서론

터널 굴착시에는 복잡한 지질구조와 지질재해로 인해서 큰 비용손실과 인명피해가 발생할 수 있다. 그러므로 단층, 석회 동굴, 지하수와 같은 지질 및 수리지질 요인을 정확히 예측하는 것이 매우 중요하다(Shucai et al., 2010). 그러나 터널 설계 시에, 비용 및 시간, 현장 진입조건 등의 제약으로 인하여 상세한 지반조사를 실시하지 못하는 경우가 빈번하다. 더욱이 공사비용과 공사기간은 직접적으로 비례하기 때문에 터널 공사 중 추가적인 정밀 조사하기가 쉽지 않으며, 터널 공사 중 대규모 위험 요소가 발견되지 않는 이상 별도의 비용과 시간을 투입하여 추가로 정밀 지반조사를 실시하는 경우는 매우 드물다(Jeong et al., 2011).

터널굴착 공사 및 운영으로 인하여 터널굴착에 따른 과도한 지하수 유출로 인한 지하수원 고갈 및 지반 침하, 터널굴착 구간 내에 존재하는 폐갱으로 인한 지반 침하 발생, 터널 내 대기질 환경기준의 미 충족 및 환기가 외부에 미치는 영향, 터널 내 차량의 고속주행에 따른 소음·진동의 영향, 터널 상부에 미치는 식생 영향 등 많은 환경적 영향이 발생할 수 있다. 따라서 터널 굴착과 관련하여 모든 환경 분쟁 당사자들이 수긍할 수 있는 해결책 마련을 위해서는 환경적 영향의 원인 규명, 과학적 해석에 근거한 환경 위해요소의 평가 및 저감 대책을 수립하는 것이 매우 중요하다(Lee et al., 2014). 장대터널인 천성산 터널공사와 관련하여 환경영향평가를 통한 터널내 지하수 유출 및 무제치늪, 밀밭늪, 화엄늪 등의 고산습지에 미치는 영향에 대해서 논란이 있었다. 따라서 공사시행 당사자와 시민환경단체 간의 대립으로 인하여 터널 공사 중간에 환경영향평가를 실시하기도 하였다. 그러므로 터널의 안정성을 확보하고 지하수와 관련된 환경 분쟁을 최소화하기 위해서는 터널굴착 계획단계부터 터널굴착으로 인한 주변 지하수 환경 영향을 검토하고, 지하수 영향 저감을 고려하여 설계와 시공을 하는 것이 요구된다(Lee et al., 2009).

터널 내 유출량변화 조사, 해석을 위한 사례를 들면 다음과 같다. Chiocchini and Castaldi (2011)는 이태리의 터널 굴착 예에서 터널내 지하수 유출을 정확하게 예측하기 위해서는 지질, 지구물리, 수리지질, 암반역학, 지화학의 종합적인 조사를 통하여 층서와 구조지질을 이해하는 것이 중요하다고 지적하였다. Moon and Fernandez (2010)은 터널 굴착에 따른 지하수위 하강과 암반의 투수율 감소를 고려한 터널내 지하수 유출량 산정방법을 제안하였다. Lee et al. (2017)은 원자력시설 부지와 관련하여 국내에 적합한 지하수 모델링 지침을 제시하였다. Lee et al. (2001)은 지하수 모델링을 통하여 도수로 터널 굴착에 따른 터널 내 지하수 유출량을 측정하고, 지하수 유출량과 단열의 관련성을 확인하였다. Lee et al. (2003)은 영천도수로터널 완공에 따른 주변지역의 지하수위 회복을 지하수 모델링으로 해석하였다. Choi et al. (2004)은 터널 굴착과 관련한 지하수 모델링을 통하여 대수층의 개념모델을 어떻게 설정하느냐에 따라서 지하수위 변화 및 터널내로의 지하수 유출량에 큰 차이가 있음을 제시하였다. Koh et al. (2006)은 울산광역시 울주군 청량면 무거터널 굴착에 따른 지하수 유동 및 지하수위 변화를 지하수 모델링으로 규명하였다. Chung et al. (2007)은 화강암지역에 굴착된 수락산터널로 인한 터널 내 지하수 유출량과 터널 주변의 지하수위 변화를 3차원 지하수 모델인 MODFLOW를 이용하여 모사하였다. Cheong et al. (2015)은 고속철도 터널인 금정터널 주변의 장기적인 지하수 모니터링과 금정터널 내 지하수유출량 변화를 분석하고 이에 따른 기저유출량 변화를 지하수 모델링에 의해서 평가하였다.

연구지역은 울산광역시 북구 호계동이며, 울산-포항 복선전철 공사와 관련하여 터널 굴착으로 인해서 연구지역내에 위치하는 홈골못과 인근 계곡수가 고갈되었다. 본 연구는 현장 수리시험, 수질분석, 지하수 모델링을 통하여 터널굴착에 따른 홈골못과 인근 마을의 먹는물로 이용되는 계곡수의 고갈 영향을 분석하는 것이다.

연구지역 현황

연구지역은 울산-포항 복선전철 공사 지역 중 2 공구(울산시 북구 창평동-경주시 외동읍, 총연장 12.171 km 구간)로서, 행정구역상으로는 울산광역시 북구 호계동 일대이다(Fig. 1). 연구지역은 동쪽에 동대산(446.7 m)이 위치하며, 동고서저로 서쪽으로 갈수록 지형이 낮아진다. 서쪽에는 북에서 남으로 동천강이 흐르며 연구지역 중앙에 위치하는 홈골못에서 호계천이 서쪽으로 흘러서 동천강과 합류한다. 홈골못은 1965년에 축조된 농업용 저수지로서 13만 톤을 담수할 수 있으며, 2014년 수변공원으로 조성되었다. 그리고 연구지역의 북측에는 매곡천이 서쪽으로 흘러서 동천강과 합류한다. 연구지역 내에는 동대산에서 발원하는 계곡 근처에 위치하는 지하수공 2개공(OB-1, W-2)이 주변 마을(수동마을, 수성마을)의 생활용수 및 농업용수로 이용된다.

Fig. 1.

Study area and model boundary.

연구지역의 지질(Table 1)은 하위로부터 경상분지 내 백악기 하양층군의 퇴적암류(역암, 사암, 셰일)인 울산층, 이를 관입한 불국사화강암류와 제3기 화산암류(안산암), 전기 에오세 연일층군의 퇴적암류(정자역암)로 구성되어 있다(Park and Yoon, 1968; Chough and Sohn, 2010; Son et al., 2013). 제4기 충적층은 주로 연구지역의 서측부에 이들 지층을 피복하며, 동측의 계곡으로부터 비롯되는 선상지와 하천을 따라 분포한다(Fig. 2). 홈골못은 울산층 내에 위치하고 있으며, 홈골못의 좌측에는 제4기 충적층과 백악기 흑운모화강암이 우측에는 백악기 안산암이, 상류에는 백악기의 안산반암 및 흑운모화강암이 분포하고 있으며 드물게 규장암과 결정질석회암이 위치한다. 울산층은 가장 고기의 지층으로 주로 회녹색 또는 자색 셰일, 사암, 응회암질 사암, 역암 등의 누층을 이루고 있으며, 심성화성암류 관입을 받아 관입주변부에서는 혼펠스화 되어 있다. 울산층 내 하부 퇴적암에는 감람석이 협재되어 있다.

Fig. 2.

Geological map (Park and Yoon, 1968; Kim et. al., 2011).

연구방법

입도분석과 수리전도도 산정

계곡수가 지하로 유입되어 터널내로 배출되는 것을 확인하기 위하여 홈골못(HG-4)과 홈골못 상류의 3지점의 계곡수(HG-1, 2, 3), 터널 내 3지점(T-1, 2, 3)에서 총 7개 물 시료를 채취하여 현장수질 분석 및 실내 수질 분석을 실시하였다(Fig. 3). 물시료 채취지점 중 HG-3, HG-4에서는 물이 고갈되어 물시료를 채취하지 못하기도 하였다. 총 9개 항목(수온, pH, ORP(산화환원전위), DO, EC(전기전도도), TDS(총고용물질), 알칼리도, 염도(salinity), 탁도에 대하여 현장수질 분석을 실시하였다.

실내분석용 물시료는 수온 변화가 없어질 때까지 계속 양수하여, 수질이 안정된 후에 채취하였다. 채취된 시료는 0.45 µm의 미세공극 여과지로 부유물을 여과한 후, 분석 목적에 따라 2가지로 나누었다. 즉, 음이온 분석용 시료에 대해서는 여과만을, 그리고 양이온 분석용 시료에 대해서는 여과와 산처리를 동시에 실시하였다. 산처리는 0.05 N의 질산용액을 1 mL 첨가하여 지하수 시료의 pH를 2~3으로 유지하였다. 양·음이온의 분석 목적에 맞게 전처리된 시료는 100 mL의 무균 채수병에 담아 4°C 이하로 냉장·운반하였다. 실내수질 분석은 부산대학교 공동실험실습관에서 분석하였으며, 양이온(Ca²⁺, K⁺, Mg²⁺, Na⁺)은 원자방출분광분석기(inductivity coupled plazma atomic emission spectrometer, 미국 Thermo Jarrell Ash사, 모델 ICP-IRIS)로, 음이온(Cl^-, NO₃^-, SO₄^2-)은 이온크로마토그래피(미국 Dionex사, 모델 DX-500)로 분석하였다.

추적자 시험

지하수 추적자는 지하수 이동과 함께 운반되는 물질이나 에너지를 말하며, 지하수 내에서의 용질의 화학적, 물리적 거동 특성을 지시한다. 추적자로 적합한 물질은 ① 쉽게 검출 가능하고, ② 지하수에 쉽게 용해되어, ③ 지하수 환경에서 침전, 흡착, 분해 등 화학적, 생물학적 변화를 발생시키지 않아야 하며, ④ 독성이 없어야 하고, 지하수 환경에 영향을 미치지 않아야 한다. 일반적으로 가장 많이 이용되는 추적자는 온도, 이온, 염료, 동위원소, 방사성 핵종 등이 있다. 이온으로는 염소(Cl^-), 브롬(Br^-), 리튬(Li⁺), 암모늄(NH₄⁺), 마그네슘(Mg²⁺), 칼륨(^K+), 요오드(I^-), 황산염(SO₄^2-) 등이 있다. 염료추적자로는 플루오레세인(fluorescein), 피라닌(pyranine), 리사민 FF (lissamine FF), 로다민 B (rhodamine B), 로다민 WT (rhodamine WT), 설포로다민 B (sulforhodamine B) 등이 있으나 로다민 WT를 제외한 염료추적자들은 독성이 있어 특수한 경우를 제외하고는 잘 사용하지 않는다.

지하수 추적자 시험(tracer test)은 지하수계로 유입된 오염물질의 이동기작, 이동경로(path way), 이동시간(travel time), 체류시간(residual time), 농도변화를 규명하기 위한 것이다. 추적자 시험에서는 검출이 용이한 추적자를 동수구배의 상류에 주입정에 주입하고, 하류 구배의 배출정에서 추적자의 농도이력을 분석하여, 추적자 검출유무, 추적자 검출까지의 소요시간, 지하수 및 잠재오염원의 이동 방향, 속도, 유효 공극율(effective porosity), 수리적 분산(hydraulic dispersivity) 등을 알아낼 수 있다. 오염물질은 매질 내에서 이류, 분산, 흡착, 붕괴, 생분해 등의 과정을 거치며, 추적자 역시 오염물질과 동일한 기작을 일으킨다. 추적자의 투입량은 대상지역내에 존재하는 성분의 배경농도보다 높아야 하고, 조사대상 매질의 수리전도도나 매질의 성질을 변화시키지 않아야 한다. 추적자시험에는 단공 추적자 시험과 다공 추적자 시험이 있으며, 단공 추적자 시험은 단공 주입-양수 시험, 표류-양수 시험, 점희석 시험으로, 다공 추적자 시험은 자연 구배 시험, 발산흐름 시험, 재순환 시험, 수렴흐름 시험으로 구분된다.

다시의 법칙에 의해서 지하수의 평균공극유속은

  (1)

여기서 는 평균공극유속(LT^-1), K는 수리전도도(LT^-1), 는 유효공극(무차원), Δh는 두 지점 간의 수두손실(L), ΔL는 두 지점 간의 거리(L)이다. 한편 는

  (2)

이다. 여기서 t는 지하수 추적자가 거리 ΔL만큼 이동하는데 걸리는 시간이다.

식 (1)과 (2)는 같으므로

  (3)

지하수 모델링

지하수모델링은 지하수계의 변화를 제어하고 조절·예측하거나, 지하수자원을 관리하고 지하수 오염을 방지하는데 매우 유용하다. 지하수 수치모델은 불균질 대수층과 같은 복잡한 지층 및 지질 구조 처리가능하고, 불규칙한 경계조건 처리가 가능한 장점을 가지고 있으나, 모델이 복잡하며 근사해에 따른 오차가 발생한다는 단점을 가진다. 지하수 모델링은 터널 굴착에 따른 지하수계의 변화를 모사하는데 널리 적용된다. 지하수 모델의 경계조건과 개념모델을 어떻게 설정하느냐가 지하수 모델링 결과의 신뢰도를 결정하는 가장 중요한 요소 중 하나이다(Reilly, 2001; Choi et al., 2014).

본 연구에서는 Visual MODFLOW을 사용하여 불균질한 이방성 다공질 포화매체 내에서 일정 밀도의 부정류상태 지하수흐름을 모사하였다. 이때 지하수위 변화는 선형적이며, 대수층의 영역은 사각형 셀로 근사화하였으며, 지하수 온도와 밀도는 일정하다고 가정하였다. 지하수 모델링은 다음과 같이 다공질포화매체 내 밀도가 일정한 지하수의 3차원 흐름식에 근거한다.

  (4)

여기서 K_xx, K_yy, K_zz는 각각 x, y, z 방향의 수리전도도(LT^-1), h는 수두(L), W는지하수 함양률이나 배출률 (T^-1), S_s는 비저류계수 (L^-1), t는 경과시간(T)이다.

결과 및 고찰

수질특성

총 6회의 현장 수질분석의 결과, 계곡수와 유출 지하수의 현장 수질값들이 대부분의 경우에 서로 비슷하게 나타나고 있다. 각 항목들을 보면, 수온, TDS, 알칼리도, 염도는 계곡수에서 낮은 값을 보이고 유출 지하수에서는 높은 값을 보인다. 한편, pH, OPR, DO, EC는 계곡수에서는 높고 유출 지하수에서는 낮은 값을 보이고 있다. 계곡수(HG-1~4)에서는 온도가 8.3~12.6°C이고, 터널 내 유출 지하수의 수온은 12.0~14.8°C로서 유출 지하수의 수온이 상대적으로 높다(Table 2). 계곡수의 pH는 7.02~8.18이고, 유출 지하수의 pH는 7.37~8.07로 유사하게 나온다. 계곡수의 ORP는 101.6~168 mV이고, 유출 지하수의 ORP는 48.1~226 mV, 계곡수의 DO는 5.32~9.6 mg/L이다. 유출 지하수의 DO는 4.12~9.24 mg/L이고, 계곡수의 EC는 123.0~474.0 µS/cm이고 유출 지하수의 EC는 237~501 µS/cm이다. 계곡수의 TDS는 79.0~269.0 mg/L이고, 유출 지하수의 TDS는 153~325 mg/L이다. 계곡수와 유출 지하수의 알칼리도는 각각 28.0~97.0 mg/L, 93.0~271.0 mg/L이다. 계곡수의 염도는 0.04~0.13 ‰, 유출 지하수의 염도는 0.08~0.21 ‰, 계곡수의 탁도는 1.81~9.99 NTU, 유출 지하수의 탁도는 0.51~1.84 NTU으로 나타났다.

HG-1~HG-4 지점의 계곡수와 T-1, T-2, T-3지점의 터널내 유출 지하수의 현장 수질을 비교하면, 일부 수질항목들의 값이 서로 비슷하지만, 터널내 유출 지하수(T-1, T-2, T-3)의 알칼리도, EC, TDS 등의 값이 계곡수 보다 약간 높게 나온다. 이는 HG-1~HG-4 지점에서 계곡수가 지하로 유입되어 터널 내부로 유출되는 과정에서 자연 상태의 지하수와의 혼합에 의해서 성분의 농도가 증가하는 것으로 판단된다. 현장수질 분석에 의하면, HG-1, 2지점의 계곡수가 하류에 위치하는 홈골못에 도달하기 이전에 홈골못의 상류에서 지하로 침투하여 터널로 유출되는 것으로 판단된다.

수질형

지하수에 녹아 있는 주요 양이온이나 음이온, 혹은 모든 용존 물질의 농도를 다이아그램에 도시하여, 지하수의 기원 및 수질 유형을 서로 비교할 수 있다. 이를 위하여 파이퍼 다이어그램(piper diagram)과 스팁 다이어그램(stiff diagram)이 주로 이용된다. 파이퍼 다이어그램을 도시하기 위해서는, 먼저 주요 양이온(K²⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺)과 음이온(HCO₃^-+CO₃^-, SO₄^2-, Cl^-) 농도를 각각 밀리당량(miliequivalent per liter, meq/L)의 백분률로 환산한다. 양이온의 환산된 농도는 왼쪽의 삼각형에 그리고 환산된 음이온의 농도는 오른쪽의 삼각형에 도시하고, 각각의 양이온과 음이온 농도를 선으로 연장하여 위쪽의 능형 도표내의 교차점을 도시하게 된다. 지하수는 일반적으로 Ca-HCO₃형과 Na-HCO₃형에 속한다. 그러나 담지하수가 해수나 염수의 영향을 받는 해안지역에서는 담지하수가 Ca-Cl형을 보인다. 이때 Ca²⁺과 Na⁺간의 화학반응은 아래와 같다(Appelo and Postma, 2007).

Na⁺+1/2Ca-X₂→Na-X+1/2Ca²+  (5)

여기서 X는 매질 이온교환체(exchanger)이다. 반응 (2)에서 Na⁺은 매질 이온교환체(1/2Ca-X_2,)에 흡착되고 Ca²⁺은 방출된다. Ca-Cl형 지하수는 pH 7이하를 가지는 경우가 많다. 한편 담지하수가 염지하수 대수층으로 유입되는 경우에는 담지하수로부터 용출된 Ca²⁺가 매질의 이온교환체(Na⁺-X)에 흡착되고, Na⁺은 염지하수에 용해되어 Na-HCO₃형이 된다. Na-HCO₃형 지하수의 pH는 8 이상인 경우가 많다.

1/2Ca²⁺+Na⁺-X→1/2Ca-X₂+Na⁺  (6)

본 연구에서는 총 9개 수질 항목(F^-, Cl^-, NO₃^-, SO₄^2-, PO₄^2-, Ca²⁺, K⁺, Mg²⁺, Na⁺)의 분석 결과를 바탕으로 각 이온들의 밀리당량 비를 삼각다이어그램에 도시하여 물시료의 수질형을 정하였다(Table 3; Fig. 3). 1차와 2차 수질분석 결과, 모든 시료에서 Ca²⁺+HCO₃^-형을 보였다(Fig. 3). 이러한 지하수 유형은 계곡수가 지하로 유입되어 터널로 유출되었음을 지시한다.

Fig. 3.

Results of Piper diagram based on (a) 1^st and (b) 2^nd water quality analyses.

추적자 시험

본 연구에서는 총 2회에 걸쳐서 추적자시험을 실시하였다. 추적자시험 이전에 계곡 HG-2지점에서 염소의 배경농도를 측정한 결과 6.86 mg/L (EC는 214 µS/cm)였다. 1차 추적자시험에서는 농업용 지하수 수질기준(250 mg/L) 이하인 100 mg/L의 농도로 물 20 L 주입하였으며, 2차 추적자시험에서는 염소 농도를 200 mg/L로 물 100 L를 주입하였다. 터널 내부 지하수 유출지점(T-1, T-2지점)의 EC값은 CTD 다이버로 측정하였다.

1차 추적자 시험에서는 6시간 이후부터 터널 내 T-2 지점에서 EC 변화를 보이기 시작하여 8시간이 지난 후에 최대 EC 변화(40 µS/cm)를 보인 뒤 1시간 이내에 배경값(340 µS/cm)으로 복귀하였다. 2차 추적자시험에서는 터널 내부 T-2지점에서 터널 유출 지하수 EC값이 10시간 이후에 변화하여 최대 EC 변화(70 µS/cm)를 보인 뒤, 3일 뒤 배경값(342 µS/cm)으로 복귀하였다(Fig. 4). T-1 지점에서는 1차, 2차 추적자 시험 모두 EC 변화가 일어나지 않았다.

Fig. 4.

Results of 1^st and 2^nd tracer tests.

지하수 모델링

연구지역의 상부지역의 홈골못 일대의 지하수의 흐름을 파악하고 터널공사에 의한 영향을 확인하기 위해 수치모델링을 수행하였다. 수치모델링을 수행하기 위해 먼저 연구지역의 지하수 함양량을 산정하였다. 수문순환 과정에서 지하로 침투한 물 중 증발되지 않은 물은 토양대, 중간대, 모관대를 거쳐 포화대에 이르러 지하수를 형성하며, 지하수는 하천, 호수 또는 바다로 유출되고 있다. 정상류 모델링에서는 터널 공사 이전의 자연 상태의 지하수 흐름의 방향과 지하수 저류량을 확인하고, 부정류 모델링에서는 터널 공사에 따른 지하수 함양량과 지하수 유동 방향 및 저류량 변화를 확인한다.

 지하수 함양량

지하수 함양량을 산정하기 위해서는 기상, 수문, 식생, 토양, 지질자료 등이 필요하다. 함양량 산정 방법에는 여러 가지가 있으나, 현실적으로 관련 자료의 부족으로 정확한 지하수 함양량을 산정하는 것이 매우 어렵고 관련 자료들의 불확실성 때문에 여기에서는 간편하게 지하수 함양량을 산정하는 방법인 물수지 분석 방법을 이용하였다. 연구지역의 기상자료는 연구지역과 가장 가까운 기상관측소인 울산기상관측소 자료를 1987년 1월 1일부터 2016년 12월 31일까지 30년간의 강수량, 기온, 최대 일조시간 자료를 이용하여(기상청, www.weather.go.kr/weather), 연간 월평균 자료 강수량, 기온, 최대일조시간을 구하였다(Tables 4, 5 and 6). 연구지역의 30년간 연평균 강수량은 1,286.5 mm이고, 연평균 기온은 14.3°C, 연간 최대 일조시간의 평균은 10.9시간이다.

물수지 분석 방법을 이용하여 지하수 함양량을 산정한 결과, 강수량 1,286.5 mm와 지표유출량 129.63 mm(강수량의 10.08%), 증발산량 719.21 mm(강수량의 55.90%)에 대해서 총 지하수 함양량은 437.65 mm(강수량의 34.02%)으로 산정되었다. 따라서 순 지하수 함양량은 306.43(강수량의 23.82%) mm로서 총 지하수 함양량에서 기저유출량(강수량의 9.98%) 131.22 mm을 제거한 값이다.

 모델링 입력인자

모델영역의 면적은 7.69 km² (=3.33 km×2.31 km)이며, 모델영역의 격자는 총 36,660개(=94행×130열×3층)으로 구성된다. 홈골못은 일정수두 경계, 동천천, 호계천, 매곡천은 하천경계조건을 설정하였으며, 동대산의 분수령을 경계로 불투수경계를 설정하였다(Fig. 5). 또한, 수동마을에서 상수원으로 사용하고 있는 지하수 관정(OB-1)을 관측정으로 이용하였으나, 수성마을에서의 지하수 관정(W-1)에서는 지하수위 측정이 불가능하였다(Fig. 5). 연구지역내의 관측정 및 양수정 분포, 수리상수(수리전도도, 공극율, 함양량 등) 값은 기존 보고서(건설교통부, 한국수자원공사 2004, 한국농어촌공사 웹사이트(www.groundwater.or.kr) 자료와 현장조사 자료를 참조하였다. 수리전도도는 1영역과 2영역으로 나누어, 울산층 퇴적암 지역은 1영역(6.43E-04 cm/sec, 청색), 안산암 지역은 2영역(3.14E-04 cm/sec, 청녹색)으로 구분하였다(Fig. 6; Table 7). 모델영역은 수직방향으로 3개의 층(1층은 표토층, 2층은 풍화대층, 3층은 암반층)으로 구분하였다.

Fig. 5.

Model domain and grids of the study area.

Fig. 6.

Hydraulic conductivity map of zone 1 (sedimentary rock) and zone 2 (andesite) in the study area.

 정상류 모델링

관측정의 수위와 모사된 정상류모델에서의 수위를 시행 오차법으로 계속해서 모의를 하여 계산된 수위와 관측정의 수위가 오차범위(0.5 m)내에 들어올 때까지 시행하였다. 정상류 모델링에 의해서 결정된 수리전도도는 1층은 2.95E-04 cm/sec, 2층의 1영역은 1.57E-04 cm/sec, 2영역은 1.14E-04 cm/sec, 3층은 3.28E-05 cm/sec으로 결정되었다.

정상류 모델링 결과 지하수는 동쪽의 고지대(홈골못)에서 서쪽의 저지대로 흐르며 지하수위도 이에 따라 낮아진다. 홈골못(일정 수두)은 주변의 지하수위보다 약간 높게 형성되며, 터널 굴착 이전의 자연상태에서는 홈골못의 고갈 현상은 나타나지 않는다(Fig. 7).

Fig. 7.

Groundwater flow directions and contours by the steady state simulation.

 부정류 모델링

부정류 모델링에서는 터널내 지하수 배출 모사를 실시하였다. 부정류 모델링에서는 정상류 모델링에서 산정된 수리전도도와 터널의 배수경계를 입력하였다(Table 6). 터널내 지하수 유출량은 터널 내부와 외부의 수두 차와 전도계수에 비례하며, 터널내 지하수 유출량과 터널 전도계수는 각각 식 (7), (8)과 같이 구해진다.

  (7)

  (8)

여기서, Q는 터널 지하수 유출량(L³), K는 터널의 수리전도도(LT^-1), M은 터널 라이닝의 두께(L), L은 터널의 길이(L), W는 터널의 폭(L), Δh는 터널 내외부의 수두 차, C_m(=KLW/M)은 터널 전도계수(L²T^-1)이다. 터널 길이(L) 1.03 km, 터널의 폭(W) 13 m, 터널의 수리전도도(K)는 3.28E-07 cm/sec, 터널 라이닝의 두께(M)는 1 m를 식 (5)에 넣어서 터널 전도계수를 계산하면 5.26E-02 cm/sec이다. 이는 지하수모델링에서 산정된 터널 전도계수(5.07E-02 cm/sec)와 비슷하다. 터널내 지하수 유출량은 터널 내부와 외부의 수두 차와 전도계수에 비례한다.

부정류 모델링을 수행한 결과, 터널 공사 중의 누적유출량은 7일 후에는 24,480 m³/day, 30일 후 65,123 m³/day, 1년 후 702,134 m³/day, 터널 완공 시점인 3년 후에는 5,412,342 m³/day으로서 평균 4,942 m³/day의 지하수가 터널내로 유입되는 것으로 산정되었다(Fig. 8; Table 8). 한편, 실제 터널 공사에서 직접 측정되었던 지하수 배수량 4,200 m³/day은 지하수 모델링 결과보다 낮게 나타났다.

Fig. 8.

Accumulated discharge into the tunnel on 7, 14, 30, 90, 180, 365, 730, an 1095 days from the start of tunnel excavation.

터널 공사에 의한 지하수 유동 변화를 보면, 터널 주변에서는 터널 쪽으로 지하수 흐름이 발생하고, 그외의 지역에서는 정상류 모델링과 유사하게 고지대에서 저지대로 지하수가 흐르는 것을 알 수 있다. 지하수가 터널로 유입됨에 따라 터널공사가 완료시점인 3년까지는 터널 주변의 지하수위가 하강하는 것으로 나타났다(Fig. 9).

터널 완공 시점부터 터널 완공 후 터널의 라이닝 효과를 고려하기 위하여 터널 전도계수를 최초값(5.47E-02 cm²/sec) 보다 95% 감소시켰다(3.37E-05 cm²/sec). 터널 내 지하수 유출량을 최소화하여(14,284 m³/day) 지하수위 회복을 예측하였다. 모델링 결과, 공사 완공 3년 후에는 지하수위가 정상류 상태와 유사한 자연수위로 회복되는 것으로 예측되었다(Fig. 10).현장 추적자 시험 결과와 입자추적 모델링을 서로 비교한 결과, 현장 추적자 시험에서 주입 지점으로부터 터널 내부 유출지점까지 추적자가 도달하는 시간은 1차 추적자 시험에서는 6시간, 2차 추적자 시험에서는 10시간으로 나타났다. 한편, 입자추적 모델링에서는 추적자 시험의 주입지점(injection point)과 지하수 취수정에 가상의 입자를 입력하여 입자가 터널까지 도달하는 시간을 계산한 결과, 터널에 가장 가까운 입자(1)는 6시간 만에, 그리고 먼 곳의 입자(2)는 9시간 만에 터널에 도달하는 것으로 계산되었으며, 가장 멀리 위치하는 입자(3, 4)는 24시간 만에 터널에 도달하였다(Fig. 11). 그리고 지하수 취수정(OB-1)에 대한 입자 추적에서는 가장 가까운 입자가 24시간 만에 터널에 도달하였고, 그 외의 입자들은 24시간 이후에 터널에 도달하였다.

Fig. 9.

Groundwater flow on 7 days, 180 days, 1 year, and 3 years from the start of tunnel excavation.

Fig. 10.

Groundwater level contours by the transient simulation after 3 years from the completion of tunnel construction.

Fig. 11.

Simulation of groundwater fow to the tunnel by particle tracking.

결 론

본 연구는 울산시 북구 지역의 터널굴착에 따른 홈골못과 인근 마을의 먹는물로 이용되는 계곡수의 고갈 영향을 분석하였다. 현장 수질 분석 결과 계곡수와 터널내 유출 지하수의 수질은 EC, TDS, 알칼리도를 제외한 대부분의 항목에서 서로 유사한 것으로 나타났으며, 계곡수가 지하로 침투하면서 지하수와 혼합되어 EC, TDS, 알칼리도가 높아진 것으로 추정된다. 계곡수와 터널 유출 지하수의 주성분 이온을 파이퍼 다이어그램에 도시한 결과, 계곡수와 유출 지하수의 수질형이 모두 Ca²⁺+HCO₃^-형에 속하며, 이는 계곡수가 지하로 침투하여 터널로 유출되었음을 지시한다.

정상류 모델링 결과, 홈골못(일정 수두)은 주변의 지하수위보다 약간 높게 형성되며, 터널 굴착 이전의 자연상태에서는 홈골못의 고갈 현상은 나타나지 않는다. 또한 지하수는 동쪽의 고지대로부터 서쪽의 저지대로 흐르는 것으로 나타났다. 부정류 모델링 결과, 터널내 유출 지하수는 평균 4,942 m³/day로서, 실제 터널 공사에서 측정되었던 지하수 배수량 4,200 m³/day보다 약간 높게 나타났다. 터널 공사에 의해서 터널 쪽으로 지하수 흐름이 발생하였으며, 터널 완공 약 3년 후에는 지하수위가 자연수위와 비슷하게 회복되는 것으로 산정되었다.

현장 추적자 시험에서, 주입 지점으로부터 터널 내부 유출지점까지 추적자 도달 시간은 1차 추적자 시험에서는 6시간, 2차 추적자 시험에서는 10시간으로 나타났다. 한편, 입자추적 모델링에서 추적자 주입지점의 가상 입자가 터널까지 도달하는 시간은 6시간 내지 9시간으로 산정되어, 현장 추적자 시험의 추적자 도달시간과 비슷하게 나타났다.