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표제지

목차

연차 보고서 요약서 3

요약문 4

SUMMARY 7

제1장 연구개발과제의 개요 13

제1절 연구 배경 및 필요성 14

제2절 연구 목적 17

제3절 연구 범위 20

1. 개발 대상 기술 개요 20

2. 연차별 연구내용 및 범위 21

제2장 국내외 기술개발 현황 24

제1절 선행기술 조사 25

1. 특허 조사 결과 및 차별성 25

2. 논문조사 결과 및 차별성 27

제2절 선행 연구사업 수행 현황 30

1. 국내 선행연구사업 조사 결과 30

2. 선행연구사업과의 차별성 31

3. 선진국 연구기관의 연구실 기술수준분석 결과 32

제3장 연구개발 수행내용 및 결과 33

제1절 가뭄분석 및 향후전망 34

1. 가뭄 취약성 및 지하수 자원 현황 34

2. 가뭄 추세 및 용수공급량 35

3. 인공함양 시범지역 선정 38

제2절 인공함양 시범지역 수리지질조사 41

1. 강수량 및 지하수위 자료분석 41

2. 지하수위 시계열 예측모델 개발 46

3. 광역적 지질별 지하수 수량/수질 조사 51

4. 암석 시료 분석 54

5. 무인항공탐사 56

6. 수리지화학적 연구 59

7. 삼중수소 분석 83

8. 생지구화학 및 미생물 생태학적 특성 조사 84

9. 물리탐사 91

10. 광역 지하수 모델링 102

11. 무동력 펌프 현장 적용성 평가 106

12. 포화-비포화 다공성 매질의 현장 포화 수리전도도 측정 111

제3절 인공함양 시스템 개념 설계 119

1. 인공함양 시스템 개념모델 및 시추착정 119

2. 인공함양시스템의 경제성 평가 123

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 141

제1절 목표 달성도 142

제2절 관련분야에의 기여도 143

제5장 연구개발결과의 활용계획 144

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 146

제1절 제42회 국제수리지질학회(IAH) 147

1. 학회 개요 147

2. 해외 연구동향 147

3. IAH2018 한국 홍보 유치 활동 149

4. 결론 및 건의사항 150

제2절 EGU General Assembly 2014 151

1. 학회 개요 151

2. 주요 발표내용 요약 151

3. 결론 153

제3절 KIGAM-CCOP-UNESCO 국제 지하수 워크숍 154

1. 개요 154

2. 워크숍 일정 154

3. UNESCO 방콕지부 방문 156

4. 결론 및 건의사항 157

제7장 참고문헌 158

[부록] 지하수 인공함양시스템 구축을 위한 관측정 및 양수정 착공 164

표목차

표 1.1. 연구 시범지역 타당성 평가 항목 38

표 2.1. SPI 범위에 따른 가뭄 상태 43

표 2.2. 연구지역 국가지하수관측망 지하수 심도 통계값 45

표 2.3. 연구지역 국가지하수관측망 지하수위 예측 시계열 모델 구축을 위한 자료 구간 설정 48

표 2.4. 관측소 별 선택된 인공신경망 모델 파라미터 48

표 2.5. 관측소 별 구축된 시계열 예측 모델의 오차값 49

표 2.6. 조사 관정의 지질, 심도, 예상 수량 및 현장 수질 특성 53

표 2.7. 조사 관정의 지질과 수질 유형 53

표 2.8. XRF 결과 55

표 2.9. ICP 분석 결과 56

표 2.10. 연구지역 지표수 및 지하수 시료 채취 현황 61

표 2.11. 연구지역 지표수, 지하수 및 갱내유출수 수질 분석 결과 65

표 2.12. 산소-수소 안정동위원소 및 라돈 분석결과 66

표 2.13. 먹는물 기준 수질분석 결과 67

표 2.14. 대표적인 비소 수처리기술의 제거 효율 및 물 손실비(US EPA, 2003) 71

표 2.15. 연구지역 지표수ㆍ지하수 시료의 유기물질 특성에 대한 다양한 지표 분석값 76

표 2.16. 3D EEM에서 관찰되는 용존유기물질의 표기법 및 특징 80

표 2.17. 인공함양 연구지역 수질 분석 결과 85

표 2.18. 갱내 유출수 주변 토양 특성 분석 86

표 2.19. 갱내 유출수의 유량 측정 및 현장 수질 측정 결과 108

표 2.20. 수격펌프를 이용한 물공급 시스템의 예비 시험 결과 110

표 2.21. 비포화대 다공성 매질에 대한 BJ-II permeameter 시험 결과 116

표 2.22. 포화대 다공성 매질에 대한 BJ-II permeameter 시험 결과 117

표 3.1. 관정 설치비용 125

표 3.2. 인공함양시설 설치비용 126

표 3.3. 관정 교체비용 설치비용 126

표 3.4. 펌프교체비용 127

표 3.5. 전기 사용료 127

표 3.6. 약품비 128

표 3.7. 슬러지처리비 128

표 3.8. 유지수선비 129

표 3.9. 수질검사 비용 129

표 3.10. 도수관로 130

표 3.11. 도수관로 교체비용 130

표 3.12. 하천 표류수 취수시설의 종류 및 특징 132

표 3.13. 취수시설 설치비용 132

표 3.14. 취수시설 설치비용 132

표 3.15. 취수시설 설치비용(8,000톤) 132

표 3.16. 유지수선비 133

표 3.17. 인건비 (상수도) 133

표 3.18. 일반 관리비 (상수도) 134

표 3.19. 전력비 (상수도) 134

표 3.20. 정밀여과막 및 한외여과막 시설 건설비 산정결과 135

표 3.21. 정밀여과막 및 한외여과막 시설 건설비 산정결과(급수량 적용) 135

표 3.22. 정밀 여과막 시설 유지관리비 136

표 3.23. 정밀여과막 유지관리비(급수량 적용) 136

표 3.24. 오존 사용비 및 오존 전력비 137

표 3.25. 활성탄 교체비용 137

표 3.26. 정수 약품비 (상수도) 137

표 3.27. 슬러지 처리비 (상수도) 138

표 3.28. 상수관 공사 설치비용 138

표 3.29. 인공함양시스템에 의한 마을상수도 공급비용 총괄 (50년 현재가치) 140

표 3.30. 광역상수도 공급비용 총괄 (50년 현재가치) 140

그림목차

그림 1.1. 가뭄빈도 34

그림 1.2. 용수부족량 34

그림 1.3. 상수도 보급률 35

그림 1.4. 이용 관정 35

그림 1.5. 충청도 주요지역 가뭄지수 시계열(10년) 36

그림 1.6. 2020 전국 물수요량 전망(수자원장기종합계획, 2011) 37

그림 1.7. 인공함양 후보지와 연구시범지역인 보은군(상주시) 마로면 임곡리 39

그림 1.8. 연구시범지역인 상주시 화남면 임곡리 주변 시설물 40

그림 2.1. 연구지역 연강수량 변화 41

그림 2.2. 연구지역 연강수일수 변화 42

그림 2.3. 상주 기상관측소 SPI 변화 44

그림 2.4. 연구지역 6개 기상관측소 SPI(3개월) 변화 44

그림 2.5. 연구지역 국가지하수관측망 지하수위 변화 45

그림 2.6. 연구시범지역 국가지하수관측망 지하수위 시계열 예측 모델링 결과 50

그림 2.7. 연구시범지역 주변의 지질과 광역적 수질 특성조사를 위한 관정 위치 52

그림 2.8. 지질에 따른 지하수 수질 특성 비교 54

그림 2.9. 무인항공정기반 3차원 지표조사 작업순서 (a) 현장파악 (b) 현장 마커배치 (c) 이동경로 설정 (d) 데이터 처리 57

그림 2.10. (a), (b) 무인항공기를 활용한 지표지형 탐사 (c) 자료 분석을 위한 지상 마커배치 (d) 무인기 촬영경로 설정 57

그림 2.11. 인공함양 후보지 일대의 3차원 정밀 지표지형도 58

그림 2.12. 인공함양 후보지 일대의 온도분포도 (a) 마을 주변 (b) 저수지 및 시추 후보지 주변 일대 58

그림 2.13. 상주 임곡리 연구지역 지하수 및 지표수 시료 위치도 60

그림 2.14. 최근 도입된 형광분광기(Aqualog-C, Horiba Scientific) 62

그림 2.15. 연구시범지역 수질 유형을 보여주는 파이퍼다이아그램 64

그림 2.16. 연구지역 물시료의 (a) 산소-수소 동위원소 특성과 (b) 주요광물에 대한 포화지수 70

그림 2.17. 다양한 수처리 기술에 적용가능한 pH 영역 (US EPA, 2003) 71

그림 2.18. 흡착매질을 이용한 비소 수처리장치 설치 사례 73

그림 2.19. 마을상수도 라돈 제거를 위한 수처리장치 모식도 및 현장 적용 사례 74

그림 2.20. 자연수에서 관찰되는 다양한 유형의 유기물질의 분류 (Pagano et al., 2003) 75

그림 2.21. 용존유기탄소 함량과 흡광도의 상관관계 및 지표수ㆍ지하수의 SUVA 분포 77

그림 2.22. 지표수와 지하수의 여기 파장 370nm에서 측정된 (a) 형광지표(FI) 분포와 400-600nm 구간의 방출 스펙트럼 77

그림 2.23. (a) Δλ= 30nm, (b) Δλ= 60nm인 경우 synchronous 방출 스펙트럼 78

그림 2.24. 3D EEM에서 관찰되는 용존유기물의 분포 특징 80

그림 2.25. 연구지역 지표수 및 지하수에 대한 EEM 분석 결과 81

그림 2.26. 연구시범지역 임곡리 저수지, 마을상수도 및 전호갱 사진 83

그림 2.27. 인공함양 연구지역 수질 분석 대상 위치 85

그림 2.28. 폐광산 유출수 주변 토양 특성 분석을 위한 시료 채취 위치 86

그림 2.29. 폐광산 유출수 주변 토양의 XRD 분석 결과 87

그림 2.30. 철 환원 균주 분리를 위한 유출수-퇴적토 시료의 증식 배양 및 계대 배양 88

그림 2.31. 이가철 분석을 위한 ferrozine 반응법 검량선 88

그림 2.32. 계대 배양액의 이가철 분석 89

그림 2.33. 폐광산 유출수-퇴적토로부터 철 환원 미생물 분리 89

그림 2.34. 분리 균주의 계통발생수. Jukes-Cantor distance 모델에 의한 Neighbor-joining 계통수. 부트스트랩 수치는 1000회 반복 90

그림 2.35. 임곡리 저수지 주변의 지질도(임순복 외, 1991) 92

그림 2.36. 물리탐사 측선 설정을 위한 답사경로와 간이 측량 결과 92

그림 2.37. 물리탐사 측선도와 측선과 교차하는 지역의 지질, 하부지질 구조 94

그림 2.38. 임곡리 저수지 주변의 지형도와 물리탐사 측선 위치도 95

그림 2.39. 2개의 물리탐사 측선의 고도 변화 95

그림 2.40. 전기비저항탐사(그림 위 4개) 및 방사능탐사 장면(그림 아래 4개) 96

그림 2.41. 측선 L-1에 대한 전기비저항 탐사 결과로 전극 간격이 20m인 경우이다. 위는 정한 겉보기 전기비저항 단면, (중간) 이론적으로 계산한 겉보기 전기비저항 단면, (아래) 역산결과 도출된 측선하부의 전기비저항 단면 98

그림 2.42. 측선 L-1에 대한 전기비저항 탐사 결과로 전극간격이 40m인 경우이다. 위는 정한 겉보기 전기비저항 단면, (중간) 이론적으로 계산한 겉보기 전기비저항 단면, (아래) 역산결과 도출된 측선하부의 전기비저항 단면 99

그림 2.43. 측선 L-2에 대한 전기비저항 탐사 결과로 전극간격이 20m인 경우이다. 위는 측정한 겉보기 전기비저항 단면, (중간) 이론적으로 계산한 겉보기 전기비저항 단면, (아래) 역산결과 도출된 측선하부의 전기비저항 단면 100

그림 2.44. 측선 Line-1, Line-2에 대한 전기비저항탐사 결과와 측선 상의 지질 101

그림 2.45. 자연방사능 탐사 결과 101

그림 2.46. 경상북도 상주시 화남면 임곡리 일대의 분수계 103

그림 2.47. 고해상도 수치표고모델을 이용한 임곡리 일대의 유한요소 그리드 103

그림 2.48. 임곡리 일대의 수리수두 분포 104

그림 2.49. 임곡리 일대의 지하수 흐름 벡터의 분포 105

그림 2.50. 임곡리 일대의 지하수 유출 및 유입 지역분포 105

그림 2.51. 수격펌프를 이용한 물 공급 시스템 모식도 106

그림 2.52. 상주시 화남면 임곡리 갱 입구 및 유출수 107

그림 2.53. 무동력 펌프 설치 및 작동 108

그림 2.54. 공급원과 무동력 펌프 및 유량 배출 지점 109

그림 2.55. 상대적 고도 차와 파이프 직경에 따른 유량 측정 비교 110

그림 2.56. 수격펌프를 이용한 각 지점별로 물 공급 용수량 111

그림 2.57. Darcy 실험의 현장 적용 개념도 113

그림 2.58. KIGAM-BJ-II Permeameter의 구성도 114

그림 2.59. Marriott bottle의 작동 원리 114

그림 2.60. 신두리 해안 비포화 퇴적물에 대한 BJ-II permeamter 현장 시험 결과 a: Marriott'bottle내 공기압 변화, b: 각 단계별 시험 결과에 대한 box plot, c: Darcy flux와 hydraulic gradient간의 상관관계 115

그림 2.61. 신두리 해안의 조간대 지역에서의 현장 수리전도도 측정 시험 117

그림 2.62. 논토양의 포화 수직 수리전도도 측정 시험(청주지역) 118

그림 2.63. 청주지역 경작지(논)에서의 포화 수직 수리전도도 측정시험 결과 a: Marriott bottle내 수위 변화, b: 챔버 2지점에서 측정한 수두변화, c: 챔버 2지점간 수두 차의 변화 및 curve fitting 결과 118

그림 3.1. 연구지역 복합 지하수 공급 시스템 개념도 119

그림 3.2. 연구지역 지하수 인공함양 시스템 양수정 및 관측정 시추 지점 120

그림 3.3. 관측정 및 양수정 구조도 121

그림 3.4. 연구현장 시추 착정 공사 준비 122

그림 3.5. 연구지역 시추 공사 122

그림 3.6. 코어 시료 채취 122

그림 3.7. 연구지역 지하수 인공함양 시스템 양수정 및 관측정 122

그림 3.8. 상수도가 지하수를 단순 대체하는 가정 125

그림 3.9. 기존 관정-임곡리 노인회관의 직선거리 130

그림 3.10. 상수도 시설 (자료 : 대구상수도사업본부 www.dgwater.go.kr) 131

그림 3.11. 막여과 시설의 표준공정 135

그림 3.12. 배수지~노인회관(0.6km) 139