Research Article

The Journal of Engineering Geology. September 2020. 269-278
https://doi.org/10.9720/kseg.2020.3.269


ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 연구지역

  • 현장 주입 시험

  • 수치모델 구축

  • 주입 조건별 지하수위 및 물수지 변화

  •   주입 조건

  •   지하수위 변화

  •   주입 후 물수지 변화

  • 토 의

  • 결 론

서 론

지하수 인공함양(artificial recharge)은 관정, 도랑, 수로, 습지 등 자연적 구조 및 인위적인 시설을 통해 지표수나 지하수를 주입하여 대수층에 함양시키는 방법으로 지하수 수량을 증대시키거나 조기에 확보하는 것을 목적으로 한다. 지하수 인공함양은 지표 댐에 비하여 수문학적, 경제적인 장점이 있는데, 장단기적인 지하 저장을 위해 인공함양의 이용이 증가하고 있다(Moon et al., 2014).

지하수 인공함양 중에서 직접 주입하는 방법은 가뭄 시 용수를 확보하기 위한 수단으로 활용되는데, 비수요기의 잉여의 수자원을 활용하여 공극성 지층 내에 저류시킴으로써 물 수요기에 취수하여 활용할 수 있도록 한다. 아프리카나 인도 등과 같은 물 부족지역에서 하천변 충적 분지를 대상으로 기술 적용이 이루어지고 있으나 국내의 경우에는 제주도 화산암 지역 및 수막재배 지역에서 일부 적용이 된 바 있는데, 인공함양을 통한 제주지역 대수층 지하저류 증대방안 효과 평가 및 해수침입 억제효과 분석(MAF, 1996), 수막재배지역의 지중 침투형 갤러리를 이용한 인공함양 예비 평가 연구(Moon et al., 2016), 대수층의 특성을 고려한 인공함양 범위 및 적정 인공함양 기법 검토 연구(Lee et al., 2019) 등이 수행되었다.

또한, 3차원 수치 모델을 활용한 지하수 인공함양 효과 예측 연구는, 수치모델을 이용한 강변여과수 취수 시 지하수 유동 고찰(Hamm et al., 2005), 지하수 모델 개발을 통한 제주지역 지하수 인공함양 평가(Oh et al., 2011), 수막재배 지역에서의 사용된 물의 재 주입 효과, 주입 방법 및 지속성 평가 연구(Chang et al., 2016), 인공함양의 최적 시기 및 위치에 대한 시나리오 분석 연구(Park et al., 2016) 등이 수행된 바 있다.

우리나라의 경우 2015년 심각한 가뭄으로 인하여 물 부족이 발생한 바 있다. 충청남도의 누적강수량은 548.7 mm로 평년(1,245.8 mm)의 44% 수준을 나타냈으며, 보령댐의 저수율이 21.5%까지 하강하는 등 극심한 가뭄으로 제한급수가 이어졌으며, 강원도의 경우 강수량은 평년의 절반수준에 불과하여 농경지 7,358 ha에서 가뭄이 발생하였다(CNI, 2016). 이와 같이 2015년 발생한 극한 가뭄은 지하수 인공함양 기술 도입의 필요성을 대두시켰으며, 본 연구에서는 가뭄 취약성이 큰 상류 소분지에서의 인공함양의 적용성을 검토하고자 함양수의 주입량과 주입 간격 등에 따른 함양 분지 내에서의 수문학적 변화를 예측, 평가하고 지하수 인공함양의 효과를 진단하고자 하였다.

연구지역

본 연구지역은 충청남도 홍성군 갈산면 신곡마을로서 농번기에 상시적으로 용수가 부족한 지역으로서, 4월 및 5월의 물 부족량이 10년 가뭄 주기를 고려할 때 최대 6,446 m3 정도로 평가된 바 있다(Fig. 1; Kim et al., 2020). 본 지역 내에는 지표수를 저장할 수 있는 저수지가 존재하지 않을 뿐 아니라, 기존 관정에서의 산출량도 30 m3/day 이하에 불과하고 관정 개발의 성공률이 매우 낮으며 연구지역내 신곡천은 연장이 짧아 갈수기 평균 하천 유량이 2,831 m3/day에 불과하며 가뭄시에는 이보다 훨씬 작은 유량이 흐른다(Kim et al., 2020).

연구지역의 북동쪽은 산악지형, 남서쪽은 저지대로 이루어진 분지 형태이며, 지질은 신생대 4기 충적층과 화강편마암으로 구성되어 있다. 하천은 폭 5.0~15.0 m의 신곡천이 흐르고, 토지 이용은 대부분 밭농사 및 논농사의 농경지로 이루어져 있다. 연구지역 내에는 기존에 사용 중인 가정용 6개, 농업용 23개의 양수정이 위치하고 있으며 9개의 지하수 관측정이 설치 운영되고 있다. 또한 실제 현장 대수층의 주입 능력을 파악하고자 함양 분지 인근에 6개 관정(B-1, B-2, B-3, B-4, B-5, B-6)을 설치하여 자연 주입시험을 실시하였다(Fig. 1).

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Fig. 1.

Location of the study area and a boundary of artificial recharge.

현장 주입 시험

주입정은 충적층을 대상으로 3공, 상부 암반을 대상으로 3공을 각각 5 m 간격으로 설치하였고, 구경은 100, 150, 250 mm로 다양하게 구성하였으며, 주입정 상부 1.5 m는 무공관 및 그라우팅을 실시하여 외부로부터의 유입을 차단하였다(Fig. 2). 주입 기간은 2020년 5월 21일부터 2020년 5월 28일까지 각 공별로 가압 상태가 아닌 자연 상태 하에 하루 정도의 주입을 실시하였다.

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Fig. 2.

Schematic diagram of injection wells.

주입시험은 주입 이후 지표면까지 수위가 상승하여 유지될 때의 주입량을 평가하였다. 주입정에서의 수위 상승량은 약 0.81~1.2 m로 나타났고, 인접 우물에서는 0.01~0.44 m의 상승을 보였다. 특히, 상부 암반까지 굴착된 B-4, B-5, B-6에서 주입 시 주변 우물에서의 수위 상승이 큰 것으로 나타났으며, 충적 주입정에서의 주입량은 약 3.5~8.3 m3/day, 암반 주입정에서 11.3~31.8 m3/day로 평가되었다.

수치모델 구축

주입정의 효과를 평가하기 위하여 Visual MODFLOW(v. 4.6)를 사용하여 모델을 구성하였으며, 함양 대상 지역을 포함한 모델 영역은 2,450 m × 2,350 m로서 가로 10 m, 세로 10 m 간격으로 격자를 구성하였고, 지층 분포는 현장 9개의 시추조사 자료를 이용하여 지표 하 10 m를 기준으로 충적층과 기반암의 2개 층으로 설정하였다(Fig. 3a; KEITI, 2019). 수리전도도는 현장 주입시험 및 입도 분석 자료 등을 토대로 충적층 16.9 m/day, 구릉지 9.3 m/day, 산지 0.03 m/day, 기반암 0.003~0.02 m/day로 설정하였다(Figs. 3a, 3c). 지하수 함양량은 인공신경망에 의한 미계측지역의 지하수 함양량 산정 방법을 적용하였는데(Kim et al., 2019), 모델 영역의 상류지역은 서산 강우관측소의 10년 평균 강우량의 10.1%인 125 mm, 중류지역은 10.3%인 128 mm, 하류지역은 10.8%인 134 mm로 설정하였다(Fig. 3b). 정류모델 모사 결과 계산된 수위와 실제 수위의 상관계수는 0.996, 표준오차는 0.28 m로 분석되었다(Fig. 3d).

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Fig. 3.

Boundary condition and model calibration result of a numerical model.

주입 조건별 지하수위 및 물수지 변화

주입 조건

현장에서 실시한 실제 주입시험 결과를 토대로 주입정의 심도를 고려하여 공당 주입량을 결정하였으며, 주입의 간격과 기간을 토대로 부정류 모델을 활용하여 함양 분지내의 지하수위 및 물수지 변화를 평가하였다.

모델상의 주입정의 심도는 시추조사를 통하여 파악된 수리전도도로부터 평가된 주입 가능 대수층인 풍화대의 심도를 고려하여 지표 하 10 m 정도로 설정하였다. 또한, 가능한 공당 주입량은 Thiem-Dupuit의 식 (1)을 활용하여 현장 주입시험의 실험 자료를 토대로 결정하였다(Dupuit, 1863).

$$Q=\frac{\pi K(h_0^2-h_w^2)}{\ln(r_0/r_w)}$$ (1)

여기서, Q는 관정의 취수량(L3), K는 대수층의 수리전도도(LT-1), h는 불투수층 상부의 지하수위(L), r은 관측공과의 거리(L)이다.

B-4 지점의 실험 조건이 유지된다고 가정하고 주입 대수층 구간을 약 10 m, 모델 영역의 k 값이 두 배 정도 크다는 점을 적용하면 식 (1)에 의하여 약 110 m3/day 까지 주입 가능한 것으로 예측할 수 있는데, 모델에서는 실현 가능한 공당 주입량 조건을 20, 37.5, 60, 75 m3/day 등으로 설정하였다.

또한, 연구지역의 지층 분포를 고려하여 함양지역을 설정하였으며 4개의 주입정(IW1, IW2, IW3, IW4)을 가정하여 모델을 구축하였으며, 총주입량은 1,200 m3으로서, 공당 주입량의 합이 300 m3이 되도록 설정하였으며, 주입시간 간격을 매일 연속 주입에서부터 일주일 간격 주입 등 28개의 조건에 따른 주입효과를 모사하였다(Fig. 1, Table 1).

Table 1.

Injection cases for artificial recharge simulation (black bar: injection activity)

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지하수위 변화

28개 주입 조건에 따라 주입정 및 관측정에서의 지하수위 변화를 모사하였다. 주입정에서의 수위 상승은 주입 조건별로 0.18~0.84 m의 범위를 보였으며, 75 m3/day를 매일 주입하는 경우에 수위가 최대로 상승하는 것으로 나타났다. 이는 현장 주입시험 시 주입정에서의 수위 상승보다 약간 작은 것으로 나타났는데, 모델 내 인공함양 지역의 수리전도도가 주입 시험 현장보다 더 크기 때문으로 보인다.

주입정으로부터 하류 10 m, 40 m 및 90 m 지점에서의 지하수위 변화를 분석하여 주입수의 흐름과 지속성을 평가하였다(Fig. 4). 10 m 부근의 지하수위는 매일 주입 할 경우 수위가 완만하게 상승한 후 주입을 중단할 경우 완만히 하강하지만 주입 간격이 길어지게 되면 주입 직후 지하수위가 상승하였다가 빠르게 회복되는 특성이 나타나는데, 이는 지하수위 상승의 목표시기에 따라서, 연속 주입이 간헐적 주입보다 효과적일 수 있음을 보여준다. 주입정과 약 40 m, 90 m 떨어진 관측정의 지하수위를 보면 매일 주입할 경우 수위가 완만하게 상승 및 회복되지만, 주입 시간 간격이 길어질수록 주입 중단 후 지하수위가 10 m 인근의 관측정과는 다르게 추가 주입시기까지 지하수위 회복이 적으며 이후 주입할 경우 지하수위가 완만하게 상승하는 것을 볼 수 있다. 40 m와 90 m의 관측정의 경우 주입정과 거리가 멀기 때문에 주입정에서의 주입 시 주입효과가 10 m 부근보다 적지만, 이전에 주입한 주입효과가 유지되어 지하수위가 천천히 상승 및 하강하는 것으로 보인다.

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Fig. 4.

Groundwater level change according to distance by injection conditions (a: 10 m downstream, b: 40 m downstream, c: 90 m downstream).

총 주입량 1,200 m3이 완료되는 시점의 주입량 및 간격에 따른 수위 변화를 보면, 20 m3/day로 주입할 경우 하류 10 m 관측정에서 0.14~0.3 m의 수위 상승, 37.5 m3/day을 주입할 경우 0.24~0.47 m의 수위상승, 60 m3/day로 주입할 경우 0.37~0.64 m의 수위상승, 75 m3/day로 주입할 경우 0.45~0.73 m의 수위상승이 나타나 소량 주입 시 수위에 미치는 누적 효과가 상대적으로 작음을 알 수 있다(Fig. 5). 또한 주입량에 따른 수위 변화를 보면, 20 m3/day와 75 m3/day 주입할 경우 주입량의 차이는 약 3.8배이지만 지하수위 상승량의 차이는 약 2.4배(0.43 m)로 주입량이 증가되어도 지하수위가 선형관계로 상승되지 않음을 알 수 있는데, 이는 위 Thiem-Dupuit의 식 (1)에 의하여 주입 시 관측공에서의 수위(h)와 주입량(Q)과의 비선형 관계에서 알 수 있다.

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Fig. 5.

Change of groundwater levels for each injection case.

충적층 및 암반상부 구간을 대상으로 하는 현장 주입시험 지점인 B-4(주입량: 31.8 m3/day)와 모델상의 매일 연속 주입 조건인 Case 8(주입량: 37.5 m3/day) 및 1주일 간격 주입인 Case 14(주입량: 37.5 m3/day) 등 유사한 주입량 조건을 갖는 3가지 경우에 대하여 주입 종료 이후의 수위 변화를 비교하였다. B-4에서 주입 시 10 m 떨어진 관측정인 B-2에서 약 0.24 m, B-6에서 약 0.29 m의 수위상승이 나타났으며, 모델의 경우 10 m 인근 관측정에서 수위는 Case 8에서 약 0.47 m, Case 14에서 약 0.24 m 수위상승이 나타났다. 실제 현장 주입과 모델의 차이점을 보면, Case 8 모델에 의한 지하수위 상승이 현장 실험보다 더 큰 것으로 나타났으며, Case 8 및 Case 14의 모델에서의 주입 종료 이후 지하수위 회복에 보다 장기간이 소요되는 것으로 나타났다. 이와 같은 현장 주입과 모델의 차이점은 1) 현장 주입 시 관측정은 지하수 흐름의 측면에 위치한 반면 모델상에서는 하류에 위치하고 있으며, 2) 현장 주입은 1개 주입정을 활용하였으나, 모델에서는 4개의 주입정에 의한 중첩 효과가 존재하며, 3) Case 8의 경우 연속 주입의 효과가 반영되었기 때문으로 보인다.

주입 후 물수지 변화

매일 연속 주입 조건에 해당하는 4가지 경우(Case 1, 8, 15, 22)에 대하여 주입 이후의 효과를 평가하기 위하여 주입 시점부터 주입 종료 이후 20일간의 물수지 결과를 비교하였다. 인공함양 영역의 총 유출량에서 유입량 및 강우에 의한 자연 함양량을 제외함으로써 인공함양에 의한 주입 효과 및 저류량을 평가하였다(Fig. 6). 그림의 빗금친 부분을 보면, Case 1은 1,637.5 m3, Case 8은 1,793.5 m3, Case 15는 1,916.9 m3, Case 22는 1,983.7 m3으로 산정되었으며, 이 중에서 주입량 1,200 m3을 제외하면, Case 1은 437.5 m3 (주입량의 36.5%), Case 8은 593.5 m3 (49.5%), Case 15는 716.9 m3 (59.7%), Case 22는 783.7 m3 (65.3%)이 종료 이후에 대수층 내에 유지되는 것으로 평가되어 75 m3/day의 연속 주입이 총량적 관점에서 효율이 큰 것으로 평가되었다.

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Fig. 6.

Calculation result of artificial recharge storage using water balance (inflow: flow from zone 1 to zone 2 (recharge area) and recharge from a rain fall, outflow: total out, hatch zone: injection rate + storage rate).

이와 같은 조건의 주입 종료 후 수 일이 경과한 시점에서 연구지역 하류부에서 224 m3/day (연구지역 소분지내 농업용수 일평균 총수요량에 해당)의 취수가 이루어진다면, 인공함양에 의하여 증가된 양과 당초 대수층내에 부존되는 양(약 700 m3/day)을 합하여 약 1,000~1,500 m3을 취수할 수 있을 것이며, 이 경우에 약 4~7일 동안 취수가 가능할 것으로 보인다.

토 의

연구지역은 유역 상류로서 평탄지형이 아닌 곳임에도 불구하고 함양 효과가 어느 정도 유지되는 것으로 평가되었다. 그러나, 상류 분지의 빠른 지하수 배출 특성이 유지된다면 장기간의 가뭄에 대응하기에는 인공함양에 의한 용수 확보만으로는 다소 미흡한 것으로 보인다. 함양지역의 하류 출구부는 비교적 좁은 지역으로서 함양 원수의 장기간 저류를 위한 차수벽의 설치도 고려할 수 있다. 향후에는 이와 같은 차수벽의 설치에 따른 저류 효과가 반영된 모델 평가를 통하여 가뭄에 안정적으로 대응할 수 있는 용수 확보 시스템이 구축이 요구된다.

본 연구에서는 주입정에 의한 인공함양 방식만을 고려하였으나, 총 주입량이 증가함에 따라 인공함양의 효과도 증가하는 만큼 대용량 주입을 위해서 수로(Ditch) 방식의 주입 시스템 또는 혼합형 등이 고려될 필요도 있다. 또한, 주입 종료 이후 경과시간이 길어지면 주입 효율은 현저하게 낮아지는 특성을 보이므로 수요 시점을 기준으로 주입 시간과 기간을 결정할 수 있는 시나리오에 대한 연구도 필요하다. 또한, 연구지역의 대수층의 이방성 및 지층 분포, 기존 양수정의 양수량 파악의 어려움 등 수치모사의 한계가 있지만 추후 인공함양 대상지의 정밀 조사 및 현장조사를 통하여 수치모델링을 실시한다면 보다 정확한 인공함양 효과를 평가할 수 있을 것으로 보인다.

아울러, 본 연구지역과 같은 소분지 내 가뭄발생시 대체 수자원 확보가 어려운 지역은 용수 확보를 위하여 평시 잉여 수자원의 함양 및 사용 후 남은 용수의 재이용 및 재함양 등 순환시스템에 대한 효과 분석을 실시하여 물 부족 시기에 대응하는 방안도 검토할 수 있다.

결 론

본 연구에서는 현장 자연 주입시험을 통하여 주입정의 주입량을 산정한 후, 수치모델을 이용하여 주입량과 주입 기간의 변화를 주면서 각 주입 조건별 지하수위 변화 및 물수지 변화를 평가하였으며, 이를 통하여 주입정에 의한 주입효과를 예비 평가하였다.

주입 총량을 유지하였을 때 주입량, 주입 주기 및 주입정으로부터 관측정까의 거리에 따라 지하수위 상승 및 회복 패턴에 약간의 차이를 보이는 것으로 나타났다. 주변 관측정에서의 지하수위 상승이 주입량과 비례하는 선형 관계를 보이진 않았으며, 주입 간격이 길어지면 주입횟수가 적어져 최대 수위상승시기가 짧은 것으로 나타났다. 또한 4가지 공당 주입량 조건하에 총량 1,200 m3을 연속적으로 주입하는 경우, 주입량 대비 36.5~65.3%의 함양 효과가 나타나는 것으로 분석되었으나, 장기간의 가뭄에 대응하기 위해서는 차수벽 등 지하수 저류시설을 병행한다면 보다 효과적일 것으로 보았다.

향후 주입정 뿐 아니라 수로 방식의 함양 시스템에 대한 평가, 주입 시설의 배치 효과에 대한 평가, 주입 시설 설계 특성에 따른 효과 평가 등이 모델 및 현장 실험을 통하여 검증될 필요가 있으며, 궁극적으로 상류 소분지에서의 인공함양의 효과 극대화를 위하여 함양 및 취수에 대한 적정 시나리오의 발굴이 요구된다.

Acknowledgements

본 연구는 환경부(한국환경산업기술원)의 수요대응형 물공급 서비스사업 과제(상시 가뭄지역의 지하수 최적공급 관리를 위한 IoT 기반 인공함양 및 Well network 기술 개발, #146523)의 지원으로 수행되었습니다.

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