지하수조사 실태, 사운딩, 실내 토질시험, 실내 암석시험, 선구조분석, 광역 지표지질 분석, 절리계 추정 조사, 우리나라 지하수 이용현황

1. 사운딩, 실내 토질시험, 실내 암석시험

사운딩의 원위치시험의 일종으로서 로드의 선단에 부착된 저항체를 각각 결정된 시험법에 의하여 지반 내에 관입하여 이때의 저항으로부터 토층 구성이나 상대적인 강도를 알고, 지반 공학적인 성질을 추정하기 위하여 실시하는 방법이다.
사운딩의 종류는 하중작용 방식에 따라 정적, 동적으로 대별되며, 측정 동작 방식에 따라 압입, 타입, 회전, 인발, 측벽압축 등의 방식으로 구분되고, 선단 형식에 따라 콘, 베인, 스크루, 각추, 저항익, 샘플러 등으로 나누어진다.

일반적으로 사용되는 사운딩의 종류는 매우 다양하므로 사운딩의 목적, 조사 능력, 적합한 토질, 적합한 심도, 정도 및 신뢰성, 신속성, 경제성 등의 조건을 고려하여 두 가지 이상의 사운딩 자료를 종합하여 판단하는 것이 바람직하며, 통일지층에서 채취된 시료에 대한 실내 시험 결과와 비교검토 하는 것이 중요하다.

실내 토질시험은 크게 흙의 물리, 화학적 성질 시험과 역학적 성질 시험으로 분류할 수 있으며, 물리, 화학적 성질 시험의 결과는 흙을 판별하고 분류하거나 공학적인 성질을 추정하는 데 사용될 수 있고 역학적 성질 시험의 결과는 흙의 전단강도를 결정하고 압축 특성을 파악하며 구조물 설계와 시공에 필요한 토질 정수로써 사용할 수 있다.

실내 암석 시험으로부터 얻어지는 암석의 물리적, 역학적 특성은 굴착 대상 암반의 평가 및 구조물 설계와 시공을 위한 가장 기본적인 자료가 되므로 획득한 자료에 객관성과 정확성이 확보되어야 한다. 이를 위해서는 시료의 채취에서부터 시험 결과해석에 이르기까지 규정된 기준 및 절차에 의해 이루어져야 한다.

2. 지하수 조사

지반조사 작업에 있어서 중요한 과제 중의 하나는 지하수면의 위치와 용수압의 존재 여부를 결정하는 일이다. 아울러 주어진 기간의 지하수면 높이와 수압의 변화도 결정되어야 한다. 특히 지반을 깊게 굴착하는 경우에는 지하수에 대한 세밀한 조사가 요구된다.

1) 지하수위 측정

지하수위 측정은 지하수의 실태를 명백히 밝히고 지하수의 상태가 장래 어떻게 변화하는지를 예측하기 위해 실시한다.
지하수 조사에 있어서, 지하수위의 측정은 지하수의 상태나 거동을 알기 위한 가장 중요한 사항의 하나로서 대수층의 형상, 대수층의 성질(투수량 계수, 저류계수, 투수성 계수 유효간극률), 지하수를 변화시키는 요인, 영향권, 수질의 변화 등을 파악하기 위해 실시한다.

지하수위는 시추 종료 후 안정된 상태에서 측정되어야 할 뿐 아니라 처음 발견된 깊이도 기록되어야 한다. 시추공에 유공 케이싱을 박아서 안정될 때까지 기다려야 할 경우도 있다. 수위의 측정은 지하수체의 표면 위치 또는 우물내에서 나타나는 지하수면의 위치를 일정한 기준점에서의 거리로 구하는 것으로, 수위 측정 작업 자체는 대체로 단순하다고 할 수 있으나 여기서 얻어지는 각종 정보는 지하수 조사에서 구조물의 설계와 시공 등에 커다란 영향을 미치기 때문에 세심한 주의가 요구된다.

지하수위 측정에 있어 먼저 할 일은 지하수위 측정을 위한 측정기준점을 설정하는 것으로서 일반적으로 케이싱의 최상부에 설정, 표시한다. 측정기준점은 측량하거나 1/5000 이상의 대축척의 지형도를 이용하여 좌표 및 표고를 파악, 기록하여 두어야 한다.

지하수위 측정 방법은 인력에 의한 측정과 자기 수위계를 이용한 측정으로 대별할 수 있는데 이들에 대하여 상술하면 다음과 같다.

(1) 인력 측정
인력 측정 방법으로는 일반적으로 줄자에 의한 측정, 전기적 측정, 공기관에 의한 측정 방법 등이 많이 이용된다.
(2) 자기 수위계를 이용한 측정
장기간에 걸친 연속적인 지하수 측정에 주로 이용되는 자기 수위계에는 부자식, 수압식, 촉침식 등 여러 종류가 있다.

2) 간극수압 측정

간극수압이랑 원위치에서의 흙의 간극수가 갖는 압력을 말하며, 지반의 간극수압은 성토나 구조물의 침하, 안정성, land sliding 대책, 굴착 시의 배수 등을 검토할 때 필요한 조사항목의 하나이다. 간극수압의 측정은 지반 조사 시 시추 공저에서의 포화지반의 간극수압을 얻기 위해서 행해지는 것이며, 측정하여 얻은 간극수압의 값은 유효응력에 기인하여 지반의 안정이나 압밀의 진행 상황의 판정 등에 사용된다.

3) 현장 투수시험

지반의 투수계수 k를 구하는 많은 종류의 투수시험 방식 가운데 그중에서 원위치시험에서 널리 사용되고 있는 대부분의 방식이 시추공을 이용한 단공식 투수시험이다. 시험 방식에는 시추공 내 수위를 강제적으로 저하해 수위의 회복에 요구되는 시간을 재는 수위 상승법과 반대로 주수하여 시추공 내 수위가 원래의 위치에 되돌아오기까지의 시간을 재는 수위 하강법 등이 있다.
투수시험을 하는 대상의 지층은 모래층이나 자갈층이 많다. 이러한 지층은 양수 또는 주수전에 벤토나이트를 분해하는 약품을 투입하거나 맑은 물로 세정을 하고 있다. 그러나 벤토나이트의 영향은 피할 수 없는 경우가 많아 일반적으로 투수계수는 낮은 수치가 될 우려가 있으므로 세심한 주의가 요구된다.
(1) 정수위 시험
이 방법은 가장 일반적으로 사용되는 투수시험으로 매우 높은 투수성을 가질 때는 수위를 유지하는 것이 어렵고, 또 매우 낮은 투수성을 가질 때는 유량을 측정하는 것이 어려우므로 시험이 곤란할 때가 있다.
(2) 수위상승 시험
충분한 투수성 재료를 가지고 있는 포화한 구간에서는 이 방법이 정수위 시험이나 수위 하강 시험보다 더 정확하다. 미립자나 기포에 의한 간극의 폐쇄도 가장 적게 일어나는 경향이다. 불포화 구간에서 수위상승 시험은 적용이 불가능하다.
(3) 수위 하강 시험
유량이 매우 많거나 적은 지역에서, 이 시험은 정수위 시험 결과보다 더 정확할 수 있다. 투수계수를 잘 모르는 지역의 경우, 수위 하강 시험 전에 정수위 시험을 한다.

3. 선구조분석, 광역 지표지질 분석, 절리계 추정

지하수 조사분야에서는 선구조분석, 광역 지표지질 분석, 절리계 추정 등의 목적으로 이용되고 있다. 또한 부지조사나 유역조사 분야에서, 고해상도의 영상자료를 활용함으로서 세부적인 토지이용현황이나 피복 특성에 대한 정보를 추출할 수가 있으며 최근에는 수치고도모형(DEM; Digital Elevation Model)과 함께 3차원 지형 모의 및 지형분석, 수계 분석, 경관 평가 등의 목적으로 활용되고 있다.

선구조선(lineament)은 1) 능선이나 고지역의 경계, 2) 수계망, 3) 해안선, 4) 지층 도는 암석들간의 경계와 같은 지형적인 형태의 공간적인 관계를 묘사하는 것이다. Hobbs(1904)는 선구조선을 지표면에 나타나 있고, 지도에 나타낼수 있는 단일 또는 복합된 선적인 형태를 가지며, 그 부분들이 직선적이거나 약간 만곡된 선관계를 가지고 배열되며, 지하 현상을 반영한 것으로 정의하고 있다.

Whitten and Brook(1972)은 선구조를 지형태로 나타나고 지하 지질구조를 나타내는 선적인 형태로 정의하였으며, Billings(1972)는 대부분의 선구조선은 고각으로 경사지는 단층이나 절리계로부터 기인된다고 하였다.

현장 조사 중에 접근성이 불가한 지역에 대한 정보는 원격 영상을 통해 접할 수 있으며, 또한, 선상구조의 영상적인 특성과 지질학적 특성간의 대비가 축적됨으로써 판독능력의 향상이 이루어 질 수 있다.

선구조분석으로 판독한 결과에 대한 야외 검토에서 Lineament들과 높은 Freqency지역에 위치한 관정은 밀접한 관련이 있으며 또한 그러한 지역에서는 많은 양수량을 보이는 경향이 있다.

신도가 깊은 암반지하수는 분포되어 있는 투수성(permeability)과 파쇄대(fracture)와 깊은 관계가 있으므로 Lineament의 Frequency가 높거나 규모가 큰 lineament가 지나는 지역 그리고 drainage density가 낮은 지역을 암반 지하수탐사 대상 지역으로 결정하는 것이 효과적이라 생각된다.

그러나 많은 연구자들의 결론과 같이 선구조선과 지하수는 관련성은 있으며 지하수부존과 불충분의 조건으로 참고 역할을 하며, 전기탐사와 함께 이루어지는 상태로 좋은 자료에 그치는 경향이 있다.

다음으로 불연속면과의 지하수와 관계로, 개구상(open)의 불연속면은 연속체로서 암반을 물리적으로 분리시키기 때문에 그 자체로서 역학적인 약대에 해당되고 지하수 유동 통로의 기능을 하기 때문에 수리지질학에서 매우 중요한 요소로 작용한다.

지하수부존과 관련된 전단면(단층면)과 불연속면은 생성당시 지체구조적인 환경 및 암상 등의 변화에 의하여 체계적으로 발달하지만 자연상태의 노두에서는 불규칙하게 분포되어 있기 때문에 자료의 선택과 분석, 해석 과정에 많은 어려움이 있다.

자료 수집은 실제적으로 시스템되어야 하고, 동등한 조건에서 계측되어야 한다. 기재의 일관성과 완전성 또한 중요하다. 만약 모든 조사가 동일한 사람에 의해 수행되고 기재 기준 역시 동일하게 유지되었다면 자료의 일관성과 완전성 측면에서 바람직한 경우가 될 것이다.

같은 구조 영역에서 암종이 다를 경우 불연속면의 분포특성 역시 다를 수 있으므로 반드시 조사지점의 모암이 기록되어져야 한다. 결론적으로 불연속면 중에서 연장성이 양호하고 개구상의 상의 불연속면은 지하수 부존과 밀접한 관계를 띄고 있으나, 노두나 지표에서 불확실성 때문에 조사방법과 조사자 주관이 너무 크게 작용하고 어느것이 개구상인지 인지가 되지 않을 경우가 있다는 것이다.

그리고 측정하는 길이와 크기 간의 분포관계에 중요하게 작용하는 편의 및 오차로서는 단열의 크기에 따른 발생확률의 오차, 측정대상 기준길이에 의한 편의, 조사면의 면적에 의한 편의를 들 수 있다는 것이다.

다음으로 전기탐사로서, 지표지질조사 자료 및 원격탐사 선구조도를 기초로 하여 중․천부의 파쇄대 탐지 및 지하지질구조의 규명을 목적으로 전기비저항 탐사(쌍극자배열 및 Suhlumberger배열)가 이용되고 있다.

탐사자료의 해석은 자료처리 결과를 토대로하여 이론적 또는 경험적 분석을 통하여 탐사대상체 또는 지층의 위치, 크기 및 형태 등을 규명하는 것이다.

즉 물리탐사의 시행과정은 탐사자료의 획득, 획득된 탐사자료의 처리 및 자료의 해석으로 구분하게 된다. 통상 탐사자료의 획득은 탐사방법에 따라 자연발생적 또는 인공적으로 발생시킨 물리현상을 측정하는 과정으로 탐사 대상체의 물리적 특성으로 인하여 발생되는 이상반응 (anomaly)을 위치변화에 따라 측정하는 것을 말한다.

그러나 국내의 기반암의 지질은 대부분 구조선에 의한 Dyke Rock, 수분 포화대(절리 등에 의한 부서져 연질화된 포화구간) 및 기암반의 경계 혹은 셰일과 같은 연질암반 등이 다량으로 존재하여 쌍극자와 수직탐사시에는 이들과 파쇄대가 전기탐사 결과치가 같게 나타남으로 해석상 에러가 많이 발달하는 편이다.

그리고 지하심부 탐사로 전자기탐사는 지표하 수 m 깊이부터 수 km까지 심도 변화에 따른 전기비저항 분포 특성을 거시적으로 관찰할 수 있는 탐사방법인데, 에너지원이 자연장인 MT탐사를 이용하였는데, 광의의 의미에서는 자연장이지만 실제로는 대상지역을 중심으로한 인공적인 신호로 해석될 수 있다.

본 탐사는 쌍극자배열 전기비저항탐사 및 수직탐사 결과에 대한 보완탐사의 개념으로 실시하고, 측선은 이상대의 발달에 크게 나타나는 쌍극자탐사 측선과 동일하게 배열한다.

CSMT탐사는 주파수 영역 수직탐사에 속하는데 사용주파수를 0～100,000Hz, 비저항값을 1～10,000ohm-m로 설정하였으며, 저주파의 겉보기비저항은 심부 자료에, 고주파의 겉보기비저항은 천부 자료에 해당된다.

대상지역의 대수층 특성 등과 연관된 수리지질학적 구조해석을 수행할 때에는 주로 제한된 관정 자료를 기초하여 기반암 심도, 대수층 심도 및 지하수 유동 방향등을 추정하여 이용하는 실정이다.

이처럼 현재 지하수조사는 선구조선의 분석, 개구상 불연속면의 조사, 그리고 전기탐사, 전자기탐사 등으로 이루어져 시행되고 있다. 그러나 다소 신뢰성은 떨어지고 비과학적이지만 상기의 4개 조사에 추가하여, 추에 의한 탐사, 가는 봉에 의한 탐사, 낚시대나 나뭇가지에 의한 탐사 등 여러 가지 조사도 함께 시행되고 있는 실정이다. 이런 비과학적인 지하수부존량 조사도 하나의 탐사로서 지하수개발의 성공률을 높이는데 이용하고 있는 실태이다.

4. 우리나라의 지하수 이용현황

우리나라의 연간 지하수 이용량은 2012년 말 현재 전국 147여만 개소에서 39.9억㎥으로 총 용수이용량의 약 11%를 차지하고 있다.

용도별로는 농업용수 이용량이 20.0억㎥으로 전체 지하수 사용량의 50.1%를 차지하여 가장 많고, 생활용수는 전체 사용량의 44.7%에 해당하는 17.8억㎥을 이용하고 있으며 나머지 5.2%에 해당하는 2.1억㎥은 공업용수와 온천수, 먹는샘물 등 기타 용도로 사용되고 있다.

 [용도별 지하수 이용현황(’12년 기준)]

구 분/용 도		계	생활용수	공업용수	농업용수	기타
시설현황	개소수(천공)	1,475	816	13	641	4
	비율(%)	100	55.3	0.9	43.5	0.3
이용현황	이용량(백만㎥/년)	3,989	1,784	176	1,998	31
	비율(%)	100	44.7	4.4	50.1	0.8

주) 자료 : 2013 지하수조사연보(국토교통부, 한국수자원공사)

2000년 이후 지하수 개발ㆍ이용의 연도별 추이를 보면 시설수는 매년 2~3만공 이상 증가하는 추세를 나타내며, 이용량은 ‘05년부터 매우 완만하게 증가 또는 정체하고 있는 추세를 보여주고 있다. 또한 지역별 지하수 이용량은 경기도, 충청도, 전라도 등이 많고 강원도, 경상도 지역은 상대적으로 적은 것으로 나타난다.

 [연도별 지하수 개발·이용 현황 ]

연도	’94	’95	’96	’97	’98	’99	’00	’01	’02	’03
시설수(천개소)	637	764	787	946	973	989	1,078	1,110	1,195	1,228
이용량(백만㎥/년)	2,571	2,623	2,864	3,243	3,089	3,084	3,096	3,210	3,468	3,749

연도	’04	’05	’06	’07	’08	’09	’10	’11	’12
시설수(천개소)	1,234	1,270	1,304	1,323	1,345	1,364	1,381	1,447	1,475
이용량(백만㎥/년)	3,678	3,717	3,749	3,725	3,784	3,807	3,807	3,907	3,989

주) 자료 : 지하수조사연보(국토교통부)

 

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