KR100871804B1 - 해저 심층수를 용승하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 해양 심층수를 인공적으로 용승(湧昇, Upwelling)하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해저 심층수를 어장이나 해양 목장으로 동력이나 자연의 풍력을 이용하여 인공적으로 표층해수로 용승하는 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 영양염류와 다양한 미네랄성분이 함유되어 있으면서 저온성의 특성이 있는 해저 심층수를 용승배관(1) 상부에 설치된 프로펠러형 임펠러(4)를 바람개비(3)의 풍력이나 모터(3a)의 동력에 의해 회전하면서 헤드 탱크(2)로 용승(Upwelling) 시켜 분배배관(6)을 통해서 어장 또는 해양 목장(8)으로 보내어 어류 및 해조류(10)를 양식하는 데 이용한다.
해저 심층수, 용승(Upwelling), 풍력, 동력, 영양염류, 미네랄
Description
도 1은 풍력을 이용하여 해저 심층수를 용승하는 개념도
도 2는 동력을 이용하여 해저 심층수의 용승하는 개념도
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1; 용승배관 2; 해드탱크(Head tank)
3; 바람개비(Weather vane) 3a; 모터(Morter)
4; 임펠러(Impeller) 5; 부유체(Floater)
6; 분배배관 7; 닻(Anchor)
8; 어장이나 해양 목장 9; 그물
10; 어류 및 해조류 11; 지지 앵커(Supporting anchor)
12; 가대(架臺) 13; 태양
본 발명은 해저 심층수를 인공적으로 용승(湧昇, Upwelling)하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해저 심층수를 어장이나 해양 목장으로 용승배관 상부 에 설치된 프로펠러형 임펠러를 바람개비의 풍력이나 모터의 동력에 의해 회전하면서 헤드 탱크로 용승하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 해양에서 용승이란, 심층의 해수가 표층의 해수로 용출(湧出)하는 현상으로, 해양의 생물생산에 중요한 영향을 주고 있으며, 용승효과에는, ⑴ 심층의 수중에 포함되어 있는 질소나 인 등의 영양 염류를 태양광이 닿는 표층부분(有光層)에 공급하여 식물 플랑크톤을 증대시키는 시비효과(施肥效果), ⑵ 심층의 수중에 침강한 생물자원을 표층으로 옮기는 종공급효과(種供給效果), ⑶ 심층의 저온해수를 표층으로 옮겨 표층 해역을 냉각시키는 냉각효과(冷却效果), ⑷ 심층의 빈산소(貧酸素) 덩어리를 표층에 옮겨, 빈산소해역(靑潮)을 형성시키는 청조효과(靑潮效果)가 있으며, 심층수를 이용하는 경우는 특히 ⑴과 ⑶의 효과를 이용한다.
이와 같은 용승의 발생원에는 바람이나 조류, 온도차, 밀도차, 코리올리힘 (Coriolis' force) 등이 있다.
대규모 용승의 예로서는, 남미 서해안이나 아프리카 서해안 등 대륙의 서해안 바다에서 보는 바와 같이 해상풍(海上風)에 의한 해류를 보충하도록, 심층의 심층수가 표층으로 상승하여, 빛과 영양염류를 기본으로 한 식물 연쇄(植物連鎖)에 의해 용승어장(湧昇漁場)을 형성하고 있는 해역도 있다.
이러한 용승해역은, 전체해양에 불과 0.1% 정도의 면적임에도 불과하지만 전체어류 생산의 약 반을 차지한다고 추측되며, 용승의 큰 생물생산 퍼텐셜 (Potential)로 사료된다.
이러한 자연의 용승현상에 의한 생물생산효과나 열 수송에 착안하여, 유용생 물의 생산이나 심층수와 표층수의 온도차에 의한 전력, 담수 생산 등을 목적으로, 펌프 등의 인공적인 수단을 이용하여 심층수를 양수시키는 것을 인공 용승이라고 부르고 있다.
또한, 해역의 비옥화(肥沃化)의 관점에서는, 펌프로 심층수를 펌핑(Pumping)하는 방식 외에도 해저에 인공구조물을 설치하여 상승류를 발생시켜 심층수를 표층으로 용출시키는 방식도 있으며, 광의적(廣義的)으로는 이것들도 포함하여 인공용승(人工湧昇)이라고 부르고 있다.
해저의 심층수는 통상 200m이하의 해수를 해양 심층수라고 부르며, 표층해수와는 달리 햇빛이 닿지 않아 플랑크톤(Plankton) 및 생명체가 증식하지 못하기 때문에 영양염류(營養鹽類)의 농도가 높으면서 수온에 따른 밀도차이로 표층해수와 혼합되지 않아 표층해수에 존재하는 오염물질이 없으며, 표층해수와 비교하였을 때 저온안정성(低溫安定性), 오염물질, 유해세균이나 유기물이 매우 적은 청정성(淸淨性), 식물의 생장(生長)에 매우 중요한 무기영양염류(無機營養鹽類)가 풍부한 부영양성(富榮養性)과 다양한 미네랄성분이 균형있게 존재하는 미네랄밸런스(Mineral balance) 특성과 고압 저온상태에서 긴 세월동안 물 분자의 집단(Cluster)이 소집단화(小集團化) 되어 표면장력(表面張力)이 적어 침투성(浸透性)이 좋은 소집단수(Microclustered water)로 숙성된 숙성성(熟成性) 등의 특성이 있다.
해저의 심층수는 표층해수에 비해서 오염물질 및 유해세균이 전혀 함유되어 있지 않으면서 표 1" 해저의 해양 심층수와 표층해수의 성분 분석 치"에서 보는 바와 같이 다종다양한 미네랄성분이 포함되어 있으면서 영양염류, 생균 수, 수온은 상당한 차이가 있다.
표 1 해저의 해양 심층수와 표층해수의 성분 분석 치
| 구분 | 울릉도 현포 | 일본홋가이도구마이시(北海道熊石)해양심층수 | 일본 토야마현 뉴젠(富山縣入善)해양 심층수 | 일본 고지현 무로도(高知縣室戶) | |||
| 650m해양 심층수 | 표층수 | 374m 해양 심층수 | 표층해수 | ||||
| 일 반 항 목 | 수온(℃) | 0.5 | 23 | 0.5 | 3.2 | 11.5 | 20.3 |
| pH | 7.5 | 7.98 | 8.15 | ||||
| DO 용존산소(㎎/ℓ) | 6 | 8 | 8.1 | 7.80 | 8.91 | ||
| TOC 유기 탄소(㎎/ℓ) | - | - | 0.6 | 0.962 | 1.780 | ||
| CODMn(㎎/ℓ) | 0.2 | 0.6 | - | - | - | ||
| 용해성 증발잔류물(㎎/ℓ) | 37,000 | 47,750 | 37,590 | ||||
| M-알칼리도(㎎/ℓ) | - | 114.7 | 110.5 | ||||
| 주 요 원 소 | Cl 염소(wt%) | NaCl로 3.41 | NaCl로 3.45 | NaCl로 3.41 | 1.960 | 2.237 | 2.192 |
| Na 나트륨(wt%) | 1.080 | 1.080 | 1.030 | ||||
| Mg 마그네슘(㎎/ℓ) | 1,320 | 1,280 | 1,300 | 1,290 | 1,300 | 1,310 | |
| Ca 칼슘(㎎/ℓ) | 393 | 403 | 378 | 400 | 456 | 441 | |
| K 칼륨(㎎/ℓ) | 380 | 571 | 380 | 414 | 399 | ||
| Br 취소(㎎/ℓ) | 60 | 65 | 68.8 | 68.1 | |||
| Sr 스트론튬(㎎/ℓ) | 7.0 | 9.9 | 7.77 | 7.61 | |||
| B 붕소(㎎/ℓ) | 4.7 | 4.44 | 4.48 | ||||
| Ba 바륨(㎎/ℓ) | 0.1 이하 | 0.010 | 0.044 | 0.025 | |||
| F 불소 (㎎/ℓ) | 1.0 | 1.2 | 0.53 | 0.56 | |||
| SO4 2-황산 이온(㎎/ℓ) | 2,630 | 2,833 | 2,627 | ||||
| 영 양 염 류 | NH4 +암모니아태질소(㎎/ℓ) | 0.05 | 0.05 | 0.03 | |||
| NO3 -질산태질소(㎎/ℓ) | 0.28 | 0.04 | 0.227 | 0.3 | 1.158 | 0.081 | |
| PO4 3-인산태인(㎎/ℓ) | 0.06 | 0.012 | 0.175 | 0.176 | 0177 | 0.028 | |
| Si 규소(㎎/ℓ) | 2.8 | 0.44 | 4.53 | 2.6 | 1.89 | 0.32 | |
| 미 량 원 소 | Pb 납(㎍/ℓ) | 0.11 | 0.02 | 0.102 | 0.087 | ||
| Cd 카드뮴(㎍/ℓ) | 0.05 | 0.03 | 0.028 | 0.008 | |||
| Cu 구리(㎍/ℓ) | 0.26 | 0.10 | 0.153 | 0.272 | |||
| Fe 철(㎍/ℓ) | 0.20 | 0.217 | 0.355 | ||||
| Mn 망간(㎍/ℓ) | 0.45 | 0.265 | 0.313 | ||||
| Ni 니켈(㎍/ℓ) | 0.36 | 0.31 | 0.387 | 0.496 | |||
| Zn 아연(㎍/ℓ) | 0.45 | 1.40 | 0.624 | 0.452 | |||
| As 비소(㎍/ℓ) | 0.04 | 1.80 | 1.051 | 0.440 | |||
| Mo 몰리브덴(㎍/ℓ) | 7.60 | 5.095 | 5.565 | ||||
| Cr 크롬(㎍/ℓ) | 0.021 | 0.02 | |||||
| 균 수 | 생균수(개/㎖) | 0 | 520 | 0 | 540 | ||
| 대장균수(개/㎖) | 음성 | 음성 | 음성 | 음성 | |||
특히 해저의 심층수에는 생물의 생육(生育)에 필요한 칼슘(Ca), 마그네 슘(Mg), 철(Fe), 아연(Zn)과 같은 다종다양한 미네랄성분이 함유되어 있으며, 특히 햇빛이 닿지 않으면서 저온으로 생물이 살지 않아 질산염, 인산염, 규산염과 같은 영양염류의 농도가 높으면서, 오염된 표층해수와는 밀도차이로 전혀 섞이지 않아 오염물물질이 함유되어 있지 않은 특성이 있으며, 해저의 해양 심층수 특성을 구체적으로 고려하면 다음과 같다.
1. 저온 안전성(低溫 安全性)
표층해수의 수온은 계절에 의해서 큰 폭으로 변동하는 데 대해, 해저의 해양 심층수는 계절에 따라서 수온의 변화가 없으면서 저온으로 안정되어 있다.
특히 한국 동해의 해양 심층수는 오호츠크해(Sea of Okhotsk)의 유빙(流氷)이 녹은 찬 해수가 밀도차로 침강(沈降)하여 사할린섬(Ostrov Sakhalin)과 홋카이도(北海道) 사이의 블라디보스토크(Vladivostok) 앞바다로 유입된 심층수로 일본열도가 가로 막혀 흐름이 느려 300m이하에서는 연간을 통해서 수온이 1∼2℃로 하와이나 일본 태평양 연안의 코우치현(高知縣)의 무로토(室戶) 앞바다의 해양 심층수 등에 비해서 8∼11℃ 정도 낮은 특성이 있다.
2. 청정성(淸淨性)
심층에 있으므로 육상의 하천수, 대기로부터의 오염을 받기 어렵고, 화학물질, 오염물질과 세균수가 적다.
① 물리적 청정성
물리적 청정성은 부유물, 현탁물이 적다고 하는 것으로 해저의 해양 심층수는 표층해수에 비해서 부유고형물질의 함량이 적다.
② 생물학적 청정성
해수의 취수에서 제일문제가 되는 것은 부착생물의 번식인데, 일반적으로, 표층해수의 취수장치에서는 취수 관내에 부착생물이 번식하는 것으로, 관의 저항이 늘어나 취수불능이 되는 것이 많은데, 해저의 해양 심층수에는 플랑크톤, (병원성) 미생물, 클로렐라 등의 총 생균 수는 표층수의 10분의 1에서 100분의 1로 적은 특성이 있다.
③ 화학적 청정성
해저의 해양 심층수에는 오염된 표층해수와 혼합이 일어나지 않기 때문에 다이옥신이나 PCB(Polychlorinated biphenyl, 폴리염화비페닐), 유기 염소화합물, 유기주석 등 이른바 환경오염물질에 오염되어 있지 않은 특성이 있다.
3. 부영양성(富榮養性)
해저의 해양 심층수에는 표층해수에 비해서 바다생물의 근원이 되는 식물플랑크톤(주로, 엽록소를 가지는 미소의 단세포 식물인 규조)의 영양원이 되는 질소, 인, 규산 등이 표층해수의 약 5∼10배의 무기영양염류가 풍부하게 포함되어 있는 특성이 있다.
수심 150m 이하에서 광량은 1% 이하로, 더 이상의 깊이에서는 식물성 플랑크톤은 광합성을 할 수 없기 때문에, 영양소는 식물성 플랑크톤에 의해서 소비되지 않고 아래의 깊은 층으로 가라앉아 축적되어 무기영양염의 농도가 높다.
4. 미네랄의 특성
해수는 70종류를 넘는 원소를 포함하고 있으며, 해저의 해양 심층수에도 이 와 같이 다종다양(多種多樣)한 원소를 포함하고 있는 특성이 있다.
동·식물의 생육에 필요한 주요원소가 많으면서 필요하기는 하지만 다량으로 섭취하면 해가 되는 필수 미량원소인 동, 아연과 같이 사람의 건강에 깊은 관계가 있는 것은 극히 소량 포함되어 있다고 하는 미네랄밸런스의 좋은 특성이 있다.
5. 숙성성(熟成性)
해저의 해양 심층수는 표층해수에 비해 pH가 낮으며(pH 7.8 전후), 유기물 함량이 적으면서 해저의 해양 심층수는 표층해수로부터 분리되어 저온 고압 하에서 긴 세월동안 물 분자의 집단(Cluster)이 적은 소집단화(小集團化)된 소집단수(小集團水; Micro-clustered water)로 수질이 안정되어 있다.
상술한 해저 심층수의 특성으로 인하여, 해저의 심층수가 자연적으로 용승되는 장소에서는 어류는 물론이고, 해조류가 왕성하게 생육(生育) 되는 황금어장을 형성하고 있다.
본 발명은 해저 심층수의 저온성, 청정성, 부영양성, 미네랄의 특성을 이용하여 어장이나 해양목장의 어류 및 해조류를 양식에 이용하기 위해서 해저의 심층수를 인공적으로 용승(湧昇)하는 방법을 제시한다.
해저의 해양 심층수를 인공적으로 용승하는 방법은, 일본 공개특허 제2002-306016호의 해저부(海底部)에 발생하는 조류를 이용하여 심층수를 용승하는 방법으로서 해저의 해수를 도입하는 도입부(導入部)와 일단(一端)이 도입부에 고착한 타단(他段)이 해면 근방에서 개방된 분출부(噴出部)를 가지는 용승관(湧昇管)으로 된 해수 용승장치로 하고 있으면서 용승관 상단부의 분출부 근방에 침강 방지책(沈降 防止柵)이 고착되어 있는 용승관이 신축자재로 접속되어 있으면서 용승관 상단부의 분출부에는 보조펌프와 축전장치와 침강 방지책의 상부에는 태양전지 패널(Panel)이 장비되어 있는 용승장치가 제안되어 있으나, 시설이 복잡하여 시설비가 고가이면서 날씨가 흐린 날은 용승을 할 수 없는 문제점이 있다.
일본 특허 공개번호 2001-323430호의 경우는 심층 해류의 중층(中層)에 경사지게 고정된 유도판(誘導板)을 설치하여 심층수의 흐름을 표층으로 유도하는 방법과 일본 공개특허 평(平) 6-46455호는 해저 지면에 직교하는 방향으로 긴 거리에 걸쳐서 연재(延在)하도록 설치한 사다리의 정부(頂部)에, 폐선(廢船) 등의 구조물을 자리 잡게 한 구조물을 설치하여 물흐름에 의해 구조물 후방에 카르만 와류(Karman Vortex)를 발생시켜, 이 카르만 소용돌이의 작용으로 구조물 후방의 심층수를 수면 부근까지 용승시키는 방법은 설치공사의 어려움과 용승효율이 좋지 않은 문제점이 있다.
그리고 일본 공개특허 2001-123999호는 바람에 의한 바람개비를 회전하여, 이 회전력에 의해 압축기를 가동시켜, 발생하는 압축 공기를 공급하여 에어레이션(Aeration)에 의해 용승류를 발생하는 방법이 제시되어 있으나, 에어레이션에 의한 에어리프팅(Air-lifting)에 의한 용승하는 방법 역시 용승효율이 떨어지면서 시설비가 높고, 유지보수에 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 바람의 풍력을 이용하여 프로펠러형 임펠러(Impeller)를 회전시켜 해저 심층수를 용승배관을 통해서 표층의 해양목장이나 어장으로 용승하는 방법을 제공하는 데 본 발명의 목적이 있는 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 해양 목장이나 어장이 가까운 심층에 용승배관을 설치하고, 용승배관 상부의 프로펠러 형 임펠러를 바람에 의해 바람개비를 회전하여 영양염류와 다양한 미네랄을 성분을 함유한 심층의 해양 심층수를 용승하여 해양 목장이나 어장에 공급하는 것에 특징이 있다.
이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 해저 심층수를 표층부분의 해양 목장이나 어장으로 용승시키는 "풍력을 이용하여 해저 심층수를 용승하는 개념도"로서, 용승배관(1)을 해저심층에 설치를 하고, 용승배관(1) 상부에 프로펠러형(Propeller type) 임펠러(4; Impeller)가 바람개비(3; Weather vane)에 연결된 장치가 내장된 헤드 탱크(2; Head tank)를 닻(Anchor; 7)으로 고정하고, 부유체(5; Floater)에 의해서 해수면에 떠있으면서 바람에 의해 바람개비(3)가 회전하면서 프로펠러형 임펠러(4)가 회전토록 하여 해저 심층수가 헤드 탱크(2)로 용승(湧昇; Upwelling)하면, 분배배관(6)을 통해서 어장이나 해양 목장(8)의 어류 및 해조류(10)에 공급한다.
해수면 30m 이하부터는 태양(13)의 햇빛의 투과율이 급격히 감소하면서 수온이 떨어져, 플랑크톤(Plankton) 및 생명체의 증식이 감소하면서 어류의 먹이가 되는 플랑크톤과 해조류의 생육(生育)에 필요한 영양소인 영양염류(營養鹽類)의 농도가 높아진다.
따라서 본 발명에서 용승배관(1)의 깊이(H)는, 해수면에서 30m 이하로 하지만, 가능한 영양염류의 농도가 높은 수심 200m 이하에 설치하는 것이 바람직하다.
용승배관(1)은, 해저 지표면에는 가대(架臺; 12)를 설치하여 용승배관(1)의 말단부분이 해저 지표면으로부터 20m 이상 유지되도록 하여 해저 벌(海底泥質)의 유입으로 관의 막힘(Plugging) 현상이 야기되지 않도록 하여야 하며, 해수면에서 수심 30∼50m까지는 조류의 흐름이 심하기 때문에 지지 앵커(Supporting anchor; 11)로 견고하게 고정하여야 한다.
헤드 탱크(2)는 부유체(Floater; 5)에 의해서 해수면에 떠있으면서 닻(Anchor; 7)을 해저 지면에 밖아 해수면 위에 고정된 상태로 되어 있다.
어류를 양식하는 어장의 경우는, 어류가 도망가지 못하게 그물(9)을 해저 지면에 고정하고, 해수면의 부유체(5)에 의해 그물(9)로 막는다.
용승배관(1)과 분배배관(6)의 재질은 내염성이 우수한 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리풀로피렌(Polypropylene), PVC(Poly Vinyl Chloride), ABS(Acrylonitrile Butadiene Stylene)의 합성수지 배관을 사용하고, 가대(12), 지지 앵커(11), 임펠러(4), 바람개비(3a), 헤드 탱크(2), 닻(7)의 재질은 내염성 재질인 티타늄(Titanium)이나 브론즈(Bronze) 합금을 사용한다.
그리고 어장이나 해양목장(8)이 연안에서 가까운 곳에 있는 경우는 도 2에서와 같이 구동장치를 바람개비(3) 대신 모터(Moter; 3a)를 설치하여 해저 심층수를 용승할 수도 있다.
이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 해저의 심층수에는 영양염류의 농도가 높으면서 수온이 낮기 때문에 어장이나 해양목장에 영양염류의 공급과 수온의 조정의 목적으로 널리 이용되는 효과가 있을 것으로 기대된다.
Claims (2)
- 용승배관(1)을 해저심층에 설치를 하고, 용승배관(1) 상부에 프로펠러형(Propeller type) 임펠러(4; Impeller)가 바람개비(3; Weather vane)에 연결된 장치가 내장된 헤드 탱크(2; Head tank)를 닻(7)으로 고정하고, 부유체(5; Floater)에 의해서 해수면에 떠있으면서 바람에 의해 바람개비(3)가 회전하면서 프로펠러형 임펠러(4)가 회전토록 하여 해저 심층수가 헤드 탱크(2)로 용승(湧昇; Upwelling) 하면, 분배배관(6)을 통해서 어장이나 해양 목장(8)의 어류 및 해조류(10)에 공급하는, 해저 심층수를 용승하는 방법.
- 제1항에 있어서, 바람개비(3) 대신 모터(Moter; 3a)를 설치하여 해저 심층수를 용승하는 방법.
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