Ⅰ. 서 론
우리나라 서⋅남해안은 해양⋅지리학적 조건으로 조수간만의 영향을 받는 배수문, 항⋅포구 등 농업 및 수산어업시설 등이 갯벌퇴적으로 인하여 그 기능과 역할이 저하되고 시설폐쇄 또는 축소 등으로 지역경제활동에 악영향을 끼치고 있어 이에 대한 영구적인 대책이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
국내 서남해안의 어항은 586개소 (국가어항 : 48개소, 지방어항 : 181개소, 소규모 항⋅포구 : 357개소)이고, 배수문은 1,606개소 (한국농어촌공사 : 154개소, 시군관리 : 1,452개소)가 운영되고 있다.
배수문은 배수지구 말단의 최저부에 위치하고, 배수문 해측 바닥의 Sill 표고가 평균해수면 이하일 경우에는 갯벌퇴적으로 인하여 문비 개폐가 곤란하다. 또한, 항⋅포구는 지형적으로 낮은 지반고에 위치하므로 갯벌퇴적을 피할 수가 없고, 흘수심 부족으로 어선의 입출항이 곤란하여 어업활동 시간 축소, 어선파손, 응급대처 지연, 환경훼손 등이 발생하고 있다. 이와 같이 간척지 배수문, 소규모 어항⋅포구 등의 감조시설물은 퇴적된 토사를 제거하기 위해 굴착, 준설, 고압세척 등의 다양한 방법을 이용해 오고 있으나, 반복적인 처리 작업으로 인하여 유지관리에 비효율적이며 비경제적이다.
토사퇴적이 심한 감조시설물은 그 기능과 역할을 복원하기 위해 정기적으로 바지선을 이용한 준설, 고압분사에 의한 세척 및 선박스크루에 의한 교란유하방법 등을 이용하여 퇴적된 토사를 제거하고 있다. 그러나 이러한 퇴적토사 제거방법은 시설물의 위치, 규모, 퇴적량에 따라 5천만~40 억원/건으로 비용발생이 크고 일시적이고 반복적인 방법이기 때문에 시설물 유지관리부서에서는 큰 재정 부담이 되고 있다.
이와 같은 토사퇴적의 문제점을 해결하기 위해 개발된 무동력 토사제거시스템은 하루 평균 2차례 발생하는 조석간만을 이용하여 간조 시마다 쌓였던 토사를 제거하는 새로운 방법으로 부가적인 에너지가 필요 없는 친환경적이며 반영구적인 기술이다. 특히, 자연원리를 이용하는 친환경 무동력 기술은 배수문 및 항⋅포구시설의 기능을 항상 최적의 상태로 유지할 수 있는 방법으로 상대적으로 낙후된 어촌지역의 생활환경개선사업, 해양환경복원사업에 크게 기여하고, 경제적인 비용절감 효과가 매우 우수하므로 항⋅포구의 감조시설물의 토사퇴적방지사업에 광범위한 활용이 가능할 것으로 판단된다.
현재까지는 배수문 및 항⋅포구의 감조시설물에 퇴적되는 토사를 제거하기 위한 선행 연구는 거의 없는 실정이고 (Park et al., 2014), 대부분 해안의 조류특성, 퇴적특성, 퇴적 환경, 파랑산정식 제안, 수치해석 등 항만구조물에 영향을 미치는 퇴적 특성에 대해 주로 연구되었다 (Sundborg, 1956, 1967; Choi, 1985; Shin et al., 2004; Lee et al., 2012; Lee and Park 2013; Yang et al., 2015; Kim et al., 2017).
따라서 기존 선행 연구에서 도출할 수 없었던 토사제거시스템에 관한 연구의 필요성이 요구되었다. 현장에 적용하는 토사제거시스템의 현장모형실험은 콘크리트 박스 구조물, 수조, 콘크리트 바닥판 등으로 구성되고, 항상 높은 염도의 바닷물과 접하므로 내염성이 강한 재료로 구성되어야 한다. 또한, 수조 내부는 공기침투가 발생하지 않도록 완전한 수밀성이 요구되며 외부에 작용하는 대기압에 대해 구조 역학적으로 안정해야 한다. 조석현상에 의해 작동되는 토사제거시스템은 평상시에는 모래, 실트, 점토 등의 미세입자만 퇴적되지만 태풍이나 해일 시에는 굵은 입자가 퇴적되므로 현장모형실험은 해안 지형, 해류 흐름 등의 해상조건과 태풍, 해일 등의 기상조건 등의 모든 조건들을 포함하여 신중하게 고려해야 한다.
본 연구에서는 우리나라 서⋅남해안에 설치된 감조시설물의 기능과 역할을 복원할 수 있는 친환경적인 무동력 토사제거시스템을 개발하기 위한 현장실물모형실험을 실시하고자 한다. 또한, 현장실험을 기초로 하루 평균 2차례 발생하는 조석현상을 이용한 토사제거시스템의 수리학적 요소들을 비교분석하여 최적의 현장적용조건을 구하고 배수문과 항⋅포구 등의 감조시설물에 실용화하고자 한다.
Ⅱ. 재료 및 방법
1. 토사제거시스템의 구조 및 원리
토사제거시스템의 구조 및 원리는 Fig. 1 (a)와 같이 1차적으로 저조 (썰물)에서 고조 (밀물)가 될 때 콘크리트 박스 내부에 위치한 수조의 하부 유출구에 해수가 유입된다. 이로 인해, 폐쇄된 수조 내부공간에 공기압이 증가하게 되고, 수조상부에 설치된 공기밸브가 열리게 된다. 2차적으로 해수면이 고조시에는 물탱크 내부와 외부의 수위가 같아지게 되기 때문에 상부의 공기밸브는 중력에 의해 자동적으로 닫히게 된다. 이때 수조내부에는 공기압과 정수압이 작용하고 외부에는 대기압과 정수압이 작용한다. 3차적으로 Fig. 1 (b)와 고조에서 저조가 될 때 공기밸브가 닫힌 수조내부 수위는 정지한 상태로 유지되고, 해수면이 낮아질수록 내부공기압은 정수압만큼 감소하게 된다. 해수면이 계속 하강하여 유출구 아래로 내려가면 유출구 외부에서는 대기압이 작용하고, 수조내부에서는 공기압과 정수압이 작용하게 된다. 따라서 유출구 틈새로 외부공기가 수조내로 조금씩 유입되고 수조내에 있는 해수가 배출되면서 유속에 의해 바닥판위에 퇴적된 토사가 제거된다 (Park, 2013; Park et al., 2014; Stewart, 2012). 토사제거시스템이 설치된 후에 상부는 콘크리트 박스로 되어 있기 때문에 선박 접안시설, 어선의 점검 수리시설, 주차장 등의 다용도시설로 활용할 수 있다.
Fig. 1 (c)는 장항항의 조위차와 시간차로부터 대상지구에 도달되는 조위와 시간을 구하고, 조위표를 기준으로 1일 2회씩 작동되는 시스템의 시간-조위관계를 나타낸 것이다.
2. 토사제거시스템 제작
현장모형실험시설은 콘크리트 박스, 수조, 유출구, 콘크리트 바닥판, 공기밸브, 보호시설로 구성되며 현장에 설치되는 수조 (water tank)의 규모는 조석현상, 유출구 높이, 바닥판의 길이, 경사도, 조도계수에 따라 결정된다. Fig. 2는 시스템의 규모를 결정하기 위하여 연구 대상지구에 가까운 장항항의 조위를 분석한 것이다. 최고조위는 콘크리트 박스 높이 (4.95 m)와 수조높이 (3.9 m)를 결정하는데 적용하였고, 저조위는 시스템 바닥면 표고 (-1.0 m)에서 시스템 가동률을 결정하는데 적용하였다. 토사제거시스템 외부는 정사각형 콘크리트 박스 구조물로 최고조위를 고려하여 높이 4.95 m로 결정하고, 폭은 현장 기초지반과 선박 입출항의 여건을 고려하여 3.50 m의 철근콘크리트 구조물로 현장에서 제작 시공하였다 (Fig. 3 (d), (e)).
수조는 원형으로 내염성이 강하고 완전한 수밀성이 요구되며 외부에 작용하는 대기압에 대해 구조적으로 안정해야 하므로 FRP로 제작하였다. 높이는 최고조위를 고려하여 3.90 m로 결정하고, 내경은 콘크리트 박스 구조물 폭과의 여유를 고려하여 2.80 m로 결정하였으며, 수조 상부에는 고조와 저조에서의 공기압을 조절하기 위하여 공기밸브를 설치하였다 (Fig. 3 (a)~(c)).
콘크리트 박스 내에 수조를 설치하여 완성하였고, 동수경사를 고려한 콘크리트 바닥판은 수조의 유출구에서 흘러나온 바닷물이 바닥판이 완전히 노출될 때까지 일정한 유속상태에서 퇴적된 토사를 제거해야 한다. 따라서 동수경사가 너무 크면 바닥판 끝에 제거된 토사가 쌓이게 되고, 너무 작으면 토사를 제거할 수 없다. 이러한 기본조건을 충족하기 위하여 바닥판 길이는 현장 상황에 따라 10 m로 결정하고, 수조의 유출량이 바닥판을 통하여 유출되는 유출량과 같게 될 때의 바닥경사를 1.0%~5.0%까지 변화시키면서 유속범위를 구한 결과, 약 3.5% 정도이면 한계침식 유속곡선에서 제시한 유속에서 퇴적된 모래와 실트질점토가 제거되는 것으로 나타났다 (Fig. 3 (f)).
토사제거시스템에 대한 모니터링을 위하여 자동수위계 (길이: 100 mm, 지름: 22.5 mm)는 수조 하부에 설치하고, 자동압력계 (측정범위: 0~5 Bar)는 수조 상부에 설치한 후 주기적으로 자동저장된 Data를 다운로드하여 분석에 이용하였다.
Fig. 4와 Table 1은 현장에 설치된 토사제거시스템의 수조, 유출구, 콘크리트 박스, 바닥판 제원을 나타낸 것이다.
Table 1
The dimension of system (Unit: mm)
3. 연구대상지구 및 사용시료
현장모형 실험대상 위치는 충남 서천군 장항읍 송림포구 (A-A´)이며, 서천군청 및 한국농어촌공사와 공유수면점용사용 인허가권을 승인받아 설치하였다 (Fig. 5). 본 시스템은 조석간만의 차가 클수록 효과적인데 적용가능 지역은 주로 서⋅남해안이다. 우리나라 서해안의 조석간만의 차는 인천부근이 8.0~8.2 m, 충남 보령부근이 6.0~8.0 m, 전북 군산부근이 4.5~6.5 m, 전남 목포부근이 3.2~4.0 m 범위로 나타났다 (Lee, 2008).
대상지구는 간만의 차가 서해안의 중간범위로 향후 시스템을 현장에 적용함에 있어 수리학적 대표성을 가질 수 있고, 토사 퇴적량이 해마다 30~50 cm 이상에 이르러 토사제거시스템이 시급히 설치되어야 하는 지구이다. 대상현장포구의 어업활동은 만조시 입출항에는 큰 제약은 없으나 만조에서 간조로 변하는 시기에는 토사퇴적으로 인한 흘수심이 부족하여 입출항이 극히 제한적이어서 항포구의 기능이 현저히 저하되고 있는 상태이다. 현장에서 사용한 시료의 물리적 성질과 입도곡선은 Table 2 및 Fig. 6과 같다.
Ⅲ. 결과 및 고찰
1. 시간에 따른 시스템의 수위변화 예측
퇴적된 토사를 제거하기 위해서는 그 지역의 조석변화를 파악하여 수조의 단면을 결정하고, 결정된 단면을 기초로 유출구의 단면을 조절한 후 일정시간 동안 유속을 유지시켜야 한다. 유속을 증가시키기 위해서 유출구의 단면을 크게 하면 수조 단면적이 커지게 되므로 비경제적이고, 바닥판 경사를 크게 하는 것도 현장여건에 적합하지 않아 비효율적이다. 특히, 유출구 (outlet)의 단면결정은 시스템 성능에 직접적으로 영향을 가장 크게 미치므로 퇴적토사량, 토립자의 입도분포, 조석의 크기, 기상조건 등을 고려하여야 한다. 또한 유출구의 단면은 수조내 물이 유출구로 흘러나오면서 큰 물결을 일으킬수록 바닥판에 포화된 토사에 더 큰 충격이 가해지므로 토사제거에 효과적이다 (Park et al., 2014). 따라서 현장에서 유출구의 최적단면을 결정하기 위하여 조위에 따라 유출구 폭을 1,800 mm로 고정하고, 높이를 25, 30, 35, 40, 45, 50 mm로 변화시키면서 토사제거에 가장 적합한 단면을 폭 1,800 mm, 높이 40 mm로 결정하였다.
Fig. 7은 조위변화에 따른 시간-수조내의 수위 변화를 나타낸 것이다. 자동수위계에 의한 수조내의 측정수위는 2.23 m, 2.57 m, 2.88 m까지만 측정되었고, 실측 자료들을 기초로 2~8 m까지의 수위변화를 선형추이 방법을 이용하여 예측하였다. 그 후, 수위-종료시간을 기준으로 산출된 추세식을 활용하여 각 수위-종료시간에 해당하는 기울기 계수를 찾고, 수위-종료시간에 맞추어 기울기 계수를 Fitting 하였다. 이때, 추세식을 산출하기 위하여 2차원 다항곡선을 이용하였는데, 이는 수위계측 데이터 (6초당 1점 계측)가 충분하기 때문에 실제값에 근사한 형태를 얻을 수 있기 때문이다. 또한, 유출구의 면적형상이 정해져 있음으로 인해 수위데이터의 분산형태가 일정하고, 변수가 발생할 확률이 매우 낮기 때문에 2차원 다항곡선이 적합하다고 판단하였다.
수조 내의 수위가 작은 경우는 빠른 시간에 유출이 완료되고, 수위가 높아질수록 곡선의 기울기가 급하고 유출완료 시간이 점차적으로 길게 나타났다. 중력이 작용하는 상태에서의 시간-수위변화 곡선은 직선으로 나타나지만, 토사제거 시스템에서는 수조내 상태가 대기압보다 낮아 부압 (suction)이 발생됨으로써 대수나선 형태로 나타난 것으로 판단된다. 이와 같은 분석을 통하여 조석변화가 큰 지역 (인천지역)과 작은 지역 (남해안)에 적용하려는 토사제거시스템의 규모를 미리 예측할 수 있고, 수위정보가 파악되면 수조내 수위가 완전히 유출되는데 어느 정도 시간이 소요되는지를 추정할 수 있다.
Fig. 8은 수조 내 수위 변화에 따른 유출완료시간을 나타낸 것이다. 퇴적된 토사를 제거하기 위해서는 수조내에서 연속적으로 흘려보낼 수 있는 충분한 유출 소요시간을 확보해야만 한다. 이를 위해 수조내의 수위가 완전히 유출되는데 시간을 예측하면 수조 규모, 유출구 단면 등을 결정할 수 있다. 유출완료시까지의 시간 (T)은 수조내의 수위 (H)가 높아질수록 점차적으로 증가하였고, 조위변화를 고려하여 서남해안 어떠한 지역에서도 적용할 수 있는 일반화된 관계식으로 나타내면 다음과 같다.
Fig. 9는 시간에 따른 유속을 각 수위별로 나타낸 것이다. 유속 추정은 원통형 수조로부터 하부로 유출되는 유속을 Torricelli 정리 (
)를 응용하여 추정하였고 (Kreyszig, 2011), 이는 중력의 영향하에서 원기둥형 수조로부터 하부의 구멍으로 유출되는 유속을 구하는 식으로 본 시스템 모형과 원리가 유사하기 때문에 응용하였다. 그러나 이 법칙은 중력의 작용하에서 구한 유속이기 때문에 본 시스템과 같이 부압이 측정된 상태에서는 부압의 영향을 고려하여야 한다. 따라서 임의의 시간동안 수조내의 저수량 변화는 유출구에서의 유출량 변화와 같다고 가정하고 실측된 시간-수위 곡선으로부터 계수 c 값 (
)을 시산법으로 구하여 유속 (
)을 산출하였다.
Fig. 10은 수조 내 수위변화에 따른 유속을 일반화된 수식으로 나타낸 것이다. 수조내의 수위변화는 조위에 따라 달라지므로 이와 같은 변화를 일반화된 수식으로 나타내면 시스템의 단면결정과 설치지역에 따라 시스템 가동률이 어느 정도인지를 미리 판단할 수 있다. 또한 수조내의 수위에 따른 유출구에서의 유속이 결정되면 한계침식 유속곡선에 의해 침식되는 토립자의 입경범위를 결정할 수 있기 때문에 현장에서 매우 효율적으로 적용할 수 있다.
2. 토사제거시스템의 현장 적용성 평가
Fig. 11은 현장에 인위적으로 포설한 모래의 토사제거현상을 나타낸 것이다. 토사퇴적은 그 지역의 지형 및 해상조건에 따라 매우 다르게 나타나지만, 서남해안에 퇴적되는 토립자의 입경범위는 2.0 mm 이하로 주로 작은 입경의 모래, 실트, 점토가 혼합된 토립자가 퇴적된다. 따라서 모래와 실트질 점토에 대해서 현장모형실험을 실시하고 토사제거시스템의 적용성을 평가하였다. 사용한 모래의 입경은 2.0 mm 체 통과백분율이 99%이고, 0.075 mm 체 통과백분율이 2% 정도로 이는 한국산업규격의 입경기준 범위 내 (2.0~0.075 mm)에 포함되기 때문에 실험에 사용하였다.
포설범위는 두께 3 cm, 폭 1.9 m, 세로 1.0 m로 포설하였는데, 두께는 시스템의 가동률이 항상 100%에 도달하지 않기 때문에 미가동시 퇴적될 수 있는 토사의 1일 최대 퇴적량 5 mm 이하이므로 이를 고려하여 결정하였다. 또한 실트질 점토 (ML)의 퇴적량과 동일한 조건 (3~5 cm)에서 실험하기 위해 약 3 cm 정도로 포설하였다. 폭과 세로는 제한된 면적 내에서 토사제거 상황을 검증할 수 있는 적정한 범위라고 판단하여 포설하였다. 이 때, 자동 수위계에 의해 측정된 수조내의 수위는 2.43 m로 나타났다.
실험초기에는 포설된 모래층의 상부부터 제거되고 점차로 하부로 진행되었고, 유출구에서 유출된 물이 포설된 모래를 제거하는데 소요되는 시간은 약 8분 정도로 매우 빠르게 제거되었다. 시간-수위 곡선 (Fig. 8)에서 수조내의 물이 완전히 배출되는데 소요되는 예측시간은 약 17분이고, 그때 유출구에서 배출되는 예측유속 (Fig. 10)은 15.5 cm/s로 나타났다.
Fig. 12는 Hjulström (1942)에 의해 제시된 한계침식 유속곡선으로 유수작용에 의해 토립자의 이동이 시작되는 조건과 퇴적이 시작되는 한계 조건을 평균유속과 입경과의 관계로 나타낸 것이다. 곡선 A는 토립자가 이동을 시작할 때의 평균유속을 나타내는 것으로 이를 침식유속이라 하고, 이 곡선은 같은 입경에서도 퇴적입자의 밀도, 형상, 침전상태에 따라 다르게 나타난다. 곡선 A는 볼록한 부분을 중심으로 입경이 작은 세립토일 수록 입자간의 점착력 때문에 빠른 유속이 필요하고, 입경이 큰 조립토일수록 마찰 때문에 이동을 시작할 때 좀 더 빠른 유속을 필요로 한다. 곡선 B는 퇴적유속곡선으로 평균유속이 이 곡선보다 느리게 되면 토립자의 운반은 이루어지지 않는다. 곡선 A와 B 사이에서 운반이 이루어지지만 입경 약 0.2 ㎜ 이하의 세립질에서는 부유하여 이동되고, 입경이 2 ㎜ 이상의 자갈에서는 구르면서 이동되는 현상을 나타낸다.
모래의 기준입경이 2.0~0.075 mm 범위일 때 토사가 침식하기 위해 필요한 한계침식유속 범위는 10~30 cm/s (A 곡선)로 나타났고, 실험결과에서도 모래를 완전히 제거하는 데 소요되는 시간은 약 8분 정도로 매우 빠르며, Fig. 9에 의해 예측된 유속도 8분 이내에서는 크게 감소하지 않기 때문에 토사제거에 충분한 유속으로 평가되었다.
이와 같이 현장에 포설된 모래는 완전히 제거되는 것을 확인하였으며, 이는 모래가 퇴적된 층에서는 점착력이 0에 가깝기 때문에 실측된 2.43 m 정도의 낮은 수위와 작은 유속에서도 쉽게 제거되는 것으로 판단된다. 따라서 모래가 퇴적된 지역에서는 수조규모를 작게 하고, 유출구의 규모도 크게 하여 일시에 수조내의 물을 유출해도 토사가 쉽게 제거될 것으로 판단된다.
Fig. 13는 자연적으로 퇴적된 실트질 점토의 제거현상을 나타낸 것이다. 실험 대상지구에 퇴적된 실트질 점토 (ML)의 1일 퇴적량은 약 3~4 mm 정도이다. 실트질 점토의 1일 퇴적량은 미량이지만 장기간 누적되면 퇴적량이 매우 크기 때문에 항포구에 있는 감조시설물에 큰 영향을 미치게 된다. 사용한 실트질 점토의 입경은 0.075 mm 체 통과백분율이 90%이고, 0.005 mm 체 통과백분율이 15% 정도로 이는 한국산업규격의 기준입경 범위내 (0.075~0.005 mm)에 약 75%가 포함되어 있다.
실험은 실트질 점토를 자연적으로 퇴적되도록 한 후에 토사제거시스템을 작동시키는 방법과 인위적으로 실트질 점토를 포설한 후 토사제거시스템을 작동시키는 2 가지 방법으로 구분하여 현장 적용성을 평가하였다. 자연적으로 퇴적된 점토의 면적은 바닥판 전체 (폭 3.0 m, 세로 10.0 m), 높이 3~4 cm로 퇴적되고, 자동수위계에 의해 측정된 수위는 2.88 m로 나타났다.
실험결과, 수조내의 물이 유출되면서 상부에 퇴적되었던 실트질 점토가 침식되기 시작하였고 이후 빠른 속도로 진행되면서 바닥판 실트질 점토가 완전히 제거되는데 약 7분 정도 소요되었다. 시간-수위 곡선 (Fig. 8)에서 수조내의 물이 완전히 배출되는데 걸리는 예측시간은 약 18분이고, 그 때 유출구에서 배출되는 예측유속 (Fig. 10)은 17.2 cm/s로 나타났다.
실트의 기준 입경인 0.075~0.005 mm 범위에서 Fig. 12의 한계침식 유속곡선에 의해 토사가 침식되는 데 필요한 유속범위는 15~50 cm/s (A 곡선)로 나타나 시스템의 유속에서는 완전히 제거되지 않는 것으로 나타났다. 그러나 현장의 실측유속에서 완전히 제거되었는데 이와 같은 원인은 수중상태에서 퇴적되는 실트질 점토는 침강시 결합력이 약하여 점착력이 상대적으로 작고, 낮은 유속상태에서도 저항력이 약하기 때문에 완전히 제거되는 것으로 판단된다. 또한, 점토의 입경기준인 0.005 mm 이하에서의 통과백분율은 약 15% 미만으로 세립분이 매우 작기 때문에 토사가 제거되는 것으로 평가되었다. 이와 같은 퇴적 지역에서는 점착력이 모래보다는 크기 때문에 수조단면을 크게 제작하고, 유출구의 단면을 작게 하여 장시간 동안 물이 지속적으로 유출되도록 하여야 토사가 제거될 것으로 판단된다.
Fig. 14는 인위적으로 포설된 실트질 점토의 1일 경과 후 제거현상을 나타낸 것이다. 인위적으로 포설된 실트질 점토는 토사제거시스템의 평균적인 제거상태를 알아보기 위하여 2군데로 구분하여 각각 두께 5 cm, 폭 0.5 m, 세로 1.0 m로 포설하였고, 모래도 동일한 상태에서 실험을 진행하였다. 포설범위는 모래와 마찬가지로, 두께는 시스템의 가동률이 항상 100%에 도달하지 않기 때문에 미가동시 퇴적될 수 있는 토사의 1일 최대 퇴적량 5 mm 이하이므로 이를 고려하여 결정하였다. 폭과 세로는 제한된 면적 내에서 토사제거 상황을 검증할 수 있는 적정한 범위라고 판단하여 포설하였다.
실험은 자연적으로 퇴적된 조건과 같은 상태에서 실험을 진행하였기 때문에 예측시간과 예측유속은 동일하다. 수조내의 물이 유출구를 통해 유출되면서 모래는 빠른 시간에 제거되었고, 포설된 실트질 점토는 하부부터 약간씩 침식되기 시작하였고 점차적으로 상부로 이동하면서 침식되는 현상을 나타냈다.
이와 같은 인위적인 조건에서는 점착력이 크고 유속이 작아 1회의 시스템 가동만으로 토사가 제거되지 않았지만, 지속적으로 가동되는 상태에서 반복적인 유출에 의해 1일 경과 후에는 포설길이 100 cm 중 60%인 약 60 cm 가 침식되었고 3일 정도에는 완전히 제거되었다. 이 기간 동안에는 조석현상에 의하여 자연적으로 1일 약 3~4 mm 정도의 퇴적량이 발생하지만 Fig. 13에서의 실험결과로 판단해보면 완전 제거되는 것으로 나타나서 남아 있는 실트질 점토를 제거하는 데는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 따라서 오래 동안 퇴적되어 점착력이 큰 지역에서는 수조단면을 크게 하여 유출량을 증가시키는 것보다는 유출구의 단면을 조절하여 유출횟수와 유출주기를 길게 하는 것이 퇴적점토를 쉽게 교란시킬 수 있어 토사제거에 효과적인 것으로 판단된다.
3. 토사제거시스템의 가동률 평가
Fig. 15는 현장 부근인 장항항에서 발생한 저조위를 추출하여 나타낸 것이다 (KHOA, 2016). 저조위는 시스템 설치지점의 지반고, 시스템 규모, 가동률 등을 결정하는 데 중요한 요소이다.
현재 한국농어촌공사가 관리하는 배수문 중에서 Sill 표고가 0.0~(-)400 cm 범위가 전체 150 개소 중 약 144 개소로 96%를 차지하고 있고, 그 중 0.0~(-)200 cm 범위는 100 개소로 약 67%를 차지하고 있다 (Park et al., 2014).
Fig. 16은 Fig. 15의 조석자료로부터 저조위와 시스템 설치 표고와의 관계를 분석하여 토사제거시스템의 가동률을 나타냈고, 이들의 관계로부터 추세식을 산출하였다. 퇴적량이 많은 지역과 적은 지역은 가동률을 판단하여 시스템 표고를 결정해야 되기 때문에 감조시설물의 기능유지나 각종 재해로부터 시설물의 피해방지를 위해서는 시스템의 가동률이 중요하다. 시스템 유출구의 Sill 표고가 낮을수록 저조위 발생 횟수가 증가하므로 유출구에서 배출되는 유출량이 작아져 시스템 가동률은 감소하고, 평균해수면 이상에서는 유출구가 조석시마다 노출되어 가동률은 100% 가동된다고 볼 수 있다.
시스템 가동률은 현재 실험지구 갯고랑의 Sill 표고 (-100 cm)를 기준으로 검토한 결과, 약 97%로 매우 높게 나타나서 퇴적된 토사가 매우 효과적으로 제거되는 것으로 평가되었다. 우리나라에서는 지방어항의 준설고 기준을(-)200 cm로 적용하고 있기 때문에 이를 기준으로 가동률을 판단해보면 74% 정도이고, 일반적으로 평상시 1회의 조석기간 동안에 퇴적되는 토사량은 많지 않고, 태풍이나 해일 등 이상 조석현상에 큰 영향을 받지 않는다면 토사제거가 충분할 것으로 판단된다.
Ⅳ. 결 론
본 연구에서는 우리나라 서⋅남해안에 설치된 감조시설물이 토사퇴적으로 인하여 기능과 역할이 쇠퇴하고, 막대한 경제손실을 가져오고 있는 현실에서 이를 해소할 수 있는 친환경적인 무동력 토사제거시스템을 개발하기 위한 현장실물모형실험을 실시하고 수리학적 요소들을 비교분석하여 현장 적용성을 평가하였다.
시간에 따른 수조내의 수위변화와 유속변화는 부압의 영향으로 대수나선 형태를 나타냈다. 현장실측치를 기초로 시간에 따른 수위변화 곡선을 유도하였고, 수조내의 수위변화에 따른 유출 소요시간과 유속을 조위가 다른 서남해안 지역에 적용할 수 있도록 일반화된 관계식을 제시하였다.
현장실물모형실험에 의한 토사제거 시스템의 현장 적용성을 평가하기 위해서 모래와 실트질 점토를 포설하였다. 인위적으로 포설된 모래는 빠른 시간에 완전히 제거되었고, 자연적으로 퇴적된 실트질 점토도 완전히 제거되어 시스템의 적용성을 검증하였다.
입경에 따른 시스템에서의 예측유속과 한계침식 유속곡선을 비교 분석한 결과, 시스템은 토사제거에 필요한 유속을 유지하는 것으로 평가되었다. 모래와 실트질 점토 (ML) 모두 서남해안의 일반적인 입도범위 이내에 분포하기 때문에 시스템은 다른 지역의 현장에도 충분히 적용가능 할 것으로 평가되었다.
조석자료로부터 간조 시 해수위를 분석하여 토사제거시스템의 가동률을 분석한 결과, 대상지구 Sill 표고 (-100 cm)에서는 약 97%로 매우 높게 나타나서 효과적으로 제거되는 것으로 평가되었고, 지방어항의 준설고 기준을(-)200 cm로 판단해보면 74% 정도로 토사제거가 충분한 것으로 평가되었다.
앞으로 무동력 토사제거시스템을 현장에 적용하려면 조석자료로부터 만조 및 간조 시 해수위를 분석하여 시스템 규모, 유출구 단면, 유출 유속, 지반고에 따른 가동률 현황 등을 파악하여야 하고 실제로 설치 가능한 지역을 검토하여야 한다. 이를 바탕으로 토사제거시스템을 현장에 적용한다면 경제적인 효과뿐만 아니라 감조시설물의 재해예방에도 매우 효과적이라고 판단된다.
