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[연구단 특별기고] 유역 상류 상시 가뭄지역의 물 확보를 위한 지하수 활용 기술 / 대전대 GW-SMART 연구단
2021년 11월 01일 (월) 09:51:24 워터저널 webmaster@waterjournal.co.kr

 연구단 특별기고   유역 상류 상시 가뭄지역의 물 확보를 위한 지하수 활용 기술
 

가뭄지역 지하수 최적 공급 위한 기술 활용방안 논의

‘물복지 사각지대’ 중상류 유역, 가뭄 시 생활·농업용수 확보 근본 대책 필요
GW-SMART연구단, 인공함양·샌드댐·관정연계시스템 개발·현장실증 수행중
9월 24일 대전 동구 소재 선샤인호텔 소회의실서 제1차 자문단 회의 개최



환경부와 한국환경산업기술원(KEITI)의 연구개발사업인 가뭄대응지하수활용연구단(GW-SMART·단장 김규범 대전대 건설안전방재공학과 교수)은 2018년 4월부터 2022년 12월까지 대학·연구소·기업 등 16개 기관이 참여해 가뭄 시 물부족 피해가 발생하는 중상류 유역의 물문제를 해결하기 위해 △하이브리드(Hybrid)형 지하수 인공함양 기술 △다단식 모래저장형댐(Sand dam) 기술 △지하수 관정 연계 시스템(Well Network System)을 개발 및 현장 실증 연구를 수행 중에 있다.

GW-SMART 연구단은 연구 성과 활용방안 및 향후 발전방안을 논의하기 위해 ‘GW-SMART 연구단 제1차 기술자문 회의’를 지난 9월 24일 대전 동구 소재 선샤인호텔 소회의실에서 개최했다.

이날 자문단 회의에서는 연구단장이자 1세부 연구책임자인 김규범 대전대학교 건설안전방재공학과 교수, 2세부 연구책임자인 정일문 한국건설기술연구원 박사, 3세부 연구책임자인 하규철 한국지질자원연구원 박사가 연구내용 발표를 진행했으며, 정남정 ㈜도화엔지니어링 부사장, 이정수 한강유역네트워크 대표, 윤명혁 충북농업마이스터대학 학장, 김태승 서울대학교 농생명과학공동기기원 박사, 정상용 부경대학교 교수 5명이 자문위원으로 참석해 토론했다. 이날 발표 및 토론 내용을 요약했다.

발표 및 토론자
•김규범 대전대학교 건설안전방재공학과 교수 / 연구단장·1세부 연구책임자
•정일문 한국건설기술연구원 수자원하천연구본부 선임연구위원 / 2세부 연구책임자
•하규철 한국지질자원연구원 지질환경연구본부 본부장 / 3세부 연구책임자
•정남정 ㈜도화엔지니어링 부사장
•이정수 한강유역네트워크 대표
•윤명혁 충북농업마이스터대학 학장
•김태승 서울대학교 농생명과학공동기기원 박사
•정상용 부경대학교 지구환경과학과 명예교수
 


“인공함양과 지하댐 연계·순환형 시스템 개발중”

   
▲ 김 규 범
대전대학교 건설안전방재공학과 교수/ 연구단장·1세부 연구책임자

■ 김규범 연구단장(1세부 연구책임자)  2025년을 기준으로 전국 지역별 용수 여유량은 647만2천㎥/일인 반면 161개 지자체 중 74개 지자체에서 237만7천㎥/일의 용수가 부족할 것으로 추정돼 지역 간 용수 공급에 불균형이 발생할 것으로 보인다.

국내 대하천 주변은 하천수와 강변여과수 등 용수를 확보하는 데 충분한 해결책이 있는 반면, 중상류 지역은 가뭄 등 이상기후 시 중상류 지역부터 소하천·지류 등 고갈이 발생해 물부족 현상이 나타나 물복지 사각지대에 놓이게 된다. 중상류 지역에 지하수 관정이 다수 존재하는 경우도 있으나, 하류부 기저유출로 인한 지하수위 하강으로 지하수 공급 또한 어려움을 겪게 돼 중상류 지역에 대한 근본적인 생활 및 농업용 물부족 대책이 필요하다.

지하수 인공함양 기술은 강우가 상대적으로 풍부한 기간에 하천으로 유출되는 물을 지층 내로 주입해 필요한 시기에 사용하는 기술이다.

본 연구단은 하이브리드(Hybrid)형 지하수 인공함양 기술로서 인공함양과 지하댐의 연계 또는 순환형 시스템에 대한 기술을 개발 중에 있다. 인공함양 원수로서 하천수를 사용하기 위해 돌망태보를 활용한 수량 확보 기술과 무동력 방식의 친환경적 수질 전처리 기술을 확보했으며, 주입 방식으로 지표 아래에 설치하는 디치(Ditch) 및 주입정 기술을 개발했다.

또한 하류에서는 소형 수평정 방식의 취수 시스템을 통해 보다 안정적인 취수가 가능하도록 했다. 현재 확보된 기술은 충청남도 홍성군 갈산면 테스트베드(Test Bed)에 신기술 실증 시설을 구축 및 설치완료 단계에 있다. 추후 시설이 완공되면 기술 검증을 실시할 예정이며, 관리 제어 자동화를 통해 운영 효율성을 높이고 최적화를 통해 수자원의 확보 및 안정적 공급을 도모할 계획이다.

   
 
“국내 실정에 맞는 샌드댐 적용 기술 개발”

   
▲ 정 일 문
한국건설기술연구원 수자원하천연구본부 선임연구위원 / 2세부 연구책임자

■ 정일문 박사(2세부 연구책임자)  우리나라 대부분의 가뭄은 유역 상류에서 발생하며 특히 최상류 계곡부는 소규모 용수공급시설에 의존하는 물공급 소외지역이다. 한 예로 2016년 강원도 겨울 가뭄 시 계곡수 결빙으로 22개 면(面), 44개 마을에 급수차에 의한 물공급이 이뤄졌다.

우리나라 상수도 보급률이 97%에 육박함에도 여전히 소규모 간이상수도는 앞으로도 큰 개선이 기대되지 않는다. 사업에 투입되기엔 경제성이 부족하기 때문이다. 이에 새로운 방식으로 간이상수도 공급지역에 물공급 신뢰도를 높이는 기술이 필요하다.

본 연구에서는 주로 아프리카 지역에서 사용되는 샌드댐(Sand Dam)을 국내 계곡부에 적용하는 연구를 수행했다. 샌드댐은 일반 저수지에 비해 모래 속에 물을 저장함으로써 증발에 견디는 능력이 강하고 결빙에도 강한 구조물이다. 연구팀이 수행 중인 연구는 샌드댐을 계곡부에 설치해 기존 수원을 보강하는 것으로, 목표는 극한 가뭄 시에도 식수를 연속적으로 공급하는 것이다. 즉, 기존 수원으로 공급되는 현 시스템을 유지하면서 용량을 증대하는 개념으로 이해할 수 있다.

연구의 주요 내용은 △샌드댐과 취수원 최적 연계활용 고도화 기술개발 △저비용 고효율의 다단식 샌드댐 인프라 구축 기술 △샌드댐의 조사 및 수량·수질 확보 기술 △가뭄 모니터링 및 대응체계 구축 기술 등이다. 현재 강원도 춘천시 북산면 물로리 일대에 샌드댐 설치를 완료했으며, 운영을 통해 상류 계곡부 수원 확보 수단으로서의 적합성을 검증할 예정이다.

   
 
“관정 연계 통해 지하수 이용 효율성 증대 가능”

   
▲ 하 규 철
한국지질자원연구원 지질환경연구본부 본부장 / 3세부 연구책임자

■ 하규철 박사(3세부 연구책임자)  우리나라는 그동안 수자원 시설의 확충과 개선이 지속적으로 이뤄졌으나, 시기별 강수량 변동성이 매우 커 지역별 물 스트레스 혹은 크고 작은 가뭄이 지속적으로 발생하고 있다. 특히, 기후변화로 가뭄의 발생빈도와 강도가 더욱 커지고 있는 추세다.

가뭄이 발생하면 신규 지하수 관정 개발이나 외부에서 물을 가져오는 것 외에는 다른 방안을 마련하기가 어려운데, 2019년 기준 국내에 개발된 지하수 관정 약 1천659개에서 사용되는 물은 지역과 시기에 따라 이용량이 천차만별이므로 이들 관정을 적절히 연계 이용하는 것이 가뭄에 좋은 대응책이 된다.

관정 연계 시스템(Well Network System)은 기존 관정을 가상으로(virtually) 또는 물리적으로(physically) 연결해 지하수 자원 배분의 합리성과 이용의 효율성을 높이는 시스템으로 정의할 수 있다. 이러한 시스템을 개발해 물공급 지역 확대는 물론, 정보통신기술(ICT)과 지하수 예측 모델을 융합한다면 자원의 낭비와 고갈을 최소화하고 최적의 지하수 이용을 도모할 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구에서는 가뭄이 빈번하게 발생하고 지하수 개발·이용 수요가 높은 충남 홍성군 서부면 양곡리 일대를 대상으로 관정 연계 시스템(Well Network System) 개발 및 실증연구를 수행 중이다.

이번 기술개발로 가뭄 발생 시 기존 관정을 활용해 신속한 용수 확보가 가능하고, 지하수와 기존 수자원을 연계 운영해 유지관리 등 비용 절감에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 기존 관정의 양수량을 최적으로 운영할 수 있는 기술과, 센서에 수집된 자료를 바탕으로 양수에 따른 수위강하와 오염물 유입을 예측할 수 있는 기술개발과 관정재생 기술을 활성화해 대형 관정의 구조를 개선하고 효율을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

   
 
“물절약과 최적관리기법도 물복지 차원에서 고려해야”

   
▲ 정 남 정
㈜도화엔지니어링 부사장

■ 정남정 부사장  GW-SMART 연구단의 과제는 지하수 마이닝(Mining)이 아닌 인공함양과 샌드댐, 그리고 효율적인 지하수 공유를 위한 과제로, 지속적인 연구와 실용화가 필요하다. 상시 가뭄지역의 생활용수 및 각종 용수 사용을 분석할 때 단순히 필요한 용수를 충분히 공급하는 과정도 물복지 차원에서 중요하지만 물절약과 최적관리기법(BMP)의 중요성도 고려해야 한다.

1세부 과제의 인공함양은 우기가 아니라 건기에 시행해야 하므로 함양의 시점, 취수원(하천, 재이용수 등)에 대한 검토가 매우 중요하며 인공함양 시 지하오염에 대한 대책도 필요하다.

2세부 과제는 우기 시 샌드댐 저장량을 확보해야 하므로 샌드댐 규격 등을 고려해 저장량 산출식 등 엔지니어링에 활용할 수 있는 성과가 필요하다. 샌드댐의 위치가 계곡이라면 수리지질 특성 등을 고려해 다수의 연속적인 시설로 구성하는 방안도 필요하다고 사료된다.

3세부 과제인 지하수의 효율적 이용을 위한 관정 연계는 반드시 필요한 시스템이다. 연구 성과가 실제 설계 및 시공, 나아가 보급으로 이어지기 위해서는 가뭄지속기간, 용수공급 보장기간, 사업규모, 비용, 유지관리까지 고려한 성과가 필요할 것으로 판단된다. 지하지질구조, 지하시설, 지하수의 디지털 트윈(Digital Twin) 기술을 적용하면 연구 성과를 설명하고 적용하는 데 매우 강력한 도구가 될 것이다.

3세부 과제에서 디지털 트윈 기술을 적용해 속성 정보를 데이터베이스화하고 향후 유지관리를 위해 자산관리시스템도 연구 성과에 일정 부분 포함하는 것이 도움이 될 것이다. 수자원은 높은 위치에, 즉 상류에 확보하는 것이 하류에 확보한 수량보다 가치가 크므로 이를 홍보하는 것도 좋은 방법일 수 있다.

“각 세부과제 패키지화 통해 기술 내용 어필 유리”

   
▲ 이 정 수
한강유역네트워크 대표

■ 이정수 대표  본 연구과제의 각 세부과제를 패키지화하면 개발 기술의 내용을 지자체에 어필하기에 좋을 것이다. 2세부 과제의 테스트베드(Test-Bed) 지역은 생활권역에서 벗어난 외곽 지역이기 때문에 테스트베드가 생활권역에 있는 1세부 및 3세부의 농업용수와 생활용수를 패키지화하는 것이 좋을 것 같다. 예를 들어 인위적으로 순환구조를 만든다고 하면, 상류지역 물을 생활용수로 사용하고 전처리해 펌핑 후 농업용수로 이용하는 방향으로 가면 지자체에서 본 연구 기술을 수용하기에 용이할 것이다.

3세부 과제는 기존 관정을 연계해 활용한다는 점이 매우 흥미롭다. 가뭄의 원인에는 크게 내재적인 요인과 외부적인 요인이 있는데, 가뭄위기와 기후변화를 각각 평가하고 지하수의 수계 및 유량평가를 통해 해당 지역 선정의 당위성과 필요성을 더욱 어필하면 좋을 것이다. 연구과제가 종료된 이후 상용화하기 위해서는 상시 가뭄지역의 주민과 지자체의 수용성을 높일 수 있는 방안을 모색해 수용자인 농민, 지역주민, 지자체가 실질적으로 느끼는 어려움이 무엇인지 구체적으로 제시해야 할 것이다.

“봄철 가뭄 해소 가능한 기술과 대응방안도 제시되길”

   
▲ 윤 명 혁
충북농업마이스터대학 학장

■ 윤명혁 학장  하이브리드(Hybrid)형 지하수 인공함양 시스템과 샌드댐 유도함양 취수 시스템은 극심한 가뭄지역에서 활용 가능한 과제로 매우 유용할 것으로 생각한다. 극심한 가뭄이 지속될 경우에는 취수에 문제가 발생할 여지가 있으므로 다양한 취수원 확보대책이 강구되길 바란다.

샌드댐 유도함양 취수시스템의 경우 1986년부터 산림청이 산사태 및 토양유실 방지를 위해 추진해온 사방댐을 활용해 취수하는 방안도 검토해볼 필요가 있다. 실제로 사방댐은 물을 가두는 것이 금지되어 있으나 대부분의 산주가 물을 가두고 싶어하는 경향이 있기 때문이다.

3세부 과제인 지하수 관정 연계 시스템은 현재 상존하는 수많은 관정의 운영을 활성화한다는 점에서 좋은 연구라고 생각하며, 정보통신(ICT) 기술을 활용할 때 농업인들이 편리하게 이용할 수 있도록 쉽고 간편하게 설계해야 한다고 생각한다.

극심한 기후변화로 겨울에 눈이 내리지 않고 봄철 가뭄이 지속되면서 월동작물은 물론 봄철 밭작물의 가뭄피해가 심하게 나타나고 있어, 본 연구과제를 적극 활용해 피해를 줄이는 데 도움이 되기를 바라며, 봄철 극심한 가뭄을 해소할 수 있는 기술과 대응방안도 제시되길 바란다. 무엇보다 본 연구과제의 현지 상용화를 위해 중요한 것은 결국 비용이라는 점을 강조해 지자체와 주민들에게 가격경쟁력을 어필할 필요가 있다.

“시공 시 활용가치 등 현실적인 부분도 검토해야”

   
▲ 김 태 승
서울대학교 농생명과학공동기기원 박사

■ 김태승 박사  각 세부연구별 적용대상을 구별할 수 있도록 과제별 대상을 명확히 해 최종적으로 1〜3세부 과제를 연계하는 방안을 제시하면 좋을 것 같다. 또한 비용이 매우 중요한 부분이므로 휴경지에 막대한 예산을 들여 시공했을 때 활용가치가 있는지에 대한 현실적인 부분도 고려해야 한다.

지하수는 공수(公水)의 개념보다 개인 소유로 인식하는 경우가 많다. 지자체나 정부가 지하수를 공수체계로 관리하는 것이 수월하지만 현실적으로는 개인 소유의 개념이 강하기 때문에 서로 협의하지 않으면 어려운 문제가 될 수 있다. 지하수가 공수의 개념으로 인식이 전환될 수 있도록 지자체 도움이 필요하다.

향후 지하수 개념이 공수의 개념으로 인식됐을 때 할 수 있는 것과 개인 소유로 인식되는 현 시점에서 할 수 있는 것은 무엇인지 기술개발 적용 과정에서 가이드라인을 정해야한다. 관리 기술이 아무리 좋다 하더라도 비현실적 접근이 될 수 있기 때문에 이와 관련한 대책도 생각해야 한다.

1세부 과제는 함양원수의 다양한 수질 조건에 대한 조치 방안도 제시가 가능한지 검토가 필요하며, 비용 효과를 고려한 동력 이용 범위에 대한 검토도 필요하다. 최종 함양시설의 관리 주체 및 방법은 무엇인지 고민해야 하며 농경지의 사용에서 특정 부분에 이익이 가지 않도록 공공성 강화와 기후변화에 대한 언급도 필요해 보인다.

2세부 과제는 샌드댐을 주제로 연구하는 것에 대한 장단점과 차별성을 분석해야 한다. 시설별 물수지에 대한 프로세스 변화를 시각화해 가독성 있는 표현으로 이해도를 높이면 좋을 것이다. 관리주체와 비용을 고려해 자연 충전재를 이용할 수 있는지도 생각해볼 필요 있다. 또한 화장실 변기에 벽돌 넣기 등과 같은 갈수기 절수지침이 있듯이 연구과제의 결과를 지침으로 제안해보는 것도 단순한 하위 규정에 속하지만 매우 좋은 연구 성과가 될 수 있을 것이다.

3세부 과제는 타깃 설정이 광범위하고 기술적 분야와 활용적 분야의 양이 방대해 정리가 필요하다. 수질은 계절별로 달라지는데 외국의 경우 보통 물을 혼합해서 사용하지만 우리나라는 아직 그렇지 않기 때문에 혼합된 수질의 장점을 부각해 활용방안을 제시하는 것도 좋은 방법이다. 관정을 연계해 유리한 수질만 섞으면 현실적으로 좋은 활용방법이 될 수 있다. 수량적 관점에서 보면, 전국의 가뭄 위기지역을 평가할 수 있는 가이드라인을 정해 제안하면 정책적으로 좋은 제안이 될 수 있다.

“지역 특성에 맞는 용수확보 기술로 물문제 해결 필요”

   
▲ 정 상 용
부경대학교 지구환경과학과 명예교수

■ 정상용 명예교수  가뭄 시 지하수의 최적공급 관리를 위한 인공함양은 좋은 연구목표라고 생각한다. 1세부 과제는 물수지분석의 정밀성을 높이기 위해 연구지역에 소규모 기상관측시설 마련이 필요해 보인다. 인공함양 주입수의 채수 및 이송에 드는 전기사용료를 판단해 요금이 과도하게 발생하면 실제 농촌에서 시설을 이용하는 것이 어려울 것으로 판단되므로 이 경우 상수도나 기타 주변에서 확보할 수 있는 물을 이용하면 좋다.

2세부 과제는 샌드댐을 채우는 모래의 질이 중요하므로, 모래 채움재의 물리·화학적 특성에 대한 심도 깊은 연구가 수행되어야 한다. 취수관에서 나타나는 클로킹(Cloaking) 현상에 대해 실제 현장에서 이용하는 토양과 취수관을 대상으로 연구하면 좋을 것 같다.

3세부 과제는 기존 관정의 효율을 높이기 위한 방안도 연구되어야 하며, 지하수 이용이 적은 초봄과 가을, 겨울에 물을 채수해 저장한 후 갈수기에 활용성을 높이면 좋을 것 같다. 최근 우리나라의 가뭄 발생빈도가 수 년 이내 주기를 갖고 있고, 발생 지역이 매우 국부적인 특성을 보이고 있다. 이 같은 가뭄 특성은 농작물에 치명적인 피해를 입힐 뿐만 아니라 안정적 수자원 공급체계 구축에 장애요인이 된다. 따라서 본 연구와 같이 각 지역의 특성에 맞는 용수확보 기술을 개발해 국지적인 물문제 해결에 기여할 필요가 있다.

[『워터저널』 2021년 11월호에 게재]

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