해안대수층에서 조석의 영향에 의한 수리특성 변화 연구 : 해석학적 및 현장 연구 Tidal influences on dynamics of the groundwater system in coastal aquifers : analytical and field studies원문보기
김구영
(Graduate School, Yonsei University
Dept. of Earth System Sciences
국내박사)
해안에 위치한 대수층은 조수위의 주기적인 상승과 반복의 영향에 의해 그 수리특성이 변화한다. 본 연구에서는 이러한 해안대수층에서 지하수위 변화, 담-염수 경계면, 지하수-염수 유동 및 전기전도도(EC)와 온도의 변화 특성을 살펴보았다.이 연구는 총 3개의 소주제로 이루어져 있다. 제 2장에서는 해안경계와 하천경계에 의해 동시에 영향을 받는 해안대수층에서의 지하수위 변화를 살펴보기 위해 라플라스 변환과 퓨리에 변환을 이용하여2차원의 해석학적인 해를 제시하였다. 모사에 사용한 모델은 해안경계와 하천경계가 서로 직교하며 하천은 대수층을 부분관통하고 있다. 가상의 모델을 이용하여 조수위와 하천수위가 변화할 때 대수층내 지하수위가 변화하는 특성을 살펴보았다. ...
해안에 위치한 대수층은 조수위의 주기적인 상승과 반복의 영향에 의해 그 수리특성이 변화한다. 본 연구에서는 이러한 해안대수층에서 지하수위 변화, 담-염수 경계면, 지하수-염수 유동 및 전기전도도(EC)와 온도의 변화 특성을 살펴보았다.이 연구는 총 3개의 소주제로 이루어져 있다. 제 2장에서는 해안경계와 하천경계에 의해 동시에 영향을 받는 해안대수층에서의 지하수위 변화를 살펴보기 위해 라플라스 변환과 퓨리에 변환을 이용하여2차원의 해석학적인 해를 제시하였다. 모사에 사용한 모델은 해안경계와 하천경계가 서로 직교하며 하천은 대수층을 부분관통하고 있다. 가상의 모델을 이용하여 조수위와 하천수위가 변화할 때 대수층내 지하수위가 변화하는 특성을 살펴보았다. 민감도 분석 결과, 하상의 누수상수(leakance)는 지하수위 변화폭에 영향을 미치지 않으며 누수상수가 증가함에 따라 하천수위가 지하수위에 미치는 영향은 증가한다. 하천의 폭이 좁을 경우 대수층의 관통 정도는 지하수위에 미치는 영향이 미미하지만, 하천의 폭이 클 경우 대수층의 관통 정도가 지하수위에 미치는 영향이 증가하였다. 대수층의 저유계수가 증가함에 따라 지하수위의 변동폭이 감소하였으며, 해안경계와 하천경계에 의해 동시에 영향을 받는 해안대수층에서의 지하수위는 저유계수에 매우 민감하하게 반응하였다.제 3 장에서는 제주도 동부 해안대수층에서 조석의 영향에 의한 지하수위 및 담-염수 경계면의 변화, 지하수-염수 유동 변화를 살펴보았다. 이러한 특성을 해석하기 위해 해수침투감시관측망에서의 지하수위를 모니터링하고, EC와 온도 검층, 그리고 지하수 유향·유속 검층을 수행하였다. 시계열분석 결과, 조수위의 변화는 해안으로부터 약 3 km까지 지하수위에 영향을 미쳤다. 해안에 가까이 위치한 관측공의 지하수위는 조수위에 영향을 많이 받는 반면 상대적으로 내륙에 위치한 관측공에서의 지하수위는 강우의 영향에 민감하였다. 해수침투감시관측망에서의 담-염수 경계면을 살펴본 결과 경계면 침투길이(interface toe)는 해안으로부터 6-8 km 범위에 위치한다. 담-염수 경계면은 계절적인 변화에 큰 영향은 나타나지 않았으며, 조석의 영향으로 인해 소규모 변화가 관찰되었다. 2차원의 열추적 유향·유속 검층기를 이용하여 조수위에 따른 지하수-염수 유동을 측정한 결과 해안대수층에서의 지하수는 지질과 조석의 영향에 따라 심도별 유동 특성이 다르게 나타났다.제 4 장에서는 제주도 동부의 다층 해안대수층에서 다중심도 센서를 이용하여 EC와 온도의 시계열 자료를 획득하고 분석하였다. 본 연구를 위해 제주도 동부에 설치되어 있는 해수침투감시관측망 중 종달-1호공을 시험 관정으로 선정하고, 지질과 EC 검층 자료를 바탕으로 8개의 EC/온도 센서를 설치하였다. EC 검층자료를 살펴보면 간조일 때 담-염수 경계면은 비교적 뚜렷하게 나타나는 반면, 만조일때 두터운 혼합대를 형성하며 담-염수 경계면이 조석에 민감하게 반응하였다. EC와 온도의 시계열 자료를 통해 살펴본 결과 다층으로 이루어진 해안대수층에서 염수의 거동은 지층의 수리지질학적 특성에 따라 서로 다른 특징을 보였다.
해안에 위치한 대수층은 조수위의 주기적인 상승과 반복의 영향에 의해 그 수리특성이 변화한다. 본 연구에서는 이러한 해안대수층에서 지하수위 변화, 담-염수 경계면, 지하수-염수 유동 및 전기전도도(EC)와 온도의 변화 특성을 살펴보았다.이 연구는 총 3개의 소주제로 이루어져 있다. 제 2장에서는 해안경계와 하천경계에 의해 동시에 영향을 받는 해안대수층에서의 지하수위 변화를 살펴보기 위해 라플라스 변환과 퓨리에 변환을 이용하여2차원의 해석학적인 해를 제시하였다. 모사에 사용한 모델은 해안경계와 하천경계가 서로 직교하며 하천은 대수층을 부분관통하고 있다. 가상의 모델을 이용하여 조수위와 하천수위가 변화할 때 대수층내 지하수위가 변화하는 특성을 살펴보았다. 민감도 분석 결과, 하상의 누수상수(leakance)는 지하수위 변화폭에 영향을 미치지 않으며 누수상수가 증가함에 따라 하천수위가 지하수위에 미치는 영향은 증가한다. 하천의 폭이 좁을 경우 대수층의 관통 정도는 지하수위에 미치는 영향이 미미하지만, 하천의 폭이 클 경우 대수층의 관통 정도가 지하수위에 미치는 영향이 증가하였다. 대수층의 저유계수가 증가함에 따라 지하수위의 변동폭이 감소하였으며, 해안경계와 하천경계에 의해 동시에 영향을 받는 해안대수층에서의 지하수위는 저유계수에 매우 민감하하게 반응하였다.제 3 장에서는 제주도 동부 해안대수층에서 조석의 영향에 의한 지하수위 및 담-염수 경계면의 변화, 지하수-염수 유동 변화를 살펴보았다. 이러한 특성을 해석하기 위해 해수침투감시관측망에서의 지하수위를 모니터링하고, EC와 온도 검층, 그리고 지하수 유향·유속 검층을 수행하였다. 시계열분석 결과, 조수위의 변화는 해안으로부터 약 3 km까지 지하수위에 영향을 미쳤다. 해안에 가까이 위치한 관측공의 지하수위는 조수위에 영향을 많이 받는 반면 상대적으로 내륙에 위치한 관측공에서의 지하수위는 강우의 영향에 민감하였다. 해수침투감시관측망에서의 담-염수 경계면을 살펴본 결과 경계면 침투길이(interface toe)는 해안으로부터 6-8 km 범위에 위치한다. 담-염수 경계면은 계절적인 변화에 큰 영향은 나타나지 않았으며, 조석의 영향으로 인해 소규모 변화가 관찰되었다. 2차원의 열추적 유향·유속 검층기를 이용하여 조수위에 따른 지하수-염수 유동을 측정한 결과 해안대수층에서의 지하수는 지질과 조석의 영향에 따라 심도별 유동 특성이 다르게 나타났다.제 4 장에서는 제주도 동부의 다층 해안대수층에서 다중심도 센서를 이용하여 EC와 온도의 시계열 자료를 획득하고 분석하였다. 본 연구를 위해 제주도 동부에 설치되어 있는 해수침투감시관측망 중 종달-1호공을 시험 관정으로 선정하고, 지질과 EC 검층 자료를 바탕으로 8개의 EC/온도 센서를 설치하였다. EC 검층자료를 살펴보면 간조일 때 담-염수 경계면은 비교적 뚜렷하게 나타나는 반면, 만조일때 두터운 혼합대를 형성하며 담-염수 경계면이 조석에 민감하게 반응하였다. EC와 온도의 시계열 자료를 통해 살펴본 결과 다층으로 이루어진 해안대수층에서 염수의 거동은 지층의 수리지질학적 특성에 따라 서로 다른 특징을 보였다.
Coastal aquifers have specific characteristics created by the interactions between continental fresh groundwater and seawater. The groundwater level fluctuates in response to tidal variations, and density differences allow seawater to intrude underneath the freshwater of coastal aquifers. Hydrodynam...
Coastal aquifers have specific characteristics created by the interactions between continental fresh groundwater and seawater. The groundwater level fluctuates in response to tidal variations, and density differences allow seawater to intrude underneath the freshwater of coastal aquifers. Hydrodynamic balance between freshwater and seawater constantly changes due to tidal fluctuations, and subsequently affects the hydrologic system. To comprehend this hydrologic dynamics, both analytical and field studies were carried out.A two-dimensional semi-analytical solution is presented to analyze stream-aquifer interactions in a coastal aquifer where groundwater level responds to tidal effects. The conceptual model considered is a two-dimensional subsurface system with stream and coastline boundaries at right angle. Sensitivity analysis indicates that streambed leakance has no influence over the amplitude of groundwater fluctuations, but the effect of stream stage increases with increasing leakance. Little difference is observed in the water level for different aquifer penetration ratios with narrow stream width. As stream width increases, the effect of aquifer penetration by the stream on water level increases. An increased specific yield value results in decreased amplitude of water fluctuations and mean water level; thus shows that variations in water-level due to stream and tidal boundaries are sensitive to specific yield.To observe the tidal effect on groundwater-seawater flows in the coastal aquifer of a volcanic island, various field studies have been carried out at the seawater intrusion monitoring wells located in the eastern part of Jeju Island, Korea; these includes monitoring the fluctuations of groundwater and tide levels, electrical and temperature logging, and 2-D heat-pulse flowmeter tests. The use of a two-dimensional heat-pulse flowmeter enables us to relate the differences in flow velocities and directions related to geology and tidal fluctuations. Integrating various physical logging and flowmeter data with water-level fluctuations allows us better understanding of the behavior of fresh and seawater flow in the coastal aquifer.In addition, time-series data on electrical conductivity and temperature variations are obtained at various depths in multilayered coastal aquifers on a volcanic island. Semidiurnal and semimonthly tidal variations induces dynamic fluctuations in electrical conductivity (EC) at some depths, while no significant variations at other depths. The EC and temperature data reveals that saltwater transport characteristics differ significantly, depending on the hydraulic properties of geologic layers. The shape of EC variations shows diverse patterns including sinusoidal, square shaped, and no variations due to hydrogeological characteristics (e.g. hydraulic conductivity, dispersion parameters, etc.). Continuous monitorings of EC and temperature at multiple depths are powerful tools for quantifying the transport of saline water by tidal variations in multilayered coastal aquifers.
Coastal aquifers have specific characteristics created by the interactions between continental fresh groundwater and seawater. The groundwater level fluctuates in response to tidal variations, and density differences allow seawater to intrude underneath the freshwater of coastal aquifers. Hydrodynamic balance between freshwater and seawater constantly changes due to tidal fluctuations, and subsequently affects the hydrologic system. To comprehend this hydrologic dynamics, both analytical and field studies were carried out.A two-dimensional semi-analytical solution is presented to analyze stream-aquifer interactions in a coastal aquifer where groundwater level responds to tidal effects. The conceptual model considered is a two-dimensional subsurface system with stream and coastline boundaries at right angle. Sensitivity analysis indicates that streambed leakance has no influence over the amplitude of groundwater fluctuations, but the effect of stream stage increases with increasing leakance. Little difference is observed in the water level for different aquifer penetration ratios with narrow stream width. As stream width increases, the effect of aquifer penetration by the stream on water level increases. An increased specific yield value results in decreased amplitude of water fluctuations and mean water level; thus shows that variations in water-level due to stream and tidal boundaries are sensitive to specific yield.To observe the tidal effect on groundwater-seawater flows in the coastal aquifer of a volcanic island, various field studies have been carried out at the seawater intrusion monitoring wells located in the eastern part of Jeju Island, Korea; these includes monitoring the fluctuations of groundwater and tide levels, electrical and temperature logging, and 2-D heat-pulse flowmeter tests. The use of a two-dimensional heat-pulse flowmeter enables us to relate the differences in flow velocities and directions related to geology and tidal fluctuations. Integrating various physical logging and flowmeter data with water-level fluctuations allows us better understanding of the behavior of fresh and seawater flow in the coastal aquifer.In addition, time-series data on electrical conductivity and temperature variations are obtained at various depths in multilayered coastal aquifers on a volcanic island. Semidiurnal and semimonthly tidal variations induces dynamic fluctuations in electrical conductivity (EC) at some depths, while no significant variations at other depths. The EC and temperature data reveals that saltwater transport characteristics differ significantly, depending on the hydraulic properties of geologic layers. The shape of EC variations shows diverse patterns including sinusoidal, square shaped, and no variations due to hydrogeological characteristics (e.g. hydraulic conductivity, dispersion parameters, etc.). Continuous monitorings of EC and temperature at multiple depths are powerful tools for quantifying the transport of saline water by tidal variations in multilayered coastal aquifers.
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