Research Article

The Journal of Engineering Geology. December 2019. 483-494
https://doi.org/10.9720/kseg.2019.4.483


ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 연구지역

  • 지층 분포 특성 분석

  • 대수층의 수리지질특성

  • 함양 대상 지층의 선정

  • 적정 인공함양 방법 선정

  •   인공함양 방법 개요

  •   연구지역의 적정 인공함양 방법

  • 토론 및 결언

서 론

전 세계적으로 경제성장 및 생활수준의 지속적인 향상과 더불어 농업용수 및 생활용수의 수요는 계속적으로 증가하고 있는 추세이며, UN기준 물 부족 국가인 우리나라는 생활용수의 대부분을 지표수에 의존하고 있다. 지표수는 가뭄 등의 기상변화에 그대로 노출되어 안정적인 수자원 공급에 취약점을 지니고 있으며 이에 대체 수자원으로 활용 가능한 인공함양기술 적용을 통해 상시 가뭄지역에 안정적인 물 공급을 통해 가뭄 시 대체수자원으로 활용하고자 한다.

인공함양은 지표수, 강우, 재이용수, 타수원 등을 지하로 인공적으로 주입하여 대수층을 함양시키는 방법으로 강우, 지하수, 인공 함양분지 및 습지, 수로, 지하댐, 우수 침투시설 등 인위적인 시설이나 지반조건을 변경하여 인공주입을 통해 지하에 침투시켜 수자원을 확보하는 기술로 대수층을 활용한 수자원의 안정적 공급과 관리를 위한 방안으로 세계 여러 곳에서 시행 되고 있다(Bower et al., 2008; Zaidi et al., 2015; Ghazavi et al., 2018; Rajasekhar et al., 2019).

인공함양의 가장 큰 장점은 풍수기의 여유 수자원을 지하로 침투시켜 갈수기에 이를 회수할 수 있다는 것이며, 일반 자연 상태에서의 취수보다 대량의 수자원을 확보할 수 있으며 일정기간의 대수층 저류를 통한 자연 정화능력을 이용할 수 있는 장점이 있다.

미국의 경우, 관정을 이용한 주입방법과 침투 방법에 있어 오래된 역사를 가지고 있으며, 대수층 저장 및 회수(Aquifer storage and recovery, ASR)가 가장 상용화된 곳으로 인공함양의 주된 목적은 상수도 공급으로 전체의 57%는 계절적 불균형을 해소하기 위한 저장이고, 15%는 장기저장을 하고 있으며, 나머지는 계절적 불균형 해소와 장기저장을 위하여 사용하고 있다(Kim and Kim, 2010). 호주에서는 수질이 나쁜 강우 유출수나 하수처리수를 저장해서 관개용수로 이용하고 있으며, Bolivar와 Willunga에서 하수처리수를 이용한 ASR이 운영 중이고 남부 호주의 마운트 감비에르시에서는 100년 넘게 대수층 함양 기술을 사용해 오고 있다(Kim and Kim, 2010).

독일의 경우 오래 전부터 대수층 함양 기술을 이용해서 용수를 공급하고 있으며, 베를린은 1916년, 바이즈바덴은 1921년, 함부르크는 1928년 이후 라인강, 메인강, 엘베강, 루르강을 따라 강변여과방식을 사용하고 있다(Murray et al., 2007). 이처럼, 선진국에서는 이미 100여 년 전부터 인공함양 기술을 사용해왔으나 국내의 경우 1990년대 후반부에 도입되어 현재 관련 연구와 기술개발이 이루어지고 있으나 전국적으로 시행되기 위해서는 해결해야 할 문제들이 여전히 남아있는 실정이다.

국내의 경우에 제주도 한천 유역에서 호우 시 하천 유량을 임시 저류하였다가 관정을 통하여 지중으로 함양하는 연구 및 수막재배 지역에서의 냉난방용 지하수의 부족을 해결하기 위한 사용수의 주입에 대한 연구 등 일부 사례가 존재하나 보편화되어 있지는 않은 실정이다(Oh et al., 2011; Chung and Chang, 2016).

지하수 인공함양의 설계를 위한 조사 항목으로는, 지층의 투수성, 토양의 클로깅 특성, 수문학적 함양 수원 확보, 지하수위의 깊이, 주입정의 규격, 주입 트렌치의 규격 등이 고려될 수 있다(Bower et al., 2008). 본 연구에서는 연구지역에서 수행된 현장 조사 내용(물리탐사, 시추조사, 투수시험, 입도분석, 양수시험 등)을 토대로 지하수 인공함양의 대상으로 고려되는 대수층의 범위를 선정하고, 함양 방법별 장단점을 토대로 적정 인공함양 방법을 검토하고자 하였다.

연구지역

연구지역은 행정구역상 충청남도 홍성군 갈산면 운곡리 신곡마을에 위치하고 있으며(Fig. 1), 경기육괴 서남부에 해당되는 지역으로 전반적인 지질은 선캠브리아기 편암류 및 편마암류와 중생대 관입화성암류, 시대미상의 변성암 또는 퇴적암으로 구성되어 있으며 최상부에는 4기 충적층이 분포하고 있다(Lee and Kim, 1963). 그림에서 보는 바와 같이, 갈수기 유량이 거의 흐르지 않고, 유역 내 용수는 대부분 지하수에 의존하는 등 상습 물 부족을 격고 있는 지역이다.

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Fig. 1.

Location of the study area.

연구지역은 서쪽에 갈산천이 북에서 남으로 흐르고 있으며 연구지역을 가로질러 동측에서 서측으로 폭 5~10 m 정도의 신곡천이 흐르고 있다. 연구지역은 동측 경계에 105~110 masl (metres above sea level, 해발표고)의 표고를 갖는 산지지형이 분포하여 분지형태의 지형을 구성하며 산지를 제외한 전답의 지형의 경사는 3.7°로서 완만한 특성을 보이고 있다.

지층 분포 특성 분석

인공함양 부지에 대한 전반적인 지층특성 및 지질구조대 분포와 대수층, 지하수 함양상태를 파악하고 시추위치 선정에 대한 기초 자료로 활용하기 위하여 전기비저항탐사를 실시하였다. 전극간격을 5~10 m로 설정하여 쌍극자 배열(Dipole-dipole array) 탐사법으로 연구지역내 10개의 측선을 대상으로 수행하였으며, 전기비저항탐사의 해석은 DIPRO를 이용하여 지형을 고려한 유한요소법과 ACB(Active constraint balancing)방법으로 역산 해석을 수행하였다(Yi and Kim, 1998).

탐사 결과 마을 상류부(채석장주변)에서 하류부(마을 입구)를 가로질러 탐사를 수행한 SG-1 측선 내 280~290 m 부근과 SG-5 측선에서 국부적인 저비저항 이상대가 나타나는데 이는 북서방향에서 남동방향으로 표기된 홍성단층 가지에 대한 영향으로 판단된다(Fig. 2). SG-2, 3 측선은 홍성단층방향과 유사한 방향성을 갖으나 측선 끝부분은 전답지역에 대한 상대적인 비저항값이 낮아진 결과로 해석되며, 연구지역내 전반적인 충적층의 두께는 SG-2 부근의 상류지역은 5~10 m, SG-9 부근의 하류지역은 10~20 m 정도로 나타났다(Fig. 3).

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Fig. 2.

Electrical resistivity survey lines in the study area.

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Fig. 3.

Results of the electric resistivity survey.

마을 최상류부인 동쪽 채석장에 가까워질수록 전기비저항값이 높게 나타나며, 마을 하류부(마을 입구)로 내려올수록 저비저항대가 다소 깊어지는 양상을 보이는데 이는 마을 상류부(채석장)에서 서해안 고속도로 근처(마을입구-하천 하류)로 내려올수록 암반 상부 충적층구간 및 파쇄구간이 깊어지는 영향에 따른 결과로 해석되었다.

전기비저항탐사 결과 및 상세 조사를 통해 연구지역을 대표할 수 있는 위치를 선정하여 총 7개의 시추조사를 수행하였다(Table 1). 총 7공의 시추조사 결과에 의하면, 매립층이 0.8~1.5 m, 기반암 상부 토사층이 3.5~9.5 m에 나타나는 것으로 분석되었다(Fig. 4). 상류지역에서 하류지역으로 이동하며 연구지역 내 중부지역인 BH-3, 4공에서 토사층이 두껍게 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 상류지역 BH-6, 7은 100%의 코어회수율(TCR)을 보이며 일부 상부구간 파쇄대를 제외하고 전반적으로 70% 이상의 RQD가 나타난 반면, 하류지역 BH-1, 2은 40~100%의 코어회수율과 50% 미만의 RQD를 보여 하천 상류지역에서 하류지역으로 이동할수록 풍화와 파쇄가 발달하는 것으로 나타났다(Table 2). BH-1, 2 부근의 전기비저항탐사에서 나타난 10~20 m의 충적층으로 예상된 구간은 시추 결과 풍화대로 파악되었는데, 낮은 RQD와 코어 회수율을 고려했을 때 인공함양의 대상 지층으로 고려할 수 있다. 이와 같은 지층 특성은 신곡마을 상류지역보다는 하류지역에서 대수층의 함양 공간이 큼을 보여주고 있다.

Table 1. Specification of borehole and contents of property experiment

Borehole BH-1 BH-2 BH-3 BH-4 BH-5 BH-6 BH-7
Coordinate X 160114.3 160137.4 160225.0 160236.6 160430.2 160316.0 160415.7
Y 447255.2 447202.4 447166.5 447279.3 447212.0 447354.3 447397.3
Depth (GL.-m) 21.0 20.5 31.6 20.8 21.0 20.5 31.5
Number of field analysis 5 3 5 6 4 3 3
Grain size analysis 2 3 3 2 1 2 2

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Fig. 4.

Cross-section of geological strata in the study area, based on drilling data.

Table 2. Geomechanical values for the upper geological layer

Hole Depth (m) Weathering grade TCR (%) RQD (%)
BH-1 7.5~10.0 MW~HW 40 0
10.0~13.0 MW~HW 97 12
BH-2 6.5~7.8 MW~HW 100 31
7.8~10.7 SW~MW 100 41
BH-3 11.7~13.0 SW~MW 85 0
13.0~15.0 SW~MW 100 10
BH-4 12.3~13.5 MW~HW 96 9
13.5~16.5 SW~MW 100 29
BH-5 5.8~7.5 SW~MW 100 26
7.5~10.5 SW~MW 100 63
BH-6 8.8~10.5 SW~MW 100 31
10.5~13.5 SW 100 70
BH-7 8.0~10.5 MW 100 30
10.5~13.5 SW~MW 100 71

지층의 수직적인 매질의 특성을 파악하는 것은 최적 인공함양 방법을 결정하는 기초자료가 될 수 있으므로 토양 시료의 입도분석을 실시하고 특성을 분석하였다. 입도분석은 KS F 2302(흙의 입도시험방법)에 의거 수행하였으며, 입도 분석 자료를 활용한 수리전도도(K)는 Slichter(1898), Beyer(1964), Sauerbrei(1932), Krüger(1919)Zunker(1930) 등이 제시한 경험식에 의해 추정하였다.

입도 분석에서 나온 입도 D10을 이용하여 상기 경험식에 의한 수리전도도를 추정한 결과 전체적인 수리전도도는 2.79 × 10-6 ~ 4.09 × 10-4 cm/sec의 범위를 보이며 심도 1.5~3.0 m의 평균 수리전도도는 1.27 × 10-4 cm/sec, 3.0~4.5 m의 평균 수리전도도는 6.06 × 10-5 cm/sec, 4.5~6.0 m는 2.79 × 10-6 cm/sec, 6.0~7.5 m의 평균 수리전도도는 8.57 × 10-5 cm/sec의 값을 나타냈다. 상부 지층은 투수성이 불량한 지층이 혼재되는 특성을 보이는 반면에 최하부는 상대적으로 투수성이 양호한 것으로 평가된다.

입도분석에 의한 체통과량을 보면 심도 1.5 m의 경우 0.0075의 체통과량은 평균 22.88%, 3.0 m는 24.5%, 6.0~7.5 m는 26.0%로 하부로 갈수록 입도가 작은 실트질 모래의 분포가 다소 많아지는 경향을 보이고 있다(Table 3).

Table 3. Results of grain-size analysis

Depth (GL.-m) Bore hole Grain size distribution (%, Finer than) (mm) Coefficients of permeability (cm/sec)
0.075 0.425 2.0 4.75 19.1 Slichter Beyer Sauerbrei Krüger Zunker Average
1.5 ~3.0 BH-2 18.8 31.2 48.1 54.7 85.6 3.41E-05 4.50E-04 5.97E-05 5.28E-05 1.10E-04 1.41E-04
BH-3 16.8 31.2 51.2 58.7 100.0 1.83E-04 9.04E-04 4.02E-04 2.00E-04 3.57E-04 4.09E-04
BH-4 22.8 48.5 68.9 73.7 96.7 1.69E-05 8.32E-05 3.70E-05 1.84E-05 3.29E-05 3.77E-05
BH-6 34 64.2 98.5 99.7 100.0 4.46E-06 2.20E-05 9.79E-06 4.87E-06 8.68E-06 9.96E-06
BH-7 22 48.2 88.0 97.7 100.0 1.68E-05 8.28E-05 3.69E-05 1.83E-05 3.27E-05 3.75E-05
3.0 ~4.5 BH-2 22 35 51.8 57.5 71.3 6.26E-06 8.27E-05 1.10E-05 9.70E-06 2.02E-05 2.60E-05
BH-2 38.9 62.7 91.4 99.0 100.0 1.43E-06 7.05E-06 3.14E-06 1.56E-06 2.78E-06 3.19E-06
BH-3 26 63.7 97.6 100.0 100.0 4.46E-05 2.20E-04 9.79E-05 4.87E-05 8.68E-05 9.96E-05
BH-5 17 35.1 56.0 59.8 83.7 2.40E-05 1.19E-04 5.28E-05 2.63E-05 4.69E-05 5.37E-05
BH-6 20.1 51.8 98.7 100.0 100.0 7.46E-05 3.68E-04 1.64E-04 8.16E-05 1.45E-04 1.67E-04
BH-7 23 51 88.6 97.6 100.0 6.38E-06 3.15E-05 1.40E-05 6.97E-06 1.24E-05 1.43E-05
4.5 ~6.0 BH-1 37 69.9 96.7 99.3 100.0 1.25E-06 6.17E-06 2.75E-06 1.37E-06 2.44E-06 2.79E-06
6.0 ~7.5 BH-3 25 64.8 97.5 100.0 100.0 2.70E-05 1.33E-04 5.93E-05 2.95E-05 5.26E-05 6.03E-05
BH-4 16 43.1 88.4 99.0 100.0 4.98E-05 2.46E-04 1.09E-04 5.44E-05 9.70E-05 1.11E-04

대수층의 수리지질특성

인공함양의 중요한 요소 중 하나인 연구지역의 수리특성 파악을 위해 시추 중 상부 토사층 구간에는 지층별 투수시험을 수행하였으며, 암반층은 수압시험을 수행하여 수리전도도를 산출하였다(Table 4).

Table 4. Vertical distribution of permeability in the study area, based on field survey results

Depth (GL.-m) In-situ K (cm/sec) Average Laboratory K (cm/sec) Average Geology
1.5~3.0 4.05 × 10-5 ~ 1.43 × 10-3 6.46 × 10-4 9.96 × 10-6 ~ 4.09 × 10-4 1.27 × 10-4 Alluvium, Colluvium
3.0~4.5 5.65 × 10-5 ~ 4.10 × 10-3 7.54 × 10-4 3.19 × 10-6 ~ 1.67 × 10-4 6.06 × 10-5 Alluvium, Colluvium
4.5~6.0 5.82 × 10-5 ~ 8.79 × 10-4 4.58 × 10-4 2.79 × 10-6 2.79 × 10-6 Colluvium
6.0~7.5 2.58 × 10-4 ~ 4.10 × 10-4 3.37 × 10-4 6.03 × 10-5 ~ 1.11 × 10-4 8.57 × 10-5 Weathered soil
7.5~9.0 3.10 × 10-4 - - - Weathered rock
10.0~20.0 3.67 × 10-5 ~ 2.31 × 10-4 9.21 × 10-5 - - Soft rock and hard rock
20.0~35.0 1.40 × 10-6 ~ 1.90 × 10-5 5.16 × 10-6 - - Hard rock

투수시험 결과, 연구지역의 전반적인 토사층의 수리전도도는 4.05 × 10-5 ~ 4.10 × 10-3 cm/sec, 평균 5.86 × 10-4 cm/sec, 기하평균은 2.97 × 10-4 cm/sec의 값을 나타냈으며, 연구지역 상류 및 하류 충적층의 수리전도도는 큰 차이를 보이지 않으며, 전반적으로 1.0 × 10-3 ~ 1.0 × 10-5 cm/sec의 값을 보이고 있다. 수압시험을 통한 암반층의 수리전도도는 1.40 × 10-6 ~ 2.31 × 10-4 cm/sec, 평균 7.20 × 10-5 cm/sec, 기하평균 2.18 × 10-5 cm/sec이며. BH-1은 암질불량, BH-4는 누수, BH-6은 불투수층으로 시험이 수행되지 않았다. 시추공별 수압시험을 통한 암반 대수층의 수리전도도를 비교한 결과 연구지역 하류지역인 BH-2에서 2.31 × 10-4 cm/sec로 가장 높으며, 상류지역인 BH-6은 불투수층, BH-7에서 1.40 × 10-6 cm/sec로 낮은 수리전도도가 산출되었다. 이는 연구지역 하류부(고속도로 동측)는 기반암 내 파쇄구간이 발달하며 풍화가 심하여 투수성이 상대적으로 양호한 반면에, 상류지역은 파쇄구간이 기반암 상부에만 부분적으로 발달하고 신선한 암반이 우세하여 투수성이 상대적으로 불량한 것으로 평가된다.

현장시험과 입도 분석을 종합해 보면, 심도에 따른 수리전도도의 차이가 크진 않으나 지표 부근에서는 수리전도도의 범위가 보다 넓은 특성을 보이며 풍화토 및 풍화암 부근에서는 비교적 일정한 수리전도도를 보이고 투수성도 어느 정도 확보되는 것으로 나타났다.

함양대상 대수층의 수리적 특성을 파악하기 위하여 단계양수시험 및 장기양수시험을 수행하였다. 양수시험을 위하여 시험정에는 25 m, 관측공에는 15 m 지점에 자동수위측정기(Diver)를 설치하여 지하수위 자료를 취득하였다. 적정 양수량 산출을 목적으로 착정공에서 단계양수시험을 수행하였으며, 단계양수시험은 총 4단계, 각 단계별 양수량을 각각 120, 140, 160, 180 m3/day로 설정하여 수행하고 각 단계마다 1시간 이상 양수량을 일정하게 유지하여 수위강하량을 측정하였다(Fig. 5).

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Fig. 5.

Plot of the step drawdown pumping test at the pumping well (PW-1).

단계양수시험 결과를 바탕으로 Jacob(1947)의 양수정 수위강하(Sw)와 양수량(Q)의 관계식을 바탕으로 양수량(Q)-비수위강하량(Sw/Q) 그래프를 작성 후, 직선법 분석결과 약 141.0 m3/day의 적정양수량이 평가되었다.

장기양수시험은 2019년 10월 3일 15:30부터 10월 5일 18:31까지 약 49시간 실시하였으며 양수 종료 후 약 24시간의 회복시험을 수행하였다(Fig. 6). 양수량은 단계양수시험결과로 분석된 141.0 m3/day으로 유지하였으며 총 273.4 m3의 물을 양수하였다. 양수 종료 단계에서의 지하수위는 양수정에서 5.92 m, 관측정 BH-1공에서 0.27 m, BH-2공에서 0.51 m의 수위 강하가 나타났다.

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Fig. 6.

Changes of groundwater level during a pumping test at the pumping well (PW-1).

양수정/관측정의 수위강하 자료와 양수량을 바탕으로 각 공별 수리상수를 산출하였는데. 범용해석 프로그램인 AQTESOLV Pro 4.50를 사용하여 양수정만을 고려한 단일공 해석과 양수정 및 관측공의 수리하강을 고려한 관측공 해석의 두 가지 방법을 병행하였다. 양수정의 수위 자료를 토대로 Theis(1935)의 Unconfined Aquifer 모델 해석식으로 분석한 결과, 양수시험 시 5.56 × 10-4 cm/sec, 회복시험 시 3.79 × 10-4 cm/sec으로 분석되었으며, 관측정에서는 양수시험 시 6.85 × 10-3 ~ 7.71 × 10-3 cm/sec, 회복시험 시 2.48 × 10-3 ~ 3.38 × 10-3 cm/sec로 분석되었다(Table 5). 양수정과 관측정에서의 수리전도도값의 차이가 약 10배 정도 발생하고 있으며 이는 각 지점 사이의 대수층의 수리적 이방성이 존재함을 보여주고 있다.

Table 5. Results of pumping and recovery tests at pumping and observation wells

Pumping well Observation Pumping/Recovery Pump capacity
(m3/day)
Draw-down
(m)
Transmissivity
(m2/day)
Hydraulic conductivity
(cm/sec)
PW-1 At pumping well Pumping 141.0 5.92 13.14 5.56 × 10-4
Recovery 8.809 3.79 × 10-4
At observation well
(BH-1)
Pumping 0.27 159.2 6.85 × 10-3
Recovery 78.51 3.38 × 10-3
At observation well
(BH-2)
Pumping 0.51 179.0 7.71 × 10-3
Recovery 57.64 2.48 × 10-3

1차 장기양수 시험 자료를 보면, 양수 시작 이후 약 9시간(540분)까지는 안정화된 수위 하강을 보이고 있으나, 경과시간 9시간(540분) 이후 대수층의 특성 및 지층의 불균질성 특성 등에 따른 이유로 수위가 다시 하강하는 양상을 보이고 있다(Fig. 6). 심도 12.05 m의 직상부는 풍화암 및 하부 충적층 구간으로서 양수 후 9시간 동안 지하수 산출이 적정하게 유지되었음을 보여주고 있으며, 이후 계속되는 양수로 인하여 이 구간의 지하수 배출이 종료되고 추가적인 수위강하가 발생되었음을 보여준다. 심도 12.05 m 하부는 시추조사에 의하면 연암 및 파쇄대 구간에 해당하는데 PW-1 인근의 시추결과 보통풍화~심한풍화를 보이며, BH-1 공은 12~16 m 구간의 RQD가 0~12%, BH-2 공은 12~16 m 구간이 20~27%로서 매우 낮게 나타나고 있어 기반암 내 파쇄대 분포의 불균질성에 의해 투수성 차이가 존재함을 보여준다. 이와 같은 결과는 연구지역내의 대수층의 수직적 분포는 12.05 m 직상부 구간에서 지하수 투수 및 부존이 양호하며 주 대수층으로서 역할을 담당할 수 있을 것으로 보이며, 이 구간에 지속적인 함양이 이루어진다면 취수의 연속성도 확보할 수 있음을 의미한다.

함양 대상 지층의 선정

물리탐사에 의하면 신곡마을의 상류보다는 하류지역에서 저비저항대가 잘 나타나 충적층 및 파쇄대 구간이 우세한 것으로 평가되었으며, 현장 확인 시추를 수행한 결과, 하류지역에서 충적층이 두껍고 RQD 및 코어 회수율이 낮아 함양을 위한 공극이 발달할 것으로 분석되었다. 또한, 7.5 m 까지 분포하는 토양의 입도 분석 자료에 의하면, 풍화암 상부인 심부 충적층으로 갈수록 실트질 모래의 분포 비율이 상부보다 약간 증가하는 경향을 보였다. 시추조사 시 수행한 충적층의 투수시험 결과, 입도분석에 의한 수리전도도 보다 약 10 배 정도의 큰 값을 보이는 것으로 나타났으며, 7.5~9.0 m의 풍화암 및 6.0~7.5 m의 풍화토 구간의 수리전도도가 상부의 충적층 및 하부의 암반층 보다 약간 양호한 특성을 보이고 있다. 이와 같은 지층의 수직적 분포 특성은, 양수시험 결과에서도 나타나는데, 양수정과 관측정에서의 수위 강하로부터 각각 추정한 수리전도도가 약 10 배 정도 차이가 있어 대수층의 이방성이 존재함을 보여주고 있으며, 장기 양수 시 약 10 m 전후의 풍화암 및 풍화토 구간에 부존된 물의 배출이 종료되면서 추가적인 수위 강하가 발생하는 등 수직적인 대수층의 수리적 특성 차이가 존재하는 것으로 나타났다.

이와 같은 내용은 연구지역에 대한 인공함양을 설계할 때 인공함양의 대상 지층 및 취수방법을 결정하는 인자로 고려되어야 한다. 양수시험 자료에서 보았듯이 수직정에서 함양원수보다 과다하게 취수가 이루어진다면 과다한 지하수위 강하로 인한 계단상 수위강하가 발생하고 풍화대 및 풍화토의 주 대수층이 고갈되면서 취수량이 줄어드는 문제점이 발생할 수 있다. 한편, 연구지역 지층의 수직적 분포를 보면, 상부 충적층 보다는 하부 충적층, 풍화대 및 풍화암 구간의 투수성이 미세하나마 상대적으로 양호하므로 이들 지층을 함양 대상 지층으로 고려되어야 할 것이다. 따라서 주 대수층 구간인 풍화토 및 풍화대에 해당하는 심도 6.0~12.0 m 구간을 대상으로 직접 함양을 일차적으로 실시하고 지층의 수리특성이 수직적으로 큰 차이를 보이진 않으므로 넓은 지역의 함양 효과를 제고하기 위하여 상류 지역에서 Ditch 방식을 접목하는 것이 바람직할 것으로 평가되며, 취수방식은 과도한 수위강하를 발생시킬 우려가 있는 수직정 보다는 수평정에 의한 방식을 선택하는 것이 바람직할 것이다.

적정 인공함양 방법 선정

인공함양 방법 개요

세계적으로 활용되는 대수층 함양관리 기술의 종류는 정호주입식 함양기술, 지표침투식 함양기술, 강변여과식 함양기술, 지하구조물을 활용한 함양기술로 정의 할 수 있으며, 각각의 특성을 요약하면 다음과 같다(CGWB, 2007).

정호주입식 기술은 상부 지층의 세립 또는 점토질 성분으로 인해 지표침투가 어려운 경우 관정을 통해 직접적으로 대수층에 주입하는 방법으로, 대수층에 물을 직접 주입하므로 주입수에 대한 다소 엄격한 수질관리 및 수처리 기술이 요구된다.

지표 침투식 함양기술은 지표수의 침투가 용이하도록 침투분지나 도랑(ditch) 등을 설치하여 지표수 원수 혹은 전 처리 된 지표수를 대수층으로 함양 후 필요시 하류에 취수정을 설치하여 양수를 통해 활용하는 방식의 인공함양 기술로, 이 기술은 대수층의 지층의 여과 작용에 의한 자연 정화과정을 활용하는 기술이며 주로 하천수 및 우수를 원수로 이용하게 된다.

강변여과식 함양기술은 하천 인접부에 수직 또는 방사형의 집수정을 설치하여 하천 인접 대수층의 수위강하를 발생시켜 주변의 지하수와 대수층으로 유입된 하천수를 취수하는 방식으로 강변에 분포되어 있는 충적층의 자연정화 기능을 이용하며 대용량의 수량 확보가 가능하나 철, 망간 등의 수질 문제와 스크린 폐색 등의 유지관리 문제가 존재한다.

지하구조물 활용 함양기술은 지하의 지하수 유동을 인공적으로 차단할 수 있는 지중시설을 통해 지하수 유출을 억제하고 지하수위를 상승시켜 수자원을 확보하는 방식으로 지하댐 방식이나 모래저장형 댐 방식이 포함할 수 있다.

연구지역의 적정 인공함양 방법

연구지역은 유역의 상류지역으로서 대규모의 저수지를 건설하는 것은 불가능한 지역에 해당한다. 현장의 지형 및 지질 특성을 토대로 적용 가능한 인공함양의 방법을 검토한 결과, 정호주입식인 함양 우물, 지표침투식인 Ditch 및 Pond 등이 해당될 수 있다. 이들 방법 중에서 가장 효과적일 것으로 예상되는 방법을 선정하기 위하여 상기에서 분석한 주 대수층의 특성, 대수층 상부의 물의 침투 경로상의 지층의 수리적 특성, 현장 시설 설치를 위한 토지의 가용성, 지하수위에 도달하기 까지의 수리적 연결성, 수평 퇴적층 등 지층 구성의 이방성, 지형 특성을 고려한 각 방법별 함양의 효과 등을 비교 검토해 보았다(Table 6).

Table 6. Determination of appropriate methods for groundwater artificial recharge

Methods Recharge well Ditch Ponds
Main aquifer ∙ Range: 6.0~12.0 m
∙ Direct recharge is possible
∙ Range: 6.0~12.0 m
∙ Arrival time is required
∙ Range: 6.0~12.0 m
∙ Time is required
Hydraulic
conductivity of the
upper layer
∙ Low conductivity is no problem.
∙ Direct filling is possible at a
deeper main aquifer.
∙ Low conductivity becomes a
problem.
∙ Ditch recharge is not effective
through this sediments.
∙ Low conductivity becomes a
problem.
∙ Pond recharge is not effective
through this sediments.
Land use
capability
∙ Needs a small area for a recharge
well installation.
∙ It needs a line-type space for a
ditch excavation.
∙ It needs a wider area for a pond
construction.
Layered
aquifer and
hydraulic
connectivity
∙ Layered feature does not affect a
recharge process.
∙ Layered feature affects a recharge
process due to a vertical
permeability difference.
∙ Layered feature affects a recharge
process due to a vertical
permeability difference.
Recharge
effect related with
topography
∙ Point-type recharge.
∙ Relatively limited to the low-slope
area compared to the flat area.
∙ Line-type recharge.
∙ Applicable to the low-slope
topographic area.
∙ Areal-type recharge.
∙ Applicable to the low-slope
topographic area.
Proposed priority 1 2 3

현장 대수성 시험에 의하면 주 대수층으로 추정되는 구간은 약 6.0 ~ 12.0 m 사이로서 이 구간과 상부 구간의 수리전도도 차이는 함양수의 지하 침투와 밀접한 관련이 있다. 상부 지층의 수리전도도는 주 대수층의 수리전도도과 유사하거나 약간 작은 특성을 갖고 있다. 따라서 지표 부근의 얕은 심도로 설치되는 Ditch 및 Pond의 경우는 주 대수층 구간까지 침투되기에 필요한 상부 지층의 수리전도도가 충분하지 않을 수 있다. 토지 이용의 가용성을 보면 상대적으로 작은 설치 면적을 요하는 함양 우물이 넓은 면적을 요하는 Ditch 및 Pond 보다 효과적인 것으로 보인다. 특히, 연구지역의 경우에는 경지 정리가 이루어지지 않고 있어 농수로도 설치되어 있지 않은 상태로서 Ditch 또는 Pond의 설치를 위해서는 추가적인 토지 확보가 필요한 실정이다. 지표에서부터 주 대수층 구간까지의 층상 지층의 수리적 연결성은 함양수의 수직 이동을 결정짓는 요인이 된다. 함양 우물의 경우에는 이들 수리적 연결성이 부족하더라도 직접 주 대수층까지 함양수를 전달할 수 있는 장점이 있어 타 방법에 비하여 유용한 것으로 보인다. 지형 특성은 각 방법별 함양 효과를 잠정 평가할 수 있는데, 연구지역과 같이 완경사를 갖는 지역에서 함양 우물에 의한 효과는 Ditch 또는 Pond에 비하여 제한적일 것으로 보인다. 완경사의 지형적 특성을 활용한다면 상류 지역에서 선형 또는 면적 형태로 설치되는 Ditch 또는 Pond가 보다 광범위한 인공함양 효과를 얻을 수 있는 방법으로 보인다.

이상과 같은 현장의 대수층 및 지형 특성 등을 토대로 각 방법별 장단점을 분석한 결과, 함양 우물에 의한 방법과 Ditch에 의한 방법을 조합하는 것이 효과적인 방법일 것으로 평가되었다. 다만, Ditch에 의한 방법은 현장 토지 가용성에 문제가 있으므로 지표상에 설치하기 보다는 농경지의 2~3 m 깊이의 지층내에 설치하는 방안도 검토되어야할 것으로 보았다.

토론 및 결언

본 연구는 가뭄 대책 기술로서 지하수 인공함양 시스템을 설치하고자 할 경우, 함양의 대상이 되는 주 대수층의 결정과 주변 환경 여건을 고려한 인공함양 방법의 선정을 보다 합리적으로 수행하기 위한 방법을 제시한 것이다. 지하수 인공함양을 위한 주 대수층의 결정과 취수방법의 선정 등은 연구대상 지역의 대수층 특성과 주변 환경을 고려하여 결정되어야 한다.

연구지역은 완경사 지역으로서 상류지역에서 함양을 실시하고 하류지역에서 취수를 할 수 있는 지형적 특성을 갖고 있다. 반면에, 상부 충적층의 투수성이 하부 풍화토 및 풍화대의 투수성에 비하여 양호하지 못한 특성을 갖고 있어 지표 침투식 함양 시스템을 설치하는 것은 최대의 효과를 도출하지 못할 수 있다. 따라서 주 대수층 구간에 직접 함양수가 도달할 수 있는 정호주입식으로서 함양 우물 설치 방식을 제안하였다. 아울러, 보다 광범위한 함양 효과를 도출하기 위하여 지표침투식으로서 Ditch를 병행하도록 하였다.

현재까지 상류지역에서 함양 우물 또는 Ditch에 의한 인공함양시 주입수의 이동 경로에 대한 평가가 이루어지지 않은 상태로서, 인공 함양시 체류시간과 이동 경로가 명확하지 않은 상태이다. 향후 연구지역에서의 상부 대수층의 함양 능력 테스트, 추적자 시험, 수평정의 취수 능력 등에 대한 평가를 실시하고 지하수 인공함양 시스템의 설치가 추진되어야 할 것이다.

현재 우리나라의 경우, 지하수 인공함양 기술이 도입단계에 해당한다. 지난 수년간 강변여과수와 수막재배 이용수의 재함양 등에 대한 연구가 수행되고 기술이 개발되어 왔으나, 퇴적 분지를 대상으로 하는 인공함양 및 물 순환 시스템에 대한 기술은 초보 단계에 머물러 있다. 날로 증가하는 이상 가뭄 및 물부족 시대에 대비하기 위하여 보다 경제적이고 효율적인 지하수 인공함양 기술이 확보되길 기대해 본다.

Acknowledgements

본 연구는 환경부(한국환경산업기술원)의 수요대응형 물공급 서비스사업 과제(상시 가뭄지역의 지하수 최적공급 관리를 위한 IoT 기반 인공함양 및 Well network 기술 개발, #146518)의 지원으로 수행되었습니다.

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