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문제 정의
- 문제점을 안고 있다. 따라서 본 연구에서는 지하수내 염분의 이송 . 확산을 분석하는 2차원 유한요소법이 적용된 SUTRA( Saturated-Unsaturated Transport) 수치모형을 이용하여 지하댐 운영시 발생하는 염수침입 특성을 분석하고, 이 자료를 토대로 인공함양 (Artificial Recharging)시 물마루(Water Mound) 발생을통한 염해저감 지하댐 운영 기법을 제안 하고자 한다.
- 이러한 염수침입을 저감시키기 위하여 차수벽 하류부에 함양정을 운영하는 방안에 대하여 연구하였다.
- 이와 같이 본 연구에서는 기존의 소극적 대처방안과는달리 지하댐 운영시 대수층의 수위 강하로 인한 염수침입 문제를 보다 적극적으로 해결하고자 차수벽과 해안사이에 함양정을 설치하여 물마루 발생을 통해 대수층의수위를 상승시켜 염수침입을 저감시키는 기법을 구상하였다. Fig.
- 따라서 본 연구에서는 지하수내 염분의 이송 . 확산을 분석하는 2차원 유한요소법이 적용된 SUTRA( Saturated-Unsaturated Transport) 수치모형을 이용하여 지하댐 운영시 발생하는 염수침입 특성을 분석하고, 이 자료를 토대로 인공함양 (Artificial Recharging)시 물마루(Water Mound) 발생을통한 염해저감 지하댐 운영 기법을 제안 하고자 한다.
가설 설정
- 3에서와 같이 기반암이 U자형으로 형성되어 있어 북쪽과 남쪽으로 유입되는 지하수의 양은 적다. 그래서 본 실험에서는 수치해석의 편의상 이 지역을 비유동 경계(No Flow Boundary)로 설정하였다.
제안 방법
- 수리수두와 농도는 갈수기시등지하수위도(속초시 쌍천취수원 개발에 따른 수리지질연구 용역 보고서, 1998)를 토대로 설정하였다. 격자구성지역의 서쪽은 하천의 상류부분으로 수리수두를 5.0m로 설정하고 농도는 담수이므로 0.0(kg-TDS/kg- fluid)으로 결정하였다. 또한 동쪽지역은 해안이므로 수두를 평균해수면인 0.
- 4x10-7 m/s의 범위로 나타났으며 그 수치를 적용하였다. 그리고 시간에 따른 차수벽의 차수효과 저감에 의한 염수침입 분포를 알아보기 위하여 차수벽의 포화 투수계수를 세 가지 경우로 나누어 수치모형 실험을 수행하였다. 세 가지 경우의 차수벽 포화투수계수는 기존 에 조사된 차수벽 평균 포화투수계수보다 작은 값과 큰 값들로 나누어 설정하였다.
- 본 연구에서는 쌍천 지하댐에서의 공간적 수위분포도와 염수의 농도분포 특성을 분석하기 위해 격자를 수평(X, y) 방향으로 구성하였으며, 동서방향으로 2,000m, 남북방향으로 1, 000m로 모의할 대상유역 안에서 격자를 구성할 구간을 설정하였다. 대수층은 동서로 약 1, 750m정도로 설정하였으며 1,500m지점에 지하차수벽을 설치하고, 차수벽에서 상류쪽으로 250m, 해안쪽으로 150m 떨어진 곳에집수정과 함양정을 각각 설치하였다. 그리고 설정한 구간에서 동서방향으로 50개와 남북방향으로 25개의 40m 등간격의 격자망을 구성하였다.
- 0(kg-TDS/kg- fluid)으로 결정하였다. 또한 동쪽지역은 해안이므로 수두를 평균해수면인 0.0m로 설정하였고, 농도는 염수의농도인 0.0375(kg-TDS/kg-fluid)를 사용하였다. 북쪽과남쪽은 능선으로 둘러싸인 모암지대로 Fig.
- 모델링에 필요한 모든 입력변수를 고려하여 구성된수치모델을 이용하여 수치모형 실험을 수행하였다. 수치모형 실험은 10, 000m3/day를 집수정에서 양수했을경우 함양정에서의 함양률을 총 양수량의 1 ~10%까지 상승시키면서 각 경우에 대한 집수정에서의 염분농도 변화와 대수층의 지하수위 변화를 살펴보았다.
- 그리고 시간에 따른 차수벽의 차수효과 저감에 의한 염수침입 분포를 알아보기 위하여 차수벽의 포화 투수계수를 세 가지 경우로 나누어 수치모형 실험을 수행하였다. 세 가지 경우의 차수벽 포화투수계수는 기존 에 조사된 차수벽 평균 포화투수계수보다 작은 값과 큰 값들로 나누어 설정하였다. Table 1과 2에 입력한 초기 조건과 매개변수들, 그리고 수치모형 실험조건들을 나타내었다.
- 수치모형 실험은 10, 000m3/day를 집수정에서 양수했을경우 함양정에서의 함양률을 총 양수량의 1 ~10%까지 상승시키면서 각 경우에 대한 집수정에서의 염분농도 변화와 대수층의 지하수위 변화를 살펴보았다. 여기서 함양률이란 총 양수량에 대한 함양량의 비를 의미한다.
- 여기서 함양률이란 총 양수량에 대한 함양량의 비를 의미한다. 수치모형 실험의 조건은 염수침입을 보다 적극적으로 모의하기 위하여 염수침입의 문제가 심각히 대두되는 갈수기로 가정하여 무강우 지속조건으로 하였으며, 함 양정의 위치 변화와 차수벽의 차수효과 저감에 따른 경 우로 나누어 수행하였다. 차수벽의 초기 포화투수계수는 기존 조사 자료（속초시 도문동 쌍천 취수원 개발사 업 최종 보고서, 1998）에 의하여 9.
- 이를 위해 염분의 이송 . 확산을 분석하는 2차원 유한요소법이 적용된 SUTRA 수치모형을 적용하여 수치모형 실험을 통해 함양정의 위치, 함양률에 따른 대수증의 지하수위 상승률과 집수정에서의 염분농도 감소율의 관계를 규명하였으며, 연구결과 다음과 같은 결론을얻을 수 있었다.
대상 데이터
- 그리고 설정한 구간에서 동서방향으로 50개와 남북방향으로 25개의 40m 등간격의 격자망을 구성하였다. 구성한 격자망에서 격자의 수는 1,250개, 격점의 수는 1, 326개로 구성되었다. Fig.
- 대수층은 동서로 약 1, 750m정도로 설정하였으며 1,500m지점에 지하차수벽을 설치하고, 차수벽에서 상류쪽으로 250m, 해안쪽으로 150m 떨어진 곳에집수정과 함양정을 각각 설치하였다. 그리고 설정한 구간에서 동서방향으로 50개와 남북방향으로 25개의 40m 등간격의 격자망을 구성하였다. 구성한 격자망에서 격자의 수는 1,250개, 격점의 수는 1, 326개로 구성되었다.
이론/모형
- 훨씬 작기 때문에 무시된다(Celia 등, 1990). 본 수치모형에서 수행되는 질량평형 방정식의 정확한 형태는지하수 유동에 대해 Darcy 법칙을 도입하여 정리하면식 (1)과 같이 유도된다.
- 수리수두와 농도이다. 수리수두와 농도는 갈수기시등지하수위도(속초시 쌍천취수원 개발에 따른 수리지질연구 용역 보고서, 1998)를 토대로 설정하였다. 격자구성지역의 서쪽은 하천의 상류부분으로 수리수두를 5.
- 연구대상지역의 염수침입 분포를 해석하기 위해 미국의 지질조사국(USGS)의 Voss(1984)에 의해 개발된 2차원 SUTRA 수치모형을 사용하였으며, 이 수치모형에서 지하수 흐름모형에 근간을 이루는 주요변수는 유체 압력이다.
성능/효과
- 수치모형 실험결과 차수벽의 포화투수계수가 10"6 m/s일 경우에도 염수침입이 발생하여 63일 후 집수정의 염분농도가 음용수기준인 0.000250(kg-TDS/kg- fluid)을 초과하여 채수를 할 수 없게 되었다. 그러나 함양정을 차수벽으로부터 50m지점에 설치하고 함양률을 6%로 해서 함양을 시작한지 50일 후 집수정의 염분농도는 0.
- (1) 차수벽과 지하의 기반암 사이에 공간이 존재하지않아 완전히 차수가 이루어진다는 가정 하에 차수벽의 포화투수계수를 ixio-6~5xlO-6m/s 로 설정한 후 집수정에서 양수를 하기 시작하였을때 무강우 지속 63일 후 집수정의 염분농도가 음용수 수질기준을 초과하여 채수를 할 수 없게 되었다. 이 결과 완전한 차수가 이루어진다고 하더라도 기존의 차수효과를 가진 차수벽에 염수침입이 발생함을 알 수 있었으며 지하댐 운영시 염수침입을 저감시킬 수 있는 적절한 방안이 강구되어져야 할 것으로 판단되어졌다.
- (2) 염수침입 저감기법의한 방안으로 함양정을 운영하면서 함양률을 증가시킬수록 대수층 지하수위는 함양률 구간에서 선형적 분포를 보이며 상승하였으며, 이때 집수정에서의 염분농도도 지하수위가 상승함에 따라 선형적 감소하는것을 알 수 있었다. 이는 지하댐 운영시 발생하는염수침입 저감기법의한 방안으로 함양정을 운영함으로써 염수침입에 대한 효율적인 대처가 가능함을 알 수 있었다.
- (3) 함양정의 거리가 차수벽으로부터 일정할 경우 차수벽의 차수효과가 클수록 함양률에 따른 대수층지하수위 상승률은 높아지는 것을 알 수 있었으며, 이때 집수정에서의 염분농도 감소율도 가장높았다.
- (4) 차수벽의 차수효과가 일정할 경우에는 차수벽으로부터 함양정의 거리가 가까울수록 높은 지하수위 상승률을 보였으며, 염분농도의 감소율도 높아짐을 알 수 있었다.
- (5) 수치모형 실험을 통해 함양률을 총 양수량의 1~ 10%까지 증가시키면서 집수정에서의 염분농도감소율을 산정 해 본 결과 함양률이 6~7%일 때염분농도 감소율은 평균 67%정도를 나타내었으며, 7%이상부터는 감소율의 크기가 작아지는 것으로 나타났다. 따라서 효과적인 저감기법으로함양정을 운영시 차수벽으로부터 40~60ma리에함양정을 설치하고 함양률을 총 양수량의 6~7% 정도로 하여 운영을 할 때 가장 효율적으로 염해를 저감시킬 수 있음을 알 수 있었다.
- 00025CKk⑥-TDS/kg-fluid)을 초과하여 채수를 할 수 없게 되었다. 그러나 함양정을 설치하고 함양을 시작하면서 집수정의 염분농도는 감소하였는데, 함양정의 거리가 차수벽으로부터 50m일 경우 집수정의염분농도는 최대 95%, 100m일 경우는 85%, 그리고 150m일 경우는 76%가 감소하는 것을 알 수 있었다. 수치모형 실험결과를 정리하여 함양정의 위치와 차수벽의차수효과 저감에 따른 집수정에서의 염분농도 감소율을 Table 3과 4에 나타내었으며, Fig.
- 그리고 차수벽의 포화투수계수가 10「6 m/s일경우 함양률을 6%로 했을 때 염분농도 감소율은 평균 73%정도였으며, 함양률을 10%로 했을 때에는 82%정도로 1~6%까지는 염분농도 감소율이 커지다가 6%이상부터는 감소율의 크기가 작아짐을 알 수 있었다. 그리고 Fig. 23에서와 같이 함양률을 6%로 했을 경우 차수벽의 포화투수계수가 #일 때 함양정의 거리가차수벽으로부터 50~ 100m에서는 염분농도 감소율이 8 0~90%정도였으나 100m이상 떨어졌을 경우 염분농도감소율이 55%정도로 현저히 감소하는 것을 알 수 있다. 마찬가지로 차수벽의 포화투수계수가 # 일 경우에도 함양정의 거리가 차수벽으로부터 100m이상부터는 염해저감 효과가 저하되는 것을 알 수 있다.
- 또한 차수효과가 일정할 경우 함양정의 위치가 차수벽으로부터 가장 가까운 50m지점에 있을 때 함양률에 따른 대수층의 지하수위 상승률은 100m와 150m지점에있을 때 보다 높았으며, 이때 집수정에서의 염분농도감소율도 100ma리에 있을 경우 10%, 150ma리에 있을 경우보다 20%정도 염분농도 감소율이 높음을 알 수 있다. 그리고 차수벽의 포화투수계수가 10「6 m/s일경우 함양률을 6%로 했을 때 염분농도 감소율은 평균 73%정도였으며, 함양률을 10%로 했을 때에는 82%정도로 1~6%까지는 염분농도 감소율이 커지다가 6%이상부터는 감소율의 크기가 작아짐을 알 수 있었다. 그리고 Fig.
- 나타났다. 따라서 효과적인 저감기법으로함양정을 운영시 차수벽으로부터 40~60ma리에함양정을 설치하고 함양률을 총 양수량의 6~7% 정도로 하여 운영을 할 때 가장 효율적으로 염해를 저감시킬 수 있음을 알 수 있었다.
- 있다. 또한 차수효과가 일정할 경우 함양정의 위치가 차수벽으로부터 가장 가까운 50m지점에 있을 때 함양률에 따른 대수층의 지하수위 상승률은 100m와 150m지점에있을 때 보다 높았으며, 이때 집수정에서의 염분농도감소율도 100ma리에 있을 경우 10%, 150ma리에 있을 경우보다 20%정도 염분농도 감소율이 높음을 알 수 있다. 그리고 차수벽의 포화투수계수가 10「6 m/s일경우 함양률을 6%로 했을 때 염분농도 감소율은 평균 73%정도였으며, 함양률을 10%로 했을 때에는 82%정도로 1~6%까지는 염분농도 감소율이 커지다가 6%이상부터는 감소율의 크기가 작아짐을 알 수 있었다.
- 수치모형 실험결과 함양정을 운영하지 않고 양수만을 했을 경우 차수벽 상류의 대수층의 지하수위는 해수면을 기준으로 Q19m정도 강하하였으며 양수를 시작한날로부터 63일 경과 후 집수정의 염분농도가 음용수 수질기준인 0.00025CKk⑥-TDS/kg-fluid)을 초과하여 채수를 할 수 없게 되었다. 그러나 함양정을 설치하고 함양을 시작하면서 집수정의 염분농도는 감소하였는데, 함양정의 거리가 차수벽으로부터 50m일 경우 집수정의염분농도는 최대 95%, 100m일 경우는 85%, 그리고 150m일 경우는 76%가 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 000100(kg-TDS/kg-fluid)이하로 감소하였다. 이 결과로 지하댐 운영시 발생하는 염해저감 기법의한 방 안으로 함양정을 운영함으로써 염수침입에 대한 효율적인 대처가 가능함을 판단할 수 있었다.
- 알 수 있었다. 이는 지하댐 운영시 발생하는염수침입 저감기법의한 방안으로 함양정을 운영함으로써 염수침입에 대한 효율적인 대처가 가능함을 알 수 있었다.
- 13에 함양률이 10%일 때의 지하수위변화 특성을 나타내었다. 집수정에서의 염분농도는 50 일 후 Fig. 14에서와 같이 함양률이 6%일 경우 감소율이 78%가 되었으며, 10%일 경우에는 감소율이 85%로 함양률이 1~6%까지는 감소율의 크기가 커지다가 6% 이상부터는 감소율의 크기가 작아짐을 알 수 있었다. 함양을 시작하면서 함양률이 10%일 때 50일 후에는 Fig.
- 17에 함양률이 10%일 때의 지하수위변화 특성을 나타내었다. 집수정에서의 염분농도는 50 일 후 Fig. 18에서와 같이 함양률이 6%일 경우 감소율이 56%가 되었으며 10%일 경우에는 감소율이 65%로 함양률이 1~6%까지는 감소율의 크기가 커지다가 6% 이상부터는 감소율의 크기가 작아짐을 알 수 있었다. 함양을 시작하면서 함양률이 10%일 때 50일 후에는 Fig.
- 9에 함양률이 10%일 때의 지하수위 변화 특성을 나타내었다. 집수정에서의 염분농도는 50일 후 Fig. 10에서와 같이 함양률이 6%일 경우 감소율이 86%가 되었으며, 10%일경우에는 감소율이 95%로 함양률이 1~6%까지는 감소율의 크기가 커지다가 6% 이상부터는 감소율의 크기가작아짐을 알 수 있었다. 함양을 시작하면서 함양률이 10%일 때 50일 후에는 Fig.
- 차수벽으로부터 100m지점에 함양정을 설치하고 함양을 시작하면서 차수벽 상류의 대수층 지하수위는 Fig. 12에서와 같이 함양률이 10%일 때 양수만을 했을때의 지하수위보다 1.8%상승한 0.46m가 상승하는 결과를 보였다. Fig.
- 차수벽으로부터 150m지점에 함양정을 설치하고 함양을 시작하면서 차수벽 상류의 대수층 지하수위는 Fig. 16에서와 같이 함양률이 10%일 때 양수만을 했을때의 지하수위보다 1.2%상승한 0.30m가 상승하는 결과를 보였다. Fig.
- 차수벽으로부터 50m지점에 함양정을 설치하고 함양을 시작하면서 차수벽 상류의 대수층 지하수위는 Fig. 8에서와 같이 선형적 분포를 보이며 상승하였으며 함양률이 10%일 때 양수만을 했을 때의 지하수위보다 2.4% 상승한 0.6m가 상승하는 결과를 보였다. Fig.
- 10에서와 같이 함양률이 6%일 경우 감소율이 86%가 되었으며, 10%일경우에는 감소율이 95%로 함양률이 1~6%까지는 감소율의 크기가 커지다가 6% 이상부터는 감소율의 크기가작아짐을 알 수 있었다. 함양을 시작하면서 함양률이 10%일 때 50일 후에는 Fig. 11에서와 같이 차수벽의 포화투수계수가 #일 경우 염분농도감소율은 95%로 나타났으며 5시#일때는 89%, 그리고 1시~5시#일 때는 69% 의 감소율을 보이는 것으로 같은 함양률일 경우 차수벽의 차수능력이 저하됨에 따라 염분농도 감소율도 작아짐을 알 수 있었다.
- 18에서와 같이 함양률이 6%일 경우 감소율이 56%가 되었으며 10%일 경우에는 감소율이 65%로 함양률이 1~6%까지는 감소율의 크기가 커지다가 6% 이상부터는 감소율의 크기가 작아짐을 알 수 있었다. 함양을 시작하면서 함양률이 10%일 때 50일 후에는 Fig. 19에서와 같이 차수벽의 포화투수계수가#일 경우 염분농도 감소율은 65% 로 나타났으며 #일 때는 60%, 그리고 #일 때는 45%의 감소율을 보이는 것으로 함양정이 차수벽으로부터 50ma리에 있을 때 보다 20%정도, 100m 거리에 있을 때보다는 10%정도의 감소율이 저하됨을 보였다.
후속연구
- 이 결과 완전한 차수가 이루어진다고 하더라도 기존의 차수효과를 가진 차수벽에 염수침입이 발생함을 알 수 있었으며 지하댐 운영시 염수침입을 저감시킬 수 있는 적절한 방안이 강구되어져야 할 것으로 판단되어졌다.
- 이상과 같이 해안지역에 설치된 지하댐에서 발생하는염수침입 저감에 관한 연구가 부분적으로는 이루어지고있으나 저감에 관한 대책이나 연구 성과는 거의 없는 실정이며, 향후 설치지역 특성에 맞는 체계적이고 장기적인 계획의 수립과 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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