[논문]해안지역 지하수자원 확충을 위한 우기 인공주입정의 최적설계

박남식; 시뢰; 최뢰; 이찬종; 문유리

doi:10.3741/jkwra.2009.42.5.415

해안지역 지하수자원 확충을 위한 우기 인공주입정의 최적설계
Design of Optimal Wet-Season Injection Well for Augmenting Groundwater Resources in Coastal Areas 원문보기

韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association, v.42 no.5, 2009년, pp.415 - 424

박남식 (동아대학교 공과대학 토목공학과) , 시뢰 (동아대학교 공과대학 토목공학과) , 최뢰 (동아대학교 공과대학 토목공학과) , 이찬종 (동아대학교 공과대학 토목공학과) , 문유리 (한국환경정책평가연구원 통합환경연구본부 전략평가연구실)

초록
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대수층 바닥이 해수면보다 낮은 해안 지역에서는 관정에서의 적정양수량이 해수침투 여부에 의하여 결정될 수 있다. 이러한 지역에서 관정의 적정 양수량을 초과하는 수요를 만족시키기 위하여 과잉양수를 시행해야하면 우기의 잉여 지표수를 대수층에 주입함으로서 과잉 양수정을 연중 보호할 수 있다. 본 연구에서는 최소의 주입으로 과잉 양수정을 보호할 수 있는 주입정의 위치와 우기의 주입량을 계산하는 전산모델을 개발하였다. 경계면모델과 최적화방법을 조합하여 개발된 수치모델에서 목적함수는 주입량의 최소화이며 제약조건으로 해수침투와 지하수 고갈을 고려하였다. 상태변수는 과잉양수량, 설계연한, 우기 기간, 그리고 양수정에서의 해수비율이다. 지하수 개발이 어려운 수리지질 특성을 가진 소규모 가상 도서에 대하여 본 기술의 적용성과 지하수 추가 개발의 가능성을 평가하였다. 적용결과 다양한 조건에서도 적정개발량을 초과하는 지하수 관정을 보호할 수 있는 주입정의 가동이 가능한 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Artificial injection of surplus surface water during wet seasons and recovery is one of possible solutions for conjunctive uses of surface water and groundwater. The methodology is especially attractive for regions of monsoon type weather. In this work a simulation-optimization model is developed to identify an optimal injection system to sustain an over-exploiting freshwater pumping well. The injection well is to be operated during wet seasons only while the pumping well is to be operated throughout an entire year. The objective function is the minimization of injected volume of freshwater. Saltwater intrusion and dry wells are considered as constraints. An example application is made on a small hypothetical island with poor hydrogeologic conditions. The optimization model is successful in determining optimal injection locations and rates for various cases.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

인공주입 방법의 핵심은 어디서 얼마만큼의 담수를 대수층에 주입하느냐이다. 따라서 본 연구에서는 필요한 지하수 수요를 만족시키는데 필요한 주입정의 위치와 최소 주입량을 탐색하기 위한 기술을 개발하였다. 지하수 개발에 불리한 수리지질 특성을 가진 가상도서의 해안에 설치된 양수관정에 대하여 전산모델을 적용하고 우리나라의 인공주입을 통한 지하수 자원 확충 가능성을 조사하였다.
일반적으로 우리나라 대부분 지역에서 대수층의 산출성이 그다지 뛰어나지 않으나 대부분의 해안 및 도서 지역에서 물수요가 크지 않기 때문에 우리나라에 적용하는데 적합한 수자원 관리기법이다. 본 연구에서는 지하수 적정개발량을 초과하는 연중 물 수요를 최소 비용으로 충족시키기 위한 주입정의 최적설계전산모델을 개발하였다. 최적모델의 결정변수는 주입정의 위치와 주입량이며, 주요 상태 변수는 양수정의 해수비율, 목표 가동연한, 우기의 기간, 그리고 초과 양수량이다.
는 우기에 가동되는 주입정에서의 담수 주입량, T는 주입시스템의 목표 가동기간이다. 위의 목적 함수는 목표 가동기간 동안의 담수 주입량을 최소화함으로서 관련 비용을 최소화하는 것을 목표로 한다. 주입량을 결정하는데 영향을 미치는 제약조건들은 다음과 같다:
따라서 본 연구에서는 필요한 지하수 수요를 만족시키는데 필요한 주입정의 위치와 최소 주입량을 탐색하기 위한 기술을 개발하였다. 지하수 개발에 불리한 수리지질 특성을 가진 가상도서의 해안에 설치된 양수관정에 대하여 전산모델을 적용하고 우리나라의 인공주입을 통한 지하수 자원 확충 가능성을 조사하였다.

가설 설정

관정의 적정개발량을 초과하는 물 수요를 만족시키는 주입시스템의 설치 및 운영비용은 주입량에 비례한다고 가정하였다. 그러면 최적 설계의 목적함수는 주입량의 최소화가 될 수 있다.
대수층은 비피압으로 가정하였으며 대수층 바닥의 표고는 평균해수면 기준 -15m이다. 유효공극률은 0.
본 연구에서는 적정양수량 78.6m³/d를 54% 초과하는 121m³/d의 수요를 해당 관정에서 충족시켜야하는 경우에 대하여 가정하였다. 먼저 주입 없이 과잉 양수를 시작하면 약 10년 후부터 양수정에서 해수가 검출되기 시작하여 약 100년 후에 평형상태에 도달하여 총 양수량의 2% 정도가 해수인 것으로 나타났다(Fig.
적정개발량을 초과하는 물 수요를 연중 감당하기 위한 주입정의 위치와 최소 주입량을 평가하였다. 여기서 우기는 120일로, 1년을 360일로 가정하였다. 또한 인공주입정의 목표 가동연한은 20년으로 설정하였다.
가 양수될 때 양수되는 물의 종류는 여러 가지 인자에 의하여 결정되는데 양수가 과다하면 관정에 해수가 유입되어 담수와 해수의 혼합물이 양수된다. 여기서는 양수되는 해수와 담수의 비율이 관정의 스크린 구간에서 각 유체의 투수량계수에 의하여 결정된다고 가정하였다. 그러면 각 유체의 양수량은 다음과 같이 산정될 수 있다.
대수층은 비피압으로 가정하였으며 대수층 바닥의 표고는 평균해수면 기준 -15m이다. 유효공극률은 0.3, 투수계수는 8.3m/d를 가정하였다. 지하수 함양율은 우리나라 연 평균 강수량의 약 10%인 125mm/yr를 가정하였다.
3m/d를 가정하였다. 지하수 함양율은 우리나라 연 평균 강수량의 약 10%인 125mm/yr를 가정하였다. 영역의 원호 부분은 해안선으로 담수와 해수의 수두를 평균해수면과 동일한 표고로 지정하였다.

제안 방법

우리나라에서 우기의 인공주입을 통한 지하수 자원의 추가개발 가능성을 조사하기 위하여 지하수 개발에 불리한 수리지질 특성을 가지 소규모 가상도서에 대하여 적정개발량을 초과하는 과잉양수정을 보호할 수 있는 우기의 인공주입정을 분석하였다. 주요 변수들에 대한 민감도 분석결과 적절한 위치에 적절한 양을 주입하면 적정개발량을 초과하는 양수량을 목표 연한동안 지속적으로 유지할 수 있는 것으로 나타났다.
우리나라에서 인공주입기술의 적용성의 보수적 평가를 위하여 지하수개발 및 회수에 불리한 여건의 가상의 섬에 대하여 적용하였다. 이를 위하여 가상도서의 해안선 부근 임의의 위치의 관정에서 확보할 수 있는 최대지하수량을 먼저 구하고 이를 초과하는 과잉 양수를 지속하기 위한 주입정의 위치와 주입량을 분석하였다.
우리나라에서 인공주입기술의 적용성의 보수적 평가를 위하여 지하수개발 및 회수에 불리한 여건의 가상의 섬에 대하여 적용하였다. 이를 위하여 가상도서의 해안선 부근 임의의 위치의 관정에서 확보할 수 있는 최대지하수량을 먼저 구하고 이를 초과하는 과잉 양수를 지속하기 위한 주입정의 위치와 주입량을 분석하였다.
적정개발량을 초과하는 물 수요를 연중 감당하기 위한 주입정의 위치와 최소 주입량을 평가하였다. 여기서 우기는 120일로, 1년을 360일로 가정하였다.
유전자 알고리즘에서는 생물학적 유전인자인 염색체에 해당하는 문자열(일반적으로 이진수의 조합)을 가지고 생물과 같은 재생산 (reproduction), 교배 (cross over), 돌연변이 (mutation) 등을 통하여 부모세대 (parent generation)로부터 다음 세대의 자손을 인공적으로 만들어 낸다. 즉, 생물유전을 모방한 연산자들을 인공 염색체에 반복적으로 적용하여 최적 해를 탐색한다.
본 연구에서는 지하수 적정개발량을 초과하는 연중 물 수요를 최소 비용으로 충족시키기 위한 주입정의 최적설계전산모델을 개발하였다. 최적모델의 결정변수는 주입정의 위치와 주입량이며, 주요 상태 변수는 양수정의 해수비율, 목표 가동연한, 우기의 기간, 그리고 초과 양수량이다.

대상 데이터

가상유역에서 임의의 한 지점(450,450)에 양수정을 설치하였다. 해안선과 양수정 사이의 거리는 약 360m이다.
주입정의 정확한 위치는 사전에 알 수 없지만 관정을 통과하는 45도 직선상에 위치하는 것은 명백하다. 따라서 주입정의 후보지점은 원점을 통과하는 45도 직선상의 절점 (총 29개)로 지정하였다(Fig. 3). 주입량은 0부터 220m³/d까지 0.
가상도서는 반경 1km인 원형 도서로 우리나라 기준으로도 작은 섬이다. 분석에서는 1/4분원 부분만을 모의 대상으로 설정하였다(Fig. 3). 주입량과 양수량이 과다하지 않으면 절단 경계 (x와 y축)의 영향을 받지 않으므로 분석결과에는 영향이 없다.
영역의 원호 부분은 해안선으로 담수와 해수의 수두를 평균해수면과 동일한 표고로 지정하였다. 수치 해석을 위하여 25m x 25m의 정사각형 유한요소망을 이용하였다.
3). 주입량은 0부터 220m³/d까지 0.864m³/d 간격으로 256가지 주입량을 대상으로 지정하였다. 그러면 총 조합의 수는 29*256=7,424가지 경우가 발생한다.

이론/모형

상술된 경계면 모델을 유전자기법(Carroll, 2004)과 조합하여 최적전산모델을 구성하였다.
(6)은 경계면에서 담수와 해수의 압력은 연속이라는 것을 의미한다. 위 식들은 Galerkin 유한요소법으로 이산화되고, 비선형성은 Newton-Raphson방법으로 처리되었다(Huyakorn et al., 1996). 개발된 수치모형은 검정(Park and Wu, 1994)과 대규모 유역에 적용(Park et al.
물론 이 경우에는 조합의 수가 크지 않기 때문에 모든 가능성에 대하여 목적 함수를 계산하는 것이 가능하나 통상적인 문제에서 가능성의 수가 수백만을 초과할 수 있기 때문에 효과적인 최적해 탐색기법의 사용은 필수적이다. 유전자 기법의 적용에서는 개체수를 5개, 세대수는 100개를 사용하는 micro-GA (Carroll, 2004)를 사용하였다. 이 경우 경계면 모의모델을 수행해야하는 횟수는 최대 5*100=500회이다.

성능/효과

주요 변수들에 대한 민감도 분석결과 적절한 위치에 적절한 양을 주입하면 적정개발량을 초과하는 양수량을 목표 연한동안 지속적으로 유지할 수 있는 것으로 나타났다. 검토한 모든 경우에서 연간 추가확보량이 주입량을 초과하여 주입의 효과가 우수한 것으로 나타났다. 과잉 양수정을 보호하기 위한 위치에 따라 소요 주입량에 큰 차이가 있으므로 주입시스템의 효율을 높이기 위해서는 최적 주입 위치 선정과 주입량 결정이 중요하다.
6m³/d를 54% 초과하는 121m³/d의 수요를 해당 관정에서 충족시켜야하는 경우에 대하여 가정하였다. 먼저 주입 없이 과잉 양수를 시작하면 약 10년 후부터 양수정에서 해수가 검출되기 시작하여 약 100년 후에 평형상태에 도달하여 총 양수량의 2% 정도가 해수인 것으로 나타났다(Fig. 7).
분석 대상 3가지 경우 계산결과 주입정의 최적 위치는 기본 경우의 주입정의 위치와 동일하게 나타났다. 주입량은 우기가 90일인 경우에는 70m³/d로 기본경우의 53m³/d보다 약 32% 증가하였다.
Lowry와 Anderson (2006)은 수치모델링을 이용하여 인공 주입 및 회수 시스템의 회수 효율을 분석하였다. 입자추적방법 (particle-tracking method)과 용질 이류확산방법 (solute advection-and-dispersion method)을 가상 문제들에 대하여 적용한 결과 입자추적방법이 후자 보다 회수효율을 최대 30%까지 과대평가할 수 있다고 조사하였다. 이들은 회수한계로 주입수의 비율이 75%와 50%인 두 가지 경우에 대하여 분석하였는데 두 가지 경우 공히 확산지수가 증가하면 회수율이 감소한다고 보고하였다.
우리나라에서 우기의 인공주입을 통한 지하수 자원의 추가개발 가능성을 조사하기 위하여 지하수 개발에 불리한 수리지질 특성을 가지 소규모 가상도서에 대하여 적정개발량을 초과하는 과잉양수정을 보호할 수 있는 우기의 인공주입정을 분석하였다. 주요 변수들에 대한 민감도 분석결과 적절한 위치에 적절한 양을 주입하면 적정개발량을 초과하는 양수량을 목표 연한동안 지속적으로 유지할 수 있는 것으로 나타났다. 검토한 모든 경우에서 연간 추가확보량이 주입량을 초과하여 주입의 효과가 우수한 것으로 나타났다.
(2008)은 수치모델을 이용하여 투수계수의 이방성이 회수율에 미치는 영향에 대하여 분석하였다. 주입수의 비중이 대수층의 지하수의 비중과 다른 경우 밀도변화를 무시하면 회수율은 이방성에 무관한 것으로 나타났지만 밀도변화를 고려하면 약간의 밀도 차이가 있는 경우에도 이방성이 회수율에 큰 영향을 미치는 것으로 조사되었다. 그들은 연직투수 계수가 작으면 부력효과가 감소하기 때문에 회수율이 높아진다고 보고하였다.
따라서 목표가동년한이 100년까지는 주입량이 증가한다는 것을 예상할 수 있다. 최대 주입량을 조사하기 위하여 목표연한을 200년으로 설정하면 필요 주입량은 일 89m³/d이며 추가확보율은 1.43으로 나타났다. 목표가동연한이 300년으로 연장한 경우에도 필요 주입량은 200년인 경우와 동일하게 나타났다.
6m³/d이 다. 최적양수가 적용되면 해수쐐기는 내륙으로 이동하며 평형상태에 도달한 해수쐐기의 침투거리는 130m로 개발 전 상태보다 약 30m 더 침투하였다(Fig. 5). 해수 침투 거리 130m는 관정 위치까지 약 230m 정도의 여유가 있으나 양수량을 적정 양수량보다 증가시키면 해수쐐기가 관정에 도달한다는 것을 의미한다.

후속연구

본 연구에서 개발한 최적설계 전산모델은 낙후된 도서 및 해안 지역의 수자원 공급의 안정성을 제고시켜 지역 발전의 밑거름이 될 수 있을 것으로 생각된다. 개발된 모델을 이용하여 더욱 다양한 경우에 대한 분석을 수행하여 지표수-지하수 연계활용의 이점과 중요 이슈를 도출할 수 있다.
개발된 모델을 이용하여 더욱 다양한 경우에 대한 분석을 수행하여 지표수-지하수 연계활용의 이점과 중요 이슈를 도출할 수 있다. 실제 현장의 경우 불확실한 지질 및 수리수문 조건으로 인하여 모델결과의 적용성에 큰 영향을 미칠 수 있으므로 불확실성 등을 고려한 신뢰도를 높일 수 있는 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인공주입 방법이란?	인공주입 방법은 건기에 부작용이 없이 지하수 수요를 만족시킬 수 있도록 우기에 담수를 대수층으로 주입하는 것을 말한다. 여기서 부작용이라 함은 인접한 해수로 인한 지하수 양수정의 오염, 담수의 과잉 양수로 인한 관정의 지하수 고갈 등을 들 수 있다.
	지표수의 대수층 인공주입의 장점은?	지표수의 대수층 인공주입은 지표수자원의 시공간적 편중성을 환경친화적으로 완화시킬 수 있는 방법이다. 호주, 유럽, 중동 그리고 미국 등에서 다수의 인공주입 및 회수 프로젝트가 수행되고 있다 (Bloetscher et al.
	지표수의 대수층 인공주입이 실시되고 있는 국가는?	지표수의 대수층 인공주입은 지표수자원의 시공간적 편중성을 환경친화적으로 완화시킬 수 있는 방법이다. 호주, 유럽, 중동 그리고 미국 등에서 다수의 인공주입 및 회수 프로젝트가 수행되고 있다 (Bloetscher et al., 2005).

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원문보기 상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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