연안개발연구센터 윤길림 책임연구원, 박영현 책임연구원
 

준설(Dredging)이란 선박의 통행을 위한 항로 개설이나 영토 확장을 목적으로 얕은 바다, 호수나 강 하구 바닥에 쌓인 토사를 이동하는 기술로 퇴적물의 이동과 함께 주기적인 반복성을 가지고 있으며, 오랜 연구 역사와 더불어 전 세계를 대상으로 하는 매력적인 기술 중의 하나이다. 준설이 사용되는 주요 영역은 ① 선박 대형화와 홍수 범람을 예방하기 위한 수심 증가 (Capital dredging), ② 동일 수심 유지를 통한 항로 유지 (Maintenance dredging), ③ 해안구조물 설치 공사 (Coastal process), ④ 준설 토사를 활용한 매립 공사 (Urban development), ⑤ 에너지 관련 시설 공사 (Energy), ⑥ 오염물질 제거를 통한 환경 개선 (Environmental impact) 이다. 현재는 Capital dredge와 에너지 관련 dredge가 가장 큰 부분을 차지하고 있으나, 많은 전문가들이 미래에는 환경과 관련된 준설이 주요 시장으로 등장할 것을 예상하고 있다. 준설장비에 대한 연구는 기계역학, 유체역학, 토질역학, 환경, 제어 및 계측 등 다양한 분야의 학문이 복합되는데, 효율적인 준설을 위해서는 성능이 우수한 펌프와 준설선의 확보가 가장 큰 관건이다. 준설선은 크게 기계식과 수리식으로 나누어지며, 기계식은 파이프 라인이 필요 없으나 수리식은 강력한 수압으로 파이프 라인을 통해 토사를 이송하는 이유로 파이프 라인이 필수적인 차이점이 있다.

■ KIOST 준설매립이송연구단 사업 소개 

1) 필요성
준설은 인간의 활동 영역을 해양으로 넓히기 위한 가장 기본적인 기술로, 국내 새만금 간척지와 싱가포르(Singapore)가 대표적이다. 우리나라는 전 세계 준설 시장에서 적지 않은 비중을 차지하고 있는데, 준설시장이 기존의 Capital dredging에서 다양한 분야로 확대해가고 있는 상황이어서 새로운 기술 개발의 필요성이 대두된다. 특히, 펌프 및 준설선 관련 기술 개발은 정점에 거의 다다른 반면, 준설선에 실린 준설토를 펌프를 사용하여 엄청난 압력으로 매립지까지 수 km를 압송할 기술개발 속도는 다른 분야에 비해 매우 더딘 상황이다. 이런 내용에 착안하여 KIOST는 (연구책임자: 윤길림 박사) “환경친화적 준설토 확보, 매립 및 운송거리 30km 이상급 이송 기술 개발”이란 신규 연구 과제를 시작하였다. 이 연구는 준설토의 운송 거리를 증가하기 위해 파이프의 압력이 부족해지는 지점에 가압펌프(Booster pump)를 추가로 설치하던 기존의 방법이 아니라, 많은 장비를 사용하지 않고도 관내 흐름을 개선하여 이송 거리를 획기적으로 증가할 수 있는 방법 개발을 목적으로 하고 있다. 이러한 기술 개발로 준설 작업 범위 확대, 이송 배관 설치 작업의 단순화, 관내 압력을 높이기 위한 동력 절감 등 비용 면에서 큰 파급효과가 있을 것으로 예상된다.

2) 주요내용
본 연구는 효율적인 원거리 이송을 위해 배관 내 저항력 저감으로 동력 소모를 줄이고, 준설토 함수율을 높여 친환경적인 준설토 이송이 가능한 장비 개발과 비용 절감을 목표로 하고 있다. 준설토 압송 기술 개발은 이와 유사한 점이 많은 건설 현장의 콘크리트 압송 기술에 착안하여 시작되었는데, 콘크리트 이송 시 전자기장(Electromagnetic Field)을 작용, 이송 효율이 크게 증가하는 연구 결과를 토대로 준설토 이송에 적용하였다. 총 6년 동안 수행중인 준설 연구단 과제는 준설토의 수중 굴착, 이송, 매립 및 활용 등 준설 기술 전반에 대한 연구내용을 포함하고 있으며, 현재는 현장 실증을 위한 연구를 수행하고 있다 (표 1).

표 1. 준설매립이송연구단 과제의 로드맵 (2013~2018)

  준설토 활용 및 현장 실증 연구는 그림 1과 같이 복잡한 과정을 포함하고 있다. 해저에서 굴착된 대부분의 준설토는 강도가 부족하며 다량의 해수를 포함하여 공학적으로 활용도가 매우 떨어지므로, 그 동안 개발된 연구 결과를 적용하여 기초 지반으로 부적합한 준설토를 개량하여 활용하는 연구내용을 포함하고 있다.   
  수중에서 굴착된 준설토는 준설선과 펌프를 지나 파이프를 통해 원하는 현장으로 이동하게 된다. 이때 파이프 내부의 준설토의 분포는 크게 ① 균질 흐름 (Homogeneous flow, 준설토의 입자가 균질 하거나 유속이 빠른 경우), ② 비균질 흐름 (Heterogeneous flow, 입자가 비균질 하거나 유속이 느린 경우), ③ 비균질 흐름이 좀 더 악화되는 경우(Flow with a moving bed, 최악의 경우 관내 폐색을 유발)로 구분된다. 준설토를 보다 효율적으로 멀리까지 이송하기 위해서는 관벽에서 발생하는 마찰을 최소화해야 한다. 기존에는 마찰을 최소화하기 위해 유속 변화에 따른 관내 흐름 변화를 고려하여, 펌프의 압력을 조절하는 방법으로 필요한 유속을 유지하였지만, 준설선 펌프 관리자의 경험에 주로 의존하여 효율적으로 운영되지 못하였다.
   본 연구에서는 이러한 점에 착안하여, 사진 1과 같이 준설토 이송을 모형화한 실내 실험 장치를 구성하였고 관내 유속과 흐름을 분석하여 관내 준설토의 상태를 예상할 수 있는 프로그램 개발을 진행 중이다. 이를 전문가 시스템과 연동하여 누구나 손쉽게 적합한 유속과 펌프 압력을 찾을 수 있으며, 최적화된 이송 시스템을 운영할 수 있는 자동화 연구도 수행 중에 있다.

그림 1. 준설토 이송기술 Pilot test 현장계측 계획 

    사진 1. 실내 관내 유동실험 장치 및 유속측정 장비

준설 연구의 또 다른 핵심 부분 중 하나는 전자기장(Electromagnetic Field)을 이용한 이송 효율 증가에 관한 연구이다. 본 연구에서는 독일 Fluid-Liner사의 전자기장 발생 장치를 응용하여 준설토가 이송되는 관에 전자기장을 발생할 수 있는 전기 코일을 그림 2와 같이 설치하여 이송 효율을 증가시키고 있다. 파이프에 전자기장을 가하면 파이프 내벽에 화합물의 발생 및 부착을 억제하여 파이프 내벽이 매끈한 상태로 유지되며 균질 흐름(Homogeneous flow)을 발생하는 유속 유지 역할의 원리를 이용한 것이다. 펄스 형태의 전자기장을 보내는 Fluid-Liner의 장비는 유속 4 m/s에서도 최대 효율의 90% 이상의 높은 효율을 보여주고 있으며, 이를 준설토 이송에 적용한 결과 동일 펌프 압력에서도 이송 유속이 증가하고 이송 효율이 높아진다. 따라서 전 세계적으로 막대한 준설 물량을 고려할 때 10% 정도의 효율 상승 만으로도 절감되는 비용은 상당히 클 것으로 예상된다. 그 동안 주로 하수처리 시설 및 환경 관련 목적으로 사용해 온 독일 Fluid-Liner사의 전자기장 발생 장치를 준설토의 이송 효율 증가에 사용함으로써, 전자기장에 대한 원천 기술 확보 및 준설토 이송 효율 최적화를 위한 준설토의 입도, 밀도, 파이프 유속, 펌프 압력과 전자기장에 대한 상관관계를 연구 중이다. 
    

그림 2. 전자기장(Electromagnetic Field) 발생장치 (IFT, 2002)

한편 전자기장 발생장치와 별개로 추진 중인 전문가 시스템은 준설을 통해 이송중인 준설토의 유동 전반의 상태 정보 확보를 통해 준설 시 최적의 효율을 확보할 수 있도록 공정 상태 정보를 모니터링 할 수 있는 새로운 기술로, 각 단계에서 필요로 하는 최적화 조건을 모니터링과 함께 시스템 상에서 컴퓨터를 이용하여 결정하게 되며 장거리 준설 시 현장 여건에 따른 성능검증 및 보완을 진행하고 있다.  

■ 준설토 이송기술 국제동향  
전 세계적으로 가장 중요한 준설선과 펌프의 기술 향상에 전력을 다하고 있으나, 준설토 이송에 관 한 연구 개발은 미비한 실정이며, 유체, 기계, 물리, 화학, 전기전자, IT 등 다양한 분야의 기술이 요구되지만, 국내에서는 이러한 연구 교류가 부족한 상황이다. 우리나라도 준설에 대한 다양한 경험을 가지고 있고, 관련 기술이 최첨단이 아닌 것을 고려하면, 외국과 같이 준설 장비 개발에도 많은 관심을 가져야 할 필요가 있다. 준설은 크게 수중 굴착, 운송, 매립으로 나누어지는데, 우리나라는 그 동안 매립 기술에만 전념하여 국제적인 기술 수준과 비교하여 자립이 불가능할 정도로 낮은 수준이다. 최근의 준설 시장은 기존의 항로를 확장하기 위한 capital dredging에서 환경준설(environmental dredging)로 확대해 가고 있으며, 환경 준설은 다시 크게 해저바닥의 오염 물질 제거와 준설 시 발생하는 환영 영향 최소화로 분류된다. 해저 바닥에 안정된 상태로 고정되었던 오염된 준설토가 준설 작업에 의해 오히려 바다로 유출되어 환경 문제를 발생할 수도 있다. 또한 기존 준설과 차별되는 환경 준설의 특징은 준설량보다 준설 농도에 주목하며, 부피는 작으나 작업 속도는 매우 느리고 고도의 관리 기술과 고비용을 필요로 한다.

■ 결론 및 제언
우리나라는 세계적인 해양토목기술과 준설매립에 대한 경험과 노하우를 가지고 있으면서도 준설선 및 펌프 장비의 규모 경쟁과 같은 과거의 틀에서 벗어나지 못해 관련 기술 경쟁력이 점차 약해지고 있다. 본 과제에서는 준설토 이송 효율화 기술 등과 같은 틈새 기술 개발에 집중한 성과를 도출해 내고 있다. 해외에서 연구개발에 박차를 가하고 있는 환경 준설의 경우, 준설선 및 펌프 이외에도 많은 장비와 기술의 섬세한 조율을 필요로 하는 시스템 개발이 관건임을 볼 때, 본 연구 과제를 통해 적용된 ‘IT 기술이 융합된 전문가 시스템 개발’과 같은 경험은 미래 준설 기술 개발에 유용하게 사용될 것으로 기대된다.