[논문]자유면 대수층 모형에서의 TIME DOMAIN REFLECTOMETRY를 이용한 해수침투 모니터링

김동주; 하헌철; 온한상

문제 정의

따라서 본 연구의 목적은 현장조사 방법의 단점을 보완한 실내 자유면 대수층 모형에서 시간영역 광전자파 분석기 (Time Domain Reflectometry, TDR) (Kim, 1996: Jacques et al., 1998: Kim et al., 1998)을 이용하여 다양한 recharge 및 pumping rate 조건하에서 2차원 해수침투 현상을 모니터링하고 관측결과를 기존의 이론치와 비교 분석함으로써 비확산 모델의 타당성을 검증하는 데 있다. 또한 다양한 보충수량에 대한 양수량의 비에 대한 해담수 경계면의 이동현상을 측정하므로써 양수량이 해수침입에 미치는 영향을 파악하고자 한다.
, 1998)을 이용하여 다양한 recharge 및 pumping rate 조건하에서 2차원 해수침투 현상을 모니터링하고 관측결과를 기존의 이론치와 비교 분석함으로써 비확산 모델의 타당성을 검증하는 데 있다. 또한 다양한 보충수량에 대한 양수량의 비에 대한 해담수 경계면의 이동현상을 측정하므로써 양수량이 해수침입에 미치는 영향을 파악하고자 한다.

가설 설정

첫째. 해수와 담수는 비혼합(immiscible)유체로 가정하여 해수-담수 경계면에서는 비혼합 경계면 (sharp interface)이 성립되어야 하며 둘째. Dupuit의 가정에 의하여 담수 층의 두께가 담수와 해수가 만나는 해안선에서는 영이 되어야 한다는 것이다.

제안 방법

한편 함양량 (0)과 양수량 (0)의 변화에 따른 담-염수 경계면의 이동을 분석하기 위하여 Qr= 25mL/min, 50mL/min의 두 조건에 대하여 염수조에서 가장 멀리 떨어진 상류측 양수정 #7, 8, 9에서 각각 양수한 양의 합이 QP= 25, 50, 100. 200 mL/min 이 되도록 양수함으로써 각 조건에 따른 경계면의 이동을 관측하였다.
이를 위해 500mL의 유리 용기에 대수층 매질체를 채운 후 NaCl 용액(0, 1, 2. 3. 5, 20 g/L)으로 포화시킨 후 Cable tester (Tektronix 1502B)를 이용하여 각각의 농도에 따른 저항치(R)를 측정하였다. 일반적으로 염농도(C)와 저항 (R)간에는 반비례 관계가 성립하므로 NaCl 농도 (g/L)와 1/R의 상관관계를 이용하여 측정한 저항치를 농도로 환산하였다 (Fig.
사력토에 의한 자유면대수층 성형과 탐침 설치가 완료된 후 상류부에 peristaltic pump를 사용하여 함양량(0)을 25 mL/min으로 하여 정상류 상태의 흐름을 부과하였으며 상중하류의 piezometer 우물에서 지하수위를 측정하여 대수층 매질체의 투수계수(Kf)를 구하였다. 그런 다음 지하수 함양을 중단한 후 정지흐름조건에서 모형 우단의 염수조에 다량의 NaCl을 투입하여 염수 농도를 25, 000 mg/L으로 유지하였으며 TDR탐침 을 이용하여 대수층내에 분자분산 (molecular diffusion)에 의한 담-염수 경계면이 형성되는 것을 관찰하였다. 분자분산에 의한 경계면 형성 후 함양량을 25 mL/min으로하여 경계면 이동을 측정하였으며 TDR에 의한 경계면 측정은 평형상태 즉 담수와 염수의 하류와 상류방향으로의 운동 에너지가 평형을 이루는 시점까지 계속되었다.
모형의 우단에 폭 50cm, 높이 150cm. 길이 40cm의 염수조 (saltwater reservoir)가 위치하며 대수층과 염수조의 벽면에는 지름 2.5cm의 12개의 유출구를 만들어 지하수와 염수의 원활한 유출입을 유도하였다. 대수층 모형의 상류.
그런 다음 지하수 함양을 중단한 후 정지흐름조건에서 모형 우단의 염수조에 다량의 NaCl을 투입하여 염수 농도를 25, 000 mg/L으로 유지하였으며 TDR탐침 을 이용하여 대수층내에 분자분산 (molecular diffusion)에 의한 담-염수 경계면이 형성되는 것을 관찰하였다. 분자분산에 의한 경계면 형성 후 함양량을 25 mL/min으로하여 경계면 이동을 측정하였으며 TDR에 의한 경계면 측정은 평형상태 즉 담수와 염수의 하류와 상류방향으로의 운동 에너지가 평형을 이루는 시점까지 계속되었다. 지하수 함양량을 부과한 경우, 담수의 유입에 따른 우단 수조의 염수 농도가 하강하였으므로 염수 농도를 25.
사력토에 의한 자유면대수층 성형과 탐침 설치가 완료된 후 상류부에 peristaltic pump를 사용하여 함양량(0)을 25 mL/min으로 하여 정상류 상태의 흐름을 부과하였으며 상중하류의 piezometer 우물에서 지하수위를 측정하여 대수층 매질체의 투수계수(Kf)를 구하였다. 그런 다음 지하수 함양을 중단한 후 정지흐름조건에서 모형 우단의 염수조에 다량의 NaCl을 투입하여 염수 농도를 25, 000 mg/L으로 유지하였으며 TDR탐침 을 이용하여 대수층내에 분자분산 (molecular diffusion)에 의한 담-염수 경계면이 형성되는 것을 관찰하였다.
분자분산에 의한 경계면 형성 후 함양량을 25 mL/min으로하여 경계면 이동을 측정하였으며 TDR에 의한 경계면 측정은 평형상태 즉 담수와 염수의 하류와 상류방향으로의 운동 에너지가 평형을 이루는 시점까지 계속되었다. 지하수 함양량을 부과한 경우, 담수의 유입에 따른 우단 수조의 염수 농도가 하강하였으므로 염수 농도를 25.000 mg/L으로 일정하게 유지하기 위하여 매시간별 일정량의 NaCl를 투입한 후 균질 혼합하였다.
초기 및 경계조건의 설정이 자유로운 실내 대수층 모형과 시간 영역 광전자파 분석기(TDR)을 이용하여 실험실 규모의 2차원 해수침투 현상을 관찰하고 해수면으로부터의 담-염수 깊이의 비와 경계면 침투길이에 관한 기존의 이론식을 검증하였다. 연구결과 본 연구에 사용된 자유면 대수층 모형 조건에서는 분산지수가 비교적 크게 나타나 Ghyben-Herzberg가 제시한 비혼합 경계면이 설정되지 않아 기존의 이론치와 큰 차이를 보였다.
중류. 하류에 각각 3개씩의 piezometer 우물을 설치하여 지하수 위와 지하수의 전기전도도(Electrical Conductivity, EC) 변화를 측정하였다. 또한 담-염수 경계면의 이동을 모니터링하기 위하여 대수층 모형 전면에 길이 10 cm의 2선 TDR 탐침을 수직 수평방향으로 70개 설치하였다 (Fig.
해수침투 현상을 모형화하여 해수와 담수간의 경계면을 관찰하기 위하여 실험실 규모의 사질 자유면 대수층 모형을 제작하였다 (Fig. 3). 대수층 모형은 폭 50cm.

대상 데이터

대수층 모형은 폭 50cm. 높이 150cm, 길이 160cm이며, 불포화대와 포화대의 두 부분으로 구성되었다. 조사(coarse sand)와 자갈의 혼합토로 구성된 포화대는 바닥에서부터 50cm 까지이며, 세사 (fine sand)로 구성된 불포화대는 포화대상부로부터 80cm 까지이다.
하류에 각각 3개씩의 piezometer 우물을 설치하여 지하수 위와 지하수의 전기전도도(Electrical Conductivity, EC) 변화를 측정하였다. 또한 담-염수 경계면의 이동을 모니터링하기 위하여 대수층 모형 전면에 길이 10 cm의 2선 TDR 탐침을 수직 수평방향으로 70개 설치하였다 (Fig. 4).

성능/효과

5 g/L선을 기준으로 산정한 결과가 Table 2와 Table 3에 각각 수록되었다. 두 경우 모두 양수량이 증가할수록 경계면 이동속도 가 증가하였으며. Fig.
8에 각각 도시하였다. 두 경우 모두 주어진 함양량과 양수량에 대하여 시간이 경과함에 따라 0.5 g/L선과 0.5 isochlor 가 상류부로 이동하였으며, 양수 후 약 16T8시간 만에 평형상태에 도달하는 것을 알 수 있었다. 각 함양량 조건별 양수량 변화에 따른 경계면 이동속도를 0.
따라서 이러한 경계면에 관한 이론식의 사용을 위해서는 대수층 지질매체가 가지고 있는 종분산지 수의 결정이 선행되어야 하며, 비혼합 경계면 대신 두터운 혼합대가 형성될 수 있는 매질체에 대해서는 기존 이론식의 적용이 제한되어야 할 것이다. 또한 함양량과 양수량을 달리하면서 경계 면의 변화를 관찰한 결과 양수량이 증가함에 따라 경계면의 이동속도가 증가하였고. 주어진 양수 량에 대하여 함양량이 적을수록 경계면의 이동속도가 증가하였다.
9에서 보는 것처럼 주어진 양수량에 대한 경계면 이동 속도는 함수량이 반으로 감소하였을 경우 반대로 그 증가폭이 약 2배 가량인 것으로 나타났다. 또한 함양량에 대한 양수량의 비(Qp/ 0)에 따른 경계면 이동속도의 변화 (Fig. 10)를 분석한 결과 이동속도가 양수량에 관계없이 QP/ Qr 비의 약 7배에 달하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 양수량이 담-염수 경계면의 이동에 결정적인 역할을 한다는 것을 의미하며, 해안지역에서 주어진 지하수 함양량에 대하여 최대 허용한도 양수량의 결정에 귀중한 자료로 활용될 것으로 사료된다.
, 2002). 본 연구에서 나타난 두께운 혼합대의 형성은 기존의 동일 모형에서의 종분산지수에 대하여 수행한 Kim et al. (2001)의 연구결과 분산지수는 2.2 cm 에서 13.5 cm 범위였는 반면 Zhang et al (2001)이 수행한 모형에서의 분산지수는 0.06 cm에 불과하였다는 사실에 기인된다.
초기 및 경계조건의 설정이 자유로운 실내 대수층 모형과 시간 영역 광전자파 분석기(TDR)을 이용하여 실험실 규모의 2차원 해수침투 현상을 관찰하고 해수면으로부터의 담-염수 깊이의 비와 경계면 침투길이에 관한 기존의 이론식을 검증하였다. 연구결과 본 연구에 사용된 자유면 대수층 모형 조건에서는 분산지수가 비교적 크게 나타나 Ghyben-Herzberg가 제시한 비혼합 경계면이 설정되지 않아 기존의 이론치와 큰 차이를 보였다. 따라서 이러한 경계면에 관한 이론식의 사용을 위해서는 대수층 지질매체가 가지고 있는 종분산지 수의 결정이 선행되어야 하며, 비혼합 경계면 대신 두터운 혼합대가 형성될 수 있는 매질체에 대해서는 기존 이론식의 적용이 제한되어야 할 것이다.
함양량이 없는 조건에서 해수의 분자분산에 의한 해수침투 양상을 관찰한 결과. 염수조에 NaCl 투입 초기에는 상당히 빠른 속도로 염분이 대수층 내로 이동하다가 시간이 경과함에 따라서 점차적으로 느려짐을 알 수 있었다. 염분의 공업용 수 최대 허용치인 0.
또한 함양량과 양수량을 달리하면서 경계 면의 변화를 관찰한 결과 양수량이 증가함에 따라 경계면의 이동속도가 증가하였고. 주어진 양수 량에 대하여 함양량이 적을수록 경계면의 이동속도가 증가하였다. 함양량에 대한 양수량의 비 (QP/ 에 대한 경계면 이동속도를 분석한 결과 이동속도가 Qp/ Q에 약 7배 가량으로 나타나 주어진 해안 유역에서 지하수 이용량이 해-담수 경계면 이동에 결정적 영향을 미친다는 것을 모형 연구를 통하여 알 수 있었다.
주어진 양수 량에 대하여 함양량이 적을수록 경계면의 이동속도가 증가하였다. 함양량에 대한 양수량의 비 (QP/ 에 대한 경계면 이동속도를 분석한 결과 이동속도가 Qp/ Q에 약 7배 가량으로 나타나 주어진 해안 유역에서 지하수 이용량이 해-담수 경계면 이동에 결정적 영향을 미친다는 것을 모형 연구를 통하여 알 수 있었다.

후속연구

10)를 분석한 결과 이동속도가 양수량에 관계없이 QP/ Qr 비의 약 7배에 달하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 양수량이 담-염수 경계면의 이동에 결정적인 역할을 한다는 것을 의미하며, 해안지역에서 주어진 지하수 함양량에 대하여 최대 허용한도 양수량의 결정에 귀중한 자료로 활용될 것으로 사료된다.
해수침투에 의하여 지하수가 염수화되면 복구에 막대한 비용과 시간이 소요되며 완전한 원상 회복이 거의 불가능한 치명적인 재해를 가져온다. 해수침투에 의한 담수 지하수의 염수화 피해를 최소화하고 효율적인 지하수의 이용과 관리를 위해서는 수리지질학적 초기 및 경계조건을 쉽게 조절할 수 있는 모형연구 (Lee et al., 2001: Zhang et al., 2001)를 통하여 해수침투 현상의 원리를 고찰하고 해수침투에 가장 크게 영향을 주는 수리지질학적 인자를 도출하는 것이 요구된다.

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