21세기 산업을 관통하는 키워드는 친환경과 경제성이다. 끊임없이 신소재가 개발되는 것 또한 이러한 흐름과 일치한다. 저비용고강도 재료인 콘크리트는 값싸고 튼튼한 재료지만 물속에 장기간 노출되면서 중금속을 포함해 각종 유해물질이 용출되고 생태계가 위협을 받자 이를 해결할 새로운 기술이 등장했다. 무엇보다 기존의 하천조성기술을 넘어선 경제적이고 친환경적인 하천복원기술이 개발되었는데 바로 무독성 친환경 소재인 바이오폴리머를 이용한 생태하천 복원기술이 그것이다.
□연구목적
독성물질이 포함된 콘크리트 대신 무독성 식물성 폴리우레탄 접착소재 바이오폴리머(biopolymer)를 활용해 하도 및 저수호안에서 치수적으로 안전하고 생태적으로 건강한 하천으로 복원할 수 있는 생태복원기술을 개발하고자 했다.
□주요성과
적용기술에 대한 실험적 데이터 확보
개발된 기술에 대한 안전성을 확보하기 위해 실내실험, 실규모 하천실험, 고유속실험을 시행했다. 실내실험에서는 ‘하상보호공(보(洑)나 낙차공과 같은 구조물 하부의 침식을 방지하기 위해 하천 바닥에 설치하는기술)’의 토양흡출 방지를 위한 포설두께 산정공식을 개발하고 이를 적용했다. 또 실제 규모 하천실험장인 안동하천실험센터에서 유속에너지가 표면 유속 대비 30%가 절감되는 효과도 확인했다. 끝으로 유속 5m/sec에서 안전성을 담보하는 고유속실험 및 소류력 측정실험도 성공적으로 마쳤다.
친환경 소재 바이오폴리머를 활용한 저수호안 및 하상보호공 개발기술 검증
친환경 소재인 바이 오폴리머를 활용하여 개발된 기술을 현장에 적용하기 위해 지자체(창원시/김해시)와 MOU를 체결하고 창원시 광려천과 김해시 대청천 현장에 시범사업을 추진했다. 개발기술의 수리적 안전성과 생태성도 검증했다. 홍수 전후를 포함해 계절별로 물리(하상변동/수심/유속 등), 화학(수질 및 저니질), 생물(식생/어류/저서무척추동물/양서파충류/부착조류 등)학적인 모니터링도 성공적으로 실시했다.
물리, 화학, 생물학 면에서 안전하고 친환경적인 기술 확인
개발된 기술은 대규모 홍수에도 하상이 변동되거나 침하와 이탈현상이 나타나지 않고 수리적으로 안전했다. 또 사업구간을 전후로 비교한 결과, 오염물질이 용출되지 않아 생태계에 미치는 영향이 없었다. 특히, 하상보호공의 경우 깨끗한 물에서 확인되는 부착조류(附着藻類)의 비율도 더 높게 나타났다. 하상보호공안에 조성된 여울구조를 통해 용존산소(물 또는 용액 속에 녹아 있는 분자상태의 산소)가 공급되어 수질이 개선된 것이다. 이뿐 아니라 홍수 때에 하천호안 및 하상보호공 골재 틈 사이(공극)로 자연스럽게 토양과 종자가 공급되기 때문에 별도로 식물을 식재하지 않아도 식물이 자랄 수 있는 환경을 만들어줘 하천경관도크게 개선됐다.
□연구의 차별적 특징
독성 없는 자연친화적인 소재 바이오폴리머 활용
식물성 소재에서 추출한 바이오폴리머(Bio-polymer) 접착소재가 하천생태계(어류 및 양서파충류)에 미치는 영향을 분석해 독성이 없다는 것을 검증했다.
차수시트 미활용
호안조성기술은 하천 유수에 의한 침식으로부터 하안과 제방을 보호하기 위하여 조성하는 공작물이다. 기존에 저수호안을 조성할 때에는 사면부 토사가 유출되는 것을 방지하기 위해 차수시트를 설치해야 했다. 문제는 차수시트를 설치하면 저수호안 표면부에 도입되는 식물의 뿌리가 흙에 연결되지 않아 식물과 생물이 제대로 자랄 수가 없다는 점이다. 하지만 개발된 기술은 차수시트가 없어도 토사가 빠져나가지 않도록 다층의 구조(필터층)를 만들었는데, 이것은 식물이 다공질 틈새로 뻗어나가 뿌리를 내리고 저수호안 표면에 붙어원활히 자랄 수 있게 도와주는 역할을 한다.
공기 단축 및 경제성 높여
기존에는 미끄럼방지공과 사면부를 따로 설치해 공사기간도 길고 단가도 비쌌다. 하지만 미끄럼방지공과 사면부를 하나로 합쳐 공사기간을 단축시키고시공비용도 30% 가량 절감했다.
치수 안전성 확보
기존의 호안조성기술 중에 식물과 생물이 자랄 수 있는 식생호안은 생태적으로 양호하지만 홍수 때에 유실되기 쉬워 수리적으로 안전하지 못하다는 평가를 받아왔다. 또한 대부분의 하천조성기술들이 과학적으로 검증되지 못하였기 때문에 사용자들이 신뢰할 수 있는 기술이 요구되었다. 개발된 기술은 실내실험과 실규모 하천실험을 통해 수리적인 안전성을 검증하였고, 시공시 포장두께 산정공식도 제시했다. 또한 GPR비파괴분석법을 활용하여 개발된 호안공법이 일정 규모의 홍수가 발생해도 무너지거나 붕괴·유실되지 않는다는 것을 검증함으로써 홍수에도 견딜 수 있는 안전하고 신뢰성 있는 기술로 친환경 조성에 일조할 것으로 보인다.
□연구 성과의 파급효과
● 기술부문
내구성 · 생태 환경성 뛰어난 친환경 생태하천 조성
기존기술은 홍수가 날 경우 이탈하고 훼손되어 제 기능을 하기 힘들지만 개발기술은 유수에너지를 흡수하고 저감시켜 이탈과 훼손되지 않고 호안과 하상을 보호한다. 또한 기존 콘크리트에서는 강 알카리(pH), 납, 카드뮴, 크롬과 같은 중금속이 약 10년간 지속적으로 방출되어 하천환경에 악영향을 미쳤다.
이에 반해 개발기술은 내구성과 환경성, 생태성이 뛰어나 친환경 생태하천을 조성할 수 있다. 또 관련 특허 및 원천기술기반 신기술로 지정될 경우 하천복원기술이 크게 향상될 것으로 기대된다.
● 사회경제사업화부문
저수호안 · 하천구조물 개선되고 관련 산업 활성화
개발된 기술은 지역주민에게 홍수에 안전하며 건전한 하천생태계를 제공하고 빼어난 하천경관과 다양한 문화행사가 이루어질 수 있는 하천공간도 제공할 것으로 보인다. 단순 설치비용도 최소 30% 절감될 뿐 아니라 홍수 발생 시 20% 유실이 발생한다고 가정할 때 유지관리비용도 70% 절감될 것으로 예측된다. 무엇보다 2차 환경부담금까지 고려하면 경제성이 매우 뛰어나다. 이 기술은 국가·사회적으로도 크게 일조해 국가와 지방 하천의 저수호안 전반과 전국 약 50,000여 개의 하천구조물을 개선하고 개량하는 데에도 활용될 것으로 기대된다. 또 하천복원과 관련한 신소재산업이 활성화되고 관련 신공법에도 활용될 것이다.
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