본 연구에서는 해안 대수층에서 SHARP수치모델을 이용하여 해수와 담수의 경계면 및 해수침투 범위를 추정하고, 계절적인 영향에 대한 모델의 민감도를 분석하였다. SHARP수치모사에 의한 해수와 담수의 경계면이 연구지역내 관측정에서 측정된 해수와 담수의 경계면보다 계절적인 변화에 대하여 더 민감하게 반응하였다. 분산형 모델인 SUTRA를 이용하여 TDS와 벡터 분포를 계산하고, SHARP모델에 의하여 만들어진 Ghyben-Herzberg 경계면과 비교한 결과, 해수침투 범위의 차이는 50m이하이며, 계절적인 영향에 의한 해수침투 변동폭의 차이는 약 12m로 나타났다. 이러한 해수침투 범위의 차이는 해안 대수층의 수치모사에 이용된 광역적인 규모에 비하면 작은 편이다. 본 연구지역과 같이 광역적인 규모의 해안 대수층에서 해수와 담수의 경계면을 추정하는데, SHARP모델은 매우 유용한 것으로 사료된다. 그러나 경계면 모델은 확산이 우세한 국지적인 규모의 모델링에서는 정확한 해수침투의 범위를 모사하는데 약간의 한계가 있는 것으로 보인다.
본 연구에서는 해안 대수층에서 SHARP수치모델을 이용하여 해수와 담수의 경계면 및 해수침투 범위를 추정하고, 계절적인 영향에 대한 모델의 민감도를 분석하였다. SHARP수치모사에 의한 해수와 담수의 경계면이 연구지역내 관측정에서 측정된 해수와 담수의 경계면보다 계절적인 변화에 대하여 더 민감하게 반응하였다. 분산형 모델인 SUTRA를 이용하여 TDS와 벡터 분포를 계산하고, SHARP모델에 의하여 만들어진 Ghyben-Herzberg 경계면과 비교한 결과, 해수침투 범위의 차이는 50m이하이며, 계절적인 영향에 의한 해수침투 변동폭의 차이는 약 12m로 나타났다. 이러한 해수침투 범위의 차이는 해안 대수층의 수치모사에 이용된 광역적인 규모에 비하면 작은 편이다. 본 연구지역과 같이 광역적인 규모의 해안 대수층에서 해수와 담수의 경계면을 추정하는데, SHARP모델은 매우 유용한 것으로 사료된다. 그러나 경계면 모델은 확산이 우세한 국지적인 규모의 모델링에서는 정확한 해수침투의 범위를 모사하는데 약간의 한계가 있는 것으로 보인다.
SHARP numerical model was used to estimate the interface, ranges and seasonal variations of seawater intrusion. The interface obtained from the SHARP model represented more sensitive to seasonal variations than that estimated from the monitoring wells. When TDS and groundwater velocity vector distri...
SHARP numerical model was used to estimate the interface, ranges and seasonal variations of seawater intrusion. The interface obtained from the SHARP model represented more sensitive to seasonal variations than that estimated from the monitoring wells. When TDS and groundwater velocity vector distributions generated by SUTRA simulations are compared to the interfaces obtained from SHARP simulation, the difference of the range on seawater intrusion is less than 50 m, and the range of seawater intrusion from seasonal variations has the difference of about 12 m. These differences are small for the numerical simulation of the coastal aquifer at regional scale. Therefore, the model with sharp interface is very useful to estimate the interface at this study site, where is regional aquifer system in the scale of seawater infusion. However the SHARP model have some limitations in simulating the range of seawater intrusion, when the hydrodynamic dispersion is significant for seawater intrusion at local aquifer system.
SHARP numerical model was used to estimate the interface, ranges and seasonal variations of seawater intrusion. The interface obtained from the SHARP model represented more sensitive to seasonal variations than that estimated from the monitoring wells. When TDS and groundwater velocity vector distributions generated by SUTRA simulations are compared to the interfaces obtained from SHARP simulation, the difference of the range on seawater intrusion is less than 50 m, and the range of seawater intrusion from seasonal variations has the difference of about 12 m. These differences are small for the numerical simulation of the coastal aquifer at regional scale. Therefore, the model with sharp interface is very useful to estimate the interface at this study site, where is regional aquifer system in the scale of seawater infusion. However the SHARP model have some limitations in simulating the range of seawater intrusion, when the hydrodynamic dispersion is significant for seawater intrusion at local aquifer system.
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문제 정의
본 연구에서는 SHARP" 수치 모델링을 실시하여 해수와 담수의 경계면을 설정하여 해수침투 범위를 추정하고, 계절적인 변화에 대한 모델의 민감도를 분석하는데 목적이 있다. 그리고 분산형 모델인 SUTRA20) 수치 모델의 모사 결과와 비교하여 경계면을 중심으로 해수와 담수의 유동 및 해수침투 특성을 파악하였다.
가설 설정
여기서, Φf=z+pγf는 담수의 높이(L)이며, 대수층 내 유체는 비압축성으로 가정한다. 그리고 Φs=z+ps/γs는 해수의 높이(L), z는 표고(L), pf와 ps는 담수와 해수의 압력 (ML-1T-2), γf와 γs는 담수와 해수의 비중(ML-1T-2), γf와 γs는 담수와 해수의 비저류계수(L-1), qr과 qr는 담수와 해수의 비유출량(LT-1), ξ0 ξ1, ξ2는 각각 대수층 바닥, 경계면, 대수층 상단의 높이(L), ne 유효공극율, #와 #는 수직적인 담수와 해수의 평균 수두(L), Bf= ξ2 -ξ1는 담수의 두께(L), Bs= ξ1- ξ0는 해수의 두께(L), qz는 와 &는 해수와 담수의 유동에 대한 수직적인 요소(L), 그리고 K'f와 K's는 담수와 해수의 수리 전도도를 수직 방향으로 평균한 수리전도도(LIT)이다.
분리된 비혼합성(immiscible)의 두 용액으로 가정할 수 있다. 이 가정은 경계면의 일반적인 위치 및 모양, 거동 등을 지배하며, 담수와 해수의 유동과 압력이동 시에 전이대의 연속적인 경계면을 따라 계산된다. 일반적으로 3차원에서 이러한 경계조건은 비선형적이므로 해를 구하기 매우 어렵다.
제안 방법
86 의 낮은 투수성을 나타낸다. 12개의 시추공에서 슬러그 시험에 의해 산출된 투수 계수의 평균값을 수치모델링에 적용하였으며, 이 시추공들 가운데 1개의 공에서만 극히 낮은 투수계수를 나타내었으나 나머지 공들에서는 1 order 내외의 낮은 편차를 나타내었다. 지하수위 조사에 의한 전체적인 평균 수리경사는 0.
있다. 그리고 분산형 모델인 SUTRA20) 수치 모델의 모사 결과와 비교하여 경계면을 중심으로 해수와 담수의 유동 및 해수침투 특성을 파악하였다.
모식도의 우단은 해안과 직접 맞닿은 형태로 설정하였으며, 좌단은 해안에서 수직 방향으로 내륙으로 향한다. 모사에 이용된 매개 변수는 Table 1에 주어진 값을 적용하였으며, 좌단과 우단 및 대수층 하부는 각각 불투수 경계 (no-flow boundary)로 설정하였다. 우단은 수리 정역학적(hydrostatic) 해수침투 경계를 나타내기 위해서 고정수두(constant head)로 설정하였으며, 해저 심도는 -100 m로 대수 중의 두께와 같게 설정하였다.
본 연구에서는 SHARP 모델을 이용하여 해안지역의 대수층에서 해수와 담수의 경계면을 모사하고 해수 침투 범위와 그 계절적인 변동폭을 추정하였으며, SUTRA 수치 모사 결과와 SHARP 수치 모사에 의한 경계면을 비교하여 해수 침투 경계면의 특성을 파악하고 다음과 같은 결론을 도출하였다.
모사에 이용된 매개 변수는 Table 1에 주어진 값을 적용하였으며, 좌단과 우단 및 대수층 하부는 각각 불투수 경계 (no-flow boundary)로 설정하였다. 우단은 수리 정역학적(hydrostatic) 해수침투 경계를 나타내기 위해서 고정수두(constant head)로 설정하였으며, 해저 심도는 -100 m로 대수 중의 두께와 같게 설정하였다. 초기 지하 수위는 각각 5월과 7월의 수위를 이용하여 평균 수리 경사를 각각 0.
대상 데이터
본 연구의 대상지역은 부산광역시 부경대학교 대연 캠퍼스 일대이며, 응회질 퇴적암과 안산암 및 안산 암질 화산각력암이 분포한다. 연구지역은 부산 동남해안에 위치하여 동쪽으로는 광안리 해수욕장 근처의 바다에 인접하고 있다.
분포한다. 연구지역은 부산 동남해안에 위치하여 동쪽으로는 광안리 해수욕장 근처의 바다에 인접하고 있다. 해안에서 내륙 쪽으로 약 180 m 위치에 설치된 심도 120 m 의 MW1 관측정이 설치되어 있다 (Fig.
이론/모형
이 모델은 피 입대 수층이나 자유면 대수층 및 다층대수층계(multilayered aquifer system)에서 단일상의 포화된 밀도류 조건을 적용하여 해수와 담수의 경계면 모사가 가능하다. 그리고 SIP(Strongly Implicit Procedure) 해법을 이용하며, 일반적인 경계 조건을 설정하여 유입(source) 및 유출(sink) 을 계산한다.
0357 (kg-TDS/kg-fluid)이며, 농도에 따른 압력의 변화는 p(c)= Po+7OO><(C-C0)로 설정하였다 2425). 종분산지수는 XiF아가제시한 현장분산지수 27)에서 신뢰도를 차등화하여 가중최소자승법을 이용하여 만든 회귀식에 의하여 산출되었다. SUTRA 모델링에 이용된 종분 산지수의 타당성을 검증하기 위하여 TDS 현장측 정치 및 겉보기 비저항 단면도들과 비교한 결과, 본 연구지역에 적합한 것으로 확인되었다23).
우단은 수리 정역학적(hydrostatic) 해수침투 경계를 나타내기 위해서 고정수두(constant head)로 설정하였으며, 해저 심도는 -100 m로 대수 중의 두께와 같게 설정하였다. 초기 지하 수위는 각각 5월과 7월의 수위를 이용하여 평균 수리 경사를 각각 0.006과 0.008로 설정하였으며, 초기 경계면은 Ghyben- Herzberg 방법”)을 이용하여 설정하였다.
성능/효과
1. SHARP 모사에 의한 경계면과 SUTRA 모사에 의한 TDS 농도분포를 비교한 결과, 해수침투의 범위 및 계절적인 변화에서 유사한 경향을 나타내었다.
2. TDS 분포와 벡터 분포에 의해 설정된 해수 침투 범위의 차이가 최대 50 m 정도로 나타났으나, 이 차이는 광역적인 모델링 규모에서 볼 때 근소한 편이다. 따라서 본연구지역과 같이 광역적인 규모의 대수층에서 SHARP 모델은 해수 침투 범위에 대한 정량적인 변화를 파악하는데 유용한 것으로 판단된다.
3. SHARP 수치 모델을 이용하여 모사된 해수와 담수 간의 경계면은 실제 대수층 내 염수분포에 의한 경계면과 다소 차이를 가지며, SHARP 모델은 확산이 우세한 국지적인 지역의 수직적 경계면 변화에 민감하게 반응하였다. 따라서 경계면 모델은 확산이 우세한 국지적인 규모에서 정확한 해수 침투 현상을 모사하는 데는 약간의 한계가 있는 것으로 나타났다.
종분산지수는 XiF아가제시한 현장분산지수 27)에서 신뢰도를 차등화하여 가중최소자승법을 이용하여 만든 회귀식에 의하여 산출되었다. SUTRA 모델링에 이용된 종분 산지수의 타당성을 검증하기 위하여 TDS 현장측 정치 및 겉보기 비저항 단면도들과 비교한 결과, 본 연구지역에 적합한 것으로 확인되었다23). 5월에는 해수와 담수의 경계면 하부가 1,500 mg/1의 TDS 등치선과 거의 일치하고 있으며, 7월에는 약 2, 200 mg/1 의 TDS 등치선에 위치하고 있다.
3). 그리고 수리적인 특성을 파악하기 위하여 시추조사 시 이루어진 투수시험 결과 전체적인 투수계수 범위는 5.93X 1O-8~5.O2X lOem/s 이지만, 수압시험에서 암반층의 투수계수는 L51X10-7~3.
TDS 분포와 벡터 분포에 의해 설정된 해수 침투 범위의 차이가 최대 50 m 정도로 나타났으나, 이 차이는 광역적인 모델링 규모에서 볼 때 근소한 편이다. 따라서 본연구지역과 같이 광역적인 규모의 대수층에서 SHARP 모델은 해수 침투 범위에 대한 정량적인 변화를 파악하는데 유용한 것으로 판단된다.
후속연구
또한 갈수기에 안정적인 용수확보 및 해안지역 염수 침입 방지를 위하여 지하수댐을 건설하는 방법에 대한 연구2)등이 수행되었다. 이러한 해수 침투 연구결과를 효과적으로 활용하기 위해서는 해수 침투 범위와 특성을 정량적으로 제시할 수 있는 수리 동역학적 연구가 필요하다.
참고문헌 (28)
Bear, J., Cheng, A.H.-D., Sorek, S., Ouazar, D., and Herrera, I., Seawater Intrusion in Coastal Aquifers-Concepts, Methods and Practices, Kluwer Academic Publ., 625p. (1999)
Shamir, U. and Dagan, G., 'Motion of the seawater interface in coastal aquifers: A numerical solution', Water Resources Research, 7(3), pp. 644-657 (1971)
Wilson, J. L., and Sa Da Coasta, A., 'Finite element simulation of a saltwater-freshwater interface with interface toe tracking', Water Resources Research, 18, pp. (1982)
Ledoux, E., Sauvagnac, S., and Rivera A., 'A compatible single-phase/two -phase numerical model: 1. Modeling the transient salt-water/fresh-water interface motion', Ground Water, 28(1), pp. 79-87 (1990)
Rivera A., Ledoux, and E., Sauvagnac, S., 'A compatible single-phase/two-phase numerical model: 2. Application to a coastal aquifer in Mexico', Ground Water, 28(2), pp. 215-223 (1990)
Essaid, H. I., A multilayered sharp interface model of coupled freshwater and saltwater flow in coastal system: Model development and application, Water Resources Research, 26(7), pp. 1431-1454 (1990a)
Essaid, H. I., The computer model SHARP, A Quasi-Three-Dimensional Finite-Difference Model to Simulate Freshwater and Saltwater Flow in Layered Coastal Aquifer Systems, USGS WRIR 90-4130, 181p. (1990b)
Huyakorn, P. S., Wu, Y. S., and Park, N. S., Multiphase approach to the numerical solution of a sharp interface salt water intrusion problem. Water Resources Research, 32(1), pp. 93-102 (1996)
Person, M., Taylor, J. Z., and Dingman, S. L., 'Sharp interface models of salt water intrusion and wellhead delineation on Nantucket Island, Massachusetts', Ground Water, 36(5), pp. 731-742 (1998)
Kontis, A. L., Simulation of freshwater-saltwater interface in the Brooklyn-Queens aquifer system, Long Island, New York, USGS WRIR 98-4067, 26p. (1999)
Naji, A., Cheng, A.H.-D., and Ouazqr, D., BEM solution of stochastic seawater intrusion problems, Engineering Analysis with Boundary Elements, 23, pp. 529-537 (1999)
정상용, 강동환, 박희영, 심병완, '부산지역 지하수 오염현황 분석을 위한 지구통계 기법의 응용', 대한지질공학회지, 10(3), pp. 247-261 (2000)
부성안, 이기철, 김진성, 정교철, 고양수, 2002, '지하수댐 물막이벽 시공법과 해안지역 염수침입 방지기술 개선 방안', 대한지질공학회지, 12(2), pp. 215-234
Voss, C. I., SUTRA-Sautrated Unsaturated Transport, USGS WRIR 84-4369, 409p. (1984)
부경대학교, 대연 전화국 연결 통신구 공사로 인한 부경대학교 시설물 피해영향조사 연구(4/4), 168p. (1997)
Toad, D. K, Groundwater Hydrology, John Wiley & Sons, 535p. (1980)
심병완, 정상용, 김희준, 성익환, '수리동역학적 모델링에서 분산지수에 따른 해수침투 범위 변화에 관한 연구', 한국지하수토양환경학회지 , 7(4), pp. 59-67 (2002b)
Holzbecher, E. Modeling Density-Driven Flow in Porous Media, New York: Springer-Verlag, 286p. (1998)
Ritzi Jr., R. W., Bukowski, J. M., Carney, C. K., and Boardman, M. R., 'Explaining the thinness of the fresh water lens in the pleistocene carbonate aquifer on Andros isalnd, Bahamas', Ground Water, 39(5), pp.713-720 (2001)
Xu M., and Eckstein Y., 'Use of weighted least-squares method in evaluation of the relationship between dispersivity and fie1d scale', Ground Water, 33(6), pp. 905-908 (1995)
Gelhar, L. W., Welty, C., and Rehfeldt, K. R., 'A Critical Review of Data on Field-Scale Dispersion in Aquifers', Water Resources Research, 28(7), pp. 1955-1974 (1992)
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