하상여과는 하천인근에 수평 혹은 수직집수정을 설치하여 하천표류수를 집수정으로 유도하여 취수하는 방식으로 하천표류수가 하상의 충적층을 통과하면서 여과되는 이점을 활용하는 것이다. 즉, 하상의 충적층을 통과하여 수질이 개선된 여과수를 하천의 수변(shoreline)아래에 설치된 수평집수관을 통하여 수직집수정에 유입 시킨후 양수하여 사용하는 친환경 자연정화 공법이다([그림 1] 참조).

 

우리나라 최초의 하상여과시설은 1981년 한국농어촌공사에서 시행한 이안지구 지하댐 시범사업 지구 내 방사상집수정(수평착정) 공법으로 농업용수 확보를 위해 개발되었다. 이안지구의 시설을 시점으로 1980년대부터 2000년대까지 중규모의 강변, 하상 여과시설이 연구개발 되어 농업용수뿐만 아니라 공업용수, 상수도용수 등 활용범위가 넓어지고 취수량도 2천∼5천㎥/일 규모의 시설을 개발하게 되었다.

2000년대 이후 기계 산업의 발전에 따라 직경 300㎜ 이상의 굴착구경 굴진이 가능하게 되었고, 상수도 및 하천유지용수 개발에 있어 고효율적인 대량취수(1만∼2만㎥/일)가 가능하게 되었다. 이런 개발에 힘입어 2005년도부터는 산업발전과 도심화에 따른 도시주변이 오염되거나 건천화된 하천에 하천유지용수로 공급하는 하상여과시설이 본격적으로 적용되었으며 지방상수도의 취수용으로도 보급되기 시작했다.

 

최근에는 국제적으로 수자원의 고갈에 따른 수원확보를 위하여 다양한 취수원 확보가 요구되고 있으며, 취수량이 크고, 수질 정화된 양질의 수자원을 요구한다. 그러나 우리나라의 하천변 대수층은 대형하천인 한강과 낙동강 및 동해안 하천을 제외하고는 발달이 빈약(일반적으로 대수층 두께 5∼10m)하며, 한강과 낙동강의 하류부는 대수층 10m 이상으로 길지만, 실트질 세립토사가 혼재되어 있어 투수성이 낮다. 중소규모의 하천과 대형하천의 지루는 동해안으로 흐르는 하천을 제외하고는 대부분 대수층의 발달이 빈약하여 6∼7m 내가 대부분이다.

따라서, 이러한 우리나라의 하천대수층상태와 취약한 수질상태에서 양질의 하상 및 강변 여과수를 취수하기 위해 굴착·개착식 하상여과공법이 도입되고 있다. 굴착식 하상여과는 대수층(4m 이상)에 수직정을 설치한 후, 수직정 하부에서 굴착장비를 이용하여 수평굴착을 통해 집수관으로부터 취수하는 공법이다.

개착식 하상여과는 대수층의 두께가 얇고, 규모가 작은 하천 및 수질개선을 필요로 하는 하천을 대상으로 하상아래 대수층을 걷어낸 후, 수평집수관을 설치하고 수질개선여재를 포설하는 공법이다([표 1], [그림 2] 참조).

1. 수질개선
하상여과 등을 통한 간접취수의 수질개선효과는 이미 간접취수 방식을 일찍이 도입했던 국가의 사례로부터 잘 알려져 있다. 간접취수에 따른 수질개선효과의 정량적인 평가 시에 우선 고려되어야 하는 조건은 대수층 체류시간과 지하수의 희석효과인데, 이는 간접취수 과정에서 대수층 체류시간은 수질 변화양상의 모니터링을 통해 추정이 가능하다([표 2], [그림 3] 참조).

 

1) 탁도 제거효과
하천수의 탁도는 하천의 유량조건에 의해서 상당한 영향을 받는다. 그러나 계절에 따라 하천 표류수 탁도의 변동이 크더라도 하상여과에 의한 여과수에서는 비교적 낮고, 일정한 값을 보인다([표 3] 참조).

 

 
2) 미생물 제거효과
박테리아와 바이러스와 같은 미생물들은 하상여과시설 운영 과정을 거치면서 상당부분이 제거되는 것으로 알려져 있다. 하천수 수질에 영향을 미치는 총 대장균수와 분원성 대장균은 하천의 생물학적 환경성을 파악하는 대표적인 항목이며, 이 두 가지 항목을 측정하여 미생물의 제거 효율을 가늠할 수 있다([표 4] 참조).

 

 

1) 수평착정공의 장대형화
근래의 하상여과 등의 간접취수 관련 사업은 기존 집수정의 한정된 취수용량으로 인한 점용부지 선정에 따른 민원발생이 큰 화두로 제기되고 있다. 이를 해결하기 위해 한정된 부지 안에서 대용량화하는 방법으로 발주자와 사용자의 만족도를 높일 수 있다. 기술적인 발달과 함께 굴진장비가 대형화, 선진화 하는 추세이지만, 지형적 특성을 무시하고 시공이 어려우므로 많은 경험과 특화된 기술을 적용하여 시공되어야 한다.

특히 굴착식 하상여과공법의 시공 특성상 하상의 대수층 하부를 수평 굴착하기 때문에 대부분의 지층은 모래 섞인 실트질 자갈(GM)과 입도분포가 불량한 실트질 자갈(GP)등 주로 입자크기가 큰 퇴적자갈층으로 이루어져 있어 수평착정에 어려움이 있었다.

이를 해결하고 착정공의 장대화를 통한 취수량 증대를 위해 다음과 같은 특허로 장대화시 발생되는 수평착정공의 휨 현상을 조정하여 최적 설계된 도서에 의한 정확힌 시공이 이루어지도록 하는 것이다([표 5] 참조).
 

2) 인공함양에 의한 취수량 증대
우리나라의 대부분의 하천지층은 세립질의 충적층이어서 하상(강변)여과시설만의 취수용량에는 한계가 있고, 여과수에는 철과 망간의 농도가 상대적으로 높다는 문제를 가진다. 또한, 대용량의 여과수를 개발하기 위하여 다수의 양수정을 한 지역에 설치하는 경우 주변의 지하수위가 저하될 수 있어서 민원의 소지도 크다.

최근에는 4대강사업이 진행된 지역을 중심으로 수변을 정리하여, 평형수변에 도달하기 전에는 침식이나 퇴적으로 인해 수변선이 변동될 수 있어 여과정의 안전이 위협받거나 산출유량이 감소하는 등 부작용이 우려된다.

이에 범람·휴지식 홍수터의 표면에 원수 즉, 하천수나 하수처리장 방류수를 살포하고, 투수성이 좋은 토양을 통과하면서 정화된 여과수를 토양 중 일정깊이에 설치된 하상여과시설의 수평집수관을 통해 집수하는 방안의 인공함양기술을 접목하여 취수량을 증대시킬 수 있다. 다음과 같은 특허를 적용하여 인공함양에 의한 취수량 증대를 도모할 수 있다[표 6].

 

 

 

기존 국내업체의 수질개선 및 건천화 방지 등을 목적으로 적용된 하상여과공법은 대부분이 대용량 취수를 목적으로 하는 굴착식 하상여과공법이며, 2012년 기준으로 2008년 시공된 서울 마포구 한강둔치(홍제천)에 취수량 1만7천㎥/일 규모의 하상여과 시설을 포함한 8개 지역이 적용된 사례가 있다.

홍제천 하상여과시설은 현재 한강 하류부의 하상오염 슬러지로 인한 취수량 감소로 인해 연 4회 정도의 역세정을 실시하고 있는 실정이다. 2013년도 현재는 충남 아산시 곡교천에 기존의 굴착식 하상여과기술에 장대집수관과 인공함양, 토양여과를 접목시킨 공법으로 설치 중이며, 전남 곡성군 곡성천에 개착식 하상여과기술을 적용하여 설계 및 운영 중이다([그림 5] 참조).

또한, 다주건설㈜에서는 국내 최초로 굴착식 하상여과기술 단일공정으로 말레이시아에 진출하여 2013년 5월에 2만5천㎥/일 규모의 쿠알라 캉사르시 굴착식 하상여과공법을 적용한 사례가 있으며, 탄종 마니스 하상여과시설을 개발 중이다([그림 6] 참조).

※ 본 연구는 환경부와 한국환경산업기술원에서 연구비를 지원 받는 Eco-STAR project(수생태복원사업단)의 연구과제로 수행된 결과로써 이에 감사드립니다.