Water for Future
최근 하천관리의 패러다임변화로 인하여 환경 및 생태계를 고려한 하천환경조성은 하천사업에 있어 중추적 기능과 역할을 담당하게 되었다. 그 러나 그간 추진되어왔던 치수위주의 관행적 하천 사업으로 인하여 저수 및 고수부는 콘크리트 옹벽 이나 하천 보, 하상공, 낙차공 등 하천정비 사업에 콘크리트 소재가 많이 이용되어 왔다. 물론 이러 한 콘크리트 소재는 인간이 만들어낸 가장 값싸고 튼튼한 소재임을 부인할 수는 없다. 그럼에도 불 구하고 치수에는 안전하나 하천경관의 훼손 및 하 천생태계에 악영향을 미치고 있는 것 또한 간과할 수 없는 사실이다. 과도한 콘크리트 소재의 활용 은 하천경관을 훼손시킬 뿐 아니라 강알카리와 중 금속 방출로 인한 수질오염 및 생태계 교란 등 하 천에 악형향을 미치고 있는 것이다.
이러한 문제로 인하여 치수와 하천생태를 고려 한 수많은 하천복원기술이 개발되고 또한 현장에 적용되고 있으나 국내 여건을 제대로 반영한 기 술, 하천의 수리적인 안정성이 제대로 검증된 기 술이 전무하여 하천관리자들이 믿고 사용할 수 있
는 기술이 부족한 것이 현실이다. 특히, 대부분의 기술은 과학적인 안정성 검증이 제대로 이루어지 지 않은 상태로, 기술을 개발한 업체가 제시한 경 험 값에 의존함으로써 개발기술에 대한 신뢰성이 매우 부족한 현실이다. 또한, 최근 이상기후에 따 른 강우량의 증대, 집중호우 등 돌변하는 기후변 화로 하천환경변화에 대한 적용 가능한 실질적인 기술이 미비 하며, 지속적인 기술개발이 요구되고 있는 현실이다.
이에, 하천에 유해한 물질을 방출/용출시키지 않아 하천환경 및 하천 생물의 생활사에 영향을 주지 않는 무독성 소재인 바이오폴리머를 활용하 여 기후변화에 대응이 가능하도록 수리적 안정성 을 강화시키고, 생태적으로도 건강한 생태하천 복 원 할 수 있는 기술로서 개발되었다.
■ 활용 소재
기술개발에 활용된 소재는 식물성 지방산으 로 구성된 접착소재인 바이오폴리머로서 물에 대 한 저항성이 높고 내화학성이 우수한 제품으로 현 재 국내에서 생산되는 BASF사 제품을 활용하였 다. 흔히 바이오폴리머라고 하면 기계, 설비 등 부 품소재로만 이용하는 것으로 알려져 있다. 그러나 바이오폴리머는 생분해 플라스틱, 자동차 소재 등 산업계에서 넓은 분야에 이용되고 있는 소재이다.
바이오폴리머 소재를 활용한
생태하천조성 기술 및 현장 적용성 검토
안 홍 규 ●●●
한국건설기술연구원 수자원하천연구소 연구위원
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하지만 그간 건설분야에서는 그 활용도가 낮았으 나 바이오폴리머의 무독성 그리고 강력한 접착성 을 활용하여 하천에 이용할 수 있는 최초의 기술 을 개발하였다.
■ 바이오폴리머를 활용한 하천복원기술
개발된 기술은 별도의 비탈멈춤공을 조성하지 않고 비탈멈춤공과 제방사면을 동시에 조성하는 일체형 호안조성기술과 하천횡단구조물 하부침식 을 방지하기위한 다층다공성 하상보호 기술이다.
일체형 호안조성 기술의 경우 방수시트를 사용 하지 않고도 제체의 토양흡출을 막고 성장 가능한 자연친화적 기술로 개발되었다. 또한 일체형 호안 조성 기술은 제방사면에는 식물이 자랄 수 있도록
다공성 구조를 가지고 있고, 수면부에는 어류 서 식처로 기능하는 어소를 조성할 수 있도록 되어있 다. 특히, 호안 기초부는 수중시공이 가능하여 공 사기간을 획기적으로 줄임으로써 경제적인 기술이 라 할 수 있다.
다층다공성 하상보호 기술은 다층구조에 의하여 하상이 유수의 힘에 의하여 유출되지 않도록 억제 할 뿐만 아니라, 하상 및 호안이 일체화되도록 함 으로써 이의 세굴을 동시에 막음으로써 치수에 대 한 안정성을 향상시키는 기능을 가지고 있다
■ 개발기술의 수리적 안정성 검토
서두에 논한 바와 같이 기존에 개발된 대부분의 기술들은 안정성 검증이 제대로 이루어지지 않은 상태로 현장에 적용된 경우가 많기 때문에 실제 이러한 기술을 활용하고자 하는 하천관리자의 입 장에서는 과연 이러한 기술이 믿을 만한 기술인가 에 대한 신뢰감을 제공할 수가 없었다. 이에 실내/
실규모 하천(안동하천실험센터)/고속수로에서 수 리실험을 수행함과 동시에 수치해석 등 과학적인 방법을 통하여 수리적 안정성을 검증하였다.
◆ 실내실험(하상재료 흡출한계치 영향분석) 하상보호공의 파괴 및 붕괴는 하상재료의 흡출 에 기인하므로 실험을 통하여 세굴심을 측정하였 바이오폴리머의 구성 및 재료
일체형 호안조성 기술 다층다공성 하상보호 기술
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다.이는 낙차공 하류부 세굴보호를 위한 보호공을 포설할 경우 사석재료와 포설두께를 결정하기 위
한 것으로 더 이상 세굴이 발생하지 않는 흡출한 계 실험식을 도출하였다.
실내실험 모습 및 실험 결과
◆ 실규모 하천실험
안동하천실험센터에서 시행된 실규모 하천실험 은 고유속이 발생되는 구간에서 시행되었는데, 실 험 수로 바닥에 두께를 달리한 블록형으로 제작된 실험체를 설치하고 유량을 4시간이상, 평균 유속 3.0 m/s, 유량 3.0 m3/s를 지속 공급하며 안정성 여부를 평가하였다.
실험결과, 설치된 호안블록 3가지 모두 상하 ± 3 mm 정도의 미미한 이동에 그쳤고 대규모 이동 및 블록 파괴, 침하, 부상 등은 나타나지 않았다.
이를 통하여 본 조건하에서 개발기술이 흐름(유 속, 소류력 등)에 대한 안정성이 확보된 것으로 판 단된다.
실규모 하천 실험장(한국건설기술연구원 안동하천 실험센터 )
안정성 실험 후 하상변화 모습
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◆ 고유속 실험
개발된 기술에 대한 홍수 극한 상황에서의 수리 안정성 검토를 위하여 인제대학교에 설치된 길이 10 m, 폭 0.3 m의 수로에서 최대 7 m/s의 고유속
을 발생시켜 실험을 수행하였으며, 이때 10 mm이 상의 블록이 이동할 경우 블록이 이탈하는 것으로 간주하였다. 시험결과 5 m/s의 유속하에서 수리 적 안정성이 확보되는 것으로 판단되었다.
고유속 실험(인제대학교) 고유속 수로 수리안정성 실험결과
Average Flow Velocity (m/s)
Bottom Shear Stress(kg/㎡) Block Movement
(mm)
Stability Tractive Force
Device Reynolds Reach- average
3.0 3.6 3.5 3.5 0 ○
3.5 4.2 5.0 4.8 0 ○
4.0 6.0 6.7 6.5 0 ○
4.5 8.1 8.9 8.5 0 ○
5.0 10.5 11.0 10.2 0 ○
allowable velocity &
allowable tractive force
5.25 13.3 13.5 13.0 10 × breakdown
5.5 16.3 16.5 16.8 13 × breakdown
◆ 3D 수치해석 모델링
개발기술(하상침식방지 기술)의 수리적안정성 평가는 감세매트재료에 대한 안정성 평가, 감세 pool 형상에 대한 감세효율 평가 및 실규모 실험
검증으로 구분 수행을 통한 최적 안정성 평가를 진행하였다. 실험결과 감세 pool의 형상은 사각형 보다 원통형이 안정적인 것으로 확인되었다.
Pool 형태에 따른 도수형태 변화
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■ 개발기술의 현장 적용성 검토
◆ 시범사업적용구간
일체형 호안조성기술은 창원시 광려천에 조성 되었다. 유역면적 약 68.57 km2, 유로연장 16.42 km이며, 하상경사는 평균 약 1/130 정도의 급경 사 구간에 해당된다. 본 기술을 적용한 지점은 광
려천 삼계리 좌안구간으로 길이 50 m, 폭(사면길 이) 약 6 m의 면적으로 조성되었으며 사면경사는 1:1.5로 2014년 3월말에 조성되었다.
다층다공성 하상보호공은 신문동 대청천 하류 보 직하류 구간이며 하폭 40 m, 길이 30 m로 약 1,200 m2 의 면적으로 2015년 5월초에 조성되었다.
창원 광려천 사업구간 시공 전(2014.04.), 시공 후(2014.06.), 시공 2년 후(2016.04.)
김해 대청천 사업구간 시공 전(2015.04), 시공 중(2015.05), 시공 후(2015.06) 시범사업지 현장 모습
호안기술(광려천) 및 하상보호공(대청천) 기술 시범사업지
◆ 물리특성 모니터링
•홍수시 유속 측정
홍수시 CCTV자료를 활용하여 LSPIV(Large
Scale Particle Image Velocimetry)분석을 시행 한 결과 흐름 방향으로 최대 6.0 m/s로 분석되었 으며, 이러한 고유속에서도 개발기술이 유실/변형 되지 않아 홍수에 안전한 것으로 검증되었다.
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• 하상변동분석
일체형 호안기술 시범사업 적용 이후 기간 인 2014년 8월 25일에 창원시내의 일평균 강우 246.5 ㎜의 폭우로 인한 홍수 재해가 발생하였으 나, 좌안 저수호안 시범사업 공사 구간은 개발기 술의 적용으로 인하여 2014년 8월 홍수에도 붕괴 개소 없이 형태를 유지하였다. 홍수 전후의 지형 변화를 보면 홍수 발생 후에 우안측은 대규모 침 식이 발생하여 하상이 세굴된 것으로 나타난 반 면, 개발기술을 적용한 좌안측은 전혀 변화가 없 는 것으로 나타났다.
다층다공성 하상보호공은 1996년 하천기본계획 자료를 바탕으로 시범사업구간과 일치되는 구간의 조사결과를 비교하였을 때 약 1 m이상의 하상저 하가 발생한 것을 확인할 수 있었다. 이는 보가 조 성된 하류구간은 특히 하상변동이 매우 심한 지역 으로 퇴적과 침식의 폭이 큰 곳으로 판단된다. 시 범사업 공사 구간은 개발기술의 적용으로 인하여 2015년 홍수에도 붕괴개소 없이 형태를 유지하였 으며, 2016년 10월 4일 80년 빈도의 홍수에서도 시범사업 공사 구간은 개발기술의 적용으로 인하 여 붕괴개소 없이 형태를 유지하였다.
LSPIV기법을 이용한 표면유속산정
광려천 횡단면도 대청천 횡단면도
◆ 비파괴 GPR 분석
광려천 구간과 대청천 구간 내 홍수로 인한 개 발기술의 변형, 이동, 이탈 검토를 위하여 GPR 분 석을 시행하였다. 분석결과 창원 광려천과 김해 대청천의 해당 구역 전 구간에서 지반침하 및 동 공현상 발생구간은 발견되지 않았다.
◆ 화학적(수질)특성 모니터링
광려천의 수질 특성분석 결과, 하류 쪽으로 가 면서 다소 수질의 차이가 발생되나 이는 채수시 기, 채수상황에 따라 변화할 수 있는 범위의 것으 로 판단된다.
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BOD는 0.62~1.46 mg/L의 범위로 변화 폭 이 크지 않은 것으로 보아 접착제 성분 중에 유 기성분이 거의 없는 것으로 판단되며, COD는 0.18~0.36 mg/L의 범위로 나타나, 시공 뒤 5개 월이 소요되었어도 접착제 중에 난분해성 유기물 은 거의 용출되지 않는 것으로 판단하였다.
SS는 1~7 mg/L의 범위로 나타났으며, T-P의
범위는 0.043~0.061 mg/L로 확인되었고 T-N 의 범위는 1.83~1.883 mg/L로 무독성에 의한 유 기성 성분에 의해 T-N과 T-P의 변화가 크지 않 는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 공법에 적용 된 바이오폴리머 소재가 수질에 영향을 미치지 않 는 것으로 판단된다.
광려천 호안사면 GPR 비파괴 분석 결과 대청천 하상보호공 GPR 비파괴 분석 결과
7.3
2.933
0.014
1.7
3
4
0.48 7.1
1.607
0.016
2.153
3.99
5.7
0.53 7.03
1.378
0.027
0.877
1.42
3.33
0.45 6.94
2.43
0.024 0.297 0.48
1.67
0.15 6.41
1.849
0.0524
1.11
0.324
4.33
0.064 0
1 2 3 4 5 6 7 8
pH T-N T-P BOD COD SS 탁 도
4월 6월 9월 11월 3월
시범사업구간 수질 특성 분석결과
◆ 생물 모니터링
• 저서생물(Benthic Macroinvertebrates) ESB(저서성 대형무척추동물 생태점수)를 이용 하여 수생태 건강성을 평가한 결과 전 조사지점에 서 모두 ‘다소양호’ ~ ‘매우양호’로 판정되어 군집
지수 분석 결과와 마찬가지로 물리화학적 교란이 거의 없는 건전한 서식환경을 보유하고 있는 것으 로 확인되었다. 사업적용지와 상/하류 대조지점과 의 비교에서도 편차가 비교적 크지 않아 바이오폴 리머 소재 공법 적용이 서식환경에 부정적인 영향 을 미치지 않는 것으로 판단된다.
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•식물 모니터링
광려천의 경우, 수변식생은 2014년 8월 25일 집중 호우(100년 빈도의 홍수)에 의한 물리적 구 조 변화로 유실 또는 매몰 등에 의해 크게 변화되 었다. 반면, 기술이 적용된 중류부 제방사면의 경
우 식생활착이 두드러지는 특징을 나타내었는데, 이는 기술 적용구간의 입자사이의 공극에 토양 및 식물종자가 유입되면서 자연스럽게 정착한 결과로 여겨져 적용된 공법이 제방사면의 식생회복 측면 에서 매우 우수한 것으로 평가되었다.
구간별 ESB(저서성 대형무척추동물 생태점수) 결과
시범사업 공법적용지역의 식생정착 및 분포 양상
•부착조류
하상보호공 적용 구간에서 출현한 부착조류 종 수가 상대적으로 적지만, 호청수성종의 출현 비율 이 36%로 다른 정점 (21~32%)보다 상대적으로 높아 부착조류 서식 환경이 양호한 것으로 나타났 다. 이 중 호청수성종은 반달돌말속의 Cymbella minuta를 비롯하여 낟알돌 말속의 Cocconeis
placentula var. lineata 등 30종 (25.64%), 호 오탁성종은 등침돌말속의 Nitzschia palea, 단 추돌말속의 Cyclotella meneghiniana 등 17종 (14.52%)이 출현하였다.
기술 적용구간에서의 호청수성종 출현비율이 높 은 이유로는 적용기술이 다공성구조를 가지고 있 어 이를 통과할 때 폭기현상이 발생하게 되고 이
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러한 환경을 선호하는 호청수성조류가 증가한 것 으로 판단된다.
현재까지 인간이 만들어낸 기술 중 시공이 간편 하고 저렴하며 튼튼한 소재가 콘크리트라는 것을 부인할 수 없다. 그러나 이러한 소재의 과다한 활 용이 환경에 미치는 영향을 무시할 수가 없다. 이 러한 이유로 인하여 최근 많은 연구자들이 콘크리 트 대체소재에 대한 개발을 진행하여왔다.
최근 바이오폴리머는 생분해 플라스틱, 자동차 소재 등 산업계에서 넓은 분야에 이용되고 있는 소재로서 향후 건설분야에서도 그 활용도가 점점 높아질 것으로 예상된다.
개발된 기술은 이러한 바이오폴리머를 활용하 여 수리적 안정성을 강화시키고, 생태적으로도 건 강한 생태하천 복원 할 수 있는 기술로서 개발되 었다.
본 기술은 하천관리자들이 믿고 사용할 수 있도 록 실내/실규모하천/고속수로 실험과 수치해석 등 과학적 규명을 통하여 수리적 안정성을 검증하였 으며, 현장에 적용하여 홍수전후의 물리/화학/생 물 모니터링을 통하여 개발기술의 생태적 건강성 을 검증하였다.
하천에서 가장 잘 조성된 기술은 우선 치수적으 로 안전하여야 하고, 하천생태계에 영향을 미치지 않아 생태계가 건강하여야 하며, 경관적으로 기술 이 적용되지 않은 것처럼 자연스러워 보이는 것이 가장 잘된 기술이라고 할 수 있다.
바이오폴리머를 활용한 하천복원 기술은 아직 초보적인 단계이지만 수생태계와 수환경에 영향을 미치지 않는 기술이야말로 진정한 의미의 생태하 천 복원, 우리가 추구하는 자연과 인간이 공생하 는 하천조성이라고 생각된다.
