1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 현장 적용 분사 공법
2.2 현장 시험지의 일반현황
2.3 실험방법
3. 결과 및 고찰
3.1 바이오폴리머에 의한 토양 강도 증진 효과
3.2 바이오폴리머에 의한 식물 생장 효과
4. 결론 및 제언
1. 서 론
최근 국지성 집중호우, 강우량 증가 등 기후변화로 인하여 하천관리의 패러다임이 변화하면서 하천의 복원과 보전이 큰 이슈가 되고 있다. 이에 따라 효율적인 제방 관리의 중요성이 강조되고 있다. 지금까지 콘크리트 옹벽 및 블록 제품을 활용한 치수 위주의 하천사업은 강알칼리의 지속적인 방출로 인해 하천생태계에는 악영향을 미친다. 따라서 하천 주변 생태계에 영향을 주지않고 강도를 유지할 수 있는 보다 자연 친화적인 재료의 개발이 요구되고 있다. 제방에 식생을 식재하는 것은 하천복원에 있어 가장 효율적인 방법 중 하나이며, 하천 환경사업에서 전체 공사비의 20% 정도를 차지할 만큼 중요하다 (Han et al. 2015). 제방에 식물을 식재함으로써 하천 주변 생태계를 유지하면서 식물 뿌리의 작용으로 제방을 강화하는 방법 또한 오랜 기간 연구되어 왔다 (Evette et al. 2009). 그러나 식물만 이용하는 제방 강화는 강도 증진 측면에서 한계를 가지고 있으며 이를 보완하기 위해 다양한 보조재를 사용하는 방법이 고안되었으나, 제방 강화 및 생태계 보호 측면에서 한계를 보이고 있는 실정이다.
시멘트가 없는 친환경적인 토양개량을 목적으로 많은 연구가 수행되었고, 바이오폴리머를 활용하여 토양을 보강하는 것이 그 중 하나이다. 바이오폴리머는 생물체에 의해 합성되는 유기 고분자이며, 그 중 잔탄검과 베타글루칸은 자연계에 널리 존재하는 탄소 폴리머이다 (Chang et al. 2006). 바이오폴리머를 토양과 혼합할경우 폴리머와 토양 입자들 사이에 수소결합 및 이온결합이 형성되어, 토양 응집력을 높이고 토양의 압축강도를 크게 증가시키는 역할을 한다 (Chang et al. 2015; Latifi et al. 2016). 이러한 성질을 이용하여 바이오폴리머를 토양 안정화 및 개량제로 활용하고자 하는 연구가 최근 활발히 진행되고 있다 (Chang et al. 2016). 하천제방에 조성된 식물은 유수, 파력 등 외력에 의한 토양 침식 저항에 중요한 역할을 한다. 이러한 측면에서 잔탄검과 베타글루칸은 식생 생장에도 긍정적인 효과를 주며, 일반 토양보다 바이오폴리머로 처리한 토양에서 종자의 발아 및 성장에 유리한 것으로 알려져 있고, 귀리의 생육 증진에 대한 효과는 실험을 통해 밝혀졌다 (Chang et al. 2015). 또한, 잔탄검의 경우 광범위한 온도와 pH에 대해 더 높은 안정성을 나타내므로 (Zohuriaan and Shkrolahi 2004), 하천 제방 현장에 적용하기 좋은 재료이다. 따라서, 바이오폴리머로 처리한 토양은 식생 성장에 적합한 환경을 제공할 수 있는 잠재력을 보유하고 있어 친환경적인 하천 제방 보강 재료로 활용될 가치가 높을 것으로 예상된다.
현재 바이오폴리머로 처리한 토양을 활용하여 제방의 강도와 식물 생육을 동시에 증진시켜 제방 강화 물질로 이용하고자 하는 연구가 국토교통부 주관 하에 진행 중이다 (Ko and Kang 2018). 바이오폴리머가 식생활착 및 성장에 미치는 영향은 실내의 제한된 환경에서 효과적인 것으로 밝혀졌으나 (An et al. 2018), 실제 하천에서의 식물 성장에 대한 연구는 아직 이루어지지 않은 상태이다. 또한 하천 제방의 표면에 식생을 식재하기 위해서는 경제성과 시공성 측면에서 장점이 있는 분사 공법이 유리하다. 그러나 바이오폴리머를 이용한 분사 공법의 활용 가능성과 분사 공법을 이용한 바이오폴리머 처리토가 식물 생장에 주는 영향에 대해서는 검증되지 않은 상태이다.
본 연구에서는 한국과학기술원에서 개발 중인 잔탄검과 베타글루칸을 기반으로 하는 바이오폴리머 처리토를 분사 공법을 이용하여 하천 제방에 시험 시공 후 바이오폴리머의 강도 증진 효과와 식생성장에 미치는 영향을 확인하고자 한다.
2. 재료 및 방법
2.1 현장 적용 분사 공법
재료의 공급 방식에 따라 습식 공법과 건식 공법으로 분류할 수 있으며, 현장 시험시공에는 습식 분사 공법을 적용하였다. 습식공법은 혼합기 (Mixing tank)에서 모든 재료를 혼합한 후 펌프압력으로 재료를 압송하고, 노즐부에서는 압축공기 (Air compressor)로 재료가 넓은 범위로 분사되도록 한다. 건식공법은 물을 제외한 재료를 압축공기로 노즐로 보내며, 이 때 노즐부분에서 물과 송출 재료가 섞이게 된다. 건식공법은 노즐부분에서 재료가 혼합되므로 노즐 내부 구조와 작업자의 숙련도에 따라 분사재료의 품질이 결정된다. 반면 습식공법은 물을 혼합한 재료를 미리 정확히 계량하고 충분히 혼합할 수 있으므로 품질관리가 용이하다. 본 연구에서는 품질관리가 용이하고 숏크리트와 녹화공법에서 주로 사용되는 습식공법을 사용하였다. 현장 분사시공에는 취부기, 공기압축기, 발전기, 물탱크, 크레인 등 시공장비를 사용하며, Fig. 1은 본 연구에 적용한 습식 분사공법의 시스템 구성 및 시공장비 형태를 보여준다.
2.2 현장 시험지의 일반현황
현장 실험은 경상북도 안동시 풍산읍에 위치한 한국건설기술연구원 하천연구센터 내 급경사수로 (A1) 인근 제방사면에서 수행하였다 (Fig. 2). 시험지는 경도 128°33‘E, 위도 36°33’N에 위치해 있으며, 해발고는 79 m, 시험구 사면의 경사는 약 33°이다. 시험시공 비탈면의 면적은 각 구획별로 면적 16 m2으로 전체 112 m2 크기로 조성하였다.
2.3 실험방법
2.3.1 바이오폴리머와 토양 혼합
본 연구에 사용된 바이오폴리머는 한국과학기술원에서 제공되었다. 여기에 사용된 바이오폴리머는 베타글루칸과 잔탄검을 기반으로 하며 잔탄검은 토양의 강도 증진에 유효하고, 베타글루칸은 식생 성장에 효과적인 것으로 알려져 있다 (Chang et al. 2015). 베타글루칸 기반의 바이오폴리머는 물과의 혼합 비율에 따라 성능이 달라지며, 한국과학기술원에서 제공하는 혼합방법에 따라 바이오폴리머 혼합 토양을 제조하였다 (Table 1). 바이오폴리머와 혼합하기 위한 토양은 현장에서 쉽게 구할 수 있는 화강풍화토 (Weathered granitic soil)를 사용하였다. 일반적으로 제방의 보수 및 보강에는 현장토를 사용하는 것이 일반적이므로 화강풍화토를 배합토로 사용하였다. 화강풍화토는 현장의 흙을 대변하는 것으로 안동 시험지 인근에서 채취된 것을 사용하였으며, 안동 제방 현장의 화강풍화토의 평균 입도 크기 크기 D50는 1.42 mm이고, 기본적인 특성은 Table 2와 같다. 또한, 입도분포곡선에 따라 입자의 크기가 고르고 입도분포가 양호하며, 통일분류법상 SW에 해당한다 (Fig. 3).
Table 1. Mixing ratio of biopolymer-treated soil
|
Biopolymer type | Mixed materials | |||
| Biopolymer powder (kg) | Biopolymer solution (L) | Water (L) | Weathered granite soil (kg) | |
| S1 | 66 | - | 1200 | 3000 |
| V1 | 3.3 | 55 | 300 | 1000 |
| V2 | 5 | - | 300 | 1000 |
Table 2. Basic properties of weathered granite soil
| Soil | Specific gravity Gs | D50 (mm) | Cu | Cc | Wn (%) | USCS |
|
Weathered granite soil (W.G. Soil) | 2.73 | 1.42 | 6.2 | 1.2 | 2.1 | SW |
2.3.2 시공 및 식재 방법
식물의 생장에 대한 바이오폴리머의 효과를 평가하기 위해 기존의 녹화공법 적용 시 사용되는 큰김의털 (톨훼스큐, Festuca arundinacea Schreb.)과 호밀풀 (페레니얼라이그라스, Lolium perenne L.)의 혼합 종자를 사용하였다. 기존 비탈면에 있던 식물의 영향을 최소화하기 위해 시험구간 전체에 대하여 예초작업을 진행한 후 표면 다짐을 수행하였고, 제방 표면에는 토양 유실 방지를 위한 코어네트를 설치하였다. 분사시공 (seed spray method)을 통하여 배합토와 바이오폴리머 및 종자 등 재료를 충분히 혼합하여 하천 제방 표면에 5 cm 두께로 도포하였다. 시공 순서는 Fig. 4와 같으며, 총5개의 실험조건에 대하여 시험 시공을 수행하였다 (Table 3). Case 1, 2는 잔탄검 계열의 바이오폴리머를 사용하여 강도 증진을 확인하는 것이 목적이며, Case 3, 4는 베타글루칸으로 구성된 바이오폴리머를 사용하여 식생효과를 분석하는 목적이다. Case 1, 2는 바이오폴리머의 투입방법 (가루, 액상)에 따라 S-P, S-S로 명명하였다. Case 3, 4는 한국과학기술원에서 제공하는 베타글루칸의 농도에 따라 구분되며, 실험에서는 각각 바이오폴리머 V1, V2로 명명하였다. Case 5는 바이오폴리머를 처리하지 않는 구역으로 Case 3, 4의 대조군이 된다 (Fig. 5).
Table 3. Test conditions and material components of test compartment
2.3.3 현장 강도 평가 방법
습식공법은 혼합탱크에 모든 재료를 넣고 혼합하는 방식으로 Table 3과 같이 각 처리 구역 (case)별로 화강풍화토, 물, 바이오폴리머를 넣고 적정시간 혼합하였다. 혼합 후 바이오폴리머 처리토을 제방 표면에 분사하면서 3L sampling box에 시료를 채취하였고, 처리구역 별로 5개의 원통형 (Φ50mm × H100mm) 공시체를 제작하였다. 시료는 실험실의 상온 (25°C) 조건에서 28일동안 건조 후 일축압축강도를 측정하였다. 일축압축강도 시험은 UTM 장치 (ASTM D1633)를 이용하여 원통형 시편에 대한 비구속 압축강도를 측정하였다. 모든 시편에 대한 기하하적 수치를 측정하였고, 시편의 편평도를 0.02 mm 이내로 맞추기 위해 급속경화시멘트를 이용하여 시편의 위 아래를 정돈하고 10분 정도 건조 후 실험을 진행하였다. 실험은 샘플이 파괴될 때까지 하중을 가하고 잔류압축강도를 관찰하였다.
2.3.4 식물 생장 조사
식물의 생장 측정은 식물이 식재된 실험구 (Case 3, 4, 5)에서 식물이 발아하기 시작한 4월부터 식물의 최성기라 할 수 있는 8월까지 매월 1회 측정하였다. 각 실험구 별로 비교하기 위하여 공통적으로 식재된 큰김의털과 호밀풀에 대하여 초장, 엽폭, 엽수를 측정하였다. 초장은 하단에서 정단부까지를 측정하였고 엽수는 육안으로 직접 세었으며, 엽폭은 버니어캘리퍼스를 이용하여 가장 굵은 잎을 측정하였다. 각 실험구의 생산성을 측정하기 위하여 8월에 실험구 내의 1 x 1 m2 방형구 5개에서 큰김의털과 호밀풀을 뿌리까지 수확한 후, 실험실로 옮겨와 개체수를 측정하였다. 식물체의 지상부와 지하부를 전정가위로 분리하고 드라이오븐에서 80°C 온도로 48시간 건조한 후 건조생물량을 측정하였다. 각 측정값에 대한 평균간 유의성 검정은 DMRT (Duncan’s Multiple Range Test)로 10 % 수준에서 실시하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 바이오폴리머에 의한 토양 강도 증진 효과
Fig. 6와 같이 바이오폴리머로 처리한 구역에서 토양 강도가 발현되는 것을 확인할 수 있다. Case 5와 같이 바인더가 없는 경우 화강풍화토의 강도는 발현되지 않으므로 강도 측정이 불가능 하다. 강도 증진을 목적으로 개발된 잔탄검 기반의 바이오폴리머 S는 식생용인 베타글루칸 기반의 바이오폴리머 V1, V2보다 강도가 크게 나타났다. 잔탄검 기반의 바이오폴리머는 액상 (solution)과 가루 (powder) 형태로 주입이 가능하며, 현장 시공에서는 두 가지 투입방법에 따라 장단점이 존재하고 최종 품질에도 영향을 준다. 액상형태로 주입하는 경우는 바이오폴리머 액상 조제용 혼합탱크와 믹서가 필요하며, 가루형태로 주입하는 경우 제공 및 판매되는 바이오폴리머를 농도에 맞추어 그대로 사용 가능한 장점이 있다. 바이오폴리머 주입 형태에 따른 강도 결과는 액상형태로 주입하는 경우 평균 1.461, 가루 형태로 주입하는 경우 평균 1.058 로 나타났다. 액상형태로 주입하는 경우 강도가 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 가루형태로 주입하는 경우 시공 절차를 간소화시키는 이점은 있으나, 균질 혼합에는 불리하고 최종 강도에 영향을 주는 것으로 나타났다. 현장에서 대규모로 재료를 혼합하는 경우 품질확보를 위해서는 액상형태로 주입하는 것을 유리할 것으로 판단된다.
3.2 바이오폴리머에 의한 식물 생장 효과
3.2.1 큰김의털 (Festuca arundinacea Schreb.)
큰김의털은 벼과의 여러해살이풀로 유럽원산 식물이며, 사방용 및 목초용으로 도입되어 전국의 여러 서식환경에서 볼 수 있으며, 평균기온 4.4°C이상, 연강우량 350 - 1,500 mm에서 잘 자라며, 가뭄에도 강한 특성을 갖는다. 큰김의털의 8월 최성기의 초장은 case 3, case 4, case 5 실험구에서 각각 48.5 cm, 54.5 cm, 40.1 cm로, 바이오폴리머 v2가 처리된 case6에서 가장 컸으며 바이오폴리머가 처리되지 않은 실험구에서 가장 작았다 (Table 4). 엽수는 case3과 case4에서 3.0개로 동일하였으며, case5에서는 2.2개로 적게 측정되었다. 엽폭은 초장과 같이 case 3, case 4, case 5의 순으로 넓은 것으로 측정되었다. 측정결과는 바이오폴리머를 처리한 토양에서 처리하지 않은 토양보다 큰김의털의 성장이 양호하며, 바이오폴리머 V2가 V1보다 큰김의털의 성장에 좋은 영향을 주는 것을 나타내었다. 5월부터 8월까지의 큰김의털 성장곡선에서는 3개의 실험구에서 모두 5월부터 7월까지는 성장이 이루어지고, 7월에서 8월 사이에는 여름철 고온건조에 의해 고사하는 개체가 발생하여 초장이 오히려 감소하는 경향이 나타났다 (Fig. 7). 특히 바이오폴리머가 처리되지 않은 case 5에서는 감소폭이 뚜렷하게 나타나 토양의 수분을 유지하여 큰김의털의 성장에 영향을 주는 바이오폴리머의 효능을 확인할 수 있었다. 엽수는 모든 실험구에서 5월에 비하여 점차 감소하는 것으로 측정되었으며, 이는 화서가 발달하면서 점차 근생엽이 고사하기 때문인 것으로 확인되였다. 엽폭은 case 4에서는 지속적으로 증가하였고, case 3에서는 약간의 변동은 있지만 유지되는 경향을 나타내었으며, case 5에서는 지속적으로 감소되었다. 각 실험구의 생산성을 파악하기 위하여 실험구 내에서 수확한 5개의 방형구에서 측정한 개체수는 case 4의 경우 평균 632개체로 case 3의 328개체에 비하여 거의 2배에 가까운 개체수가 측정되었으며, case 5의 464개체에 비해서도 높은 개체수를 나타내었다. 생물량은 지하부와 지상부가 다른 결과를 나타내었는데, 지하부에서는 case 5에서 246.0 gDM･m-2로 case3과 case4의 93.5 gDM･m-2과 53.1 gDM･m-2에 비하여 매우 높은 값을 나타내었다. 이는 바이오폴리머가 처리되지 않은 case 5에서 큰김의털이 토양수분을 확보하기 위하여 뿌리를 더 깊고 넓게 성장시켰기 때문인 것으로 판단된다. 지상부생물량은 case 4에서 가장 높았고 case 3와 case 5의 생물량은 거의 유사하였다. case 5의 개체수는 case 3 대비 약 1.5배 높으므로 바이오폴리머가 처리된 case 3이 case 5 보다 개체별 생물량이 높은 것을 확인할 수 있었다.
Table 4. Growth characteristics of F. arundinacea and L. perenne as affected by different biopolymer in the Andong River Experiment Center on August
3.2.2 호밀풀 (Lolium perenne L.)
호밀풀은 벼과의 2년생 혹은 여러해살이풀로 유럽원산의 개량된 품종으로 사방용으로 국내에 도입되어 하천 제방사면이나 도로공사지의 절토 및 성토사면에서 볼 수 있다. 내한성이 강하지만 고온건조에는 약한 것으로 알려져 있다. 호밀풀의 8월 최성기의 초장은 case 3, case 4, case 5 실험구에서 각각 31.6 cm, 24.9 cm, 44.0 cm로 큰김의털의 경우와 반대로 바이오폴리머 V2가 처리된 case 4에서 가장 작았고, 바이오폴리머가 처리되지 않은 실험구에서 가장 컸다 (Table 4). 엽수는 case 3, case 4, case 5 실험구에서 각각 2.8개, 3.0개 및 2.6개로 유사하였다. 엽폭은 case 3, case 4, case 5 순으로 넓은 것으로 측정되었다. 측정결과 바이오폴리머를 처리하지 않은 토양에서 처리한 토양보다 호밀풀 초장의 성장이 양호하였으며, 바이오폴리머 V1과 V2 간에는 호밀풀의 생장이 큰 차이가 나지 않았다. 바이오폴리머와 같은 고흡수성 수지의 혼합비율이 높아짐에 따라 토양이 보유하는 수분량은 증가하지만 식물이 쉽게 흡수할 수 있는 수분량이 증가하지 않기 때문에 (Choi et al. 2005) 호밀풀과 같이 고온건조에 약한 식물은 오히려 바이오폴리머로 인해 사용할 수 있는 토양 내 수분이 감소하여 바이오폴리머를 처리하지 않은 토양에 비하여 성장이 더디게 나타나는 것으로 판단된다. 5월부터 8월까지의 호밀풀 성장곡선을 보면 바이오폴리머가 처리되지 않은 case 5 실험구가 바이오폴리머가 처리된 실험구에 비하여 초장의 성장이 우수한 것을 확인할 수 있다 (Fig. 7). 엽수는 모든 실험구에서 5월에 비하여 8월에 감소하는 경향을 보였으며, case 5에서는 호밀풀의 엽수가 6월부터 감소하기 시작하여 case 3과 case 4에서 시기적으로 빨리 감소하였지만 case 3과 case 4에서도 7월부터 감소하여 8월에는 엽수의 차이가 거의 없었다. 엽폭의 성장은 모든 실험구에서 점차 엽폭이 넓어지다가 여름철이 되면서 건조에 의한 스트레스로 인해 감소하는 경향을 나타내었으며 8월 측정에서는 모든 실험구에서 5월의 측정 값에 비하여 감소하였다. 각 실험구의 생산성을 파악하기 위하여 실험구 내에서 수확한 5개의 방형구에서 측정한 호밀풀의 개체수는 case 5에서 평균 71개체로 case 3의 28개체에 비하여 거의 3배에 가까운 개체수가 측정되었으며, case 4의 64개체에 비해서도 높은 개체수를 나타내었다. 하지만 같은 실험구 내의 큰김의털 개체수에 비해서는 매우 적은 개체수가 측정되어 고온건조에 약한 호밀풀의 특성을 반영하였다고 사료된다. 생물량은 지하부와 지상부 모두 case 5에서 높게 나타났으며, 바이오폴리머가 처리된 두 실험구의 지하부에서는 V1이 처리된 case 3의 생물량이 3.0 gDM･m-2로 V2가 처리된 case 4의 1.7 gDM･m-2에 비하여 높은 값을 나타내었다. 고온건조에 약하며 바이오폴리머가 처리된 토양에서 성장이 더디게 나타나는 결과에 따라서 호밀풀은 토양내 수분을 흡수하는 능력이 큰김의털에 비하여 떨어지며, 이로 인해 바이오폴리머가 흡수한 수분을 이용하기 어려운 것으로 판단할 수 있다. 토양 내 hydrophilic polymer의 농도에 따라 식물의 수분흡수 기작이 달라질 수 있다는 연구 결과 (Yang et al. 2014)에 따라 하천에 식재하고자 하는 식물 종의 적정 바이오폴리머 농도에 대한 연구가 요구된다.
Fig. 8.
Number of plants and underground and aboveground biomasses of F. arundinacea and L. perenne as affected by different biopolymer in the Andong River Experiment Center (August 15). Different letters on the bars indicate significant difference of p<0.1 according to the Duncan’s multiple range test (n=5).
4. 결론 및 제언
본 연구는 잔탄검과 베타글루칸 기반의 바이오폴리머를 하천 제방의 표면에 분사 시공하였을 때 토양의 강도 증진 효과와 식생 성장에 대한 영향을 평가하였다. 바이오폴리머 종류와 관계없이 바이오폴리머 처리한 경우 모든 구역에서 강도 발현 및 증진 효과가 나타났다. 일반적으로 하천 제방 보강에 사용되는 화강풍화토는 바이오폴리머와 같은 바인더가 없는 경우 강도 발현이 어려우며, 잔탄검 기반의 바이오폴리머를 사용하는 경우 높은 강도 증진 효과를 볼 수 있다. 또한 현장 시공에서는 바이오폴리머를 액상으로 주입했을 때 강도가 높게 나타났으며, 이는 액상 주입이 현장 품질 관리에 유리할 것으로 판단된다. 베타글루칸 기반의 바이오폴리머는 대부분 식물의 생육을 촉진시켜주는 역할을 하며, 바이오폴리머 V2가 V1보다 큰김의털 성장에 유리한 것으로 나타났다. 대상 식물종 모두 바이오폴리머를 처리한 토양에서 지상부와 지하부의 생육이 다르게 나타났다. 지상부의 경우 바이이폴리머를 처리한 토양에서 개체수가 약 2배 이상 증가하였다. 반면 지하부에서는 바이오폴리머가 처리되지 않은 토양에서 뿌리가 더 깊고 넓게 성장하였다. 바이오폴리머를 처리한 구역에서는 토양의 수분 보유능력이 증가하여 뿌리 성장이 더디게 나타난 것으로 판단되며, 바이오폴리머를 처리하지 않은 구역에서는 토양 수분을 확보하기 위해 뿌리를 더 깊고 넓게 성장시킨 것으로 추정된다. 이러한 연구 결과에 따라 토양 내 친수성 바이오폴리머는 식물의 성장에 긍정적인 영향을 줄 수 있다. 또한 토양 내 친수성 폴리머의 함량에 따라 식물의 수분 흡수 기작이 달라질 수 있다는 기존 연구결과에 의해 베타글루칸 기반의 바이오폴리머의 경우도 하천에 식재하고자하는 식물 종과 바이이폴리머의 적정 농도에 대한 추가 연구가 필요할 것이다. 또한 본 연구에서는 제방 녹화공법에 많이 사용되는 큰김의털과 호밀풀에 대한 바이오폴리머의 영향을 조사하였으나, 실제 현장에 바이오폴리머를 적용하기 위해서는 국내 하천 제방에 분포하는 갈대, 물억새, 쑥 등의 자생 식물에 대한 영향 조사도 필요할 것으로 판단된다.
