지하수 양수시험

왜 배우는가: 지하수 양수시험은 대수층의 투수량계수·저류계수 등 수리상수를 현장에서 얻는 기본 시험이다. 지하수 취수정 설계, 양수량 결정, 오염지하수 정화계획의 수리지질조사에 공통으로 쓰여 실무에서 자주 요구된다. 기술사 시험에서도 시험 종류와 해석법을 묻는 문항으로 반복 출제된다.

출제 이력: 제126회 1교시 5번, 제98회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

지하수 양수시험은 우물에서 일정한 유량으로 물을 뽑아 주변 수위 저하(수위강하)를 관측하고, 그 자료로 대수층의 수리상수를 구하는 현장시험이다. 양수시험은 대수층에서 계획된 유량으로 양수하여 발생하는 지하수위 변동을 관측해 수리상수를 추정하는 현장시험이다

• 양수시험, 수위강하(drawdown), 투수량계수(transmissivity), 저류계수(storativity), 수리전도도, 일정양수량시험, 단계양수시험, 회복시험

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 우물에서 물을 뽑았을 때 주변 땅속 물의 높이가 얼마나, 얼마나 빨리 내려가는지를 재어 땅이 물을 얼마나 잘 전달하는지 알아내는 시험이다. 우물 주변 수위가 내려가 원뿔 모양으로 움푹 팬 면을 원뿔형 수위저하(cone of depression) 라고 부른다. 이 모양과 시간 변화가 대수층 성질을 반영한다.

정식으로는 시험정에서 유량 Q를 유지하면서 관측정의 수위강하 s를 시간 t에 따라 측정하고, 이 자료와 해석모델을 맞추어 투수량계수 T(단위 m²/day)와 저류계수 S(무차원)를 산정하는 시험이다. 수리전도도 K는 T를 대수층 두께 b로 나눈 값, 즉 $K = \frac{T}{b}$ 로 구한다(T: 투수량계수 m²/day, b: 대수층 두께 m, K: 수리전도도 m/day).

양수시험에서 쓰는 핵심 용어는 다음과 같다.

• 수위강하(drawdown): 양수 전 정수위와 양수 중 수위의 차이 s(m).
• 양수위(pumping level): 양수 중 우물 안의 수위.
• 비양수량(specific capacity): 단위 수위강하당 우물의 양수량 Q/s(m²/day). 양수량에 따라 값이 변하므로 절대 비교보다 같은 우물의 시간별 효율 비교에 쓴다.
• 우물손실(well loss): 우물 주변 스크린·필터팩에서 생기는 비선형 손실. 양수량이 커질수록 커진다.

양수시험의 결과는 대수층의 수리상수 외에도 취수정의 적정 양수량, 펌프 용량, 우물의 효율 상태를 알려 준다. 따라서 단순 수리상수 시험이 아니라 취수 계획 전체의 입력자료가 된다.

3. 등장 배경과 필요성

지하수는 땅속 대수층에 있어 직접 보이지 않으므로 실험실 시료만으로는 대수층 전체의 투수성을 대표하기 어렵다. 실내 투수시험은 교란된 소량 시료에 한정되기 때문이다. 그래서 넓은 범위의 대수층 성질을 한 번에 얻는 현장 양수시험이 필요해졌다.

취수량을 과대하게 잡으면 주변 우물 고갈, 지반침하, 해수침입 같은 문제가 생긴다. 반대로 과소하게 잡으면 시설 투자가 낭비된다. 양수시험은 이 두 위험 사이에서 적정 양수량을 정하는 근거를 준다.

오염지하수 정화에서도 수리지질 특성 파악이 필수다. 오염물질의 이동 방향과 속도를 예측하려면 대수층의 투수량계수와 저류계수가 있어야 하며, 양수시험이 그 기본 자료가 된다. 따라서 취수 설계와 환경 조사 양쪽에서 양수시험이 요구되는 배경이 된다.

4. 구성요소·원리·절차

지하수 양수시험은 일정한 유량으로 우물을 양수하면서 주변 관측정의 수위 변화를 측정하는 현장시험이다. 구성요소는 양수정, 관측정, 수위계, 유량계로 나뉜다. 시험 결과로 수리전도도, 투수량계수, 저류계수 같은 수리상수를 구한다.

양수정 수위강하(drawdown)를 시간에 따라 관측하여 대수층의 수리상수를 역산하는 것이 양수시험의 원리이다.

표의 구성요소는 시험 설계의 기본 틀이다. 관측정 이격거리가 가까우면 초기 수위 변화가 크고, 멀면 대상 영역이 넓어진다. 양수정과 관측정의 배치도는 해석 결과와 함께 제출한다.

지하수 양수시험의 절차는 다음과 같다.

• 양수 전 초기 지하수위를 측정하고 시작 시간을 기록한다.
• 계획된 일정 양수량을 유지하며 양수를 시작한다. 양수 시간은 최소 16시간 이상으로 수행한다.
• 양수 중 지하수위와 양수량을 주기적으로 관측하여 기록한다.
• 양수를 종료한 뒤 회복시험으로 지하수위 회복 상태를 정확히 측정한다.
• 관측 결과와 해석 결과를 그래프로 도시하고 2개 이상의 해석모델로 수리상수를 산출한다.
• 산출한 수리상수를 표로 정리하고 특성을 기술한다.

회복시험 자료는 양수량 변화가 심하거나 양수가 중지된 경우에 특히 유용하다. 회복 곡선은 양수 중 곡선과 함께 해석해 신뢰도를 높인다.

양수시험의 해석 원리는 Theis 해법과 같은 비정상(transient) 해석에 기초한다. Theis 해법은 균질하고 등방인 피압 대수층에서 우물의 반경을 0으로 보고, 대수층이 무한히 넓다고 가정한다. 이 가정 아래 수위강하는 우물함수 W(u)와 Jacob 근사로 계산한다. Jacob 근사는 u 값이 작을 때 시간-수위강하 직선을 이용하는 방법이다.

$s = \frac{Q}{4\pi T} W(u), \quad u = \frac{r^2 S}{4Tt}$

여기서 s는 수위강하(m), Q는 양수량(㎥/day), T는 투수량계수(㎡/day), S는 저류계수(무차원), r은 관측정까지 거리(m), t는 양수 경과 시간(day)을 뜻한다. 결과가 상식 범위인지는 T가 대수층 재질과 맞는지로 확인한다.

계단식 양수시험(step test)은 단계마다 양수량을 높여 우물 손실을 분리한다. 우물 손실은 비선형 성분이라 양수량이 커질수록 비양수량이 줄어든다. 이 특성은 펌프 크기를 정하는 데도 쓴다.

5. 관련 법령·기준·표준

오염지하수 정화 업무처리지침은 지하수 오염평가 중 수리지질조사 항목으로 양수시험을 규정한다. 지하수법 시행규칙의 관측정 구조 기준은 이 지침이 준용한다.

순간수위변화시험은 저투수성 매질에서 쓰는 보조 시험이다. 지침은 수위 변화를 자동수위기록계로 0.5~3초 간격으로 측정하도록 정한다. 수위가 초기수위로 회복될 때까지 관측하는 것을 원칙으로 한다.

관측정 설치 기준은 지침이 지하수법 시행규칙 별표 8을 준용하도록 정한다. 관측정 제원표에는 관측정명, 심도, 유공관 길이, 내경, 상부 고도를 포함한다. 수리지질조사의 결과는 지하수위를 해발고도로 환산해 등수위선도로 나타낸다.

개정 연혁은 확인된 범위에서만 쓴다. 지침의 현행 원문은 「지하수법」 제16조제2항과 같은 법 시행규칙 제29조제1항을 근거로 한다.

6. 유형과 비교

지하수 양수시험은 목적과 양수 조건에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 가장 많이 쓰는 것은 일정양수량시험(constant rate test)과 단계양수시험(step drawdown test)이다. 일정양수량시험은 양수량을 일정하게 유지하면서 수위 강하 시간 변화를 측정해 대수층의 수리상수를 구한다. 단계양수시험은 양수량을 단계별로 높이면서 각 단계의 정상 수위를 측정해 우물의 손실 특성과 적정 양수량을 구한다.