『미세퇴적물의 침식임계값(erosion threshold) 측정방법에 관하여』                   

인하대학교 해양과학과 하호경 교수

1. 서론

해양에서 일어나는 퇴적물 이동 프로세스는 다양한 환경인자들이 상호 영향을 주고받는 피드백에 의해 제어된다(그림 1). 대기에서 전달되는 물리적인 강제력(예, 바람)과 해양표층에 일어나는 강제력(예, 조석, 파랑)의 모멘텀이 수층 아래로 전달되는 과정에서 난류현상이 일어난다. 생성되는 난류의 강도는 유속의 연직구조와 밀접한 연관성이 있으며, 특히 바닥 근처에서 발생하는 강한 마찰력으로 인해 퇴적물의 침식, 부유, 이동 등이 순차적으로 일어난다.

자연계에 존재하는 머드와 같은 미세퇴적물(fine-grained sediment)의 침식과정은 개별입자의 물리, 화학적 특성이 거동을 결정한다. 퇴적물 입자의 크기, 밀도, 함수율 등이 노출된 유체에 대한 기본적인 반응을 결정하고, 부가적인 요인으로 퇴적층 내의 지화학 혹은 생물학적인 요인이 있다. 특히, 생물학적인 요인은 퇴적물의 안정도를 강화 혹은 약화시키는 양면적 인자로 역할을 한다. 예를 들어, 수생식물(submerged aquatic vegetation)은 퇴적층을 일부 덮어서 유체흐름을 방해하여 안정도를 강화하는 역할을 하고, 퇴적층 내부에 서식하는 저서생물의 섭식활동은 퇴적층 내부의 구조를 파괴하여 보다 쉽게 침식이 일어날 수 있도록 한다. 본 글에서는 정량화하기 힘든 생물×지화학적인 요인보다는 난류운동과 관련된 물리적인 요인에 의한 퇴적물 침식거동에 대해 주로 다루고자한다.

2. 침식임계값(erosion threshold)의 의미와 중요성

침식임계값의 정의에 앞서, “침식”에 대한 정의가 필요하다. 몇몇 과학자와 공학자의 제안 가운데서 가장 일반적인 정의는 McAnally (1999)에 의한 것이다. 그에 따르면, “침식이란 바닥퇴적층이 기존에 만들어진 구조적 저항(resistance)을 잃어버리는 과정이며, 전단응력(shear stress)이 일정한 임계값이상 도달했을 때 퇴적물입자(혹은 플럭(floc))가 바닥퇴적층으로부터 깎여지는 과정”이다.

여기서 말하는 일정한 값이 바로 퇴적물의 침식임계값을 의미한다. “정지된 바닥퇴적물입자가 어느정도 전단응력을 받았을 때 처음으로 움직이기 시작하고, 수층 위로 휩쓸려서 부유상태를 유지할 수 있을까?” 이 기본적인 질문에서 침식임계값의 중요성은 시작될 수 있다. 머드와 같은 미세퇴적물은 모래와 같은 조립질 퇴적물(coarse-grained sediment)과는 달리 수층 내에서 점착성을 띄면서 응집과정(flocculation)을 겪게 된다. 따라서 침식을 위해 필요한 전단응력과 입자크기의 관계가 정비례하지 않고 또한 비선형적이다. 입자크기 이외에도 퇴적물이 바닥에서 고화(consolidation)되는 과정에 따라 침식임계값은 달라진다(그림 2). 일반적으로, 고화가 진행될수록 함수율은 감소하고 총밀도(bulk density)는 증가한다. 따라서 고화 정도가 진행될수록 침식에 필요한 임계값은 점차 증가한다.

그림 2. 고화정도에 따른 미세퇴적물의 침식임계값의 변화. 고화가 진행될수록 침식임계값은 증가한다. 입자크기가 작아질수록 고화에 따른 침식임계값의 증가분은 늘어난다(Thomsen and Gust, 2000)

바닥퇴적물의 침식현상을 정량적으로 표현하는 변수에는 크게 두가지가 있다. “침식임계값”과 “침식률”이 그것이다. 우선 침식임계값은 바닥퇴적물이 유체에 의해 움직이고 바닥으로부터 분리되어 침식이 시작할 때의 임계바닥전단응력(critical bed shear stress, 단위: N/m2혹은 Pa) 혹은 그 때의 유속(단위: m/s)을 의미한다. 또 다른 변수인 침식률은 침식임계값을 초과한 후, 단위면적-시간당 침식되는 퇴적물의 질량(단위: kg/m2/s)을 의미한다. 즉, 침식이 잘 일어나는 퇴적물은 낮은 침식임계값과 높은 침식률을 보인다. 그림 3에서 설명되듯이, 퇴적층의 아래로 내려갈수록 일반적으로 침식임계값이 점차 증가하는 경향을 보인다. 따라서 더 많은 바닥전단응력이 가해져야 더 아래에 위치한 퇴적물을 침식시킬 수가 있다. 미세퇴적물의 침식에 관한 첫 실험은 Partheniades (1962)가 미국 샌프란시스코 만에서 수행한 실험이다. 초창기에는 물과 퇴적이 순환하는 기능을 갖춘 직선형수조가 사용되었다. 그 실험의 결과를 통해 도출되어진 첫 침식률 방정식은 다음과 (식 1; Ariathurai, 1974).

  인 경우(식 1)

여기서 E는 침식률, tb는 바닥퇴적물에 가해지는 전단응력, tce는 침식임계값을 의미한다. 식 1이 제안된 이후, 많은 과학자와 공학자에 의해 수정된 새로운 침식률 방정식이 제안되었다. Sanford and Maa (2001)에 의해 통합된 경험 침식률 방정식이 제안되었고, 현재 가장 많이 실험현장에서 활용되고 있다(식 2).

  인 경우(식 2)

여기서 M과 n은 침식계수, z는 퇴적층 바닥으로부터의 깊이를 의미한다. 현존하는 미세퇴적물 이동 수치모델 가운데서 침식률이나 침식임계값을 예측할 수 있는 것은 없다. 근본적인 이유는 미세퇴적물 입자간의 점착성 때문이다. 점착성은 입자간에 상호 끌어당기는 힘을 의미하며, 입자의 물리적인 특성은 물론 화학적, 생물학적인 특성에 의해 결정된다. 예를 들어, 생명체의 분비물이나 배설물이 퇴적물입자에 부착되는 과정은 너무나 복잡하고 수치모델 내에서 정량적인 방식으로 공식화하는 것이 불가능하다. 따라서, 현장관측 기반한 침식임계값을 사용하기보다는 수치모델 결과를 조율하기 위한 일종의 조정변수(tuning parameter)로 사용한다. 이는 관측 중심의 해양퇴적학자 시각에서 볼 때 불합리한 접근방식이다.

그림 3. 퇴적물 침식임계값(tce)과 바닥전단응력(tb)과의 관계를 설명하는 모식도. 고화가 진행됨에 따라 퇴적층 아래로 내려갈수록 침식임계값은 증가하는 경향이 있다. 바닥전단응력이 침식임계값을 초과할수록 침식가능한 퇴적층의 두께는 증가한다.

3. 침식임계값 관측장비의 주요특징

해저 바닥퇴적물의 침식임계값을 측정하기 위하여 바닥층까지 직접 장비를 내려 측정하는 방법부터 현장퇴적물 코어를 획득하여 실험실에서 사후 측정하는 방법까지 다양한 시도가 있어왔다. 이 중 현재 활발하게 사용되고 있는 대표적인 4가지 장비를 소개하고자 한다.

3.1. 환형수조(annular flume)

도넛모양의 환형수조는 현장에서 퇴적물의 침식임계값을 직접 측정할 수 있는 장비이다. 대표적인 것이 미국 버지니아해양연구소(VIMS)에 개발한 Sea Carousel이다(그림 4). 직접 퇴적층바닥에 수조의 하부를 설치하고, 연구선에서 기계적 제어를 통해 미리 계획된 전단응력을 순차적으로 증가시킬 수 있다. 수조의 바닥면에는 구조물이 전혀 없어서 바닥퇴적층을 교란없이 수조 내부로 포함시킬 수 있다. 수조의 내×외부 직경이 각각 2.0, 2.3 m이고, 실제 전단응력이 영향을 주는 수조의 단면은 0.15(폭)x0.1(높이) m이다. 기본원리는 수조의 상부링이 회전을 하면서 수조 내부의 물을 순환시키고 전단응력을 바닥에 전달하는 것이다. 링의 회전수와 전단응력 사이의 관계는 이다(Maa et al., 1995). 여기서 는 상부링의 회전속도(rpm)이다. 회전속도가 증가할수록 수조내부의 발생하는 전단응력은 증가하게 되어, 바닥퇴적물의 침식이 활발하게 일어난다. 수조 측면에 설치된 광학산란센서(optical backscatter sensor, OBS)를 통해서 부유퇴적물 농도의 연속관측이 가능하다. 그 값의 변화를 근거로 침식임계값은 정의될 수 있다 (그림 5).

환형수조 내부의 유속 구조의 특징은 원심력 때문에 발생하는 2차흐름(secondary flow)이 항상 존재한다는 것이다. 이로 인해서 수조내부의 전단응력이 공간적으로 균일하지 못하다. 따라서 수직적인 혼합이 항상 발생하여, 부유퇴적물의 농도가 수조내부에서 비교적 균일한 값을 지닌다. 현장 침식실험 관측의 예가 그림 5에 도시되어 있다. 상부링의 회전속도가 계단형으로 증가함에 따라 부유퇴적물의 농도도 반응한다. 실험초기 아주 약한(약 0.01Pa) 전단응력임에도 불구하고 갑자기 부유퇴적물 농도가 증가하는 구간이 있다. 이것은 바닥경계층 위에 놓여 있는 보푸라기층(fluff layer)이 재부유하는 과정에서 발생된 것이다. 이러한 재부유과정은 퇴적층의 침식이라고 할 수 없으며, 실제 침식은 그 하부의 퇴적물이 부유하는 과정이다. 따라서 그림 5에서 바닥퇴적층의 침식임계값은 약 0.04 Pa로 정의할 수 있다. 정확한 침식임계값을 위한 현장관측임에도 불구하고 몇가지 단점이 있다. 우선 수조의 크기를 수용할 수 있는 연구선이 필수적이다. 안정적인 현장 설치를 위해서 잠수부가 투입되어야 하며, 그에 따라 관측수심에 제한을 받는다. 또한 실험에 소요되는 시간이 다른 장비에 비해서 오래걸리는 편이다. 이러한 단점에도 불구하고 환형수조는 바닥퇴적층의 현장에서 침식임계값을 관측할 수 있는 유일한 방법으로써 널리 사용되고 있다.

3.2. 직선형 수조(straight flume)

환형수조의 가장 큰 단점 중 하나인 2차흐름을 줄이기 위해 고안된 것이 직선형 수조이다(그림 6). 뉴질랜드 해양대기연구소(NIWA)에서 개발한 것으로 수조는 직사각형의 단면을 지닌다. 수조내부의 유속은 모터와 연결된 프로펠러에서 강제로 빨아드리는 유량에 의해 결정된다. 그림 6의 오른쪽에 있는 수조의 출입구로 물이 유입되며 침식을 실험하는 테스트 구간 (working area)은 바닥면이 없는 구조이다. 수조의 양끝에 광학산란센서가 각각 설치되어 부유퇴적물농도를 측정할 수 있다. 환형수조 자료와 동일한 분석방법으로 침식임계값을 정의할 수 있다.

-다음편에 계속-