강변여과수

왜 배우는가: 강변여과수는 하천 제방 주변의 지하 자연여과를 이용해 원수 수질을 개선하는 취수 방식으로, 가뭄기 안정적 수원 확보와 수질 개선 대책으로 실무에서 자주 검토된다. 시험에서는 정의, 취수방법, 국내 적용 사례를 함께 묻는 방식으로 반복 출제된다.

출제 이력: 제116회 3교시 4번, 제92회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의: 강변여과수는 하천수를 강변 지반의 모래·자갈층으로 통과시켜 얻는 지하수 형태의 취수원이다.

핵심 키워드

• 강변여과수(Riverbank Filtration, RBF)
• 집수정(collector well)
• 수평집수관(horizontal collector)
• 유하거리
• 자연여과
• 하상여과
• 방사형 집수정
• 수직형 취수정

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 강 옆에 우물을 파서 강물이 땅속을 지나 올라오게 한 물이 강변여과수다. 강물이 모래와 자갈 사이를 천천히 흐르는 동안 부유물과 세균이 걸러지므로, 강물을 직접 떠오는 것보다 수질이 좋다.

정식 정의는 다음과 같다. 하천 또는 호소 옆의 충적층에 집수정이나 집수관을 설치하고, 하천수가 강바닥과 강변 지반을 통과하며 자연 여과된 물을 양수하는 취수 방식이다. 이때 얻은 물을 강변여과수라 한다.

자연여과는 물이 지반 입자 사이를 지나며 현탁물질과 미생물이 제거되는 과정이다. 현탁물질은 입자 사이의 간극에서 걸러지고, 미생물은 흐름 경로에서 흡착·분해되어 줄어든다. 취수지점과 하천 사이의 거리가 길수록 자연여과 효과가 커진다.

집수정은 강변에 굴착한 우물 형태의 취수시설이다. 중심 정에서 사방으로 수평관을 뻗은 방사형 집수정은 넓은 면적의 물을 한 곳에 모은다.

수평집수관은 강 방향으로 지반 아래에 묻는 수평 관이다. 관의 공극이나 구멍으로 물이 들어와 집수정으로 모인다.

하상여과는 강바닥 퇴적층을 통해 여과되는 방식이며, 강변여과와 함께 자연여과 취수의 한 형태로 본다.

3. 등장 배경과 필요성

국내 강변여과수 개발은 1990년대 말부터 생활용수와 하천유지용수 공급을 목적으로 추진되었다. 한강, 낙동강, 금강, 영산강, 섬진강 유역에서 개발 타당성 조사가 이어졌다. 낙동강 하류의 창원시와 함안군은 강변여과수 취수장을 운영하고 있으며, 김해시도 건설을 진행한 바 있다.

배경은 두 가지다. 첫째, 하천수 직접 취수는 호우와 갈수기에 탁도·유기물·세균 농도가 크게 변한다. 강변여과수는 지반이 자연 여과 역할을 하므로 수질 변동이 완충된다. 둘째, 우리나라는 1인당 수자원량이 적고 하천수 이용률이 높아 가뭄 시 여유수량이 부족하다. 강변여과수는 하천 주변 지하에 저장된 물을 이용하므로 갈수기 수원 확보에 도움이 된다.

최근에는 4대강 보 건설로 하천수위가 상승하면서 주변 지하수위도 올라갔다. 보 상류 저지대 지하수위가 과거보다 약 2~3m 상승한 사례가 보고되어, 집수정의 수위강하량을 키워 취수량을 늘릴 수 있게 되었다. 이는 강변여과수 개발가능량 재산정이 필요한 이유가 된다.

취수지점 기준 유하거리 2km 는 상수원관리규칙이 강변여과수 보호구역의 표준거리로 정한 값이며, 지하 깊이·수질·취수량·토양 투수계수 등을 함께 고려해 지정한다.

4. 구성요소·원리·절차

강변여과수는 하천 바닥이나 하안의 모래·자갈층을 통과하면서 자연적으로 여과된 지하수다. 구성요소는 집수 방식에 따라 달라진다. 우물형 집수정(수직 취수정)과 방사형 집수관(방사형 집수정), 수평 집수관 방식인 집수암거(infiltration gallery) 가 대표적이다.

수직 취수정과 방사형 집수정은 충적층 두께와 투수성에 따라 선택한다. 집수 면적이 넓을수록 취수량이 커진다. 집수암거는 하천 가까이에 얕게 설치되므로 하천 유량 변화의 영향을 많이 받는다.

강변여과의 원리는 하천수가 하상과 하안의 충적층을 통과하는 동안 물리적 여과, 흡착, 생물학적 분해가 함께 일어나는 것이다. 수두차에 의해 하천에서 취수정 쪽으로 물이 흐르고, 흐름 거리가 길수록 탁질과 미생물이 더 많이 제거된다. 충적층 표면에 생물막이 형성되면 유기물 분해가 활발해진다.

절차는 다음과 같다.

• 지질·수리지질 조사로 충적층 두께, 투수계수, 하상 구성을 파악한다.
• 개발가능량을 산정하고 취수 방식(수직, 방사형, 집수암거)을 선정한다.
• 시험 양수로 대수층 정수와 취수정 특성을 확인한다.
• 집수정과 집수관을 설치하고 취수 펌프와 송수관을 연결한다.
• 운영 중 수위 강하량과 수질을 감시하고 취수량을 조정한다.

강변여과수의 취수량은 다음 관계로 개략 검토한다.

$Q = K \cdot i \cdot A$

여기서 Q는 취수량(㎥/day), K는 대수층 투수계수(m/day), i는 동수경사(무차원), A는 흐름 단면적(㎡)이다. 실제 설계는 양수시험 결과와 수치 모델로 보정한다.

다음 도식은 강변여과수의 흐름과 취수 구성을 보여 준다.

5. 관련 법령·기준·표준

강변여과수 취수와 관련된 기준은 상수원 보호구역 지정 기준이 대표적이다. 「상수원관리규칙」 제4조는 지하수와 강변여과수의 보호구역 표준거리를 정한다. 강변여과수는 취수지점을 기점으로 유하거리 2킬로미터 를 표준거리로 하고, 지하 깊이·수질·취수량·토양 투수계수·지층 구조 등을 고려해 지정한다. 지하수는 반경 200미터 를 표준거리로 한다. 심층 지하수는 반경 20미터 이다.

수도 시설 계획에서는 계획 취수량에 여유 수량을 더한다. 계획 1일 최대 급수량의 5~10%를 추가 취수하며, 원칙적으로 10% 를 더한다. 이는 상수도 시설 손실과 세척수를 고려한 것이다.

국외 기준은 독일 등에서 강변여과를 널리 쓰지만, 본 절에서는 국내 기준을 중심으로 다룬다.

강변여과수 개발 가능량 평가에는 경험식이 쓰인다. 국내 연구에서는 보 담수 전후의 개발 가능량을 여러 경험식으로 비교했다. 이런 평가는 하천 수위 변화에 따라 달라지므로 수위 조건을 함께 기록해야 한다.

6. 유형과 비교

강변여과수 취수 방식은 집수 구조에 따라 수직형 취수정, 방사형 집수정, 집수관(수평 집수관) 으로 나뉜다. 세 방식은 집수 면적, 설치 깊이, 하천과의 거리가 서로 달라 현장 조건에 맞춰 고른다.

비교표에서 보듯 방사형 집수정은 수평관으로 집수 면적을 넓혀 대량 취수에 유리하다. 집수관은 얕은 하상에서 구조가 단순하나 퇴적물 축적이 없는 곳에 맞는다.

강변여과수는 하천수가 지층을 통과하며 여과되므로 직접취수보다 수질 변동이 작다. 호소변 여과수와는 수원이 하천인지 호소인지만 다르다.