영천댐 도수터널 주변지역 지하수위 영향 분석

Effect of the Yeongcheon Dam Waterway Tunnel, Korea, on Local Groundwater Levels

Abstract

본 연구에서는 경상북도 청송군 현서면과 안덕면 일원에 설치되어 있는 영천댐 도수터널 구간과 도수터널 주변지역의 지하수위를 측정하여, 도수터널 시공 이전 대비 지하수위 회복여부를 조사하였다. 2017년 9월부터 2018년 8월까지 매월 1회 이상 총 12회에 걸쳐 지하수 관정 156공에 대한 지하수위를 측정하였으며 지하수위 관측조사 결과, 직접 영향구역에 분포하는 관정의 지하수위 값이 간접 영향구역의 값에 비하여 상대적으로 낮은 수치를 보이고 있다. 이러한 결과는 지형조건보다는 지질학적 불연속면으로 작용하는 도수터널에 의한 영향, 즉 지하수 흐름이 직간접적인 경로를 통하여 도수터널로 유출되는 것에 지배적으로 영향을 받는 것으로 추정되며, 향후 지하수 시설물의 유지관리 및 지하수 환경의 보전을 위하여 지속적인 모니터링 및 추가 조사가 필요하다.

The study area is located in Hyeonseo-myeon and Andeok-myeon of Cheongsong-gun, Korea around the Yeongcheon dam waterway tunnel, and in this paper, it is analyzed whether the groundwater level is recovered or not compared to groundwater level before waterway tunnel construction by measuring the groundwater level of 156 wells which were installed in areas near and away from the waterway tunnel. From September 2017 to August 2018, the groundwater level of the well was measured at least once a month, and as a result of groundwater level observation survey, the groundwater level of wells distributed in the directly affected zone by the waterway tunnel is relatively lower than that of the indirectly affected zone apart from the waterway tunnel. These results are estimated to be predominantly affected by the effect of waterway tunnel acting on geologic discontinuities rather than by terrain conditions, i.e. groundwater flows being leaked to the waterway tunnel through direct or indirect channels. Continuous monitoring and further investigation will be required to maintain groundwater facilities and preserve groundwater environments in the future.

서론

우리나라는 국토 면적의 70% 이상이 산악지형으로 구성되어 있는 지형적 특성상 그리고 지하공간 활용의 증가에 따라 지하구조물 설치를 위한 지표 하부 굴착작업은 불가피하다. 특히, 오늘날과 같은 고도 산업사회에서는 철도 및 도로터널, 도수터널, 지하 에너지 저장시설, 방사성 폐기물 저장소, 유류 저장탱크 및 식품저장시설 등의 각종 지하구조물 시설은 필수적이라 할 수 있다. 그러나, 지하구조물 설치를 위한 굴착작업을 진행하는 경우 지하 암반 내의 공극이나 불연속면을 따라서 유동하는 지하수가 지하 구조물 내로 유출되고 지하수 고갈과 같은 환경문제를 초래하게 된다(Park et al., 2001; Lee et al., 2009). 특히, 도수터널 주변지역에서는 지하수위 저하 현상이 빈번하게 나타나며, 이러한 현상은 터널 굴착으로 인한 터널 내로의 지하수 유출에 기인하는 것으로 보고되고 있다(Lee et al., 2002; Park et al., 2012).

대규모 지하 터널 굴착 시에 발생하는 지하수 유동변화는 터널의 안정성뿐만 아니라 주변 지역의 환경변화에 매우 중요한 요인으로 작용한다. 터널 굴착시 단층 및 단층파쇄대, 절리나 층리 등의 지질 구조대를 통과하게 되면 이 구조대를 따라서 주변 대수층의 지하수 흐름이 터널 방향으로 변경되어 터널 내로 지하수가 유입된다(Lee et al., 2004, 2005). 이로 인하여 주변 지역의 지하수위가 하강하고 농업 및 생활용수 등에 영향을 미치게 된다(Kim, 2011; Park et al., 2012). 따라서, 터널 굴착으로 인한 지하수 유출량 변화와 수리지질 매개변수와의 관련성 파악 및 터널 완공 후 주변 지역의 지하수위 회복 여부에 대한 지속적인 모니터링 등 정확한 지하수환경 규명을 위한 노력들이 수반되어야 한다(Lee et al., 2003).

연구 지역은 도수터널 굴착으로 인하여 터널 주변지역 대수층의 지하수가 터널 내로 유입되었으며, 지하수위가 수 m에서 최대 250 m까지 하강되었고 지표수와 지하수의 수량 감소 현상이 발생한 바 있다. 이로 인한 대규모의 민원이 제기되면서 터널굴착 완료 후 터널굴착으로 하강되었던 지하수위의 회복정도와 회복시기를 수치해석적 방법으로 모델링하여 예측하였으며(KIGAM, 2000), 이 조사결과를 근거로 청송군과 한국수자원공사는 2002년과 2012년에 영천댐도수터널과 관련된 협약을 체결하였다. 본 연구의 목적은 연구지역 일대의 영천댐 도수터널 구간 및 터널 주변 지역에 분포하는 지하수 관정 시설물에 대한 현황조사 및 지하수위 관측조사를 실시하여, 도수터널과 관련된 지하수공의 수위 회복여부를 파악하는 것이다. 이를 통해, 도수터널 시공 완료 후의 지하수위 측정자료 분석 결과 및 지하수 관정 시설물 현황조사 결과를 근거로 하여 향후 도수터널 관련 지역에 분포하는 지하수 시설물의 효율적인 유지관리에 활용하고자 한다. 금회 조사에서는 도수터널 시공 시점과 2009년 한국농어촌공사에서 수행한 수위관측조사용역 수행 시의 지하수위 측정값을 비교 ‧ 분석하여 터널시공 완료 후(2017년 9월부터 2018년 8월까지)의 자연수위 회복상태를 조사하였다.

연구지역 현황 및 자료 수집

연구지역의 지질

연구지역은 경상북도 청송군의 현서면과 안덕면 일원으로 영천댐 도수터널에 의한 직접 및 간접 영향범위를 확인하기 위해 넓게 설정하였다(Fig. 1a). 연구지역의 지질은 경상퇴적분지 하양층군(사곡층, 춘산층, 신양동층)의 퇴적암류와 유천층군의 화산암류 및 이를 관입한 불국사 관입암류들이 분포하며 상기 지층들을 제4기 충적층이 피복한다(Chang et al., 1977; Fig. 1b). 퇴적암류는 사암과 셰일이 호층을 이루고, 암색은 자색, 녹회색 및 회색으로 접촉변성작용을 받아 대부분이 혼펠스화되어 있다. 층리는 EW 또는 WNW의 주향에 15~25°의 경사각을 가지며, 익간경사각(interlimb)이 큰 향사형의 개방습곡 형태를 이루고 있다. 이들 퇴적암류는 층리 발달이 매우 양호하며 층리면은 지하수의 주요 유동 통로 역할을 하고 있다. 또한, 부분적으로 파쇄된 사암층은 조사지역의 주 대수층을 형성하고 있다.

Fig. 1. Location and geological map of the study area (Chang et al., 1977).

연구지역에서 주로 나타나는 지질구조는 습곡과 단층 및 절리들이며, 이들의 방향과 규모 등은 지하수 유동에 매우 큰 영향을 미친다. 연구지역에 발달하고 있는 단층은 서북서 방향의 좌수향 주향이동단층이 지배적이며 현서면 화목리를 중심으로는 거의 NS 또는 NNE-SSW 방향의 단층들이 발달하고 있다. 서북서 방향의 좌수향 주향이동단층으로는 금천단층과 가음단층이 있으며, 연구지역에 주로 분포하는 불연속면들은 이들 두 단층과 관련되어 동서 또는 서북서 방향으로 많이 발달하고 있다. 상기한 지질구조는 지하수 유동의 주요 통로 역할을 하며, 실제 도수터널 내로의 많은 양의 지하수 유출 및 주변 지역 지하수공들의 지하수위 하강 양상은 이들 불연속면들의 발달에 의한 영향이 지배적이다(Park et al., 2001; Lee et al., 2003).

터널 현황

영천댐 도수터널은 임하댐 및 길안천의 물을 영천댐으로 도수하여 경북 동남부 지역에 용수를 공급하고 금호강의 수질을 개선하기 위한 목적으로 1991년 4월에 착공하여 2002년 12월말에 준공되었다. 터널 길이는 경북 안동시 길안면 송사리 터널 입구로부터 청송군 및 포항시 일부지역을 지나 영천시 자양면 충효리의 터널 출구까지 총 연장 32.97 km에 달하며 본 터널과 3개의 사갱으로 구성되어 있다. 터널 대부분의 구간은 지표하 100~800 m 깊이에 위치하고 있으며 터널 입구(183 m)와 출구(162 m)의 고도차가 21 m인 완만한 경사도(0.06%)의 자연유하식 수로 터널이다(Fig. 2).

Fig. 2. Cross-section of the waterway tunnel.

터널 방향은 남북 및 남동방향으로 입구쪽의 안동시 길안면 송사리에서 청송군 현서면 백자리 사이의 구간은 남북방향이며 백자리에서 출구쪽의 영천시 자양면 충효리 사이의 구간은 남동(N40°W)방향이다. 터널의 약 11 km 구간은 수정마제형의 재래식 발파 NATM(New Austrian Tunnelling Method)식 터널이며 나머지 22 km 구간은 TBM(Tunnel Boring Machine) 공법으로 굴착되었다(Figs. 3 and 4).

Fig. 3. Segmentation chart of the waterway tunnel.

Fig. 4. Inner cross-section and the form of support of the waterway tunnel.

자료 수집

연구지역 일대에 분포하는 지하수 시설 중 지하수위 측정이 가능한 관정은 총 156공이며, 행정구역별로는 현서면에 118개소와 안덕면에 38개소가 있다. 지하수위 측정은 도수터널과 이격거리가 2 km 내로가까운 직접 영향구역(인접지역)과 2 km 초과인 간접영향구역(이격지역)으로 구분하여 실시하였다 . 인접지역의 경우, 현서면의 83개소 중 58개소(70%)와 안덕면 32공의 관정 중에서 14공(44%), 총 115개소의 지하수 시설 중 72공(63%)이 해당되며, 그 외 이격지역에 분포하는 84공을 포함하여 총 156공에 대하여 지하수위 관측조사를 수행하였다(Fig. 5).

Fig. 5. Location map of the groundwater level obervation well in the study area.

지하수위 분석

지역별/월별 지하수위

전체 암반관정의 평균 지하수위는 지표하 22.48 m이며 최저수위와 최고수위의 차이는 평균8.73 m로 나타난다(Table 1). 도수터널이 통과하는 현서면의 두현리와 무계리, 백자리, 그리고 수락리와 안덕면 감은리 및 덕성리는 직접 영향구역으로 분류되며, 직접 영향구역에 대한 72개 관정의 평균 지하수위는 지표하 28.09 m이며 최저 수위와 최고 수위의 차이는 평균 12.77 m의 값을 보이고 있다. 반면, 도수터널에 간접적으로 영향을 받는 간접 영향구역에 분포하는 84개 관정의 평균 지하수위는 지표하 17.67 m로 최저 수위와 최고 수위 차이 또한 평균5.27 m로 나타나 직접 영향구역의 값과 비교할 때 상대적으로 작은 값을 보이고 있다. 즉, 도수터널 직접 영향구역에 분포하는 관정의 수위 변화 폭이 간접 영향구역 보다 약 12 m 더 크며 지하수위도 약 10 m가 낮음을 알 수 있다. 이는 도수터널 직접 영향구역의 지하수위가 간접 영향구역보다 상대적으로 낮은 값을 보이고 있으며, 수위변화 폭도 커서 직접 영향구역에 분포하는 지하수 관정의 수위변동이 도수터널에 의한 영향이나 지하수 이용, 또는 강우 여부에 따라 간접 영향구역보다 민감하게 변화함을 지시한다고 추정할 수 있다.

Table 1. Average groundwater level and width of level difference in the directly affected zone and indirectly affected by the waterway tunnel

일반적으로 특정지역에서 특정기간 동안에 발생하는 지하수위 변화는 강우에 의한 지표수의 지표하 침투량과 지하수 이용(양수)에 의해 지배적으로 발생한다. 본 조사 시 직접 영향구역에 분포하는 관정의 경우, 최저 및 최고수위의 차이값이 간접 영향구역의 값보다 현저하게 큰 값을 보이고 있으며, 이는 도수터널과 이격되어 있는 간접 영향구역에 분포하는 관정과 비교할 때 상대적으로 수위 회복 능력에 있어 상당한 차이를 보여주고 있으며, 도수터널에 의한 영향을 지배적으로 받는 것으로 추정된다.

한편, 지하수위 조사기간인 2017년 9월부터 2018년 8월까지 청송군의 도수터널이 통과하는 직접 영향구역의 월별 평균 지하수위는 5월에 22.5 m로 최소값을 보이며, 3월에는 조사기간 중 최대값인 31.2 m로 나타난다. 반면 간접 영향구역의 월별평균 지하수위는 4월과 6월에 16.7 m의 최소값을, 9월에 19.4 m의 최대값을 보이고 있어 직접 영향구역의 수위보다 상승되어 있는 경향을 보이고 있다. 또한, 지역별 최대수위와 최소수위값의 차이는 직접 영향구역은 8.6 m, 간접 영향 구역은 2.7 m로 직접 영향구역의 값이 간접 영향구역보다 크게 나타난다(Table 2).

Table 2. Monthly mean value of groundwater level during survey period (unit: GL(groundwater level)-m)

표고에 따른 지하수위

일반적으로 지하수위와 지형 경사의 관계는 비례하며(Chung et al., 2007), 지형기복(topographic relief)이 지하수면의 기복을 유발하는 것으로 알려져 있다(Fetter, 2000). 이론적으로 국지적인 지하수 유동계에서는 지형적으로 높은 곳에 지하수 함양지역이 위치하며, 유출지역은 인접한 낮은 지형에 위치한다. 지형적 높이 차이에 따라 함양지역에서는 지표면과 지하수면 사이에 두꺼운 비포화대가 존재하여 상대적으로 지하수위가 큰 값을 보이며, 유출지역에서는 지하수면이 지표면 가까이에 위치하여 상대적으로 지하수위가 상승한 상태를 유지한다.

본 연구에서는 도수터널 직접 영향구역과 간접 영향구역에 대한 표고와 지하수위와의 관련성을 분석하였다. 직접 영향 구역의 경우, 평균 지하수위는 지표하 23.6 m이며 두현리가 지표하 33.5 m로 최대값을, 성재리는 지표하 11.4 m로 가장 낮은 수위값을 나타낸다. 반면, 간접 영향구역의 경우, 평균 지하수위는 지표하 11.2 m이며 최대값은 갈천리에서 지표하 18.7 m이고 최소값은 월정리에서 지표하 7.5 m로 나타난다(Tables 3 and 4).

Table 3. Average elevation and groundwater level of the well distributed in the directly affected zone by the waterway tunnel

Table 4. Average elevation and groundwater level of the well distributed in the indirectly affected zone by the waterway tunnel

연구지역에 분포하는 관정의 평균 표고와 지하수위와의 관계는 도수터널 영향지역별로 뚜렷한 차이점을 보이고 있다. 즉, 도수터널 간접 영향구역은 일반적으로 알려진 관정 표고와 지하수위의 선형적 비례관계를 보이는 반면, 직접 영향구역의 경우에는 지형 경사와 지하수위의 일반적인 경향을 보이지 않고 있다(Fig. 6). 직접 영향구역에서는 표고에 비하여 상대적으로 수위값이 많이 저하되어 있는 것을 볼 수 있다.

Fig. 6. Average elevation and groundwater level of wells in the study area.

상기의 현상은 직접 영향구역에 분포하는 관정의 지하수 흐름이 직 ‧ 간접적인 경로를 통하여 도수터널로 유출되는 것에 주로 기인하는 것으로 도수터널 주변지역에 분포하는 단층, 습곡, 절리, 층리 등의 지질구조에 의한 영향이 주요 원인일 것으로 판단된다.

등수위선도

156개의 관측공에 대한 수위측정 결과를 강우량(Fig. 7)에 따른 시기별로 분석하기 위해 2017년 9월부터 2018년 8월까지의 연간 수위자료와 갈수기와 풍수기에 해당하는 지하수위 측정값이 동일한 지점을 연결하여 지하수위 등수위선도를 작성한 후 그 결과를 비교하였다(Fig. 8). 12개월 동안 측정한 연평균 등수위선도의 경우, 직접 영향구역인 두현리, 덕성리, 백자리, 수락리, 그리고 무계리 지역을 중심으로 지하수위가 집중적으로 하강되어 있는 것을 알 수 있다(Fig. 8a). 한편, 조사기간 중 상대적으로 강수량이 적은 2017년 11월~2018년 2월까지의 갈수기와 2017년 9월~2017년 10월 및 2018년 3월~2018년 8월까지의 풍수기에 대한 등수위선도 작성 결과를 보면, 연평균 등수위선도와 유사한 패턴을 보이고 있다(Figs. 8b and 8c). 이러한 현상은 직접 영향구역의 수위값이 강우에 의한 영향보다는 도수터널에 의한 영향을 지배적으로 받는 것에 기인하는 것으로 판단된다.

Fig. 7. Precipitation of survey period in the study area.

Fig. 8. Equipotential lines of the study area.

수위회복

영천댐 도수터널이 주변 지역 지하수위에 미치는 영향을 분석하고 회복 시기를 파악하기 위해 “영천댐 도수터널 주변 지역 지하수 회복시기 예측” 조사를 수행한 바 있다(KIGAM, 2000). 조사내용은 도수터널 주변지역에 분포하는 관정에 대한 지하수위 측정과 터널 내 지하수 배출량 분석 및 지하수위 회복 수치해석이 포함된다. 자연 상태의 지하수 환경을 정확하게 반영하기 어렵다는 한계가 있지만, 수치해석 결과 터널 내 라이닝과 그라우팅을 통해 터널 내부로의 지하수 유입량을 감소시키면 10년에서 20년 내에 지하수위는 터널공사 이전 자연수위인 지표하 8~12 m로 회복될 것이라고 보고한 바 있다. 또한, 한국농어촌공사에서 “영천댐 도수터널 지하수 수위관측” 조사를 실시한 결과(KRC, 2010), 터널 인근 관정의 자연수위는 터널 굴착 이전 상태로 회복하지 못한 상태이며, 이는 터널 내 지하수 유입과 관정의 양수로 인해 지하수 회복이 늦어지고 있는 것에 기인하는 것으로 판단하였다. 본 연구에서는 도수터널 주변에 분포하는 마을별로 156공에 대하여 지하수위를 측정하였으며, 조사 결과를 도수터널 시공 이전과 2009년 및 2018년의 자연수위와 비교하여 수위 회복 여부를 검토하였다. 검토 결과, 조드미와 고평 마을을 제외한 모든 마을에서 현재까지 터널굴착 이전의 자연수위로 회복하지 못하고 있는 것으로 분석된다(Table 5).

Table 5. The result of groundwater level comparison by village (unit: GL-m)

*KIGAM (2000) report estimated that natural groundwater level was GL- 8-12 m before waterway tunnel construction.

**tunnel conductance: coefficient which manes head loss between groundwater systems near tunnel areas and away from tunnel areas (Lee et al., 2004, 2005).

또한, 지하수위 측정가능 관정 156개소 중에서 청송군이 한국수자원공사로부터 인수하여 관리하고 있는 67개 관정에 대한 측정 결과를 별도로 분석하였다. 조사대상 관정 67개소 중 수위 측정이 불가능한 관정 12공을 제외한 55개소 관정에 대하여 지하수위를 측정한 결과, 2000년에 한국자원연구소에서 추정한 도수터널 개발 이전의 자연수위값인 8~12 m (평균 10 m)보다 지하수위가 회복되지 못한 관정은 42공(76%), 이보다 상승된 관정은 13공(24%)으로 파악된다(Table 6).

Table 6. The data of groundwater level measurement of K-water takeover wells (unit: GL-m)

금회 측정한 지하수위와 도수터널 건설 전추정 자연수위(10 m)와 비교하면 관정이 상대적으로 가장 많이 분포하고 있는 두현리의 경우, 18개 관정이 도수터널 건설 전 자연수위로 회복하지 못한 것으로 파악되며 백자리 14개소의 지하수위 또한 터널 공사 이전의 수위값으로 회복되지 않은 것으로 확인된다(Fig. 9).

Fig. 9. The result groundwater level recovery of K-water takeover wells in the study area.

결론

본 연구에서는 경상북도 청송군 현서면과 안덕면 일원에 설치되어 있는 영천댐 도수터널 구간과 도수터널 주변지역의 지하수위를 측정하여, 도수터널 시공 이전과 2009년, 그리고 터널시공 완료 후인 2018년의 자연수위 측정값을 비교하여 지하수위 회복여부를 조사하였다.

조사지역에 분포하는 지하수 관정 중 지하수위 관측 조사가 가능한 관정은 현서면 118개소와 안덕면 38개소로 총 156공이며 2017년 9월부터 2018년 8월까지 매월 1회 이상 지하수위(자연수위)를 측정하였다. 총 12회에 걸쳐 측정한 지하수 관정 156공에 대한 평균 지하수위는 22.48 m이며 최저수위와 최고수위의 차이는 평균 8.73 m로 나타난다.

도수터널이 통과하는 직접 영향구역에 대한 72개 관정의 평균 지하수위는 28.09 m이며 최저 수위와 최고 수위의 차이는 평균12.77 m의 값을 보이고 있다. 반면, 도수터널 영향을 상대적으로 덜 받는 간접 영향구역에 분포하는 84개 관정의 지하수위는 평균17.67 m이며 최저 수위와 최고 수위 차이 또한 평균5.27 m로 나타나 직접 영향구역의 값과 비교할 때 상대적으로 작은 값을 보이고 있다.

도수터널 직접 영향구역에 분포하는 관정의 수위 변화 폭이 간접 영향구역 보다 약 12 m 더 크며 지하수위도 약 10 m가 낮은 현상을 보이고 있다. 이는 도수터널 직접 영향구역에 분포하는 지하수 관정의 수위변동이 도수터널에 의한 영향에 따라 간접 영향구역보다 민감하게 변화함을 지시한다고 할 수 있다.

한국수자원공사로부터 인수하여 청송군이 관리하고 있는 67개 관정 중 수위측정이 불가능한 관정 12공을 제외한 55개소 관정에 대하여 지하수위를 측정하였다. 측정 결과, 한국자원연구소에서 예측한 도수터널 굴착이전 자연상태의 지하수위인 8~12 m보다 지하수위가 회복되지 못한 관정은 42개소로 나타나며 수위가 회복된 관정은 13공으로 파악된다.

청송군에서 관리 중인 67개소의 지하수 시설물을 포함하여 총 156공에 대한 지하수위 관측조사 결과, 직접 영향구역에 분포하는 관정의 지하수위 값이 간접 영향구역의 값에 비하여 상대적으로 낮은 수치를 보이고 있다. 이러한 결과는 지형 조건보다는 지질학적 불연속면으로 작용하는 도수터널에 의한 영향, 즉 지하수 흐름이 직간접적인 경로를 통하여 도수터널로 유출되는 것에 지배적으로 영향을 받는 것으로 추정되며, 향후 지하수 시설물의 유지관리 및 지하수 환경의 보전을 위하여 지속적인 모니터링 및 추가 조사가 필요할 것으로 판단된다.