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수자원이 부족하고 수질도 점점 나빠지고 있는 상황에 직면한 우리는 더 이상 전통적인 물 공급원인 하천, 댐, 지하수에만 의존할 수는 없다. 지역적 특성을 잘 활용하고, 첨단 기술을 동원하여 새로운 수원을 확보하는 일은 매우 중요하다. 이들 수자원들을 보조 수자원이라고 부르기도 하는데, 그 중 유망한 몇 가지를 살펴보기로 한다.

지하댐

지하댐 개념도

지하댐 개념도

지하댐은 지하수가 흐르는 대수층 내에 인공 물막이벽(차수벽)을 설치하여 지하수를 지하에 저류시키고 관정 등의 시설에 의해 취수하는 지하 저류지를 말한다.
땅속에 있는 댐이라고 생각하면 쉽다. 평소 낮은 수위를 유지하며 흘러 바다로 빠져나가는 지하수를 막아 수위를 높게 하여 그 물을 이용하는 것이다. 현재 우리나라에는 6개소에 1일 약 15만m3의 공급 능력을 갖춘 지하댐이 있으며, 개발 가능지점 21개소를 선정하여 놓은 상태이다. 지하댐은 지상댐과 달리 수몰 면적이 없고, 증발 손실이 없으며 수질오염의 위험 또한 적다는 장점을 지니고 있기 때문에, 조건이 맞는 지역에서는 훌륭한 수원의 역할을 할 수 있다.

지하수를 지나치게 뽑아 쓰면

지하수를 과다 사용하면 수량 감소 외에도 오랫동안 유지되던 힘의 균형이 깨져 여러 가지 부작용이 발생할 수 있다. 그 중의 하나가 지반침하이다. 물로 채워져 있던 토양의 공극에서 물이 빠져나가면서 빈 공간이 생겨 상부에 있는 흙과 인공 구조물의 무게에 의해 지반이 가라앉는 현상인데, 이로 인해 도로나 건물에 균열이 생길 수도 있다.
오른쪽 사진은 미국 캘리포니아 산호아킨밸리(San Joaquin Valley)에서 농업을 위해 약 50년간 지하수를 이용한 결과 일어난 지반침하를 보여주는 것이다. 1925년, 1955년, 1977년이라는 표지가 당시의 지표면을 나타낸다. 이지역에서는 최대8.5m의 지반침하가 일어났다.

지하수 과다 사용에 따른 다른 부작용 중의 하나로 해수 침투가 있다.
바닷물과 지하수가 해안에서 힘의 균형을 이루고 있다가, 지하수가 과다하게 사용됨으로써 바닷물이 육지 쪽으로 밀려들어 우물에서 짠물이 나오는 것이다.

결과적으로 관정을 쓸 수 없게 되고, 그 지역 물 공급에 차질을 빚을 수밖에 없게 된다.
우리나라에서도 제주도 성산 지역을비롯해 일부 해안 지역에서 이런 현상이 나타나고 있으며, 그에 대한 대책으로 정부는 해수 침투 관측망을 운영해 감시하고 있다.

 미국 캘리포니아 산호아킨밸리(San Joaquin Valley)에서 농업을 위해 약 50년간 지하수를 이용한 결과 일어난 지반침하를 보여주는 것
[우리나라의 지하댐 개발 현황]
구분 쌍천 이안 남송 옥성 고천 우일
위치
(하천명)
강원 속초
(쌍천)
경북 상주
(이안천)
경북 포항
(곡강천)
충남 공주
(유구천)
전북 정읍
(용호천)
전북 정읍
(한교천)
공급능력(m3/일) 33,000 24,000 23,600 27,900 25,110 16,200
용도 생활용수 농업용수 농업용수 농업용수 농업용수 농업용수
준공년도 1998 1983 1986 1996 1986 1986
물막이벽길이(m) 800 230 89 482 192 778

강변여과수

강변여과수는 하천 인근에 관정을 설치해 양수를 하면 지하수위가 낮아져 하천수가 유도되는데, 이를 취수하는 것을 말한다. 이렇게 하면 하천수가 대수층의 모래나 자갈 공극을 통과하면서 물리적 여과와 흡착, 생화학적인 분해에 의해 오염물질이나 병원성 세균이 제거되는 이점이 있다. 지표수의 수질이 나쁜 곳에서 특히 유망하며, 안정적인 수원을 제공하고 정수 처리 비용이 줄어드는 장점이 있다.
유럽에서는 130년이 넘는 강변여과수 역사를 가지고 있으며, 우리나라에서는 창원시가 2001년부터 강변여과수를 개발한 이후 계속 시설을 확장하고 있고, 인근 지역에서도 도입을 서두르고 있다.

강변여과수의 원리 : 기반암, 지층여과, 모래자갈(대수층), 지하수위, 퇴적물, 표토, 하천수, 지표면, 수직정, 정수, 식수

[국내 및 외국의 주요 강변여과수 개발 현황]
구분 지점 시설규모(m3/일) 비고
한국 (낙동강) 경남 창원 대산·북면 시범시설
경남 창원 I단계 확장사업
경남 창원 II단계 확장사업
경남 함안
경남 김해
20,000
60,000
60,000
20,000
180,000
운영중
운영중
2010년 준공 예정
운영중
2010년 준공 예정
독일 베를린
뒤셀도르프
1,140,000
357,600
하벨 강
라인 강
네덜란드 암스테르담 250,000 라인 강
프랑스 르페크-크루아시 320,000 센 강
미국 캔자스시티 150,000 캔자스 강

해수담수화

역삼투압의 방식의 원리 : 압력 →해수→반투과약→담수

역삼투압 방식의 원리

바닷물로 값싸게 마실 물을 만들 수만 있다면 인류 물 문제의 상당 부분이 해결될 것이다. 그런데 중동 지역 두바이 등에서는 물 공급을 위해 대부분 이 방법을 사용한다. 우리나라에도 이런 곳이 있다.
바닷물을 먹을 수 있게 하려면 해수에 존재하는 소금 성분들을 제거해야 한다.
그 방법으로는 물을 끓여서 증기로 만든 후에 다시 냉각시키는 방법, 그리고 막(멤브레인)을 이용하는 방법 등 크게 2가지가 있다.
우선 전자는 과거부터 1990년 이전까지 가장 많이 사용되었던 방법으로 중동 지역에 설치된 대부분의 시설은 이 방법에 의한 것이다.

이 해수담수화 방법에서 세계적인 선두주자는 우리나라의 두산중공업으로, 전 세계 담수화시장에서 1위를 차지하고 있다. 대표적인 사례는 중동지역 쇼아이바에 설치된 쇼아이바 담수발전플랜트로 100 MIGD(45,460m3/d) 용량의 세계최대해수담수화 시설이다.

이후 에너지 비용을 줄일 수 있는 방법으로 막여과법이 등장하였다. 위 그림에서처럼 가운데 반투막을 놓고 짠물에 삼투압 이상으로 압력을 가하면 염분을 제외한 물만 반투막을 통과하는데, 이러한 원리를 이용한 해수담수화 방법을 역삼투방식 해수담수화 공정이라고 한다. 역삼투 방식의 해수담수화 공정에서는 60기압 이상이라는 엄청난 압력으로 물을 통과시켜야 한다. 그래도 거기에 소요되는 에너지가 물을 끓이는 것보다 적은 것으로 알려져 있다.

1990년 이후로 중동 지역에서 건설되는 해수담수화 공정 중에서 역삼투압 방식을 사용하는 사례가 늘고 있다. 현재까지 역삼투압방식으로 가장 크게 건설된 곳은 애쉬켈론 프로젝트로서 32만m3/일 규모이다. 이는 1인이 하루에 350리터를 사용한다고 할 때 약90만 명이 넉넉하게 사용할 수 있는 양이다.
[우리나라의 해수담수화 시설]
지역 대상 도서 지역 수 용량(m3/일) 급수 인구(명)
69개소 5,563 17,747
충남 보령시 고대도 등 21개소 655 3,814
전북 군산시 어청도 등 6개소 290 1,690
전남 신안군 홍도 등 30개소 2,270 5,794
경북 울릉군 독도 1개소 28 40
경남 진해시 연도 등 7개소 120 643
제주 북제주군 추자도 등 4개소 2,200 5,766

해양심층수

강원도 고성의 해양심층수연구센터

강원도 고성의 해양심층수연구센터

해양심층수 개발 조감도

해양심층수 개발 조감도

해양심층수란 태양광이 도달하지 않는 수심 200m 이하의 해수로서 수온이 연중 3℃ 이하를 유지하고, 해양식물 성장에 필수적인 영양염류와 미네랄이 풍부하고 유기물이나 병원균 등이 거의 없는 청정 해양 수자원을 말한다.

우리나라에서는 국토해양부의 해양심층수연구센터(강원도 고성)가 2005년부터 해양심층수를 취수하기 시작하면서 연구개발에 착수하였다. 연구센터에서는 수심 300m와 500m에서 1일 1,100m3 이상(최대1,920m3/일)의 해양심층수를 취수하여 실시간 수질 분석, 담수화 및 수질 조정, 냉방 이용, 농수산 배양 실험 등의 연구를 하고 있다. 2008년 2월 해양심층수 관련 법령 일체가 제정·시행되면서 연구와 개발이 활기를 띠고 있다. 다만, 무분별한 개발에 따른 부작용을 줄이기 위해 취수지역 지정과 개발업 면허승인 등을 엄격히 하는 것이 과제로 부각되고 있다.

현재 우리나라에서는 강원도, 경상북도 및 울릉도 지역 등 동해안을 중심으로 개발이 추진되고 있으며, 수자원공사도 강릉시와 공동으로 해양심층수를 개발·추진하고 있다. 해양심층수는 각종 음료, 두부, 화장품, 소금 등으로 제품화가 가능하며, 2020년경에는 2조 원대의 시장을 형성할 것으로 예측된다.
[외국의 해양심층수 개발]
구분 취진 현황 활용 분야
미국 하와이에서 해수온도차발전을 중심으로
양식, 냉방 등 이용 기술 추진
수산, 농업 및의약품 개발. 냉방, 어패류 양식
일본 고치 현, 토야마 현, 오키나와 현, 시즈오카 현 등에서
1,000여 개의 심층수 상품 개발.
연 2조 5000억 원대 시장.
수산, 식품, 화장품, 음료수
타이완 음료수 및 화장품 제품 시장 형성 중 음료, 화장품

※참고문헌 - 국토해양부·한국수자원공사, 『물과 미래』, 2008.
- 한국물포럼, 『물이 있는 세상』, 2008년 여름호.
- 한국물포럼, 『물이 있는 세상』, 2008년 가을호.

* 출처 : K-water

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