02분반 삼다수웨이트조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 다중 대수층 최적 주입정을 통한 염수침투 저감 및 대수층 별 지하수위 관리 시스템

영문 : Optimized Multi-Aquifer Injection Well for Saltwater Intrusion Mitigation and Aquifer-Specific Groundwater Level Management

과제 팀명

삼다수웨트

지도교수

구자용 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 2020XXX0** 김**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 2020XXX0** 정**

서울시립대학교 환경공학부·과 2020XXX0** 최**

서울시립대학교 환경공학부·과 2021XXX0** 백**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 과제는 미래의 제주 동부 해안 저지대 지역의 과잉 양수로 인한 지하수위 하강 및 기후 온난화로 인한 해수면 수위 상승으로 인한 담수 취수정의 염수 침투를 방지하기 위한 목적으로 다중 대수층 주입정 함양 시스템 및 수위센서 및 유량 조절 벨브 등을 통한 지하 대수층 별 상시 지하수위 감시 및 주입 유량 조절 시스템을 설계한다. Modflow2005 시뮬레이션 프로그램을 통하여 선정한 대상지역의 GIS 정보를 바탕으로 다양한 주입 시나리오를 모델링하여 지하수 함양량을 산출하여 월별 주입 유량을 검토한다. 프로토타입 제작 단계에서는 해당 인자들을 반영한 지하수 주입정을 설계 및 제작하며 수위 기반 주입량을 조절할 수 있도록 발전시킨다.

개발 과제의 배경

제주도는 연 평균 강수량이 1,975mm에 달하는 비가 내리는 지역임에도 불구하고 투수성이 좋은 다공질 화산 암류로 이루어진 관계로 연중 흐르는 하천이 없을 뿐만 아니라, 지표수의 발달도 빈약하여 해안지역에 지하수를 통해 음용수, 농/공업 용수의 약 92%를 제공한다. 최근 제주도에서는 유입인구의 증가 및 다양한 개발사업과 물을 많이 이용하는 특용작물 재배 확대와 시설하우스 등으로 지하수 사용량은 지속적으로 증가하여 지하 대수층 수위가 감소하며 기후 변화로 인한 해수면 수위 상승으로 인해 해안 저지대 지역의 해수 침투 문제가 심각한 상태이다(김진근, 2021) 제주특별자치도 물인프라 현황 및 개선방향, 김진근, 2021 . 특히, 제주도 동부 지역의 경우 수십 년 전부터 고염분 지하수 부존 현상이 나타나는 지역으로 과잉 양수 및 해수면 수위 상승으로 인한 해수 침투가 원인인 지역이다(김경호, 2009). 지구온난화에 따른 제주도 근해의 해수면 상승과 제주도 동부 지역 지하수의 염수대 변화. 김경호, 2009

그림1과 같이 지하수 과잉 양수로 인한 지하수위 감소 및 기후변화로 인한 해수면 상승 시 과거에 비하여 해수-담수 경계로 형성되는 렌즈의 경계면이 담수쪽으로 훨씬 깊게 형성된다. 한반도 주변의 해수면 상승 속도가 최근 40여 년간 약 1-3mm의 범위에 있음을 보였으며, 전국적으로 해수면 상승 속도는 세계 평균을 대체로 상회하고 있었으며 제주도 지역은 특히 빠른 해수면 상승 속도를 보였다. 해수침투에 의해 해안지역의 담수 대수층 내로 해수가 유입되게 되면 해안지역 지하수 관정 내의 염도가 증가하여 생활용수 혹은 농/공업용수로서의 기능을 상실하게 되어 큰 경제적 손실을 일으킬 수 있다. 특히, 지하수가 담수의 공급에 대부분을 차지하는 제주도의 경우 물 사용에 심각한 영향을 미치게 된다. 이러한 해수침투 현상을 방지하기 위하여 지하대수층의 수위를 센서를 통해 상시 지하수위를 관리하며 월별로 달라지는 지하수위에 맞추어 하수재처리수를 함양수로 선정하여 주입유량을 조절하면서 지하 대수층에 주입하여 해수침투를 방지하고자 한다. 이를 통해 지하수 사용에 의존도가 큰 제주 지역에서의 효율적인 물 관리 운영체계를 형성할 수 있으며 지표수 유출이 큰 지형적 특징을 가진 제주 지역에 맞추어 지하 대수층을 하나의 큰 배수지의 역할로 만들어 기후 변화에 맞춘 새로운 물 저장창고를 형성하여 안정적인 물 공급 시스템을 구축할 수 있다(이동엽, 2022). 제주도 해안지역에서의 염수침입에 의한 지하수 취약성 평가모델 개발, 이동엽, 2022

개발 과제의 목표 및 내용

1.1 설계 대상지 선정

제주도 동부 유역의 경우, 다른 유역에 비하여 해수-담수 렌즈의 두께가 엷은 관계로 해수면과 가까운 곳에서 지하수 착정심도를 깊게 할 경우 해수가 올라올 수 있는 부존형태를 이루고 있어 동부 유역 구좌수역의 구좌읍은 해수 침투에 각별한 주의가 필요한 지역이다. 제주도, 제주연구원 및 한국농어촌공사에 따르면 제주도 전역의 가용하고 있는 염지하수 관정 681공 중 495공(71.9%)이 동부지역에서 이용되고 있는 것으로 나타났다. 높은 지하수 이용량이 지하수위에 유의미한 영향을 줄 수 있으며 이는 해수침투에 대한 취약성을 높일 수 있다. 해수침투를 방지하기 위한 주입정 설계 시 그림4와 같이 담지하수 취수정과 염지하수 취수정이 존재할 때 담지하수의 하강과 이로 인한 경계면에서의 수압 감소가 염지하수의 내륙이동을 촉발하면서 시작된다. 따라서 담지하수위의 하강을 초래하는 모든 자연적(기후변화, 강수량과 지하수 함양량의 감소 등), 인위적(지하수 양수 등) 현상들이 해수침투에 직접적으로 연관된다. 염지하수 양수정과 담지하수 양수정을 경계로 하여 해수가 담지하수 양수정까지 침투하지 않도록 제주동부하수처리장에서 하수재처리수를 [그림 5]와 같이 주입정을 설치하여 주입할 예정이다.

1.2 주입 방식 및 수원 조사

주입정을 통한 인공함양은 ‘지하 주입 방식’으로 제주 지역에 이미 존재하는 인공함양 시설의 ‘표면 침투 방식’ 대비 기술적 효율성, 전략적 운영이 가능하다는 이점을 제공한다. 하나의 주입정을 통해 다수의 대수층에 동시에 인공함양을 수행할 수 있어 효율적이며 실시간 지하수위 변화에 따른 즉각적인 유량 보정 및 운영 관리가 용이하다. 또한 주입정을 전략적으로 배치하여 수두 장벽을 형성함으로써 해수 침입을 효과적으로 방지하고 지하수 오염을 저감할 수 있다. 이러한 지하 주입 방식에서는 대규모의 안정적인 물 공급이 중요하기 때문에 하수 재처리수를 주입 수원으로 결정하였다. 해당 수원은 계절적 요인에 영향을 비교적 적게 받기 때문에 지속적으로 대규모 함양이 가능하다. 또한 제주도 내 하수 재이용 시설 두 곳 중 하나인 동부하수처리장이 현재 제주 물 재이용 관리계획(2022) 제주특별자치도, 제주특별자치도 물 재이용 관리계획 환경부 승인, 2022 에 의거하여 시설 증설 공사가 진행 중에 있다는 점과 해당 시설이 주입정 설계 대상 구역으로부터 직선거리 약 10km 이내로 수원의 이송 및 공급에 유리한 지리적 이점을 지닌다는 점에서 안정적이고 충분한 수원 공급지가 확보되었음을 확인하였다.

1.3 주입시스템 작동 기준 설정 주입시스템은 상시 주입으로 작동되며 Modflow2005 지하수 거동 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 양수량에 따른 시나리오별 필요 주입량을 일단위로 산정하였다.

1.3.1 관측 지하수위에 따른 월별 주입 필요 등급 설정 지하수위 실측 데이터는 지하수정보관리시스템 상 ‘JR구좌4’ 관측소 데이터로부터 얻으며 연간 지하수위 데이터를 토대로 갈수기를 1-4월, 10-12월로 간주한다. 월별 주입 필요 등급은 설계 대상지 인근 지하수위 관측소인 JR구좌4의 지하수위 변동 값을 기준으로 다음과 같이 다섯 가지 등급으로 나뉜다.

1.3.2. SWI2 패키지 기반 염수쐐기 모델링 및 적정 주입량의 할당 적정 주입량은 염수쐐기가 모델에 입력한 주입정 설계 라인을 내륙방향으로 침투하지 못하게 하는 주입량 값으로 이를 월별 주입 필요 등급에 따라 할당하여 월별 주입량을 산정하였다. 이때 염수쐐기의 변화를 관찰하기 위하여 SWI2 패키지를 활용하였다. 해당 모델은 담수-염수 경계면 추적 방법으로 식1의 Ghyben-Herzberg 원리를 기반으로 한다. 해당 식의 hf는 MODFLOW 내에서 수리 지질학적 조건과 경계 조건 하에서 등가 담수 수두로서 계산되며 SWI 패키지는 이 hf값을 입력받아 새로운 경계면의 위치 Zi를 계산하고 업데이트 한다. 또한 주입정 별 일당 필요 주입량, 연간 총 필요 주입량, 갈수기 일당 필요 주입량으로 주입량 데이터셋을 정리하였으며 시뮬레이션 결과 값은 2. 설계에서 자세히 다루도록 한다.

1.4. 자동 주입 시스템 설계

1.4.1주입정 설계 및 제원 산정 주입정은 다중 대수층 적용을 위하여 2개의 지하 대수층에 주입이 가능한 것으로 설계 및 제작하였다. 케이싱, 유입관, 센서관, 지하수층 관을 포함하며 2개의 주입 시스템이 수직으로 연결되어 각각의 주입 시스템이 필요에 따라 별도로 자동제어가 가능하도록 설계되었다. 주입정의 제원은 시뮬레이션 결과를 토대로 시간최대주입량에 대응하는 구경을 산정하여 주입량을 안정적으로 공급할 수 있도록 하였다.

1.4.2 지하수위 관리 및 제어 알고리즘 지하수위 관리 및 제어는 감시 및 원격 시스템에 자동 제어를 결합한 시스템으로 운영된다. 해당 시스템은 데이터 수집 및 변환 > 초기설정 > 상태판정 > 제어 및 경보 > 최종 주입 판단의 메인 흐름을 가진다. 상태 판정을 위한 기준은 ‘기준 수위’ 로서 이는 염수 침입 방지 목적으로 검토된 법적 기준을 이용하고 이것 역시 JD한동3 관측정의 기준 수위인 1.6 m로 설정한다. 기본 주입량은 앞서 산정된 일단위 필요 주입량으로 하되, 제어 및 경보 알고리즘에 따른 보정값이 반영될 수 있다. 보정값은 식1의 선형 보정 수식을 토대로 산출한다. 최종 주입은 수위 데이터 기반 상태판정 값에 따라 1단 주입/2단 주입/1,2단 주입이 자동, 선택적으로 운영된다.

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

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설계 사양

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개념설계안

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이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

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결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

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포스터

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

내용