KR101563739B1 - 풍향에 수직방향으로 자가회전하는 에크만 나선 원리를 이용한 정체 수체 구역의 수류 순환 장치 및 수류 순환 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저수지, 호소, 하천의 정체 수역 및 폐쇄성 해역 등과 같이 정체된 수체에서 수시로 변하는 풍향에 대응하여 자가회전하여 수류의 하강을 유도하고, 취송류의 특성을 반영하여 표면취송류의 흐름을 최대한 제공받아 수류 순환 효과를 극대화화여 수체의 부영양화를 감소시키고 조류의 과다 성장을 방지하며 수질을 개선할 수 있는 수류 순환 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다. 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 저수지, 호소, 하천의 정체수역 및 폐쇄성 해역을 포함하는 정체된 수체 구역의 수류 순환 장치로서, 수체의 바닥에 고정되는 앵커 부재; 수체에 수직하고, 상기 앵커 부재에 자유회전가능하게 설치되는 지지샤프트; 상기 지지샤프트의 상부에 설치되는 부유성 부재; 상기 부유성 부재의 상부에 설치되어 바람을 맞는 윙 블레이드; 및 수체 표층부의 취송류를 심층부 방향으로 하강 유도하도록 상기 부유성 부재의 하부에 설치되는 하나 이상의 취송류 하강유도 부재를 포함하는 정체 수체 구역의 수류 순환 장치를 제공한다.

Description

풍향에 수직방향으로 자가회전하는 에크만 나선 원리를 이용한 정체 수체 구역의 수류 순환 장치 및 수류 순환 방법{CIRCULATION APPARATUS AND CIRCULATION METHOD FOR INDUCING DOWNWARD FLOW USING AUTO-ROTATING FLOATING PANEL ACCORDING TO WIND DIRECTION AND EKMAN SPIRAL FLOW PRINCIPLE}

본 발명은 저수지, 호소, 하천의 정체 수역 및 폐쇄성 해역 등과 같이 정체된 수체에서의 수류 순환 장치 및 수류 순환 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자연상태에서 수시로 변하는 풍향을 맞받게 자가회전하고, 표면 취송류의 흐름을 최대한 제공받아 수류의 하강을 유도하여 수류 순환 효과를 극대화하여 수체의 부영양화를 감소시키고 조류의 과다 성장을 방지하며 수질을 개선할 수 있는 풍향에 수직방향으로 자가회전하는 에크만 나선 원리를 이용한 정체 수체 구역의 수류 순환 장치 및 수류 순환 방법에 관한 것이다.

최근 우리나라의 저수지, 호소, 하천의 정체 수역 및 폐쇄성 해역 등과 같이 정체된 수체에서 부영양화로 인한 심각한 수질 저하가 자주 발생하고 있다. 이로 인하여 용수원으로서의 활용에 제약을 받고 있음은 물론 수산업뿐만 아니라 수생태계의 건전성에 미치는 피해 또한 막심한 실정이다.

일반적으로 저수지, 호소, 하천의 정체 수역 및 폐쇄성 해역 등과 같이 정체된 수체는 식물성 플랑크톤의 증식으로 인해 수질이 지속적으로 저하되는 경향이 있다. 이러한 현상은 자연스러운 것으로 ‘부영양화 현상’이라고 일컬어진다. 그러나 인위적인 오염물질이 유입되거나 적절한 수질관리가 이루어지지 않을 경우에는 부영양화의 속도가 급속히 빨라져서 수원의 본래 목적을 상실하는 경우가 발생하게 된다.

특히, 저수지, 호소, 하천의 정체수역 및 폐쇄성 해역 등은 유속이 없거나 매우 느리고, 유속이 빠른 하천에 비해 긴 체류시간을 갖기 때문에 이에 따른 조류의 대발생, 수체 바닥의 무산소층 형성에 의한 철, 망간 농도 증가, 불용성 인의 재용출 등과 같은 다양한 문제에 노출되어 있다.

국내 대부분의 저수지 및 호소들은 1980년대 후반 이후 급격한 부영양화로 인한 수질 악화를 겪고 있다. 정체된 수체에서 진행되는 수질 악화의 원인으로 여러 요인들을 들 수 있으나 가장 보편적으로 나타나는 형태로서 부영양화에 의하여 수체 내부에서 생산되는 유기물 부하의 증가가 대두되고 있다.

저수지, 호소, 하천의 정체수역 및 폐쇄성 해역 등과 같이 정체된 수체의 수질을 개선하기 위한 대책으로는 크게 수체로 유입되는 오염물질의 차단 및 저감과 같은 외적 대책과 살조제나 응집제의 살포, 폭기 및 인위적 순환을 통한 성층파괴, 퇴적물의 준설, 조류 및 수초의 제거 등과 같은 내적 대책이 있다.

살조제 살포는 조류를 사멸시키거나 생장을 억제하는 화학약품인 살조제를 수체에 살포하는 방법이다. 현재 가장 많이 사용되고 있는 화학약품은 황산구리(CuSO₄)로서 부영양화의 정도나 번식하고 있는 조류의 종류에 따라 대체로 0.05∼4.0 mg/L의 농도로 살포한다. 이외에도 염소, 과산화수소, 오존, 자외선, 초음파 등이 사용되고 있다.

그러나 살조제의 살포는 효과가 매우 빨리 나타난다는 장점이 있으나 화학물질이 수체에 퇴적될 수도 있고, 살조제에 대한 조류의 저항성이 증가하여 효과가 감소하기도 하고 투입한 살조제가 수생태계에 악영향을 미칠 우려가 있다. 또한 효과가 제한적이고 경비가 많이 소요된다는 단점이 있다.

응집제 살포는 수중의 영양염류가 이온 상태로 용해되어 있을 때 조류가 보다 용이하게 이용할 수 있기 때문에 응집제를 투여하여 영양염류를 알루미늄염이나 철염 등과 함께 응집시켜 제거함으로써 수중의 영양염류 농도를 저감하는 방안이다. 특히, 정체성 수체의 부영양화는 과량으로 용해되어 있는 인에 의해 일어나는 경우가 많으므로 인을 침전시켜 불활성화시키고 인의 용출을 억제하기 위한 방법으로 자주 활용된다. 응집제의 종류로는 알루미늄염, 철염, 석회 등이 있다. 또한, 응집제의 대용으로 황토를 살포하는 경우도 있다.

그러나 응집제 살포 또한 살조제 살포와 같이 효과가 빠르고 경비가 상대적으로 적게 소요된다는 장점이 있으나 수심이 얕은 수체에서는 효과가 적고, 지속적으로 관리하지 않으면 침전되어 있던 영양염류(인 등)가 재용출되기도 하는 단점이 있다.

폭기와 성층 파괴는 성층이 형성되어 수질 악화가 가속화된 수체를 대상으로 수체 내에 공기를 불어 넣어주거나 상하 방향의 수류를 형성시켜 줌으로써 성층을 파괴하고 상층과 하층의 수체를 혼합시킴과 동시에 하층부에 산소를 공급하여 미생물에 의한 분해를 더욱 촉진시키는 방법이다. 특히, 성층이 형성된 수체의 경우 심층수의 무산소화에 기인하는 수질 악화를 방지할 수 있으며, 영양염류와 철, 망간 등의 용출도 줄어들게 된다. 폭기 및 성층 파괴의 방법으로는 심층폭기, 표면폭기, 산소폭기(오존폭기) 및 물리적 교반에 의한 수류 형성 등이 있다.

그러나 성층현상이 심하고 수심이 깊은 수체에서는 폭기 및 성층 파괴의 효과가 크나 수심이 얕거나 폭에 비해 길이가 긴 하천형 수체에서는 다수 개의 장치의 설치가 필요하고 폭기 및 성층 파괴에 따른 전력 또한 과량으로 소요되므로 경비에 비해 효과가 적은 단점이 있다.

퇴적물의 준설은 정체된 수체의 수중에서 자란 각종 조류, 수초 등이 사멸 후 침전되어 형성된 퇴적물을 인위적으로 제거하는 방법이다. 정체된 수체의 퇴적물에는 각종 영양염류와 중금속 등이 축적되어 있어서 이러한 물질들이 재용출될 경우 부영양화를 유발하므로 이를 방지하기 위해 실시한다. 그러나 이와 같은 퇴적물의 준설은 저서 생물상에 영향을 주어 수중 생태계를 교란시킬 수 있다는 단점이 있다.

조류와 수초의 제거는 조류나 수초가 과다하게 생장하는 시기에 이를 채취하여 제거하는 방법이다. 조류나 수초가 과다하게 증식한 후 사멸하면 생체 내에 포함되어 있는 유기물이 분해되면서 용존산소를 소모하고, 질소나 인 등 영양염류가 용출됨으로써 수체의 수질에 악영향을 미친다. 따라서 조류는 번식이 왕성한 시기에, 수초는 가을철 사멸하기 전에 제거하게 된다.

이상에서 정리한 바와 같이 저수지, 호소, 하천의 정체수역 및 폐쇄성 해역 등과 같이 정체된 수체의 수질오염을 해결하고, 부영양화를 방지하기 위한 다양한 기술과 공법들이 개발되어 활용되고 있다. 이와 같은 기술과 공법들은 대부분 수중폭기와 같이 교반을 위하여 많은 에너지가 소모되는 기술이거나, 황산구리와 같이 약품 살포로 인하여 비경제적이고 수생생물에 대한 2차 오염의 우려가 있는 등의 문제점을 안고 있다. 이처럼 현재 국내에 적용되고 있는 물리적, 화학적, 생물학적 수질개선 대책들은 부분적으로는 효과를 거두고 있으나 적용 규모, 시설투자비용 및 유지관리비용, 부산물의 생성, 수생태계에 미치는 악영향 등 해결해야 할 많은 문제점을 안고 있어 일시적인 제어방안으로 활용되고 있을 뿐 근본적인 대책이라고는 할 수 없다. 따라서, 자연에너지를 이용한 무동력의 효율적인 수질개선공법의 개발이 필요한 실정이다.

이와 같이 무동력 수질개선공법의 일환으로 바람에 의해 형성된 취송류를 이용하여 산소가 풍부한 표층수를 심층으로 순환시키는 무동력 수류 순환 장치가 제안되고 있다.

취송류는 수체 표면에 부는 바람에 의해 생기는 수류의 흐름이다. 노르웨이의 난센(F. Nansen)이 프람(Fram)호를 타고 북극을 탐험할 때 풍향과 해류의 방향(해빙의 흐름 방향)이 일치하지 않고 편향하여 바람보다 오른쪽으로 대체로 15∼45° 치우쳐 있다는 관찰에 착안한 것이 시초이며, 후일 이 경험적 사실에 기초하여 스웨덴의 에크만(W. Ekman)이 취송류 이론을 확립하였다. 북반구에서의 경우, 이론적으로 표면취송류의 진행방향은 바람의 진행방향에서 오른쪽으로 45° 치우치며, 그 속도는 바람의 변형력, 밀도, 와점성계수, 지구 자전의 각속도, 위도의 함수이다. 표면취송류의 속도는 일반적으로 풍속의 2∼4%의 범위이다. 수심이 깊어짐에 따라 유향(흐름 방향)은 시계 방향으로 계속 변하고, 유속은 점성에 의한 에너지의 손실로 지수함수적으로 급속하게 감소하는데 이를 '에크만 나선(Ekman spiral)'이라고 한다. 이러한 현상은 바람에 의한 마찰력으로 시작되는 수류의 운동이 지구의 자전에 의한 전향력의 영향으로 북반구에서는 오른쪽, 남반구에서는 왼쪽으로 편향되기 때문에 나타난다. 수심이 깊어지면 유향이 표면과 반대인 지점이 나타나는데 이 깊이를 '마찰저항심도'라고 한다. 수체의 표면에서 마찰저항심도까지를 '에크만층(마찰층)'이라고 한다.

이와 같은 에크만층 내에서 전체 수층의 취송류에 의한 평균적인 수류 수송(Ekman transport)은 북반구에서 풍향의 오른쪽 직각 방향으로 나타나게 된다(도 1 및 도 2 참조).

취송류는 바람과 직접 접해 있는 수체의 표면에서 가장 민감하게 나타나며, 수체 내부의 취송류는 표면취송류에 대한 반응으로 나타난다. 표면취송류와 수체 내부 취송류 간의 관계는 수체의 연직와점성(vertical eddy viscosity)에 의해 결정되는데, 수심이 깊어질수록 유속은 감소하고 유향은 편향된다.

표면취송류는 유속에 있어서도 가장 크게 나타나지만, 바람에 대한 반응시간도 가장 빠르게 나타난다. 수체 내부의 취송류는 일정기간 바람이 지속되었을 때 발생하며, 바람의 지속시간에 대한 취송류의 반응 정도는 수심에 따라 다르다. 취송류를 실제와 부합되게 다루기 위해서는 바람에 대한 표면취송류의 반응이 일차적으로 다루어져야 한다. 여러 선행 연구들에 따르면, 수체 표면의 유속은 풍속의 약 2%~4% 정도에 해당한다고 알려져 있다.

한편, 기존의 취송류를 이용한 수류 순환 장치는 바람의 방향과 무관하게 취송류로부터 하향의 수류를 형성하는 긴 체인 형식으로 체결한 수류 순환 장치를 수질개선의 대상이 되는 수체 내부에 고정적으로 설치하고 있는 경우가 대부분이다.

그러나 이와 같이 기존의 수류 순환 장치는 수시로 변화하는 풍향에 대응하지 못하고, 수체에서 형성되는 취송류의 방향이 바람의 방향에서 오른쪽으로 편향되는 에크만 나선의 효과를 반영하지 못함으로써 하강수류의 생성효과가 미약하다는 단점이 있어 충분한 수류 순환 효과를 얻기 위하여 과다한 시설투자가 소요되는 등 비경제적이고, 비효율적인 측면이 많았다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 수시로 변환하는 바람을 맞받도록 하여 수류의 하강을 유도하도록 방향을 풍향에 따라 자가 조정되고, 바람의 방향에 편향되게 형성되는 취송류의 특성을 반영하여 수류 순환 효과를 극대화한, 풍향에 수직방향으로 자가회전하는 에크만 나선 원리를 이용한 정체 수체 구역의 수류 순환 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 본 발명의 목적 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 제1 관점에 따르면, 저수지, 호소, 하천의 정체수역 및 폐쇄성 해역을 포함하는 정체된 수체 구역의 수류 순환 장치로서, 수체의 바닥에 고정되는 앵커 부재; 수체에 수직하고, 상기 앵커 부재에 자유회전가능하게 설치되는 지지샤프트; 상기 지지샤프트의 상부에 설치되는 부유성 부재; 상기 부유성 부재의 상부에 설치되어 바람을 맞는 윙 블레이드; 및 수체 표층부의 취송류를 심층부 방향으로 하강 유도하도록 상기 부유성 부재의 하부에 설치되는 하나 이상의 취송류 하강유도 부재를 포함하는 정체 수체 구역의 수류 순환 장치를 제공한다.

본 발명의 제2 관점에 있어서, 저수지, 호소, 하천의 정체수역 및 폐쇄성 해역을 포함하는 정체된 수체 구역의 수류 순환 장치로서, 하단부가 수체 바닥에 고정되고, 수체에 수직하게 설치되는 지지샤프트; 상기 지지샤프트의 상부에 설치되는 부유성 부재; 상기 부유성 부재를 상기 지지샤프트에 대하여 회전가능하게 지지하는 베어링 부재; 상기 부유성 부재의 상부에 설치되어 바람을 맞는 윙 블레이드; 및 수체 표층부의 취송류를 심층부 방향으로 하강 유도하도록 상기 부유성 부재의 하부에 설치되는 하나 이상의 취송류 하강유도 부재를 포함하는 정체 수체 구역의 수류 순환 장치를 제공한다.

제1 및 제2 관점에 있어서, 상기 부유성 부재는 그 전체 또는 일부가 발포체 자체로 형성되거나 내부에 발포체를 포함하는 수지 외면의 블록 형태로 구성되거나 박스 또는 원통 형태의 기밀체로 구성될 수 있다.

제1 및 제2 관점에 있어서, 상기 부유성 부재의 상부에는 수질정화 및 경관개선을 위한 부유 식물섬 또는 조형물이 조성되는 것이 바람직하다.

제1 및 제2 관점에 있어서, 상기 윙 블레이드는 상기 부유성 부재에 직교되거나 비스듬하게 설치되는 벽체로 이루어질 수 있다.

제1 및 제2 관점에 있어서, 상기 부유성 부재는 상기 윙 블레이드의 기능을 포함하도록 일체형으로 구성될 수 있다. 다시 말해서, 상기 부유성 부재에 윙 블레이드가 일체로 형성됨으로써 상기 윙 블레이드는 별도로 설치 또는 조립되는 것을 생략할 수 있다.

제1 및 제2 관점에 있어서, 상기 윙 블레이드와 취송류 하강유도 부재는 수체에 대해 수직한 방향으로 동일 평면상에 설치될 수 있으며, 일반적으로 서로에 대하여 소정 각도 편향되어 설치되는 것이 바람직하다.

제1 및 제2 관점에 있어서, 상기 취송류 하강유도 부재는 윙 블레이드에 대하여 5~55도 편향되어 설치되는 것이 바람직하다.

제1 및 제2 관점에 있어서, 상기 취송류 하강유도 부재는 상기 지지샤프트를 따라 하방향으로 갈수록 상측의 취송류 하강유도 부재에 대하여 소정 각도 편향되면서 다단으로 구성될 수 있다.

제1 및 제2 관점에 있어서, 상기 취송류 하강유도 부재와 상기 부유성 부재를 연결하는 접합부는 전면과 후면이 대칭인 형태의 사선 또는 곡면으로 처리하여 취송류의 하강유도 효과를 높이는 것이 바람직하다.

제1 및 제2 관점에 있어서, 상기 취송류 하강유도 부재의 전면과 후면은 동일한 형상을 갖도록 하고, 전면과 후면의 표면에는 하향류의 하강유도 효과를 높이기 위하여 수심방향으로 병렬의 복수 개의 보조날개가 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명의 제3 관점에 따르면, 저수지, 호소, 하천의 정체 수역 및 폐쇄성 해역을 포함하는 정체된 수체의 부영양화의 저감, 조류의 과다 성장 방지, 수질 개선을 위하여 표층수와 심층수의 수류 순환을 발생시키기 위한 정체 수체 구역의 수류 순환 방법에 있어서, 수체 수면의 바람 방향의 변환에 대응하여 윙 블레이드가 바람을 직교하게 받아들이도록 유도시키며; 상기 윙 블레이드에 대하여 수평하거나 소정 각도 편향시켜 수중에 설치된 하나 이상의 취송류 하강유도 부재를 통해 표면 취송류를 하방향으로 유도시키는 것을 포함하는 정체 수체 구역의 수류 순환 방법을 제공한다.

상기 제3 관점에 있어서, 상기 취송류를 하방향으로 유도하는 것은 취송류를 하방향으로 갈수록 순차적으로 편향시켜 유도하도록 하는 것을 포함할 수 있다.

본 발명에 의한 정체 수체 구역의 수류 순환 장치 및 수류 순환 방법에 따르면 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 본 발명은 저수지, 호소, 하천의 정체수역 및 폐쇄성 해역 등과 같이 정체된 수체의 부영양화를 저감하거나 방지할 수 있다.

둘째, 본 발명은 별도의 외부 에너지 공급없이 표면 취송류를 심층부로 유입시킴으로써, 용존산소가 풍부하게 용해되어 있는 표층수를 심층부로 이동시키고, 용존산소농도가 낮은 심층수를 표층으로 순환시킴으로써 조류의 과다 생장을 억제하며, 수생태계에 미치는 악영향을 저감하고, 춘계부터 하계와 추계에 걸쳐 형성되는 수체 내의 성층을 파괴하고, 저층에 퇴적되어 있는 오염물질로부터 영양염류 및 중금속류의 재용출을 방지하며, 심층수의 혐기화를 방지하고, 유기물의 호기성 분해를 유도함으로써 수질을 개선하고, 수생태계의 건전성을 제고할 수 있다.

셋째, 본 발명은 자연에너지를 활용함으로써 별도의 운영비용의 추가 없이 운용할 수 있어 에너지 절감 및 친환경적인 수류 순환 장치를 제공할 수 있다. 다시 말해서, 본 발명에 의하면, 자연상태에서 수시로 변하는 풍향에 대응하여 수류의 하강을 유도하는 방향을 자가조정하고, 바람 방향의 우측으로 편향되게 형성되는 취송류의 특성을 반영하여 표면취송류의 흐름 방향에 직교되게 방향을 조정하여 수류 순환 효과를 극대화함으로써 별도의 장치 없이 바람의 에너지를 손실 없이 활용하여 타 시설보다 소규모의 시설로서도 보다 우수한 수질개선 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.

도 1은 북반구에서 표면취송류와 수심에 따른 에크만 나선의 변화를 나타내는 개략도이다.
도 2는 에크만 나선을 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 풍향에 수직방향으로 자가회전하는 에크만 나선 원리를 이용한 수류 순환 장치의 구성을 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 풍향에 수직방향으로 자가회전하는 에크만 원리를 이용한 수류 순환 장치의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 수류 순환 장치를 상부로부터 바라본 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 수류 순환 장치에서 바람과 취송류에 대한 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
도 7은 본 발명의 수류 순환 장치의 변형 예를 개략적으로 도시한 사시도이다.

본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.

본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍향에 수직방향으로 자가회전하는 에크만 나선 원리를 이용한 수류 순환 장치를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 풍향에 수직방향으로 자가회전하는 에크만 나선 원리를 이용한 수류 순환 장치의 구성을 개략적으로 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 풍향에 수직방향으로 자가회전하는 에크만 원리를 이용한 수류 순환 장치의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 수류 순환 장치를 상부로부터 바라본 구성도이다.

도 3 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 수류 순환 장치는 저수지, 호소, 하천의 정체수역 및 폐쇄성 해역 등과 같이 정체된 수체의 수류 순환 장치로서, 수체의 바닥에 고정되는 앵커 부재(100); 수체에 수직하고, 상기 앵커 부재(100)에 자유회전가능하게 설치되는 지지샤프트(200); 수체의 표층부에 대응하여 상기 지지샤프트(100)의 상부에 설치되는 부유성 부재(300); 상기 부유성 부재(300)의 상부에 설치되어 바람을 맞는 윙 블레이드(400); 및 수체 표층부의 취송류를 심층부 방향으로 하강 유도하도록 상기 부유성 부재(300)의 하부에 설치되는 하나 이상의 취송류 하강유도 부재(500)를 포함한다.

상기 앵커 부재(100)는 수체의 바닥에 견고하게 고정될 수 있는 구성 및 재질이라면 특별히 한정되는 것은 아니다. 도면에서는 블록 형태의 고정체로 구성되는 경우를 나타내고 있다. 여기에서, 상기 앵커 부재(100)는 생략될 수 있는데, 이에 대해서는 아래 지지샤프트에 대한 설명에서 설명한다.

상기 지지샤프트(200)는 하단부가 앵커 부재(100)에 견고하게 지지되면서 회전가능하게, 예를 들면 베어링 부재 등을 통해 회전가능하게 고정될 수 있는 구성이라면 특별히 한정되지 않는다. 상기 지지샤프트(200)는 예를 들면 회전을 용이하게 하기 위하여 원형의 봉 형태로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 지지샤프트(200)는 저수지, 호소, 하천의 정체수역 및 폐쇄성 해역 등과 같이 정체된 수체의 바닥면에 다방향으로 고정된 앵커 부재에 의해 분산되어 지지될 수 있다. 또한, 상기 지지샤프트(200)는 수체의 바닥면에 직접 시공되어 고정될 수 있다. 이 경우에는 부유성 부재와 하강유도 부재가 회전가능하게 결합한다.

상기 부유성 부재(300)는 그 전체 또는 일부가 부유성을 갖는 소정 형상의 발포체 자체로 형성되거나, 내부가 비어 있거나 발포체를 포함하는 원통 또는 사각형 형태를 갖는, 예를 들어 외면이 수지 등으로 형성된 박스로 구성되거나 박스 또는 원통 형태의 기밀체로 구성될 수 있다. 도 3에서 상기 부유성 부재(300)는 사각 박스 형태로 형성되는 경우를 예시하고 있다.

여기에서, 상기 부유성 부재(300)는 필요에 따라 수질정화 효과와 경관개선 및 미시 수생태계 조성효과를 얻을 수 있는 부유 식물섬 또는 조형물을 조성할 수 있다.

다음으로, 상기 윙 블레이드(400)는 바람을 맞아 부유성 부재(300)가 자가회전할 수 있도록 하기 위한 구성요소로서, 풍향에 직교되게 유지되도록 구성된다. 상기 윙 블레이드(400)는 부유성 부재(300)에 대하여 직교되게 설치될 수 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이 평면에 대하여 비스듬하게 하여 설치될 수도 있다.

또한, 상기 윙 블레이드(400)는 낮은 유속의 바람에도 충분히 대응할 수 있으면서 동시에 높은 유속의 바람에 의한 시설의 파손을 방지하기 위하여, 예를 들면 3m 이하의 높이의 벽체 형태를 갖도록 하는 것이 바람직하다. 여기에서, 상기 윙 블레이드(400)는 필요에 따라 접고 펴는 것이 용이한 형태의 접이식 구조로 구성될 수도 있다.

한편, 상기 부유성 부재는 상기 윙 블레이드의 기능을 포함하도록 일체형으로 구성될 수 있다. 다시 말해서, 상기 부유성 부재에 윙 블레이드가 일체로 형성됨으로써 상기 윙 블레이드가 별도로 설치 또는 조립되는 것이 생략될 수 있다.

상기 취송류 하강유도 부재(500)는 부유성 부재(300)의 하부에서 수체 표층부의 취송류를 심층부 방향으로 하강하도록 유도하는 구성요소로서, 상기 취송류 하강유도 부재(500)는 수체에 대해 수직한 방향으로 상기 윙 블레이드(400)와 동일 평면상에 설치되거나, 수체에 형성되는 취송류의 방향이 바람의 방향에서 오른쪽으로 5~55도(대체로 15~45도) 편향(틀어져)되어 형성되는 사실에 기초하여 취송류를 직교되게 받아들여 하방향으로 유도하도록 설치된다.

다시 말해서, 상기 취송류 하강유도 부재(500)는 부유성 부재(300)에 설치됨에 있어 윙 블레이드(400)가 바람을 받아들이는 방향에 대하여 소정 각도 편향시켜(틀어지게) 설치된다. 달리 표현하자면, 취송류 하강유도 부재(500)는 도 5에 나타낸 바와 같이 그의 설치 가상선(A)이 윙 블레이드(400)가 설치되는 설치 가상선(B)에 대하여 5~55도 각도만큼 우측으로 편향되는 상태로 설치된다.

상기 취송류 하강유도 부재(500)는 표면취송류의 흐름 방향에 직교되게 유지하도록 하고, 부유성 부재(300)의 형상에 따라 1단으로 설치할 수도 있으며, 2단 또는 그 이상의 다단 형태로 분할하여 구성할 수도 있다. 즉, 도 3 및 도 4에서 최송류 하강유도 부재(500)는 1단으로 구성되는 경우를 나타내고 있지만, 취송류는 심층부로 갈수록 오른쪽으로 계속 편향되기 때문에, 상기 취송류 하강유도 부재(500)는 지지샤프트(200)를 따라 소정 간격을 갖고 하방향으로 갈수록 상측의 취송류 하강유도 부재(500)에 대하여 소정 각도 편향되게 하여 다단으로 구성할 수 있다.

또한, 상기 취송류 하강유도 부재(500)와 상기 부유성 부재(300)를 연결하는 접합부(501)는 전면과 후면이 대칭인 형태의 사선 또는 곡면으로 처리하여 취송류의 하강유도 효과를 높이도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 취송류 하강유도 부재(500)의 전면과 후면은 동일한 형상을 갖도록 하고, 전면과 후면의 표면에는 하향류의 하강유도 효과를 높이기 위하여 수심방향으로 병렬의 복수 개의 보조날개(미도시)가 설치되는 것이 바람직하다.

여기에서, 취송류 하강유도 부재(500)는 표층수를 하강시켜 표층부와 수온 약층부를 통과하여 심층부까지 전달하는 등 수질개선의 목적을 달성하기 위하여 저수지, 호소, 하천의 정체수역 및 폐쇄성 해역에서 성층이 형성되어 있는 조건 및 수질개선의 목적에 따라 설치길이를, 예를 들면 1m 이하로부터 최대 10m 이상에 이르기까지 다양하게 조정할 수 있도록 할 수 있다.

한편, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같은 부유성 부재(300)와 취송류 하강유도 부재(500)는 결합 부재(510)를 통해 서로 연결 일체화되는 예시를 나타내고 있지만, 부유성 부재(300)와 취송류 하강유도 부재(500)는 서로 일체로 구성될 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 수류 순환 장치에서 바람과 취송류에 대한 동작을 설명하기 위한 설명도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 윙 블레이드(500)는 바람을 직교되게 받아들이고, 이에 따라 부유성 부재(300)는 자가회전하게 된다. 한편, 부유성 부재(300)가 자가회전하는 과정에서, 수체의 표층부에서 바람의 영향으로 형성되며 바람의 방향과 소정 각도(5~55도) 편향되게 형성되는 표면취송류는 취송류 하강유도 부재(500)에 직교되게 부딪히게 된다.

이에 따라, 표면취송류는 취송류 하강유도 부재(500)에 의해 표층부로부터 수온 약층부를 통과하여 심층부까지 전달되게 된다.

다음으로, 도 7을 참조하여 본 발명의 수류 순환 장치의 변형 예를 설명한다. 도 7은 본 발명의 수류 순환 장치의 변형 예를 개략적으로 도시한 사시도이다. 앞서 설명된 일 실시 예의 수류 순환 장치와 동일한 구성요소에 대해서는 동일 부호를 부여하며, 그에 대한 상세한 설명은 생략하거나 간략히 한다. 이외 반복 부가되는 설명에 대해서는 명세서의 간략화를 위하여 생략한다.

도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 변형 예에 따른 수류 순환 장치는 앵커 부재(100); 수체에 수직하고, 상기 앵커 부재(100)에 설치되는 지지샤프트(200); 수체의 표층부에 대응하여 상기 지지샤프트(100)의 상부에 설치되는 부유성 부재(300); 상기 부유성 부재(300)를 지지샤프트(100)에 대하여 회전가능하게 지지하는 베어링 부재(350); 상기 부유성 부재(300)의 상부에 연결 부재(410)를 통해 설치되고, 바람을 맞는 윙 블레이드(400); 및 수체 표층부의 취송류를 심층부 방향으로 하강 유도하도록 결합 부재(510)를 통해 상기 부유성 부재(300)의 하부에 설치되는 하나 이상의 취송류 하강유도 부재(500)를 포함한다.

상기 앵커 부재(100)는 앞서 일 실시 예에서도 설명한 바와 같이 생략가능하며, 상기 지지샤프트(200)는 앵커 부재(100)에 회전가능하게 설치될 필요없이 견고하게 고정되는 고정 샤프트이다.

상기 부유성 부재(300)는 전술한 일 실시 예와 달리 원통형태로 형성되는 것으로, 일 실시 예에 비하여 그 구성이 간단하고 소형으로 제작될 수 있다.

상기 윙 블레이드(400)와 취송류 하강유도 부재(500)는 지지샤프트(200)에 설치됨에 있어, 서로에 대하여 소정 각도(즉, 5~55도) 편향된 상태로 형성된다.

이와 같은 본 발명의 변형 예의 수류 순환 장치는 부유성 부재(300)가 원통형태로 소형으로 제작되고, 베어링 부재(350)를 통해 지지샤프트(200)에 회전가능하게 설치됨으로써, 윙 블레이드(400)와 부유성 부재(300) 간은 연결 부재(410)를 통해 연결되고, 부유성 부재(300)와 취송류 하강유도 부재(500)는 결합 부재(510)를 통해 결합된다.

여기에서, 상기 취송류 하강유도 부재(500)는 결합 부재(510)를 매개로 하지 않고, 부유성 부재(300)에 바로 일체로 구성될 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 풍향에 수직방향으로 자가회전하는 에크만 나선 원리를 이용한 수류 순환 방법에 대하여 설명한다.

본 발명에 따른 수류 순환 방법은 저수지, 호소, 하천의 정체수역 및 폐쇄성 해역 등과 같이 정체된 수체의 부영양화를 저감시키거나 조류의 과다 성장을 방지하거나 수질을 개선하기 위하여 표층수와 심층수의 수류 순환을 발생시키기 위한 수류 순환 방법에 있어서, 수체 수면의 바람 방향의 변환에 대응하여 윙 블레이드가 바람을 직교하게 받아들이도록 유도시키고; 상기 윙 블레이드에 대하여 소정 각도 편향시켜 수중에 설치된 하나 이상의 취송류 하강유도 부재를 통해 표면 취송류를 하방향으로 유도시키는 것을 포함한다.

여기에서, 표면 취송류를 하방향으로 유도하는 것은 하방향으로 갈수록 순차적으로 편향되어 유도하도록 하는 것을 포함한다. 즉, 앞서 설명한 바와 같이 취송류 하강유도 부재가 지지샤프트를 따라 설치됨에 있어 하방향으로 갈수록 상측 취송류 하강유도 부재에 대하여 소정 각도(예를 들면, 5~55도) 편향되도록 함으로써 이와 같이 편향되는 흐름을 유도할 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따른 풍향에 수직방향으로 자가회전하는 에크만 나선 원리를 이용한 수류 순환 장치 및 수류 순환 방법에 따르면 다음과 같은 작용 효과를 제공한다.

본 발명은 자연에너지인 풍력과 이에 의해 수체에 형성되는 취송류를 이용하여 저수지, 호소, 하천의 정체수역 및 폐쇄성 해역 등과 같이 정체된 수체의 부영양화를 저감하거나 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 풍향에 수직방향으로 자가회전하고 에크만 나선에 직교하는 취송류 하강유도 부재에 의하여 자연의 풍력을 이용하여 표층의 취송류에 의한 흐름에너지를 하강하는 수류에너지로 변환시켜 심층부로 유입시킴으로써, 용존산소가 풍부하게 용해되어 있고 수질이 심층수에 비해 양호한 표층수를 심층부로 지속적으로 유입시키고, 용존산소농도가 낮은 심층수를 표층으로 순환시킴으로써 조류의 과다 생장을 억제하고, 수생태계에 미치는 악영향을 저감하고, 춘계부터 하계와 추계에 걸쳐 형성되는 수체 내의 성층을 파괴하고, 저층에 퇴적되어 있는 오염물질로부터 영양염류 및 중금속류의 재용출을 방지하며, 심층수의 혐기화를 방지하고, 유기물의 호기성 분해를 유도함으로써 수질을 개선하고, 수생태계의 건전성을 제고할 수 있다.

또한, 본 발명은 자연에너지를 활용함으로써 별도의 운영비용의 추가 없이 저수지, 호소, 하천의 정체수역 및 폐쇄성 해역 등의 표층수를 심층부로 순환하도록 유도할 수 있다.

특히 본 발명에 의하면, 자연상태에서 수시로 변하는 풍향에 대응하여 수류의 하강을 유도하는 방향을 자가조정하고, 바람 방향의 우측으로 편향되게 형성되는 취송류의 특성을 반영하여 표면취송류의 흐름 방향에 직교되게 방향을 조정하여 수류 순환 효과를 극대화함으로써 별도의 장치 없이 바람의 에너지를 손실 없이 활용하여 타 시설보다 소규모의 시설로서도 보다 우수한 수질개선 효과를 얻을 수 있다.

본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 앵커 부재
200: 지지샤프트
300: 부유성 부재
350: 베어링 부재
400: 윙 블레이드
410: 연결 부재
500: 취송류 하강유도 부재
510: 결합 부재

Claims (13)

1. 저수지, 호소, 하천의 정체수역 및 폐쇄성 해역을 포함하는 정체된 수체 구역의 수류 순환 장치로서,
   수체의 바닥에 고정되는 앵커 부재;
   수체에 수직하고, 상기 앵커 부재에 자유회전가능하게 설치되는 지지샤프트;
   상기 지지샤프트의 상부에 설치되는 부유성 부재;
   상기 부유성 부재의 상부에 설치되어 바람을 맞는 윙 블레이드; 및
   수체 표층부의 취송류를 심층부 방향으로 하강 유도하도록 상기 부유성 부재의 하부에 설치되는 하나 이상의 취송류 하강유도 부재;를 포함하며,
   상기 윙 블레이드와 취송류 하강유도 부재는 서로에 대하여 소정 각도 틀어지게 설치되고,
   상기 취송류 하강유도 부재는 상기 지지샤프트를 따라 하방향으로 갈수록 상측의 취송류 하강유도 부재에 대하여 소정 각도 편향되면서 다단으로 구성되는
   정체 수체 구역의 수류 순환 장치.
   
2. 저수지, 호소, 하천의 정체수역 및 폐쇄성 해역을 포함하는 정체된 수체 구역의 수류 순환 장치로서,
   하단부가 수체 바닥에 고정되고, 수체에 수직하게 설치되는 지지샤프트;
   상기 지지샤프트의 상부에 설치되는 부유성 부재;
   상기 부유성 부재를 상기 지지샤프트에 대하여 회전가능하게 지지하는 베어링 부재;
   상기 부유성 부재의 상부에 설치되어 바람을 맞는 윙 블레이드; 및
   수체 표층부의 취송류를 심층부 방향으로 하강 유도하도록 상기 부유성 부재의 하부에 설치되는 하나 이상의 취송류 하강유도 부재;를 포함하며,
   상기 윙 블레이드와 취송류 하강유도 부재는 서로에 대하여 소정 각도 틀어지게 설치되고,
   상기 취송류 하강유도 부재는 상기 지지샤프트를 따라 하방향으로 갈수록 상측의 취송류 하강유도 부재에 대하여 소정 각도 편향되면서 다단으로 구성되는
   정체 수체 구역의 수류 순환 장치.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 부유성 부재는
   그 전체 또는 일부가 발포체 자체로 형성되거나 내부에 발포체를 포함하는 수지 외면의 블록 형태로 구성되거나 박스 또는 원통 형태의 기밀체로 구성되는
   정체 수체 구역의 수류 순환 장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 부유성 부재의 상부에는 수질정화 및 경관개선을 위한 부유 식물섬이나 조형물이 추가 조성되는
   정체 수체 구역의 수류 순환 장치.
   
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 윙 블레이드는 풍향에 직교되거나 비스듬하게 설치되는 벽체로 이루어지는
   정체 수체 구역의 수류 순환 장치.
   
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 부유성 부재는 상기 윙 블레이드의 기능을 포함하도록 윙 블레이드가 일체로 구성되는
   정체 수체 구역의 수류 순환 장치.
   
7. 삭제
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 취송류 하강유도 부재는 윙 블레이드에 대하여 5~55도 편향되어 설치되는
   정체 수체 구역의 수류 순환 장치.
9. 삭제
10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 취송류 하강유도 부재와 상기 부유성 부재를 연결하는 접합부는 취송류의 하강유도 효과를 높이도록 전면과 후면이 대칭인 형태의 사선 또는 곡면으로 이루어지는
    정체 수체 구역의 수류 순환 장치.
    
11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 취송류 하강유도 부재는 하향류의 하강유도 효과를 높이기 위하여 전면과 후면의 표면에 수심방향으로 병렬의 복수 개의 보조날개가 구비되는
    정체 수체 구역의 수류 순환 장치.
    
12. 저수지, 호소, 하천의 정체 수역 및 폐쇄성 해역을 포함하는 정체된 수체의 부영양화의 저감, 조류의 과다 성장 방지, 수질 개선을 위하여 표층수와 심층수의 수류 순환을 발생시키기 위한 정체 수체 구역의 수류 순환 방법에 있어서,
    수체 수면의 바람 방향의 변환에 대응하여 윙 블레이드가 바람을 직교하게 받아들이도록 유도시키며;
    상기 윙 블레이드에 대하여 소정 각도 편향시켜 수중에 설치된 하나 이상의 취송류 하강유도 부재를 통해 표면 취송류를 하방향으로 유도시키는 것을 포함하고,
    상기 취송류를 하방향으로 유도하는 것은 수체에 수직하게 설치되는 지지샤프트에 복수의 취송류 하강유도 부재를 설치하되 상기 지지샤프트를 따라 하방향으로 갈수록 소정 각도 편향되면서 다단으로 구성시켜 취송류를 하방향으로 갈수록 순차적으로 편향시켜 유도하도록 하는 것을 포함하는
    정체 수체 구역의 수류 순환 방법.
13. 삭제

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