[내외경제] 심각한 지하수 오염, 신기술로 해결하다

 

 조희남 대표(공학박사, 기술사)

■ 유엔보고서에서는 한국도 물 부족 국가로 분류하고 있는 가운데, 지하수의 중요성을 느낀 한 공학도의 노력으로 귀중한 부존자원의 하나인 지하수를 오염되지 않게 보존할 수 있는 기술을 개발한 중소기업이 있어 관심을 모으고 있다. 지하수(地下水: groundwater)라 함은 지하의 지층이나 암석사이의 빈틈을 채우고 있거나 흐르는 물을 말한다. 지구상에 존재하는 물의 97%가 바닷물인 해수이고 단 3%의 담수 중 약 1/3인 31.3%가 지하수이며, 68.3%가 빙하와 빙설이다. 따라서 지하수는 매우 중요한 담수자원이면서도 지표아래에 존재하고 있어 보이지 않음으로써 사람들의 관심을 많이 받지 못하고 있는 수자원이기도 하다.

 

< 지구상의 물의 구성 >

 

2012년 환경부 자료에 의하면 “지하수의 오염이 생각보다 심각해져 가고 있어 대책마련이 시급”한 상태임을 알 수 있다. 2012년 현재 우리나라의 경우 개발되어 사용되어지고 있는 지하수 관정의 수량은 140만개공을 넘어섰으며 년간 사용량은 약 39억톤으로서 국가 전체 용수 사용량의 12%를 상회하고 있는 실정이다. 2011년 전국 국가 지하수수질측정망을 통해 확인된 수질기준 초과율은 총 2,579개소, 4879개 시료 중 392개가 수질기준을 초과하여 8%의 오염율을 보여주고 있다. 또한 2011년 구제역 매몰지 주변 300m이내의 지하수 관정에 대하여 지하수 수질을 조사한 결과 오염율이 32.1%에 달하며, 오염된 수질의 지하수 관정 중에 사람이 바로 마실 수 있는 음용수 수질검사 결과 55%가 오염되었다는 조사 결과이다.

 

㈜지앤지테크놀러지 조희남 대표(공학박사, 기술사)는 지하수 수질보전을 위해 특히 천층지하수와 암반지하수를 경계로 하여 두 층의 지하수가 서로 섞이지 않도록 차폐하여 그라우팅을 시행하는 기술을 집중적으로 개발하여 왔다. 개발된 기술들은 이미 특허 제0334451호(지하수 심정의 그라우팅 파이프장치 및 그라우팅 방법)외 다수의 특허와 실용신안을 출원 또는 등록하였을 뿐만 아니라 환경부로부터 환경신기술 제275호(지하수 심정의 상층오염지하수 유입방지를 위한 지표하부 보호벽 그라우팅용 압축팩커장치)로 기술력을 인정받음은 물론 지식경제부 기술표준원으로부터 신제품(NEP)인증을 성공적으로 마친 상태에 있다. 또한 현장에서의 성공적인 기술접목과 사업화를 달성하여 국가 지하수 개발과 오염방지 관련 분야에 공헌하여 온 바 그 실적이 인정되어 대통령표창과 국무총리 단체표창을 수상하였으며, 중국과 타이페이 국제 아이디어발명전에서 각각 금상을 받기도 했다.

 

 

 

 

 

일반적으로 지층은 일반 흙과 모래 등으로 구성된 토사층과 지하수의 투수율이 그나마 높은 풍화암층, 그리고 불투수층이라 할 수 있는 연암층과 보통암, 경암층 순으로 구성되어 있다. 연암층 이하 층에 형성된 암반대수층 지하수는 지층 상부의 토사층이나 풍화암층으로부터의 오염된 지하수의 영향을 받지 않고 있어 맑고 깨끗한 수질상태를 유지하고 있게 된다.

 

천층(천부)지하수는 심도가 10~20m 이하 관정이 대부분으로 대체적으로 투수율이 아주 높은 풍화암층과 투수율이 극히 낮은 연암층 경계면에 있어 부존량이 많아 양수량 확보가 용이하나 수량과 수질이 불안정하며 암반지하수의 경우 암반층내의 파쇄대에 유동하는 대수층 지하수로서 수량과 수질이 안정적으로 유지되는 특성을 갖고 있다.

 

그러나 토사층이나 풍화암층이 오염되어 있을 경우 이 공간을 흐르는 지하수 역시 함께 오염될 수밖에 없는 상황이 발생된다. 이는 지하수 개발과정에서는 당연히 토사층과 풍화암층을 천공하게 되고 이러한 천공되는 구간은 이어서 연암층과 보통암․경암층을 관통하여 구성되어지게 된다. 이러한 결과 오염에 취약하거나 오염되어 있는 지하수는 아무런 저항이나 여과 없이 자연스럽게 오염되지 않은 암반대수층의 지하수에 혼입되어지게 되고 청정한 암반대수층 지하수를 오염시키는 주요 요인이 되어왔다. 아래 그림은 “제주도 서부 해안지역의 대수층별 지하수 산출능력 연구”에 게재된 데이터를 그래프화 한 것이다. 질산성질소의 경우 먹는 물 수질기준은 10ppm 이며 농업용 및 생활용수의 수질기준은 20ppm으로 규정하고 있다.

 

 

용수1호공의 경우 천층지하수의 질산성질소 농도가 최고 37.6ppm인 반면 암반지하수는 0.9ppm 까지 낮은 것을 확인 할 수 있다. 따라서, 지하수 개발과정에서 암반지하수를 이러한 오염된 천층지하수로 부터 어떻게 보호하며 천층지하수의 유입을 차단할 것인가가 지금까지의 지하수 오염방지시설인 지표하부보호벽(케이싱) 구성의 주요 기술이며 실질적 과제라 할 수 있다.

 

특히 농촌지역 일반 지하수 관정 및 농업용 지하수 수질 부적합 원인을 살펴보면 질산성 질소농도 기준 초과율이 매우 높게 나타난다. 이러한 원인은 지하수 오염방지시설 등 부실시공과 관리소홀로 인한 오염방지시설 부실시공, 내부케이싱 부실시공 및 파손, 원상복구 미흡 등이다.

 

 

한편 수질기준 초과는 주로 총대장균군수, 질산성질소 등 초과율이 높았고 농촌지하수관측망의 경우 농수산식품부(한국농어촌공사)에서 농어촌지역 지하수 및 해수침투 현황 등을 파악하기 위하여 설치·운영 중으로 생활용수 수질기준 적용 시 118개 시료 중 13개 시료의 초과율이 11.0%로 확인되기도 했다. 이는 축산, 농촌지역 등의 지하수 수질기준 초과율인 28%～42% 보다는 낮은 수준이나, 농촌지역 등의 지하수 오염실태의 단면을 보여주는 것으로 지하수 수질관리 대책 마련이 시급한 것으로 볼 수 있다.

 

 

■ 지하수법과 지하수의 수질보전 등에 관한 규칙에 적법한 지하수 오염방지를 위한 시행방법에 대해 종래 기술은 「선 오염방지 그라우팅 후 추가 굴착」하는 방식이다. 이는 암반선 1m 이상 깊이까지 오염방지 그라우팅이 가능한 직경으로 굴착한 다음 그라우팅케이싱을 삽입설치하여 시멘트와 벤토나이트 혼합물로 조성된 그라우팅제재를 주입하고 3일 이상 양생 한다. 이 과정은 목표로 한 지하수의 수량 발견과는 관계없이 지하수 오염방지를 위한 지표하부보호벽(케이싱)을 설치하도록 한 것으로서 추가 굴착시 지하수가 없어 불용공(폐공)이 발생하게 될 경우 오염방지 그라우팅 시공비를 회수할 수 없는 문제점과 성과없이 공사비를 소진시킬 수 있는 위험성이 있다. 왜냐하면 지하수 개발 성공률은 30% 정도이기 때문이다.

 

또한 오염지하수 차폐장치의 종류에는 “팽창튜브형”방식으로 압축공기를 주입 팽창시켜 즉시적으로 차폐효과 구현하는 방법으로 저심도 및 소구경 적용이 가능한 기술이 있다. 다음으로 “수팽창 고무형” 방식으로 함수시 팽창되는 것으로 지수형 고무링을 이용하나 즉시적인 차폐효과가 없고 누출위험 및 오염성분이 함유되어 침투될 수 있는 가능성이 크다.

 

특히 팽창튜브형의 경우 신기술과 같이 그라우팅케이싱에 설치되어 그라우팅케이싱과 지하수 심정 공벽면을 차폐하는 기능은 유사하다 하겠으나 팽창튜브가 설치된 그라우팅케이싱을 지하수 심정 내부의 계획된 깊이까지 삽입 설치하는 과정에서 손상 없이 설치하는데 고도의 기술력이 필요하였다. 또한 삽입이 완료된 팽창튜브에 압축공기를 주입하여 차폐하는 과정에서 적정한 압력을 계산하여 주입하는 공정이 현장에서 어렵게 대응하여 기술적응력이 크게 떨어져 있어 제한된 기술공급이 될 수밖에 없었다. 이상의 종래 기술의 제반 문제점을 해소하여 누구나 초보적인 기술수준을 가지고 있는 기능인들이라면 단순하고 쉽게 경제적으로 설치하여 시공할 수 있는 팩커장치의 기술 개발이 시급하게 필요하게 되었다.

 

 

 

 

■ 환경신기술은 “지하수 심정의 상층 오염지하수 유입방지를 위한 지표하부 보호벽의 그라우팅 구성을 위한 압축팩커장치” 기술이다. 이는 지표하부 보호벽 형성을 위해 시멘트액등을 주입하여 차수벽을 형성시키는 공정인 그라우팅 과정에서 시멘트액과 벤토나이트혼합물 등으로 이루어진 그라우팅 재료가 주변으로 누출이 발생되지 않도록 차폐하기 위해 그라우팅 케이싱 하부에 결합하여 구성되는 압축팩커장치와 이를 이용한 지표하부보호벽 그라우팅방법에 관한 기술이다. 특히, 압축팩커장치는 외부수축관과 내부수축관, 그리고 압축고무튜브와 안전장치로 구성되어 있다. 압축팩커장치를 그라우팅케이싱과 함께 지하수 관정에 계획된 깊이까지 설치한 다음 안전장치를 해제하고 지상에서 강한 압입을 통해 외부수축관과 내부수축관이 슬라이딩이 이루어지게 하여 수직 방향으로의 수축을 발생시키게 된다. 그 결과로 간격이 좁은 지하수 관정 벽체에 압축팩커장치에 설치한 고무튜브가 서로 겹쳐지고 압박되어지게 되면서 지하수 관정 공벽과 그라우팅케이싱에 결합된 압축팩커장치 사이가 차폐되도록 하여 그라우팅제재의 주입시 누설없이 그라우팅이 완료되고 굳어질 수 있도록 한 것이다

 

이러한 신기술은 압축팩커튜브형으로 불리며 이미 환경신기술 인증 제275호. 환경신기술 검증 제134호로 인증받은 기술로서 계획된 설치깊이에서 손상여부와는 관계없이 즉시적으로 차폐효과를 구현하고, 종래 기술들이 10~20m 저심도에 적용되고 있는 반면 30~100mdp 이르는 중·고심도 및 중·대구경에 적용할 수 있는 환경신기술이다.

 

 

신기술의 구체적인 구조와 작동 형태를 살펴보면 다음과 같다.

① 수축 구성부 : 수축구성부는 압축팩커장치의 몸체에 해당되며 외부 수축관과 내부 수축관으로 구성되어 있다. 특히 만곡되거나 편심된 상태에서도 정상적으로 작동이 가능하며 수축기능의 신뢰성을 확보한다. 압박에 의해 수축관 자체가 수축되거나 또는 내부수축관이 외부수축관 내부에 겹쳐 삽입됨으로써 수직방향으로 수축될 수 있도록 구성된 압축팩커장치의 주요 구성요소이다.

② 고무팩커튜브 : 고무팩커튜브는 원통형으로서 그라우팅 케이싱과 굴착 공벽 사이를 차폐하며, 수축구성부의 수축에 따른 수직방향으로의 체적이동에 따라 차폐가 이루어지게 된다. 수축구성부 몸체의 외주면에 씌워져 설치되어 수축구성부의 수축에 따라 겹쳐지거나 압박되어 지하수 관정 공벽과 그라우팅케이싱 사이의 간극을 차폐하는 기능을 담당하게 된다. 실리콘으로 제작된 고무팩커튜브는 초속경시멘트의 양생과정에서 발생되는 높은 수화열에서도 견딜 수 있는 재질적 안정성 또한 확인되었다.

③ 안전 잠금장치 : 안전잠금장치는 수축구성부에 장착되어 있으며 잠금해지를 위한 당김로우프를 지상에까지 연결하여 인출되도록 하였다. 지상에서 연결된 당김로우프를 당겨 안전잠금장치가 해지되도록 하였다. 이는 계획된 설치 깊이에서만 안전핀을 제거하면 안전잠금을 해지하는 조작에 따라 수축구성부가 작동하도록 선택할 수 있도록 되어있어 작업의 안정성과 신뢰성을 확보하고 있다.

④ 초속경 시멘트 주입 양생 : 압축팩커장치를 이용하여 지하수 관정 공벽과 그라우팅케이싱 사이의 간극을 차폐한 후 속경성 시멘트를 일차로 차폐된 압축팩커장치 상부에 주입하여 신속히 경화시킨 다음 일반시멘트를 2차로 주입 충진하여 그라우팅을 완료하도록 시행한다.

신기술을 적용하여 지하수 개발.이용시설 설치를 하게 되는 경우 시행순서를 각 공정별로 설명하면 다음과 같다.

 

 

 

<신기술 적용 지하수개발.이용시설 설치 공정 순서>

 

① 시험공 굴착 : 목표 양수량과 사용 계획에 적합한 수질확보가 가능한 지하수의 존재여부를 확인하기 위해 전기탐사 및 시험공 굴착을 시행한다.

② 수중 카메라(CCTV) 조사 : 목표 심도 굴착여부를 확인하고 지하수가 유입되는 파쇄대 존재 여부를 확인하게 되며 천층지하수와 암반지하수의 경계 깊이를 구분 지을 수 있는 기초영상자료를 확보하게 된다.

③ 예비팩커 설치 및 양수시험 시행 : 수중 카메라(CCTV) 조사 결과 얻어진 천층지하수와 암반지하수의 경계 깊이가 구분된 위치에 예비팩커를 설치하고 해당 구간을 차폐한 후 예비팩커 하단에 설치한 수중펌프를 가동하여 암반지하수 구간의 양수량과 지하수 수질을 검사하여 목표 양수량과 사용 계획에 적합한 수질확보가 가능한지의 여부에 대해 판단한다.

④ 지하수 굴착공 확공 :계획된 지하수 관정의 직경이 250mm 인 경우에 150mm 내외로 굴착한 시험공에 대해 그라우팅구간은 300mm, 사용구간에 대해서는 250mm 직경으로 확공하여 굴착하게 된다.

⑤ 그라우팅 케이싱 및 압축팩커장치 설치 : 확공이 마쳐지면 예비팩커를 설치하였던 천층지하수와 암반지하수의 경계 깊이 하단인 연암층 1m 이상 깊이에 압축팩커장치가 위치할 수 있도록 그라우팅케이싱에 압축팩커장치를 결합하여 지하수 관정 내부에 삽입하여 설치한다.

⑥ 안전잠금장치 해제 : 압축팩커장치의 설치가 완료되고 수중 카메라(CCTV) 조사를 통해 정상적으로 위치가 확인되면 지상에 까지 연결하여 인출해 놓은 안전잠금장치의 안전핀 당김 로우프를 잡아당겨 안전잠금장치를 해제하여 수축구성부가 정상적으로 수축될 수 있도록 한다.

⑦ 압축팩커장치 압축 및 차폐 : 지상에서 안전잠금장치의 해제 후 연결하여 결합되어 지상부에 노출되어 있는 그라우팅케이싱 상단에 강한 압박하중을 가하여 압축팩커장치의 외부수축관 내부로 내부수축관이 슬라이딩이 이루어지도록 하여 수직방향으로 수축이 발생되게 하고 측면방향으로는 압축고무튜브가 체적이 이동되도록 하여 지하수 관정 공벽과 그라우팅케이싱 사이의 간극을 완벽히 차폐되도록 한다.

⑧ 초속경 시멘트주입 및 신속 경화 : 압축고무튜브의 차폐만으로는 그라우팅제재인 시멘트의 하중을 모두 견디게 할 수 없음으로 차폐된 압축고무튜브 상부에 초속경시멘트액을 주입하여 2시간 이내에 신속히 경화되도록 하여 2차 주입되는 시멘트 하중을 견디면서 차폐기능을 안정적으로 확보할 수 있도록 한다.

⑨ 일반 시멘트액 주입 및 양생 : 1차로 초속경시멘트액 주입 후 경화가 완료되면 2차로 일반 시멘트 및 벤토나이트 혼화액으로 구성된 그라우팅제재를 주입하여 3일 이상 양생 경화과정을 거친다.

⑩ 수중펌프 및 양수파이프 등 이용시설물 설치 : 작업이 완료되면 최종적으로 수중 카메라(CCTV) 조사를 통해 누출여부 등을 확인하고 수중펌프 및 양수파이프 등 이용시설물을 설치하여 양수시험 및 수질검사를 시행하여 예비팩커 설치 후 조사되었던 양수량과 수질검사 결과와의 일치여부를 확인하여 이상 없는 경우 정상완료로 평가한다.

 

■ 신기술적용의 효과로는 첫째, 종래는 오염방지시설을 먼저 시공 후 추가 굴착을 통해 지하수 발견을 시도하거나 지하수를 발견하지 못할 경우 오염방지시설 공사비가 사장되는 문제점을 해결하여 경제적인 지하수개발이 가능하다. 또한 실패공에 따른 경제적인 부담으로 인해 적법한 오염방지설치 규정을 이행하지 못하는 비정상적인 관행을 근절할 수 있다. 둘째, 표준화된 그라우팅 팩커장치의 생산 공급이 가능하여 누구나 손쉽고 저렴하게 지하수 오염방지를 위한 그라우팅 차폐장치의 시공이 가능할 수 있어 제품의 품질과 시공의 신뢰성이 대폭 향상되었다. 셋째, 천층지하수(건수) 차단으로 탁도, 질산성질소 등 지하수 관정 수질개선은 물론 천층지하수(건수)의 완벽한 차단으로 지하수 오염예방 및 오염확산방지와 지하수 오염방지 시설 깊이 시공 한계가 종래 20~30m에 그치는 것을 최대 96m깊이까지 지표하부보호벽(케이싱) 설치에 탁월한 고심도 그라우팅효과가 있다.

 

한편, 지하수오염을 근본적으로 에방하고 오염확산을 방지하기 위해서는 지표층으로부터 오염물질이 지하수 관정 내부로 유입되지 않도록 밀폐식 상부보호공활용을 확대 적용하도록 할 필요가 있다. 그러기 위해서는 “저가 보급형 밀폐식상부보호공 기술개발 유도”함과 동시에 소형관정에 의무 적용을 확대 시행할 필요성가 있으며 일반 상부보호공 경우 예외 조건 승인 사용을 하도록 하는 것을 검토해 볼 필요가 있다.

 

또한, 먹는 물 취수정이나 생활용수, 농업용수 등을 구분하여 차폐장치의 제조, 품질, 규격을 제정 고시해야 할 필요가 있다. 이는 수질오염 우려의 용출성분에 의한 지하수 오염을 사전 예방할 수 있는 효과가 있으며 더 나아가 지하수개발 .이용시설 신고시 차폐장치 설치 확인제도가 정착 되어야 한다고 본다. 그 방법으로서는 신규 지하수 개발시 차폐장치 설치 확인을 위해 사진 또는 구입자료 등을 신고서에 첨부하도록 규정하는 것이다. 또한, 안정적인 수질의 지하수 사용으로 국민보건에 기여하기 위해서는 먹는 물 취수정 개발 허가 신청시 깊이별로 양수시험 및 수질검사 시행 결과를 제출토록 하여 천층지하수가 배제된 암반지하수만을 사용할 수 있도록 하여야 할 것이다.

 

나아가 상수도 미보급 지역에 대한 신규 지하수개발을 시행할 경우에 오염방지시설 설치 가구에 대한 국가 보조금지급사업을 시행함으로써 지표 수질오염물질 및 오염원 유입을 배제하여 안심하고 마실 수 있는 식수원 공급이 가능하도록 먹는 물 복지정책의 확대가 적극적으로 검토되어져야 할 것으로 본다. 또한 농림수산식품부로 하여금 국가보조사업으로 시행하여 농민에게 관리를 이관한 농업용수에 대한 시설계량을 추진 할 수 있도록 하여 오염방지시설의 부실 또는 미비된 농업용수로 인한 지하수 오염을 사전에 방지할 수 있도록 정책적 검토가 필요하다 하겠다.

 

■ 우리나라의 지하수는 앞으로 매우 중요한 담수 자원인데도 환경정책과 관련 예산 집행에 있어서는 지표 하천수 보다는 비교 열위에 있는 현실이 안타깝지만 가까운 장래에 그 필요성이 대두 될 것이라 확신하고 있다. 청정 지하수는 단기간에 얻을 수 없지만 오염은 단시간에 될 수 있기 때문에 시급성을 가지고 보호해야할 것이다. 특히 오염된 지하수의 복원에는 천문학적인 비용이 수반될 것임으로 공공재적인 청정 지하수의 보호를 서둘러야 할 것이다. 나아가 아시아, 아프리카 등 음용수 확보를 위해 지하수 개발이 활발히 이루어지고 있는 국가들에 대하여 지하수개발과 이용 중 지하수 오염확산을 방지하기 위해 지하수 오염방지기술을 보급해 가는 기술수출을 기대하여 본다.