1. 서 론

우리나라는 연평균 강수량이 약 1,300 mm로 비교적 많지만, 이 중 약 55%가 여름철에 집중되며, 하천의 유로가 짧고 경사가 급하여 강수가 유역 내에 장기간 저장되지 못하고 빠르게 유출되는 특성을 보인다. 이러한 강수와 유출의 계절적 편중은 홍수기에는 수자원이 단기간에 집중되는 반면, 갈수기에는 하천유량과 지하수위가 함께 낮아지는 시기별·지역별 수자원 수급 불균형을 초래한다. 한편 신규 지표댐은 수몰지 발생, 생태계 교란 및 지역사회 갈등 등 환경적·사회적 비용으로 인해 입지 확보와 사업 추진에 제약이 있으므로, 기존 수자원의 저장과 활용 효율을 높일 수 있는 대안적 수자원 확보 기술의 중요성이 커지고 있다(K-water, 1999; WCD, 2000). 특히 해안지역에서는 갈수기나 과도한 지하수 취수로 지하수위가 낮아지면 담수–해수의 수리적 균형이 변하면서 해수침투가 발생하거나 심화될 수 있어, 수자원 확보와 해수침투 저감을 함께 고려한 관리가 필요하다(Ferguson and Gleeson, 2012; Werner et al., 2013).

지하수저류댐(groundwater dam, 이하 지하댐)은 대수층을 가로질러 차수벽을 설치함으로써 지하수의 하류 유출을 억제하고, 상류측 대수층의 지하수위와 저류량을 증가시켜 관정이나 집수시설을 통해 이용하는 지하 저류형 수자원 개발 시설이다(Hanson and Nilsson, 1986; Onder and Yilmaz, 2005). 지하댐은 지표댐과 달리 대규모 지표 침수가 발생하지 않고 증발 손실이 적으며, 대수층 자체를 저장 공간으로 활용할 수 있다는 장점이 있어 환경적·공간적 제약이 큰 지역의 대안적 수자원 확보 수단으로 평가된다(Park et al., 2006; Apaydin and Zengin, 2016). 특히 해안 충적대수층에 설치된 지하댐은 담수의 해양 유출을 억제하여 지하수위와 저류량을 유지하는 동시에 해수의 내륙 유입을 차단함으로써 수자원 확보와 해수침투 저감의 이중적 기능을 수행할 수 있다(Booh et al., 2002; Yun et al., 2004; Abdalla and Al-Rawahi, 2013; Abdoulhalik and Ahmed, 2017).

해안대수층에서는 담수와 해수가 밀도 차이에 의해 혼합되면서 담수–염수 전이대를 형성하며, 전이대의 위치와 형태는 담수 수두, 지하수 함양량, 취수량 및 대수층의 수리지질학적 특성에 따라 변화한다. 갈수기나 과도한 취수로 담수 수두가 낮아지면 전이대가 내륙 방향으로 이동할 뿐만 아니라 취수시설 주변에서 염수가 상향 이동하는 업코닝(upconing)이 발생할 수 있다. 업코닝은 취수에 따른 관정 주변의 국지적인 수두 저하로 하부 염수대와 관정 사이에 상향 수리구배가 형성되면서 담수–염수 전이대가 관정 방향으로 상승하는 현상이다(Dagan and Bear, 1968). 업코닝의 발생 시기와 규모는 양수량, 관정과 전이대 사이의 수직 이격거리, 관정의 스크린 심도, 대수층의 수리전도도 및 지층의 불균질성에 의해 달라질 수 있다. 특히 고투수성 자갈층이나 사질층이 발달한 충적대수층에서는 이러한 지층이 염수 이동의 우세 경로로 작용하여 해수침투와 업코닝이 빠르게 진행될 수 있다(Park et al., 2008). 양수량 조절이나 인공함양을 통해 해수침투를 완화할 수 있으나, 담수 수두를 지속적으로 유지하기 어려운 지역에서는 염수 이동 경로를 구조적으로 차단하는 대책이 필요하다(Werner et al., 2013). 지하댐의 차수벽은 담수의 해양 유출과 염수의 내륙 이동을 동시에 억제하는 핵심 구조물이지만, 그 효과는 설치 깊이와 구조적 연속성, 저투수성 기반층과의 접합 상태 및 차수벽 하부나 측면을 통한 우회 흐름 가능성에 따라 달라질 수 있다(Booh et al., 2002; Abdoulhalik and Ahmed, 2017).

지하댐 관련 연구는 크게 입지 선정과 구조 설계, 수자원 확보 효과 및 해수침투 저감 연구로 구분할 수 있다. 입지 선정 연구에서는 지형, 지질 및 수문 조건을 종합적으로 고려하기 위해 계층분석법이나 네트워크분석법과 같은 다기준 의사결정기법이 적용되었다(Lee and Kim, 2003; Talebi et al., 2019). 지하댐 설치에 따른 수자원 확보 효과는 지하수위와 저류량, 하천유량 및 개발가능량의 변화를 중심으로 평가되어 왔다(Onder and Yilmaz, 2005; Kim et al., 2009; Kim et al., 2014; Apaydin and Zengin, 2016; Kim, 2017). 특히 SWAT–MODFLOW와 같은 지표수–지하수 연계모형을 적용한 연구에서는 지하댐 설치가 유역의 물수지, 지하수위 및 하천유량에 미치는 영향을 분석하였다(Kim et al., 2011a; Kim et al., 2011b). 이와 함께 차수벽의 안정성과 차수 성능을 확보하기 위한 재료 특성 및 구조 설계에 관한 연구도 수행되었다(Im et al., 2005; Khairy et al., 2010).

해안대수층을 대상으로 한 연구에서는 먼저 지질구조와 대수층의 불균질성, 지하수 취수 및 도시화 등에 따른 해수침투와 염분 분포 특성이 현장조사와 수치모의를 통해 분석되었다(Kim et al., 1997; Shim et al., 2002; Park et al., 2008; Cho and Kim, 2009; Kim, 2016). 지하댐이나 차수벽을 이용한 해수침투 저감 연구에서는 차수벽의 설치 위치와 깊이, 취수시설 운영 및 대수층 구조에 따른 염수 이동 변화를 평가하였다(Booh et al., 2002; Yun et al., 2004; Kim et al., 2011c; Abdalla and Al-Rawahi, 2013; Abdoulhalik and Ahmed, 2017; Abd-Elaty et al., 2019). 이들 연구는 차수벽이 해안대수층을 통한 염수의 내륙 이동을 억제할 수 있지만, 그 효과는 차수벽의 구조와 대수층의 수리지질학적 특성 및 취수 조건에 따라 달라질 수 있음을 보여준다.

기존 연구는 주로 차수벽이 완전하게 설치된 이상적인 조건을 가정하거나, 차수벽의 구조적 상태와 취수시설 운영의 영향을 개별적으로 평가하였다. 실제 운영 중인 지하댐에서는 차수벽의 시공 불완전성, 하부 또는 측면 지층을 통한 우회 흐름, 다수 취수시설의 운영이 복합적으로 작용할 수 있으나, 이러한 요인이 장기적인 염분 이동에 미치는 영향을 현장 규모에서 정량적으로 분석한 연구는 제한적이다. 또한 해안대수층의 해수침투를 평가하기 위해서는 염분 농도에 따른 유체 밀도 변화와 용질 이동을 함께 고려해야 하므로, 일정한 유체 밀도를 가정하는 일반적인 지하수 유동모형만으로는 담수–염수 전이대의 장기적인 거동을 충분히 재현하기 어렵다. 따라서 실제 차수벽의 구조적 상태와 취수시설의 공간적 운영 조건을 함께 반영한 가변밀도 지하수 유동 및 염분수송 해석이 필요하다.

쌍천은 강원특별자치도 속초시와 양양군에 걸쳐 있는 지방하천으로, 설악산에서 발원하여 동해로 유입되는 짧고 급경사의 유역 특성을 가진다. 하구부에는 자갈과 전석을 중심으로 한 고투수성 충적대수층이 발달해 있어 하천과 지하수의 수리적 연결성이 크다. 이로 인해 강우 시 유출이 빠르게 발생하는 반면, 갈수기에는 하천유량과 지하수위가 함께 저하된다. 속초시는 쌍천 유역을 주요 상수원으로 이용하고 있으나, 취수시설이 해안과 인접해 있어 갈수기나 취수량 증가로 지하수위가 낮아질 경우 해수침투가 발생할 가능성이 크다. 또한 쌍천 상류 유역의 상당 부분이 국립공원에 포함되어 있어 신규 수원 개발에도 제약이 있다.

이러한 수문·지질학적 취약성을 완화하기 위해 속초시는 1998년 쌍천 제1지하댐을 설치하여 운영해 왔다. 쌍천 제1지하댐은 충적대수층을 통한 담수의 하류 유출을 억제하여 지하수 저류량을 증가시키는 동시에 해수의 내륙 침투를 차단하도록 설계되었다. 그러나 지하댐 운영 중에도 일부 집수정과 관측정에서 염분 농도가 상승하는 현상이 관측되어 안정적인 취수에 제약이 발생하고 있다. 최근 시추조사에서는 차수벽의 일부 구간이 설계 심도에 도달하지 못해 차수벽 하단과 충적층 저면 사이에 개방 구간이 존재할 가능성이 제기되었다(KRC, 2025). 이러한 조건에서는 차수벽 하부의 개방 구간이나 암반층을 통해 염수가 우회하여 유입될 수 있다. 이는 지하댐의 해수침투 저감 효과가 차수벽의 설치 여부뿐만 아니라 구조적 완전성과 집수정별 취수 위치 및 취수량 배분에 의해 달라질 수 있음을 의미한다. 따라서 쌍천 제1지하댐의 해수침투 저감 기능을 구조적·운영적 측면에서 재평가할 필요가 있다.

본 연구에서는 가변밀도 지하수 유동과 염분수송을 모의할 수 있는 SEAWAT(Langevin et al., 2008)을 이용하여 쌍천 제1지하댐의 차수벽 상태와 방사집수정 운영 방식이 장기적인 해수침투에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다. 이를 위해 완전 차수, 차수벽 미설치 및 차수벽 하단부 일부 개방 조건을 비교하고, 해수침투에 취약한 집수정의 가동 중단과 취수량 재배분 및 추가 집수정 설치 시나리오를 구성하였다. 각 시나리오에 대해 지하수위와 염분 농도의 시·공간적 변화, 차수벽 하부 암반층을 통한 염수의 우회 침투 및 취수시설 주변의 업코닝을 분석하였다. 이를 바탕으로 차수벽의 구조적 완전성과 집수정별 취수 운영이 지하댐의 해수침투 저감 성능에 미치는 영향을 규명하고, 쌍천 제1지하댐의 구조적 보강과 안정적인 취수 운영을 위한 정량적 근거를 제시하고자 하였다.

2. 연구지역의 수문·지질 특성 및 지하댐 운영 현황

2.1. 연구지역 개요

본 연구지역인 쌍천은 강원특별자치도 속초시와 양양군에 걸쳐 흐르는 지방하천으로, 한반도 동해안 북부에 위치한다(Fig. 1a). 쌍천은 설악산 대청봉에서 발원하여 동해로 유입되며, 유역면적은 65.52 km², 유로연장은 19.27 km이다(MOCT and K-water, 2007; Sokcho City, 2020). 유역은 동–서 방향으로 길게 발달하고 하천망은 수지상 형태를 보이며, 동–서 및 남–북 방향의 최대 폭은 각각 약 16 km와 9 km이다. 상류부는 급경사의 산악지형이 우세한 반면, 동해에 인접한 하류부에서는 하천 경사가 완만해지면서 충적평야가 발달한다.

Fig. 1.

Study area and model domain: (a) Ssangcheon watershed and (b) SEAWAT model domain showing the groundwater dam, six radial collector wells, and two observation wells.

쌍천 하상과 하류 충적평야에는 전석, 호박돌, 자갈 및 모래 등 조립질 퇴적물이 널리 분포하며, 이들 퇴적층은 연구지역의 주요 충적대수층을 형성한다(Sokcho City, 2020). 조립질 퇴적층의 높은 투수성은 하천수와 인접 충적대수층 사이의 활발한 물 교환을 가능하게 하며, 강수와 하천 유량의 변화가 하천 주변 지하수위에 빠르게 반영되는 수리지질학적 조건을 형성한다. 따라서 강수량과 하천유량이 감소하는 갈수기에는 하천으로부터의 담수 공급이 줄어들면서 하류 충적대수층의 지하수위가 낮아지고 해수침투에 대한 취약성이 증가할 수 있다.

쌍천 제1지하댐과 취수·관측시설은 쌍천이 동해로 유입되는 하류부에 위치한다(Fig. 1b). 쌍천 제1지하댐은 해안선에서 약 300 m 상류에 설치되어 있으며, 지하댐 상류의 충적대수층에는 속초시의 주요 상수원으로 이용되는 6개의 집수정이 위치한다. 이 구간은 하천을 통한 담수 공급과 해안으로부터의 해수 유입이 동시에 발생하는 지역으로, 차수벽의 구조적 상태와 취수시설 운영에 따라 지하수위와 담수–염수 분포가 민감하게 변화할 수 있다.

2.2. 지질 및 지층 구조

연구지역은 지체구조상 경기육괴 북동부에 해당하며, 고원생대 흑운모편마암을 포함한 변성암 복합체와 이를 관입한 중생대 화강암이 기반암을 이룬다. 기반암 상부에는 제4기 충적층이 쌍천과 그 지류를 따라 분포한다. 유역의 대부분은 기반암이 노출된 산악지형으로 이루어져 있어 충적층의 분포가 하천 주변에 제한되지만, 하천 경사가 완만해지는 하류부에서는 충적층이 비교적 넓고 두껍게 발달한다(MOCT and K-water, 2007).

연구지역의 지층 구조는 속초시의 재해위험지역 정비사업 조사자료(Sokcho City, 2020), 쌍천 제1지하댐 보수·보강을 위한 시추조사 자료(KRC, 2025) 및 국토지반정보 포털의 시추자료를 종합하여 분석하였다. 시추자료에 따르면 연구지역의 지층은 지표로부터 충적층, 풍화대, 연암 및 비교적 신선한 기반암의 순으로 구성된다. 충적층은 매립층과 하천 퇴적층으로 이루어지며, 두께는 4.0–26.0 m, 평균 13.7 m이다. 주로 모래 섞인 실트질 자갈, 모래 및 자갈 등 조립질 퇴적물로 구성되어 연구지역의 주요 대수층을 형성한다. 충적층 하부의 풍화대는 실트질 모래를 중심으로 구성되며, 두께는 1.5–22.0 m, 평균 10.4 m이다. 풍화대는 하천부에서 상대적으로 얇고 주변 산지로 갈수록 두꺼워지는 경향을 보인다.

시추자료를 이용하여 구성한 동–서 방향의 지층 종단면에서는 충적층이 상류에서 하류로 갈수록 두꺼워지며, 지하댐이 설치된 유역 최하류부에서 최대 약 26 m에 이른다(Fig. 2a). 풍화대와 연암층도 하류 방향으로 낮아지는 기반암면을 따라 분포한다. 지하댐 설치 지점의 남–북 방향 횡단면에서는 기반암면이 하천 중심부를 향해 깊어지는 매몰곡 형태를 보이며, 그 상부를 충적층과 풍화대가 채우고 있다(Fig. 2b). 이러한 지층 구조는 하천 중심부의 조립질 충적대수층을 따라 지하수가 집중적으로 유동할 수 있는 조건을 형성하며, 차수벽이 충적층을 완전히 차단하지 못할 경우 차수벽 하부의 개방 구간이나 암반층을 통해 해수가 내륙으로 이동할 가능성이 있음을 보여준다.

Fig. 2.

Geological cross sections of the study area: (a) east-west longitudinal section and (b) north-south transverse section.

2.3. 지하댐과 취수·관측시설

속초시는 지하수 취수량 증대와 해수침투 방지를 목적으로 1998년 쌍천 제1지하댐을 설치하여 현재까지 운영하고 있다. 지하댐 차수벽은 쌍천을 가로질러 남–북 방향으로 배치되어 있으며, 총연장은 832 m, 두께는 약 0.8 m이다. 차수벽은 충적대수층을 차단하고 하단부가 충적층 아래의 풍화대 상부에 도달하도록 계획되었다. 이를 통해 상류 측 지하수위를 상승시켜 지하수 저류량을 증가시키고, 해안에서 내륙으로 이동하는 해수의 유입을 억제하도록 설계되었다.

최근 실시된 보수·보강 사전조사의 시추 결과, 차수벽의 일부 구간은 계획된 깊이까지 도달하지 못해 충적층 하부에 차수되지 않은 구간이 남아 있는 것으로 확인되었다(KRC, 2025). 따라서 해수가 차수벽 상부의 충적층을 통해 직접 유입되는 현상은 상당 부분 억제되더라도, 차수벽 하부의 개방 구간이나 풍화대 및 암반층을 통한 심부 해수침투는 계속될 가능성이 있다. 이러한 차수 불완전성은 지하댐의 해수침투 저감 성능을 평가할 때 고려해야 할 핵심적인 구조적 조건이다.

취수시설은 지하댐 상류의 충적대수층에 설치되어 있다. 현재 운영자료에서 확인되는 주요 취수지점은 개발 과정에서 폐쇄된 RCW-2를 제외한 RCW-1과 RCW-3–RCW-7의 총 6개 지점이며, 모두 지하댐 상류에 위치한다(Fig. 1b). 2016–2024년 운영자료를 기준으로 이들 시설의 합계 일평균 취수량은 약 22,000 m³/d이며, 속초시 상수도 공급량의 약 60%를 담당한다. 방사형 집수정에는 중심부에서 방사상으로 약 30 m 연장된 수평집수관이 설치된 것으로 알려져 있으나, 집수관의 수와 배치, 관경 및 설치 심도 등 세부 제원에 관한 공개자료는 제한적이다. 취수량이 증가하면 집수정 주변의 지하수위가 낮아지고 담수–염수 전이대가 상승할 수 있으므로, 집수정별 취수 위치와 취수량 배분은 지하댐의 해수침투 저감 효과를 결정하는 중요한 운영 조건이다.

지하댐 상류에는 해수침투를 감시하기 위한 대포1(DP-1)과 대포3(DP-3) 관측정이 설치되어 있다. DP-1은 2010년부터, DP-3은 2020년부터 운영되고 있으며, 두 관측정에서 지하수위와 전기전도도(electrical conductivity, EC)를 매시간 자동 관측하고 있다. EC는 각 관측정의 상부와 하부 두 심도에서 측정되며, DP-1의 관측 심도는 각각 지표면 아래 30 m와 40 m, DP-3은 30 m와 70 m이다. DP-1은 차수벽 직상류의 염분 변화를, DP-3은 해안과 가까운 RCW-5 주변의 지하수위 및 염분 변화를 파악하는 데 활용된다.

2.4. 수문 변동과 취수 운영에 따른 염분 변화

2021–2025년의 속초시 월강수량, DP-3에서 관측된 지하수위와 EC 및 RCW-5의 월평균 일취수량을 비교하였다(Fig. 3). 월강수량은 동절기에 대체로 50 mm 이하로 감소한 반면, 우기에는 200–400 mm 이상으로 증가하였다(Fig. 3a). 강수량이 적었던 2021년, 2022년 및 2025년 초에는 DP-3의 지하수위가 뚜렷하게 낮아졌다. 지하수위는 평상시 약 2–3 m를 유지하였으나, 2021년 초에는 약 −0.7 m, 2022년 초에는 약 −1.0 m, 2025년 초에는 약 −1.2 m까지 하강하였다. 이후 강수량이 증가하면서 지하수위는 약 3–4 m까지 회복되었다(Fig. 3b).

Fig. 3.

Time series of (a) precipitation, (b) groundwater level and (c) electrical conductivity at observation well DP-3 near RCW-5, and (d) pumping rate of RCW-5.

지하수위가 크게 낮아진 시기에는 DP-3의 EC가 급격히 증가하였다. EC는 평상시 약 9,000–12,000 µS/cm 범위였으나, 2021년 봄에는 약 34,000 µS/cm, 2022년 봄에는 약 33,000 µS/cm, 2025년 봄에는 약 36,000 µS/cm까지 상승하였다(Fig. 3c). 이는 각 시기에 평상시보다 약 22,000–26,000 µS/cm 증가한 값이다. 반면 지하수위가 비교적 안정적으로 유지된 2023–2024년에는 EC도 대부분 약 10,000–12,000 µS/cm 범위에 머물렀다. 이러한 변화는 동절기의 담수 공급 감소와 지하수위 저하에 따라 담수–염수 전이대가 내륙 및 상부 방향으로 이동했음을 보여준다.

EC가 상승한 시기에는 RCW-5의 취수량도 크게 조정되었다. RCW-5의 월평균 일취수량은 EC 상승 이전에 약 5,100–5,800 m³/d였으나, 2021년, 2022년 및 2025년의 EC 급증 시기에는 1,000 m³/d 이하로 감소하거나 취수가 중단되었다(Fig. 3d). 반면 EC가 비교적 안정적이었던 2023–2024년에는 약 3,200–6,200 m³/d의 취수가 유지되었다. 이는 RCW-5의 취수량 감소가 EC 상승에 대응한 운영 조치였음을 보여주는 동시에, 해안과 가까운 RCW-5의 취수가 국지적인 수두 저하와 염수 업코닝을 유발할 가능성도 있음을 시사한다.

종합하면, DP-3의 EC는 강수량 감소와 지하수위 저하가 나타나는 동절기와 이른 봄에 크게 증가하였으며, 이에 따라 RCW-5의 취수량도 반복적으로 제한되었다. 따라서 관측된 EC 변화에는 계절적인 담수 함양량 감소와 취수에 따른 국지적인 수두 저하가 함께 영향을 미친 것으로 판단된다. 다만 현장 관측자료만으로는 충적층을 통한 해수 유입, 차수벽 하부와 암반층을 통한 심부 해수침투 및 취수에 따른 염수 업코닝의 영향을 정량적으로 구분하기 어렵다. 또한 차수벽의 해수침투 저감 효과는 차수벽의 연속성뿐만 아니라 집수정별 취수 위치와 취수량 배분에 따라 달라질 수 있다. 따라서 쌍천 제1지하댐의 해수침투 저감 성능과 안정적인 취수 가능성을 평가하기 위해서는 차수벽의 구조적 상태와 취수 운영 조건을 함께 고려한 밀도류 기반 지하수 유동 및 염분 이동 모의가 필요하다.

3. SEAWAT 모델 구축 및 모의 시나리오

SEAWAT은 지하수 유동 모형인 MODFLOW와 용질수송 모형인 MT3DMS를 결합하여 염분 농도에 따른 유체 밀도 변화를 고려하는 가변밀도 지하수 유동 및 용질수송 모형이다. 담수와 해수의 밀도 차이에 따른 해수침투, 염분의 이류·분산 및 담수–염수 전이대의 이동을 함께 모의할 수 있어 해안대수층의 염분 거동을 분석하는 데 널리 활용된다. 본 연구에서는 SEAWAT을 이용하여 쌍천 제1지하댐의 설치와 구조적 완전성이 해수침투에 미치는 영향을 평가하였다. 또한 집수정별 취수량 재배분에 따른 해수침투 저감 효과와 방사집수정 추가 설치를 통한 취수량 증가 가능성을 검토하였다.

3.1. 모델 영역과 이산화

모델 영역은 쌍천이 동해로 유입되는 하류부를 중심으로 설정하였으며, 해안 경계, 쌍천 하류부, 쌍천 제1지하댐, 기존 취수시설 및 DP-1과 DP-3 관측정을 포함한다(Fig. 1b). 모델 영역의 크기는 동–서 방향 2,300 m, 남–북 방향 2,000 m이며, 수평 격자 크기는 5 m × 5 m로 설정하였다.

수직 방향의 모델 범위는 연구지역의 최고 표고인 100 m에서 지하댐 하부 암반층을 포함하는 표고 −50 m까지로 설정하였다. 지표면에서 표고 25 m까지는 하나의 모델층으로 구성하였다. 충적층이 주로 분포하는 표고 25 m에서 −20 m까지는 담수와 염수의 이동을 상세하게 모사하기 위해 5 m 간격의 9개 층으로 세분하였다. 표고 −20 m에서 −50 m까지의 하부 암반층은 10 m 간격의 3개 층으로 구분하여 전체 모델을 총 13개 층으로 구성하였다.

연구지역의 지층은 충적층, 풍화대, 연암 및 기반암으로 구분되지만, 모델에서는 수리지질 구조를 충적층과 암반층의 두 단위로 단순화하였다. 암반층에는 풍화대, 연암 및 기반암을 포함하였다. 충적층의 두께와 공간적 분포는 연구지역에서 확보된 시추조사 자료를 이용하여 크리깅 기법으로 산정하였으며, 추정된 충적층 저면 표고를 각 모델층에 반영하였다.

쌍천을 따라 분포하는 충적층은 기반암의 매몰곡을 하천 퇴적물이 충전하여 형성된 곡저 충전형 충적층이다. 충적층의 분포 폭은 상부 모델층에서 비교적 좁지만 하부로 갈수록 점차 넓어져 제7층에서 가장 넓게 나타난다. 이후 심도가 증가하면 기반암면이 매몰곡 중심부를 향해 수렴하면서 충적층의 분포 범위가 다시 좁아진다. 이러한 층별 분포는 충적층이 불규칙한 기반암 골짜기의 형상을 따라 퇴적되었음을 보여준다. 대표적인 모델층인 제7층부터 제10층까지의 충적층과 암반층 분포는 Fig. 4에 제시하였다.

Fig. 4.

Spatial distribution of alluvial and bedrock units in model layers 7–10: (a) Layer 7, (b) Layer 8, (c) Layer 9, and (d) Layer 10.

3.2. 수리상수 및 경계조건

수리전도도는 쌍천 유역 전체를 대상으로 구축한 SWAT–HEC-RAS–MODFLOW 기반의 지표수–지하수 연계모델을 보정하는 과정에서 산정된 값을 적용하였다. 연계모델에서 SWAT은 유역의 강우–유출과 지하수 함양을, HEC-RAS는 하천유량에 따른 하천수위의 공간적 분포를, MODFLOW는 지하수 유동과 하천–대수층 간의 물 교환을 각각 모의한다. 유역 규모 연계모델을 보정한 결과, 충적층과 암반층의 수평 수리전도도는 각각 54 m/d와 0.08 m/d로 산정되었다.

본 연구의 SEAWAT 모델 영역은 쌍천 유역 전체를 대상으로 구축한 연계모델 가운데 지하댐과 취수시설이 위치한 유역 최하류의 소구역에 해당한다. 따라서 유역 규모 모델에서 재현된 광역적인 지하수 유동과 하천–대수층 상호작용 특성을 유지하기 위해 연계모델의 보정 과정에서 산정된 수리전도도를 SEAWAT 모델에 적용하였다. 다만 유역 규모 연계모델의 보정값을 적용한 것이 본 연구의 SEAWAT 모델에 대한 독립적인 보정·검증을 의미하지는 않는다.

공극률과 비산출률은 연구지역에서 직접 측정된 자료와 적용 가능한 선행연구가 충분하지 않아 지층의 구성과 수리지질학적 특성을 고려한 추정값을 적용하였다. 충적층은 전석, 자갈 및 모래 등 조립질 퇴적물이 우세하고 입자 사이의 공극을 통한 지하수 유동과 배수가 활발한 것으로 판단하여 공극률과 비산출률을 각각 0.40과 0.30으로 설정하였다. 반면 풍화대, 연암 및 기반암을 포함하는 암반층은 지하수의 유동과 저류가 주로 절리와 풍화 구간에 제한되는 점을 고려하여 공극률과 비산출률을 각각 0.01과 0.002로 설정하였다. 분산지수도 현장 추적자시험 자료가 확보되지 않아 추정값을 사용하였다. 종분산지수는 10 m로 설정하였으며, 수평 및 수직 횡분산지수는 종분산지수의 10%인 1 m로 설정하였다. 따라서 모의된 염분의 이동속도와 담수–염수 전이대의 범위에는 해당 파라미터 설정에 따른 불확실성이 포함될 수밖에 없다.

쌍천은 MODFLOW의 하천 경계조건(River boundary)을 이용하여 구현하였다. 하천 경계는 각 지점의 최심하상고가 포함되는 모델층에 적용하였으며, 하상고의 공간적 변화에 따라 제4층부터 제7층에 분포한다. 하천수위는 쌍천 하류부의 하천단면과 하상고 자료를 이용하여 구축한 1차원 정상류 HEC-RAS 모의 결과로부터 산정하였다(Brunner, 2020). 하천단면과 하상고는 쌍천 재해위험지역 정비사업의 하천측량 자료를 이용하였다(Sokcho City, 2020).

연구구간에서는 연속적인 실측 하천수위 자료가 확보되지 않았으므로, 시나리오 간 상대적인 차이를 비교하기 위한 공통 대표유량으로 1 m³/s를 적용하였다. HEC-RAS 모의 결과, 하천수위는 하상경사를 따라 상류에서 하구 방향으로 점차 낮아지는 공간적 분포를 보였다. 계산된 지점별 하천수위를 각 하천 셀의 위치에 대응시켜 MODFLOW 하천 경계의 수두로 적용하였다. 동일한 하천수위 분포를 모든 시나리오에 적용함으로써 하천수위 변화의 영향을 배제하고 차수벽 상태와 취수 운영 방식에 따른 해수침투 차이를 비교하였다.

적용한 1 m³/s는 특정 시기의 평균유량이나 갈수량을 재현하기 위한 값이 아니라, 장기 시나리오 비교를 위해 설정한 대표 정상유량이다. 따라서 모의 결과는 해당 하천수위 조건에서 시나리오 간 상대적인 차이를 나타내며, 계절별 하천유량과 하천수위 변동에 따른 해수침투 변화를 직접적으로 재현하지는 않는다. 향후에는 SWAT에서 산정된 시계열 하천유량을 HEC-RAS와 연계하여 시간에 따라 변화하는 하천수위를 SEAWAT 경계조건으로 적용할 필요가 있다.

모델 동쪽의 해안 경계는 동해와 접하는 제7층부터 제13층의 활성 셀에 수두 0 m의 일정수두 경계조건을 설정하였다. 동일한 위치에는 염분 농도 35,000 mg/L의 일정농도 경계조건을 함께 적용하여 해안으로부터 염수가 유입될 수 있도록 하였다. 실제 해저면은 해안에서 외해 방향으로 경사지므로 깊이가 증가할수록 해수 경계의 위치가 달라질 수 있다. 그러나 본 연구에서는 모델 구조를 단순화하기 위해 모든 심도에서 해안 경계의 수평 위치가 동일한 것으로 설정하였다.

지하수 함양량은 속초기상관측소에서 관측된 2015–2024년 평균 강수량에 「속초·고성지역 지하수 기초조사 보고서」에서 제시한 쌍천 유역의 지하수 함양률 17.8%를 적용하여 산정하였다(MOCT and K-water, 2007). 모델에 적용한 하천 및 해안 경계조건과 차수벽, 관측정 및 방사집수정의 위치는 Fig. 5에 제시하였다.

Fig. 5.

Model boundary conditions and locations of the cutoff wall, observation wells, existing radial collector wells, and additional radial collector wells (shown in red) considered in Scenario 5.

3.3. 지하댐과 취수시설

쌍천 제1지하댐은 MODFLOW의 수평유동장벽(Horizontal Flow Barrier, HFB) 경계조건을 이용하여 구현하였다. 차수벽의 연장은 약 830 m, 두께는 0.8 m이며, 수리전도도는 3.65 × 10^‒7 cm/s로 적용하였다. 모델에서는 차수벽 설치 지점의 충적층을 차단하도록 제5층부터 제9층까지 인접 격자 사이에 HFB 경계를 설정하였다.

완전 차수 조건에서는 차수벽이 설치 구간의 충적층을 연속적으로 차단하도록 설정하였다. 불완전 차수 조건에서는 최근 시추조사에서 차수벽 하단부가 계획된 깊이까지 도달하지 않은 것으로 확인된 구간의 하부 HFB 경계를 제거하였다. 이를 통해 차수벽 하단과 충적층 저면 사이에 지하수와 염수가 통과할 수 있는 개방 구간을 구현하였다.

현장의 취수시설은 방사집수정 4개소와 두 집수정에서 유입되는 지하수를 모으는 집합시설로 구성되어 있다. 모델에서는 집합시설로 연결되는 두 취수원을 RCW-6과 RCW-7로 구분하여 RCW-1과 RCW-3–RCW-7의 총 6개 취수지점으로 구현하였다. 개발 과정에서 폐쇄된 RCW-2는 모델에서 제외하였다.

각 방사집수정은 중심 우물통에서 약 30 m 길이의 수평집수관 8개가 방사상으로 연장된 구조이다. 모델에서는 5 m × 5 m의 수평 격자와 집수관 배치를 고려하여 각 방사집수정을 40개의 양수 셀로 구현하였다. 2016–2024년의 운영자료로부터 산정한 집수정별 일평균 취수량을 각 집수정에 해당하는 40개 양수 셀에 균등하게 배분하였다. RCW-1의 평균 취수량은 3,468.4 m³/d, RCW-3은 2,373.8 m³/d, RCW-4는 2,526.8 m³/d, RCW-5는 3,040.2 m³/d이며, 집합정인 RCW-6과 RCW-7은 각각 5,463.0 m³/d이다. 이에 따른 기존 취수시설의 총취수량은 22,335.2 m³/d이다.

모델 관측점은 DP-1과 DP-3 위치에 설정하였으며, 각 관측지점에는 표고 −30 m와 −40 m에 관측 포인트를 배치하여 상부와 하부 대수층에서의 염분 농도 변화를 분석하였다.

3.4. 초기조건과 모의 시나리오

시나리오별 결과를 비교하기 위해서는 모의 시작 시점의 담수–염수 분포를 동일하게 설정할 필요가 있다. 이를 위해 지하댐과 취수시설을 적용하지 않고 하천, 해안, 함양 및 수리지질 조건만을 포함한 초기화 모델을 구축하였다. 초기화 모델에서 장기간의 가변밀도 지하수 유동 및 염분수송 모의를 수행하고, 염분 농도의 공간적 변화가 충분히 안정된 상태의 농도 분포를 모든 시나리오의 공통 초기조건으로 사용하였다.

초기화 모의 결과, 쌍천 하류부에서는 상대적으로 낮은 담수 수두로 인해 염수가 하천과 충적대수층을 따라 내륙으로 침투하였다. 또한 담수보다 밀도가 큰 염수가 대수층 하부를 따라 이동하면서 하부 암반층에서는 충적층보다 내륙 방향의 해수침투가 깊게 나타났다. 이러한 안정화된 염분 분포를 초기조건으로 이용함으로써 인위적인 초기 농도 설정으로 인해 모의 초기에 발생할 수 있는 급격한 농도 변화를 최소화하였다. 이러한 안정화된 염분 분포를 초기조건으로 이용하여 지하댐의 설치 상태와 취수 운영 방식에 따른 염분 농도의 시·공간적 변화를 비교하였다.

지하댐의 설치 상태와 취수시설 운영 방식에 따른 해수침투 변화를 평가하기 위해 총 5개의 시나리오를 설정하였다. 모든 시나리오는 동일한 초기 염분 분포에서 시작하여 30년간 모의하였다. 하천수위, 해안수위, 해수 염분 농도, 함양량 및 수리지질 매개변수는 모든 시나리오에서 동일하게 유지하고, 차수벽의 설치 상태와 집수정별 취수 조건만을 변화시켰다. 따라서 시나리오 간 결과 차이는 차수벽의 유무와 구조적 완전성, 취수량의 공간적 재배분 및 추가 취수에 따른 영향으로 해석하였다.

시나리오 1(S1)은 차수벽이 설계대로 충적층을 완전히 차단하고 기존 6개 집수정이 현재의 평균 취수량으로 운영되는 조건이다. 지하댐이 정상적으로 기능하는 경우의 해수침투 특성을 평가하기 위한 기준 시나리오로 설정하였다. 총취수량은 22,335.2 m³/d이다.

시나리오 2(S2)는 S1과 동일한 취수 조건을 유지하면서 차수벽을 제거한 조건이다. S1과 S2의 모의 결과를 비교하여 차수벽 설치에 따른 해수침투 저감 효과를 평가하였다.

시나리오 3(S3)은 앞에서 설명한 차수벽 하단부의 불완전한 차수 상태를 반영하여, 일부 구간에서 차수벽 하단과 충적층 저면 사이가 개방된 조건이다. 기존 집수정별 취수량은 S1과 동일하며, S1과 S3의 비교를 통해 차수벽 하부의 개방 구간이 해수침투 저감 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 S2와 S3을 비교하여 불완전하게 설치된 차수벽도 차수벽이 없는 경우에 비해 해수침투를 어느 정도 저감할 수 있는지를 평가하였다.

시나리오 4(S4)는 S1과 동일한 완전 차수 조건에서 해수침투의 영향을 가장 크게 받는 RCW-5의 가동을 중단하고, 감소한 취수량을 RCW-3과 RCW-4에 약 1:2의 비율로 재배분한 조건이다. RCW-3과 RCW-4는 RCW-5보다 내륙에 위치하고 하천과의 이격거리가 짧아 하천을 통한 담수 공급이 상대적으로 원활하며 해수침투의 영향이 작은 취수시설이다. S4에서는 RCW-1의 취수량을 3,468.4 m³/d, RCW-3을 3,373.8 m³/d, RCW-4를 4,567.0 m³/d, RCW-5를 0 m³/d, RCW-6과 RCW-7을 각각 5,463.0 m³/d로 설정하였다. 전체 취수량은 S1과 동일한 22,335.2 m³/d로 유지하였다. 이를 통해 총취수량을 감소시키지 않고 취수 위치를 조정하는 것만으로 해수침투를 완화할 수 있는지를 평가하였다.

시나리오 5(S5)는 S4의 완전 차수 조건과 기존 집수정별 취수량을 유지하면서 방사집수정을 추가하는 조건이다. 추가 집수정은 하천수 공급이 원활하고 취수에 따른 지하수위 저하와 해수침투 가능성이 상대적으로 작은 하천 인접 구간에 배치하였다(Fig. 5). 추가 방사집수정 1개소당 취수량은 4,000 m³/d로 설정하였다. S5a에는 RCW-8을 추가하여 총취수량을 26,335.2 m³/d로 설정하였으며, S5b에는 RCW-8과 RCW-9를 추가하여 총 30,335.2 m³/d를 취수하도록 하였다. S5c에는 RCW-8–RCW-10을 추가하여 총취수량을 34,335.2 m³/d로 설정하였다. S4와 S5a–S5c의 결과를 비교하여 추가 취수량 증가에 따른 해수침투 변화를 분석하고, 염분 증가를 억제하면서 확보할 수 있는 취수량을 평가하였다.

4. 결과 및 고찰

지하댐 차수벽의 설치 및 하부 차수 상태와 집수정별 취수 운영 조건에 따른 장기 해수침투 거동을 평가하기 위해 S1–S4에 대해 30년간 염분 이동을 모의하였다. 모의 종료 시점의 충적층 평면 염분 농도 분포는 Fig. 6a–6d에, 암반층 평면 염분 농도 분포는 Fig. 6e–6h에 제시하였다. 또한 RCW-5를 통과하는 동–서 방향 단면의 염분 농도 분포는 Fig. 7a–7d에 제시하였다.

Fig. 6.

Plan-view distributions of simulated groundwater salinity near the cutoff wall under Scenarios S1–S4: (a)–(d) alluvial layers and (e)–(h) bedrock layers, arranged from S1 to S4.

차수벽이 충적층을 완전히 차단하고 기존 취수시설을 운영하는 S1에서는 차수벽 내륙측 충적층으로의 해수침투가 효과적으로 억제되었다(Fig. 6a). 그러나 차수벽 하부의 암반층에서는 염수가 내륙으로 이동하였으며(Fig. 6e), RCW-5 인근에서 염분 농도가 높게 나타났다(Fig. 7a). 이는 RCW-5의 취수로 국지적인 수두가 저하되면서 하부 암반층을 따라 이동한 염수가 상향 이동하는 업코닝이 발생했기 때문이다. 따라서 차수벽은 충적층을 통한 직접적인 해수침투는 효과적으로 억제하지만, 차수벽 하부의 암반층을 통한 우회 침투까지 완전히 차단하지는 못하는 것으로 나타났다.

Fig. 7.

Cross-sectional distributions of simulated groundwater salinity under Scenarios S1–S4: (a) S1, (b) S2, (c) S3, and (d) S4. The yellow vertical line denotes the cutoff wall, and the two gray horizontal lines represent the east–west-oriented laterals of RCW-5.

차수벽을 제거하고 기존 취수시설만 운영한 S2에서는 충적층과 암반층 모두에서 S1보다 해수침투 범위가 확대되었다(Fig. 6b and 6f). 충적층을 통해 유입된 염수는 RCW-5 부근까지 직접 도달하였으며(Fig. 6b), 암반층에서도 염수가 S1보다 내륙으로 깊게 침투하였다(Fig. 6f). 단면에서는 충적층과 암반층에 걸쳐 고염분 영역이 넓게 형성되었고, 하부 암반층의 염수가 RCW-5 방향으로 상승하는 업코닝도 뚜렷하게 나타났다(Fig. 7b). S1과 S2의 비교는 차수벽이 충적층을 통한 해수침투를 차단하고 취수시설에 미치는 염수 영향을 줄이는 데 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다.

차수벽 하단부의 일부가 개방된 S3에서는 차수벽과 충적층 저면 사이의 개방 구간을 통해 염수가 유입되면서 내륙측 충적층의 염분 분포 범위가 S1보다 확대되었다(Fig. 6c). 암반층을 통한 염수의 우회 침투와 RCW-5 주변의 업코닝도 S1보다 뚜렷하게 나타났다(Fig. 6g and 7c). 다만 S3의 해수침투 범위는 차수벽이 없는 S2보다 작게 나타나, 불완전한 차수벽도 일정한 해수침투 저감 효과를 가지는 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 차수벽의 해수침투 저감 성능이 설치 여부뿐만 아니라 차수벽 하단부의 구조적 연속성과 차수 완성도에 크게 좌우됨을 의미한다.

S4에서는 S1과 동일한 완전 차수 조건에서 해수침투의 영향을 가장 크게 받는 RCW-5의 가동을 중단하고, 해당 취수량을 RCW-3과 RCW-4로 재배분하였다. 전체 취수량을 동일하게 유지하였음에도 차수벽 내륙측 충적층의 고염분 영역이 S1보다 축소되었으며(Fig. 6d), 하부 암반층의 염수 침투 범위도 감소하였다(Fig. 6h). RCW-5 단면에서도 하부 암반층에서 RCW-5 방향으로 발생하던 업코닝이 크게 완화되었다(Fig. 7d). 이는 해수침투가 총취수량뿐만 아니라 집수정의 위치와 시설별 취수량 배분에 의해서도 크게 달라질 수 있음을 보여준다. 따라서 염수 영향에 취약한 집수정의 취수를 줄이고 하천을 통한 담수 공급이 상대적으로 원활한 집수정으로 취수량을 재배분하는 방식은 총취수량을 유지하면서 해수침투를 완화할 수 있는 효과적인 운영 대안으로 판단된다.

S1–S4에 대해 DP-1 위치의 표고 −40 m 관측 포인트에서 산정된 염분 농도의 시간적 변화를 비교한 결과는 Fig. 8과 같다. 모의 30년 후 염분 농도는 차수벽이 없는 S2에서 32,500 mg/L로 가장 높았으며, 차수벽 하단부가 일부 개방된 S3에서는 27,200 mg/L, 완전 차수 조건인 S1에서는 24,500 mg/L로 나타났다. S1의 염분 농도는 S2보다 약 24.6% 낮아 차수벽 설치에 따른 해수침투 저감 효과가 확인되었다. 그러나 S1에서도 하부 암반층을 통한 염수의 우회 침투와 업코닝으로 인해 염분 농도가 지속적으로 증가하여, 차수벽만으로는 취수시설에 대한 장기적인 염수 영향을 완전히 방지하기 어려운 것으로 나타났다.

Fig. 8.

Simulated temporal changes in salt concentration at an elevation of −40 m at DP-1 under Scenarios S1–S4.

반면 RCW-5의 가동을 중단하고 취수량을 재배분한 S4에서는 30년 후 염분 농도가 14,200 mg/L로 가장 낮았으며, 이는 S1보다 약 42.1% 낮은 값이다. 염분 농도의 증가 속도도 S4에서 가장 완만하게 나타났다. 이러한 결과는 차수벽의 구조적 완전성을 확보하는 것과 함께 염수 영향에 취약한 집수정의 운영을 조정하는 것이 장기적인 해수침투 관리에 중요하다는 것을 보여준다.

S5에서는 S1–S4 가운데 해수침투 억제 효과가 가장 크게 나타난 S4의 완전 차수 및 취수량 재배분 조건을 기준으로, 1개소당 4,000 m³/d의 방사집수정을 1–3개 추가하여 취수량 증가에 따른 해수침투 반응을 평가하였다. S5a–S5c에 대해 30년간 염분 이동을 모의하였으며, 모의 종료 시점의 충적층 평면 염분 농도 분포는 Fig. 9a–9c에, 암반층 평면 염분 농도 분포는 Fig. 9d–9f에 제시하였다. 또한 RCW-5 위치를 통과하는 동–서 방향 단면의 염분 농도 분포는 Fig. 10a–10c에 제시하였다.

Fig. 9.

Plan-view distributions of simulated groundwater salinity near the cutoff wall under Scenarios S5a–S5c: (a)–(c) alluvial layers and (d)–(f) bedrock layers, arranged from S5a to S5c.

Fig. 10.

Cross-sectional distributions of simulated groundwater salinity under Scenarios S5a–S5c: (a) S5a, (b) S5b, and (c) S5c.

추가 취수시설의 수가 증가하더라도 충적층에서는 차수벽의 차수 효과로 인해 염분 분포의 변화가 상대적으로 작게 나타났다(Fig. 9a–9c). 반면 하부 암반층에서는 추가 취수에 따른 담수 수두 저하로 염수가 점차 내륙으로 이동하였으며, 추가 취수시설의 수가 증가할수록 해수침투 범위가 확대되었다(Fig. 9d–9f). 특히 3개 집수정에서 총 12,000 m³/d를 추가 취수한 S5c에서는 하부 암반층의 고염분 영역이 내륙 방향으로 뚜렷하게 확장되었다. 단면 결과에서도 추가 취수량이 증가함에 따라 하부 암반층의 고염분 영역이 내륙 및 상부 방향으로 점차 확대되는 경향이 확인되었다(Fig. 10a–10c). 이는 차수벽 상류에서 추가 취수를 시행하더라도 취수량이 증가하면 차수벽 하부의 암반층을 통한 해수침투가 심화될 수 있음을 보여준다.

RCW-8에서 4,000 m³/d를 추가 취수한 S5a에서는 S4와 비교하여 충적층의 염분 분포 변화가 거의 나타나지 않았으며(Fig. 9a), 하부 암반층의 해수침투 범위 증가도 상대적으로 제한적이었다(Fig. 9d and 10a). 따라서 본 연구에서 설정한 평균 수문조건에서는 4,000 m³/d의 추가 취수 부하에 따른 해수침투 증가가 비교적 작게 나타났다. RCW-8과 RCW-9에서 총 8,000 m³/d를 추가 취수한 S5b에서는 충적층의 변화는 여전히 제한적이었으나(Fig. 9b), 하부 암반층의 염수 침투 범위가 S5a보다 내륙 방향으로 확대되었다(Fig. 9e and 10b). 이러한 조건에서는 강수량 감소와 지하수위 저하가 지속되는 갈수기에 염수 영향이 더욱 커질 수 있으므로, 계절별 취수량 조절과 염분 농도 모니터링을 병행할 필요가 있다.

RCW-8–RCW-10에서 총 12,000 m³/d를 추가 취수한 S5c에서는 충적층의 염분 분포 변화는 상대적으로 작았지만(Fig. 9c), 하부 암반층의 고염분 영역이 내륙 방향으로 뚜렷하게 확장되었다(Fig. 9f). 단면에서도 염수가 차수벽 하부의 암반층을 따라 내륙으로 이동하고 상부 방향으로 확대되는 양상이 가장 뚜렷하게 나타났다(Fig. 10c). 따라서 추가 취수량이 증가할수록 하부 암반층을 통한 장기적인 해수침투 위험이 커지는 것으로 분석되었다. 다만 이러한 결과는 일정한 평균 수문경계조건에서 추가 취수 부하에 대한 상대적인 해수침투 반응을 평가한 것이므로, S5a의 4,000 m³/d를 실제 지속가능한 추가 취수량이나 안전취수량으로 직접 해석해서는 안 된다.

종합하면, 차수벽은 충적층을 통한 해수침투를 효과적으로 억제하지만 하부 암반층을 통한 염수의 우회 침투와 취수에 따른 업코닝까지 완전히 방지하지는 못하였다. 이러한 조건에서는 염수 영향에 취약한 RCW-5의 가동을 중단하고 취수량을 하천 인접 집수정으로 재배분하는 방식이 해수침투 저감에 효과적이었다. 또한 추가 취수량이 증가할수록 하부 암반층을 통한 해수침투가 확대되었으며, 본 연구의 모의조건에서는 4,000 m³/d 규모의 추가 취수 부하에서 해수침투 증가가 상대적으로 작게 나타났다. 다만 이를 실제 운영 가능량으로 확정하기 위해서는 계절별 강수량과 하천수위, 취수량의 변화를 반영한 부정류 모의와 현장 염분 관측을 통한 검증이 필요하다.

5. 결 론

본 연구에서는 SEAWAT을 이용하여 쌍천 제1지하댐의 차수벽 설치 상태와 방사집수정 운영 방식에 따른 장기적인 해수침투 거동을 분석하였다. 차수벽의 유무와 하부 차수 상태, 집수정별 취수량 재배분 및 추가 취수 조건을 비교함으로써 지하댐의 해수침투 저감 기능을 평가하고, 충적층과 암반층에서 나타나는 염분 이동 특성과 취수 운영의 영향을 검토하였다.

모의 결과, 차수벽은 투수성이 높은 충적대수층을 통한 해수의 직접적인 유입을 효과적으로 억제하였다. 차수벽이 없는 조건에서는 염수가 충적층과 암반층을 통해 내륙으로 침투하여 취수시설 인근까지 영향을 미쳤으나, 차수벽이 충적층을 완전히 차단한 조건에서는 내륙측 충적층의 염분 증가가 현저히 감소하였다. 이는 쌍천 제1지하댐이 연안 충적대수층의 담수 영역을 보호하는 해수침투 방지시설로 기능하고 있음을 보여준다.

그러나 차수벽의 해수침투 저감 효과는 차수벽이 설치된 충적층에 주로 나타났으며, 차수벽 하부의 암반층에서는 염수의 내륙 이동이 지속되었다. 특히 해안에 상대적으로 가까운 RCW-5의 취수로 국지적인 수두 저하가 발생하면서 암반층을 따라 이동한 염수가 상향 이동하는 업코닝이 나타났다. 따라서 충적층을 차단하는 차수벽만으로는 심부 암반층을 통한 염수의 우회 침투까지 완전히 방지하기 어려우며, 지하댐의 차수 성능을 평가할 때에는 충적층뿐만 아니라 암반층의 수두 변화와 염분 이동을 함께 고려해야 한다.

차수벽 하단부의 구조적 연속성도 해수침투 저감 성능을 결정하는 중요한 요인으로 확인되었다. 차수벽 하단과 충적층 저면 사이에 개방 구간이 존재하는 경우에는 이 구간을 통해 염수가 내륙측 충적층으로 유입되어 완전 차수 조건보다 염분 농도가 높게 나타났다. 다만 불완전한 차수벽도 차수벽이 없는 조건보다는 해수침투를 줄이는 효과가 있었다. 따라서 차수벽의 성능은 단순한 설치 여부가 아니라 차수벽과 저투수성 기반층의 연결 상태, 차수벽 하단부의 연속성 및 수밀성을 기준으로 평가할 필요가 있다. 시공 단계에서는 충적층 저면과 기반암의 분포를 충분히 파악하여 차수 깊이를 결정하고, 운영 단계에서는 차수벽 상·하류의 지하수위와 염분 농도를 지속적으로 관측하여 차수 성능의 변화를 점검해야 한다.

취수시설의 운영 방식도 해수침투에 큰 영향을 미쳤다. RCW-5의 가동을 중단하고 해당 취수량을 하천을 통한 담수 공급이 상대적으로 원활한 RCW-3과 RCW-4로 재배분한 조건에서는 총취수량을 유지하였음에도 RCW-5 주변의 해수침투와 업코닝이 크게 완화되었다. 이는 해수침투가 전체 취수량뿐만 아니라 취수시설의 위치와 집수정별 취수량 배분에 따라 크게 달라질 수 있음을 의미한다. 따라서 전체 취수량을 일률적으로 줄이기보다는 집수정별 해수침투 취약성을 고려하여 취수 위치와 취수량을 조정하는 것이 효과적인 운영 대안이 될 수 있다.

추가 취수의 영향은 차수벽으로 보호되는 충적층보다 하부 암반층에서 뚜렷하게 나타났다. 추가 취수량이 증가하더라도 충적층의 염분 분포 변화는 상대적으로 작았으나, 암반층에서는 담수 수두가 낮아지면서 고염분 영역이 점차 내륙으로 확대되었다. 본 연구의 모의조건에서는 4,000 m³/d의 추가 취수 부하에서 해수침투 증가가 상대적으로 작았으나, 8,000 m³/d 이상에서는 암반층을 통한 해수침투 범위가 확대되었다. 특히 12,000 m³/d를 추가 취수한 조건에서는 고염분 영역의 내륙 확장이 뚜렷하게 나타나 추가 취수 부하에 따른 해수침투 위험이 가장 큰 것으로 분석되었다. 따라서 추가 취수 가능량은 충적층의 저류량이나 지하수위만으로 결정해서는 안 되며, 암반층의 수두 저하, 염수 이동 및 업코닝 발생 가능성을 함께 고려하여 평가해야 한다.

종합하면, 쌍천 제1지하댐의 안정적인 운영을 위해서는 차수벽 하단부의 구조적 건전성을 확보하는 동시에 해수침투에 취약한 집수정의 가동을 조정하고, 집수정별 수두와 염분 농도에 따라 취수량을 탄력적으로 재배분할 필요가 있다. 이를 위해 차수벽 상·하류와 주요 집수정 주변에서 지하수위와 염분 농도를 지속적으로 관측하고, 관측 결과에 따라 집수정별 취수량을 조정하는 적응형 운영체계를 구축할 필요가 있다.

본 연구에서는 가변밀도 지하수 유동과 염분수송을 30년간 모의하였으나, 지하수 함양량, 하천수위 및 해안수위와 같은 수문경계조건은 시간적으로 일정하게 적용하였다. 또한 수리전도도는 기존에 보정된 유역 규모 지표수–지하수 연계모델의 결과를 적용하였지만, 공극률과 분산지수 등 일부 대수층 수리상수는 현장자료가 충분하지 않아 지층 특성과 기존 연구를 바탕으로 설정하였다. 한편, 심도별 염분 농도 자료가 제한적이어서 SEAWAT 모델에 대한 독립적인 보정·검증과 주요 파라미터의 민감도 분석도 충분히 수행하지 못하였다. 따라서 본 연구에서 제시한 결과는 절대적인 미래 염분 분포나 안전취수량을 예측한 값이라기보다, 동일한 파라미터와 경계조건에서 차수벽의 상태와 취수 운영 방식에 따른 상대적인 차이를 평가한 결과로 해석해야 한다.

향후에는 관측정과 집수정에서 심도별 지하수위와 염분 농도를 지속적으로 관측하고, 충적층과 암반층의 수리시험 자료를 추가로 확보하여 모델을 보정·검증할 필요가 있다. 이를 바탕으로 암반층 수리전도도, 공극률, 분산지수 및 경계조건 등에 대한 민감도 분석과 불확실성 평가를 수행해야 한다. 또한 하천수위의 시계열 변화, 계절별 취수량 및 장기 갈수 조건을 반영한 부정류 모의를 통해 시나리오별 해수침투 저감 효과의 변동범위를 정량화할 필요가 있다. 이러한 과정을 통해 실제 운영 가능한 추가 취수량과 집수정별 가동 및 중단 기준을 구체화할 수 있을 것으로 판단된다.