KR101166326B1 - 터널식 취수시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 취수원의 하부에 위치한 기반암층에 형성된 취수터널; 이러한 취수터널을 통해 기반암층에 삽입 설치되고, 기반암층의 상부에 위치한 여과층에 의해 여과된 여과수가 유입되는 복수개의 유입홀이 형성된 하나 또는 복수개의 집수관; 이러한 집수관 내에 삽입되어 집수관에 집수된 여과수가 유입되는 유입구가 선단에 형성된 하나 또는 복수개의 취수관; 및 이러한 취수관에 유입된 여과수를 모아 상기 취수터널의 외부로 이송하는 송수유닛을 포함하는 터널식 취수시스템이 제공된다.
위와 같은 본 발명의 터널식 취수시스템에 의하면, 여과수를 취수하기 위한 집수관이 하천이나 바다와 같은 취수원의 하부에 설치되기 때문에 여과층의 두께에 관계없이 양질의 여과수를 다량으로 취수할 수 있고, 하천의 변 또는 바다의 연안에 인접하여 설치되는 여과수 취수시스템의 점유면적을 최소화할 수 있으며, 하천의 홍수나 바다의 유량이 증가하는 재해에도 시스템의 구성장치에 대한 안전을 담보할 수 있다. 또한 집수관 내에 통수(通水) 기능만을 담당하는 취수관을 설치하기 때문에 집수관의 길이가 취수관의 길이만큼 짧아지는 효과를 얻을 수 있으며, 이에 따라 통수능((通水能)이 그만큼 작아져도 되는 장점을 가지고, 집수관의 설치비용도 크게 줄어들게 된다.

Description

터널식 취수시스템{Tunnel-type intake system for filtered water}

본 발명은 터널식 취수시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하천수, 호소수 및 해수 등과 같은 취수원의 하부에 취수터널을 형성한 후, 이러한 취수터널을 이용하여 취수원으로부터 오염이 제거된 여과수를 모아서 취수하는 터널식 취수시스템에 관한 것이다.

다소 오염된 하천수로부터 양질의 물을 취수하는 방법으로서, 종래 하상여과 시스템의 일례를 나타낸 수직단면도가 도 1a에 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 종래 하상여과 시스템(10)은, 하상의 하부에 설치되어 대수층(F1)을 통해 자연 여과된 하천수를 끌어들이는 하나 이상의 집수관(12)과, 이러한 집수관(12)에 연결되어 여과수를 저장하는 집수정(11)을 포함한다. 이와 같은 하상여과 시스템(10)에 의하면, 여과수의 산출량도 많고, 대수층(F1)에서의 체류시간이 짧아 철이나 망간 등의 용출량도 적어 수질이 양호하다는 장점을 갖는다.

그런데 우리나라의 지질조건은 상기한 바와 같은 하상여과 시스템(10)을 적용하기 위한 퇴적층이 발달되어 있지 않다는 한계가 있다. 부연하면, 상기 집수관(12)은 하천 바닥의 땅속 아래에 설치되어야 하는데, 국내 하천의 경우 퇴적층의 두께가 얇은 곳이 많기 때문에 여과수의 수질이 만족스럽지 않을 뿐 아니라, 재해 등으로 인해 상기 집수관(12)이 외부로 노출되어 파괴되는 문제점이 있다.

한편, 원자력 발전소의 냉각수나 액화천연가스의 기화 또는 담수화 플랜트에서 사용가능한 수준의 청정도를 갖춘 해수를 대량으로 얻기 위해 바다의 모래층이나 파쇄된 암반층을 여과층으로 활용하는 종래 해수취수 시스템의 일례가 도 1b에 도시되어 있다.

도시된 바와 같이, 종래 해수취수 시스템(20)은, 해안에 인접한 곳에 해수면 이하 일정 깊이까지 파내려간 집수정(21)을 만들고, 집수관(22)을 통해 해저의 모래층(F2)이나 파쇄된 암반층(F3)에 침수되어 해양 불순물이 상당부분 제거된 해수를 집수하며, 집수관(22)과 연결된 송수관(23)을 통해 여과된 해수를 집수하도록 구성되어 있다.

그런데 상기한 바와 같은 종래 하상여과 시스템(10) 및 해수취수 시스템(20)의 각 집수관(12,22)에서는, 대용량의 여과수를 취수하는 경우 출구부근에서 여과수 유입율이 매우 커지게 되어, 여과층(F1,F2,F3)을 골고루 이용하지 못하는 한계를 가진다. 도 1c에는 도 1a 및 도 1b에 적용된 집수관(12,22)의 수두 분포와 여과수의 유입율 분포를 나타낸 도면이 도시되어 있다.

도 1c를 참조하여 자세히 설명하면, 집수관(12,22)에서의 수두가 출구 쪽으로 갈수록 점차 심하게 감소하게 되는 데, 이는 집수관(12,22) 내부의 축 방향 흐름에 의한 마찰에 기인한다. 부연하면, 난류에서의 마찰 손실의 수두는 속도의 제곱에 비례하므로 여과수의 지속적인 유입에 의해 축 방향의 유량이 점차 증가하는 출구 쪽으로 갈수록 수두가 급격히 감소하여 수두 분포 곡선이 왜곡되게 된다(Kim, S.H., Ahn, K.H., Ray, C., "Distribution of discharge intensity along small-diameter collector well laterals in a model riverbed filtration," Journal of Irrigation and Drainage Engineering-ASCE, 134(4), pp. 493-500, 2008). 한편, Darcy의 법칙에 의하면 집수관(12,22)에서의 여과수 유입율은 집수관(12,22)에서의 수두와 하천 또는 바다와 같은 취수원의 수위와의 차이에 비례하기 때문에, 집수관(12,22)에서의 수두 분포에 대응하여 출구 쪽으로 갈수록 여과수 유입율이 급격히 증가한다. 따라서 이 경우에는 집수관(12,22)의 전체 길이에 걸쳐서 여과수가 같은 유입율로 골고루 유입하지 않고, 출구 부근에서는 큰 유입율로 유입하는데 반해, 출구에서 먼 지점의 집수관(12,22)에서는 여과수가 거의 유입되지 않게 되는 부작용이 발생한다. 이러한 부작용에 더하여, 특히 집수정(11,21)에서 방사형으로 집수관을 다수 설치하는 경우와 같이, 집수관의 설치 밀도가 높은 집수정 부근에서는 집중여과가 심화되어 여과수의 수질에 나쁜 영향을 미치는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 취수원의 하부에 취수터널을 형성함으로써 퇴적층이 잘 발달되지 않은 국내의 지질조건에서도 양질의 여과수를 다량으로 취수할 수 있는 터널식 취수시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 여과수의 수수(收水)기능 뿐만 아니라 통수(通水)기능을 강화하여 여과수의 취수효율을 향상시키면서도, 집수관의 대직경화(大直徑化)를 지양(止揚)하여 시공비를 절감할 수 있는 터널식 취수시스템을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 취수원의 하부에 위치한 기반암층에 형성된 취수터널; 상기 취수터널을 통해 상기 기반암층에 삽입 설치되고, 상기 기반암층의 상부에 위치한 여과층에 의해 여과된 여과수가 유입되는 복수개의 유입홀이 형성된 하나 또는 복수개의 집수관; 상기 집수관 내에 삽입되어 상기 집수관에 집수된 여과수가 유입되는 유입구가 선단에 형성된 하나 또는 복수개의 취수관; 및 상기 취수관에 유입된 여과수를 모아 상기 취수터널의 외부로 이송하는 송수유닛을 포함하는 터널식 취수시스템이 제공된다.

상기 집수관 및 취수관은 각각 균일한 직경의 단직경을 가질 수 있다. 여기서 상기 취수관은 일단부가 상기 집수관의 출구 부분에 위치하는 것이 바람직하다.

보다 바람직한 대안으로서, 상기 집수관이 상기 취수터널로부터 멀어질수록 직경이 작아지는 다직경을 가질 수 있다. 여기서 상기 집수관은, 그 직경이 단계적으로 변하고, 직경이 변하는 부분이 점진적으로 변하는 것이 바람직하다. 또한 상기 취수관은 균일한 직경의 단직경을 가질 수 있다. 또한 상기 취수관은 적어도 일부가 상기 집수관의 가장 큰 직경 부분에 위치할 수 있다.

한편, 상기 취수관은 상기 취수터널로부터 멀어질수록 직경이 작아지는 다직경을 가질 수 있다. 여기서 상기 취수관은, 그 직경이 단계적으로 변하고, 직경이 변하는 부분이 점진적으로 변하는 것이 바람직하다. 또한 상기 집수관은 균일한 직경의 단직경을 가질 수 있다.

또 다른 바람직한 대안으로서 상기 집수관 및 취수관은 상기 취수터널로부터 멀어질수록 직경이 작아지는 다직경을 가질 수 있다. 여기서 상기 집수관 및 취수관은, 각각 그 직경이 단계적으로 변하고, 직경이 변하는 부분이 점진적으로 변하는 것이 바람직하다. 또한 상기 취수관은 적어도 일부가 상기 집수관의 가장 큰 직경 부분에 위치할 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에서, 상기 집수관은 상기 취수터널 쪽으로 갈수록 개공율이 작아지는 것이 바람직하다.

상기 취수관은 여과수가 유입될 수 있는 복수개의 유입공이 형성될 수 있다. 여기서 상기 유입공은 상기 유입구와 인접하는 주변에 형성될 수 있고, 더하여 상기 취수관의 출구 부분과 인접하는 주변에 더 형성될 수 있다. 대안적으로는, 상기 유입공이 상기 취수관의 외주부 주변에 고르게 분포하도록 형성될 수도 있다. 한편, 상기 유입공은 원형, 장공 및 슬롯(Slot) 중 선택된 하나 또는 이들의 선택적 조합의 형상일 수 있다.

상기 송수유닛은, 상기 취수관과 연결되어 유입된 여과수를 상기 취수터널의 외부로 이송하는 하나 또는 복수개의 송수관과, 상기 송수관에 유입된 여과수를 외부로 이송하기 위한 송수 압력을 제공하는 하나 또는 복수개의 송수펌프를 포함할 수 있다. 여기서 상기 송수유닛은, 상기 취수관의 단부에 위치하여 상기 취수관에서 배출되는 여과수의 유량을 제어하는 유량제어밸브를 더 포함할 수 있다. 한편, 상기 송수유닛은 유량제어밸브를 포함하는 대신에, 상기 송수펌프가 일정 수량의 여과수를 공급하는 정량펌프일 수도 있다.

대안적으로, 상기 송수유닛은, 상기 취수관과 연결되고 상기 취수관에 유입된 여과수가 합류하는 하나 또는 복수개의 합류관과, 상기 합류관과 연결되고 기 합류관에서 합류된 여과수를 상기 취수터널의 외부로 이송하는 하나 또는 복수개의 송수관과, 상기 합류관과 송수관을 연결하는 하나 또는 복수개의 연결관과, 상기 송수관에 유입된 여과수를 외부로 이송하기 위한 송수 압력을 제공하는 하나 또는 복수개의 송수펌프를 포함할 수 있다. 여기서 상기 송수유닛은, 상기 연결관 내에 설치되어 여과수의 유량을 제어하는 유량제어밸브를 더 포함할 수 있다. 한편, 상기 송수유닛은 유량제어밸브를 포함하는 대신에, 상기 송수펌프가 일정 수량의 여과수를 공급하는 정량펌프일 수도 있다.

상기 취수원은 하천수 또는 호소수이며, 상기 여과층은 퇴적층 및/또는 파쇄된 암반층일 수 있다. 선택적으로, 상기 취수원은 해수이며, 상기 여과층은 모래층 및/또는 파쇄된 암반층일 수도 있다.

본 발명에 따른 터널식 취수시스템에 의하면, 여과수를 취수하기 위한 집수관이 하천이나 바다와 같은 취수원의 하부에 설치되기 때문에 여과층의 두께에 관계없이 양질의 여과수를 다량으로 취수할 수 있고, 하천의 변 또는 바다의 연안에 인접하여 설치되는 여과수 취수시스템의 점유면적을 최소화할 수 있으며, 하천의 홍수나 바다의 유량이 증가하는 재해에도 시스템의 구성장치에 대한 안전을 담보할 수 있다.

또한 집수관 내에 취수관을 설치하여 집수관이 가지는 두 가지 기능, 즉 수수(收水)기능과 통수(通水)기능 중 통수 기능을 담당하도록 한다. 이로 인해 취수관이 설치된 구간에서는 취수관에서의 유속이 증가하더라도 집수관의 여과수 유입율에 영향을 주지 않는다. 따라서 산출유량은 그대로 유지되면서도 집수관 내부의 저항측면에서는 집수관의 길이가 취수관의 길이만큼 짧아지는 효과를 얻을 수 있으며, 이에 따라 집수관의 통수능(通水能)이 그만큼 작아져도 되는 장점을 가지게 된다. 특히, 취수관이 설치되는 집수관의 구간은 출구 부근이어서 여과수의 유량이 전체 집수관 중에서 가장 크고 유속도 빠르기 때문에 그 효과는 더욱 크다고 할 수 있다.

더욱이 취수관이 설치된 부위의 집수관은, 그 부위에서 유입된 여과수만을 송수하면 되므로 유효 단면적이 클 필요가 없기 때문에 집수관 설치비용이 크게 줄어들게 된다. 특히 다직경의 집수관 및/또는 취수관을 이용하는 경우, 여과수의 취수효율이 더욱 향상되는 반면에, 최대직경을 줄일 수 있기 때문에 설치비용을 크게 감소할 수 있다.

도 1a는 종래 하상여과 시스템의 일례를 나타낸 수직단면도,
도 1b는 종래 해수취수 시스템의 일례를 나타낸 수직단면도,
도 1c는 도 1a 및 도 1b에 적용된 집수관의 수두 분포와 여과수의 유입율 분포를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터널식 취수시스템의 수직단면도,
도 3a는 도 2의 터널식 취수시스템에 적용된 송수유닛의 일 실시예를 설명하기 위한 평면도,
도 3b는 도 2의 터널식 취수시스템에 적용된 송수유닛의 다른 실시예를 설명하기 위한 평면도,
도 4a 및 4b는 도 2에 나타낸 집수관 및 취수관의 일 실시예를 도시한 부분단면 사시도 및 단면도,
도 5a 및 5b는 도 2에 나타낸 집수관 및 취수관의 다른 실시예를 도시한 부분단면 사시도 및 단면도,
도 6 및 도 7은 도 2에 나타낸 집수관 및 취수관의 또 다른 실시예를 각각 도시한 부분단면 사시도,
도 8a 및 도 8b는 도 2에 나타낸 취수관에 형성된 유입공의 실시예들을 각각 도시한 사시도,
도 9는 도 2에 나타낸 집수관의 변형례를 설명하기 위한 단면도,
도 10a는 도 4a 및 도4b에 나타낸 집수관 및 취수관이 적용된 경우 집수관 의 수두 분포와 여과수의 유입율 분포를 나타낸 도면,
도 10b는 도 5a 및 5b에 나타낸 집수관 및 취수관이 적용된 경우 집수관의 수두 분포와 여과수의 유입율 분포를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1a는 종래 하상여과 시스템의 일례를 나타낸 수직단면도, 도 1b는 종래 해수취수 시스템의 일례를 나타낸 수직단면도, 도 1c는 도 1a 및 도 1b에 적용된 집수관의 수두 분포와 여과수의 유입율 분포를 나타낸 도면, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터널식 취수시스템의 수직단면도, 도 3a는 도 2의 터널식 취수시스템에 적용된 송수유닛의 일 실시예를 설명하기 위한 평면도, 도 3b는 도 2의 터널식 취수시스템에 적용된 송수유닛의 다른 실시예를 설명하기 위한 평면도, 도 4a 및 4b는 도 2에 나타낸 집수관 및 취수관의 일 실시예를 도시한 부분단면 사시도 및 단면도, 도 5a 및 5b는 도 2에 나타낸 집수관 및 취수관의 다른 실시예를 도시한 부분단면 사시도 및 단면도, 도 6 및 도 7은 도 2에 나타낸 집수관 및 취수관의 또 다른 실시예를 각각 도시한 부분단면 사시도, 도 8a 및 도 8b는 도 2에 나타낸 취수관에 형성된 유입공의 실시예들을 각각 도시한 사시도이다. 여기서 동일한 참조부호는 동일한 구성 및 효과를 갖는 동일부재를 나타낸다.

도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 터널식 취수시스템은, 취수터널(100)과, 하나 또는 복수개의 집수관(210,220)과, 하나 또는 복수개의 취수관(310,320)과, 송수유닛(410,420)을 포함한다.

상기 취수터널(100)은 취수원(S)의 하부에 위치한 기반암층(B)에 형성된다. 여기서 기반암층(B)의 상부에는 여과층(F)이 위치한다. 이러한 여과층(F)으로는, 상기 취수원(S)이 하천수 또는 호소수이면 퇴적층 및/또는 파쇄된 암반층이 될 수 있고, 상기 취수원(S)이 해수이면 모래층 및/또는 파쇄된 암반층일 수 있다. 그리고 상기 취수터널(100)은 기반암층(B)의 상층에 가깝도록 위치하게 형성하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 기반암층(B)을 통해 여과되는 여과수가 기반암층(B)을 통과하는 동안에는 수질이 크게 개선되지는 않으면서 여과수의 흐름에 대한 저항이 커지기 때문이다. 한편, 상기 취수터널(100)은 취수원(S)이 흐르는 방향과 반드시 직각을 이루도록 형성할 필요는 없으며, 상기 취수터널(100)이 형성되는 깊이, 방향 등은 지질조건과 여과수의 산출유량, 여과층(F)의 두께와 투수계수 등에 따라 결정될 수 있다.

상기 집수관(210,220)은, 취수원(S)의 하부에 배치된 여과층(F)을 통과한 여과수를 집수하기 위한 것으로서, 상기 취수터널(100)을 통해 상기 기반암층(B)에 삽입 설치된다. 여기서 상기 집수관(210,220)은 취수원(S)의 흐름 방향과 평행하게 설치될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 비스듬하게 기울어지도록 설치될 수도 있다. 또한 상기 집수관(210,220)은, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 상기 취수터널(100)을 내벽을 통해 복수개가 서로 이격되게 삽입 설치될 수 있고, 양측으로 대칭되도록 설치될 수도 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 상기 집수관(210,220)의 설치 개수 및 방법은 지질조건과 여과수의 산출유량, 여과층(F)의 두께와 투수계수 등에 따라 다양하게 선택될 수 있다.

또한 상기 집수관(210,220)은, 여과층(F)을 통과한 여과수를 집수하기 위하여 여과수가 유입되는 복수개의 유입홀(211,221)이 형성되어 있다. 여기서 상기 집수관(210,120)은 상기 취수터널(100) 쪽으로 갈수록 개공율이 작아지도록 상기 유입홀(211,221)을 형성하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 상기 집수관(210,220)의 개공율이 일정하면, 여과수가 출구 쪽으로 갈수록 편중되게 유입되어 출구 쪽의 집수관(210,220)에 큰 유입율이 발생할 수 있기 때문이다.

또한 상기 집수관(210)은, 도 3a 내지 도 4b에 도시한 바와 같이 균일한 직경의 단직경을 가질 수 있다. 한편 대안으로서, 도 5a 및 도 5b와 같이 상기 집수관(220)이 취수터널(100)로부터 멀어질수록 직경이 작아지는 다직경을 가질 수 있다. 이러한 다직경의 집수관(220)은 출구 쪽으로 갈수록 직경이 커지기 때문에 여과수의 유입에 따라 유량은 증가하면서도 집수관(220) 내부에서의 축 방향 유속은 증가하지 않으므로 집수관(220) 내부의 압력이 크게 감소하지 않아 여과층(F)을 골고루 이용하여 양질의 여과수를 대량으로 얻을 수 있다. 여기서 다직경을 가지는 상기 집수관(220)은, 그 직경이 단계적으로 변하고, 직경이 변하는 부분(222)이 점진적으로 변하는 점확관일 수 있다. 또한 상기 집수관(210,220)의 직경, 길이, 유입홀(211,221)의 위치 등은 여과층(F)의 투수계수, 여과층(F)의 두께, 취수원(S)의 수심, 소요 산출유량 등 여러 요소에 의해 결정된다.

상기 집수관(210,220)에 집수된 여과수를 취수하기 위하여 본 발명의 터널식 취수시스템은, 상기 집수관(210,220) 내에 삽입되는 하나 또는 복수개의 취수관(310,320)을 구비한다. 그리고 상기 취수관(310,320)의 선단, 즉 입구단에는 상기 집수관(210,220)에 집수된 여과수가 유입되는 유입구(311,321)가 형성되어 있다. 이러한 취수관(310,320)의 직경, 길이, 유입구(311,321)와 유입공(312,322)의 위치 등은 여과층(F)의 투수계수, 여과층(F) 두께, 취수원(S)의 수심, 집수관(210,220)의 길이와 직경, 소요 산출유량에 대응하기 위한 통과유량의 필요 단면적 등의 여러 요소에 의해 결정된다. 한편, 상기 취수관(210,220)은 집수관(210,220)의 중심 부위에 위치하는 것이 바람직하며, 첨부 도면에는 도시하지 않았지만 이를 위해 상기 취수관(310,320)과 집수관(210,220)의 사이를 일정한 거리로 이격시키기 위한 지지대(미도시)가 설치될 수 있다.

상기 집수관(220)이 다직경인 경우, 상기 취수관(320)의 길이는 다직경 집수관(220)의 최대 직경부와 같게 하는 것이 적당하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 상기 취수관(320)의 선단이 상기 집수관(220)의 직경이 변하는 부분은 물론, 두 번째로 큰 직경부 이상까지 연장될 수도 있다. 부연하면, 상기 취수관(310,320)을 집수관(210,220)내에 삽입하는 깊이는 여과층(F)의 투수계수, 목표산출유량, 여과층(F)의 두께, 집수관(210,220)의 길이와 직경, 취수원(S)의 깊이 및 수질 등에 의해 결정된다.

또한 상기 취수관(310,320)에는 여과수가 유입될 수 있는 복수개의 유입공(312,322)이 형성된 것이 바람직하다. 여기서 상기 유입공(313,323)은, 원형, 장공 및 슬롯(Slot) 중 선택된 하나 또는 이들의 선택적 조합의 형상일 수 있다. 이러한 유입공(312,322)은, 도 4a 내지 도 7에 도시된 바와 같이 상기 유입구(311,321)와 인접하는 주변에 형성될 수 있으나, 이는 예시적인 것이다. 즉, 도 8a에 도시된 바와 같이 상기 유입공(312,322)은 상기 취수관(310,320)의 출구 쪽에 더 형성될 수도 있으며, 도 8b에 도시된 바와 같이 취수관(310,320)의 외주부에 고르게 분포하도록 형성될 수도 있다.

상기 취수관(310)은, 도 3a 내지 도 4b에 도시한 바와 같이 균일한 직경의 단직경을 가질 수 있으나, 대안적으로 도 5a 및 5b에 도시된 취수관(320)과 같이 취수터널(100)에서 멀어질수록 직경이 작아지는 다직경을 가질 수 있다. 여기서 다직경을 가지는 상기 취수관(320)은, 그 직경이 단계적으로 변하고, 직경이 변하는 부분(323)이 점진적으로 변하는 점확관일 수 있다.

지금까지는 단직경을 갖는 집수관(210)과 취수관(310)의 조합 및 다직경을 갖는 집수관(220)과 취수관(320)의 조합에 대해서만 서술하였으나, 이는 예시적인 것으로서, 다음과 같은 조합도 가능하다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이 다직경을 갖는 집수관(220)과 단직경을 갖는 취수관(310)의 조합이 가능하다. 또한, 도 7과 같이 단직경을 갖는 집수관(210)과 다직경을 갖는 취수관(320)의 조합도 가능하다.

위와 같은 집수관(210,220)과 취수관(310,320)의 조합에서, 상기 취수관(310,320)은 집수관(210,220)의 출구 부분에 위치하는 것이 바람직하다. 만약 상기 집수관(220)이 다직경을 갖는 경우, 상기 취수관(310,320)의 적어도 일부가 상기 집수관(220)의 가장 큰 직경 부분(220a)에 위치하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 취수터널(100)이 형성된 기반암층(B)의 강도와 파쇄정도는 다양하며, 하나의 취수터널(100)에서도 지점에 따라 다를 수 있다. 만약 파쇄된 기반암층(B)의 강도가 충분하지 않은 경우에는, 지금까지 서술한 바와 같이 충분한 강도를 가진 집수관(210,220)을 기반암층(B)에 삽입하여 설치하면 된다. 그러나 지층운동 등에 의하여 비록 파쇄대는 발달했지만 암석 자체의 강도가 충분한 기반암층(B)의 경우에는 집수관(210,220)이 설치되지 않아도 기반암층(B)에 집수관(210,220) 모양의 공간이 유지될 수 있으며, 유입홀(211,221)이 없어도 파쇄대로부터 여과수가 유입할 수 있다.

도 9에는 도 2에 나타낸 집수관의 변형례를 설명하기 위한 단면도로서, 기반암층(B)에 배치된 암석 자체의 강도가 충분하여, 전술한 집수관(210,220)을 설치되지 않아도 기반암층(B)에 전술한 집수관(210,220) 모양의 공간이 충분히 유지될 수 있는 경우에 적용될 수 있는 집수관(230)을 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 여과수의 유입을 위해 취수터널(100)의 내벽을 굴착하여 형성된 집수관(230) 삽입홀(231)의 전체길이에 대응하도록 집수관(230)을 설치하지 않고, 출구부근의 짧은 구간에만 집수관(230)을 설치하여 비용을 절감할 수 있다. 이때 설치되는 집수관(230)의 길이는 취수관(310,320)의 고정 또는 기반암층(B)과의 결합 등 전체설비의 견고한 조합을 위한 정도이면 충분하다. 다만 여기서 상기 취수관(310,320)은, 전술한 바와 같이 본래의 취수기능을 수행할 수 있도록 설치된다.

상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에서, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 상기 취수관(310,320)에 유입된 여과수는 송수유닛(410,420)에 의해 취수터널(100)의 외부로 이송된다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 의한 상기 송수유닛(410)은 하나 또는 복수개의 송수관(412)과, 하나 또는 복수개의 송수펌프(414)를 포함할 수 있다.

상기 송수관(412)은 취수관(310,320)과 연결되어 유입된 여과수를 취수터널(100)의 외부로 이송한다. 이를 위해 상기 송수펌프(414)는 송수 압력을 제공한다. 여기서 상기 취수관(410,420)의 단부에는 유량제어밸브(415)를 설치하여 상기 취수관(310,320)에서 배출되는 여과수의 유량을 제어할 수 있다. 다만, 이러한 유량제어밸브(415) 대신에 상기 송수펌프(414)로서 일정 수량의 여과수를 공급하는 정량펌프를 사용할 수도 있다. 한편 상기 송수펌프(414)는 송수관(412)에 설치된 것으로 도시하였으나, 이는 예시적인 것으로 필요로 하는 송수 압력을 제공할 수 있다면, 그 설치 위치 및 개수에 제한이 없다.

상기 송수유닛(420)의 다른 실시예에 따르면, 도 3b에 도시된 바와 같이 하나 또는 복수개의 합류관(421)과, 하나 또는 복수개의 송수관(422)과, 하나 또는 복수개의 연결관(423)과, 하나 또는 복수개의 송수펌프(424)를 포함할 수 있다.

상기 합류관(421)은 취수관(310,320)과 연결되어, 상기 취수관(310,320)에 유입된 여과수가 합류한다. 상기 송수관(422)은 합류관(421)과 연결되어, 상기 합류관(421)에서 합류된 여과수를 취수터널(100)의 외부로 이송한다. 그리고 상기 연결관(423)은 합류관(421)과 송수관(422)을 연결시킨다. 상기 송수펌프(424)는 송수관(422)에 유입된 여과수를 외부로 이송하기 위한 송수 압력을 제공한다. 여기서 상기 연결관(423) 내에 유량제어밸브(425)를 설치하여 상기 취수관(310,320)에서 배출되는 여과수의 유량을 제어할 수 있다. 다만, 이러한 유량제어밸브(425) 대신에 상기 송수펌프(424)로서 일정 수량의 여과수를 공급하는 정량펌프를 사용할 수도 있다. 한편 여기서도 상기 송수펌프(424)는 송수관(322)에 설치된 것으로 도시하였으나, 이는 예시적인 것으로 필요로 하는 송수 압력을 제공할 수 있다면, 그 설치 위치 및 개수에 제한이 없다.

한편, 도 3a 및 도 3b에서는 집수관(210) 및 취수관(310)의 직경이 균일한 단직경으로 도시하였으나, 이는 설명의 편의를 위해 예시적으로 도시한 것으로서, 집수관(220)과 취수관(320)이 다직경인 경우에도 동일하게 적용될 수 있음은 주지의 사실이다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 여과수 취수장치의 작용 및 효과를 설명하도록 한다.

먼저 본 발명의 실시예에 따르면, 여과수를 취수하기 위한 집수관(210,220)이 취수터널(100)의 내벽을 통해 하천이나 바다와 같은 취수원(S)의 하부에 삽입 설치되기 때문에 여과층(F)의 두께에 관계없이 양질의 여과수를 다량으로 취수할 수 있다.

또한 하천의 변 또는 바다의 연안에 인접하여 설치되는 여과수 취수시스템의 점유면적을 최소화할 수 있기 때문에 보다 양질의 여과수를 얻을 수 있다. 더욱이 집수관(210,220)과 취수관(310,320)과 같은 취수시스템의 구성장치가 취수터널(100)의 내벽을 통해 상대적으로 안정된 기반암층(B)에 삽입 설치되기 때문에, 하천의 홍수나 바다의 유량이 증가하는 재해에도 손상되지 않고 안전을 담보할 수 있다.

도 10a에는 집수관 내부에 취수관을 삽입한 경우로서, 상기 집수관(110)과 취수관(210)이 단직경인 경우의 수두 분포와 여과수의 유입율 분포를 나타낸 도면이 도시되어 있다.

본 발명의 실시예에 따른 터널식 취수시스템을 설명하기에 앞서, 통상적인 종래의 집수관에서는 출구 쪽으로 갈수록 유량이 증가하고 이로 인해 유속이 증가하여 압력이 감소함으로써 여과수 유입율이 급격히 증가하게 되며, 이 때문에 집수관의 전체 길이에 걸쳐서 여과수가 같은 유입율로 골고루 유입하지 않고 출구부근에서는 큰 유입율로 유입하는데 비해 출구에서 먼 지점의 집수관에서는 여과수가 거의 유입되지 않게 되는 부작용이 발생한다.

위와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 실시예에서는, 상기 집수관(210)의 내부에 통수(通水) 기능만을 담당하는 취수관(310)을 삽입한다. 여기서 집수관(210)에 삽입된 취수관(310)을 통한 배수를 위해 송수펌프(414,424)의 동력을 증가시켜 취수관(310)에 유입된 여과수의 유속을 빠르게 하여도 취수관(310) 내부에서의 여과수 흐름은, 취수관(310)의 외부에 위치한 집수관(210)에서의 흐름과는 차단되어 있다. 이 때문에 취수관(310)이 설치된 구간에서는 취수관(310)에서의 빠른 유속이 집수관(210)의 여과수 유입율에 영향을 주지는 않는다. 따라서 산출유량은 그대로 유지되면서도 집수관(210) 내부의 저항에 있어서는 집수관(210)의 길이가 취수관(310)의 길이만큼 짧아지는 효과를 얻을 수 있으며, 이에 대응하여 집수관(210)의 통수능(通水能)이 그만큼 작아져도 되는 효과가 발생한다. 특히 취수관(310)이 설치되지 않는 경우, 이 구간에서의 유량이 전체 집수관(210) 중에서 가장 크고 유속도 빠르기 때문에 그 효과는 더욱 크다고 할 수 있다.

또한 상기 취수관(310)이 설치된 부위의 집수관(210)은, 취수관(310)이 설치된 부위에서 유입된 여과수만을 송수하면 되므로 유효단면적이 클 필요가 없어서 집수관(210) 설치비용을 크게 줄일 수 있다.

더욱이 다수의 집수관(210)을 방사형으로 배치하는 하는 경우와 같이, 집수관(210)의 출구부근은 집수관(210)의 설치밀도가 크므로 집중여과가 심화되는 현상이 발생한다. 이를 해소하는 방안으로서, 도 10a에 도시된 바와 같이 집수관(210)의 출구 부분에 취수관(310)을 삽입하여 집수관(210)에서 집중여과가 발생하는 위치를 출구부가 아닌, 취수터널(100)로부터 적당한 거리만큼 그 위치를 옮겨줄 수 있는 효과가 있다.

한편, 도 10b는 상기 집수관(220)과 취수관(320)이 다직경인 경우의 수두 분포와 여과수의 유입율 분포를 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 상기 집수관(220)이 다직경인 경우, 출구에서 멀리 떨어진 부분에서의 축방향 유량은 크지 않기 때문에 이 부위에서는 그 직경이 작아도 여과수가 원활하게 유입되어 대용량 여과시스템에 적합하다. 그리고 상기 취수관(320)도 취수터널(100)로부터 멀어질수록 직경이 단계적으로 작아지는 다직경을 사용하면 취수관(320)과 집수관(220) 사이의 공간에서 취수관(320)의 선단 쪽(취수터널로부터 멀어지는 쪽)으로 여과수가 흐르므로, 이러한 흐름을 따라 갈수록 여과수가 흐르는 단면적이 점차 커져서 축 방향 유량이 점차 증가함에도 불구하고 그 유속은 크게 증가하지 않게 된다. 따라서 취수관(320)이 설치된 부분의 집수관(220) 전체에 걸쳐 골고루 여과수가 유입될 수 있다.

다만, 단계적으로 직경이 작아지는 취수관(320)을 사용하더라도, 취수관(320)의 선단에서는 유속이 빨라지므로 집수관(220)의 수두분포는 취수관(320)의 선단 부분에서 첨예하게 굽어진다(도 10b의 점선 참조). 이로 인하여 여과수의 집중유입이 취수관(320)이 없는 경우보다는 완화되지만, 그래도 여전히 발생하고 집수관(220) 전체의 효율은 감소한다. 특히 선단만 개구되게 유입구(321)가 형성된 취수관(320)으로 사용하면, 부분적으로 발생하는 큰 유속과 이로 인한 심한 압력강하가 최소압력지점인 취수관(320)의 선단으로 제한되기 때문이다.

위와 같은 문제를 해소하기 위해서는 취수관(320)의 선단에 유입구(321)가 형성되어 열려 있을 뿐 아니라, 선단으로부터 일정한 구간에 다수의 유입공(322)을 형성하여 유입면적을 증가시킴으로써 최소압력지점의 유속을 감소시켜야 한다. 이와 같이 취수관(320)에 유입공(322)을 형성한 경우, 도 10b에 도시된 바와 같이 집수관(220)의 수두분포와 여과수의 유입율 분포가 취수관(320)의 선단에 첨예하게 형성(점선으로 표시)되지 않고, 부드러운 형상을 띠어 집수관(220)의 효율이 향상된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 터널식 취수시스템에 의하면, 산출유량은 그대로 유지되면서도 집수관(210,220) 내부의 저항에 있어서는 취수관(310,320)의 길이만큼 집수관(210,220)의 길이가 짧아지는 효과가 발생하므로, 집수관(210,220)에서의 축 방향 최대유량 및 유속이 감소하여 집중유입이 그 만큼 완화된다. 따라서 여과층(F)을 보다 골고루 사용하게 되어 여과수질이 좋아지며, 설치비용은 감소하게 된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100 : 취수터널 210,220,230 : 집수관
211,221 : 유입홀 310,320 : 취수관
311,321 : 유입구 312,322 : 유입공
410,420 : 송수유닛 412,422 : 송수관
414,424 : 송수펌프 415,425 : 유량제어밸브
421 : 합류관 423 : 연결관
B : 기반암층 F : 여과층
S : 취수원

Claims (27)

1. 취수원의 하부에 위치한 기반암층에 형성된 취수터널;
   상기 취수터널을 통해 상기 기반암층에 삽입 설치되고, 상기 기반암층의 상부에 위치한 여과층에 의해 여과된 여과수가 유입되는 복수개의 유입홀이 형성된 하나 또는 복수개의 집수관;
   상기 집수관 내에 삽입되어 상기 집수관에 집수된 여과수가 유입되는 유입구가 선단에 형성되고, 상기 취수터널로부터 멀어질수록 직경이 작아지는 다직경을 가지는 하나 또는 복수개의 취수관; 및
   상기 취수관에 유입된 여과수를 모아 상기 취수터널의 외부로 이송하는 송수유닛을 포함하는 터널식 취수시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 집수관은 균일한 직경의 단직경을 가지는 터널식 취수시스템.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 취수관은 일단부가 상기 집수관의 출구 부분에 위치하는 터널식 취수시스템.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 집수관은, 상기 취수터널로부터 멀어질수록 직경이 작아지는 다직경을 가지는 터널식 취수시스템.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 집수관은, 그 직경이 단계적으로 변하고, 직경이 변하는 부분이 점진적으로 변하는 터널식 취수시스템.
6. 삭제
7. 청구항 4에 있어서,
   상기 취수관은 적어도 일부가 상기 집수관의 가장 큰 직경 부분에 위치하는 터널식 취수시스템.
8. 삭제
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 취수관은, 그 직경이 단계적으로 변하고, 직경이 변하는 부분이 점진적으로 변하는 터널식 취수시스템.
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 청구항 1 내지 청구항 5, 청구항 7, 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집수관은 상기 취수터널 쪽으로 갈수록 개공율이 작아지는 터널식 취수시스템.
15. 청구항 1 내지 청구항 5, 청구항 7, 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 취수관은 여과수과 유입될 수 있는 복수개의 유입공이 형성된 터널식 취수시스템.
16. 청구항 15에 있어서,
    상기 유입공은 상기 유입구와 인접하는 주변에 형성된 터널식 취수시스템.
17. 청구항 16에 있어서,
    상기 유입공은 상기 취수관의 출구 부분과 인접하는 주변에 더 형성된 터널식 취수시스템.
18. 청구항 15에 있어서,
    상기 유입공은 상기 취수관의 외주부 주변에 고르게 분포하도록 형성된 터널식 취수시스템.
19. 청구항 15에 있어서,
    상기 유입공은, 원형, 장공 및 슬롯(Slot) 중 선택된 하나 또는 이들의 선택적 조합의 형상인 터널식 취수시스템.
20. 청구항 1 내지 청구항 5, 청구항 7, 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송수유닛은,
    상기 취수관과 연결되어 유입된 여과수를 상기 취수터널의 외부로 이송하는 하나 또는 복수개의 송수관과,
    상기 송수관에 유입된 여과수를 외부로 이송하기 위한 송수 압력을 제공하는 하나 또는 복수개의 송수펌프를 포함하는 터널식 취수시스템.
21. 청구항 20에 있어서,
    상기 송수유닛은,
    상기 취수관의 단부에 위치하여 상기 취수관에서 배출되는 여과수의 유량을 제어하는 유량제어밸브를 더 포함하는 터널식 취수시스템.
22. 청구항 20에 있어서,
    상기 송수펌프는 일정 수량의 여과수를 공급하는 정량펌프인 터널식 취수시스템
23. 청구항 1 내지 청구항 5, 청구항 7, 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송수유닛은,
    상기 취수관과 연결되고, 상기 취수관에 유입된 여과수가 합류하는 하나 또는 복수개의 합류관과,
    상기 합류관과 연결되고, 상기 합류관에서 합류된 여과수를 상기 취수터널의 외부로 이송하는 하나 또는 복수개의 송수관과,
    상기 합류관과 송수관을 연결하는 하나 또는 복수개의 연결관과,
    상기 송수관에 유입된 여과수를 외부로 이송하기 위한 송수 압력을 제공하는 하나 또는 복수개의 송수펌프를 포함하는 터널식 취수시스템.
24. 청구항 23에 있어서,
    상기 송수유닛은,
    상기 연결관 내에 설치되어 여과수의 유량을 제어하는 유량제어밸브를 더 포함하는 터널식 취수시스템.
25. 청구항 23에 있어서,
    상기 송수펌프는 일정 수량의 여과수를 공급하는 정량펌프인 터널식 취수시스템.
26. 청구항 1 내지 청구항 5, 청구항 7, 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 취수원은 하천수 또는 호소수이며,
    상기 여과층은 퇴적층 또는 파쇄된 암반층인 터널식 취수시스템.
27. 청구항 1 내지 청구항 5, 청구항 7, 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 취수원은 해수이며,
    상기 여과층은 모래층 또는 파쇄된 암반층인 터널식 취수시스템.

Images