로 가두리 그물 상부에 천장망을 설치하였다. 그러나 외해 양식의 대상어종이 되는 고등어, 참다랑어 등의 고등어과 어종들은 외양성 고도 회유종으로, 수만 킬로미터를 유영하며 유영속도가 평균 시속 60 킬로미터에 달하며, 순간 최대 시속 160 킬로미터까지 헤엄칠 수 있기 때문에 그물에 닿는 기회가 많을수록 그물과 충돌하여 상처를 입거나 폐사하는 일이 많아진다.

외해 가두리가 부상중에는 상부를 열어놓는 경우가 많으나, 침하시키는 경우, 양식어 탈출을 방지하기 위하여 천장망이 필요하며, 침하과정에서 양식어가 천장망에 닿아 손해가 일어나는 경우가 빈번하기 때문에 이에 대한 연구가 필요한 실정이다.

대한민국 등록특허 제10-09735125호에서는 물고기를 기르는 가두리 그물망과; 상기 가두리 그물망의 상단의 형을 유지시키는 상부림과, 상기 가두리 그물망의 하단의 형을 유지시키는 하부림을 포함하여 구성되어 상기 가두리 그물망을 수면이나 수중에 띄우면서 일정한 형을 유지시키는 뜸틀부; 및 정역구동모터에 의해 구동하는 드럼 상에 상기 뜸틀부와 연결된 와이어가 권설 및 해권될 수 있도록 하여 상기 가두리 그물망의 위치를 자유롭게 조절하는 수중 이동 수단;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수중 이동이 가능한 외해 가두리 구조물을 개시하고 있다. 대한민국 등록특허 제10-0796120호에서는 어류를 가둘 수 있는 공간이 형성된 가두리망과, 상기 가두리망의 상단 둘레를 따라 설치되는 상부프레임을 포함하는 가두리 양식장치에 있어서, 상기 상부프레임의 내부에는 공간부가 형성되고, 상기 공간부에는 에어의 공급 및 배출동작에 따라 팽창 및 수축하며 부력을 발생시키는 튜브가 설치되며, 상기 상부프레임의 둘레면에는 상기 튜브의 수축 및 팽창동작에 따라 상부프레임의 내부 공간부로 해수를 유입 및 배출시키는 다수개의 통과공들이 형성된 것을 특징으로 하는 외해용 부침식 가두리 양식장치를 개시하고 있다. 대한민국 등록특허 제10-1626663호에서는 프레임유닛과, 상기 프레임유닛에 설치되며 양식동물을 양식할 수 있는 공간을 제공하는 가두리유닛과, 상기 프레임유닛에 설치되며, 상기 프레임유닛 및 가두리유닛을 수중으로 가라앉히거나 수면을 향해 부상시킬 수 있도록 부력을 조절하는 부력조절유닛을 구비하며, 상기 부력조절유닛은 부력조절을 위해 내부에 물 또는 공기가 충진될 수 있는 충진공간이 형성되어 있고 일측에는 수면 위로 연장되는 공기전력호스와 연결되는 공기홀이 형성된 부력조절파이프와, 상기 부력조절파이프에 설치되며 상기 충진공간으로 물을 유입시키거나 충진공간의 물을 외부로 배출시키는 수중펌프를 구비하는 부침식 양식장치를 개시하고 있다. 대한민국 등록특허 제10-0925403호에서는 둘레 방향을 따라 복수의 개소에 무게추를 매달 수 있게 구성되고, 그물망의 하부 형상을 형성할 수 있게 수평으로 배치되는 하부림(rim); 상기 그물망의 상부 형상을 형성할 수 있게 수평으로 배치되고, 내부에 일정한 부력을 유지할 수 있도록 일정한 부피의 밀폐 공간부가 형성된 상부림; 수직으로 세워진 상태로 상기 하부림과 상부림 사이에 부착되고, 적어도 상면은 닫혀지게 형성되어 내부 공간에 공기 또는 해수가 채워질 수 있게 구성되는 복수의 부력조절 파이프; 및 상기 부력조절 파이프의 부력을 조절할 수 있도록 상기 부력조절 파이프의 내부 공간을 개폐시킬 수 있게 구성되는 적어도 하나의 밸브를 포함하는 부침식 수중 가두리 장치를 개시하고 있다.

본 발명은 황동망을 사용하는 부침식 가두리 장치에 있어서 태풍이나 적조 등의 재난에 대응하여 침하시킬 수 있으면서도 종래의 부침식 가두리의 기본 구성부이었으나 양식어의 손상과 폐사의 원인이 되었던 천장망을 형성하지 않고 재난에 대응하여 가두리를 침하시킬 수 있어 어류의 탈출과 손상을 방지할 수 있는 어류 가두리 시스템을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 가두리를 수면에 띄울 수 있는 부력을 제공하도록 내부에 통공이 형성되고 원통 또는 각기둥으로 형성된 원형 또는 다각형의 주부력프레임, 원통형의 망사로 형성되어 원통상부 테두리는 상기 주부력프레임에 연결되어 하부로 전개되는 2차어망, 상기 2차어망의 원통하부 테두리에 연결되고 내부에 통공이 형성되고 원통 또는 각기둥으로 형성된 원형 또는 다각형으로 형성되어 해수 주입에 따라 부력이 증감하여 수중에서 부상과 침하가 가능한 네트부력프레임 및 상기 네트부력프레임에 연결되고 하부로 전개되어 양식어를 수용할 수 있는 1차어망(400);을 포함하는 것을 특징으로 하는 재난 대응형 부상침하식 가두리 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 재난 대응형 부상침하식 가두리 시스템을 이용함으로써 깨끗한 외해 양식을 안전하게 수행할 수 있으며, 외해 양식의 양식어의 탈출, 손상, 폐사를 감소시키고 적조, 태풍 등의 자연재해에 대비할 수 있다.

도 1은 본 발명의 재난 대응형 부상침하식 가두리 시스템의 펼쳐진 모습의 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 재난 대응형 부상침하식 가두리 시스템의 접힌 모습의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 재난 대응형 부상침하식 가두리 시스템의 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 재난 대응형 부상침하식 가두리 시스템의 완성된 모형을 보여주는 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 재난 대응형 부상침하식 가두리 시스템 모형을 수중에 적용하는 모습을 보여주는 사진이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 브라켓으로 연결된 주부력프레임과 부부력프레임을 보여주는 사진이다.
도 7은 본 발명에 따른 재난 대응형 부상침하식 가두리 시스템 모형 부력프레임의 유속별 거동 변화를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 재난 대응형 부상침하식 가두리 시스템 모형 부력프레임의 목줄 길이별 유속변화에 따른 침하수심을 비교한 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 재난 대응형 부상침하식 가두리 시스템 모형 하부프레임별 유속의변화에 따른 거동 변화 비교 사진이다.
도 10은 유속의 변화에 따른 전체 가두리 모형의 계류줄 및 목줄의 장력 변화를 비교한 그래프이다.
도 11은 유속의 변화에 따른 가두리 모형의 형상 변화를 비교한 것이다.
도 12는 유속 0.6m/s와 0.7m/s에서 가두리 모형의 형상 변화를 비교한 것이다.
도 13은 하부프레임별 유속의 변화에 따른 거동 변화를 비교한 사진이다.
도 14는 유속의 변화에 따른 전체 가두리 모형의 계류줄, 목줄 및 침강줄의 장력 변화를 비교한 그래프이다.
도 15는 유속의 변화에 따른 가두리 모형의 형상 변화를 비교한 것이다.
도 16은 유속 0.6m/s와 0.7m/s에서 가두리 모형의 형상 변화를 비교한 것이다.
도 17은 유속 변화에 따른 황동 가두리 어망의 측단면적 계측을 통한 용적감소율 추정을 비교한 그래프이다.
도 18은 파고별 주기에 따른 부력프레임의 상하동요량을 나타낸 그래프이다.
도 19는 부상형 GRP모형의 설치 및 실험사진(파고 0.5m, 주기 1.5s, 파향-오른쪽)이다.
도 20은 부상형 모형(사개 및 무사개)의 설치 및 실험사진(파고 0.5m, 주기 1.5s)이다.
도 21은 왼쪽부터 부상형 GRP사개모형(Case 1), 부상형 사개모형(Case 2), 부상형 무사개모형(Case 3)의 파고 및 주기별 계류줄 장력을 나타낸 그래프이다.
도 22는 파고별 주기에 따른 부력프레임의 상하동요량을 나타낸 그래프이다.
도 23은 침하형 모형(사개 및 무사개)의 설치 및 실험사진((파고 0.5m, 주기 1.5s)이다.
도 24는 왼쪽부터 침하형 사개 모형(Case 4) 및 침하형 무사개 모형(Case 5)의 파고 및 주기별 계류줄과 침강줄 장력을 나타낸 그래프이다.

본 발명은 외해의 깨끗한 수질에서 양식어를 기를 수 있는 가두리를 태풍이나 적조 등의 재난에 대응하여 침하시킬 수 있으면서도 침하 시 양식어의 탈출방지를 위한 천장망에 의하여 양식어가 손상 또는 폐사하지 않도록 천장망을 형성하여 양식어를 강제로 침하유도하지 않으면서 악화된 자연조건에 대응할 수 있는 어류 가두리 시스템에 관한 것이다. 이하 본 발명을 구체적인 실시예를 들어 상세히 설명한다.

< 실시예 1> 재난 대응형 부상침하식 가두리 시스템

본 발명은 가두리를 수면에 띄울 수 있는 부력을 제공하도록 내부에 통공이 형성되고 원통 또는 각기둥으로 형성된 원형 또는 다각형의 주부력프레임(100), 원통형의 망사로 형성되어 원통상부 테두리는 상기 주부력프레임(100)에 연결되어 하부로 전개되는 2차어망(200), 상기 2차어망(200)의 원통하부 테두리에 연결되고 내부에 통공이 형성되고 원통 또는 각기둥으로 형성된 원형 또는 다각형으로 형성되어 해수 주입에 따라 부력이 증감하여 수중에서 부상과 침하가 가능한 네트부력프레임(300) 및 상기 네트부력프레임(300)에 연결되고 하부로 전개되어 양식어를 수용할 수 있는 1차어망(400);을 포함하는 것을 특징으로 하는 재난 대응형 부상침하식 가두리 시스템에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 재난 대응형 부상침하식 가두리 시스템의 펼쳐진 모습의 측면도이며, 도 2는 네트부력프레임과 주부력프레임이 수면으로 올라가 겹쳐져 접힌 모습의 측면도이고, 도 3은 평면도이다.다. 주부력프레임(100)은 원형, 또는 다각형으로 형성될 수 있으며, 원형 또는 다각형의 중앙의 공간에 양식어를 수용하여 양식하게 된다. 주부력프레임(100)의 역할은 가두리 양식장치를 수면 위에 띄우기 위한 것으로, 따로 부이 등을 연결하지 않아도 가두리가 수면에서 부상상태를 유지하도록 가두리의 프레임 자체가 부력을 갖도록 하였다. 이를 위하여 주부력프레임(100)의 내부에는 통공이 형성되고 여기에 공기를 채워 부력을 형성하도록 하였다. 주부력프레임(100)은 PE 파이프를 사용할 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니며, 원형 또는 다각형으로 형성될 수 있다.

주부력프레임에는 원통형의 망사로 형성된 2차어망(200)이 연결되어 있다. 2차어망의 원통상부 가장자리는 주부력프레임(100)에 연결되고 원통하부는 네트부력프레임(300)과 연결되어 있으며, 네트부력프레임(300)은 실제로 양식어가 수용되는 1차어망(400)이 연결되어 있다. 주부력프레임에 연결된 망사어망은 네트부력프레임의 상면에 연결되는데 이때 주부력프레임보다 네트부력프레임의 지름 폭이 작아 주부력프레임에서 네트부력프레임으로 이어지는 어망의 폭은 사단법을 통해서 점차적으로 줄여가야한다. 사단된 어망을 펼치면 상광하협의 마름모꼴의 어망의 끝단을 접합한 형태가 된다.

네트부력프레임(300)은 원형 또는 다각형으로 형성되며, 흡배기 및 흡배수가 가능한 밸브를 부착한 원통 또는 각기둥형으로 형성되며, 원통 또는 각기둥형 내부에 물을 넣거나 빼는 방법으로 부상 및 침하가 가능하다.

네트부력프레임(300)의 부침 여부에 따라 양식어가 수용된 1차어망은 부상 또는 침하된다. 적조 등의 재난이 발생할 경우, 가두리를 침하시켜 양식어를 적조생물로부터 도피시키는 경우, 종래의 부침식 가두리는 물고기의 탈출방지를 위하여 천장망을 사용하였다. 그러나 천장망을 사용하는 경우 어류의 서식 수심을 강제로 낮추게 되며, 이런 경우 어류는 상부로 올라가려다가 천장망에 충돌하고 극심한 스트레스를 받게 되어 몸체에 상처를 입거나 폐사하기도 한다.

본 발명에 따른 재난 대응형 부상침하식 가두리 시스템은 가두리망 상부로 2차어망을 둠으로써 재난을 피해 가두리를 수중으로 침하시키면서도 양식어가 강제 침하로 받을 수 있는 스트레스를 없애고 스스로 재난을 피하여 일정 수심으로 이동할 수 있도록 하였다.

보통의 자연환경 상태에서 네트부력프레임(300)의 내부에 공기를 주입하여 부상하게 한다. 이 경우, 도 2에서 보는 바와 같이 네트부력프레임(300)은 주부력프레임(100)과 같은 높이로 위치하며, 양식어를 수용하는 1차어망(400)은 비교적 수면에 가까운 상부에 위치하게 된다.

자연재해가 예고된 경우, 네트부력프레임(300)에 공기를 배출시키고 물을 주입하여 네트부력프레임(300)을 침하시킨다. 네트부력프레임(300)이 침하되면, 주부력프레임과 네트부력프레임 사이를 원통형으로 연결하고 있는 2차어망(200)이 수중으로 펼쳐지면서 2차어망의 높이만큼 네트부력프레임과 1차어망이 침하하게 되므로, 양식어는 적조에 의해 악화된 수질환경을 피하여 자발적으로 아래로 이동할 수 있게 된다. 이때 상부는 천장망없이 그대로 열린 채로 유지되기 때문에 양식어가 상부로 올라와도 스트레스나 어망과의 충돌에 의해 피해를 입지 않게 된다. 따라서 2차어망의 수직길이는 부침식 가두리가 설치되는 환경의 수심에 따라 적절히 조절하여 제작한다.

통상 네트부력프레임은 하나의 파이프관을 폐곡선으로 접합하여 형성하는 것이 일반적이나, 파이프관 내부에 작은 직경의 파이프를 넣어 이중관 형태의 네트부력프레임으로 형성가능하다. 이중관 형태가 되면 흡배기 밸브를 통해 해수를 주입하거나 배출하는 경우, 작은 직경파이프 또는 큰 직경파이프의 어느 한 쪽에 먼저 해수가 주입되거나 배출되므로 부침시 밸러스트를 안정시켜 수평으로 유지시키는 효과를 갖는다.

도 4는 본 발명에 따른 재난 대응형 부상침하식 가두리 시스템의 완성된 모형의 수조실험 사진을 보여주며, 도 5는 이를 수중에 적용하는 모습을 보여주는 사진이다. 네트부력프레임(300) 내부에 공기를 채워 부상형으로 위치할 때에는 2차어망(200)은 접혀져 있으며, 네트부력프레임(300) 내부에 물을 채워 침하형으로 하는 경우 2차어망이 펼쳐지면서 가두리 어망의 깊이를 깊게 하고 양식어의 탈출을 방지한다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 브라켓으로 연결된 주부력프레임과 부부력프레임을 보여주는 사진이다. 주부력프레임(100)의 부력을 보조하기 위하여 주부력프레임에 부부력프레임(110)을 더 설치할 수 있다. 이때 브라켓(111)으로 주부력프레임(100)과 부부력프레임(110)을 고정 연결하고 2차어망(200)을 여기에 고정할 수 있으며, 네트부력프레임(300)이 부상형으로 위치하는 경우 주부력프레임(100), 부부력프레임(110) 또는 브라켓(111) 등에 체결부(미도시)를 형성하여 견고하게 체결할 수 있다.

상기 1차어망(400)은 황동어망으로 형성하고, 1차어망(400) 하부에 하부망프레임(500)을 원형 또는 다각형으로 형성하여 양식어가 수용되는 공간을 충분히 확보하도록 한다. 이에 반하여 2차어망(200)은 섬유망으로 구성함으로써 네트부력프레임의 부상과 침하에 따라 유연하게 접히거나 펼쳐지도록 한다. 특히 1차어망과 2차어망의 재질을 달리 함으로서 황동어망이 수면에 노출되는 것을 방지하게된다. 황동의 경우 수면의 공기중에 노출되면 부식발생이 우려되므로 수면하부에 잠기도록 구성할 필요가 있다.

상기와 이 네트부력프레임과 2차어망을 포함하는 가두리 양식 시스템의 경우, 조류 및 풍랑 등에 의한 응력에 저항이 크고 양식어의 양식공간을 안정적으로 유지하는 것을 하기 시험예에서 확인하였다.

< 시험예 1> 재난 대응형 부상침하식 가두리 시스템의 수리모형 평가

1. 조류의 영향을 받는 가두리 모형실험

황동선으로 직조된 어망을 사용한 가두리 시설의 역학적 특성을 검토하기 위해 수리모형실험을 실시하였다. 실험에 사용된 모형은 3종류로, 브라켓으로 연결된 PE 파이프 부력프레임, 황동어망을 사용한 부상형 가두리 및 침하형 가두리 모형이다. 부력프레임 모형은 사개와 연결된 목줄의 길이 변화에 따른 장력과 위치 변화를 알아보기 위한 것으로, 목줄의 길이는 사개 한변의 크기를 결정하며 이는 허가된 어장 면적의 효율적 사용에 참고할 수 있다. 황동어망을 사용한 가두리 모형은 부침형으로 제작하여 부상시와 침하시 조류 및 파랑에 따른 가두리 모형의 장력과 위치 변화를 실험하였다.

부상형 황동어망 가두리모형은 발 직경과 발 길이의 크기가 각각 4.5mm와 50mm인 실물 황동어망을 기준으로, 축척비가 1/5인 원통형의 가두리 모형을 제작하였다. 황동어망은 섬유어망과 달리 비중이 큰 중량물이기 때문에 기하학적 상사와 역학적 상사를 일치시키기 어렵다.

따라서 원통형인 모형 그물의 내경과 깊이는 수조의 크기를 고려하고, 부력프레임의 부력은 어망의 무게를 고려하여 Froude 모형 수칙에 따라 결정하였다. 부력프레임은 총 3개의 PE 파이프를 사용하였으며, 외측 2열은 브라켓으로 연결된 상시 부상형 부력프레임이며, 내측의 부력프레임은 어망의 상부에 직접 연결되어 있으며 상시 부상형 부력프레임과 로프로 연결된 형태이다.

가두리 모형의 조류에 대한 역학적 특성을 실험하기 위해 국립수산과학원과 부경대학교에 위치한 수직순환형 회류수조를 사용하였다. 1차 실험으로 국립수산과학원의 회류수조를 이용하여 부상형 및 부침형 각 1종에 대하여 유속의 변화에 따른 가두리 모형의 장력과 형상변화를 계측하였다. 2차 실험으로 국립부경대학교 회류수조를 이용하여 부력프레임 1종과 부상형 및 침하형 각 4종에 대하여 실험을 수행하였다. 부력프레임 모형은 목줄의 길이를 3종류로 달리하여 유속의 변화에 따른 장력의 변화를 계측하였다.

목줄의 길이비(λBL)는 부력프레임의 직경 대비 사개 한 변의 길이가 1.5배, 2배, 2.5배일 때를 기준으로 결정하였다. 실험에 사용된 목줄이 길이와 부력프레임 직경 대 사개 한 변의 길이 비를 표 1에 나타내었다.

종류	목줄길이	부력프레임 직경(a)	사개 한변의 길이(b)	λBL=a/b
Model BL-1.5	0.8m	1.25m	1.875m	1.5
Model BL-2.0	1.22m	1.25m	2.5m	2.0
Model BL-2.5	1.65m	1.25m	3.125	2.5

황동어망 가두리 모형은 부상형과 침하형으로 나누고, 각각에서 하부 프레임의 종류를 4종류로 설정하여 실험하였다. 표 2에 모형의 종류를 나타내었다.

종류	하부프레임의 종류	재료 외경	부력(kgf)	침강력(kgf)
부상형 및 침하형	No frame	-	-	-
	GRP rod	8mm	-	-
	PE PIPE(진공)	25mm	1.324	0.385
	PE PIPE(천공)	25mm	0.026	-

GRP rod: Glass fiber reinforced plastic

1.1 실험결과

1.1.1. 부상형 부력프레임 모형

실물의 1/20 축소된 크기의 부력 프레임에 대한 유속 변화에 따른 계류줄과 목줄의 장력 변화를 실험하였다. 목줄의 길이는 사개의 크기에 의해 결정되며, 사개 한 변의 길이가 프레임 내경의 1.5배, 2배,2.5배일 때를 기준으로 하였다. 도 7은 목줄의 길이별 유속의 변화에 따른 부력프레임의 거동 변화를 나타내고 있다. 유속이 0.5m/s까지는 부력프레임의 앞 부분 파이프가 수면바로 밑에 잠기는 정도로 그 기능을 유지하고 있으나, 유속이 0.6m/s 이상으로 증가하면 전면 브라켓이 잠기기 시작하면서 유속0.8m/s일 때 심한 경사와 함께 전체가 수몰되어 그 기능을 상실하는 것을 알 수 있다. 또한 목줄이 길수록 조류를 정면으로 받는 부력프레임의 침하 수심이 더 큰 것을 알 수 있다. 목줄의 길이별 유속구간 0.5m/s ～ 0.8m/s에서의 침하 수심 변화 그래프를 도 8에 나타내었다.

유속변화에 따른 계류줄과 목줄의 장력을 비교한 그래프로, 계류줄의 장력은 목줄비(λBL)가 1.5일때 유속 0.5m/s일 때를 제외하고 전체적으로 비슷한 크기를 보였다. 하지만, 목줄의 장력에서는 목줄비(λBL)가 2 이상인 경우보다 크게 나타났다. 또한 목줄비(λBL)가 1.5인 경우 유속 0.5m/s에서 증가율이 가장 먼저 큰 폭으로 상승한 반면 목줄비(λBL) 2.0과 2.5는 유속 0.6m/s에서 가장 크게 상승하였다. 모형이 수면 밑으로 전체 침하된 유속 0.6m/s 이후에는 장력 증가율이 모두 감소하는 경향을 보였다. 따라서 부력프레임의 침하 수심 및 장력의 크기를 종합적으로 고려하면, 조류에 의한 침하수심은 목줄의 길이에 비례하는 경향이지만, 프레임에 작용하는 저항의 크기는 목줄비(λBL)가 2 이상일 때 작게 나타나는 것을 알 수 있다.

1.1.2. 부상형 황동어망 가두리 모형

1/5크기로 축소한 부상형 황동어망 가두리 모형을 이용하여 유속 변화에 따른 계류줄과 목줄의 장력변화를 실험하였다. 도 9에는 하부프레임별 유속의 변화에 따른 모형의 거동 변화 사진을 나타내었다. 전체적으로 유속이 0.5m/s까지 부력프레임의 침하상태는 파이프의 외경 크기만큼 수면 바로 밑에 잠기는 정도이고, 0.7m/s일 때 부력프레임의 경사가 심해지면서 전체가 잠기는 모습을 관찰할 수 있다. 또한 어망의 형상변화를 살펴보면 하부프레임이 없는 경우, 어망의 전방 하단이 약간 들리지만 형상 및 용적변화는 크지 않은 것을 알 수 있다. 하부프레임이 부착된 어망의 경우 어망의 전면 중앙이 내측으로 밀리면서 형상변화가 일어나지만 하부프레임이 없는 경우보다 형상 및 용적 유지가 잘 이루어지는 것을 알 수 있다. 그러나 하부프레임이 부력을 가지는 PE 파이프 프레임의 경우, 진공상태의 프레임은 유속 0.7m/s에서 어망의 후면이 심하게 구겨지는 현상이 발생하며, 천공상태의 프레임은 침하 수심의 크기가 가장 큰 것을 알 수 있다. 유속 0.6m/s까지 두 모형의 장력 크기는 비슷하고, 유속 0.7m/s에서 프레임 모형의 장력값이 약간 크게 나타났다.

하부프레임이 없는 모형과 진공상태의 PE 파이프 프레임 모형의 장력을 비교하면, 전 유속대에서 하부프레임이 없는 모형의 장력값이 작은 경향을 나타내었고, 0.7m/s에서는 장력 차이가 다소 증가하였다.

마찬가지로 하부프레임이 없는 모형과 천공상태의 PE 파이프 프레임 모형의 장력을 비교하면 전 유속대에서 하부프레임이 없는 모형의 장력값이 작은 경향을 나타내었고, 0.7m/s에서 장력 차이가 가장 크게 나타났다. 모형별 전체 장력 비교 결과를 도 10에 나타내었고, PE 파이프 하부프레임을 사용한 모형의 장력값이 큰 경향을 보였다.

하부프레임 모형의 경우 프레임의 면적이 작으면서 어망의 형상을 유지하므로 저항감소에 있어 유리하지만, 실물의 경우 프레임의 무게 및 탄성이 황동 어망의 하중 증가와 함께 측면망과 바닥망의 조립부위에 연결된 로프를 통해 국소적인 힘을 발생시켜 파손의 위험이 예상되었다.

유속의 변화에 따른 황동 가두리 어망의 형상변화 비교 그래프를 도 11과 도 12에 나타내었다. 촬영된 사진 결과와 같이 유속의 증가와 함께 어망의 들림현상과 변형이 확인되었고, 전체적인 변위는 유속 0.6m/s까지 비슷하다가 유속 0.7에서는 PE 파이프 프레임을 부착한 모형의 변형이 가장 크게 나타났다.

조류의 영향에 의한 황동 가두리 어망의 측단면적의 크기 변화를 통해 어망의 용적변화율을 추정한 결과 하부프레임이 없는 황동어망은 최대 유속 7.0m/s에서 약 17.5% 감소하였고, 하부프레임으로 진공 PE 파이프를 부착한 모형도 비슷한 경향을 보인 반면 하부프레임으로 rod와 천공 PE 파이프를 부착한 모형의 용적변화율은 유속 7.0m/s에서 각각 3.9%와 5.3%의 감소율을 나타내었다.

1.1.3. 부침형 황동어망 가두리 모형

11/5크기로 축소한 침하형 황동어망 가두리 모형을 이용하여 유속 변화에 따른 계류줄과 목줄의 장력변화를 실험하였다. 도 13에는 하부프레임별 유속의 변화에 따른 모형의 거동 변화 사진을 나타내었다. 전체적으로 유속이 0.5m/s까지 부력프레임의 침하상태는 파이프의 외경 크기만큼 수면 바로 밑에 잠기는 정도이고, 0.7m/s일 때 부력프레임의 경사가 심해지면서 전체가 잠기는 모습을 관찰할 수 있다.

또한 어망의 형상변화를 살펴보면 하부프레임이 없는 경우 어망의 전방 하단이 약간 들리지만 형상 및 용적 변화는 크지 않은 것을 알 수 있다. 하부프레임이 부착된 어망의 경우 어망의 전면 중앙이 내측으로 밀리면서 형상변화가 일어나지만 하부프레임이 없는 경우보다 형상 및 용적 유지가 잘 이루어지는 것을 알 수 있다. 부상형 모형에 비해 어망의 형상 변화가 작은 것을 알 수 있다.

모형의 계류줄과 목줄에 발생하는 장력의 크기를 비교하였고, 그 결과, 하부프레임이 없는 모형과 프레임을 부착한 모형의 경우, 두 장력값은 비슷한 크기의 결과를 보여주고 있으며, 하부프레임이 없는 모형과 진공상태의 PE 파이프 프레임 모형의 장력을 비교하면 전구간에서 비슷한 값을 보이다가 유속 0.7m/s에서 진공 PE 프레임 모형의 장력값이 약간 크게 나타났다. 마찬가지로 하부프레임이 없는 모형과 천공상태의 PE 파이프 프레임 모형의 장력 비교하면 전 유속대에서 하부프레임이 없는 모형의 장력값이 작은 경향을 나타내었고, 0.7m/s에서 장력 차이가 가장 크게 나타났다. 모형별 전체 장력 비교 결과를 도 14에 나타내었고, PE 파이프 하부프레임을 사용한 모형의 장력값이 큰 경향을 보였다.

부상형 모형과 마찬가지로, 하부프레임 모형의 경우 프레임의 면적이 작으면서 어망의 형상을 유지하므로 저항감소에 있어 유리하지만, 실물의 경우 프레임의 무게 및 탄성이 황동 어망의 하중 증가와 함께 측면망과 바닥망의 연결부위에 연결된 로프로 인해 국소적인 파손의 위험이 예상된다.

유속의 변화에 따른 황동 가두리 어망의 형상변화 비교 그래프를 도 15와 도 16에 나타내었다. 사진 촬영 결과와 같이 유속의 증가와 함께 어망의 들림현상과 변형이 계측되었고, 전체적인 변형을 비교하면 부력 프레임이 없는 경우의 변형이 가장 작았으며, 천공 PE 파이프 모형의 변형이 가장 크게 나타났다.

조류의 영향에 의한 황동 가두리 어망의 측단면적의 크기 변화를 통해 어망의 용적변화율을 추정하였는데, 형상변화가 없는 정수중일 때 어망의 측단면적을 기준으로 변화된 용적의 비율을 추정하한 결과, 유속 0.4m/s까지는 프레임을 부착한 모형의 용적변화가 작게 나타났으며, 나머지 3종의 모형의 감소율은 비슷하였다. 0.5m/s 이후에도 모든 모형의 용적변화율이 비슷하였으며, 최대 0.7m/s에서 약 2.5% 전후의 감소율을 나타내었다. 도 17은 유속 변화에 따른 황동 가두리 어망의 측단면적 계측을 통한 용적감소율 추정을 비교한 그래프이다.

2. 파랑의 영향을 받는 가두리 모형실험

2.1 실험 방법

가두리 모형의 파랑에 대한 역학적 특성을 실험하기 위해 한국생산기술연구원 해양로봇센터에 위치한 조파수조를 사용하였다. 실험에 사용된 모형의 구성을 표 3에 나타내었다.

모형 종류	하부프레임	계류방식	수심	사개 한 변 길이	계류줄 길이
Case1-부상형	rod	사개 - 계류	8.7m	5m	17.7m
Case2-부상형	No frame	사개 - 계류	8.7m	5m	17.7m
Case3-부상형	No frame	무사개 - 계류	8.7m	-	19.85m
Case4-침하형	No frame	사개 - 계류	8.7m	5m	17.7m
Case5-침하형	No frame	무사개 - 계류	8.7m	-	19.85m

파랑에 평행한 방향으로 4점 계류를 하고, 한 변이 5m인 사개와 하부프레임의 유무에 따른 5종의 부상 침하형 모형에 대하여 실험하였다. 사개가 설치된 경우 각 꼭지점에는 가두리 프레임으로부터 2개의 목줄과 한 개의 계류줄 그리고 부이와 침강줄이 연결되고, 사개가 없는 경우 가두리 프레임과 계류줄이 직접 연결된 형태이다. 부상형 모형의 경우 파랑의 방향에 전면에 설치된 계류줄 양쪽에 각각 load cell을 부착하였고, 침하형 모형에서는 계류줄에 1개, 침하시 상하부 프레임이 연결되는 침강줄에 1개를 부착하여 장력을 계측하였다. 수중촬영을 통해 획득한 스틸 사진을 통해 부력프레임의 상하동요량(pitch angle)을 분석하였다.

실험 파고는 0.2m부터 0.5m까지 0.1m 간격으로 증가시켰고, 각 파고별로 허용되는 주기에 대하여 실험하였다. 실험 파랑 조건을 표 4에 나타내었고, 계측된 데이터 중 파고가 가장 낮을 때와 파고가 가장 높을 때의 값을 주기별로 분석하였다.

구분	파고(m)	주기(sec)
WC 2-1	0.2	1.5
WC 2-2		2.0
WC 2-3		1.7
WC 3-1	0.3	1.5
WC 3-2		2.0
WC 3-3		1.7
WC 4-1	0.4	1.5
WC 4-2		2.0
WC 4-3		1.7
WC 5-1	0.5	1.5
WC 5-2		2.0
WC 5-3		1.7

2.1.1 부상형 황동어망 가두리 모형

발 직경과 발 길이의 크기가 각각 4.5mm와 50mm인 실물 황동어망을 기준으로, 축척비가 1/5인 원통형의 가두리 모형을 제작하였다. 원통형 모형 그물의 내경과 깊이는 수조의 크기를 고려하고, 부력프레임의 부력은 어망의 무게를 고려하여 Froude 모형 수칙에 따라 결정하였다. 부력프레임은 총 3개의 PE 파이프를 사용하였으며, 외측 2열은 브라켓으로 연결된 상시 부상형 부력프레임이며, 내측의 부력프레임은 어망의 상부에 직접 연결되어 있으며 상시 부상형 부력프레임과 로프로 연결된 형태이다.

2.1.2 침하형 황동어망 가두리 모형

발 직경과 발 길이의 크기가 각각 4.5mm와 50mm인 실물 황동어망을 기준으로, 축척비가 1/5인 원통형의 가두리 모형을 제작하였다. 브라켓으로 연결된 2열의 PE 부력프레임은 수면에 부상된 상태에서 황동어망이 침하하는 형태이며, 침하된 황동어망은 상부 부력프레임과 로프로 연결되고 어류의 탈출 방지를 위한 섬유어망이 침하된 깊이만큼 설치되는 형태이다.

2.2 실험결과

2.2.1 부상형 황동어망 가두리 모형

수중카메라를 통해 촬영한 사진을 분석하여 파고가 가장 낮은 0.2m와 가장 높은 0.5m의 주기별(1.5s, 1.7s, 2.0s) 부력프레임의 상하동요량을 도 18에 나타내었다. 도 19 및 도 20은 파랑의 영향을 받는 가두리 모형의 거동을 촬영한 사진이다.

계류줄에 부착한 load cell을 통해 계측한 장력 결과를 각 모형에 대하여 파고가 가장 낮은 0.2m와 가장 높은 0.5m일 때 주기 변화에 따라 그래프로 나타내었다. 도 21은 왼쪽부터 부상형 사개모형(Case 1), 부상형 사개모형(Case 2), 부상형 무사개모형(Case 3)의 파고 및 주기별 계류줄 장력을 나타낸 그래프이다. 부상형 모형의 장력 결과를 보여주고 있으며, 파고의 크기가 동일하고 주기가 길어지면 장력의 크기도 증가하는 하는 경향을 보여주고 있다.

또한 부상형 모형과 부상형 무사개 모형의 결과에서도 동일한 경향을 확인할 수 있으며, 특히 사개를 제거하고 부력프레임에 계류줄을 직접 연결한 경우 장력의 크기 증가와 함께 주기에 따른 장력 변화도 사개가 설치된 모형의 결과보다 큰 폭으로 나타나는 것을 알 수 있다. 도 23은 침하형 모형(사개 및 무사개)의 설치 및 실험사진((파고 0.5m, 주기 1.5s)이다.

2.2.2 침하형 황동어망 가두리 모형

수중카메라를 통해 촬영한 사진을 분석하여 파고가 가장 낮은 0.2m와 가장 높은 0.5m의 주기별(1.5s, 1.7s, 2.0s) 부력프레임의 상하동요량을 도 22에 나타내었다.

계류줄과 침강줄에 각각 1개씩 부착한 load cell을 통해 계측한 장력 결과를 각 모형에 대하여 파고가가장 낮은 0.2m와 가장 높은 0.5m일 때 주기 변화에 따라 그래프로 나타내었다. 도 24는 왼쪽부터 침하형 사개 모형(Case 4) 및 침하형 무사개 모형(Case 5)의 파고 및 주기별 계류줄과 침강줄 장력을 나타낸 그래프이다침하형 모형의 장력 결과를 보여주고 있으며, 파고의 크기가 동일하고 주기가 길어지면 장력의 크기도 증가하는 하는 경향을 보여주고 있다. 특히 상부 부력프레임에 연결된 계류줄 장력의 증가폭이 침강줄의 증가폭보다 크게 나타났다. 침하형 무사개 모형에서는 주기가 짧을 때 침강줄의 장력이 계류줄보다 높게 나타났으나 주기가 길어지면 계류줄의 장력 증가폭이 커지는 것을 알 수 있다.

상기의 결과로 보아 본 발명에 따른 재난 대응형 부상침하식 가두리 시스템은 종래의 부상형보다 조류 및 파랑에 안정적인 구조를 유지할 수 있는 것을 확인하였다.

본 발명에 따른 재난 대응형 부상침하식 가두리 시스템을 이용함으로써 깨끗한 외해 양식을 안전하게 수행할 수 있으며, 외해 양식의 양식어의 탈출, 손상, 폐사를 감소시키면서 적조, 태풍 등의 자연재해에 대비하고 조류, 파랑 등에 안정적인 양식을 수행할 수 있어 산업상 이용가능성이 있다.

100 : 주부력프레임 110 : 부부력프레임
111 : 브라켓 200 : 2차어망
300 : 네트부력프레임 400 : 1차어망
500 : 하부망프레임

Claims (2)

1. 가두리를 수면에 띄울 수 있는 부력을 제공하도록 내부 공간이 형성된 원형 또는 다각형의 파이프관으로 이루어진 주부력프레임; 상기 주부력프레임의 직경 대비 사개 한 변의 길이는 2 ~ 2.5배인 목줄의 길이비(λBL)로 이루어지며,
   상기 주부력프레임의 하단에는 섬유 망사로 이루어져 수심 하부로 전개되는 2차어망이 연결되고, 2차어망의 하부 테두리에는 내부에 통공이 형성되고 원형 또는 다각형의 파이프관으로 이루어져, 파이프관 내부로 해수 주입에 따라 부력이 증감하여 수중에서 부상과 침하가 가능한 네트부력프레임이 연결되며,
   상기 주부력프레임보다 네트부력프레임의 지름 폭을 작게 형성하여 주부력프레임에서 네트부력프레임으로 연결되는 2차어망은 사단된 어망을 펼치면 상광하협의 마름모꼴 어망의 끝단을 접합한 형태로 이루어져,
   상기 네트부력프레임의 부상과 침하에 따라 2차어망이 접혀져 수납되거나 펼쳐지도록하며, 네트부력프레임이 부상하여 수면에 위치할 때는 주부력프레임이 이루는 폐쇄된 수면 공간에 네트부력프레임이 부상하여 위치하도록 하며,
   상기 네트부력프레임의 하부에는 황동어망으로 형성되어 양식어를 수용할 수 있는 공간을 갖는 가두리를 형성하여 수심 하부로 전개된 1차어망의 하부 바닥에는 평면으로 이루어진 하부망프레임이 결합하여 평면바닥을 유지하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 재난 대응형 부상침하식 가두리 시스템.
2. 제1항에 있어서 하부망프레임은 황동어망 또는 GRP(Glass fiber reinforced plastic) rod로 이루어진 것을 특징으로 하는 재난 대응형 부상침하식 가두리 시스템.

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