서 론
IoT 기술 활용 광물찌꺼기 적치장 안전 모니터링을 위한 시스템 구축
계측장비 선정 및 설치 지점
클라우드 기반 광물찌꺼기 적치장 실시간 모니터링 시스템 구축
결과 및 고찰
광물찌꺼기 적치장 구조물 경사의 변화
광물찌꺼기 적치장 침출수 발생량의 변화
결 론
서 론
광산폐기물 적치장은 과거 광산개발 부산물인 광물찌꺼기 및 폐(광)석 등의 오염원을 환경적으로 안전하게 보관 및 관리하기 위하여 광산 인근 부지를 활용하여 구축한 시설물이다. 일반적으로 지정폐기물로 구분된 광물찌꺼기의 경우 광구로 지정된 구역 내에서 이송과 보관이 가능하지만 외부지역으로는 반출 및 반입 등의 행위를 금지하기 때문에 과거 광산개발지역 내에 적치장이 설치되어 있다. 이러한 광산폐기물 적치장은 대부분 고도가 높은 임야 또는 계곡부에 위치하고 있기 때문에 하부 수계방향으로 광물찌꺼기 유실, 침출수 유출 등의 지속적인 환경문제를 야기 시키고 있다.
광산폐기물 적치장 사고의 주요 원인은 월류(overtopping), 사면불안정(slope instability-static failure), 지진(earthquake- seismic instability), 유입수 또는 침출수에 의한 침식 및 변형(seepage and internal erosion), 구조물 자체의 결함(structural inadequacies, inadequate or failed decants) 등 다양한 요소에 의하여 발생하는 것으로 확인되었다(ICOLD, 2001; Bowker and Chambers, 2015, Bowker and Chambers, 2016, Bowker and Chambers, 2017). 전 세계적으로 1915년부터 2019년도까지 광물찌꺼기 적치장에서 발생한 사고는 356건으로 확인되었으며, 특히 올해 초 브라질 미나스제라이스주(Minas Gerais)에 위치한 Córrego do Feijão 광산에서 발생한 Brumadinho dam 붕괴사고는 십수 년간 액화상태로 존재하던 광산폐기물이 사면부를 약화시키면서 붕괴가 일어났다. 유출된 광산폐기물의 양은 약 12,000,000 m3 규모로 유실구간은 약 8.0 km에 이르고 300명의 인명피해 등을 발생시키며 역대 5번째 큰 사고로 기록되었다(WMTF, 2019).
국내의 경우 관할 지자체 또는 한국광해관리공단(MIRECO)에서 시공하여 현재 관리 중인 광산폐기물 적치장은 전국적으로 64개소이며, 이들은 다양한 적치량 및 적치형태로 존재하고 있다(Park et al., 2018). 이들 중 구룡광산 및 제2연화광산 등에 적치되어 있던 광산폐기물이 과거 발생한 태풍 루사(2002년), 매미(2003년) 등의 자연재해로 유실되어 주변 농경지 및 주거지에 환경피해를 발생시킨 바 있다. 또한 MIRECO(2016)에 따르면 2007년부터 2013년까지 광해방지사업을 완료한 총 19개 광산(22개소 적치장)의 안정성평가 결과 다수의 광산에서 우수배재시설, 복토층 및 식생 불량, 침출수 발생, 사면 및 옹벽 등의 결함이 확인되어 추가적인 집중관리가 필요한 것으로 확인되었다. 단, 광물찌꺼기 적치장과 유사한 시설물인 저수지를 관리하는 한국농어촌공사에서는 저수지에서 발생할 수 있는 붕괴로 재난발생 시 대비할 수 있는 현장조치 행동매뉴얼과 계측기의 운영 설치 등에 관한 가이드를 구축하여 운영 중에 있다. 특히 각각의 계측기 마다 관심, 주의, 경계, 심각 등의 예보 관리기준을 자체적으로 설정 및 구분하여 정량적인 수치를 명시하고 있다(MAFRA, 2017). 또한 광산폐기물 적치장에서 발생할 수 있는 위험요소별 적용 가능한 계측기기를 선정한 연구(Jung et al., 2018)가 있으나, 실제로 현장에 적용한 사례는 없는 것으로 확인된다. 이처럼 국내·외 광물찌꺼기 적치장에서 안전 및 환경적으로 문제가 지속적으로 발생하고 있으며, 광해방지사업 시설물만을 대상으로 수행된 실시간 감시 및 관리시스템의 적용은 없었다.
이에 본 연구에서는 옥동광산 광물찌꺼기 적치장을 대상으로 구조물 경사계, 유량계 및 기상관측소 등 다양한 계측장비를 설치하고 실시간 안전감시 및 중·장기적인 모니터링을 실시하여 현장 적용 가능성을 평가하였다.
IoT 기술 활용 광물찌꺼기 적치장 안전 모니터링을 위한 시스템 구축
계측장비 선정 및 설치 지점
국내 주요 광물찌꺼기 적치장 중 현장 사전답사를 통해 경북 의성군에 위치한 옥동광산을 선정하였다. 설치한 계측장비는 구조물 경사계, 지하수위계, 다점온도센서(Thermal Line Sensor, TLS), Parshall Flume 유량계, 기상관측소, 폐쇄회로 텔레비전(Closed-Circuit Television, CCTV) 등으로 자세한 사양은 Table 1과 같다. 구조물 경사계는 2축(X, Y)경사를 측정하면서 구조물의 안정성을 모니터링하기 위하여 선정하였으며, 적치장 내부로 유입되어 유동하는 우수, 지하수 등을 파악하기 위하여 지하수위계 및 다점온도센서를 설치하였다. 또한 적치장에서 발생하는 침출수량을 측정하고 배수로의 이상 유·무 등을 모니터링하기 위하여 수처리시설로 침출수가 유입되는 구간에 유량계를 설치하였다. 기타 일반적인 기상현황 및 실시간 육안관찰을 위하여 기상관측소 및 CCTV를 추가로 설치하였다.
Table 1. Specifications of measuring instruments applied in this study
옥동광산에 설치한 계측기기의 지점은 Fig. 1과 같이 콘크리트 댐체가 위치한 광물찌꺼기 적치장 사면 최상부에 구조물 경사계 2개와 기상관측소 및 CCTV를 위치시켰으며, 적치장 내에 4방위 방향으로 지하수위계를 5개 설치하였다. 그리고 적치장 하단부에 위치한 침출수 유도관 주변으로 다점온도센서 6지점을 설치하여 지하수의 유동 및 주변으로 확산가능성을 확인할 수 있도록 하였다. 또한 침출수의 유출량을 확인하기 위하여 적치장과 수처리시설에 연결된 배수관로에 유량계를 설치하였다. 구조물 경사계, 지하수위계, 다점온도센서, 침출수 유량계 등 계측기기별 관측주기는 1분으로 설정하였다. CCTV의 경우에는 항시 관측되도록 하였으며, 기상관측기기는 각각의 기후요소마다 2.5초에서 최대 50초까지 상이하게 적용하였다.
클라우드 기반 광물찌꺼기 적치장 실시간 모니터링 시스템 구축
사물인터넷(IoT)은 두 가지 이상의 사물들이 유·무선 인터넷망을 통하여 상호 연결됨으로써 실시간으로 개별객체들끼리 서로 정보를 주고받을 수 있는 개념으로 이를 이용하여 광물찌꺼기 적치장에 설치된 인터넷에 연결된 계측장비를 태블릿 또는 스마트폰 등의 장치를 이용하여 원격으로 제어하고 실시간으로 모니터링을 수행할 수 있는 플랫폼을 구축하였다. 즉, IoT 활용 모니터링 시스템은 적치장에 설치되어 있는 다양한 계측장비의 측정값을 IoT Gateway 역할을 하는 계측장치로 수집하여 라우터 및 기 설치된 유선망을 통해 원격지 클라우드 서버로 전송하여 데이터가 저장 및 관리되도록 구축하였다. 운영체제는 상용 소프트웨어인 windows server 2012를 사용하고, MS-SQL 2012를 활용하여 계측시스템을 통합적으로 관리할 수 있는 데이터베이스를 구축하였다. Fig. 2에서 보듯이 IoT 적치장 모니터링 클라우드 서비스는 PC 및 휴대폰에서 모두 이용 가능하도록 하였다.
클라우드 서비스에서 제공하는 계측정보 I 항목은 각 광산별로 설치된 다양한 계측기기의 실시간 계측자료를 나타내고 있으며, 계측정보 II 항목은 계측 값의 일일 최소 및 최대 값을 확인할 수 있도록 하였다. 또한 일일 및 월간 기상관측 및 심도별 다점온도변화, 침출수 유량변화 등을 그래프로 도시하여 경향을 파악할 수 있도록 하였다(Fig. 3).
결과 및 고찰
모니터링 대상인 옥동광산 광물찌꺼기 적치장에 설치한 다양한 계측기기 중 적치장 사고의 주요 원인인 구조물의 변형 및 침출수 유출특성을 평가하기 위하여 구조물 경사계 및 유량계의 변화를 시기별로 관찰하였다. 클라우드 서비스에 저장된 데이터 중 시스템이 안정화된 2019년도 6월 21일부터 10월 23일까지 약 5개월간(총 125일) 계측한 결과 값을 활용하였다.
광물찌꺼기 적치장 구조물 경사의 변화
옥동광산 적치장 사면부에 위치한 콘크리트 옹벽 구조물의 각도 변화를 Fig. 4 ~ Fig. 7에 도시하였다. 적치장 북쪽에 위치시킨 구조물 경사계(A)의 X축 초기 값은 – 0.172°이며, 월별 계측된 각도변화 값의 방향은 시간이 경과할수록 각도가 (‑)방향으로 변화를 보이다 (+)방향으로 다시 변화하는 것을 확인하였다. Y축 초기 값은 – 0.134°이며, 월별 계측된 각도변화 값의 방향은 시간이 경과할수록 각도가 (+)방향으로 변화를 보이다 (‑)방향으로 다시 변화하는 것을 확인하였다.
적치장 남쪽에 위치시킨 구조물 경사계(B)의 X축 초기 값은 0.589°이며, 월별 계측된 각도변화 값의 방향은 시간이 경과할수록 각도가 (‑)방향으로 변화를 보이다 (+)방향으로 다시 변화하는 것을 확인하였다. Y축 초기 값은 0.692°이며, 월별 계측된 각도변화 값의 방향은 시간이 경과할수록 각도가 (+)방향으로 변화를 보이다 (‑)방향으로 다시 변화하는 것을 확인하였다.
경사계(A) X축과 경사계(B) X축의 각도 변화 폭은 각각 0.107°, 0.167°로 아주 미세한 변화가 계측되었으며, (‑)방향에서 (+)방향으로 변화하는 것을 확인하였다. 경사계(A) Y축과 경사계(B) Y축 또한 각도 변화 폭은 각각 0.071°, 0.104°로 미세한 각도 변화가 발생하였으며, (+)방향에서 (‑)방향으로 변화하며 같은 방향성을 나타내었다.
옥동광산 적치장의 옹벽 구조물은 콘크리트와 철근을 사용한 반중력식 옹벽으로 콘크리트 설계기준강도 180 kg/cm2, 철근 항복강도(SD30) 3,000 kg/cm2의 설계조건을 적용하여 시공하였다. 옹벽의 규격은 높이(H) 2.5 m, 폭(W)은 지표에 노출된 옹벽 상단고 0.3 m, 하단고 0.7 m의 사다리꼴 형태이며, 총 길이(L) 63.5 m로 중앙부분이 약 160° 휘어진 L자 형태의 구조물이다(Mireco, 2008). 콘크리트 구조물은 온도, 일사량에 따른 열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion, CTE) 및 건조수축(drying shrinkage) 등 온도변화와 수분의 포화정도에 따른 영향으로 수축과 팽창이 발생한다. 일반적으로 열팽창계수(αc)는 콘크리트 배합에 사용된 골재의 종류, 양생시간 등에 따라 미세한 차이를 보이지만 보통 10E-05 m/m°C를 사용한다(Bae et al., 2014; Shin, 2016). 즉, 1m 길이의 콘크리트는 ±1°C의 온도 변화에 따라서 길이가 약 ±10E-05 m 변화할 수 있다. 이를 이용하면 길이 L(m)인 콘크리트의 온도변화량 △T(°C)에 대한 길이변화량 △L(m)은 (1)과 같은 식으로 설명할 수 있다.
| $$\bigtriangleup L=\alpha c\times L\times\bigtriangleup T\times1,000mm$$ | (1) |
Fig. 8에 도시한 그래프는 옥동광산 적치장에서 계측한 온도와 일사량으로 모니터링 기간인 6월의 평균 온도 및 일사량은 각각 21.0°C, 169.2 W/m2, 7월 23.3°C, 179.1 W/m2, 8월 24.7°C, 201.2 W/m2, 9월 20.5°C, 172.9 W/m2, 10월 15.0°C, 150.9 W/m2로 일사량이 온도 변화에 영향을 미치며 유사한 경향으로 나타났다. 모니터링 기간 동안 계측된 최저온도는 3.0°C, 최고온도는 36.8°C로 온도변화량 △T(°C) = 33.8°C로 확인되었다. 이를 정리하여 계산하면 옹벽 구조물은 최대 길이(L) = 21.463 mm, 상단 폭(Wh) = 0.101 mm, 하단 폭(Wl) = 0.236 mm, 높이(H) = 0.845 mm 정도의 변화폭이 발생할 수 있을 것으로 추정된다. 즉, 경사계에서 계측된 값은 옹벽 구조물이 X축 또는 Y축으로 회전하여 구조물 자체가 기울어지는 변형을 가져온 것보다는 온도, 일사량, 수분함량 등 다양한 요인에 의한 수축·팽창의 영향으로 미세한 값의 길이변화가 발생하고 이에 따른 각도가 미세하게 변화되는 것으로 추정된다. 경사계를 통해 적치장 구조물의 각도가 변화하는 것을 확인하였지만, 수축·팽창에 의한 보다 정확한 판단을 위해서는 지표면 신축계(extensometer)와 같은 추가적인 계측장비 설치가 필요하다. 또한 구조물의 균열 및 침하 등 전반적인 변형을 감시하기 위하여 균열측정계기(crack gauge & jointmeter), 침하계(settlement gauge) 등의 계측기가 필요한 것으로 판단된다.
광물찌꺼기 적치장 침출수 발생량의 변화
옥동광산 광물찌꺼기 적치장에서 발생하는 침출수 유출량을 기상관측소를 통해 현장에서 계측된 일강수량 자료와 함께 Fig. 9에 도시하였다. 강우 당일 또는 수일 동안 침출수 발생량이 증가하며 일강수량에 따른 침출수 발생량은 매우 유사한 경향이 나타나고 있다. 모니터링 초기 6월에는 침출수 유출량이 평균 48.1 m3/day로 나타났으며, 우기인 7월부터 9월 평균 95.4 m3/day의 침출수가 발생하는 것으로 확인되었다. 해당광산이 위치한 경북 의성군을 영향권으로 이동한 태풍 미탁(MITAG)에 의해 10월 초 최대 1,306.1 m3/day의 침출수가 발생하였으며, 이 후 급격하게 감소하고 있다. 또한 비가 내리지 않는 10월 중순 이후에도 약 20 ~ 30 m3/day의 침출수가 지속적으로 발생하는 것으로 확인되었다. 이는 적치장 상류지역에서부터 흐르는 계곡수와 우기 시 주변 임야지역에 함양되어 있던 지하수가 지속적으로 적치장 내부로 유입되고 있는 것으로 판단된다(Park et al., 2018). 현장에 설치된 유량계를 통해 수집된 데이터 및 실시간 데이터는 수처리시설로 유입되는 침출수량을 예측 및 실시간 관측할 수 있으며, 그에 대한 수처리시설(시설용량: 80 m3/day)의 효율적 관리 및 침출수 처리를 할 수 있을 것으로 평가된다. 단, 수질에 대한 부분을 고려하여 현장수질자동측정기의 설치가 추가적으로 고려되어야 할 것으로 판단된다.
결 론
이 연구에서는 국내 광해방지사업을 완료한 광산폐기물 적치장을 대상으로 IoT 기술을 활용한 실시간 모니터링 시스템을 구축하고 활용 가능성 및 방안에 대하여 평가하였다.
옥동광산 광물찌꺼기 적치장에 설치한 계측기기는 구조물경사계, 지하수위계, 다점온도센서, 침출수 유량계, 기상관측소, CCTV 등 총 6가지를 설치하였으며, 실시간 모니터링 시스템의 데이터베이스와 운용서버를 구축하여 구조물의 변형과 침출수 유출특성을 약 4개월간 관측하였다.
구조물의 변형을 관찰하기 위하여 적치장 옹벽에 설치한 구조물 경사계의 계측자료를 평가한 결과, 옹벽 구조물 경사 변화의 주된 요인은 계절변화에 따른 온도변화로 발생한 것으로 이는 콘크리트 구조물이 X축(상하회전) 또는 Y축(좌우회전)으로 회전을 하는 것이 아니라 수축 및 팽창에 의해 길이, 폭, 높이 등 구조물 연장에 변화가 발생하여 미세한 경사변화가 발생한 것으로 판단된다. 이러한 결과는 온도변화에 따라 시기적으로 반복하여 발생할 것으로 추정된다.
적치장으로부터 발생한 침출수는 계절적인 영향, 특히 태풍과 장마 등의 영향에 지배적인 영향을 받으며, 강우가 발생한 당일 또는 수일 동안 침출수 발생량에 영향을 미치는 것으로 보인다. 단, 10월 중순 이후 강우가 발생하지 않는 시기임에도 불구하고 약 20 ~ 30 m3/day의 침출수가 유출되고 있어 옥동광산 수처리시설의 지속적인 가동 및 주변 확산에 대한 모니터링 및 관리가 필요하다. 또한 현장에 설치된 지하수위계, 다점온도센서 등 침출수의 유동특성을 파악할 수 있는 계측기기들은 통신사 변경 및 추가 배선설치 등의 현장 여건에 따라 전체 모니터링 기간 중 측정누락 기간이 발생하였으며, 일시적인 서버와의 송수신 불량 등 운용상의 문제점이 보완될 수 있도록 주기적인 관리가 필요할 것으로 판단된다.
향후 적치장 안전에 영향을 미치는 인자간의 상호 연관 작용 및 위험요소들의 보다 정확한 해석을 위해서 추가적인 계측기기들의 설치가 고려되어야 할 것이다. 또한 계측기기별 축적된 데이터를 통하여 예보·경보시스템을 구축할 필요성이 있으며, 그에 따른 적절한 관리기준 설정 마련이 필요할 것으로 판단된다.
