[논문]샌드댐 설치에 따른 물공급 개선 효과 예비 분석

정일문; 이정우

doi:10.12652/ksce.2021.41.1.0029

샌드댐 설치에 따른 물공급 개선 효과 예비 분석
Preliminary Analysis on Improvement of Water Supply Capacity of Sand Dam 원문보기

KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research = 대한토목학회논문집, v.41 no.1, 2021년, pp.29 - 37

정일문 (한국건설기술연구원 국토보전연구본부) , 이정우 (한국건설기술연구원 국토보전연구본부)

초록
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물공급 소외지역인 산간 최상류 지역을 위한 현지 적응형 물공급 체계의 도입이 필요하다. 이를 위해서는 수원의 확보와 최적이용 방안 및 연계 가능한 수원과의 결합이 관건이다. 특히 유역 최상류에 위치한 산간지역에는 계곡수와 복류수를 통해 공급되는 지하수 유출량을 활용하는 방안을 강구해야 한다. 본 연구에서는 강원도 춘천의 가뭄발생지역을 대상으로 샌드댐을 활용한 물공급 체계의 개선방안을 모색하였다. 방법은 기존 수원 하부에 모래저류조를 가상으로 설치하여 현재 취수량을 고려한 모델링을 수행하고 추가로 샌드댐에서 취수가능한 양을 산정하는 방식으로 분석을 수행하였다. 샌드댐을 기존 수원의 4배 크기로 적용한 경우 수면경사와 수리전도도의 변화에 따라 배수량이 크게 증대하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

It is important to introduce a local adaptive water supply system for upper mountainous regions, which provide a margin of water supply. This can be done through the process of securing a water source, planning for optimal use, and combining it with a water source that can be linked. In particular, in a mountainous region located at the uppermost part of the watershed, an approach should be found to utilize the groundwater discharge supplied through valley water and lateral discharge. This study sought to improve the water supply system using sand dams in drought-prone areas in Chuncheon, in Gangwon Province. Our approach involved virtually installing a sand storage tank under the existing water source to perform modeling in consideration of the current water intake and calculating the amount of water that can be taken from the sand dam. When the sand dam was applied at a size four times larger than the existing water source, it was found that the groundwater drainage increased significantly with changes in water surface slope and hydraulic conductivity.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Nayese Sand Dam in Uganda (The Water Project, 2020)
그림 Fig. 2. Study Area and Watershed Delineation
그림 Fig. 3. Discretization of Domain with One Sand Pond (Current)
그림 Fig. 4. Discretization of Domain with Two Sand Ponds
표 Table 1. Drain Rates according to the Given Hydrogeological Conditions
그림 Fig. 5. Variation of Groundwater Level of 1^st Layer after Installation of Sand Ponds and Drainage Pipes (Elapsed Time 30 Days)
그림 Fig. 6. Variation of Groundwater Level of 1^st Layer after Installation of Sand Ponds and Drainage Pipes (Elapsed Time 30 Days)
표 Table 2. Maximum Drawdown of 1^st and 2^nd Layers (Drawdown) for Pond1 and Pond2 (Elapsed Time 30 Days)
표 Table 3. Drain Rates for Current and Cases 1-4 (m³/d)
그림 Fig. 7. Drainage Rates for Cases 1-4 According to Lateral Slope of Initial Groundwater Head
그림 Fig. 8. Increase Ratios of Drainage Rates for Cases 1-4 Relative to Current State

AI 본문요약
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문제 정의

, 2019). 본 연구에서는 강원도 춘천의 상습가뭄지역을 선정하고 이 지역에 샌드댐을 활용한 물공급 체계의 개선방안을 모색하였다. 방법은 기존 수원 하부에 모래저류조를 가상으로 설치하여 현재 취수량을 고려한 모델링을 수행하고 추가로 샌드댐에서 취수가능한 양을산정 하는 방식으로 분석을 수행하였다.
특히 유역 최상류에 위치한 산간지역에는 계곡수와 복류수를 통해 공급되는 지하수 유출량을 활용하는 방안을 강구해야 한다. 이에 본 연구에서는 국내에서는 시도되지 않은 계곡수와 복류수 인공함양 기술인 샌드댐(Sand storage dam)을 이용하여 물 공급을 확대하는 방안을 검토하였다. 샌드댐이란 계곡이나 하천의 불투수성 기반암 위에 댐이나 보 등을 설치하고 확보된 공간에 모래와 같은 투수성 재료를 채운 후, 그 공극에 물을 저장하여 사용하기 위한 구조물로 제체가 부분적으로 지상에 노출된 지하댐의 한 종류이다(Aerts et al.

가설 설정

모래저류조내 채움재의 투수성을 고려하기 위해서 차수벽으로 둘러쌓인 영역의 수평 수리전도도는 주변 수리전도도의 1, 2, 5, 10배 값을 부여하였다. 수평방향으로 수리전도도는 등방성인 것으로 가정하였고, 연직 방향 수리전도도는 수평수리전도도의 1/10에 해당하는 것으로 가정하였다.

제안 방법

다음으로 샌드댐내 채움재의 수리전도도 변화에 따른 배수량을 모의하였다(Fig. 8). 샌드댐 채움재는 유입수의 탁도를 저감시키고 수질을 정화하는 효과가 있지만 배수 유공관의 막힘현상을 일으키는 요소가 되므로 채움재의 선정은 매우 중요하다.
대수층 수리특성에 따른 저류조의 물공급가능량을 분석하기 위해서 수리전도도, 저류계수 등의 수리상수값은 다양한 값을 모형에 입력하였다. 1, 2층의 수평방향 수리전도도는 0.
모델 영역 상단부에 가로방향으로 고정수두 경계조건을 부여하였고, 또한 영역 중앙을 세로방향으로 가로질러 계곡이 존재하는 것으로 하여 고정수두 경계조건을 주었다. 영역의 좌우측 경계는 무 흐름으로 간주하여 불투수경계로 설정하였다.
본 연구에서는 강원도 춘천의 상습가뭄지역을 선정하고 이 지역에 샌드댐을 활용한 물공급 체계의 개선방안을 모색하였다. 방법은 기존 수원 하부에 모래저류조를 가상으로 설치하여 현재 취수량을 고려한 모델링을 수행하고 추가로 샌드댐에서 취수가능한 양을산정 하는 방식으로 분석을 수행하였다.
이 패키지를 이용하려면 방벽이 위치한 곳의 상하 또는 좌우셀 위치와, 방벽의수리전도도(자유면, 자유면/피압 변환층인 경우) 또는 투수량계수 (피압대수층인 경우)를 방벽의 두께로 나눈 값을 입력해야 한다. 본 연구에서는 불투수차수벽을 설치하는 것을 고려하여 0.0001 m/d의 매우 작은 값을 입력하였다.
수리전도도, 저류계수, 배수전도계수 등 수리지질 매개변수를 변화시켜가면서 배수관로를 통해 유출되는 배수량을 모의하고, 그 결과를 종합하여 Table 1과 같이 정리하였다. 수리전도도, 저류 계수, 배수전도계수 값이 클수록 배수량이 증가하고 있으며, 상대적으로 저류계수 값에 가장 덜 민감한 것을 확인할 수 있다.
연직방향으로는 2개의 충적층과 1개의 암반층으로 단순화하였으며, 상부 충적층은 1.6 m 두께를 가지는 자유면대수층으로, 하부 충적층과 암반층은 각각 1.0, 3.0 m 두께를 가지는 피압/자유면대수층 변환 층으로 구성하였다. 각 층의 저면고도는 계곡 흐름방향을 따라 1/10, 계곡에서 육지부 방향으로도 1/10의 경사를 갖도록 공간보간하여 모형에 입력하였다.
하여 고정수두 경계조건을 주었다. 영역의 좌우측 경계는 무 흐름으로 간주하여 불투수경계로 설정하였다.
8m³/d로추정되었다. 이를 취수원에서 배수되는 배출량을 간주하고, 이값과 가장 가까울 때의 수리지질 매개변수 값, 즉 _m^d, _, _md 일 때를 추가 샌드 저류조 설치에 따른 물 공급 가능량 분석의 기본 조건으로 채택하였다.
현장에서 수두차이와 배수량을 측정하여 역으로 _을 구하거나, 수두차를 정확히 알 수 없을 때는 모델링 보정 과정시 실측 배수량과 모의 배수량을 일치시키는 과정을 통해 _을 추정한다. 현장 지하수위 및 배수량 관측자료가 존재하지 않기에 본 연구에서는 대수층과 배수로 사이의 등가 전도 계수 _는 5, 10, 15, 20 m²/d의 4가지 값에 대해 배수량 모의를 실시하고, 실측 배수량과 가장 근접할 때의 _값을 채택하였다. 수평 흐름을 막는 점토층과 같이 저투수성의 수직방벽을 모사할 때 조밀 격자를 사용할 경우 모델의 행과 열수가 많아지는 단점을 극복하기 위해 수평유동차수막 패키지가 고안되었다.

대상 데이터

모델 영역은 가로 100 m, 세로 100 m로 격자 한 개의 크기를 1m×1m로 하여 101행, 101열로 구성하였다. 연직방향으로는 2개의 충적층과 1개의 암반층으로 단순화하였으며, 상부 충적층은 1.
초기 지하수위 및 수두는 1층 저면고도에 1층 대수층 두께를 더한 값으로 설정하였다. 본 연구에서는 Fig. 3 및 Fig. 4와 같이 총 다섯 가지 형태의 모래저류조를 대상으로 배수 모의를 실시하였다. 첫 번째는 Fig.
샌드댐 설치 검토지역은 춘천시 북산면 물로리 일대(Fig. 2) 로광역상수도와 지방상수도의 혜택이 없는 물공급 소외지역이다. 이 지역은 2016년 가뭄시 급수차에 의해 공급이 진행될 만큼 매우 열악한 물공급 소외지역이다.

이론/모형

모래 저류조 배수관 및 차수벽을 고려하기 위해서 MODFLOW 의 배수로 패키지 및 수평유동차수막 패키지를 이용하였다. 배수로 패키지에서는 대수층에서 배수되는 양 (_)이 대수층의 수두()와배수관 표고()와의 차이에 비례한다는 가정하에 Eq.
본 연구에서는 취수원 하부에 샌드댐(모래저류조)을 배치하고 기존 취수원에서 공급되는 수량과 취수원 하부를 통해 공급되는지 하수 유동을 반영하여 유공관을 통해 배수되는 물량의 변화를 산정하기 위해 MODFLOW (McDonald and Harbaugh, 1988)을이용하였다. MODFLOW는 3차원 지하수 유동 모형으로서 미국지질조사소(USGS)에서 보급하여 전 세계적으로 널리 사용되는 지하수 해석 프로그램이다.

성능/효과

Fig. 5(a)와 같이 현재 취수원만 있는 경우는 차수벽으로 인해 수위 상승이 0.05에서 0.2 m 발생하였으며, 차수벽 직하류부 수위 저하도 비슷한 규모로 발생하는 것으로 모의되었다. 여기에 추가적인 샌드 저류조가 설치된 경우에는 Fig.
초기 지하수위 경사는 현장에서의 관측이 진행되기 전이므로 다양한 경사에 대해 배수량의 변화를 고려한 것이다. 그 결과 샌드 댐을 설치하였을 때 현재 조건대비 배수량이 크게 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 횡방향 경사가 2.
반면에 배수량은 저류계수 변화에 따른 영향이 거의 없는 것으로 나타났다. 대략 배수전도계수가 10 m²/d 이상이고 수리전도도가 10m/d 이상이거나, 배수전도계수가 5 m²/d이고 수리 전도 계수가 10m/d 이상일 때 현재 물로리 주민들의 최소의 물수요량 15 m³/d을 공급할 수 있는 것으로 분석되었다.
한편, 채움재의 수리전도도는 배수량과 직결되므로 채움재 공극 변화에 따른 배수량의 검토는 필수적이다. 모의수행을 통해 매우 흥미로운 결과가 도출되었는데 채움재의 수리전도도의 변화에 따른 배수량의 증가의 경우 Case 1, Case 3보다는 Case 2, Case 4에서 그 증가량이 훨씬 더 큰 것으로 나타났다. 즉, 채움재의 효과는 샌드댐의 종 방향 길이의 증가에 따라 훨씬 더 많은 배수가 일어나는 것을 알 수 있었다.
수리전도도, 저류 계수, 배수전도계수 값이 클수록 배수량이 증가하고 있으며, 상대적으로 저류계수 값에 가장 덜 민감한 것을 확인할 수 있다. 무강우 조건으로 함양량을 고려하지 않고 계곡 수위 등 경계 조건을 고정시켜 동적으로 변하는 외부 인자를 고려하지 않았기에 저류 계수보다는 수리전도도에 더 민감한 반응을 보인 것으로 판단된다. 수리전도도와 배수전도계수가 증가할수록 배수량이 증가하는 양상을 보이고 있다.
방법은 기존 수원 하부에 모래저류조를 가상으로 설치하여 현재 취수량을 고려한 모델링을 수행하고 추가로 샌드댐에서 취수가능한 양을산정 하는 방식으로 분석을 수행하였다. 분석 결과 샌드댐을 기존 수원의 4배 크기로 적용한 경우 수면경사와 수리전도도의 변화에 따라 배수량이 크게 증대하는 것으로 나타났다.
2m의 지하수위 감소가 일어나는 등 공간적인 저하 범위가 넓게 일어나고 있다. 샌드댐 주변 지하수위 저하는 증가하였지만 저하 심도는 크지 않으며, 물공급량의 증가분은 크게 확대되는 것으로 나타났다.
결과를 종합하여 Table 1과 같이 정리하였다. 수리전도도, 저류 계수, 배수전도계수 값이 클수록 배수량이 증가하고 있으며, 상대적으로 저류계수 값에 가장 덜 민감한 것을 확인할 수 있다. 무강우 조건으로 함양량을 고려하지 않고 계곡 수위 등 경계 조건을 고정시켜 동적으로 변하는 외부 인자를 고려하지 않았기에 저류 계수보다는 수리전도도에 더 민감한 반응을 보인 것으로 판단된다.
모의수행을 통해 매우 흥미로운 결과가 도출되었는데 채움재의 수리전도도의 변화에 따른 배수량의 증가의 경우 Case 1, Case 3보다는 Case 2, Case 4에서 그 증가량이 훨씬 더 큰 것으로 나타났다. 즉, 채움재의 효과는 샌드댐의 종 방향 길이의 증가에 따라 훨씬 더 많은 배수가 일어나는 것을 알 수 있었다. 한편, 채움재 수리전도도의 효과는 수면경사의 증가에 따라 반비례적인 결과를 도출하여 수면경사가 적은 경우 배수량증가 효과가 크고 수면경사가 커질수록 배수량의 증가 효과는 적어지는 것을 알 수 있었다.
즉, 채움재의 효과는 샌드댐의 종 방향 길이의 증가에 따라 훨씬 더 많은 배수가 일어나는 것을 알 수 있었다. 한편, 채움재 수리전도도의 효과는 수면경사의 증가에 따라 반비례적인 결과를 도출하여 수면경사가 적은 경우 배수량증가 효과가 크고 수면경사가 커질수록 배수량의 증가 효과는 적어지는 것을 알 수 있었다.

후속연구

이를 통해 실제 모래 저류조의 적정 규모를 설계하고 현장 지하 수위 및 배수량 관측자료를 활용하여 배수관 전도계수 산정 등 배수관로시스템의 최적 설계가 가능할 것이다.
향후 시추조사 및 대수성 시험을 통해 연구대상지역의 수리 지질 특성을 파악하고, 지하수 관측정 설치를 통한 지하수위 시계열 자료가 수집하여 예비 분석모델을 정밀 분석모델로 확장할 계획에 있다. 이를 통해 실제 모래 저류조의 적정 규모를 설계하고 현장 지하 수위 및 배수량 관측자료를 활용하여 배수관 전도계수 산정 등 배수관로시스템의 최적 설계가 가능할 것이다.

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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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