[논문]제주도의 오염 방지 시공이 부실한 지하수 관정에 대한 구간 차폐 공법의 적용과 평가

김미진; 강봉래; 조희남; 최성욱; 양원석; 박원배

doi:10.7857/jsge.2020.25.3.043

제주도의 오염 방지 시공이 부실한 지하수 관정에 대한 구간 차폐 공법의 적용과 평가
Application and Assesment of Regrouting Method for Improperly Constructed Wells in Jeju Island 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.25 no.3, 2020년, pp.43 - 51

김미진 (제주연구원) , 강봉래 (제주연구원) , 조희남 ((주)지앤지테크놀러지) , 최성욱 ((주)지앤지테크놀러지) , 양원석 (제주도청 물정책과) , 박원배 (제주연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

About 90% of groundwater wells in Jeju Island are reported to be under the threat of contamination by infiltration of the surface pollutants. Most of those wells have improperly grouted annulus which is an empty space between the well and the inner casing. As a remedy to this problem, some of the wells were re-grouted by filling the annulus with cement without lifting an inner casing. In order to evaluate whether this method is appropriate for the geological structure of Jeju Island, two wells (W1 and W2) were selected and this method was applied. The water holding capacity did not decrease while the nitrate levels decreased from 16.8 and 20.2 to 6.8 and 13.8 mg/L in W1 and W2, respectively. The higher nitrate level in W2 is deemed to be influenced by the livestock farms located in the upper area of the well. In addition, transmissivity of the vedose zone was higher in W2 than W1, potentially facilitating the transport of nitrate to the groundwater. The overall result of this study suggests re-grouting of wells for the purpose of protecting water quality of goundwater should take into account geological structure of vadose zone as well as appropriate source control of the contaminants.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of groundwater well in Jeju island.
그림 Fig. 2. Location of regrouting wells and adjacent pollution sources.
표 Table 1. Nitrate nitrogen concentrations of W1 and W2 before regrouting
표 Table 2. Initial specifications of regrouting wells
그림 Fig. 3. Geologic columnar section of regrouting wells.
그림 Fig. 4. Flowchart of regrouting procedure.
표 Table 3. Water level of W1 and W2 in relation to regrouting
표 Table 4. Transmissivity of W1 and W2
그림 Fig. 5. Nitrate nitrogen variation of two wells according to regrouting application.
표 Table 5. Nitrate nitrogen concentrations of W1 and W2 after regrouting

AI 본문요약
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문제 정의

첫 번째로 가축분뇨 무단 방류 사례가 있었던 한림읍 상명리의 하류에 위치한 관정을 후보로 하였다. 두 번째로 이 중 2002년 이전에 개발되어 그라우팅 시설이 부실할 것으로 예상되는 관정을 선정하고자 하였다. 세 번째로 과거 수질검사 결과에서 질산성질소 농도가 높아 수질 개선 공법을 적용할 필요가 있는 관정을 선택하였다(Table 1).
본 연구에서 이 공법을 제주도의 그라우팅이 부실한 두 관정에 대해 적용하고 그 효과를 평가하고자 하였다. 또한 본 공법을 제주도에 적용하기 위해서 고려해야하는 사항이 무엇인지 고찰 하였다.
3개공을 굴착하여 현장실증을 진행한 결과 탁도가 감소하여 천부지하수 유입에 의한 오염에 대해 차폐 효과가 있음을 보였다. 본 연구에서 이 공법을 제주도의 그라우팅이 부실한 두 관정에 대해 적용하고 그 효과를 평가하고자 하였다. 또한 본 공법을 제주도에 적용하기 위해서 고려해야하는 사항이 무엇인지 고찰 하였다.
차폐할 위치를 선정할 때에는 지질주상도를 참고하여 절리나 파쇄대가 발달되어 오염원이 유입될 가능성이 높은 구간 밑을 차폐하고자 하였다. 그리고 치밀질 암반이 분포하는 구간에서 그라우팅 효과가 가장 좋을 것으로 판단하여 다음과 같이 선정하였다(Fig.

제안 방법

구간 차폐 공법의 효과를 검증하기 위해 시공 후 수질 검사를 수행하였다. 질산성질소 농도는 이온크로마토그래피(Metrohm, 882 compact IC plus)를 이용하여 분석하였다.
4에 나타냈으며 세부 과정은 다음과 같다. 대상 관정을 선정한 이후 지하수 수질을 검사하고 수중모터펌프를 포함한 자재를 인양하였다. 케이싱의 파손 상태나 유공관 위치 등을 파악하기 위해 케이싱 내부를 CCTV로 촬영하였다.
두 관정의 양수시험 결과로 투수량계수를 분석하였다(Table 4). W1의 투수량계수는 130.
질산성질소 농도는 이온크로마토그래피(Metrohm, 882 compact IC plus)를 이용하여 분석하였다. 또한 차폐공법 수행 전후 양수량 변화를 확인하기 위해 40 HP의 모터펌프와 100 mm 토출관을 사용하여 1시간 이상 양수하였으며 안정수위와 양수에 따른 수위강 하량 등을 확인하였다. 양수시험 자료는 AQTESOLV(HydroSOLVE, Inc.
본 공법의 시공에 따른 수량변화를 확인하기 위해 시공 전·후의 수위와 양수량을 확인하였다(Table 3).
두 번째로 이 중 2002년 이전에 개발되어 그라우팅 시설이 부실할 것으로 예상되는 관정을 선정하고자 하였다. 세 번째로 과거 수질검사 결과에서 질산성질소 농도가 높아 수질 개선 공법을 적용할 필요가 있는 관정을 선택하였다(Table 1). 제주도 지하수의 경우 인위적인 오염을 받지 않을 때 질산성질소가 2~3 mg/L 이하의 값을 보인다(Kim et al.
차폐할 위치에 홀컷팅장비를 이용하여 케이싱을 천공하였으며 구멍을 통해 실리콘을 주입하고 24시간동안 굳히고 나서 실리콘차폐구간 위로 재천공하여 속경성 시멘트를 주입하였다. 양생이 완료되면 인양했던 우물자재들을 다시 설치하고 지하수 수질 및 수위 변동 특성을 검사하여 그라우팅 효과를 검증하였다.
, 2007; Oh and Hyun, 1997). 이를 방지하기 위해 2002년에 「제주국제자유도시특별법 시행조례」를 개정하여 30 m까지 케이싱구경보다 넓게 굴착하여 그라우팅 한 후 다시 케이싱구경으로 개발심도까지 굴착하는 채움그라우팅을 실시하도록 하였다. 하지만 2018년 기준 제주도 전체 4,757 중 2,809개공(60%)은 1993년 이전에 개발되어 노후화된 상태이며 4,261개공(90%)는 2002년 이전에 개발되어 그라우팅이 부실한 상태이다.
장기적인 수질 모니터링을 위해 2019년 8월에 연속적으로 많은 양의 강수(360 mm 이상)가 내린 이후 수질 검사를 시행하였다. 두 관정 모두 2019년 6월 마지막에 시행하였을 때보다 질산성질소 농도가 상승하였는데 W1과 W2가 각각 12.
구간 차폐 공법의 효과를 검증하기 위해 시공 후 수질 검사를 수행하였다. 질산성질소 농도는 이온크로마토그래피(Metrohm, 882 compact IC plus)를 이용하여 분석하였다. 또한 차폐공법 수행 전후 양수량 변화를 확인하기 위해 40 HP의 모터펌프와 100 mm 토출관을 사용하여 1시간 이상 양수하였으며 안정수위와 양수에 따른 수위강 하량 등을 확인하였다.
케이싱의 파손 상태나 유공관 위치 등을 파악하기 위해 케이싱 내부를 CCTV로 촬영하였다. 차폐할 위치에 홀컷팅장비를 이용하여 케이싱을 천공하였으며 구멍을 통해 실리콘을 주입하고 24시간동안 굳히고 나서 실리콘차폐구간 위로 재천공하여 속경성 시멘트를 주입하였다. 양생이 완료되면 인양했던 우물자재들을 다시 설치하고 지하수 수질 및 수위 변동 특성을 검사하여 그라우팅 효과를 검증하였다.
대상 관정을 선정한 이후 지하수 수질을 검사하고 수중모터펌프를 포함한 자재를 인양하였다. 케이싱의 파손 상태나 유공관 위치 등을 파악하기 위해 케이싱 내부를 CCTV로 촬영하였다. 차폐할 위치에 홀컷팅장비를 이용하여 케이싱을 천공하였으며 구멍을 통해 실리콘을 주입하고 24시간동안 굳히고 나서 실리콘차폐구간 위로 재천공하여 속경성 시멘트를 주입하였다.

대상 데이터

3). W1관정은 첫 번째 그라우팅 구간으로 지표 하 35.0~38.0 m를 선정하고 두 번째로 지표 하 80.5~81.5 m를 세 번째로 지표 하 95.0~96.0 m를 선정하였다. W2관정의 첫 번째 그라우팅 구간은 지표 하 40.
이때 대수층두께는 관정바닥에서부터 자연수 위까지의 높이로 계산하였다. 질산성질소 농도와 강수량의 상관관계를 파악하기 위해 강우량자료를 참고할 때에는 W1 관정에서 약 5.8 km, W2관정에서 약 3.1 km 떨어져 있는 금악방재기상관측소의 강우량자료를 사용하였다(KMA open data source).
본 공법을 적용할 연구 대상 관정을 선정할 때 다음과 같은 기준을 고려하였다. 첫 번째로 가축분뇨 무단 방류 사례가 있었던 한림읍 상명리의 하류에 위치한 관정을 후보로 하였다. 두 번째로 이 중 2002년 이전에 개발되어 그라우팅 시설이 부실할 것으로 예상되는 관정을 선정하고자 하였다.

이론/모형

또한 차폐공법 수행 전후 양수량 변화를 확인하기 위해 40 HP의 모터펌프와 100 mm 토출관을 사용하여 1시간 이상 양수하였으며 안정수위와 양수에 따른 수위강 하량 등을 확인하였다. 양수시험 자료는 AQTESOLV(HydroSOLVE, Inc.)에서 Jacob-cooper 방법을 이용하여 산정하였다. 이때 대수층두께는 관정바닥에서부터 자연수 위까지의 높이로 계산하였다.

성능/효과

, 2017; Ministry of Environment, 2014). 3개공을 굴착하여 현장실증을 진행한 결과 탁도가 감소하여 천부지하수 유입에 의한 오염에 대해 차폐 효과가 있음을 보였다. 본 연구에서 이 공법을 제주도의 그라우팅이 부실한 두 관정에 대해 적용하고 그 효과를 평가하고자 하였다.
이에 케이싱 내부에 구멍을 천공하여 그라우팅 재료를 주입하는 구간 차폐 공법이제시되었으며 본 연구는 제주도에서 적용하였을 때 효과를 확인하였다. 가축분뇨 무단 방류 지역 하류에 위치한 두 개소의 관정을 선정하여 구간 차폐 공법을 적용한 결과 W1 관정의 질산성질소 농도가 16.8 mg/L에서 6.8 mg/L로 감소하였으며 W2 관정의 경우 20.2 mg/L에서 13.8 mg/L로 감소된 것으로 분석되었다. 두 관정간의 수질개선 효과가 차이를 보이는 까닭은 비포화대로부터 유입되는 오염물질은 차폐가 되더라도 W2의 상류에 가축분뇨 배출시설과 같은 오염원이 매우 밀집되어 오염된 지하수가 흘러들어왔기 때문인 것으로 판단된다.
그라우팅 전 자연수위는 53.0 m이며 3차 그라우팅 이후 자연수위는 59.7 m로 시공 전·후 자연수위가 6.7 m 정도 감소하였고 안정수위는 68.0 m로 개발당시보다 19.0 m 정도 감소하였다.
5 mg/L까지 감소하였다. 수질 개선 효과를 검증하기 위해 3주간 추가 검사를 시행하였으며 최종적으로 15.2 mg/L로 감소하였음을 확인하였다.
8 mg/L까지 감소하였다. 수질 개선 효과를 검증하기 위해 3주간 추가 검사를 시행하였으며 최종적으로 9.1 mg/ L로 감소하였다. W2 관정의 그라우팅 전 질산성질소 농도는 20.
7 m 정도로 다소 감소하였다. 안정수위는 116.7 m로 양수에 따른 수위강하가 거의 없는 것으로 파악되었으며 양수능력은 840 m³/d으로 개발당시인 800 m³/d과 비슷한 수준이다. W1관정의 경우 2차 그라우팅부터 자연수위 하단에서 시공하였고 W2관정은 자연수위 상단에 화산쇄설암층과 절리가 발달된 층 등이 많아 1~3차 모두 자연수위 상단에서 시공하였다.
3 m로 차이가 거의 없다. 양수능력은 1,329 m³/d로 개발당시 제시된 양수능력인 1,000 m³/d과 비슷하여 그라우팅 후에도 수량이 충분한 것으로 판단된다. W2관정의 경우 개발 당시 자연수위는 117.
그라우팅을 다시하기 위해 기존에 활용되었던 방식은 케이싱을 인양해야하기 때문에 시간과 비용이 많이 소모되었다. 이에 케이싱 내부에 구멍을 천공하여 그라우팅 재료를 주입하는 구간 차폐 공법이제시되었으며 본 연구는 제주도에서 적용하였을 때 효과를 확인하였다. 가축분뇨 무단 방류 지역 하류에 위치한 두 개소의 관정을 선정하여 구간 차폐 공법을 적용한 결과 W1 관정의 질산성질소 농도가 16.
결론적으로 구간 차폐 공법은 제주도의 지질 구조에서도 효과가 있었지만 다음과 같은 사항을 고려할 필요가 있다. 첫째로 지하수 오염원이 밀집해서 분포하는 하류지역보다는 상류지역을 우선적으로 시행해야 한다. 둘째로 주상도만을 가지고 오염물질이 유입되는 구간을 알 수 없기 때문에 관정벽에 있는 균열이나 절리 등을 파악할 수 있고 비포화대로부터 물이 흘러들어오는 위치를 파악할 수 있는 방법이 강구되어야 한다.
6 mg/L의 값을 보였다. 하지만 시간이 흐르면서 다시 감소하는 추세가 나타나 집중호우 이전의 값과 비슷하게 회복되어 W1의 경우 최종적으로 6.8 mg/L로 60%의 수질 개선 효과가 나타났고 W2의 경우 최종적으로 13.8 mg/L로 32%의 수질개선 효과가 나타났다.

후속연구

, 2007). 아직 케이싱이 설치된 상태에서 관정벽에 있는 균열이나 절리 등을 파악할 수 있는 적절한 방법은 없지만 추후에 적절한 방법들이 개발되어 적용된다면 더욱 효과적으로 차폐 위치를 선정할 수 있을 것이다. 마지막으로 지표와 가까운 천부에서부터 오염원이 유입될 것으로 예상되는 곳을 단계적으로 그라우팅할 필요가 있다.
(2017)은 서로 인근한 지하수 관정일지라도 강우에 따라 서로 다른 오염 반응 양상을 보일 수 있음을 밝혔다. 이에 따라 상류에서 하류로 유동하는 수평적 흐름과 천부에서 심부로 유동하는 수직적 흐름을 연구할 필요성을 제기한다. Jeon et al.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제주도에서 투수가 용이한 이유는 무엇인가?	, 2006). 이에 따라 클린커과 절리 등이 발달되어 있고 용암동굴이나 스코리아층 등이 형성되어 투수가 용이하다. 토양 또한 북부와 서부 일부 지역을 제외하면 화산재와 화산암이 모재가 된 화산회토로 투수속도가 매우 빠르며(JSSGP, 2018; Koh et al.
	지하수 관정의 구조에는 무엇이 있어서 비가 왔을 때 생활하수나 동물 분뇨 등과 같은 오염물질이 유입될 수 잇는가?	지하수 관정의 구조는 Fig. 1과 같이 되어 있는데 관정벽과 내부 케이싱 사이에 애뉼러스(Annulus)라고 불리우는 공간이 있어 비가 왔을 때 생활하수나 동물 분뇨 등과 같은 오염물질이 유입될 수 있다(Yang et al., 2007; Oh and Hyun, 1997).
	오염방지 그라우팅이 불량한 지하수 관정의 수질을 개선하기 위해 수행했던 기존 공법의 단점을 보완하기위해 개발한 것은 무엇인가?	오염방지 그라우팅이 불량한 지하수 관정의 수질을 개선하기 위해 기존에 수행했던 공법은 펌프와 케이싱 등의 내부자제를 인양해야하기 때문에 시공 기간이 오래 소요되고 지출 경비도 과다하다(JSSGP, 2019). 이러한 단점을 보완하기 위해 2014년 환경부의 토양·지하수 오염방지기술개발사업의 일환으로 내부케이싱이 설치된 상태에서 그라우팅액을 애뉼러스로 주입하는 구간 차폐 공법이 개발되었다(Cho et al., 2019; Cho et al.

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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