진하 해빈 인근 육상 양식장의 모래 유입량 추정에 관한 연구

2.1 모래 유입량 산정 개념

심해에서 발생한 파랑은 수심이 얕은 천해역으로 전파해 감에 따라 해저 마찰 및 수심의 영향(천수 변형), 쇄파에 의한 에너지 소산(쇄파변형), 지형 및 구조물에 의한 회절 및 굴절현상 등 파랑의 변형이 발생하게 된다. 파가 파장의 1/2에 해당하는 수심에 도달할 때, 파의 밑 부분은 해저바닥과 부딪치면서 저항을 받게 되며, 이 마찰 저항은 파 운동을 방해하며, 파의 모양을 변형시킨다. 또한 해저 바닥 퇴적물 및 침전물의 이동 및 교란을 일으키게 된다. 이에 해당하는 수심을 파랑 작용 한계심도(wave base)라 하며 해수면의 파동 작용에 의해서 해수면 아래의 물질이 해파의 운동 때문에 교란될 수 있는 최대 깊이를 말한다. 보통 파장의 1/2 깊이가 된다.

본 연구대상인 육상 양식장 4곳의 해수 취배수 시설(pipe)은 수심 약 10 m에 설치되어 있다. 이는 해양 파랑 작용에 의해서 발생되어 진 파랑 작용 한계심도보다 낮은 수심에 위치함에 따라서 Fig. 2와 같이 임의 파랑 작용에 따라서 취배수 시설을 통해 모래 유입이 발생할 수 있음을 알 수 있다.

Fig. 2.

Inflow of sand into inland fish farms via the action of ocean waves.

하지만 양식장 파이프가 위치하는 정점에서의 모래 유입량을 산정하기 위해서는 일정한 가정이 요구된다. 첫째, 진하 해빈의 표사 이동하는 해저 면적을 어떻게 산정할 것인가? 둘째, 파랑 작용에 따라서 수심별로 연안표사량이 다른 부분을 어떻게 반영할 것인가? 셋째, 양식장 펌프는 주변 얼마나 되는 영역(기본 유입 면적)에 해당하는 표사를 유입할 것인가? 넷째, 양식장 펌프로 유입되는 표사는 기본 유입 면적에 포함되는 표사를 전부 또는 일부 즉, 몇 %에 해당하는 표사를 유입할 것인가? 등이다. 즉, 너무 많은 변수들에 의해서 파이프를 통해서 모래 유입량을 산정하기란 그리 쉬운 일이 아니라는 것을 알 수 있다.

일반적으로 육상 해수양식장 모래 유입량을 정밀하게 추정하는 조사 방법에는 크게 2가지로 구분할 수 있다. 양식장의 수조내에 일정 조사 기간 동안 퇴적된 모래량을 직접 수집하여 그 총량을 평가하는 직접적인 방법과 일정 기간 동안의 펌프 가동상황에서 해수 취수구를 통해 유입되는 모래량을 채취하여 월간 또는 연간의 모래 유입량으로 추정하는 간접적인 방법이라 할 수 있다. 전술한 2가지 방법 중 어떤 것을 선택하고 현장여건이나 외력조건을 적정하게 측정할 수 있는가는 육상 양식장 영향 규명 및 피해 저감 대책수립 차원에서 중요한 문제가 아닐 수 없다. 하지만 상술한 조사 방법은 장기간의 조사기간이 요구되고 양식장별 펌프 규모 및 가동 상황, 양식 어종의 생리 특성, 어업인의 유지관리 패턴 등 다양한 요인들이 변수가 될 수 있다.

따라서 본 연구에서는 보다 간략화한 단순 모델을 개발하고자 하였다. 이를 정리하면 Fig. 3과 같이 나타낼 수 있다. 모래 유입량 산정과정은 크게 양식장별 시설 현황 및 해양 내습 파랑 등 자료 수집, 육상 양식장별 해수 사용량 산정, 파랑 내습 조건하에서 모래 유입량 산정, 현장 검토의 단계로 구분할 수 있다.

Fig. 3.

Method used for estimating the sand inflow into inland fish farms adjacent to Jinha Beach.

2.2 육상 양식장

본 연구에서는 진하 해빈 인근에 위치한 육상 양식장 4곳(St.1~St.4)을 연구대상으로 선정하였다. 육상 양식장은 인근 연안바다에서 해저 파이프를 통해 해수를 취수하여 양식어류를 육상수조에서 양식하고 있다. 각 육상 양식장의 현황 및 파이프를 통한 해수 취수 현황은 Table 1과 같다. 4곳 육상 양식장의 실제 생산시설로서 시설면적(A)에 대한 수조 점용 면적(B)은 평균 70.4%(=B/A), 취수구의 길이와 취수관의 규모는 양식장의 규모에 따라 다르지만 조사대상인 4개 양식장의 경우 모두 취수관 Φ250 mm 또는 Φ300 mm의 철제강관(백관)을 사용하여 외해로부터 50~270 m 정도 나가서 취수를 하는 형태를 나타내었다.

Table 1.

Current status of the inland fish farms and calculated daily seawater usage

Fig. 4.

The pump and pipes used for seawater intake by the inland fish farms (St.1~St.4 Corp.).

2.3 해양파랑 내습

해양파랑에 대한 자료는 최근 진하 해빈에서 시행된 준설공사 및 양빈 기간 동안(2015년 11월 13일~2016년 1월 31일, 80일) 인근 기상청 간절곶 파고부이 자료로부터 살펴보았다. 그 결과는 Fig. 5와 같다. 공사기간중 인근 간절곶 파고부이에서 관측된 최대파고(H_max)는 2015년 11월 18일 14:00시에 4.5 m가 관측되었고 이때 유의파고는 3.3 m, 주기는 8.3 sec이었다. 파고 3 m이상 발생한 일수는 공사기간 80일중에 6일이었다. 또한 파고는 작으나 주기가 10 sec 이상의 너울성 파랑이 내습한 경우는 총 2회가 관측되었는데 2015년 11월 28일과 2016년 1월 21일이었다.

Fig. 5.

Occurrence of ocean waves during dredging work at Jinha Beach.

결과적으로 공사기간 80일중 최대 파고의 평균치는 1.18 m, 유의 파고의 평균치는 0.87 m, 평균파고의 평균치는 0.55 m, 파랑 주기의 평균치는 6.36 sec인 것으로 조사되었다. 파랑 주기의 평균치를 바탕으로 천해 장파 파장은 약 63 m(L=1.56T²)이었다. 파랑에 의해 해저면이 이동할 수 있는 이동한계수심(Wave base)은 약 31.5 m 이었다. 따라서 Fig. 2와 같이 4개 육상 양식장 취배수 시설물 설치 수심이 약 10 m이내임을 감안하면 파랑 주기 8.3 sec의 파랑내습에도 해저면의 모래이동에 의해 파이프를 통해 모래 유입이 가능함을 알 수 있다.

2.4 연안표사량 산정 방법

일반적으로 연안표사량(longshore sediment transport rate)은 방사제나 방파제 등의 구조물 주변의 퇴적 토사량이나 항내의 매몰량을 측정하거나, 해안선 변형의 원인을 파악하기 위하여 추정하는데 사용된다. 하지만 이는 수심 측량의 정도 및 범위, 파에너지의 추정 정도, 저질 입경의 영향 등 다양한 요소에 의해서 한계를 가지며(Kim[1993]) 파랑, 해안선 변화 또는 해안 단면 변화, 해저질에 대한 기초 조사 등 장기간에 걸쳐 자료의 축적으로부터 산출되는 결과물이기도 하다.

연안표사량을 지배하는 인자는 매우 많다. 본 연구에서는 파랑 수송에너지의 총량과의 관계를 이용한 다음 식(1)을 적용하였다(Kim[1993]).

여기서, Q_i는 어느 기간내의 연안표사량, E_i는 Q_i와 같은 기간내에 쇄파선 부근에 있어서 해안선 단위폭당 수송된 파랑에너지의 해안선 방향성분, α, n은 계수이다. 양식장 주변의 연안표사량 산정에 사용가능한 산정식은 Kim[1993]에 의해 제시된 Savege[1959] 또는 Sato[1966]식을 적용하였다. Savage 식은 저질입경이 중사 정도의 외해에 접한 해안에, Sato 식은 비교적 입경이 큰 내해에 접한 해안에 적합할 것으로 알려져 있다(Sunamura and Horikawa[1972]).

또한 단위파봉폭당 파랑 에너지는 미소진폭파 이론(Dean and Dalrymple[1991])에 의한 아래 식으로 계산된다.

여기서, W_b는 외해에서 단위시간 및 단위파봉폭당 수송되는 파랑에너지, n_a는 외해 임의 수심에서의 파속과 군속도의 비, w_o는 해수의 단위체적중량(1.03 t/m³), H_o, L_o 및 T는 외해에서의 파고, 파장 및 주기이다.

3.1 양식장 해수 사용량 추정

본 연구대상인 육상 양식장 4곳의 수조 점용 면적과 수위 조건을 가정하여 전체 4개 양식장의 해수 사용량을 추정하였다. 그 결과는 Table 2와 같다. 4개 양식장의 수조 점용 면적(B)은 13,095.12 m² 이었으며, 실제 수조내의 해수량은 저면에서 40 cm로 물의 수위로 계산한 경우 평균 1,309.5 m³, 70 cm인 경우 평균 2,291.65 m³ 이었다.

Table 2.

The rate of sea sand inflow to inland fish farms near Jinha Beach

실제 양식장별 정확한 취수량을 산정하기 위해서는 조사 대상 육상 양식장별 펌프 규모, 시설 대수를 비롯하여 어류의 산소소모량이 가장 많은 여름철과 수온이 최저가 되는 겨울철의 수조내 취수량이 상이하므로 계절에 따른 취수 정도를 장기간 평가하는 것이 요구된다.

본 연구에서는 Ministry of Marine Affairs and Fisheries[1995]의 「육상 양식장 배출수 처리 방법에 관한 연구」의 제주 지역 육상 양식장 8개소에 대한 조사 결과를 바탕으로 개략적인 추정치를 살펴보고자 하였다.

결과적으로 제주 지역 양식장의 경우 양수기의 사용기간에 따라 또한 간·만조에 따른 수위의 변화, 양식장의 실 양정고(pumping head) 등에 따라 양수량은 실제와 계산상에 상당한 차이를 보인다고 할 수 있다. 실제 소규모 양식장의 일반해수 양수능력은 1일 7,152 m³, 대규모 양식장에서는 48,960 m³을 양수할 수 있는 것으로 나타났다. 하지만 기존 문헌 조사자료에서 제시된 해수의 평균 양수량은 20,624.4 m³/day이다. 또한 사육수조의 환수율에 대해서는 8개 조사대상 전체 양식장의 일간 환수율의 범위는 5.3~18.8회의 범위였으며 체중 100 g이내의 치어를 사육하는 수조에서는 5.3~11.7회, 대형 어류를 사육하는 수조에서는 6.9~18.8회의 환수율을 보였다. 결과적으로 평균 일간 환수율은 12.2회였다.

일반적으로 양수기(펌프)의 규모는 소규모 업체에서는 15~30 Hp, 대규모의 양식장에서는 40~125 Hp의 양수기 규모를 가지는 것으로 조사된 바 있다. 보유하고 있는 양수기의 대수는 양식장의 규모와 사용펌프의 규모에 따라 다르고 보통 5~25대까지 설치되어 있지만 양수기의 실제 사용할 수 있는 시설대수는 2~8대로서 비상시를 대비하거나, 과다한 가동을 방지하기 위한 예비양수기를 보유하고 있는 것으로 조사된 바 있다. 본 연구대상 육상 양식장의 4곳의 양수기 평균대수는 Table 1에 제시된 바와 같이 6.5개이다.

따라서 상술한 기존 문헌의 육상 양식장 해수 평균 양수량 20,624.4 m³/day을 바탕으로 연구 조사 대상 4개 육상 양식장의 수위를 70 cm로 가정하여 1일 해수 환수율을 계산하여 보면 20,624.4 m³/day ÷ 2,291.65 m³=8.99회/day에 해당하는 것으로 계산되었다(이는 제주 해역의 12.2회보다는 적은 수치이다).

결과적으로 전술한 1일 해수 환수율을 고려하여 진하 해빈 인근 조사대상 육상 양식장별 1일 해수 사용량을 산정하면 Table 2와 같이 산정되며 4개 양식장의 1일 해수 사용량은 82,407.74 m³/day로 추정된다.

3.2 연안표사량 산정 결과

본 대상 해역의 해저질 조사 결과에 따르면 해저질의 중앙입경(d₅₀)은 2012년 6월에 -1.94~7.42ø (0.006~3.840 mm), 퇴적상은 연안 정점에서 모래(S), 실트질사(zS), 니질사(mS)의 분포를, 외해 정점에서 실트질사(zS), 니질사(mS), M(펄), 사질니(sM), gM(역질니), gmS(역니질사)의 분포를 나타내었다. 또한 2013년 1월의 경우 중앙입경(d₅₀)은 -1.04~6.88ø (0.009~2.058 mm), 퇴적상은 연안 정점에서 모래(S), 실트질사(zS), 약역질사((g)S), Z(실트)의 분포를, 외해 정점에서 약역질사((g)S), sZ(사질실트), gM(역질니), zS(실트질사), gmS(역니질사)의 분포로 나타났다. 즉, 양식장이 위치하는 해역의 해저질은 대체적으로 모래(S), 실트질사(zS)로 이루어져 있으며 중앙입경은 0.137 mm로 판단된다.

연안표사량에 사용된 파랑자료는 최근 준설/양빈 공사가 진행된 2015년 11월 18일 14:00시에 대상해역 주변 간절곶에서 관측된 파랑 자료(유의파고 3.3 m, 주기 8.3 sec)를, 해저경사는 tanθ=1/20로 가정하였다.

또한 쇄파수심 4.62 m에서의 파랑 수송에너지의 연안방향성분(W_i)과 조사 기간동안 파고 3.0m이상의 파랑이 연속적으로 작용한 11시간 동안의 파랑에너지 성분(E_i)은 다음과 같이 계산된다.

따라서 연안표사량은 아래와 같이 계산된다.

Savege[1959]의 식 적용:

Sato[1966]의 식 적용:

3.3 육상 양식장 모래 유입량 산정

본 연구에서는 수심자료 즉, 수치해도에서 파랑 작용 한계수심(wave base)으로 산정된 수심 31.5m 이내를 25×25m 격자로 개수를 산출한 결과, 약 9,800개임을 알 수 있었다. 따라서 연안표사량이 발생하는 유효 면적을 6,125,000 m²으로 가정하였다. 수심별 연안표사량을 고려하기 위해서는 직접 현장관측을 통해 정확한 산정이 요구되지만 이점은 현실적으로 불가하므로 동일하게 취급하는 것으로 가정하였다.

결과적으로 1격자 25×25 m의 면적에 해당하는 연안표사량은 Savege 식을 적용할 경우 13,260/9,800=1.35 m³이었다. Sato 식을 적용할 경우 7,333/9,800=0.748 m³이었다. 그리고 1개 격자(25×25 m)와 수심 10 m에 해당하는 수괴내에 포함된 표사가 양식장 펌프의 영향범위로, 유입율은 최대 악조건을 반영하여 100% 유입되는 것으로 가정하였다. 따라서 양식장 펌프가 위치하는 수심 10 m 지점에서 25×25×10 m³=6,250 m³의 해수량에 포함되는 표사량은 앞서 산정된 Savege 식에 의해 1.35 m³, Sato 식에 의해 0.748 m³이라 할 수 있다.

이상의 결과를 바탕으로 조사대상 육상 양식장별 펌프를 통해 유입되는 모래량을 추정한 결과는 Table 3과 같다. 추정 결과는 2015년 11월 18일 당시 파랑내습에 따른 결과로서 양식장이 펌프를 정상 가동하였을 경우에 대한 산정결과라고 할 수 있다. 결과적으로 4개 양식장의 평균 모래 유입량은 Savage 식에 의하면 4.450 m³/day, Sato식에 의하면 2.465 m³/day에 해당한다.

Table 3.

The results of inflowing sea sand in inland fish farms of Jinha beach sand

현재 도출된 결과가 산정과정에서 변수로 주어지는 다양한 요소들을 일정한 조건으로 가정한 상황이므로 현장의 결과와 일치한다고 할 수 없다. 하지만 Fig. 1의 사진속의 양식장 모래 청소 과정에서 제거된 모래량을 St.2 업체의 현장 담당자로부터 의견을 수렴하여 유사한 값(고파랑 내습후 양식장 청소 모래는 1톤 트럭(적재용량 9.43 m³)의 약 1/3이라고 함)을 가진다는 것을 확인할 수 있었다. 향후 여기서 제시된 산정결과는 앞서 서술한 바와 같이 연안표사량을 직접적으로 현장조사를 통해 얻어지는 결과와 검증하는 과정이 요구된다.