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문제 정의
- 기지 주변의 중요한 수리지질학적인 경계 중 하나인 한강의 수위변동 양상을 검토하였다. 기지에서 약 2 km 떨어진 곳에 위치한 광장 수위관측소의 2000년~2003년도 자료를 살펴보면, 한강 수위는 El.
- K-1 기지에서의 유류비축은 암반내 인위적 지하 공동을 이용하는 것으로서, 기지 주변의 지하수위를 유지하기 위해서는 균열 암반대수층의 수리지질학적 특성 파악이 중요하다. 이 연구에서는 수리지질학적 특성을 고려하여 K-1 기지 주변지역에서의 지하수위 변화를 예측하였으며, 비축기지내 안정적 수위 유지를 위한 지하수보전구역 설정이 제안될 수 있도록 하였다.
- 수압시험 결과에 의한 산성 암맥의 투수계수는 10−5m/sec. 정도로 보고된 바 있는데 이 산성 암맥은 기존의 연구(문상호 외, 2010)에서 지하수 유동의 중요 통로일 가능성이 많은 것으로 해석되었으므로, 이번 연구에서는 보다 높은 투수계수를 주어 주변 암석들에 비해 상대적으로 높은 투수성을 갖는 것으로 모사하였다.
제안 방법
- 3. K-1 기지를 중심으로 남북으로 가상의 양수정 24개를 설치하여 4 단계 양수시험 결과를 모사하였다. 5년간 연속 채수 기준으로 모델링한 결과, 비축기지로부터의 거리별로 개별 관정에 대한 안전 양수율은 다음과 같이 추정된다; 300 m 거리에서 50 m3/day 이하, 600 m 거리에서 75m3/day 이하, 900m 거리에서 150m3/day 이하, 1,200m 거리에서 300 m3/day 이하.
- K-1 기지 주변 관정에서의 지하수 채수로 인한 수위변화를 모사하여 영향반경을 살펴보고, 지하지질이 미치는 영향에 대해 검토하였다. 이를 위하여, 지하비축기지를 중심으로 남북으로 가상의 양수정 24개를 설치하여 양수율을 변화시켜가며 시간별 영향반경을 계산하였다.
- 가상 우물에서의 양수시험은 모두 4단계로 하였으며, K-1 기지로부터 300~600 m 떨어진 지점의 양수정은 25, 50, 75, 100 m3/day, 900 m 떨어진 지점의 양수정은 75, 100, 125, 150 m3/day, 1,200 m 떨어진 지점에서의 양수정은 150, 200, 250, 300 m3/day의 양수율로 모사하였다. PW-24번 관정은 한강에 위치하여 모사에서 제외하였다.
- 기지 주변의 지하수위 분포를 알아보기 위하여 인근의 지하수위를 측정하였다(Table 1). 비축기지 주변의 관정은 구리시 11개, 서울 광진구 4개, 비축기지내 관측공 14개가 활용되었다.
- 건설교통부(2006)는 ‘지하수 영향조사서의 작성지침과 작성내용’에서 5년 이후의 영향범위를 산정토록 규정하고 있으며, 한국지질자원연구원(2002)은‘온천전문검사의 합리화 방안’에서 현저한 영향을 수위 강하 값과 이에 따른 영향수량을 제안하여 영향수위 1m의 타당성을 제시한 바 있다. 따라서, 이 연구에서도 양수 지속시간을 최대 10년까지 모사한 결과를 검토하였으나, 영향반경의 범위를 5년 동안 지속적인 양수에 의하여 비축기지 경계부에서 수위강하 1 m 를 발생시킬 수 있는 최대의 양수량으로 하여 영향범위를 평가하였다.
- 12와 같이 전체적으로 투수성이 높은 암맥이 비축기지의 수위강하에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났고, 한강에 의한 지하수 함양 효과에 의하여 강쪽에 양수정이 위치할 경우에는 그 영향은 적어지는 양상을 보였다. 모델링 과정에서 영향반경의 범위를 5년 동안 지속적인 양수에 의하여 비축기지 경계부에서 수위강하 1m를 발생시킬 수 있는 최대의 양수량이라고 정의한 근거로 I에서 V까지 구획을 분류하였다(Fig. 13)
- 모델링 프로그램은 MODFLOW이며, 모델링 격자망은 비축기지 중심부에서는 10m ×10m, 그 외의 지역에서는 격자 간격을 차츰 넓혀 최대 50m×50m 간격으로 설정하였다.
- 모델링의 최대 심도는 540 m (E.L. −200 m ~ E.L. +340 m)이며 지질(충적/풍화대, 산성 암맥, 기타 암반) 및 비축기지 심도 등을 고려하여 총 4 개의 층으로 설계하였다.
- PW-24번 관정은 한강에 위치하여 모사에서 제외하였다. 이 연구에서 가상 우물의 양수에 의한 영향반경은 관정 중심으로부터 비축기지 방향으로 수위강하 1 m 되는 지점까지의 거리를 기준으로 하였으며, 양수 지속시간은 5년을 기준으로 평가하였다.
- K-1 기지 주변 관정에서의 지하수 채수로 인한 수위변화를 모사하여 영향반경을 살펴보고, 지하지질이 미치는 영향에 대해 검토하였다. 이를 위하여, 지하비축기지를 중심으로 남북으로 가상의 양수정 24개를 설치하여 양수율을 변화시켜가며 시간별 영향반경을 계산하였다. 이때의 초기수위는 정류상태에서 모사한 지하수위를 이용하였다.
- 이를 위해, 우물 지하수위 조사를 통한 광역적 지하수 유동방향을 파악하였고, 기존자료(정현영 외, 2001; 건설교통부 외, 2006; 문상호 외, 2010)에 따른 수리지질 조건과 수리지질 변수(수리전도도, 저류계수, 투수량계수 등) 의 적합성 여부를 검토한 결과를 제시하였다. 최종적으로, 이들 자료를 토대로 지하수 모델링을 수행하였으며, 주변 지역의 양수량에 따른 영향반경 및 기지에 미치는 영향 정도를 모의하였다.
- 이를 위해, 우물 지하수위 조사를 통한 광역적 지하수 유동방향을 파악하였고, 기존자료(정현영 외, 2001; 건설교통부 외, 2006; 문상호 외, 2010)에 따른 수리지질 조건과 수리지질 변수(수리전도도, 저류계수, 투수량계수 등) 의 적합성 여부를 검토한 결과를 제시하였다. 최종적으로, 이들 자료를 토대로 지하수 모델링을 수행하였으며, 주변 지역의 양수량에 따른 영향반경 및 기지에 미치는 영향 정도를 모의하였다.
- 기지내에는 지표에 개설된 지상 관측공과 공동 내부에 개설된 갱내 관측공이 있다. 충적층 및 풍화대를 아우르는 상부층 지하수위는 지상 관측공에서 측정하였으며, 심부 암반 대수층이라 할 수 있는 하부층 지하수위는 상부 케이싱 처리하여 하부층만을 관측하기 위하여 만들어진 지상 관측공과 함께 갱내 관측공에서도 측정하였다.
대상 데이터
- K-1 기지를 중심으로 4.3 km(가로) × 5.5 km(세로) 영역을 설정하였으며, 수계 분수령(무흐름 경계)과 한강(일정수두경계)을 경계로 모델영역을 설정하였다.
- 이때의 초기수위는 정류상태에서 모사한 지하수위를 이용하였다. 가상의 양수정은 Fig. 7과 같이 비축기지로부터 남과 북으로 300~1,200 m 떨어진 지점까지 설치하였으며 각 관정간의 거리는 300 m이다. 이들 중 PW-14, PW-17, PW-20, PW-23은 기지 남쪽에 발달하는 산성 암맥이 위치하는 곳이며, 특히 기지로부터 약 1.
- 지하수 유동 모델이 설정되면 보정과정을 통하여 자연상태에 가장 근접한 지하 수리지질모형을 구하게 되며, 이렇게 얻어진 모형은 야외에서 측정되어진 지하수위 및 지하수 유동의 양상과 유사한 결과를 제공한다. 본 모사에 활용한 지하수위는 천부 12개, 심부 12개 관측자료를 이용하였으며, 정류상태에서의 모델링 보정 결과는 Fig. 5 및 Table 3과 같다. 계산된 지하수위는 허용된 오차범위 내에서 근접함을 보이고 있으며, 이는 모델의 보정이 비교적 이루어졌음을 시사한다.
- 기지 주변의 지하수위 분포를 알아보기 위하여 인근의 지하수위를 측정하였다(Table 1). 비축기지 주변의 관정은 구리시 11개, 서울 광진구 4개, 비축기지내 관측공 14개가 활용되었다. 이 밖에 쉐라톤 호텔 온천공 2개의 지하수위와 한강 수위가 측정되었다.
성능/효과
- 북쪽 공동(제1, 2 공동)과 남쪽 공동(제3 공동) 주변에서는 수두가 El. 0~5m까지 강하된 상태이고 저장 공동 상부로 갈수록 수장막 및 수벽공에 의해 수두가 급격히 회복되는 양상을 보였다.
- 1. K-1 기지 주변의 지하수위는 고도와 밀접한 상관성을 보이며, 광역적인 흐름은 아차산 정상부에서 한강 쪽으로 향한다. 기지 내의 지하수위는 수장막(Water curtain) 시스템 운영 때문에 주변지역보다 10~40 m 정도 높게 나타나는 특징을 보인다.
- 8~Fig. 12와 같이 전체적으로 투수성이 높은 암맥이 비축기지의 수위강하에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났고, 한강에 의한 지하수 함양 효과에 의하여 강쪽에 양수정이 위치할 경우에는 그 영향은 적어지는 양상을 보였다. 모델링 과정에서 영향반경의 범위를 5년 동안 지속적인 양수에 의하여 비축기지 경계부에서 수위강하 1m를 발생시킬 수 있는 최대의 양수량이라고 정의한 근거로 I에서 V까지 구획을 분류하였다(Fig.
- 150 및 200 m3/day의 양수율로 모사한 결과, 10년 후의 영향반경은 각각 720~970 m 및 850~1,000 m 로서 비축기지에 대한 영향은 없는 것으로 나타났다.
- 2. 한강 수위는 강수량에 따라서 상승·하강하는 양상을 보였으나, 장기간 6.5 m 수위를 유지하였으며 모델링 작업에서 일정수위 경계조건을 적용할 수 있는 중요한 수리지질학적 경계조건일 것으로 판단되었다.
- 5 m를 기준점으로 하여 강수량에 따라서 상승·하강하는 양상을 보여준다(건설교통부 외, 2005). 2005년 6월 19일부터 9월 28일까지 한강수위를 자동 관측한 결과(Fig. 4)에서도 2000년~2003년도 자료와 마찬가지로 6.5m 정도의 수위를 기준점으로 강수에 대하여 반응하고 있는 것을 보여준다. 관측기간 동안 서울지역에 집중호우가 빈번하게 이루어져 한강 수위도 평상시보다 약 3 m 이상 상승한 때도 나타났다.
- 25 m3/day의 양수율로 모사한 결과, 2년 후 영향반경은 30~60 m 범위이며, 시간에 따라 증가하여 10년 후에는 80~170 m 범위를 보였다. PW-15번 관정의 경우 양수에 의한 영향범위가 가장 작으며, 이는 인근에 위치한 한강에 의해 수위강하가 작게 나타나기 때문이다.
- PW-15번 관정의 경우 양수에 의한 영향범위가 가장 작으며, 이는 인근에 위치한 한강에 의해 수위강하가 작게 나타나기 때문이다. 25 m3/day의 작은 양수율로 모사한 결과 10년 후에도 모든 우물의 영향 반경이 비축기지에 훨씬 미치지 못함을 보였다. 50 m3/day의 양수율로 모사한 결과, 2년 후 영향반경은 70~160 m 범위이며, 시간에 따라 증가하여 6년 후에는 PW-11과 PW-14번 관정에 의해 비축기지의 수위가 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 4. 모델링 결과, 산성 암맥 부근 관정들에서의 양수에 의해 수위강하가 빠르게 진행되고 있으며, 한강 인근 관정에 의한 수위강하는 상대적으로 적게 나타났다. 기지 내 지하수 시스템 안정을 유지하기 위해서, 산성 암맥이 발달하는 지점 인근 70~100 m 이내에서의 지하수 개발을 지양하는 것이 요구된다.
- 25 m3/day의 작은 양수율로 모사한 결과 10년 후에도 모든 우물의 영향 반경이 비축기지에 훨씬 미치지 못함을 보였다. 50 m3/day의 양수율로 모사한 결과, 2년 후 영향반경은 70~160 m 범위이며, 시간에 따라 증가하여 6년 후에는 PW-11과 PW-14번 관정에 의해 비축기지의 수위가 영향을 받는 것으로 나타났다. 10년 후에는 PW-10번 관정을 제외한 전체 관정에 의해 기지 내 수위가 영향을 받고 있을 것으로 나타났다.
- 75 및 100 m3/day의 양수율로 모사한 결과, 영향반경의 증가 경향은 유사하나 PW-14번 관정의 양수에 의해 2년 후 이미 기지에 영향을 미치고 있음을 알 수 있다. 이는 PW-14번 관정 인근에 투수성이 높은 암맥이 존재하여 양수에 의해 수위강하가 이 통로를 따라 빠르게 전달되기 때문이다.
- 5 및 Table 3과 같다. 계산된 지하수위는 허용된 오차범위 내에서 근접함을 보이고 있으며, 이는 모델의 보정이 비교적 이루어졌음을 시사한다.
- 5m 정도의 수위를 기준점으로 강수에 대하여 반응하고 있는 것을 보여준다. 관측기간 동안 서울지역에 집중호우가 빈번하게 이루어져 한강 수위도 평상시보다 약 3 m 이상 상승한 때도 나타났다.
- 4의 수위 변동 양상을 볼 때, 모델링 작업에서 한강수위는 일정수위 경계조건을 적용할 수 있는 중요한 수리 지질학적 경계조건일 것으로 생각된다. 그리고, 수위관측 결과 기준수위인 6.5 m 이하를 내려간 시기가 없는 것을 감안하여, 약 6.5 m 근처의 수위를 한강의 일정수두 경계 조건으로 적용하였다.
- 산성맥암과 그 주변지역의 수리지질 변수는 주변 지층에 비해 불확실성이 매우 크다. 금번 연구 결과에서는 산성맥암으로부터 약 70~100 m 떨어진 구간까지 양수에 의한 영향이 나타났으므로, 이를 근거로 구획 V 영역의 기준을 잠정적으로 최대 거리 100 m 정도로 제안할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이는 PW-14번 관정 인근에 투수성이 높은 암맥이 존재하여 양수에 의해 수위강하가 이 통로를 따라 빠르게 전달되기 때문이다. 기지로부터 300 m 거리에 위치한 관정에서는 25 m3/day의 양수율로 모사시 10년 후에도 비축기지까지 영향반경이 도달하지 못하여 안전한 반면, 대부분 관정에서 50 m3/day 이상으로 양수시 시간이 경과함에 따라 영향반경이 증가하여 기지에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 전체적으로 PW-17번 관정에 의한 영향이 크며, PW-18번 관정의 양수에 의한 영향범위가 가장 작다. 이는 PW17번 관정 인근에 투수성이 높은 암맥이 존재하여 수위강하가 빠르게 전달되는 반면, PW-18번 관정 인근에는 한강이 충진 경계(Recharge boundary) 역할을 하여 수위강하가 작게 나타나기 때문이다.
후속연구
- 구획 V는 산성 맥암으로부터 일정한 거리만큼 떨어진 지역을 나타내는 것이며 이 지역에서는 양수정을 개발하려고 할 때 특별히 관리되어져야만 할 것으로 생각된다. 산성맥암과 그 주변지역의 수리지질 변수는 주변 지층에 비해 불확실성이 매우 크다.
- 또한, 모델링을 통하여 양수의 영향을 일반화시키기 위해서는 거리, 양수량, 양수정의 개수 등 복합적으로 관여되는 경우의 수를 모두 고려해야만 하지만, 그러한 작업을 한다는 것은 매우 비효율적이면서 비현실적이다. 그러나, 금번 연구에서는 비축기지에서 각각 일정 거리만큼 떨어진 지점에 대하여 제시된 양수량별 영향반경을 산정하였으며, 이러한 영향반경이 보전구역 설정에 필요한 기초 자료로 이용될 수 있을 것으로 생각한다.
- 금번 연구에서는 보전구역 설정과 관련하여 모델링 영역에 한정시켜 제안하였으나, 보전구역의 설정구간이 분수령을 넘어서 서쪽까지 연장될 여지가 있으므로 향후 이러한 문제를 해결하기 위한 보다 정밀한 조사가 요구된다. 또한, 거리, 양수량, 양수정 개수 등에 따른 보전구역 설정은 다소 인위적일 수 있으므로, 비축기지 주변의 지하수 개발 계획이나 굴착공사 등 구체적인 문제가 발생했을 경우에 대해서 그 영향평가를 철저히 실시할 필요가 있으며, 이것을 보전구역 설정 및 변경 자료로 활용하는 것이 효율적일 것으로 판단된다.
- 연구지역에서 산성 맥암으로부터 약 70~100m 떨어진 구간까지 양수에 의한 영향이 나타났으므로, 잠정적으로 구획 V 영역의 기준을 최대 거리 100m 정도로 제안할 수 있겠으나 이에 대하여는 향후 정밀조사가 요구된다. 모델영역의 북서부는 지표 분수령으로서 인위적인 무흐름(No flow) 경계조건으로 처리하였으나, 실제로 암반대수층이 지표의 분수령과 일치한다고 보기는 어렵다.
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