부산시 좌천동 단열암반층에서 자연구배 추적자시험을 이용한 수리분산특성 연구 Characteristics of Hydrodynamic Dispersion Using a Natural Gradient Tracer Test in a Fractured Rock at the Jwacheon-dong, Busan City원문보기
부산시 좌천동의 단열암반층에서 자연구배 추적자시험으로 브롬이온농도를 관측하여 심도별 단열발달 상태에 따른 수리분산특성을 비교하였으며, 단열암반층의 유효공극율과 종분산지수를 추정하였다. 수직적인 수리분산특성의 차이는 브롬이온의 농도이력곡선, 관측심도별 브롬이온농도와 시간에 대한 선형회귀분석 및 관측지점별 수리단열특성을 이용하여 규명되었다. 관측공 내 지표면하 18 m(RQD 13%, 평균절리간격 2 cm, TCR 100%) 지점이 주입지점에서의 이격거리가 짧고 단열이 더욱 발달되어 있었기 때문에 25 m(RQD 41%, 평균절리간격 7 cm, TCR 100%) 지점보다 추적자가 빨리 도달하였으며, 초기농도와 최고농도가 더 높게 나타났다. 최고농도도달 전후의 농도변화에 의하면 추적자가 최고농도도달시까지는 주로 1차 단열을 통해 이송되었고, 최고농도도달 이후에는 2차 단열을 통해 이송되거나 기질확산에 의한 수리 분산이 진행되었다. 선형회귀분석에 의한 지표면하 18 m 지점에서 브롬이온농도의 증가/감소 기울기는 3.46/-1.57이며 지표면하 25 m 지점에서는 3.19/-0.47로서 파쇄가 더 심한 지표면하 18 m 지점에서의 용질이송이 빠르게 진행됨을 알 수 있었다. 농도이력곡선에서 브롬이온의 농도증가 형태는 가우시안함수로 나타나고, 농도감소 형태는 기질확산에 의한 꼬리효과(tailing effect)로 인해 지수함수로 나타났다. CATTI 코드를 이용하여 추정한 단열암반층의 유효공극율은 10.5%, 종분산지수는 0.85 m이었다.
부산시 좌천동의 단열암반층에서 자연구배 추적자시험으로 브롬이온농도를 관측하여 심도별 단열발달 상태에 따른 수리분산특성을 비교하였으며, 단열암반층의 유효공극율과 종분산지수를 추정하였다. 수직적인 수리분산특성의 차이는 브롬이온의 농도이력곡선, 관측심도별 브롬이온농도와 시간에 대한 선형회귀분석 및 관측지점별 수리단열특성을 이용하여 규명되었다. 관측공 내 지표면하 18 m(RQD 13%, 평균절리간격 2 cm, TCR 100%) 지점이 주입지점에서의 이격거리가 짧고 단열이 더욱 발달되어 있었기 때문에 25 m(RQD 41%, 평균절리간격 7 cm, TCR 100%) 지점보다 추적자가 빨리 도달하였으며, 초기농도와 최고농도가 더 높게 나타났다. 최고농도도달 전후의 농도변화에 의하면 추적자가 최고농도도달시까지는 주로 1차 단열을 통해 이송되었고, 최고농도도달 이후에는 2차 단열을 통해 이송되거나 기질확산에 의한 수리 분산이 진행되었다. 선형회귀분석에 의한 지표면하 18 m 지점에서 브롬이온농도의 증가/감소 기울기는 3.46/-1.57이며 지표면하 25 m 지점에서는 3.19/-0.47로서 파쇄가 더 심한 지표면하 18 m 지점에서의 용질이송이 빠르게 진행됨을 알 수 있었다. 농도이력곡선에서 브롬이온의 농도증가 형태는 가우시안함수로 나타나고, 농도감소 형태는 기질확산에 의한 꼬리효과(tailing effect)로 인해 지수함수로 나타났다. CATTI 코드를 이용하여 추정한 단열암반층의 유효공극율은 10.5%, 종분산지수는 0.85 m이었다.
Using a natural gradient tracer test, the characteristics of hydrodynamic dispersion according to each depth of a fractured rock were studied, and the effective porosity and longitudinal dispersivity of the fractured rock were estimated. The difference of vertical hydrodynamic dispersion was identif...
Using a natural gradient tracer test, the characteristics of hydrodynamic dispersion according to each depth of a fractured rock were studied, and the effective porosity and longitudinal dispersivity of the fractured rock were estimated. The difference of vertical hydrodynamic dispersion was identified by concentration breakthrough curves linear regression analyses of bromide concentrations according to depths versus time, and hydraulic fracture characteristics at two intervals of the monitoring well. Higher concentration and faster arrival time at GL- 18 m depth (RQD 13%, average joint spacing 2 cm, TCR 100%) than at GL- 25 m depth (RQD 41%, average joint spacing 7 cm, TCR 100%) resulted from shorter distance and more fractures. Tracer was transported through the 1 st fractures until the arrival of its peak concentration and through the 2nd fractures or matrix diffusion after the arrival of its peak concentration. The increase/decrease slopes of bromide concentration versus time were 3.46/-1.57 at GL-18 m depth and 3.l9/-0.47 at GL- 25 m depth of the monitoring well. So the faster bromide transport was confirmed at GL- 18 m depth with more fractures. The concentration increment of bromide was fitted by a Gaussian function and the concentration decrement of bromide was fitted by an exponential function. Effective porosity and longitudinal dispersivity estimated by CATTI code were 10.50% and 0.85 m, respectively.
Using a natural gradient tracer test, the characteristics of hydrodynamic dispersion according to each depth of a fractured rock were studied, and the effective porosity and longitudinal dispersivity of the fractured rock were estimated. The difference of vertical hydrodynamic dispersion was identified by concentration breakthrough curves linear regression analyses of bromide concentrations according to depths versus time, and hydraulic fracture characteristics at two intervals of the monitoring well. Higher concentration and faster arrival time at GL- 18 m depth (RQD 13%, average joint spacing 2 cm, TCR 100%) than at GL- 25 m depth (RQD 41%, average joint spacing 7 cm, TCR 100%) resulted from shorter distance and more fractures. Tracer was transported through the 1 st fractures until the arrival of its peak concentration and through the 2nd fractures or matrix diffusion after the arrival of its peak concentration. The increase/decrease slopes of bromide concentration versus time were 3.46/-1.57 at GL-18 m depth and 3.l9/-0.47 at GL- 25 m depth of the monitoring well. So the faster bromide transport was confirmed at GL- 18 m depth with more fractures. The concentration increment of bromide was fitted by a Gaussian function and the concentration decrement of bromide was fitted by an exponential function. Effective porosity and longitudinal dispersivity estimated by CATTI code were 10.50% and 0.85 m, respectively.
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문제 정의
본 연구에서는 자연구배 추적자시험으로 단열암반층의 수직적인 단열특성에 따른 수리분산의 차이를 파악할 수 있었으며, 다음의 결과들이 도출되었다.
제안 방법
관측공 내에서 브롬이온의 농도 관측은 단열이 발달되어 투수성이 큰 지표면 하 18m 및 25m 지점에서 구간분리채수기를 이용하여 수행되었다. 이 구간의 RQD 와 평균절리간격은 각각 13%와 2 cm, 41%와 7 cm 이 다.
그리고, 최고농도가 도달한 17일 이후부터는 1일 간격으로 관측되었으며, 관측기간은 총 26일이었다. 관측공에서 채수된 지하수의 전기전도도는 현장에서 측정되었으며, 브롬이온의 농도는 pH/ISE 측정기(ISTEK, 750P)를 이용하여 실내에서 측정되었다.
본 연구에서는 화강암으로 구성된 단열암반층에서 자연구배 추적자시험을 수행하여 단열의 발달정도가 다른 2개의 파쇄구간에서 수리분산특성이 비교 분석되었다. 또한, CATTI 코드를 이용하여 시험대수층의 유효공극율과 종분산지수가 추정되었다.
본 연구에서는 화강암으로 구성된 단열암반층에서 자연구배 추적자시험을 수행하여 단열의 발달정도가 다른 2개의 파쇄구간에서 수리분산특성이 비교 분석되었다. 또한, CATTI 코드를 이용하여 시험대수층의 유효공극율과 종분산지수가 추정되었다.
이 구간의 RQD 와 평균절리간격은 각각 13%와 2 cm, 41%와 7 cm 이 다. 시험 초기에는 1일 간격으로 관측되었으며, 브롬이온이 검출된 3일 이후부터는 1일 2회씩 관측되었다. 그리고, 최고농도가 도달한 17일 이후부터는 1일 간격으로 관측되었으며, 관측기간은 총 26일이었다.
자연구배 추적자시험은 자유면 대수증에 해당하는 지표면하 15~40m 구간에서 수행되었으며, 시험기간 동안 관측공에서의 지하수 채수는 지표면 하 18m 지점 및 25 m 지점에서 구간분리채수기 (Solinst, 425 DIS)를 이용하여 실시되었다. 주입공의 지표면 하 12-13 m 구간에서 현장투수 시험에 의해 산정된 수리전도도는 1.
대상 데이터
1에 도시되어 있다. 관측공은 주입공에서 N7°E 방향으로 4.73 m 이격 된 지점에 위치해 있다. 대수층 매질은 케이싱 설치심도인 지표면하 15 m까지는 풍화토와 풍화암으로 구성되어 있으며, 지표면 하 15-40 m 구간은 단열이 발달된 화강암으로 구성되어 있으며, 이 구간에서는 상부가 하 부보다 암반의 파쇄가 심하게 나타나고 있다.
연구지역은 부산시 동구 좌천동 일원이며, 서쪽에는 높은 수정산이 위치하고 동쪽은 낮은 평지를 이루고 있다. 또한, 시험부지의 남쪽은 부산만이 형성되어 있다.
자연구배 추적자시험에 이용된 추적자는 브롬이온(Bf)이며, 시험대수층 내에서 지하수에 포함된 브롬이온의 배경농도(background concentration)는 1 mg/L 정도이다. 추적자의 주입은 KBr 6 kg (브롬 4.
또한, 시험부지의 남쪽은 부산만이 형성되어 있다. 추적자시험 부지는 충적충으로 구성되어 있으며, 기반암은 흑운모화강암(biotite granite)으로 이루어져 있다. 연구지역 내 흑운모화강암은 대부분 중립질이며, 주 구 성광물은 석영, 사장석, 정장석, 흑운모이다(장태우 외, 1983).
42 L/ min 이며, 추적자용액의 주입농도는 약 11, 400 mg/L 정도였다. 추적자용액은 파쇄대가 발달된 지표면 하 15.0-16.5m 구간에서 주입되었으며, 지하수의 수평흐름에 의한 확산을 유도하기 위해 주입호스의 끝부분에 길이 1.5이의 screened PVC관을 설치하여 주입하였다.
데이터처리
추적자시험이 수행되는 동안 브롬이온의 최고농도도 달 시까지의 농도증가율과 최고농도도달 이후의 농도감소율을 추정하기 위해 최고농도 도달시간을 기점으로 하여 시간에 따른 브롬이온농도의 증가구간과 감소구간에 대한 선형회귀분석이 실시되었다. 지표면 하 18m와 25 m 지점에서 브롬이온농도의 증가율은 3.
이론/모형
자연구배 추적자시험에 의한 단열암반층의 유효공극율과 종분산지수는 CATTI 코드(Sauty and Kinzelbach, 1992)에 의해 추정되었다. CATT1 코드에 입력된 매개변수가 Table 3에 정리되어 있다.
성능/효과
1. 단열암반층에서 수행된 자연구배 추적자시험 기간 동안 관측공 내 지표면하 18m(RQD 13%, 평균절리간격 2 cm)와 25 m(RQD 41%, 평균절리간격 7 cm) 지점에서 관측된 브롬이온의 초기도달시간은 3일 정도이며, 브롬이온농도는 2.9mg/L와 1.6mg/L로서 지표면 하 18m 지점이 높게 관측되었다. 최고농도도달 시간과 농도는 지표면 하 18m 지점에서 17일 후에 53.
2. 관측공에서 관측심도에 관계없이 최고농도도달 이 전의 농도변화가 최고농도도달 이후의 농도변화에 비하여 크게 나타났다. 그 이유는 최고농도도달 시까지는 추 적자가 단열의 빠른 유동경로(1차 단열)를 통해 이송되었고, 최고농도도달 이후에는 느린 유동경로(2차 단열)를 통해 이송되거나, 또는 주로 기질확산에 의해 수리분산이 이루어졌기 때문이다.
3. 지표면하 18 m와 25 m 지점에서 선형회귀분석에 의한 브롬이온농도 증가율은 3.46과 3.16으로서 지표면 하 18m 지점이 약간 높게 나타났다. 브롬이온의 농도 감소율은 지표면하 18 m 지점에서 1.
4. 지표면 하 18 m와 25 m 지점에서 관측된 브롬이온 농도의 평균값을 적용하여 CATTI 코드에서 추정한 단열암반층의 유효공극율은 10.5% 정도이며 , 종분산지수는 0.85 m이다. 유효공극율이 높게 나타난 것은 지표면 하 16-30 m 구간에 발달되어 있는 파쇄대(평균단열간 격 4 cm, 평균 RQD 15% 정도)로 인한 것이며, 이 구간에서 높은 투수성과 빠른 확산으로 인해 종분산지수 도 높게 추정되었다.
전기전도도와 브롬이온농도의 전체적인 변화양상은 거의 유사하게 나타났다. 관측공 내 지표면하 18 m와 25 m 지점의 지하수는 브롬이온의 농도변화가 거의 유사하며, 브롬이온이 전기전도도에 미치는 영향성이 동일함을 알 수 있었다.
관측공 내 지표면하 18 m 지 점이 25 m 지점에 비해 브롬이온농도의 증가와 감소가 빠르게 변화되었으며, 이는 지표면하 25 m 심도에 비해 지표면 하 18m 심도에서 용질이송이 더욱 원활하였기 때문이다. 농도이력곡선에서 브롬이온의 농도증가는 가우시안 함수가 적합하였으며, 농도감소는 기질확산에 의한 꼬리효과로 인하여 지수함수의 형태로 나타났다.
본 연구에서 수행된 추적자시험은 자연경사의 순간주 입 조건이었으며, 주입공과 관측공의 배치가 지하수의 주 흐름방향이었고, 비반응성 추적자로서 주입농도와 질량이 명확하게 제시되었으며, 브롬이온의 농도는 정밀하게 측정되었다. 이러한 조건들을 Gelhar et al.
이에 의해 산출되었다. 브롬이온의 농도증가함수는 지표면 하 18 m와 25 m 지점 모두에서 가우시안(gaussian) 모델이 적합하였으나(Fig. 7), 농도감 소함수는 지수형(exponential) 모델이 적합한 것으로 나타났다(Fig. 8). 시간에 대한 브롬이온의 농도감소는 지 수함수의 형태로 나타났으며, 초기에는 브롬이온 농도가 급격하게 감소하지만 3~4일 이후부터 매우 완만하게 감소되었다.
8). 시간에 대한 브롬이온의 농도감소는 지 수함수의 형태로 나타났으며, 초기에는 브롬이온 농도가 급격하게 감소하지만 3~4일 이후부터 매우 완만하게 감소되었다.
7 m 구간의 단열간격이 3 cm 이하로서 암반의 파쇄가 매우 심하다. 주입공과 관측공의 시추코아조사 자료를 분석한 결과, 주입공과 관측공 사이에 존재하는 단열암반층은 지표면 하 15.0-16.5 m 구간과 23~25m 구간에서 가장 심한 파쇄대가 형성되었으며, 이러한 파쇄대 구간들이 주입공에서 관측공으로 용질이송시 우세한 이송경로가 되고 있는 것으로 판단된다.
주입완료 후 20일 경과 시까지는 지표면 하 18 m 지 점에서의 브롬이온 농도가 지표면하 25 m 지점에 비해 높았으나, 이후에는 지표면하 25m 지점이 더욱 높게 나타났다. 지표면 하 18m 지점과 25m 지점에서 브롬이온의 관측심도에 따른 농도변화는 최고농도 도달시간이 2일 정도의 차이를 보였으며, 이 기간 동안은 지표면 하 18m 지점에서의 브롬이온 농도가 감소할 때 지표면하 25 m 지점에서는 증가되었다.
73 m 이었다. 추적자시험을 수행하는 동안 주입공과 관측공의 지하수위차는 평균 0.41 m정도였으며, 지하수위의 최대변화량은 주입공과 관측공에서 평균지하수위의 5% 이내로서 시험기간 동안 지하수위 의 변동은 거의 나타나지 않았다. 주입완료 후 7일이 경과한 시점에서 강우에 의해 지하수위가 0.
028 kg)을 현장수와 혼합하여 지하수위를 변화시키지 않는 주입율로 실시되었다. 추적자의 평균적인 주입율은 약 0.42 L/ min 이며, 추적자용액의 주입농도는 약 11, 400 mg/L 정도였다. 추적자용액은 파쇄대가 발달된 지표면 하 15.
후속연구
단열암반층에서 지하수 유동에 의한 용질이송을 정량적으로 파악하기 위해서는 추적자시험에 의한 분산지수(dispersivity)의 추정이 요구된다. 문상호 외(2001)에 의하면, 다양한 추적자시험법 중 자연구배 추적자시험(natural gradient tracer test)에 의한 분산지수의 신뢰성이 가장 높은 것으로 보고되었다.
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