복합토양층의 불포화대와 포화대에서 연속주입 추적자시험을 이용한 수리분산특성 연구 A Study of Hydrodynamic Dispersions in the Unsaturated and the Saturated Zone of a Multi-soil Layer Deposit Using a Continuous Injection Tracer Test원문보기
여러 개의 층으로 구성된 토양층에서 연속주입 추적자시험을 수행하여, 불포화대와 포화대 구간에서의 수리분산특성 차이를 추적자의 농도이력곡선, 시간에 따른 농도변화 및 농도변화율, 그리고 거리에 따른 농도비 분석을 통해 비교 연구하였다. 연속주입 추적자시험에 의하면, 약 160시간이 경과된 후에 불포화대와 포화대에서 Rhodamine WT 최대농도의 차이는 약 $13{\sim}15$배 정도에 달하였고, 시험시간 대 추적자 농도증가율의 차이는 약 10배 정도로 나타났다. 또한 시간에 따른 추적자 농도이력곡선의 변화와 농도변화율이 불포화대에 비하여 포화대에서 크게 나타났다. 주입공에서의 이격거리에 따른 추적자의 농도비는 포화대 구간에서 더 빠르게 선형적으로 감소하였으며, 그 이후에 농도비가 2배 이하로 완만해 지는데 걸린 시간은 포화대 구간이 더 길었다. 이러한 차이들은 여러 개의 층서로 구성된 토양층의 포화대에서는 지하수가 존재하며, 또한 매질의 불균질성이 크고 투수성이 다양하기 때문에, 비교적 균질한 층서를 이루는 불포화대에 비하여 추적자 용액의 농도는 낮고, 추적자의 확산이 느리게 진행되어진데서 기인하였다. 그리고 포화대 구간에서의 유효공극율은 $10.19{\sim}10.50%$, 종분산지수는 $0.80{\sim}l.98m$, 횡분산지수는 $0.02{\sim}0.04m$의 범위로 산정되었으며, 실내주상시험의 종분산지수와 비교할 때 12배 이상의 규모종속효과가 나타났다.
여러 개의 층으로 구성된 토양층에서 연속주입 추적자시험을 수행하여, 불포화대와 포화대 구간에서의 수리분산특성 차이를 추적자의 농도이력곡선, 시간에 따른 농도변화 및 농도변화율, 그리고 거리에 따른 농도비 분석을 통해 비교 연구하였다. 연속주입 추적자시험에 의하면, 약 160시간이 경과된 후에 불포화대와 포화대에서 Rhodamine WT 최대농도의 차이는 약 $13{\sim}15$배 정도에 달하였고, 시험시간 대 추적자 농도증가율의 차이는 약 10배 정도로 나타났다. 또한 시간에 따른 추적자 농도이력곡선의 변화와 농도변화율이 불포화대에 비하여 포화대에서 크게 나타났다. 주입공에서의 이격거리에 따른 추적자의 농도비는 포화대 구간에서 더 빠르게 선형적으로 감소하였으며, 그 이후에 농도비가 2배 이하로 완만해 지는데 걸린 시간은 포화대 구간이 더 길었다. 이러한 차이들은 여러 개의 층서로 구성된 토양층의 포화대에서는 지하수가 존재하며, 또한 매질의 불균질성이 크고 투수성이 다양하기 때문에, 비교적 균질한 층서를 이루는 불포화대에 비하여 추적자 용액의 농도는 낮고, 추적자의 확산이 느리게 진행되어진데서 기인하였다. 그리고 포화대 구간에서의 유효공극율은 $10.19{\sim}10.50%$, 종분산지수는 $0.80{\sim}l.98m$, 횡분산지수는 $0.02{\sim}0.04m$의 범위로 산정되었으며, 실내주상시험의 종분산지수와 비교할 때 12배 이상의 규모종속효과가 나타났다.
Using a continuous injection tracer test at a multi-soil layer deposit, the difference of hydrodynamic dispersions in unsaturated and saturated zones were analyzed through breakthrough curves of Rhodamine WT, linear regression of concentration versus time, concentration variation rates versus time, ...
Using a continuous injection tracer test at a multi-soil layer deposit, the difference of hydrodynamic dispersions in unsaturated and saturated zones were analyzed through breakthrough curves of Rhodamine WT, linear regression of concentration versus time, concentration variation rates versus time, and concentration ratio according to the distance from injection well. As a result of continuous injection tracer test, the difference of the maximum concentrations of Rhodamine WT in unsaturated and saturated zones were 13-15 times after 160 hours, and the increased rate of concentration versus time in unsaturated zone was about 10 times higher than in saturated zone. The fluctuation of Rhodamine WT breakthrough curve and concentration variation rate with time in saturated zone were larger than in unsaturated zone. Rhodamine WT concentration ratio with the distance from the injection well in saturation zone was linearly decreased faster than in unsaturated zone, and the elapsed time necessary for the concentration ratio less than 2 was longer in saturation zone. The differences resulted from the lower concentration and slower hydrodynamic dispersion of Rhodamine WT at the saturation zone of the multi-soil layer deposit, in which groundwater flow significantly flow and aquifer materials have high hydraulic heterogeneity. Effective porosity, longitudinal and transverse dispersivities were estimated $10.19{\sim}10.50%,\;0.80{\sim}1.98m$ and $0.02{\sim}0.04m$, respectively. The field longitudinal dispersivity is over 12 times larger than the laboratory longitudinal dispersivity by the scale-dependent effect.
Using a continuous injection tracer test at a multi-soil layer deposit, the difference of hydrodynamic dispersions in unsaturated and saturated zones were analyzed through breakthrough curves of Rhodamine WT, linear regression of concentration versus time, concentration variation rates versus time, and concentration ratio according to the distance from injection well. As a result of continuous injection tracer test, the difference of the maximum concentrations of Rhodamine WT in unsaturated and saturated zones were 13-15 times after 160 hours, and the increased rate of concentration versus time in unsaturated zone was about 10 times higher than in saturated zone. The fluctuation of Rhodamine WT breakthrough curve and concentration variation rate with time in saturated zone were larger than in unsaturated zone. Rhodamine WT concentration ratio with the distance from the injection well in saturation zone was linearly decreased faster than in unsaturated zone, and the elapsed time necessary for the concentration ratio less than 2 was longer in saturation zone. The differences resulted from the lower concentration and slower hydrodynamic dispersion of Rhodamine WT at the saturation zone of the multi-soil layer deposit, in which groundwater flow significantly flow and aquifer materials have high hydraulic heterogeneity. Effective porosity, longitudinal and transverse dispersivities were estimated $10.19{\sim}10.50%,\;0.80{\sim}1.98m$ and $0.02{\sim}0.04m$, respectively. The field longitudinal dispersivity is over 12 times larger than the laboratory longitudinal dispersivity by the scale-dependent effect.
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제안 방법
연구하였다. 또한 CATTI 프로그램 (Sauty and Kinzelbach, 1992)을 이용하여 포화 대 구간의 유효공극율과 분산지수가 산정되었다.
본 연구에서는 여러 개의 층으로 구성된 토양층에서 연속주입 추적자시험을 수행하여, 불포화대와 포화대 구간에서의 수리분산특성 차이를 추적자의 농도이력곡선, 시간에 따른 농도변화 및 농도변화율, 그리고 거리에 따른 농도비 분석 등을 통해 비교. 연구하였다.
본 연구에서는 여러 개의 층으로 구성된 토양층에서 연속주입 추적자시험을 수행하여, 불포화대와 포화대 구간에서의 수리분산특성 차이를 추적자의 농도이력곡선, 시간에 따른 농도변화 및 농도변화율, 그리고 거리에 따른 농도비 분석 등을 통해 비교. 연구하였다.
64)X 10-7 m/sec가 적용되었다. 이러한 수리지질학적 조건들과 M2공에서 관측된 시간에 따른 Rhodamine WT 농도를 입력한 후, CATT1 프로그램 (Sauty and Kinze- Ibach, 1992)을 이용하여 유효공극율과 분산지수가 산정되었다. 시험부지 내 포화대 구간의 다르시유속이 2.
8 L/min)로 약 6일 동안 연속적으로 주입하였다. 주입과 동시에, 관측공(Ml, M2, M3, M4 및 M5공)에서 지하수를 채수하여 Rhodamine WT 농도를 측정하였다. 지하수 내 Rhodamine "의 농도는 부유물질들에 의한 측정오차를 줄이기 위해 샘플시료를 24시간 침전시킨 후에 분석하였으며, 시험부지 내 지하수의 수소이온농도(pH)는 6.
순간충격 시험은 주입시험(slug test)과 회복시험(bail test)의 2단계로 수행되었다. 주입시험 시에는 시험공에 물을 순간적으로 주입하여 경과시간에 따른 시험공 내 수위강하를 관측하였으며, 회복시험 시에는 시험공 내 지하수를 순간적으로 양수하여 경과시간에 따른 수위회복을 관측하였다. 따라서, 순간충격시험의 해석은 주입시험과 회복시험의 단계별로 해석되었으며, 적용된 해석법은 Bouwer-Rice 해석법 및 Hvorslev 해석법이다.
포화대와 불포화대 구간에 설치된 관측공들 사이의 동일 관측시간에서 거리에 따른 농도비를 나타낸 그래프를 작성하여 주입공에서의 거리에 따른 농도변화를 분석하였다 (Fig. 9). 주입공과 관측공들 사이의 직선거리비가 포화대 구간의 관측공에서는 약 1.
대상 데이터
5 이상이어서 Rhodamine WT의 농도에는 영향을 미치지 않았던 것으로 판단된다(김정우 오L 2004; Feuerstein and Sellek, 1963). Rhodamine WT의 농도분석에 이용된 분 석기기는 Perkin Elmer사의 UV/VIS spectroscopy(Lambda Bio 40)로서 파장의 정확도는 ±0.3 nm이고, 1회 분석 시 사용가능한 cell holders는 13개이다.
연구지역은 부산광역시 남구 문현동에 위치하며, 서쪽과 동쪽에는 수정산과 황령산이 있다. 시험부지의 동쪽에 인접하여 동천이 흐르고 있다.
데이터처리
포화대와 불포화대의 4개 관측공에서 시간에 따른 Rhodamine WT 농도에 대한 선형회귀분석 (linear regression analysis)을 실시하여, 포화대와 불포화대 관측공들에서 시간에 대한 농도변화 함수를 산정하였다(Fig. 7). 포화대 구간에서 관측공들의 시간에 따른 농도회귀직선의 기울기 는 Ml공 0.
이론/모형
주입시험 시에는 시험공에 물을 순간적으로 주입하여 경과시간에 따른 시험공 내 수위강하를 관측하였으며, 회복시험 시에는 시험공 내 지하수를 순간적으로 양수하여 경과시간에 따른 수위회복을 관측하였다. 따라서, 순간충격시험의 해석은 주입시험과 회복시험의 단계별로 해석되었으며, 적용된 해석법은 Bouwer-Rice 해석법 및 Hvorslev 해석법이다. 추적자시험 부지 내 II, Ml 및 M2공에서의 수리전도도는 1.
성능/효과
35X10-6 m/ sec의 범위로 나타났다. 시험공의 평균 수리전도도는 II공 에서 7.81X10" m/sec, Ml공에서 1.14X 10% m/sec, M2 공에서 3.48X I* O m/sec로서 M2공에서의 수리전도도가 가장 높게 나타났다. II, Ml 및 M2의 3개 공에서의 평균수리전도도는 1.
결론적으로 여러 개의 층서로 구성된 토양층의 포화대 에서는 지하수가 존재하며, 또한 매질의 불균질성이 크고 투수성이 다양하기 때문에, 비교적 균질한 층서를 이루는 불포화대에 비하여 추적자 용액의 농도는 낮고, 추적자의 확산이 느리게 진행되어졌다. 본 연구 결과는 오염물질이 지하의 저장고(주유소 저류탱크, 유독물질 저장탱크 등)나 폐기물매립지에서 연속적으로 유출되면서 불포화대 와 포화대를 오염시키는 경우에 불포화대와 포화대에 대한 수리분산특성을 비교평가히는데 기여할 것으로 사료된다 .
이것은 불포화대의 토양층이 포화대의 토양층에 비해 훨 씬 균질하기 때문이다. 따라서, 대수층 매질이 균질할수록 오염원에서의 거리에 따른 오염물질 농도비가 빠른 시간에 선형 비례적으로 변화함을 알 수 있었다.
여기서 n은 공극율, &는 물질의 건조단위중량[N/n?], 는 물의 단위중량[N/n?], G는 진비중[무차원]이다. 시험 결과에 의하면 지표면하 3:7〜4.2 m 구간에 존재하는 토양층이 다른 구간의 토양에 비하여 수리전도도는 40배 이 상, 종분산지수는 8〜80배 정도 높은 것으로 나타났다. 따라서 조립질 모래로 구성된 이 구간이 시험부지에서 주대 수층에 해당된다.
시험부지 내 포화대와 불포화대 구간의 관측공들 사이에서 시간에 따른 농도증가 경향을 분석한 결과, 포화대 구간인 Ml, M2공에서의 농도증가 경향이 불포화대 구간 인 M3, M4공에 비하여 불규칙하게 나타났다. 그리고, 포 화대 구간에서 불포화대 구간에 비하여 시간에 따른 농도 이력곡선이 더 큰 변화를 나타내었다.
따라서 불포화대와 포화대에서 최대농도의 비는 약 13〜15배 정도에 달하였다. 시험시 간 대 Rhodamine WT 농도에 대한 선형회귀 직선의 기울기는 포화대와 불포화대의 각 구간에서눈 유사한 값을 보였으나, 불포화대 구간이 포화대 구간에 비해 10배 정 도 높은 것으로 나타났다. 이렇게 구간별로 큰 농도차이 와 시간에 대한 농도 증가율의 큰 차이는 포화대 구간에서 지하수에 의한 추적자 용액의 희석과 점토층에 의한 흡착으로 농도가 상당히 감쇄(retardation)되었기 때문이다.
02 m로 산정되었다. 실내주상실험에서 구한 종분산지수와 비교할 때, 12배 이상의 규모종속효과 가 나타났다.
이것은 II공에서의 투수성보다 훨씬 큰 주입 율로 추적자가 유입되었기 때문이다. 연속주입 추적자시 험 기간 동안 포화대구간의 지하수위는 평균적으로 0.5 m 정도 상승하였다.
연속주입 추적자시험 시 5개 관측공에서 시간에 따른 Rhodamine WT 농도를 관측한 결과, 포화대 구간의 관측 공(Ml, M2공)과 불포화대 구간의 관측공(M3, M4, M5 공)의 Rhodamine WT 농도가 매우 큰 차이를 나타내었다. Ml과 M2공에서의 Rhodamine WT 농도는 6일 동안에 초기주입농도의 6%와 3% 정도에 도달하였으나(Fig.
연속주입 추적자시험 시작 후 포화대구간에 있는 Ml공 은 30시간, M은 50시간 후부터 관측공 내 지하수위가 지표면하 2.5 ±0.05 이의 범위로 일정하게 형성되었다 (Fig. 4). 불포화대 구간인 M3와 M4공의 지하수위는 시 험시작 105시간 후부터 지표면하 1.
주입공에서 관측공의 거리에 따른 Rhodamine WT의 농도비분석 결과, 포화대 구간에서는 90시간이 경과한 후 부터, 불포화대 구간에서는 100시간 이후부터 농도비가 완만해지는 경향을 보였다. 농도비 변화가 완만하게 형성 된다는 것은 농도감소율이 거리에 선형 비례함을 의미한다.
1 이의 범위에 형성되었다. 추적자시험 기간 동안 주입공인 II공에서의 지표면하 지하수위도 1.0 ±0.04 m 정도의 범위로 높게 형성되었다. 이것은 II공에서의 투수성보다 훨씬 큰 주입 율로 추적자가 유입되었기 때문이다.
포화대 구간에서 불포화대 구간에 비하여 시간에 따른 추적자 농도이력곡선의 변화가 크게 나타나고, 또한 추적자의 농도변화율이 1.0보다 크게 나타났다. 그 이유는 불포화대 구간(2개 층으로 구성)에 비하여 포화대 구간(4개 층으로 구성)의 층서적인 불균질성과 다양한 투수성에 의한 것으로 판단된다.
포화대에 위치한 Ml, M2공에서의 Rhodamine WT 농도비는 주입 후 67시간 까지는 Ml공의 농도가 M2공에 비해 3〜9배 정도로서 급격하게 증감하는 것으로 나타났으며, 이후 90시간까지 Ml공과 M2공의 농도비가 3배 이하로 감소하였다. 불포화대 구간에 위치한 M3, M4공에서 의 Rhodamine WT 농도비는 100시간 까지는 10배에서 2배 정도까지 급격하게 감소하였으며, 그 이후에는 2-1.
201 이다. 회귀직선의 기울기는 포화대와 불포화대의 각 구간별로는 유사한 값을 보였으나, 불포화대 구간이 포화대 구간에 비해 10배 정도 높은 것으로 나타났다. 이와 같이 불포화대 구간에 서 Rhodamine WT 농도의 증가율이 높아, Fig.
후속연구
결론적으로 여러 개의 층서로 구성된 토양층의 포화대 에서는 지하수가 존재하며, 또한 매질의 불균질성이 크고 투수성이 다양하기 때문에, 비교적 균질한 층서를 이루는 불포화대에 비하여 추적자 용액의 농도는 낮고, 추적자의 확산이 느리게 진행되어졌다. 본 연구 결과는 오염물질이 지하의 저장고(주유소 저류탱크, 유독물질 저장탱크 등)나 폐기물매립지에서 연속적으로 유출되면서 불포화대 와 포화대를 오염시키는 경우에 불포화대와 포화대에 대한 수리분산특성을 비교평가히는데 기여할 것으로 사료된다 .
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