소규모 준평탄지 분지에서의 지하수 인공함양에 따른 주입률 대비 채수량 효과 평가

2.1 연구지역 대수층 분포

연구지역은 행정구역상 충청남도 홍성군 갈산면 운곡리 신곡마을에 위치하고 있으며(그림 1) 경기육괴 서남부에 해당되는 지역으로, 전반적인 지질은 선캠브리아기 편암류 및 편마암류와 중생대 관입화성암류, 시대미상의 변성암 또는 퇴적암으로 구성되어 있으며 최상부에는 제4기 충적층이 분포하고 있다(Lee and Kim, 1963).

Fig. 1.

Location of the study area.

연구지역 서쪽에는 갈산천이 북에서 남으로 흐르고 있으며, 연구지역을 가로질러 동측에서 서측으로 폭 5∼10 m 정도의 신곡천이 흐르고 있다. 연구지역 동측 경계에는 105∼110 masl의 표고를 갖는 산지지형이 분포하여 분지형태의 지형을 구성하며, 산지를 제외한 전답의 지형 경사는 3.7°로서 완만한 특성을 보이고 있다.

연구지역의 시추조사 결과에 의하면, 매립층이 지표 하 0.8∼1.5 m, 기반암 상부 토사층이 지표 하 3.5∼9.5 m에 나타나는 것으로 분석되었다(표 1; 그림 2). 상류지역에서 하류지역으로 갈수록 연구지역 내 중부지역인 BH-3, BH-4공에서 토사층이 두껍게 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 상류지역 BH-6, BH-7공은 상대적으로 기반암이 양호한 상태를 보이는 반면, 하천 상류지역에서 하류지역으로 이동할수록 기반암인 화강편마암이 풍화와 파쇄가 발달하는 것으로 나타났다(그림 2). 하류지역은 풍화대 분포와 기반암의 암질조건을 고려했을 때 인공함양의 대상 지층으로 고려할 수 있다. 이와 같은 특성은 신곡마을 상류지역보다는 하류지역에서 대수층의 함양 공간이 큼을 보여주고 있다.

Table 1.

Specification of borehole and contents of property test.

Fig. 2.

Cross section of geologic strata in the study area by using the drilling data (Lee et al., 2019).

인공함양의 중요한 요소 중 하나인 연구지역의 수리특성 파악을 위해 시추조사와 병행하여 토사층과 암반층에 대해 수리시험을 수행하여 수리전도도를 산출하였다(표 2).

Table 2.

Vertical distribution of permeability in the study area estimated based on field test results.

연구지역의 전반적인 토사층의 수리전도도는 4.05×10^-5∼4.10×10^-3 cm/sec, 평균 5.86×10^-4 cm/sec, 기하평균은 2.97×10^-4 cm/sec의 값을 나타냈으며, 암반층의 수리전도도는 1.40×10^-6∼2.31×10^-4 cm/sec, 평균 7.20×10^-5 cm/sec, 기하평균 2.18×10^-5 cm/sec로 나타났다. 분석 결과, 연구지역 하류부(고속도로 동측)는 기반암 내 파쇄구간이 발달하며 풍화가 심하여 투수성이 상대적으로 양호한 반면, 상류지역은 파쇄구간이 기반암 상부에만 부분적으로 발달하고 신선한 암반이 우세하여 투수성이 상대적으로 불량한 것으로 평가하였다(Lee et al., 2019).

2.2 인공함양 순환시스템

본 연구는 상습 가뭄지역인 유역 상류 소분지의 특성상 인공함양에 필요한 원수인 하천수의 유량 확보가 제한적이므로 하천수와 암반 심부지하수를 인공함양 원수로 사용하여 인공함양시설로 주입, 하류 수평집수정 취수시설에서 취수하여 상류로 공급하고, 이를 하류로 분배하는 Hybrid형 인공함양 순환시스템이 적용되었다(그림 3).

Fig. 3.

Location of Hybrid-type artificial recharge and circulation system in the study area.

소하천의 규모가 매우 작아 갈수기에 하천수가 고갈되어 인공함양 원수를 하천수로부터 확보하는 것이 쉽지 않을 수 있으므로, 하천수 뿐 아니라 기저유출수 및 심부의 암반지하수도 함양원수로 고려되었다. 순환 시스템의 의미는 인공함양 이후 하류에서 취수된 지하수가 농경지에 공급된 후 자연적인 침투가 발생하고 하류 취수정에서 다시 취수되는 과정을 의미한다. 이와 같이 본 시스템은 소분지내의 수자원 총량이 가능한 한 분지 외부로 배출되지 않고 장기간 저류될 수 있도록 함으로써 용수원으로 이용될 수 있도록 하는 개념이다.

주입 원수의 수질 확보를 위하여 하천 구간 내에 2개소의 하천수질 전처리 장치를 설치하였는데, 상류로부터 자갈산화구간, 식생 수처리 구간, 자갈 구간, 하류의 돌망태 구간 등으로 구성된다(그림 4).

Fig. 4.

Pretreatment system of stream water.

전 처리된 함양원수를 주입하는 최적의 인공함양 시설을 구축하기 위해 시험부지를 설정하고 지층의 수직적 분포, 시험지역에서의 다양한 형태의 주입 시험 등의 결과를 분석하여, 연구지역 인공함양 시설의 주입 지층 범위, 수직 주입정의 규격, ditch의 여재 규격 등의 설계인자를 제시하였다(Won et al., 2020). 지층별 주입시험 분석결과를 토대로 충적+상부 암반대수층이 주 함양 대상구간으로 선정되었고, 주입정의 규격은 다양한 공경별 주입시험 분석 결과 4 inch 규격이 효과적인 것으로 분석 제시되었다. 또한 ditch의 여재 규격은 현장시험과 모델링 분석을 통하여 30∼75 mm 내외의 여재가 가장 효과적인 것으로 분석되었다. 간격별 주입에 의한 수직정 주입시험 결과 9∼12 m 간격이 적정 주입정 간격으로 평가되어 10 m 간격이 제시되었다. 이와 같이 확보된 지하수 인공함양 시스템의 설계인자룰 토대로 함양원수의 주입 효과를 높이기 위하여 ditch와 well을 융합한 인공함양 기술이 적용되었다. 연구지역 내 북측과 남측에 총 4개의 함양 line을 설치하였다. 북측에는 9개 수직 주입정을 포함하는 길이 100 m의 ditch 2개 line을 설치하였으며, 남측에는 7개 수직 주입정을 포함하는 길이 70 m의 ditch 2개 line을 설치하였다(그림 5). ditch의 폭과 깊이는 각각 3 m, 3.5 m 정도이며, 자갈의 크기는 30~75 mm로서 ditch 바닥으로 갈수록 작은 크기를 사용하였다. 수직 주입정의 깊이와 직경은 각각 10 m, 100 mm로 설치하였다.

Fig. 5.

Schematic diagram of the combined artificial recharge structure design and construction.

인공함양 구간의 하류 지점에서는 2개의 수평정(horizontal pipe)을 갖는 집수정(collector well)을 설치하여 용수를 확보, 공급할 수 있도록 하였다. 연구지역 시추조사 결과와 전기방위비저항탐사 결과 및 집수정 굴착 결과를 종합 분석하여 최적 수평집수정 설치를 위한 수평정의 굴진방향 및 굴진심도를 결정하였다. 전기방위비저항탐사 결과 지하수 흐름이 양호한 방향은 N60E, EW 방향으로 분석되었으며, 수평정 굴진심도는 지표하 9.0 m에서 다량의 지하수 용출이 양호하다고 분석되었다. 계획 채수량인 500 m³/day를 만족하기 위한 수평정 수량 및 길이를 결정하기 위하여 연구지역에서 분석된 지질 및 수리지질과 지하수위를 이용하여 수평정의 적정길이와 수량을 아래 식에 의하여 산출하였다(Han, 2000).

여기에서, Q는 채수량(m³/day), k는 대수층 수리전도도(m/day), H, h는 대수층 두께(m), L은 수평취수관의 본당 길이(m), m은 수평정의 수(개)를 의미한다.

본 지역의 대수층 조건에서 인공함양이 없는 상태에서 2.5 m 수위강하 시 수평집수정의 채수량은 560 m³/day로 산정되었다(표 3). 이 채수량은 하천 수위가 감소하지 않는다는 조건이 반영된 것이므로 갈수기에 현장의 하천수위 감소가 발생한다는 점을 고려할 때 장기적인 안정적 취수량으로 평가하는 것은 한계가 있다.

Table 3.

Result of pumping rate calculation according to the length and number of horizontal wells.

이와 같이 확보된 수평집수정의 설계를 토대로 수평정은 길이 50 m, 직경 150 mm로 설치되었고, 집수정은 직경 2.1 m, 깊이 9.5 m의 Caisson으로서 하천으로부터 20 m 이격하여 설치하였다(그림 6). 집수정에서 취수된 물은 100 mm 파이프를 통하여 유역 상류의 물탱크로 이송된 후 자연유하 방식에 의하여 농경지로 공급되는 방식으로 설치하였다.

Fig. 6.

Collector well: a caisson with two horizontal wells.

Fig. 7.

Landscape of Hybrid-type artificial recharge and circulation system in the study area.

4.1 단계별 연구 시험결과

각 단계별 현장시험 결과를 분석하여 인공함양 효과 대비 채수량 효과 평가를 실시하였다. 첫 번째 단계는 인공함양을 하지 않은 상태인 steady-state condition에서 수평집수정에서의 적정채수량 및 최대채수량을 평가하였다. 적정채수량 평가를 위하여 1단계 214 m³/day에서 마지막 7단계 460 m³/day로 양수량을 늘리며 실시한 단계대수성 시험을 분석한 결과, steady-state condition에서 수평집수정에서의 적정채수량은 415 m³/day로 평가되었다(그림 9). 단계대수성 시험으로 강하된 지하수위가 완전히 회복된 후에 장기양수시험을 실시하여 파악된 안정수위를 토대로 가채수량 곡선을 이용하여 지하수위 강하와 채수량 상관관계 분석을 통해 최대채수량을 산정하였다(그림 10). 장기대수성 시험은 대수층의 안정성을 고려하여 290 m³/day로 실시하였으며, 시험 결과 1.7 m 강하된 상태에서 안정수위에 도달하였다(그림 11). 최대채수량은 수위강하에 따른 채수량과 수위강하에 따른 비양수량 상관관계를 가채수량 곡선을 이용하여 추가 수위강하에 따른 최대채수량을 분석한 결과 약 450 m³/day로 평가되었다.

Fig. 9.

Optimum pumping rate in a horizontal collecting well under steady-state conditions.

Fig. 10.

Comparison of yield with groundwater level drawdown in aquifer (Driscoll, 1986).

Fig. 11.

Result of long-term pumping test in a horizontal collecting well under steady-state conditions.

2단계로 투수성 저감벽체 설치 전 인공함양의 효과를 분석하기 위하여 실시한 1차 주입시험과 주입시험 후 주입에 의한 수평집수정에서의 채수량 변화를 평가하기 위해 2차 양수시험을 실시하였다. 1차 주입시험에 의한 거리별 지하수위 변화를 보면, 인공함양 주입지역에 인공함양시설과 평행하게 구축한 A 지역의 근거리 관측공(DM1-1~5)에서 65.1~107.7 cm, 평균 79.9 cm 수위상승이 발생하였다. 중거리 관측공(BH-6, BH-4)은 15.4~16.9 cm, 평균 16.1 cm 수위상승이 발생하였으며, 원거리 관측공(BH-1)은 32.3 cm 수위상승이 발생하였다. B 지역의 근거리 관측공(DM4-1~3)에서 44.8~99.4 cm, 평균 80.1 cm 수위상승이 발생하였다. 중거리 관측공(BH-3, BH-2)은 9.8~15.0 cm, 평균 12.4 cm 수위상승이 발생하였다(그림 12). A 지역 원거리에 위치한 BH-1 지점이 중거리 관측공에 비해 높은 지하수위 상승을 보인 것은 국지적인 지층의 이방성 때문으로 보인다. 토양의 입도분석에 의한 수리전도도 분석 결과, BH-1 지점은 1.03^-4 cm/sec로서 주변에 비하여 5∼10배 정도 작으며, 이로 인하여 주입에 의한 수위 상승량에 차이가 나타난 것으로 보인다. 주입 line에 가까울수록 주입 후 수위 상승 반응이 뚜렷하여 지하수위 반응이 빠른 시일내에 나타났으며 중거리 관측공은 모두 하천 인근에 위치하며 유사한 상승량을 보였다. 이와 같은 현상은 주입 기간에는 지하수위가 급격하게 상승되지 않고 비교적 일정하게 유지됨을 보여준다. 주입이 계속됨에도 불구하고 지하수위 상승이 더 이상 발생되지 않고 일정하게 유지되는 것은 함양과 유사한 수준의 하류로의 배출이 발생되고 있음을 의미한다. 한편 모든 line에서의 주입을 중단한 경우, 지하수위는 약 15일에 걸쳐 하강하여 원래의 자연수위로 회복되었다.

Fig. 12.

Fluctuation of groundwater levels during 1st artificial recharge.

저감벽체 설치 전 1차 인공함양에 의한 적정채수량 평가를 위하여 6단계 단계대수성 시험(233 m³/day∼547 m³/day)을 분석한 결과, 적정채수량은 440 m³/day으로 평가되었다(그림 13). 장기대수성시험은 적정채수량보다 적은 380 m³/day로 실시하였으며, 시험 결과 2.2 m 수위 강하 후 안정수위에 도달되었다(그림 14). 안정수위를 토대로 가채수량 곡선을 이용하여 추가 수위강하에 따른 최대채수량을 분석한 결과 약 490 m³/day로 평가되었다(그림 10).

Fig. 13.

Optimum pumping rate in a horizontal collecting well after 1st artificial recharge.

Fig. 14.

Result of long-term pumping test in a horizontal collecting well after 1st artificial recharge.

저감벽체 설치 후 2차 인공함양 주입시험과 3차 양수시험을 실시하여 인공함양 효과 분석 및 함양에 따른 채수량 효과를 평가하였다. 1차 주입시험 이후 2차 주입시험 전 하천에 2공(NX-1, NX-2), 농경지 인근 2공(HQ-1, HQ-2) 추가 관측공을 설치하였다. 2차 주입시험에 의한 지하수위 변화를 보면, A지역의 근거리 관측공(DM1-1~5)에서 99.8~128.3 cm, 평균 111.3 cm 수위상승이 발생하였다. 중거리 관측공(BH-6, BH-4, HQ-1)은 19.4~80.2 cm, 평균 52.7 cm 수위상승이 발생하였으며, 원거리 관측공(BH-1, HQ-2, NX-1, NX-2)은 24.9~71.5 cm, 평균 52.0 cm 수위 상승이 발생하였다. B지역의 근거리 관측공(DM4-1~3)에서 36.0~59.7 cm, 평균 51.5 cm 수위상승이 발생하였다. 중거리 관측공(BH-3, BH-2)은 10.4~26.1 cm, 평균 18.3 cm 수위상승이 발생하였다(그림 15). 하천에 위치한 BH-6공은 주입 경과 4일차에 58 cm의 수위상승 후 점진적으로 감소하다 주입 22일 경과한 시점에 약 20 cm의 수위상승 발생 후 점진적으로 다시 감소하는 경향을 보였다. 이는 관측공의 위치가 하천 인근에 있어 인공함양 주입효과와 함께 주입 2일차 및 13일차 발생한 강우에 의한 영향이 중첩되어 일어난 효과로 보인다. HQ-1공은 주입 경과 2일 후 약 30 cm의 수위상승 발생한 후 그대로 유지되었으며, 주입 경과 28일 후 약 35 cm 수위상승이 발생한 후 지속되었다. 원거리 관측공(BH-1, HQ-2, NX-1, NX-2)은 24.9~71.5 cm 수위상승이 발생하였다. BH-1 공의 경우 주입 경과 2일 이후 약 50 cm 수위 상승이 발생 후 주입기간 동안 점진적으로 약 20 cm의 수위상승이 발생한 후 지속되었다. 주입 경과 33일 후 NX-2 공에서 약 50 cm의 수위상승이 발생하였다. 1차 주입시험과 달리 각 관측공에서 지하수위 상승 후 상승한 지하수위가 장기간 유지되는 것은 하류지역에 설치한 저감벽체에 의한 저류 효과에 의한 것으로 보인다.

Fig. 15.

Fluctuation of groundwater levels during 2nd artificial recharge.

저감벽체 설치 후 인공함양 효과 분석 및 함양에 따른 채수량 변화 효과를 평가를 위하여 실시한 3차 단계대수성시험(1단계 246 m³/day ∼ 7단계 571 m³/day) 분석 결과, 적정채수량은 515 m³/day로 평가되었다(그림 16). 장기대수성시험은 450 m³/day로 실시하여 2.35 m 강하 후 안정수위에 도달되었으며(그림 17), 안정수위 결과를 근거로 가채수량 곡선을 이용하여 추가 수위강하에 따른 최대채수량을 분석한 결과 약 550 m³/day로 평가되었다(그림 10).

Fig. 16.

Optimum pumping rate in a horizontal collecting well after 2nd artificial recharge.

Fig. 17.

Result of long-term pumping test in a horizontal collecting well after 2nd artificial recharge.

4.2 투수성 저감벽체 설치 전, 후 주입 효과 대비 채수량 효과 평가

인공함양에 의한 주입수가 대수층 내 장기간 유지 및 그에 따른 수평집수정의 채수 지속성을 확보하기 위하여 설치한 투수성 저감벽체 설치 전, 후의 지하수위 상승 변화 및 채수량 변화 효과를 분석하였다. 지하수위 상승량은 저감벽체 설치 전, A 지역은 13.3∼107.7 cm, B 지역은 9.8∼99.4 cm로 나타났으며, 저감벽체 설치 후에는 A 지역은 19.4∼128.3 cm, B 지역은 10.4∼71.5 cm로서 설치 전보다 약 20% 지하수위 상승 효과를 보였다(그림 18). 특히, 주입시설로부터 원거리에 위치한 관측공에서 중거리에 위치한 관측공보다 수위 상승이 상대적으로 크게 발생하였다. 이와 같은 현상은 안공함양으로 함양 분지 내에 저류된 물이 소하천으로 배출됨으로 인하여 실제 현장 주입량에 비하여 지하수위 상승이 충분하지 못한 것을 설명해 준다.

Fig. 18.

Graph for groundwater level rise and elevation before and after underground barrier by artificial recharge.

투수성 저감벽체 설치 전, 후의 인공함양에 의한 지하수위 상승에 따른 채수량 변화 효과를 분석하였다. 저감벽체 설치 전 인공함양 효과에 의한 적정채수량은 인공함양을 하지 않은 steady-state condition 하의 적정채수량(415 m³/day)보다 25 m³/day가 증가하는 것으로 평가되었다. 또한 저감벽체 설치 후 인공함양 효과에 의한 채수량은 steady-state condition하의 채수량 대비 100 m³/day, 저감벽체 설치 전 대비 75 m³/day가 증가하는 것으로 평가되었다(그림 19). 본 연구지역 인공함양시스템의 투수성 저감벽체 설치에 의한 인공함양 효과는 저감벽체가 없을 경우보다 20% 정도 함양 효과가 높게 나타났으며, 인공함양 및 투수성 저감벽체 설치에 의한 채수량 증가율은 24.3%로 평가되었다. 이와 같은 주입에 의한 증가율은 강우에 의한 자연함양과 복합적인 작용에 의해 지하수위 상승 효과를 보였으며, 투수성 저감벽체 설치에 의한 중첩효과에 의해 지하수위가 장기간 유지됨에 따라 채수량이 증가하는 효과가 나타난 것으로 평가되었다.

Fig. 19.

Result of groundwater yield effect evaluation compared to injection effect at each stage.