Correlation Analysis between Structural Complexity of Artificial Reef and Its Wake Region Characteristics Using Computational Fluid Dynamics

Abstract

인공어초가 수산자원을 위집하는 효과가 있다는 것은 오래전부터 어부들의 경험적 지식에서부터 잘 알려져 있으며, 인공어초와 후류역의 상호작용이 해양생물에 긍정적인 역할을 하는 것으로 여겨진다. 그러나 인공어초 주변에 해양생물이 모이는 원리는 아직 명확하게 밝혀진 바가 없다. 또한, 최근 들어 인공어초의 설계와 배치에 관한 연구들이 진행되었음에도, 인공어초의 형상을 결정하기 위한 과학적으로 검증된 일관성 있는 매개변수가 제시되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 인공어초의 구조적 복잡성과 후류역 특성 간의 상관관계를 제시하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 먼저, 인공어초의 구조적 복잡성을 조사하고, 이질성을 갖는 대표적인 표면 기하학을 선택하였다. 이때 비슷한 형상을 가지는 일반어초 6종을 분류하였으며, 이들 인공어초의 구조적 복잡성을 정량적인 지수로 정의하여 전산유체해석을 수행하였다. 또한, 인공어초의 기하학적 형상을 이루는 표면 불규칙성의 패턴을 조사하기 위하여 생태학적 선행연구를 기반으로 해석 시나리오를 도출하였으며, 수치모델을 구성하여 전산유체해석을 수행하였다. 해석의 결과로부터 인공어초의 구조적 복잡성을 나타내는 지수와 후류역 특성 간의 상관성을 분석하였다. 해석 결과 6종의 인공어초의 표면 불규칙성 지수와 후류체적 간의 양의 상관관계가 나타났다. 또한, 동일한 표면 불규칙성 지수를 가지는 다양한 형태의 표면 구조는 차단 지수가 증가할수록 후류체적이 증가하였으며, 단위 정육면체의 경우 차단지수가 증가할수록 후류역의 효율지수가 증가하는 경향을 보였다. 해석의 결과로부터 표면 불규칙성 지수가 같아도 후류체적 및 효율지수, 바닥면에서의 유속 프로파일 등이 다르게 나타나는 것을 볼 수 있다. 즉, 표면 불규칙성 지수는 구조적 복잡성의 부분적인 특성만을 나타낸다. 실제 자연의 구조적 복잡성은 표면 불규칙성 지수, 차단 지수 등의 척도가 나타내는 것보다 분명히 더 복잡하다. 그럼에도, 이러한 지수들은 서식지의 구조적 복잡성을 정량화하고자 하는 시도라는 의미가 있으며, 인공어초의 설계단계에서 기본적인 형상을 결정지을 때 참고되는 기초적 연구로 기대된다. 본 연구는 과학과 공학의 경계에 위치하며 연결고리로서의 역할을 한다. 국내에서 인공어초 어장이 연안생태계 개선과 수산자원 증대에 미치는 영향 및 역할을 고려할 때, 서식지 복잡성과 같은 개념, 특히 기하학적 형상의 구조적 복잡성과 주변의 수리학적 특성, 생태학적 영향에 대해 이론적, 실험적, 경험적 측면에서 다학제간 연구의 통합적인 접근 방식이 요구되어진다.