복합공법에의한해양심층수취수시설건설 정동호김현주문덕수맹주영해양시스템안전연구소 / 한국해양연구원해양심층수연구센터 Construction of intake system for Deep Ocean Water with Hybrid Installation Method DONG-HO JUNG, HYEON-JOO KIM, DEOK-SOO MOON Maritime and Ocean Engineering Research Institute, KORDI / MOERI KEY WORDS : Deep Ocean Water 해양심층수 Hybrid Installation Method 복합부설공법, Bottom Pulling Method 해저면풀링공법, Surface Tow Method 해수면예인공법, Laying Method 부설공법 요약문 : 국내최초의육상형해양심층수개발시스템이건설되었다. 수심 300m와 500m로부터해양심층수를취수하기위하여해저면위혹은아래에파이프라인을부설하였으며, 경제성및시공성을고려하여해저면예인법, 해수면예인법, 부선선법등을복합적으로적용하여부설하였다. 취수관의끝단은항상해저면으로부터 5m 이상위치할수있도록취수구구조물을설치하여청정한해양심층수가유입되도록하였다. 배수시설은해조장조성을위하여수심 7m 지점의암반위에설치되었으며, 정온해역상태를선택하여해수면예인법에의하여부설되었다. 취수관을통해유입된해양심층수는사이펀원리에기초하여자연낙차에의하여이루어질수있도록펌프피트를 DL (-) 4.8 깊이에건설하였다. 현재취, 급, 배수시설은시운전중이며 1000 ton/day 이상의해양심층수를안정적으로취수할수있다. 본연구의결과는우리나라해양심층수개발을위한건설기술에일조할수있을것으로기대된다. ABSTACT : The construction for Deep ocean water development in land-based system was carried out for the first time in Korea. The HDPE(hig density polyethylene) pipe reinforced with wire rope or steep pipe under or on the seabed was installed in order to intake DOW at the water depth of 300m and 500m by hybrid installation method which the bottom pulling method in shallow water and surface tow method and laying ship method in deep water were mixed. The intake point of pipeline can be kept up at the 5m above seabed in order to intake fresh DOW with a intake frame structure. The pipeline for discharged DOW including even nutrition was installed with the surface tow method. The pump pit was constructed at the DL (-) 4.8 depth for a natural head of water. It is on a trial operation for stable pumping, and 1000 ton/day of DOW can be intake with the developed system. 1. 서론국내최초로해양심층수를취수하기위한취, 급, 배수시설공사가강원도고성군오호리해역에서진행되었다. 고성군오호리해역은국내에서가장단거리에서해양심층수자원을취수할수있는지역으로, 해양심층수자원의안정성, 저온성, 청정성, 부영양성등의특징이매우우수한것으로나타났다 (2003, 김현주 ). 고성군오호리해역에서수심 200m 이상해저에존재하는해양심층수를육상까지안전하게이송하기위해서는파이프라인의설치를통한방법이경제적인것으로알려졌다. 해양심층수를이송하기위한취수관은설치해역의해양외력환경, 해저지형및저질, 항행및어로조건, 취 수관의관종에따라해양심층수의자원적특성에악영향을미치는지여부를검토할필요가있다. 최근강화된유연관이다양하게개발되어왔으나특수관제작비용등에의한경제적문제와제작가능한관의규모에한계가있는실정이다. 취, 급, 배수시설은취수구, 취수관, 취수펌프및 Pit, 육상급수관및저수시설등으로이루어진다. 취수구는저질이흡입되지않도록흡입구가항상바닥으로부터떠있을수있는구조로하며, 취수관은심층수의유용한자원적특성인수질을보존한채수km떨어진육상으로끌어올리는데필요한관로이다. 취수펌프설비는흡입양정의극복을위해자유수면이하까지피트를파서자연유하식이나펌프취수식으로하고, 육상급수관은취수펌프로부터육상의이용
시설까지해양심층수를공급하는관로이다. 취수관을설치하는부설공법은해저면예인법, 해수면예인법, 부설선법, 릴바지공법등이있으며, 가용설비 / 공법과해양환경 / 저질을고려하여경제적인공법으로결정하여야한다. 본연구에서는동해심층수취, 급, 배수시설시스템건설에대하여전반적인소개를하며, 특히해저면예인법, 해수면예인법, 부설선법등의복합공법에대하여소개한다. 2.1 건설개요해양심층수를이용하기위한전체시스템은취, 급, 배수시설로구성되며, 다시육상부분건설과해상부분건설로나눌수있다. 전체건설에대한개요는 [ 표 1] 과같으며, [ 그림 1] 및 [ 그림 2] 에서는전체평면도및건설과정플로우챠트를보여주고있다. [ 표 1] 해양심층수취 급 배수시설건설개요 2. 본론 [ 그림 1] 해양심층수취 급 배수시설평면도 자재구매및입고 야적장다지기 오탁방지막설치 론치웨이제작및설치 자재야적및정리 취, 급, 배수관연결, 취수구제작 해상준설 해저면예인에의한취수관설치 (KP.0.0-1.0) 취, 급, 배수관매설위한육상부터파기펌프피트건설육상부취, 급수관설치 해수면예인에의한취수관이동선상부설에의한취수관부설 (KP. 1.0 - 취수구 ) 취수구설치육상부와해상부취, 급, 배수관연결 해수면예인에의한배수관및배수구설치육상부배수관설치 시운전 완공 [ 그림 2] 해양심층수취 급 배수시설건설과정흐름도
과업의내용해양심층수취급배수시설건설시공업체경화건설, KT Submarine 등공사기간 05년 7월 - 06월 2월공사금액약 40억장소강원도고성군죽왕면오호리해역 300m/500m 심층수 1,000톤 / 일취수대상용취, 급, 배수시설 2.2 취수시설의건설 ( 해상부분 ) 취수시설은해양심층수공급을위한가장중요한시설중의하나로써, 취수관을해저면위혹은아래에설치하여해양심층수의안내자로서의역할을수행하게된다. (1) 취수관및취수구제작취수시설은수심 300m와 500m의해양심층수를육상까지이송하는취수관과취수관의끝단을유지하고있는취수구등을포함한다. 취수관은해양심층수가직접통과되는안내자로서의역할을수행하기때문에해양심층수의청정성, 저온성등의특성유지와직접적으로연결된다. 따라서, 적정한취수관재질의선정은양질의해양심층수취수에있어서가장중요한항목중의하나이다. 취수관으로서의기능을안전하게수행하기위해서는구조적안정성을가질수있는재질을선택하여야하므로, 기능성과안정성을동시에만족시킬수있는재질이선택되어져야한다. 본연구에서는실시설계내용을바탕으로고밀도폴리에틸렌 (HDPE, High Density Polyethylene) 관을선택하였으며, 취수관의매설여부및경제성등을고려하여수심별로적절하게보강하였다. 설치된 HDPE관은외경 216mm, 두께 19.8mm의재원을가지고있다. 특히취수관으로결정된 HDPE관은비중이약 0.95 이므로해수중에서가라앉기위해서는중량을증가시킬필요가있으며, 취수관설치과정중에서발생하는고장력에저항하기위하여인장력을증가시켜야한다. 따라서, 본연구에서는 HDPE관을수심에따라적절하게보강하였으며, 해안선에서 1km까지 (KP 0.0-1.0) 천해역부분은강관을사용하여보강하였는데, 외경 318mm ( 두께 6mm) 강관내부에 HDPE관을삽입하였다. 이를통하여 HDPE관이외부의하중으로부터안전할수있으며, 중량도증가시킬수있었다. 5m 마다강재밴드를이용하여두라인을하나의번들로제작하였으며, 이부분은해저면하 1.5m 이상매설하였다. 해안선에서 1km 떨어진지점에서취수구까지는 HDPE관바깥쪽에두가닥의와이어로프를이용하여체결하여중량과인장력을증가시켰다. 특히심해역부분은취수관설치과정에서고장력이발생할수있기때문에와이어로프가발생하는전체장력을유지할수있도록제작 하였다. HDPE관과와이어로프의체결은강재밴드를이용하여이루어졌으며, 역시 5m 간격으로밴드를설치하였다. 취수관의맨끝부분에는취수구가설치되는데, 취수구는취수관끝단이해저면으로부터 5m 높이만큼위치해서청정한해양심층수를취수할수있도록도와주는역할을수행하게된다. 따라서, 취수구는구조적으로안정할뿐만아니라, 기능적으로취수구를유도하면서일정한높이만큼유지시켜야한다. 취수구의재질은강재이며, 공칭직경은 150mm이다. 한편취수구끝단에는스트레이너를설치하여어류의취수관내유입을방지하게되는데, 본연구에서는외경 300mm의레듀사를설치한후서스재질의강재를이용하여어류의유입을막았다. 취수구는해수환경에서부식되는것을방지하기위하여희생양극방식을채택한아노이드 (anode) 를설치하였는데, 취수구 1기당 10개의아노이드를설계내용에기초하여설치하였다 ([ 그림 3]). [ 그림 3] 취수구전체형상 (2) 해저면예인법에의한천해역취수관설치 (KP. 0.0-1.0) 취수관설치를위한준비가끝난후에는본격적인해양심층수취수관설치공사가이루어졌다. 천해역 (KP. 0.0-1.0) 구간은해저면예인법을적용하여취수관을설치하였다. 해저면예인법은해상공사에서매우일반적으로사용되고있는공법으로써, 우리나라에서도파이프라인설치공사에서이공법을적용한바있다. 육상에는취수관진수로를건설한후진수로위에취수관을설치하며, 바아지혹은선박이해상에위치하여육상의취수관과설치선박사이에로프를연결하여끌어당겨서설치하는공법이다. 본공사에서는바아지대신선박을이용하여취수관을예인하였으며, 이용된선박은 KT서브마린소유의세계로선박이다. 세계로호의가장큰장점은동적위치유지시스템 (DPS, Dynamic Positioning System) 을보유하고있다는것이다. 이를통하여해양환경하중하에서도원하는위치에서장시간동안유지할수있으며, 취수관부설작업동안에도취수관을일정위치에부설할수있다. 또한 ROV(Remotely Operated Vehicle) 를
보유하고있기때문에취수관부설을마무리한후검사작업이수행될수있다는큰장점을보유하고있다. 세계로호선박은 KP. 1.2 ( 수심약 20m) 지점에위치하면서육상에준비된취수관과선박사이를로우프를연결하여예인작업을수행하였다. 천해역부분은 HDPE관이강관내부에삽입되기때문에풀링헤드 (pulling head) 앞으로 HDPE관이약 100m 빠져나온상태로예인되었다. 강관내부에는해수가주입되었으며, HDPE관내부에는부력증가를위하여공기가찬상태로예인하였다. 또한예인시장력을감소시키기위하여강관번들에잉여부력재를설치하였다. [ 그림 4] 은작업선박에의하여번들로제작된강관이해저면예인되는장면을보여주고있다. 번들로제작된 1km 길이의취수관이모두예인된후에는잠수부에의하여취수관설치현황을확인하였다. 원하는위치에취수관이설치된것을확인된후에는부력재를제거하여트렌치내에안전하게놓이도록하였다. [ 그림 4] 해저면예인장면 박법을동시에적용하는복합공법이적용되었다. 1km 길이의취수관을해저면예인법에의하여설치한후에는풀링헤드역할을수행하는막대를제거하여, 수심 500m용취수관 1라인은해수면에부이를이용하여매달아두었다. 수심 300m용취수관은부설선박위로끌어올려서이동해오는취수관과연결할준비를하였다. 이와동시에육상에서준비된부설될취수관은예인선박을이용하여부설선박으로이동하는작업을개시하였다. 예인선박은총 3척이사용되었으며 2척은예인전용터그보터이며 1척은연락선으로활용되었다. 부설되는취수관은 HDPE관바깥쪽에 32mm 와이어로프 2가닥을이용하여보강된취수관인데, HDPE관내부에해수를주입하지않으면해수면위에부상하게된다. 따라서예인되는취수관양쪽끝단을캡으로막고진공상태를유지하기만하면취수관은해수면위에부상된상태로예인되었다. 그러나, 수심 50m 부근지역에는 50mm 와이어로프가보강되어취수관전체의중량이전체부력보다크기때문에취수관을부상시키기위하여일정간격으로부이를매달아서이동시켰다. 한번예인되는취수관의길이는 400m 혹은 600m로구성되었는데, 해상상태에따라적절하게조정하였다. 설계내용은 1km 취수관 1 라인을예인하도록되어있었으나, 해역환경조건을고려할때취수관의파손이야기될수있으므로하나의라인길이를조정하였다. [ 그림 5] 은예인선박에의해서취수관이해수면예인되고있는모습을보여주고있다. (3) 해수면예인및부설선법에의한심해역취수관설치 (KP. 1.0 - 취수구 ) 해저면예인공법에의하여천해역부분에취수관설치가끝나고나면, KP. 1.0 지점에서부터는해수면예인법에의한취수관의이동과부설선박에의한취수관부설이이루어진다. 앞서언급한바와같이우리나라에서건설된해저파이프라인은대부분이해저면예인법에의하여설치되었으며, 해수면예인법은최초로시도되는공법이다. 물론동해가스전파이프라인은부설선박에의한부설선법이적용되어졌지만, 그경우에는취수관전체를드럼에감아서선박에탑재한후선박에서직접포설하는방법을적용하였다. 그러나, 본연구에서는취수관의특이성및경제성때문에취수관을드럼에감아서선박에탑재하는것이불가능하였으며, 해수면예인법에의하여취수관을육상으로부터부설선박까지이동하는국내최초의공법을적용하였다. 외국의경우해수면예인법에의하여이동한후부설선박을이용하지않고직접부설하는경우가있으나, 해안선주변에어장이많이산재하고해양환경이열악한국내동해안에서는부적합하기때문에해수면예인법과부설선 [ 그림 5] 해수면예인법에의한취수관예인장면 (a) 슈트 (b) 취수관을선박위로올리는장면 [ 그림 6] 예인된취수관을부설선박위에올리는장면해수면예인법을통하여취수관을부설선박까지이동한후에는부설선박의포트 (port) 부위에설치된슈
트 (shute) 에연결하여부설선박으로끌어올렸다 ([ 그림 6]). 슈트를통하여예인된취수관을부설선박위로끌어올린후에는해저면예인을통하여이전에설치된취수관과연결을하였다. 이과정에서도육상에서접속방법과마찬가지로열융착방법이적용되었다. 취수관융착을통하여연결이이루어지고난후에는부설선박선미를통하여취수관을부설하기시작하였다. 이과정중에예인된수백미터의취수관은해수면위에부상된상태로있게되는데, 파랑및해류에의해서흘러갈수있기때문에취수관끝단에예인선 1척이위치하면서취수관의형상을유지할수있도록유도하였다. 해수면위에부상중인취수관이해양환경하중에의해서일정구간을벗어나면취수관이슈트에서벗어나서부설이어렵게되기때문에예인선의일정한장력유지를통하여취수관의형상을유지할수있도록하였다. 취수관의연결이이루고난후에는부설선박에서취수관을내리면서부설이진행되었다. 부설선박은일정속도로전진하며이와동시에취수관을풀면서부설이이루어졌다. 앞서언급한바와같이취수관내부에공기가가득찬상태에서는취수관이해수면에부상되기때문에, 부설되는취수관을해저면에가라앉히기위해서는임의로취수관내부에해수를공급해야했다. 따라서, 취수관이부설되는과정에선상에서신호를전달하면육상에서는미리펌프를준비하고있다가부설된취수관길이에대한부피만큼해수를주입하였다. [ 그림 7] 부설선박을통하여부설되는취수관부설하는과정에서취수관의장력유지는부설선박에서공급되는와이어로프에의해서이루어졌다. 취수관이부설선박으로올라오면선박의포트엔진에연결된와이어로프를취수관에연결하였으며, 이로인하여취수관에발생하게되는장력은와이어로프에작용하게되었다. 연결된취수관은연속적으로부설하였으며, 부설하는동안새로운취수관을육상으로부터예인하여작업의효율성을기할수있도록하였다. [ 그림 7] 은선상을통하여취수관이부설되고있는장면을보여주고있다. 이상의과정을연속적으로수행하여취수관을부설하였으며, 수심 300m용취수관을모두설치한후에는취수구를설치하게되었다. 마지막에취수구를설치하는과정에서는취수관내부에머무르고있는에어제거 작업이이루어졌다. 육상에서부터해수를공급하여에어를제거하는작업을수행하였지만, 취수관내부에는상당한양의에어가존재하였으며따라서취수관끝단을해수면위에서수분동안머무르면서에어를완전히제거한후에취수구조물을내릴수있었다. 300m용취수관을설치한후에는 500m용취수관을설치하였다. 부이에의해서매달아놓았던취수관을회수하여선박위로끌어올린후에예인된취수관과연결하였다. 500m용취수관또한 300m용취수관과동일한공법에의하여부설하다. 2.3 배수시설의건설 ( 해상부분 ) 취수관을통하여해양심층수를취수한후에연구센터에서는다양한목적으로원수를이용하게되며, 이용된해양심층수는배수시설을통하여인근해양으로배출된다. 배출되는해양심층수에도여전히영양염류를포함하고있기때문에주변에배출되었을때해조장조성에기여할수있을것으로기대된다. 연구센터에서나온배수관은육지에서남쪽을타고내려와서펌프피트앞에설치된맨홀을거쳐계획된죽도북측으로설치되어졌다. 배수구의최종위치는수심 5-10 m 지점을설치하고자하였는데, 잠수부의탐방에의하여육상에서약 350m 떨어진지점에수심 7m 지점의암반을찾아서최종취수구위치로설정하였다. 취수관은취수되는심층수의수온을유지하기위해서 HDPE 관을사용하였지만, 배수관재질은설계내용에기초하여외경 318mmm 강관으로선정되었다. 배수구설치방법또한변경되었는데, 배수루트의준설이취소되었기때문에해저면예인법을수행하지않았다. 이로인하여론치웨이의제작이취소되어건설비감소를유도할수있었다. 해저면예인법대신해수면예인법을수행하게되었는데, [ 그림 8] 에서보는바와같이육상에서약 400m 떨어진지점에바지가위치하면서구조물을예인하였다. 강관내부에공기를주입하면충분한부력을가질수있다는계산결과에의해서, 강관내부에해수가유입되지않도록배수구구조물에조치를하였다. 별도의부력재는설치하지않았으며예인을용이하게수행하기위해서배수구에 7개의부력재를설치하였다. (a) 해수면예인장면 (b) 설치된후배수구형상 [ 그림 8] 해수면예인법에의한배수구조물예인및설
치후형상원하는지점까지예인이완료된후에는부력재를제거하고배수구및배수관을가라앉히기시작했다. 먼저취수구에부착된부력재를제거하면서취수구를가라앉히고, 취수구를통하여해수를주입하였다. 해수가유입되면서가라앉기시작했고취수구가가라앉을때는잠수부가직접관찰하면서조절하였다. 바아지에서로프로연결되어일정한장력을유지하고있기때문에배수관은여전히일직선을유지할수있었으며, 배수구구조물이해저면위에앉은후에는배수관을착저시켰다. 육상부쪽에서도강관끝단을백호장비를동원하여지탱하여취수구의원활한예인을유도하였다. 2.4 급수시설의건설 ( 육상부분 ) 설치하였다. 이것은펌프의흡입양정에비하여토출양정이크기때문에비상시운용하기위해서이다. 또한 300m용취수관을통하여흡입된심층수를 500m용급수관으로급수될수있도록하였으며, 역시반대로급수될수있도록시공하였다. [ 표 2] 에서는펌프의제원을보여주고있다. 펌프에관련되는재질은해수에대하여부식이강한금속을선택하였다. 펌프피트를통과한해양심층수는연구센터까지급수관을통하여이송된다. 급수관을통하여이송된해양심층수는해양심층수연구센터내수산실험동 2층에위치한수조로이송된다. 저장수조는 300m, 500m 수심에서취수된해양심층수를각각저장할수있도록 20ton 규모로건설되었다. 저장수조에서나오는해양심층수는각각수산실험동, 산업실험동, 연구센터동등으로이송된다 ([ 그림 9]). 급수시설은취수된해양심층수를펌퍼피트를통하여해양심층수연구센터까지보내기위한것으로써, 펌프피트의건설이가장핵심적인시설이다. 취수구에서펌프피트까지는사이폰원리에의한자연수위차에의하여취수될수있도록건설되었으며, 이를위하여취수관의모든부분이해수면아래 1.5m 이하로설치되도록하였다. 취수관매설깊이의증가는곧자연취수량의증가를의미하지만, 매설깊이의증가는건설비의증가를가져오기때문에매설지역의토질, 적정한유량, 취수관직경등을적절히고려하여 1.5m로결정되었다. 해상의취수관을통하여이송된해양심층수는펌프피트로이동된다. 펌프피트는지하2층규모로건설되었으며, 취수관을이동하면서발생한손실수두를회복하기위하여펌프피트바닥면을해저면아래 4.8m에위치하도록건설하였다. 펌프는총 4대가설치되었는데, 300m 수심용 2대, 500m 수심용 2대가설치되어비상용펌프를각각준비하였다. 또한취수관내부에발생하는에어제거를위하여진공펌프가 1대설치되었다. 펌프는펌프피트바닥으로부터 0.4m 높이에설되어펌프의진동으로인한지하구조물의손상을방지하도록방진구조로건설되어졌다. [ 표 2] 취수펌프재원펌프전양정 34 (m) 모터용량 15 (hp) NPSH 4 (m) 속도 1750 (rpm) 재질 STS316 펌프의구성은직렬연결뿐만아니라, 300m용취수관으로유입된심층수를 500m용취수관으로토출될수있도록구성하였으며, 반대로 500m용취수관을통하여흡입된심층수를 300m용취수관으로토출될수있도록 [ 그림 9] 수산실험동내어류수조에공급되는해양심층수 5. 결론본연구에서는국내최초로수행된해양심층수취, 급, 배수시설건설공사의주요공정에대하여다루었으며, 특히취수관부설을위한복합공법에대한최초적용방식을소개하였다. 취수관은고밀도폴리에틸렌관을강관혹은와이어로프를이용하여보강하였으며, 취수관의특성및경제성을고려하여수심별적절한부설공법을적용하였다. 천해역은해저면예인법이적용되었으며, 심해역은해수면예인에의한이동과부설선법을통한부설이이루어졌다. 배수관은해수면예인법에의하여설치되었다. 본공사를통하여향후우리나라해양심층수취수관설치기술에대한자료축적과더불어해수면예인법에대한적용기술확보가가능하게되었다. 후기본연구는해양수산부의지원으로수행된 ' 해양심층수다목적이용개발 연구결과중일부임을밝히며, 연구비지원에감사드립니다. 참고문헌 [1] 김현주외 (2003). 해양심층수의다목적개발 (3)" 해양수산부최종보고서 2002.