선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 최근 Reilly and Harbaugh(2004)는 신뢰성 있는 지하수 모델 개발을 위해 필요한 주요 가이드라인을 제시한 바 있다. 개념모델은 지하수 흐름계를 도식화하여 표현한 것으로 지하수계의 구조(framework) 및 지하수계에서 발생하는 복잡한 흐름 과정(process)을 모델링이 가능하도록 단순화하는데 그 목적이 있다. 개념모델을 구성하는 요소로는 주요 수문지질단위, 물수지 성분, 지하수의 공급원과 배출원, 경계조건 등이며, 이들 요소들은 현장에서 획득된 자료를 분석하여 수립하게 된다.
- 본 연구에서는 모델의 영역 경계로 설정된 지하수 분수령 위치의 불확실성이 모델 결과에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위해 민감도 분석을 수행하였다. 민감도 분석을 위하여 Fig.
- 본 연구에서는 암반의 하부경계면의 위치를 다양하게 변화시키며 모사를 수행하여, 이들이 모델 결과에 미치는 영향을 분석하였다. 민감도 분석을 위한 모델에서는 충적층이 발달된 지역만을 모델 영역으로 설정하였으며, Fig.
- 본 연구의 목적은 지하수 분수령, 하천, 암반층의 하부 경계면 등과 같은 모델의 주요 수문 경계들을 지하수 모델에서 개념화할 때 수반되는 불확실성이 모델 결과에 미치는 영향을 정량적으로 고찰하는데 있다.
제안 방법
- Fig. 2의 86개 시추공 중 37개의 시추공을 대상으로 양수시험과 순간수위변화시험을 수행하였다. 양수시험은 3~4개의 시추공이 밀집되어 분포하는 6개의 관정군에 대하여 실시하였으며, 나머지 공에 대하여는 순간수위변화시험을 수행하였다.
- 미고결퇴적층(제 2층)은 본 모델의 주 대수층에 해당되므로 이 층의 수리전도도는 본 모델의 모사 결과에 가장 큰 영향을 미치는 변수이다. 각 시험정의 현장시험 결과 산정된 수리전도도로부터 각 층의 두께를 고려하여 퇴적층의 수리전도도를 계산한 후 크리깅을 통해 제 2층의 수리전도도 분포도를 작성하여(Fig. 6) 모델의 입력값으로 이용하였다. 풍화대(제 3층)의 수리전도도는 지층단면도를 통해 풍화대를 대표할 수 있다고 판단되는 시험정(BH-5, 13, 34, 65, 71 등)의 현장시험 자료를 이용하여 구하였다(8.
- 모델의 지하수 공급원 및 배출원은 지하수 함양(areal recharge), 하천과 지하수계와의 상호 작용, 우물을 통한 지하수 채수 등을 들 수 있다. 강수의 침투, 투과에 의해 발생하는 지하수 함양은 본 지역 지하수계의 주요 공급원이며, 본 지역에 대한 지하수 함양 산정 자료가 전무하므로 모델 보정을 통하여 추정하였다. 조사지역에서 사용되는 우물은 총 582공으로 은평구청에서 조사한 ‘2003년 지역별 지하수 이용현황’ 자료를 이용하여 우물위치를 파악하여(Fig.
- 본 연구에서는 모델의 영역 경계로 설정된 지하수 분수령 위치의 불확실성이 모델 결과에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위해 민감도 분석을 수행하였다. 민감도 분석을 위하여 Fig. 9와 같이 분수령 위치를 이동시켜 모델영역을 4단계로 축소시키면서 모델을 재보정하였으며 기존 모델과 비교하였다. Model A1은 기존 모델의 분수령 경계에서 안쪽으로 격자를 하나씩 줄여 설정된 것으로 모델 영역의 면적은 기존 모델의 95.
- 민감도 분석을 위한 모델에서는 충적층이 발달된 지역만을 모델 영역으로 설정하였으며, Fig. 11과 같이 충적층 하부 암반층의 모델 경계면의 고도가 전 지역에서 −20 m로 일정한 경우(Model C1), 충적층 하부 암반층의 두께가 20 m로 일정한 경우(Model C2), 암반층 전체를 불투수층으로 설정한 경우(Model C3)로 구분하여 모사를 수행하였다.
- 본 연구에서는 시범 지역을 대상으로 현장시험을 통해 획득된 자료를 이용하여 지하수 흐름 모델을 개발하였으며, 개발된 모델에 대한 민감도 분석을 통하여 하천 및 지하수 분수령, 암반층의 하부 경계면 등과 같은 모델의 주요 수문 경계들을 모델에서 개념화할 때 수반되는 불확실성이 모델 결과에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 본 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같이 요약된다.
- 본 연구의 기존 모델에서는 모델 지역 암반에 대한 수리지질학적 정보가 전무하여 국내 화강암 지역이 나타내는 평균수리전도도 값을 모델 입력값으로 이용하였으며, 암반의 하부경계면은 모델 영역 전체에서 −20 m로 일정하게 설정하여 모사를 수행하였다.
- 66 L)에 모래를 채우고 양단에 고리를 부착시켜 제작한 슬러그를 이용하여 실시하였으며, 시험 시 순간수위 변화를 발생시키기 위하여 주입과 제거가 최대한 단시간에 이루어지도록 하였다. 수위변화는 자동계측기를 이용하여 0.5초 간격으로 관측하였으며, 슬러그 제거 후 80%의 수위회복이 이루어진 후 시험을 종료하였다. 시험 결과 동일한 부피의 슬러그를 이용하여 시험을 실시하였음에도 불구하고 일부 시험정의 경우 시험기작(주입, 제거) 에 따라 초기 수위 변화량이 다르게 관측되었다.
- 양수시험 시 양수정과 관측정간의 거리는 5~15 m이다. 수위변화는 자동계측기를 이용하여 10초 간격으로 측정하였으며, 일정 시간 간격으로 양수량을 측정하여 자료 해석 시 평균 양수량 산정에 이용하였다. Theis법 및 Cooper-Jacob법을 이용하여 산정된 수리전도 도는 3.
- 순간수위변화시험은 외경 50 mm, 길이 1.4 m의 PVC 관(1.66 L)에 모래를 채우고 양단에 고리를 부착시켜 제작한 슬러그를 이용하여 실시하였으며, 시험 시 순간수위 변화를 발생시키기 위하여 주입과 제거가 최대한 단시간에 이루어지도록 하였다. 수위변화는 자동계측기를 이용하여 0.
- 제4 수문지질단위는 풍화대 하부의 연암층을 포함하는 기반암층이다. 시 추주상도에 나타난 각 지층의 두께 자료를 크리깅하여 층후 분포도를 작성하였다(Fig. 4).
- 2의 86개 시추공 중 37개의 시추공을 대상으로 양수시험과 순간수위변화시험을 수행하였다. 양수시험은 3~4개의 시추공이 밀집되어 분포하는 6개의 관정군에 대하여 실시하였으며, 나머지 공에 대하여는 순간수위변화시험을 수행하였다. 양수시험 시 양수정과 관측정간의 거리는 5~15 m이다.
- 연구지역 최상부에 위치하는 매립층의 수리전도도를 측정하기 위하여 디스크장력침투계를 이용하여 지표투수시험을 실시하였다. 6개 지점에 대한 지표투수시험 결과 매립층의 포화 수리전도도는 3.
- 이들 하천은 기존 모델에서 일정수두경계로 설정하였으며, 하천의 수면고도는 16~61 m로 모델의 2층과 3층에 해당된다. 창릉천으로 유입되는 지류들의 경계조건 설정 여부에 따라 모델 결과가 어떻게 달라지는지 알아보기 위해 Fig. 10과 같이 창릉천으로 유입되는 규모가 작은 지류들을 3단계에 걸쳐 순차적으로 제거하면서 모사를 수행하였다. Model B1은 기존 모델에서 폭포동 계곡부로 유입되는 지류를 제거한 경우, Model B2는 폭포동 계곡부로 유입되는 지류와 삼천리골 계곡부의 창릉천 지류를 제거한 경우, Model B3은 창릉천으로 유입되는 지류를 모두 제거한 경우이다.
- 현장 관측 자료가 전무한 지하수 함양량을 단일 보정인자로 사용하여 모델 보정을 수행하였다. 150 mm/yr의 함양률을 모델 보정의 초기값으로 설정하였으며, 이 경우 모사 결과의 지하수위가 실측 자료보다 전체적으로 높게 나타났다.
대상 데이터
- 6%로 가장 작게 나타났다. 모델 보정 시 17개 관측정의 지하수위 관측 자료가 이용되었으며, Fig. 8b는 관측된 지하수위와 보정된 정류 모델의 모사 결과를 비교한 것이다.
- 본 연구의 모델영역 내 하천은 한강의 제1지류에 해당하는 창릉천과 창릉천으로 유입되는 남쪽의 폭포동 계곡 및 동쪽의 삼천리골 계곡의 지류로 구성되어 있다. 폭포동 계곡을 따라 흐르는 지류는 대부분 복개되어 도로로 이용되고 있다.
- 본 연구지역의 경우 창릉천과 창릉천의 지류인 비봉천및 진관천이 지하수 배출이 발생하는 주요 수문 경계이며 본 모델에서 일정수두 경계로 설정하였다(Fig. 5). 하천수위는 EL + 16.
- 연구지역은 택지개발을 위하여 조성된 부지로 지반조사를 위하여 86개 시추공이 개발되었다(Fig. 2). 시추공은 모두 NX공으로 기반암 상부 연암층까지 시추되었으며, 심도는 6~20 m의 범위이다.
- 연구지역은 행정구역상 서울특별시 은평구 일원으로, 북동쪽으로는 북한산(836.5 m), 도봉산(740 m), 수락산(638 m) 등 해발 500 m 이상의 산들이 발달되어 있으며, 북한산에서 시작해 고양시를 거쳐 한강으로 유입되는 창릉천이 위치하고 있다. 연구지역의 지질은 주로 선캠브리아 기의 호상편마암류와 이들을 관입한 중생대의 각종 화성암류로 대별되며, 이들을 모두 부정합으로 덮고 있는 제 4기의 충적층이 분포한다(Fig.
- 5 m), 도봉산(740 m), 수락산(638 m) 등 해발 500 m 이상의 산들이 발달되어 있으며, 북한산에서 시작해 고양시를 거쳐 한강으로 유입되는 창릉천이 위치하고 있다. 연구지역의 지질은 주로 선캠브리아 기의 호상편마암류와 이들을 관입한 중생대의 각종 화성암류로 대별되며, 이들을 모두 부정합으로 덮고 있는 제 4기의 충적층이 분포한다(Fig. 1). 편마암류들 중 특히 호상흑운모편마암 내에는 곳곳에 소량의 규암, 석회암 및 석회규산염암과 같은 퇴적 기원물 들을 내재하고 있다(홍성호, 1982).
- 조사지역에서 사용되는 우물은 총 582공으로 은평구청에서 조사한 ‘2003년 지역별 지하수 이용현황’ 자료를 이용하여 우물위치를 파악하여(Fig. 7) 지하수 배출원으로 모델에 입력하였다.
- 풍화대(제 3층)의 수리전도도는 지층단면도를 통해 풍화대를 대표할 수 있다고 판단되는 시험정(BH-5, 13, 34, 65, 71 등)의 현장시험 자료를 이용하여 구하였다(8.73 × 10−4 cm/sec).
성능/효과
- 1) 지하수 분수령의 위치는 모델 보정을 통해 산정된 지하수 함양률에 직접적인 영향을 주지만 지하수계 전체의 물수지 변화에는 크게 기여하지 않는 인자인 것으로 나타났다. 지하수 분수령은 지하수계에 가해지는 스트레스의 정도에 따라 그 위치가 변할 수 있는 동적인 경계이므로 지하수 개발에 따른 물수지 변화를 예측하는 모델의 경우 지하수 분수령에 대한 모델의 민감도는 매우 높아질 것으로 예상된다.
- 현장 관측 자료가 전무한 지하수 함양량을 단일 보정인자로 사용하여 모델 보정을 수행하였다. 150 mm/yr의 함양률을 모델 보정의 초기값으로 설정하였으며, 이 경우 모사 결과의 지하수위가 실측 자료보다 전체적으로 높게 나타났다. 따라서 150 mm/yr이하의 범위에서 함양률을 점차 줄여가면서 모델 보정을 수행하였으며, Fig.
- 2) 창릉천으로 유입되는 하천의 지류를 모델의 경계조건에서 제외할 경우 모델 보정 오차가 점차 증가하였으며, 함양률 및 물수지를 구성하는 각 성분도 기존 모델의 결과와의 차이가 점차 크게 발생하였다. 특히 물수지 분석 결과에서 하천을 통한 지하수의 유입 및 유출량이 크게 줄어들면서 지하수 유출이 발생하는 지류 주변의 지하수위가 높게 모사되었으며 모델 보정 시 RMS 오차가 커지는 요인으로 작용하였다.
- 3) 암반층의 하부 경계를 모델에서 어떻게 설정하느냐에 따라 모델 보정을 통해 산정된 지하수 함양률이 크게 달라지며, 결과적으로 지하수계의 물수지에도 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 우리나라 대부분 지역의 경우 충적대수층을 대상으로 지하수 모델을 개발하더라도 하부 암반을 통한 지하수 흐름을 고려해야 하며, 개념 모델의 불확실성을 나타내는 주요 요인으로 작용할 수밖에 없다.
- 4) 지하수 모델의 불확실성은 상존할 수밖에 없으나 부지 특성화를 위한 현장 조사를 모델의 목적에 부합되도록 수행할 경우 불확실성의 문제는 다소 완화될 수 있다. 특히 본 연구 결과는 국내의 경우 유역 경계부에 해당하는 산지에 시험정을 설치하여 지하수위 자료를 확보하고 현장시험을 통해 암반의 수리특성을 파악하는 것이 모델 개발을 위한 부지특성화 단계에서 매우 중요함을 보여준다.
- 따라서 하천 지류들에 대한 이러한 민감도 분석 결과는 기존 모델에서 경계조건으로 설정된 창릉천의 지류들이 지하수계와 물의 유출입이 발생하는 공급원 또는 배출원 역할을 하고 있으며, 모델에서 이들을 고려하지 않을 경우 모사 결과가 크게 달라질 수 있음을 잘 보여준다. 결론적으로 경계조건 설정 시 지하수계와 상호작용을 하는 하천이 모델에서 제외될 경우 지하수 함양률이 과소평가되며, 지하수 물수지에도 큰 영향을 미쳐 결국 모델의 신뢰도를 떨어뜨리는 결정적인 요인으로 작용한다.
- 150 mm/yr의 함양률을 모델 보정의 초기값으로 설정하였으며, 이 경우 모사 결과의 지하수위가 실측 자료보다 전체적으로 높게 나타났다. 따라서 150 mm/yr이하의 범위에서 함양률을 점차 줄여가면서 모델 보정을 수행하였으며, Fig. 8a와 같이 함양률이 75 mm/yr일 때 Normalized RMS(Root Mean Square) 오차가 4.6%로 가장 작게 나타났다. 모델 보정 시 17개 관측정의 지하수위 관측 자료가 이용되었으며, Fig.
- 4%로 나타나, 암반의 지하수 흐름을 고려하지 않는 개념 모델은 모델 지역에서 관측된 수두 분포를 잘 재현할 수 없는 것으로 해석된다. 또한 Fig. 11과 같이 암반층의 하부 경계를 모델에서 어떻게 설정하느냐에 따라 모델 보정을 통해 산정된 지하수 함양률이 크게 달라지며, 결과적으로 지하수의 유출입과 관련된 물수지분석 결과에도 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 7%로 큰 값을 보여 관측된 지하수위 분포를잘 재현하지 못하는 것으로 나타났다. 또한 기존 모델과 비교할 때 보정된 모델의 지하수 함양률이 35 mm/yr로 매우 작은 값을 보였으며, 물수지 분석 결과에서 하천을 통한 지하수의 유입 및 유출량이 크게 줄어든 것으로 나타났다. 따라서 하천 지류들에 대한 이러한 민감도 분석 결과는 기존 모델에서 경계조건으로 설정된 창릉천의 지류들이 지하수계와 물의 유출입이 발생하는 공급원 또는 배출원 역할을 하고 있으며, 모델에서 이들을 고려하지 않을 경우 모사 결과가 크게 달라질 수 있음을 잘 보여준다.
- 먼저 지하수 분수령의 위치를 변화시킨 Model A의 결과를 보면 모델 면적이 감소하면서 보정 모델의 RMS 오차가 다소 감소하였으며, 함양률은 증가하는 것으로 나타났다. Model A4의 경우, 즉 모델 면적이 기존 모델의 73.
- 13은 지하수 분수령의 민감도 분석을 위해 이용된 모델과 기존 모델의 지하수위의 차를 도시한 것이다. 모델 면적이 감소함에 따라 기존 모델과의 수위 차가 점차 커지는 경향을 보이며, 주로 모델의 경계부에서 두드러지게 나타났다. 지하수 분수령으로 설정된 모델의 경계부는 산지에 해당되며 관측정이 위치하지 않아 이 지역에서 발생하는 모델의 수위 변화가 모델 보정 시 전혀 반영되지 않았다.
- 반면 정류모사의 물수지 분석 결과를 보면 모델 영역의 축소에 따른 지하수 유출입량의 변화가 ± 5% 이내로 나타났으며, 이는 지하수 분수령의 위치가 대수층의 물수지에 크게 영향을 미치지 않는 인자임을 보여준다.
- 산지의 소규모 골짜기를 따라 흐르는 하천의 지류들은 주로 지표면에 노출된 기반암 위를 흐르며, 지형및 지질구조에 따라 또는 시기에 따라 하부 지하수계와 연결 또는 단절되어 있어, 지하수 모델에서 이들의 경계 조건으로서의 수용 여부에 따라 모델의 결과가 크게 달라질 수밖에 없다. 셋째, 산악지역이 국토 면적의 70%를 차지하는 국내 지하수계를 대상으로 모델 개발 시 암반층을 항상 고려해야 하며, 이 경우 모델에서 어느 심도까지 지하수 흐름계로 간주할 것인지에 대한 문제에 접하게 된다. 즉, 국내 지하수 모델에서는 암반의 하부 경계면 심도를 결정하는 것이 임의적일 수밖에 없다.
- 따라서 암반 지역에 대한 관측 자료가 부족하여 모델 영역에서 암반을 제외할 경우 모델 설계 및 보정 과정에서 다음 사항들이 고려되어야 한다. 첫째, 충적층 지역만을 대상으로 모델 영역을 선정한 후 암반의 경계부와 접하는 활성셀들은 고정흐름 경계조건으로 설정해야 한다. Modflow의 경우 함양 또는 우물 패키지를 사용할 수 있으며, 이 때 각 셀에 대한 입력값은 암반에서 충적층으로의 지하수 흐름량으로부터 계산될 수 있다.
- 2) 창릉천으로 유입되는 하천의 지류를 모델의 경계조건에서 제외할 경우 모델 보정 오차가 점차 증가하였으며, 함양률 및 물수지를 구성하는 각 성분도 기존 모델의 결과와의 차이가 점차 크게 발생하였다. 특히 물수지 분석 결과에서 하천을 통한 지하수의 유입 및 유출량이 크게 줄어들면서 지하수 유출이 발생하는 지류 주변의 지하수위가 높게 모사되었으며 모델 보정 시 RMS 오차가 커지는 요인으로 작용하였다.
- 4) 지하수 모델의 불확실성은 상존할 수밖에 없으나 부지 특성화를 위한 현장 조사를 모델의 목적에 부합되도록 수행할 경우 불확실성의 문제는 다소 완화될 수 있다. 특히 본 연구 결과는 국내의 경우 유역 경계부에 해당하는 산지에 시험정을 설치하여 지하수위 자료를 확보하고 현장시험을 통해 암반의 수리특성을 파악하는 것이 모델 개발을 위한 부지특성화 단계에서 매우 중요함을 보여준다. 또한 모델 지역에 하천이 흐르는 경우 하천의 시점 및 종점부에서 유출량을 측정하여 개념 모델 수립 시 이용하게 되면 물수지 분석 시 매우 유용한 자료로 이용될 수 있다.
- 한편 Table 1에서 Model B의 결과를 보면 경계조건설정 시 창릉천으로 유입되는 지류들을 모델에서 제거함에 따라 모델 보정 오차가 점차 증가하며, 함양률 및 물 수지를 구성하는 각 성분도 기존 모델의 결과와 크게 달라지는 것을 알 수 있다. 특히 창릉천으로 유입되는 모든 지류를 제거한 Model B3의 경우 보정된 모델의 RMS 오차가 14.7%로 큰 값을 보여 관측된 지하수위 분포를잘 재현하지 못하는 것으로 나타났다. 또한 기존 모델과 비교할 때 보정된 모델의 지하수 함양률이 35 mm/yr로 매우 작은 값을 보였으며, 물수지 분석 결과에서 하천을 통한 지하수의 유입 및 유출량이 크게 줄어든 것으로 나타났다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.