[논문]해안대수층에서 지하수-지표수 상호작용에 의한 지하수위 변화

김구영; 이철우; 김용제; 김태희; 우남칠

해안대수층에서 지하수-지표수 상호작용에 의한 지하수위 변화
Water-Level Fluctuation due to Groundwater-Surface Water Interaction in Coastal Aquifers 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.9 no.4, 2004년, pp.32 - 41

김구영 (한국지질자원연구원 지하수지열연구부) , 이철우 (한국지질자원연구원 지하수지열연구부) , 김용제 (한국지질자원연구원 지하수지열연구부) , 김태희 (한국지질자원연구원 지하수지열연구부) , 우남칠 (연세대학교 지구시스템과학과)

초록
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조석의 효과가 대수층에 미치는 해안대수층에서 지하수-지표수 상호작용에 관한 모사를 위해 수치모델링을 이용하였다. 모사에 사용한 모델은 하천경계와 해안경계가 서로 직교하며 하천은 대수층을 부분관통하고 있다. 해안경계와 하천경계에 의한 영향을 각각 살펴보고 두 경계조건에 의한 동시효과를 함께 모사하였다. 모사기간동안 해안경계에 의한 영향은 일정한 범위까지만 나타났으나, 하천경계에 의한 영향은 시간의 증가에 따라 영향범위가 넓어졌다. 하천경계와 해안경계조건이 만나는 부근에서는 해안경계에 의한 지하수위의 반복적인 상승과 하강으로 인해 두 경계조건에 의한 지하수위가 상호 상승작용을 일으키기도 하고 상호 상쇄되어 지하수위의 변화가 없는 영역이 나타나기도 한다. 따라서 이러한 하천과 해안경계조건이 상호 교차하는 주변 대수층에서의 수위를 측정하여 해안대수층에서의 수리상수를 추정하면 수리확산계수를 과대 혹은 과소평가하는 오류를 범할 수 있으므로 주의를 요한다. 하천바닥의 컨덕턴스(conductance)와 하천의 폭이 주변 대수층에 미치는 영향을 살펴보기 위해 입력인자를 변화시키며 모사한 결과, 하천폭의 증가에 의한 주변 대수층에서의 지하수위 변화는 하천바닥의 면적이 증가함에 따라 하천바닥 전체에서 대수층으로 유동하는 유량이 증가하기 때문이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Analysis of water-level fluctuation due to goundwater-surface water interaction in coastal aquifers is carried out by numerical modeling. The conceptual model used in this study has a stream boundary and a tidal boundary that forms a right angle and the stream partially penetrates the aquifer. We analyzed the effect of each boundary and the simultaneous effect of the two boundary conditions. The area of influence caused by the stream boundary increased during the simulation, while the influence zone of the coastal boundary was relatively constant. The groundwater level near the zone where two boundaries meet may rise by the action of combined effect of the two boundaries or may not change by cancelling the effect of each boundary. Thereafter, care must be taken when hydraulic parameters are estimated using sinusoidal oscillations of hydraulic head in coastal aquifers. Sensitivity analysis is employed to develop insight into the controls on groundwater level fluctuations. In this study our analyses focused on the effect of conductance and the stream width to the aquifer nearby.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

즉, 하천의 폭이 증가함에 따라 주변 대수층의 지하수위의 변동폭이 커지는 영향이 단순히 하천의 폭에 의한 영향인지 전체 하천바닥의 컨덕턴스의 증가에 의한 영향인지 판단하기 어렵다. 따라서 본 절에서는 하천의 폭은 증가시키면서 동시에 하천바닥의 단위면적당 컨덕턴스를 감소시켜 하천으로부터 대수층으로 빠져나가는 수량은 일정하게 하면서 지하수위의 변화를 살펴보았다.
본 연구에서는 해안대수층에서의 지하수-지표수 상호작용에 관한 분석을 위해 Fig. 1과 같은 개념모델을 설정하였다. 모델영역의 중앙을 하천이 북에서 남으로 관통하고 있으며 남쪽은 해안과 접하고 있다(Fig.
본 절에서는 조석에 의한 영향과 하천에 의한 영향이 동시에 대수층의 지하수위에 미치는 영향을 살펴보았다. 이를 위해 모델 설정시 서쪽에는 하천경계, 남쪽에는 해안의 조석효과를 고려한 수두경계를 설정였으며, 입력인자는 Table 1과 같다.
본 절에서는 조석의 효과가 미치는 해안대수층에서 하천바닥의 컨덕턴스가 주변 대수층에 미치는 영향을 살펴보았다. 모델 설정은 Table 1과 같으며 하천바닥의 컨덕턴스는 5, 10, 20, 30, 40m²h^-1로 변화시켜가며 그 결과를 살펴보았다(Fig.

제안 방법

그러나 현재까지 지하수-지표수 상호작용에 관한 연구와 해안대수층에서의 지하수-해수 상호작용에 관한 연구를 결합한 시도가 이루어진 바 없으며, 이에 본 연구에서는 수치모델인 MODFLOW(Mcdonald와 Harbaugh, 1988)²⁵⁾를 이용하여 해안대수층에서의 지하수-지표수 연계에 관한 분석을 실시하였다.
먼저 조석의 효과에 의한 지하수위의 변화양상을 살펴보기 위해 하천에서의 수위변화는 없는 것으로 설정하고 1영역과 2영역에 대해 거리에 따른 지하수위 진폭(amplitude) 및 위상변화(phase delay)를 살펴보았다. Fig.
본 절에서는 조석의 효과가 미치는 해안대수층에서 하천바닥의 컨덕턴스가 주변 대수층에 미치는 영향을 살펴보았다. 모델 설정은 Table 1과 같으며 하천바닥의 컨덕턴스는 5, 10, 20, 30, 40m²h^-1로 변화시켜가며 그 결과를 살펴보았다(Fig. 7). 먼저 하천바닥의 컨덕턴스가 하천으로부터 대수층으로 빠져나가는 누수율에 미치는 영향을 Fig.
모든 영역의 초기수위는 평균해수위와 같은 0.0m를 주었으며, 하천수위(stream stage), 하천바닥(stream bed)의 두께 및 수리전도도의 변화에 의한 주변대수층에서의 수위변화 효과를 살펴보기 위해 이들 변수를 변화시켜가며 모사하였다.
Zlotnik와 Huang(1999)은 해석학적인 모델을 이용하여 하천이 단위수위만큼 변화할 때 하천의 폭이 증가하면 주위 대수층에서의 지하수위 반응이 더 크다는 결과를 내었다. 이때 사용한 수식(Zlotnik와 Huang, 1999, equatio¹⁴⁾에는 입력인자로서 누수율(leakance)인 K_s/M이 입력되며, 다른 변수는 고정시킨채 하천의 폭(w)만 증가시키며 그 결과를 살펴보았다. 이 경우 하천의 폭이 증가함에 따라 전체 하천바닥의 컨덕턴스 값도 증가하게 되며, 하천으로부터 대수층으로의 누수량도 자연히 증가하게 될 것이다.
1(b)). 이때 하천의 중앙을 중심으로 서쪽과 동쪽은 대칭을 이루고 있으며, Fig. 1에서 하천의 중심축인 x=0인 지점에서의 경계조건은 무흐름경계조건(∂h/∂x=0)으로 둘 수 있기에 본 연구에서는 x≥0인 영역만을 모사 하였다.
하천수위가 다시 하강할때의 주변대수층의 반응을 살펴보기 위해 60시간 이후 하천수위를 0m로 낮추어 모사해 보았다. 두 경계조건에 의해 지하수위가 상승하는 시점과 하강하는 시점인 75, 87, 99, 111시간의 모델내 지하수위를 Fig.
하천의 효과에 의한 지하수위의 변화양상을 살펴보기 위해 모델 남쪽 경계에서 조석의 효과는 설정하지 않은 상태에서 하천 직하부지점(x=5m)부터 하천에서 X-축 방향으로 95m, 195m, 295m, 400m 떨어진 지점에서의 시간별 수위변화를 살펴보았다. 하천수위는 t=0hr 일때 단위수위(1m)만큼 상승시킨 결과, 하천 직하부의 경우 모사 시작후 초기에 지하수위가 급상승하여 약 30시간 후에는 0.
해안대수증에서의 지하수-지표수 상호작용에 관한 분석을 위해 수치모델을 이용하였으며, 모델은 하천경계와 해안경계가 서로 직교하게 설정하여 각각의 경계가 주변 대수층에 미치는 영향과 두 경계가 상호작용을 일으켜 지하수위에 미치는 영향을 살펴보았다. 이때 하천은 대수층을 부분관통하게 설정하였으며 하천이 설정된 부분의 아래 대수층은 피압대수층이며 이외 지역은 자유면 대수층이다.

대상 데이터

수치모델을 통해 설정한 모델의 크기는 l,000m×l,010m×20m이며, x-방향의 격자 간격은 0~300m는 10m, 300~600m는 15m, 600~1000m는 20m 간격으로 설정하였다. y-방향으로는 해안선으로부터의 거리를 쉽게 계산하기 위하여 -10~0m까지를 해안 경계조건으로 설정하고 0~1000m까지는 X-방향의 격자 간격과 같이 설정하였다.

성능/효과

6m²h^-1으로 감소시켰다. 그 결과 시간별 누수량은 세 경우 모두 거의 일정하였다(Fig. 8(a)).
하천바닥의 컨덕턴스의 변화에 대한 누수율과 지하수위의 변화는 Table 2와 같다. 컨덕턴스를 100%에서 700%까지 변화시켰을때 누수율은 43-122%, 지하수위는 233~600%까지 변화하였으며, 컨덕턴스의 변화에 대해 지하수위가 더 민감하게 반응하였다.
즉, 해안대수층에서는 하천바닥을 통하여 유입되는 지하수량은 하천수위가 고정되어 있는 경우에도 계속 변화한다. 하천바닥의 컨덕턴스 변화에 대한 누수율 및 주변대수층에서의 지하수위의 민감도를 분석한 결과 지하수위가 더 민감하게 반응하였다. 또한 하천폭이 주변 대수층에 미치는 영향을 살펴본 결과 하천의 폭이 증가함에 따라 주변 지하수위 변화가 증가하는 것은 결국 전체 하천바닥의 면적이 커짐에 따라 누수량의 증가에 의한 것이며 단순히 하천폭이 미치는 영향은 미미하였다.
이는 조석의 효과에 의해 지하수위가 계속하여 상승과 하강을 반복하여 변동하기 때문이다. 하천의 컨덕턴스를 5단계로 변화시키며 모사한 결과 하천바닥의 컨덕턴스가 클수록 하천의 누수율의 상승과 반복 변화 정도가 크며, 반대로 컨덕턴스 값이 작을수록 조석에 의한 효과가 미비하다.
이때 하천은 대수층을 부분관통하게 설정하였으며 하천이 설정된 부분의 아래 대수층은 피압대수층이며 이외 지역은 자유면 대수층이다. 해안경계와 하천경계에 의한 동시효과를 모사한 결과 각각의 경계조건에 의한 결과가 합성되어 나타났으며, 조석에 의한 변화 및 하천에 의한 변화 모두 두 경계조건으로부터 멀어짐에 따라 지하수위 반응은 감소하였다. 모사기간동안 해안경계에 의한 영향은 일정한 범위까지만 나타났으나, 하천경계에 의한 영향은 시간의 증가에 따라 영향범위가 넓어졌다.
해안대수층에서 하천바닥의 컨덕턴스가 주변대수층에 미치는 영향을 살펴보기 위해 컨덕턴스를 변화시켜가며 하천바닥으로부터 주변대수층으로 흘러들어가는 누수율과 지하수위를 살펴본 결과 시간별 하천 누수율은 해안경계가 없는 경우와는 달리 누수율이 증가와 감소를 반복하였다. 즉, 해안대수층에서는 하천바닥을 통하여 유입되는 지하수량은 하천수위가 고정되어 있는 경우에도 계속 변화한다.

후속연구

또한 해안 경계에서의 두 경계조건이 교차하는 주변 대수층에서 시간에 따른 지하수위분포를 살펴보면 만조시에는 두 경계의 상호 상승작용으로 지하수위가 더욱 상승하고 간조시에는 두 경계의 영향이 상호 상쇄되어 지하수위 변화가 없는 영역이 나타났으며, 이 영역은 시간이 지남에 따라 하천경 계에 의한 영향범위가 커짐에 따라 하천경계에서 멀어지고 해안경계쪽에 가까워졌다. 이러한 하천과 해안경계조건이 상호 교차하는 주변 대수증에서의 수위를 즉정하여 해안대수층에서의 수리상수를 추정하면 수리확산계수(hydraulic diffusivity, T/S)를 과대평가(만조시) 하게 되거나 과소평가(간조시)하는 오류를 범할 수 있으므로 주의해야 할 것이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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