가뭄대응 지하수 활용 연구단(단장 김규범 대전대 건설안전방재공학과 교수, 이하 ‘GW-SMART 연구단’)은 지난 12월 20일 대전 유성호텔 킹홀에서 ‘가뭄대응 지하수 활용 연구단 최종 성과보고회’를 개최했다. 이날 성과보고회에는 최용준 환경부 토양지하수과 사무관, 정상용 부경대학교 명예교수, 백건하 K-water 지하수자원부장 등을 비롯해 연구과제 참여 기관 및 기업체 관계자 등 80여 명이 참석했다.

김규범 단장은 인사말을 통해 “지난 2015년 충남 및 강원도 지역에서 극심한 가뭄을 겪은 후 상시 가뭄 지역의 물문제를 해결하고자 지하수 활용 기술을 개발한 지 벌써 5년이 경과했다”면서 “GW-SMART 연구단은 16개 기관이 협업하여 보다 효율적이고 합리적인 지하수 활용 기술을 개발했으며, 82편의 국내외 논문과 40건의 특허 및 46건의 저작권 등 괄목한 만한 성과를 도출하고 성공리에 마무리하게 된 것은 연구 수행에 직간접으로 도움을 주신 외부 전문가의 지원이 있었기에 가능했다”고 말했다.

GW-SMART 연구단은 환경부와 한국환경산업기술원(KEITI)의 연구개발사업으로, 가뭄 시 물부족 피해가 발생하는 중·상류 유역과 상시 가뭄 지역의 물문제를 해결하기 위해 2018년 4월부터 2022년 12월까지 대학·연구소·기업 등 16개 기관이 협업해 가뭄 시 유일한 대체수자원인 지하수의 근본적 활용방안과 효율적인 지하수 활용 기술 개발 및 현장 실증 연구를 수행했다.

이러한 노력으로 GW-SMART 연구단은 △1세부 연구: 하이브리드(Hybrid)형 지하수 인공함양 기술 △2세부 연구 : 다단식 모래저장형댐(Sand dam) 기술 △3세부 연구 : 지하수 관정 연계 시스템(Well Network System) 등 효율적이고 합리적인 지하수 활용 기술의 연구·개발을 성공적으로 마무리했다.

GW-SMART 연구단, 지하수 인공함양 기술 개발

GW-SMART 연구단은 ‘선상지의 지하수와 지표수를 연계해 지하수 인공함양을 통한 갈수기 자연 함양률 대비 30% 증대 및 수평정 취수기술 확보로 가뭄 시 공급량을 20% 증대’를 최종 목표로 ‘1세부 연구 : 하이브리드(Hybrid)형 지하수 인공함양’을 수행했다.

 ‘1세부 연구 : 하이브리드(Hybrid)형 지하수 인공함양’은 선상지 및 평탄 분지 지역 중 가뭄으로 인해 농업용수 및 생활용수가 부족한 지역과 하천수 수질 개선 및 자정 기능 회복이 필요한 지역을 대상으로 지하수 함양을 통해 수자원을 증대시켜 농업용수와 생활용수를 확보하기 위한 기술이다.

1세부 과제는 △평탄지 지하수 인공함양 예측 및 효과 평가 기술(대전대학교·세종대학교(위탁), 총연구비 13억600만 원) △평탄지 인공함양지에서의 주입 및 취수를 위한 시스템 구축 기술(지오텍컨설탄트㈜, 총연구비 28억8천800만 원) △함양원수 수량확보 및 전처리 기술개발(㈜비룡, 총연구비 15억6천800만 원) △지표수-지하수 연계 특성 분석용 다심도 및 인공지능 스마트 계측장치 개발(㈜아이자랩, 총연구비 3억7천700만 원) △함양정 및 취수정의 취수 평가를 위한 정밀 수치 모델링 기법 개발(㈜신우엔지니어링, 4억8천700만 원) 등의 과제로 구성됐다.

지하수 인공함양량, 자연함양량 대비 44% 증대

일반적으로 인공함양 기술은 강우가 상대적으로 풍부한 기간에 하천으로 유출되는 물을 지층 내로 주입해 필요한 시기에 사용하는 기술이다. 하지만 우리나라는 미고결층의 두께가 5〜50m에 불과하고 풍화대를 포함하더라도 15〜80m 정도로 단순 저장 후 사용하기에는 한계가 있어 저장 공간을 확보하기 위해 지하댐 연계 또는 순환형 시스템의 도입이 필요하다.

이에 GW-SMART 연구단은 충청남도 홍성군 갈산면 부지에 테스트베드(Test-bed)를 설정해, △주입원수 확보 및 하천수질 개선이 가능한 전처리 시스템 △Ditch 및 수직정 혼합형 인공함양시설 △수평 취수시스템 △물 저장탱크 △분배형 용수 공급 및 모니터링 시스템 등을 구축했다.

GW-SMART 연구단이 테스트베드를 대상으로 자연함양량 산정결과와 실제 지하수 인공·함양량의 현장 실측값을 토대로 평가한 결과, 자연 함양량 1천123㎥/일 대비 44% 증가한 1천611㎥/일로 증대됐다. 또 기존 간이상수도 공급량 대비 인공함양수의 취수공급량을 산출하여 비교 평가한 결과, 생활용수 공급량 510㎥/월 대비 약 30배 이상 공급할 수 있는 것으로 나타났다. 

아울러 GW-SMART 연구단은 5년간 총 27건의 질적 연구 목표를 100% 달성했으며, 기존 양적 목표 94개 대비 2.1배 초과한 212건의 양적 연구 목표를 달성했다.

모래저장형댐, 자연 정화 통해 수질개선

GW-SMART 연구단은 유역 상류에 모래저장형댐(Sand dam)을 활용한 대체 수자원 확보 및 기존 취수 시설과 연계한 생활용수 공급 방안을 마련하기 위해 ‘다단식 샌드댐 건설을 통한 유역상류부 가뭄취약지역의 물공급 신뢰도 95% 달성’을 최종 목표로 ‘2세부 연구: 다단식 모래저장형댐(Sand dam) 기술’ 연구를 수행했다.

모래저장형댐은 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. 모래저장형댐은 증발 손실을 막고 지하수 함양의 증가로 수량 확보 효과가 크며, 노출된 수자원에 비해 오염 취약성이 낮고 모래층을 통과하여 자연 정화되어 수질 개선 효과가 크다.

춘천시 물로리 일원에 모래저장형댐 테스트베드 구축

GW-SMART 연구단은 소규모 급수시설을 운영 중이나 제한급수 이력이 있는 중산간 지역인 춘천시 북산면 물로리 일원을 테스트베드로 선정, 기존 취수시스템 활용 및 지하형 모래저장형댐을 연계한 모래저장형댐을 설계했다. 특히, 테스트베드는 통합수문해석 모형 SWAT-K(Soil and Water Assessment ToolKorea) 기반으로 구축했다. 이를 위해 GW-SMART 연구단은 물로리 지역의 지형도, 토지이용, 토양도 자료를 구축 및 합성해 수문응답단위(HRU)로 구분하는 작업을 수행했으며, 모델링의 시범구동을 수행했다. 

또한 모래저장형댐은 취수량 감소, 수질 불량, 유지관리 비용이 비싼 기존 단일 채움재층의 구성을 탁도 저감에 효과적인 3단 구조의 다단 복합층으로 구성했으며, 기존 취수원에 버트레스 역할을 하는 전석덤이를 쌓아 유송잡물 및 토석류 유입을 방지하고 부지의 안정성을 높였다. 

아울러 집수정 내 완속여과 격벽 시스템을 적용해 자연여과를 통한 집수된 용수의 수질을 개선하고, 용이한 유지관리를 위해 유지관리용 배관을 확보해 스크린 및 채움재층 막힘현상 발생 시 워터젯, 에어서징 등 취수관 유지관리 공법을 모두 적용 가능토록 했다.

GW-SMART 연구단은 모래저장형댐 건설 후 통합수문모형과 현장관측기반으로 물공급 신뢰도를 실증, 수문학적으로 20년 빈도의 가뭄 상황을 다단식 모래저장형댐 통합수문분석으로 재현해 물부족 여부를 평가했다. 그 결과, 수요량 60㎥/일에 대한 물공급 신뢰도 95%를 달성했다. 또한 30건의 질적 연구 목표를 100%(30건) 달성했으며, 양적 연구 목표 157%(144건) 초과 달성했다.

ICT 접목 지하수 스마트 운영·배분 시스템 개발

최근 기후변화로 인한 홍수, 가뭄으로 물공급·관리의 어려움이 가중되고 있다. 이를 해소하기 위해 ICT를 접목한 차세대 물관리 시스템으로 스마트 워터 그리드가 대두되고 있다. 이에 GW-SMART 연구단은 기존 관정을 활용해 양수정 간 연계를 통한 효율적인 수자원 배분 기술을 개발하기 위해 ‘3세부 연구: 지하수 관정 연계 시스템(Well Network System, 가뭄대응 지하수 활용)’을 수행했다.

WNS는 ICT를 통한 관정 간 연결 및 최적 용수 확보·관리 시스템으로, 다수의 대상 관정을 무선 통신 네트워크로 연결하고 이를 고도화된 양수제어 알고리즘을 탑재한 관리시스템으로 제어하는 것이며, 이를 통해 지하수를 스마트하게 운영·배분할 수 있는 시스템이다. 이 기술은 기존 관정을 최대한 활용하고 서로 연계해 수자원을 적절하게 분배할 수 있어 신규 관정을 개발하는 것보다 효율적이다. 

3세부 연구는 기존 관정에 대한 정보 구축 및 플랫폼 기술, 노후화된 관정에 대한 유지관리 기술, 수량·수질 모니터링 기술, 관정에서 지하수 양수량 최적 운영 기술 및 IoT와 결합한 플랫폼 기술 개발이 필요하다. 이러한 시스템을 현장에 구현하기 위해 GW-SMART 연구단은 △펌프제어시스템·배관 노선 변경장치·주민대응 GUI 등 관정연계시스템 △관정연계 모니터링을 위한 플랫폼 △Well Network System을 통한 최적의 용수공급을 위한 의사 결정 지원 시스템 Well Network System 용수공급 제어장치 등 핵심 기술을 연구·개발했다.

3세부 과제, 경제적 성과 23건 등 양적 목표 총 159건 달성

GW-SMART 연구단은 충청남도 홍성군에 테스트베드를 구축해 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, 관정 재생 기술 개발을 통해 기존 관정의 취수능력을 향상시키는 연구도 병행했다.

GW-SMART 연구단은 테스트베드를 대상으로 관정으로부터 가뭄 시 이용가능한 최대 양수량 실측값을 토대로 평가하는 한편, 기존 관정의 지하수 개발량과 추가 확보 가능한 양에 대한 실측값을 비교했다. 그 결과, 공공 관정 기준 기존 지하수량 대비 52.4% 증대된 2만7천990㎥/월의 지하수량을 추가로 이용할 수 있는 것으로 나타나 최종 연구 목표 ‘가뭄 시 지하수 이용가능량 30% 증대’를 달성했다.

아울러 GW-SMART 연구단은 △Well Network System 구축 △물수지 분석 및 용수공급 지침 작성 △지하수 공급 체계 적용에 필요한 관계 법령·제도 개선(안) △최적 운영 알고리즘 검증 △Well Network System 운영 및 관리 등 총 18건의 질적 연구 목표를 100% 달성했으며, 국내 특허 4건·저작권 7권·학술지 게재 및 학술회의 발표 97건·기술거래(이전) 3건 등 기존 양적 연구 목표 85건 대비 1.9배(159건) 초과 달성했다. 

[배민수 차장] 

[『워터저널』 2023년 1월호에 게재]