지하수 인공함양

왜 배우는가: 지하수 인공함양은 가뭄기 용수 확보와 지하수위 회복, 염수침입 방지의 핵심 수단이라 실무 설계와 이수대책 전반에서 쓰인다. 개념 정의, 방법 분류, 방법별 특징을 묻는 문제로 두 교시에 걸쳐 반복 출제되어 기본 구조를 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제126회 1교시 3번, 제104회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

지하수 인공함양은 강수·하천수·처리수 등을 인위적으로 지하 대수층에 주입하거나 지표에서 침투시켜 지하수량을 늘리는 것이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 인공함양(Managed Aquifer Recharge, MAR)
• 지하수함양(groundwater recharge)
• 수표면 증가방법(spreading of water)
• 주입정(injection well)
• 유도 지하수함양(induced recharge)
• 대수층(aquifer)
• 지하수 과채(overdraft)
• 염수침입 방지

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 지하수를 뽑아 쓴 만큼 땅속에 물을 다시 채워 넣는 일이다. 자연 상태의 지하수함양은 비가 땅에 스며드는 것으로 일어난다. 인공함양은 이 자연 과정을 사람이 조절해 함양량과 시기를 늘린다.

정식 정의는 다음과 같다. 지하수함양은 지하수층에 물이 자연적 또는 인위적으로 차는 것을 말하며, 인공함양은 그중 인위적으로 물을 넣는 경우다. 지하수 관리에서는 관리형 대수층 함양(Managed Aquifer Recharge, MAR)이라는 말을 함께 쓴다. 목적에 따라 수량 회복과 수질 개선을 함께 노린다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

대수층은 물을 저장하고 흘려보낼 수 있는 투수성 지층이다. 함양은 이 층에 물이 들어가는 과정이다. 대수층 용량이 클수록 함양수를 많이 보관할 수 있다.

수표면 증가방법은 지표에 물을 넓게 펼쳐 침투 면적을 늘리는 방식이다. 침투지, 하상변경, 도랑, 범람 방식이 여기에 속한다.

주입정은 우물을 통해 물을 깊은 대수층에 직접 넣는 시설이다. 주변 지표 조건과 무관하게 목표 층에 물을 넣을 수 있다.

유도 지하수함양은 하천 가까이 설치한 양수정에서 물을 뽑아, 하천수가 제방 아래 지하로 스며들게 하는 방식이다.

3. 등장 배경과 필요성

지하수 인공함양이 필요해진 배경은 지하수 과다 양수다. 농업용수와 생활용수를 지하수에 의존하면서 대수층 수위가 장기간 내려갔다. 수위가 떨어지면 양수 비용이 늘고, 지반 침하와 해안 지역 염수침입 같은 문제가 생긴다.

가뭄 시기에는 지표수 공급이 줄어들어 지하수 의존도가 더 커진다. 이때 지하수가 과다하게 빠지면 회복이 늦어진다. 인공함양은 우기의 잉여 강수나 홍수 유량을 지하에 저장해 두었다가 갈수기에 쓸 수 있게 한다. 즉 지하가 자연 저류지 역할을 하도록 만드는 것이다.

인도에서는 과다 양수로 경질암 대수층의 지하수가 고갈되어, 2007년 지하수 함양 굴착 사업이 추진된 사례가 있다. 이는 수량 회복 목적의 인공함양이 정책 수단으로 쓰인 예다. 또한 축산 폐수나 도시 유출수 같은 오염 부하를 관리하기 위해 함양 과정에서 정화 효과를 얻으려는 필요도 커지고 있다.

지하수 과다 양수가 지속되면 수위가 장기간 떨어져 인공함양의 필요성이 커진다.

4. 구성요소·원리·절차

지하수 인공함양은 지표수나 처리수를 대수층에 의도적으로 넣는 시설과 방법의 집합이다. 구성요소는 수원, 취수·전처리 설비, 함양 시설, 대수층, 양수 설비로 나뉜다. 함양 방법은 물을 지표에 넓게 분포시키는 방법과 우물을 통해 직접 주입하는 방법으로 크게 나뉜다.

표의 구성은 함양 방식에 따라 시설만 달라진다는 점을 보여 준다. 전처리 설비는 함양 효율을 좌우하므로 답안에 빠뜨리지 않는다.

원리는 중력에 의한 침투와 대수층 내 흐름이다. 지표에 놓인 물은 토양층을 거쳐 지하수면까지 내려가고, 대수층 내부에서 수리경사를 따라 퍼진다. 불포화대에서는 모관력과 중력이 함께 작용하며, 포화대에 도달하면 수두 차에 따라 흐른다. 함양량은 투수계수와 수리경사, 함양 면적에 비례하고 막힘 현상으로 시간이 지나며 감소한다.

인공함양의 기본 절차는 다음과 같다.

• 함양 대상 대수층과 지하수위, 투수성 조사를 한다.
• 함양수 수원을 선정하고 수질 기준에 맞게 전처리한다.
• 함양 방법(표면 함양 또는 주입 함양)을 지층 조건에 따라 정한다.
• 함양 시설을 설치하고 시험 운영하여 함양률을 측정한다.
• 함양수와 지하수의 수질 변화, 막힘 여부를 주기적으로 모니터링한다.
• 함양된 지하수를 양수하여 이용하고 수위 변화를 관리한다.

인공함양량은 함양 면적과 침투율로 개략 산정할 수 있다.

$Q_r = A \times i \times t$

여기서 Q_r은 함양량(㎥), A는 함양 면적(㎡), i는 평균 침투율(m/d), t는 함양 기간(d)이다. 예를 들어 A = 10{,}000\,㎡, i = 0.5\,m/d, t = 30\,d이면 Q_r = 150{,}000\,㎥이다. 실제 침투율은 시간에 따라 감소하므로 이 값은 상한에 가깝다.

가장 기본적인 구성도는 다음과 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내에서 인공함양을 직접 규율하는 단일 기준은 명확히 정해져 있지 않다. 실무에서는 「지하수법」에 따른 지하수 개발·이용 관리 체계와 수질 기준을 함께 적용한다. 함양수의 수질은 「먹는물관리법」 등 용도별 수질기준을 따르며, 이 기준값은 함양 대상 용도에 따라 달라진다.

표의 항목은 기준 체계를 보여 준다. 수질 기준과 개발 가능량 기준은 법령에 따르고, 주입압과 침투지 수위는 설계 조건에 따라 정한다.

인공함양 설계에서 함양수는 원수 수질이 대수층 수질 기준을 넘지 않도록 관리한다. 함양 후 수질이 개선되는 자연 정화 효과가 있으나, 원수가 기준을 크게 벗어나면 전처리가 필요하다. 함양 수량은 지하수 개발 가능량 범위 안에서 관리해야 한다.

인공함양은 수질·수량·지층 조건을 함께 검토해 방법을 정한다.

6. 유형과 비교

지하수 인공함양은 물을 대수층에 넣는 방식에 따라 크게 세 가지로 나눈다. 수표면 증가방법(spreading of water), 우물을 이용하는 방법, 유도 지하수함양(induced recharge) 방법이다. 각 방법은 함양 장소가 지표면인지 지중인지, 하천과 연결되는지에 따라 구분된다. 같은 함양량이라도 설치비와 유지관리 부담, 수질 처리 요구 수준이 달라 현장 조건에 맞춰 고른다.

수표면 증가방법은 침투지법, 하상변경법, 도랑법, 범람법으로 세분한다. 이 방법들은 지표에 물을 넓게 펼쳐 자연 침투에 맡기므로 부지가 넓고 투수성이 좋은 충적층에 적합하다.