KR101752813B1 - 지하수의 수위 유지 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 지중에 존재하는 지하수가 일정한 수위를 유지할 수 있도록 하는 지하수의 수위 유지 장치에 관한 것으로, 상세하게는 지중에 계획 심도까지 천공되는 지중홀; 상기 지중홀에 인입되며 하부의 일정 구역에는 내부와 연통하는 복수의 통공이 형성되는 수위조절관; 상기 지중홀에서 상기 수위조절관의 둘레를 감싸도록 구성되며 입경이 서로 다른 둘 이상의 골재가 적층되는 골재적층부; 및 지중의 지하수에 대한 수위 상황을 실시간 감시하며 기설정된 수위 위치의 변동에 따라 선택적으로 상기 수위조절관을 통해 지하수를 보충 또는 배수는 수위유지수단;을 포함하는 것이 특징이다.

Description

지하수의 수위 유지 장치{The Water Level Maintenance Apparatus Of Underground Water}

본 발명의 지중에 존재하는 지하수가 일정한 수위를 유지할 수 있도록 하는 지하수의 수위 유지 장치에 관한 것이다.

지하수(地下水: groundwater)라 함은 지하의 지층이나 암석 사이의 빈틈을 채우고 있거나 흐르는 물을 말하는 것으로, 현재 활용할 수 있는 지하수는 지구의 중력에 의하여 지하를 유동할 수 있는 물만을 의미한다

이러한 지하수는 그 근원 상 바다나 강의 지표수가 증발되어 구름이 되고 이것은 비나 눈으로 땅 위에 강수(降水)되어 그 일부는 다시 유출되거나 증발되고 나머지 일부는 지하로 삼투(渗透)되어 지하수를 이루게 된다. 따라서, 지하수는 샘이나 우물의 형태로 지표수의 근원이 되는 지표상의 물 순환수 과정의 일부 형태라고 할 수 있다.

통상적으로 지하수는 지하수를 이루려면 모래나 자갈같이 물을 잘 통과시키는 지층인 투수층(透水層)이 있어야 하고 그 밑에는 암반층이나 점토층 같은 물이 잘 통과되지 않는 지층인 불투수층이 기층형태(基層形態)로 받쳐져 있어야 한다.

그리고 지중에서는 지하수로 포화된 윗표면인 자유수면(自由水面)을 지하수면이라고 하며 상기 자유수면은 일정한 수위를 유지한체 지하수가 고여 있거나 유동하고 있다.

한편 현대에 이르러 산업화가 진척됨에 따라 상술한 지하수의 사용 빈도가 급격히 늘어나게 되어 지하수자원 개발에 따른 지하수의 양수로 인하여 지반이나 지층에 심각한 문제를 야기하고 있다. 이러한 문제는 직접적인 지하수의 사용뿐만 아니라 무분별한 도시 개발 과정에서도 지하수에 영향을 줄 수 있다.

지하수 고갈로 인한 자연 재해로는 싱크홀(sinkhole) 현상을 예로 들 수 있다.

지중에서는 2.5m 깊이 들어갈 때마다 1기압씩 압력이 증가하게 되므로 깊은 암반층에서의 압력은 지하수가 버텨내고 있는 것인데, 지하수가 사라지면 지중 공간은 막대한 압력을 버텨내지 못하고 가라앉게 되는 것이 싱크홀 현상이라 할 수 있다.

즉, 싱크홀은 지하수 네트워크에 이상이 생기면서 만들어진 것으로, 지하수를 너무 많이 끌어다 쓰면 지중 수위가 낮아지면서 지하수가 감당하던 압력을 땅 속 공간이 고스란히 받게 되고 이 결과로 지표가 무너져 싱크홀이 만들어지는 것이다.

지하수를 너무 뽑아 쓰면 멀리 떨어진 곳의 지반도 내려앉게 되는데, 지하수도 지표수처럼 높은 곳에서 낮은 곳을 향해 흐른다. 지중 수위가 낮은 지점에서 물을 많이 끌어 쓰면 높은 곳에 있는 지하수가 이동해 공동이 생기며 땅이 내려앉는 것이다.

현재 우리나라의 경우에도 상기 싱크홀 현상이 점점 자주 출현하고 있는데 우리나라에서 발생하는 싱크홀의 경우에도 앞서 설명한 바와 같이 지하수의 과잉양수 영향이라 할 수 있다.

이처럼 과잉양수 등으로 인한 지하수의 변동은 싱크홀과 같은 자연 재해를 유발하는 요인이라 할 수 있으며, 이러한 자연재해는 경제적인 손해는 물론 인명사고로도 연결될 수 있는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허 제2014-0135601호(2014.11.26.)

따라서 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 안출된 것으로, 지중에 존재하는 지하수의 수위를 실시간으로 감지하고 지하수가 일정한 수위를 유지할 수 있도록 함으로써 지하수 고갈과 같은 지하수의 변동을 방지할 수 있는 지하수의 수위 유지 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상술한 본 발명의 목적을 해결하기 위한 본 발명의 지하수의 수위 유지 장치는, 지중에 계획 심도까지 천공되는 지중홀; 상기 지중홀에 인입되며 하부의 일정 구역에는 내부와 연통하는 복수의 통공이 형성되는 수위조절관; 상기 지중홀에서 상기 수위조절관의 둘레를 감싸도록 구성되며 입경이 서로 다른 둘 이상의 골재가 적층되는 골재적층부; 및 지중의 지하수에 대한 수위 상황을 실시간 감시하며 기설정된 수위 위치의 변동에 따라 선택적으로 상기 수위조절관을 통해 지하수를 보충 또는 배수는 수위유지수단;을 포함하는 것이 특징이다.

하나의 예로써, 상기 골재적층부는, 하부로부터 설정된 수위 위치까지 적층되는 제 1 골재층; 상기 제 1 골재층의 상부에 적층되며 제 1 골재층보다 상대적으로 입경이 작은 골재로 구성되는 제 2 골재층; 상기 제 2 골재층의 상부에 적층되는 제 3 골재층; 및 상기 제 3 골재층의 상부로부터 지면까지 적층되는 콘크리트층;을 포함할 수 있다.

하나의 예로써, 상기 제 3 골재층은 벤토나이트(Bentonite) 재질로 구성될 수 있다.

하나의 예로써, 상기 골재적층부는 상기 제 3 골재층과 콘크리트층 사이에 적층되며, 동절기 동상압에 의한 수위조절관의 파손을 방지하기 위해 동상에 민감하지 않고 배수특성이 우수한 PET골재(Polyethylene terephthalate aggregate : 폴리에틸렌 테레프탈레이트로 코팅한 골재)를 더 포함할 수 있다.

하나의 예로써, 상기 수위유지수단은, 상기 수위조절관의 상단과 연통되어 지하수를 보충 또는 배출하기 위한 입출관; 상기 입출관과 연결되는 하나 이상의 펌프; 상기 수위조절관에 장착되어 지하수의 수위를 감지하는 수위센서; 및 상기 수위센서의 감지신호에 따라 상기 펌프를 구동시켜 지중의 지하수를 보충 또는 배출하는 제어부;를 포함할 수 있다.

하나의 예로써, 본 발명의 지하수의 수위 유지 장치는, 상기 지중홀에서 상기 수위조절관의 통공이 형성된 하부 구역을 감싸도록 구성되는 여과망;을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 지하수의 수위 유지 장치는 지중에 존재하는 지하수의 수위를 실시간으로 감지하고 지하수가 일정한 수위를 유지할 수 있도록 함으로써 지하수 고갈과 같은 지하수의 변동으로 인한 제반 문제들을 방지할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지하수의 수위 유지 장치를 나타내는 측단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 골재적층부의 구성을 나타내는 측단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 통공과 여과망을 나타내는 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수위유지수단의 구성을 나타내는 블럭도.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지하수의 수위 유지 장치를 나타내는 측단면도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 골재적층부의 구성을 나타내는 측단면도이다. 그리고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 통공과 여과망을 나타내는 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수위유지수단의 구성을 나타내는 블럭도이다.

본 발명의 지하수의 수위 유지 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 지중홀(10)과, 상기 지중홀(10)에 인입되며 하부의 일정 구역에는 내부에 연통하는 복수의 통공(200)이 형성되는 수위조절관(20)과, 상기 지중홀(10)에서 상기 수위조절관(20)의 둘레를 감싸도록 입경이 서로 다른 둘 하나 이상의 골재가 적층 구성되는 골재적층부(30) 및 지중의 지하수에 대한 수위 상황을 실시간 감시하며 기설정된 수위 위치의 변동에 따라 선택적으로 상기 수위조절관(20)을 통해 지하수를 보충 또는 배수는 수위유지수단(50)을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 지중홀(10)은 지면으로부터 계획 심도까지 천공되어 있으며, 그 직경은 상기 수위조절관(20) 및 골재적층부(30)가 배치될 수 있는 충분한 크기를 갖는 것이 바람직하다.

이때 상기 계획 심도는 적어도 지하수의 수위 위치보다 하부에 위치할 수 있다.

상기 수위조절관(20)은 통상의 관 형상으로 그 일단의 일부는 지상으로 노출되게 구성되어 있으며 타단은 상기 지중홀(10)의 바닥면에 배치될 수 있다.

이러한 수위조절관(20)은 앞서 설명한 바와 같이 타단 즉 지중홀(10) 바닥면에 위치하는 하부의 일정 구역(이하 '하부 구역(A)'이라 함)에만 통공(200)이 형성되어 있으며, 지중의 지하수가 상기 골재적층부(30)의 공극을 통해 하부 구역(A)으로 유도되면 상기 통공(200)으로 지하수가 유입될 수 있고 이렇게 유입된 수위조절관(20) 내부의 수위를 통해 지중 지하수의 수위를 추정할 수 있게 되는 것이다.

그리고 상기 수위조절관(20)은 수위 감지 목적뿐만 아니라 상기 수위유지수단(50)과 연결되어 지중 내의 지하수의 수위를 조절하기 위한 목적으로 활용될 수 있다. 일 예로 상기 수위조절관(20)은 상기 통공(200)을 통해 지하수를 외부로 배수하거나 외부로부터 유입되는 물을 지중 내로 보충할 수 있다.

여기서 본 발명의 일 실시예에 따른 지하수의 수위 유지 장치는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 상기 지중홀(10)에서 상기 수위조절관(20)의 통공(200)이 형성된 하부 구역(A)을 감싸도록 구성되는 여과망(40)을 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 여과망(40)은 지중 지하수가 통공(200)을 통해 유입될 때 이물질을 여과함으로써 통공(200)에 대한 폐색 방지와 토사 유실 방지 효과를 제공할 수 있으며, 특히 과도한 양의 지하수가 일시에 통공(200)으로 유입되거나, 외부로부터 공급되는 많은 양의 보충수가 일시에 지중으로 배출되지 않도록 하는 등 유량을 제어할 수 있도록 함으로써 통공(200)이 형성된 하부 구역(A)에 대한 골재들이 유실되는 것을 방지할 수 있다.

이러한 여과망(40)은 공지 기술에 의한 다양한 재질을 적용하여 구성할 수 있으며, 일 예로써 부직포(不織布, non woven fabrics) 또는 지오텍스타일 재질의 여과망을 적용할 수 있다.

한편 상기 골재적층부(30)는 상기 수위조절관(20)의 둘레를 감싸도록 구성되어 있으며 입경이 서로 다른 둘 이상의 골재가 적층되는 구조로 상기 지중홀(10)에 배치될 수 있다.

상기 골재적층부(30)의 적층 구조는 지중홀(10)의 하부로 갈수록 입경이 작은 골재를 적층하는 것이 바람직한 바, 이러한 적층 구조를 통해 골재 간의 공극 또한 하부로 갈수록 커지게 되어 지중 지하수의 순차적이면서 안정적인 하부 흐름을 유도할 수 있게 되는 것이다.

구체적으로 본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 골재적층부(30)는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 지중홀(10)의 하부로부터 설정된 수위 위치까지 적층되는 제 1 골재층(300)와, 상기 제 1 골재층(300)의 상부에 적층되며 제 1 골재층(300)보다 상대적으로 입경이 작은 골재로 구성되는 제 2 골재층(310)와, 상기 제 2 골재층(310)의 상부에 적층되는 제 3 골재층(320) 및 상기 제 3 골재층(320)의 상부로부터 지면까지 적층되는 콘크리트층(330)을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 제 1 골재층(300)은 최하부층에 해당되는 것으로 자갈 등과 같이 입경이 큰 골재를 사용함으로써 설정된 수위 위치에서 지하수의 유동이 제 1 골재층(300)의 공극을 통해 자유롭게 이루어질 수 있도록 한다.

그리고 제 2 골재층(310)은 상기 제 1 골재층(300)보다 입경이 작은 것으로 예를 들면 모래와 같은 골재가 사용될 수 있다. 이러한 제 2 골재층(310)은 골재의 입경 또한 제 1 골재층(300)보다 작게 형성됨으로써 설정된 수위 위치보다 상부에서 지하수의 유동을 제한함으로써 지하수 수위가 상승하는 것을 방지하도록 한다.

상기 제 3 골재층(320)은 상기 제 2 골재층(310)보다 입경이 작은 것으로, 본 실시 예에 따르면 제 3 골재층(320)은 벤토나이트(Bentonite) 재질로 구성되는 것을 제시하고 있다.

상기 벤토나이트는 점토의 일종으로, 물과의 친화력이 강하여 물을 흡수하면서 팽창하는 성질을 갖기 때문에 지중 지하수가 정상 수위보다 상승하여 제 3 골재층(320) 위치까지 도달할 경우 지하수를 흡수하여 팽창하게 됨으로써 수위 상승으로도 상기 수위조절관(20)을 견고하게 지중홀(10)에 고정 및 지지하면서도 지중홀(10) 자체 벽면에 대한 붕괴를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 외부로부터 유입되는 물을 주입하여 지하수 수위를 조절함에 있어 주입수의 역류를 방지할 수 있다.

상기 콘크리트층(330)는 최상부에 위치하는 불투수층으로 지면으로부터 삽입 설치되는 상기 수위조절관(20)을 지중홀(10)에 고정 및 지지하도록 한다.

여기서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 골재적층부(30)는 도면에 도시된 바 없으나, 상기 제 3 골재층(320)과 콘크리트층(330) 사이에 적층되며, 동절기 동상압에 의한 수위조절관(20)의 파손을 방지하기 위해 동상에 민감하지 않고 배수특성이 우수한 PET골재(Polyethylene terephthalate aggregate : 폴리에틸렌 테레프탈레이트로 코팅한 골재)를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 수위유지수단(50)은 지중 지하수에 대한 수위 상황을 실시간으로 감지할 수 있다. 일 예로써 상기 수위유지수단(50)은 앞서 설명한 바와 같이 수위조절관(20) 내부의 수위를 통해 지중 지하수의 수위를 감지할 수 있는 바, 상기 수위조절관(20)에 장착되어 지하수의 수위를 감지하는 수위센서(520)를 구비할 수 있다.

그리고 상기 수위유지수단(50)은 상기 수위센서(520)의 감지 신호를 입력받고, 기설정된 수위 위치에 대한 데이터와의 비교 분석을 통해 지중 지하수의 변동을 파악하는 제어부(530)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 기설정된 수위 위치는 해당 지역에 대한 지반 및 토양 조사 과정을 통해 도출된 정상 수위 위치를 의미할 수 있다.

또한 상기 수위유지수단(50)은 상기 수위조절관(20)의 상단과 연통되어 지하수를 보충 또는 배출하기 위한 입출관(500) 및 상기 입출관(500)과 연결되는 하나 이상의 펌프(510)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 수위유지수단(50)의 제어부(530)는 아래와 같은 과정을 통해 지하수에 대한 수위를 유지할 수 있다.

상기 제어부(530)는 도 4에 도시된 바와 같이 비교분석부(531)와, 제어신호 생성부(532)를 포함하는 것으로, 먼저 상기 비교분석부(531)는 상기 수위센서(520)로부터 감지된 감지신호를 입력받고 이를 기설정된 정상치 수위 데이터와 비교 분석을 실시한다.

상기 비교분석부(531)는 감지신호에 따른 감시 수위 데이터가 정상치 수위 데이터의 범주에 해당되면 현재 지하수의 수위가 정상이라고 판단할 수 있으며, 상기 감시 수위 데이터가 정상치 수위 데이터의 범주를 초과하게 되면 지하수의 양이 늘어난 것으로 판단할 수 있다.

그리고 상기 비교분석부(531)는 상기 감시 수위 데이터가 정상치 수위 데이터의 범주 미만이면 지하수의 양이 부족한 것으로 판단할 수 있다,

한편 상기 제어신호 생성부(532)는 상기 비교분석부(531)의 분석 결과를 전달받고, 분석 결과에 따라 펌프(510)를 가동시키기 위한 제어신호를 생성한다.

즉, 상기 제어신호 생성부(532)는 상기 비교분석부(531)의 분석 결과에 따라 선택적으로 상기 펌프(510)를 가동시키는 것으로 예를 들면 지하수의 양이 늘어났다는 결과에 대해서는 양수펌프를 가동하는 제어신호를 생성함으로써 도면에 도시된 바 없으나 지중의 지하수를 수위조절관(20)과 연결된 입출관(500)을 통해 외부에 있는 지하수 저장조로 배수하도록 한다.

그리고 상기 제어신호 생성부(532)는 지하수의 양이 부족하다고 판단된 결과에 대해서는 유입펌프를 가동하는 제어신호를 생성함으로써 지하수 저장조에 저장된 지하수를 상기 입출관(500)을 통해 수위조절관(20)으로 보충하도록 한다.

이와 같은 제어부(530)는 실시간 수위 감지에 따라 지하수를 보충 및 배출하는 것으로, 상술한 분석을 위한 구성뿐만 아니라 유체의 이동을 물리적으로 제어하기 위하여 복수의 밸브와 유량계(540) 등이 더 구비될 수 있음은 당연하다.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시 예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시 예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시 예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어져야 할 것이다.

10 : 지중홀 20 : 수위조절관
30 : 골재적층부 40 : 여과망
50 : 수위유지수단 200 : 통공
300 : 제 1 골재층 310 : 제 2 골재층
320 : 제 3 골재층 330 : 콘크리트층
500 : 입출관 510 : 펌프
520 : 수위센서 530 : 제어부
540 : 유량계

Claims (6)

1. 지중에 계획 심도까지 천공되는 지중홀;
   상기 지중홀에 인입되며 하부의 일정 구역에는 내부와 연통하는 복수의 통공이 형성되는 수위조절관;
   상기 지중홀에서 상기 수위조절관의 둘레를 감싸도록 구성되며, 상기 수위조절관의 하단으로부터 사전에 수위유지 대상 지반에 대하여 지반 및 토양 조사과정을 통해 설정된 정상 수위 위치까지 적층되는 제 1 골재층과, 상기 제 1 골재층의 상부에 적층되고 상기 제 1 골재층보다 상대적으로 입경이 작은 골재로 구성되는 제 2 골재층과, 상기 제 2 골재층의 상부에 적층되고 벤토나이트(Bentonite) 재질로 구성되어 지중 지하수가 상기 설정된 수위 위치보다 상승할 경우 지하수를 흡수하여 팽창함으로써 상기 수위조절관을 지지하는 제 3 골재층 및 상기 제 3 골재층의 상부로부터 지면까지 적층되는 콘크리트층을 포함하는 골재적층부; 및
   지중의 지하수에 대한 수위 상황을 실시간 감시하며 상기 정상 수위 위치의 변동에 따라 선택적으로 상기 수위조절관을 통해 지하수를 보충 또는 배수는 수위유지수단;을 포함하되,
   상기 수위유지수단은,
   상기 수위조절관 내부에 장착되어 지하수의 수위를 실시간으로 감지하는 수위센서;
   상기 수위센서의 감지 신호를 입력받고 이를 상기 정상 수위 위치에 대하여 기설정된 정상치 수위 데이터와 비교 분석하여 지중 지하수의 변동을 파악하며, 그에 따라 선택적으로 제어신호를 생성 및 출력하여 지중의 지하수를 보충 또는 배출하도록 명령하는 제어부;
   상기 수위조절관의 상단과 연통되어 지하수를 보충 또는 배출하기 위한 입출관;
   상기 입출관과 연결되고 상기 제어신호에 의해 가동되어 지중의 지하수를 외부의 지하수 저장조로 배수하는 양수펌프; 및
   상기 입출관과 연결되고 상기 제어신호에 의해 가동되어 상기 지하수 저장조에 저장된 지하수를 상기 입출관을 통해 수위조절관으로 보충하는 유입펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수의 수위 유지 장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 골재적층부는,
   상기 제 3 골재층과 콘크리트층 사이에 적층되는 PET(polyethylene terephthalate) 골재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수의 수위 유지 장치.
   
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서,
   상기 지중홀에서 상기 수위조절관의 통공이 형성된 하부 구역을 감싸도록 구성되는 여과망;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수의 수위 유지 장치.

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