KR20190059159A - 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법 및 그 시스템 - Google Patents

Abstract

수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법 및 그 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법은: 심부 지하수를 취수하도록 지표에서 심부 대수층까지 수직으로 설치된 취수정 인근에 취수정보다 얕은 심도에서 천부 지하수를 취수하는 수직 포획정을 나란히 수직으로 설치하는 단계; 상기 수직 포획정의 상류 구배에 위치한 관측정에서 천부 지하수의 수질 오염도를 측정하는 관측정 수질 오염도 측정 단계; 및, 상기 관측정에서 측정된 수질 오염도가 기준치를 초과한 것으로 판단되면 상기 취수정의 운전 가동을 중단하며 상기 수직 포획정만이 단독 운전되도록 긴급모드로 제어하고, 상기 관측정에서 측정된 수질 오염도가 기준치 이내인 것으로 판단되면 상기 취수정의 운전 가동이 계속 유지되도록 하며 이에 연동하여 상기 수직 포획정의 운전 가동이 이뤄지도록 일반모드로 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 수직 포획정을 이용하여 천부 지하수의 심부 지하수로의 유입을 차단시켜 천층부의 지하수를 효과적으로 배제하여 취수정 인근 지표의 비점 오염원, 점 오염원과 같은 지표오염물질 또는 오염사고로부터 발생 되는 오염물질로부터 심부 지하수의 수질을 안정적으로 보호함으로써, 양질의 지하수를 안정적으로 확보할 수 있는 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법 및 그 시스템을 제공할 수 있다.

Description

수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법 및 그 시스템 {method and system for preventing quality contamination of underground water using vertical capturing well}

본 발명은 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법 및 그 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 천층 지하수를 양수하는 방법으로 취수정 인근 지표의 비점 오염원 또는 오염사고로부터 발생 되는 오염물질을 포획함으로써, 이들이 취수정에 유입되는 것을 차단하는 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법 및 그 시스템에 관한 것이다.

지하수는 자연 기원의 오염물질에 의하여도 오염될 수 있지만, 대부분은 지표에서 기원하는 오염물질에 의하여 오염된다. 국내 지하수 수질 측정망 운영결과의 오염 항목별 초과빈도를 보면 지표 기원이라고 할 수 있는 대장균, 질산성 질소, TCE, PCE의 오염초과 빈도가 다른 오염지표 항목들에 비하여 높다. 특히, 대장균, 질산성 질소 등은 비료, 가축분뇨, 야생동물 등과 같은 비점 오염원에 의한 오염이라고 할 수 있다.

국가 지하수 수질 측정망 운용결과는 평균 5~7 %의 오염 초과빈도를 보이는 것으로 보고되고 있으나, 대전/충북 지역 먹는 물 공동시설의 수질자료에 따르면, 상대적으로 오염에 덜 취약한 관정시설의 경우도 2010 ~ 2012년 동안 12회 이상의 수질분석에서 단 1회라도 총 대장균, 질산성 질소의 먹는 물 수질기준을 초과하는 경우가 전체의 약 71%나 되는 것으로 분석되었다.

최근, 국민소득의 증가와 함께 수돗물에 대한 불신이 증대됨에 따라, 양질의 음용수에 대한 국민 들의 선호도가 급격히 증가 되고 있다.

샘물과 생수는 모두 지하수를 원수로 하고 있다. 먹는 물 관리법 제3조의 정의에 의하면 샘물을 "암반대수층(岩盤帶水層) 안의 지하수 또는 용천수 등 수질의 안전성을 계속 유지할 수 있는 자연 상태의 깨끗한 물을 먹는 용도로 사용할 원수(原水)"라고 정의하고 있으며, 먹는 샘물은 "샘물을 먹기에 적합하도록 물리적으로 처리하는 등의 방법으로 제조한 물"로 정의하고 있다.

먹는 샘물 시장은 2014년에만 약 6천억 원에 이를 것으로 보이며, 이는 2000년에 비하여 4배 가까이 증가 된 것이다. 이처럼 생수시장의 폭발적 증가에 맞추어 생수 수입량도 급속히 증가 되고 있는 실정이다. 생수 수입은 2013년에는 금액기준으로 2500만 달러나 되었으며, 이는 2009년부터 불과 5년 동안 약 3.5배나 증가 된 것이다. 이러한 수입증가세는 앞으로도 지속적으로 증가 될 것으로 보인다. 생수 수입량이 급격히 증대되고 있는 것은, 국내의 먹는 샘물이 안전하지 못하고 양질의 먹는 물을 원하는 국민 들의 눈높이에는 다소 부족한 것으로 인식됨을 반증하는 것이라고 할 수 있다. 이러한 시장 상황에서 국내의 먹는 샘물 업체들이 경쟁력을 갖기 위해서는, 먹는 샘물의 수원인 심부 지하수의 수질을 안정적으로 유지하는 것이 매우 중요하다.

그러나, 천부 지하수는 지표 오염원에 의하여 쉽게 수질이 악화 될 수 있으며, 이로 인하여 1990년대 이후에는 지표 오염원에 대하여 영향이 상대적으로 작은 고심도 지하수를 주로 개발하고 있다. 이에 따라 국내의 먹는 샘물은 대부분 심도 100 m 이상의 관정에서 취수된다.

한편, 종래기술에 따른 지하수 수질 관리 방법의 일 예가 대한민국 특허등록번호 제10-1409440호(2014년06월12일자 등록, 이하 '특허문헌 1'이라 함) 등에 개시되어 있다.

그러나, 심부 지하수를 과도하게 취수하게 되면 지표 근처의 오염물질이나 오염된 천부 지하수가 지하 깊은 곳으로 이동하게 되어 심부 지하수의 수질도 결국에는 악화 될 수 있다. 실제로 오염원이 산재한 지역에서 깊은 우물을 개발할 경우, 개발 초기에는 양질의 지하수를 얻을 수 있었으나, 세월이 지나면서 심각한 수질저하가 발생하는 현상이 흔히 관찰된다.

이처럼, 지표의 비점 오염원 및 오염에 취약한 천층 지하수의 유입에 의한 심부 지하수 수질저하가 매우 흔하게 관찰되고, 이것이 폐공의 주요 원인이 되고 있음에도 불구 하고, 현재까지 이들의 취수정 유입을 차단할 수 있는 이렇다 할 기술이 개발되어 있지 아니한 실정이다.

대한민국 특허등록번호 제10-1409440호(2014년06월12일자 등록)

본 발명의 목적은, 수직 포획정을 이용하여 천부 지하수의 심부 지하수로의 유입을 차단시켜 천층부의 지하수를 효과적으로 배제하여 취수정 인근 지표의 비점 오염원과 같은 지표오염물질 또는 오염사고로부터 발생 되는 오염물질로부터 심부 지하수의 수질을 안정적으로 보호함으로써, 양질의 지하수를 안정적으로 확보할 수 있는 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법 및 그 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 취수정 바로 인근에 얕은 심도의 수직 포획정을 설치하여 취수정에서 지하수를 양수할 때에 수직 포획정도 같이 운영하여 지표로부터 기원하는 오염물질을 포획함으로써, 천부 지하수의 심부 지하수로의 유입을 차단시켜 양질의 지하수를 안정적으로 확보할 수 있는 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법 및 그 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법은: 심부 지하수를 취수하도록 지표에서 심부 대수층까지 수직으로 설치된 취수정 인근에 취수정보다 얕은 심도에서 천부 지하수를 취수하는 수직 포획정을 나란히 수직으로 설치하는 단계; 상기 수직 포획정의 상류 구배에 위치한 관측정에서 천부 지하수의 수질 오염도를 측정하는 관측정 수질 오염도 측정 단계; 및, 상기 관측정에서 측정된 수질 오염도가 기준치를 초과한 것으로 판단되면 상기 취수정의 운전 가동을 중단하며 상기 수직 포획정만이 단독 운전되도록 긴급모드로 제어하고, 상기 관측정에서 측정된 수질 오염도가 기준치 이내인 것으로 판단되면 상기 취수정의 운전 가동이 계속 유지되도록 하며 이에 연동하여 상기 수직 포획정의 운전 가동이 이뤄지도록 일반모드로 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 긴급모드 제어 단계는, 상기 수직 포획정에서 취수되는 천부 지하수의 수질 오염도를 다시 한 번 측정하는 포획정 수질 오염도 측정 단계와, 상기 포획정 수질 오염도 측정 단계에서 측정된 수질 오염도가 기준치를 초과한 것으로 판단되면 상기 취수정의 운전 가동이 계속 중단되도록 하고 상기 수직 포획정만 계속 단독 운전되도록 제어하며, 상기 천부 지하수 수질 오염도 측정 단계에서 측정된 수질 오염도가 기준치 이내인 것으로 판단되면 상기 관측정에서의 수질 오염도 측정이 다시 이뤄지도록 제어하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명에 따른 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법은, 상기 관측정에서의 수질 오염도 측정 단계와 병행하여, 상기 취수정과 상기 수직 포획정에서의 양수량을 계측부에서 실시간으로 측정하는 단계와, 상기 취수정에서의 양수량 증감에 따라 상기 수직 포획정의 양수량이 조절되도록 상기 계측부에서 측정된 결과에 따라 미리 설정된 상기 수직 포획정의 목표 유량비율과 비교하여 상기 수직 포획정의 유량이 증감되도록 제어하는 단계와, 상기 계측부로부터 실시간 유량에 관한 정보를 전달받아 출력부에서 시각 정보로 출력하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지시스템은: 심부 지하수를 취수하도록 지표에서 심부 대수층까지 수직으로 설치된 취수정 인근에 취수정과 함께 나란히 수직으로 설치되어 취수정보다 얕은 심도에서 천부 지하수를 취수하는 수직 포획정; 상기 수직 포획정의 상류 구배에 설치되어 천부 지하수의 수질 오염도를 측정하는 관측정; 및, 상기 관측정에서 측정된 수질 오염도가 기준치를 초과한 것으로 판단되면 상기 취수정의 운전 가동을 중단하며 상기 수직 포획정만이 단독 운전되도록 긴급모드로 제어하고, 상기 관측정에서 측정된 수질 오염도가 기준치 이내인 것으로 판단되면 상기 취수정의 운전 가동이 계속 유지되도록 하며 이에 연동하여 상기 수직 포획정의 운전 가동이 이뤄지도록 일반모드로 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 수직 포획정을 이용하여 천부 지하수의 심부 지하수로의 유입을 차단시켜 천층부의 지하수를 효과적으로 배제하여 취수정 인근 지표의 비점 오염원, 점 오염원과 같은 지표오염물질 또는 오염사고로부터 발생 되는 오염물질로부터 심부 지하수의 수질을 안정적으로 보호함으로써, 양질의 지하수를 안정적으로 확보할 수 있는 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법 및 그 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 취수정 바로 인근에 취수정보다 얕은 심도의 수직 포획정을 설치하여 취수정에서 지하수를 양수할 때에 수직 포획정도 같이 운영하여 지표로부터 기원하는 오염물질을 포획함으로써, 천부 지하수의 심부 지하수로의 유입을 차단시켜 양질의 지하수를 안정적으로 확보할 수 있는 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법 및 그 시스템을 제공할 수 있다.

아울러, 간이 상수도나 먹는 샘물과 같이 양호한 수질을 유지해야 하는 암반 지하수 개발에 유용하게 사용될 수 있는 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법 및 그 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법 및 시스템의 취수정, 수직 포획정 및 관측정을 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법의 순서도,
도 3은 본 발명에 따른 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지시스템의 블록도,
도 4는 본 발명에 따른 수직 포획정 내에서 지하수 모니터링을 위한 패커의 상세도,
도 5는 본 발명에 따른 수직 포획정을 설치했을 경우 오염물질이 포획되는 과정을 설명하기 위하여 수행한 3차원 지하수 유동 모델 조건의 수치모형을 개략적으로 도시한 도면,
도 6은 도 5의 수치모형에서 취수정을 설치하여 상당량의 지하수를 취수할 경우에 지표 오염물질의 이동관계를 나타낸 결과를 도시한 도면,
도 7은 도 6의 취수정의 취수구간 상부의 천부에 포획정을 설치하여 천층 지하수의 심층 유입을 차단한 경우를 나타낸 결과를 도시한 도면,
도 8은 약 2주간 본 발명에 따른 수직 포획정을 함께 연동 운전하며 취수정을 통한 양수시 오염 저감율 추이 곡선을 나타낸 그래프이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 심부 지하수를 취수하도록 지표에서 심부 대수층까지 수직으로 설치된 취수정(10) 인근에 취수정(10)보다 얕은 심도에서 천부 지하수를 취수하는 수직 포획정(20)을 나란히 수직으로 설치하는 단계와, 수직 포획정(20)의 상류 구배에 위치한 관측정(30)에서 천부 지하수의 수질 오염도를 측정하는 관측정 수질 오염도 측정 단계(S10)와, 관측정(30)에서 측정된 수질 오염도에 따라서 제어부(50)가 긴급모드와 일반모드로 선택 제어하는 단계를 포함한다.

이에 따라, 천부 지하수를 수직 포획정(20)을 통해 양수하여 취수정(10) 인근 지표의 비점 오염원 또는 오염사고로부터 발생 되는 오염물질을 포획함으로써, 이들이 취수정(10)으로 유입되는 것을 차단할 수 있다.

이를 위하여, 관측정(30) 및 수직 포획정(20)의 내부에는 별도의 수질 측정 장비가 설치되는 것이 바람직하다.

한편, 수직 포획정(20)으로 양수되는 지하수는 음용이 아닌 용도(예컨대, 조경, 화장실, 청소, 경작 등의 용도)로 사용함으로써, 수자원의 낭비를 줄일 수도 있다.

본 발명의 일실시예로서, 현재 우리나라의 충적층 두께를 감안할 때 수직 포획정(20)의 개략적인 재원은 심도 50 m 이내에서, 수직 포획정(20) 양수량은 취수정(10) 양수량의 10 ~ 20 % 이내의 조건에서, 취수정(10)으로의 비점 오염물질 유입이 약 30 ~ 50 % 이상 차단될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

즉, 지표 아래 50 m 이내의 천부 심도에서 수직 포획정(20)의 양수량은 취수정(10) 양수량의 10 ~ 20 % 이내의 조건에서 일반적인 취수정(10)의 평균 양수량을 고려하여 고정적인 유량으로 제어부(50)는 제어하고, 만약 취수정(10) 양수 변화량이 심할 경우에는 취수정(10)의 양수량의 증감에 따라 수직 포획정(20)의 양수량이 자동 조절되는 변동 유량제어 방식으로 비점 오염물질의 유입을 약 30 ~ 50 % 이상 차단하는 것이 바람직하다.

이에 따라, 표층부의 비점오염원 오염물질이 과도한 취수로 인하여 심부대수층 및 취수정(10)으로 유입되는 것을 차단하여 심부대수층 또는 심부 취수정(10)의 수질을 양호한 상태로 유지시킬 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면, 포획구간에 존재하는 모든 종류의 오염원으로부터 취수정(10)을 보호할 수 있으며, 특히 넓은 지역에 분포된 비점오염원의 차단에도 효과가 있다.

상기 제어부(50)의 선택 제어 단계는, 도 2에 도시된 바와 같이, 관측정(30)에서 측정된 수질 오염도가 기준치를 초과하였는지 아니면 기준치 이내인지의 여부를 제어부(50)에서 판단하는 단계(S20)와, 관측정(30)에서 측정된 수질 오염도가 기준치를 초과한 것으로 단계 20에서 제어부(50)가 판단하면 긴급모드로 제어하는 단계와, 관측정(30)에서 측정된 수질 오염도가 기준치 이내인 것으로 단계 20에서 제어부(50)가 판단하면 일반모드로 제어하는 단계를 포함한다.

이에 따라, 집중 강우 등에 의한 비점오염원 또는 오염사고로부터 발생 되는 오염물질에 의해 수질이 악화 된 경우 제어부(50)에 의해 긴급모드로 제어되도록 함으로써, 심부 지하수의 수질이 안정적으로 보호되어 수질오염이 방지되도록 할 수 있다.

상기 제어부(50)에 의한 긴급모드 제어 단계는, 도 2에 도시된 바와 같이, 취수정(10)의 운전 가동을 중단하는 단계(S30)와, 수직 포획정(20)만이 단독 운전되도록 제어하는 단계(S40)를 포함한다.

상기 제어부(50)에 의한 일반모드 제어 단계는, 도 2에 도시된 바와 같이, 취수정(10)의 운전 가동이 계속 유지되도록 하는 단계(S50)와, 단계 50에 연동하여 수직 포획정(20)의 운전 가동이 이뤄지도록 제어하는 단계(S60)를 포함한다.

이에 따라, 수직 포획정(20)을 이용하여 천부 지하수의 심부 지하수로의 유입을 차단시켜 천층부의 지하수를 효과적으로 배제하여 취수정(10) 인근 지표의 비점 오염원, 점 오염원과 같은 지표오염물질 또는 오염사고로부터 발생 되는 오염물질로부터 심부 지하수의 수질을 안정적으로 보호함으로써, 양질의 지하수를 안정적으로 확보할 수 있는 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법을 제공할 수 있다.

또한, 비점 오염원은 우리나라뿐 아니라 전 세계적으로도 지하수 관정이 폐공되는 주요 원인으로 작용하므로 본 발명에 따른 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법은 수질악화로 인한 지하수 관정의 폐공을 크게 줄여줄 수 있을 뿐만 아니라 심부대수층의 오염도 크게 막아줄 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 긴급모드 제어 단계는, 도 2에 도시된 바와 같이, 단계 40 이후에 수직 포획정(20)에서 취수되는 천부 지하수의 수질 오염도를 다시 한 번 측정하는 포획정 수질 오염도 측정 단계(S70)와, 상기 포획정 수질 오염도 측정 단계(S70)에서 측정된 수질 오염도가 기준치를 초과하였는지 아니면 기준치 이내인지의 여부를 제어부(50)에서 판단하는 단계(S80)와, 상기 포획정 수질 오염도 측정 단계(S70)에서 측정된 수질 오염도가 기준치를 초과한 것으로 단계 80에서 제어부(50)가 판단하면 지속적으로 취수정(10)의 운전 가동이 계속 중단되도록 하고 수직 포획정(20)만 계속 단독 운전되도록 제어하며, 상기 포획정 수질 오염도 측정 단계(S70)에서 측정된 수질 오염도가 기준치 이내인 것으로 단계 80에서 제어부(50)가 판단하면 제어 단계는 10으로 이동하여 관측정(30)에서의 수질 오염도 측정이 다시 이뤄지도록 제어하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이에 따라, 긴급모드 제어 단계에서 천부 지하수의 수질이 양호해지지 않는 동안에는 취수정(10)의 운전이 계속 차단되고, 포획정(20)만 계속 단독으로 운전되도록 함으로써, 천부 지하수의 수질이 개선된 이후에만 취수정(10)을 통해 심부 지하수의 취수가 가능해지도록 하여 심부 지하수의 수질이 오염되는 것을 더욱 확실히 방지하도록 할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법은, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 관측정(30)에서의 수질 오염도 측정 단계(S10)와 병행하여, 취수정(10)과 수직 포획정(20)에서의 양수량을 계측부(40)에서 실시간으로 측정하는 단계와, 취수정(10)에서의 양수량 증감에 따라 수직 포획정(20)의 양수량이 조절되도록 계측부(40)에서 측정된 결과에 따라 미리 설정된 수직 포획정(20)의 목표 유량비율과 비교하여 수직 포획정(20)의 유량이 증감 조절되도록 제어부(50)가 제어하는 단계와, 계측부(40)로부터 실시간 유량에 관한 정보를 전달받아 출력부(60)에서 시각 정보로 출력하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이에 따라, 취수정(10) 바로 인근에 취수정(10)보다 얕은 심도의 수직 포획정(20)을 설치하여 취수정(10)에서 지하수를 양수할 때에 수직 포획정(20)도 같이 운영하여 지표로부터 기원하는 오염물질을 포획함으로써, 천부 지하수의 심부 지하수로의 유입을 차단시켜 양질의 지하수를 안정적으로 확보할 수 있고, 취수정(10)에서의 양수량 증감에 따라 수직 포획정(20)의 양수량이 정밀하게 조절되게 취수정(10)의 유량이 증감되도록 제어함으로써, 표층부의 비점오염원 오염물질이 과도한 취수로 인하여 심부대수층 및 취수정(10)으로 유입되는 것을 차단하여 심부대수층 또는 심부 취수정(10)의 수질을 양호한 상태로 유지시키며 심부 지하수의 수질오염을 효과적으로 방지하도록 할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 취수정(10)과 수직 포획정(20) 각각에는 수중모터펌프가 구비되고, 계측부(40)에는 전자유량계가 구비되며, 제어부(50)에는 인버터 컨트롤러가 구비되고, 출력부(60)에는 모니터가 구비된 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지시스템은, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 심부 지하수를 취수하도록 지표에서 심부 대수층까지 수직으로 설치된 취수정(10) 인근에 취수정(10)과 함께 나란히 수직으로 설치되어 취수정(10)보다 얕은 심도에서 천부 지하수를 취수하는 수직 포획정(20)과, 수직 포획정(20)의 상류 구배에 설치되어 천부 지하수의 수질 오염도를 측정하는 관측정(30)과, 관측정(30)에서 측정된 수질 오염도가 기준치를 초과한 것으로 판단되면 취수정(10)의 운전 가동을 중단하며 수직 포획정(20)만이 단독 운전되도록 긴급모드로 제어하고 관측정(30)에서 측정된 수질 오염도가 기준치 이내인 것으로 판단되면 취수정(10)의 운전 가동이 계속 유지되도록 하며 이에 연동하여 수직 포획정(20)의 운전 가동이 이뤄지도록 일반모드로 제어하는 제어부(50)를 포함한다.

이에 따라, 수직 포획정(20)을 이용하여 천부 지하수의 심부 지하수로의 유입을 차단시켜 천층부의 지하수를 효과적으로 배제하여 취수정(10) 인근 지표의 비점 오염원, 점 오염원과 같은 지표오염물질 또는 오염사고로부터 발생 되는 오염물질로부터 심부 지하수의 수질을 안정적으로 보호함으로써, 양질의 지하수를 안정적으로 확보할 수 있는 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지시스템을 제공할 수 있다.

본 발명의 일실시예로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 수직 포획정(20) 내에서 수질을 측정하기 위하여 포획 구간에서 수직 포획정(20)의 상부에는 상부 패커(21)를 설치하고, 수직 포획정(20)의 하부에는 하부 패커(23)를 설치하는 것이 바람직하다.

이에 따라, 상부 패커(21) 및 하부 패커(23)에 의해 정확한 구간 내에서의 지하수의 시료채취가 가능해지고, 상부 패커(21)와 하부 패커(23) 사이의 시료채취부(유공관) 내측에 자동측정센서(25)를 설치하여 간접적인 운전 제어방식을 선정하는 지표로 활용할 수 있다.

한편, 이하에서는 본 발명에 따른 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법 및 그 시스템의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.

수치모형 모의실험

실시예 1로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 수직 포획정(20)을 설치하였을 경우에 오염물질이 포획되는 과정을 설명하기 위하여 수치모형을 대상으로 하여 모의실험을 실시하였다. 수치모형은 39개의 열, 29개의 행, 5개의 층으로 구성되며, 각 층의 두께는 40 m로 일정한 것으로 설정하였다. 행과 열의 너비는 0.2 m 에서 100 m 로 다양하게 설정하였다. 또한, 각 층은 수리지질학적으로 모두 균질하고, 등방성의 특징을 가지며, 수리전도도는 모두 3 m/day로 동일한 것으로 가정하였다. 또한, 최상부 층의 비산출율은 0.15, 유효 공극율은 0.2로 가정하였으며, 제2 ~ 제5 층은 유효공극율을 0.15, 비저류계수는 10^-5로 가정하였다.

지하수를 채수하지 아니할 경우에는 비점오염물질은 천층부의 지하수만을 오염시키고 심부의 지하수는 양호한 수질을 유지할 수가 있다. 도 6은 대수층 심부에서 일일 2,000 ㎥의 심부 지하수를 개발한다고 가정하고, 오염에 취약한 표층의 지하수가 어떻게 흘러가는지를 나타낸 결과이다. 이 경우는 천층부의 오염 지하수가 심정으로 유입되는 상황을 보여준다. 즉, 고심도 관정을 설치하여 지하수를 개발하는 경우, 처음에는 양호한 지하수를 얻을 수 있겠지만, 최종적으로 천층 지하수 유입으로 수질이 저하될 수 있음을 의미한다.

도 7은 천층부에 수직 포획정(20)을 설치한 경우를 도시한 것이다. 오염된 천층 지하수가 저심도의 수직 포획정(20)에 포획됨으로써, 안정적으로 심부의 지하수를 취수할 수 있게 된다.

먹는 샘물 현장 실증시험

먹는 샘물 취수정(10)에 시범 적용하여 그 효용과 문제점을 분석함으로써, 취수정(10) 수질보호를 위한 수직 포획정(20)의 최적 기술을 개발하려고 한다. 모든 항목이 먹는 물 수질기준 이내의 양호한 수질을 보이고는 있다. 취수원 상류에도 별다른 오염원이 존재하지 않으나, 주변지역에는 여전히 농경지와 자연수로, 저수지 등이 존재하고 있고, 인근 농경지의 경작활동, 야생동물의 배설물, 인근 지표수 등이 수질위협요인으로 작용하고 있다.

취수정(10)의 질산성 질소 농도는 2.42 mg-N/L로 먹는 물 기준치 10.0 mg-N/L에 미치지 아니하나, 인근에는 상대적으로 질산성 질소 농도가 높은 인근의 지표수와 천층 지하수가 존재하고, 이 같은 질산성 질소 농도로 볼 때, 취수정(10)의 수질은 이들에 어느 정도는 영향을 받고 있는 것으로 판단된다. 취수정(10)의 양수량은 일일 350 ton이며, 포획정(20)의 양수량은 취수정(10) 양수량의 10%인 일일 35 ton으로 하였다. 취수정(10)과 포획정(20)의 수평거리는 12 m 이격되어 있으며 포획정(20) 내의 수중펌프 설치 위치는 지표 아래 약 50 m 정도이다. 현장실험은 약 2주간 진행되었으며, 착수정(취수정(10)) 운전시 동시에 포획정(20)이 연동 운전되도록 하였으며 운전기간 중 주기별(7회) 포획정(20), 취수정(10)을 대상으로 지하수 시료 채취하여 수질오염 저감 효율을 평가하였다.

도 8은 약 2주간의 먹는 샘물 개발이용 착수정 양수시 동시에 포획정(20)을 연동 운전시킨 후 주기적인 지하수 시료채취 및 분석을 통하여 심부 지하수 내 질산성 질소의 저감율 농도 추이를 보여주는 그래프이다.

약 2주간의 운전기간 동안 초기농도 대비 착수정의 약 50%의 저감 효율을 보였고, 취수정(10)의 경우 운전 1주일 경과시 급격한 오염물질 저감효과를 가져왔으며 그 후 지속적인 양수 운전을 통하여 안정적인 저감효과를 가져올 수 있었다. 이는 상부 포획정(20)의 오염물질의 사전에 양수(포획)함으로써 하부 심부 지하수로의 오염물질의 이동을 사전에 방지하는 효과를 보였다.

이에, 본 발명에 따르면, 간이 상수도나 먹는 샘물과 같이 양호한 수질을 유지해야 하는 암반 지하수 개발에 유용하게 사용될 수 있는 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법 및 그 시스템을 제공할 수 있다.

상기에 의해 설명되고 첨부된 도면에서 그 기술적인 면이 기술되었으나, 본 발명의 기술적인 사상은 그 설명을 위한 것이고, 그 제한을 두는 것은 아니며 본 발명의 기술분야에서 통상의 기술적인 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적인 사상을 이하 후술 될 특허청구범위에 기재된 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 취수정 20 : 수직 포획정
30 : 관측정 40 : 계측부
50 : 제어부 60 : 출력부

Claims (4)

1. 심부 지하수를 취수하도록 지표에서 심부 대수층까지 수직으로 설치된 취수정 인근에 취수정보다 얕은 심도에서 천부 지하수를 취수하는 수직 포획정을 나란히 수직으로 설치하는 단계;
   상기 수직 포획정의 상류 구배에 위치한 관측정에서 천부 지하수의 수질 오염도를 측정하는 관측정 수질 오염도 측정 단계; 및
   상기 관측정에서 측정된 수질 오염도가 기준치를 초과한 것으로 판단되면 상기 취수정의 운전 가동을 중단하며 상기 수직 포획정만이 단독 운전되도록 긴급모드로 제어하고, 상기 관측정에서 측정된 수질 오염도가 기준치 이내인 것으로 판단되면 상기 취수정의 운전 가동이 계속 유지되도록 하며 이에 연동하여 상기 수직 포획정의 운전 가동이 이뤄지도록 일반모드로 제어하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 긴급모드 제어 단계는,
   상기 수직 포획정에서 취수되는 천부 지하수의 수질 오염도를 다시 한 번 측정하는 포획정 수질 오염도 측정 단계와,
   상기 포획정 수질 오염도 측정 단계에서 측정된 수질 오염도가 기준치를 초과한 것으로 판단되면 상기 취수정의 운전 가동이 계속 중단되도록 하고 상기 수직 포획정만 계속 단독 운전되도록 제어하며, 상기 천부 지하수 수질 오염도 측정 단계에서 측정된 수질 오염도가 기준치 이내인 것으로 판단되면 상기 관측정에서의 수질 오염도 측정이 다시 이뤄지도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 관측정에서의 수질 오염도 측정 단계와 병행하여,
   상기 취수정과 상기 수직 포획정에서의 양수량을 계측부에서 실시간으로 측정하는 단계와,
   상기 취수정에서의 양수량 증감에 따라 상기 수직 포획정의 양수량이 조절되도록 상기 계측부에서 측정된 결과에 따라 미리 설정된 상기 수직 포획정의 목표 유량비율과 비교하여 상기 수직 포획정의 유량이 증감되도록 제어하는 단계와,
   상기 계측부로부터 실시간 유량에 관한 정보를 전달받아 출력부에서 시각 정보로 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지방법.
4. 심부 지하수를 취수하도록 지표에서 심부 대수층까지 수직으로 설치된 취수정 인근에 취수정과 함께 나란히 수직으로 설치되어 취수정보다 얕은 심도에서 천부 지하수를 취수하는 수직 포획정;
   상기 수직 포획정의 상류 구배에 설치되어 천부 지하수의 수질 오염도를 측정하는 관측정; 및
   상기 관측정에서 측정된 수질 오염도가 기준치를 초과한 것으로 판단되면 상기 취수정의 운전 가동을 중단하며 상기 수직 포획정만이 단독 운전되도록 긴급모드로 제어하고, 상기 관측정에서 측정된 수질 오염도가 기준치 이내인 것으로 판단되면 상기 취수정의 운전 가동이 계속 유지되도록 하며 이에 연동하여 상기 수직 포획정의 운전 가동이 이뤄지도록 일반모드로 제어하는 제어부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 포획정을 이용한 심부 지하수의 수질오염방지시스템.

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