서언

국내에서 강변여과 개발 방식으로서 방사형 집수정을 활용하는 경우에 시험 운영 중 또는 실제 운영 초기 단계에서 취수량의 감소가 일부 나타나고 있다. 이와 같은 취수량의 감소는 강변여과수 개발의 사업성에 대한 우려를 야기하고 국내 적용의 한계점에 대한 논란을 가져오게 된다. 일반적으로 방사형 집수정의 취수량 감소는 하상 바닥층의 clogging에 의한 투수성 감소, 수평집수정 상부 입자 구성의 변화, 물 온도의 변화, 하천 유량 변화, 수리전도도의 변화 등 다양한 과정에 의하여 발생할 수 있다고 알려져 있다.

외국의 사례에서도 방사형 집수정의 연속 양수시 안정 취수량에 도달할 때까지 취수량 감소가 나타나고 있으며, 그 원인에 대한 다양한 연구들이 수행된 바 있다. West Virginia의 24개의 50년대 설치된 방사형 집수정의 현장 성능을 평가한 결과 6년~12년이 경과한 후에 초기 산출량의 30~50% 정도 감소하였다는 연구가 있으며(Gidley and Miller, 1960), 이후 산출량 유지를 위한 다양한 설계, 시공 관련 특허 기술들이 확보되기도 하였다. 하류 라인강 지역 2개소의 강변여과수 개발 시설에서의 하천 바닥층의 clogging에 의한 하천수와 지하수의 상호작용 영향에 대한 비교 연구를 통하여 하천 바닥층의 clogging이 취수량에 영향을 주고 있음을 밝혔으며(Schubert, 2006), 미국 캘리포니아의 강변여과수 개발 지역에 대한 연구에서는 하천 바닥층 clogging의 생물학적 및 비생물학적 원인을 파악하고 현상관측 방법의 연구를 통하여 하천 바닥층의 clogging 현상파악이 취수시설의 성능을 결정하는데 중요함을 밝힌 바 있다(Ulrich et al., 2015). 또한, 하천 바닥층의 clogging이 하천 바닥층 투수계수 및 침투율의 감소를 초래하며, 물의 온도가 투수성에 영향을 미친다는 연구가 수행된 바 있다(Wett, 2006).

본 연구에서는 안성천에 설치 운영 중인 방사형 집수정에서의 초기 취수량이 일정 시간이 경과하면서 감소되는 원인에 대하여 검토함으로써 향후 설계시 고려해야할 사항을 제시하는 것을 목적으로 하였다.

연구지역

연구지역은 경기도 안성천 일원의 강변충적층으로서 방사형집수정 설치 위치는 행정구역상 천안시로 안성시와 평택시가 인접한 지역이다(Fig. 1, Fig. 2). 연구지역의 기반암은 선캠브리아기의 흑운모편마암과 이를 관입한 쥬라기의 흑운모화강암으로 구성되어 있고, 이들 기반암 상부에 강변충적층이 분포하고 있다. 충적층의 두께는 약 6.0~9.9 m로서, 하부로부터 풍화토, 자갈질 모래, 실트질 모래, 점토질 실트로 구성되어 있다(Kim et al., 2016). 연구용 방사형집수정의 수평집수정은 총 7개가 시공되어 있으며, Filter pack의 형태, 스크린 개공률 등 다양한 조건을 적용하여 설계, 시공하였다(Table 1).

Fig. 1.

Location of study area.

Fig. 2.

Structure of radial collector well and drilling sites(Modified from Kim et al., 2016).

취수량 감소 특성

각 수평정의 취수량 평가 및 변화 비교를 위하여 유사한 설계 조건인 prepack 스크린을 설치한 1번, 4번, 6번 및 7번 수평정을 대상으로 장기 양수 및 취수량 비교 분석을 실시하였다(Fig. 3). 각 수평정마다 토출부에 개폐 장치 및 유량계를 부착하였으며 수평정의 양수시 타 수평정은 모두 밀폐함으로써 해당 수평정에서의 취수량만을 산정토록 하였다. 1번, 4번, 6번 수평정은 2016년 1월초에 반나절에서 한나절 정도 양수 후 약 3개월 경과 후에 재양수하는 방식으로 진행하였으며, 7번 양수정은 3월초에 일정기간 동안 연속하여 양수하였다. 매 양수시 양수 시간은 1번 수평정은 18~19시간, 4번 수평정은 8~26시간, 6번 수평정은 8~14시간, 7번 수평정은 19~24시간 정도 소요하였다.

Fig. 3.

Decreasing trend of groundwater yield at each horizontal well.

각 수평정별 일정기간 동안 장기 양수를 실시한 결과 대부분 취수량 감소가 발생하였다. 1번 수평정에서의 취수량은 2016년 1월 9일에는 3,072 m³/d이었으나 3월 6일에는 2,376 m³/d로 약 696 m³/d이 감소하였다. 6번 수평정은 2016년 1월 11일에 3,072 m³/d에서 2월 26일에는 1,812 m³/d까지 감소하여 1,260 m³/d의 차이를 보였다. 7번 수평정은 2016년 3월 5일에 1,501 m³/d에서 3월 9일에 711 m³/d로 단기간내에 급격한 감소를 보였다. 반면에, 4번 수평정에서는 2016년 1월 10일 1,985 m³/d이었으나 2월 및 3월 양수시에도 큰 변화 없이 유지되었다. 각 수평정에서의 취수량의 감소 기울기를 보면, 1번 수평정은 12.4 m³/d/d, 4번 수평정은 2.3 m³/d/d, 6번 수평정은 24.4 m³/d/d, 7번 수평정은 187.3 m³/d/d로 나타났다.

연구지역의 배후지에는 최소 200 m 이상 이격된 지점에 지하수 관정이 위치하는 등 지하수 개발이 미미한 지역이며, 본 양수가 이루어진 1월부터 3월초 기간은 지하수 사용이 거의 없는 기간으로서 주변 양수에 의한 인위적인 영향은 없는 것으로 파악된다. 하천 수위는 방사형 집수정 하류지점에 보가 설치 운영되고 있어 일정하게 유지되는 것으로 보았다. 또한, 2월과 3월의 양수시 하천에 인접한 7번 수평정에서 급격한 취수량 감소가 발생한 반면, 하천에 유사하게 인접한 4번 수평정에서는 거의 변화가 없는 점을 고려할 때 갈수기의 하천 유량이 각 수평정별 취수량 변화에 미치는 영향은 미미한 것으로 보인다.

수평정의 입자 및 수리특성

방사형집수정의 수평집수정 시공 과정에 선단막음장치에 의한 지하수 유입을 억제하면서 오거 굴진시 토출되는 시료를 수평 방향 2 m 심도마다 채취하여 입도 분석을 실시하였다. 입도분석은 골재의 입도분석시험 규격에 따라 실시하였으며, 수평집수관 4공(#1, #4, #6 및 #7)에서 총 86개 시료를 채취하였다. 입도분포곡선을 이용하여 충적층 시료에 대한 균등계수(coefficient of uniformity, Cu)와 곡률계수(coefficient of curvature, Cc)를 산출하였다(Table 2).

수리전도도는 매질의 공극률과 입경간의 관계로부터 아래와 같이 추정하였다 (Vukovic and Soro, 1992).

  (1)

여기서, K는 수리전도도(LT⁻¹), g는 중력가속도(LT⁻²), ν는 20^oC 기준 동점성계수(L²T⁻¹), C는 분급계수(무차원), f(n)은 공극률함수(무차원), d_e는 유효입경(L)이다.

공극률은 균등계수를 이용하여 다음과 같이 표현된다(Odong, 2013).

  (2)

여기서, n은 공극률(무차원), C_u는 균등계수(무차원)이다. 한편, C_u는 d₆₀(입도분포곡선에서 60%에 해당되는 입자의 크기(L))/d₁₀(입도분포곡선에서 10%에 해당되는 입자의 크기(L), 유효입경)으로 정의된다. 식 (1)에서 분급계수항과 공극률함수항의 추정은 Slichter 및 Terzaghi가 제안한 경험식에 의하여 산정하고 수리전도도는 두 방법의 평균을 적용하였다(Table 3).

4개 수평정의 입도 분포 특성에서, 체의 통과중량 백분률의 10%인 d₁₀과 60%인 d₆₀의 비를 의미하는 균등계수를 보면, 1번 수평정은 d₁₀ 입경의 평균이 0.52 mm, d₆₀이 3.09 mm로서 균등계수는 6.51, 4번 수평정은 5.42, 6번 수평정은 7.02, 7번 수평정은 20.47로 나타나 7번 수평정의 구간별 분포 입도가 가장 불균질함을 보여준다.

각 수평정 구간의 입자 크기를 보면 7번 수평정이 가장 작은 것을 알 수 있다. 입경의 이상값(백분위수 10 미만 및 90 초과)을 제외한 평균값을 보더라도, 1번, 4번 및 6번 수평정은 d₁₀의 평균이 0.49 mm, 0.46 mm, 0.57 mm로 비교적 비슷한 크기인 반면 7번 수평정은 평균값이 0.19 mm로 작으며, d₆₀의 경우에도 3개 수평정의 평균은 2.85 mm, 2.51 mm, 3.12 mm인 반면에 7번 수평정은 1.68 mm로서 작음을 알 수 있다(Table 4).

7번 수평정의 경우 일부 구간의 균등계수가 매우 큰 것(#10, #12, #18, #22, #40 등)이 전체 균등계수의 평균에 영향을 미치고 있다. 각 수평정의 길이별로 균등계수의 이상값을 제외한 평균을 구하면 1번, 4번 및 6번 수평정은 각각 5.31, 5.36, 5.40으로 유사하며 이상값 미제거시의 6.51, 5.42, 7.02와 큰 차이를 보이지 않는 반면에, 7번 수평정은 15.17과 20.47로서 큰 차이가 존재한다. 즉, 7번 수평정의 경우에는 매우 큰 이상값이 존재할 뿐 아니라 이상값을 제외한 값의 경우에도 매우 불균질한 입도 분포 특성을 갖고 있음을 알 수 있다.

일반적으로 수리전도도는 positive skewness 분포를 보이기 때문에 산술평균은 과다산정될 우려가 있어 기하평균을 평균값으로 사용하였다. 각 수평정의 입도로부터 추정한 평균 수리전도도를 보면, 1번 수평정은 81.83 m/d, 4번 수평정은 80.35 m/d, 6번 수평정은 114.06 m/d, 7번 수평정은 3.63 m/d를 보여 7번 수평정 주변의 수리전도도가 상대적으로 낮음을 알 수 있다. 1번, 4번 및 6번 수평정의 경우에는 중앙값을 중심으로 상하값이 상대적으로 균등한 수준으로 분포하는 반면에 7번 수평정은 중앙값이 매우 낮은 범위에 위치하고 있어 수리전도도 분포가 치우치고 있음을 알 수 있다(Fig. 4).

Fig. 4.

Box plots of estimated hydraulic conductivities for each horizontal well.

수평정의 설계와 시공 요인 검토

본 연구 지역의 수평집수정이 위치하는 심도에서의 d50은 약 0.25~2 mm로서 세립질 내지 중립질 모래가 해당된다. 일반적으로 대수층내 입자의 크기가 4배 이상 차이가 존재하는 경우에는 구간별로 설계를 차별화하도록 제안하고 있다. 여재 크기의 적정성은 여재의 d50은 대수층 d50의 중앙값의 5배 정도로 선정하고 균등계수가 2 미만이 되도록 하여야 하며(Lee et al., 2015), 이를 토대로 최종 결정된 여재는 7번 공은 전체적으로 세립질이며 multi-prepack이 설치된 점을 고려하여 D₅₀=2.5 mm, Cu=2.0인 여재를 적용하였으며, 나머지 3개 공은 입자의 분포를 고려하여 여재 B (D₅₀=7.0mm, Cu=1.8)와 여재 C (D₅₀=3.5mm, Cu=1.65)를 지층 특성을 고려하여 혼재하여 적용하였다.

각 수평정의 구간별로 설계 내역을 토대로 선정된 여재가 적합한지 NAVFAC의 설계 매뉴얼(NAVFAC, 1986)에서 제시된 대수층과 여재의 입자 관계로 부터 입자간의 유동방지 여부에 대한 검토를 실시하였다(Table 5). NAVFAC에서 제시된 기준은 아래와 같다.

C1) 수두손실 발생 방지:

C2) 입자간의 유동 방지:

C3) 입자간의 유동 방지:

C4) 입자간의 유동 방지:

여기에서, D_na는 대수층의 입도분포곡선에서 누적통과백분율 n%에 해당되는 입자의 크기이고, D_nf는 필터의 입도분포곡선에서 누적통과백분율 n%에 해당되는 입자의 크기이며, C_u는 균등계수(무차원)이다.

각 수평정 구간의 물리적 특성과 취수량 감소율의 비교를 통하여 취수량 감소 원인에 대하여 검토하였다(Fig. 5). 대수층내 물의 이동에 영향을 미칠 것으로 추정되는 균등계수, 공극률, 수리전도도 및 하천과의 이격 거리 등을 비교대상으로 검토하였다. 수리전도도에 영향을 미칠 수 있는 균등계수, 공극률 등은 취수량 감소율와 상당한 관계를 보이는 것으로 나타났으며, 특히 균등계수의 표준편차가 취수량의 감소율와 밀접하게 관련되는 것으로 나타났다. 각 수평정에서 균등계수가 크고 균등계수의 표준편차가 크다는 것은 입자 크기의 분포가 불규칙함을 의미한다. 위에서 언급한 바와 같이, 7번 수평정은 입자의 평균적인 크기가 작으면서 다양한 크기의 입자가 혼재되어 있는 구간으로서 작은 입자로 인한 낮은 수리전도도 특성을 보인다. 균등계수를 제외한 나머지 인자들은 산출량의 감소와 상대적으로 미미한 상관성 또는 상관성이 없는 것으로 보인다.

Fig. 5.

Comparison of water yield and some factors; (a) coefficient of uniformity, (b) coefficient of curvature, (c) yield per unit length, (d) soil porosity, (e) average hydraulic conductivity, and (f) distance to river from a center of horizontal well.

수평정 심도에서의 입자에 기반한 추정 수리전도도와 수평정 상부의 전반적인 대수층의 수리전도도의 비교를 위하여 수직정에서 실시한 양수시험 자료로부터 산정된 수리전도도를 검토하였다. 수직정에서 실시한 양수시험 결과는 해당 영향권내 대수층의 평균적인 수리전도도를 보여주는 것으로 간주된다. 현장 수직정은 집수정을 중심으로 반경 약 25 m 이내에 방사상으로 굴착되었으므로 각 수평정의 약 25 m 깊이까지의 추정 수리전도도 자료를 비교 대상으로 고려하였다(Fig. 6). 입도 분석에 의한 수리전도도 추정 값은 일반적으로 과다 산정되는 경향이 있는데 이는 입도분석 시료가 대부분 불교란 시료를 활용하고 있고 시료 채취 과정에서 세립분이 일부 유실되는 현상 등이 반영된 것이라 볼 수 있다. 1번과 4번 수평정은 입도분석에 의한 수리전도도 추정값이 상부 대수층의 평균 수리전도도 보다 약 2배 정도 높게 나타났고 6번 수평정의 경우에는 약 3.5배의 높은 값을 보이고 있다. 6번 수평정의 경우에는 수평정 주변에서의 입도가 크기 때문에 크리깅으로 추정된 상부 지층의 평균 수리전도도보다 훨씬 높게 나타났다. 이와 같이 입도분석에 의한 수리전도도가 양수시험에 의한 수리전도도 보다 일반적으로 큰 특성을 보임에도 불구하고 7번 수평정 구간의 추정 수리전도도는 상부 대수층보다 매우 낮은 것으로 나타났다. 입도분석에 의한 수리전도도가 과다 추정될 수 있다는 가정을 적용한다면 7번 수평정 외부의 실제 수리전도도는 추정된 값보다 더 낮을 수 있음을 고려해야 한다. 이와 같은 7번 수평정의 낮은 수리전도도는 양수시험에 의한 수리전도도 및 타 수리전도도와 달라 불균질성을 잘 보여주고 있어 수평정을 통한 물의 유입경로 주변의 불균질성이 취수량 감소 및 낮은 산출성 등에도 영향을 미치는 것으로 보인다.

Fig. 6.

Distribution of hydraulic conductivity estimated by using pumping test results (hydraulic conductivity unit: m/d).

대수층내 clogging 가능성 평가

강변여과수 개발시 취수량 감소의 원인은 매우 다양하게 나타난다. 조사 및 설계의 부정확에 의한 실제 대수층 조건을 반영하지 못한 시공이 발생하거나, 개발 후 장기 양수에 따른 하천 바닥을 통한 하천수 유입에 영향을 미치는 clogging이 발생하거나, 또는 전 절에서 검토한 것과 같이 수평정 주변의 유속 형성으로 인한 퇴적 입자의 변화 등이 주요 원인으로 나타난다. 본 연구에서는 강변여과 시설의 시공에 앞서 다양한 시추 및 양수시험 등을 통하여 보다 정확한 설계 및 지층조건에 맞는 시공을 수행한 점을 고려할 때 조사 설계 및 시공의 문제점은 상대적으로 낮을 것으로 판단된다.

대수층내에 철과 망간이 다량 포함되어 있다는 점을 고려할 때 하천 바닥층의 유속 변화로 인한 철 망간 산화물의 침전으로 인한 유입수량 감소가 발생할 수 있다. 또한, 스크린 및 주변 여재에서의 철 망간 산화물의 침전 및 수평정 주변 대수층에서의 침전 작용 등에 의한 clogging에 의해서도 유입 수량의 감소가 발생할 수 있다. 철은 부유성 입자의 표면에 흡착되는 경향이 있는 것으로 알려져 있어 산출량 감소에 기여하는 것으로 알려져 있다(Srisuk et al., 2013).

지하수내 pH의 변화, 철과 망간 이온의 농도, 용존산소의 농도 등이 철과 망간 산화물 형성에 영향을 미친다(Kim et al., 2009; Kim et al., 2013; Yi et al., 2016). 2016년 2월에 채취한 수시료의 이화학 분석 결과에 의하면, 7번과 1번 수평정의 용존산소 및 철 이온 함량이 높으며 특히 7번 수평정의 경우 탁도가 높게 나타난다(Table 7). 철 이온은 양수 과정에 지표로부터 유입되는 공기와 혼합하여 산화물을 형성할 가능성이 높으며(Fig. 7), 특히 7번 수평정의 탁도가 높은 점은 이와 같은 철 산화물이 대수층내에 다량 함유되어 있음을 보여준다. 양수 종료 이전에 수직 관정을 활용한 산소수의 지중 주입이 약 2~3일간 이루어졌으며, 이후에 분석한 수시료 이화학 분석 결과를 보면 철 산화물의 영역에 도시되어 양수 및 주입에 의한 공기 접촉 효과가 나타났다. 따라서, 7번 수평정의 취수량 감소는 기본적으로 구성 입자가 세립질을 포함하는 불균질성을 보여 막힘에 의한 현상으로 보이나 양수 종료 이전에 시행한 산소수 주입에 의한 철 산화물의 침전 요인도 배제할 순 없을 것으로 보인다.

Fig. 7.

pH-Eh diagram for groundwater samples.

양수 초기와 후기의 취수량(Q) 변화를 토대로 스크린을 통한 유입 속도를 아래 식으로 추정해 보면, 1번 및 4번 수평정에 비하여 6번과 7번 수평정이 41.0% 및 52.6%의 속도 급감이 발생한 것을 알 수 있다(Table 8).

  (3)

여기에서, V는 유입 속도(L/T), c는 clogging 계수, Ds는 스크린의 반경(L), L_s는 스크린의 길이(L), P는 개공율을 의미한다. 일반적으로 유입 속도가 증가하면 laminar flow가 감소하면서 산소가 금속으로부터 용출되어 스크린의 부식이 증가하게 되어 부식이 발생되기도 하나, 유입 속도가 극히 낮은 경우에도 부식이 심하게 발생하는 것으로 알려져 있다(Williams, 1985).

이상의 4개의 수평정의 설계 특성, 입자 특성, 수리적 특성 및 연구지역 전반의 수리적 특성 등을 종합적으로 검토해 보면 수평정에서의 취수량 특성 및 감소 현상을 다음과 같이 설명할 수 있다.

첫째, 7번 수평정에서의 초기 취수량이 나머지 3개소보다 작은 것은 수평정 주변의 전체적인 입도가 상대적으로 작아 투수성이 낮기 때문이다.

둘째, 7번 수평정에서의 초기 취수량이 1,501 m³/d에서 불과 4일만에 711 m³/d로 급격히 감소한 것은, 수평정 주변의 입자의 평균 균등계수가 매우 크고 심도별로도 균등계수의 편차가 커서 큰 입자와 작은 입자가 혼재된 상태이며 초기 양수시에는 큰 입자를 따라 물의 유입이 유지되었으나 수평정 부근에 유속이 형성되면서 세립분의 이동 및 재배열이 큰 입자의 공극을 메우는 과정이 진행된 것으로 보인다.

셋째, 이와 같은 현상은 6번 수평정에서의 취수량 감소에서도 유사한 경향을 보인다. 6번 취수정의 입도 분석에 의한 수리전도도는 7번 보다 크기 때문에 평균적인 취수량이 상대적으로 크나 심도 구간별로 균등계수의 차이가 1번 및 4번에 비하여 큰 편이며 세립분의 공극 메움 현상이 일부 존재할 것으로 추정된다.

넷째, 철 이온 농도가 높은 1번 및 7번 수평정의 지하수의 수질 특성상 양수 및 주입 과정에서 철 산화물이 형성될 가능성이 크고, 이는 세립질인 7번 수평정 주변 대수층의 공극을 메우는 역할을 한 것으로 추정된다.

결언

그 동안 국내에서 강변여과수 개발 후 취수량 감소에 대한 일부 현상이 나타나고 있는 시점에서 안성천에 설치된 연구용 강변여과수 시설을 대상으로 대수층의 입자 특성 및 수질 특성이 취수량 감소에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지에 대하여 평가해 보았다. 본 연구에서는 입자의 불균질성, 세립질의 분포 및 철 이온에 의한 공극 막힘 가능성 등이 취수량 감소 원인으로 추정되었다. 강변여과수의 설계 단계에서의 조사는 수직정의 양수시험 및 입도분석 자료 등을 토대로 취수가능량을 평가하게 되는데 본 연구에서 보았듯이 지하 지층내에서의 입자의 불균질성이 취수량 감소에 영향을 미칠 수 있으므로 지층의 불균질성을 규명하는 것이 매우 중요함을 알 수 있다. 특히, 세립질 입자가 불균질하게 분포하는 경우에는 철 산화물에 의한 clogging의 가능성이 더 크게 존재하므로 이에 대한 사전 평가가 필요하다.