[ Article ]

Journal of the Geological Society of Korea - Vol. 49, No. 6, pp.649-659

ISSN: 0435-4036 (Print) 2288-7377 (Online)

Print publication date Dec 2013

Received 28 Nov 2013 Reviewed 29 Nov 2013 Accepted 31 Dec 2013

DOI: https://doi.org/10.14770/jgsk.2013.49.6.649

Influence of open and closed loop geothermal cooling and heating systems on hydrogeological properties

ParkYoungyun¹ ; MokJong-Koo²^{, 3} ; JangBum-Ju³ ; ParkYu-Chul² ; LeeJin-Yong¹^{, ‡}

1Department of Geology, Kangwon National University, Chuncheon 200-701, Korea 2Department of Geophysics, Kangwon National University, Chuncheon 200-701, Korea 3Geo3eco Co. Ltd., Kangwon National University, Chuncheon 200-701, Korea

개방형과 밀폐형 지열냉난방시스템이 수리지질학적 특성에 미치는 영향

Correspondence to: ‡ +82-33-250-8551, E-mail: hydrolee@kangwon.ac.kr

This study was conducted to evaluate the influence of open and closed loop geothermal cooling and heating system on hydrogeological properties using time series data of water temperature, groundwater level and electrical conductivity measured at well used in open loop geothermal system (OLGS) and monitoring well of closed loop geothermal system (CLGS) for approximately 30 months. The water temperature, groundwater level and electrical conductivity were hourly measured and time series analysis was applied using their daily averages. The water temperature fluctuation was significant in observed data according to the load of OLGS. However, the water temperature returned quickly to base level when OLGS was not operated. Operating of OLGS did not significantly influence the groundwater level and electrical conductivity. The groundwater level and electrical conductivity did not show significant correlation with precipitation because they were changed by operating OLGS, regardless rain events. Operating of CLGS did not greatly influence the water temperature, groundwater level and electrical conductivity. In addition, groundwater level and electrical conductivity did not have significant correlation because of influence of water being frequently supplied to lawn on field around monitoring well. In this study, OLGS and CLGS did not significantly influence hydrogeological properties of groundwater during the study period. However, long-term monitoring for geothermal cooling and heating systems is necessary because these geothermal systems can affect the hydrological properties of groundwater with scale and operating type of systems.

초록

이 연구는 개방형 지열냉난방시스템에서 사용 중인 관정과 밀폐형 지열냉난방시스템의 관측공에서 약 30개월 동안 측정된 수온, 수위 및 전기전도도의 시계열자료를 이용하여 개방형과 밀폐형 지열냉난방시스템이 지하수의 수리지질학적인 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해서 수행되었다. 수온, 수위 및 전기전도도를 매시간 측정하였으며 측정된 자료의 일평균자료를 이용하여 시계열분석을 하였다. 개방형 지열시스템에서는 시스템의 부하에 따른 수온변화가 뚜렷하게 관찰되었지만 시스템이 운영되지 않는 기간에 수온이 빠르게 회복되었다. 그러나 수위와 전기전도도에는 크게 영향을 주지 않았다. 개방형 지열시스템에서는 강수량과 상관없이 시스템의 운영이 수위와 전기전도도에 영향을 주어 강수량과 이들의 뚜렷한 상호연관성은 관찰되지 않았다. 밀폐형 지열시스템은 수온, 수위 및 전기전도도에 큰 영향을 주지 않은 것으로 평가되었다. 또한 관측정 주변의 잔디에 빈번하게 물이 살포되어 수위 및 전기전도도가 강수량과 뚜렷한 상호연관성을 보이지 않았다. 이번 연구에서는 지열시스템이 지하수의 수리지질학적인 특성을 크게 변화시키지 않는 것으로 평가되었지만 시스템의 규모와 운영방식에 따라서 지열시스템이 지하수의 수리지질학적인 특성에 영향을 줄 수 있으므로 지열시스템에 의한 영향을 명확하게 평가하기 위해서는 지속적인 모니터링이 필요하다.

Keywords:

Open loop geothermal cooling and heating system, Closed loop geothermal cooling and heating system, Time series analysis, Groundwater, Wonju, Goesan, 개방형 지열냉난방시스템, 밀폐형 지열냉난방시스템, 시계열분석, 지하수, 원주, 괴산

1. 서 론

기후변화로 인한 가뭄, 홍수 등의 기상이변이 빈번하게 일어나고 있으며 이것으로 인한 인명 및 재산피해가 종종 발생하고 있다. 기후변화의 주된 요인은 대기 내 온실가스의 농도 증가이다. IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)에서는 대기 내 온실가스의 농도변화에 따른 기후변화 시나리오를 제시하고 있다(NIMR, 2012). IPCC 시나리오에 의하면 2076∼2100년 한반도의 연평균 기온은 1.8∼4.9 ℃ 증가하고 강수량은 뚜렷한 증가추세를 보이지는 않지만 연별 강수량의 변화가 매우 심해질 것으로 예측된다(CCIC, 2013). 2010년 현재 국내 온실가스 총배출량은 약 669 백만 tCO₂eq이다. 분야별로 살펴보면 에너지 분야가 총배출량의 85%(571.7 백만 tCO₂eq)로 가장 많이 차지하고 있으며 에너지 분야는 냉난방용 전력수요증가로 인해 2009년에 비해 약 25 백만 tCO₂eq이 증가하였다(e-national index, 2013). 따라서 국내에서는 냉난방용으로 사용되는 에너지 수요증가에 따른 온실가스 배출량을 줄이기 위해서 신‧재생에너지의 사용을 크게 늘리고 있다.

지열에너지는 11개의 신‧재생에너지 분야 중에서 효율성과 적용성이 가장 좋은 것으로 알려져 있다. 지열냉난방시스템은 천부지열과 지하수를 이용하여 여름에는 냉방을 하고 겨울에는 난방을 하는 시스템으로 최근 국내에서도 지열냉난방시스템을 이용하는 사례가 크게 증가되고 있으며(Kwon et al., 2012), 이 분야의 연구도 매우 활발하게 진행되고 있다(Koo et al., 2006; Hahn et al., 2006, 2007; Mok et al., 2011). 최근까지 주로 국내 지열류량 분포(Han and Keehm, 1996; Kim et al., 2002, 2004), 지하수와 지열의 이동 모사(Park et al., 1995), 지열 사용에 따른 미생물종 변화(Jo et al., 2009a; Ahn et al., 2012) 및 수리지질학적 특성 변화(Mok et al., 2011), 지열시스템 설치 및 운영에 따른 토양 및 지하수 오염가능성 평가(Jo et al., 2009b; Park et al., 2013) 등 다양한 분야의 연구들이 활발하게 이루어지고 있다.

최근까지 국내에서는 수행된 연구들은 주로 단기간의 모니터링 자료들을 이용하였다. 지열냉난방시스템의 사용에 따른 수리지질학적 특성의 변화는 오랜기간 동안에 서서히 나타나기 때문에 단기간의 모니터링 자료들을 이용하여 수리지질학적인 특성 변화를 명확하게 평가하기에는 다소 한계가 있다. 따라서 지열냉난방시스템이 대수층에 미치는 영향을 명확하게 이해하기 위해서는 장기간의 모니터링 자료를 이용하여 지열냉난방시스템에 의한 환경변화와 관련된 연구들이 다양한 분야에서 활발하게 이루어져야 한다. 지하수의 수온, 수위, 전기전도도는 수리지질학적 특성을 개략적으로 보여주는 인자들이며 환경변화에도 민감하게 반응한다. 그러므로 이러한 인자들을 지속적으로 모니터링함으로써 수리지질학적 특성 변화를 빠르게 인지할 수 있다. 이 연구에서는 개방형의 수주지열정(stand column well)과 밀폐형 냉난방시스템이 설치된 상지대학교와 중원대학교에서 약 30개월 동안 측정된 지하수의 수위, 수온 및 전기전도도 자료를 이용하여 지열냉난방시스템의 종류에 따른 대수층의 환경변화를 평가하였다.

2. 연구지역

강원도 원주시에 위치한 상지대학교는 2005부터 2009년까지 맑음관, 믿음관, 창업보육센터, 상지대학교 부속 한방병원 및 상지관에 총 3,901 kW 규모의 개방형 지열냉난방시스템이 설치되었고 현재까지 운영되고 있다. 이 연구에서는 창업보육센터에 설치되어 있는 시스템을 대상으로 하였다. 창업보육센터에는 굴착심도 500 m 지열공이 4공 설치되어 있다. 이 연구에서는 4개의 지열공 중 한 지열공을 선정하여 지하수의 수위, 수온 및 전기전도도를 모니터링하였다. 지열공은 심도 28∼42 m 구간에 200 mm 규격의 케이싱이 설치되어 있다(Mok et al., 2011). 수리전도도는 3.58×10^-4∼3.62×10^-4 cm/day이고 투수량계수는 1.383∼1.397 cm²/day이다(Mok et al., 2011). 상지대학교 주변 지질은 쥬라기에 관입한 복운모 화강암으로 구성되며 이를 제 4기 충적층이 부정합으로 피복하고 있다(그림 1)(Park et al. 1989). 지표로부터 20 m 깊이까지는 토양 및 풍화대로 주로 실트 및 모래와 소량의 점토 및 자갈로 구성되어 있고 28 m 깊이부터 기반암이 나타난다(Mok et al., 2011). 2010년부터 2012년까지 원주지역에서 관측된 기상자료에 따르면 연평균기온은 11.7℃이고 월평균기온의 최대값과 최소값은 31.4∼33.6℃의 차이를 보였다. 연평균강수량은 1,676 mm이고 연강수량의 70% 이상이 여름과 초가을(6∼9월)에 집중되었다(KMA, 2013).

Fig. 1.

Study area and geologic map modified from Lee and Kim (1972) and Park et al. (1989).

충청북도 괴산군에 위치한 중원대학교는 본관과 기숙사동에 총 6,952 kW 규모의 밀폐형 지열냉난방시스템이 2009년에 설치되어 현재까지 운영되고 있다. 중원대학교의 시스템에는 굴착심도가 150 m인 지열공이 245개 설치되어 있으며 이 연구에서는 지열공 주변에 설치된 관측공에서 지하수의 수위, 수온 및 전기전도도를 모니터링하였다. 관측정에는 심도 0∼14 m 구간에 165 mm 규격의 케이싱이 설치되어 있다(Mok et al., 2011). 수리전도도는 2.10×10^-4∼2.50×10^-4 cm/day이고 투수량계수는 2.089∼2.479 m²/day이다(Mok et al., 2011). 중원대학교 주변 지질은 선캠브리아기의 편암류와 결정질 석회암류가 기반암을 이룬다. 쥬라기에 화강섬록암 및 조립질 반상화강암이 선캠브리라기의 암석들을 관입하였다. 백악기의 화강반암과 산성암맥이 관입하였고 제 4기 충적층이 백악기의 암석들을 부정합으로 피복하고 있다(그림 1)(Lee and Kim, 1972). 지표로부터 하부 14 m까지는 토양 및 풍화대로 실트 및 모래가 주를 이루며 소량의 점토 및 자갈을 포함하고 있어 토양 및 풍화대의 구성물질들이 상지대학교와 거의 비슷한 조성을 보인다. 신선한 기반암은 지하 14 m 이후로 나타난다(Mok et al., 2011). 괴산지역에는 기상자료를 측정하는 관측소가 없기 때문에 이 연구에서는 괴산지역과 가까운 청주지역의 기상자료를 활용하였다. 2010년부터 2012년까지 기상자료에 따르면 연평균기온은 11.5℃이고 월평균기온의 최대값과 최소값의 차이는 31.5∼33.5℃였다. 연평균강수량은 1,212 mm이고 연강수량의 65% 이상이 여름과 초가을(6∼9월)에 집중되었다(KMA, 2013).

3. 연구방법

3.1 지하수의 수위와 수온 측정

상지대학교에서는 2010년 5월 21일부터 2012년 12월 7일까지 지열냉난방시스템에 사용 중인 지열공(SJ)에서 지하수의 수위와 수온을 모니터링하였고, 중원대학교에서는 2010년 5월 21일부터 2013년 1월 11일까지 지열냉난시스템의 지열공 사이의 관측공(JW)(지열냉난방시스템의 지열공으로부터 3.5 m 떨어짐)에서 지하수의 수위와 수온을 모니터링하였다. 두 지점에서 동일하게 지하수의 수위, 수온 및 전기전도도를 관측하기 위해서 SJ에서는 지하 27 m 지점, JW에는 지하 18 m 지점에 자동측정센서(LTC levellogger, Solinst, Canada)를 설치하여 1시간 간격으로 측정하였다. 또한 각 관정의 대기압의 보정을 위해서 기압관측센서(Barologger, Solinst, Canada)도 같이 설치하였고 매시간 측정하였다. 이 연구에서는 측정된 수위, 수온 및 전기전도도의 일평균 자료를 이용하였다. 강수량과 기온은 원주와 충주 기상대에서 각각의 모니터링기간 동안에 측정된 자료를 이용하였으며 기온은 일평균값을 이용하였고 강수량은 1일 동안 내린 강수의 누적된 값을 이용하였다.

3.2 시계열 분석

시계열 자료는 자기상관, 스펙트럼밀도 및 교차상관분석을 통해 자료의 연속적인 변동특성, 외부자극에 의한 반응 및 각 변수들 간의 상호관계를 평가하는데 매우 유용하게 사용된다(Larocque et al., 1998; Lee and Lee, 2000, 2002; Davis, 2002; Mok et al., 2011). 자기상관함수는 시간의 흐름에 따른 자료의 기억효과에 대한 지속성과 선형성을 평가할 수 있으며 다음과 같이 계산할 수 있다(Larocque et al., 1998)

위의 식에서 k는 지연시간(time lag, k=0~m), m은 절삭점(cutting point), n은 시계열 길이, 은 시계열 자료 x_t의 평균을 나타낸다. 자기상관함수에서 어떤 이벤트가 오랜 기간동안 영향을 준다면 자기상관함수는 느리게 감소한다(Larocque et al., 1998). 스펙트럼밀도함수는 자기상관함수의 푸리에변환(Fourier transformation)을 통해 시간을 주기로 변환하는 것으로 자료의 주기성을 정량적으로 평가할 수 있으며 다음과 같이 나타낼 수 있다(Larocque et al., 1998).

위의 식에서 T_reg는 조절시간(regulation time)을 나타낸다. 조절시간은 시스템에 가해진 자극의 영향이 지속되는 시간과 반응의 길이를 의미한다(Larocque et al., 1998).

교차상관함수는 두 자료의 상호의존성을 정량적으로 평가할 수 있으며 지체시간(time delay)을 통해 두 자료의 상호의존성이 가장 높아지는 시간을 계산할 수 있다(Larocque et al., 1998; Davis, 2002). 또한 지체시간(지연시간 k=0과 최대교차상관함수 사이의 시간차)은 입력자료에 대한 출력값의 반응시간으로 자극의 전파속도를 의미한다(Larocque et al., 1998; Lee and Lee, 2000, 2002). 교차상관함수는 다음과 같이 나타낼 수 있다(Larocque et al., 1998).

위의 식에서 σ_x와 σ_y는 자료의 x_t와 y_t의 표준편차이고 는 자료 y_t의 평균을 나타낸다.

4. 결과 및 토의

4.1 수온 변동특성

SJ에서 수온은 12.5∼23.8℃로 넓은 범위를 보였고 평균은 17.5℃이었다(그림 2a). 겨울에는 비교적 일정한 값을 유지하는 반면에 여름에는 기온과 비슷한 변화양상을 보였다. 이것은 겨울에 비해서 여름에 지열시스템이 지하수에 미치는 영향이 더 큰 것을 의미한다. 연구기간 동안에 측정된 수온(-0.003 ℃/day)과 기온(-0.002 ℃/day)은 뚜렷한 증가 또는 감소의 경향을 보이지 않았다. JW에서 측정된 수온은 13.3∼16.3℃로 매우 좁은 범위를 보였고 평균은 15.2℃였다(그림 2b). JW는 SJ에 비해서 뚜렷한 계절변화를 보이지는 않았지만 수온이 겨울에 비해서 여름에 다소 낮은 값을 보였다. 이러한 변화양상은 지열시스템의 영향에 의한 것이 아니며 여름에 집중된 강수 또는 외부적인 요인의 영향으로 나타난 결과이다. 연구기간 동안에 측정된 수온과 기온의 회귀방정식의 기울기는 각각 0.001와 -0.006 ℃/day였다. JW에서도 SJ에서와 같이 수온과 기온은 연구기간 동안에 뚜렷한 증가 또는 감소되는 경향을 보이지 않았다. 또한 이번 연구에서 JW(27 m)의 센서가 SJ(18 m)보다 깊은 심도에 설치되었기 때문에 JW의 수온이 SJ보다 변화폭이 좁게 나타난 것일 수도 있다. 이번 연구에서는 기온의 영향이 미치는 깊이를 평가하지 않았지만 향후 이러한 분야의 연구에서는 기온이 미치는 영향을 평가하여 자료 해석에 반영함으로서 지열냉난방시스템에 의한 영향을 보다 정확하게 평가할 수 있을 것이다.

Fig. 2.

Temporal variations of ambient air and groundwater temperature at (a) Sangji University from May 2010 to December 2012 and (b) Jungwon University from May 2010 to January 2013.

SJ의 수온과 기온은 뚜렷한 양의 상관관계를 보이는 반면에 JW는 상관관계를 보이지 않았다(그림 3). SJ에서 기온에 따른 수온변화는 여름(냉방모드)과 겨울(난방모드)에 뚜렷한 차이를 보였다. 여름과 겨울의 기온과 수온의 회귀직선은 각각 y=0.333x+13.7(r²=0.331)과 y=0.064x+14.5(r²=0.370)로 겨울에 비해서 여름에 기온에 따른 수온변화가 훨씬 컸다. 이것은 지열시스템이 겨울에 비해서 여름에 지하수에 미치는 영향이 더 크다는 것을 의미한다. 이와 같이 SJ와 JW에서 기온에 따른 수온변화가 뚜렷하게 차이를 보이는 것은 우선 SJ와 JW에서 운영되는 지열시스템이 각각 개방형과 밀폐형으로 종류가 다르기 때문에 각 지열공에 걸리는 부하의 크기가 다르다는 것을 나타낸다. 또한 SJ에서는 지열시스템에 직접 사용되는 관정으로부터 수온을 측정하였고 JW에서는 지열시스템에서 사용되는 관정으로부터 3.5 m 떨어진 관측공에서 수온을 측정하였기 때문에 이러한 결과들이 나타난 것으로 사료된다. 따라서 두 시스템이 수온에 미치는 영향을 정확하게 비교하게 위해서는 개방형 지열시스템에서도 지열공보다는 관측공에서 측정된 수온으로 변화특성을 평가해야 될 것이다.

Fig. 3.

Relationship between ambient air and groundwater temperatures. SJ and JW represent Sangji and Jungwon Universities, respectively.

4.2 수위 변동특성

연구기간 동안에 원주지역의 일강수는 0.1∼256 mm의 범위를 보였고 SJ의 수위는 강수에 빠르게 반응하였다. SJ의 수위는 154.1∼167.0 m의 범위를 보였고 평균은 161.7 m이었다(그림 4a). SJ의 수위가 매우 넓은 범위를 보이는 것은 일강수량이 큰 차이를 보이고 여름철 기온상승에 따라 시스템에서 사용하는 지하수량의 변화에 따른 것으로 해석할 수 있지만 그림 4a에서 수위가 강수에 매우 민감하게 반응하는 것이 관찰된다. 따라서 SJ에서 수위의 변화는 지열시스템에 의한 영향보다는 일강수량의 변화의 영향을 더욱 많이 받는 것으로 해석할 수 있다. 연구기간 동안에 SJ의 회귀방정식의 기울기가 -0.003 m/day로 뚜렷한 증가 또는 감소의 변화를 보이지 않았으며 이것은 연구기간 동안에 내린 강수에 대한 지하수 수위의 반응이 크게 변화되지 않았음을 나타낸다. 2010, 2011 및 2012년에 원주의 연강수량은 각각 1,379, 2,188 및 1,462 mm였다(KMA, 2013). 개방형 지열시스템에서 지하수의 고갈문제는 최근까지도 지속적으로 논란이 되고 있지만 이 연구에서는 뚜렷한 지하수량의 감소가 관찰되지 않았으며 이를 보다 명확하게 평가하기 위해서는 다양한 지역에서 좀 더 장기적인 모니터링이 필요하다.

Fig. 4.

Temporal variations of groundwater levels at (a) Sangji and (b) Jungwon Universities and EC levels of groundwater at (c) Sangji and (d) Jungwon Universities. Groundwater levels and EC were measured at Sangji University from May 2010 to December 2012 and at Jung University from May 2010 to January 2013.

연구기간 동안에 JW에 인접한 충주지역에 내린 일강수는 0.1∼167 mm의 범위를 보였고 JW의 수위는 153.5∼156.5 mm의 범위를 보였고 평균은 155.3 mm였다(그림 4b). JW의 수위는 SJ에 비해서 강수에 대한 반응이 상대적으로 작았으며 연구기간 동안에 수위도 -0.0001 m/day로 뚜렷한 증가 또는 감소의 변화를 보이지 않았다. SJ에 비해서 JW의 수위가 상대적으로 적은 변화를 보인 것은 지열시스템의 차이보다는 지역적인 강우량의 차이와 불투수층을 통한 강수의 함양특성의 차이로 인한 것이다. 2010, 2011 및 2012년에 충주의 연강수량은 각각 1,212, 2,073 및 1,290 mm였다(KMA, 2013).

4.3 전기전도도 변동특성

SJ의 전기전도도는 165∼345 μS/cm의 범위를 보였고 평균은 214 μS/cm였다. 전기전도도는 강수에 민감하게 반응하였고 강수유입 시 감소하였다가 강수유입 이전으로 빠르게 회복되는 경향을 보였다(그림 4c). 개방형 지열시스템은 지하수를 직접 사용하기 때문에 시스템 사용에 따른 지하수의 수질변화를 초래할 수 있다(USEPA, 1997; Jo et al., 2009b). 따라서 지하수 수질에 대한 지속적인 모니터링이 필요하다. 전기전도도의 변화를 통해 지하수 내 용존성분들의 총량의 변화를 간접적으로 평가할 수 있기 때문에 전기전도도는 지하수의 수질변화를 대변할 수 있다. 그림 4c에서 전기전도도의 회귀직선의 기울기는 -0.03 uS/cm/day로 연구기간동안에 전기전도도는 뚜렷한 증가 또는 감소를 보이지 않았다. 이러한 결과는 연구기간 동안 전기전도도의 연변화패턴이 크게 변화하지 않았다는 것을 나타내므로 지하수의 수질변화는 거의 일어나지 않은 것으로 해석할 수 있다. 지하수의 수질변화를 정확하게 평가하기 위해서는 화학조성을 이용한 평가가 추가적으로 필요하다.

JW의 전기전도도의 범위는 230∼283 μS/cm였고 평균은 255 μS/cm였다. JW의 전기전도도는 수위에서처럼 SJ에 비해서 강수에 반응의 크기가 상대적으로 작았다(그림 4d). 그림 4d에서 전기전도도의 회귀직선의 기울기는 -0.03 uS/cm/day로 SJ에서처럼 JW의 전기전도도 또한 뚜렷한 증가 또는 감소를 보이지 않았다. 지하수에서 전기전도도는 주로 강수의 유입에 의해서 영향을 받는다. JW의 전기전도도가 SJ보다 상대적으로 좁은 범위와 높은 평균값을 보이는 것은 JW의 낮은 수리전도도로 인해 강수가 지하수로 유입되는 속도 SJ에 비해서 느리거나 지하수로 함양되는 강수의 양이 적기 때문이다. 일반적으로 강수의 전기전도도는 매우 넓은 범위를 보이는데 이러한 특징이 불포화대를 통과하면서 희석된 것으로 해석된다. 위의 결과들로부터 SJ처럼 JW에서도 지열시스템이 지하수의 수질변화를 초래하지 않은 것으로 판단된다.

4.4 자기상관분석

자기상관분석을 통해 SJ의 기온, 강수량, 수위, 수온 및 전기전도도의 지연시간을 평가하였다. 기온, 강수량, 수위, 수온 및 전기전도도의 지연시간은 각각 90, 29, 78, 75 및 86일로 평가되었다(그림 5a). 강수는 불규칙하기 일어나기 때문에 자기상관함수가 가장 빠르게 감소하였다. 수온과 수위는 불규칙하게 운전되는 지열시스템과 불규칙하게 발생하는 강수의 영향으로 인해 비교적 자기상관함수가 기온과 전기전도도에 비해서 빠르게 감소하였다. 다른 성분들에 비해서 전기전도도와 기온의 자기상관함수는 상대적으로 느리게 감소하였다. 기온, 강수량, 수위, 수온 및 전기전도도의 스펙트럼밀도함수는 각각 0.0027, 0.0028, 0.0031, 0.0030 및 0.0031에서 최대값을 보여주었다(그림 6a). 기온, 강수량, 수위, 수온 및 전기전도도의 조절시간은 각각 370, 357, 323, 333 및 323일 주기의 경향을 보였다. 이것은 SJ의 기온, 강수량, 수위, 수온 및 전기전도도의 변화경향이 거의 1년 단위로 반복되고 있음을 나타내며 지열시스템의 운영패턴에 큰 변화를 보이지 않는 한 수온의 이러한 경향성은 유지될 것이다.

Fig. 5.

Functions of auto-correlation of groundwater level and temperature, EC, air temperature and precipitation at (a) Sangji and (b) Jungwon Universities.

Fig. 6.

Spectral density of groundwater level and temperature, EC, air temperature and precipitation at (a) Sangji and (b) Jungwon Universities.

JW의 기온, 강수량, 수위, 수온 및 전기전도도의 지연시간을 평가하였다. 기온, 강수량, 수위 및 수온의 지연시간은 각각 88, 25, 96 및 96일로 평가되었고 전기전도도의 지연시간은 120일 이상으로 평가되었다(그림 5b). SJ와 비교하여 기온과 강수량의 지연시간은 조금 줄어든 반면에 수위, 수온 및 전기전도도의 지연시간은 약 20일 이상 증가하였다. 이것은 충주지역의 기온과 강수량이 원주에 비해서 좀 더 불규칙하게 변동하였음에도 수위, 수온, 및 전기전도도는 SJ에 비해서 외부요인(기온, 강수량, 지열시스템 등)에 의한 영향을 덜 받았다는 것을 의미한다. 기온, 강수량, 수위, 수온 및 전기전도도의 스펙트럼밀도함수는 각각 0.0027, 0.0027, 0.0024, 0.0027 및 0.0025에서 최대값을 보여주었고(그림 6b), 기온, 강수량, 수위, 수온 및 전기전도도의 조절시간은 각각 370, 370, 416, 370 및 400일로 평가되었다.

4.5 교차상관분석

교차상관분석을 통해 수온과 기온의 상호연관성을 평가하였다. 기온을 입력값으로 설정하고 수온을 출력값으로 설정하였을 때 SJ에서 최대 교차상관값은 0.785이였고 지연시간은 0일이었다(그림 7a). 이것은 SJ에서는 기온의 영향이 수온에 바로 반영되는 것을 의미한다. SJ은 시스템에서 직접 사용되는 지열공으로 기온변화가 수온변화에 직접적인 영향을 주어서 나타난 결과로 해석하기보다는 기온변화에 따라서 개방형 지열시스템의 냉방 또는 난방모드에 걸리는 부하가 변화하고 이것이 수온변화를 초래하였기 때문에 나타난 결과로 해석하는 것이 타당하다. JW에서 수온은 기온과 상호연관성이 없는 것으로 평가되었다(그림 7a). JW는 밀폐형 지열시스템에 사용되는 관정으로부터 3.5 m 떨어진 관측공으로서 기온변화의 영향을 거의 받지 않았고 또한 밀폐형 지열시스템이 관측공에까지 영향을 주지 않았다는 것을 나타낸다.

Fig. 7.

Cross-correlations of (a) groundwater temperature with ambient air temperature and (b) groundwater level and EC with precipitation at Sangji and Jungwon Universities.

강수량을 입력값으로 설정하고 수위과 전기전도도를 출력값으로 설정하였을 때 강수량과 수온 및 전기전도도의 상호연관성을 그림 7b에 나타내었다. SJ에서 강수량과 수위 및 전기전도도의 교차상관값은 지연시간 0에서 각각 0.142와 0.109으로 최대값을 가지기는 하지만 지연시간 0 이전부터 감소는 경향이 관찰되었다. 이것은 강수량과 수위 및 전기전도도의 상호연관성이 매우 낮은 것을 의미한다. 개방형 지열시스템에서는 강수량과 상관없이 지열시스템의 부하에 따라서 수위와 전기전도도가 변화되었기 때문에 나타난 결과로 해석된다. JW에서도 SJ에서처럼 강수량과 수위 및 전기전도도가 지연시간 0에서 각각 0.051과 0.016의 최대 교차상관값을 가지기는 하지만 지연시간 0 이전부터 감소는 경향이 관찰되었다. 이것 또한 JW에서도 강수량과 수위 및 전기전도도의 상호연관성이 매우 낮음을 의미한다. JW에서 이러한 결과를 보인 것은 지열시스템에 의한 영향이라기보다는 다른 외부요인에 의한 것으로 해석된다. JW는 골프장에 설치되어 있으며 이 골프장에서는 시설관리를 위해서 빈번하게 잔디에 물을 살포하기 때문에 강수량과 상관없이 수위와 전기전도도가 변화되었고 이것으로 인한 결과로 해석된다. 그러므로 지열시스템에 의한 환경변화를 명확하게 평가하기 위해서는 관측공을 외부적인 요인의 영향이 최소화되는 지역에 설치해야 할 것이다.

5. 결 론

개방형의 지열공과 밀폐형 지열시스템의 관측공에서 약 30개월 동안 매시간 측정된 지하수의 수온, 수위 및 전기전도도의 시계열자료를 이용하여 개방형 및 밀폐형 지열시스템이 지하수의 수리지질학적인 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 열교환 유체로서 지하수를 직접 사용하는 개방형 지열시스템은 뚜렷한 수온변화를 보였다. 수온변화의 크기는 지열시스템의 부하에 따라서 결정되는데 난방모드에 비해서 냉방모드에서 더욱 큰 수온변화를 보이기는 하였지만 시스템의 운영하지 않는 기간에 수온이 빠르게 회복되었다. 반면에 밀폐형 지열시스템의 관측공에서는 뚜렷한 수온변화가 관찰되지 않았다. 수위와 전기전도도에서는 개방형과 밀폐형 지열시스템에 의한 영향이 뚜렷하게 나타나지 않았다. 연구기간 동안에 두 시스템 모두에서 수온, 수위 및 전기전도도는 뚜렷한 증가 또는 감소경향을 보이지 않았다. 개방형 지열시스템에서 수온은 기온변화에 따른 시스템의 난방 또는 냉방모드에 걸리는 부하와 매우 높은 상호연관성을 보였지만 밀폐형 지열시스템에서는 이러한 상관성이 관찰되지 않았다. 일반적으로 수위와 전기전도도는 강수량과 높은 상호연관성을 보이지만 이번 연구에서는 시스템에 상관없이 수위와 전기전도도가 강수량과 뚜렷한 상호연관성을 보이지 않았다. 개방형 지열시스템에서는 시스템에 의한 영향으로 이와 같은 결과를 보인 반면에 밀폐형 지열시스템에서는 관측공이 설치된 주변의 외부적인 요인에 의해서 이와 같은 결과를 보였다. 이 연구에서는 개방형과 밀폐형 지열시스템 모두 대수층의 수리지질학적인 특성에 큰 영향을 주지 않은 것으로 평가되었다. 그러나 시스템의 규모와 운영방식에 따라서 지하수의 수리지질학적인 특성은 변화될 수 있기 때문에 지열시스템에 의한 환경변화를 명확하게 평가하고 시스템의 효율을 유지하기 위해서는 지속적인 모니터링이 필요하다. 또한 지열시스템의 영향을 받지 않는 대조군을 설정하여 자연적인 변화요인을 제거함으로서 지열시스템의 영향을 보다 정확하게 평가할 필요성이 있다.

Acknowledgments

본 연구는 환경부 “토양ㆍ지하수오염방지기술개발사업(171-101-011)”에서 지원받아 수행되었습니다. 유익한 심사의견을 주신 중원대 김형수 교수님과 익명의 심사위원께 깊이 감사드립니다.

References

C.M Ahn, J.S Han, C.G Kim, Y.C Park, J.G Mok, B.J Jang, Monitoring of geothermal systems wells and surrounding area using muecular biological methods for microbial species, Journal of Soil and Groundwater Environment (in Korean with English abstract), (2012), 17, p23-32. [https://doi.org/10.7857/JSGE.2012.17.6.023]
CCIC (Climate Change Information Center), https://www.climate.go.kr:8005/index.html (September 4, 2013), (2013).
J.C Davis, Statistics and data Analysis in Geology: Third Edition, John Wiley & Sons, New York, 638 p. e-national index, 2013, http://www.index.go.kr (September 4, 2013), (2002).
e-national index, http://www.index.go.kr (September 4, 2013), (2013).
J Hahn, H Han, C Hahn, H.S Kim, J.S Jeon, Design guidlines of geothermal heat pump system using standing column well, Economic and Environmental Geology (in Korean with English abstract), (2006), 39, p607-613.
J Hahn, H.S Han, C Hahn, J.S Jeong, H.S Kim, Optimum pumping rate of ground-water heat pump system using groundwater or bank infilterated water, Economic and Environmental Geology (in Korean with English abstract), (2007), 40, p833-841.
U Han, Y Keehm, A study on the heat flow distribution in the Korean Peninsula and its vicinity, Journal of the Geological Society of Korea (in Korean with English abstract), (1996), 32, p267-275.
Y.J Jo, J.Y Lee, C.G Kim, J.S Han, Effects of grouts and temperature change on microorganisms in geothermal heat pump, Journal of Soil and Groundwater Environment (in Korean with English abstract), (2009a), 14, p10-14.
Y.J Jo, J.Y Lee, S.Y Lim, G.P Hong, A review on potential effects of installation and operation of ground source heat pump on soil and groundwater environment, Journal of Soil and Groundwater Environment (in Korean with English abstract), (2009b), 14, p22-31.
H.C Kim, S.L Lee, M.Y Song, Relationship analysis between lithology, Geological time and geothermal gradient of South Korea, Economic and Environmental Geology (in Korean with English abstract), (2002), 35, p163-170.
H.C Kim, S.L Lee, M.Y Song, Geological characteristics and heat flow relationship in South Korea, Economic and Environmental Geology (in Korean with English abstract), (2004), 37, p391-400.
KMA (Korea Meteorological Administration), http://www.kma.go.kr (November 20, 2013), (2013).
M.H Koo, Y Song, J.H Lee, Analyzing spatial and temporal variation of ground surface temperature in Korea, Economic and Environmental Geology (in Korean with English abstract), (2006), 39, p255-268.
K.S Kwon, J.Y Lee, J.K Mok, Update of current status on ground sources heat pumps in Korea (2008-2011), Journal of the Geological Society of Korea (in Korean), (2012), 48, p193-199.
M Larocque, A Mangin, M Razack, O Banton, Contribution of correlation and spectral analyses to the regional study of a karst aquifer (Charente, France), Journal of Hydrology, (1998), 205, p217-231. [https://doi.org/10.1016/S0022-1694(97)00155-8]
C.H Lee, J.H Kim, Geological report of Goesan, Geological survey of Korea (in Korean), (1972), p47.
J.Y Lee, K.K Lee, Use of hydrologic time series data for identification of recharge mechanism in a fractured bedrock aquifer system, Journal of Hydrology, (2000), 329, p514-526. [https://doi.org/10.1016/S0022-1694(00)00158-X]
J.Y Lee, K.K Lee, A comparative study on characteristics of waterlevel responses to rainfall in the two aquifer systems, Journal of Soil and Groundwater Environment (in Korean with English abstract), (2002), 7, p3-14.
J.K Mok, H.G Lim, B.J Jang, Y.C Park, J.Y Lee, Time series analysis of the effect of ground-sources heat pumps on groundwater characteristics, The Journal of Engineering Geology (in Korean with English abstract), (2011), 21, p35-43.
NIMR (National Institute of Meteorological Research), Global climate change report for response to IPCC 5th assessment report. National Institute of Meteorological Research (in Korean), (2012), p100.
B.G Park, H.W Chang, Y.K Woo, Geological report of Wonju, Korea Institute of Energy and Resources (in Korean), (1989), p37.
Y Park, K.S Kwon, N Kim, J.Y Lee, J.G Yoon, Change of geochemical properties of groundwater by use of open loop geothermal cooling and heating system, Journal on the Geological Society of Korea (in Korean with English abstract), (2013), 49, p289-296.
Y.C Park, K.K Lee, C.E Baag, A numerical study on groundwater flow and heat flow in nountainous terrain, Journal of the Geological Society of Korea, (1995), 31, p608-621.
USEPA (United States Environmental Protection Agency), Manual on Environmental Issues Related to Geothermal Heat Pump Systems. USEPA Atmospheric Pollution Prevention Division, Washington, D.C, (1997).