수상자 상세정보
수상자 상세정보
물 복지 사각지대를 위한 우회형 모래댐(바이패스형 샌드댐)*을 개발하여 지역 맞춤형 용수를 안정적으로 확보하고, 가뭄 대응력을 높임
증발과 결빙으로부터 자유로운 바이패스형 모래저장댐
샌드댐은 원래 건조 지역에서 연 1-2회 발생하는 홍수를 막아 토사를 침전시키고, 그 안의 물을 취수하기 위해 고안된 기술이다. 이를 우리나라 기후와 계곡에 맞게 응용하여 세계 최초로 상수도 인공 함양 기술로 전환하였다. 계곡의 흐름을 차단하지 않고, 하천 바닥에서 스며 나오는 깨끗한 물을 집수하는 바이패스형 샌드댐으로 설계하였다. 샌드댐 내부에 채운 모래 속에 물이 저장되기 때문에 표면에서 물이 증발하더라도 모래 속 물은 안전하게 보존되며, 겨울철에도 얼지 않는 이중 효과가 있다. 샌드댐 내부의 모래는 보온 및 정수 기능도 한다. 또한 유공관이 모래 입자로 막히지 않도록 필터팩 스크린을 설치하여 깨끗한 물을 사시사철 공급할 수 있게 하였다.
샌드댐 월류수와 저장된 지하수량을 동시에 해석하는 통합 수문해석 기술
샌드댐의 설계 용량을 결정하기 위해서는 해당 유역의 장기적인 물수지 분석이 필요하다. 과거 발생했던 극한 가뭄 시의 기상 조건에서도 물 공급이 가능하도록 저수 용량과 공급 수량을 평가하였다. 이를 위해 이전 연구에서 개발한 세계 최초의 완전연동형 지표수-지하수 해석모형 SWAT-MODFLOW를 활용하여 테스트베드 유역에 대한 지표수-지하수-취수원 통합 시뮬레이션을 수행하였다. 지표수 유입 조건에 따른 샌드댐 내 3차원 지하수 흐름 해석을 수행하고, 동시에 모형실험과 비교하여 최적의 설계 인자를 도출하였으며, 적용 결과를 다수의 국제 논문집에 발표하였다.
예로부터 성공적인 치수(治水)는 태평성대의 기본 조건이었습니다. 인류의 4대 문명 역시 강을 중심으로 발달했으며, 물을 다스리는 지도자가 민심을 얻었습니다. 현대 사회는 과학기술의 발달에 힘입어 수자원 관리도 고도화되었습니다. 특히 우리나라는 1970년대부터 다목적댐을 중심으로 상수도 시설을 확충하여 국민들의 물 걱정도 덜었습니다. 하지만 여전히 기상이변으로 인한 극한 가뭄과 홍수 피해에 취약한 물공급 소외지역이 존재합니다. 수확철 불청객 가을 가뭄은 농심을 애태우기도 합니다. 11월 이달의 과학기술인상 주인공 정일문 박사(한국건설기술연 수자원하천연구본부장)는 20년 넘게 ‘지속가능한 지하수자원 개발’이라는 한 우물을 판 수공학자입니다. 전국 방방곡곡 물 걱정 없도록 지역 맞춤형 수자원 개발을 위해 노력하는 정일문 박사를 만났습니다.
큰 상을 주신 과기정통부와 연구재단, 그리고 연구사업의 발주처인 환경부에 깊이 감사드립니다. 개인적으로도 영광이지만 함께 고생한 연구진들은 물론이고 건설연 김병석 원장님과 직원 모두에게도 큰 기쁨의 소식이었습니다. 가뭄대응 지하수 활용 연구단장으로 수고하신 대전대 김규범 교수님, 샌드댐 시공을 담당한 ㈜인텔리지오 이치형 부사장님, 오동환 부장님, 수질분석을 맡은 K-Water 안경환 위원님, 샌드댐-지하수 연계운영 분석을 담당하신 동국대 이상일 교수님께 특별히 감사드립니다. 무엇보다 연구를 통해 춘천 물로리 주민들에게 직접적인 도움을 줄 수 있어 공공기술을 연구하는 공학자로서 자긍심을 느낍니다.
물을 다루고 연구하는 수공학은 앞으로 어떤 세상이 오더라도 중요하고 유익한 학문일 것이라는 생각으로 진로를 결정했습니다. 수공학은 물의 시공간적 부존과 균형을 파악하는 수문학(hydrology)과 물의 흐름에 따라 변화하는 힘에 대처하는 수리학(Hydraulics)으로 대별되며 하천, 호소, 해안과 같은 지표수와 육안으로 보이지 않는 물인 지하수까지 다루는 응용학문입니다. 그러다 보니 토목공학, 농공학, 자원공학, 환경공학, 지질학 등 다학제 영역에서 유사한 공부를 합니다.
제 연구의 키워드는 ‘지속가능한 지하수자원 관리’라고 할 수 있습니다. 미국의 경우 캔자스 서쪽에는 세계에서 가장 큰 지하수저장층인 오갈랄라 대수층이 있는데 지난 40년간 수십 미터의 지하수 하강이 일어났습니다. 하지만 강수량을 통해 자연적으로 다시 채워지긴 어려운 상황입니다. 때문에 석유자원처럼 수십 년 후에는 고갈될 것을 예상하면서 물을 사용하고 있습니다. 그에 비해 우리나라는 잘 관리하면 미래세대도 충분히 이용할 수 있는 지하수자원을 가지고 있습니다. 그래서 무작정 지하수를 많이 뽑아 쓰는 것이 아니라 자연적인 충전이 이루어지는 범위 내에서 쓸 수 있도록 개발 가능량을 제시하는 연구를 진행해 왔습니다.
우리 본부는 기후위기에 따른 수재해 저감기술 개발에 매진하고 있습니다. 일례로 2023년 4월 주암댐의 저수율이 50% 이하로 떨어져 물공급 대응 방안 마련을 위해 고심했습니다. 하지만 위기를 넘기고 얼마 지나지 않은 7월에는 거꾸로 호우가 발생하여 침수로 인한 인명피해가 발생했습니다. 이처럼 가뭄과 홍수가 빈번하게 일어나는 기후변화에 대응해 물을 연구하는 사람들은 수재해 저감을 위한 구조적, 비구조적 대책을 강구합니다. AI를 이용하여 홍수와 가뭄을 예측하는 소프트웨어 기술과 무너지지 않는 하천제방을 만드는 하드웨어적 기술을 동시에 연구하고 있습니다.
우리나라는 1970년대부터 대규모 다목적댐을 건설하고 광역상수도로 연결하여, 전국에 용수를 공급함으로써 경제발전의 원동력을 마련했습니다. 현재 전국의 상수도 보급률은 약 98%에 이릅니다. 하지만 여전히 하천 상류 등 상수도 인프라 마련이 어려운 미보급지역과 소규모 수도시설을 활용하는 물공급 소외지역은 가뭄에 취약합니다. 이들 지역에는 현지적응형 물공급 체계가 필요한데, 수원의 확보와 최적 이용 방안, 그리고 연계 가능한 수원과의 결합 가능성이 관건입니다. 특히 유역 최상류에 위치한 산간지역은 계곡수와 복류수를 통해 공급되는 지하수 유출량을 활용하는 방안을 강구해야 합니다. 이에 우리 연구본부는 국내 최초로 계곡수와 복류수의 인공함양 기술인 샌드댐을 이용하여 물공급을 확대하는 방안을 검토하였습니다. 아프리카 건조지대에서 사용하는 샌드댐에서 착안, 모래를 채운 공간에 계곡수를 저장하는 한국형 샌드댐을 고안했습니다.
샌드댐을 이용한 저류는 증발의 최소화, 지하수 함양, 오염저감, 시공의 간편성 등이 장점입니다. 샌드댐은 원래 건조지역에서 연중 1-2회 발생하는 홍수류를 막아 토사를 침전시킨 후 그 안의 물을 취수하는 매우 원초적인 기술입니다. 이를 우리나라 계곡지역에 맞게 응용하여 상수도 인공함양 기술로 전환하는 세계 최초의 시도를 했습니다. 샌드댐 내에 채운 모래 안에 물이 저장되므로 표면에서 물이 증발되어도 모래 안에는 물이 안전하게 저장되며 겨울철에도 얼지 않는 이중효과가 있습니다. 또한 계곡의 흐름을 직접 막는 것이 아니라 하천 바닥을 통해 스며 나오는 물을 저장하는 바이패스형 샌드댐으로 설계하였습니다. 또한 댐체 안의 모래가 정수기 기능을 하며, 유공관이 막히지 않도록 하는 필터팩 스크린을 설치해 깨끗한 물을 연중 가정으로 직접 공급하는 큰 장점이 있습니다. 한편, 샌드댐 규모 설계를 위해 과거 극한 가뭄 시의 기상 조건에도 물공급이 가능하도록 저수용량과 공급수량을 평가하는 지표수-지하수-취수원-통합모의분석을 수행하여 그 결과를 다수의 국제논문으로 발표하였습니다.
우선 과제 시작 2년 안에 샌드댐의 테스트베드를 결정해야 했습니다. 전국 물공급 부족지역 100여 곳을 현장 조사한 결과 춘천시 북산면 물로리가 최종 선정되었습니다. 이어 설계를 위해 현장 수문관측이 2년간 진행되었는데요. 추운 겨울 계곡수가 얼어 관측이 어려웠던 기억이 납니다. 더불어 관측과 모델링을 통한 수문해석과 동시에 현장에서는 시공을 진행하였습니다. 워낙 깊은 산지여서 공사차량 진입이 어려웠는데 주민들의 희생과 도움으로 가능했습니다. 시공 후에도 많은 시행착오를 통해 샌드댐 바닥이 새지 않도록 수밀성을 확보하였고 유공관에 모래가 막히지 않도록 하는 등 운영 기간까지도 세부적인 부분들을 고민하고 해결하며 현장 대응형 기술개발에 성공하였습니다.
사실 물로리 선정 전 첫 후보지에서는 한 주민이 계곡에 큰 댐을 짓는 것으로 오해하여 절대 반대하셔서 결국 후보지를 변경해야 했습니다. 아무리 좋은 기술이라도 주민들의 생활에 영향을 미치는 경우 주민들의 설득과 이해를 먼저 도모하는 것이 중요함을 깨달았습니다. 반대로 두 번째 후보지였던 물로리의 경우 주민들이 환영해주셔서 연구진들이 이장님 댁에 모여서 회의도 하고 토론도 하면서 화기애애하게 연구를 진행할 수 있었습니다. 덕분에 마음 따뜻한 기억을 갖게 되었는데요. 주민들이 참관하는 가운데 운영 테스트를 하던 날, 마른 모래 속에서 물이 콸콸 쏟아질 때의 감격은 이루 말할 수 없는 감동이었습니다.
우리나라에서 계곡수에 전적으로 의존하는 수도 시설은 622개소에 이릅니다. 이들 지역은 앞으로도 안정적인 물공급이 어려운 상황입니다. 산간 지역까지 상수도를 연결하는 비용은 너무 크기 때문에 샌드댐 같은 대안기술을 통해 현지 맞춤형 물공급 전략을 세워야 합니다. 본 연구진은 연구성과를 지속적으로 지자체에 홍보하고 있으며, 여러 지자체에서 현장 견학을 오고 있습니다. 다만, 샌드댐 건설에 예산과 시간이 필요한 만큼 쉽게 결정을 내리지 못하는 점이 아쉽습니다. 한편 우리 연구진은 샌드댐의 공급능력을 안정적으로 높이기 위해 하류에 소규모 지하댐을 건설하는 연구도 별도로 진행하고 있습니다.
학생들에게 기본적으로 컴퓨터를 이용한 수문모델링 기술을 습득하도록 독려합니다. 물수지 분석이라든지 지하수 흐름 해석 기술 등 각자 물에 대한 해석을 수행할 수 있는 도구가 필요하거든요. 더불어 창의적인 해석을 할 수 하도록 물 관련 이슈에 대한 해결 방안에 대해 다면적으로 검토할 것을 요구합니다. 이를 위해서는 선행 연구에 대한 충분한 독서와 이해가 필요합니다. 저와 함께 연구하여 UST에서 박사학위를 마치고 에티오피아 본국으로 돌아가 현재는 아다마 과기대 공대학장이 된 메스핀 톨레라 박사와 미국 캘리포니아대 데이비스의 연구원으로 근무 중인 비스랏 이프루 박사를 생각하면 자랑스럽고 지도교수로서 보람을 느낍니다.
최근 많은 대학이 국제 논문만 연구 실적으로 인정하기 때문에 국문논문집이 고사상태입니다. 하지만 한글로 작성된 논문의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 영어논문에 비해 직관적으로 빠른 이해가 가능하기 때문입니다. 그래서 고민 끝에 수자원학회 논문집을 스코푸스 등재지로 만들려는 노력을 기울였고, 그 결과 2022년에 등재되었습니다. 또한 50년의 역사를 가진 대한토목학회 국문논문집은 토목공학 전 분야의 트렌드를 한눈에 볼 수 있는 장점이 있고 대학원생들의 첫 논문 제출 등용문으로서 기능합니다. 1995년 제 첫 논문이 토목학회 논문집에 실렸는데 그때의 감동은 아직도 남아 있습니다. 최근의 논문 주제를 보면 기후변화 대응과 인공지능의 활용이라는 두 개의 키워드가 핵심이라고 할 수 있습니다.
어렵게 심사를 거듭하던 논문이 최종 채택되었다는 이메일을 받을 때입니다. 20년 전에는 국제논문 한 편이 출간되려면 최소 1년 반에서 3년까지 걸렸지요. 지금은 출판사에서 개인에게 저작권이 주어지는 오픈 액서스 저널이 활성화되며 훨씬 빨라졌습니다. 하지만 여전히 최종 편집본을 받아 볼 때 가슴이 뛰는 건 어쩔 수 없는 것 같습니다. 연구자는 논문으로 말한다고 생각합니다.
물 부족 해결을 위해 지하수와 지표수를 연계하여 이용하는 기술의 모의실험을 심도 있게 수행하고, 현장에 접속시켜 실용화하려고 합니다. 또한 우리나라 지하수의 이용과 보전에 관해 정책적인 부분도 고민하고 있습니다. 지하수를 이용한 분산형 물 공급 시스템의 도입이 그중 하나입니다. 지하수의 강점은 수질이 좋고 원위치에서 공급이 가능하다는 점입니다. 신도시 공원에 위치한 약수터를 생각하면 이해가 될 겁니다. 이와 같은 시의적절한 대안이 마련될 수 있도록 이론적인 뒷받침을 하고자 합니다.
솔직히 말씀드리면 저는 대학시절 적성과 진로문제로 많이 고민했습니다. 다른 학우들에 비해 이해가 더디어 두 배로 열심히 공부해야 겨우 따라갈 수 있었습니다. 4년간 단 한 번의 결석도 하지 않았으니까요. 하지만 대학원에서 전공을 수공학으로 정하고 연구 분야를 좁히니 본격적으로 흥미가 생기며 창의적인 생각도 많이 할 수 있었습니다. 진로가 적성이 맞지 않는 것 같아 고민인 경우라도 수많은 세부 연구 분야 중에서 선택과 집중을 통해 자신의 길을 제대로 찾을 수 있음을 알려드리고 싶습니다. 마지막으로 자신이 하는 연구가 이 세상을 위해 어떤 도움을 줄 수 있는지를 잊지 않는 과학기술인이 되시길 당부드립니다.