본 연구는 마창대교 진입 터널 건설에 따른 지하수-지표수 연계 시스템에 대한 사례 분석을 그 주요 목적으로 하였다. 터널 노선의 약 300m에 이르는 구간은 본 연구지역을 흐르는 가포천의 직하부를 통과하고 있어 이에 대한 사전 영향 검토가 요구되었다. 하지만, 이와 유사한 사례는 국내외적으로 거의 존재하지 않으며, 다만 국내의 경우 터널 굴착에 따른 지하수계에 대한 영향 검토는 부분적인 조사 자료에 근거한 case modeling 연구가 수행된 사례는 빈번히 존재한다. 하지만 본 연구에서는 불확실성이 높은 자료에 근거한 모델링 연구를 지양하고, 자연적인 상태에서의 고도별 지표수 유량 변화를 관측하여 이를 통해 지하수-지표수 상호 작용을 해석하고자 하였다. 또, 이러한 해석 결과에 근거하여 터널 굴착 시 발생 가능한 문제점을 제시하고, 그에 따른 설계상의 보완점 제시를 그 주요 목적으로 하였다. 본 연구를 위해 터널 예정 노선 직상부를 흐르는 가포천에 대해 총 5개 지점에서 하천 유량모니터링을 실시하였고, 이를 통해 하천 유량 중 지하수 기저 유출에 의한 기여 정도를 분석하였다. 분석결과 본 연구 지역에서 하천 유랑 중 평균 39%는 지하수의 기저 유출에 의한 것으로 추정되었으며, 터 널 굴착 시 최소 지하수 기저유출에 의한 하천 유출량(39%)이 감소할 개연성을 확인하였다. 이상의 연구 결과를 근거로 본 지역에서 터널 굴착에 따른 하천 유량에 대한 영향을 최소화 할 수 있는 방안으로 개수로 공사에 의한 터널 인접 구간에서의 지하수-지표수 상호 작용의 차단, 터널로의 지하수 유입량의 가포천으로의 환원 등 그 영향을 최소화 할 수 있는 방안을 설계 대안으로 제시하였다.
본 연구는 마창대교 진입 터널 건설에 따른 지하수-지표수 연계 시스템에 대한 사례 분석을 그 주요 목적으로 하였다. 터널 노선의 약 300m에 이르는 구간은 본 연구지역을 흐르는 가포천의 직하부를 통과하고 있어 이에 대한 사전 영향 검토가 요구되었다. 하지만, 이와 유사한 사례는 국내외적으로 거의 존재하지 않으며, 다만 국내의 경우 터널 굴착에 따른 지하수계에 대한 영향 검토는 부분적인 조사 자료에 근거한 case modeling 연구가 수행된 사례는 빈번히 존재한다. 하지만 본 연구에서는 불확실성이 높은 자료에 근거한 모델링 연구를 지양하고, 자연적인 상태에서의 고도별 지표수 유량 변화를 관측하여 이를 통해 지하수-지표수 상호 작용을 해석하고자 하였다. 또, 이러한 해석 결과에 근거하여 터널 굴착 시 발생 가능한 문제점을 제시하고, 그에 따른 설계상의 보완점 제시를 그 주요 목적으로 하였다. 본 연구를 위해 터널 예정 노선 직상부를 흐르는 가포천에 대해 총 5개 지점에서 하천 유량 모니터링을 실시하였고, 이를 통해 하천 유량 중 지하수 기저 유출에 의한 기여 정도를 분석하였다. 분석결과 본 연구 지역에서 하천 유랑 중 평균 39%는 지하수의 기저 유출에 의한 것으로 추정되었으며, 터 널 굴착 시 최소 지하수 기저유출에 의한 하천 유출량(39%)이 감소할 개연성을 확인하였다. 이상의 연구 결과를 근거로 본 지역에서 터널 굴착에 따른 하천 유량에 대한 영향을 최소화 할 수 있는 방안으로 개수로 공사에 의한 터널 인접 구간에서의 지하수-지표수 상호 작용의 차단, 터널로의 지하수 유입량의 가포천으로의 환원 등 그 영향을 최소화 할 수 있는 방안을 설계 대안으로 제시하였다.
The objective of this study is the evaluation of the tunneling effect on the goundwater-surface water interaction. The designed tunnel line is laid beneath the Hapo-cheon, which runs throughout the study area. And, the pre-evaluation of the tunnel-influence on the Gapo-cheon is urgently needed. Howe...
The objective of this study is the evaluation of the tunneling effect on the goundwater-surface water interaction. The designed tunnel line is laid beneath the Hapo-cheon, which runs throughout the study area. And, the pre-evaluation of the tunnel-influence on the Gapo-cheon is urgently needed. However, it is very difficult to find out the similar domestic and/or foreign cases. In this study, the numerical modeling technique was not considered because of the insufficient data. Instead of the numerical modeling, the measurement and analysis of the stream flow rates 5 different points were adopted to evaluate the influence of the tunnel construction on the Gapo-cheon. Based on the analysis of flow monitoring data, it can be concluded that 39% of flow rate in Gapo-cheon is contributed by the groundwater discharge, as baseflow and the construction of tunnel can seriously decrease the flow rate in Gapo-cheon.
The objective of this study is the evaluation of the tunneling effect on the goundwater-surface water interaction. The designed tunnel line is laid beneath the Hapo-cheon, which runs throughout the study area. And, the pre-evaluation of the tunnel-influence on the Gapo-cheon is urgently needed. However, it is very difficult to find out the similar domestic and/or foreign cases. In this study, the numerical modeling technique was not considered because of the insufficient data. Instead of the numerical modeling, the measurement and analysis of the stream flow rates 5 different points were adopted to evaluate the influence of the tunnel construction on the Gapo-cheon. Based on the analysis of flow monitoring data, it can be concluded that 39% of flow rate in Gapo-cheon is contributed by the groundwater discharge, as baseflow and the construction of tunnel can seriously decrease the flow rate in Gapo-cheon.
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문제 정의
따라서 사용시 신중을 기해야 한다. 따라서 본 연구에서는 하천 유량 관측시 하상과 하천 수위를 직접 관측함으로써 유량 산정 상에서의 오차 발생 요인을 제거하고자 하였다.
따라서 본 연구의 주요 목적은 자연적인 조건의 지 표수-지하수 상호관계의 규명을 통해 터널 건설 시 발생할 수 있는 문제점에 대해 사전 검토하여 터널 시공에 따른 문제점을 보완하고, 또 이를 위해 짧은 기간 내 지하수-지표수 간의 상호작용 정도를 규명하기 위한 유량 관측 방법에 관한 검토에 그 목적이 있다.
본 연구는 터널 굴착 이전의 시점에서 터널 굴착 후 예상되는 문제점에 대한 사전 연구의 성격을 가진다. 따라서 터널 굴착 이전인 현재의 시점에 대한 Back Data의 확보와 자연적 실태를 조사함으로써 터널 굴착에 따른 영향을 검토하고자 하였다. 물론 강수시지표 직접 유출에 의한 하천 유량의 변화(지하수 기저유 출과 무관한 하천 유량 변화)에 대한 별도의 검토가 요구되는 것은 사실이나, 강수시 하천 유량의 급격한 변화는 일시적인 현상(1일 이내)임을 감안한다면, 전체 조사 기간에 대한 영향을 배제하는 것이 터널 굴착에 따른 본 연구지역에 대한 영향을 검토하는데 재해도 평가라는 관점에서는 오히려 합리적일 수 있을 것이다.
본 연구는 터널 굴착 이전의 시점에서 터널 굴착 후 예상되는 문제점에 대한 사전 연구의 성격을 가진다. 따라서 터널 굴착 이전인 현재의 시점에 대한 Back Data의 확보와 자연적 실태를 조사함으로써 터널 굴착에 따른 영향을 검토하고자 하였다.
본 연구에서는 연구지역 가포 농업용 저류지로부터 동쪽으로 흘러나가는 가포천의 유량을 관측하기 위하여 하천수위-유량 관계식을 이용하는 수위-유량곡선식 (rating curve) 방법을 적 용하였다.
본 조사결과를 터널 건설에 따른 수계와의 연관성을 중심으로 살펴 보았다. 이상의 조사 결과를 근거로 터널 굴착 시 본 지역의 수계(지하수-지표수 포함)에 미치는 영향을 검토하여 보았다.
앞서 언급한 바와 같이 하천 수위의 경우 수위-유량 곡선식을 산출하기 위하여 2003년 7월 하순부터 2003년 9월 중순까지 총 2개월간 압력 관측 방식의 센서를 이용하여 관측을 수행하였으며, 이와 함께, 인근 하천 의 시추공(STB-&STB-9) 에서 지하수위 모니터링도 함께 수행하였다. 이때 지하수위 자료를 고도별 유량 산 출 결과 및 이를 통한 지하수 기저유출량 산정의 타당성을 뒤받침하기 위해 활용되었다. 이와 함께, 대기압 변화자료도 함께 모니터링하여 지하수위 및 하천 수 위 를 보정 하였다.
이상의 조사 결과를 근거로 본 연구지역 내 터널 굴착에 따른 터널-지하수-지표수(가포천)간의 상호 관계를 규명하기 위한 현장조사를 수행하였다.
본 조사결과를 터널 건설에 따른 수계와의 연관성을 중심으로 살펴 보았다. 이상의 조사 결과를 근거로 터널 굴착 시 본 지역의 수계(지하수-지표수 포함)에 미치는 영향을 검토하여 보았다. 단, 통상적으로 활용 되는 지하수 모델링에 의한 영향 분석은 실제 불확실성이 높아 본 연구의 검토 대상에서는 제외하였다.
제안 방법
(주)태조 엔지니어링에서는 본 조사 지역의 수리적 특성을 파악하기 위해 가포천 상류지점 농업용 저류 지 인접 지역에서 순간 수위변화 시험 및 양수시험을 수행하였다. 시험 결과 나타난 수리전도도의 값은 1.
(주)태조엔지니어링에서는 본 지역의 공내 자연적 지하수 흐름 방향을 조사하기 위하여 STB-2, 6, 9번에서 2차원 지하수 유향-유속 시험을 수행하였다(Table 2). 시험 결과를 살펴보면 전반적인 지하수의 흐름은 지형 기복에 따라 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 양상을 보여주고 있으며, 유속은 lOeloicm/sec)로 비교적 빠른 흐름은 보여주고 있다.
물론 강수시지표 직접 유출에 의한 하천 유량의 변화(지하수 기저유 출과 무관한 하천 유량 변화)에 대한 별도의 검토가 요구되는 것은 사실이나, 강수시 하천 유량의 급격한 변화는 일시적인 현상(1일 이내)임을 감안한다면, 전체 조사 기간에 대한 영향을 배제하는 것이 터널 굴착에 따른 본 연구지역에 대한 영향을 검토하는데 재해도 평가라는 관점에서는 오히려 합리적일 수 있을 것이다. 이 뿐만 아니라 본 연구에서는 기저 유출량의 정확한 정량적 산출을 위하여 상류로부터 하류에 이르는 총5지점에서 단계별 모니터링을 실시하고, 1) 하천 유줄량 중 지하수에 의한 기저 유줄량이 차지하는 비 율에 대한 평가, 2) 터널 시공 후 재해도 평가를 위한 본 연구에서 적용한 방법에 대한 적용성을 평가하여 보았 다. 이상의 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
우선 합리적인 곡선식을 얻기 위하여 수위와 유량관계가 어떤 형태를 이룰 것인 가를 파악해야 하는데 이를 위하여 자료들을 반대수 지 (semi-log paper) 또는 전대수지 (log-log paper) 에 나타낸 후 직선형인지, 곡선형인지를 1차적으로 검토 하였다. 그 후 정확한 회귀분석을 통하여 식(1)과 식(2) 형태의 곡선식을 각각 하나씩 구한 다음, 두식 중 상관계 수(correlation coefficient)가 더 좋은 것을 그 지점의 수위-유량 곡선식으로 결정하는 것을 원칙으로 하였다. 회귀분석 과정 중 다른 점들과 동떨어져 있는 자료는 잘못된 자료라 판단하여 제 외 하였다.
본 연구에서는 이러한 상호관계를 규명하기 위하여 지하수로부터 하천으로의 기저 유출량을 산정 하는 방법을 이용하였다. 일반적으로 상시 하천의 경우 부분적 인 지하수로의 손실 지역이 존재한다.
본 연구에서는 이러한 시기적 문제를 극복하고 기저 유출량을 정확히 평가하기 위해 상류에서 하류로 내려가며 다섯 개의 지점에서 하천 유량을 관측하여, 각 지점 별 유량의 변화를 직접 산출하는 방법을 이용하였다. 이는 직접 강수에 의한 지표 유출이 지표수 유 량에 영향을 주지 않는 조건에서는 지표수의 위치별 유량 변화에 영향을 줄 수 있는 직접적인 요인으로는 지표로의 지하수 기저 유출에 의한 것 이외에는 존재하지 않는다는 전제를 가지고 있다.
앞서 언급한 바와 같이 하천 수위의 경우 수위-유량 곡선식을 산출하기 위하여 2003년 7월 하순부터 2003년 9월 중순까지 총 2개월간 압력 관측 방식의 센서를 이용하여 관측을 수행하였으며, 이와 함께, 인근 하천 의 시추공(STB-&STB-9) 에서 지하수위 모니터링도 함께 수행하였다. 이때 지하수위 자료를 고도별 유량 산 출 결과 및 이를 통한 지하수 기저유출량 산정의 타당성을 뒤받침하기 위해 활용되었다.
여기서 Q 는 유량, H 는 수위를 나타내며 a, b, c, n 은 지역에 따라 변하는 값으로 회귀분석을 통하여 구해야 하는 상수들이다. 우선 합리적인 곡선식을 얻기 위하여 수위와 유량관계가 어떤 형태를 이룰 것인 가를 파악해야 하는데 이를 위하여 자료들을 반대수 지 (semi-log paper) 또는 전대수지 (log-log paper) 에 나타낸 후 직선형인지, 곡선형인지를 1차적으로 검토 하였다. 그 후 정확한 회귀분석을 통하여 식(1)과 식(2) 형태의 곡선식을 각각 하나씩 구한 다음, 두식 중 상관계 수(correlation coefficient)가 더 좋은 것을 그 지점의 수위-유량 곡선식으로 결정하는 것을 원칙으로 하였다.
이때 지하수위 자료를 고도별 유량 산 출 결과 및 이를 통한 지하수 기저유출량 산정의 타당성을 뒤받침하기 위해 활용되었다. 이와 함께, 대기압 변화자료도 함께 모니터링하여 지하수위 및 하천 수 위 를 보정 하였다.
대상 데이터
본 연구 지역은 경상남도 마산시 가포동 가포초등 학교 서쪽에 위치한 지역으로 마창대교 건설에 따른 진입도로 건설 예정지역으로 마산-창원 연안만에 직접 인접해 있고, 가포 유원지(매립 예정지)와 인접해 있는 지역이다. (주)태조엔지니어링에서는 본 지역의 터널 설계를 위한 기본 자료를 획득하기 위해 터널 예정 노선을 따라 총 13개의 시추정 (STB-1 ~ 13, Fig.
성능/효과
② 본 연구지역에서의 터널 굴착을 통해 가포천의 총 유량 중 지하수의 기저유출량에 해당하는 39%의 유량을 감소시킬 개연성이 존재함을 확인하였다. 하지만, 실제 터널의 굴착 시 지하수에 의한 기저 유출량의 손실뿐만 아니라 하천으로부터 터널로의 직접적인 손실 역시 발생할 가능성 역시 존재 한다.
④ 다단계 하천 유출량에 대한 모니터링 방법은 기존의 하천 유출량 곡선을 통한 기저 유출 분리법 (baseflow separation)의 한계(총 하천유출량 추정상 의 오차, 기저 유출 곡선 분리의 주관성 등)를 극복하고 위치에 따른 유출량 차이를 이용하여 보다 객관적인 기저 유출량을 도출할 수 있음을 확인하였다.
4에 제시되어진 하천 유출량 및 평균은 관측 오차 및 하천 표면의 국부적, 일시적 변동에 의한 영향을 제거하기 위해 window 7의 이동평균값을 취하였다. 관측되어진 하천 유 출량을 살펴보면, site 2(농업용 저류지 직하부)에서는 최대 47.37 L/sec에서 최소 8.19 L/sec, site 3(STB-8번 옆)에서는 최대 58.75 L/sec에서 최소 6.07 L/sec, site 4(지류)에서는 최대 15.48 L/sec에서 최소 2.72 L/sec, site 5(합류점)에서는 최대 81.60 L/sec에서 최소 14.19 L/sec, site 6(터널 갱구부 예정지)에서는 최대 84.50 L/sec에서 최소 19.86 L/sec로 관측되었다(Table 3). 이들 각각의 평균/표준편차는 site 2에서는 16.
즉, 본 연구 지 역에서의 기저유출 에 의한 지하수의 기여를 완전히 차단할 뿐만 아니라, site 2와 site 3구간 사이 에서 처럼 본 연구지역 내 하천 구간 전반을 손실하천(losing stream)으로 바꾸어 놓을 개연성이 매우 높다. 따라서 터널 굴착 시 연구지역을 관통하는 가포천의 유량은 최소 40%는 감소할 것으로 판단된다. 이때 40%는 site 2에서의 하천 유량이 손실되지 않고 site 6지점까지 흐른다는 전제 하에서의 평균값이다.
4(b), Table 4). 물론 site 2와 site 3 사이에서는 평균 -0.60 L/sec(최대 12.0 L/sec, 최소 -6.37 L/sec)로 도리어 하천에서 지하수계로 유량이 유실되고 있음을 확인할 수 있다. 하지만 본 연구지역의 최상류부(site 2)에서 최하류부(site 6)에 이르는 전체 구간을 살펴보면, 평균 기저유출량은 평균 14.
(주)태조 엔지니어링에서는 본 조사 지역의 수리적 특성을 파악하기 위해 가포천 상류지점 농업용 저류 지 인접 지역에서 순간 수위변화 시험 및 양수시험을 수행하였다. 시험 결과 나타난 수리전도도의 값은 1.88x10'6~9.32x104 cm/sec (순간수위 변화시험), 6.77×10-4~8.89×10-4 cm/sec (양수시 험) 로 나타났으며, 각각의 기하 평균은 1.3x10-5 cm/sec(순간수위변화 시 험), 4.47xl04 cm/sec(양수시험)이다. 이는 일반적인 암반 대수층에서 나타나는 값과 큰 차이는 보이지 않 는다.
(주)태조엔지니어링에서는 본 지역의 공내 자연적 지하수 흐름 방향을 조사하기 위하여 STB-2, 6, 9번에서 2차원 지하수 유향-유속 시험을 수행하였다(Table 2). 시험 결과를 살펴보면 전반적인 지하수의 흐름은 지형 기복에 따라 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 양상을 보여주고 있으며, 유속은 lOeloicm/sec)로 비교적 빠른 흐름은 보여주고 있다. 다만 STB-9의 경우 최상부 시험구간(지표로부터 14m 지점)의 경우 그 방향이 전반적인 지형 기복(동쪽)과는 다른 남쪽 방향의 지하수 흐름을 보여주고 있는데, 이는 해당 지역의 소규모 계곡지형의 영향으로 보이며, 이는 이 부근에서 지하수와 지표수 상호간의 연계성에 대한 개연성을 제시해 준다.
앞서 조사 결과에 대한 서술 및 터널과의 상관성 검토를 통해 살펴 본 바와 같이 지표수 유량의 구배에 따른 변화에 대한 모니터링은 본 지역에서의 지하수-지 표수 상호 연계 영향 검토에 매우 유용한 방법임을 확인할 수 있다. 하지만, 현재까지 국내에서 터널-지하수-지 표수 상호 연계성에 대한 case study가 부족한 만큼 본 연구지역에서의 영향성 검토 및 추후 유사 사례 발생시 이에 대한 대책 마련을 위해서는 터널 굴착시, 굴착 후의 변화에 대한 지속적인 조사 및 이에 대한 해석, 지하수 시스템에 대한 체계적인 조사와 이에 근거한 비교 모델링 연구가 추가적으로 요구된다.
후속연구
이는 터널 굴착 후 강수에서 터널에 이르는 소규모의 물순환 시스템에 관해 환경동위원소라는 매개를 통해 살펴봄으로써 상호 연계성을 살펴보고자 한 연구로 본 연구지역의 해석을 위해 가장 근접한 연구라 생각되나, 본 지역은 현재 터널 건설 전이라는 중요한 차이가 있다. 그리고 본 연구는 국내 건설 설계를 위한 조사 관례상 상대적으로 짧은 기간 (1~3개월) 내에 연구를 수행해야 한다는 한계를 가지고 있어 지하수-지표수 상호작용을 위해 흔히 사용되는 수문분리법을 직접 적용하는 것은 한계를 가진다.
하지만, 이 역시 지하수로부터 의 기저 유출에 의한 하천 유량 손실을 보완할수는 없다. 따라서 본 지역에서의 터널 시공 시 터 널로 유입되는 지하수를 하천으로 되돌릴 수 있는 방안이 강구되어야 할 것이다.
앞서 조사 결과에 대한 서술 및 터널과의 상관성 검토를 통해 살펴 본 바와 같이 지표수 유량의 구배에 따른 변화에 대한 모니터링은 본 지역에서의 지하수-지 표수 상호 연계 영향 검토에 매우 유용한 방법임을 확인할 수 있다. 하지만, 현재까지 국내에서 터널-지하수-지 표수 상호 연계성에 대한 case study가 부족한 만큼 본 연구지역에서의 영향성 검토 및 추후 유사 사례 발생시 이에 대한 대책 마련을 위해서는 터널 굴착시, 굴착 후의 변화에 대한 지속적인 조사 및 이에 대한 해석, 지하수 시스템에 대한 체계적인 조사와 이에 근거한 비교 모델링 연구가 추가적으로 요구된다. 할 것이다.
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