간척지 흙의 암거 설치조건에 따른 제염 특성의 이론적 해석
Theoretical Analysis of Soil Desalination Characteristics for Underdrain System at Reclaimed Tidal Land
김현태
*,†･ 서동욱
**･ 류찬호
***･ 김석열
**Hyuntai Kim ･ Donguk Seo ･ Chanho Yoo ･ Seogyeol Kim
Abstract
Cultivation on reclaimed tidal land is often difficult in the problem such as high salinity of soil, bad drainage because of high level of groundwater. Many researches have been made efforts to solve these problems, but effect of improvement is low and practicality is insufficient.
In this study, through numerical analysis of the transport properties of salt and water, we suggested underground drainage of the reclaimed land and the desalination promotion methods in the soil.
The results of characteristic of desalination and seepage analysis of underdrain show that underdrain is able to increase twice of the underground seepage amount when installing perforated pipe with horizontal filter (width 50cm) more than installing only the perforated pipe. For soil which coefficient of permeability is below 1×10-4 cm/s that desalination with pond water is not possible, a method to increase the permeability of the soil is necessary.
Therefore, it was concluded that application of underdrain using perforated pipe with horizontal filter would be low-cost and practical.
Keywords:Soil Desalination, Underdrain, horizontal filter, Reclaimed Land
* Future Rural Technical Research Center
** Rural Research Institute
*** ASIN E&C
† Corresponding author
Tel.: +82-31-425-1066 Fax: +82-31-400-1617 E-mail: [email protected]
Received: January 26, 2015 Revised: May 12, 2015 Accepted: May 18, 2015
Ⅰ. 서 론
최근 농업환경변화에 따른 쌀 과잉생산 문제와 농가소득 이 벼보다 밭작물이 2~10배 이상 높기 때문에 신규로 조성하 거나 기존에 조성된 간척지를 밭으로 사용하기를 희망하고 있다. 기존 간척지 중 밭으로 쉽게 사용할 수 있는 조건의 간척 지는 농민들이 이미 밭으로 활용하고 있는 실정이다.
그러나, 간척지 흙은 염도가 10~20 dS/m 이상으로 높아 밭작물재배가 어렵다 (Koo, 2001). 염도가 높은 간척지 흙의 합리적인 제염대책으로는 빗물을 가두어 흙속으로 침투시켜 염분을 용탈시키는 방법으로써 제염용수량을 절약할 수 있 고 제염작업이 용이한 침출법이 매우 유용하다고 하였다 (Son, 2007; Seo, 2011). Kim (2008)은 사질성분이 많은 새 만금 광활지역 간척지 흙의 경우 Photo 1과 같이 논둑을 만들 어 강우를 담수하여 물을 인위적으로 흙속으로 침투시켜 Fig.
1과 같이 제염을 촉진시켰다. 강우담수제염 후 작물을 재배
한 결과 Photo 2(a)와 같이 무담수구역은 보리재배가 어려우 나 강우담수제염구역에서는 Photo 2(b),(c),(d), Photo 3(a) 와 같이 보리, 밀, 옥수수, 튤립 등 모든 작물재배가 가능하였 다 (Kim, 2008).
그러나 점토질 성분이 많은 화옹간척지의 흙에서는 강우 담수제염에서 물이 흙속으로 침투가 잘 되지 않아 강우담수 제염이 어려웠고, 밭작물 재배도 생육수량이 50 %이하로 재 배가 사실상 불가능하였다 (Photo 3(b)). 흙의 투수성이 낮은 간척지는 강우담수제염을 할 때 지하암거설치만으로 어려우 므로 흙의 투수성을 크게 증가시키는 공법을 병행해야 한다 (Seo, 2011). 네덜란드에서는 중점토질 흙에서 암거 깊이를 60~75 cm로 할 경우에 개거의 설치 간격은 16~33 m를 규정 하고 있으나, 우리나라의 간척지는 네덜란드의 투수성이 양 호한 토성과 달리 투수성이 불량한 점토질 흙이 대부분이므 로 논에서의 개거나 암거의 설치간격은 이보다 더 줄어들어 야 한다고 보고 있다 (Jang, 1970).
또한, 간척지는 평지이기 때문에 장마철 강우 시 지표침수 가 발생되지 않아도 흙이 포화상태로 2~3일이 경과하면 밭작 물이 습해를 입어 고사를 한다. 새만금의 경우 담수제염 후 첫 해는 Photo 2와 같이 밭작물 재배에 성공하였으나 2년차 재 배에서 장마철 후 거의 모든 밭작물이 고사하는 경험을 하였 다 (Son, 2007). 간척지에 밭조성은 제염도 중요하지만 습해 방지를 위한 지하배수가 매우 중요하다. 그러므로 지하배수
Photo 1 Desalination test with rainfall pond
Fig. 1 Result of desalination test with rainfall pond (Saemangeum area)
(a) Barley (None desalination)
(b) Barley (desalination)
(c) Corn, Green manure corn (desalination)
(d) Tulips (desalination)
Photo 2 1 year after desalination with rainfall pond(Saemangeum area)
를 촉진할 수 있는 지하배수시설이 필요하다. 이와같이, 흙의 투수성이 낮은 간척지 (새만금 군산지역, 영산강, 화옹, 시화 등)의 흙은 제염효과가 낮기 때문에, 지하암거설치 등 흙의 투 수성을 증가시키는 공법의 병행이 필요하다 (Seo, 2011). 그 러나, 추가적인 공법을 병행하는 것은 현장 시공비를 높이는 요인이 되므로 실용성이 부족한 실정이다.
간척지 흙의 제염은 흙 속의 침투속도와 침투유량과 깊은 관계가 있으며, 이들 흙 속의 물의 흐름을 원활하게 하기 위해 설치하는 암거와 수평필터를 설치하며, 암거의 직경, 설치간 격, 수평필터의 길이는 흙 속의 물의 침투능력과 직접 관련이 있다. 따라서, 본 연구는 암거와 수평필터의 여러 설치 조건에 따른 흙속의 물의 흐름과 제염특성을 수치적으로 분석하여, 저비용이면서 실용성 있는 간척지 지하배수 및 제염 촉진방 안을 제시하고자 한다.
(a) Saemangeum land (b) Hwaong land Photo 3 Comparison of crop growth in two reclaimed land after desalination with rainfall pond
Fig. 2 Rate of salinity vs. rate of water depth(Hoffman, 1983)
Table 1 Conditions of analysis
Case No.
Diameter of perforated pipe
(cm)
Width of Filter (cm)
Permeability of Soil, k (cm/s)
Case1 - - 1×10
-4Case2 5 - 〃
Case3 10 - 〃
Case4 5 50 〃
Case5 5 100 〃
Ⅱ. 해석 방법
흙의 제염특성은 흙의 종류, 투수성 등의 물리적 성질과 흙 의 염도, 침투수의 염도, 침투수량 등에 따라서 다른 특성을 나타낼 수 있다 (Seo, 2008). 염분이 있는 흙속에 낮은 염도의 물이 침투하여 흐르면서 흙 속의 염분이 용탈되는데, 이 때 염 분의 이동은 이류와 확산에 의하여 발생한다 (Jeong, 2006).
염분 용탈량은 흙속을 통과하는 물의 량에 비례하는 관계로 표현할 수 있는데, 호프만 (Hoffman, 1983)은 Fig. 2와 같이 세계 각지로부터 얻은 포장 실험자료를 기초로 하여 1차원적 용탈하의 염류이동 효율에 대한 경험식을 상대물깊이 (현재 침투깊이 Di / 목표침투깊이 Ds)별 상대염농도 (현재염도 C / 초기염도 C0)로 제시하였다 (Seo, 2009). 여기서, C는 흙의 현 재 염도, C0는 흙의 초기 염도를 나타내며, Di는 단위면적당 흙속으로 침투한 수량, 즉 수직 침투 길이가 되고, Ds는 물을 침투시켜야 할 흙의 두께를 말한다. 이 관계를 통해 투수성이
크면 침투수량이 크기 때문에 제염속도가 그만큼 빠르다는 것을 알 수 있다. 즉, 간척지에 강우담수시 단위시간당 침투수 량을 알면 제염기간을 예측할 수 있다.
흙의 물리적인 특성이 동일하다면, 흙의 염도변화량은 침 투수량이 흙 속을 통과하는 양에 달렸으므로 (Hoffman, 1983), 침투유량에 직접적인 영향을 주는 암거와 수평필터의 설치 조건에 따라 해석을 실시하였다 (Table 1). 침투유량을 구하기 위한 해석프로그램은 GeoSlope사의 Seep/w를 사용 하였다.
Ⅲ. 해석 결과 및 고찰
1. 침투수량
간척지에 Fig. 3에서 보는 바와 같이 암거와 수평필터가 설 치되지 않은 조건 (Case 1)과 이들을 설치한 조건 (Case 2~5) 에 대해 침투수량을 구하였다. Fig. 3(a)와 같이 암거가 없는 조건에서 배수로만 설치하고 강우담수(수심 10 cm) 조건으 로 침투류 해석을 실시한 결과 단위면적당 침투수량은 Fig. 4 에서 보는 바와 같이 배수로에서 16 m 떨어진 위치에서 5 mm/day, 50 m 떨어진 위치에서 0.16, 82 m 떨어진 위치에서
(a) Seepage of none underdrain
(b) Seepage of underdrain condition
Fig. 3 Seepage of none underdrain and underdrain condition
Fig. 4 Seepage flux of none underdrain condition
Fig. 5 Seepage flux of various condition (k=1×10
-4cm/s, soil)
Fig. 6 Time of desalination according to distance from open channel (k=1×10
-4cm/s)
0.016으로 배수로에 가까운 곳이 82 m 떨어진 곳보다 312배 만큼 침투수량이 많은 특성을 보이고 있다.
Fig. 3(b)조건과 같이 암거와 수평필터를 조건 별로 설치 후 침투류해석 결과 Fig. 5에서 보는 바와 같이 설치간격 4 m 를 기준으로 했을 때, 직경이 5 cm인 암거 (Case 2)일 경우 침 투수량이 28 mm/day, 10 cm (Case 3)일 경우 33 mm/day로 나타나 암거를 설치하지 않았을 경우 (Case2, 배수로에서 16 m 떨어진 위치)보다 각각 5.6, 6.6배가 증가되었다. 암거와 수 평필터를 동시에 설치하였을 때 수평필터 길이가 50 cm
(Case 4)일 경우는 45 mm/day, 100 cm (Case 5)일 때는 58 mm/day로 암거만 설치한 경우 (Case 2)보다 각각 1.6, 2.1배 로 증가하는 것으로 분석되었다.
2. 목표 제염소요 시간에 따른 암거 설치 간격 산정
간척지 흙의 제염소요 시간을 산정하기 위하여 초기 염도 의 1/10이 될 때까지 흙 속으로 물을 침투시켜 제염을 시키는 것을 목표로 하였다. 이는 호프만 (Hoffman, 1983)이 제안한 Fig. 2로부터 구할 수 있는데, 간척지 흙의 목표 상대염농도 (C/Co)가 0.1일 때, 상대물깊이 (Di/Ds)는 2이므로 흙의 깊이 (Ds)보다 2배 높이의 담수량 (침투수량)을 침투시켜야 한다.따라서, 담수를 침투시켜 목표 염도까지 떨어트리는데 걸리 는 제염 소요시간은 흙 깊이 (Ds)의 2배의 침투수량이 침투하 는 데 발생되는 시간으로 구하였다.
토층이 대수층이 존재하지 않는 균일한 조건이라 가정하 고 암거가 없는 조건 (Case 1)에서 목표 염도에 도달하는 데까 지 걸리는 시간을 계산하면, Fig. 6과 같이 배수로에서 거리가 멀어질수록 제염에 걸리는 시간이 기하급수적으로 증가하는 것을 볼 수 있다 (흙 심도 0.8~1 m). 흙의 투수계수별 제염에 걸리는 소요시간을 계산하면 Fig. 7에서 보는 바와 같으며, 배 수로부터 50 m 떨어진 지점을 기준으로 흙의 투수계수 (k)가 1×10-2 cm/s 이하인 흙에서는 암거를 설치하지 않고는 제염이 어렵다는 것을 알 수 있다.
암거를 설치한 조건에서 암거 설치간격별로 제염에 걸리 는 시간 (제염심도 1 m기준)을 해석한 결과는 Fig. 8에서 보는 바와 같다. 투수계수 (k)가 1×10-4 cm/s 조건에서 유공관 암거 만 설치하였을 때는 암거의 설치 간격을 3 m이내로, 유공관과 수평필터를 동시에 설치할 경우에는 4~5 m 간격이면 제염이 가능한 것으로 분석되었다.
Fig. 7 Time of desalination according to permeability of soil with none drain condition
Fig. 8 Time of desalination according to installation gap and type of underdrain (k=1×10
-4cm/s)
Fig. 9 Time of desalination according to permeability of soil and type of underdrain (S
d=4 m)
3. 흙의 투수성에 따른 제염에 걸리는 시간 산정
흙의 투수계수별 제염에 걸리는 데 필요한 시간은 Fig. 9에 서 보는 바와 같이 투수성이 낮을수록 기하급수적으로 시간이 많이 소요된다. 제염 소요시간을 100일 기준으로 할 때 암 거가 없는 경우는 흙의 투수계수 (k)가 1×10-2 cm/s이상, 유공 관 암거만 설치하였을 경우는 2×10-4 cm/s이상, 유공관과 수 평필터를 동시에 설치하는 경우는 1×10-4 cm/s이상이어야 제 염이 가능한 것으로 분석되었다.
4. 고 찰
흙의 투수계수 (k)가 1×10-2 cm/s 이상인 흙에서는 암거를 설치 하지 않고도 제염이 가능하다고 할 수 있으며, 1×10-4 cm/s 이상인 흙에서는 암거를 설치하여 담수를 침투시키면 제염이 가능하다고 볼 수 있다. 그러나 투수계수 (k)가 1×10-4 cm/s 이하인 흙에서는 암거를 설치하고 흙의 투수계수를 증가 시키는 방법이 추가되어야 제염이 가능하다는 결과를 얻었다. 이 결과는 새만금 간척지 중 흙의 투수계수 (k)가 1×10-2 cm/s 이상이 되는 광활지구의 일부 구간에서 암거를 설치하 지 않고 담수하여 물을 침투시켜 제염한 후에 작물이 정상적 으로 생육되었으며, 투수계수 (k)가 1×10-3 cm/s 이하인 군산 옥구지구의 일부 구간에서는 암거를 설치하여 담수를 침투시 켰을 경우 작물이 정상적으로 성장하였으나, 투수계수 (k)가 1×10-5 cm/s이하인 화옹간척지 흙에서는 암거를 설치하고 담 수 침투를 시켰음에도 흙의 염도가 높고 작물이 정상적으로 생육하지 않은 시험시공 결과 (Fig 1, Photo 2, Photo 3)를 볼 때 타당한 해석결과라고 판단된다.
Ⅳ. 결 론
간척지 흙의 침투특성과 제염 효과를 파악하기 위하여 암 거와 수평필터를 설치하는 조건에 대해 해석한 결과는 다음 과 같다.
1. 간척지 고염도 흙의 제염을 위하여 암거만 설치하는 것보 다 수평필터 (폭50 cm)를 동시에 설치하는 것이 담수의 침 투수량을 증가시켜 제염 속도를 2배 이상 증가시키는 것 으로 나타났다.
2. 제염 촉진과 밭작물 습해방지를 위하여 암거만 설치 할 경 우에는 암거 설치간격을 3m 이내, 암거와 수평필터 (폭50 cm, 100 cm)를 동시에 설치할 경우에는 간격을 5 m 까지 도 제염이 가능한 것으로 분석되었다.
3. 흙의 투수계수 (k)가 1×10-2 cm/s 이상인 간척지에서 담수 를 침투시키는 것만으로 제염이 가능하며, 1×10-4 cm/s 이 상인 간척지에서는 암거를 설치하여야 담수를 침투시켜 제염이 가능하였다.
4. 투수계수 (k)가 1×10-4 cm/s 이하인 간척지는 암거설치만 으로 담수를 이용한 제염이 어려우므로 암거를 설치하고 흙의 투수성을 증가시키는 공법이 추가되어야 한다는 결 론을 얻었다.
5. 본 연구는 흙의 투수계수와 암거, 수평필터의 설치 조건에 대해 흙의 침투특성과 제염 효과를 이론적으로 파악한 것으 로, 향후 현재 진행 중인 시험시공결과와 비교할 예정이다.
REFERENCES
