새만금 점착성 퇴적물 시료에 대한 입경분포는 체분석과 비중계 분석법을 병행하여 분석되었으며, 입경분포 실험 수행결과는 Fig. 1에 주어진다. Fig. 1에 제시된 입경분포의 변화를 살펴보면, 새만금 점착성 퇴적물은 과거 2001년에 수행된 새만금 점착성 퇴적물(Lee, 2001)보다는 더 세립하고, 고령토 퇴적물(Kim et al., 2014) 및 Francis lake 퇴적물(Parchure, 1984)보다는 조립한 분포를 보이는 것으로 나타났다.

새만금 퇴적물의 유기물 함량은 해양환경공정시험방법 (NFRDI, 1997)에 따라 강열감량법으로 분석되었다. 새만금 퇴적물의 유기물 함량은 약 3.0%로, 과거 2001년 새만금 퇴적물(Lee, 2001)의 유기물 함량보다는 1.5배 크고 고령토 퇴적물(Kim et al., 2014)보다 약 1.9배 정도 적은 것으로 나타났다. 또한 Francis lake 퇴적물(Parchure, 1984)보다는 약 2.5배 큰 것으로 나타났으나 이들 유기물 함량은 10% 이하의 거의 동일한 수준의 소량에 해당된다.

새만금 퇴적물의 광물질 구성성분은 전북대학교 공동시험소가 보유하고 있는 회절분석기(X-ray diffraction)를 이용한 정성적 분석이 수행되었다. 분석에 따르면, 새만금 점착성 퇴적물의 광물질 구성성분은 내림차순으로 석영, 장석, 미사장석, 일라이트, 고령토, 녹니석 등이 지배적인 성분인 것으로 나타났으며, 이는 과거 2001년의 새만금 점착성 퇴적물의 분석결과와 동일한 결과이다. 한편, Francis lake 퇴적물 (Parchure, 1984)은 내림차순과 관계없이 스멕타이트, 일라이트, 고령토, 석영으로 구성되어 있는 것으로 나타났다.

저면의 깊이에 따른 밀도변화는 압밀에 기인하는데, 이러한 압밀은 1차 압밀과 2차 압밀로 구분된다. 1차 압밀은 퇴적물 입자사이로 간극수가 배출되면서 발생하며 뚜렷한 저면 두께의 감소와 전단강도의 증가를 발생시킨다. 2차 압밀은 1차 압밀이 종료된 이후 입자의 재배열에 의해 진행되는데, 2차 압밀이 진행되는 동안 저면의 두께변화는 미미하나 저면의 전단강도는 연속적으로 증가하는 양상을 보인다. 저면의 압밀이 진행되면 저면의 상부보다 하부의 밀도값이 훨씬 더 크게 나타난다.

저면의 깊이에 따라 변화하는 저면밀도 값은 저면깊이 z에 따른 함수로 표현될 수 있는데, 과거 Hwang and Mehta (1989)는 다음과 같은 식을 제시한 바 있다.

여기서, ρ_d는 저면의 건조밀도, a₁, a₂, a₃, a₄는 접합곡선 산정에 사용되는 계수이다. 본 연구에서는 식 (2)를 이용하여 저면깊이에 따른 저면밀도 변화에 대한 접합곡선이 저면의 상층부(0 < z < 1.7 cm)와 하층부(z > 1.7 cm)로 구분되어 산정되었으며, 대표적인 예로 Test #2의 결과가 Fig. 2에 주어진다. Fig. 2에 제시된 바와 같이, 저면의 밀도는 깊이가 깊어질수록 밀도가 증가하는 퇴적저면의 일반적인 특징을 잘 보여주고 있으며, 이는 모든 실험결과에서 동일하게 나타났다. 저면의 상층부(0 < z < 1.7 cm)와 하층부( z > 1.7 cm)의 밀도분포에 따라 적용된 각기 다른 계수 값은 Table 5에 주어진다.

시간에 따른 수조 내 부유사 농도 변화의 대표적인 예로 Test #2의 결과가 Fig. 3에 주어진다. 균일저면의 경우, 시간에 따라 동일 비율로 침식되어 부유사 농도가 선형적으로 증가하는 반면에, 퇴적저면에서는 초반에 침식이 급격하게 진행되어 부유사 농도가 증가하다가 시간이 지남에 따라 침식이 점차 감소하여 부유사 농도가 일정해지는 경향을 보인다. Fig. 3 에 제시된 결과는 이러한 현상을 잘 보여주고 있으며, 단계가 진행됨에 따라 점차적으로 증가하는 바닥전단응력에 의해 부유사량 또한 연속적으로 증가하는 것으로 나타났다. 10단계에서 발생한 붕괴침식(Mass erosion)은 흐름에 의한 바닥전단응력이 저면의 전단강도보다 커짐으로써 발생한 것으로 판단된다.

바닥전단응력에 대응하는 침식깊이까지 침식되는 동안 수층의 부유사 농도는 침식량에 의해 증가되므로, 저면의 침식량(Δz)과 수층의 부유사 변동량(ΔC)은 다음의 관계식으로 표현될 수 있다(Parchure, 1984).

여기서, h는 수층의 깊이를 나타낸다. 식 (3)에서 저면의 침식량은 앞서 제시된 식 (2)에 의해 z의 함수로 표현될 수 있으므로, 침식깊이와 부유사 농도는 다음과 같은 관계를 가진다.

식 (4)로부터 산정된 단계별 바닥전단응력에 대한 평형농도 C_eq에 상응하는 침식깊이 z가 산정되어 그 결과가 Fig. 4 및 Table 6에 제시된다.

한편, 저면전단강도 τ_s는 부유사농도가 평형에 도달했을 때 가해지는 바닥전단응력과 동일한 값을 가진다. Table 6에 제시되는 바닥전단응력은 대응하는 침식깊이에서의 저면전단강도 τ_s와 동일하다고 할 수 있으며, 이로부터 저면의 침식깊이에 따른 저면전단강도 τ_s의 변화에 대한 접합곡선이 식 (5)에 의해 산정되어 그 결과가 Fig. 5에 주어진다.

여기서, b₁, b₂, c₁, c₂및 d는 접합곡선 산정을 위한 임의의 계수값이며, 각 실험조건별 계수값은 Table 7에 제시된다.

침식률은 단위면적당 침식된 유사질량의 시간변화율을 전체 깊이에서의 부유사 농도의 시간변화율로 변환시킴으로써 얻을 수 있으며, 이는 다음의 식 (6)과 같이 표현된다.

여기서, m은 단위 저면 표면적당 침식된 유사의 질량을 나타낸다. 앞서 Fig. 5에 제시된 저면전단강도 τ_s의 접합곡선으로부터 임의의 저면깊이 z에서의 잉여전단응력 τ_b– τ_s을 산정하고 부유사 농도 단면도를 통해 식 (6)을 이용하여 각각의 침식률 ε이 산정되었다.

한편, 퇴적저면의 침식률(Erosion rate)과 잉여전단응력 τ_b– τ_s 의 상관관계는 다음의 식 (7)을 이용하여 표현될 수 있다(Parchure and Mehta, 1985).

여기서, ε_f는 floc의 침식률, e₁ 및 e₂는 경험계수이며, Parchure and Mehta (1985)는 e₂의 값으로 0.5를 사용한 바 있다.

본 연구로부터 도출된 압밀시간 T_dc별 산정된 침식률 결과 및 식 (7)을 이용하여 도출된 침식률 ε과 잉여전단응력 τ_b– τ_s의 관계곡선이 Fig. 6에 주어진다. 데이터의 분산도가 다소 크기는 하나, 잉여전단응력 τ_b– τ_s 이 0.05~0.50 m² /N로 증가할 때 침식률은 0.2~511.75 g/cm² ·min로 로그함수적으로 증가하였으며, ε_f와 e₁은 각각 0.19 × 10 ^-5 g/cm² ·min, 15.84 m² N 로 산정되었다.

한편, Kim et al. (2014)은 식 (7)을 이용하여 침식률을 산정할 때 낮은 잉여전단응력 구간에서 데이터의 분산도가 다소 크게 나타나는 점을 보완하기 위하여, 식 (7)을 확장하여 2차 항이 추가된 형태의 침식률 공식을 제안한 바 있다. 개선된 퇴적저면 침식률 공식은 식 (8)과 같다.

본 연구에서 식 (8)을 적용하여 도출된 침식률 ε과 잉여전단응력 τ_b– τ_s의 관계곡선은 Fig. 6에 함께 주어진다. ε_f와 e₁, e₃는 각각 0.001 × 10^-5 g/cm² , 54.75, -71.33으로 산정되었으며, e₂는 앞서와 동일하게 Parchure and Mehta (1985)에 의해 사용되었던 0.5를 적용하였다.

Fig. 6에서, 잉여전단응력이 약 0.2 m²/N보다 작은 구간에서 식 (7) 및 (8)을 이용한 접합곡선의 차이가 크게 나타나고 있는데, 이러한 차이는 침식률이 작아질수록 더 크게 나타난다. 이는 Kim et al. (2014)이 제시한 바와 같이, 침식실험 수행시 적용되는 바닥전단응력 τ_b의 초기값이 0.1 N/m²로 이보다 작은 바닥전단응력에서의 측정이 어려울 뿐만 아니라 수층의 부유사농도 및 저면밀도 ρ_d 측정시에 작은 침식률을 측정할 수 있을 만큼의 정밀도가 확보되지 않기 때문에 이러한 차이를 보이는 것으로 판단된다. 실질적으로, 환형수조를 이용하여 이 구간에서의 침식률을 정밀하게 측정하는 것은 어려울 것으로 판단되며, 침식률을 보다 정밀하게 측정하기 위해 서는 저면밀도 측정시에 정확성을 향상시킬 수 있는 레이저 및 초음파를 이용한 장비의 사용이 적용될 필요가 있으며, 수층의 부유사 농도 측정시에는 재래식 방법인 중량분석법과 함께 보다 높은 정밀도와 시간단축을 장점을 가지는 OTS(Optical Transmission Sensor) 또는 OBS(Optical Backscatter Sensor) 의 활용을 도입하여 정밀도를 향상시킬 필요가 있을 것으로 판단된다.

본 연구에서 산정된 새만금 점착성 퇴적물의 퇴적저면에 대한 침식특성 결과는 Parchure (1984) 및 국내 최초로 고령토를 이용하여 퇴적저면 침식실험을 수행한 Kim et al. (2014) 의 결과와 비교·검토가 이루어진다. 본 연구에서 도출된 새만금 점착성 퇴적물의 퇴적저면에 대한 침식특성 산정결과와 함께 Francis lake (Parchure, 1984Parchure (1984)) 및 고령토 퇴적물(Kim et al., 2014)의 침식특성 산정결과가 Fig. 7에 주어진다.

Fig. 7은 새만금 및 Francis lake, 고령토 퇴적물의 퇴적저면에 대한 침식률의 변화를 각각 보여주는데, 이들 결과는 증가하는 잉여전단응력에 대하여 침식률 역시 로그함수적으로 증가하는 형태를 보여주고 있다. 그러나 정량적으로는 상당히 다른 값을 갖는 것으로 나타났는데, 이러한 이유는 염도, 수온과 같은 유체의 특성 및 입경분포, 광물질 구성성분과 같은 퇴적물 자체의 물리·화학적 특성의 차이에 의한 것으로 판단된다.

먼저, Kim et al. (2014)에 의해 수행된 고령토 퇴적저면의 침식실험에서는 수돗물(Tap water)이 침식수로 사용되었으나, 본 연구에서는 실험 전 과정에 걸쳐 현장에서 채취된 침식수가 실험에 사용되었다. 본 연구에서 사용된 침식수의 염도는 약 27.2‰인데, 일반적으로 염도 조건에서 점착성 퇴적물의 입자들은 입자간의 응집력이 증가하여 염도가 없는 조건에서 보다 더욱 조밀한 구조적 결합을 가지는 것으로 알려지고 있다. 이러한 이유로 입자간의 새만금 점착성 퇴적물의 응집력이 증가하여 결과적으로 더 작은 침식률을 갖게 된 것으로 해석될 수 있다.

침식률의 정량적인 차이는 퇴적물 자체의 물리·화학적 특성과도 연계하여 정성적으로 분석될 수 있다. 앞서 Fig. 7에 도식된 새만금 및 Francis lake, 고령토 점착성 퇴적물의 물리화학적 특성이 비교되어 Table 8에 제시된다.

Table 8에서 새만금 점착성 퇴적물의 평균입경은 9.0 μm로 고령토 퇴적물의 평균입경인 12.6 μm보다 약 1.3배 작은 것으로 나타났다. 반면, 광물질 구성성분은 새만금 점착성 퇴적물의 경우에 석영이 주된 광물이다. 유기물 함량은 새만금 점착성 퇴적물이 고령토에 비해 약 1.9배 작은 값을 갖기는 하나, 거의 동일한 수준의 소량에 해당한다.

일반적으로 점착성 퇴적물은 평균입경이 작을수록, 그리고 유기물 함량이 클수록 점착력이 증가하는 경향이 있으며, 또한 광물학적 측면에서 보면, 보편적으로 점착성 퇴적물에 많이 함유되어 있는 고령토, Illite, 녹니석 등의 광물성 점토보다 석영이 훨씬 작은 점착력을 갖는다(Mehta, 2013; Lick and McNeil, 2001). 유기물 함량의 차이는 동일 수준의 소량에 해당하므로 유기물 함량에 대한 부분은 차치하고, 고령토에 비해 입경이 더 세립한 것으로 나타난 새만금 점착성 퇴적물 시료가 더 큰 점착력을 가질 것으로 판단된다. 퇴적물의 점착력이 크다는 것을 개개의 토사입자의 결합력이 더 강하고 결과적으로 침식률이 더 작다는 것을 의미하므로, 상대적으로 큰 점착력을 갖는 새만금 퇴적물의 침식률이 더 작은 값을 갖게 되었다고 해석할 수 있다. 이러한 분석결과에 비추어 볼 때, 본 연구에서 산정된 새만금 퇴적저면의 침식특성은 타당하다고 할 수 있다.

한편, Francis lake 퇴적물과의 침식특성 비교는 동일 원리로 설명될 수 없는 것으로 판단된다. Parchure (1984)는 광물질 구성성분을 제시하기는 하였으나 정량적으로 제시하지는 않았으므로 광물질 주성분을 판단할 수는 없으며, 유기물 함량의 경우 모든 퇴적물이 미미한 값을 가지므로 이에 대한 내용을 언급되지 않는다. 평균입경을 살펴보면, 새만금 점착성 퇴적물의 평균입경은 Francis lake 퇴적물보다 약 1.2배 큰 값을 가지므로 결합력이 더 작아 침식률이 클 것으로 판단되나, Fig. 7에서는 Francis lake 퇴적물의 침식률이 훨씬 큰 것으로 나타났다. 이와 같이 상이한 결과가 나타나는 이유는 본 연구에서 제시된 퇴적물 자체의 물리·화학적 특성의 기본 조사항목인 입경분포, 유기물함량 및 광물질 구성성분 이외의 특성에 의한 영향일 것으로 판단된다. Mehta (1986)는 기본항목 이외에 양이온 전도율(Cation Exchange Capacity, CEC), 컨시스턴시 특성, 전단특성 등을 포함한 8가지 항목을 물리화학적 기본특성 조사항목으로 제시한 바 있으며, Berlamont et al.(1993)은 생물학적 특성까지 포함된 총 28개의 항목을 필수 조사항목으로 제시하였다. 앞서 제시된 바와 같이, 점착성 퇴적물의 이송특성은 입자간의 응집 현상에 의해 크게 영향을 받으므로, 입자간의 응집 강도를 나타내는 지표로 사용될 수 있는 인자들을 다양하게 측정하고 이와 연계하여 퇴적물의 침식특성을 해석하려는 노력이 필요할 것으로 판단된다.

점착성 퇴적물의 정량적 차이가 의미하는 바는 점착성 퇴적물의 퇴적저면에 대한 침식실험시 퇴적물의 형태와 침식수의 특성에 따라 침식특성이 지역적으로 크게 변화할 수 있다는 것이다. 이러한 사실은 타 지역 퇴적물의 침식률 측정자료는 특정지역에서의 점착성 퇴적물의 이동예측을 위한 수치 모형 실험시에 사용될 수 없다는 것을 나타내며, 결론적으로 침식률 산출을 위한 현장관측이나 실내실험이 각 조사대상 지역에서 반복적으로 수행되어야 한다는 것을 의미한다. 아울러 최근 미국 및 유럽연합 등의 여러 국가에서 다양한 실험장치를 이용하여 현장특성이 반영된 퇴적물의 이송특성을 조사하기 위한 실험들이 수행되고 있으나 국내에서는 이에 대한 연구가 미미한 실정이므로, 퇴적물의 이송특성 해석시 현장특성이 반영된 퇴적저면 시료를 이용한 실험을 수행함으로써 타당한 이송특성 매개변수 값이 도출되도록 해야할 것이다.