[논문]수리지질학적, 화학적 특성의 복합 불균질성이 매립지반 내 침출수 이동에 미치는 영향

이근상

수리지질학적, 화학적 특성의 복합 불균질성이 매립지반 내 침출수 이동에 미치는 영향
Impacts of Combined Hydrogeological and Chemical Heterogeneities on the Transport of Leachate through Landfill Sites 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.31 no.4, 2009년, pp.300 - 307

초록
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차수막이 설치되어 있지 않은 매립장에서 하부 지반으로 누출된 침출수의 이동을 고려하였다. 일련의 Monte-Carlo 시뮬레이션의 결과를 검토하여 지반의 수리지질학적, 화학적 불균질성이 침출수 이동에 미치는 영향을 분석하였다. 본 연구에서는 (1) 수리전도도(K)와 분배계수($K_d$)가 균질, (2) 수리전도도만 불균질, (3) 수리전도도와 분배계수가 모두 불균질 경우 등 3단계의 공간 변동성이 있는 가상 매립지 시스템을 시뮬레이션하였다. 포화 유동 모델과 오염물 이동 모델을 이용하여 지구통계학적 입력 인자들로부터 생성된 역상관관계의 랜덤 수리전도도-분배계수 장 내 침출수 이동을 평가하였다. 100회의 Monte-Carlo 시뮬레이션으로부터 얻은 결과에 대하여 평균, 표준편차, 변이계수와 같은 점기반 통계치들을 계산하였다. 통계치 결과에 따르면 매립 지반의 수리전도도와 분배계수의 불균질성은 침출수 농도를 제어하는 주요한 인자로서 수리전도도와 분배계수의 복합 불균질성을 반영함에 따라 오염물 이동의 변동성이 증가하였다. 또한 오염원과 감시정간의 거리가 커질수록 각 실현 간 침출수 농도의 변동성이 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The transport of landfill leachate in the subsurface formations of unlined landfill sites is considered. The impacts of hydrogeological and chemical heterogeneities on the leachate transport are assessed by examining the results from a series of Monte-Carlo simulations. The landfill system simulated in this study is hypothetically represented with three levels of spatial variability for the hydrogeological and chemical parameter; (1) homogeneous hydraulic conductivity (K) and distribution coefficient ($K_d$), (2) K heterogeneity only, and (3) combined heterogeneities of K and $K_d$. To calculate the transport of leachate through negatively-correlated random hypothetical K-$K_d$ fields generated using geostatistical input parameters, a saturated flow model is linked with a contaminant transport model. Point statistic values such as mean, standard deviation, and coefficient of variation of the concentration were obtained from 100 Monte-Carlo trials. Results of point statistics show that the heterogeneities of K and $K_d$ in the landfill site prove to be an important parameter in controlling leachate concentrations. Consideration of combined K and $K_d$ heterogeneities results in enhancing the variability of contaminant transport. The variability in the leachate concentration for different realizations also increases as the distance between source and monitoring well increase.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

지구통계학적 기법으로 생성된 불균질 랜덤 수리전도도-분배계수 장에 대하여 포화상태의 정상상태 유동방정식과 천이상태의 물질 이동방정식을 적용하여 침출수 이동을 계산하였다. 계산 결과들의 점기반 통계치들을 균질 지반, 수리전도도만 불균질인 경우와 비교하여 매립지반의 수리지질학적, 화학적 특성의 복합 불균질성이 침출수의 거동에 미치는 영향을 분석하고자 한다.
공간 변동성을 가진 불균질 수리전도도 장에 대하여 균질 또는 음의 관계로 연관된 불균질 분배계수 장의 반영 여부가 오염물 이동에 미치는 영향을 검토하였다. 각 층의 평균 수리전도도를 균질 수리전도도의 경우와 동일하게 유지하면서 ln K의 분산 1.
본 연구에서는 Monte-Carlo 시뮬레이션 기법을 이용하여 음의 상관관계를 가진 지반의 수리전도도-분배계수 값들의 공간적 변동성이 침출수 이동에 미치는 영향을 검토하였다. 지구통계학적 기법으로 생성된 불균질 랜덤 수리전도도-분배계수 장에 대하여 포화상태의 정상상태 유동방정식과 천이상태의 물질 이동방정식을 적용하여 침출수 이동을 계산하였다.

가설 설정

4(a)) 486 m²이며 전 영역에 대하여 일정한 분배계수를 설정할 경우(Fig. 4(b)) 흡착의 영향으로 오염 영역의 면적은 254 m²로 축소되었다. 동일한 유동 조건하에서 음의 상관관계를 가진 불균질 분배계수 장을 복합 적으로 고려한 경우(Fig.
일반적으로 소수성 유기화합물은 고체 입자의 표면 중 유기 탄소 성분으로의 분배 프로세스를 통하여 흡착이 발생하는 것으로 알려져 있다.¹⁶⁾따라서 입자가 작을수록 표면적이 커지므로 흡착이 증가하며 수리전도도는 작아진다고 가정할 수 있다.¹⁷⁾ 이러한 추론으로부터 분배계수의 불 균질성은 수리전도도의 불균질성과 역상관 관계에 있는 물성으로 설정하였다.
⁵⁾ 미국환경보호국(EPA)은 오염물 이동을 해석하기 위하여 정상상태의 연속 오염원을 고려한 보수적 매립장 설계 요건을 제안한바 있다.¹⁹⁾ 본 연구에서도 매립장 바닥에 침출수가 농도 100 ppm의 연속 오염원으로 작용한다고 가정하였고 나머지 경계에는 비유출 조건을 설정하였다.
각각의 랜덤장에서 수리전도도는 로그정규분포를 따른다고 가정하였고 평균 수리전도도 #, x 및 z 방향의 연관 길이(correlation length) λx(K)[L]와 λz(K)[L], lnK의 분산σ2(ln K)을 이용하여 지구통계학적인 특성을 반영하였다.
침출수의 유동을 해석하기 위한 경계조건은 일정 수두 경계와 비유동 경계로 나누어 설정할 수 있다. 매립지 제방의 안 1과 바깥 2는 각각 3 m와 0 m의 일정 수두를가정하였으며 나머지 경계에는 비유동 조건을 설정하였다.
1)을 대상으로 침출수 이동을 계산하였다. 매립지 지층은 상부의 고투수층과 하부의 중투수층으로 구성된 이층 구조를 가진다고 가정하였다. 각 층의 평균
분배계수 또한 일반적인 측정 결과를 따라 로그 정규분포를 따른다고 가정하였으며14) 평균 분배계수 Kd[L3/M], 각 방향의 연관길이 λx(Kd)[L]와 λz(Kd) [L], ln Kd의 분산 σ2(lnKd)를 이용하여 생성하였다.
3이다. 제방의 수리전도도와 공극률은 0으로 가정하여 제방을 통한 침출수의 이동을 차단하였다.

제안 방법

10년간 각 실현으로부터 관찰된 감시정 지점에서의 평균 농도와 (평균 농도 ± 표준편차)의 범위를 계산하였다.
일반적으로 함수율이 증가하면 수리전도도가 비선형적으로 증가하므로 동일한 수두 구배 하에서 완전히 포화된 지반을 가정할 경우 침출수의 최대 이동을 나타낼 수 있다. 또한 비포화 영역의 인자들이 침출수 이동에 미치는 영향은 크지 않다고 알려져 있기 때문에²⁾ 본 연구에서는 포화 영역 내 이동만을 고려하였다.
10년간 각 실현으로부터 관찰된 감시정 지점에서의 평균 농도와 (평균 농도 ± 표준편차)의 범위를 계산하였다. 또한 지반 불균질성으로 인한 농도의 상대적 변동을 정량적으로 나타내기 위하여 감시정 지점의 농도에 대한 변이계수를 계산하고 비교하였다.
매립지 지하 토양에서 장기간에 걸친 침출수의 이동을 해석하기 위하여 모델을 160 × 80개의 균일 격자로 이산화하고 최대 시간 증분을 10일로 설정하여 10년까지 계산을 수행하였다.
0, x 및 z 방향 연관길이 각각 10 m를 입력 인자로 사용하였다. 비조건부 시뮬레이션 (unconditional simulation)을 수행하여 임의의 랜덤 수리전도도 장을 생성하였다. 생성된 랜덤 수리전도도 장에 대하여 (1) 분배계수가 3.
생성된 랜덤 수리전도도 장에 대하여 (1) 분배계수가 3.87×10-7 m3/g로 흡착이 일정한 경우, (2) 평균 분배계수가 3.87×10-7 m3/g, lnKd의 분산이 0.5, 수리전도도장과 동일한 연관길이를 가지면서[λx(Kd) = 10 m, λz(Kd) = 10 m] 수리전도도와 음의 연관관계를 갖는 경우에 대하여 침출수의 이동을 10년간 계산하였다.
수리전도도-분배계수 분포의 불균질 특성이 매립장으로 부터 누출된 오염물의 이동에 미치는 영향을 평가하기 위하여 2층 구조의 매립지층 내에서 10년간에 걸쳐 정상상태의 유체 유동 및 비정상상태의 오염물 이동에 대한 MonteCarlo 시뮬레이션을 수행하였다. 누출 초기 침출수는 수두 구배가 큰 고투수성의 상부층을 통하여 이동하였으며 이후 수직 방향의 이동이 증가하였다.
수리전도도가 균일한 균질 매립지 지반 내에서 일정 농도의 연속 오염원인 침출수로부터 생성된 오염운의 이동을 계산하고 등수두선과 농도를 도시하여 수리지질학적 불균질 지반 내 이동 결과와의 비교를 위한 기준으로 사용하였다. Fig.
수리지질학적으로 불균질한 지반에 대한 Monte Carlo 시뮬레이션을 수행하기 위하여 유체 유동과 용질의 이류 이동에 가장 큰 영향을 미치는 입력 인자인 수리전도도 장을 먼저 생성하였다. 불균질 수리전도도장은 spectral 알고리즘에 바탕을 둔 랜덤장 생성 기법으로 만들어졌다.
매립지 지하 토양에서 장기간에 걸친 침출수의 이동을 해석하기 위하여 모델을 160 × 80개의 균일 격자로 이산화하고 최대 시간 증분을 10일로 설정하여 10년까지 계산을 수행하였다. 수직 방향으로의 침출수 이동을 측정하기 위하여 제1층과 2층 중 높이 14 m, 10 m 지점에, 수평 방향의 이동을 측정하기 위하여 매립지 제방 안쪽의 18 m, 중간지점인 30 m, 그리고 42 m 지점에 감시정을 배치하여 총 6개 지점에서 오염물 농도를 관측하였다.
Monte Carlo 시뮬레이션의 표본 오차는 랜덤장 생성 실현(realization)의 수, N에 대하여 #에 비례하므로¹⁸⁾ 사전 계산 결과를 바탕으로 안정적인 통계치를 얻을 수 있는 계산횟수를 100회로 결정하였다. 수치 시뮬레이션에 의해 도출된 농도 결과치들을 해석하기 위하여 점기반 통계치를 검토하였다. 특정 지점에서 구한 농도치와 오염 영역의 면적에 대하여 평균, 표준편차, 변이계수(coefficient of variation)를 구하여 수행된 계산 결과들의 분포를 확률적으로 평가하였다.
역 상관관계를 갖는 불균질 수리전도도-분배계수 조건하에서 각각 생성된 100회의 실현에 대하여 얻은 계산 결과를 수리전도도만 불균질한 경우의 결과와 정량적으로 비교하기 위하여 10년 경과 후 오염 영역의 면적에 대한 히스토그램과 점기반 통계치 결과를 Fig. 5와 Table 2에 요약하여 제시하였다. 비조건부 시뮬레이션을 수행하여 생성된 각 수리전도도-분배계수 장에 대하여 10년간 수행된 시뮬레이션의 결과를 바탕으로 추산한 모든 실현의 결과 평균치는 최적 추정치(best estimate)와 동일하다고 말할 수 있다.
적절한 불균질 수리전도도 장의 생성 여부를 확인하고 지반의 수리지질학적, 화학적 불균질성이 침출수 이동에 미치는 영향을 시각적으로 나타내기 위하여 계산 사례를 제시하였다. 각 경우별로 동일한 seed 번호에 의해 구현된 특정의 실현에 대하여 수리전도도 및 분배계수 장과 10년 후의 오염물 농도 계산 결과를 Fig.
본 연구에서는 Monte-Carlo 시뮬레이션 기법을 이용하여 음의 상관관계를 가진 지반의 수리전도도-분배계수 값들의 공간적 변동성이 침출수 이동에 미치는 영향을 검토하였다. 지구통계학적 기법으로 생성된 불균질 랜덤 수리전도도-분배계수 장에 대하여 포화상태의 정상상태 유동방정식과 천이상태의 물질 이동방정식을 적용하여 침출수 이동을 계산하였다. 계산 결과들의 점기반 통계치들을 균질 지반, 수리전도도만 불균질인 경우와 비교하여 매립지반의 수리지질학적, 화학적 특성의 복합 불균질성이 침출수의 거동에 미치는 영향을 분석하고자 한다.

데이터처리

(x) 를 구한 다음 그 결과들의 분포를 해석함으로써 지반 내 침출수 농도의 분포를 확률적으로 예측할 수 있다. Monte Carlo 시뮬레이션의 표본 오차는 랜덤장 생성 실현(realization)의 수, N에 대하여 #에 비례하므로¹⁸⁾ 사전 계산 결과를 바탕으로 안정적인 통계치를 얻을 수 있는 계산횟수를 100회로 결정하였다. 수치 시뮬레이션에 의해 도출된 농도 결과치들을 해석하기 위하여 점기반 통계치를 검토하였다.
수치 시뮬레이션에 의해 도출된 농도 결과치들을 해석하기 위하여 점기반 통계치를 검토하였다. 특정 지점에서 구한 농도치와 오염 영역의 면적에 대하여 평균, 표준편차, 변이계수(coefficient of variation)를 구하여 수행된 계산 결과들의 분포를 확률적으로 평가하였다.

이론/모형

Ritterling and Stansbury^,5) 이근상¹²⁾이 유동 해석을 위하여 사용한 매립지 모델을 참고로 하여 설정한 이차원 모델(Fig. 1)을 대상으로 침출수 이동을 계산하였다. 매립지 지층은 상부의 고투수층과 하부의 중투수층으로 구성된 이층 구조를 가진다고 가정하였다.
수치 계산을 위하여 이차원 지하수 유동 및 오염물 이동시뮬레이션 모델인 IGW²⁰⁾를 사용하였다. 매립지 지하 토양에서 장기간에 걸친 침출수의 이동을 해석하기 위하여 모델을 160 × 80개의 균일 격자로 이산화하고 최대 시간 증분을 10일로 설정하여 10년까지 계산을 수행하였다.
포화된 다공성 매체 내에서 유체의 이동 속도를 결정하는 공극 유속 벡터의 i 방향 성분 v_i[L/T]는 Darcy 법칙에 의하여 계산할 수 있다.

성능/효과

4(c)의 분배 계수 장은 Fig. 4(a)의 수리전도도 장에 대하여 동일한 위치에서 각각 반비례의 경향을 나타내므로 분배계수와 수리전도도 간에 설정한 음의 상관 관계를 잘 표현하고 있음을 확인할 수 있다.
수리전도도와 음의 상관 관계를 갖는 불 균질 분배계수 장을 동시에 고려할 경우 오염물 이동의 변동성을 크게 증가시켜 오염 영역의 면적 및 특정 지점 농도의 표준편차 및 변이계수가 증가하였다. 또한 오염원으로부터 거리가 멀어질수록 불균질 지층의 통과 거리 및 시간이 길어지므로 지반 불균질성의 영향이 증가하여 농도의 변동성이 커지는 경향을 보였다.
수리지질학적으로 균질한 지반 내에서 일정한 흡착을 고려할 경우 오염운 확산이 억제되어 오염 영역의 면적은 크게 축소되었다. 불 균질 수리전도도 장을 갖는 매립지반 내 각 감시 지점에서는 시간이 경과함에 따라 매립장에서의 누출량 증가로 인하여 오염물 농도가 증가하였으며 표준 편차는 지속적 으로 감소하였다. 수리전도도와 음의 상관 관계를 갖는 불 균질 분배계수 장을 동시에 고려할 경우 오염물 이동의 변동성을 크게 증가시켜 오염 영역의 면적 및 특정 지점 농도의 표준편차 및 변이계수가 증가하였다.
불 균질 수리전도도 장을 갖는 매립지반 내 각 감시 지점에서는 시간이 경과함에 따라 매립장에서의 누출량 증가로 인하여 오염물 농도가 증가하였으며 표준 편차는 지속적 으로 감소하였다. 수리전도도와 음의 상관 관계를 갖는 불 균질 분배계수 장을 동시에 고려할 경우 오염물 이동의 변동성을 크게 증가시켜 오염 영역의 면적 및 특정 지점 농도의 표준편차 및 변이계수가 증가하였다. 또한 오염원으로부터 거리가 멀어질수록 불균질 지층의 통과 거리 및 시간이 길어지므로 지반 불균질성의 영향이 증가하여 농도의 변동성이 커지는 경향을 보였다.
누출 초기 침출수는 수두 구배가 큰 고투수성의 상부층을 통하여 이동하였으며 이후 수직 방향의 이동이 증가하였다. 수리지질학적으로 균질한 지반 내에서 일정한 흡착을 고려할 경우 오염운 확산이 억제되어 오염 영역의 면적은 크게 축소되었다. 불 균질 수리전도도 장을 갖는 매립지반 내 각 감시 지점에서는 시간이 경과함에 따라 매립장에서의 누출량 증가로 인하여 오염물 농도가 증가하였으며 표준 편차는 지속적 으로 감소하였다.
3에 나타내었다. 시간이 경과함에 따라 매립장에서의 누출량 증가로 인하여 오염물 농도는 증가하였으며 오염원 농도에 근접하면서 증가 속도가 감소하였다. 분배계수를 고려할 경우 흡착량 증가에 따른 이동 지연 현상이 분명하게 나타나기 시작하여 오염 시작 시점이 늦어지고 이후에도 낮은 농도를 나타내고 있다.
감시정 1-1과 마찬가지로 시간의 경과에 따라 각 지점에서의 오염물 농도가 증가하며 변이계수는 급격한 증가 후 감소 경향을 나타낸다. 오염원과의 거리 및 수리전도도의 대비 현상으로 인하여 오염원 농도의 20∼60%의 농도를 나타냈다. 변이계수는 1-1 지점보다 훨씬 큰 값을 나타냈는데 이는 오염원에서의 거리가 멀수록 불균질지층의 통과 거리 및 시간이 길어지므로 지반 불균질성이 미치는 영향이 증가하여 농도의 변동성이 커지기 때문이다.
통계치의 계산 결과들에 따르면 분배계수 장의 공간적 변동성이 반영됨에 따라 평균은 별다른 영향을 받지 않았 으나 산포도를 나타내는 표준편차와 변이계수는 크게 증가하였다. 즉 분배계수 장의 공간적 변동성이 계산 영역내 농도 및 오염 영역의 변동성을 증대시키는 요인으로 작용하고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	매립 폐기물에서 장기간에 걸쳐 침출수가 발생하는 이유는?	매립 폐기물은 일반적으로 안정화 기간이 길기 때문에 장기간에 걸쳐 침출수가 발생하며 차수 시설이 없는 경우 침출수는 매립장 바닥을 통하여 하부 지반으로 누출된다. 누출된 침출수는 대수층으로 이동하여 우물이나 하천 등의 배출 지점까지 이동할 수 있다.
	누출된 침출수가 이동할 수 있는 곳은?	매립 폐기물은 일반적으로 안정화 기간이 길기 때문에 장기간에 걸쳐 침출수가 발생하며 차수 시설이 없는 경우 침출수는 매립장 바닥을 통하여 하부 지반으로 누출된다. 누출된 침출수는 대수층으로 이동하여 우물이나 하천 등의 배출 지점까지 이동할 수 있다. 유해 물질이 다량 함유된 침출수가 주변의 지반 환경으로 누출될 경우 토양 및지하수 오염을 야기할 가능성이 매우 크다.
	매립 폐기물에서 유출된 침출수가 토양오염을 일으키는 과정은?	누출된 침출수는 대수층으로 이동하여 우물이나 하천 등의 배출 지점까지 이동할 수 있다. 유해 물질이 다량 함유된 침출수가 주변의 지반 환경으로 누출될 경우 토양 및지하수 오염을 야기할 가능성이 매우 크다.

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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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