A Field Verification Study on the Effect of Filter Layers on Groundwater Level Drop Characteristics, Permeability, Optimum Yield and Well Efficiency in the Unconfined Aquifer Well for Riverbank Filtration Intake

강변여과수 취수를 위한 충적우물에서 필터층이 수위강하특성, 투수성, 적정양수량 및 우물효율에 미치는 영향에 대한 현장실증 연구

Abstract

This study performs to evaluate the role of filter material at alluvial well for intake of riverbank filtration and the applicability and improvement effect of dual filter well. To achieve this objective, dual filter intake well and single filter intake well were installed with different filter conditions at riverbank free surface aquifer in soil layer then we evaluated filter material condition, permeability, optimum yield and well efficiency according to yield in drawdown test. As a results, we assumed forming dual filter layer minimizes sudden speed changes at boundary between aquifer and filter layer by cushioning of groundwater flow. This suppresses warm current then intake groundwater efficiently, therefore it seems decreasing peripheral groundwater level changes in spite of higher intake water amount than single filter intake well. Furthermore, we confirmed by test, installing dual filter improves permeability, optimum yield and well efficiency. The result will be used by combining with former study to set up standard of design/construction of dual filter intake well at alluvial aquifer layer. Furthermore, we expect this result will be used to prove application effect of dual filter intake well compared to single filter one and radial collector well which are mainly applied on riverbank filtration.

본 연구는 강변여과수 취수를 위한 충적우물에서의 필터재의 역할과 이중필터 취수정의 적용성 및 개선효과를 평가할 목적으로 수행하였다. 토층으로 이루어진 하천변의 자유면대수층에서 필터 조건을 달리 하여 실규모의 이중필터 취수정과 단일필터 취수정을 각각 설치하고 설치된 우물에서 대수성 시험을 실시하여 필터재 조건에 따른 수위강하특성, 투수특성, 적정 양수량 및 우물 효율을 평가하였다. 결과적으로, 이중필터층을 형성시켜 주는 것은 대수층과 필터층의 경계부에서 지하수 유동의 완충작용을 하여 유입되는 지하수의 급격한 속도변화를 최소화하는 효과를 나타내는 것으로 추정된다. 이는 난류 발생을 최대한 억제하여 보다 넓은 범위의 지하수를 효과적으로 취수정 내부로 유입시키는 역할을 하고 이로 인하여 취수량이 단일필터 취수정에 비해 높음에도 불구하고 주변 지하수위의 변화를 줄일 수 있는 것으로 보인다. 또한, 이중필터의 설치만으로도 기존 시스템(단일필터 취수정) 대비 투수성, 적정 양수량, 우물 효율이 개선됨을 시험을 통해 확인할 수 있었다. 본 연구의 결과는 앞서 수행한 다양한 연구와 종합하여 충적대수층에서의 이중필터 취수정 우물의 설계 및 시공에 대한 표준화된 기준을 마련하는데 활용할 계획이다. 또한, 강변여과수에 주로 적용되고 있는 단일 필터 취수정 및 방사상집수정과 대비하여 이중필터 취수정 적용 효과에 대한 객관적 입증 자료로의 활용이 기대된다.

서  론

강변여과수는 지표수에 크게 의존하는 우리나라 상수원 다변화 방안의 일환으로 개발이 장려되고 있는 대표적인 간접취수 방식이다(Kwater, 2016). 국내에서는 2000년 이후 하천변에서의 안정적이고 개선된 수질의 수자원을 활용하기 위하여 강변여과수 개발을 지속적으로 수행해 오고 있으며, 상수원 사용 이외에도 농업용수 및 강변여과 방식을 도입한 해수취수, 레저시설에 사용 가능한 생활용수 개발 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 

강변여과수는 하천수가 충적대수층을 통해 여과된 후 이를 이용하는 것으로 일반적으로 방사상집수정 또는 수직정을 하천변에 설치하여 취수를 수행한다. 강변여과수 취수를 위한 우물의 취수량, 취수효율 및 장기적인 안정성 등은 정호설치 지점의 지하수위 분포상태, 토층 구성상태에 따른 수리지질조건, 스크린의 성능, 필터층의 유무 및 조건 등에 의해 좌우된다(Song et al., 2016). 이중 현장여건에 좌우되는 지하수위, 토층 구성상태, 수리지질 조건과 재료적인 측면에서의 스크린 성능을 제외했을 때, 필터층은 우물 성능을 개선시킬 수 있는 중요한 항목임에도 불구하고 설치 과정에서 이에 대한 충분한 고려가 없는 것이 현실이다.

필터층의 설치는 우물에서의 급격한 효율저하를 방지하기 위하여 우물의 스크린 주변에 양호한 투수성대를 형성시켜주는 인공 우물개량의 한 방법이다(Han, 1998; Driscoll and Fletcher, 1986). 이러한 취수정의 효율과 필터 조건에 대한 많은 연구가 수행된 바 있다. Smith(1954)는 최상의 취수량 확보를 위한 대수층의 입도 대비 필터재의 특정 입도와의 비를 4~6 사이로 제시하였다. Blair(1970)는 효과적인 필터층 설계를 위해 최적 입경, 입자 형태, 두께에 대한 권장안을 제시하였다. Rafferty(2001)는 필터재의 효율적인 입경, 균등계수, 두께, 형태, 배치에 관한 가이드라인 등을 포함하는 설계안을 제시하였다. 또한, Kim(2014)은 이중필터팩과 단일필터팩에 대한 수리전도도와 우물 효율을 분석하여 필터 조건이 수리특성과 우물 효율에 미치는 영향을 분석하였다. 또한, Song et al.(2016, 2017)은 자유면대수층을 모사하여 필터층이 취수량 및 우물 효율에 미치는 영향을 실내시험을 통해 분석하였다. 또한, 3개월에 걸친 장기모형시험을 통해 충적우물에서 필터층 변화에 따른 투수특성, 적정 양수량 및 장기적 안정성을 평가하는 연구가 수행된 바 있으며, 해당 연구를 통해 필터재 조건에 따른 성능을 검증한 바 있다(Song et al., 2018). Song et al.(2019)는 해변여과수 취수지역에서 현장실증시험을 통해 이중필터를 적용하는 경우, 단일필터 대비 122.8~160.0%의 개선 효과가 있는 것으로 평가하였으며, 이를 평균한 단일필터 대비 이중필터의 양수량 개선율은 139.6%로 제시하였다. 이와 같이 우물의 효율을 개선하기 위해서 다양한 연구들이 수행되어 왔고 필터층의 설계조건에 따라 우물을 개선시킬 수 있음이 연구된 바 있다.

본 연구는 충적우물에서의 필터재의 역할을 평가하고 일반적으로 설치되는 단일취수정과 개선된 시공방법인 이중필터 취수정에 대한 비교 분석을 통하여 이중필터 취수정의 강변여과수에서의 적용성 및 개선 효과를 평가할 목적으로 수행하였다. 본 목적을 달성하기 위하여 토층으로 이루어진 하천변의 자유면대수층에서 필터 조건을 달리하여 실규모의 이중필터 취수정과 단일필터 취수정을 각각 설치하고 설치된 우물에서 대수성 시험을 실시하여 필터재 조건에 따른 수위강하 특성, 투수특성, 적정양수량 및 우물효율을 평가하였다. 또한, 평가결과를 토대로 강변여과수 취수에서의 단일필터 취수정 대비 이중필터 취수정의 취수량 향상 정도를 객관적으로 도출함으로써 궁극적으로 강변여과수 취수에 대한 이중필터 취수정의 적용 가능성을 제시하고자 하였다. 

본 연구의 결과는 Song et al.(2016, 2017, 2018, 2019)이 앞서 수행한 다양한 실내시험 및 현장실증시험 연구와 종합하여 충적대수층에서의 이중필터 취수정 우물의 설계 및 시공에 대한 표준화된 기준을 마련하는데 활용할 수 있다. 또한, 강변여과수에 주로 적용되고 있는 단일필터 취수정 및 방사상집수정과 대비하여 이중필터 취수정 적용 효과에 대한 객관적 입증 자료로의 활용이 기대된다.

 

우물설계 및 설치

지층구성

각 토사지층의 물리적 특성을 파악하기 위하여 2공의 시추조사를 수행하였으며, 시추조사공은 대수성시험 과정에서 관측정으로 활용하였다. 지층구성은 매립층(실트질 모래), 퇴적층(실트질 모래, 모래질 자갈), 풍화대(풍화토, 풍화암) 및 연암 등으로 구성되며, 주요 대수층이 되는 모래, 자갈층의 층후는 이중필터 취수정(SD1200)과 단일필터 취수정(SS300) 설치위치(BH-1)에서는 14.5m, 단일필터 취수정(SS1200) 설치 위치(BH-2)에서는 14.0m로 유사한 지층구성 및 층후를 보인다.  

시추조사 시 표준관입시험으로 채취된 토사시료에 대하여 한국공업규격(KS F)에 의거하여 11회의 실내시험을 실시하였다(Table 1). 체분석결과 주 자유면대수층의 역할을 하는 풍화대 상부 지층은 실트질 모래 및 모래질 자갈로 구성되고 통일분류상 대부분 SM 및 GP로 분류되었다(Fig. 1). 육안관찰 시에도 전반적으로 입도분포는 불량하나 세립질의 함량이 적어 양호한 대수층을 형성할 것으로 평가되었다.
지층의 특성을 파악하기 위한 시추공은 각각 OW-1, OW-2, OW-3의 관측공으로 활용되었다. 

 

Table 1. Particle size distribution of alluvium.

 

Fig. 1. Grain-size distribution curve of well install locations.

 

필터재 선정

우물의 필터재로 사용되는 모래 및 자갈은 국내 주문진사를 이용하는 것을 권장하고 있으며, 국내에서 생산되는 주문진사의 규격에 맞춰 필터재의 설계가 요구된다. 따라서, 필터설계기준(NAVFAC, 1986)에 따른 실트질 모래층에 적용할 필터 조건, 즉 (D15)필터 < 1.230mm, 0.072mm < (D15)필터 < 0.360mm, (D50)필터 ＜ 3.90mm에 부합되는 필터재는 여과사 크기로 0.3~2.0m로 파악되었으며 모래질 자갈층에 적용할 필터조건 (D15)필터 < 73.330mm, 0.996mm < (D15)필터 < 4.980mm, (D50)필터 ＜ 348.925mm에 부합되는 필터재는 0.8~2.0m로 평가되었다. 

또한, 강변여과수 설계기준에 의한 실트질 모래층의 필터 조건은 외부 필터 F60out=1.092mm, 내부 필터 F60in=4.368mm, 모래질 자갈층의 필터 조건은 외부 필터 F60out=4.611mm, 내부 필터 F60in=18.444mm로 내부 필터재는 5.0~10.0m, 외부 필터재 2.0~5.0mm 규격이 적당하며, 이때의 계산상 스크린 슬롯폭은 각각 0.546mm, 2.058mm로 적정 슬롯폭은 2.0mm가 합당할 것으로 판단하였다. 

두가지 방식을 모두 만족시키면서 SPT시료 채취 시 세립분의 유실율을 감안하여 종합적으로 검토한 결과, 실트질 모래층의 외부 필터재는 0.8~2.0mm의 여과사와 내부 필터재는 2.0~5.0mm의 여과사가 가장 적당하며, 스트레나의 슬롯폭은 0.5mm가 합당하고, 모래질 자갈층에서의 외부 필터재는 2.0~5.0mm의 여과사와 내부 필터재는 5.0~10.0mm 여과사, 그리고 스트레나의 슬롯 폭은 2.0mm가 가장 적절한 것으로 평가하였다.

 

주요장치 구성

본 연구에서 이중필터 취수정(SD1200) 및 단일필터 취수정(SS300, SS1200)의 설치에 필요한 주요 장치는 케이싱, 필터재, 스크린, 취수관 및 취수본관, 수중모터펌프, 지하수위계, 유량계 등이 필요하며, 각각의 장치 및 재료에 대한 사양은 아래 표와 같다(Table 2). 

 

Table 2. Device composition of well.

 

우물설계

이중필터 취수정(SD1200)과 단일필터 취수정(SS300)의 경우, GL-5.8m까지 실트질 모래층, GL-5.8~14.5m까지 모래질 자갈, GL-14.5m하부로는 풍화대(풍화토, 풍화암)로 구성되어 있으며, 총 굴착 심도는 17.5m로 설계하였다.

이중필터 취수정(SD1200)의 필터재 충진 층후는 15.5m로 하였으며, 두께는 총 80cm로 내부 필터재는 직경 5~10mm의 여과사를 적용하였고, 외부 필터재는 직경 2~5mm의 여과사를 적용하였다. 스크린의 슬롯폭은 2.0mm이며, 총 길이는 5.0m로 취수관에 포함되고 퇴적층인 모래질 자갈층에 설치되도록 하였다. 단일필터 취수정(SS300)의 필터재 충전 층후는 15.5m로 하였으며, 두께는 총 10.0cm로 필터재는  직경 2.0~5.0mm의 여과사를 적용하였다. 스크린의 규격 및 설치내용은 이중필터 취수정과 동일하게 설계하였다.

단일필터 취수정(SS1200)의 경우, GL-7.0m까지 실트질 모래층, GL-7.0~13.5m까지 모래질 자갈, GL-13.5m하부로는 연암으로 구성되어 있으며, 총 굴착 심도는 15.5m로 설계하였다. 필터재 충전 층후는 13.5m로 하였으며, 두께는 총 80cm로 필터재는 직경 2.0~5.0mm의 여과사를 적용하였다. 스크린의 규격 및 설치내용은 이중필터 취수정과 동일하게 설계하였다.

 

Fig. 2. Dual and single filter well cross section.

 

우물설치

이중필터 취수정과 같은 400mm 이상 규격의 취수정은 일반적인 천공장비로 굴착이 불가능하기 때문에 케이싱을 압입하여 굴착하는 방식을 사용한다(Fig. 3). 본 연구에서의 이중필터 및 단일필터 취수정의 설치순서는 다음과 같다(Song et al., 2019). 

① 오실레이터 셋팅 : 취수정 설치위치에 케이싱 압입을 위한 장치인 오실레이터 설치

② 외부케이싱 압입 및 굴착 : 오실레이터를 사용하여 외부케이싱을 좌우로 회전시키며 압입, 케이싱 내 토사는 해머글래브, 치즐을 이용하여 굴착 및 제거

③ 내부케이싱 설치 : 설치된 외부케이싱 내부에 설치되며, 이중필터를 생성시키는 역할을 수행, 단일필터 취수정에서는 본 공정이 제외됨

④ 취수관 제작 : 무공관과 스크린이 결합된 취수관 제작

⑤ 취수관 설치 : 내부케이싱 내에 설치되며, 하부에 지하수가 유입될 수 있도록 스크린이 설치되며, 내부에는 수중펌프가 설치되어 지하수를 취수할 수 있는 구조임

⑥ 필터재 충전 : 이중필터에는 2개 규격, 단일필터에는 1개 규격의 필터재가 충전되며, 이중필터에서 입도가 큰 필터재는 내부케이싱과 취수관사이에 설치되고, 입도가 작은 필터재는 외부케이싱과 내부케이싱에 설치

⑦ 내부케이싱 인발 : 케이싱 내․외부의 압력 차이를 최소화하기 위해 먼저 수직 인발, 단일필터 취수정에서는 본 공정이 제외됨

⑧ 외부케이싱 인발 : 필터재와 원지반의 교란최소화를 고려해 수직 인발

⑨ 몰탈채움 : 우수 등의 공내 진입을 차단하기 위해 취수정 상부에 시멘트 몰탈 시공

⑩ 우물자재 설치 : 수중펌프, 지하수위 측정관 등 취수 및 관측용 장치 설치

 

Fig. 3. Photograph of installation process(SD1200).

 

시험조건 및 결과

시험방법

설치된 이중필터 및 단일필터 취수정을 대상으로 단계대수성시험 및 연속대수성시험을 수행하였다. 단계대수성시험은 양수량에 따른 수위강하량을 평가하여 양수정의 효율이나 영향반경, 수리상수 등을 결정할 수 있으며(Dawson and Isotak, 1991), 적어도 3단계 이상 진행되어야 한다(Choi et al., 2010). 본 연구에서는 각 취수정에 대하여 4 내지 5단계로 대수성시험을 수행하였으며, 각 단계별 소요시간은 1시간씩 수행하는 것을 원칙으로 하였다. 시험방법은 양수정 내에 수중모터펌프를 설치하여 각 단계별로 양수율을 일정하게 유지하면서 양수정에서의 양수시간에 따른 지하수위 변화를 측정하였다(Table 3). 

연속대수성시험은 단계대수성시험 완료 후 지하수위가 회복된 다음에 일정 양수율 조건에서 양수정 및 관측정에서의 양수시간에 따른 지하수위를 측정하였다. 양수시험 시 측정하는 사항은 양수정의 자연수위, 양수시작과 종료시간, 양수량, 양수 중의 일정 시간별 수위, 그리고 양수량의 변화시간을 측정하였다. 연속대수성시험의 시험시간은 12~14시간으로 설정하였다(Table 3). 

 

Table 3. Condition of field test.

 

단계대수성시험 결과

이중필터인 SD1200의 경우, 약 1단계 평균 614.5L/min에서 4단계 평균 1029.7L/min로 양수를 수행하였다. 평균 수위강하량은 1단계에서 109.5cm이며, 최종 4단계에서는 264.9cm의 수위강하가 발생하였다. 취수정에서 5.0m 이격되어 있는 관측정(OW-2)의 평균 수위강하량은 4단계 시험(양수량 1029.7L/min)에서 23.7cm를 보였다. 
일반적으로 충적층에 설치되고 있는 형태인 단일필터인 SS300의 경우, 단계양수시험은 총 5단계로 구분하여 수행하였으며, 평균 양수량은 1단계에서 346.4L/min 시작하여 최종 5단계에서는 712.6L/min로 확인되었다. 평균 수위강하량은 1단계에서 93.0cm이며, 최종 5단계에서는 291.8cm의 수위강하가 관측되었다. 취수정에서 5.2m 이격되어 있는 관측정(OW-3)의 평균 수위강하량은 5단계 시험(양수량 712.6L/min)에서 35.9cm를 보여 인접한 취수정인 SD1200 보다 주변으로의 영향이 더 큰 것으로 판단된다.

단일필터인 SS1200의 경우, 단계양수시험은 총 5단계로 구분하여 수행하였으며, 평균 양수량은 1단계에서 491.0L/min 시작하여 최종 5단계에서는 784.2L/min로 확인되었다. 평균 수위강하량은 1단계에서 87.5cm이며, 최종 5단계에서는 223.2cm의 수위강하가 관측되었다. 취수정에서 5.3m 이격되어 있는 관측정(OW-3)의 평균 수위강하량은 5단계 시험(양수량 784.2L/min)에서 35.9cm를 보여 단일필터인 SS300(PW3)과 유사한 특성을 보였다. 

이중필터 및 단일필터취수정의 단계대수성 시험결과는 다음과 같다(Table 4).

 

Table 4. Test results of step drawdown test.

 

Fig. 4. Variation of yield and water drawdown level in step drawdown test.

 

연속대수성시험 결과

연속대수성시험은 단계양수시험에서 변곡점을 이용한 적정양수량에 해당하는 양수량으로 시험을 수행하였으며, 이중필터취수정인 SD1200에서 평균 841.39L/min, 필터층 두께가 얇은 단일필터취수정 SS300에서 653.5L/min, 이중필터취수정과 필터재 두께가 동일한 단일필터취수정 SS1200에서 686.8L/min로 양수를 수행하였다. 이때의 양수정에서의 수위강하량은 이중필터취수정 SD1200에서 193.5cm(관측정 OW-1 : 19.6cm), 단일필터취수정 SS300에서 278.3cm(관측정 OW-2 : 33.6cm), 단일필터취수정 SS1200에서 181.6cm(관측정 OW-1 : 35.8cm)로 관측되었다. 수위강하량 변화양상을 볼 때, 이중필터취수정 SD1200의 경우, 시간경과에 따라 지속적으로 저감되는 양상을 보이며, 관측정의 수위변화는 거의 발생하지 않고 일정하게 유지되는 양상을 보인다. 단일필터취수정(SS300, SS1200)의 경우에는 마찬가지로 시간 경과에 따라 지속적인 수위하강현상이 나타나고 있음을 확인하였으며, 관측정에서도 이중필터취수정 대비 더 많은 수위강하가 나타나고 있음을 확인하였다(Fig. 5).

 

Fig. 5. Variation of yield and water drawdown level in pumping test.

 

결과해석 및 고찰

수위강하특성 분석

단계대수성시험에서 최종 단계의 이중필터취수정과 단일필터취수정의 수위강하 특성을 비교하면, 이중필터취수정에서 더 많은 용량의 지하수를 양수함에도 불구하고 단일필터취수정에 비해 수위강하량이 12.2cm 더 적은 값을 보인다(Fig. 6). 이는 이중필터취수정이 단일필터취수정에 비해 취수정에서의 동수구배가 완만히 형성되어 인접한 주변으로의 지하수위 강하효과를 저감시키기 때문으로 판단된다. 즉, 이중필터층을 형성시켜 주는 것은 대수층과 필터층의 경계부에서 지하수유동의 완충작용을 하여 유입되는 지하수의 급격한 속도변화를 최소화하는 효과를 나타내는 것으로 추정된다. 이는 결과적으로 난류 발생을 최대한 억제하여 보다 넓은 범위의 지하수를 효과적으로 취수정 내부로 유입시키는 역할을 하고, 이로 인하여 취수량이 단일필터취수정에 비해 높음에도 불구하고 주변 지하수위의 변화를 줄일 수 있는 것으로 보인다.

 

Fig. 6. Variation of ground water level(observation well, GL-m) by yield in step drawdown test.

 

연속대수성시험을 통해 적정양수량으로 양수했을 경우 필터재 두께가 같은 SD1200과 SS1200의 취수정 내 수위강하량은 각각 193.5cm와 181.6cm로 큰 차이를 보이지 않았으나 필터재 두께가 작은 SS300에서는 278.3cm로 상대적으로 큰 수위강하가 발생함을 확인하였다. 이는 우물구경이 SD1200과 SS1200은 400mm이며, SS300은 200mm로 차이가 있기 때문에 우물구경이 작은 SS300에서 양수 시 보다 급격한 수위강하가 나타나는 것으로 판단된다. 또한, 취수정에서 약 5m 내외의 거리에 있는 관측정의 수위강하량을 확인한 결과 이중필터 취수정이 단일필터 취수정에 비해 적정양수량이 높음에도 불구하고 수위강하량이 19.6cm로 단일필터 대비 54.7~58.3%로 상대적으로 낮게 관측되었다(Fig. 7). 이는 앞서 단계시험에서도 언급했듯이 이중필터층의 형성으로 인해 난류 발생을 최대한 억제함으로써 지하수 유입을 보다 원활히 하기 때문으로 판단된다.

 

Fig. 7. Distribution of drawdown level in pumping well and observation well by test well.

 

투수특성 분석

자유면대수층에서의 투수계수의 산정은 양수정의 수위강하량과 영향권을 이용하는 방법과 수두를 측정할 수 있는 2개 이상의 관측정을 이용하는 방법을 적용할 수 있다. 양수정을 이용하는 경우, 투수계수는  r=rw 일때, h=hw,  r=R일 때,  h=H이므로 다음 식에 의해 계산 가능하다(Thiem, 1906).

 

\(\int_{r_{\omega}}^{R} \frac{d r}{r}=\frac{2 \pi K}{Q} \int_{h_{\omega}}^{H} h d h, \quad K=\frac{2.3 Q \log \left(R / r_{w}\right)}{\pi\left(H^{2}-h_{w}^{2}\right)}\)         (1)

 

여기서,  K : 투수계수, Q : 양수량, R : 영향반경,  rw : 양수정의 반경, hw : 양수정에서의 안정수위, H : 양수 개시전 초기지하수위이다.  양수정을 이용하는 경우 영향반경을 산출해야 하며, 본 연구에서는 각 취수정의 영향반경을 50m로 적용하여 분석하였다. 또한, 관측정의 지하수위는 시험 직전 측정하여 적용하였으며, 자유면대수층의 두께는 시추조사 성과를 반영하였다. 본 연구에서 반영된 대수층두께, 관측정의 거리, 지하수위, 영향반경, 우물(취수본관)의 반경은 다음과 같다(Table 5). 

 

Table 5. Application factor for each test well.

 

단계대수성시험 성과를 분석하면, 이중필터 취수정 SD1200에서 평균 투수계수는 0.154cm/sec로 분석되었으며, 단일필터 취수정에서는 SS300에서 0.104cm/sec, SS1200에서 0.160cm/sec의 평균 투수계수를 보였다(Table 6).

 

Table 6. Hydraulic conductivity by step-drawdown test results.

 

양수량 변화에 따른 투수계수 변화양상은 양수량이 증가할수록 투수계수가 감소하는 양상을 보인다(Fig. 8 A). 필터층의 두께가 동일한 이중필터 취수정과 단일필터 취수정을 비교하면, 취수량이 600L/min 내외의 구간에서는 유사한 투수성을 나타내고 있으나 양수량이 증가할수록 단일필터 취수정의 투수계수가 이중필터 취수정에 비해 급격히 하강하는 양상을 보인다. 이는 양수량이 증가할수록 단일필터 취수정에서 보다 많은 수위강하가 발생되기 때문이다. 즉, 필터재 두께가 동일하더라도 이중필터 취수정의 투수성이 단일필터 취수정에 비해 보다 안정적인 양상을 나타냄을 지시한다. 두께가 얇은 단일필터 취수정의 투수계수는 가장 낮은 값을 보여 필터재의 두께 또한 투수특성에 영향을 미칠 수 있음을 확인할 수 있다(Fig. 8 A). 각 우물에서의 단계별 평균투수계수를 토대로 이중필터와 단일필터의 투수성을 비교하면, 동일 두께의 필터층에서 이중필터는 단일필터 대비 96.3%로 투수계수가 큰 차이가 없었으나 일반적으로 설치되는 필터재 두께가 얇은 단일필터 취수정 대비 147.8%의 투수계수 상승효과가 발생하는 것으로 분석되었다(Fig. 8 B). 이와 같은 분석은 취수량을 고려하지 않은 분석으로 취수량 600L/min 이상이 유지되는 경우에는 이중필터 취수정에서 가장 양호한 투수특성을 나타내고 있어 다량의 취수를 하는 경우에는 이중필터 취수정에서 더 높은 투수계수 상승효과가 발생할 수 있다.

 

Fig. 8. Change of k value according to yield(A) and average k by test well(B) in step-draw down test.

 

연속대수성시험 전제 수행기간 동안의 평균 투수계수를 분석한 결과, 이중필터 취수정인 SD1200에서 0.141cm/sec로 단계시험에서 평가된 투수계수인 0.154cm/sec보다 유사하지만 약간 낮은 값을 보였다. 필터재 두께가 작은 단일필터 취수정인 SS300의 투수계수는 0.090cm/sec, 이중필터 취수정과 필터재 두께가 동일한 단일필터 취수정인 SS1200의 투수계수는 0.130cm/sec로 평가되었다(Table 7, Fig. 9 B). 이중필터 취수정과 단일필터 취수정을 비교하면 이중필터 취수정은 동일 두께의 단일필터 취수정(SS1200) 대비 108.5%의 투수계수 상승효과가 발생하는 것으로 평가되었으며, 일반적으로 설치되는 단일필터 취수정(SS300) 대비 157.1%의 투수계수 상승효과가 발생하는 것으로 분석되었다.

 

Table 7. Hydraulic Conductivity by pumping test results.

 

연속대수성시험에서 시간경과에 따른 투수성의 변화양상을 분석한 결과 모든 우물에서 200분 이후에는 투수계수 변화가 미미하여 일정한 투수특성을 유지하는 것으로 파악되었다. 투수계수 값을 보면, 필터재 두께가 얇은 SS300(PW3)에서 가장 낮은 투수특성을 나타낸다(Fig. 9 A). 필터층 두께가 동일한 이중필터 취수정(SD1200)와 단일필터 취수정(SS1200)에서의 투수계수는 매우 유사한 특성을 보이고 있고 두께가 얇은 우물인 SS300에 비해 높은 값을 나타내는데, 이와 같은 결과는 동일 지반에서의 투수특성이 필터재 두께가 증가할수록 양호해질 수 있음을 의미한다. 이는 양호한 두께를 갖는 필터재의 설치로 인해 우물효율이 향상되기 때문으로 판단된다.

 

Fig. 9. Average k value changes over time(A) and average k by test well(B) for dual and single filter well in pumping test.

 

양수량 분석

각 단계별 평균양수량와 양수정에에서의 수위강하량과의 관계를 분석하여 적정양수량을 평가하였다. 이중필터 취수정(SD1200)과 단일필터 취수정(SS300, SS1200)에 대한 지하수위 강하량과 양수량과의 관계는 아래에 도시한 바와 같다(Fig. 10).

관계식을 근거로 하여 수위강하 심도가 200cm인 경우로 가정하여 각각의 조건에 대하여 평가하면 이중필터 취수정인 SD1200의 적정 양수량은 911.7L/min로 평가되었으며, 단일필터 취수정 중 SS300의 적정 양수량은 584.2L/min, SS1200의 적정 양수량은 746.1L/min로 평가되었다(Table 8). 이중필터 취수정인 SD1200와 동일 두께의 필터층을 갖는 단일필터 취수정 SS1200을 비교하면, 이중필터 취수정이 단일필터 취수정 대비 약 165.6L/min 높은 적정 양수량을 보여 122.2%의 양수량이 증대되는 것으로 평가되었다. 또한, 이중필터 취수정인 SD1200과 일반적으로 설치되는 단일필터 취수정 SS300을 비교하면, 이중필터 취수정이 단일필터 취수정 대비 약 327.4L/min 높은 적정 양수량을 보여 156.0%의 양수량이 증대되는 것으로 분석되었다.

 

Table 8. Optimum yeild for yield regression equation in each well(drawdown level = 200cm).

 

Fig. 10. Relationship of drawdown water level and yield in each test well.

 

단계별 평균 양수량과 양수정에서의 수위강하량과의 관계를 분석하면 수위강하량의 정도에 따른 적정 양수량을 평가할 수 있다. 또한, 지하수위 강하량과 우물 손실계수를 토대로 적정 양수량 평가가 가능하다. 지하수위 강하량(s_w)은 양수량(Q), 수리전도도, 비산출량, 우물로부터의 거리, 양수시간과 연관된 함수이다(Atkinson et. al. 2010). 우물 인접부 물의 흐름은 난류 형태를 보이며, 우물로부터 멀어질수록 유속이 감소하여 층류 형태가 된다. 난류는 필터의 클로깅을 야기하며, 시간이 지속될수록 수리저항이 증대되어 우물 손실을 야기할 수 있으며, 대수층과 우물에서 발생되는 층류 및 난류 흐름에 따른 수리저항은 수위강하를 유발한다. 우물의 적정양수량은 수위강하량을 양수량으로 나눈 값인 비수위강하량(s_w/Q)이 안정된 상태에서 가능한 양수량을 의미한다. Jacob(1947)은 단계양수시험시 수위강하를 다음과 같이 정의하였다. 
 

\(s_w=BQ+CQ^2\)       (2)

 

여기서, s_w  : 수위강하량, Q : 양수량, B : 선형우물 손실계수, C : 비선형우물 손실계수를 나타낸다. 또한, Rorabaugh(1953)는 양수정에서 지하수를 채수할 때 전체 수위강하량 (s_w)을 다음 식으로 표현하였으며, n은 통상 2~3의 범위를 갖으나 Jacob(1947)이 제시한 2값이 가장 보편적으로 적용된다(Skinner, 1988).

 

\(s_w=BQ+CQ^n\)      (3)

 

B와 C값은 단계양수시험을 통해 계산할 수 있으며, 생산능력을 표현하는 비양수량(Q/s_w)은 양수량이 증가함에 따라 감소되는 특성이 있다. B와 C값은 비수위강하량(s_w/Q)과의 관계를 통해 계산이 가능하며, 관계식은 다음과 같다.

 

\(s_w/Q = B+CQ\)       (4)

 

비수위강하량과 양수량의 관계를 분석한 결과 단일필터 취수정인 SS300 및 SS1200은 이중필터 취수정인 SD1200 대비 동일유량에서 높은 비수위강하량을 보이고 있다. 이는 아래에 나타난 바와 같이 단일필터 취수정이 이중필터 취수정에 비해 우물에서의 수위강하가 많이 발생하고 이로 인하여 양수량이 저하되는 것으로 판단된다(Fig. 11). 

 

Table 9. Specific drawdown for dual and single filter well.

 

Fig. 11. Relationship of specific drawdown and yield in each well.

 

비수위강하량을 이용하여 지하수위면에서 2.0m 수위하강 시의 적정 양수량을 산정한 결과 이중필터 취수정인 SD1200의 적정 양수량은 589.9L/min로 평가되었으며, 단일필터 취수정의 적정 양수량은 SS300에서 618.5L/min, SS1200에서 761.2L/min로 분석되었다(Table 10). 이중필터 취수정(SD1200)과 단일필터 취수정(SS300, SS1200)에 대한 양수량과 비수위강하량과의 관계는 아래에 도시한 바와 같다(Fig. 12). 지층구성이 일치하는 이중필터 취수정인 SD1200과 동일 두께의 필터층을 갖는 단일필터 취수정 SS1200을 비교하면, 이중필터 취수정이 단일필터 취수정 대비 약 132.7L/min 높은 적정양수량을 보여 117.4%의 양수량이 증대되는 것으로 평가되었다. 또한, 이중필터 취수정인 SD1200과 일반적으로 설치되는 단일필터 취수정 SS300을 비교하면, 이중필터 취수정이 단일필터 취수정 대비 약 275.5L/min 높은 적정 양수량을 보여 144.5%의 양수량이 증대되는 것으로 평가되었다. 

 

Table 10. Optimum yield estimation used  specific drawdown equation(drawdown level = 2.0m).

 

Fig. 12. Relational expression of specific drawdown and yield in each well.
 

일반적으로 우물의 적정 양수량을 평가하는 방법은 변곡점을 활용하는 방법이다. 변곡점을 이용하는 평가는 수위강하량에 따른 양수량의 변화추이를 바탕으로 2개의 선형식을 사용하여 그 접점에 해당하는 적정 양수량을 산출한다(Fig. 13). 

변곡점을 이용한 평가결과 이중필터 취수정인 SD1200에서 900.1L/min, 단일필터 취수정인 SS300에서 618.2L/min, 단일필터 취수정 SS1200에서 696.7L/min로 평가되었다(Table 11). 지층구성이 일치하는 이중필터 취수정인 SD1200과 동일 두께의 필터층을 갖는 단일필터 취수정 SS1200을 비교하면, 이중필터 취수정이 단일필터 취수정 대비 약 203.4L/min 높은 적정 양수량을 보여 129.2%의 양수량이 증대되는 것으로 평가되었다. 또한, 이중필터 취수정인 SD1200과 일반적으로 설치되는 단일필터 취수정 SS300을 비교하면, 이중필터 취수정이 단일필터 취수정 대비 약 281.9L/min 높은 적정 양수량을 보여 145.6%의 양수량이 증대되는 것으로 분석되었다. 

 

Table 11. Optimum yield estimation used point of inflection in each well.

 

Fig. 13. Graph of inflection point estimation used linear equation. 

 

우물효율 분석

우물의 비양수량은(specific capacity, SPC)는 장기간 지하수를 채수할 때, 지하수의 흐름이 평형상태에 도달한 시점의 양수량을 전체 수위강하량으로 나눈 값이다. 비양수량은 대수층의 종류에 관계 없이 우물의 산출능력을 나타내는 일종의 우물의 수리상수로써 대수층의 투수량계수, 스크린의 형태, 우물의 직경, 대수층의 관통정도, 우물의 개량정도와 같은 우물구조 요인에 따라 좌우되는 수리상수이다(Han, 1998). 일반적으로 비양수량이 큰 우물일수록 많은 양의 지하수를 채수할 수 있다. 우물의 효율이 100%라면 이 우물의 비양수량은 대수층의 투수량계수와 정비례한다. Thiem 식을 이용하여 비양수량과 투수계수와의 관계를 규명할 수 있다(Thiem, 1906).

 

\(T=\frac{2.3 Q \log \frac{r_{2}}{r_{1}}}{2 \pi\left(s_{2}-s_{1}\right)}\)       (5)

 

\(\frac{Q}{s}=\frac{2 \pi T}{2.3 \log \frac{r_{2}}{r_{1}}}\)        (6)

 

여기서, T : 투수량계수, Q : 양수량, r₂ : 영향반경, r₁ : 양수정반경, s : 수위강하량이다. 일반적으로 피압대수층은 저류계수가 작기 때문에 영향반경이 상당히 크지만, 연구지역은 자유면대수층을 대상으로 하기 때문에 영향반경이 작다. 현장에서 측정한 결과 시험과정에서 양수정에서 50m 이상에서는 양수의 영향을 받지 않는 것으로 확인되었다. 따라서, 영향반경을 50m로 했을 경우, 우물 구경에 따른 투수량계수와 SPC 비와 투수량계수 및 SPC의 관계식은  Table 12와 같으며, 우물반경 변화에 따른 T/SPC의 변화는 Fig. 14과 같이 표현될 수 있다.

 

Table 12. T and SPC ratio and relational expression according to the well radius(influence radius = 50m).

 

Fig. 14. Relationship of T and SPC ratio according to the well radius.

 

연속 대수성시험을 바탕으로 비양수량을 이용하여 우물의 효율(well efficiency, WE)는 다음 식에 의해 구할 수 있다(Han, 1998).

 

\(W E=\frac{S P C_{m}}{S P C_{t}} \times 100(\%)\)       (7)

 

여기서, WE : 우물효율(%), SPC_m : 실제 우물에서 측정한 비양수량, SPC_t : 이론식을 이용해서 구한 비양수량이다. 연구지역에서 수행한 이중필터 취수정 SD1200과 단일필터 취수정 SS300 및 SS1200의 연속 대수성시험 결과중 지하수위가 안정된 것으로 평가할 수 있는 10시간(600분) 이후구간을 대상으로 우물효율을 평가하였다. 평가결과, 이중필터 취수정인 SD1200에서 67.9%, 단일필터 취수정인 SS300 및 SS1200에서 각각 51.1%, 58.6%의 우물효율을 보였다(Table 13). 

이중필터 취수정인 SD1200과 동일두께의 필터층을 갖는 단일필터 취수정 SS1200을 비교하면, 이중필터 취수정이 단일필터 취수정 대비 약 9.3%의 우물효율이 증가되는 것으로 평가되었다. 또한, 이중필터 취수정인 SD1200과 일반적으로 설치되는 단일필터 취수정 SS300을 비교하면, 이중필터 취수정이 단일필터 취수정 대비 약 16.8% 우물효율이 증대됨을 알 수 있다. 결과적으로, 필터층 두께가 두꺼울수록 우물효율이 증대되는 것을 확인하였으며, 단일필터 대비 이중필터에서 우물효율의 증대효과가 더 큼을 확인할 수 있었다.

 

Table 13. Estimation result of well efficiency in each well(pumping test time : 600minutes after).

결  론

본 연구는 충적우물에서의 필터재의 역할을 평가하고 일반적으로 설치되는 단일취수정과 개선된 시공방법인 이중필터 취수정에 대한 비교 분석을 통하여 이중필터 취수정의 강변여과수에서의 적용성 및 개선 효과를 평가할 목적으로 수행하였다. 본 연구에서는 토층으로 이루어진 하천변의 자유면대수층에서 필터조건을 달리하여 실규모의 이중필터 취수정과 단일필터 취수정을 각각 설치하고 설치된 우물에서 대수성시험을 실시하여 필터재 조건에 따른 수위강하특성, 투수특성, 적정양수량 및 우물효율을 평가하였다.

단계 대수성시험 및 연속 대수성에서 이중필터 취수정과 단일필터 취수정의 수위강하 특성을 비교하면, 이중필터 취수정에서 더 많은 용량의 지하수를 양수함에도 불구하고 단일필터 취수정에 비해 수위강하량이 적다. 이는 이중필터 취수정이 단일필터 취수정에 비해 취수정에서의 동수구배가 완만히 형성되어 인접한 주변으로의 지하수위 강하효과를 저감시키기 때문으로 판단된다. 

각 우물에서의 단계 대수성시험과 장기 대수성시험성과를 토대로 이중필터와 단일필터의 투수성을 비교하면, 일반적으로 설치되는 필터재 두께가 얇은 단일필터 취수정 대비 147.8%~157.1%의 투수계수 상승효과가 발생하는 것으로 분석되었다. 또한, 다량의 취수를 하는 경우에는 이중필터 취수정에서 더 높은 투수계수 차이가 발생됨을 확인하였으며, 이는 양호한 두께를 갖는 필터재의 설치로 인해 우물효율이 향상되기 때문으로 판단된다.

적정 양수량 분석을 위해 수위강하량, 비수위강하량, 변곡점을 활용하여 각각 적정 양수량을 분석하였다. 수위강하량을 토대로 적정 양수량을 평가한 결과, 동일 두께의 필터층에서 이중필터 취수정이 단일필터 취수정 대비 122.2%의 양수량이 증대되는 것으로 평가되었으며, 일반적으로 설치되는 단일필터 취수정 대비 156.0%의 양수량이 증대되는 것으로 분석되었다. 비수위강하량을 토대로 적정 양수량을 평가한 결과, 동일 두께의 필터층에서 이중필터 취수정이 단일필터 취수정 대비 117.4%의 양수량이 증대되는 것으로 평가되었으며, 일반적으로 설치되는 단일필터 취수정 대비 144.5%의 양수량이 증대되는 것으로 분석되었다. 변곡점을 이용한 적정 양수량을 평가한 결과, 동일 두께의 필터층에서 이중필터 취수정이 단일필터 취수정 대비 129.2%의 양수량이 증대되는 것으로 평가되었으며, 일반적으로 설치되는 단일필터 취수정 대비 145.6%의 양수량이 증대되는 것으로 분석되었다. 적정 양수량 평가를 종합하면, 이중필터 취수정은 동일 두께(필터재 두께 40cm)의 단일필터 취수정 대비 129.9%, 일반적으로 설치되는 단일필터 취수정(필터재 두께 5cm) 대비 148.7%의 양수량을 증대시킬 수 있는 것으로 평가되었다. 

비양수량과 투수량계수를 활용하여 우물효율을 평가한 결과, 이중필터 취수정은 동일 두께의 단일필터 취수정 대비 약 9.3%의 우물효율이 증가되는 것으로 평가되었으며, 일반적으로 설치되는 단일필터 취수정 대비 약 16.8% 우물효율이 증대됨을 알 수 있다. 즉, 필터층 두께가 두꺼울수록 우물 효율이 증대되는 것을 확인하였으며, 단일필터 대비 이중필터에서 우물 효율의 증대 효과가 더 큼을 확인할 수 있었다.

결과적으로, 이중필터층을 형성시켜 주는 것은 대수층과 필터층의 경계부에서 지하수 유동의 완충작용을 하여 유입되는 지하수의 급격한 속도변화를 최소화하는 효과를 나타내는 것으로 추정된다. 이는 난류 발생을 최대한 억제하여 보다 넓은 범위의 지하수를 효과적으로 취수정 내부로 유입시키는 역할을 하고 이로 인하여 취수량이 단일필터 취수정에 비해 높음에도 불구하고 주변 지하수위의 변화를 줄일 수 있는 것으로 보인다. 또한, 이중필터의 설치만으로도 기존 시스템(단일필터 취수정) 대비 투수성, 적정 양수량, 우물 효율이 개선됨을 시험을 통해 확인할 수 있었다. 

본 연구의 결과는 앞서 수행한 다양한 연구와 종합하여 충적대수층에서의 이중필터 취수정 우물의 설계 및 시공에 대한 표준화된 기준을 마련하는데 활용할 계획이다. 또한, 강변여과수에 주로 적용되고 있는 단일필터 취수정 및 방사상집수정과 대비하여 이중필터 취수정 적용 효과에 대한 객관적 입증 자료로의 활용이 기대된다.

 

사  사

이 논문은 국토교통부의 재원으로 국토교통과학기술진흥원의 지원을 받아 수행된 연구사업(과제번호 : 17TBIP-C125148-01)입니다. 이에 깊은 감사를 드립니다.