A Pilot Experiments for Evaluation of Cover Soil Loss from Inclined Upland around Remediated Abandoned Mine Site - The Condition of Chemical Characteristics and Inclination -

광해복원 경사지 밭의 토양유실 평가를 위한 현장실험 - 화학적 성질과 경사도 조건에서 -

Abstract

In-situ pilot experiment was carried out to establish a countermeasure on the soil loss from the hill side uplands that was rehabilitated by soil remediation method nearby abandoned mine sites for 2 years. It was considered that the affect of an inclination of cover surface, a stabilization treatment of cover layer by lime and steel refining slag (SRS) and a vegetation of soil surface as an effect factors in the experiment. It was constructed 4 lysimeters (plots, 22 m long, 4 m width) on the hilly side (37% inclination). One plot was control and two plots was treated by 1% lime and SRS. A remind one plot was modified a inclination to 27% to compare the affect of inclination on the amount of cover soil loss. It was attached a reservior tank and water level gauge in the end of lysimeters to measure the amount of the surface water flow and soil loss. It was also installed the automated sensors that could be collect the precipitation, soil moisture content, tension of cover layer in each plots. It was observed that the event of precipitation were caused the soil loss and it were related the physical and chemical properties of cover soil and inclination of surface layer of plots. During the experiment, it was exceeded the national regulation (50 t/ha/yr) in 37% inclination plots even though it was vegetated on the cover soil surface. However, in 27% inclination plot, it was shown that the amount of soil loss was maintained below the national regulation and, more ever, vegetation could reduce the the amount of soil loss. Therefore it was expected that such results could be applied to the future design of rehabilitation projects on the polluted farmland nearby abandoned mine sites.

Ⅰ. 서론

우리나라에서는 과거 약 100여 년간 광산활동으로 인해 오염된 부지들에 대해서 환경부와 산업자원부 주관으로 2000년대 초반부터 복원사업을 수행해 왔다. 특히 폐금속광산 혹은 폐석면광산 주변지역의 농경지들이 중금속이나 석면으로 오염된 농경지들에 대해서는 토양개량공법을 적용하여 2007∼2011년 328개소, 2012년∼2016년 499개소, 2017년∼2019년까지 281개소로 지금까지 약 1,108개소에 대해서 복원사업이 시행된 것으로 나타났다 (KMRC, 2021).

토양개량공법은 광해오염 농경지의 오염토양에 대한 환토 혹은 복토를 실시하는 공법이다. 이중 복토법은 오염된 토양을 원위치에서 입상의 석회석과 제강슬래그를 1∼3% 첨가하여 안정화처리를 한 후, 그 위에 깨끗한 토양을 토취장에서 반입하여 40 cm 내외로 복토해 주는 공법으로서 그 사용빈도가 높은 복원공법이다 (Yun et al., 2010; KMRC, 2014). 복토공법은 다른 공법들에 비해 경제적이고 시공속도가 빠른 장점이 있다. 그런데 복토된 토양 (복토층 토양)이 유실이나 침식에 취약하다는 단점이 있으며, 최근에 시공된 복원부지들에서 이상강우에 의한 토양유실 피해들이 지속적으로 발생되고 있어 이에 대한 시급한 대책수립이 요구되고 있었다 (KME, 2006).

특히, 토양유실 문제는 이상강우의 기상작용 등에 의한 밭에서 현저한 것으로 나타나고 있는데, 우리나라는 전체 밭 면적 중 58.7%는 경사도 15%이상으로 토양유실을 최소화시키기 위해서는 ‘토양보전농법’ 뿐만 아니라 ‘토양보전공학’적인 기술들의 적극적인 적용도 필요한 것으로 보고된 바도 있었다 (KME, 2006; Lee et al., 2007; Jung et al.,, 2007; Hur et al., 2005, 2007). 광해 복원지에서 복토층 토양의 유실은 크게 2가지 측면에서 문제를 야기하고 있다. 우선 유실된 복토층 토양이 하류지역으로 유실되어 산사태 발생의 위험이 있으며, 두 번째는 하부 오염토층의 지표노출로 오염성분의 확산과 주변 수계로 유입되면 중금속이나 석면성분에 의한 수질오염의 원인으로 작용할 수 있어 더욱 심각한 문제를 야기할 수밖에 없었다.

환경부는 2004년부터 수질보전대책의 일환으로 고랭지밭에 대한 비점오염원 저감을 위한 종합대책을 수립해서 강력하게 시행해 오고 있기 때문에 광해복원 부지에 대한 대책수립도 시급한 상황이었다 (KME, 2006, 2004). 그러나 이에 대한 충분한 자료의 수집과 정리, 및 체계적인 설계 및 시공법에 대한 지침 등이 마련되어 있지 않아서 관련 공무원이나 소유주, 및 복원현장의 기술자들 사이에서 많은 혼선을 야기하고 있었다. 따라서 본 논문에서는 경사지에 위치한 광해오염 농경지 (밭)를 토양개량공법 중 복토법으로 복원한 경우를 가정하여 현장에서 복토층의 경사도, 복토재의 개량 및 표면의 식생조성이 토양유실 발생정도에 미치는 영향을 비교⋅관찰하여 실제 현장에서 적용 가능한 설계 및 시공방안을 제시한 결과를 정리하였다.

Ⅱ. 재료 및 방법

1. 현장시험 및 모니터링 방법

가. 현장시험을 위한 부지선정

본 연구에서는 경사지에 위치한 광해오염 농경지 (밭)을 대상으로 복토공법을 적용하여 복원공정을 완료한 후, 복원 농경지에 대한 토양유실 발생특성을 알아보고자 하였다. 이 목적을 달성하기 위해 실제 광해복원 사업이 시행된 지구를 대상으로 현장시험구를 설치하여 모니터링을 실시하기 위한 대상지역 선정 작업을 수행하였다 (Table 1). Table 1에 제시된 조사지역들 중에서 과거 토양유실사고가 발생한 지역이며, 부지확보, 주민협조, 현장 접근성 및 시공 난이도등을 함께 고려하여 2개 지점을 선정하여 현장시험구를 조성하였다.

Table 1 Description of the four study sites

여기서는 2개 지점 중 B-광산 지역의 사례를 발표하고자 하며, 해당 광산은 농경지 (밭)의 경사도, 복토재의 안정처리효과 및 경사도 완화효과를 검증한 사례이다. 특히 B-광산 현장의 필지는 경사도가 약 37%에 달하는 급경사지로서 본 연구의 목적에 가장 적합한 필지로 판단되었으며, 해당 시험구가 설치된 지역의 일반현황은 Table 2에 나타내었다.

Table 2 The current status and location of the selected study site (SSS)

나. 현장 시험구 및 계측기 설치

현장의 시험구들은 환경부 (KME, 2015) 고시를 참고하여 설계 및 시공되었다. 현장시험구는 강원도 정선구 남면의 폐광산 주변 지역의 1개 필지를 선정하여 설치하였으며, 자세한 현장정보는 Fig. 1과 같다. 시험구는 길이 22 m, 폭 4 m로 하였으며, 3개의 처리구를 설치하였다. 현장시험구의 경사는 현장의 경사도를 적용하였다. 시험구 하부 유출부에는 2,000 L 용량의 침사지 (FRP제질의 수조)을 설치하여 유실량을 실측하였다 (Fig. 1).

Fig. 1 Detail view of experimental plots

시험구는 총 3개가 설치되었는데, 원지형 (경사도 37%)에 복토공법만 적용한 대조구 (B), 대조구의 같은 지형조건에서 복토재를 석회와 퇴비를 처리한 처리구 (A), 원지형을 경사도 25% 미만의 계단 (테라스)형식으로 조정한 계단전 (C)이었다. 계단전은 경사도뿐만 아니라 경사면 길이 (10 m)도 짧아지는 기하학적 모양을 가진다. 여기서 25%는 급경사의 기준이 되는 기울기로서 일반적으로 사면이 이를 초과하면 급경사지로 분류할 수 있다 (KMAFRA, 2006; KMAFRA & KRCC, 2006; KMAFRA, 2010, 2013; KMAFRA, 1975). 실제 광해복원 현장에서 경사도 25%를 초과하는 필지가 상당수 존재하고 있다. 그러나 이들의 경사도를 모두 15% 미만으로 낮추는 것은 공사비 측면은 물론이고 주민동의 측면에서도 큰 어려움이 존재한다. 따라서 급경사 기준인 25% 기준으로 그 적용성을 평가해 보고자 하였다.

복토재의 시비처리가 토양유실에 미치는 영향을 파악하기 위하여 1차년도 (2018)에는 처리구에 대하여 유실억제제로서 석회 (1%)와 퇴비 (3%)를 처리하고, 2차년도 (2019)에는 퇴비 (2%)만을 처리하였다. 그리고 계단전은 원지형과 경사도가 완화된 지형에 대하여 유실억제 효과를 비교하기 위한 것으로 석회와 퇴비는 처리하지 않았다.

한편 현장 시험구에 사용된 복토재의 토성은 사질 양토로 분류되었는데 해당 사업지구에서 사용하는 복토재를 함께 사용하였다. 처리구의 석회와 퇴비는 복토재를 대상으로 한 실내실험 결과를 고려하여 그 추천 시비량으로 처리하였다(KMRC, 2016). 복토재 포설 시에는 별도 다짐은 실시하지 않았다. 복토재의 이화학적 특성 분석 결과는 다음과 같았다.

토성, 유기물함량 (OM), 총질소 (T-N), pH, 수분함량, 유효인산 (P₂O₅), 양이온치환용량 (CEC), CaO, MgO, K2O 및 가비중을 토양화학분석법 (국립농업과학원, 2011)에 준하여 분석하였으며, 오염도를 검토하기 위해 비소 (As) 및 중금속 (Cd, Cu, Pb, Zn, Ni)을 토양오염공정시험기준 (국립환경과학원, 2017)에 준하여 분석하였다.

Table 3 Physcial and chemical properties of cober material

현장 시험구는 2018년에 설치되었으며, 복토층 포설과 현장계측은 2018년 5월부터 2019년 11월까지 실시되었다. 각 시험구에는 유출량, 토양함수비, 및 토양수분장력을 측정할 수 있는 계측장비를 설치하였으며, 그 자세한 설치내용은 Table 4 및 Fig. 2와 같았다. 현장의 강우량을 측정하기 위해 시험구 사이에 강우량계를 설치하였으며, 계측기 자료는 무선송신기로 서버에 저장되도록 하였다. 유실량은 주요 강우(20 mm/day)발생 시 현장을 방문하여 실측하였으며, 주요 강우가 없는 경우에도 월 1회 현장조사를 실시하였다.

Table 4 Sensors specification and installation quantity

Fig. 2 Installation scheme of sensors

다. 식생의 영향조사

시험구를 대상으로 복토층 표면의 식생에 의한 피복효과를 확인하기 위하여 비교시험을 실시하였다. 1차년도인 2018년에는 복토층 조성 후에 별도의 식재를 실시하지 않고 자연상태로 관찰하였다. 2차년도에는 우기가 시작되기 전인 6월초에 작물을 파종하여 식생에 의한 토양유실 저감효과를 관찰하였다. 작물선정은 주변 지역에서 많이 재배하는 팥을 선택하였고, 처리구 내에 약 30 cm 간격으로 한 처리구에 약 400주 내외의 팥 묘종을 파종하여 2019년 10월에 수확하였다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 강우량과 토양수분의 변화

복토 포설 후 계측된 현장 강우량과 토양수분의 계측결과는 Fig. 3 및 Fig. 4에 각 연도별로 나타내었으며, 강우 발생시 각 시험구들에서 토양수분 변화에 대하여 상부 (a)와 하부 (b)의 결과를 각각 구분하여 나타내었다. 대조구를 포함한 각 처리구들은 서로 토양수분함량에 대해서는 서로 차이가 있었으나 강수발생일에 토양수분함량이 크게 증가하고 강수가 종료되면 다음 강수발생일까지 토양수분함량이 서서히 감소하는 공통적인 경향을 보였다. 처리구별 토양수분 변화량은 전체적으로는 비슷한 경향을 나타내었다. 1차년도(2018)의 특징으로는 비교구가 상·하단 모두 가장 낮게 유지되는 것으로 나타났으며, 계단전은 하단에서는 높게 유지되는 특징을 나타났다. 이는 상대적으로 경사도가 높은 비교구와 처리구의 침투에 의한 배수가 빠르게 일어난 영향이라고 판단되었다.

Fig. 3 Relationship between Rainfall and soil moisture (2018)

Fig. 4 Relationship between Rainfall and soil moisture (2019)

2차년도에는 비교구의 토양수분이 전반적으로 높게 나타났으며, 1차년도와 다르게 계단전의 수분함량이 낮게 유지되는 특성을 보였다. 일반적으로 토양수분량 변화는 토양유실에 크게 영향을 주는데, 토양수분이 증가하면 유실에 대한 취약성도 증가한다(Al-Kayssi et al., 1990; Liu et al., 2011). 이러한 변화는 식생도입에 의한 보습과 증발산의 영향으로 보였지만, 이에 대한 자세한 조사는 실시하지 못했으며, 다만 이후에 언급한 토양유실량 발생결과와 관련되어서 그 효과를 간접적으로 유추할 수 있었다.

2. 복토재의 이화학적 특성

Fig. 5는 각 처리구별 복토재의 이화학적 성질의 변화를 관찰한 것이다. 2018년도에는 석회 및 퇴비를 모두 적용한 처리구의 경우 pH값은 관찰 기간 동안 8∼9 정도로 다른 대조구와 계단전보다 상대적으로 높은 값을 유지하는 것으로 나타났다. 그리고 Ca 및 유기물의 함량도 각각 20∼28 cmol⁺/kg 및 1.5∼2.4% 정도로 대조구와 계단전보다 모두 높은 것으로 나타났다. 그러나 2차년도(2019)에 퇴비만을 적용한 처리구는 대조구 및 계단전과 pH, 유기물 및 Ca함량이 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타나 처리량이 낮았던 것으로 판단되었다. 2차년도 결과 중 유기물 두 번째 (5월) 측정값은 분석오류로 보였으며, 다른 분석결과는 유사하게 나타나 이를 참조하였다.

Fig. 5 Chemical properties of the cover soils​​​​​​​

전체적으로 화학적 특성변화는 일정한 경향을 찾기 어려울 정도로 변동이 심했으며, 아마도 지속적인 유실발생으로 하부토양이 표토층으로 노출되어 일정한 경향을 얻을 수 없었던 것으로 추정된다. 따라서 이러한 방법으로 화학적 특성과 토양유실의 변동간의 경향성을 찾기는 어려울 것으로 판단되었다.

3. 복토층 표면의 식생피복의 영향

Fig. 6은 복토층 표면의 식생상황을 사진으로 촬영하여 정리한 것이다. 1차년도인 2018년에는 별도의 식물피복을 준비하지 않았으며, 자연상태에서 식물이 자라서 일부 피복이 된 상황을 나타내고 있다. 2차년도인 2019년에는 복토재 정비 후에 6월 초에 작물을 파종한 후 정상적으로 생장하는 것으로 나타났으며, 7월 중반 이후부터는 모든 처리구가 잎으로 완전히 덮여서 잎이 시들기 시작한 9월 말까지 양호한 피복상태를 유지하였다.

Fig. 6 Variation of plant covering with treatment

1차년도에 복토층 표면에 특별한 식물을 파종하지 않았지만 대조구와 계단전의 표면에는 자연적으로 식물이 자생하여 Table 5와 같은 면적을 피복하고 있는 것으로 조사되었다. 자연상태의 식물피복으로 균질성이 확보되지 않는 한계를 확인할 수 있었다. 2차년도에는 작물의 파종과 관행적인 재배로 시험구 전체가 완전하게 표토피복이 도달 되었으며, 별도로 피복도 조사를 진행하지는 않았다.

Table 5 Maximum plant cover area and rate on 2018​​​​​​​

4. 토양유실 발생 결과

Fig. 7은 현장에서 측정된 토양유실량 실측결과를 누적강우량과 함께 나타낸 것이다. 1차년도 강우발생이 2차년도 보다 횟수와 양에서 모두 많았음에도 불구하고 대조구와 처리구 모두에서 2차년도 유실량 발생이 더 많은 것으로 나타났다.

Fig. 7 Amount of soil losses with accumulated rainfall​​​​​​​

Fig. 8은 유실량 만을 비교한 것이다. 대조구는 약간 차이는 있지만 2018년도와 2019년도 유실량 발생이 비슷한 것으로 보였다. 그러나 처리구는 2차년도 유실량 발생이 1차년도와 비교해 현저히 증가 (182%)한 것으로 나타났다. 1차년도에는 석회3%와 퇴비1%를 함께 처리했고, 2차년도에는 퇴비2%만 처리한 차이가 있으며, 석회 3%에 의한 경화효과가 2차년도에는 없는 것에서 기인한 것으로 보인다. 석회는 기본적으로 토양의 입단형성에 기여하고 수분을 흡수하여 함수비를 낮추며 밀도 증진에도 일부 기여하는 것으로 알려져 있다 (Cho et al., 1977; Whang, et al., 1994). 즉 복토층 조성한 직후에는 석회를 같이 처리해 주는 것이 토양유실에 유리하다고 판단되었다.

Fig. 8 Soil losses of each plot​​​​​​​

삭회나 유기물 모두 평지조건의 밭에서는 입단형성에 기여하여 토양유실을 저감시키는 기능을 수행할 수 있겠지만, 본 연구의 대상인 경사도 37%의 급경사지 밭에 40 cm 두께의 복토층을 설치하는 경우에서는 동일한 효과를 확인하지 못했습니다.

1년차 석회 3% + 유기물 1%를 처리한 경우, 2차년도 유기물 2%를 처리한 경우가 무처리한 대조구 보다 더 큰 유실이 발생하는 것으로 나타났고, 그 차이도 비교적 크게 나타나 현장환경이나 측정 상에 오차도 아니라고 판단되었다.

이는 급경사도에서 기인하는 현상이라고 판단하였고, 복토층은 경작을 전제로 경운작업까지 해 놓아서 유실에 매우 취약한 상태였으며, 강우강도 10 mm/hr 내외에서도 대규모 유실이 발생해 일반적인 토양유실의 경우와는 다른 현상을 보이는 것으로 판단되었다.

한편 계단전에서는 2차년도의 유실량 발생이 1차년도에 비해 많이 감소한 것으로 나타났다. 계단전은 2차년도 유실량 발생이 1차년도의 약 17%수준으로 감소된 것으로 나타났다(Fig. 8). 이러한 1차년도와의 차이는 복토층 표면에 식생피복을 해준 것인데, 이로 인한 효과가 상대적으로 완만한 경사도와 짧은 사면거리와 함께 유실량 감소에 크게 기여한 것으로 판단되었다. 계단전의 유실량은 다른 처리구와 비교하면 평균 1/10 수준 이었다 (Fig. 8).

한편 ‘환경부 고시’ (KMC, 2019)에서는 연간 1 ha의 표토에서 침식량 기준을 50 ton으로 규정하고 있다. 현장의 각 시험구에서 발생한 토양유실량을 연평균으로 해서 1 ha의 면적으로 환산하면 Fig. 9와 같이 산정되었다. 2018년에는 처리구와 계단전이 기준이하로 나타났으며, 2019년에는 계단전만이 기준이하로 나타나 계단전 형태로 복원을 진행하는 것이 합리적일 것으로 판단되었다. 본 연구에서 계단전에 적용한 경사도 25%의 적용성이 높을 것으로 기대되었다. 경사도가 25%인 경우에는 복토재에 유실억제제의 처리를 통하여 유실을 감소시킬 수 있을 것으로 보였으며, 석회를 최소한 1%이상 다른 처리제와 함께 사용하는 것이 유리할 것으로 판단되었다.

Fig. 9 Comparison to national regulation of annual limitation of soil loss​​​​​​​

Ⅳ. 결론

광해복원사업에서 오염농경지 복원공법으로 많이 적용되는 토양개량공법이 적용된 경사지 밭에서, 최근 빈번한 집중호우현상 등으로 복토재가 유실되는 사례가 자주 발생하여 농경지의 훼손과 주민의 안전까지도 문제가 되고 있다. 따라서 본 연구에서는 복토재 토양의 유실저감을 위한 방안 수립을 위해 현장에서 실험을 진행하였으며, 다음과 같은 결과를 얻었다.

1. 실험결과에서는 토양유실이 강우발생과 관련이 있다는 사실을 확인할 수 있었지만, 유실량이 강우강도와 비례하지는 않는 사실도 확인할 수 있었다. 토양유실 발생은 복토층 토양의 이화학적 조건이나 경사도 차이에 의해서 차이가 발생하는 것으로 판단되었다.

2. 본 실험에서는 토양개량공법을 적용해 복원된 경사도 37%의 밭에서의 토양유실량은 연간표토침식량의 기준을 초과하는 것으로 나타나 적용을 제한해야 할 것으로 나타났다. 다만 시험결과 중에는 유실 억제제로서 석회 1%이상을 복토층 표층에 혼합하여 주면 유실저감 효과가 있는 것으로 확인되었다.

3. 한편 경사도를 25%로 완화한 계단전 시험구에서는 토양유실량이 연간 50 ton/ha 미만으로 계속 유지되는 것으로 나타나 현장 설계와 시공에서 적용성이 높을 것으로 판단되었다. 이 결과는 기존에 경사도 완화 기준이 명확하지 않아 발생했던 현장에서의 애로사항을 해결해 줄 수 있을 것으로 기대된다.

4. 복토층 표면의 식생피복은 경사도 37%에서는 유실저감에 미치는 효과가 크지 않은 것으로 보였다. 그러나 경사도 25%의 계단전 처리구의 경우에는 그 효과가 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 경사도 25%와 식생피복을 설계와 시공에 반영할 경우 복원현장에서 토양유실 저감에 효과적일 것으로 기대되었다.

감사의 글

이 연구는 2019년도 경상국립대학교 연구년제 연구교수 연구지원비에 의하여 수행되었음.