지하댐

왜 배우는가: 지하댐은 지표 저수댐이 건설되기 어려운 건조·반건조 지역과 해수침입 지역에서 증발 손실을 줄이며 물을 확보하는 대안으로 쓰인다. 지하수 개발과 가뭄 대응에서 대체수자원 수단으로 다뤄지므로, 지상댐과 비교하고 국내 현황을 묻는 문제가 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제114회 4교시 6번, 제93회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의: 지하댐은 투수성 지층 안에 연속적인 지하 벽을 만들어 지하수를 지표 아래에 저장하고 이용하는 시설이다.

핵심 키워드

• 지하댐(Subsurface Dam)
• 지하수 저류
• 불투수층
• 지표하형 지하댐
• 모래저장형 지하댐
• 해수침입 방지
• 증발 손실 저감
• 지하수위 상승

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 지하댐은 땅속에 세운 벽이다. 하천이나 대수층을 가로질러 흐르는 지하수를 막아, 물이 땅속에 머물도록 만든다. 지표에 물을 가두는 일반 댐과 달리 물이 보이지 않게 저장되므로 증발 손실이 거의 없다.

정식 정의는 다음과 같다. 지하댐은 지하수를 지표면 아래에 전부 또는 대부분 저장하여 특정 지역에서 장기간 사용할 수 있도록 하는 댐 시설이다. 투수성 지층에서 불투수성 지층을 향해 연속적인 지하 벽을 건설하여 투수성 지층 안에 물을 저장하는 구조다.

핵심 용어를 풀이한다.

지하댐(Subsurface Dam)은 지하 벽으로 지하수 흐름을 차단해 상류 쪽 지하수위를 올리는 구조물이다. 벽이 닿는 기저 층은 대개 암반이나 점토 같은 불투수층이다.

지하수 저류는 지하 대수층의 빈 공간에 물을 채워 두는 것을 뜻한다. 지상 저수지와 달리 공간을 파내지 않고 기존 대수층을 이용한다.

지표하형 지하댐은 불투수층에서 지표 바로 아래까지 벽을 세워 대수층 물을 막는 형식이다. 벽은 콘크리트, 강철, PVC 등으로 만든다. 댐 뒤쪽 지하수위가 올라가 우물로 물을 퍼 올리기 쉬워진다.

모래저장형 지하댐은 사막의 강이나 와디에 제방을 쌓아 흐르는 물을 가두는 형식이다. 저장 공간에 모래가 쌓이면서 그 모래가 물을 머금고 증발을 막는다.

3. 등장 배경과 필요성

지상댐은 지형 조건과 증발 손실 때문에 건설 장소가 제한된다. 건조 지역은 강수량이 적고 증발량이 커서 지상 저수지의 실효 저수량이 크게 줄어든다. 이런 곳에서 지하에 물을 저장하면 증발 손실을 거의 없앨 수 있다.

해안 지역에서는 지하댐이 해수 침입을 막는 역할도 한다. 담수 대수층에 바닷물이 밀고 들어오면 지하수 염분이 높아져 사용할 수 없게 된다. 벽으로 담수 쪽 지하수위를 유지하면 이를 막을 수 있다.

또 지하수는 지표수보다 가뭄과 홍수의 영향을 적게 받아 수량이 상대적으로 안정적이다. 그래서 가뭄 시기에도 일정한 취수량을 확보하기 쉽다. 지하수 개발이 많아진 국내에서는 지하댐이 지하수 부존량을 관리하는 수단으로도 관심을 끈다.

국내에서는 지하수가 생활·농업·공업용수로 널리 쓰여 왔다. 지하수 관정이 많아 과잉 개발 우려가 커진 만큼, 지하댐은 지하수를 인위적으로 저류해 이용 가능량을 늘리는 방법으로 검토된다. 농업용 지하댐은 가뭄이 잦아지면서 필요성이 커졌다.

4. 구성요소·원리·절차

지하댐은 지하 대수층 안에 불투수성 차수벽을 설치해 지하수의 흐름을 막고, 상류 쪽 지하수위를 높여 저류하는 시설이다. 지상댐처럼 물을 가두는 대신 지하수 흐름을 차단하는 것이 핵심이다. 구성요소와 역할은 다음과 같다.

각 구성요소는 차수벽이 누수 없이 지하수 흐름을 막는지에 따라 성능이 정해진다. 차수벽 하단이 불투수층에 확실히 닿지 않으면 물이 벽 아래로 새어 저류 효과가 크게 줄어든다.

원리는 지하수가 중력에 따라 수위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 성질을 이용한다. 차수벽이 흐름을 막으면 상류 쪽 수위가 올라가고, 그만큼 대수층 내 포화 저류량이 늘어난다. 얕은 지하수를 지표 증발 없이 보관할 수 있어 건조 지역에서 증발 손실을 줄이는 효과도 있다. 지하댐은 지하수 흐름 차단으로 상류 수위를 올려 저류하는 구조다.

지하댐의 시공 절차는 다음과 같다.

• 대상 하천의 지질조사와 불투수층 깊이 확인
• 저류량 산정과 상류 지하수 수위 변화 예측
• 하상을 따라 불투수층까지 트렌치 굴착
• 차수벽 설치(콘크리트, 강재, PVC 등)
• 트렌치 되메움과 충분한 다짐
• 상류 측 취수정 또는 집수매거 설치
• 수위 관측과 누수 점검

저류량은 대수층 면적, 유효공극률, 수위 상승 높이의 곱으로 대략 산정한다.

$V \approx A \times n_e \times \Delta h$

V는 저류량(㎥), A는 수위 상승 범위의 대수층 단면적(㎡), n_e는 유효공극률(무차원), \Delta h는 수위 상승 높이(m)다. 예를 들어 A가 10,000㎡, n_e가 0.2, \Delta h가 2m이면 V는 4,000㎥가 된다. 결과는 소규모 농업용수 수준으로 상식 범위에 있다.

5. 관련 법령·기준·표준

지하댐은 국내 법령에 별도의 설계기준 이름이 정해져 있지 않다. 지하수 개발과 이용은 「지하수법」이 규율하고, 농업용 지하댐은 농업기반시설 관련 지침의 적용을 받는다. 지하수 취수 관련 기준은 「수도법」의 상수원보호구역 지정기준과 연결된다. 상수원보호구역 지정기준을 보면 지하수는 취수지점을 기점으로 지하심도, 수질, 취수량, 인접지역 토지이용, 토양 투수계수, 지층 구조, 지하수맥 등을 고려해 지정한다.

국내 지하댐 설계와 관련된 기준 수치는 다음 표와 같다.

표의 수치는 상수원보호구역 지정 기준에서 확인되는 값만 옮긴 것이다. 지하댐 차수벽 자체의 치수 기준은 법령에 명시되지 않으므로 현장 지질조건과 설계 검토로 정한다.

국제적으로 지하댐은 건조 지역의 수자원 확보 수단으로 알려져 있다. 아프리카 북동부와 브라질 건조 지역에서 흔히 쓰이고, 미국 남서부, 인도, 독일, 일본 등에서도 사용된다. 국내에서는 농업용 지하댐이 다수 운영되고 있으며, 최근에는 가뭄 빈발에 대응하는 대체수자원으로 검토가 늘고 있다.

개정 연혁과 관련해서는 확인된 바가 없어 특정 개정 내용을 단정하지 않는다. 설계 실무에서는 지질조사 자료와 수리학적 해석을 근거로 차수벽 위치와 깊이를 정한다.

6. 유형과 비교

지하댐은 지상댐과 달리 지표면 아래 투수층에 벽을 세워 지하수를 막는 방식이다. 구조와 목적에 따라 지표하형과 모래저장형으로 나뉘며, 두 형식은 물을 가두는 위치와 관리 방식이 다르다.