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현장추적자시험과 실내주상실험을 이용한 복합토양층의 수리분산특성 연구
Hydrodynamic Dispersion Characteristics of Multi-soil Layer from a Field Tracer Test and Laboratory Column Experiments 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.13 no.4, 2008년, pp.1 - 7  

강동환 (부경대학교 환경지질과학과) ,  양성일 (부경대학교 환경지질과학과) ,  김태영 (부경대학교 환경지질과학과) ,  김성수 (부경대학교 환경지질과학과) ,  정상용 (부경대학교 환경지질과학과)

초록
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본 연구에서는 복합토양층(조립질 모래, 세립질 모래, 실트 점토의 혼합토)에서 수행된 현장추적자시험과 3개 토양층에서 채취된 시료를 이용한 실내주상실험의 자료를 이용하여, 복합토양층의 수리분산특성을 분석하였다. 토양층별 투수성과 유동 분석에 의해, 유효공극률이 낮은 실트 점토의 혼합토와 세립질 모래에서 평균선형유속이 높고, 유효공극률이 큰 조립질 모래에서는 수리전도도가 높은 것을 알 수 있었다. 평균토양입경에 따른 수리전도도 함수는 Y=$3.49{\times}10^{-8}e^{15320x}$로 추정되었으며 결정계수는 0.90이었다. 평균토양입경에 따른 평균선형유속 함수는 Y=$1.88{\times}10^{-7}e^{11459x}$로 추정되었으며, 결정 계수는 0.81이었다. 그리고 평균토양입경에 따른 종분산지수 함수는 Y = 0.00256$e^{5971x}$이었으며, 결정계수는 0.98 정도로 나타났다. 평균선형유속과 종분산지수의 선형회귀분석 결과, 함수는 Y = 21.7527x+0.0063로 추정되었으며 결정계수는 0.9979로서 매우 높게 나타났다. 본 연구에서 산정된 현장규모/실내쥬모의 종분산지수비는 54.09로서 규모종속효과를 나타내었다. 현장추적자시험을 실시하여 산정한 종분산지수(1.39m)가 Xu와 Eckstein(1995)의 방법에 의해 산정된 종분산지수(0.186m)에 비해 7.47배 정도 크게 나타났다. 이는 시험 대수층 내 중 조립질 모래층에서의 우세한 확산 흐름에 의한 것이다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study analyzed for hydrodynamic dispersion characteristics of multi-soil layer (Silt and clay, Find sand, Coarse sand), data of a field tracer test on the multi-soil layer and data of laboratory column experiments on the samples on each soil layers. Through the analysis of permeability and flow...

주제어

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제안 방법

  • Xu and Eckstein(1995)은 Gelhar et al.(1992)의 신뢰성(reliability) 분류 방법을 이용해 신뢰도를 차등한 후, 가중최소자승법(weighted least squares method)을 이용하여 분산지수를 산출하는 회귀식을 개발하였다. 회귀식 중 본 연구에 적합한 가중치는 1 : 1 : 1 이었으며, 유추된 회귀식은 다음과 같다.
  • 5 m로 동일하게 적용하여 종분산지수를 재산정하였다. 그리고 3개 실내주상실험에 의한 규모종속효과를 분석하였다.
  • 본 연구에서는 실내주상실험과 현장추적자시험을 통해 추정된 복합토양층의 수리전도도, 평균선형유속 및 종분산지수를 이용하여 평균토양입경에 따른 투수성과 지하수유동을 분석하였다. 그리고 실내주상실험에 의해 산정된 3개 토양의 수리전도도, 평균선형유속 및 종분산지수를 이용하여 평균토양입경에 따른 함수 관계를 추정하였다. 또한, 현장추적자시험과 실내주상실험에 의한 종분산지수의 규모종속효과를 규명하였다.
  • 그리고 실내주상실험에 의해 산정된 3개 토양의 수리전도도, 평균선형유속 및 종분산지수를 이용하여 평균토양입경에 따른 함수 관계를 추정하였다. 또한, 현장추적자시험과 실내주상실험에 의한 종분산지수의 규모종속효과를 규명하였다.
  • 복합토양층에서 수행된 현장추적자시험에 의해 추정된 유효공극률(effective porosity)과 순간충격시험에 의해 산정된 수리전도도를 이용해 시험부지 내 평균선형유속(average linear velocity)을 산정하였다(Table 1).
  • 본 연구에서는 실내주상실험과 현장추적자시험을 통해 추정된 복합토양층의 수리전도도, 평균선형유속 및 종분산지수를 이용하여 평균토양입경에 따른 투수성과 지하수유동을 분석하였다. 그리고 실내주상실험에 의해 산정된 3개 토양의 수리전도도, 평균선형유속 및 종분산지수를 이용하여 평균토양입경에 따른 함수 관계를 추정하였다.
  • 본 연구에서는 현장추적자시험과 실내주상실험을 통해 복합토양층의 수리분산특성을 비교·분석하였으며, 그 결과는 아래와 같이 도출되었다.
  • 실내주상실험에서 토양에 따라 칼럼길이가 다르기 때문에 시험규모를 동일하게 하기 위해, 실내주상실험의 칼럼길이를 0.5 m로 동일하게 적용하여 종분산지수를 재산정하였다. 그리고 3개 실내주상실험에 의한 규모종속효과를 분석하였다.
  • 평균선형유속이 증가함에 따라 종분산지수가 증가하는 선형적인 비례관계를 나타내었으며, 이는 토양층에서의 수리분산이 이류에 의해 지배되기 때문이다. 토양층별 수리전도도, 평균선형유속 및 종분산지수의 함수와 결정계수를 추정하였다. 토양층별 수리전도도 함수는 Y = 3.
  • 현장추적자시험과 실내주상실험에 의한 수리상수(종분산지수, 평균선형유속, 수리전도도)의 차이를 토양층별로 비교·분석하였다.

대상 데이터

  • 연속주입 추적자시험을 실시한 연구지역은 부산광역시 남구 문현동으로 시험부지의 서쪽은 황령산이 위치한다. 연구지역의 지층은 평균 8 m 정도의 매립토로 구성된 토사층 하부에 약 8 m 내외의 해성퇴적층으로 구성되어 있으며, 그 하부에 풍화대와 기반암층이 분포되어 있다(농업기반공사, 2003). 불포화대 구간은 자갈과 모래로 이루어진 매립토층이 지표면하 2.
  • 연속주입 추적자시험을 실시한 연구지역은 부산광역시 남구 문현동으로 시험부지의 서쪽은 황령산이 위치한다. 연구지역의 지층은 평균 8 m 정도의 매립토로 구성된 토사층 하부에 약 8 m 내외의 해성퇴적층으로 구성되어 있으며, 그 하부에 풍화대와 기반암층이 분포되어 있다(농업기반공사, 2003).

데이터처리

  • 입도분석에 의해 산정된 평균토양입경과 실내주상실험에 의해 산정된 토양층별 종분산지수를 이용하여 Grapher 4.0 프로그램을 통해 토양층별 종분산지수 함수를 추정하였다(Fig. 6). 가장 적합하게 추정된 함수는 Y = 0.
  • 평균선형유속에 따른 종분산지수의 함수를 추정하였다. Bromly et al.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
지하수의 오염의 요인으로는 무엇이 있는가? 공장폐수, 매립지의 침출수, 지하저장탱크의 유출 유류 등 독성유해물질의 토양층 누출로 인해 토양층과 지하수의 오염이 심각한 실정이다. 토양층에서 지하수의 오염 확산을 정량적으로 규명하기 위해서는 종분산지수의 산정이 필수적이며, 종분산지수의 산정을 위해서는 실내주상실험과 현장추적자시험이 수행되어야 한다.
토양층에서 지하수의 오염 확산을 정량적으로 규명하기 위해서는 무엇이 필요한가? 공장폐수, 매립지의 침출수, 지하저장탱크의 유출 유류 등 독성유해물질의 토양층 누출로 인해 토양층과 지하수의 오염이 심각한 실정이다. 토양층에서 지하수의 오염 확산을 정량적으로 규명하기 위해서는 종분산지수의 산정이 필수적이며, 종분산지수의 산정을 위해서는 실내주상실험과 현장추적자시험이 수행되어야 한다.
현장추적자시험과 실내주상실험을 통해 복합토양층의 수리분산특성을 비교·분석한 결과는 어떻게 되는가? 토양의 평균입경은 CS 토양 > FS 토양 > MS 토양 순이며, 수리상수(수리전도도, 평균선형유속 및 종분산지수)의 크기도 동일한 순서로 산정되었다. 유효공극률이 높은 CS 토양의 수리전도도가 평균선형유속보다 크게 나타났으며, 시험부지 내 평균토양입경에 따른 수리전도도(1.80 × 10−6 m/sec)와 평균선형유속(1.39 × 10−6m/sec)은 모두 실내실험을 통한 조화평균값과 비슷하게 나타났다. 시험부지 내 평균토양입경이 CS 토양에 비해 2.1배 작지만 종분산지수가 2.8배 큰 이유는 시험규모가 67.2배 크기 때문이며, 이는 CS 토양에서의 우세한 확산에 의한 것이다. 평균선형유속에 따른 종분산지수의 추정된 함수는 Y = 21.7527x + 0.00625이었으며, 결정계수는 0.99 정도로 나타났다. 평균선형유속이 증가함에 따라 종분산지수가 증가하는 선형적인 비례관계를 나타내었으며, 이는 토양층에서의 수리분산이 이류에 의해 지배되기 때문이다. 토양층별 수리전도도, 평균선형유속 및 종분산지수의 함수와 결정계수를 추정하였다. 토양층별 수리전도도 함수는 Y = 3.49017× 10−8× e15320x, 평균선형유속 함수는 Y = 1.88135 × 10−7× e11459x 그리고 종분산지수 함수는 Y = 0.00256 × e5971x이었으며, 토양층별 수리전도도의 결정계수는 0.90, 평균선형유속의 결정계수는 0.81 그리고 종분산지수의 결정계수는 0.98 정도로 나타났다. 토양 입경이 증가함에 따라 유속이 증가함을 알 수 있었으며, CS 토양에서의 빠른 유동에 의해 수리분산이 매우 높게 나타남을 알 수 있었다.
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참고문헌 (17)

  1. 강동환, 정상용, 2006, 실내주상실험에 의한 불균일한 토양의 입도와 수리분산기작의 상관성 연구, 한국지하수토양환경학회지, 11(6), 28-34 

  2. 김용제, 김태희, 김구용, 황세호, 채병곤, 2005, 파쇄대 응회암 대수층의 지하수 유동 특성화 기법, 한국지하수토양환경학회지, 10(4), 33-44 

  3. 농업기반공사, 2003, 문현지구 오염부지정화사업, p. 249 

  4. 이진용, 천정용, 이강근, 이민효, 윤정기, 2001, 다공질 천층 대수층에서의 추적자 이동 연구, 지질학회지, 37(2), 309-316 

  5. 장연수, 임종주, 1997, 해성점토와 풍화토의 오염물 흡착능에 관한 실험 연구, 한국지하수토양환경학회지, 4(2), 78-84 

  6. 정경영, 배열호, 최상일, 1996, DNAPL Pool의 용해실험에 의한 분산계수 산정, 한국지하수토양환경학회지, 1(1), 19-27 

  7. 정상용, 강동환, 이민희, 손주형, 2006, 복합토양층의 불포화대와 포화대에서 연속주입 추적자시험을 이용한 수리분산특성 연구, 한국지하수토양학회지, 11(4), 48-56 

  8. 한정상, 1998, 지하수환경과 오염, 박영사, p. 1071 

  9. 한정상, 장호완, 한규상, 고경석, 이영동, 유대호, 1991, 울산 공업단지 지하수 오염 예측을 위한 정량적 수리분산 연구, 지질학회지, 27(1), 98-116 

  10. Bromly, M., Hinz, C., and Aylmore, L.A.G., 2007, Relation of dispersivity to properties of homogeneous saturated repacked soil columns, European Journal of Soil Science, 58, 293-301 

  11. Dirk, S.M., 2005, Longitudinal dispersivity data and implications for scaling behavior, groundwater, 43(3), 443-456 

  12. Dirk, S.M., Carlson, D.A., Cherkauer, D.S., and Malik, P., 1999, Scale dependency of hydraulic conductivity in heterogeneous media, Ground Water, 37(6), 904-919 

  13. Farenhorst, A. and Bryan, R.B., 1995, Particle size distribution of sediment transported by shallow flow, Catena, 25, 47-62 

  14. Gelhar, L.W., Welty Claire, and Rehfeldt Kenneth R., 1992, A critical review of data on field-scale dispersion in aquifers, Water Resources Research, 28(7), 1955-1974 

  15. Neuman, S.P., 1990, Universal scaling of hydraulic conductivities and dispersivities in geologic media, Water Resources Research, 26(8), 1749-1758 

  16. Wheatcraft, S.W. and Tyler, S.W., 1988, An explanation of scale-dependent dispersivity in heterogeneous aquifers using concepts of fractal geometry, Water Resources Research, 24(4), 566-578 

  17. 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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