지표의 암석은 풍화와 침식에 의해 물리·화학적으로 분해되어 다양한 크기의 퇴적물을 하천 및 연안으로 공급하며, 이러한 퇴적물은 하도를 따라서 바다로 이동하거나 연안에서의 이동 과정을 거쳐 다양한 지형에 퇴적된다. 따라서 오래전부터 퇴적물의 이동 과정에 대한 관심과 이를 추적하는 방법에 대한 고민이 많이 이루어져 왔다. 다만. 이러한 연구 성과는 주로 부유 물질이나 세립의 퇴적물(모래 크기 이하의 퇴적물)을 중심으로 이루어져 왔으며, 조립 퇴적물(자갈)에 대한 연구는 아직까지 부족한 상황이다(Williams and Caldwell, 1988; Allan et al., 2006; Buscombe and Masselink, 2006; Bertoni et al., 2010). 반면, 퇴적물의 형태 및 입도가 다양하기 때문에 이동을 일으키는 작용이나 그 양상도 다양할 수밖에 없는데, 조립 퇴적물에 대한 연구가 부족하다면 하천 및 연안에서의 퇴적물 이동을 온전히 이해할 수는 없다.

하천의 경우 주로 조립 퇴적물의 이동이 홍수 이벤트로 인한 많은 유량과 강한 유속이 동반될 때 이루어지기 때문에 이동 과정이 일시적인 반면, 연안의 이동은 파랑과 조석에 의해 지속적으로 이루어진다는 차이점이 있다. 따라서 본 연구에서는 지속적인 이동을 추적하기 적합한 연안 환경을 중심으로 하여 자갈 해빈에서의 자갈 이동 과정을 추적하기 위한 RFID(Radio Frequency Identifier) 기술의 적용 가능성에 대한 논의를 진행하고자 한다.

자갈 해빈의 자갈 이동 과정의 추적 방법에 대한 기존 연구들과 최근 적용되기 시작한 RFID 기술에 대해 논하기 전에, 자갈 해빈의 자갈 이동 추적의 필요성에 대해 먼저 밝히고자 한다. 자갈 해빈은 주요한 경관 자원이지만, 그 구성 물질과 형성 과정에 대한 관심이 현재까지는 많이 부족한 상황이다(한민 등, 2012). 하지만 일부는 자갈 해빈에 대한 연구의 중요성에 대해 인지하여, 이와 관련한 선행 연구들이 이루어져 왔다. 자갈 해빈에 대한 관심은 주로 파랑 에너지의 약화와 해안 보호를 중심으로 이루어져 왔다. 자갈 해빈은 파랑 에너지를 감소시키고 범람의 가능성을 감소시켜 자연적인 해안 보호 방법으로 효율적이며(Bradbury and Powell, 1992), 이는 파랑의 공격에 안정적인 각도를 유지하고 있기 때문이라고 보았다(Allan and Komar, 2004). 또한 자갈 해빈을 구성하고 있는 조립 퇴적물은 다공질이라는 특성상 파랑 에너지를 효과적으로 소산시킬 수 있기 때문에 강한 폭풍에도 견딜 수 있는 장점을 가지고 있다. 따라서 자갈 해빈은 최근 지구 온난화에 따른 해수면 변동과 강한 폭풍 이벤트의 빈도 증가에 대한 우려 속에서 해안 보호에 중요한 지형이라고 할 수 있으며, 기존 연구에서 인공 자갈 해빈을 통해 해안 침식을 보호하려는 방안까지도 연구되고 있다(Allan and Komar, 2004; Allan et al., 2006).

따라서 기후 변화에 따라 경제적·학술적 가치가 증대될 것으로 예상되는 연안의 자갈 해빈을 구성하고 있는 자갈의 이동 과정에 대해 추적하는 것은 자갈 해빈의 강한 파랑에너지에 대한 반응·해안 침식 경향·인공 구조물의 영향 등 다양한 연구에 기초 자료로 필수적이라고 할 수 있다. 하지만 자갈은 모래 및 그 이하의 세립 퇴적물과 달리 입자 크기 및 형태, 자갈간의 간섭 효과 등에 의해 복잡한 이동 양상을 보이기 때문에 그 이동 과정 및 이동률을 예측하는 것은 매우 어려운 상황인 것 또한 사실이며(한민, 2013), 따라서 다양한 방법을 통해 이를 규명하기 위한 연구들이 수행되고 있는 상황이다.

본 연구에서는 이러한 연구 배경을 바탕으로 하여, 연안에서의 조립 퇴적물 이동을 추적하기 위해 최근 자갈 해빈의 퇴적물 이동 연구에 적용되고 있는 RFID 기술의 국내에서의 적용 가능성에 대해 논하고자 한다. 국내에서는 조립 퇴적물 이동에 대한 연구가 거의 이루어지지 않았으며, 따라서 추적자 방법의 하나인 RFID 기술이 적용된 사례도 없는 실정이다. 따라서 이를 위하여 자갈의 이동 과정을 추적하기 위한 기존의 연구 방법들과, 기존 방법들의 한계를 극복하고자 최근 외국에서 적용하고 있는 RFID 기술에 대한 문헌 연구를 수행하였다. 또한 국내에서 자갈 해빈의 자갈 이동을 추적하기 위한 RFID 기술의 적용 가능성에 대한 실험을 수행하였다.

조립 퇴적물의 이동 추적에 관한 논의 이전에 세립퇴적물에 적용되는 추적자 연구에 대해 간략히 소개하고자 한다. 세립 퇴적물의 이동 추적에 대한 논의는 주로 사면 침식률 평가, 현장 시스템에서의 토양 재이동 지도화 및 퇴적물 운반률 평가, 퇴적물이 연관된 오염물질 이동의 정량화, 하성·매스 무브먼트·담수·풍성 퇴적물의 기원지 결정 등의 주제들로 이루어져 왔다(Foster and Lees, 2000). 특히 세립 퇴적물에 대한 기원지 분석을 위해 fingerprinting 방법이 널리 활용되고 있으며, 이에 활용되는 추적자 속성의 범위는 색·광물·지화학 특성·자성·동위 원소·입자 크기·생물학적 속성 등으로 매우 다양하다(Foster and Lees, 2000). 이러한 fingerprinting 방법은 세립 퇴적물이 가지고 있는 여러 가지 속성을 조합하고, 통계 모델을 활용하여 타당성을 검정하는 과정을 통해 과학적으로 신뢰할만한 결과를 산출하고 있다(Foster and Lees, 2000). 특히, 하천이나 호소의 세립 퇴적물 기원지 추적 연구에서 훌륭한 성과를 나타내고 있다(Walling and Woodward, 1995; Collins et al., 1997; Collins and Walling, 2002; Kim et al., 2013; Lim et al., 2014). 반면, 해안의 세립 퇴적물에 대해서는 주로 지형 변화 측정을 통한 이동 방향 및 이동률 추정(박의준, 2001; 방현주·이광률, 2011; 김장수·장동호, 2012; 윤순옥 등, 2013; 장동호, 2014), 혹은 유공충을 이용한 이동 기원지 분석(Haslett, et al., 2000) 등의 연구가 이루어지고 있다.

조립 퇴적물의 이동 과정을 직접적으로 추적하기 위한 추적자 연구는 19세기 말부터 시작되었고, 연안 및 해안 환경에서 적용되기 시작한 것은 1950년대 이후이다. 이후 최근으로 오면서 추적자 연구에 적용할 수 있는 기술이 다양해졌고, 따라서 관련 연구들도 증가하고 있는 추세를 보이고 있다(Sear et al., 2000; Allan et al., 2006).

해안 조립 퇴적물 이동에 대해 논의하기 전에 이동측정의 방법이 유사한 하천 환경에서의 연구에 대해서도 언급할 필요가 있다. 하천은 상대적으로 일정한 방향(상류에서 하류)의 힘이 작용한다는 점을 제외하고는 상당 부분 해안 환경과 유사한 조립 퇴적물 거동을 나타내기 때문이다. 하천에서의 연구들은 주로 하상의 조립 퇴적물이 어떠한 에너지 하에서 이동할 수 있는지에 대한 관심이 주를 이루었다(Sear et al., 2000). 이를 위하여 하천 하상의 조립 퇴적물의 이동을 직접적으로 추적할 수 있는 추적자 연구가 많이 이루어졌다(Wilcock, 1971; Carling, 1983; Brayshaw, 1985; Hassan et al., 1991; Schmidt and Ergenzinger, 1992; Sear, 1996). 다만 본 연구에서는 서론에서 언급한 것과 같이 지속적인 조립 퇴적물의 이동을 추적하기 위한 추적자 방법으로서 RFID 기술을 적용하고자 하는 목적에 충실하도록 해안 환경을 중심으로 하여 논의를 진행하고자 한다.

하천 환경에서의 조립 퇴적물 이동 연구와는 달리해안 환경에서의 연구는 이동을 일으키는 에너지에 대한 관심뿐만 아니라(Jolliffe, 1964; Carr, 1971; Caldwell, 1983), 이동 방향에 대해 특히 강조하는 경향을 보인다(Sear et al., 2000; Bertoni et al., 2010). 또한 이에 앞서 언급한 세립 퇴적물 이동 연구와는 다른 해안 조립 퇴적물 연구의 특징으로는 입자 크기 및 형태 효과에 대한 연구가 이루어지고 있다는 점이다(Jolliffe, 1964; Bluck, 1967; Caldwell, 1983; Buscombe and Masselink, 2006). 다만, 입자 크기효과에 대한 연구가 중점적으로 이루어지고 있으며, 현재까지는 입자 형태에 대한 관심은 부족한 상황이다(Carr, 1971; Sear et al., 2000).

이와 같은 조립 퇴적물의 이동에 대한 연구를 수행하기 위해 추적자를 이용한 방법 이외에도 다양한 연구 방법이 시도되었는데, Trapping과 Topo-survey 방법이 대표적이다. Trapping 방법은 조립 퇴적물 이동이 발생할 만한 이벤트 전에 예상 이동 경로에 퇴적물을 수집하는 장치를 설치하고, 이벤트 이후 수집된 시료의 입도 및 특성을 분석하는 방법이다. Toposurvey 방법은 측량을 통해 조립 퇴적물의 침식 및 퇴적의 정도를 파악하는 방법이다. Trapping 방법은 퇴적물 수집 장치의 설치 비용이 비싸고 작은 규모의 지형 단위에서만 활용할 수 있으며, 공간적인 포함 범위가 좁다는 한계점이, Topo-survey 방법은 퇴적물 이동 시작에 대한 고려가 불가능하고, 연속적인 변화를 관찰하기 어렵다는 한계점이 존재한다(Sear et al., 2000). 반면 추적자를 활용한 방법은 퇴적물의 최초 위치와 이동 시점·입자 크기를 알 수 있고, 이동 과정에서의 거리와 방향·속도 등을 확인할 수 있다는 장점이 있다. 또한 추적자의 종류에 따라 비용이 달라지기 때문에, 연구 조건에 따른 추적자의 선택이 가능하다는 장점도 있다.

조립 퇴적물에 대한 추적자 연구 방법은 크게 세 가지 종류로 구분할 수 있는데, 시각적으로 구분되는 visual 추적자·원격으로 감지는 할 수 있으나 이동 과정을 직접 확인할 수는 없는 passive 추적자·음향 혹은 무선 신호를 스스로 전송하여 위치 변화를 확인시켜주는 active 혹은 smart 추적자가 그것이다(Sear et al., 2000; Allan et al., 2006). Visual 추적자는 조립 퇴적물에 페인트를 칠하거나 기존 퇴적물과는 전혀 다른 성격의 외부 물질을 투입하여 추적자로 활용하는 방법이다. Visual 추적자를 이용한 연구는 1960-80년대를 중심으로 이루어졌으며(Jolliffe, 1964; Carr, 1971; Caldwell, 1983), Caldwell(1983) 및 한민(2013)의 연구에서 지적한 것과 같이 페인트를 칠하는 경우에는 추적자가 매적되거나 페인트가 벗겨지게 되면 회수율이 낮아진다는 점, 외래 암석을 활용할 경우 실제 퇴적물의 특성과 다르다는 한계점이 존재한다. 하지만 비용이 매우 저렴하기 때문에 다량의 추적자를 투입한 짧은 기간에서의 연구에서는 효용이 높다고 할 수 있다.

Active 혹은 smart 추적자는 최근에 시도되고 있는 방법이다(Bray et al., 1996). 자갈 내에 소형 전자 시스템을 내장하여 스스로 신호를 발신하도록 하는 방법으로, 회수율이 높고 자갈 해빈에서의 퇴적물 거동에 대한 정보를 직접적으로 제공해 줄 수 있다는 장점을 가지고 있다. 하지만 추적자의 비용이 매우 비싸며, 현재까지는 전자 시스템의 소형화가 충분치 않기 때문에 퇴적물 입자 크기에 따른 적용의 한계점이 존재하는 상황이다.

Passive 추적자는 자갈에 radio tag·알루미늄·자석·방사성 물질 등을 삽입하여 이를 감지할 수 있는 감지기를 활용하여 이동 위치를 확인하는 방법으로, active 추적자와 마찬가지로 최근에 많이 시도되고 있는 방법이다(Dornbusch et al., 2002; Allan et al., 2006; Lee et al., 2007; Curtiss et al., 2009; Bertoni et al., 2010; Dickson et al., 2011; Li and Boufadel, 2011; Miller et al., 2011). 퇴적물의 이동 과정을 실시간으로 추적할 수는 없지만, 최초 위치와 최종 위치의 차이를 통해 이동 거리 및 방향·속도 등을 추정할 수 있으며, 매적이 되어 있어도 위치를 확인할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 즉, visual 추적자의 회수율 문제를 해결하면서도 비용 부담이 상대적으로 적은 방법이라고 할 수 있다.

이와 같은 추적자 연구 방법 중 실제 어떠한 기술을 선택하여 연구에 적용할 것인가는 다음의 사항을 고려해야 한다. 수집하기 원하는 정보의 본질이 무엇인지(이동률·이동 속도·이벤트 내 퇴적물의 이동 등), 수집하고자 하는 정보의 환경 특성이 어떠한지(연안 혹은 하천), 측정하기 위한 사항을 달성하는데 통계적인 신뢰 수준은 어느 정도 인지(추적자의 크기·회수율 등), 마지막으로 추적자 시스템을 활용하는 비용이 어느 정도인지를 판단하여 추적자 기술을 선택하여야 한다(Sear et al., 2000).

최근의 추적자를 활용한 조립 퇴적물 이동 과정 추적 연구는 대부분 passive 추적자 연구에 집중되고 있다. 이는 앞에서도 언급한 것처럼 visual 추적자와 active 추적자의 한계점을 일부 극복한 기술이며, 지속적인 기술 발전으로 인해 적용 가능성이 확대되고 회수율이 향상되고 있기 때문이라고 할 수 있다. 또한 이동률·이동 거리·이동 속도 등 다양한 정보 수집에 적용이 가능하고 연안 및 하천 환경 어디든 적용이 가능하며, 회수율이 상대적으로 높고, 비용이 상대적으로 저렴한 기술이기 때문에 추적자 기술 적용에 장점이 높다고 할 수 있다. 따라서 미래의 자갈 해빈에서의 퇴적물 이동 추적에 적용될 기술은 visual 및 active 추적자가 일부 활용될 수 있겠지만, passive 추적자 기술이 가장 널리 활용될 것으로 판단된다.

다양한 passive 추적자 방법에 활용되는 기술 중 RFID는 다양한 분야에서 개별 물체 식별에 널리 사용되고 있는 기술이다. 보통 기업이나 행정기관의 물자나 재고 관리·도서관 장서 관리 등에 활용되는 기술이며, 실생활 및 산업 분야뿐만 아니라 동물 개체 구분 등과 같이 환경·생물 분야에서도 활용되고 있는 기술이다. RFID 기술이 조립 퇴적물의 이동 추적에 적용되기 시작한 것은 2000년대에 들어서이며, 지속적으로 기술 개발과 적용의 확대를 위해 많은 연구가 이루어지고 있다(Nichols, 2004; Allan et al., 2006; Lee et al., 2007; Curtiss et al., 2009; Bertoni et al., 2010; Dickson et al., 2011; Miller et al., 2011; Bertoni et al., 2013). RFID 기술이 passive 추적자 중 가장 활발히 연구되고 있는 이유는 무엇보다도 개별 tag에 상이한 정보를 입력함으로써 개별 추적자를 각각 식별할 수 있다는 장점을 가지고 있기 때문이다.

RFID 기술은 무선의 자동 식별 시스템으로, 다음의 세 가지 장비로 구성된다. 먼저 각 개체에 삽입되어 식별 특성을 나타내줄 수 있는 transponder(tag), 그리고 tag의 정보를 인식할 수 있는 reader, 마지막으로 tag를 추적하는 antenna이다(Nichols, 2004). RFID 방식에도 active와 passive 방식이 존재하는데, 후자의 경우가 인식 범위는 짧으나 비용이 저렴하고 별도의 전원이 필요치 않기 때문에 더욱 많이 활용되고 있다(Nichols, 2004).

RFID 기술은 Nichols(2004)의 연구에서 하천의 조립 퇴적물에 성공적으로 적용되었으며(96%의 회수율을 기록), 이후 연안 지역의 자갈 해빈에 도입되어 활용되기 시작하였다(Allan et al., 2006; Lee et al., 2007; Curtiss et al., 2009; Bertoni et al., 2010; Dickson et al., 2011; Miller et al., 2011; Bertoni et al., 2013). 다양한 연구를 통해 RFID 기술은 기존의 페인트 추적자와 같은 visual 추적자 방법에 비해 월등하게 높은 회수율을 기록하였고, 특히 매적되어 있는 추적자를 찾아낼 수 있다는 점이 높게 평가되고 있다. 다만, tag 및 antenna의 크기에 따라 인식 거리가 달라지기 때문에, 연구 지역의 퇴적물 입도 특성 및 파랑 에너지와 퇴적물 활동층의 두께 등을 미리 파악할 필요성이 제기되기도 하였다. 최근에는 RFID tag를 수중에서 감지할 수 있을 정도로(Bertoni et al., 2010) 기술이 발달하고 있어, 해빈뿐만 아니라 연근해 환경에의 적용 가능성이 나날이 높아지고 있는 상황이다.

RFID 기술에도 한계점이 제기되고 있는 상황이지만, 이를 극복해 나가는 기술 개발도 더불어 수행되고 있다. 일례로, tag를 투입하는 모든 추적자 연구 방법에 동일하게 적용되는 한계점인 tag 투입에 따른 무게 및 강도 감소 효과에 대해 우려하는 목소리가 제기되기도 하였다. 하지만 이를 극복하기 위해서 tag 투입 후 tag 고정 및 보호를 위한 충진 물질의 소재에 대한 고민을 통해 무게 및 강도 감소의 효과를 최소화하기 위한 연구도 수행되고 있다(Allan et al., 2006).

본 연구에서는 앞서 언급한 RFID 기술을 조립 퇴적물에 적용하는 실험을 실험실 조건에서 수행하였다. tag 삽입과 추적자 준비·추적자의 인식 거리 측정 등이 제한된 환경에서 수행되었으므로, 본 연구의 결과는 실제 연구 지역에서의 RFID 기술 적용 가능성 타진을 위한 예비적 성격을 지닌다.

조립 퇴적물로서 자갈 해빈의 자갈을 추적자로 활용하기 위해 준비하였다. 자갈은 충남 태안 안면도의 방포 해빈에서 수집한 것을 대상으로 하였으며, 자갈의 세부적인 정보는 (Table 1)과 같다. 실험에 활용된 자갈은 tag를 삽입하기 위한 구멍을 뚫을 수 있을 정도의 크기에 다양한 형태를 가지도록 선정하였으며, 현장 실험이 아닌 실험실에서의 통제된 실험이기 때문에 실험 자갈은 대표적인 3개를 선택하였다.