Water for Future
1. 개요
어도란 하천에 어류의 이동을 곤란 또는 불가능 하게 하는 장애물이 있을 경우 이를 해소할 수 있
도록 만들어진 수로 또는 장치를 총칭한다(하천설 계기준, 2009). 일반적으로 하천 상류로 소상하는 물고기는 바다에서부터 소상하는 회유성 어류라고 알려져 있으나 실제로는 하천에 서식하는 모든 어 종이 산란시기뿐만 아니라 연중 소상하는 특성을 갖는다. 또한, 소상의 필요성을 갖는 동물로 어류 뿐만 아니라, 참게, 다슬기, 수서곤충 등도 포함되 므로 이에 대한 고려가 필요하다.
어도설계의 목적은 보나 댐과 같은 횡단구조물 의 인위적인 흐름차단으로 인한 하천생태계 영향 을 최소화하기 위한 것이므로, 횡단구조물 설치 이후에도 어류의 이동이 최대한 보장되도록 어도 를 설치하는 것이 중요하다. 이를 위해서는 어도 를 이용하게 될 대상 동물에 대한 충분한 이해와 어도 구조물내 형성되는 흐름 특성에 대한 규명이 조화를 이루는 것이 필요하다.
2. 우리나라 어도설치 현황
전국어도실태조사(김재옥 등, 2011)에 따르면, 2010년 12월 기준 우리나라에 설치된 어도의 총 수는 5,081개로, 어도설치율은 전국의 보 34,012 개소 대비 14.9%로 조사되었다. 권역별로는 한강 권역 1,302개, 낙동강권역 1,605개, 금강권역 807 개, 섬진강권역 875개, 영산강권역 492개로 조사
어도설계기준 개선방안
김 영 도 ●●●
인제대학교 건설환경공학부 부교수
백 경 오 ●●●
국립한경대학교 토목안전공학과 조교수
박 문 현 ●●●
동부엔지니어링(주) 수자원환경부 이사
구 영 훈 ●●●
인제대학교 건설환경공학부 박사과정
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되었고, 영산강권역의 어도설치율이 20%로 가장 높고, 금강권역의 어도설치율이 11.3%로 가장 낮
게 조사되었다(표 1 참조).
표 1. 전국 어도설치현황(김재옥 등, 2011)
표 2. 다기능보 어도현황
구분 보 현황(개소) 어도현황(개소) 어도설치율(%)
총 계 34,012 5,081 14.9
한강권역 6,995 1,302 18.6
낙동강권역 12,350 1,605 13.0
금강권역 7,156 807 11.3
섬진강권역 5,052 875 17.3
영산강권역 2,459 492 20.0
하천 다기능 보 어도종류
한강
강천보 자연형 어도-상 하류 어류의 이동가능
여주보 좌안 인공식어도, 우안 자연형 어도 설치 다양한 어도 이동가능
이포보 자연형 어도 - 경사가 완만함
낙동강
상주보 자연형 수로식 어도 설치 - 상·하류 단절극복
낙단보 자연형 수로식과 인공식 어도(아이스하버식)를 동지점 설치 구미보 계단식과 인공식어도(아이스하버식)로 복합형 어도 설치
칠곡보 자연형 어도 - 여울을 3개소 설치
강정고령보 우안 인공식 어도(아이스하버식), 좌안 자연형 어도 설치
달성보 좌안 자연형 어도, 우안 인공형 어도를 설치
합천창령보 자연하도식 어도 - 둔치에 설치
창녕함안보 자연형 계단식 어도와 인공식 어도(아이스하버식)를 설치
영산강 승촌보 인공식 어도(아이스하버식) 설치
죽산보 인공식 어도(아이스하버식) 설치
금강
세종보 자연수로형 어도 - 여울 4개소 설치, 수문을 설치하여 다양한 어종의 이동을 원활히 함
공주보 우안 인공식 어도, 좌안 자연식 어도 설치
백제보 자연형 어도 설치
또한 4대강 살리기사업에 따라 조성된 16개 다기 능보에는 다양한 형식의 어도가 설치되었고, 이를 통해 강 상류로 소상하는 어류의 이동과 상류 생태 계 보전을 도모하고 있다. 다기능보에 설치된 어도 는 크게 자연형 어도(수로형)와 인공식 어도(대부 분 아이스하버식)로 구분할 수 있다(표 2 참조).
3. 어도의 형식
일반적으로 구분하는 어도의 종류는 크게 목적 별 또는 구조적 형식으로 나누어 볼 수 있다. 표 3 은 어도를 설치 목적에 따라 분류한 것으로 설치 된 어도가 5가지 목적을 모두 겸비하고 있는 경우 도 있으나 하천 좌·우안별로 소상용 어도와 강하
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용 어도를 각각 설치하는 경우도 있다. 채집용 어 도는 어류의 공간이동이나 실험을 위하여 어종을 채집하기 위해 설치하는 경우를 말하며 어종의 선
별을 하게 되면 선별용 어도의 기능을 겸하게 된 다. 관찰용 어도는 어도구조물 측면에 유리를 끼 운 관찰창이 부착된 형태이다(백경오, 2013).
표 4. 어도의 종류 및 주요특징(백경오, 2013) 표 3. 목적별 어도의 분류(백경오, 2013)
분류 목적 비고
소상용 어도 소상어류를 위한 용도 주기능
강하용 어도 강하어류를 위한 용도 주기능
채집용 어도 어류를 채집하기 위한 용도 부가적 기능
선별용 어도 어종의 선별을 위한 용도 부가적 기능
관찰용 어도 어류의 관찰을 위한 용도 부가적 기능
분 류 구조적 형식 주요 특징 비 고
풀형식 (Pool Type)
계단식
계단형
물고기가 소상중에 휴식이 가능한 풀이 계단식으로 연속되어 있고 격벽을 뛰어 넘어가도록 구성됨
고정식 노치형
노치+잠공형 잠공형 버티컬슬롯식(Vertical Slot) 아이스 하버식(Ice Harbor)
수로형식 (Channel Type)
도벽식
어도내에서 물의 흐름이 낙차가 없이
연속됨. 어도내의 유황 조절이 어려움 고정식 인공하도식
데닐식 (Denil)
표준형 통선형 스티프 패스형
조작형식 (Operation Type)
갑문식(Lock Gate) 갑문형
어도입구에 물고기를 모으는(집어) 시설과 집어된 물고기를 호수 내부 또는 상류로 이동하는 시설로 구성된
인위적인 조작으로 작동하는 방식 볼랜드형 가동식
리프트(Lift)/엘리베이터식 트럭식(Truck)
기타형식
암거식(Culvert)
변형 형식이나 여러 가지 형식의 어도가 복합 설치된 경우의 어도 혼합식(병용식)
복합식(Hybrid) 어도를 구조적 형식으로 분류하면 크게 풀 (pool)형식, 수로형식, 조작형식으로 구분할 수 있 다(표 4 참조). 풀형식에는 계단식, 버티컬슬롯식, 아이스하버식 등이 있고, 수로형식은 도벽식, 인 공하도식, 데닐식으로 나눌 수 있다. 조작형식은
갑문식, 리프트식, 트럭식을 말하며, 하천설계기 준에서는 계단식, 아이스하버식, 버티컬슬롯식, 도벽식 어도를 표준형식의 어도로 설정하고 있다 (그림 1 참조).
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4. 우리나라 어도설계 기준
하천설계기준상 어도설계 기준의 도입은 2002 년 개정에서 이뤄졌으며, 그 내용은 보의 부대시 설로써 어도형식에 대해서만 주로 다뤄졌다. 현행 하천설계기준상 어도편의 구성은 2005년 개정에 서 이뤄졌으며, 2009년 개정이후 현재 운용되고
있다.
표 5는 하천설계기준상 어도편의 주요 내용을 비교한 것으로, 2002년 기준 대비 현 기준간 가 장 큰 차이는 어도설치 대상이 어류에서 어도가 필요한 모든 동물로 확대된 부분과 어류의 경사를 1/20 이하로 크게 완화시켜 어류의 이동효율을 증 대시킨 부분이라 할 수 있다.
(가) 계단식
그림 1. 표준형식의 어도(하천설계기준, 2009)
(나) 도벽식 (다) 버티컬슬롯식 (라) 아이스하버식
구분 2002년 2005년 2009년
대상 동물
대상어종 •어류 •모든 어종 및 소동물 •모든 어종 및 소동물
이용시기 － •3월~11월 •3월~11월
수리수문
유속 － •돌진속도이하
•0.5~1.0 m/s
•돌진속도이하
•0.5~1.0 m/s
유량 － •갈수기 취수잔량 •갈수기 취수잔량
수심 － •수로형식 : 0.2 m 이상
•풀형식 : 0.7 m 이상
•수로형식 : 0.2 m 이상
•풀형식 : 0.7 m 이상
시설구조
경사 •1/10 이하 •1/20 이하 •1/20 이하
폭 － 월류수심 0.1 m 기준
유입구 － •하천 유심부에 연결 •하천 유심부에 연결
유출구 － •유속을 감쇄하는 구조 •유속을 감쇄하는 구조
규격 － •콘크리트 강도 300 kg/㎠
ㆍ오차범위 5 ㎜ 이내 •보의 설계강도 기준 표 5. 하천설계기준상 어도설계 기준 변천현황
5. 어도의 수리적 특성 분석
어도는 어류의 진입과 소상이 용이하도록 하여
야 하며, 이는 어도의 수리학적 특성이 어류에 적 합하도록 조성되어야 함을 의미한다. 따라서, 본 고에서는 어도의 수리적 특성분석방법을 어도 유
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입부에 대한 부분과 어도내 이동에 대한 부분으로 구분하여 시범적용해 보았으며, 그 결과는 다음과 같다.
1) 어도 유입부 수리적 특성
어류가 어도를 이용하기 위해서는, 1차적으로 어도 유입부로 모일 수 있도록 하여야 하며, 이 를 평가하기 위한 조건으로 통상 유인효율이 적 용된다. 유인효율의 평가를 지원하는 수치해석 모형으로는 River2D가 있으며, 본 모형의 어류 서식처 적합도를 어도에 대한 유인효율로 정의 할 수 있다. 어류 서식처 적합도는 가중가용면적 (Weighted Usable Area, WUA)으로 표현되며, WUA는 대상 어종의 특정 성장단계별, 서식처특 성별로 주어진 구간을 이용할 수 있는 순수적합도 (Net Suitability)에 대한 지표로 다음과 같으며, WUA가 크다는 것은 그만큼 대상어종의 서식처 및 활동 영역이 크다는 것을 의미한다.
여기서, v1는 유속 적합도 지수, di는 수심 적합
도 지수, Ci는 하상적합도 지수를 나타낸다(이성현 등, 2012).
본 고에서는 어도 유입부의 수리적 특성을 검 토하기 위해 낙동강 달성보(그림 2 참조)에 설치 된 자연형(인공하도식) 어도(그림 3 참조)에 대 해 River2D 모형으로 유인효율을 평가하였다.
대상어종은 기 수행된 어류 모니터링결과(최지 웅 등, 2007)에 따라 가장 많이 출현한 피라미 (Z. platypus)로 선정하였으며, 모의유량은 유황 분석에 따른 저수량(33.22 ㎥/s,Q275)을 적용하 였다. 또한, 어도부근에는 유인수로(Attraction Waterway)가 설치되어 있으므로, 유인수로의 개 폐에 따른 유인효율을 평가하였다.
달성보 인공하도식 어도에서 피라미를 대상으로 유인 효율에 대한 평가 결과(그림 4 참조), 유인수 로를 개방할 때 어도 입구 근방에서 WUA가 커지 는 것으로 나타났으며. 이는 유인수로 폐쇄시보다 어류가 어도로 유인될 가능성이 높다고 할 수 있 다. 또한, 피라미의 이동측면에서 낙동강 좌안의 평균유속과 피라미의 유지속도(0.24 m/s~0.43 m/s)와 돌진속도(0.49 m/s~0.73 m/s)를 비교 한 결과(박성용, 2006), 유인수로 개폐시 모두 하 천유속이 피라미의 유지속도와 돌진속도보다 작아 이동에 문제가 없는 것으로 나타났다.
(1) (2)
그림 2. 달성보 어도설치 현황(박지현 등, 2015)
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그림 3. 인공하도식 어도(By-pass fishway) 평면도(박지현 등, 2015)
2) 어도내 수리적 특성
인공형 어도 설계에 있어 두 가지 중요한 인자는 유속과 흐름구조이다. 어도 내의 최대 유속은 대상 어류의 돌진속도보다 작아야 하며, 어도 내의 흐름 구조는 어류가 쉽고 안전하게 소상함에 있어 적절 해야 한다. 어도 내의 흐름구조는 어도 구성이 조 금만 변화더라도 쉽게 변화하므로 파악하기 어렵
다(조재안 등, 2013). 어도내 흐름구조는 일반적 으로 표면류(Streaming Flow), 잠입류(Plunging Flow)와 두 가지 흐름특성의 천이구간인 경사류 (Inclined Flow)로 구분된다(그림 5 참조). 표면류 조건에서 어류는 종종 상류방향을 잃어버리고 소 상을 실패하지만, 잠입류는 적절한 어도 내 흐름 장을 형성하므로, 어류는 배플(Baffle)을 통해 쉽 게 소상할 수 있어 어도 내의 적절한 흐름구조라 그림 4. 인공하도식 어도의 유인효율 평가(박지현 등, 2015)
(1) 유인수로 개방시 (2) 유인수로 폐쇄시
그림 5. 어도내의 흐름구조(조재안 등, 2013)
(1) 표면류(Streaming flow) (2) 잠입류(Plunging flow) (3) 경사류(Inclined flow)
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고 할 수 있다(Hayashida 등, 2000).
본 고에서는 어도내 수리적 특성을 검토하기 위 해 낙동강 달성보(그림 2 참조)에 설치된 인공형 (아이스하버식) 어도(Artificial Fishway)(그림 6
참조)를 대상으로 FLOW-3D 모형을 이용하여 유 량변화(0.6~1.4 ㎥/s)에 따른 어도내 흐름구조를 평가하였다.
그림 6. 아이스하버식 어도의 구조(조재안 등, 2013)
그림 7. 유량별 어도내 흐름구조(조재안 등, 2013)
낙동강 달성보 아이스하버식 어도에 대한 수치 모의결과 유입유량에 따른 연직흐름분포의 경우 0.8 ㎥/s이하인 경우 어도를 통하여 어류가 소상 하기 적합한 흐름인 잠입류가 발생하였고, 1.0 ㎥ /s일 경우 천이상태인 Inclined Flow가 발생하였 으며 1.2 ㎥/s이상일 경우 어류가 소상할 시 종종 상류방향을 잃을 수 있는 표면류가 발생되는 것을 확인하였다.
6. 어도설계기준 개선방안
전절에서 검토한 어도의 수리학적 측면을 고려 할 때, 현 하천설계기준의 어도편에 대해 다음과 같은 측면의 개선이 필요한 것으로 판단된다.
1) 어류역학(Ichthyomechanics)에 대한 고려
어도는 문자 그대로 물고기를 위한 길(Passage)
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이다. 따라서, 이용자의 특성에 맞게 시설물을 설 치하는 것이 중요하다. 현 설계기준상 어도를 이 용하는 대상은 어류뿐만 아니라, 참게, 다슬기, 수 서곤충 등 소동물을 포함하고 있다. 과거의 어도 설계는 은어, 송어, 뱀장어 등을 위한 경제성우선 어도였으나, 현재는 모든 동물을 위한 생태환경보 전 어도가 적용되고 있다.
현 기준이 모든 동물을 대상으로 함에 따라, 실 제 어도설계시는 이용자의 특성이 오히려 간과될 수 있다. 즉, 설계대상인 목표어종이 불명확해짐 에 따라, 어도가 설치되는 하천에 지배적인 어류 나 소동물의 이동특성이 반영되지 못할 수 있다.
따라서, 어도를 설치하는 대상하천에 대한 어류 및 소동물에 대한 조사를 바탕으로 이용대상을 구 체화하고, 그 어류역학에 맞는 어도가 설계될 수 있도록 하여야 한다.
또한, 현 설계기준상에는 어류의 일반적인 유영 특성을 포함하고 있으나, 어류별 생물학적 특성, 수리조건에 따른 유영능력 등을 보완하는 것이 필 요하다.
2) 어도의 설계유량
공학적 측면에서 어도설계를 위한 첫 단계는 수 문분석(Hydrologic Analysis)이다. 일반적으로 어 도는 연중 상시 운영되는 시설이므로, 설치 지점 의 유량변화에 검토, 즉 유황분석(Flow Duration Analysis)이 필수이다. 어도를 통과하는 유량은 하천의 유황변화에 따라 변동되며, 이는 어도내 수심, 유속, 흐름장 등 어류이동에 영향을 주는 많 은 인자들에 영향을 미치게 된다. 따라서, 설계유 량이 적절하게 고려되지 못하는 경우, 어도를 이 용하는 어류의 이동효율은 현저히 낮아 질 수 밖 에 없다.
현 설계기준상 유량은 갈수기 취수잔량이 모두 어도로 흐르도록 규정하고 있으며, 3월부터 11월 까지 소상하고자 하는 동물이 어도를 이용할 수
있도록 하고 있다. 어도설계시 갈수기 취수잔량을 설계유량으로 설정하여 시설계획을 수립하는 경우 는, 3월~11월까지 유량변화를 반영할 수 없다. 또 한, 갈수기 유량기준으로 어도내 유속을 1.0 m/s 이하로 계획하는 경우, 대부분의 기간에서 어도내 유속이 상당히 커지게 됨으로 어류 이동에 심각한 제약이 발생할 수 있다.
따라서, 어도의 설계유량은 동물의 이동이 활발 한 3월~11월사이의 유량자료를 바탕으로 동물이 동을 위한 최소유량과 최대유량의 범위를 토대로 결정하는 것이 필요하다. 그리고, 설계유량의 범 위에서 어도시설 대안별 수리계산과 어류역학 검 토를 통해 최적 어도를 계획하는 것이 필요하다.
3) 어도내 수리특성
어도내 유속, 수심, 흐름장 등 수리특성은 어도 의 형식별로 다르며, 유량변화에 따라 변동된다.
또한, 어도를 이용하는 동물별도 선호하는 흐름조 건이 있어, 이를 모두 고려하는 어도설계는 상당히 어려운 부분이다. 이러한 측면에서 현 하천설계기 준이 제시하는 기준(유속 0.5 m/s~1.0 m/s, 경사 1/20 이하, 수심 0.2 m 이상)은 단순 명쾌하여, 설 계자의 복잡한 고민을 오히려 덜어 주고 있다.
그러나, 어도내 수리특성은 연중 유량의 변동에 따라 변하게 되며, 어도 설치지점별로 지배적인 어류를 포함한 동물의 이동특성이 다르게 나타나 므로, 이를 고려하지 않는 경우 어도설치의 효과 를 담보할 수 없게 된다.
따라서, 대규모 어도계획시에는 수치해석이나 수리모형실험을 통해 어도내 흐름특성을 규명하여 최적의 설계조건을 찾는 것이 필요하며, 중소하천 보에 설치되는 소규모 어도에 대해서는 어도의 종 류별, 제원별 수리특성을 설계기준에 수록하여 참 고토록 하는 것이 필요하다.
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7. 결론
우리나라에 설치된 보는 총 34,012개로 이 중 어도는 5,081개(14.9%)가 설치되어 있다. 또한, 4 대강 본류 16개 다기능보에는 다양한 형식의 어도 가 설치되었고, 이를 통해 강 상류로 소상하는 어 류의 이동과 상류 생태계 보전을 도모하고 있다.
어도가 생태계 보전을 위한 제 기능을 발휘하 기 위해서는 그 설계단계에서 면밀한 조사와 분석 을 바탕으로 계획이 수립되어야 한다. 통상적으로 어도는 보나 댐의 부속시설로 인식되고 있어, 한 번 설치되고 난 이후에 그 효과를 검토하여 재설 치 되는 사례는 거의 없는 실정이다. 따라서, 최적 의 어도설계를 위해서는 적절한 기준의 마련이 필 수적이나, 어류의 생태적 특성과 하천의 수리수문
학적 특성을 함께 고려해야 하는 어도설계는 상당 히 어려운 부분이다.
우리나라 하천설계기준상 어도편은 2002년 도 입된 이후 현재까지 상당한 부분의 보완이 이뤄져 왔으나, 어도의 수리적 특성을 상세히 반영하지 못한 한계가 있으므로, 이를 위한 개정이 필요하 다. 이에 본 고에서는 낙동강 달성보에 설치된 어 도들을 대상으로 수리특성을 검토하고, 향후 어도 설계기준 개정의 방향을 제시하였다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비 지원(11-기술혁신-C06)에 의해 수행되었습니다.
국토교통부 (2002) 하천설계기준·해설 국토교통부 (2005) 하천설계기준·해설 국토교통부 (2009) 하천설계기준·해설
김재옥, 장규상 (2011) 전국의 어도실태 전수조사 및 국가어도정보시스템(NFIS) 구축, 한 국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, Vol. 44, No. 7, pp.50-55.
박성용, 윤병만, 이승휘, 김서준 (2006) 인공수로내 국지회유성 어종(피라미)의 유영특성 연구, 대한토목학회 정기학술발표대회, 대한토목학회, pp.536-539.
박지현, 구영훈, 백경오, 김영도 (2015) 유인수로의 운영에 따른 달성보 인공하도식 어도 의 유인효율 평가, 한국습지학회 논문집, 한국습지학회, Vol. 31, No. 1, pp.1-11.
백경오 (2013) 하천시설관리 최적화 기술 개발 -어도의 수리학적 효율 평가-, 자문보고서.
이성현, 오국열, 정태성, 정상만 (2012) 수리모형실험과 수치해석을 통한 자연형어도의 어류서식처 평가, 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, Vol. 45, No. 3, pp.317-329.
조재안, 한은진, 김영도, 백경오 (2013) 유량변화에 따른 아이스하버식 어도의 수리학적 이동효율 분석, 대한토목학회 논문집, 대한토목학회, Vol. 33, No. 5, pp.1841-1850.
최지웅, 이의행, 이재훈, 안광국 (2007) 어류를 이용한 낙동강 수계의 생물학적 수질 평 가, 한국육수학회 논문집, 한국육수학회, Vol. 40, No. 2, pp.254-263.
Hayashida, K., Honda, T., Kataba, Y. and Shimatani, Y. (2000) The characteristic of the plunging flow and the streaming flow in the pool- weir-fishway and the swimming behavior of leuciscus hako-nensis. Proc. of Environmental System Research, Vol. 28, pp. 333-338 (in Japanese).
참고문헌
