Experimental Study on Effects of Filter Layers in Pumping Well

취수정에서 필터층이 미치는 영향에 대한 실험적 연구

Abstract

This study was performed in order to evaluate the efficiency of groundwater well installed in alluvial aquifer that has filter layers, using laboratory experiment. We manufactured test equipment that can simulate dual filter layer and single filter layer and evaluated the initial volume of water intake, pumping efficiency, and long term stability using the experiment and analysis. In an early stage within 60 minutes, the case that took the dual filter showed an increase of 19.4 % in the initial volume of water intake compared to the case without it. It was found that after 24 hours of the test, the well installed with the dual filter showed higher than 68.9% compared to the well with single filter. It was calculated that it took 1.35 days to reach the point corresponding to the half of the water intake in case of single filter while it took 38.66 days to do so in case of dual filter. Therefore, it is highly recommended that the well with dual filter is much more favorable in the long term stability.

본 연구는 실내시험을 통해 필터층을 가진 충적층 지하수 정호에 대한 효율을 평가하기 위해 수행하였다. 이중필터층과 단일필터층을 모사한 시험장치를 제작하여 시험 및 분석을 수행하여 초기취수량, 취수효율, 장기적인 안정성에 대해 평가하였다. 시험결과 초기 60분 이내 취수량을 분석하면, 이중필터를 설치한 경우에는 그렇지 않은 경우보다 초기 취수량이 약 19.4% 증가하는 것으로 분석되었으며, 시험 후 24시간이 경과한 후 취수량을 분석한 결과 이중필터취수정이 단일필터 취수정에 비해 68.9% 높은 것으로 분석되었다. 또한, 시험결과를 토대로 취수량이 50% 이하로 저감되는 시점을 유추해 보면 단일필터의 경우 약 1.35일의 시간이 경과하는 것으로 분석되었으며, 이중필터의 경우 38.66일 소요되어 장기적인 안정성 면에서 이중필터를 설치하는 것이 매우 유리한 것으로 평가되었다.

서 론

지하수 관정 중 충적정호는 자유면대수층 내의 지하수를 양수하여 사용하는 관정으로 심도가 대체로 40 m 이하의 소형관정들이 대부분이다. 비교적 양호한 모래나 자갈질로 구성된 지층이 충적관정의 주 대수층을 형성하고 있으나 일반적으로 심도에 따라 다양한 입도분포를 보이는 것이 특징이다. 충적정호는 국내에서 주로 농경지에서 많이 사용되고 있으며, 특히 주요 하천 주변의 경작지 및 시설재배지에서 농업용수나 겨울철 수막용수 등으로 많은 양이 사용되고 있다(Moon et al., 2016; Moon et al., 2012).

충적층 지하수 정호의 취수량, 취수효율 및 장기적인 안정성 등은 정호설치 지점의 지하수위 분포상태, 토층구성상태에 따른 수리지질조건, 스크린의 성능, 필터층의 유무 및 조건 등에 의해 좌우된다(Bedinger and Reed, 1998; Driscoll, 1986; Kraemer et al., 1991; Lapham et al., 1997; Lohman, 1972; Stallman, 1983; U.S. EPA, 1988) 특히, 필터층은 지하수 정호의 취수효율과 장기적인 안정성에 중요한 역할을 하기 때문에 충적관정 설치 시에 취수관 외부에 일정 두께로 설치하고 있다. 이러한 필터층 설치는 우물개량방법의 하나로써 우물개량방법은 소극적인 자연우물개량(natural well development)과 인위적으로 실시하는 인공우물개량(artificial development)으로 구분할 수 있다(Paul et al., 1988; Stallman, 1983). 양자 모두 우물의 효율반경을 증가시키는 데 그 목적이 있다. 자연우물개량은 스크린 주위에 분포된 대수층 구성물질 중에서 스크린 개공보다 적은 세립질 물질은 스크린을 통해 우물 밖으로 뽑아내고 스크린 주위에 조립질 모래자갈만 남게 하여 원 대수층보다 투수성이 양호한 투수성대(permeable zone)를 스크린 주위에 인위적으로 만들어 주는 개량방법이다. 인공우물개량은 우물자재의 직경보다 크게 착정을 한 후 스크린을 착정공에 설치하고 착정경과 스크린 사이의 주변공간(annular space)에 깨끗하고 투수성이 양호한 여과력을 부설하여 인공적인 투수대를 만들어 주는 방법이다. 따라서 인공우물개량은 자연우물 개량법에 비해 경비가 많이 소요되긴 하지만 가장 효율적인 우물개선 방법이다. 다수의 충적관정에서는 위와 같은 우물 개량방법을 사용하여 필터층을 형성시켜 사용하고 있다(Kim et al., 2009). 그러나 일반적으로 필터층의 설치두께가 얇고 균질하지 않은 대수층 토층상태의 전반적인 고려가 없는 단일 규격의 필터재를 사용함으로 인해 일정시간이 경과하면 투수성이 감소하여 취수효율이 급격히 낮아지거나 정호로써의 기능을 상실하는 경우가 많다.

본 연구는 실내시험을 통해 현재 충적정호에서 일반적으로 사용하고 있는 단일필터와 이를 개량한 이중필터를 각각 적용하여 그 결과를 분석함으로써 필터층 특성에 따른 취수량 효과를 검증하고 충적정호에서 필터층이 미치는 영향을 규명하고자 하였다.

 

실내시험

시험장치 제작

실내시험은 이중필터층을 설치하였을 경우(이중필터취수정 모사)와 단일필터층을 설치하였을 경우(일반수직정을 모사)를 대상으로 양수량 및 취수효율, 장기적인 안정성에 대해 비교 검토하기 위하여 수행하였다. 시험장치는 일정한 수량의 용수를 공급하기위한 용수공급조, 하천변의 대수층과 필터층 및 취수관을 설치하여 강변여과수 취수과정을 모사하는 시험조, 시험조를 통하여 배출되는 물의 양을 측정하기 위한 유량계 및 필터층 형성을 위한 필터층 형성판 등으로 구성된다. 또한, 용수공급조에는 밸브를 장착하여 시험조에 유입되는 유량을 조절하여 시험조의 물의 수위가 일정하게 유지될 수 있도록 하였으며, 시험조에 유입된 물이 필터층을 지나 스크린을 통해 배출될 때의 시간에 따른 유량의 변화를 관찰하기 위하여 유량계를 설치하였다(Table 1, Fig. 1, Fig. 2)

Table 1.Composition of testing set.

Fig. 1.Photograph of testing set.

Fig. 2.General drawing of testing set.

대수층 및 필터층 구성

실내시험에서 대수층 매질은 하상 충적층 시료의 채취 및 사용으로 여과사와는 달리 다양한 입도분포를 보이고 있다. 대수층 두께는 단일필터 40 cm, 이중필터 25 cm로 설정하였으며, 대수층 내 유수의 원활한 흐름을 위해 대수층 유입부에 7 cm의 자갈층을 두었다(Table 2).

Table 2.Composition of filter layers and aquifer.

필터재는 필터층을 구성하는 매질로 여과사 및 여과사리를 사용하였다. 필터층 두께는 이중필터층을 모사한 시험에서는 각각의 필터층을 10 cm로 하여 총 20 cm의 필터층을 형성시켰으며, 일반취수정을 모사한 시험에서는 여과사로 구성된 5 cm의 필터층을 제작하여 실험을 실시하였다.

실내시험에 사용된 필터층 및 대수층의 입도를 분석한 결과 여과사 및 여과사리는 제품 규격과 대부분 일치하는 것으로 확인되었으며, 균등계수(Cu)와 곡률계수(Cg)는 각각 1.5와 1.0으로 측정되었다. 충적층의 경우에는 필터재에 비해 비교적 다양한 입경분포를 보이고 있으며, 균등계수와 곡률계수는 각각 2.7과 0.9로 분석되었다(Table 3, Fig. 3).

Table 3.Grain size distribution.

Fig. 3.Results of the grain size analysis for filter material and alluvium.

설치순서 및 시험방법

스크린 주변에 필터재를 사용하여 필터층을 단일필터와 이중필터로 각각 설치하고 필터층 외부에 충적층 토사를 채운 후 물을 공급하여 수위가 일정하게 유지될 때 스크린을 통과하여 배출되는 물의 양을 일정시간 간격으로 측정하여 필터층의 효율을 비교할 수 있게 하였으며, 설치순서 및 시험절차는 다음과 같다(Fig. 4).

Fig. 4.Laboratory test mimetic diagram.

 

결과 및 토의

단일필터 시험결과

단일필터의 경우 시험조에 스크린과 필터층 형성판을 설치 후 필터층 형성판 바깥쪽에는 충적층을 충전하고, 스크린과 필터층 형성판 사이에는 1.18~2.0 mm의 여과사를 50 mm의 두께로 채운 후 필터층 형성판을 인발한 후 시험조의 수위를 일정하게 유지하면서 유출되는 물의 유량 변화를 관찰하였다. 2차에 걸친 단일 필터 시험결과 스크린을 통해 유출된 최초 유량은 최대 13.14 l/min이고 최소 유량은 12.03 l/min이며, 평균 유량은 12.59 l/min이다. 시험결과 유량은 상대적으로 급격히 감소한 0~300분 구간에서 최초 대비 77.2%로 효율이 떨어졌으며, 점차 감소폭이 좁아져 다소 일정한 유량이 유출되는 시점 840분까지는 최초 유량 대비 59.2%의 효율을 보였다. 또한, 840분 이후부터 실험 종료 시(1,560분) 까지는 평균 7.08~7.45 l/min로 다소 일정한 유량이 유출되었으며 이는 최초 유량대비 56.3~59.2% 수준이다. 2차에 걸친 실험에서 살펴보면 단일필터의 경우 실험초반부에 유량의 감소폭이 컷으며, 시간이 지날수록 유량의 감소폭은 감소하는 특성을 보였으며, 실험 종료 시 유량은 최초 유량대비 56.3%의 효율을 보여 43.7%의 유량이 감소하는 것으로 분석되었다(Table 4, Fig. 5).

Table 4.Transition of flow-rate with the elapse of time (single filter, 50 mm).

Fig. 5.Transition of flow-rate with the elapse of time (single filter, 50 mm).

이중필터 시험결과

이중필터의 경우 단일필터와 마찬가지로 2차에 걸쳐 실내시험을 수행하였다. 시험결과 스크린을 통해 유출된 최초 유량은 최대 15.11 l/min이고 최소 유량은 14.95 l/min이며, 평균 유량은 15.03 l/min로 나타났다. 2차에 걸친 실험에서 실험 후 60분 동안은 유량이 일정하게 유지되었으며, 시간 경과에 따라 유량이 서서히 감소하여 시험 후 780에 이르러서는 평균 12.19 l/min가 유출되었으며, 실험 종료 시(1,560분 후) 평균유량은 11.96 l/min로 나타나 최초 대비 3.07 l/min의 유량이 감소하는 것으로 확인되었다. 유량이 서서히 감소한 60~780분 구간에서 최초 대비 81.1%로 효율이 떨어졌으며, 점차 감소폭이 좁아져 다소 일정한 유량이 유출되는 시점 900분까지는 최초 유량 대비 80.4%까지 효율을 보였다. 900분 이후부터 실험 종료 시(1,560분) 까지는 평균 11.93~12.04 l/min로 다소 일정한 유량이 유출되었으며 이는 최초 유량대비 79.4~80.1%의 효율을 보인다. 2차에 걸친 실험에서 살펴보면 이중필터의 경우 실험초반 60분에는 유량이 일정하게 유지되었으며, 시간이 지날수록 유량의 감소하는 평태를 보였으나 그 감소폭은 크지 않았으며, 실험 종료 시 유량은 최초 유량대비 79.5%의 효율을 보여 20.5%의 유량이 감소하는 것으로 분석되었다(Table 5, Fig. 6).

Table 5.Transition of flow-rate with the elapse of time (dual filter, 200 mm).

Fig. 6.Transition of flow-rate with the elapse of time (dual filter, 200 mm).

단일-이중필터의 유량 유출량 분석

이중필터와 단일필터의 초기유량을 비교하면, 이중필터의 경우 약 15.03 l/min인 반면 단일필터는 12.59 l/min로 2.44 l/min차이를 보이고 있다(Table 6). 동일 대수층 조건에서 초기유량에 차이가 발생하는 것은 양호한 입도를 가진 이중필터층 형성에 따른 투수성 증대효과와 단일필터에 비해 취수 단면적이 증가함으로써 얻어지는 취수효율 증대효과가 종합적으로 작용한 것으로 판단된다. 즉, 실내시험에서 이중필터가 단일필터에 비해 약 19.4% 유량이 증가하는 것으로 보아 이중필터 설치만으로서 취수량을 증가시킬 수 있음을 확인하였다.

Table 6.Difference of initial flow-rate according to filter type.

실제 시공 시에는 일반수직정(D 400 mm) 대비 이중필터 취수정(D 1200 mm)의 단면적이 9배 정도 증가하는 것을 고려할 때 이중필터취수정에서 다량의 취수가 가능할 것으로 예상된다.

취수효율을 평가하기 위하여 시험 후 24시간 이후의 유출량을 비교하였다. 그 결과 유출량은 이중필터의 경우 11.96 l/min이고 단일필터는 7.08 l/min로 4.88 L/min의 유량차를 확인하였으며, 분석결과 이중필터가 단일필터에 비해 68.9%의 취수효율이 높은 것으로 평가되었다(Table 7, Fig. 7). 최초 유량차가 2.44 l/min임을 감안할 때, 실험을 진행할수록 동일시간대의 이중필터와 단일필터의 유량차가 커지는데 이는 이중필터의 경우 필터층 효과로 인해 시간의 흐름에 따른 유량의 감소폭이 작고 일정하게 감소하는 반면, 단일필터의 경우는 실험시간이 경과함에 따라 입도가 작은 세사가 취수관 주변으로 이동하여 투수성을 감소시킴으로 인해 유량의 감소폭이 증대되는 것으로 판단된다.

Table 7.Transition of flow-rate with the elapse of time (dual filter, 200 mm).

Fig. 7.Flow-rate difference with the elapse of time (dual filter and single filter).

초기 및 시험 종료 시의 유량변화를 통해 취수정의 장기적인 안정성을 평가하였다. 최초 유량은 이중필터가 15.03 l/min, 단일필터가 12.59 l/min으로 나타났으나 시험 후 24시간이 경과한 시점에서의 유량을 보면 이중필터는 11.96 l/min이며, 단일필터의 경우에는 7.08 l/min로 측정되었다. 이중필터는 실험 종료시까지 최초 유량대비 3.07 l/min이 감소하여 20.5%의 유량감소율을 보였으나, 단일필터는 최초 유량대비 5.51 l/min이 감소하여 43.7%의 유량감소를 보여 감소폭이 이중필터의 2.13배에 이른다(Fig. 8).

Fig. 8.Flow-rate transition with the elapse of time (dual filter and single filter).

단일필터 시험결과를 토대로 추세선 공식을 사용하여 취수량이 50% 이하로 저감되는 시점을 유추해 보면 약 1.35일의 시간이 경과하는 것으로 분석되었으며, 이중필터의 경우 같은 방법으로 취수량이 50% 이하로 저감되는 시점을 분석하면 38.66일 소요되는 것으로 분석되었다(Table 8, Fig. 9). 일반적인 추세선 식으로 장기적 안정성에 대한 정확히 평가하는 것은 다소 무리가 있으나 그 경향을 볼 때, 이중필터취수정이 일반수직정에 비해 장기적인 안정성 측면에서 매우 유리한 것을 입증하는 결과로 볼 수 있다.

Table 8.Prediction for time reduced by 50% of initial flow-rate.

Fig. 9.Trend line of flow-rate for dual filter and single filter.

 

결 론

실내시험 결과에서 이중필터를 적용한 경우 단일필터에 비해 초기 60분이내 취수량이 19.4% 증가하는 것을 확인하였으며, 이는 양호한 입도를 가진 이중필터층 형성에 따른 투수성 증대효과와 단일필터에 비해 취수단면적이 증가함으로써 얻어지는 취수효율 증대효과가 종합적으로 작용한 것으로 판단된다. 시험 후 24시간 이후의 유출량을 비교하면, 이중필터의 경우 11.96 l/min이고 단일필터는 7.08 l/min로 4.88 l/min의 유량차를 확인하였으며, 분석결과 이중필터가 단일필터에 비해 68.9%의 취수효율이 높은 것으로 평가되었다.

실험을 진행할수록 동일시간대의 이중필터와 단일필터의 유량차가 커지는데 이는 이중필터의 경우 필터층 효과로 인해 시간의 흐름에 따른 유량의 감소폭이 작고 일정하게 감소하는 반면, 단일필터의 경우는 실험시간이 경과함에 따라 입도가 작은 세사가 취수관 주변으로 이동하여 투수성을 감소시킴으로 인해 유량의 감소폭이 증대되는 것으로 판단된다. 시험 후 24시간이 경과한 시점에서의 유량을 보면 단일필터를 적용한 경우가 유량 감소폭이 이중필터의 2.13배에 달하는 것으로 평가되었으며, 추세선 공식을 사용하여 취수량이 50% 이하로 저감되는 시점을 유추해 보면 단일필터가 약 1.35일, 이중필터가 38.66일 소요되는 것으로 평가되어 장기적인 안정성 측면에서 이중필터가 매우 유리한 것으로 확인되었다.