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Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers > Volume 27(5); 2015 > Article
염수로 포화된 해안지역 대수층을 활용한 수자원확보 방안

요약

해수침투로 인하여 부존되어 있는 지하수의 염분농도가 높아 방치되고 있는 해안지역 대수층을 활용한 수자원 확보 방안을 제안하였다. 대수층으로 담수를 주입하여 염수를 치환할 수 있는 주입-양수 시스템을 연구하였다. 염수로 포화되어 있는 충적층에서 인공함양 및 회수 기술이 성공하기 위해서는 양수정으로 유입되는 염수를 방지하는 것이 가장 중요한 문제 중의 하나이다. 본 연구에서는 양수정을 염수 침투로부터 방지하기 위한 염수포획관정의 효과를 수치모델링 방법으로 분석하였다. 적절히 설계된 염수포획관정은 담수 양수정을 염수침입으로부터 보호할 수 있음을 제시하였다.

Abstract

A new method is proposed for water resources using aquifers in coastal areas. These aquifers are generally filled with saline water due to seawater intrusion and consequently being left unutilized. Surface water can be injected into these aquifers and recovered for water quality enhancement and stored water. Injection and pumping wells are used. For this technique to be successful protection of pumping well from seawater intrusion is an essential issue. Salt water pumping can be used to prevent saline water upconing. Numerical analysis demonstrated that a properly designed and executed salt water pumping well can protect a freshwater pumping well from salt water intrusion.

1. 서 론

우리나라에서는 전통적으로 지표수 댐 위주의 수자원 정책이 펼쳐져 왔다. 그러나 환경보호운동, 산업의 발달로 인한 수질 악화, 기후변화, 각종 재난 등으로 지표수 댐의 개발 및 유지관리가 점차 어려워지고 있다. 이에 따라 물 공급의 안정성을 꾀하기 위하여 해수담수화, 강변여과 등의 대체 수자원 개발이 추진되고 있다(Kim.T.H.et al., 2014; Kim.B.W et al., 2014). 강변여과 기술은 강변에 설치한 지하수 양수정에서 지하수를 양수하면 동수경사가 발생하여 하천수가 하상을 통하여 양수정으로 흐르게 하는 유도함양 기술이다. 강변여과의 목적은 강변의 토양층을 흐르는 동안 일어나는 하천수의 자연 수질 개선이다(Hamm et al., 2005).
강변여과 기술은 강변에 양질의 대수층이 발달해야 경제성과 지속가능성을 지닌다. 그런데 우리나라의 강변에는 대규모 수자원 개발이 가능한 대수층을 찾기 어렵다. 또한 강변여과는 수질개선 기능은 우수하나 저수량 확보가 어려우며, 하천수와 함께 배후 지하수가 양수정으로 유입되어 인근 지역의 지하수위를 낮출 수 있다는 단점을 가지고 있다(Cheong et al., 2003).
강변과 달리 해안 지역에서는 퇴적층이 두껍고 투수성이 양호한 대수층이 빈번하게 발견되므로 관정을 통하여 지표수를 대수층에 주입하는 인공함양 기법을 활용하여 수질개선 효과를 꾀할 수 있다(Pyne, 1995). 델타 등의 해안지역 대수층의 장점은 대체적으로 규모가 커서 큰 저수량을 확보할 수도 있다는 것이다. 다만 해안 지역의 대수층에는 자연적 또는 인위적인 원인으로 침투한 해수의 영향으로 높은 염분 농도의 지하수가 부존되어 있으므로 배후의 염 지하수가 양수정으로 유입되는 것을 방지하는 것이 필수적이다(Shi et al., 2007; Ali et al., 2004). 인공함양공법은 세계적으로 물 확보를 위한 중요한 대안으로 자리 잡고 있다(Kim and Kim, 2010; Lowry and Anderson, 2006; Murray et al., 2007; NRC, 1994; NGWA, 2008; Washington State, 2000). 본 연구에서는 해안지역 대수층에 관정을 통하여 주입된 담수로 조성되는 담수체의 거동과 양수정으로 담수를 회수할 때 염 지하수가 유입되는 것을 방지하기 위한 염수포획관정의 적용성을 수치모델링 연구를 통하여 조사하였다.

2. 문제의 정의

본 연구에서는 가상의 연직 단면의 해안 대수층을 대상으로 연구를 수행하였다. 하천 하구의 해안지역에서는 지층의 구성이 지표로부터 표토층, 점토층, 모래층, 자갈층, 풍화암층, 연암층 등의 순서로 빈번하게 나타난다. 따라서 본 연구에서는 점토층 하부의 모래자갈층을 대상 대수층으로 선정하였다. 점토층은 대수층을 피압상태로 만들며 지표면에서 유입되는 오염물이 모래자갈층으로 유입되는 것으로 막아주는 긍정적인 역할을 한다.
가상 연직 단면 대수층의 길이는 1600 m, 점토층은 평균해수면 아래 10 m~40 m 구간에 분포하며 (두께 30 m), 대수층은 점토층 하부에 두께가 40 m로 형성되어 있다. 대수층의 하부는 불투수 암반으로 가정하였다. 대수층의 유효공극률은 0.3이며 대수층은 비중 1.02의 염수로 포화되어 있다. 대수층의 양 끝에는 Cauchy 경계조건을 적용하여 지하수 유출입을 가능하게 하였다. 사전 연구에서 담수체의 조성과 양수정의 염수 유입에 가장 영향이 큰 수리지질 변수는 투수계수로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 대수층의 투수계수가 5, 10, 50, 100 m/d의 4가지 경우에 대하여 연구를 수행하였다.
담수의 주입과 양수를 위하여 대수층 중앙에 양수정을, 양수정의 양 쪽 180 m 거리에 주입정을 한 개씩 설치하였다. 주입량은 각각 76 m3/d로 총 152 m3/d이며 양수량은 138 m3/d를 적용하였다. 모든 관정은 스크린이 대수층의 전 두께에 설치되는 완전 관통정이다. 여기서 주입량이 양수량을 초과하는데 이는 평상시에 양수정에서 담수를 생산하는 동시에 대수층 담수 저수량을 증대시켜 주입이 불가능해지는 비상시에도 양수를 지속하기 위한 기능을 시도하기 위함이다.

3. 담수-염수 지하수 흐름모델

본 연구에서는 대수층 내 담수와 염수의 상호작용을 모의하기 위하여 경계면 지하수 흐름모델을 사용하였다. 담수와 해수 사이의 천이대의 두께가 크지 않아 무시될 수 있을 때에는 두 유체가 서로 섞이지 않고 선명한 경계로 구분될 수 있다는 가정 하에 유도되는 모델을 경계면 모델이라 한다. 이러한 경우 해수침투 현상은 담수와 해수의 흐름에 대한 두 개의 지하수 흐름 방정식으로 구성될 수 있다.
Fig. 1
Conceptual model of cross sectional ground water.
JKSCOE-27-353-fig-1.tif
(bfKfhf)=bfSsf hft θ ξt Qf(1)(bsKshs)=bsSss hst θ ξt Qs(2)
여기서, ∇는 경사벡터 연산자, ⋅는 내적, 아래 첨자 fs는 담수와 해수를 표기하고, bfbs는 각 각 담수와 해수층의 두께, KfKs는 각 각 담수와 해수의 수리전도도 텐서, hfhs는 각 유체의 수두, SsfSss는 대수층 비저류계수, θ는 유효공극률, ξ는 경계면의 표고, QfQs는 양수 및 함양 등이 고려되는 각 유체의 체적흐름률이다. 담수와 해수의 두께는 다음의 관계를 만족한다.
bf+bs=B(3)
여기서, B는 포화층의 두께로 대수층의 상태(즉, 피압 혹은 비피압)에 따라 달라진다. 그리고 해수-담수 경계면의 표고와 각 유체 수두는 다음의 관계를 가진다.
ξ= ρfρsρf ( ρsρf hshf)= ρshsρfhfρsρf (4)
여기서, ρfρs는 각 유체의 밀도를 나타내며, Eq. (4)는 해수-담수 경계면에서 압력은 연속임을 의미한다. 지하수 관정에서 총 양수량 Qt가 양수될 때 양수되는 물의 종류는 여러 가지 인자에 의하여 결정된다. 여기서는 양수되는 해수와 담수의 비율이 관정의 스크린 구간에서 각 유체의 투수량계수에 의하여 결정된다고 가정하였다. 그러면 각 유체의 양수량은 다음과 같이 산정될 수 있다.
Qf=( KfLfKfLf+KsLs )Qt(5)Qs=( KsLsKfLf+KsLs )Qt(6)L=Lf+Ls(7)
여기서, L은 관정 스크린의 총 길이, Lf는 관정 스크린 상단에서 해수-담수 경계면까지의 길이, Ls는 해수-담수 경계면에서 관정 스크린 바닥까지의 거리이다. 따라서 양수 관정에서의 염분도는 다음과 같이 계산될 수 있다.
cw= cfQf+csQsQt (8)
여기서, cfcs 는 각 각 담수와 염수의 염분 농도이다. 본 연구에서는 상술된 지배방정식을 유한요소법으로 이산화한 수치모델을 이용하였다. 본 수치모델은 해석해가 알려진 다양한 경우에 대하여 검증되었으며 실제 광역 유역의 해수침투 문제에 대하여 적용된 바 있다 (Park et al., 1993).

4. 모의 결과 및 분석

4.1 담수체의 형성

2개의 주입정에서 152 m3/d로 주입하고, 양수정에서 138 m3/d의 유량으로 양수할 때 대수층에서 담수체의 형성과정을 3개 시간에 대하여 도시하였다. 초기에는 담수체가 주입정 인근에 원추형으로 조성되지만 시간이 경과하며 양수정 가동의 영향으로 담수가 양수정 방향으로 흐른다. 일정 시간 이후에는 양수정에 담수가 도달하며 담수체가 결합된다 (Fig. 2).
Fig. 2
Formation process of freshwater body.
JKSCOE-27-353-fig-2.tif
양수정에서는 초기에는 대수층 내 존재하던 염수가 생산되나 시간이 경과하면 주입수의 비율이 높아진다. 본 연구의 목적은 양수정에서 기존의 염수가 섞이지 않은 주입수 (담수)만 생산하는 것이다. 양수정에서 얻을 수 있는 최고 주입수 비율은 관정의 위치, 주입량, 양수량 그리고 대수층의 수리지질 특성에 의하여 결정된다. Fig. 3에는 본 연구에서 고려한 4가지 투수계수의 대수층에서 양수정의 염수 비율의 시간변화를 도시하였다.
Fig. 3
Saltwater ratio depending on time at pumping wells.
JKSCOE-27-353-fig-3.tif
예상할 수 있듯이 주입수의 양수정 도달 시간은 투수계수와 반 비례한다. 그리고 양수정의 염수비율의 감소율 역시 투수계수에 반비례하여 투수계수가 가장 작은 경우에 염수비율이 가장 빠르게 감소하였다. 내륙 지역의 일반적인 지하수 개발의 경우 대수층의 투수계수가 클수록 유리하다. 그런데 해안지역에서는 투수계수가 크면 염수 유입의 위험이 더 크다는 것을 보여준다. 투수계수가 가장 큰 경우(K = 100 m/d) 관정 가동 후 5년이 경과했을 때 양수된 물의 염수비율이 20.1%이고, 투수계수가 가장 작은 경우(K = 5 m/d) 염수비율이 0% 로 감소하여 양수정에서 담수 생산이 가능한 것으로 나타났다. 각 투수계수의 경우 관정 가동 이후 5년 시점의 담수체를 Fig. 4에 도시하였다. 담수체의 평균 두께가 투수계수와 반비례함을 볼 수 있다.
Fig. 4
Freshwater bodies (a) K = 5 m/d, (b) K = 10 m/d, (c) K = 50 m/d, (d) K = 100 m/d.
JKSCOE-27-353-fig-4.tif

4.2 양수정 염수 비율 저감 방안

전술된 결과에서는 양수정으로 염수가 유입되어 소기의 담수생산 목적 달성이 불가능하였다. 여기서는 양수정의 염수침투를 방지하기 위한 대책을 제시하고자한다. 양수정에서의 해수비율을 줄이는 가장 간단한 방법으로는 주입량을 증가시키고 양수량을 감소시키거나 주입정과 양수정 간의 거리를 줄이는 방법이 있다. 그러나 여기서는 대안을 검토하고자 한다. 먼저 양수정의 스크린의 길이와 설치 심도를 조절하는 방법이 있다. 전술된 예제에서는 대수층을 완전히 관통하는 스크린을 사용하였다. 여기서는 스크린을 대수층의 -40 m와 -45 m의 구간(스크린 길이 5 m)에만 설치하는 경우와 -60 m와 -65 m의 구간에 설치하는 두 가지 경우를 모의하였다. Fig. 5(a)에 염수비율을 도시하였다.
스크린을 대수층 상부에 설치한 경우 담수가 양수정으로 유입되는 시기가 대수층 중간 부분에 설치한 경우보다 더 빠르다. 그러나 시간이 경과하면 양수정의 염수비율(4.5%)에 차이가 없는 것으로 나타난다. 두 번째 방법으로 대수층의 상부에 담수 양수 목적의 관정을 설치하고 대수층의 하부에 염수 포획관정 (scavenger well)을 설치하였다. 염수 포획관정의 목적은 대수층 하부에서 염수를 양수하여 담수 양수정의 가동으로 발생하는 upconing을 방지하는 것이다. 시산 과정을 거쳐 현 상황에서는 포획관정에서 양수량을 34.5 m3/d로 적용할 때 상부 양수정에서 염수 유입없이 담수를 생산할 수 있는 것으로 나타났다 (Fig. 5(b)). 그러나 염수 포획관정에서 약 30%의 비율로 담수가 유입되어 상당량의 담수가 낭비되는 것으로 나타났다.
Fig. 5
Saltwater ratios (a) adjusted screen heights and lengths and (b) with a scavenger well.
JKSCOE-27-353-fig-5.tif
투수계수가 50 m/d (Fig. 6(a))와 100 m/d (Fig. 6(b))인 대수층의 경우에도 염수 포획관정으로 담수 양수정을 보호할 수 있었다. 전자의 경우 36.3 m3/d, 후자의 경우 39.0 m3/d의 염수 포획관정 양수량이 적용되었다. 전자의 경우 담수정에서는 약 4.5년 이후 담수가 확보되었으며 염수정에서는 염수만 100% 양수되는 것으로 나타나 염수정에서 담수가 낭비되지 않음을 보여준다. 후자의 경우 담수정에서는 3.5년 이후 담수가 확보되나 염수정에서는 약 4.5년 이후 담수 비율이 급격히 증가하여 담수가 낭비되는 것으로 나타났다.
Fig. 6
Saltwater ratios for (a) K = 50 m/d and (b) K = 100 m/d.
JKSCOE-27-353-fig-6.tif

5. 토의 및 결론

강변여과의 생산량은 강변 충적층의 투수성에 크게 의존하는 데 우리나라 하천에서 강변여과에 적합한 지역이 그다지 많지 않은 것으로 알려져 있다. 그러나 하천 하구에는 상류 지역보다 투수성과 규모가 우수하지만 염수로 포화된 대수층이 발달해 있는 경우가 많다. 본 연구에서는 대수층의 염수를 담수로 치환할 수 있다는 사실에 착안하여 하구 대수층에 담수를 인공 주입시키고 인근에서 양수하는 수자원 확보 방안을 제시하였다. 이 방법은 하상을 통하여 하천수가 대수층으로 유입되는 강변여과와 달리 담수가 주입정을 통하여 대수층으로 주입되는 차이가 있으나 자연 수질 개선을 꾀하는 점에서는 확장된 강변여과 방법으로 생각될 수 있다. 내륙의 대수층에서는 우수한 투수성이 지하수 개발에 유리하지만 해안 대수층의 경우 우수한 투수성이 염수 침투를 용이하게 하므로 지하수 개발에 더욱 주의가 요함을 알 수 있다. 따라서 해안 대수층에서 인공함양 및 회수 기술이 성공하기 위해서는 양수정으로 유입되는 염수를 방지하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 양수정을 염수 침투로부터 방지하는 데 있어 염수포획관정의 효과를 수치모델링 방법으로 분석하고 양수정을 염수로부터 보호할 수 있음을 제시하였다. 추후 연구에서 고려되어야 할 사항으로 3차원 모델링, 염수포획관정의 최적 양수량, 주입정과 양수정의 최적 배치 및 최적 운영방안 등이 있다.

감사의 글

본 논문은 농촌진흥청 연구사업(세부과제명: 해수면 상승에 따른 지하수 염분 침투 및 농경지 염류화 평가, 세부과제번호: PJ010475022015)의 지원에 의해 작성되었습니다.

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