『미세퇴적물의 침식임계값(erosion threshold) 측정방법에 관하여(Ⅱ)

인하대학교 해양과학과 하호경 교수

3.3. Cohesive Strength Meter(CSM)

영국관측장비회사 PARTRAC사에서 제작한 휴대형 침식임계값 측정장비이다. 크기(0.4 x 0.33 x 0.18 m)가 작고 가벼워서(9 kg) 휴대하기 용이하여 노출되거나 수심이 매우 얕아 사람이 직접 드나들 수 있는 조간대 퇴적층이나 하천 주변, 호수, 습지 등의 환경에서 관측하기 편리한 장비이다. 

CSM 장비는 크게 유압식 분사시스템, 자료기록 장치, 바닥퇴적물 아래로 삽입하는 센서 본체 등으로 구성된다. 

바닥퇴적물의 침식률은 미리 충전한 공기를 물과 함께 인위적으로 분사(최대 12 Pa)하여 광학적으로 바닥퇴적물의 재부유 또는 침식에 따른 빛의 투과율을 관측하여 측정할 수 있다. 

 현장에서 침식임계값을 측정하기 위해 원통형의 센서 본체를 바닥퇴적물 아래에 일정 깊이까지 수직으로 삽입한다. 이때, CSM은 수중에서 빛의 투과율을 관측하기 때문에 바닥퇴적물에서 노출된 센서 본체 내부는 침수된 상태여야 한다. 

따라서 바다에 노출된 환경에서는 주사기를 활용하여 센서 본체 내부에 물을 주입시켜야 한다. 실험 준비 완료 후, 장비를 작동시키면 센서 본체 상부에서 바닥퇴적물로 물을 분사시켜 바닥퇴적물에 힘을 가하게 된다. 

분사압을 점차 증가시키며 적외선의 투과측정계(적외선 파장: 940 nm)를 통해 투과율을 관측한다. 침식임계값은 관측된 투과율과 분사압 사이의 관계를 통해 측정된다(그림 8).

그림 7. CSM의 주요구성

바닥퇴적물의 초기 침식이 발생하는 분사압은 투과율의 변화를 통해 확인할 수 있다. 침식이 발생하지 않는 초기 낮은 값의 분사압에서는 투과율의 변화가 작지만, 침식이 발생하기 시작하면 퇴적물의 재부유가 발생하여 투과율이 급격히 감소하게 된다. 

이때의 분사압을 침식발생압력(eroding pressure) 또는 내부압력(PI)이라 한다. 

측정된 침식발생압력은 퇴적물의 물성에 의해 변화되는 고유의 전단강도(shear strength)를 뜻하므로, 보다 정확한 유체의 침식임계값으로의 환산이 필요하다. 

따라서 동일한 시료를 다른 방식으로 측정한 침식임계값과 침식발생압력 사이의 경험식을 산정하고, 위 경험식에 침식발생압력을 대입하면 침식임계값을 구할 수 있다. 

Tolhurst et al. (1999)는 퇴적물의 Shield’s 파라미터(Shield’s parameter, q)를 계산하였고, Grabowski (2010)는 환형수조 실험을 통한 임계바닥전단응력을 측정하여 침식발생압력과의 경험식을 산정하였다. 

(식3)은 Grabowski (2010)이 산정한 경험식이며, 이를 (그림 8)의 자료를 통해 측정한 분사압을 대입시키면 임계바닥전단응력을 구할 수 있다.

  인 경우(식 3)

CSM을 활용한 침식임계값 측정은 휴대하기 편하고 장비 운용이 쉬워 현장에서 바로 측정이 가능한 장점을 가지고 있으나, 직접적인 유체의 침식임계값을 측정하지 않으므로 다른 장비를 활용한 침식임계값이 필요하며, 수심이 깊은 환경에서는 측정이 불가능한 단점이 있다.

그림 8. CSM을 이용하여 측정된 바닥퇴적물의 분사압에 따른 상대투과율 변화(Grabowski, 2014). 본 자료에서 침식임계값은 투과율이 급격하게 떨어지기 시작하는 0.9%의 상대투과율에서 결정이 되며, 그 때의 분사압을 경험식(식3)에 대입함으로써 궁극적으로 침식임계값을 계산할 수 있다.

3.4. Gust Erosion Microcosm System (GEMS)

Gust and Muller (1997)에 의해 처음으로 제안된 GEMS는 현장에서 획득한 퇴적물코어의 침식임계값을 실험실에서 사후 측정하는 방법이다. 

퇴적물코어에 회전판을 부착하여 인위적으로 전단응력을 가함으로써 침식을 발생시키고, 침식된 퇴적물은 펌프를 통해 지속적으로 배출시키는 방식으로 침식임계값을 측정한다. 

GEMS는 현장 퇴적물을 실험실로 이동하기 때문에 퇴적물의 교란을 최소화하면서 현장조건을 최대한 유지한다는 가정이 필요하다. 따라서 실험은 코어퇴적물 채취 후 1~2시간 이내에, 실험수는 현장 해수를 사용 등이 권장된다. GEMS는 크게 실험장치와 제어장치로 구성된다(그림 9). 

실험장치는 퇴적물을 보관하는 피스톤코어(직경 10 cm, 높이 50 cm), 시료를 고정시키는 압출용 피스톤, 바닥퇴적물에 전단응력을 가하는 회전판과 회전모터, 탁도를 측정하는 탁도계(turbidimeter)로 구성된다. 

제어장치는 노트북, 제어박스, 실험수를 순환시키는 펌프 및 펌프 제어기 등으로 구성된다. GEMS를 활용한 침식임계값 측정방법은 다음과 같다. 

현장에서 채취한 코어퇴적물은 실험실로 안전하게 운반하여 GEMS 장비에 거치 후 압출용 피스톤을 활용하여 피스톤코어 상부 10 cm까지 퇴적물을 압출한다. 

회전판에 의해 형성되는 전단응력은 퇴적물을 부유시키며, 부유된 퇴적물은 실험수와 함께 피스톤코어에서 배출되어 탁도계를 통해 탁도를 측정한다. 

배출된 실험수는 채수 후 필터링을 통해 퇴적물의 무게를 측정한다. 

전단응력은 총 7단계로 측정되며(0.01, 0.05, 0.1, 0.15, 0.3, 0.45, 0.6 Pa), 퇴적물의 침식임계값은 탁도 또는 침식된 퇴적물량(eroded mass)의 변화패턴을 통해 산정한다.

그림 9.인하대학교에서 운영 중인 GEMS

(a) 주요부분의 확대사진, (b) 시스템구성, (c) 주변장치의 모식도.

그림 10은 강화도갯벌에서 획득한 퇴적물코어의 GEMS를 통한 침식임계값 측정결과의 예이다. 

전단응력에 따른 탁도의 변화패턴은 크게 두가지로 구분된다. 0.01, 0.05, 0.1 Pa의 경우, 탁도는 초기 배경값인 4.8 NTU에서 점진적으로 감소하는 경향을 보인다. 

이는 표층에 고화되지 않은 퇴적물이 부유되어 초기 배경값을 유지하지만, 시간이 지날수록 침식이 발생하지 않는 고화된 퇴적물이 표층에 노출되며 탁도가 감소함을 알 수 있다. 그에 반해 0.2 Pa 이상의 전단응력이 가해지는 경우, 초기 배경값보다 높은 탁도를 보인다. 따라서 퇴적물의 침식이 최초로 발생하는 침식임계값은 0.1-0.2 Pa 구간값(약 0.15 Pa)이다. 0.2 Pa 이상의 전단응력이 가해지는 각 단계별 탁도의 변화패턴은 초기 급격한 증가 후 점진적으로 감소하는 경향을 보인다.

 이는 퇴적물 깊이에 따라 침식이 발생하는 전단응력 값이 다르므로 가해지는 전단응력보다 큰 침식임계값을 보이는 퇴적물이 노출되면 더 이상 침식이 발생하지 않음을 의미한다. 

침식임계값과 침식된 퇴적물량을 도시한 결과, 침식이 발생하는 0.2 Pa 구간부터 침식된 퇴적물량이 급격히 증가하며 전단응력이 커질수록 침식된 퇴적물량도 증가함을 알 수 있다(그림 10). 따라서 테스트에 사용된 강화도갯벌 퇴적물은 0.15 Pa보다 큰 전단응력이 가해지는 환경에서 침식이 발생하며, 미세퇴적물의 특징인 퇴적물 위치가 깊어질수록 침식임계전단응력이 증가하는 침식특성을 보인다. 

GEMS를 활용한 침식임계값 측정은 실험장비가 크지 않기 때문에 현장 주변 또는 연구선 내부에 가설치하여 실험이 가능하고 직접적인 유체의 침식임계값을 측정하는 장점을 가지고 있으나, 현장퇴적물을 실험실로 운반해야하므로 운반 도중 퇴적물 교란이 일어나지 않도록 주의해야 하는 단점이 있다.

그림 10.강화도갯벌에서 채취된 코어퇴적물의 침식임계값 실험결과의 예

(a) 전단응력에 따른 탁도변화, (b) 침식임계값과 침식된 퇴적물량

4. 미세퇴적물 침식에 관한 국내 향후연구에 대한 제언

점착성 퇴적물이 상대적으로 우점하는 우리나라 서해안 지역은 미세퇴적물의 거동을 연구하기에는 최적의 장소이다. 향후 국내에서 진행될 미세퇴적물 침식관련 연구를 위한 몇 가지 제언은 다음과 같다.

  미세퇴적물의 침식임계값 제어요인 규명 :미세퇴적물의 침식률을 제어하는 환경인자(특히 물리적, 생물학적 요인)에 대한 많은 연구가 진행되었음에도 불구하고 아직 규명되지 않은 몇 가지 요인이 존재한다. 첫째, 점착성 퇴적물의 구조(퇴적구조, 점토광물 쌓임 패턴 등), 둘째, 퇴적물 표층에 발달하는 체외고분자물질(extracellular polymeric substances, EPS)의 종류 및 형태, 셋째, 미세퇴적물 용존산소량(dissolved oxygen, DO)의 변화 등이다. 또한 현재까지 알려진 수많은 침식임계값의 제어요인을 정량적으로 평가할 수 있는 프록시 개발이 필요하다.

  침식임계값 측정의 표준화와 현장성:위에서 언급한 바와 같이 미세퇴적물의 침식임계값은 여러 장비를 통해 측정 가능하다. 하지만 각 관측장비의 특성과 연구자마다 조금씩 다른 측정방식으로 인해 여러 환경의 침식임계값 비교에 어려움이 있다. 따라서 측정장비의 상호 비교·검증과 침식임계값 측정의 표준화가 필요하다. 또한 관측의 편의와 양질의 자료를 확보하기 위해서는 가능한 현장관측을 해야한다. 실험실로 퇴적물시료를 옮겨오는 과정에서 퇴적물구조가 교란되고, 퇴적층 내부의 물리적 특성이 변화하게 된다. 이러한 변화는 시간이 흐를수록 증가하기 때문에 시료채취 후에 측정은 가능한 빠른 시간 내에 진행해야한다.

  현장관측연구와 수치모델링의 협업:현장관측에서 관측이 불가하거나 미래에 대한 예측이 필요한 경우 수치모델링은 효율적인 접근방법이다. 이미 언급하였듯이, 퇴적물 이동 수치모델링 내부 알고리즘에서 침식임계값이 조율변수가 아닌 관측된 입력상수로서 활용되어야 한다. 시·공간이 변경될 때마다 퇴적물의 침식임계값은 현저하게 변화하기 때문에, 현장 퇴적물의 특성을 반영하지 않은 수치모델링의 결과는 신뢰성이 떨어질 수 밖에 없다. 따라서 현실성 있는 관측값을 기준으로 수치모델을 평가하는 알고리즘을 개선해야 한다.

  관측장비의 경량화 및 개발: 기존에 운영된 대부분의 수조형태의 관측장비의 가장 큰 단점은 휴대성이 현저하게 떨어진다는 점이다. 본 기고문에 소개된 휴대성이 뛰어난 CSM와 GEMS를 이용한 현장 관측이 향후 바람직한 방향이다. 두 장비의 분석결과에 대한 신뢰성 확보를 위해서 실험실 수조에서의 분석결과와 상호 비교·검증하는 과정이 반드시 동반되어야 한다. 그리고 생물×지화적인 요인(예, 용존산소, 유기물함량)에 의한 침식률 변화를 규명하기 위해서는 퇴적층 내부를 밀리미터(mm) 단위로 정밀하게 관측할 수 있는 장비와 분석기술이 신규 개발되어야 한다.

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