김해 딴섬의 고투수성 충적층에서 수렴흐름 추적자시험에 의한 규모종속 수리분산 연구 The Scale-Dependent Dispersion Through Convergent Flow Tracer Tests in Alluvial Aquifer with High Permeability at the Ttaan isle, Gimhae City원문보기
투수성이 높고 대수층의 저유량이 풍부한 강변여과수 개발 예정지역의 충적층에서 시험규모가 2m (IW-1공와 5m (IW-2공)인 경우의 수렴흐름 추적자시험이 수행되었다. 수렴흐름 추적자시험의 양수율은 $2,500m^3/day$ 이었으며, 주입정 (IW-1 및 IW-2공)에 염소이온 5kg을 순간 주입하였다. 염소이온의 농도이력곡선을 작성하여 초기도달시간과 최고농도의 차이를 분석하였으며, 누적질량회수곡선을 통해 양수 후 경과시간에 따른 염소이온의 질량회수율을 분석하였다. 그리고, 염소이온농도 대 누적질량회수율의 이력그래프를 작성하여 누적질량회수율에 따른 염소이온농도의 증가와 감소 변화를 분석하였다. 또한, 염소이온농도의 증가/감소 구간에 대한 선형회귀분석을 수행하여 농도증가율과 감소율의 변화를 파악하였다. 양수정에서 관측된 경과시간별 염소이온농도 자료를 CATTl 코드의 quot;Converging Radial Flow With Instantaneous Injectionquot; 해석법에 적용하여 종분산지수를 추정하였다. 추정된 종분산지수는 양수정과 IW-1공 사이의 충적층에서는 0.4152 m, 양수정과 IW-2공 사이의 충적층에서는 3.2665 m이었다. 양수정에서 이격거리가 멀수록 종분산지수는 증가하였으며, 이격거리에 대한 종분산지수의 비는 각각 0.21과 0.65 정도이었다.
투수성이 높고 대수층의 저유량이 풍부한 강변여과수 개발 예정지역의 충적층에서 시험규모가 2m (IW-1공와 5m (IW-2공)인 경우의 수렴흐름 추적자시험이 수행되었다. 수렴흐름 추적자시험의 양수율은 $2,500m^3/day$ 이었으며, 주입정 (IW-1 및 IW-2공)에 염소이온 5kg을 순간 주입하였다. 염소이온의 농도이력곡선을 작성하여 초기도달시간과 최고농도의 차이를 분석하였으며, 누적질량회수곡선을 통해 양수 후 경과시간에 따른 염소이온의 질량회수율을 분석하였다. 그리고, 염소이온농도 대 누적질량회수율의 이력그래프를 작성하여 누적질량회수율에 따른 염소이온농도의 증가와 감소 변화를 분석하였다. 또한, 염소이온농도의 증가/감소 구간에 대한 선형회귀분석을 수행하여 농도증가율과 감소율의 변화를 파악하였다. 양수정에서 관측된 경과시간별 염소이온농도 자료를 CATTl 코드의 quot;Converging Radial Flow With Instantaneous Injectionquot; 해석법에 적용하여 종분산지수를 추정하였다. 추정된 종분산지수는 양수정과 IW-1공 사이의 충적층에서는 0.4152 m, 양수정과 IW-2공 사이의 충적층에서는 3.2665 m이었다. 양수정에서 이격거리가 멀수록 종분산지수는 증가하였으며, 이격거리에 대한 종분산지수의 비는 각각 0.21과 0.65 정도이었다.
Convergent flow tracer test for 2 m (IW-1 well) and 5 m (IW-2 well) of test scale was conducted at the alluvial aquifer with high permeability and storativity. Pumping rate for convergent flow tracer test were $2,500m^3/day$, and the chloride tracer of 5 kg was instantaneously injected in...
Convergent flow tracer test for 2 m (IW-1 well) and 5 m (IW-2 well) of test scale was conducted at the alluvial aquifer with high permeability and storativity. Pumping rate for convergent flow tracer test were $2,500m^3/day$, and the chloride tracer of 5 kg was instantaneously injected into IW-1 and IW-2 wells. Differences of first arrival time and peak concentration were analyzed by using the concentration breakthrough curves of chloride. Recovered chloride mass were analyzed by recovered cumulative mass curves. And, increment and decrement for chloride concentration were analyzed through chloride concentration versus recovered cumulative mass ratio graphs. Also, increment and decrement ratios of chloride concentration were estimated through linear regression analyses for increment and decrement intervals of chloride concentration. Longitudinal dispersivities were estimated by quot;Converging Radial Flow With Instantaneous Injectionquot; method using CATTI code. Longitudinal dispersivities estimated by CATTI code were 0.4152 m between pumping well and IW-1 well, and 3.2665 m between pumping well and IW-2 well. Longitudinal dispersivity was increased according to far distance from the pumping well. The longitudinal dispersivity according to distance were estimated as 0.21 between pumping well and IW-1 well, and 0.65 between pumping well and IW-2 well.
Convergent flow tracer test for 2 m (IW-1 well) and 5 m (IW-2 well) of test scale was conducted at the alluvial aquifer with high permeability and storativity. Pumping rate for convergent flow tracer test were $2,500m^3/day$, and the chloride tracer of 5 kg was instantaneously injected into IW-1 and IW-2 wells. Differences of first arrival time and peak concentration were analyzed by using the concentration breakthrough curves of chloride. Recovered chloride mass were analyzed by recovered cumulative mass curves. And, increment and decrement for chloride concentration were analyzed through chloride concentration versus recovered cumulative mass ratio graphs. Also, increment and decrement ratios of chloride concentration were estimated through linear regression analyses for increment and decrement intervals of chloride concentration. Longitudinal dispersivities were estimated by quot;Converging Radial Flow With Instantaneous Injectionquot; method using CATTI code. Longitudinal dispersivities estimated by CATTI code were 0.4152 m between pumping well and IW-1 well, and 3.2665 m between pumping well and IW-2 well. Longitudinal dispersivity was increased according to far distance from the pumping well. The longitudinal dispersivity according to distance were estimated as 0.21 between pumping well and IW-1 well, and 0.65 between pumping well and IW-2 well.
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문제 정의
본 연구에서는 강변여과수 개발 예정부지인 김해 딴 섬 지역의 고투수성 충적층에서 수렴흐름 추적자시험이 수행되었으며, 추적자시험의 규모에 따른 염소이온의 규모종속 수리분산특성을 규명하였다. 또한 규모종속 수리 분산의 연구 사례와 비교 분석하여, 본 연구지역에서의 고투 수성에 의한 수리분산특성을 규명하였다.
본 연구에서는 고투수성 충적층에서 수행된 수렴흐름추적자시험에 의한 규모종속 수리분산을 연구하였으며, 다음의 결과들이 도출되었다.
가설 설정
열 번째는 양수정 내로 유입된 추적자는 지하수와 순간적으로 완전히 혼합된다. 마지막으로, 양수정 내 추적자 농도는 대수층 내 추적자 농도와 다르다는 가정이다.
여덟 번째는 주입되는 추적자농도는 밀도효과(density effect)를고려하지 않아도 될 정도로 낮아야 한다. 아홉 번째는 추적자는 비반웅성(non-reactive)이며, 대수층 매질에 선형흡착(linear sorption)이 발생하는 것으로 가정한다. 열 번째는 양수정 내로 유입된 추적자는 지하수와 순간적으로 완전히 혼합된다.
처리된다. 양수정 내부 벽면과 매우 인접한 대수층 매질에서의 추적자 농도는 평형을 이룬다고 가정하며, 따라서 농도경사(concentration gradient)는 0이다. 양수정 내에서 추적자 농도의 경계조건은 식 (4)와 같다.
제안 방법
③ 관측정(양수정)에서의 관측은 현장에서는 전기전도도를 측정하였으며, 실내에서는 일정 시간 간격으로 채수한 시료를 이용하여 염소이 온농도를 분석하였다. 추적자시험 초기에는 10분 간격으로 샘플링 하였으며, 전기전도도가 높게 나타난 이후부터는 2분 간격으로 시료 채수하였다.
수리분산특성을 규명하였다. 또한 규모종속 수리 분산의 연구 사례와 비교 분석하여, 본 연구지역에서의 고투 수성에 의한 수리분산특성을 규명하였다.
수렴흐름 추적자시험 동안 양수정에서 동일한 누적 질량 회수율에 대한 염소이온농도의 이력 그래프를 작성하였다(Fig. 4). IW-1 공과 IW-2공 주입 시 양수정에서 관측된 염소이온의 농도이력은 전체적으로 유사한 경향을 보였으나, 30〜70%의 회수율 구간에서는 IW-2공이 매우 낮은 것으로 나타났다.
수렴흐름 추적자시험이 수행된 3개 공 내 자갈 대수층의 수리전도도는 회복시험(recovery test)에 의해, 저류 계수는 양수시험(pumping test)에 의해 산정되었다(Table 2). 시험대수층 구간에서 회복시험에 의해 산정된 수리전도도는 138.
추적자시험 초기에는 10분 간격으로 샘플링 하였으며, 전기전도도가 높게 나타난 이후부터는 2분 간격으로 시료 채수하였다.
대상 데이터
본 연구에서 수렴흐름 추적자시험이 수행된 시험부지는 경상남도 김해시 생림면 마사리 딴섬 일원이다. 수계 (water system)는 시험부지를 중심으로 남서-동북 방향으로 낙동강 본류가 흐르고 있으며, 북쪽에는 밀양강이 북에서 남으로 유하하여 낙동강에 합류되고 있다.
본 조사지역의 지질은 중생대 백악기에 형성된 유천층군과 불국사 관입암류가 기반암으로 분포하고, 제 4기 충적층이 부정합으로 최상부에 위치하고 있다. 유천층군은 하부의 주사산 안산암질암류와 상부의 운문사 유문암 질암류로 대별되며 , 불국사화강암류는 화강암질암류와 산성암맥류로 구분된다.
데이터처리
추정하였다. 본 연구에서는 수렴흐름 추적자시험 동안 염소이온의 최고농도도달시간을 기점으로 하여 추적자 주입 후 경과시간에 따른 염소이온농도의 증가구간과 감소구간에 대한 선형회귀분석이 실시되었다(Fig. 5).
이론/모형
본 연구에서 실시되어진 수렴흐름 추적자시험의 결과해석은 관측정에서 측정된 추적자 용액의 시간에 따른 농도자료와 종거리, 양수율, 추적자질량 및 대수층 두께 등을 추적자시험 전문해석프로그램인 CATTI에 입력한 후, "Converging Radial Flow With Instantaneous Injection" 해석법을 적용하여 type curve matching법으로 종 분산지수를 추정하였다(Sauty and Kinzelbach, 1992). 추적자시험 해석을 위해 입력된 값들은 Table 4에 정리되어 있다.
따라서, 본 연구지역의 시험대수층의 확산도가- 일반적인 자연대수층의 평균적인 확산 정도에 비해 매우 높음을 알 수 있었다. 본 연구에서 추정된 종분산지수와 Xu와 Eckstein (1995)의 연구를 적용한 종분산지수를 Gelhar 등(1992)에의 해 제시된 그래프에 도시하였다(Fig. 6). 현장시험에 의해 추정된 종분산지수에 비해 Xu와 Eckstein(1995)의 방정식에 의한 종분산지수가 Gelhar 등(1992)의 연구 사례에 더욱 적합하였다.
성능/효과
1. 본 연구에서 수행된 수렴흐름 추적자시험에 의한 염소이온의 농도이력곡선 분석에 의하면 IW-1 공에 비해 IW-2공을 이용한 추적자시험 시 양수정에 추적자의 초기도달 시간은 3배 정도 지연되었으며, 양수정의 배경농도(85 mg/L> 고려한 최고농도의 차이는 약 1.6배 정도이었다. 초기도달시간의 차이는 양수정에서의 이격거리 차이(2.
2. 수렴흐름 추적자시험 동안 회수된 염소이온의 질량은 IW-1 공 주입시험 시 4.58kg(91.6%), IW-2공 주입시험 시 4.36kg(87.2%) 이었다. 누적질랑회수곡선에서 회수율이 선형적으로 증가하는 구간은 IW-1 공 주입시험 시 40~60분, IW-2공 주입시험 시 90~130분 정도로서 증가 경향은 유사하게 나타났다 .
3. 수렴흐름 추적자시험 동안 양수정에서 동일한 누적 질량 회수율에 대한 염소이온농도의 이력 그래프를 분석한 결과 2회의 추적자시험 시 양수정에서 관측된 염소 이온의 농도 이력은 전체적으로 유사한 경향을 보였으나, 30-70% 의 회수율 구간에서는 IW-2공의 주입시험 시에 매우 낮은 것으로 나타났다. IW-1 공 주입시험 시에는 염소이온 농도가 누적질량회수율 56%를 전후로 증가/감소하였으나, IW-2공의 주입시험 시에는 양수정 사이 대수층구간의 수평적인 불균질성이 높아 누적질량회수율에 대한 염소이온 농도의 증가와 감소의 변화가 다양하게 나타났다.
4. 수렴흐름 추적자시험 동안 염소이온농도의 증가구간에 대한 선형회귀분석에 의하면 염소이온농도의 증가구간에서는 IW-2공 주입시험 시의 기울기가 1.8배 정도 높게 나타났다. 염소이온농도의 감소구간에서는 IW-1 공 주입시험 시의 기울기가 1.
5. 수렴흐름 추적자시험에 의한 경과시간별 염소이온 농도를 CATTI 코드에 입력하여 추정된 종분산지수는 IW-1 공과 양수정 사이에서는 0.4152 m, IW-2공과 양수정 사이에서는 3.2665 이이었다. 양수정에서 이격거리에 대한 종 분산지수의 비는 각각 0.
추적자시험 해석을 위해 입력된 값들은 Table 4에 정리되어 있다. CATTI 코드에서 추정된 종분산지수는 IW-1 공과 양수정 사이의 시험대수층에서는 0.4152 m이었으며, IW-2공과 양수정 사이에서는 3.2665 m 인 것으로 나타났다. 이격거리에 대한 종분산지수의 비는 각각 0.
수렴흐름 추적자시험 동안 양수정에서 동일한 누적 질량 회수율에 대한 염소이온농도의 이력 그래프를 분석한 결과 2회의 추적자시험 시 양수정에서 관측된 염소 이온의 농도 이력은 전체적으로 유사한 경향을 보였으나, 30-70% 의 회수율 구간에서는 IW-2공의 주입시험 시에 매우 낮은 것으로 나타났다. IW-1 공 주입시험 시에는 염소이온 농도가 누적질량회수율 56%를 전후로 증가/감소하였으나, IW-2공의 주입시험 시에는 양수정 사이 대수층구간의 수평적인 불균질성이 높아 누적질량회수율에 대한 염소이온 농도의 증가와 감소의 변화가 다양하게 나타났다.
4). IW-1 공과 IW-2공 주입 시 양수정에서 관측된 염소이온의 농도이력은 전체적으로 유사한 경향을 보였으나, 30〜70%의 회수율 구간에서는 IW-2공이 매우 낮은 것으로 나타났다. IW-1 공 주입 시에는 누적질량회수율이 56% 정도까지는 양수정의 염소이온농도가 증가하였으며, 이후에는 급격하게 감소하였다.
IW-1 공과 IW-2공을 이용한 추적자시험의 누적 질량 회수 곡선 중 선형증가구간(IW-1 공 주입 시 40〜60분, IW-2공주입 시 90〜130분)의 경향은 유사하게 나타났으며, 이는 양수정과 IW-1 공, 양수정과 IW-2공 사이의 대수층 구간에서 염소이온의 누적질량 회수율이 선형적으로 비례함을 의미하는 것이다.
IW-1 공에 비해 IW-2공을 이용한 추적자시험 시 PW 공에 추적자의 초기도달시간은 3배 정도이었으나, 최고농도 차이는 약 10mg/L 정도로서 적게 나타났다. 그러나, 양수정의 배경농도가 약 85 mg/L 정도인 것을 감안한다면, 최고농도의 차이도 약 1.
형성하였다. IW-1 공에서 추적자용액 주입시험 기간 동안 주입정과 관측정의 안정수위는 지표면하 6.05 m 와 14.18 이이었으며, IW-2공에서 추적자용액 주입시험 기간 동안 주입정과 관측정의 안정수위는 지표면하 6.35 m 와 13.85 m 이었다.
Todd와 Mays(2005)에 의하면, 피압대수층에서 저류계수의 범위는 5 X 10-5〜 5 X 10-3 정도이다. 따라서, 본 연구지역에서 산정된 저류계수는 2.823 X 10-3로서 높은 것으로 나타났다.
80배 정도이었다. 따라서, 본 연구지역의 시험대수층의 확산도가- 일반적인 자연대수층의 평균적인 확산 정도에 비해 매우 높음을 알 수 있었다. 본 연구에서 추정된 종분산지수와 Xu와 Eckstein (1995)의 연구를 적용한 종분산지수를 Gelhar 등(1992)에의 해 제시된 그래프에 도시하였다(Fig.
96배 정도 낮았다. 따라서, 본연구에서 수행된 수렴흐름 추적자시험에 의한 염소이온 농도의 증가/감소 구간의 선형회귀분석에 의해 IW-2공 주입 시에 농도증가율이 높고, IW-1 공 주입 시에는 농도감소율이 더욱 높음을 알 수 있었다.
65 정도로서, IW-2공과양수정 사이 대수층의 종분산지수가 더욱 높은 규모종속 효과를 나타내었다. 또한, 본 연구에서는 시험규모가 2.5 배 증가할 때 종분산지수는 7.9배 높게 추정되어 시험대수층에서 염소이온의 종분산지수가 규모종속적임을 알 수 있었다. 본 연구에서 추정된 종분산지수가 Xu와 Eckstein(1995)의 방정식으로 산정된 종분산지수에 비해 12〜17배 정도 높았으며, 따라서 본 연구지역의 시험대수층에 오염물질의 유입 시 확산이 매우 빠르게 발생하고 이격거리에 따른 농도저감효과가 높게 나타날 것이다.
9배 높게 추정되어 시험대수층에서 염소이온의 종분산지수가 규모종속적임을 알 수 있었다. 본 연구에서 추정된 종분산지수가 Xu와 Eckstein(1995)의 방정식으로 산정된 종분산지수에 비해 12〜17배 정도 높았으며, 따라서 본 연구지역의 시험대수층에 오염물질의 유입 시 확산이 매우 빠르게 발생하고 이격거리에 따른 농도저감효과가 높게 나타날 것이다.
, 1992; Neuman, 1995; Xu and Eckstein, 1995; Dirk, 2005). 본 연구지역의 시험대수층에서 시험규모가 2.5배 증가할 때 종분산지수는 7.9배 정도 높게 추정되었으며, 이는 시험대수층에서 염소이온의수리분산을 정량화한 종분산지수가 규모종속적 임을 의미하는 것이다.
5에 정리하였다. 본 현장에서 수행된 수렴흐름 추적자시험 자료를 CATTI 코드에 의해 추정된 종 분산지수가 IW-1 공 주입시험에서는 1.42〜 12.07배이었으며, IW-2공주입시험에서는 5.72〜 17.80배 정도이었다. 따라서, 본 연구지역의 시험대수층의 확산도가- 일반적인 자연대수층의 평균적인 확산 정도에 비해 매우 높음을 알 수 있었다.
2665 이이었다. 양수정에서 이격거리에 대한 종 분산지수의 비는 각각 0.21 과 0.65 정도로서, IW-2공과양수정 사이 대수층의 종분산지수가 더욱 높은 규모종속 효과를 나타내었다. 또한, 본 연구에서는 시험규모가 2.
8배 정도 높게 나타났다. 염소이온농도의 감소구간에서는 IW-1 공 주입시험 시의 기울기가 1.14~1.%배 정도 높게 나타났다. 이를 통해, IW-2공 주입시험 시에는 농도증가율이 높고, IW-1 공 주입시험 시에는 농도감소율이 더욱 높음을 알 수 있었다.
염소이온농도의 증가구간에서는 IWJ공 주입 시의 기울기에 비해 IW-2공 주입 시의 기울기가 1.8배 정도 높게 나타났으며, 이는 짧은 시간에 염소이온농도의 증가가 높게 나타났음을 의미하는 것이다. 염소이온농도의 감소구간에서는 IW-1 공 주입 시의 기울기에 비해 IW-2공의첫 번째 감소구간(100〜110분)에서의 기울기는 1.
누적질랑회수곡선에서 회수율이 선형적으로 증가하는 구간은 IW-1 공 주입시험 시 40~60분, IW-2공 주입시험 시 90~130분 정도로서 증가 경향은 유사하게 나타났다 . 염소이온의 누적 질량 회수 곡선 분석을 통해 양수정과 IW-1 공, 양수정과 IW-2공 사이의대수증 구간에서 염소이온의 질량회수율이 시험규모에 선형적으로 비례함을 알 수 있었다.
또한, 앞에서도 언급하였듯이 본 연구에서 추정된 종분산지수가 Xu 와 Eckstein(1995>의 방정식으로 산정된 종분산지수에 비해 12~17배 정도 높았다. 이러한 결과들은 본 연구지역의 시험대수층 구간에 오염물질이 유입되었을 경우에는 확산이 매우 빠르게 발생할 수 있음을 의미하며, 따라서 시험대수층 내에서는 오염원에서 이격거리에 따른 농도저감이 높게 나타날 것이다.
%배 정도 높게 나타났다. 이를 통해, IW-2공 주입시험 시에는 농도증가율이 높고, IW-1 공 주입시험 시에는 농도감소율이 더욱 높음을 알 수 있었다.
참고문헌 (26)
강동환,2006,추적자시험을 이용한 단열암반충과 토양층에서 수리분산특성 연구, 이학박사학위논문,부경대학교,p.148
강동환,정상용,김병우,2006,수평적으로 불균질한 단열암반층에서 단공주입양수 추적자시험에 의한 수리분산특성,한국지하수토양환경학회지,11(6),53-60
Arya, A., 1986, Dispersion and reservoir heterogeneity, Ph. D. dissert., University of Texas, Austin
Chen, J.S., Liu, C.W., Chen, C.S., and Yeh, H.D., 1996, A laplace transform solution for tracer tests in a radially convergent flow field with upstream dispersion, Journal of Hydrology, 183, 263-275
Gelhar, L.W., Welty, C., and Rehfeldt, K.R., 1992, A critical review of data on field-scale dispersion in aquifers, Water Resow. Res., 28(7), 1955-1974
Freeze, R.A. and Cherry, J.A., 1979, Ground Water, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, p. 603
Haggerty, R., Fleming, S.W., Meigs, L.C., and McKenna, S.A., 2001, Tracer tests in a fractured dolomite, 2. Analysis of mass transfer in single-well injection-withdrawal tests, Water Resources Research, 37(5), 1129-1142
Sauty, J.P. and Kinzelbach, W., 1992, CATTI: Computer aided tracer test interpretation, Intemational Groundwater Modeling Center, Golden, Colorado
Su, N., Sander, G.C., Liu, F., Anh, V., and Barry, D.A., 2005, Similarity solutions for solute transport in fractal porous meia using a time- and scale-dependent dispersivity, Applied Mathematical Modeling, 29, 852-870
Todd, D.K. and Mays, L.W., 2005, Groundwater Hydrology, John Wiley & Sons, Inc., p. 636
Xu, M. and Eckstein, Y., 1995, Use of weighted least-squares method in evaluation of the relationship between dispersivity and field scale, Ground Water, 33(6), 905-908
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