보 (수리 시설)
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1. 개요
보는 중세 영어 단어에서 유래되었으며, 홍수 예방, 물 방류량 측정, 항해 지원 등의 기능을 수행하는 수리 시설이다. 댐과 유사하게 물의 흐름을 변경하지만, 댐과 달리 보의 상단으로 물이 흐르는 특징을 갖는다. 보는 수문학적 유량 측정에 사용되며, 구조, 형태, 용도에 따라 광폭 댐, 복합 보, 노치 위어 등으로 분류된다. 또한, 어류 이동을 방해하고 수압 도약으로 인한 안전 문제를 야기할 수 있다. 한국에는 농업용수 공급, 홍수 조절 등을 위해 다양한 보가 설치되어 있으며, 4대강 정비 사업으로 건설된 보와 전통적인 보가 존재한다.
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| 보 (수리 시설) | |
|---|---|
| 수리 시설 정보 | |
 | |
| 유형 | 수리 구조물 |
| 목적 | 수위 조절 흐름 조절 관개 항해 발전 |
| 특징 | |
| 구조 | 고정식 가동식 |
| 재료 | 돌 나무 콘크리트 강철 |
| 작동 방식 | |
| 수위 유지 | 물의 흐름을 막아 상류의 수위를 일정하게 유지 |
| 흐름 제어 | 수문을 조작하여 하류로 방류되는 물의 양을 조절 |
| 어도 | 물고기의 이동을 돕는 통로 설치 |
| 역사 | |
| 기원 | 고대 문명에서 농업 관개 및 물 관리 목적으로 건설 |
| 현대 | 수력 발전, 산업, 도시 용수 공급 등 다양한 목적으로 활용 |
| 종류 | |
| 고정식 | 월류堰 (Overfall weir) 광정堰 (Broad-crested weir) 첨두堰 (Sharp-crested weir) |
| 가동식 | 갑문堰 (Sluice gate weir) 롤러堰 (Roller gate weir) 플랩堰 (Flap gate weir) |
| 기타 | |
| 관련 용어 | 어도 댐 보 수문 |
| 주의사항 | 홍수 시 월류로 인한 하류 지역 침수 가능성 생태계에 미치는 영향 고려 필요 |
2. 어원
이 단어는 아마도 중세 영어 ''were'', 고대 영어 ''wer''에서 유래했을 것이며, 이는 "방어하다, 댐을 막다"라는 의미를 지닌 동사 ''werian''의 어근에서 파생된 것이다.[1][2] 독일어 동족어는 ''Wehr''이며, 영어의 weir와 같은 의미를 지닌다.
일반적으로 보(수리 시설)는 홍수를 예방하고, 물 방류량을 측정하며, 보트로 강의 항해를 돕는 데 사용된다. 댐은 벽 뒤에 물을 가두도록 설계된 반면, 보는 강물 흐름의 특성을 변경하도록 설계된다. 댐과 보의 차이점은 보의 상단(마루)으로 물이 흐르거나 전체 길이의 일부 아래로 흐른다는 것이다. 큰 댐의 월류 방수로 마루는 보라고 할 수 있다. 보는 크기가 다양하며, 작은 것은 높이가 몇 센티미터에 불과하지만 큰 것은 높이가 수 미터, 길이가 수백 미터에 달할 수 있다.
3. 기능
보의 일반적인 목적은 다음과 같다.
:
여기서
:는 유체의 체적 유량(방류량)
:는 구조물의 유량 계수 (평균 3.33)
:는 둑의 폭
:는 둑 위의 물의 수두 높이
:은 구조에 따라 다르다(예: 수평 보의 경우 , V자형 노치 보의 경우 ).
4. 종류
보는 그 종류가 다양하며, 눈에 띄지 않는 단순한 돌 구조물부터 정교하고 유지 관리가 필요한 대규모 구조물까지 존재한다. 보는 구조, 형태, 용도에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.
하위 섹션에서 보의 구조, 형태, 용도에 따른 구체적인 분류를 다루고 있으므로, 여기에서는 종류만 간략하게 언급한다.
- 구조에 따른 분류: 광폭 보, 복합 보, 노치 보, 다항식 보, 고정 보, 가동 보 (기복 보, 인상 보)
- 형태에 따른 분류: 광폭 보, 복합 보, 노치 보, 다항식 보, 기타 (날개형 보, 넓은 마루 보, 월류 보, 퓨륨 등)
- 용도에 따른 분류: 유량 측정, 물고기 이동, 물레방아 동력, 수문 조절, 항해, 취수보, 하구언 등
4. 1. 구조에 따른 분류
보는 그 구조에 따라 다음과 같이 여러 종류로 나뉜다.- 광폭 보: 평평한 둑을 가진 구조로, 수로 폭의 대부분 또는 전체를 덮는 둑 위로 물이 흐른다. 전 세계적으로 가장 흔하게 발견되는 유형이다.
- 복합 보: 여러 가지 설계를 하나의 구조물로 결합한 보이다. 강이 여러 사용자를 가지고 있어 구조물을 우회해야 하는 위치에서 흔히 볼 수 있다. 일반적인 설계는 보의 대부분이 넓은 정점(broad-crested)으로 되어 있지만, 보가 중단되거나 '열려' 있어 작은 배와 물고기가 구조물을 통과할 수 있는 구역이 있는 형태이다.
- 노치 보: 물리적인 장벽이 수위보다 상당히 높고, 패널에 특정 노치 (대개 V자형)가 잘려나간 보이다. 정상적인 흐름에서는 모든 물이 노치를 통과해야 하므로 유량 계산이 단순해지고, 홍수 시에는 구조물을 변경하지 않고도 수위가 상승하여 보가 잠길 수 있다.
- 다항식 보: 임의의 차수 ''n''의 다항식 방정식으로 형상이 정의되는 보이다. 실제로는 대부분의 보가 낮은 차수의 다항식 보이다. 표준 직사각형 보는 0차 다항식 보이며, 삼각(V-노치) 및 사다리꼴 보는 1차이다. 고차 다항식 보는 더 넓은 범위의 유량-수위 관계를 제공하므로 호수, 연못 및 저수지의 배출구에서 더 나은 흐름 제어가 가능하다.
- 고정 보: 수위 조절이 불가능한 보이다.[13] 수중에 돌을 쌓거나 콘크리트 등의 구조물을 설치하여 물을 막는 단순한 형태이며, 오래전부터 설치되어 왔다. 유량을 임의로 제어할 수 없다. 고정 보는 바닥막이와 구조적으로 동일하지만, 설치 목적에 따라 구분된다. 고정 보는 물을 막기 위해 설치되는 반면, 바닥막이는 상류의 하상을 안정시키기 위해 설치된다.
- 가동 보: 게이트의 개폐를 통해 수위 조절이 가능한 보이다.[14] 유량을 임의로 제어하여 홍수 시 물을 신속하게 흘려보낼 수 있다. 가동 보는 가동부의 구조에 따라 기복 보와 인상 보로 크게 분류된다.
- 기복 보: 수중 구조물을 세우거나 눕혀서 물을 제어한다. 보가 비교적 소규모이고, 제어하는 수위 폭이 좁은 경우에 채용된다. 강철제 문을 조작하는 것도 있지만, 내구성이 있는 고무 천 등으로 만들어진 원통형 주머니에 공기나 물을 넣어 부풀려 물을 막는 고무 피복포 기복 댐(러버 댐)도 많이 사용된다.
- 인상 보: 상하로 개폐하는 문비(閘扉)를 가진다. 지수가 용이하고 조작의 신뢰성이 높기 때문에 대규모 가동 보의 대부분은 이 방식이다.
4. 2. 형태에 따른 분류
보는 그 형태에 따라 다양한 종류로 나뉜다.- 광폭 보(Broad-crested Weir): 평평한 둑을 가진 구조로, 수로 폭의 대부분 또는 전체를 덮는 둑 위로 물이 흐른다. 전 세계적으로 가장 흔하게 발견되는 유형이다.
- 복합 보(Compound Weir): 여러 가지 설계를 하나의 구조물로 결합한 형태이다. 강이 여러 사용자를 가지고 있어 구조물을 우회해야 하는 위치에서 흔히 볼 수 있다. 일반적인 설계는 보의 대부분이 넓은 정점(broad-crested)으로 되어 있지만, 보가 중단되거나 '열려' 있어 작은 배와 물고기가 구조물을 통과할 수 있는 구역이 있는 형태이다.
- 노치 보(Notch Weir): 물리적인 장벽이 수위보다 상당히 높고, 패널에 특정 노치 (대개 V자형)가 잘려나간 보이다. 정상적인 흐름에서는 모든 물이 노치를 통과해야 하므로 유량 계산이 단순해지고, 홍수 시에는 구조물을 변경하지 않고도 수위가 상승하여 보가 잠길 수 있다.
- 다항식 보(Polynomial Weir): 임의의 차수 ''n''의 다항식 방정식으로 형상이 정의되는 보이다. 실제로는 대부분의 보가 낮은 차수의 다항식 보이다. 표준 직사각형 보는 0차 다항식 보이며, 삼각(V-노치) 및 사다리꼴 보는 1차이다. 고차 다항식 보는 더 넓은 범위의 유량-수위 관계를 제공하므로 호수, 연못 및 저수지의 배출구에서 더 나은 흐름 제어가 가능하다.
4. 3. 용도에 따른 분류
보는 일반적으로 홍수를 예방하고, 물 방류량을 측정하며, 보트로 강의 항해를 돕는 데 사용된다. 댐과 달리, 보는 물이 보의 상단(마루)으로 흐르거나 전체 길이의 일부 아래로 흐르도록 설계된다.보의 일반적인 목적은 다음과 같다:
- 유량 측정: 수문학자와 엔지니어는 보를 이용하여 소규모 또는 중간 규모의 하천/강 또는 산업 배출 위치에서 체적 유량을 측정할 수 있다. 보 상단의 형상이 알려져 있고 모든 물이 보 위로 흐르기 때문에 보 뒤의 수심을 유량으로 변환할 수 있다.[3][4] 방류량 계산은 다음과 같이 요약할 수 있다.
:
여기서
: Q는 유체의 체적 유량(방류량)
: C는 구조물의 유량 계수 (평균적으로 3.33)
: L는 둑의 폭
: H는 둑 위의 물의 수두 높이
: n은 구조에 따라 다르다(예: 수평 보의 경우 3/2, V자형 노치 보의 경우 5/2)
- 물고기 이동: 보는 물리적인 장벽이므로, 물고기와 다른 동물들이 강을 따라 상하로 이동하는 것을 방해할 수 있다. 이는 번식 주기의 일부로 이동하는 어종 (예: 연어과)에 부정적인 영향을 미칠 수 있지만, 침입종이 상류로 이동하는 것을 막는 방법으로도 유용할 수 있다.
- 물레방아 동력: 보는 물을 가두어 구조 위로 흐르게 하여 연못을 만들고, 수위 변화로 생성되는 에너지를 물레방아, 제재소, 연삭기 및 기타 장비를 작동시키는 데 사용될 수 있다.
- 수문 조절: 보는 일반적으로 높은 방류량 기간 동안 강의 유량을 제어하는 데 사용된다. 수문 (또는 경우에 따라 보 둑의 높이)을 변경하여 하류로 흐르는 물의 양을 조절할 수 있다.
- 항해 가능성: 더 큰 강에서는 보가 수로의 흐름 특성을 변경하여 선박이 항해할 수 있도록 돕는다. 많은 대형 보는 보트와 강 이용자가 보를 통과하여 상류 또는 하류로 이동할 수 있도록 하는 건설 기능을 갖추고 있다.
농업공학에서는 하천, 호수에서 용수로에 농업 용수를 끌어들이기 위한 구조물을 통칭하여 '''두수공'''이라고 한다.[9][10] 두수공은 하천 등을 막아 상류 측의 수위를 높임으로써 물을 저류하거나, 용수로 등에 취수를 용이하게 하거나, 계획적인 분류를 하는 역할을 한다. 하류 측으로부터의 해수 역류를 방지(조수막이)하여 염해를 방지하는 경우도 있다.
일본에서는 1964년(쇼와 39년)에 개정된 신하천법에서 이수 목적의 것에 대해서는 제방고 15미터 이상의 것을 댐으로 정의하고 있기 때문에, 댐은 제방고 15미터 미만이다.
한국에서는 다음과 같이 용도에 따라 보를 분류하기도 한다.
5. 환경 및 안전 문제
보는 강의 흐름을 바꾸기 때문에 지역 생태계에 영향을 미치고, 보 주변의 물은 잔잔해 보이지만 실제로는 매우 위험하여 안전 문제가 발생할 수 있다.
보는 어류 이동에 영향을 주고, 강의 유속 및 수중 산소 함량 변화를 유발하여 생태계를 변화시킨다. 또한, 보의 구조는 사람들에게도 위험할 수 있다. 특히 하류 측의 순환 패턴(수압 도약)은 익사 사고를 유발할 수 있어 "익사 기계"라고 불리기도 한다.[5]
5. 1. 생태계 영향
보는 물리적인 장벽이기 때문에 물고기와 다른 동물들이 강을 따라 상하류로 이동하는 것을 방해할 수 있다. 이는 번식 주기의 일부로 이동하는 어종 (예: 연어과)에 부정적인 영향을 미칠 수 있지만, 침입종이 상류로 이동하는 것을 막는 방법으로도 유용할 수 있다. 예를 들어, 오대호 지역의 보는 침입성 바다칠성장어가 더 상류 지역으로 서식하는 것을 막는 데 도움이 되었다.보는 물을 가두어 강의 흐름을 바꾸기 때문에, 지역 생태계에 영향을 미칠 수 있다. 일반적으로, 상류에서 강의 유속 감소는 퇴적 증가(강 바닥에 미세한 실트와 점토 입자의 침전)를 초래하여 수중 산소 함량을 감소시키고 무척추동물 서식지와 물고기 산란 장소를 파괴할 수 있다. 산소 함량은 일반적으로 보 둑을 넘어 물이 흐르면 정상으로 돌아오지만 (과포화될 수 있음), 증가된 강의 유속은 강바닥을 깎아내어 침식과 서식지 손실을 유발할 수 있다.
보는 어류 이동에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 종이 도약할 수 있는 최대 높이를 초과하거나 우회할 수 없는 유동 조건을 만드는 보는 어류가 이동할 수 있는 최대 상류 지점을 효과적으로 제한한다. 어떤 경우에는, 이는 엄청난 길이의 번식 서식지가 손실될 수 있음을 의미하며, 시간이 지남에 따라 어류 개체군에 상당한 영향을 미칠 수 있다.
많은 국가에서는 어류가 장벽을 우회하여 상류 서식지에 접근할 수 있도록 보 설계에 어도를 설치하는 것이 법적 요건이 되었다. 댐과 달리 보는 일반적으로 하류 어류 이동을 방해하지 않지만 (물이 상단으로 흐르고 어류가 그 물에서 구조물을 우회할 수 있기 때문에) 어린 물고기에게 부상을 입힐 수 있는 유동 조건을 만들 수 있다. 최근 연구에 따르면 항해용 수문은 수영 능력이 떨어지는 어류를 포함하여 다양한 생물군의 접근성을 높일 수 있는 잠재력도 가지고 있다.
5. 2. 안전 문제
보 주변의 물은 비교적 잔잔해 보일 수 있지만, 하류 측의 순환 패턴(수압 도약이라고 함)으로 인해 보트, 수영, 물속 걷기 등에 매우 위험한 장소가 될 수 있으며, 이로 인해 사람이 무기한 잠길 수 있다. 이러한 현상은 카누, 카약 등 강에서 시간을 보내는 사람들에게 매우 잘 알려져 있으며, 심지어 보를 "익사 기계"라고 부르기도 한다.[5] 오하이오 DNR은 피해자가 "턱을 아래로 숙이고, 무릎을 가슴에 대고 팔로 감싸야 합니다. 바라건대, 현재의 흐름이 피해자를 강바닥을 따라 끓어오르는 선을 지나 수압에 의해 풀려날 때까지 밀어낼 수 있는 상황이 될 것입니다."라고 권고한다.[6] 펜실베이니아 주 경찰은 또한 피해자에게 "웅크리고, 바닥으로 잠수하여 하류로 수영하거나 기어가라"고 권고한다.[7] 수압 도약은 공기를 흡입하므로, 댐과 끓어오르는 선 사이의 물의 부력은 30% 이상 감소하며, 피해자가 뜨지 못할 경우 댐 기저부에서 탈출하는 것이 생존을 위한 유일한 방법일 수 있다.
참조
[1]
웹사이트
the definition of weir
http://www.dictionar[...]
2017-03-03
[2]
웹사이트
Weir
http://www.etymonlin[...]
Online Etymology Dictionary
2017-05-20
[3]
웹사이트
Weirs – Flow Rate Measure
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2017-03-03
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Factors affecting weir flow measurement accuracy
http://www.openchann[...]
2018-05-02
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Dangerous dams
http://www.ricka-fla[...]
2011-06-26
[6]
웹사이트
Lowhead Dam Safety
http://watercraft.oh[...]
watercraft.ohiodnr.gov
2018-05-02
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웹사이트
Archived copy
http://www.post-gaze[...]
2017-06-15
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서적
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河川工学
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頭首工
https://kotobank.jp/[...]
コトバンク
2021-04-16
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1990
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