Fish Ladder Design

This article was contributed by Jason Duguay of Université de Sherbrooke (Sherbrooke, Québec)

 

Introduction

자리 잡은 배설물로 인한 어류 이동의 장벽은 북미 전역에 걸친 광범위한 도로망의 불행한 현실입니다.  지하배수로들은 부적절하게 설치된 지하배수로과 침전의 조합에서 비롯됩니다. 지하배수로 배출구에서 부식 과정은 과도하게 큰 입자구멍을 발생시킬 수 있으며, 이로 인해 지하배수로 리포트와 하류표면 사이에서 수직낙하가 발생할 수 있습니다. 몇 센티미터에서 몇 미터 사이에 수직적장벽은 계곡의 서식지에서 물고기 종의 분포에 중요한 영향을 미치는 것으로 알려져 있고 작은 수로 서식지 조각화의 주요 원인 중 하나입니다.

본 연구에서 FLOW-3D는 수직통로를 제공함으로써 잃어버린 강가의 물고기 서식지를 되찾는 데 사용되었으며 또한, fish ladders 에서 사용되는 혁신적인 fish baffle의 설계에 중요한 역할을 했습니다. 이 연구는 캐나다 케백에 있는 Sherbrooke’s Civil Engineering Department에서 수행되었습니다. Flow-3D는 전체 Fish baffle과 fish ladder에 흐르는 수많은 변수를 조사하는 데 사용되었습니다.

 

Baffle Design and Fish Passage Criteria

baffle 설계는 그림 1에 제시된 기하학적 형태와 관련하여 arch baffle로 적절히 명명되었습니다. baffle 은 상, 하부 통로로 구성되어 있으며, 높은 곳과 낮은 곳에서 물고기가 지나갈 수 있습니다. baffle 설계 특징은 잔해로 인해 한 통로가 막히면 다른 통로가 물고기의 이동통로로 대체되는 것입니다. 각 baffle 의 큰 통로는 속도를 줄이기 위해 이전 baffle (그림 2참조)에 비해 엇갈리게 배치하였으며, Fish Ladder 전체에 걸쳐 저난류 재순환 구역을 개발하였습니다.

baffle 의 돌출된 아치는 물을 유지하고 웅덩이의 깊이를 증가시키기 위한 것입니다. Pool의 깊이가 커지면 pool의 체적 분산 파워(VDP)가 감소합니다. 농도, 중력 상수, 내부 유체의 체적이 계산됩니다. Pool과 인접한 업스트림 pool 사이를 비교합니다.

VDP는 일반적으로 평가되는 fish ladders 설계 기준입니다. Larnier등은 북미에 공통인 송어와 연어 종을 목표로 하는 어플리케이션에 대해 150 W/m3와 200 W/m3사이의 값을 권고합니다. Pool의 복잡한 기하학적 구조와 Fish ladder를 통과하는 유속에 대한 V의 의존성은 V가 Q의 함수로 어떻게 변하는 지에 대한 더 깊은 통찰없이 계산하기가 어렵습니다. FLOW-3D의 샘플링 볼륨 기능은 Eq.1에서 사용하기 위해 Pool안에 포함된 볼륨을 측정하는데 유용한 것으로 밝혀졌습니다. 표본 추출량은 하류쪽 부분에 3개의 Pool에 배치하였고, 석회 녹색 직사각형 상자로 그림 2에서 볼 수 있습니다.

또한 fish ladder 설계는 arch baffle의 통로 및 Pool내부에서 속도 및 난류분포에 대해 검증했습니다. 상승된 속도는 물고기의 이동을 방해하고, 난류가 높은 지역은 방향을 잃을 수 있으며 급격히 변화하는 힘에 의해 이동 및 ladder를 오르는 능력에 영향을 줄 수 있습니다.

일정한 지면 거리를 통과하는 데 필요한 것은 지면에 비례하는 물고기의 속도와 주변 물고기의 평균 속도에 비례합니다. 따라서, 물고기가 요구하는 에너지 출력을 줄이고 통과의 가능성을 향상시키기 위해 설계에서 속도를 최소화하고자 합니다. 종종 설계는 특정 대상 종의 임계 수영속도를 초과하는 속도의 존재에 대해 평가됩니다. 물고기의 최대속도는 일반적으로 몇 초 동안만 유지될 수 있고 등반이 재개되기 전에 회복이 필요합니다. 북미에서 사회적, 경제적으로 중요한 다수 어류의 임계 속도는 그림 3에 나와 있습니다.

Simulation Parameters

Arch baffle 이 장착된 fish ladder 디자인은 두 개의 경사(8.5%및 10%)와 두 개의 유속(Q=0.062 m3/s및 0.150 m3/s)에서 시뮬레이션되었습니다. k–turbulence모델은 난류운동 에너지(TKE)의 공간적 분포를 얻기 위해 적용되었습니다. baffle은 반원형의 강판 암거에서 시뮬레이션 되었습니다. 5개의 baffle 을 Fish Ladder Pool사이가 0.2m가 되도록 적절하게 간격을 두어야 합니다.

Hardware Information

시뮬레이션은 RAM 64GB가 장착된 XeonE5-1650 3.2GHz 6코어 워크 스테이션에서 실행되었습니다. 도메인의 총 셀 카운트는 약 250만개(0.025 m 셀 크기)였으며 20초의 흐름을 시뮬레이션하는 데 약 5시간이 소요되었습니다.

Results and Discussion

정상 상태 조건을 얻은 후, 후처리 및 유동흐름 시각화하기위해 결과 값을 Flowsight로 가져왔습니다. 속도와 난류의 공간 분포는 색상이 지정된 유선형을 따라 평가되었습니다. 속도 등급 분포의 예 이미지는 TKE의 공간 분포와 함께 그림 4a와 4c(낮은 유량 0.062 m3/s, 높은 유량 0.150 m3/s)에 제시되어 있습니다. (그림 4b, 4d는 각각 낮은 유량 및 높은 유량).

그림 4a와 4c의 속도 크기를 그림 3에서 제시한 속도와 비교하여, Fish Ladder는 시험된 유속에서 제공되는 물고기 종의 대부분에 대해 속도장벽을 일으키지 않을 것입니다. 그림 4a와 4b를 자세히 보면 아치형 배플의 바로 하류에서 낮은 속도와 낮은 TKE 값 (약 0.045 J/kg 풀에서 관찰되는 최대 TKE에 비례함)을 특징으로 하는 재순환구역 (레이블 1)이 나타납니다. Arch baffle 바로 아래쪽 재순환 구역은 기본 또는 보조 경로 중 하나를 통해 업스트림을 시도하고 정지하는데 이상적이라고 여겨집니다. 또 다른 저속, 낮은 난류공간이 arch baffle의 바로 상류쪽에 위치한 것으로 확인되었습니다(label 2 in Figure 4a). 이 구역은 물고기가 고속 통로를 통해 수영하거나 점프할 때 방향을 바꿀 수 있는 저속구역을 제공할 가능성이 높습니다.

높은 유량에서 결과에 따르면 돌출된 아치는 Pool의 볼륨을 증가시키고 VDP를 허용가능한 수준으로 유지하는 기능을 가집니다. 설명을 위해 Q=0.062 m3/s시뮬레이션에서 VDP가 60W/m3으로 관측되었으며 이는 0.153 m3/s과 117 m3/s와 비교됩니다. VDF는 95% 증가했음에도 불구하고 유속이 140% 증가하였고 Pool 내의 난류흐름을 줄였습니다.

Conclusion

전반적으로, Flow-3D는 fish ladder 의 흐름 영역에서 많은 baffle 설계 반복의 영향을 신속하게 평가할 수 있는 유연한 도구임이 입증되었습니다. Flow-3D의 FALTRize기능을 사용하여 시뮬레이션을 광범위하게 다시 작성하거나 리모델링을 하지 않고도 baffle 형상을 수정하고 기존 모델내에서 신속하게 넣을 수 있었습니다. 이 연구의 결과는 arch baffle 과 수반되는 fish ladder 디자인으로 설계된 물고기 통로를 개선할 수 있는 많은 잠재적인 이점을 제공한다는 것을 보여줍니다. 가까운 미래에 arch baffle은 캐나다 온타리오의 수십년의 암거에서 설명한 것과 유사한 방식으로 다수의 어류 통로에서 테스트될 예정입니다.

*The idea for the double passageway arch baffle form is credited to Ken Hannaford, biologist with the Newfoundland Government, Canada.

 

References

Bell, M. C. (1990). Fisheries Handbook of Engineering Requirements and Biological Criteria. U.S. Army Corps of Engineers, 3rd edition.

Larinier, M., Porcher, J., Travade, F., and Gosset, C. (1994). Passes a` poissons -Expertises et conception des ouvrages de franchissement. Conseil Supe´rior de la peˆche.