샌드댐 채움재 결정을 위한 탁도 저감 효율 평가

1. 서 론

상수도 보급이 어려운 물 보급 사각지대에 새로운 수자원 확보 방안으로 샌드댐 개발이 진행되고 있다(Aerts et al., 2007; Lasage et al., 2008; Quilis et al., 2009; Quinn et al., 2019). 샌드댐은 차수벽을 설치하고, 물을 저장할 수 있는 모래와 같은 여재를 이용하여 채워 수자원을 확보할 수 있는 시설물이다(Baurne, 1984; Hanson and Nilson, 1986; Rao and Rasmussen, 1987; Lasage et al., 2015; Yifru et al., 2021). 샌드댐의 원리를 이용하여 우리나라의 상수도가 보급되지 않는 지류의 최상류 지역에 시설을 설치하여 평상시에는 이용할 수 있는 수자원을 증대시키고, 가뭄에 대비하고자 하였다(Chung et al., 2022; Yifru et al., 2022). 샌드댐 설치 지역은 산간 지역으로 경사가 커서 하천을 횡단하여 샌드댐을 설치하면 풍수기에 상류에서의 토석류, 하천수위의 증가, 하천 유속의 증가 등의 영향으로 유지관리의 문제가 발생하며, 홍수에 의한 피해가 발생할 수 있다(Maddrell and Neal, 2012). 따라서, 연구지역에서는 하천수를 간접적으로 활용하는 바이패스형으로 샌드댐을 설치하였다(Chung and Lee, 2021).

강, 하천, 천변여과지 등에서 여재로 사용되는 모래는 오염물질을 걸러내는 중요한 역할을 한다(Schubert, 2002; Eckert and Irmscher, 2006). 바이패스형 샌드댐은 하천수를 간접적으로 이용하게 되지만, 샌드댐 내로 유입되거나 채움재가 유출되는 유사의 이송은 최소화해야 하며, 여재는 원수에 포함된 오염물질을 잘 걸러내야 한다(Baumgarten et al., 2011; Henzler et al., 2014). 원수로 사용하는 하천수에는 부유물질, BOD, 유기물질, 조류 등이 있으며 채움재들은 이들 오염물의 효과적 제거에 필요한 조건을 가져야 한다(Doussan et al., 1997; Dillon et al., 2002; Ray, 2008; Wang et al., 2012; Thakur et al., 2021). 오염물의 여과 외에도 단위 면적당 충분한 생산 유량이 확보되어야 하고 완속 여과 운영조건에서 3-5 m/day라는 상당히 큰 산출율을 만족시켜야 한다. 수질 개선 효과와 충분한 산출율을 만족시키기 위해서는 적합한 입경, 투수계수, 산출률을 가지는 채움재가 필요하다. 균등계수(equality coefficient)가 일정하지 않으면 탁도 저감률이 낮은 반면, 폐색되기 쉬우므로 충분한 여과 지속 시간을 유지할 수 없다(Hall, 1957; Behnke, 1969). 폐색은 부유물이 포함된 유체가 다공성 매질을 통해 흐를 때 매질의 공극 혹은 간극에 부유물이 쌓이는 현상이다(Huston and Fox, 2015). 채움재의 여과 작용 중에 발생하는 폐색 현상은 투수계수가 낮아져 여과 수량을 감소시키지만, 공극이 작아지고 여과속도가 줄어들어 여과수의 수질 개선 효과는 커지기 때문에 이를 적절히 제어해야 한다(Ray et al., 2003; Ahn et al., 2005; Kim et al., 2005). 채움재의 재료는 여과가 필요한 후보지의 수질 특성에 따라 모래의 입경 등에 따라 배치를 효율적으로 진행해야 한다. 채움재에 대한 연구는 대부분 하상여과 혹은 강변여과에 대한 수질 개선 효과 분석(Bourg and Bertin, 1993; Ćosović et al., 1996; Kuehn and Mueller, 2000; Kim et al., 2003; Ray, 2004), 생산수량의 감소 현상 등에 대한 연구가 진행되었다(Ojha and Graham, 1994; Weiss et al., 2002; Ojha and Thakur, 2010). 샌드댐은 하상 여과 등에 비해 상부의 유량이 없거나 유속 변동이 크지 않고, 상부 혹은 채움재 내의 수두 차이에 의해 생산 수량 및 수질의 차이가 발생한다. 따라서 본 연구에서는 유속 조건을 제외한 일정수두에 의한 탁도 저감 효율을 평가하여 최적의 채움재를 선정하고, 현장 규모의 칼럼 실험을 구성하여 적용성을 평가하고자 하였다. 샌드댐 채움재는 적용성을 높이기 위해 원가가 높은 고성능의 여재는 제외하고, 주변에서 쉽게 구할 수 있고 경제적인 모래를 이용하였다. 모래는 입경에 따라 네 가지 종류를 사용하였고, 효과가 좋은 입경을 가진 채움재를 대상으로 현장 규모의 칼럼을 제작하여 탁도 저감 효율을 분석하였다.

2. 연구방법

샌드댐 채움재의 시료는 탁도 저감 효율이 뛰어나고, 충분한 생산수량을 만족하며 지속적인 여과기능을 활용함에 있어 사용의 유지관리 측면을 고려해야 한다. 많은 양의 채움재를 사용하기 위해서는 시료의 단가, 구하기 쉬운 소재를 활용하여 최선의 탁도 저감 효율이 나타나야 한다. 본 연구에 사용한 시료는 단가가 비교적 저렴하고 흔한 모래를 선정하였다. 입도별 모래를 분류하여 입도분석을 통해 토양 물성과 투수시험을 이용하여 수리 특성을 분석하였다. 분석한 시료를 대상으로 모래의 입도별 탁도 저감 효율을 평가하고, 현장 적용을 위해 현장 규모와 같은 실험체를 구성하여 적용성을 평가하였다.

2.2 채움재 입도별 탁도 저감 효율 평가

샌드댐 채움재의 탁도 저감 효율 평가를 위해 칼럼 실험을 이용하였다. 칼럼 실험은 칼럼의 크기, 유량, 유속, 채움재 종류, 채움재 입도, 유입수의 탁도 등 다양한 변수를 설정할 수 있다. 샌드댐 채움재의 시료는 물성 및 투수시험을 완료한 시료를 대상으로 칼럼시험의 채움재로 선정하였다.

시험에 사용된 칼럼은 내경 16.5 cm, 높이 80 cm의 원형의 투명 아크릴 소재로 제작하였다. 6개의 탁도 측정을 위한 시료 배출구가 있으며 칼럼 하부에는 스크린이 설치되어 있고, 스크린 하부에는 칼럼을 통과한 물이 배출되는 밸브와 배출구가 있다(그림 1). 총 6개의 탁도 측정 구간이 설정되어야 했지만 세 번째 시료 배출구는 누수의 문제로 폐쇄하였다. 시험에 사용된 원수의 탁도는 수돗물과 황토를 혼합하여 인위적으로 조정하였다.

Fig. 1.

Setting of column test.

2.3 현장 적용을 위한 칼럼 실험

현장에 적용될 샌드댐 규모에 맞추어 칼럼 실험을 진행하였다. 현장에 적용될 샌드댐은 채움재의 두께가 총 160 cm로 설계되었으며, 채움재는 완전 포화된다는 가정하에 진행하였다. 전체 채움재 160 cm 중 취수관 밑은 샌드댐의 생산수에 큰 영향을 주지 않아 상부의 채움재에 대해서 칼럼 실험으로 구성하였다. 취수관 상부의 110 cm와 10 cm의 수위를 모사하기 위해 실험에 사용된 칼럼은 내경 33 cm, 높이 125 cm의 원형의 투명 아크릴 소재로 제작하였다(그림 2).

Fig. 2.

Schematic diagram of field size column test.

3. 연구결과

3.1 채움재의 입도별 토양 물성 및 수리 특성

채움재의 토양 물성과 수리 특성을 분석하기 위해 입도시험과 투수시험을 이용하였다. 시험 대상은 주변에서 흔하게 구할 수 있고, 상대적으로 저렴한 모래를 사용하였고, 입도별로 0.3-0.45 mm, 0.45-0.7 mm, 0.8-1.2 mm, 2-4 mm의 모래를 사용하였다. 토양 물성 시험 결과 모래의 특성을 가지고 있으며, 비중은 2.62-2.65의 범위를 나타냈다. 단위 용적 중량은 1.513-1.587 범위를 가지며, 공극률은 39.40-42.80의 범위를 나타냈다. 균등계수는 시료의 입도분포가 작아 6 이하의 작은 값으로 나타났다. 곡률계수는 대부분 1에 가까운 값을 가지며, 1-3사이의 양호한 입도분포를 나타냈다. 투수계수는 입자크기가 커질수록 커지는 것으로 나타났다. 입자크기가 가장 작은 0.3-0.45 mm가 0.068 cm/s로 나타났으며, 입자크기가 가장 큰 2-4 mm가 0.325 cm/s로 가장 크게 나타났다. 토양 물성 시험 결과 물성시험 및 투수시험의 결과는 표 1에 정리하였다.

Table 1.

Filter material property and permeable test results.

3.2 채움재 입도에 따른 탁도 저감 효율 평가

불순물을 제거한 채움재를 칼럼에 약 50 cm (복합층 경우 25 cm)의 두께로 채운 후, 배출구 밸브를 차단하여 일반수를 완전히 포화시킨 후 배출하는 과정을 3∼4번 반복하였다. 칼럼 실험은 일반수로 채움재를 완전히 포화시키고 채움재 상부 표면보다 약 10 cm 높게 수두를 유지한 상태에서 시작하였다. 탁수 주입 후, 총 120분간 시험을 수행하였으며 15분 간격으로 채움재 상부, 상부를 기준으로 -10 cm, -20 cm, -40 cm, 하부 시료 채취구에서 각각 시료를 채취하여 탁도를 측정하였다.

채움재의 구성은 단일 채움재는 50 cm 높이로 0.3-0.45 mm, 0.45-0.7 mm, 0.8-1.2 mm, 2-4 mm 각각 구성하였다. 채움재의 탁도 저감효과를 고려하였을 때는 입경이 작은 채움재로 구성하는 것이 효과적이지만, 수량을 고려했을 때는 일정 투수계수 이상의 채움재를 구성해야 한다. 투수계수를 고려했을 때 0.8-1.2 mm가 1.99×10^-1 cm/s이고, 2-4 mm가 3.25×10^-1 cm/s 로 충분한 생산수량을 확보할 수 있을것으로 판단했다. 따라서, 복합 채움재는 25 cm 높이로 상부에서 0.8-1.2 mm, 2-4 mm로 구성하였다. 상부에 입경이 작은 채움재로 구성한 것은 샌드댐의 구조상 유지관리 측면에서 장점이 있다. 입경이 작은 채움재가 상부에 위치하면, 탁도 유발 물질이 상부에 억류되어 풍수기 등 유입이 증가하는 시기에 샌드댐 상부의 유속이 증가하여 자연적으로 세척이 가능하며, 하부에 탁도 유발 물질이 억류되면 배수관의 역세척 및 유지관리가 용이하지 않다. 또한, 배수관이 위치하는 층에 충분한 여과 수량하기 위해 입경이 크고 투수계수가 큰 채움재를 배치하였다.

탁도 저감효과 분석 실험을 진행하는 과정에서 각각의 시료에 따라 한계 탁도가 존재하였고, 너무 큰 탁도의 원수를 유입시키면 빠른 폐색으로 실험이 진행되지 않았다. 지속적으로 유입 유출이 발생하는 상태에서 탁도 저감효과를 분석하기 위해 시행착오에 의한 사전 실험을 진행하였다. 탁도를 유발시키는 재료로 황토를 사용하였으며, 프로펠러로 교반하여 목표 탁도를 생성하였다. 0.3-0.45 mm 채움재에서는 공극의 크기가 작아 일정시간 100 NTU가 넘어가면 폐색이 일어나 유출이 일어나지 않았다. 0.3-0.45 mm를 제외한 실험에서는 목표 탁도 100 NTU를 맞추기 위해 황토의 양을 조절하였으나, 수량이 작은 수조에서 작은 프로펠러를 이용하여 탁도를 유발시키고, 관측시간에 따라 순간적인 탁도를 센서로 계측하여 유입수의 탁도가 일정하지 않았다.

칼럼 실험을 통해 채움재 입도별 탁도 저감효과를 분석한 결과 탁도의 저감효과가 가장 뛰어난 것은 복합층(0.8-1.2 mm / 2-4 mm)으로 나타났으며, 유입 탁도 대비 유출 탁도가 62.64-139.93 NTU가 저감되는 효과를 나타냈다. 작은 규모의 실험을 진행함에 있어 유입수의 탁도가 일정하지 않았지만, 평균적으로는 120분간 91.70 NTU의 저감효과가 나타났다. 0.8-1.2 mm의 시료는 42.53-158.74 NTU의 탁도를 개선시키는 것으로 나타났다. 0.8-1.2 mm는 120분간 평균 탁도 저감효과는 87.12 NTU로 나타났지만, 유입수 200.67 NTU에서 41.93 NTU로 저감시키며 158.74 NTU의 가장 큰 탁도 저감효과를 나타냈다. 하지만, 0.8-1.2 mm는 유출수의 탁도가 평균 65.36 NTU를 보이며 다른 시료에 비해 높은 탁도를 나타냈다. 0.45-0.7 mm는 80.80 NTU, 2-4 mm는 62.01 NTU가 120분간 평균적으로 탁도가 저감되는 것으로 나타났다. 가장 탁도 저감효과가 작은 시료는 0.3-0.45 mm로 24.98-57.99 NTU로 120분간 평균 42.11 NTU가 저감되었다. 그림 3은 시간에 따른 탁도 저감효과를 입도별로 나타냈다.

Fig. 3.

Column test turbidity results of filler material by grain size.

채움재 입도별 평균 탁도 저감률은 0.3-0.45 mm가 88.51%, 0.45-0.7 mm가 79.12%, 0.8-1.2 mm가 67.56%, 2-4 mm가 77.32%, 복합층(0.8-1.2 mm / 2-4 mm)이 82.58%로 나타났다. 입자크기가 가장 작은 0.3-0.45 mm 시료에서 가장 큰 저감률을 나타내었다. 탁도 저감률에서는 0.3-0.45 mm가 가장 크게 나타났으나, 한계 탁도에서 다른 시료에 비해 매우 작은 탁도의 저감효과를 나타내어 탁도가 큰 적용지역에서는 채움재의 빠른 폐색이 일어날 것으로 판단된다. 두 번째로 평균 탁도 저감률이 높은 시료는 복합층(0.8-1.2 mm / 2-4 mm)으로 나타났으며, 큰 편차 없이 일정하게 탁도를 저감되는 것으로 나타났다. 탁도 저감효과에서 0.8-1.2 mm는 가장 크게 탁도를 개선하는 것으로 나타났으나, 저감률에서는 67.56%로 가장 낮게 나타났다.

Table 2.

Column test turbidity results and reduction rate of filler material by grain size.

3.3 현장 샌드댐 적용을 위한 탁도 저감 효율 평가

칼럼 최하부에는 180 µm 망이 부착된 1 cm 두께의 스크린이 설치되어 있고, 스크린 하부에는 칼럼을 통과하는 물이 배출되는 밸브와 배출구가 있다. 수도관은 실리콘 호스를 사용하였으며, 탁도유지를 위해 칼럼으로 탁수가 들어가는 400 L 물탱크 뚜껑에 모터 프로펠러 형태의 혼합 기기를 설치하였다. 일정한 탁도의 원수를 공급하기 위해 유량조절이 가능한 펌프를 사용하였다. 시험용 칼럼에 채움재를 채운 뒤 칼럼 내에서 균질하게 다졌다.

칼럼시험 채움재는 앞서 실험을 진행하였던 입도별 칼럼 실험을 통해서 저감효과가 가장 크고, 저감률 또한 높았던 혼합층(0.8-1.2 mm / 2-4 mm) 구성을 참고하였다. 채움재의 심도는 자갈 10 cm (20-30 mm), 모래 70 cm (0.8-1.2 mm), 모래 30 cm (2-4 mm)를 채워 현장의 샌드댐 채움재 심도와 동일하게 하였다. 상부의 자갈은 샌드댐 내부의 수량이 충분하여 월류되는 과정 혹은 풍수기에 많은 양의 수량이 유입되었을 때 상부의 모래 층이 유실되는 것을 줄이기 위해 배치하였으며, 여과 효과를 낼 수 있는 작은 입경의 모래를 상부에 배치하여 탁도를 저감시키게 하였다. 배수관이 배치되는 층에 입경이 큰 모래를 배치하여 투수계수를 높여 충분한 생산 수량을 확보하였으며, 현장의 평수기와 같이 수두는 10 cm로 일정하게 유지하였다(그림 4). 채움재의 탁도 저감률과 막힘 현상을 관측하기 위하여 황토의 양을 늘려가며 표 3과 같이 4가지 조건으로 진행하였다. 실험을 진행하는 동안 채움재 내에 걸러지는 황토를 씻어내지 않고 그대로 진행하며 채움재의 막힘 현상이 발생하는 시간을 관찰하고자 하였다. 각 상태에 따라 총 95분의 실험을 진행하였고, 시료의 탁도 자료는 5분 간격으로 수집하였으며, 유량은 5분간의 평균 유량을 측정하였다(그림 5).

Fig. 4.

Settings of field size column test.

Table 3.

Experimental condition of field size column test.

Fig. 5.

Results of field size column test.

실험결과 1번 실험(물 400 L + 황토 100 g)에서는 초기 15분에서는 평균 6.34 m³/day가 유입되었지만, 황토로 인해 점차 공극이 메워지며 유입량이 점차 줄어들어 평균 5.54 m³/day로 나타났다(그림 5a). 초기의 유출 탁도는 황토가 섞여있지 않은 물로 포화되어 있는 상태에서 진행되어 매우 낮게 나타났으나, 초기 10분 이후 11.00-18.70 NTU의 분포를 나타내고 있다. 초기 유출량 또한 맑은 물이 유출되어 7.80 m³/day로 높게 나타났으나 5.18-5.79 m³/day의 범위에서 유출되는 것으로 나타났다. 평균 유입량은 5.70 m³/day이고, 평균 유입 탁도는 100.95 NTU로 나타났다. 평균 유출량은 5.67 m³/day이고, 평균 유출 탁도는 12.65 NTU으로 나타나 평균 탁도 저감률은 87.21%로 나타났다.

2번 실험(물 400 L + 황토 300 g)에서는 1번 실험을 이어서 진행하여 칼럼 내에 남아있는 1번 실험의 탁수가 유출되며 5분에서는 12.50 NTU로 나타났으나, 상승한 유입 탁도로 인해 초기 10분에서 49.10 NTU로 급격히 상승하는 것으로 나타났다(그림 5b). 10분 이후 점차 감소하며 평균 유출 탁도는 11.52 NTU로 나타났다. 유입량과 유출량 모두 점차 감소하는 추세로 나타났으며, 평균 유입량은 6.13 m³/day, 평균 유출량은 5.60 m³/day로 나타났다.

3번 실험(물 400 L + 황토 500 g)에서는 초기 5분까지 평균 265.50 NTU의 높은 탁수가 유출되었으며, 점차 감소하여 평균 9.06 NTU정도로 안정된 것으로 나타났다(그림 5c). 유입량은 4.92-6.74 m³/day의 범위를 가지며 점차 감소하는 추세로 나타났으며, 평균 유입량은 5.32 m³/day로 나타났다. 유출량은 초기에 7.08 m³/day로 높게 나타났으나 그 이후 점차 감소하는 추세로 평균 유출량은 4.92 m³/day로 나타났다.

4번 실험(물 400 L + 황토 1000 g)에서는 초기 5분 281.00 NTU의 높은 탁도의 유출수가 배출된 이후 점차 감소하는 추세로 나타났다. 안정된 이후에는 1000 NTU 이상의 높은 탁도에 비해 유출수의 탁도는 6.74 NTU 정도로 나타났으며, 85분 이후부터는 5 NTU 이하의 유출수가 나타났다(그림 5d). 4번 실험은 유일하게 유입량이 점차 증가하는 추세로 나타났으며, 2.87 m³/day에서 시작하여 3.41 m³/day까지 상승하는 것으로 나타났다. 하지만, 평균 유입량은 3.01 m³/day로 모든 실험 중 가장 적은 양이 유입되었다. 유출량은 3.02-3.89 m³/day의 범위를 가지며, 전체 평균 유출량은 3.40 m³/day로 나타났다. 표 4는 1-4번 실험에 대한 평균 유입 탁도, 유출 탁도, 탁도 저감율, 유입량, 유출량을 나타냈다.

Table 4.

Average results of field size column test.

탁도 저감률 분석 결과, 1차 시험 초반에는 83.7%에서 시험을 진행함에 따라 점차 상승하여 4차 시험이 종료 때에는 99.5%까지 나타났다. 유입 탁도 농도가 급격히 증가함에 따른 상대적으로 저감률의 증가 현상이 나타나는데, 채움재의 탁도 여과에 따라 공극에 황토가 흡착됨에 따라 공극이 작아지며, 공극 사이에서의 유로가 줄어드는 것으로 나타났다. 이에 따라 시간당 유량이 줄어들어 탁도 저감효과가 더 높아지는 것으로 판단된다. 채움재의 상부에는 황토가 쌓이는 것이 육안으로 확인되며, 상부로부터 내려갈수록 황토 입자가 적어진다. 0.8-1.2 mm 채움재와 2-4 mm 채움재의 경계부에서 황토가 약 1.5 cm 정도 쌓여있는 것으로 나타났다. 채움재의 경계부에서 채움재의 교란으로 인해 공극이 더 작아져 유속이 감소하여 0.8-1.2 mm 채움재의 하부에서 황토가 쌓이는 것으로 나타났다. 탁도 저감률은 1차 실험을 제외하고는 95% 이상으로 뛰어난 성능을 보여주고 있다. 실험이 진행하며 유입 탁도가 증가함에 따라 채움재가 여과 작용을 하며 공극에 황토가 흡착되었다. 황토가 쌓임에 따라 채움재의 공극이 작아지는 것으로 나타났으며, 황토의 제거 없이 실험을 진행하면서 탁도의 저감효과는 증가하는 것으로 나타났지만, 유출량은 줄어드는 것으로 나타났다.

4. 결 언

물 보급 사각지대에 새로운 수자원 확보 방안으로 샌드댐 개발이 진행되고 있다. 샌드댐 설치 지역은 산간 지역으로 경사가 커서 하천수를 간접적으로 활용하는 바이패스형으로 설치하였다. 샌드댐의 채움재 재료는 여과가 필요한 후보지의 수질 특성에 따라 모래의 입경 등에 따라 배치를 효율적으로 진행해야 한다. 따라서, 탁도 저감 효율을 평가하여 최적의 채움재를 선정하고, 현장 규모의 칼럼 실험을 구성하여 적용성을 평가하였다.

샌드댐 채움재의 재료는 탁도 저감 효율이 뛰어나고, 충분한 생산수량을 확보함과 동시에 지속적인 여과 기능의 활용에 있어 유지관리 측면을 고려해야 한다. 사용한 재료는 모래를 사용하였으며, 입도별 모래를 분류하여 입도분석을 통해 토양 물성과 투수시험을 이용하여 수리 특성을 분석하였다. 사용한 입도별 모래는 0.3-0.45 mm, 0.45-0.7 mm, 0.8-1.2 mm, 2-4 mm를 사용하였다. 토양 물성 시험 결과 비중은 2.62-2.65의 범위를 나타냈으며, 단위 용적 중량은 1.513-1.587 범위를 나타냈다. 공극률은 39.40-42.80의 범위를 나타냈다. 균등계수는 시료의 입도분포가 작아 6 이하의 작은 값으로 나타났다. 곡률계수는 대부분 1에 가까운 값을 가지며, 1-3사이의 양호한 입도분포를 나타냈다. 투수계수는 입자크기가 커질수록 커지는 것으로 나타났다.

채움재 선택을 위해 80 cm 규모의 칼럼 실험을 진행하였다. 채움재 입도별 탁도 저감효과를 분석한 결과 탁도의 저감효과가 가장 뛰어난 것은 복합층(0.8-1.2 mm / 2-4 mm)으로 나타났으며, 120분간 평균적으로는 91.70 NTU의 탁도가 저감되었다. 채움재 입도별 평균 탁도 저감률은 0.3-0.45 mm가 88.51%, 0.45-0.7 mm가 79.12%, 0.8-1.2 mm가 67.56%, 2-4 mm가 77.32%, 복합층(0.8-1.2 mm / 2-4 mm)이 82.58%로 나타났다. 현장 규모의 실험을 위해 채움재는 충분한 수량 확보를 위해 투수계수가 양호하며, 두 번째로 평균 탁도 저감률이 높은 시료인 복합층(0.8-1.2 mm / 2-4 mm)으로 진행하였다. 채움재는 입경에 따라 한계 탁도가 존재하게 되는데 본 연구에서는 폐색 현상이 일어나는 한계 탁도까지 진행하지 못했고, 가장 폐색이 잘 발생하는 0.3-0.45 mm에서도 각각의 입경의 배치 혹은 다짐 정도에 따라 폐색에 대한 불확실성이 크게 나타났다. 추후 다양한 실험을 진행하여 채움재의 입경에 따른 한계 탁도를 정량적으로 나타낼 예정이다. 또한, 많은 실험 횟수로 채움재 입경에 따른 탁도 저감율에 대한 경험 공식을 도출한다면, 추후 설치될 샌드댐의 복합층을 선정하는 기준으로 활용할 수 있을 것이라 판단된다.

현장 규모의 125 cm 칼럼 실험에서 채움재의 심도는 자갈 10 cm (20-30 mm), 모래 70 cm (0.8-1.2 mm), 모래 30 cm (2-4 mm)를 채워 현장의 샌드댐 채움재 심도와 동일하게 하였으며, 수두는 10 cm로 일정하게 유지하였다. 채움재의 탁도 저감률과 막힘 현상을 관측하기 위하여 황토의 양을 늘려가며 4가지 조건으로 진행하였다. 탁도 저감 효율 분석 결과, 1차 시험 초반에는 탁도 저감률이 83.7%에서 시작하여 점차 상승하며 4차 시험종료 때에는 99.5%까지 나타났다. 유입 탁도 농도가 급격히 증가함에 따른 상대적으로 탁도 저감률의 증가 현상이 나타났다. 채움재의 탁도 여과에 따라 공극에 황토가 흡착됨에 따라 공극이 작아지며, 생산 수량은 줄어드는 것으로 나타났다. 탁도 저감률은 1차 실험을 제외하고는 95% 이상으로 뛰어난 성능을 보여주고 있으며, 황토의 제거 없이 실험을 진행하면서 탁도의 저감효과는 증가하는 것으로 나타났지만, 유출량은 줄어드는 것으로 나타났다. 실험의 결과를 이용하여 현장의 채움재에 대한 적용성을 높일 수 있을 것이라 판단된다. 또한 다양한 상황에 대해서 대처할 수 있으며, 완전한 폐색이 일어나기 전 유출량의 감소 등의 징후에 따라 선제적 대처가 가능할 것으로 보인다.

실험 진행에 있어 탁도 유발 물질로 황토를 사용하였는데, 현장의 탁도 유발 물질은 다양할 수 있다. 탁도 유발 물질에 따라 폐색의 징후는 다양할 수 있다. 따라서 추후에는 황토 외에 다양한 재료를 활용하여 탁도를 유발시켜 현장에서 일어날 수 있는 다양한 상황에 대해서 모사할 수 있도록 할 예정이다. 또한, 현장에서는 불가능한 실험인 장기적인 실험에 따라 폐색 현상 등에 대해서 모사하여 유지관리 시점에 대한 실험을 진행할 예정이다.

Acknowledgments

본 결과물은 환경부의 재원으로 한국환경산업기술의 수요대응형 물공급서비스사업의 지원(과제번호 146515) 및 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단 기후변화영향최소화기술개발사업의 지원(NRF-2020M3H5A1080735)을 받아 연구되었습니다.

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