지표수의 지하배수방법{METHOD FOR INJECTING SURFACE WATER INTO THE GROUND}
본 발명은 지표수를 하층토에 배수하는 것에 관한 것이다.
빗물은 상당량이 토양으로 스며들지만, 더 많은 부분이 땅의 경사도에 따라 지표수로 흐르면서 증발되어버린다. 지표수는 저지대에 침수를 일으킬 수 있다. 투수율이 불충분한 지역에서는 지표수가 흐르지 않고 모이게 되고, 이렇게 흐르지 않고 모인 지표수가 건물 주변에 모이면 지하실로 스며들게 되어 문제를 일으킬 수 있다. 지표수가 건물 주변에 모이지 않도록 하는데 일반적으로 땅고르기가 많이 이용된다. 건물 기초 주변에 물이 모이지 않고 멀리 배수시키기 위해, 일반적으로 건물 기초 둘레에 배수타일을을 깔아둔다. 이 방법은 토양의 상태나 지형 때문에 효과적이지 않은 때가 많다. 지표를 흐르면서 증발되는 물을 하층토에 모아두면, 가뭄이 심할 때 이 물을 상부 토양으로 내보낼 수 있어서 가뭄상태를 극복하는데 유리하다. 투수율이 높아 지표수를 더 많이 흡수할 수 있다면 대수층에 더 많은 물이 모일 수 있다. 제한된 면적의 다공성 토양을 건조시키는데 도랑과 석고판이 많이 사용되지만, 이 방법은 넓은 면적과 단단한 토양에는 부적절하다.
본 발명은 흐르지 않고 머물러 있는 지표수에 의한 축축한 상태와 지면을 흐르는 물에 의한 침수를 없애기 위해 지표수를 하층토로 배수해 하층토로의 흡수율을 높여 지표수의 양과 증발량을 줄이는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 이상과 같은 목적은 지면에 일정 패턴으로 구멍을 여러개 뚫고, 구멍마다 기다란 배수펌핑부재들을 하나씩 설치하여 달성된다. 이들 배수펌핑부재는 지면에 뚫린 구멍 안으로 삽입되기에 충분히 단단하다. 배수펌핑부재들 각각에 길이방향으로 채널이 형성되고, 이 채널에 길이방향으로 슬롯이 형성되어 채널이 외부와 연결되기 때문에 토양중의 물이 채널 안으로 들어가 흘러내릴 수 있기 때문에 하층토로의 배수가 촉진된다. 배수펌핑부재의 채널을 이루는 부분이 유연하여 휘어지도록 변형이 가능하여 토양이 수축과 팽창을 하면서 채널을 통해 물이 흘러내리기 때문에 배수펌핑부재 내부에 흙이 들어가 퇴적하지 않고 깨끗하게 유지된다. 이들 배수펌핑부재들은 2개의 짧은 배수펌핑부재 사이에 긴 배수펌핑부재를 하나씩 배치하는 패턴이 반복되는 형태로 배열된다. 짧은 배수펌핑부재들은 지표 밑으로 4피트 정도 깊이로 물을 배수할 정도로 길면서 캡을 씌운 상단부가 지표 밑에 위치하기 때문에 채널 안으로 들어가는 물이 토양층을 통과하면서 여과된다. 짧은 배수펌핑부재들은 상부 토양층으로의 물흡수율을 개선한다. 중간에 배치된 긴 배수펌핑부재들은 상단부에 캡을 씌우고, 이런 상단부가 짧은 배수펌핑부재의 하단부와 같은 높이에 위치하기 때문에, 짧은 배수펌핑부재의 채널을 통해 하단부로부터 주변 토양으로 배수된 물이 긴 배수펌핑부재로 재흡수된다. 긴 배수펌핑부재는 경사지에서는 10~14피트 정도 또는 그 이상으로 상당히 깊게 뻗는다. 채널에는 길이방향으로 슬롯이 형성되어 채널 내부가 외부와 통하므로, 배수펌핑부재의 길이를 따라 전체에서 물이 채널 안으로 들어가 채널을 흘러내린 다음 하층토로 배수되기 때문에 하층토로의 배수율이 개선된다. 이때문에 배수펌핑부재 둘레에 원추형 모양으로 토양이 건조해지므로 지표면에 모여있는 물이 빠르게 토양에 흡수된다. 상부 토양층에 흡수된 수분은 긴 배수펌프부재의 상부 지역으로 배수된 다음 채널 안으로 흡수된다. 이때문에 채널에 물기둥이 형성되면서 채널 하단부의 수압(수두)가 증가하여, 채널 하단부에서 토양으로의 배수가 일어난다. 더구나, 긴 배수펌프부재 상단부 주변의 축축해진 토양은 팽창하면서 배수펌프부재의 채널 상부 벽면을 압박하게 되고, 채널 벽이 변형이 가능한 플라스틱으로 이루어져있기 때문에 이런 압박으로 인해 채널 벽면이 안쪽으로 휘어지면서 채널 상부쪽의 물을 흘러내리게 하는 압력이 추가되고, 결국 긴 배수펌프부재의 하부에서 주변 하층토로의 배수가 일어나게 된다.
긴 배수펌프부재의 채널 하부로의 배수가 일어나면서, 긴 배수펌프부재의 상부에는 진공이 생기게 되고, 이때문에 긴 배수펌프부재의 상부 영역에서는 주변 토양으로부터의 물의 흡수가 일어나면서 하부로의 배수를 가속하고, 결국 주변 토양으로 배수된다. 채널에서 이렇게 물이 이동하기 때문에 채널에 흙과 찌꺼기와 이물질이 퇴적되지 않게되어, 자정작용이 일어난다. 따라서, 지표수가 배수펌핑부재의 하단부에서 주변의 깊은 토양으로의 신속한 배수가 이루어진다. 배수펌핑부재의 채널을 형성하는 곡면 벽은 토양내 수분이 증가하면 안쪽으로 휘어지고 토양이 건조해지면 바깥쪽으로 벌어지기 때문에 채널내 미사 퇴적이 최소화된다. 토양이 건조해지면, 채널에서 물이 아닌 수증기가 상승하면서 배수펌핑부재의 상단부 둘레의 토양으로 배출되므로, 하층토에서 표층토로의 수분이동은 일어나지만, 지표면에 물웅덩이가 생기거나 물이 고이지는 않는다.
도 1은 배수펌핑부재들이 토양중에 배열된 상태를 보여주는 단면도;
도 2는 포장지역 주변에 설치된 배수펌핑부재의 패턴을 보여주는 평면도;
도 3은 축축한 토양에 설치된 본 발명의 배수펌핑부재에서 수분이 흐르는 패턴을 보여주는 단면도;
도 4는 채널이 물이 보이는 과정을 보여주는 배수펌핑부재의 확대사시도;
도 5는 건조한 토양에 설치된 배수펌핑부재에서 수증기가 흐르는 패턴을 보여주는 단면도;
도 6은 수증기의 흐름을 보여주는 배수펌핑부재의 확대사시도;
도 7은 급경사지에 설치된 배수펌핑부재들의 패턴을 보여주는 단면도;
도 8은 배수펌핑부재의 3개의 설치패턴을 보여주는 드릴장치의 사시도;
도 9는 3개의 배수펌핑부재가 연속으로 배치되는 패턴을 보여주는 평면도;
도 10~12는 주변 토양내의 수분도에 따른 구멍내에서의 배수펌핑부재의 변화상태를 보여주는 확대평면도;
도 13은 배수펌핑부재를 끼울 구멍을 뚫는데 사용하는 드릴의 확대 측면도.
도 1~2에는 본 발명의 방법에 따라 토양으로 흘러내리는 물의 속도를 높이기 위한 지면(10)이 준비되었다. 이런 준비를 위해, 지면(10)에 뚫은 여러개의 구멍에 기다란 배수펌핑 부재(12A,12B)를 끼우는데, 가급적 짧은 부재(12B)와 긴 부재(12B)를 교대로 배치하는 것이 바람직하다. 이런 배치는 필요한만큼 길게 반복될 수 있다. 이런 부재들(12A,12B0는 지하수 수위(15) 윗쪽의 비포화 지하수 유역(지표와 지하수의 수위 사이)에 있는 것이 바람직한데, 이는 지표수가 지하수위에 도달하기 전에 충분한 깊이의 토양을 통과하면서 완벽하게 정화되어야만 하기 때문이다. 부재(12A,12B) 사이의 간격은 토양 배수특성에 좌우되는데, 예를 들어 토양이 연할수록 간격은 멀고 단단할수록 간격을 가깝게 하되, 도 9와 같이 원하는 투수율을 갖는 원추구역들(14)이 서로 접하도록 한다. 배수펌핑 부재(12A,12B)는 형상은 비슷하되 길이는 서로 다르면서, 원하는 탄성을 갖고 토양중에서 열화되지 않도록 화학적으로 불활성이며 불순물이나 찌꺼기가 잘 묻지 않도록 마감이 매끄럽도록 플라스틱, 구체적으로는 유연한 폴리에틸렌 플라스틱을 압출가공한 것이 바람직하다. 도 4와 6에 가장 자세히 도시된 배수펌핑 부재(12A,12B) 각각에 쉽게 변형이 가능한 부분(16)이 여러군데 있는데, 이 부분은 중심(18)으로부터 바깥쪽으로 쉽게 벌어졌다가 다시 중심을 향해 좁혀지면서 길이방향의 슬롯(20)을 이루기 때문에, 중심 둘레에 다수의 채널(22)이 형성된다. 중심 채널(24)에도 길이방향의 슬롯(26)이 있기 때문에, 채널(22)의 슬롯(20)과 마찬가지로 슬롯(26)으로도 지표수가 출입한다. 배수펌핑 부재(12A,12B)의 상단부에는 채널(22,24)을 닫는 캡(26)이 씌워지는데, 그 역할에 대해서는 후술한다. 짧은 배수펌핑 부재(12A)는 상단부가 지표면 밑으로 몇인치 정도 들어갈 정도의 깊이를 갖는 얕은 구멍에 끼워진다(도 3, 5 참조). 상단부 위의 토양이 이 부재(12B) 안으로 들어가는 물에서 불순물을 여과한다. 이 부재(12A)는 지표 밑에 있어서 화재에는 직접 노출되지 않지만, 최대 200°F의 온도를 견딜 수 있고 -30°F까지의 온도에서 균열되지 않으므로 파손에 대한 내구성이 아주 강하다. 표토층의 물은 이런 짧은 배수펌핑부재(12A)로 빠져 채널(22,24)을 채운다(도 3 참조). 따라서, 이 부재(12A)의 둘레의 토양이 점점 더 깊이 물로 포화되고, 이렇게 물로 포화된 주변 토양이 부재(12A)의 부분(16)을 압박하므로, 채널(22,24)의 물이 밑으로 내려가게 되고, 또한 채널(22,24)에 미사가 퇴적되는 것이 방지되는데, 이에 대해서는 후술한다. 배수되어 채널(22,24)을 채운 물은 채널 바닥에 수두를 일으키고, 이런 수두에 의해 채널(22,24) 내부의 물이 부재(12A)의 하단부 둘레의 주변 토양으로 분사되고, 도 3과 같은 2개의 원추형 구역을 형성한다. 이는 부재(12A)의 상단부에 약간 진공이 형성되면서 주변 토양으로 배수된 물을 끌어당기기 때문이고, 이때문에 주변 토양과 채널 상부 구역으로의 투수율이 증가한다. 이런 작용의 효과는 하층토로의 배수율이 상당히 증가하는 것이다. 도 4는 토양의 표면에 건조상태가 심할 때 하층토로 수분이 배수되는 과정을 보여준다. 수증기가 채널(22,24)로 들어가면서 부재(12A)의 윗부분까지 채운 다음 채널을 나와 주변 토양으로 배출된다. 이 과정이 긴 배수펌핑부재(12B)에도 반복되는데, 이 부재(12B)의 상단부로 들어가면서 내려간 수분은 깊은 토양으로 배수된다(도 1 참조). 배수펌핑부재(12A,12B)는 도 2와 같이 포장지역에서 7피트 정도 떨어져야만 한다. 도 7은 급경사지에 본 발명을 적용한 예를 보여준다. 이 경우, 지표가 물로 포화되었을 때 생기는 산사태를 막기위해 지표수가 신속하게 땅 깊이 들어가도록 하기 위해 긴 부재(12B)를 급경사 부이에 박는다. 이 방법에 의하면 윗쪽 부분의 물이 빨리 배수되고, 지표면이 물로 포화되어 생기는 산사태를 피하기에 충분한 깊이로 지표수가 아주 빨리 배수된다. 따라서, 그렇지 않으면 손실될 물을 토양에 보유할 수 있다. 대수층이 아주 빠르게 물로 채워지고, 지표수가 줄어들어 침수문제도 경감된다. 대부분의 지표수가 넓은 지면에 걸쳐 아주 신속하게 흡수될 수 있다. 한편, 배수펌핑부재(12A,12B)를 쉽게 박기 위해 구멍은 미리 뚫어두는 것이 좋다. 이때 다수의 구멍들을 일정한 패턴으로 드릴로 뚫어둔다. 도 8은 3대의 유압드릴 모터(26A~C)가 프레임(28)에 설치되어 있는 굴착기를 보여준다. 프레임(28)의 양쪽 아암(30)은 회전식으로서 모터(26A,26C)가 각각 하나씩 설치되어 있고, 중앙의 고정부재(32)에는 세번째 모터(26B)가 설치된다. 아암(30)은 원하는 간격으로 구멍을 뚫을 수 있도록 회전이 조절된다. 다공성 토양에는 넓은 간격으로 구멍을 뚫고, 단단한 토양에는 구멍 간격을 좁힌다. 구멍 깊이를 최대 10~16피트나 그 이상으로 조절하기 위해 수직 지지대(34)에서 프레임(28)이 상하로 움직인다. 이 지지대(34)는 바퀴달린 운반대(도시 안됨)에 설치되므로, 구멍을 뚫을 지역으로 신속하게 위치이동이 가능하다. 2개의 외측 모터(26A,26C)는 짧은 배수펌핑부재(12A)에 맞는 짧은 드릴비트(36A,36C)를 작동시키고, 중앙의 모터(26B)는 긴 배수펌핑부재(12B)에 맞는 기다란 드릴비트(36B)를 작동시킨다. 이들 드릴비트(36A,36B)는 나사송곳처럼 파낸 흙을 지표로 배출하지 않고 흙을 방사상으로 단단히 다지면서 구멍을 뚫는 것이 좋다. 이 경우 구멍이 함몰되는 것이 방지된다. 직경이 큰 강철 봉(30) 둘레에 흙을 반사상으로 밀어내는 피치로 플랜지를 나선형으로 용접한다(도 13 참조). 드릴비트(36A,36B)의 자유단부에 드릴팁(40)을 조립하는데, 구멍을 뚫으면서 생긴 흙을 주변 벽면으로 밀어내면서 다지기 위한 표면들(44)을 갖는 팁(42)이 방사상으로 배치되어 있다. 이렇게 뚫린 구멍은 안정성이 커서, 배수펌핑부재(12A,12B0를 쉽게 넣을 수 있다. 배수펌핑부재(12A,12B)는 플라스틱 압출공정으로 제작되는 것이 바람직하다. 압출다이에서 나오는 성형품을 조심스럽게 냉각하여 형상의 안정을 도모한다. 배수펌핑부재의 벽면은 전술한 바와 같이 탄성변형이 가능하다. 도 10~12는 주변 토양에 수분이 증가하면서 겪는 배수펌핑부재의 변형과정을 보여주는 단면도들이다. 도 10에서는 배수펌핑부재가 구멍(50)에 딱 맞는 상태로서, 구멍의 직경은 1.5인치 정도이다. 도 11은 주변 토양이 수분을 흡수해 구멍(50)이 좁아지면서 배수펌핑부재의 곡면 벽 부분들(16,18)이 안쪽으로 휘어진 상태를 보여준다. 도 12는 곡면 벽 부분들(16,18)이 안쪽으로 더 휘어진 상태를 보여준다. 이런 변화로 인해 채널(22,24)에 미사퇴적이 일어나지 않는다. 주변 토양이 건조해지면, 휘어졌던 벽 부분들이 다시 바깥쪽으로 벌어진다. 따라서, 표층토의 지속적인 포화를 방지하는 이런 과정에 의해 하층토에 대한 지표수의 흡수율이 가속되고, 물이 지표를 흐르면서 증발되어 생기는 물손실이 줄어들게된다.
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