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MAR (Managed aquifer recharge)에 의한 인공함양 기법은 가뭄 발생 지역에서의 중요한 용수확보 수단으로 고려되며, 전세계적으로 그 활용이 증가될 것으로 예상하고 있다(Zhang et al., 2020). 지난 수십년간 인공함양 기술에 대한 지속적인 연구가 이루어져 왔으며 이를 통하여 대수층내 물의 저장에 대한 다양한 기법들이 개발되어 왔다. 한편, 인공함양 과정에서 발생되는 클로깅에 대한 체계적인 연구의 필요성이 대두되고 있다.

인공함양 지역에서의 클로깅은 함양 원수, 대수층 매질 및 기존 지하수 등의 상호 물리적, 화학적 및 생물학적인 기작에 의하여 발생하게 되는데, 공기의 유입, TSS (Total suspended solid)의 침전, 생물학적 성장, 지화학적 반응, 입자의 재배열 등의 과정을 통하여 이루어진다(Pyne, 2005; Maliva, 2020a; 표 1). 공기의 유입은 주입정 케이싱 내부로 빠른 유동 저항으로 공기가 붙잡히면서 공기 방울이 형성되고, 이는 산화-환원 포텐셜을 증가시키게 되어 미생물 활동 및 지화학적 반응을 유발하게 된다. 한편, 함양 원수의 주입시 유기물이나 부유성 무기 물질이 축적된다면 주입 구간 지층의 투수성을 떨어뜨리는 현상을 발생시키게 된다(Bouwer, 2002; Youngs et al., 2010). 미생물에 의한 클로깅은 지층내에 미생물의 성장과 생물막의 형성과 관련이 있는데, 함양원수내에 유기탄소, 질소 및 인 등이 높은 경우 생물학적 클로깅을 가속화시킨다고 알려져 있다(NWQMS, 2009). 생물학적 클로깅 현상은 계절별 수온 및 점성에 따라 변화하나 그 기작에 대해서는 다양한 의견이 존재한다(Schuh, 1990; Pyne, 2005). 산화-환원 환경의 변화는 다양한 화학적 반응은 주입정 주변에 광물의 침전을 야기시키고 대수층의 투수성을 떨어뜨리게 된다. 탄산칼슘, 석고, 인산염, 철, 망간 등의 침전이 가장 흔히 발생되고 있으며, 박테리아 촉매 작용 등으로 생물학적 클로깅과 화학적 클로깅이 공존하게 된다. 주입정 주변에서의 입자의 재배열에 의한 투수성 저하는 주입과 배출의 반복적인 작용에 의하여 주로 발생되는데, 클로깅의 핵심 기작은 아니나 클로깅에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Pyne, 2005).

전세계적으로 인공함양이 활발해 짐에 따라, 인공함양시 클로깅의 발생 가능성과 범위에 대한 예측, 발생 원인에 대한 평가, 클로깅과 주입정 구조의 관계, 주입수의 전처리 방법 연구 등이 활발히 이루어지고 있다. 모로코 준건조 지역에서의 인공함양시 부유물질(suspended solid, SS)의 축적과 수리전도도의 감소로부터 물리적 클로깅의 가능성을 평가한 바 있다(Zaidi et al., 2020). 물 속의 영양분과 SS가 존재하는 경우에, 박테리아(Pseudomonas aeruginosa)와 SS의 결합으로 생물학적 클로깅이 발생함을 연구하여 인공함양 과정에서 유의해야 한다고 제시한 바 있다(Cui et al., 2021). 인공함양 지역에서 주입수의 전처리는 클로깅 발생을 감소시키고, 주입수의 법적 조건을 충족하며, 공공의 건강을 보호하기 위하여 필요한데, 이를 위해서는 경제적인 평가가 필요함을 제시한 바 있다(Maliva, 2020b).

국내에서 클로깅에 대한 연구는 주로 강변여과 및 양수정을 대상으로 수행된 바 있는데, 강변여과수 수직 관정에서의 에어서징과 서지블록을 활용하여 철 및 망간 산화물에 의한 클로깅 제거 효과를 평가한 바 있으며(Kim et al., 2010, 2012), 장기 및 단계 양수시험 과정에서의 주변 관측정에서의 용존 철과 망간의 침전 산화는 양수량의 급변에 따른 공기 접촉 등에 의하여 촉진되는 것으로 평가된 바 있다(Kim et al., 2013). 금정산 일대의 지하수 관정에서 나타난 클로깅에 대하여 입도분석, 광물분석, XRD 및 SEM 등을 통하여 관련 발생 물질을 규명한 바 있으며(Choo et al., 2012), 강변여과 수평 집수정 주변의 세립질 지층의 분포와 철산화물의 형성이 클로깅을 야기하여 취수량을 감소시키는 것으로 연구된 바 있다(Kim et al., 2017).

본 연구는 국내 상류 소하천 유역에서 지하수 인공함양을 실시할 경우, 주입 원수와 대수층내 지하수의 이화학적 및 물리적 특성을 토대로 클로깅 가능성을 진단하고 주입 원수의 전처리 효과를 평가하는데 목적을 두었다.

연구지역은 충청남도 홍성군 갈산면 신곡마을로서 농번기인 4월부터 6월까지 상시적으로 용수가 부족한 지역이다(그림 1). 본 지역 내에는 지표수를 저장할 수 있는 저수지가 존재하지 않을 뿐 아니라 관정 개발의 성공률이 매우 낮아 수원 확보에 어려움이 있으며, 연구지역내 신곡천은 연장이 짧아 갈수기 평균 하천 유량이 2,831 m³/day에 불과하며 가뭄시에는 이 보다 훨씬 작은 유량이 흐른다(Kim et al., 2020). 연구지역의 북동쪽은 산악지형, 남서쪽은 저지대로 이루어진 분지 형태이며, 지질은 신생대 4기 충적층과 화강편마암으로 구성되어 있다. 하천 폭은 약 5.0 ~ 15.0 m이며, 토지 이용은 대부분 밭농사 및 논농사의 농경지로 이루어져 있다.

Fig. 1. 
Location of the study area, planned recharge lines and sampling sites.

기존의 전기비저항탐사 및 시추조사 자료에 의하면, 연구지역내 충적층의 두께는 5~15 m 정도이며, 하부에 풍화대가 5~10 m 두께로 발달하는 것으로 나타났다. 현장 투수시험에 의하면, 상부의 충적층에는 투수성이 낮은 지층이 포함되어 있으나, 풍화대를 포함하는 하부 구간은 투수성이 상대적으로 양호한 것으로 분석되었다(Lee et al., 2019).

연구지역의 충적층 및 풍화대 구간을 대상으로 지하수 인공함양 실증 실험을 계획하였는데, 인공함양에 필요한 원수는 하천수, 암반지하수 및 재사용수 등을 고려하고 있으며, 상부에 비하여 하부 지층의 투수성이 양호한 점을 고려하여 주입 방법은 Pond 보다는 1.5 m 하부의 지중에 설치하는 함양정과 Ditch를 활용하는 것으로 결정한 바 있다(Lee et al., 2019).

클로깅과 관련된 특성을 평가하기 위하여, 지표수 및 지하수에 대한 이화학 분석, 물 시료에 대한 MFI (Membrane filtration index, 멤브레인 필터 지수) 분석, 분포 암석의 구성 광물을 파악하기 위한 토양에 대한 광물조성 분석, 토양의 입도 특성 분석 등을 실시하였다(그림 1).

물 시료는 인공함양 구간에 설치된 주입정(구경 50 mm, 심도 10 m) 4개 지점, 연구지역 전역에 설치된 관측정(구경 50 mm, 심도 10 m) 7개 지점, 함양수의 취수를 위하여 하류부에 설치된 양수정(구경 250 mm, 심도 30 m), 주입 원수로 고려되고 있는 함양 상류 하천수 2개 지점 등에서 채취하였다. 물 시료는 셀룰로스 질산염 막필터를 이용하여 0.45 μm 이하로 여과하여 불순물을 제거하고 현장 간이 수질 분석과 양이온과 음이온 등에 대한 실내 분석을 실시하였으며, 여과하지 않은 원수에 대하여 MFI 분석을 실시하였다. 현장간이수질 분석은 수온(T), 수소이온농도(pH), 전기전도도(EC), 용존산소(DO), 산화환원전위(ORP)에 대하여 Hach HQ40d 휴대용 계측기를 이용하여 수행하였다. 또한, 주입정 4개 지점에 대해서는 시추시 채취된 토양 시료에 대하여 체 분석 및 침강 분석을 실시하였으며 콜로이드 성분 구성을 분석하였다. 지하수 시료는 지표하 약 3 m 지점, 토양 시료는 지표하 1.5 m 지점에서 채취하였다.

한편, 10 m 깊이의 11개 주입공(내부 50 mm 구경)을 설치한 pilot site에서 실제 주입 시험을 실시하였으며, 이로부터 주입량, 수위상승량, 수리상수, 영향범위 등에 대하여 평가하였다(그림 1). 공별 개별 주입시험은 2020년 9월 4일부터 5일까지 DI-1부터 DI-11까지 순차적으로 실시하여 공별 주입량과 수리전도도 등을 산정하였으며, 전공 동시 주입시험은 2020년 9월 18일부터 21일까지 모든 주입정에 대하여 동시에 주입하여 인접 공간의 간섭이 고려된 공별 주입량과 총 주입량을 구하였다. 두 경우 모두 지하수위가 일정하게 유지되는 시점의 정류상태 주입량을 파악하였다.

하천수의 전처리를 통하여 물리적 클로깅을 유발하는 탁도가 어느 정도 저감될 수 있는지 실내 모형실험을 실시하였다. 탁도에 영향을 미치는 인자로는 무기, 유기 부유물, 미생물 및 점토질 등이 존재하는데, 본 연구에서는 부유물질인 SS(Suspended solid)의 저감 능력을 평가하였다. 실내 모형 실험은 자갈접촉산화수로와 식생수로 모형을 제작하여 실시하였다(그림 4).

Fig. 4. 
Pre-treatment system of stream water.

자갈접촉산화수로는 입경 0.75 cm의 자갈을 채운 70 cm 길이의 모형을 사용하여 유량 2.08 mg/L, 유입수의 SS는 100 mg/L로 설정하였으며, SS meter (KRK)로 측정한 유출부의 SS의 농도는 223 mg/L로서 10.8%의 저감능을 보였다. 한편, 식생수로는 모형의 총용량 1.75 m³에 0.7 cm의 모래를 50 cm 두께로 채운 뒤 갈대(Reed, Phragmites communis)와 아다지오(Miscanthus-Adagio)를 식재하여 구성하였으며, SS의 농도 20 mg/L의 유입수를 사용하였다. 실험 결과, SS의 농도는 약 1주일 이후에 거의 완벽히 제거되는 것으로 나타났다(표 6). 이와 병행하여, 하천수의 수질 오염 저감능을 보고자 BOD, TP, TN에 대하여 분석한 결과 약 1주일 경과 후 현저히 감소하는 것으로 나타났다. BOD는 수질오염공정시험기준, TP와 TN은 Spectrophotometric analysis (Hach DR300)에 의하여 분석하였다.

하천수에 대하여 자갈접촉산화수로 및 식생수로를 활용하여 전처리할 경우, 물리적 클로깅의 요인인 탁도와 관련한 요소를 최대한 억제할 수 있는 것으로 나타났으며, 실제 현장에서 하천수의 전처리 시설을 구축하고 실증 실험을 통하여 주입원수로의 활용성을 검증한다면, 보다 클로깅으로부터 안전한 주입원수를 확보할 수 있을 것이다.

주입원수인 하천수의 탁도는 주변 지하수보다 낮아 인공함양시 클로깅을 우려할 수준은 아닌 것으로 평가되나, MFI에 의한 클로깅 속도를 보면 하천수의 전처리가 필요한 것으로 평가되었다. 실제 인공함양정 주변 지층의 수리전도도 다양성을 파악하고 주입수에 대한 MFI 등을 정확하게 산정하는 것은 어려움이 존재하므로 보다 안전한 수준의 원수 확보가 요구된다. MFI를 활용한 클로깅 속도에 의한 평가는 유의하여 사용되어야 하는데, 네덜란드에서 500개 지열주입공에 대한 클로깅 속도를 측정한 바 있으며 신뢰성 높은 데이터를 검토한 결과, 20% 주입정에서만 클로깅 현상이 나타났고, 이는 계산에서 추정된 클로깅 발생보다 현저히 낮은 결과를 보인 바 있다(Buik and Willemsen, 2002). 반대로, 낮은 MFI에도 불구하고 높은 클로깅 사례를 보이는 경우도 다수 존재하는 것으로 알려져 있다(Schippers et al., 1995). 본 연구에서 제시된 클로깅 속도는 클로깅 발생시 속도를 보여주는 것으로서 발생 시점과 여부에 대한 판단으로는 부족한 것으로 알려져 있어 다양한 클로깅 인자에 대한 종합적인 검토를 통하여 발생 가능성을 평가하여야 한다.

한편, 본 연구현장에서 미립분에 의한 물리적 클로깅을 최소화 하기 위해서는, 주입수의 전처리 뿐 아니라, 주입정 상단부의 세립분을 보유한 지층으로부터의 세립분 유입을 방지할 수 있도록 주입정의 구조를 설계, 시공하는 것이 필요하다. 주입정의 상부 구간에 대해서는 무공관에 의한 케이싱을 설치하고 일정 깊이 이하에 스크린을 설치하는 방안이 검토되어야 한다.

클로깅의 발생 인자는 주입수의 탁도 등 물리화학적 성분 뿐 아니라 주입시 발생되는 압력과 관련된 주입량 및 속도 등과도 밀접한 관련이 있다. 압력의 변화는 주입수에 포함된 입자의 침전을 가져올 수 있으며, 박테리아의 성장에 필요한 시간을 제공하기도 한다. 따라서, 주입량 및 속도의 조절도 클로깅의 방지에 중요한 역할을 하게 된다. 현장에 주입정이 설치되면, 다양한 형태의 실험(주입량, 주입속도 등)을 통하여 최적 주입 시나리오를 도출할 필요가 있다.

철의 산화는 pH의 영향을 많이 받는데, 일반적으로 pH가 1 정도 증가할 때 철의 산화 속도는 100배 정도 빠르며, 알카리도, 물의 온도, 유기물 함량 및 일부 이온 등이 철의 산화에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 낮은 알카리도에서는 산화작용이 느리게 진행되어 철의 산화 및 제거가 용이하지 않는데, 알카리도는 철의 산화작용 시 pH 과다 감소 및 Floc 형성을 억제하는 역할을 한다(Hult, 1973). pH와 산소 농도가 일정하다면 온도가 15도 증가할 때 산화작용의 속도는 10배 정도 증가하는 것으로 알려져 있다(Stumm and Lee, 1961). 한편, 이온 성분 중에서는 Cu²⁺, Mn²⁺, Co²⁺ 및 H₂PO^4- 등은 산화작용에 촉매 역할을 하고 SO₄^2- 및 Cl^-는 억제하는 역할을 하는 것으로 밝혀진 바 있다(Sung and Morgan, 1980). 이와 같이 주입수의 조건으로서는 철과 망간의 농도가 낮은 것이 요구되며, 하천수내에 포함된 철과 망간 이온은 전처리 과정(산화, pH 및 온도 조건 등을 고려)을 통하여 농도를 낮추는 방안이 고려될 필요가 있다.

이상과 같이, 클로깅에 대한 평가는 평가 인자에 따라 다양한 예측 결과를 제공하고 있다. 클로깅을 정확히 진단하기 위해서는 주입 전후의 주입량과 수위 상승량에 어떤 변화가 발생하는지 평가하는 것으로서, 실제 현장 실험을 통하여 보다 수행되어야 한다. 본 연구지역에서는 추후 현장 실험을 통하여 연속 주입 이전의 초기 주입속도와 일정 기간 운영 이후의 초기 주입속도의 변화에 대한 평가를 통하여 클로깅에 대한 재평가를 실시할 예정이다.

클로깅은 주입수의 부유입자, 물 속의 기체상, 우물 주변의 박테리아의 증식, 주입수와 우물 사이의 화학적 침전물, 토양내의 화학적 침전물, 점토의 팽창과 분산, 기타 등 다양한 원인에 의하여 발생한다. 본 연구에서는 대표적으로 미립분에 의한 물리적 클로깅, 점토 분산과 용존 이온의 산화과정 등에 의한 화학적 클로깅을 검토하였다. 하천수를 주입수로 사용할 경우 일부 인자(MFI 및 포화지수)는 클로깅을 지시하나 일부(탁도, SAR 및 SP)는 클로깅 발생이 낮을 것이란 정보를 동시에 제공해 주고 있다. 본 연구지역의 수질 및 토양 특성을 종합해 보면, 주입원수인 하천수내의 미립분을 제거하여 MFI를 낮추고, 철 산화물의 대수층내 침전을 최소화할 수 있도록 용존 철의 함량을 저감시킬 수 있는 전처리 시스템을 갖출 필요가 있다.

지하수 인공함양 시스템에서 클로깅의 발생은 시설의 수명을 단축시키고 유지관리 비용을 증가시키는 주 요인으로 작용하고 있어 실제 사업화에 장애 요소가 되고 있다. 본 연구를 기반으로 클로깅 발생 가능성과 저감 기법 등에 대한 다양한 기술을 개발함으로써 지하수 인공함양 시스템이 물 부족 지역의 물 문제 해결에 기여하길 기대해 본다.