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[전문가 기고] 상시 가뭄 지역의 수자원 확보 기술
2020년 07월 03일 (금) 09:37:41 워터저널 webmaster@waterjournal.co.kr

 전문가 기고   상시 가뭄 지역의 수자원 확보 기술


“가뭄 대응 지하수 활용 연구단
(GW-SMART)
가뭄 취약 지역 수자원 확보 위한 기술 개발 연구”


지하수, 가뭄 대응 유일 대체수자원…인공함양 등 핵심 기술 적용 필요
가뭄 대책, 수원 확보보다 관정 개발 위주…관정 관리 미비해 비효율적
지하수 인공함양·모래댐·관정 연계 기술 적용해 물복지 사각지대 해소
(Sand dam)(Well network)                          


상시 가뭄 지역의 수자원 확보 기술

- Hybrid형 지하수 인공함양, 다단식 Sand dam 및 Well network -



   
▲ 김 규 범
가뭄대응지하수활용연구단(GW-SMART) 단장
대전대학교 건설안전방재공학과 교수
1. 배경

우리나라는 지난 수십 년간 가뭄 발생 시 비상용 지하수 관정 개발이라는 임시방편적 대책만 강구했을 뿐 가뭄 시 유일한 대체수자원인 지하수에 대한 근본적인 활용 방안과 인공함양 등 핵심 기술에 대한 적용이 미흡했다.

가뭄 발생 시 주요 대책으로는 △제한급수 △물 차 공급 △관정 개발 △인공강우 △도수로 설치 등이 추진되어 왔으나, 일반적으로 가뭄은 유역 상류에서부터 발생하기 때문에 타 수원 확보보다 관정 개발이 주요 대책이었으며, 개발된 관정의 사후관리 미비로 반복적 가뭄에 효율적이지 못한 경우도 발생했다.

현재 행정안전부(「자연재해대책법」), 환경부(현 정부 100대 국정과제, 지하수관리기본계획) 등에서 가뭄 대응을 위한 지하수 인공함양 기술의 적용에 관한 제도적·정책적 기본 방향은 마련되어 있으나, 관련 기술의 미비로 실행되지 못하고 있다.

2015년 충청남도 가뭄 때 8개 시·군 50만 명이 물공급 피해(제한급수, 절수 등)를 입고 총 895억 원의 추가 예산이 투입되는 등 최근 들어 반복적 가뭄 재난 발생이 증가하고 있다. 2016년 강원도 겨울 가뭄 때는 계곡수 결빙으로 1천443가구 3천817명(22개 면, 44개 마을)이 급수차에 의한 물공급(285회, 1천845㎥)을 받는 등 극심한 불편을 초래했다. 특히, 하천 상류 지역의 물 확보 수단이 계곡수(전국의 계곡수 이용시설 622개소)와 암반 지하수에 의한 마을상수도 등으로 제한되어 있어 가뭄에 대응하기 위해서는 수원의 다양성이 필요하다.

우리나라 상수도 보급률은 96.5%에 이르나, 미보급지역과 소규모 수도시설(5천920개소) 지역은 가뭄 취약지역으로 자체 안정적 수원 확보를 위한 기술 개선이 필요하다. 2025년 용수부족량은 233만7천㎥/일로 전망되나, 광역상수도는 경제적 측면에서 상류지역 용수공급 대책이 되기 어려운 실정이다. 기존 연구에 의하면 광역상수도로부터 수요지역까지 공급 거리가 2㎞를 초과할 경우 관로 설치보다 지하수 개발·공급이 경제적인 것으로 평가된 바 있다.

이와 같이 가뭄에 상대적으로 취약한 유역 중상류 지역은 타 지역으로부터 관로를 통한 생활 및 농업 용수 공급이 원활하지 않은 경우가 많으며, 중상류 지역 특성상 제한된 수자원 총량으로 인하여 물수요 피크 시 일시적 물부족 현상이 발생하기도 한다.

또한, 그 동안 물공급 및 물절약 정책 등은 정부 주도의 일방통행식 시스템으로 추진되어 극한 가뭄과 같은 상황에 효율적으로 대응하기 위해서는 실제 소비자인 국민(관정 소유자)이 참여하는 물 확보 기술의 개발도 필요한 시점이다. 즉, 지하수 과다 취수와 가뭄의 관계를 이해하고 관정의 효율적 연계 활용에 대한 접근이 필요하다.

대부분의 가뭄은 지류 또는 상류의 소규모 용수공급시설이 위치한 지역과 농업지역에서 주로 발생하는데, 이런 물복지 사각지대에 잉여의 수자원을 지하 침투시켜 용수원으로 활용할 수 있는 기술 개발이 필요하다. 또한, 단기간 무강우 시 고갈 및 동절기 결빙으로 인한 취수 중단을 해결하기 위하여 모래저장형댐(Sand dam)도 대안으로 검토되어야 한다.

따라서 상시 가뭄 지역에 필요한 수량을 확보하기 위해서는 원거리 관로에 의한 용수공급이 아닌 분산형 수원 확보 체계인 지하수 함양, 모래저장형댐 및 관정 간의 연계 기술 개발이 경제적으로 최적의 방안이 될 수 있을 것이다.

2. 가뭄 대응 지하수 활용 연구단(GW-SMART)

환경부와 한국환경산업기술원(KEITI)의 연구개발사업인 가뭄대응지하수활용연구단(GW-SMART)은 2018년 4월부터 2022년 12월까지 대학·연구소·기업 등 16개 기관이 참여하여 가뭄 시 물부족 피해가 발생하는 중상류 유역의 물문제를 해결하기 위한 △하이브리드(Hybrid)형 지하수 인공함양 기술 △다단식 모래저장형댐(Sand dam) △관정 연계 기술(Well network)을 개발하고 현장 실증을 수행하고 있다([그림 1] 참조).

‘Hybrid형 지하수 인공함양 기술’은 지류의 중·상류 지역에 분포하는 미고결층 및 풍화대 등의 주 대수층을 대상으로 강우, 지하수, 하천수 등의 복합적인 함양수원을 확보하여 인공함양하는 기술과 취수 시설을 설치하여 공급하게 되며, 함양원수, 함양원수 전처리, 인공함양 취수·공급·재이용 등의 순환 과정을 구축하여 물부족을 해소하고자 한다. 현재 이 기술은 충청남도 홍성군 갈산면 내에 테스트베드(Test-bed)를 설정하여 구축 중에 있으며, 추후 관련 시설이 완공되면 운영을 통하여 기술 검증을 실시할 예정이다.

‘다단식 모래저장형댐(Sand dam)’은 하천 최상류 지역의 수자원 확보 시설인 계곡수의 문제점 및 가뭄 시 물부족을 해결하기 위하여 모래를 채운 소형 저류지를 설치하여 가뭄 및 동결에 대응할 수 있는 저장·취수 시설을 설치하여 생활용수 공급 시스템을 갖추고자 한다. 현재 이 기술은 강원도 춘천시 북산면에 테스트베드를 확보하여 관련 설계 및 시설 구축을 추진 중에 있다.

‘관정 연계(Well network) 기술’은 가뭄 시에도 기존 관정의 취수 효율을 극대화하기 위하여 IoT를 활용한 관정의 연계 및 운영 최적화를 달성하기 위한 시스템에 해당한다. 즉, 가뭄 시 기존 관정의 동시 양수 및 간섭으로 인한 물부족 문제를 첨단 계측과 접목하여 해결하고자 한다. 현재 이 기술 확보를 위하여 충청남도 홍성군 서부면 내 일부 지역을 테스트베드로 확보해 다양한 관정 및 대수층 특성을 평가 중에 있으며, 추후 시설 설치를 통하여 운영관리의 효과를 평가할 예정이다.

   
 
3. 각 기술별 특성

   
▲ 김 규 범
대전대 건설안전방재공학과 교수
Hybrid형 지하수 인공함양 기술
[연구책임자 = 김규범 대전대 건설안전방재공학과 교수]

2025년을 기준으로 전국 지역별 용수 여유량은 647만2천㎥/일인 반면에 161개 지자체 중 74개 지자체에서는 237만7천㎥/일의 용수가 부족할 것으로 추정되어 지역 간 용수 공급에 불균형이 발생할 것으로 보인다. 국내 대하천 주변 용수 확보는 하천수 및 강변여과수 등의 충분한 해결책이 있는 반면, 중상류 지역에서는 가뭄 등 이상기후 시 중상류 지역부터 소하천 및 지류 등의 고갈이 발생하여 물부족 현상이 나타나 가뭄이 발생하게 되면 이들 중상류 지역은 물복지 사각지대에 놓이게 된다.

중상류 지역에 지하수 관정이 다수 존재하는 경우도 있으나, 하류부의 기저유출로 인한 지하수위의 하강으로 지하수 공급 또한 어려움을 겪게 되어 중상류 지역에 대한 근본적인 생활 및 농업용 물부족 대책이 필요하다.

   
 
지하수 인공함양 기술은 강우가 상대적으로 풍부한 기간에 하천으로 유출되는 물을 지층 내로 주입하여 필요한 시기에 사용하는 기술이다. 미국의 센트럴 애리조나 프로젝트, 텍사스 등에서 사용 중이며 우리나라와 달리 지층 내 저장 공간이 충분하기 때문에 저장 후 필요시 취수 사용 과정을 거치기에 용이하다.

반면에 상대적으로 우리나라는 미고결층의 두께가 5∼50m 정도에 불과하고 풍화대를 포함하더라도 15∼80m 정도로 단순 저장 후 사용 기술에는 한계가 존재한다. 따라서 저장 공간 확보를 위하여 지하댐을 연계하거나 함양-취수-공급-재이용이라는 순환형 모델의 도입이 필요하다.

따라서 본 연구단에서는 Hybrid형 지하수 인공함양 기술로서 지하댐 연계 또는 순환형 시스템에 대한 기술을 개발 중에 있다. 인공함양 원수로서 하천수를 사용하기 위하여 돌망태보를 활용한 수량 확보 및 무동력 방식의 친환경적 수질 전처리 기술을 확보하였으며([그림 2] 참조), 주입 방식으로 지상 또는 지하의 수로나 주입정 등을 활용할 수 있는 설계 기법을 개발 중에 있다.

   
 
또한, 하류에서는 소형 수평정 방식의 취수 시스템을 통하여 보다 대용량 취수가 가능토록 기술을 확보 중에 있다. 주입과 취수의 기간 차이를 통하여 물부족 발생 시기의 문제를 해결하고자 하며, 수치모델을 통하여 주입 및 취수의 효과를 평가할 예정이다. 이들 지역은 가뭄시 절대적으로 물부족이 발생하기 때문에 단순 함양-취수 시스템에 의해서는 용수 확보에 한계가 존재한다.

따라서 본 연구에서는 함양원수 확보 함양원수 전처리 인공함양 취수·공급·재이용 등의 순환 과정을 구축하며, 관리 제어 자동화를 통하여 운영의 효율성을 높이고 최적화해 수자원 확보를 도모할 계획이다([그림 4] 참조).

   
 
다단식 모래저장형댐(Sand dam) 기술
[연구책임자 = 정일문 한국건설기술연구원 선임연구위원]

   
▲ 정 일 문
한국건설기술연구원 선임연구위원
지방광역상수도에 비해 소규모 수도시설은 낮은 수질 안전성과 상대적으로 가뭄에 취약한 특성을 가져 시설의 안정적 용수관리 체계에 대한 검토가 필요하다. 본 연구에서는 가뭄 시 유역 상류에 모래저장형댐(Sand dam)을 활용한 대체 수자원 확보 및 기존 시설과의 연계 방안 마련을 위한 기술을 개발 중에 있다.

‘모래저장형댐(Sand dam)’이란 계곡이나 하천의 불투수성 기반암 위에 댐이나 보 등을 설치하고 확보된 공간에 모래와 같은 투수성 재료를 채운 후 공극에 물을 저장하여 사용하기 위한 구조물로 제체가 부분적으로 지상에 노출된 지하댐의 한 종류이다. [그림 5]에서 보는 것처럼, Sand dam은 증발 손실을 막고 지하수 함양의 증가로 수량 확보 효과가 크며, 노출된 수자원에 비해 오염 취약성이 낮고 모래층을 통과하여 자연 정화되어 수질 개선 효과가 크다.

통상 계곡부에 존재하는 소규모 수원의 용량은 극한 가뭄 시 고갈되는 사례가 빈번하여 수원 하부에 Sand dam을 설치하여 취수용량을 늘이고 극심한 가뭄 시 최대 1주일간 식수공급이 가능하도록 설계용량을 산정한다. 또한 인근의 수리시설(관정) 등과 연계가 가능하도록 다각적인 운영방안도 검토하고 있다.  

연구 주요 내용은 Sand dam과 취수원 최적 연계활용 고도화 기술개발, 저비용 고효율의 다단식 Sand dam 인프라 구축 기술, Sand dam의 조사 및 수량·수질 확보 기술, 가뭄 모니터링 및 대응 체계 구축 등을 포함하고 있다.

   
 
또한 통합수문해석 모형 SWAT-K(Soil and Water Assessment ToolKorea) 기반 테스트베드인 강원도 물로리 지역의 지표수-지하수 연계모델링을 수행 중에 있으며 이를 위해 이 지역의 지형도, 토지이용, 토양도 자료를 구축, 합성하여 수문응답단위(HRU)로 구분하는 작업을 수행하였고 모델링의 시범구동을 수행하였다([그림 6] 참조).

   
 
[그림 7]은 본 연구에서 개발한 ‘Sand dam 완속 여과 병렬형 취수 시스템’의 개념도이다. 취수량 증대 및 수질 개선을 위한 프리팩 스크린 적용, 수질개선을 위한 격벽 시스템 적용, 유지관리를 위한 병렬형 구조 및 유지관리용 배관 확보 등 요소기술이 반영되어 있다. 이는 국내 Sand dam 설치 시 우려되는 수량, 수질, 유지관리 부문의 개선효과를 위한 것이다.

   
 
관정 연계(Well network) 기술
[연구책임자 = 하규철 한국지질자원연구원 본부장]

   
▲ 하 규 철
한국지질자원연구원 본부장
지하수조사연보(환경부, 2019년)에 따르면 전국적으로 지하수 시설은 총 164만 개소, 지하수 사용량은 연간 29억㎥에 이른다. 연간 지하수 사용량은 지하수 개발가능량인 130억㎥ 중에 22% 정도로 사용 여지가 많이 남아 있다고 할 수 있지만, 가뭄이 발생할 경우 기존 관정을 효과적으로 운용하지 못해, 임시 방편인 신규 지하수 개발에 의한 가뭄 대응을 계속하고 있다. 그러나 물부족 지역에서 신규 지하수 개발은 실패할 가능성도 크기 때문에 때로는 가뭄에 대하여 속수무책인 경우가 존재한다.

따라서 기존 관정을 최대한 활용하고 이들을 서로 연계하면 지역적으로 또는 시기적으로 수자원 분배를 적절하게 할 수 있기 때문에 신규 관정을 개발하는 것보다 효율적일 수 있다. 기존 관정을 최대한 활용하기 위해서는 기존 관정에 대한 정보 구축 및 플랫폼 기술, 노후화된 관정에 대한 유지관리 기술, 수량·수질 모니터링 기술, 관정에서 지하수 양수량 최적 운영 기술 등이 필요하다.

또한, 기존 관정을 연계운영하기 위해서는 센서 네트워크 및 실시간 지하수 모델링 예측기술 등 4차 산업혁명의 핵심 기술 중의 하나인 IoT와 결합한 플랫폼 기술 개발이 요구된다.  즉, 최신 스마트(정보시스템과 센서기술의 결합, IoT) 기술을 활용한 지하수 관정 상호 연계를 통해 물부족 지역과 풍부한 지역 간 지하수의 합리적·효율적인 배분을 도모하고, 지하수 관리기술(기존 지하수의 실질적 수요 평가 및 기존 관정 최적 운영기술) 개발을 통해 지하수 고갈이 되지 않으면서 가뭄 시 지하수 이용량을 최대 30%까지 증대할 수 있는 목표를 가지고 연구를 진행하고 있다.

여기서 well network system은 IoT를 통한 관정간 연결 및 최적 용수 확보관리 시스템이라고 정의 내릴 수 있다. 즉, 다수의 대상 관정을 무선통신 네트워크로 연결하고, 이를 고도화된 양수제어 알고리즘을 탑재한 관리시스템으로 제어하는 것이며, 이를 통해 지하수를 스마트하게 운영 및 배분할 수 있는 시스템이다([그림 8] 참조).

   
 
이러한 시스템을 현장에 구현하기 위해  본 연구에서는 well network system의 근간을 이루는 ICT 기반 군집제어 방법 및 플랫폼을 설계하고 시제품을 개발하고 있다. 이 시스템은 말 그대로 ICT에 기반하여 현장자료를 수집 및 분석 후 딥러닝(deep learning) 기반의 지하수위 예측결과에 따라 시스템으로 묶인 다수의 관정을 실시간 제어하여 관정간섭 및 지하수위 고갈을 방지할 수 있도록 하는 것으로 현재 특허 출원 중이며([그림 9] 참조), 4차 산업혁명의 핵심기술인 ICT와 인공지능을 융합하여 지하수자원의 효율적 지속사용을 위한 기술로 개발될 예정이다.

   
 
현재 홍성군 테스트베드를 구축하여 주민들의 협조를 받아 기존 관정 조사 및 수리시험, 지하수 관측망 구성, 지하수위·수질 모니터링 등을 지속적으로 실시해 대수층 특성화 및 공간 정보 DB 구축 등을 완료했으며, 관정재생 기술 개발을 통해 기존 관정의 취수능력을 향상시키는 연구도 병행하고 있다.

4. 기대효과 및 향후 계획

일반적으로 상습적인 가뭄을 겪는 지역은 상수도 시설이 보급되지 않은 농촌 지역이 해당된다. 간이 상수도 등을 이용하여 시·군에서 물복지에 최선을 다하고 있지만, 지역의 특수성(유역 규모, 하천 유출량, 지하수 부존성 등)으로 인하여 물복지 사각지대에 놓이게 된다. 본 연구에서 개발 중인 요소 기술은 IoT 관련 분야를 제외하면 첨단 기술이 아닌 것도 존재하지만, 다양한 요소 기술을 융합하여 물부족을 해소할 수 있는 수단이라는 점에서 향후 적용성이 높을 것으로 기대된다.

Hybrid형 지하수 인공함양을 통하여 수백∼수천㎥/일, 다단식 Sand dam에서는 수십∼수백㎥/일, Well network 시스템을 통하여 수백∼수천㎥/일의 수량을 단위 시스템을 통하여 확보 가능할 것으로 판단하고 있다. 실제 유역 중상류 지역에서 물분쟁 등으로 인해 지표수나 관로에 의한 공급이 불가능한 경우가 존재하고, 지역 내에서 자체 수원 확보 문제가 대두되기도 하는데, 본 연구에서 개발되는 기술들은 이와 같은 제자리(In-situ) 물문제 해결의 수단으로서 매우 효율적인 방법이 될 것이다.

상습 가뭄 지역은 기존 취수원(하천수, 복류수, 사방댐, 저수지 등)과 지하수의 연계를 통한 수원 다변화 기술이 필요하며, 기존 생활 및 농업 용수 공급 시설과의 연계를 통하여 그 적용성을 높여나갈 수 있다. 본 연구를 통해 개발되는 기술들은 각 세부과제 간에도 연계할 수 있는 특성을 갖고 있기 때문에 보다 일반적인 용수확보 수단으로 자리잡을 수 있을 것이다. 예를 들어, 지하수 인공함양 시설 내에 Well network를 복합적으로 적용한다면 보다 효과적인 용수확보 수단이 될 것이다.

현장 실증 시설은 2021년 말까지 완료 예정으로, Hybrid형 지하수 인공함양 및 취수를 활용한 순환형 물확보 시스템, 다단식 Sand dam의 설치 및 기존 지방상수도 시설과 연계를 통한 생활용수 공급 시스템, 센서와 플랫폼으로 대표되는 4차 산업혁명 핵심기술인 IoT를 접목한 지하수 관정 연계 활용 시스템 등이 개발되고 2022년에는 실제 운영을 통해 그 효과를 검증할 예정이다.

본 연구개발을 통해 부족한 물자원의 확보 뿐 아니라 자원의 효율적 활용, 합리적 배분이라는 목표를 이룰 수 있으며, 나아가 지하수자원의 무분별한 개발로 인한 고갈에도 능동적으로 대처할 수 있을 것이다.

[문의 = geowater@dju.kr(가뭄대응지하수활용연구단 김규범 단장)]

[『워터저널』 2020년 7월호에 게재]

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