서 론
연구 시험부지
인공함양 시험시설 구축
대수층의 수리지질 특성
인공함양 방법별 주입능력 평가
수직주입정 주입시험
Ditch 주입시험
수직주입정 + Ditch 혼합형 주입시험
주입능력 분석에 의한 설계요소 산정
결언 및 토의
서 론
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 시행되고 있다(Bower et al., 2008; Zaidi et al., 2015; Ghazavi et al., 2018; Rajasekhar et al., 2019). 세계적으로 활용되는 대수층 함양관리 기술의 종류는 정호주입식 함양기술, 지표침투식 함양기술, 강변여과식 함양기술, 지하구조물을 활용한 함양기술로 정의 할 수 있다(CGWB, 2007).
국내에서 지하수 인공함양에 대한 연구가 일부 수행된 바 있는데, 제주도에서 대규모 저류지와 집중호우시 하천유출수를 활용한 지표침투시험에 대한 연구를 수행하여 지표침투식 인공함양을 적용하는 기술을 제시한 바 있다(Kim and Kim, 2010). 또한, 인공함양 방식 중 하나인 지중 침투형 갤러리에서의 인공 주입시험 결과를 이용하여 인공함양의 효율성을 예비적으로 평가하였으며(Moon et al., 2016), 내륙 소분지에서 지하수 인공함양 가능성 및 대상 지층의 효용성을 평가하여 함양 우물에 의한 방법과 ditch에 의한 방법을 조합하는 방안을 제시한 바 있다(Lee et al., 2019).
금번 연구에서는 우리나라의 내륙 상류 분지에서 지하수 인공함양 시스템을 구축하기에 앞서 수직주입정, ditch 및 혼합형 등을 갖춘 시험지역을 구축하고, 다양한 시설 조건의 주입 실험을 통하여 인공함양 시설의 설계에 필요한 적정 설계요소를 도출하고자 하였다.
연구 시험부지
연구지역은 행정구역상 충청남도 홍성군 갈산면 운곡리 신곡마을에 위치하고 있으며(Fig. 1), 경기육괴 서남부에 해당되는 지역으로 선캠브리아기 편암류 및 편마암류와 중생대 관입화성암류, 시대미상의 변성암 또는 퇴적암으로 구성되어 있으며 최상부에는 4기 충적층이 분포하고 있다(Lee and Kim, 1963).
연구지역은 서쪽에 갈산천이 북에서 남으로 흐르며 연구지역을 가로질러 동측에서 서측으로 폭 5~10 m 정도의 신곡천이 흐르고 있다. 연구지역은 동측 경계에 105~110 El.m의 표고를 갖는 산지지형이 분포하여 분지형태의 지형을 구성하며 산지를 제외한 전답의 지형의 경사는 3.7°로서 완만한 특성을 보이고 있다.
연구지역은 농번기 물부족이 빈번하게 발생되는 지역으로서 수원 확보를 위하여 지하수 인공함양 기술의 적용을 고려하고 있다. 지하수 인공함양 기법의 설계를 위하여 연구지역내 일부 부지를 시험부지로 설정하여 다양한 형태의 주입 시험을 수행하였다.
인공함양 시험시설 구축
인공함양 시험시설은 시험부지에 각 함양방법별 주입능력을 평가하기 위해 지층분포 특성 결과를 토대로 수직주입정, Ditch, 수직주입정 + Ditch의 혼합형 등 3가지의 형태로 구축하였으며, 각 구축시설에서 적정 설계요소를 도출하기 위해 주입시험을 실시하였다. 또한 주입시험 시 주입특성 및 수질 등을 상시모니터링이 가능하도록 상,하류 지역에 관측공을 설치하였다(Fig. 2).
인공함양 시험부지의 시험시설은 지층분석을 위한 시추공(10공, S-1~10), 수직정 주입시험을 위한 시추공(6공, IS-1~3, IR-1~3), 수직주입정 + Ditch 주입시험을 위한 시추공(11공, DI-1~11), 모니터링을 위한 시추공(8공, DM-1~8)을 설치하였다. 수직주입정 시험 시설은 지층별 주입능력을 파악할 목적으로 충적층 구간과 충적층 및 암반층 구간으로 구분하여 설치하였으며, 충적층 주입정은 지표 하 3 m 깊이, 충적층 및 암반층 구간 주입정은 지표 하 5 m 깊이로 설치하였다. 또한, 주입정 구경별 주입능력을 분석하기 위해 250 mm, 150 mm, 100 mm를 구분하여 굴착하였다(Fig. 3).
Ditch 방식의 주입시설은 Ditch 내 여재의 크기별 주입능력을 평가하기 위해 4가지 Case의 여재를 사용하여 설치하였다. 3개 Case에 대해서는 크기가 각기 다른 단일 여재를 사용하였으며, 나머지 1개 Case는 3가지 여재를 혼합하여 설치하였다. 각각의 여재 크기는 Case 1은 30~40 mm, Case 2는 5~10 mm, Case 3은 0.1~0.35 mm로 구성하였다(Fig. 4).
세 번째 유형으로는, 주입 효과를 제고하기 위하여 하부의 수직주입정과 상부의 Ditch를 혼합한 방식을 설치하여 실험하였다. 수직주입정은 3 m 간격으로 굴착하였으며, 상부 토사층은 구경 100 mm, 암반층은 구경 50 mm 케이싱과 스크린을 설치하였다. Ditch는 폭 1.0 m, 길이 32.0 m, 깊이 1.1 m로 굴착하였으며 구경 20~30 mm의 여재를 설치하였다. 혼합형의 실험 순서는 수직주입정 주입시험을 선 시행하고 Ditch 주입시험을 실시 한 후 케이싱을 인발하여 수직주입정 + Ditch 혼합주입시험이 가능하도록 하였다(Fig. 5).
대수층의 수리지질 특성
시험부지 내 지층분석공 10개소의 시추조사에 의하면, 상부로부터 매립층, 충적층/붕적층, 풍화토, 풍화암, 기반암의 순으로 지층이 분포하며, 매립층은 지표 하 최대 4.0 m 깊이, 충적층 및 붕적층은 지표 하 2.3~4.0 m, 기반암은 지표하 1.5~9.0 m 하부에 분포하며, 동측에서 서측으로 갈수록 상부 토사 및 풍화토 층이 두꺼운 것으로 나타났다(Table 1).
Table 1.
Thickness of each strata at the drilling wells in the test site (unit: m)
시험부지 동측의 지하수위는 지표 하 0.67~0.9 m, 하류인 부지 서측의 지하수위는 지표 하 2.25~2.4 m의 범위를 보이며, 지하수의 흐름은 동측에서 서측으로 나타나며, 지하수 수리경사는 0.033~0.050 정도이다.
각 주입공에서 실시한 정압주입시험 결과, 시험부지의 전반적인 수리전도도는 2.24 × 10-5 ~ 1.48 × 10-4 cm/sec, 충적층 구간은 5.05 × 10-4 ~ 7.08 × 10-4 cm/sec, 충적층 및 암반층의 혼합 지층은 2.25 × 10-5 ~ 3.86 × 10-3 cm/sec의 범위를 보인다. 시추공별 수리시험 결과, 시험부지내의 위치별 수리전도도 차이는 크지 않으나, 수직(충적 및 암반층)별 차이는 큰 것으로 나타났다(Table 2). 이는 연구 시험부지의 상부 암반층 내에 파쇄구간이 발달하며 풍화가 심하고 투수성이 상대적으로 양호한 반면에, 충적층은 점토나 실트와 같은 저투수성 매질이 분포하고 있기 때문이다.
Table 2.
Distribution of permeability in the test site estimated based on the constant head injection test
또한, 시추조사 자료에 의하면, 시험부지 내 암반 출현심도는 지표 하 1.5~9.0 m이며, 지표 하 10.0 m 심도를 기준으로 상부 암반의 특성을 보면, TCR은 54~100%(평균 92%), RQD는 0~91 (평균 27%), 지표 하 10.0 m의 하부 암반은 TCR은 90~100%(평균 99%), RQD는 0~94 (평균 39%)로 나타나 상부 암반이 상대적으로 지하수 유동에 유리한 특성을 갖고 있다.
인공함양 방법별 주입능력 평가
연구지역의 수리지질특성에 부합하는 최적의 인공함양 설계요소를 결정하는 방안으로서, 적정 인공함양기법 선정, 주입정의 규격, 주입대수층 심도, ditch의 여재크기, 주입정 간격 등을 시험지역 내 연구시설에서 단계별 실험(수직주입정, ditch, 혼합형)을 통하여 결정하도록 하였다(Fig. 6).
수직주입정 주입시험
시험부지 내 지층별, 규격별로 설치된 수직주입정에서 주입시험을 수행하였으며, 지층별 주입성능 비교분석을 통해 함양 시 주입능력 효과를 분석하였다. 주입시험 결과 분석은 주입공 주입율에 따른 인접 주입공에서의 수위상승 변위를 토대로 수행되었다(Table 3).
Table 3.
Injection rate and water level fluctuation at each vertical injection well
주입시험 결과 충적 + 암반 주입정인 IR-1공이 최대 주입율 31.79 m3/day가 주입되었으며, 인접공에서 46~53 cm 수위상승이 일어났다. 반면에 가장 적은 주입율인 3.53 m3/day 주입된 IS-2공은 0~3 cm의 매우 미미한 수위상승 변화가 나타났다. 충적 대수층과 충적 + 암반 혼합층의 주입에 따른 주입능력을 비교분석한 결과, 충적 + 암반 혼합층의 주입율이 충적 대수층보다 2배 정도 높은 주입율이 높게 나타나며, 이로 인해 인접공의 수위상승 변위도 2배 가까이 발생하는 것으로 나타난다. 이러한 수리적 간섭 차이는 상부 암반대수층에서는 지하수유동이 원활하도록 유효공극이 발달되어 있는 반면 충적층은 지하수 유동을 저해하는 투수성이 불량한 점토~실트질 지층이 분포하기 때문으로 보인다. 주입정 규격에 따른 주입율과 수위상승 효과는 오히려 주입정 규격이 가장 작은 IR-1 공에서 가장 높은 효율을 보이는 것으로 나타났다. 이는 연구지역내 대수층은 주입정의 규격에 의한 영향보다는 지하수유동을 유발하는 투수성에 의한 영향이 지배적인 요소임을 보여주고 있다.
Ditch 주입시험
Ditch를 여재로 채우는 것으로 계획하였으며, 이 때 적정 여재의 규격을 파악하기 위하여 4가지 여재 Case를 대상으로 주입시험을 실시하였다. 각 Case별 주입시험 결과 분석은 주입Ditch 주입율에 따른 인접 Ditch에서의 수위상승 변위와 주입완료 후 수위강하 양상을 토대로 수행되었다(Table 4, Fig. 7).
Table 4.
Injection rate and water level fluctuation for four types of ditch fillings
Case 1과 Case 2에서는 낮은 주입율과 큰 수위상승을 보이나 Case 3과 Case 4에서는 상대적으로 높은 주입율과 작은 수위상승 양상을 보였다(Fig. 7). 주입에 의한 수위상승 변위양상을 볼 때, Ditch 여재 내 포화효과는 수위상승 변위가 상대적으로 큰 Case 1과 Case 2에서 높게 나타났다. 시험부지 Ditch에서 주입성능은 여재가 상대적으로 큰 경우에서 높은 포화효과를 보이는 것으로 나타났다.
수직주입정 + Ditch 혼합형 주입시험
인공함양 주입정의 적정 간격을 결정하기 위하여 Fig. 5와 같은 수직주입정 + Ditch 혼합형 주입시설에 대하여 주입정의 주입 간격을 달리하면서 주입시험을 수행하였다. 주입시험은 짝, 홀수 격공 주입시험(6 m 간격 주입), 3공간 격공 주입시험(9 m 간격 주입), 4공간 주입시험(12 m 간격 주입), 전공 주입시험(3 m 간격 주입)을 수행하고, 각 시험별 주입율 대비 경과시간 14시간(840분) 이후 대수층의 수리적 간섭영향을 분석하였다(Table 5). 모든 시험 조건에서 주입 시작 이후 12시간까지는 주입율이 변동양상을 보이고 있으나, 경과시간 12시간 이후는 주입율이 안정된 정류상태의 유동특성을 보이는 것으로 나타났다.
각 주입시험별 주입율에 따른 수리적 간섭영향을 분석한 결과, 시험 개시 후 12시간 경과까지의 초기주입율은 37.30~55.44 m3/day, 주입시험 진행 12시간 후 정류상태에서의 안정주입율은 31.78~44.41 m3/day으로 나타났으며, 안정주입율 조건에서 주입에 의한 간섭 수위변동은 0.12~0.89 m를 보인다(Table 5). 본 주입정의 배치 효과에 대한 실험 결과, 9 m 간격의 격공 주입 시 전체 주입율 및 안정주입율이 가장 높은 것으로 분석되었다.
Table 5.
Injection rate and water level fluctuation in the combination system of vertical injection well and ditch
주입능력 분석에 의한 설계요소 산정
이상의 연구지역 지층의 수직적 분포, 시험지역에서의 다양한 형태의 주입 시험 등의 결과를 종합하여, 연구지역 인공함양 시설의 대상 지층 범위, 수직 주입정의 규격, ditch의 여재 규격 등의 설계인자를 도출하였다(Fig. 8).
현장 수직정 주입시험 결과, 구경이 큰 250 mm 주입정보다 투수성이 가장 양호한 100 mm 주입정인 IR-1에서 가장 높은 주입율을 보였다(Fig. 9). 이는 연구지역내 대수층은 주입정의 규격에 의한 영향보다는 대수층의 투수성이 함양수의 지하 침투와 밀접한 관련이 있는 것을 보여주고 있다. 수직주입정 설치 시 굴진 효율 및 토지 이용의 가용성과 경제성 등을 고려할 시 규격이 작은 수직주입정인 100 mm 규격이 효과적인 것으로 분석되었다.
인공함양 대상 지층의 심도를 결정하기 위하여 주입량 대비 주변 지하수위 상승량을 분석하였다. 충적층에 굴착된 수직주입정에서는 10 m3/day 이하의 주입율과 10 cm 이하의 수위상승이 일어나는 반면, 충적 + 암반대수층에 굴착된 수직주입정에서는 11~32 m3/day의 주입율과 20~50 cm 수위상승을 보여 충적층 자체 보다는 풍화대와 상부암반이 포함된 충적 + 암반대수층의 혼합 구간에서 보다 높은 함양효과가 발생될 것으로 나타났다. 충적 + 암반대수층은 10 m3/day 주입율 당 14.7 cm 수위상승율을 보이는 것으로 분석되었다(Fig. 10). 이와 같은 분석결과를 토대로 충적 + 암반대수층을 주 함양 대상구간으로 설정하였다.
Ditch의 함양수 침투능력을 평가하기 위해 여재 크기와 주입율과의 상관성 및 함양수 주입 완료 후 침투에 의한 수위 강하량의 관계를 분석하였다.
Ditch 내 여재별 주입율 차이는 Ditch 하부 대수층의 수리특성에 영향이 더 커 여재 크기에 따른 영향을 비교하기 어려웠다.
함양수 주입완료 후 수위강하율도 하부 대수층의 수리특성에 의한 영향이 지배적인 것으로 나타났으나, 비슷한 침투율을 보여준 Case 2와 Case 3의 경우 포화효과가 높게 나타났고 Case 4의 경우 주변 영향이 낮은 것으로 보아 분급이 낮은 여재보다 분급이 높은 여재가 함양에 유리하고 여재의 크기가 클 경우 함양에 더 유리한 것으로 판단되어 주입에 의한 포화효과가 양호한 Case 1과 Case 2 사이의 크기인 10~30 mm 내외의 여재가 가장 효과적인 것으로 분석되었다.
인공함양 수직주입정의 간격 차이에 따른 주입시의 간섭효율을 분석하였으며, 간섭효율은 아래 식 (1)과 같이 정의하였다.
여기서, 전공 주입시험(3 m 간격 주입)시 수위를 100%로 설정하였으며, 각 주입 조건별 주입공 사이의 관측공 수위를 분석하여 간섭효율을 산정하였으며, 이들 주입공의 간격별 조건에 대한 결과를 종합하여 공 간격당 주입 효율 경향성을 분석하였(Fig. 11). 각 주입공 간격 1 m 당 간섭효율 감쇄계수는 1.75%로 산출되었으며, 이는 주입공 간격이 간섭효율에 큰 영향을 미치지 않음을 보여준다. 각 주입간격별 주입에 의한 수리적 간섭영향은 14시간 주입 후 계산된 간섭효율로 상대적으로 간격이 가장 큰 9~12 m 간격에서도 70% 이상의 높은 간섭효율을 나타나는 것으로 분석되었다. 단기간의 주입에 의한 간섭효율을 볼 때 장기간의 주입 시에는 높은 주입효율이 나타날 것으로 기대된다. 주입간격별 주입에 의한 수위상승 변위 차이도 적게 나타나며 주입정 구축에 따른 경제성 및 유지관리가 측면을 고려하여 상대적으로 안정한 주입율을 보이며 간섭효율도 양호한 9~12 m 간격이 적정 주입정 간격으로 평가되었다.
결언 및 토의
인공함양의 설계요소인 주입 시설의 규격, 주입 대상 지층, 주입시설의 재료 규격 등을 결정하기 위하여 수직주입정, Ditch, 수직주입정 + Ditch 혼합형 3가지의 시험시설별 주입시험을 단계별로 수행하고 주입능력을 종합적으로 평가하였다.
수직주입정의 구경에 따른 주입율 분석결과를 보면, 작은 구경인 100 mm의 굴착으로도 주입효과가 충분한 것으로 평가되었으며, 굴진 효율 및 토지 이용의 가용성과 경제성 측면에서도 효과적인 것으로 보았다. 수직주입정의 주입 효과는 주입정의 규격보다는 지하수유동을 지배하는 투수성에 의하여 큰 영향을 받음을 보여주고 있다.
충적대수층 구간의 주입 보다 충적 + 암반대수층 혼합 구간의 주입율 및 수위 상승률이 큰 것으로 나타나 이들 혼합 구간을 주 함양 대상으로 하는 충적 + 암반대수층 주입정 방식이 효과적인 것으로 평가되었다.
Ditch 내 여재크기와 주입율과의 상관관계는 Ditch 하부 대수층의 수리특성에 영향이 더 커 여재 크기에 따른 영향을 비교가 어려웠으나, 비슷한 침투율을 보여준 Case 2와 Case 3의 경우 포화효과가 높게 나타났고 혼합형의 Case 4의 경우 주변 영향이 낮은 것으로 보아 분급이 낮은 여재보다 분급이 높은 여재가 함양에 유리하고 여재의 크기가 클 경우 함양에 더 유리한 것으로 분석되었다.
수직주입정의 간격에 따른 지하수위의 간섭효율을 분석한 결과, 간격 1 m 당 간섭효율 감쇄계수는 1.75%로서 주입공 간격에 따른 간섭효율의 차이는 미미하였다. 분석결과는 14시간 주입 후 계산된 간섭효율이며, 9~12 m 간격에서 70% 이상의 간섭효율을 나타나는 것으로 평가되므로 향후 지속적인 주입이 이루어 질 경우 90% 이상의 효율이 기대되는 것으로 보인다. 주입간격별 주입에 의한 수위상승 변위 차이도 적게 나타나므로 주입정 구축에 따른 경제성 및 유지관리가 측면을 고려하여, 상대적으로 안정한 주입율을 보이며 간섭효율도 양호한 9~12 m 간격이 적정 주입정 간격으로 평가되었다.
본 연구결과는 시험부지에서 시험 분석결과를 토대로 설계 요소를 평가한 예비 분석 결과로서 현장 시공을 통하여 충분한 검증이 이루어진 상태는 아니다. 따라서 향후 현장 시공 이후 지속적인 함양 운영에 따른 체류시간 및 이동경로 등에 대한 현장 연구가 필요하며, 추후 설계 효과에 대한 보다 정밀한 검증을 병행할 예정이다. 본 연구는 향후 지하수 인공함양 시스템의 설계를 위하여 예비적 실험 및 해석에 필요한 방법을 제시한 것으로서, 상시 물부족 지역의 용수 확보를 위한 지하수 인공함양 기술의 확대에 기여할 것으로 본다.
