갯벌과 여울은 하구와 내만역에서 발달되는 조간대로 하천을 통해 운반되는 모래, 진흙 및 유기물이 퇴적되어 조성된다. 특히 갯벌은 생물의 다양성 보전, 수질정화, 철새도래지 등과 같은 다양한 환경학적 기능뿐만 아니라 해양생태계의 학습 및 여가활동의 장소로도 사람들과 밀접한 관계를 갖는 해역이다(Hanawa, 2006). 최근 들어, 갯벌의 이러한 다원적 기능이 다시 주목받기 시작함에 따라 갯벌재생은 물론이거니와 일본에서는 해역의 준설토사를 유용한 인공갯벌의 조성이 시도되고 있다(Mang and Hong, 2008; Kim and Jeon, 2015). 인공갯벌은 생물이 자연스럽게 정착하여 수질정화 및 생태보호와 같은 자연갯벌과 동일한 기능을 발휘하는 것으로 보고되고 있다(Imamura et al., 1993; Kimura et al., 2002). 갯벌의 저질조건은 저생생물의 결정적인 서식 환경적 요소이며, 자갈과 모래만으로 구성된 갯벌에 비해 약 5-30% 범위의 진흙성분을 포함한 저질에서 저생생물의 종류와 개체수가 최대가 되는 것으로 알려져 있다(Takayama et al., 2008). 또한, 갯벌에서 형성되는 둑(berm)에 의해 지형변화가 크게 발생하여 표고가 평균 수위와 만조 시의 수위를 초과하는 경우는 저생생물의 서식환경 악화로 개체밀도가 크게 감소하는 것으로 알려져 있다(Kuwae, 2005). 따라서, 인공갯벌에 있어서 저질의 입도변화와 침하, 퇴적을 포함한 지형변화와 같은 물리적 안정성을 확보하는 것은 갯벌의 순기능을 유지하기 위한 중요한 과제중의 하나이다. 인공갯벌은 주로 모래와 진흙(점토 + 실트)으로 구성되어 있으며, 이러한 혼합토사의 특성은 진흙의 함유율, 종류, 건조체적밀도(dry bulk density) 등에 따라 복잡하게 변화한다. 또한, 혼합토사는 진흙의 함량에 따라 토사에 포함된 모래 입자의 구조가 변화되며 이에 따른 토사의 이동특성도 변화하게 된다. 진흙 함유량이 적은 경우(15-30% 이하) 모래 입자 사이의 구조는 진흙이 포함되지 않은 경우와 유사하게 서로 접촉하고 있는 네트워크를 형성하지만, 모래 입자 사이에 존재하는 진흙의 응집효과에 의해 모래 입자의 이동한계는 증가할 수 있다. 그러나 이러한 진흙의 응집 효과의 영향은 비교적 작다. 반면, 진흙 함유량이 큰 경우(15-30% 이상)는 모래 입자가 진흙에 의해 완전히 포위되고, 이로 인해 모래 입자에 작용하는 진흙의 응집효과가 증가한다. Mitchener and Torfs(1996)는 응집성 퇴적물(진흙)과 비응집성 퇴적물(모래)로 이루어진 혼합토사의 이동특성을 조사하기 위해 수리실험을 수행하였으며, 진흙 함량이 5-15%의 범위에서 혼합토사는 비응집성 거동(non-cohesive behavior)에서 응집성 거동(cohesive behavior)으로 전환되고, 혼합토사가 균일하게 혼합된 경우의 최대 이동한계전단응력(critical bed-shear stress)은 진흙 함량이 50-70%의 범위에 존재함을 확인하였다. Panagiotopoulos et al.(1997)은 실험을 통해 진흙 함유율이 30%를 초과할 때 비응집성 거동에서 응집성 거동으로 전환되는 천이영역이 나타남을 밝혔다. 이러한 응집성과 비응집성 거동의 경계는 실험에 사용된 모래와 진흙의 종류, 실해역에 있어서는 혼합토사에 포함된 유기물의 함량에 따라 변화하기 때문에 실험조건에 의존하는 경향이 있다. 한편, Ashida et al.(1982)는 산지 유역의 침식 메커니즘과 하도 변동성의 감소를 목적으로 모래와 진흙으로 이루어진 혼합토사에 주목하여 진흙의 점착력(cohesive force)이 혼합토사에서 모래 입자의 이동한계에 미치는 영향을 고찰하기 위한 실험을 실시하였다. 실험 결과, 혼합토사에 있어서 모래 입자의 이동은 진흙의 함수비, 진흙 고유의 점착력, 진흙의 함유율과 같은 3개의 매개변수에 의해 지배되는 것을 확인하였으며, 혼합토사의 기하학적 구조 특성을 활용하여 진흙의 함수비, 진흙 고유의 점착력, 진흙의 함유율을 고려한 혼합토사에서의 모래 입자에 대한 이동한계식을 제안하였다. Van Rijn(2020)와 Wu et al.(2020)는 혼합토사의 이동 특성은 진흙의 함유량 외에도 혼합토사의 압밀정도를 나타내는 건조체적밀도에 의존하는 것을 밝혔으며, 실험자료를 바탕으로 건조체적밀도를 적용한 혼합토사의 이동 한계 전단응력식을 제안하였다. 또한 Van Rijn and Barth(2019)는 혼합토사의 압밀과 건조체적밀도의 변화를 조사한 수리실험을 통해 혼합토사의 건조체적밀도를 산출하는 간단한 실험식을 제안하였다. Kumagai et al.(2012)는 수리실험을 통해 모래 성분이 50%인 혼합토사의 저면에서 생성되는 균열에 의해 저면 내부의 진흙이 유출되는 현상과, 강한 파랑 조건하에서 저면의 표면으로부터 진흙이 유실되는 특성이 있음을 보였다. Rafati et al.(2020)은 다양한 입경으로 구성된 혼합모래의 판류(sheet flow) 이동에 있어서 저질의 피복효과(armoring effect)와 노출효과(exposure effect)를 규명하기 위해 Cheng et al.(2017)이 제안한 Eulerian-Lagrangian 난류 평균 모델을 이용하여 수치모의를 실시하였다. 그 결과, 흐름장의 유속 크기가 작고 가속도가 증가할 수록 표층에서 입경이 거칠어지는 역 분류(inverse grading)에 의해 표사이동량이 감소하는 저질의 피복 효과가 지배적이며, 이와 반대인 경우는 노출효과가 우세함을 확인하였다. 한편, 수리실험과 현지조사를 통해 혼합토사의 이동특성을 규명하고 그에 따른 혼합토사의 표사이동식이 제안되어 왔으나 파랑장에서 혼합토사 모델에 대한 연구는 극히 제한적이다. Nakamura et al.(2013)과 Cho et al.(2019)은 Ashida et al.(1982)가 제안한 혼합토사에서 진흙의 점착력에 기인하는 모래 입자의 이동한계전단 응력의 변화를 고려하여 혼합토사 유송모델을 구축하고 파랑장 조건하에서 혼합토사 표층에서 발생하는 진흙 유출에 따른 진흙 함유량의 공간적 변화를 모의하였다. 하지만, Ashida et al.(1982)에 의해 제안된 모래입자의 이동한계응력은 포함된 주요 파라미터들의 정의가 모호하며, 혼합토사의 이동특성에 있어서 중요한 건조체적 밀도의 영향과 혼합토사에서의 진흙의 이동한계는 고려되어 있지 않다. 또한, 낮은 진흙 함유량에 중심을 둔 모래입자 중심의 지형변화와 진흙의 침식, 퇴적에 대한 검토는 수행되지 않았기 때문에 혼합토사 모델의 개량이 요구된다. 갯벌에 있어서 저질의 진흙 함유량은 그 기능을 충분히 발휘할 수 있는지에 대한 중요한 지표가 되기 때문에, 혼합토사로 이루어진 저질에 대한 진흙의 동적 특성을 파악하기 위해서는 보다 고정도의 모의가 가능한 혼합토사의 수치모델 개발이 필요하다.

본 연구에서는, 혼합토사의 이동특성에 영향을 미치는 진흙의 함유량과 건조체적밀도를 고려한 혼합토사의 수치계산 모델을 위하여 토사의 기하학적 구조에 기초한 격자법에서 서로 다른 토사의 재현방법을 제안하고 이를 바탕으로 수치모델을 구축하였다. 구축한 모델의 평가를 위해 사면 붕괴에 대한 계산을 수행하고, 초기 혼합토사의 진흙 함유량 변화에 따른 모델의 혼합토사 이동계산에 대한 안정성을 평가하였다.

본 연구는 혼합토사의 이동한계에 있어서 중요한 요소인 진흙의 함유율과 혼합토사에 있어서의 진흙과 모래의 건조체적밀도를 고려한 혼합토사 계산모델을 혼합토사의 기하학적 구조를 나타내는 토립자의 시상도를 바탕으로 구축하였다. 건조체적밀도의 특성을 고려하기 위해 혼합토사의 시상도에서 진흙이 함유하는 물의 함량을 나타내는 함수비를 도입함으로써 실험을 통해 얻어지는 진흙의 건조체적밀도를 재현할 수 있게 되었다. 이를 통해, 일정하게 유지되는 혼합토사의 공극률과 그 층에서의 진흙 함유율이 확인되면 혼합토사를 구성하는 모래, 진흙, 진흙이 함유하는 물의 체적율을 계산할 수 있다. 이는 역으로 혼합토사의 수치계산에 있어서 파랑 혹은 흐름에 의한 혼합토사 내의 모래와 진흙의 부피 변화가 확인된다면 변화된 체적율과 혼합토사의 공극률을 바탕으로 혼합토사의 함유율을 유추할 수 있다. 건조체적밀도를 고려한 혼합토사 수치모델을 통해 혼합토사의 사면 붕괴 계산에 있어서 수치적 안정성을 검토하였고, 사면 붕괴 방향 및 혼합토사를 구성하는 서로 다른 진흙 함유층에 있어서의 소류계산에서 안정적으로 수치모의가 가능한 것이 확인되었다. 이를 바탕으로 실제 파랑장 조건하에서 혼합토사의 이동 특성을 계산할 수 있는 표사모듈의 구축이 가능하며 효율적인 인공 갯벌의 유지 관리와 저질의 동적 특성을 해석할 수 있는 가능성이 시사되었다.

본 연구는 개발된 수치모델의 수치적 안정성을 검토하기 위해 혼합토사의 이동 및 공간적 분포특성을 고려한 사면붕괴 문제로 적용범위를 한정하였다. 향후, 실제 파랑 작용 하에서 혼합토사로 이루어진 저면에서의 진흙의 유출특성을 검토한 실험에 대해 수치모의를 실시하여 재현정도를 정량적으로 평가할 계획이다.