지하수 데이터 활용, 지진·싱크홀 등 사전에 막는다

우남칠 연세대 교수 연구
박영복 pyoungbok@hanmail.net | 2015-05-18 16:21:51

지하수 데이터 활용해 땅속 비정상적 흐름 파악한다


네팔 대지진으로 인해 사망자 수가 6200명을 넘어섰고, 앞으로 최대 1만5000명에 달할 것으로 전망하고 있다. 부상자 수도 1만4000명 에 이르고 800만 명이 피해를 입었다고 한다. 경제적인 피해 또한 커 재건 비용만 최소한 20억 달러에 이를 것으로 추산하고 있다. 우리나라도 지진의 안전지대는 아니다.


이러한 상황에서 연세대 우남칠 교수는 지하수 관측데이터를 이용해 지하수 흐름의 비정상적 변화를 찾아내 지진 등에 대비할 수 있는 프로그램을 개발했다. 이 프로그램이 향후 국가적인 기반시설 및 민간 주요시설 안전과 재난 예방에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.


지하수 흐름 파악, 안전 확보와 재난을 예방

△ 우남칠 연세대 교수
연세대 지구시스템과학과 우남칠 교수는 지하수 환경을 전공하고 있으며, 환경재난은 발생하기 전에 미리 예방해야 한다고 주창하고 있다. 이런 관점에서 지하수 흐름의 변화를 통해서 지진과 그 영향을 미리 예측하고 평가하기 위한 연구를 수행하고 있다. 이는 지하수 관측 데이터를 실시간으로 활용하는 프로그램을 적용해 지진이나 씽크홀처럼 지하매질의 급격한 변화를 사전에 파악하고 미리 대비한다면 국민과 산업시설의 안전을 도모할 수 있을 것이라 설명하고 있다.


현재 국가지하수정보센터 홈페이지에서는 지하수 관측 데이터를 제공하고 있다. 연세대 우남칠 교수는 “이러한 데이터들이 전문가에게만 한눈에 들어와 해석이 가능하다”며 “지하수 전문가가 아닌 산업체 안전관리담당자 또는 일반인들도 이해하기 쉽게 지하수 관측 데이터를 실시간으로 활용하는 프로그램을 개발하게 됐다”고 개발 동기를 설명했다.


우 교수가 개발한 이 프로그램이 국가기반산업시설이나 민간 주요시설에 대해 지진과 같은 급격한 지구재난에 따른 안전예방에 도움이 될 것으로 기대하고 있다.


‘지하수 시계열자료 분석 프로그램’ 저작 등록

△ ATGT 프로그램의 초기화면
프로그램 명칭은 ‘지하수 시계열자료 분석 프로그램(Analysis Tool for Groundwater Time-series: ATGT)’으로 한국저작권위원회(등록번호 C-2015-004946)에 (조선주, 우남칠, 이현아·연세대학교 지하수연구실)이름으로 저작 등록(창작 2015.01.24./등록 2015.03.05.) 돼 있다.


우남칠 교수는 이 프로그램에 대해 “지하수 관측 시계열자료의 자동적인 분석을 통해, 비정상적인 변동을 보이는 지하수 관측자료를 실시간으로 파악하고, 이러한 변화의 원인을 분석함으로 지진에 의한 변동인지 여부를 판단할 수 있도록 기상청의 지진기술개발사업의 지원으로 개발됐다”고 말했다.


지하 암반 풍화대에 발달된 공극이나 암반 내 발달된 균열 등을 통해서 흐르는 지하수는 지표수에 비하면 대단히 느리지만 지속적으로 유동하는 특성을 지닌다. 우 교수에 따르면 “지하수의 유동량과 수질은 관측지점별로 거의 일정하게 유지되며 큰 변화가 없다는 것이 많은 연구에서 보고돼 왔다”며 “그러나 비록 서서히 유동하지만 끊임없이 흐르고, 유동하는 범위가 지하 수 백 미터까지의 암반층을 모두 포함하기 때문에 실제적으로 우물을 통해 지하수를 자원으로 개발할 때에는 상당한 양을 획득할 수 있다”고 한다.


암반 내 균열이나 공극을 통해 유동하는 지하수는 암반과 함께 지각의 압력을 받으며 동시에 암반을 구성하는 광물질과 지속적으로 화학적 반응을 일으켜 지하수질을 조성하게 된다. 이러한 지하수의 물리적, 화학적 특성이 지하수 관측자료에서는 지하수위와 전기전도(물에 녹아 있는 용존이온들의 총량을 지시하는 인자)로 확인된다.  

따라서 지하의 특정 지점에 위치하는 지하수의 수위와 수질을 자동관측을 통해 규칙적이며 장기적으로 자료를 관측하면 이로부터 시계열 자료가 생성되는데, 이러한 시계열 관측 자료들은 지하수가 받게 되는 암반 내부적 요인과 외부적 요인에 민감하게 반응해 주변 환경의 변화를 반영하게 된다고 우 교수는 설명하고 있다.


△ 지진으로 폭발사고가 일어난 일본 후쿠시마 원전
지진을 예로 들어 설명하면, 지진 발생 이전의 지하수환경에서 보이는 지하수의 변동을 정상적 변동(normal variation)이라고 할 때, 지진이 발생하기까지 암반에 스트레스가 축적되는 기간과 지진 발생 후 그 스트레스가 지진에너지로 방출돼 주변 지역으로 확산돼 나가는 상태는 지하수환경 측면에서는 비정상적인(abnormal) 환경이며, 이러한 상태는 지하수 관측자료에 반영이 될 것이다.


지진 발생 이전에 지질매체에 가해지는 스트레스의 변화는 수압의 변화를 초래하여 지하수위의 변동으로 나타날 수 있다. 지진 발생 이전에 서서히 지질매체에 발생되는 미세균열 등은 지하수의 유동경로를 변경시키고, 서로 다른 수질을 지니는 지하수의 혼합을 유발하게 되어 지하수질의 변동을 초래할 수도 있다.


그러므로 시계열 자료에서 비정상적으로 변동하는 이상변동(abnormal and abrupt change)의 시점(time)과 그 변동량(magnitude)을 통계적으로 추출하여 그 원인을 규명할 수 있으면, 그 이후에는 적절한 대책수립이 가능하다.

 
사용자 편의 극대화 프로그램 구성
우 교수의 이 프로그램은 이러한 비정상적 변화를 관측망 관리자가 쉽게 인지하고 분석할 수 있도록 사용자편의를 극대화하는 방향으로 구성됐다.


지하수 전문가들은 나름대로 자료를 분석하는 기술들을 보유하고 있지만, 실제로 지하수를 관리하는 현장관리자들은 그러한 전문지식을 갖고 있지 않으므로, 그동안 지하수학계의 전문지식은 선진화되고 있음에도 불구하고 실질적인 지하수의 관리는 제자리걸음을 하고 있었다는 평가를 하고 있다. 따라서 이러한 과학기술을 현장에 적용하는 방법으로 이 프로그램을 사용할 수 있을 것이다. 현재까지 개발된 프로그램(version 1.0)은 단순히 지진연구 목적에 부합하도록 그 내용과 기능이 구성됐지만, 앞으로 지진 이외의 지하수환경 변화를 초래하는 다양한 지하공간 개발과 이에 대한 모니터링 자료의 분석에 활용할 수 있도록 프로그램을 업그레이드 시킬 예정이라고 한다.


우남칠 교수는 이 프로그램에 대해 “이 기술은 지하공간을 개발해 지하수의 흐름장을 변화시키는 대형 구조물과 국가기간 산업시설과 민간설비 등의 안전성을 담보하는 방법으로 지하수 모니터링 자료를 활용하는데 큰 기여를 할 수 있을 것”이라고 기대했다.


이 기술은 우선적으로 지하공간을 개발해 사용 중인 국가 기간산업 시설인 원자력발전소, 방사성폐기물처분시설, 도시 지하철도 구간 등에서 지하수의 변동을 관측 분석하여 비정상적인 변화를 추출하고 그 원인을 규명하는데 큰 도움이 될 것으로 기대된다.


또한 추후 발생가능한 지진에 의한 이들 산업시설의 파괴와 재난을 선제적으로 예방하는데 중요한 기능을 할 수 있을 것으로 기대된다.

[환경미디어 박영복 기자] 

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