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문제 정의
- 본 연구에서는 해수침투 지역에서 담수주입 실증시험을 수행하고, 주입시험 동안 지구물리 모니터링을 통해 담수주입의 효과와 그 지속성을 파악하고자 하였다. 즉 본 담수주입 실증 시험 및 지구물리 모니터링의 일차적인 목적은 담수체의 거동 및 영향 반경 파악을 위한 지구물리 기법들의 적용성 평가이며, 이차적으로는 이러한 지구물리학적 평가에 기반 하여 해수 침투 확산 저지 및 피해 개선 기술로서의 담수주입기술의 현장 적용성 고찰을 목적으로 한다.
- 본 연구에서는 해수침투 지역에서 담수주입 실증시험을 수행하고, 지구물리 기법들을 이용한 모니터링을 수행함으로써 담수체의 거동 및 영향 반경 파악을 위한 지구물리 기법들의 적용성과 해수침투 확산 저지 및 피해 개선 기술로서의 담수 주입기술의 현장 적용성에 대해 고찰하였다. 이상의 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 해수침투 지역에서 담수주입 실증시험을 수행하고, 주입시험 동안 지구물리 모니터링을 통해 담수주입의 효과와 그 지속성을 파악하고자 하였다. 즉 본 담수주입 실증 시험 및 지구물리 모니터링의 일차적인 목적은 담수체의 거동 및 영향 반경 파악을 위한 지구물리 기법들의 적용성 평가이며, 이차적으로는 이러한 지구물리학적 평가에 기반 하여 해수 침투 확산 저지 및 피해 개선 기술로서의 담수주입기술의 현장 적용성 고찰을 목적으로 한다.
제안 방법
- 전기비저항 및 자연전위 모니터링을 위한 측선은 주입공 YK-15를 중심으로 방사형으로 4개의 측선을 설치하였다. 각 측선의 길이는 120 m이며, 이때 전기비저항탐사의 전극간격은 사질층 구간의 깊이와 탐사 분해능을 고려하여 3 m와 6 m로 하였고, 자연전위 모니터링을 위한 측점 간격은 전체 채널수와 분해능을 고려하여 6 m로 하였다.
- 담수 주입 동안 관측공 YK-18에서의 공내수 전기전도도 모니터링은 물리검층 대신 다채널 전기전도도 모니터링 시스템(신제현 등, 2005)을 이용하였다. 다채널 전기전도도 모니터링 센서는 3.3 m, 4.0 m, 6 m, 20 m 등 네 개의 깊이에 설치되었고, 주입 시작과 함께 약 90시간 동안 전기전도도의 변화를 연속적으로 모니터링 하였다. 이때 깊이 3.
- 이러한 목적에 따라 담수주입에 의한 공극수의 전기전도도 변화 파악을 위하여 주입공 주변에 설치된 관측공에서 물리검층과 다채널 전기전도도 모니터링을 실시하였다. 또한 주입된 담수의 유동 특성 및 분포영역 파악을 통한 영향 반경 평가를 위하여 담수 주입 전, 주입 중, 주입 후에 시간차를 두고 자연 전위 및 전기비저항 모니터링을 실시하였다.
- 물리검층에 의한 온도 및 전기전도도 측정은 주입시험 전후에는 모든 공에서 수행되었으며, 담수주입 동안에는 관측공 YK-16과 YK-17에서만 수행되었다. 담수 주입 동안 관측공 YK-18에서의 공내수 전기전도도 모니터링은 물리검층 대신 다채널 전기전도도 모니터링 시스템(신제현 등, 2005)을 이용하였다.
- 이러한 목적에 따라 담수주입에 의한 공극수의 전기전도도 변화 파악을 위하여 주입공 주변에 설치된 관측공에서 물리검층과 다채널 전기전도도 모니터링을 실시하였다. 또한 주입된 담수의 유동 특성 및 분포영역 파악을 통한 영향 반경 평가를 위하여 담수 주입 전, 주입 중, 주입 후에 시간차를 두고 자연 전위 및 전기비저항 모니터링을 실시하였다.
- 물리검층과 다채널 전기전도도 모니터링, 지표 전기비저항 탐사 모니터링의 경우 담수주입에 의한 해수침투 개선 효과와 공간적 분포를 효과적으로 확인할 수 있었고 이러한 개선효과가 장기간 지속됨을 확인할 수 있었으나, 자연전위탐사의 경우 탐사 현장의 기상여건 및 장기간 모니터링에 따른 비분극 전극의 불량 문제 등으로 인해 의미 있는 결과를 얻을 수 없었다. 이에 본 논문에서는 물리검층 및 다채널 전기전도도 모니터링과 전기비저항탐사 모니터링만을 중점적으로 다루었다.
- 전극배열로는 전반적으로 낮을 것으로 예상되는 이 지역의 전기비저항과 두껍게 분포하고 있는 니질층을 고려하여 쌍극자배열과 더불어 신호대잡음비가 좋은 변형된 단극배열(김정호 등, 2001)을 함께 이용하였다. 자연전위 모니터링은 4개의 측선에 대해 6 m 간격으로 배치된 총 81개 채널을 이용하여 주입 개시 3일전부터 주입종료 후 22일까지 수행하였다.
- 0 m는 상부 니질층, 깊이 6 m는 상부 사질층, 깊이 20 m는 하부 사질층 구간에 해당한다. 전기 비저항탐사는 담수주입 1시간 전, 담수주입 개시 후 약 4시간 후, 73시간 후, 386시간 후 및 종료 후 174시간 후 등 총 5회에 걸쳐 수행하였다. 전극배열로는 전반적으로 낮을 것으로 예상되는 이 지역의 전기비저항과 두껍게 분포하고 있는 니질층을 고려하여 쌍극자배열과 더불어 신호대잡음비가 좋은 변형된 단극배열(김정호 등, 2001)을 함께 이용하였다.
대상 데이터
- Fresh water injection and monitoring site is marked with white dashed rectangle. Test site is located in saltwater region having 3.2 log10 ppm or higher NaCl equivalent salinity compared to 2.7 log10 ppm of saltwater-freshwater interface.
- 1은 이상규 등(2003)에 의해 제시된 전라남도 영광군 일대에 대한 광역 등가 NaCl 염분도(NaCl equivalent salinity; 황세호 등, 2007) 분포를 나타낸다. 담수주입시험 현장은 Fig. 1에서 흰색 점선으로 표시된 지역으로 행정 구역상 전라남도 영광군 백수읍 일대이다. 이 지역은 2.
- 담수주입시험의 시험 대상 대수층은 상하부 사질층이며 따라서 스크린 구간은 이들 상하부 사질층 구간에 설치되어 있다. 주입공인 YK-15의 경우 깊이 5.
- 3은 4개 시추공에서의 시추 주상도와 YK-15, YK-16, YK-17에 대한 텔레뷰어 진폭이미지로서 시험지역 내 개략적 지질층서와 시추공의 스크린(screen) 구간을 보여준다. 시험 지역은 지표에서 깊이 3.5 m 정도까지는 복토(sandy mud) 및 니질층(mud)이, 그 아래에는 3.5 m 정도 두께의 미고결 사질층(clean and partly silty sand)이 분포하며, 그 아래에 깊이 18 m 까지 다시 니질층(silty mud)이 분포한다. 이 니질층과 화강암 기반암(porphyritic biotite Jurassic granite) 사이에는 두께 약 5 m 정도의 사질층(clean and partly gravelly sand)이 분포한다(장태우, 황상구, 1984; 이상규 등, 2003).
- 전기비저항 및 자연전위 모니터링을 위한 측선은 주입공 YK-15를 중심으로 방사형으로 4개의 측선을 설치하였다. 각 측선의 길이는 120 m이며, 이때 전기비저항탐사의 전극간격은 사질층 구간의 깊이와 탐사 분해능을 고려하여 3 m와 6 m로 하였고, 자연전위 모니터링을 위한 측점 간격은 전체 채널수와 분해능을 고려하여 6 m로 하였다.
- 44 × 10−3 m3/day)이다. 주입수로는 시험지역에 인접한 농업용 인공수로의 담수를 사용하였다. 주입시험 당시 현장에서 측정된 주입수의 전기전도도는 397 μS/cm (21.
이론/모형
- 물리검층에 의한 온도 및 전기전도도 측정은 주입시험 전후에는 모든 공에서 수행되었으며, 담수주입 동안에는 관측공 YK-16과 YK-17에서만 수행되었다. 담수 주입 동안 관측공 YK-18에서의 공내수 전기전도도 모니터링은 물리검층 대신 다채널 전기전도도 모니터링 시스템(신제현 등, 2005)을 이용하였다. 다채널 전기전도도 모니터링 센서는 3.
- 전기 비저항탐사는 담수주입 1시간 전, 담수주입 개시 후 약 4시간 후, 73시간 후, 386시간 후 및 종료 후 174시간 후 등 총 5회에 걸쳐 수행하였다. 전극배열로는 전반적으로 낮을 것으로 예상되는 이 지역의 전기비저항과 두껍게 분포하고 있는 니질층을 고려하여 쌍극자배열과 더불어 신호대잡음비가 좋은 변형된 단극배열(김정호 등, 2001)을 함께 이용하였다. 자연전위 모니터링은 4개의 측선에 대해 6 m 간격으로 배치된 총 81개 채널을 이용하여 주입 개시 3일전부터 주입종료 후 22일까지 수행하였다.
성능/효과
- (1) 물리검층 결과 담수주입에 따라 공내수의 전기전도도가 현저히 낮아지는 효과를 확인할 수 있었으며, 이러한 개선 효과가 투수성 사질층을 통해 일어나고, 그 효과도 오랫동안 지속됨을 확인할 수 있었다.
- (2) 다채널 전기전도도 모니터링 결과 담수 주입에 의한 전기전도도 변화는 담수와 염/해수의 혼합과정을 통해 매우 서서히 일어남을 확인할 수 있었다. 또한 수두 및 주입량 변동에 따라 하부 사질층의 전기전도도가 민감하게 반응하는 양상으로부터 하부 사질층 또는 그 하부로 균열암반을 통한 고염분 지하수 유입을 유추할 수 있었다.
- (3) 전기비저항 모니터링 결과 탐사심도가 깊고 전기비저항이 상대적으로 낮은 곳에서는 가탐심도에 따른 분해능의 저하와 담수 주입에 의한 전기비저항의 변화 폭이 작아 담수 주입의 영향을 분명하게 파악할 수 없었으나, 주입공 주변에서의 전기비저항 증가 양상과 전자유도검층 결과와의 좋은 상관성으로부터 전기비저항탐사가 담수 주입효과의 확인 및 모니터링에 유용하게 활용될 수 있음을 확인하였다. 따라서 향후, 염/담수의 물성 대비 및 전극간격 대비 분해능에 대한 세심한 고려와 자연전위탐사와의 복합 4-D 탐사를 통해 해수침투 피해 개선 진단 기술로서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- (4) 한편 물리검층 결과에서 확인되는 해수침투 개선효과의 지속성은 담수주입기술에 의한 해수침투 피해 개선의 가능성을 시사한다. 물론 이러한 지속성은 대수층 특성, 주변 지역에서의 지하수 개발 및 이용여부 등에 따라 달라질 수 있다.
- (2) 다채널 전기전도도 모니터링 결과 담수 주입에 의한 전기전도도 변화는 담수와 염/해수의 혼합과정을 통해 매우 서서히 일어남을 확인할 수 있었다. 또한 수두 및 주입량 변동에 따라 하부 사질층의 전기전도도가 민감하게 반응하는 양상으로부터 하부 사질층 또는 그 하부로 균열암반을 통한 고염분 지하수 유입을 유추할 수 있었다. 이러한 결과는 여러 심도에서의 동시 연속 측정을 통해 대수층 내 지하수의 유동과 수리 특성을 보다 명확하게 판단할 수 있음을 의미한다.
- 공내수의 전기전도도는 담수 주입에 따라 YK-16의 경우 약 5,000 μS/cm에서 800 μS/cm로, YK-17의 경우 약 9,000 μS/cm에서 1,000 μS/cm로, YK-18의 경우에는 20,000 μS/cm에서 3,000 μS/cm로 약 1/10 수준으로 감소하였음을 알 수 있다. 또한 이러한 전기전도도 변화는 YK-18에 대한 검층 기록의 5월 29일자 결과에서 알 수 있듯이 담수 주입 종료 후 30일 이상까지 오랫동안 지속되고 있음을 확인할 수 있고, 이러한 지속성은 실제 수개월 후 측정된 자료에서도 확인되었다. 전자유도검층 결과는 이러한 담수주입 효과가 주로 투수성 사질층에서 나타나고 있음을 보여준다.
- 물리검층과 다채널 전기전도도 모니터링, 지표 전기비저항 탐사 모니터링의 경우 담수주입에 의한 해수침투 개선 효과와 공간적 분포를 효과적으로 확인할 수 있었고 이러한 개선효과가 장기간 지속됨을 확인할 수 있었으나, 자연전위탐사의 경우 탐사 현장의 기상여건 및 장기간 모니터링에 따른 비분극 전극의 불량 문제 등으로 인해 의미 있는 결과를 얻을 수 없었다. 이에 본 논문에서는 물리검층 및 다채널 전기전도도 모니터링과 전기비저항탐사 모니터링만을 중점적으로 다루었다.
- 12는 담수주입 전, 중간과 후에 측정한 전기비저항탐사 역산 결과들로부터 각 관측공의 위치에서 추출된 전기비저항의 깊이에 따른 변화를 나타낸다. 앞서 전체적인 역산 결과에서 살펴본 바와 같이 니질층 구간에서는 시간에 따른 전기비 저항의 변화가 거의 없음에 비해 사질층 구간에서 담수주입에 따라 전기비저항이 점차 높아지는 양상을 확인 할 수 있으며 이러한 양상은 전자유도검층 결과와 매우 좋은 상관성을 보여준다. 다만 전자유도검층 결과에서는 담수주입에 따른 전기전도도의 변화가 사질층 구간에 국한되는데 반해 전기비저항 심도 프로파일에서는 진흙층 구간까지 일정 정도 확대되는 양상을 보이고 있다.
- 하부 사질층(센서 깊이 20 m)의 경우 담수 주입에 따라 전기전도도가 서서히 감소한 후 36시간 경과 후부터 수렴하는 양상을 보여준다. 주입 개시 후 36시간에서의 추정 주입량(약 150 ton)과, 대수층의 두께(3.5 m, 5 m), 공극률(30%), 투수율 등을 고려할 때, 담수주입에 따른 전기전도도의 감소는 담수와 염/해수의 혼합과정을 통해 매우 서서히 일어나고 있는 것으로 판단된다. 다만 감소추세는 주입 개시 후 약 20시간 경과 후에 수행된 수두 높임 작업의 영향에서 알 수 있듯이 주입 수두에 따라 달라질 수 있다.
후속연구
- (3) 전기비저항 모니터링 결과 탐사심도가 깊고 전기비저항이 상대적으로 낮은 곳에서는 가탐심도에 따른 분해능의 저하와 담수 주입에 의한 전기비저항의 변화 폭이 작아 담수 주입의 영향을 분명하게 파악할 수 없었으나, 주입공 주변에서의 전기비저항 증가 양상과 전자유도검층 결과와의 좋은 상관성으로부터 전기비저항탐사가 담수 주입효과의 확인 및 모니터링에 유용하게 활용될 수 있음을 확인하였다. 따라서 향후, 염/담수의 물성 대비 및 전극간격 대비 분해능에 대한 세심한 고려와 자연전위탐사와의 복합 4-D 탐사를 통해 해수침투 피해 개선 진단 기술로서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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