1. 서 론

우리나라의 지형은 해안선이 길고, 산악지대와 강과 호수 등 다양한 지형 형태로 이루어진다. 특히 해안선이 긴 지형적 특성 때문에 해안 대수층에서의 해수 침투는 주변의 식물 생태계 변화와 지하수 오염 등의 부정적 영향을 미치는 실정이다(Yang et al., 2011; Jung et al., 2017). 현재 우리가 사용할 수 있는 물 자원은 한정되어 있어 지하수 또한 생활용수로 사용하고 있다. 지하수는 오랜 시간 동안 지하에서 여러 과정을 거치며 정제되어 깨끗한 상태로 존재하나 지하수도 오염되는 예도 있어 지속적인 관리와 보전이 필요하다. 해안 지역 개발에 의한 지하수 활용이 증가함에 따라 담수의 수위가 저하되면서 흐름 방향이 역전되어 해수가 내륙으로 유입되어 담수 대수층을 오염 시키게 되는데 이 현상을 해수 침투(seawater intrusion)라 한다.

지하수의 양수 등으로 수위가 낮아지거나 담수 유출량이 감소하면 해수의 내륙 침투가 촉진된다. 또한 지하수가 감소하게 되면 토양과 암반 중 일부가 침식·침하할 수 있으며, 해안 지역 건물 구조물 등에 손상을 초래할 가능성이 있어(Cheng et al., 2024) 해수 침투 방지는 해양 산업 발전과 함께 지속 가능한 발전을 위한 필수적인 요소 중 하나이다.

해수 침투는 인위적 요인과 자연적 요인으로 발생하게 된다(Perumal et al., 2024). 인위적 요인으로는 자연 함양량을 초과하는 과도한 지하수 양수가 이뤄질 경우 대수층 내 담수 수두가 저하되면서 해안 방향으로 형성되던 자연적 수리구배가 약화되거나 역전되며, 이로 인해 담수에 의해 유지되던 담수-염수 경계의 밀도 평형 조건이 붕괴되어(Langevin and Zygnerski, 2013; Prusty and Farooq, 2020) 해수 침투가 발생한다. 자연적 요인으로는 해안 대수층을 이루는 지질학적 특성(수리전도도 및 층상 구조), 조석 작용에 따른 주기적 수위 변동 그리고 기후 변화 및 해수면 상승 등이 염수 침투에 영향을 준다. 제주도 해안 지역에서는 다양한 지질 단위에 따른 투수성 차이가 염수의 이동 경로와 거동에 영향을 미치는 것으로 보고되었으며(Youn et al., 2009), 해수면 상승은 지하수 시스템의 수리적 평형을 변화시켜 충진 및 염수 분포에 영향을 미친다(Michael et al., 2013; Ammar et al., 2016). 조석 변동은 염수-담수 경계를 반복적으로 교란하여 혼합 대를 확대하며(Kim et al., 2006), 해수면 상승과 기후 변화는 담수 함양 감소 및 수위 상승을 통해 염수 경계의 내륙 이동을 가속할 수 있어(Rapti-Caputo, 2010; Rezaie et al., 2019)해수 침투가 발생한다.

현재까지 연구들은 해수 침투 방지를 위한 물리적 대책과 수리학적 대책을 이용한 연구들이 주를 이루었다. 물리적 대책의 경우 불투수성 혹은 반 투수성 차수벽을 지표에 건설하는 방법(Luyun Jr. et al., 2009; Abdoulhalik et al., 2017; Labidi and Bouhlila, 2021)과 해안선을 바다 쪽으로 인위적으로 확장하는 토지 매립 방법(Abd-Elhamid et al., 2020) 등이 있다. 수리학적 대책의 경우 인공적으로 담수를 재충전하여 대수층의 수위를 높여 해수 쐐기의 경사를 유지하는 방법(Guttman et al., 2017; Ranganathan et al., 2022)과 해안 인접 대수층 심부에서 해수를 직접 양수하여 염수의 내륙 이동을 사전에 차단하거나 억제하는 방법(Pool and Carrera, 2010; Tsai, 2012)이 있다.

해안대수층에서 발생하는 해수 침투의 동역학을 이해하기 위해 실험실 규모의 수리모형 실험이 활발하게 연구되어 왔다. Luyun Jr. et al. (2011)은 실험을 통해 물리적 대책이 해안선에 더 가깝고 설치 깊이가 깊을수록 차단벽의 효과가 증가한다는 것을 확인하였고, Abd-Elaty et al. (2024)은 SEAWAT 수치모델을 사용하여 해안대수층을 모사하여 차수벽의 설치 조건과 담수-해수 간 수두 차 변화가 염수 침투에 미치는 영향을 분석하였으며, Hwang (2024)은 염지하수 양수 실험과 대수층의 수리전도도 특성을 반영한 수치모델을 적용하여 염수의 상향 이동 억제를 위한 이중 양수 방식의 최적 조건을 도출하였다. Ahmed et al. (2022)은 글래스 비드(glass bead)의 다양한 입경을 통해 동질 및 이질 대수층에서 해수 침입 경계(SeaWater Interface, SWI) 거동의 변화에 대해 실험적으로 분석하였으며, Kaleris and Ziogas (2013)는 수치 시뮬레이션을 통해 차단벽의 성능이 벽 깊이, 해안과의 거리, 담수와 해수의 속도 비율, 차단벽의 상대 전도도에 의해 결정된다는 것을 확인하였다. 그리고 Abdoulhalik et al. (2022)는 불투수성 차단벽으로 고려된 cutoff 벽과 지하댐에 의한 염수 침투 저감 효과를 알아보기 위해 실험실 규모의 수리모형 실험을 수행하였으며, 차단벽 설치 시 해수 상승 억제 효과를 SEAWAT를 시용하여 수치로 예측하는 연구를 진행하였다.

해수 침투 저감을 위해 구축되는 기존 불투수성 물리적 방벽은 대수층 내 지하수 유동을 차단하여 방벽 전과 후 대수층 내 지하수의 정체와 이에 따른 담수 오염, 부영양화와 같은 수질 악화 문제가 우려된다. 이러한 한계에도 불구하고 기존 연구들은 주로 불투성 차단벽(cutoff wall)의 설치 조건이나 수치모델 기반의 저감 효과 분석에 초점을 두어 왔다. 특히 반 투수성 차단벽(semi-permeable barrier)의 수리적 성능을 실험적으로 정량 평가한 연구는 제한적이며, 대부분 정적 조건에서의 해수 쐐기 거동 분석에 국한되어 실제 지하수 이용 상황에서 고려되어야 할 양수 조건 하에서의 차단벽 성능 변화에 대한 체계적인 분석은 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 Abdoulhalik et al. (2022)에 의해 고려된 불투수성 차단벽의 한계를 보완할 수 있는 대안으로 기존 차단벽으로 인한 수리적 교란을 최소화하여 부영양화 감소를 위해 반 투수성 차단벽을 적용하고, 차단벽의 두께를 단계적으로 변화시키는 동시에 다양한 양수량 조건을 고려한 실내 수리모형 실험을 수행하였다. 양수 전 담수와 염수 경계 사이의 수두를 고정한 후 차단벽 두께에 따른 염수쐐기 진출 거리 변화를 분석하였으며, 양수 조건에서는 양수량과 차단벽 두께를 동시에 변화시켜 염수쐐기 진출 거리와 양수된 물의 염도 변화를 종합적으로 평가하였다. 특히 차단벽 두께 증가에 따른 저감 효과의 비선형적 경향과 양수량 증가에 따른 성능 감소 특성을 실험적으로 규명함으로써 반 투수성 차단벽 적용 가능 범위와 한계 조건을 제시하였다.

2. 수리모형 실험

2.1 실험 장치

본 실험에서는 Abdoulhalik et al. (2022)에 의해 수행된 수리모형 실험에서 적용한 수리모형의 규모(길이 38.0 cm, 폭 1.0 cm 그리고 높이 15.0 cm)과 거의 동일한 규모를 가진 다공성 매질 내에서 염수 침투 양상을 분석하기 위하여 길이 40.0 cm, 폭 1.0 cm 그리고 높이 25.0 cm의 아크릴 수조를 사용하였다. Fig. 1에서 볼 수 있듯이 수조 양 끝단에 11.0 × 11.0 × 25.0 cm³ 크기의 담수 공급 수조와 염수 공급 수조를 설치하였으며, 담수와 염수 공급 수조 내부에 각각 펌프를 이용하여 일정량의 유량을 공급함과 동시에 일정한 수두 차(Δh)를 유지하기 위해 담수와 염수 공급 수조 내에 직경 1.6 cm와 길이 20.0과 21.0 cm의 월류 관(overflow pipe)을 각각 설치하였다.

수조 내에 염수쐐기의 진출 거리를 보다 명확하게 측정하기 위해 Fig. 1에서 볼 수 있듯이 40.0 cm 구간에 글래스 비드(glass bead)를 채워 다공성 매질로 고려하였으며, 이는 매질의 균일성과 실험의 재현성이 높으며 담수-염수의 경계면을 정확히 확인할 수 있다. 염수쐐기의 진출 거동을 모사하기 위해 Ahmed et al. (2022)의 선행 연구에서 사용된 것과 동일한 평균입경 1.325 mm와 유사한 평균입경(dp)은 각각 1.4 mm(범위 1.25~1.55 mm)로 다공성 매질을 구성하였다. 또한 반 투수성 차단벽의 경우 Ahmed et al. (2022)의 선행 연구에서 사용된 평균입경 0.78 mm 보다 작은 0.5 mm (범위 0.4~0.6 mm)의 평균입경을 적용하여, 입경 차이에 따른 투수성 감소 및 염수쐐기 거동 변화를 분석하였다. 다공성 매질과 반 투수성 차단벽을 구성하는 글래스 비드의 밀도는 각각 1.47 g/ml와 1.50 g/ml이다. 글래스 비드로 채워진 다공성 매질의 물리적 특성을 정량적으로 평가하기 위해 수리전도도 (K)를 산정하기 위해 정수두 투수시험을 수행하였다. 담수와 염수 공급 수조 사이의 수두 차Δh를 1.0 cm로 고정하고 총 7회에 걸쳐 시험을 반복 시행하였으며, 각 시험에서 측정된 체적 (V), 다공성 매질 내 통과시간 (T) 그리고 유량 (Q)을 Eq. (1)을 적용하여 수리전도도 (K)를 산정하였다.

여기서, Q는 유량[m³/s], K는 다공성 매질의 투수계수[m/s], h1과 h2는 각각 염수 공급 수조와 담수 공급 수조 내의 수두[m], L은 다공성 매질의 길이[m] 그리고 A는 투과 면적[m²]이다.

Fig. 1.

Set-up of hydraulic model experiment

Tables 1 and 2는 다공성 매질과 반 투수성 차단벽에 대한 정수두 투수시험 결과를 나타낸 것으로 각각에 대해 평균된 수리전도도 K는 1.304 × 10^-2 m/s와 2.134×10^-3 m/s로 산정되었으며, 반 투수성 차단벽은 다공성 매질을 구성하는 글래스 비드와의 혼합을 방지하기 위해 0.031 × 0.02 cm²의 직사각형 홀로 구성된 철망으로 제작하였다.

2.2 실험방법

수조 내 글래스 비드로 채워진 다공성 매질 내에 외경 0.8 cm의 양수펌프와 연결된 유리로 된 양수관과 길이 1.0, 2.0 그리고 3.0 cm, 폭 1.0 cm 그리고 높이 10.0 cm의 반 투수성 차단벽을 Fig. 2와 같이 설치하였다. 본 연구에서는 담수공급수조와 염수공급수조 사이의 수두차를 1.0 cm로 유지하였다. 반 투수성 차단벽은 염수공급수조로부터 7.0 cm 떨어진 지점에 설치되었으며, 양수를 위한 펌프와 연결된 관은 염수공급수조에서 15.0 cm 그리고 다공성 매질의 상부로부터 17.0 cm 아래 지점까지 설치하였다.

Fig. 2.

Schematic diagram of experiment conditions

본 연구에서 실험실 조건에서 해수의 밀도 특성을 모사하기 위해 사용된 염수는 정제염 25.0 g/l 농도로 용해하여 비중 1.025로 제조하였다. 염수쐐기의 진출 사항을 시각적으로 관찰하기 위해 붉은 염료를 첨가하였으며, 실험 수조 내에서 관측된 현상을 기술할 때는 ‘염수쐐기’라는 용어로 구분하여 사용하였다. 실험 시작 후 염수쐐기가 형성되면서 시간이 경과함에 따라 진출 거리의 변화가 발생하여 일정 시간이 지나 염수쐐기 전단 위치의 추가적인 이동이 일어나지 않는 준정상상태에 도달하게 된다. 이 시점을 본 연구에서 정상상태로 간주하여 측정을 수행하였으며, 해당 상태에 도달하기까지 약 60분 소요되었다. 양수관을 통해 양수된 물의 염도와 염수쐐기의 진출 거리를 10분 단위로 측정하였다. 염도는 전기 전도도 측정 방식으로 CAS 사의 SG-1을 사용하였다. 양수된 물에 포함된 염분 농도가 실제 음용 가능한 염소이온 농도 250.0 ppm 이하 또는 총용존고형물(Total Dissolved Solid, TDS) 500.0 ppm (MCEE, 2025)를 초과하는지를 판단하기 위한 참고 선(Reference line)으로 적용하였다.

3. 실험 결과

3.1 양수 전 반 투수성 차단벽 효과

양수 전 반 투수성 차단벽 설치 전과 설치 후 차단벽 폭(Wspd)의 변화에 따른 염수쐐기 진출 거리의 공간적 변화는 Figs. 3 and 4와 같다. Fig. 3에서 볼 수 있듯이 반 투수성 차단벽이 설치되었을 때 염수쐐기의 진출이 저감되는 효과를 나타냈으며, 차단벽의 폭이 증가할수록 그 효과는 확연하게 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 반 투수성 차단벽의 폭이 증가할수록 차단벽 내에서 염수의 수두가 불연속적 계단 형태를 나타내면서 점차 감소하였다.

Fig. 3.

Advancement pattern of saltwater wedge according to width of semi-permeable barrier without pumping: (a) 0.0 cm, (b) 1.0 cm, (c) 2.0 cm, and (d) 3.0 cm

Fig. 4.

Advancement distance of saltwater wedge according to width of semi-permeable barrier without pumping

본 실험에서 반 투수성 차단벽 설치 전 염수쐐기 진출 거리는 14.6 cm이며, 반 투수성 차단벽 설치 후 폭을 1.0, 2.0 그리고 3.0 cm까지 증가할 때 염수쐐기의 진출 거리는 각각 13.3, 12.0 그리고 10.5 cm로 감소했다. 이는 반 투수성 차단벽 설치 전 대비 염수쐐기 진출 거리는 각각 8.9, 17.8 그리고 28.1% 감소한 것에 해당한다.

3.2 양수량 변화에 따른 반 투수성 차단벽 효과

본 실험은 양수량 변화에 따른 반 투수성 차단벽에 의한 염수쐐기 진출 거리의 저감효과를 알아보기 위한 것으로 양수 전 반 투수성 차단벽의 폭에 따른 염수쐐기 진출 현상 수리모형 실험 결과를 초기 조건으로 하였다.

3.2.1 Case 1: 양수량 25.0 ml/min

양수량을 25.0 ml/min로 하였을 때 반 투수성 차단벽의 폭 변화에 따른 염수쐐기 진출 결과는 예로서 반 투수성 차단벽이 없는 경우와 차단벽의 두께가 3.0 cm인 경우에 대해 Fig. 5와 같이 나타났다. Fig. 5(a)와 같이 반 투수성 차단벽이 없는 경우 양수관 유입 부와 가장 가까운 지점에서 약간의 불록한 형태를 나타내었으나 뚜렷한 염수가 유입되지는 반 투수성 차단벽의 폭이 증가할수록 이러한 콘 형태의 유입은 점차 감소하는 것으로 나타났다. Fig. 5(b)는 반 투수성 차단벽의 두께가 3 cm에 대한 실험 결과로써 반 투수성 차단벽의 수리전도도가 상대적으로 낮아 이를 통과하는 염수는 뚜렷하게 불연속적 계단 형태가 유지된 것을 볼 수 있다.

Fig. 5.

Advancement patterns of saltwater wedge for Case 1: (a) 0.0 cm and (b) 3.0 cm

Fig. 6은 반 투수성 차단벽의 폭 변화에 따른 염수쐐기 진출 양상을 나타낸 것이며, 반 투수성 차단벽이 없을 경우와 차단벽의 폭이 1.0, 2.0 그리고 3.0 cm까지 증가함에 따라 염수쐐기 진출 거리는 각각 20.5, 19.0, 18.0 그리고 15.2 cm로 측정되었다.

Fig. 6.

Advancement pattern of saltwater wedge for Case 1

Fig. 7은 반 투수성 차단벽이 없을 경우와 차단벽의 폭이 1.0, 2.0 그리고 3.0 cm일 때 양수된 물의 염도를 시간에 따라 측정한 결과를 나타낸 것이다. 양수된 물에서의 염도는 반 투수성 차단벽 두께에 따라 최대 133.0~135.0 ppm의 염도를 나타내었으며, 이는 음용 가능 최대 TDS인 500.0 ppm 이하에 해당된다.

Fig. 7.

Temporal salinity variation for Case 1

3.2.2 Case 2: 양수량 30.0 ml/min

양수량을 30.0 ml/min로 하였을 때 반 투수성 차단벽의 폭 변화에 따른 염수쐐기 진출 결과는 예로서 반 투수성 차단벽이 없는 경우와 차단벽의 두께가 3.0 cm인 경우에 대해 Fig. 8과 같이 나타났다. Fig. 8(a)와 같이 반 투수성 차단벽이 없는 경우 양수관 유입부와 가장 가까운 지점에서 다소 콘(cone) 형태를 보이면서 염수가 유입되나 반 투수성 차단벽의 폭이 증가할수록 이러한 콘 형태의 유입은 점차 감소하는 것으로 나타났다. Fig. 8(b)는 반 투수성 차단벽의 폭이 3.0 cm의 경우로 뚜렷하게 불연속적 계단 형태가 유지된 것을 볼 수 있다.

Fig. 8.

Advancement patterns of saltwater wedge for Case 2: (a) 0.0 cm and (b) 3.0 cm

Fig. 9는 반 투수성 차단벽의 폭 변화에 따른 염수쐐기 진출 양상을 나타낸 것이며, 반 투수성 차단벽이 없을 경우와 차단벽의 폭이 1.0, 2.0 그리고 3.0 cm까지 증가함에 따라 염수쐐기 진출 거리는 각각 20.5, 19.0, 18.0 그리고 15.2 cm로 측정되었다.

Fig. 9.

Advancement patterns of saltwater wedge for Case 2

Fig. 10은 반 투수성 차단벽이 없을 경우와 차단벽의 폭이 1.0, 2.0 그리고 3.0 cm일 때 양수된 물의 염도를 시간에 따라 측정한 결과를 나타낸 것이다. 반 투수성 차단벽이 없는 경우와 차단벽의 폭이 1.0 cm인 경우에는 시간에 따라 점차 염도가 증가하는 경향을 나타냈지만, 차단벽이 2.0과 3.0 cm에서는 초기에 약간 증가되다가 시간에 따라 일정하게 유지되는 것으로 나타났다. 그러나 모든 경우에서 음용 가능 최대 TDS인 500.0 ppm보다 낮은 값으로 측정되었다.

Fig. 10.

Temporal salinity variation for Case 2

3.2.3 Case 3: 양수량 35.0 ml/min

양수량을 35.0 ml/min로 하였을 때 반 투수성 차단벽의 폭 변화에 따른 염수쐐기 진출 실험 결과는 예로서 반 투수성 차단벽이 없는 경우와 차단벽의 두께가 3.0 cm인 경우에 대해 Fig. 11과 같이 나타났으며, 염수는 콘 형태를 이루면서 양수관으로 유입되는 양상의 나타내었다. Fig. 12는 반 투수성 차단벽의 폭 변화에 따른 염수쐐기 진출 양상을 나타낸 것이며, 반 투수성 차단벽이 없을 경우와 차단벽의 폭이 1.0, 2.0 그리고 3.0 cm까지 증가함에 따라 염수쐐기 진출 거리는 각각 21.5, 20.0, 19.0 그리고 15.2 cm로 측정되었다.

Fig. 11.

Advancement patterns of saltwater wedge for Case 3: (a) 0.0 cm and (b) 3.0 cm

Fig. 12.

Advancement patterns of saltwater wedge for Case 3

Fig. 13은 반 투수성 차단벽 폭의 증가와 시간에 따른 염도의 변화를 나타낸 것으로 앞의 두 양수량 경우와는 달리 양수된 물의 염도가 급격하게 상승한 것을 확인할 수 있다. 반 투수성 차단벽의 폭이 3.0 cm인 경우를 제외하고는 모두 식음 가능 최대 염도 기준을 초과하였으며, 차단벽이 없는 경우 3,420.0 ppm, 차단벽의 폭이 1.0, 2.0 그리고 3.0 cm로 증가할 때 각각 1,925.0, 980.0 그리고 210.0 ppm까지 상승하였다.

Fig. 13.

Temporal salinity variation for Case 3

3.2.4 Case 4: 양수량 40.0 ml/min

양수량이 40.0 ml/min일 경우 예로서 반 투수성 차단벽이 없는 경우와 차단벽의 두께가 3.0 cm인 경우에 대해 Fig. 14와 같이 나타났으며, 염수는 Case 3과 마찬가지로 콘 형태를 이루면서 양수관으로 유입되는 양상을 나타내었다. Fig. 14(a)에서 확인할 수 있듯이 차단벽 설치 예정 위치에서 이미 염수쐐기의 상단 높이가 기존 차단벽 높이 10.0 cm를 초과하는 것으로 나타났다. 또한 Case 3 결과에서도 염수쐐기가 차단벽 상단에 근접하여 거의 접촉하는 상태가 관찰되었다. 이러한 결과는 양수량 증가에 따라 염수의 상향 이동과 염수쐐기 두께 증가가 발생한다는 것을 의미한다. 이에 따라 Case 4의 경우 염수쐐기 양상이 반 투수성 차단벽 월류 가능성을 고려하여 충분한 여유고를 확보하기 위해 차단벽 높이를 13.0 cm로 증가시켜 실험을 수행하였다.

Fig. 14.

Advancement patterns of saltwater wedge for Case 4: (a) 0.0 cm and (b) 3.0 cm

Fig. 15는 반 투수성 차단벽의 폭 변화에 따른 염수쐐기 진출 양상을 나타낸 것이며, 반 투수성 차단벽이 없을 경우와 차단벽의 폭이 1.0, 2.0 그리고 3.0 cm까지 증가함에 따라 염수쐐기 진출 거리는 각각 23.0, 22.0, 21.3 그리고 19.5 cm로 측정되었다. 앞의 양수량 35.0 ml/min의 결과와 비교하였을 때 반 투수성 차단벽이 없는 경우에는 1.5 cm 증가하였으나 차단벽 폭이 1.0과 2.0 cm의 경우 각각 2.0과 2.3 cm 증가하였으며, 폭이 3.0 cm일 때는 4.3 cm 증가하였다.

Fig. 15.

Advancement patterns of saltwater wedge for Case 4

Fig. 16은 반 투수성 차단벽 폭의 증가와 시간에 따른 염도의 변화를 나타낸 것으로 앞의 두 양수량 경우와는 달리 양수된 물의 염도가 반 투수성 차단벽의 두께의 증가에 대해 실험 초기부터 급격하게 상승하였으며, 모두 식음 가능 최대 염도 기준을 초과하였다. 반 투수성 차단벽이 없는 경우 실험 경과시간 60분에 도달했을 때 6,510.0 ppm까지 상승하였으며, 그 후 계속 상승할 것으로 예상되나 본 실험에서는 염수쐐기의 거동이 거의 없을 때까지인 60분을 고려하였기 때문에 이후 염도의 지속적인 변화는 측정하지 않았다. 차단벽의 폭이 1.0, 2.0 그리고 3.0 cm로 증가할 때 각각 5,615.0, 5,270.0 그리고 2,030.0 ppm까지 상승하였다.

Fig. 16.

Temporal salinity variation for Case 4

3.3 실험결과 토의

Fig. 17은 양수량과 반 투수성 차단벽의 두께에 따른 염수쐐기 진출 거리의 변화를 나타낸 것으로, 전반적으로 반 투수성 차단벽의 두께가 증가할 경우 염수쐐기 진출 거리는 감소하는 것으로 나타났다. 또한 양수량이 증가함에 따라 염수쐐기 진출 거리는 증가하는 경향을 나타냈으나 차단벽의 두께가 증가함에 따라 염수쐐기 진출 거리 저감효과는 감소하는 것으로 나타났다. 양수를 하지 않았을 경우와 반 투수성 차단벽을 설치하지 않았을 경우 염수쐐기 진출 거리는 14.6 cm에서 차단벽의 두께가 3.0 cm일 때 9.5 cm로 약 35.0% 감소하였으나 양수량이 25.0 ml/min일 때 19.5 cm에서 13.0 cm로 약 33.0%, 양수량이 30.0 ml/min일 때 20.5 cm에서 15.2 cm로 약 26.0%, 양수량이 35.0 ml/min일 때 21.5 cm에서 약 22.0% 그리고 40.0 ml/min일 때 23.0 cm에서 19.5 cm로 약 15.0% 정도 감소했다.

Fig. 17.

Advancement distance of the salt wedge with pumping rate and width of semi-permeable barrier

Fig. 18은 반 투수성 차단벽의 설치 전 대비 반 투수성 차단벽 설치 후 차단벽 두께의 증가에 따른 염수쐐기 진출 거리 저감율을 양수량의 변화에 따라 나타낸 것이다. 반 투수성 차단벽의 설치 전에 비해 설치 후 두께의 증가에 따라 염수쐐기 진출 거리의 저감 효과는 다소 비선형으로 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 양수량이 증가함에 따라 동일한 두께의 반 투수성 차단벽의 염수쐐기 진출 거리 저감 효과는 감소하는 경향을 나타내었다.

Fig. 18.

Reduction ratio of advancement distance of salt wedge with pumping rate and width of semi-permeable barrier

Fig. 19는 반 투수성 차단벽 폭의 증가에 따른 양수된 물에서 염도의 변화를 나타낸 것이다. Case 1과 2의 경우 양수된 물에서 염도가 포함되지 않아 반 투수성 차단벽의 진출 거리 감소의 효과만 확인 할 수 있는 반면에, Case 3과 4의 경우 반 투수성 차단벽의 폭이 증가함에 따라 염도가 감소한 것을 확인 할 수 있다. Case 3의 경우 반 투수성 차단벽 설치 전 3,420.0 ppm이 측정되었으며, 반 투수성 차단벽 폭에 따라 각 1,925.0, 980.0 그리고 210.0으로 감소했으며, 차단벽의 폭(Wspd)이 3.0 cm일 때 식음 가능 수준까지 염도가 감소했다. Case 4의 경우 반 투수성 차단벽 설치 전 6,610.0 ppm에서 차단벽의 폭이 증가함에 따라 5,615.0, 5,270.0 그리고 2,030.0 ppm으로 감소하는 경향을 나타내었다.

Fig. 19.

Salinity with pumping rate and width of semi-permeable barrier

3.4 실험결과에 대한 매커니즘 고찰

본 연구에서 반 투수성 차단벽의 두께 증가에 따라 염수쐐기 진출 거리가 감소하는 경향은 차단벽의 낮은 수리전도도에 기인한 수리 저항 증가 효과로 설명될 수 있다. 본 실험에서 다공성 매질과 차단벽의 평균 수리전도도는 각 1.304 × 10^-2 m/s와 2.134 × 10^-3 m/s로, 차단벽 구간에서 약 6배 이상의 투수성 감소가 발생한다. 이에 따라 차단벽 내부에서 수리구배가 증가하고 유속이 감소하여 염수의 내륙 방향 진출이 저감된다. 특히 차단벽 두께가 증가할수록 유동 경로 길이가 증가하면서 수두 손실이 누적되어 정적 평형 조건의 위치가 이동하게 되며, 이에 따라 염수쐐기 진출 거리는 비선형적으로 감소하는 경향을 보인다.

무 양수 조건에서 관찰된 염수쐐기 거동은 밀도 차이에 의해 형성되는 정적 평형 상태로 해석될 수 있으며, 이는 Ghyben-Herzberg 이론에서 제시하는 담수 수두와 염수 경계 깊이 간의 관계와 개념적으로 일치한다. 해당 이론에 따르면 담수 수두의 증가는 염수 경계의 하강을 유도하는데, 본 연구에서 차단벽 두께 증가에 따른 염수쐐기 후퇴 현상은 차단벽 구간에서의 수리 저항 증가가 유효 담수 수두를 유지하거나 강화하는 효과와 유사하게 적용되는 결과로 해석할 수 있다. 즉, 반 투수성 차단벽은 밀도차에 의해 생성되는 정적 평형 조건을 보조적으로 안정화하는 역할을 수행한 것으로 판단된다.

양수량이 증가함에 따라 동일 두께의 차단벽에 대한 저감효과가 감소하는 것은 양수에 의해 발생 되는 국부적 수두 저하와 수리구배 증가에 기인한다, 양수관 주변에서 형성되는 수두 강하는 염수의 상향 이동(upconing)을 유도하여 차단벽에 의해 제공되는 수리저항을 부분적으로 상쇄하게 된다. 특히 양수량이 35.0 ml/min이상으로 증가하는 경우 정적 평행 조건을 교란하면서 염도가 급격하게 증가하는 경향을 보였다.

무 양수 조건에서는 Ghyben-Herzberg 개념에 기반한 밀도 차이에 의한 평형 해석이 유효하지만 양수 조건에서는 유동에 의한 이류(advection)효과가 지배적으로 작용하여 G-H 관계의 직접적인 적용이 제한된다. 따라서 반 투수성 차단벽의 성능은 차단벽의 두께뿐만 아니라 양수로 유도되는 수리구배와 밀도차에 의한 안정 조건 간의 상호작용에 의해 결정되며, 양수량이 증가할수록 수리구배의 영향이 상대적으로 커짐에 따라 차단벽의 염수쐐기 저감 효과가 감소하는 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 반 투수성 차단벽에 의한 염수 침투 저감 효과를 수리모형 실험을 통해 조사 및 분석을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1)반 투수성 차단벽 설치 전 염수쐐기 진출 거리는 14.6 cm이며, 반 투수성 차단벽 설치 후 폭을 1.0, 2.0 그리고 3.0 cm까지 증가될 때 염수쐐기의 진출 거리는 각각 13.3, 12.0 그리고 10.5 cm로 감소되었다. 이는 반 투수성 차단벽 설치 전 대비 염수쐐기 진출 거리는 각 8.9, 17.8 그리고 28.1% 감소한 것에 해당한다.

(2)양수량이 25.0 ml/min일 때 19.5 cm에서 13.0 cm로 약 33.0%, 양수량이 30.0 ml/min일 때 20.5 cm에서 15.2 cm로 약 26.0%, 양수량이 35.0 ml/min일 때 21.5 cm에서 약 22.0% 그리고 40.0 ml/min일 때 23.0 cm에서 19.5 cm로 약 15.0% 정도 감소되었다.

(3)반 투수성 차단벽의 설치 전에 비해 설치 후 두께의 증가에 따라 염수쐐기 진출 거리의 저감 효과는 다소 비선형으로 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 양수량이 증가함에 따라 동일한 두께의 반 투수성 차단벽의 염수쐐기 진출 거리 저감 효과는 감소하는 경향을 나타내었다.

(4)양수량이 25.0와 30.0 ml/min일 경우 반 투수성 차단벽의 두께 변화와 상관없이 모두 식음 가능 최대 염도 기준인 500.0 ppm을 초과하지 않았으나 양수량이 35.0 ml/min일 때는 반 투수성 차단벽의 두께가 3.0 cm인 경우에만 초과하지 않으며, 양수량이 35.0 ml/min일 때 반 투수성 차단벽의 두께의 증가와 상관없이 모두 식음 가능 최대 염도 기준을 크게 초과하는 것으로 나타났다.

(5)본 연구는 균질한 다공성 매질과 2차원 정상상태 조건을 가정한 실내 수리모형 실험 결과에 기반하므로, 실제 해안대수층에서 나타나는 불균질성, 3차원 유동, 조석 및 계절적 수위 변동 등 복잡한 자연조건과는 차이가 있을 수 있다. 따라서 현장 적용 시에는 대수층의 수리전도도 분포, 지층 구조, 조석 변동 및 장기적인 투수성 변화 등을 고려한 추가적인 수치모델링 또는 파일럿 규모의 검증 연구가 필요하다. 향후 본 실험 결과를 이용한 수치모델링을 통해 반 투수성 차단벽의 두께, 설치 위치 및 양수량 조건을 확장한 다양한 시나리오를 구상하고, 보다 실제 조건에 근접한 해석을 수행할 계획이다.

(6)본 연구에서 수행된 수리모형 실험의 결과는 다공성 매질과 반 투수성 차단벽에 대해 매우 단순한 물리적 및 수리학적 조건에 대해 도출된 것으로 실제 현장에 적용하기 위해서는 해안 대수층의 지질학적 및 수리학적 조건뿐만 아니라 반 투수성 차단벽을 구성하는 다양한 재질과 특성 그리고 규모와 설치 위치 등에 관한 더 세밀한 시나리오를 구성하여 현장 규모의 연구가 필요할 것으로 판단된다.