지하수영향조사 배경 및 심사 1(수리상수 산정, 대수성 시험, 지하수 개발가능량(함양량) 산정, 잠재오염원 분포현황, 조사 대상지역선정)

지하수영향조사

1. 배경 및 목적

◦ 지하수개발․이용의 허가시 지하수개발․이용이 주변지역에 미치는 영향을 조사하여 주변지하수의 고갈과 오염을 예측하고, 이를 사전에 방지함으로써 지하수의 보전과 합리적인 이용을 도모하고자 지하수영향조사 제도를 도입, 시행하고 있으며,

◦ 이에, 지하수 영향조사서의 작성과 심사 및 지하수 영향조사업무에 필요한 기준과 업무처리 요령을 마련하였다.

2. 적용대상

◦ 지하수개발‧이용의 허가를 신청하고자 하는 자는 사전에 지하수영향조사기관에 의뢰하여 영향조사를 실시한 후 지하수영향조사서를 시장‧군수‧구청장에게 제출하여야 하며, 시장‧군수‧구청장은 영향조사서를 심사하여 허가내용에 반영하여야 한다.

3. 조사 대상지역의 선정

조사대상지역은 개발예정지점을 중심으로 반지름 0.5킬로미터를 기준으로 하되 지역 여건에 따라 시‧군‧구의 조례로 정하는 바에 따라 2분의 1의 범위에서 늘리거나 줄일 수 있다. 다만, 지하수의 영향 범위가 조사대상 지역을 초과하는 경우에는 그 영향 범위까지를 조사대상 지역으로 한다.

◦ 지하수영향조사의 대상지역은 개발예정지점을 중심으로 반경 0.5㎞를 기준으로 하고 있다. 그러나 지하수영향조사의 목적이 지하수 개발․이용으로 인한 영향을 파악하는 것이므로 각종 조사결과를 토대로 산출한 1일 적정취수량으로 취수시 영향이 미치는 범위까지를 조사지역으로 하여야 한다.

◦ 한편, 특별히 지하수의 보전 관리가 필요한 지역이거나 지하수의 개발․이용이 요구되는 지역에서는 1/2범위 내에서 시․군‧구의 조례에 따라 조사대상지역을 변경할 수 있다. 그러나 이 경우에도 조사대상 지역을 결정할 때에는 지하수의 영향범위가 우선적으로 고려되어야 한다.

✔ 여러 개의 정호에서 지하수를 동시에 개발하는 경우에는 각 방향 최외곽의 개발 예정지점을 기준으로 조사대상 지역을 선정하여야 한다.

✔ 지하수 개발로 인한 영향범위는 정확하게 수식화하기 어려운 자연현상이므로 산술적으로 그 범위를 규정하기 어렵다. 따라서 법에서 규정된 조사범위보다 영향조사 결과산출된 영향범위를 더욱 중요시 하여야 한다.

4. 수문 및 수리지질 현황조사

조사 지역의 기존 자료를 수집‧검토하고 현지 답사를 통하여 아래의 수문 및 수리지질 현황을 조사한다.

1) 우물, 샘, 유출지하수 등의 이용현황. 2) 하천의 현황

3) 잠재오염원 분포현황

가. 우물, 샘, 유출지하수 등의 이용 현황

◦ 우물, 샘, 유출지하수 등의 현황을 조사하는 방법으로는 현장 실사, 설문조사, 청취조사 등이 있으며, 지하수영향조사의 경우에는 현장실사를 실시하는 것을 원칙으로 한다. 현장실사는 조사 지역 내에 분포하는 지하수 개발․이용시설 현황을 기존자료를 토대로 직접 조사하여 지하수 이용특성을 분석하는 방법으로 자료의 신뢰도가 높고 지역의 정밀조사에 유용하다.

◦ 조사내용은 크게 구분하여 관리현황, 위치현황, 이용현황, 시설현황, 불용공 및 수질현황으로 구분되며 표 3.1과 같은 지하수 이용실태 현장조사표를 이용하여 각 우물마다 조사를 실시한다.

◦ 조사된 우물, 샘 및 유출지하수 등의 현황을 가능한 상세하게 목록화 하고, 도면에 기재한다. 이때 우물, 샘 및 유출지하수 등의 이용량을 추정에 의해 산정하는 경우에는 그 산정방법을 기재하여야 한다.

나. 하천현황조사

◦ 조사대상 지역 내에 분포하는 하천의 현황을 조사하여 목록화하고, 도면에 표시한다. 지하수법 제7조의2에 의한 하천인근에서의 지하수개발․이용허가에 해당하는지 여부를 확인한다.

다. 잠재오염원 분포현황조사

◦ 조사대상지역의 지하수 수질에 영향을 줄 수 있는 잠재오염원(표 3.2)에 대하여 위치, 규모, 오염방지시설 여부 및 관리상태 등을 조사하고 체계적으로 분석하여 도면에 표시한다.

5. 지하수 개발가능량(함양량) 산정

1. 지하수관리 기본계획 등 기존자료를 활용하여 조사지역의 지하수 함양량과 개발가능량을 산정한다.

2. 위에서 산정된 조사지역의 지하수 개발가능량을 토대로 기존 지하수 이용량 등을 고려한 지하수 신규 개발가능량을 산정한다.

가. 지하수개발가능량

◦ 지하수 개발가능량이란 수문순환계가 파괴되지 않고 지하수 장해를 일으키지 않는 범위 내에서 지속적으로 대수층으로부터 양수할 수 있는 지하수량으로 정의할 수 있다. 여기서 수문순환계의 파괴란 자연계에서 물이 강수, 지표수, 지하수, 증발산 등의 형태로 순환하는 체계의 균형이 파괴되는 것으로 지하수의 과잉 취수로 인하여 발생되는 지하수원의 고갈 또는 인근 하천의 건천화 등을 말한다.

◦ 지하수 함양량 및 개발가능량은 물수지분석 방법, 기저유출 분리방법, 지하수 수위자료 분석방법, 수학적 모델분석 방법 등을 통해 산정할 수 있다. 그러나 지하수 영향조사의 경우 조사대상지역이 좁고 지하수 개발공사비에 비해 과다한 영향조사비가 소요되는 것을 방지하기 위해 지하수관리 기본계획, 지하수 기초조사 보고서 등 기존 자료를 활용하여 함양량과 개발가능량을 산정한다.

◦ 지하수관리 기본계획과 지하수 기초조사 보고서에는 지역별로 지하수 함양율이 제시되어 있으며, 이를 활용하여 다음과 같이 지하수 함양량을 산정할 수 있다.

지하수 함양량 = 연평균 강우량 × 함양율 × 해당 유역의 면적

- 여기서, 강우량은 인근 기상관측소 또는 강우관측소의 30년 평균 강우량 자료를 적용한다. 함양율은 지하수관리 기본계획, 지하수 기초조사 보고서에 유역별 또는 지역별로 제시하고 있으며, 지하수 영향조사 대상 지점이 위치하는 유역 또는 지역의 함양율을 적용한다. 유역면적은 지표 분수령을 기준으로 당해 영향조사 대상 지점을 포함하는 유역을 설정하여 이 유역의 면적을 적용한다.

- 예를 들어, ○○지역 연평균 강우량이 1,500㎜, 함양율이 11.5%, 유역면적이 1.5㎢인 경우 지하수 함양량은 다음과 같다.

지하수 함양량 = 1.5 × 0.115 × 1,500,000 = 258,750(㎥/년)

 

◦ 한편, 지하수 개발가능량은 기존자료에 함양량 대비 개발가능량 비율이 제시되어 있으므로 이를 함양량에 적용하여 산정한다.

- 예를 들어, ○○지역에 지하수 함양량이 257,750㎥/년이고, 함양량 대비 개발 가능량 비율이 70% 이면, 지하수 개발가능량은 다음과 같다.

지하수 개발가능량 = 258,750(㎥/년) × 0.7 = 181,125(㎥/년)

나. 신규 개발가능량 산정

◦ 지하수 신규 개발가능량은 조사공이 위치한 유역 내의 총 지하수 개발가능량에서 기존에 이용하고 있는 지하수 이용량을 제외한 양이다. 허가신청량은 신규 지하수 개발가능량 이내이어야 한다.

6. . 대수성시험

대수성시험(帶水性試驗)을 통하여 대수층의 특성 및 지하수의 산출 특성을

파악한다.

1) 단계대수성시험

가) 단계대수성시험은 최소 3단계 이상 하여야 하며, 각 단계별 시험의 필요한 시간은 1시간 이상이어야 한다.

나) 양수정(揚水井) 안에 수중모터펌프를 설치하여 각 단계별로 양수율을 일정하게 유지하면서 양수정에서의 양수시간에 따른 지하수 수위의 강하를 측정한다.

2) 연속대수성시험

가) 단계대수성시험을 마친 후 지하수의 수위가 회복된 다음에 일정 양수율 조건에서 양수정과 관측정에서의 양수시간에 따른 지하수 수위의 강하를 측정한다. 다만, 관측정이 없는 경우에는 양수정에서만 지하수 수위의 강하를 측정할 수 있다.

나) 연속대수성시험기간은 12시간 이상 연속으로 함을 원칙으로 한다.

다) 양수시간에 따른 지하수 수위 강하를 측정한 자료를 통하여 대수층의특성을 나타내는 수리상수(水理常數)인 수리전도도(水理傳導度), 투수량계수, 저류(貯留)계수, 비양수량(比揚水量) 등을 조사한다.

3) 수위회복시험

가) 연속대수성시험을 마침과 동시에 펌프 작동을 중지하고 양수시간에 따른 회복수위를 2시간 이상 측정한다.

나) 양수시간에 따른 회복수위를 측정한 자료를 통하여 수리상수를 조사하고 연속대수성시험의 결과와 비교한다.

4) 양수정과 관측정에서의 지하수 수위 측정 시간간격은 다음과 같다.

가) 시험 시작 후 5분까지: 1분 간격

나) 시험 시작 후 5분부터 1시간까지: 5분 간격

다) 시험 시작 후 1시간부터 2시간까지: 15분 간격

라) 시험 시작 후 2시간부터 6시간까지: 1시간 간격

마) 시험 시작 후 6시간부터 종료 시까지: 2시간 간격

가. 대수성 시험

◦ 대수성시험은 양수실시 여부, 관측정의 설치여부, 일정 양수율인지 여부 등의 조건에 의하여 단계대수성시험, 연속대수성시험(양수시험), 순간수위변화시험 등으로 구분된다. 지하수법에서는 대수성시험 방법으로 단계대수성시험과 연속대수성시험(양수시험)과 양수시험의 검증을 위한 수위회복시험을 실시하도록 하고 있다.

(1) 단계대수성시험(Step-drawdown Test)

◦ 양수정에서 정호 및 대수층 특성에 따른 지하수위의 수두 손실을 평가하기 위하여 실시하는 대수성시험으로서 초기에는 작은 양수율로 양수하다가 점차 단계적으로 양수량을 증가시켜 일련의 시간-수위강하 자료를 얻는 시험방법으로 일반적으로 정호의 효율, 정호에서의 적정취수량 등을 파악하기 위하여 연속대수성시험과 병행하여 실시한다. 기타 자세한 설명은 “3.2.5. 적정취수량 및 영향반경”을 참조한다.

(2) 연속대수성시험(양수시험)

◦ 연속대수성시험은 일정시간 동안 동일한 양수율로 양수를 하고 이에 따른 지하수위의 강하를 측정하는 시험으로 일반적으로 양수시험이라 부른다.

◦ 영향조사를 위해 설치된 정호 또는 기존 정호를 시험정으로 양수시험을 실시하여 대수층의 수리특성(수리전도도, 투수량계수, 저류계수, 비양수량 등) 및 정호 특성을 분석한다. 인근에 기존 정호가 있는 경우에는 이를 관측정으로 활용하여 수위변화를 함께 측정, 분석한다.

◦ 대수층의 특성(자유면/피압대수층, 미고결층/암반층), 경계면의 분포, 우물의심도, 형태 및 조건(우물저장효과, 스킨효과, 스크린구간) 등에 따라 분석방법이 달라지므로 각 분석법을 이용할 때는 분석법에 대한 조건 및 가정에 대해 세심한 주의가 필요하다. 양수시험 결과는 양수시험 결과도, 시험결과표, 해석방법 등에 대해 보고서에 수록하여야 한다.

◦ 양수시험에 관한 일반적인 사항은 다음과 같다.

- 양수정과 관측정을 설치하고, 양수정에서의 지하수 배출로 인하여 발생하는 관측정에서의 수위변화를 측정하고, 이들로부터 수리상수를 계산한다.

- 양수시험은 기본적으로 12시간 이상 연속적으로 실시함을 원칙으로 하고 있으나, 자유면 대수층의 경우에는 충분한 양의 배수를 위하여 그 이상의 시간이 요구되는 경우도 있다.

- 양수시험시 측정하는 사항은 양수전의 자연수위, 양수 시작과 종료 시간, 양수량, 양수 중의 일정시간별 수위, 양수량 변화시간 등이다.

- 양수시험시 양수되는 수량은 V-Notch, 유량계 등 유량측정 장치로 점검하고, 양수정 및 관측정에서 수위변화를 계속 측정, 기록한다.

- 양수시험 도중에 펌프의 고장 등으로 시험이 중단된 경우에는 수위가 원래의 상태로 완전히 회복된 후 처음부터 다시 실시하여야 한다.

- 양수시험에는 수위측정기, 수위기록대장, 유량측정장비 등이 필요하며, 관측요원 및 보조인부가 측정 기록한다.

◦ 양수시험은 다음과 같은 순서로 실시한다.

- 양수정 굴착 후, 양수시험을 실시하기 전에 착정시의 지하수 산출상태에 대한 정보를 이용하여 양수량과 수위강하량의 상관관계를 개략적으로 파악한 후 양수펌프의 규모를 결정한다.

- 시험양수량을 결정하여 제반 양수시험용 장비를 설치한 후 펌프, 수위측정장비 등을 가동하여 시험을 시작한다.

- 양수시험 중에는 V-Notch에서의 일류수심 측정, 유량계의 확인 등을 통하여양수량이 일정하게 유지되고 있는지를 계속 관찰한다.

- 양수시험 동안 양수정 및 관측정에서의 수위강하량을 주어진 시간간격에 따라 측정한다. 자동관측장비에 의하여 관측하는 경우에는 관측장비의 시간간격을 설정한다.

- 양수시험을 시행하는 동안 양수된 지하수가 주변을 통하여 지하로 재유입되지 않도록 각별히 주의한다.

(3) 수위회복시험

◦ 양수시험 종료시에는 양수기의 가동을 중지하고 각 시험정 및 관측정에서 수위가 회복될 때까지 회복수위를 측정하여야 한다.

◦ 회복시험 결과를 분석하여 양수시험 분석 결과와 비교 검토한다.

(4) 기타 대수성시험

◦ 대수층의 수리적 특성에 관한 추가 정보가 필요한 경우나 현장사정에 의하여 양수시험이 불가능한 경우에는 슬러그 시험, 추적자 시험, 지하매질 실내시험 등의 대수성시험 방법이 있다.

나. 대수층 수리상수의 산정

(1) 정류상태(Steady-State Condition)

◦ 양수시 지하수위가 일정하게 유지되어 시간에 따른 수위변화가 없을 때의 지하수 흐름을 정류상태라 하며, 정류상태에서의 지하수 흐름방정식을 평형방정식(Equilibrium Equation) 또는 티엠방정식(Thiem Equation)이라 한다. 피압대수층과 자유면대수층에서의 평형방정식은 다음과 같다.

◦ 피압대수층

피압대수층에서 양수정으로 집수가 일어날 때 지하수의 흐름은 방사상으로 되며 이 경우 다시의 법칙(Darcy's Law)을 이용하여 표현하면 다음과 같다.

 

여기서 Q는 양수량, b는 대수층의 두께, h는 수두, r은 양수정에서의 거리, T는 투수량계수이다. 만일, 관측공이 2개 있고 양수정으로부터 r1, r2의 거리만큼 떨어진 관측공의 수위를 h1, h2 라고 하고, 이를 경계조건으로 하여 위의 식을 적분하면 다음과 같이 된다.

 

따라서 투수량계수를 구하는 식은 다음과 같다.

여기서, T는 투수량계수(㎡/일), Q는 양수량(㎥/일), h1 은 양수정에서 r1 만큼 떨어진 지점의 수위(m), h2는 양수정에서 r2 만큼 떨어진 지점의 수위(m)이다.

◦ 자유면대수층

자유면대수층에서 지하수의 방사상 흐름은 Dupuit의 가정(우물에서 지하수를 취수할 때 수위강하 구역 내에 형성되는 지하수위는 전 대수층 구간에서 고르게 형성되며, 지하수위를 해발고도로 나타낼 수 있다)이 성립될 경우 다음과같은 식으로 표현된다.

 

만일, 관측공이 2개 있고 양수정으로부터 r1, r2 의 거리만큼 떨어진 관측공의 수위를 h1, h2 라고 하고, 이를 경계조건으로 하여 위의 식을 적분하면 다음과 같다.

따라서, 수리전도도는 다음과 같다.

여기서, K는 수리전도도(m/일), Q는 양수율(㎥/일), h1 은 양수정에서 r1 만큼 떨어진 지점의 수위(m), h2 는 양수정에서 r2 만큼 떨어진 지점의 수위(m)이다.

(2) 부정류상태(Non Steady-State Condition)

◦ 타이스법(Theis Method) : 피압대수층에서 지하수의 방사상 흐름 타이스 방정식(Theis Equation) 또는 비평형방정식(Nonequilibrium Equation)은 다음과 같다.

위의 적분식을 무한급수로 표현하면 다음과 같다.

 

이고 위의 식의 괄호안의 부분을 우물함수 W(u)로 정의하면 다음 식과 같이 간단히 표시된다.

위 식을 변환하여 투수량계수와 저류계수를 구하는 식은 다음과 같이 표시된다.

여기서 T 는 투수량계수(㎡/일), S 는 저류계수, Q 는 양수율(㎥/일), h0-h 는 수위강하량(m), t 는 시간(일), r 은 양수정에서 관측정까지의 거리(m)이다.

Theis식은 형태상 직접 풀 수는 없다. 따라서 Theis는 특성곡선(type curve)을 이용하는 그래프방법을 고안하였다. 이 방법을 적용하려면 수위강하 대 시간(또는 수위강하 대 t/r2)의 도표를 W(u) 대 1/u 의 특성곡선에 중첩시키고 임의의 한 지점에서 s, t(또는 t/r2), W(u), 1/u 의 값을 읽는다(그림 3.1). 이 값을 위의 식에 대입하여 투수량계수와 저류계수를 구한다. 한편, 수리전도도는 위의방법으로 구한 투수량계수 값으로부터 다음과 같은 식에 의하여 계산할 수 있다.

T = K․b

여기서 T 는 투수량계수(㎡/일), K 는 수리전도도(m/일), b 는 대수층의 두께(m)이다.

 

양수로 인한 관측정에서의 수위강하는 그림 3.2에서 보는 바와 같이 반대수 그래프에서 일직선으로 나타난다. 시간-수위강하 그래프가 준비되면 수위강하는 Y축에, 시간은 X축에 표시한다. 이 직선의 경사는 양수율과 투수량계수에 비례하며 Jacob은 여기에서 투수량계수와 저류계수를 계산하는 공식을 유도하였다.

◦ 제이콥의 직선법(거리-수위강하법)

양수정에서 각기 다른 거리에 위치하는 3개 이상의 관측정으로부터 동시에 측정된 수위강하는 Theis식과 특성곡선을 이용하여 대수층의 투수량계수와 저류계수를 결정할 수 있다. 시험이 장시간 계속된다면 각 관측정의 자료로부터 시간-수위강하 자료를 이용하거나 다른 관측정에서 동시에 측정된 수위강하 자료를 이용한 거리-수위강하 그래프를 이용하여 Jacob의 방식으로 분석할 수 있다.

Jacob의 거리-수위강하법에서는 수위강하는 Y축에, 거리는 X축에 도시한다. 만일 대수층과 시험 조건들이 Theis의 기본가정과 Jacob 방법의 조건을 만족시킨다면 다른 관측정에서 동시에 측정된 수위강하는 일직선상에 도시되어야한다(그림 3.3). 이 직선의 경사는 양수율과 투수량계수에 비례한다. 그러므로 Jacob은 거리-수위강하 그래프로부터 투수량계수와 저류계수를 계산하는 공식을 유도하였다.

 

 

 

 

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