염생식물을 이용한 해안방수벽 배면 녹화방법에 관한 연구

대상지를 최적상태로 녹화하기 위해서는 대상지의 자연환경에서 자생하는 종과 현존 식생유형을 중심으로 한 대상지의 환경에 맞는 식생구조를 선정하는 것이 가장 중요하다(IDI, 2000).

염생식물은 전 세계적으로 2,000~2,600종, 국내 57종(Kim, 2013; Sim et al., 2009)이 분포하며 해수의 침수시간 및 빈도, 염도, 토양함수량 등의 국지적 환경요인에 따라 대상분포(zonation)를 이루고 있다. 이는 대상지역의 위치 및 특성에 따라 적용 가능한 염생식물의 종류 또한 각기 달라진다는 것을 의미한다.

따라서 본 연구 대상지에 적합한 염생식물 선정을 위해서 현장 및 문헌조사를 통해 대상지 인근 해안에 자생하고 있는 염생식물 현황, 서식환경, 종 특성 등을 파악한 후 선정기준을 설정하여 적합종을 최종 선정하였다.

선정기준으로는 고온·건조, 강풍, 염분, 수분 및 영양분 부족 등의 대상지 환경특성을 고려하여 내건성, 내염성이 강하며 식생기반 의존도가 낮은 종을 선택하였다. 또한 대상지 주변의 자생종, 다년생, (반)상록 종, 낙엽성 식물을 포함하여 기준항목으로 선정하였다.

현장조사 방법은 조사지역의 해안가를 중심으로 상·하 50m 범위에 출현하는 종을 사진 촬영하고 기록하는 방법으로 진행하였다. 종 동정은 원색대한식물도감(Lee, 2003), 한국의 염생식물(Kim, 2013)을 이용하여 가능한 현장에서 실시하였으며, 현장에서 동정이 어려운 종은 표본을 채집하여 실험실에서 동정하였다.

대상지와 같이 자연지반과 단절되어 수분공급을 강수에만 의존하여야하나 제한적인 식생기반과 고온·건조한 환경으로 인해 극심한 수분스트레스가 발생하기 쉬운 인공지반의 녹화 시에는 식물의 수분이용 효율(내건성)이 가장 중요한 요소이다. 이는 여름철의 장기간 가뭄 속에서 식생을 지속적으로 유지 시킬 수 있는 핵심이 된다.

그러므로 선정된 종들이 실질적으로 대상지환경에서 건조에 버티며 자생할 수 있는지 적합성을 판단해야 한다. 또한 식물의 생존유무는 각 식물의 내건성뿐만 아니라 토량 및 토심이 갖는 토양의 물리적 특성, 보수력 등에도 달려있기(Park & Park, 2013)에 각 종이 대상지 환경에서 자생할 수 있는 최소한의 토량 및 토심을 조성해주어야 한다. 따라서 실험구의 토심을 각기 다르게 설정하고 무강수, 무관수로 실험을 진행하여 내건성뿐만 아니라 최소 토량 및 토심을 동시에 알아보았다. 여기서 최소 토량은 식생이 대상지의 최대 무강수 일수 이상 동안 생육 가능한 수분을 보유할 수 있는 용량을 의미한다.

실험은 선정된 종을 각각 가로 45cm, 세로 27cm의 화분에 6개체를 완전임의배치법에 따라 15cm, 10cm, 5cm의 토심별로 식재한 후 1개월의 순화기간을 거친 다음에 비가림막을 설치하고 실험 종료 시(7/10~8/10)까지 무관수로 식물이 완전히 고사할 때까지 진행하였다. 실험 종료 후엔 최대 무강수 일수 이상 위조현상 없이 원활한 생육을 유지하고 있는 실험구들을 대상으로 가장 적합한 실험구를 결정하고 결정된 실험구의 부피(토량)에 식재 개체수를 나누어 1개체당 소요토량을 산정하였다.

최대 무강수 일수는 기상청의 기상자료개방포털(data.kma.go.kr)에서 대상지와 가장 근접한 지역의 10년 치 자료를 수집하여 분석하였으며, 여름 중 가장 무더운 7~8월을 기준으로 하여 고온 및 수분스트레스로 인한 생육저하 없이 생육할 수 있는 최소 토량이 산정될 수 있도록 하였다.

위조일의 판단 기준은 각 실험구별 50% 이상이 위조현상을 보이는 날을 기준으로 하였다. 실험에 적용한 식물은 모두 성체를 이용하였으며 생육상의 오차 발생을 줄이기 위해 초장, 엽면적 등 전체적인 생육상태가 유사하고 양호한 것을 선정하였다.

식물 식재간격은 국토해양부의 표준시방서 기준을 고려하여 15cm로 하였으며, 현장적용 시에도 그대로 적용하였다.

부착공법이란 식물이 서식하기 어려운 인공구조물의 본래기능을 훼손시키지 않으면서 적용 지역의 자연현상도 파괴되지 않도록 설계되는 것을 말한다(KOSERT, 2003). 따라서 해안인공구조물에 부착공법을 적용하기 위해서는 대상지 본래의 방재적 기능에 위협을 가하지 않아야 하고 관수, 시비 등의 에너지 투입 없이 식생이 대상지환경에서 자생할 수 있도록 효과적으로 강수를 이용할 수 있으며 식생이 필요로 하는 최소한의 식생기반을 수용할 수 있는 구조여야 한다.

따라서 기존의 다양한 공법들을 분석하고 문제점을 파악 및 보완·개선하여 대상지 특성에 적합하게 설계하였다. 최종 고안된 녹화공법은 해양구조물 전문가 및 엔지니어의 자문을 통해 안정성을 강화시키고 세부사항에 대해서 구체화함으로써 실제 적용 시 발생 될 수 있는 문제를 예방할 수 있도록 하였다.

KOSERT(2003)에 따르면 산지, 인공지반 등 조건이 상당히 다른 곳임에도 불구하고 식생의 생육에는 공통적으로 토양층의 두께 및 용적이 큰 영향을 미치고 있는 것으로 나타나 식생기반의 중요성이 큰 것으로 나타났다. 그러나 대상지는 해안산책로로써 시민들의 이동에 방해가 되지 않아야 하며, 경제적인 녹화비용을 위해 최소한의 식생기반을 조성해야한다.

따라서 산정된 한 개체당 최소 필요토량과 15cm의 식재간격을 기준으로 녹화구조물에 식재될 총 개체수를 곱하여 산출되는 총 토량을 녹화구조물의 총 용적으로 설정하고 규격을 산정하였다.

식생기반은 건조하고 척박하며, 비산 및 월파로 인한 염분축적이 발생하는 대상지환경과 습기에 약하여 배수가 잘 되는 토양을 선호하는 선정종들의 특성을 고려하여 보수력, 양이온교환용량(CEC), 투수력이 높은 유기물 및 무기물 재료를 배합하였다. 그리고 침식방지를 위해 식물의 뿌리역할을 할 수 있는 보강섬유와 접착제 역할을 하는 셀룰로오스를 혼합하여 토양의 결합력을 높였다.

따라서 식생기반은 선정된 대상지 환경과 식물의 특성을 고려하여 해안사구 식물은 모래, 질석(보수력 및 보비력 증가), 제올라이트(높은 CEC로 보비력, 염분의 흡착 및 치환능력 증가), 패화석(다량의 교환성칼슘으로 염분용탈능력 증가), 퇴비(유기물공급, 보수력 증가, 입단화 촉진)를, 해안육지 식물은 화산석(투수성 개선, 다공성으로 높은 보수력과 보비력 증가), 피트모스(유기물 공급, 보수력, 입단화 촉진, 통기성 개선), 제올라이트, 패화석, 퇴비를 사용하였으며, 보수력과 투수력이 균형을 이룰 수 있도록 무기물과 유기물을 1:1비율로 혼합하여 적용하였다.

대상지 주변 염생식물 서식지 조사결과, 25종의 염생식물이 분포하고 있었다. 이 중 다년생인 종을 대상으로 선정기준에 따라 분류한 결과, 최종적으로 갯고들빼기(Crepidiastrum lanceolatum), 갯메꽃(Calystegia soldanella), 갯잔디(Zoysia sinica), 돌가시나무(Rosa wichuraiana), 땅채송화(Sedum oryzifolium), 섬기린초(Sedum takesimense), 참골무꽃(Scutellaria strigillosa), 해국(Aster spathulifolius)으로 총 8종을 선정하였다(<Table 1>). 선정된 종들은 대상지환경과 유사한 바위, 암벽의 틈새 및 경사지, 사구 등의 척박하고 건조한 환경에서 서식하는 종으로서 식생기반 의존도가 낮고 내건성이 매우 강하며 해수침수 시에도 높은 저항성을 띄는 특성을 가진다.

<Table 1>

Emergence of halophytes near the target area and classification according to species selection criteria

대상지 부근의 최근 10년 치의 기상자료를 분석한 결과 실험시기(7~8월)의 최대 무강수 일수는 17일(평균 10일)로 나타났다(<Table 2>).

<Table 2>

Monthly consecutive dry days during 10 years in the study area

무강수 조건에 따른 각 선정종의 토심별 위조가 일어나기까지의 일수는 <Table 3>과 같다.

<Table 3>

The number of growing days without wilting

실험기간 내 실험지의 기온은 평균 32.3℃, 평균최고기온은 48.0℃로 부산의 8월 평균최고기온이 30.4℃인 것에 비해 매우 고온·건조한 환경이 지속적으로 조성되었다([Fig. 1]).

[Fig. 1]

weather situation during the experiment period.

각 종의 위조현상 없이 생육한 일수를 측정한 결과, 참골무꽃과 해국을 제외한 모든 종은 10cm 이상의 실험구에서 17일 이상 원활한 생육을 보였다. 반면 5cm 실험구에서는 갯잔디, 땅채송화, 섬기린초를 제외한 나머지 종은 대상지 환경에 적합하지 않은 것으로 나타났다.

갯잔디, 땅채송화, 섬기린초는 실험기간 동안 토심에 따른 차이가 적어 식생기반에 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타나 척박한 환경에 아주 강한 저항성을 지니는 것으로 나타났다. 특히 땅채송화, 섬기린초는 경량형 옥상녹화에 많이 사용되는 종으로 대상지와 같이 한정적인 공간에서 경제적이고 효율적인 녹화를 이룰 수 있는 종이다. 반면 토심에 따라 위조일수가 비례하게 나타난 갯메꽃, 돌가시나무, 해국은 식생기반의 영향을 많이 받는 종으로 나타났으며, 이들 종은 어느 정도의 토심을 요한다는 것을 알 수 있었다.

이러한 결과는 토심의 차이가 수분보유력에 큰 영향을 미치고 있다는 것을 의미하며 토량이 증가할수록 토양함수량이 증가하여 원활한 생육이 가능한 것으로 나타났다. 특히, 자연지반과 인공지반은 수분조건이 다르기 때문에 바위틈과 같이 척박한 지역에 서식하며 내건성이 강한 종이라 할지라도 인공지반에 적용 시에는 충분한 토양을 필요하다는 것을 의미한다.

결과를 종합하면 해국, 참골무꽃은 15cm, 갯고들빼기, 갯메꽃, 돌가시나무는 10cm, 갯잔디, 땅채송화, 섬기린초는 5cm 이상의 식생기반을 조성해줄 경우 대상지에 적용 가능한 것으로 나타났다. 또한 고온의 실험환경을 감안했을 때 실험시기 보다 기온이 낮고 수분요구도가 떨어지는 여름 외의 계절에도 지속적인 녹화가 가능할 것으로 판단된다.

각 종의 최소필요토량 산정은 모든 종이 장시간 위조 없이 원활한 생육이 가능한 15cm 실험구를 기준으로 계산하였다. 최소필요토량 계산결과 가로 45cm, 세로 27cm, 높이 15cm인 실험구의 용적은 약 0.018m³(18L)로 식재 개체수(6)를 나누면 1개체당 0.003m³(3L)로 산정되었다. 하지만 식물의 생육과 수분증발은 토심과도 관련이 있기 때문에 충분한 토심이 확보되지 못하는 대상지 상단에 식재 시에는 전체적인 토량뿐만 아니라 토심도 15cm 이상을 유지시켰다.

부착공법의 설계조건에 부합되도록 기존의 녹화공법을 보완·개선하여 [Fig. 2]와 같은 부착공법을 설계하였다.

[Fig. 2]

Designed greening methods.

설계된 2가지 공법은 공통적으로 바닷가의 강도 높은 환경압력과 토양중량을 버틸 수 있게 철강재를 사용하였다. 하지만 철은 부식과 낮은 단열성을 가지는 단점이 있다. 따라서 이러한 문제점을 방지하기 위해 부식방지와 높은 단열기능을 가지는 흙색의 페인트로 도장하여 철의 부식방지와 더불어 여름철의 토양온도 상승과 겨울철의 냉해 및 동해를 방지하였으며, 철 구조물이 식물과 이질감을 주지 않고 조화될 수 있도록 하였다.

(1) 고정방법

구조물의 고정방법은 [Fig. 2]와 같이 뒷 지지판(Back support plate)을 형성하여 대상지에 고리형식으로 끼우고 대상지 규격에 맞춰 조이는 방식으로 설계하였다. 또한 옆 프레임을 ‘ㄷ자’로 형성하여 옆 프레임 아랫부분과 대상지 벽면이 접촉되도록 하고, 각 녹화구조물의 옆 프레임끼리 볼트로 결합시킴으로써 대상지의 훼손 없이 더욱 안정적으로 고정될 수 있도록 하였다. 그리고 태풍으로부터의 위험이 심한 곳에 설치될 경우를 고려하여 상부에도 매쉬망을 결합시키고, 앵커를 벽면이 아닌 지면에 고정함으로써 대상지의 훼손을 최소화 하고 월파 충격에도 버틸 수 있게 설계하였다([Fig. 2]).

(2) 공법 1

공법1은 전면 메쉬망 안쪽에 코이어 또는 황마 등의 천연섬유로 만든 시트를 결합시켜 식물이 활착하기까지 토양유실을 방지하면서 천연섬유의 수분보유 기능을 통해 수분증발이 억제되도록 하고, 경사면을 따라 일정간격의 식혈구를 뚫어 식재할 수 있도록 하였다. 이러한 구조는 식생의 형태에 따라 대상지 경사면의 원하는 위치에 식재할 수 있으면서, 경사면 어느 곳에나 외부에서 유입된 종자가 천연섬유 또는 메쉬망 사이에 안착해 안정적으로 뿌리를 내릴 수 있게 함으로써 대상지 전체가 피복될 수 있게 한다. 이 공법에는 해국, 갯고들빼기 등의 염생식물과 같이 경사지에서 서식하는 종과 종자를 이용한 녹화에 적용할 수 있도록 하였다.

(3) 공법 2

공법2는 [Fig. 3]과 같이 각각의 전면 벤딩 플레이트의 상판과 하판이 일정부분 겹치게 배치하여 턱을 형성함으로써 상부의 토양이 유실되는 것을 방지하였다. 이는 기존 벽면녹화처럼 구획화된 플랜터를 사용하지 않더라도 경사면에서 육지면과 같이 수평의 지반을 형성하여 경사지에서 생육이 어려운 식물을 식재할 수 있게 하였다. 특히, 대부분 지면에서 뿌리줄기를 옆으로 뻗으면서 성장하는 사구식물의 특성을 반영하였으며, 갯메꽃 같은 덩굴성 식물을 식재하여 하수형처럼 구조물을 타고 성장하면서 전면을 피복할 수 있도록 고안하였다.

[Fig. 3]

Cross section of the greening method 2.

두 공법의 상단 식재공간에는 뿌리줄기를 이용하거나 옆으로 퍼지면서 뿌리내려 번식하는 지피식물인 갯잔디, 땅채송화와 사방으로 뻗으면서 자라는 하수형 식물인 돌가시나무를 식재하여 넓은 면을 효과적으로 피복할 수 있게 하였다.

(4) 녹화공법의 특징

설계된 공법은 [Fig. 4]와 같이 기존의 구획화된 플랜트형식이 아닌 녹화구조물의 상단에서 하단까지 연결된 일체형 구조로 강수가 자연스럽게 녹화구조물 상단에서 하단 끝까지 흐르게 되어 강수를 효과적으로 이용할 수 있게 된다. 또한 구획화되지 않아 뿌리가 제약 없이 뻗으며 생장할 수 있어 생육이 원활할 뿐만 아니라 부족한 수분과 영양분을 찾아 깊게 뿌리를 내려 이용함으로써 척박한 환경에서 생존력이 높아지며, 발달된 지하부로 인해 강풍에 대한 저항성과 환경변화의 적응력이 강해져 사계절을 견딜 가능성이 높아지게 된다. [Fig. 5]는 무강수 조건으로 같은 종을 똑같은 토심 및 시기에 식재한 것으로 개별포트에 식재한 것은 건조에 의해 고사하였지만, 넓은 곳에 식재한 경우 식물 수가 더 많음에도 불구하고 원활한 생육을 보여 식생기반의 생태학적 환경조성이 지속적인 녹화에 중요하다는 것을 알 수 있었다.

[Fig. 4]

Structures that can effectively use precipitation.

[Fig. 5]

Difference of growth depending on vegetation base.

대상지의 제원은 경사면 길이 약 110cm, 상단 길이 약 69.5cm, 경사도 65°이며, 녹화구조물은 대상지 길이 방향으로 1m(L) 간격으로 설치하였다([Fig. 6]). 또한 대상지 상단에도 식물을 식재할 수 있게 공법 1, 2의 상단 높이를 실험결과에 따라 15cm로 설정하였다. 대상지 경사면의 경우에는 내부가 구획화되지 않은 일체형 구조로 토심이 충분히 확보되어 있기 때문에 토량을 기준으로 규격을 산정하였다.

[Fig. 6]

Specification of target area.

따라서 공법1의 경우 대상지 규격에 따라 대상지 경사면에 간격 15cm로 식물을 식재하면 가로 6, 세로 7개체씩 총 42개체가 식재되며, 개체당 최소토량(0.003m³/개체)을 곱하면 총 0.126m³의 구조물이 필요하게 된다.

경사지에 해당하는 구조물의 형태는 [Fig. 7]과 같이 평행사변형으로 총 필요토량에 상응하는 구조물 용적을 구하기 위해서는 평행사변형 면적(A)에 구조물 폭(L)을 곱하면 된다. 그러나 녹화구조물의 폭(L)은 1m이기 때문에 면적인 A가 곧 부피가 된다. 이와 같이 계산한 결과 경사면 구조물의 두께(h)는 약 11cm로 산정되었다.

[Fig. 7]

Calculating formula of the greening method 1.

공법 1에서 산정된 규격은 녹화구조물의 통일성을 위해 공법 2에도 적용시켰다. 이에 따라 공법 2의 벤딩 플레이트의 규격은 적용시킬 식물의 초장 및 형태에 따른 구조물의 피복도, 식재 공간, 식물의 최소 토심 확보, 내부토양의 유실방지를 위한 플레이트간의 상·하 간격, 일체형 구조 유지 등의 사항을 종합적으로 고려하여 필요토량을 충분히 수용할 수 있는 크기로 산정하였다. 그 결과, 벤딩 플레이트의 상·하판을 각각 10cm로 하고 플레이트의 상부는 대상지의 경사각도로, 하부는 수직방향으로부터 5°기울어지게 설정하여 식물이 자연스럽게 위로 뻗으면서 녹화구조물 전체를 덮을 수 있게 하였다. 이를 통해 최종적으로 [Fig. 8]과 같이 공통적인 규격을 산정하였다.

[Fig. 8]

Final greening methods specification.