Replacement of Saline Water through Injecting Fresh Water into a Confined Saline Aquifer at the Nakdong River Delta Area

염수로 충진된 낙동강 델타지역 피압대수층에서 담수주입에 의한 염수치환 연구

Abstract

We performed injection tests in a deep-seated confined aquifer to assess the potential of artificial recharge as a means of preventing saltwater contamination, thereby securing groundwater resources for the Nakdong Delta area of Busan City, Korea. The study area comprises a confined aquifer, in which a 10-21-m-thick clay layer overlies 31.5-36.5 m of sand and a 2.8-11-m-thick layer of gravel. EC logging of five monitoring wells yielded a value of 7-44 mS/cm, with the transition between saline and fresh water occurring at a depth of 15-38 m. Above 5 m depth, water temperature is 10-15.5℃, whereas between 5 and 50 m depth the temperature is 15.5-17℃. Approximately 950 m³ of fresh water was injected into the OW-5 injection well at a rate of 370 m³/day for 62 hours, after which the fresh water zone was detected by a CTD Diver installed at a depth of 40 m. The persistence of the fresh water zone was determined via EC and temperature logging at 24 hours after injection, and again 21 days after injection. We observed a second fresh water zone in the OW-2 well, where the first injection test was performed more than 20 days before the second injection test. The contact between fresh and saline water in the injection well is represented by a sharp boundary rather than a transitional boundary. We conclude that the injected fresh water occupied a specific space and served to maintain the original water quality throughout the observation period. Moreover, we suggest that artificial recharge via long-term injection could help secure a new alternative water resource in this saline coastal aquifer.

염수로 충진된 부산시 낙동강 델타지역에 염수오염을 방지하고 지하수자원을 확보할 수 있는 인공함양 실증시설의 구축을 목적으로, 고심도 피압대수층에 담수 주입시험을 실시하였다. 연구지역은 두꺼운(두께 10~21 m) 점토층이 가압층으로 분포하며, 두꺼운 하부모래층(두께 31.5~36.5 m)과 자갈층(두께 2.8~11 m)이 주대수층을 이루는 피압대수층을 형성하고 있다. 시험 전 실시한 전기전도도(EC) 검층결과 연구지역은 약 7~44 mS/cm의 EC 분포를 보이며, 15~38 m 사이에 담수와 염수의 전이대가 존재하였다. 수온은 5 m 심도까지는 10~15.5℃이었으나, 5 m 심도부터는 15.5℃에서 50 m 심도까지 17℃로 일정하게 증가하고 있었다. 담수 주입시험에서 총 62시간 동안 370 m³/day의 주입유량으로 약 950 m³의 담수가 주입되었으며, 주입공 OW-5의 40 m 심도에서 CTD Diver를 이용하여 담수체의 형성을 확인하였다. 주입 후 EC 및 온도 검층을 통해 주입된 담수체가 24시간 이상 유지되는 것을 확인하였고, 21일 경과 후 실시한 검층에서도 담수체의 존속이 확인되었다. 또한 OW-5공 주입시험보다 20일전에 실시된 1차 주입시험 주입공 OW-2에서도 아직 담수체의 영향이 남아있는 것으로 확인되었다. 그리고 OW-2와 5에 주입된 담수와 염수의 관계는 점이적이 아닌 뚜렷한 경계(Sharp Boundary)를 이루고 있었다. 따라서 주입된 담수가 염수 내에서 일정한 공간을 차지하며, 원상태의 수질을 상당기간 유지할 수 있다는 것을 파악하였다. 향후 인공함양 시설을 구축하여 장기적인 담수 주입을 통해 이 델타지역에 담수체를 형성시키는 실증연구를 수행한다면, 염수로 오염된 해안대수층을 대체수자원 확보의 공간으로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.

서 론

경제성장과 생활수준의 향상으로 각 종 용수의 수요는 계속 증가하고 있는 추세이다. UN의 기준에 물 부족 국가인 우리나라는 생활용수의 대부분을 지표수에 의존하고 있다. 그러나 지표수는 가뭄 등의 기상변화나 수질 사고 등에 그대로 노출되어 안정적인 수자원의 공급에는 취약점을 지니고 있고, 하천 상류의 수질오염과 해수침입의 환경에 위치한 부산지역과 지표수자원이 부족한 도서산간 지역은 안정적인 수자원 공급이 더욱 어려운 실정에 있다. 이러한 지표수 자원의 대안 중 하나인 지하수는 연중 일정한 수온과 수질을 갖고 있다는 장점이 있으나, 개발할 수 있는 양이 한정적이며 과잉개발시 지하수 고갈, 지반침하, 해수침투와 같은 문제가 발생할 우려가 있다.

이 중 해수침투는 전 세계적으로 연안 및 도서지역에서 발생하는 주요 지하수 오염원의 하나로서, 국내의 도서지역 및 서-남해 연안지역에서도 해수침투 영향으로 지하수 개발에 많은 어려움을 격고 있다(Hwang et al., 2003). 해수침투 피해를 줄이는 방법으로는 염수침투를 고려하여 양수량을 최적화하는 방법(Shin and Byun, 2010)이 있으나, 충분한 수자원의 확보가 불가능하므로 소극적인 방법에 해당된다. 해수침투의 피해를 줄이면서 지하수자원의 충분한 확보가 가능한 방법으로는, 담수를 지중으로 주입하여 지하수를 증가시켜 해수침투를 억제하면서 양질의 수자원을 확보하는 인공함양 방법(Park et. al, 2014)이 있다.

실예로 미국 캘리포니아와 플로리다 해안지역에서는 다수의 주입정에 담수를 주입하여 해수침투를 방지하면서 지하수를 생산하고 있다(Alyssa et al, 2008; Shin and Byun, 2010; Ministry of Land Transport and Maritime Affairs, 2012). 국내의 경우 인공함양의 사례는 제주도 한천지역의 사례(Oh et al., 2011; Seo et al., 2014), 지하수위 회복을 위한 암반대수층에 소규모 인공함양(Lee et al., 2014; Park et al., 2015), 낙동강변 충적층에 수자원확보를 위한 소규모 인공함양(Won et al., 2013; Moon et al., 2014), 그리고 강변여과수 취수에 의한 과도한 지하수위 하강 저감을 위한 인공함양(Lee et al., 2004) 등의 사례가 있다.

수자원의 확보와 지하수위의 복원을 위한 인공함양 관련연구는 한국지질자원연구원(KIGAM, 2013)에서 수행하였으며, 해수침투 방지를 위한 인공함양 연구는 모델링 기법을 활용한 예측 및 최적설계 연구(Park and Lee, 1997; Shim and Chung, 2003; Park et al., 2009)가 있다. 실제 담수주입을 통한 실증 연구로 전남 영광 해안에서 실시한 연구(Park et al., 2007; Shin and Byun, 2010)도 있다. 이 연구는 해안가 균열암반 대수층을 대상으로 담수를 주입하고, 전기비저항 탐사를 통해 그 효과를 모니터링하면서 분석하였다.

본 연구에서는 낙동강 하구 델타지역의 고심도 충적피압대수층(Confined Aquifer)을 대상으로 담수를 주입하여 염수로 오염된 대수층을 담수로 치환하여 해수침투 문제를 개선하고, 지하수자원을 확보하는 인공함양 실증 시설의 구축을 위한 예비 타당성 평가를 목적으로 수행하였다. 연구지역인 낙동강 하구의 델타지역은 퇴적층이 80 m 이상으로 두껍게 퇴적되어 점토층 하부에서 40 m 이상의 두꺼운 피압대수층을 형성하고, 또한 해수면과 피압 지하수위가 큰 차이를 보이지 않는 특성 때문에, 담수주입이 어려울 것으로 예상되었다. 그러나 대수층의 발달이 양호하고 규모가 커 오염된 염수를 담수로의 치환이 가능할 경우, 수자원으로서의 활용성이 클 것으로 판단되어 연구가 시작되었다. 국내에서는 델타지역 피압대수층을 대상으로 담수주입에 의한 염수치환에 대한 연구가 수행된 사례가 없으므로, 본 연구는 앞으로 해안지역에서 양질의 수자원 확보를 위한 연구에 시금석이 될 것으로 사료된다.

 

연구지역 개황 및 주입시험 개요

연구지역 및 관측공

연구지역은 행정구역상 부산광역시 사상구 삼락동의 삼락공원 내에 위치하고 있으며, 낙동강의 퇴적 작용에 의해 형성된 삼각주 지형이다(Fig. 1). 연구지역 일원의 지질은 백악기 유천층군의 퇴적암류와 이를 관입한 불국사 화강암류로 구성되어 있다(Fig. 2). 연구지역 퇴적층은 신생대 제 4기의 플라이스토세(Pleistocene Epoch)에서 현세(Holocene Epoch)에 이루어졌으며, 하부 암석과는 부정합의 관계에 있다. 이 퇴적층은 플라이스토세 말기부터의 해수면 변동에 의하여 현재와 같이 두껍게 퇴적되어진 것으로 보고되어 있다(Yoo et al., 2004; Ryu et al., 2005; Ryu et al., 2011, Yoo et al., 2014a; Yoo et al., 2014b).

Fig. 1.Location map of the study area and monitoring wells.

Fig. 2.Geological map of the study area.

Fig. 3은 연구지역의 지질단면도와 관측공의 설치 모식도로서, 연구지역은 지표에서 7.5~13.0 m 깊이까지 실트가 포함된 상부모래층이 분포하고, 그 하부에 가압층인 점토층이 약 10~21 m 두께로 분포하여 피압을 형성하고 있다. 점토층 하부로는 연구지역의 주 대수층으로 판단되는 하부모래층(두께 31.5~36.5 m)과 자갈층(두께 2.8~11 m)이 분포하고 있으며, 최하부에는 화강암이 기반암으로 분포하고 있다. 연구지역에 설치한 시험공은 주입공인 OW-5와 피압대수층 관측공 OW-1, 2, 6, 7 및 상부 모래층에 설치한 자유면대수층 관측공 OW-3, 4의 7개소로 이루어져 있으며, 배치는 Fig. 1과 같이 가운데에 주입정을, 이로부터 125 m 떨어진 거리를 두고 동서남북 4방위에 관측공을 원형으로 각각 배치하였다.

Fig. 3.Geological cross sections of monitoring wells in the study area.

각 관측공은 Fig. 3 및 Table 1과 같이 54 mm의 PVC 케이싱이 삽입되었으며, 점토층 하부의 모래층과 자갈층 구간을 스크린으로 설치하고 나머지 구간은 무공관으로 설치하였다. 5개의 관측공에서 지표하 약 40 m 지점의 EC 측정값은 36.6~39.17 mS/cm로 확인되었다. 낙동강과 가까운 OW-2 관정에서 36.6 mS/cm의 약간 낮은 값을 보이고, 동쪽에 위치한 OW-6 쪽으로 높아지는 경향을 보인다. 관측공에서 측정된 수질자료에 의하면, 관측공 지하수의 평균 염분농도는 약 26.5 mg/L로 나타나 연구지역의 지하수가 해수유입에 의한 오염 지역임을 시사한다.

Table 1.Dimensions of injection and monitoring wells.

주입시험 개요

본 연구의 주입시험은 지반 내에 일정 압력으로 유체를 주입하여 그 주입량, 주입압, 압력의 손실과정을 분석하여 양수시험이 불가능한 지반의 수리상수를 측정할 때 활용되는 Injection Fall-off Test 기법(Park and Lee, 2013)으로 수행되었다. 연구지역은 두꺼운 점토층이 가압층으로 분포하는 피압대수층이며, 지하수위가 지표와 큰 차이를 보이지 않으므로 주입펌프를 설치(Fig. 4b)하고 가압주입을 실시하였으며, 유량계 및 압력계를 설치(Fig. 4c)하여 주입수의 유량과 유압을 실시간 모니터링하여 일정한 유량으로 주입될 수 있도록 하였다. 또한, 주입공의 상부는 스틸헤드를 제작/설치하여 주입압에 의한 주입수 누출을 방지하였으며, 주입에 따른 압력변화를 측정하기 위하여 압력계를 설치하여 관측하였다(Fig. 4a).

Fig. 4.The fresh water injection system: (a) pressure gauge and injection pipe attached to an injection well; (b) injection pump; (c) flow and pressure meters; (d) fresh water collection for injection; (e) installation of the CTD-Diver.

기존에 이루어 졌던 담수 주입시험(Park et al., 2007; Shin and Byun, 2010)에서는 암반구간의 수리특성파악을 위하여 패커를 특정구간에 설치하였다. 그러나 본 연구에서는 상부와 하부가 불투수층에 가까운 점토층과 기반암으로 이루어져 있고, 하부 모래층 상부를 무공관으로 설치하였으므로 별도의 패커를 설치하지 않고 시험을 수행하였다. 주입시험에 사용된 주입수는 인접한 낙동강 원수를 취수하여 사용하였으며, 그 수질은 pH 7.7, EC 0.388 mS/cm, TDS 270 mg/L로 측정되었다(Table 2). 현장 여건상 전처리(화학적, 생물학적 처리)는 수행하지 않았으며, 물넘이 방식을 이용한 다단계 수조를 만들어 부유물질을 제거하고 주입하였다(Fig. 4d). 사용된 주입수의 EC는 주입공 및 관측공 염수구간의 EC와 비교할 때 약 1/100 수준(Table 2)으로 주입에 의한 EC 변화가 뚜렷하게 관측될 것으로 판단되었다. 그리고 주입수의 온도는 6.2℃로 지하수의 온도 16℃에 비하여 상당히 낮은 온도를 나타내므로, 온도 차이에 의해 담수주입의 효과를 파악할 수 있을 것으로 기대하였다.

Table 2.Physico-chemical properties of injection (surface) water and groundwater (40 m depth) in the monitoring wells.

담수주입에 의한 효과를 모니터링하기 위하여 주입공 및 관측공에는 온도, EC 및 수위를 측정할 수 있는 CTD (Conductivity, Tempreature and Depth)-Diver를 설치하여 담수주입에 따른 온도, EC 및 수위 변화를 파악하였다. 설치 위치는 EC검층 결과를 통해 확인된 지하수와 염수의 전이대 구간인 40 m 지점에 설치하였다(Fig. 4e). 자유면 대수층 OW-3, 4에서는 주입에 의한 영향이 관측되지 않아 모든 분석에서 제외하였다.

 

담수 주입시험

주입전 관측공 수질 및 수온

주입시험 수행 이전의 관측공 내 EC와 수온을 파악하기 위하여 검층을 수행하였으며, 검층결과는 담수주입 효과를 확인하기 위한 배경치로 활용하였다(Fig. 5). EC 검층결과 심도가 깊어질수록 EC가 증가하며, 심도가 43 m 이상에서는 모든 관측공들의 EC 값이 40 mS/cm 이상의 값으로 수렴되는 특징을 보인다(Fig. 5a). OW-2 관정은 25 m 심도까지 9 mS/cm 이내의 EC 값이 나타났으며, EC 값이 급격히 증가하여 심도 33 m 이상에서 40 mS/cm의 높은 EC 값을 보인다. OW-5 관정은 심도가 33 m까지 EC 값이 평균 7 mS/cm로 비교적 낮은 값을 보였으며, 그 이후 급격하게 증가하여 39 m 이상의 심도에서 평균 44 mS/cm 이상의 EC 값이 나타났다. OW-6 관정은 전 구간에서 30 mS/cm 이상의 높은 EC 값을 나타내고 있다. OW-1과 OW-7 관정은 전체적으로 유사한 변화를 나타내는 데, 15 m 심도까지 12 mS/cm이다. 그런데 OW-1 관정에서는 약 22 m 심도에서, 그리고 OW-7 관정에서는 33 m 심도에서 30 mS/cm 이상으로 증가하기 시작하였다. EC 검층 결과 연구지역은 15~38 m의 심도에서 담수와 염수의 전이대가 형성되어 있는 것으로 나타났다.

Fig. 5.Electrical conductivity logs at five monitoring wells prior to fresh water injection.

주입전 관측공들의 온도는 5개의 공에서 모두 같은 변화를 나타내었다(Fig. 5b). 즉, 지하수위에서 약 5 m 심도까지는 15.5℃ 내외의 온도를 보이다가, 5 m 심도부터는 15.5℃에서 50 m 심도까지 17℃로 일정하게 증가하고 있다. 온도증율은 대략 0.0333℃/m로서 우리나라 평균 지하증온율 0.0269℃/m (Kim, 2007) 보다 높은 편이다.

주입시 주입공 및 관측공에서 수질 및 수온 변화

담수주입은 최초 약 17시간 연속 주입하였고, 주입 중간에 낙동강 수위변화로 인하여 약 6시간 동안 주입이 중단 되었다가 약 45시간 동안 다시 연속 주입하였다. 평균 주입유량은 약 370 m3/day이며, 유량계를 확인하며 최대한 일정량이 주입될 수 있도록 주입밸브를 조절하였고, 62시간 동안 약 950m3의 담수가 주입되었다. 참고로 본 주입시험 이전인 2015년 2월 14일 09:30 부터 2월 16일 11:30까지 OW-2공을 대상으로 1차 주입시험(총주입량 1,000 m3)을 실시하였는 데, OW-2공에서는 아직 담수 주입의 영향이 약간 남아 있었다.

주입시험을 수행하는 동안 주입공과 관측공에서 20초 간격으로 EC 변화를 측정하였으며, 담수주입의 지속성을 확인하기 위하여 주입을 멈춘 후에도 일정시간동안 모니터링을 실시하였다(Fig. 6). 또한, 주입전과 주입 직후의 주입공 EC 검층을 통해 담수주입 효과를 점검하였고, 주입후 21일 경과 시점에서 전체 관측공을 검층하여 담수체의 지속성 및 주변 관측공에 대한 영향을 평가하였다(Fig. 7).

Fig. 6.Electrical conductivity and temperature variations in the injection and observation wells during the injection test: (a) EC variations in the injection well; (b) EC variations in the observation wells; (c) temperature variations in the injection well; (d) temperature variations in the observation wells.

Fig. 7.Electrical conductivity and temperature logs at five wells, 21 days after the injection of fresh water.

주입시험 자료(Fig. 6)에 의하면 주입공인 OW-5공에서는 주입된 담수의 EC 값이 0.388 mS/cm 정도로 낮아 그 영향으로 평균 0.41 mS/cm 값을 보이며, 주입종료 이후에도 약 24시간 동안 주입효과가 유지되는 것으로 나타났다(Fig. 6a). 3월 7일 18시 기준으로 주입공의 40 m 심도에서 지하수 EC 값은 0.408mS/cm이다. 반면에, 관측공 심도 40 m 지하수의 EC 값은 OW-1공에서 41.98 mS/cm, OW-2에서 36.79 mS/cm, OW-6에서 41.72 mS/cm, OW-7에서 41.06 mS/cm으로 나타났으며, 주입기간 동안에 거의 같은 수질이 유지되었다(Fig. 6b). 그런데, OW-2공에서의 EC 값이 다른 공에 비하여 낮게 나타나고 있는 데, 그 이유는 2015년 2월 14일 09:30부터 2월 16일 11:30까지 OW-2공을 대상으로 실시되었던 1차 주입시험시(총주입량 1,000 m3) 형성되었던 담수체가 아직 OW-2공내에 존재하고 있기 때문인 것으로 판단된다.

주입을 지속할 때는 관측공들에서 EC변화 없이 일정한 값을 보이는 것으로 나타났으나, 일부 관측공(OW-1, OW-2)에서 주입종료 이후 EC 값이 변화는 특징을 보였다. 즉, 관측공 OW-1 에서는 담수 주입 종료 이후 EC 값이 감소하였지만 바로 회복하는 경향을 보이나, OW-2의 경우 담수 주입을 지속할 당시에는 수질변화가 나타나지 않았으나 주입 종료후 크게 감소하는 경향을 보였다. 그 이유는 2015년 2월 14일 09:30부터 2월 16일 11:30까지의 제1차 주입시험시 OW-2 주입공에 형성되었던 담수체가 아직 OW-2공내에 존재하고 있다가, OW-5공에서 주입에 따른 압력의 영향으로 고염도의 지하수가 OW-2공에 영향을 주어서 EC 값이 증가하다가, OW-5공에서의 주입 중단으로 OW-2공에 작용하던 압력이 제거되어 OW-2공의 지하수 수질이 다시 원 상태로 되돌아갔기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 이것은 OW-2공에 주입되었던 담수의 영향이 20여일이 지난 시점에도 존재하고 있다는 것을 시사한다.

주입공에서의 온도는 4~15.5℃ 범위에서 변화하였으며, 주입이 끝난 이후에도 6~10℃ 범위의 온도를 유지하였다(Fig. 6c). 따라서 주입이 끝난 이후에도 담수체가 상당한 시간동안 유지되고 있었다. 관측정 OW-1, OW-6과 OW-7에서는 주입중이나 주입이후에도 거의 같은 수온이 유지되었다. 그런데, OW-2에서는 다른 관측공에 비하여 2℃ 이상 수온이 낮았으며, 또한 주입중에는 14℃를 유지하였으나 주입이후에는 12.5℃까지 감소되는 경향을 나타내었다(Fig. 6d). 이것은 EC 변화에서도 나타났듯이, 2015년 2월 14일 09:30부터 2월 16일 11:30까지 OW-2공에 주입되었던 담수체가 아직 남아서 영향을 준 것에 그 원인이 있는 것으로 판단된다.

주입후 주입공 및 관측공에서 수질 및 수온 변화

주입시험 이후 담수 주입에 의한 관정 내 EC 변화를 파악하기 위하여 21일이 경과된 3월 30일에 EC와 온도 검층을 수행하였다. EC 검층자료(Fig. 7a)에 의하면, 3월 주입공 OW-5와 2월 주입공 OW-2에서 21~24 m 심도까지 담수의 영향을 받고 있으며, 관측공 OW-1, 6, 7은 2015년 2월 주입시험 전에 측정되었던 자료(Fig. 5a)와 유사한 패턴을 보여주고 있다. 그러나 이 관측공들의 52 m 심도에서 주입시험전인 2월에는 EC 값이 44.5 mS/cm 이었으나, 3월의 주입시험 이후에는 41.8 mS/cm로 주입된 담수의 영향이 아직 남아 있었다. 이것은 주입공과 관측공 OW-1, 6, 7과의 거리가 각각 125 m 이지만, 담수 주입수의 영향은 21일 이상 지속되고 있다는 것을 시사한다. OW-1, 6, 7 공에서의 염수와 담수의 전이대 구간은 2월 주입시험 이전에 33 m (Fig. 5a)에서 32 m (Fig. 7a)로 약간 축소가 되었는 데, 이 역시 담수체의 영향이 아직 남아 있다는 것을 시사한다. 그리고 주입공 OW-2와 5에서의 EC 검층자료에 의하면 담수와 염수의 경계(OW-2공에서 24 m, OW-5공에서 21 m)는 점이적이 아니고, 뚜렷한 경계(Sharp Boundary)를 이루고 있는 것이 특징적이다.

수온에 있어서도 OW-2와 OW-5는 담수주입에 의한 영향으로 28 m 이하의 심도에서 아직 수온이 원상태로 회복되지 못 하고 있는 상태이다(Fig. 7b). OW-2는 주입후 40일이 경과되어 40~50 m 심도에서 수온이 많이 회복되었으나, OW-5는 동일 심도에서 아직 10℃ 내외의 냉수대를 유지하고 있다. 관측공 OW-1, 6, 7은 주입시험 전(Fig. 5b)과 매우 유사한 양상을 나타내었다. 그러나 주입시험 전에는 33 m의 심도에서부터 16℃ 이상의 수온을 나타내었으나, 주입시험 이후에는 21일이 경과된 시점에서 약 38 m의 심도에서부터 16℃ 이상의 수온이 유지되었다. 52 m 심도에서의 최고 수온도 16.9℃에서 16.7℃로 감소되었다. 따라서 담수주입 후 21일이 경과되었지만, 주입수에 의한 영향이 아직 남아있다는 것을 알 수 있었다.

주입후 주입공에서 시간 경과별 수질 및 수온 변화

Fig. 8은 담수 주입전과 주입후의 주입공(OW-5)에서 EC변화를 검층한 결과로서, 검층결과 주입이전의 주입공에서 EC는 심도 33 m 지점까지 평균 11 mS/cm의 EC 값을 보이다 급격하게 증가하여 심도 37 m 지점부터 평균 43 mS/cm의 높은 EC 값을 보인다(Fig. 8 a). 담수 주입시험이 끝난 후 주입정의 EC를 관측한 결과 담수주입에 의한 효과로 45 m의 심도까지는 평균 0.56 mS/cm의 EC 값을 보이다가 급격히 증가하여 이후 지점부터는 평균 20 mS/cm 이상의 EC 값을 보인다(Fig. 8a). 이는 담수주입 전에 담수와 염수의 전이대가 33~35 m 심도에서 형성되었다가, 담수의 주입으로 인하여 전이대가 45 m 심도로 이동한 것에 원인이 있다. 이것으로 OW-5공에서 약 12 m 두께의 담수체가 추가로 형성된 것을 알 수 있다.

Fig. 8.Electrical conductivity and temperature logs at OW-5 well before and after fresh water injection.

주입시험 후 21일이 경과한 시점에서는 전이대가 20 m 심도로 상승하였으며, 그 심도부터 EC 값이 30 mS/cm 이상으로 상승하였다. 그러나 52 m의 심도에서도 최대값은 35 mS/cm 범위내에 있으므로, 아직 담수의 영향을 많이 받고 있는 것으로 나타났다. 따라서 21일이 지난 시점에도 OW-5공내에 담수체가 존재하고 있는 것을 알 수 있다. 또한 검층자료에 의하면 담수와 염수의 경계는 점이적이 아니고, 뚜렷한 경계(Sharp Boundary)를 이루고 있다.

온도검층 자료(Fig. 8b)에 의하면, 주입시험전에는 지하수 수면에서부터 연속적으로 증가하여 65 m 심도에서 17℃에 가까운 수온을 나타내는 데, 주입시험 직후에 35 m 심도까지 14℃로 증가하였으나, 35 m에서 43 m 심도까지 6.5℃로 감소하다가 심도가 깊어져도 거의 이수온을 유지하는 양상을 나타내었다. 따라서 이 구간이 담수형성의 주 구간인 것으로 판단된다. 주입 21일 후의 온도변화 양상은 주입직후의 온도변화 양상과 거의 동일하지만, 수온이 전체적으로 약 2℃ 정도 상승하였다. 수온 상승의 원인은 염수에 의한 열교횐 영향이 있지만, 밀도차이에 의한 담수체의 축소에도 원인이 있는 것으로 판단된다. 담수체의 축소는 EC 검층에서도 확인이 되었다. 따라서 수온검층에서도 담수 주입의 효과가 21일이 지난 이후에도 상당히 남아있는 것으로 판단된다.

 

토의 및 결론

본 연구에서는 해수로 충진된 델타지역에 해수오염를 방지하고 청정 지하수자원을 확보할 수 있는 인공함양 실증시설의 구축을 위하여, 부산시 낙동강에 위치한 델타지역의 고심도 피압대수층에 담수주입 가능성과 담수주입에 의한 해수치환과 담수체 형성을 확인하고자 담수 주입시험을 실시하였다. 담수 주입시험을 위해 1개의 주입공(OW-5)과 4개의 관층공(OW-1, 2, 6, 7)이 이용되었고, 연구지역의 주 대수층인 하부모래층과 자갈층에 주입위치를 설정하였다. 주입 전 관측공 EC검층을 통해서 연구지역의 담수와 염수의 전이대가 지표하 15~38 m 구간에 형성되어 있는 것으로 파악되었다.

담수 주입시험은 총 62시간 동안 370 m3/day의 주입유량으로 약 950 m3의 담수가 주입되었으며, 주입공 OW-5에 설치된 CTD Diver를 이용하여 담수체의 형성을 확인할 수 있었다. 또한 주입 후 EC 및 온도 검층을 통하여 주입된 담수가 24시간 이상 유지되는 것을 확인하였고, 21일 경과 후 실시한 검층에서도 담수체의 존속이 확인되었다. 또한 OW-5공 주입시험보다 20일전에 실시된 1차 주입시험 주입공 OW-2에서도 담수체의 영향이 남아있는 것으로 확인이 되었다. 그리고 OW-2와 OW-5의 주입공에서 담수와 염수의 관계는 점이적인 관계가 아닌 뚜렷한 경계(Sharp Boundary)를 이루고 있었다. 따라서 주입된 담수가 염수내에서 일정한 공간을 차지하면서, 원상태의 수질을 상당기간 유지할 수 있다는 것을 파악하였다.

그리고 연구지역 대수층에서 시간의 경과에 따라 담수체가 축소되는 이유는 염수와 담수의 밀도차이뿐만 아니라, 연구지역이 피압대수층이며 사방이 불투수층에 의하여 차단되어 있어서 염수가 이동할 공간이 제한되어 있기 때문인 것으로 판단되었다. 주입시험을 통하여 밝혀진 것은 주입시험시 담수체가 주입정 하부까지 점유하고 있다가, 어느 정도 시간이 경과되면서 밀도차이에 의하여 축소되어 피압대수층내 상부로 이동하는 것으로 나타났다.

본 주입시험결과, 델타지역의 대규모 염수 피압대수층에서도 담수의 주입이 가능한 것으로 확인되었고, 단기간의 주입에도 담수가 염수를 밀어내고 담수체를 형성하는 것을 확인할 수 있었다. 향후 넓은 델타지역에 대규모 담수 인공함양 실증시설을 구축하여 담수체를 형성시키는 연구를 수행한다면, 대규모 담수체의 형성이 가능할 것으로 판단된다. 아울러 본 연구를 통하여 실생활에 활용할 수 있는 대체수자원의 확보가 가능할 것으로 사료된다.