한국 부산광역시 수영구 지역 해안 대수층 내의 지하수 유동 및 염분 이동에 대한 도시화의 영향 삼차원 수치 모의 Three-Dimensional Numerical Simulation of Impacts of Urbanization on Groundwater Flow and Salt Transport in a Coastal Aquifer, Suyeong-Gu, Busan, Korea원문보기
한국 부산광역시 수영구 지역 해안 대수층 내의 밀도 의존적 지하수 유동 및 염분 이동에 대한 도시화의 영향을 효과적으로 모사하고 정량적으로 평가하기 위하여 하나의 범용 다차원 수리동역학적 분산 수치 모델을 이용한 일련의 삼차원 수치 모델링이 수행되었다. 먼저 모든 도시화 요소들을 고려한 수치 모델링 보정을 통해 확립된 연구 지역해안 대수층의 지층 물성을 가지고, 도시화 요소들을 모두 고려하지 않은 도시화 이전의 지하수 유동과 염분 이동에 대한 정상 상태 수치 모델링을 수행하였다. 그 다음에 도시화 요소들을 개별적으로 그리고 통합적으로 고려한 도시화 이후의 지하수 유동 및 염분 이동에 대한 비정상 상태 수치 모델링을 수행하였다. 그리고 두 수치 모델링 결과를 서로 비교하고 분석하였다. 수치 모델링 결과는 해안 대수층 내의 밀도 의존적 지하수 유동 및 염분 이동 그리고 해수 침투가 이러한 도시화 요소들에 의해 크게 그리고 광범위하게 영향을 받음을 보여준다. 특히 이러한 도시화 요소들은 해안 대수층 내의 총지하수량 및 총염분량의 변화를 초래한다. 그러나 각 도시화 요소의 그러한 영향은 공간적으로 균일하지 않고 국부적으로 차별적이다.
한국 부산광역시 수영구 지역 해안 대수층 내의 밀도 의존적 지하수 유동 및 염분 이동에 대한 도시화의 영향을 효과적으로 모사하고 정량적으로 평가하기 위하여 하나의 범용 다차원 수리동역학적 분산 수치 모델을 이용한 일련의 삼차원 수치 모델링이 수행되었다. 먼저 모든 도시화 요소들을 고려한 수치 모델링 보정을 통해 확립된 연구 지역해안 대수층의 지층 물성을 가지고, 도시화 요소들을 모두 고려하지 않은 도시화 이전의 지하수 유동과 염분 이동에 대한 정상 상태 수치 모델링을 수행하였다. 그 다음에 도시화 요소들을 개별적으로 그리고 통합적으로 고려한 도시화 이후의 지하수 유동 및 염분 이동에 대한 비정상 상태 수치 모델링을 수행하였다. 그리고 두 수치 모델링 결과를 서로 비교하고 분석하였다. 수치 모델링 결과는 해안 대수층 내의 밀도 의존적 지하수 유동 및 염분 이동 그리고 해수 침투가 이러한 도시화 요소들에 의해 크게 그리고 광범위하게 영향을 받음을 보여준다. 특히 이러한 도시화 요소들은 해안 대수층 내의 총지하수량 및 총염분량의 변화를 초래한다. 그러나 각 도시화 요소의 그러한 영향은 공간적으로 균일하지 않고 국부적으로 차별적이다.
A series of three-dimensional numerical simulations using a generalized multidimensional hydrodynamic dispersion numerical model is performed to simulate effectively and to evaluate quantitatively impacts of urbanization on density-dependent groundwater flow and salt transport in a coastal aquifer s...
A series of three-dimensional numerical simulations using a generalized multidimensional hydrodynamic dispersion numerical model is performed to simulate effectively and to evaluate quantitatively impacts of urbanization on density-dependent groundwater flow and salt transport in a coastal aquifer system, Suyeong-Gu, Busan, Korea. A series of steady-state numerical simulations of groundwater flow and salt transport before urbanization with material properties of geologic formations, which are established by numerical modeling calibrations considering all the urbanization factors, is performed first without considering all the urbanization factors. A series of transient-state numerical simulations of groundwater flow and salt transport after urbanization is then performed considering the urbanization factors individually and all together. Finally, the results of both numerical simulations are compared with each other and analyzed. The results of the numerical simulations show that density-dependent groundwater flow, salt transport, and seawater intrusion in the coastal aquifer system are intensively and extensively impacted by the urbanization factors. Especially, these urbanization factors result in the changes of the total groundwater volume and salt mass in the coastal aquifer system. However, such impacts of each urbanization factor are not spatially uniform but locally different.
A series of three-dimensional numerical simulations using a generalized multidimensional hydrodynamic dispersion numerical model is performed to simulate effectively and to evaluate quantitatively impacts of urbanization on density-dependent groundwater flow and salt transport in a coastal aquifer system, Suyeong-Gu, Busan, Korea. A series of steady-state numerical simulations of groundwater flow and salt transport before urbanization with material properties of geologic formations, which are established by numerical modeling calibrations considering all the urbanization factors, is performed first without considering all the urbanization factors. A series of transient-state numerical simulations of groundwater flow and salt transport after urbanization is then performed considering the urbanization factors individually and all together. Finally, the results of both numerical simulations are compared with each other and analyzed. The results of the numerical simulations show that density-dependent groundwater flow, salt transport, and seawater intrusion in the coastal aquifer system are intensively and extensively impacted by the urbanization factors. Especially, these urbanization factors result in the changes of the total groundwater volume and salt mass in the coastal aquifer system. However, such impacts of each urbanization factor are not spatially uniform but locally different.
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문제 정의
한편 Misut and Voss (2007)는 향후 뉴욕에서의 대수층 저장 및 회수(aquifer storage and recovery)의 효과를 연구하기 위해 도시화에 의한 물 수지 변화량을 고려하여 수치 모델링을 수행하였지만 각 도시화 요소들을 세밀하게 반영하지는 못하였다. 본 연구의 목적은 하나의 범용 다차원 수리동역학적 분산 수치 모델을 이용한 일련의 삼차원 수치 모델링을 통하여 해안 대수층 내의 밀도 의존적 지하수 유동 및 염분 이동에 대한 각 도시화 요소들의 영향을 효과적으로 모사하고 정량적으로 평가하는 것이다. 해수 침투에 대한 이러한 도시화 요소들의 영향에 대한 수치 모델링 연구는 해안 도시 지역 지하수 시스템의 이해 및 지하수 자원의 최적 관리에 유용한 지침을 제공할 수 있다.
가설 설정
9. Temporal changes in (a) total groundwater volume and (b) total salt mass in the coastal aquifer system since the start of urbanization.
9b)를 보면 상수도 누수(도시화 요소 5)에 의해서는 총염분량이 감소하고, 불투수성 피복(도시화 요소 1)과 지하수 양수(도시화 요소 2)에 의해서는 총염분량이 증가하며, 전체적으로는 도시화에 의해 해안 대수층 내 총염분량이 상당히 증가하는 것을 알 수 있다. 한편 지하철 유출(도시화 요소 3) 및 전력구 터널 유출(도시화 요소 4) 은 다른 도시화 요소에 비해 총염분량 변화에는 큰 영향을 주지 않는다. 하지만 Fig.
035 kg (35,000 ppm) 또는 해수 염소 농도 19,400 mg/l (ppm)와 동일하다. 또한 염분은 비반응성 이어서 흡착, 붕괴 및 생분해가 읽어나지 않는다고 가정 하였다. 중력가속도 상수(gravitational acceleration constant) 는 9.
그리고 담수의 밀도는 1,000 kg/m3으로, 해수의 밀도는 1,025 kg/m3으로 설정하였다. 즉 밀도차 비율(density difference ratio)은 0.025로설정하였으며, 이는 해수 1 kg당 총용존고체(total dissolved solids, TDS) 0.035 kg (35,000 ppm) 또는 해수 염소 농도 19,400 mg/l (ppm)와 동일하다. 또한 염분은 비반응성 이어서 흡착, 붕괴 및 생분해가 읽어나지 않는다고 가정 하였다.
제안 방법
먼저 모든 도시화 요소들을 고려한 수치 모델링 보정을 통해 확립된 연구 지역 해안 대수층의 지층 물성을 가지고, 도시화 요소들을 모두 고려하지 않은 도시화 이전의 지하수 유동과 염분 이동에 대한 정상 상태 수치 모델링을 수행하였다. 그 다음에 도시화 요소들을 개별적으로 그리고 통합적으로 고려한 도시화 이후의 지하수 유동 및 염분 이동에 대한 비정상 상태 수치 모델링을 수행하였다. 그리고 두 수치 모델링 결과를 서로 비교하고 분석하였다.
수치 모델링을 보정하는 동안 각 지층의 절리군 간극을 변화시키면서 일련의 시행착오(trial-and-error) 수치 모델링을 수행하였다. 그러한 과정 중에 Fig. 5a에 도시된 61개의 관측정(observation well)에서 측정된 지하수위 (groundwater level)와 동일한 위치에서 계산된 지하수위를 반복 비교하였다. 이 때 현장에서 측정된 지하수위는 상기한 연구 지역의 5대 도시화 요소들이 모두 함께 작용 하여 나타난 결과이기 때문에 계산된 지하수위도 이러한 도시화 요소들을 모두 고려한 수치 모델링으로부터 구하였다.
그 다음에 도시화 요소들을 개별적으로 그리고 통합적으로 고려한 도시화 이후의 지하수 유동 및 염분 이동에 대한 비정상 상태 수치 모델링을 수행하였다. 그리고 두 수치 모델링 결과를 서로 비교하고 분석하였다. 수치 모델링 결과는 해안 대수층 내의 밀도 의존적 지하수 유동 및 염분 이동 그리고 해수 침투가 이러한 도시화 요소들에 의해 크게 그리고 광범위하게 영향을 받음을 보여준다.
4)의 내륙 및 해안 수직 측면에는 유역, 즉 지하수계를 고려하여 지하수 유동과 염분 이동에 대해서 각각 no-flow와 no-transport 경계 조건을 적용하였다. 그리고 해안선을 중심으로 북쪽의 육상 및 강 표면에는 지하수 유동에 대해서는 강수, 지표수 및 지하 수의 상호 작용을 합리적으로 모사할 수 있는 가변 강수-침투-삼출(variable precipitation-infiltration-seepage) 경계 조건을, 염분 이동에 대해서는 염분이 나갈 수는 있지만 들어올 수는 없도록 하는 Neumann 경계 조건을 적용하였다. 이 경우에 최대 압력 수두는 육상 표면에서는 0m 로, 강 표면에서는 각 지점별 강 수위(river stage)(한국수자원공사, 2003)로 설정하였다.
도시화가 지하수 유동 및 염분 이동에 미치는 영향을 평가하기 위하여 도시화 이전의 정상 상태 수치 모델링 결과를 초기 조건으로 하면서, 상기한 연구 지역의 5대도시화 요소들을 개별적으로 그리고 통합적으로 고려한 도시화 이후의 지하수 유동 및 염분 이동에 대한 여섯 가지 경우의 비정상 상태 수치 모델링을 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 불투수성 피복(impermeable pavement), 지하수 양수(groundwater pumping), 지하철로의 지하수 유출(groundwater discharge to subway) 또는 지하철 유출(subway discharge), 전력구 터널로의 지하수 유출(groundwater discharge to power cable tunnel) 또는 전력구 터널 유출(power cable tunnel discharge) 및 상수도 누수(waterworks leakage) 등을 연구 지역의 5대도시화 요소(urbanization factor)들로 설정하였다.
3e). 마지막으로 도시 지역의 상수도 누수층(도시화 요소 5)은 공간적 지형 고도를 고려하여 지표 하 1.5 m에서 2 m 사이에 0.5 m 두께의 단일 층(layer)으로 설정하였다(Fig. 3f).
한국 부산광역시 수영구 지역 해안 대수층 내의 밀도 의존적 지하수 유동 및 염분 이동에 대한 도시화의 영향을 효과적으로 모사하고 정량적으로 평가하기 위하여 하나의 범용 다차원 수리동역학적 분산 수치 모델을 이용한 일련의 삼차원 수치 모델링이 수행되었다. 먼저 모든 도시화 요소들을 고려한 수치 모델링 보정을 통해 확립된 연구 지역 해안 대수층의 지층 물성을 가지고, 도시화 요소들을 모두 고려하지 않은 도시화 이전의 지하수 유동과 염분 이동에 대한 정상 상태 수치 모델링을 수행하였다. 그 다음에 도시화 요소들을 개별적으로 그리고 통합적으로 고려한 도시화 이후의 지하수 유동 및 염분 이동에 대한 비정상 상태 수치 모델링을 수행하였다.
그리고 이와 같은 삼차원 지층 모델에 상기한 5대 도시화 요소들은 다음과 같이 반영하였다. 먼저 위성사진 분석을 통하여 구분한 도시 지역의 불투수성 피복층(도시화 요소 1)은 공간적 지형 고도를 고려하여 지표 하 0.5 m 두께의 단일 층(layer)으로 설정하였다(Fig. 3c). 그리고 347개의 양수정 및 양수정 밀집지(도시화 요소 2)는 각 양수 위치와 심도(수중 펌프 심도)에 해당하는 개별 점(point)으로 설정하였다(Fig.
삼차원 유한 요소망(Fig. 4)의 내륙 및 해안 수직 측면에는 유역, 즉 지하수계를 고려하여 지하수 유동과 염분 이동에 대해서 각각 no-flow와 no-transport 경계 조건을 적용하였다. 그리고 해안선을 중심으로 북쪽의 육상 및 강 표면에는 지하수 유동에 대해서는 강수, 지표수 및 지하 수의 상호 작용을 합리적으로 모사할 수 있는 가변 강수-침투-삼출(variable precipitation-infiltration-seepage) 경계 조건을, 염분 이동에 대해서는 염분이 나갈 수는 있지만 들어올 수는 없도록 하는 Neumann 경계 조건을 적용하였다.
수치 모델링 영역(numerical modeling domain)의 경계는 내륙 지역에서는 유역, 즉 지하수계를 고려하여 내륙 지역 동쪽은 장산의 능선을, 서쪽은 금련산의 능선을 설정하였으며, 해안 지역에서는 해수와 지층의 경계면인 해저 표면에서 발생하는 지하수 유동 및 염분 이동을 고려 하기 위하여 해저 표면의 해발 고도가 약 −13 m가 되는 지점들을 연결하여 해안선으로부터 바다 쪽으로 약 780 m 에서 1,650 m 정도 떨어진 곳을 설정하였다(Fig. 1의 다각형 도형).
수치 모델링을 보정하는 동안 각 지층의 절리군 간극을 변화시키면서 일련의 시행착오(trial-and-error) 수치 모델링을 수행하였다. 그러한 과정 중에 Fig.
한편 해안선을 중심으로 남쪽의 해저 표면에는 지하수 유동에 대해서는 해안선에서의 수리 수두가 0m이고 수심이 깊어질수록 해수 내의 염분 농도를 고려하여 수리 수두가 증가하도록 하는 Dirichlet 경계 조건을, 염분 이동에 대해서는 지하수 유동에 따라서 지하수 내의 염분 농도가 해수 내의 염분 농도보다 작을 수도 있도록 하는 가변 이동 유입-유동 유출 (variable run in-flow out) 경계 조건을 적용하였다. 아울러 수평 바닥면에는 보다 심부에 있는 불투수성 기반암을 고려하여 지하수 유동과 염분 이동에 대해서 각각 noflow와 no-transport 경계 조건을 적용하였다.
5a에 도시된 61개의 관측정(observation well)에서 측정된 지하수위 (groundwater level)와 동일한 위치에서 계산된 지하수위를 반복 비교하였다. 이 때 현장에서 측정된 지하수위는 상기한 연구 지역의 5대 도시화 요소들이 모두 함께 작용 하여 나타난 결과이기 때문에 계산된 지하수위도 이러한 도시화 요소들을 모두 고려한 수치 모델링으로부터 구하였다. 즉 5대 도시화 요소들을 모두 고려한 정상 상태 수치 모델링에서 계산된 지하수위를 측정된 값과 비교하였다.
이러한 도시화 이후의 지하수 유동 및 염분 이동에 대한 일련의 비정상 상태 수치 모델링 기간은 10,000년으로 설정하여 연구 지역 해안 대수층 내에서 지하수 유동 및 염분 이동이 충분히 새로운 정상 상태에 도달하도록 하였다.
이 때 현장에서 측정된 지하수위는 상기한 연구 지역의 5대 도시화 요소들이 모두 함께 작용 하여 나타난 결과이기 때문에 계산된 지하수위도 이러한 도시화 요소들을 모두 고려한 수치 모델링으로부터 구하였다. 즉 5대 도시화 요소들을 모두 고려한 정상 상태 수치 모델링에서 계산된 지하수위를 측정된 값과 비교하였다.
4와 같이 변환되었다. 특히 5대 도시화 요소들을 가능한 한 실제 상황과 동일하게 반영하기 위하여 상당히 세밀하게 삼차원 지층 모델을 이산화하였다.
이러한 COFAT3D(Kim and Yeh, 2004)는 비정상 상태 문제를 풀기 위해서 adaptive finite difference time-stepping scheme을 사용하고, 비선형 문제를 풀기 위해서 static and dynamic incremental Picard method를 사용하며, 선형화된 행렬 방정식의 해를 구하기 위해서는 5개의 matrix solver(1 direct and 4 iterative methods) 중 하나를 사용한다. 특히 본 연구에서는 iterative ICPCG(incomplete Cholesky LU decomposed preconditioned conjugate gradient) method 를 사용하였으며, 압력 수두와 해수 표준화 염분 농도의 수렴 기준(convergence criterion)을 비선형 반복 단계 (nonlinear iterations)에서는 각각 10-3m와 10-3으로, 선형 반복 단계(linear iterations)에서는 각각 10-4m와 10-4으로 설정하였다.
한국 부산광역시 수영구 지역 해안 대수층 내의 밀도 의존적 지하수 유동 및 염분 이동에 대한 도시화의 영향을 효과적으로 모사하고 정량적으로 평가하기 위하여 하나의 범용 다차원 수리동역학적 분산 수치 모델을 이용한 일련의 삼차원 수치 모델링이 수행되었다. 먼저 모든 도시화 요소들을 고려한 수치 모델링 보정을 통해 확립된 연구 지역 해안 대수층의 지층 물성을 가지고, 도시화 요소들을 모두 고려하지 않은 도시화 이전의 지하수 유동과 염분 이동에 대한 정상 상태 수치 모델링을 수행하였다.
, 1998)으로 구한 잠재증발산량에 증발산량과 잠재증발산량의 비(Penman, 1948)를 곱하여 산정되었으며, 지표 유출량은 NRCS-CN 방법(Natural Resources Conservation Service, 2004a, 2004b)을 사용하여 계산되었다. 한편 해안선을 중심으로 남쪽의 해저 표면에는 지하수 유동에 대해서는 해안선에서의 수리 수두가 0m이고 수심이 깊어질수록 해수 내의 염분 농도를 고려하여 수리 수두가 증가하도록 하는 Dirichlet 경계 조건을, 염분 이동에 대해서는 지하수 유동에 따라서 지하수 내의 염분 농도가 해수 내의 염분 농도보다 작을 수도 있도록 하는 가변 이동 유입-유동 유출 (variable run in-flow out) 경계 조건을 적용하였다. 아울러 수평 바닥면에는 보다 심부에 있는 불투수성 기반암을 고려하여 지하수 유동과 염분 이동에 대해서 각각 noflow와 no-transport 경계 조건을 적용하였다.
03 등 치면 분포도이다. 해수 표준화 염분 농도 0.03 등치면 위에 100 m 간격으로 해수면 아래 해발 고도 등고선을 표시하여 고도에 따른 해수 표준화 염분 농도 분포를 잘 구분할 수 있게 하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 수리동역학적 분산 수치 모델은 GMS (Groundwater Modeling System) 내에 포함되어 있는 3DFEMFAT Version 2.0(Yeh et al., 1994)으로부터 교육 과학기술부 21세기 프론티어 수자원의 지속적 확보기술 개발사업(http://www.swrrc.re.kr) 연구 성과의 하나로 개발된 COFAT3D(Kim and Yeh, 2004)이다. 이 수치 모델은 범용 다차원 복합 유한요소 모델(generalized multidimensional hybrid Lagrangian-Eulerian finite element model)로서 복잡한 지질 구조와 경계를 가지는 포화-불포화 불균질진이방성 다공질, 파쇄질 및 파쇄다공질 지질 매체와 개별 절리 내에서의 밀도 의존적 지하수 유동(densitydependent groundwater flow) 및 다성분 용질 이동 (multicomponent solute transport) 현상은 물론 강수-증발산-침투-삼출(precipitation-evapotranspiration-infiltrationseepage) 현상도 수치 모의할 수 있다.
수치 모델링 영역의 바닥면 경계는 연구 지역 내의 최대 양수정(수중 펌프) 심도 410 m와 지형 고도 634 m(장산)을 고려하여 해발 고도 −700 m를 설정하였다.
연구 지역은 한국에서 두 번째로 인구가 많은 부산광역시의 중심부에 위치하고 있다. 부산광역시는 예전부터 지리적인 위치상 군사 요충지이자 주요 항구였기 때문에 많은 사람들이 모여 살고 있었다.
연구 지역은 행정 구역 상으로는 부산광역시 수영구를 중심으로 남구, 동래구, 부산진구, 연제구 및 해운대구에 속하고, 경위도 상으로는 동경 129o 07’ 00”, 북위 35o 10’00” 인근에 위치한다(Fig. 1).
연구 지역의 지질은 하부로부터 백악기 퇴적암과 이를 분출·관입한 백악기 화산암류(안산암질 화산각력암, 안산암, 유문암) 및 심성암류(각섬석 화강섬록암, 화강반암) 로 이루어져 있으며, 이들을 피복하는 제4기 충적층이 수영강을 중심으로 연구 지역 중심부에 분포하고 있다(자원개발연구소, 1978; 한국동력자원연구소, 1983).
데이터처리
결정계수(coefficient of determination, R2 ), 제곱근평균 제곱오차(root mean square error, RMSE) 및 표준화 제곱근평균제곱오차(normalized root mean square error, NRMSE)를 수치 모델링 보정을 위한 유효화 매개 변수 (validation parameter)로 사용하였다. Fig.
이론/모형
각 지층 내에 분포하는 절리들을 대표하는 절리군의 수와 그 주향 및 경사는 기존의 절리 조사 자료(한국자원연구소, 1999)를 지층별로 분류한 후에 퍼지 클러스터링 기법(fuzzy clustering technique)(정용복·전석원, 2003; Hammah and Curran, 1998, 1999)을 적용하여 규명하였다(Table 2).
각 지층의 물성 값은 각종 지질 조사와 수리지질 시험및 관련 문헌들(이희근 외, 1983; 부산교통공단, 1991; 부산직할시 종합건설본부, 1993; 이찬구 외, 1995; 부산교통 공단, 1997; 한국자원연구소, 1999; 한국수자원공사, 2003; 부산교통공단, 2004; 함세영 외, 2005; Morris and Johnson, 1967; Bear, 1972; Norton and Knapp, 1977; Freeze and Cherry, 1979; van Genuchten, 1980; Gelhar and Axness, 1983; Carsel and Parrish, 1988; Domenico and Schwartz, 1990; Fetter, 1994; Xu and Eckstein, 1995; Fetter, 1999) 로부터 구하였다(Table 1).
각 지층 내에 분포하는 절리들을 대표하는 절리군의 수와 그 주향 및 경사는 기존의 절리 조사 자료(한국자원연구소, 1999)를 지층별로 분류한 후에 퍼지 클러스터링 기법(fuzzy clustering technique)(정용복·전석원, 2003; Hammah and Curran, 1998, 1999)을 적용하여 규명하였다(Table 2). 그리고 각 절리군의 간격(spacing)은 암반 분류(rock mass classification) 자료(부산교통공단, 1991;부산직할시 종합건설본부, 1993; 부산교통공단, 1997, 2004)에 암질지수(rock quality designation, RQD)와 단위 부피당 절리의 수(volumetric joint count, VJC)의 관계식(Palmstrom, 2005)을 사용하여 결정하였다. 또한 각 절리군의 간극(aperture)은 그 간격과 팩커 및 양수 시험 (packer and pumping test)으로부터 구한 해당 지층의 포화수리전도도에 cubic law(Parsons, 1966; Snow, 1968, 1969)를 적용하여 계산하였다.
그리고 각 절리군의 간격(spacing)은 암반 분류(rock mass classification) 자료(부산교통공단, 1991;부산직할시 종합건설본부, 1993; 부산교통공단, 1997, 2004)에 암질지수(rock quality designation, RQD)와 단위 부피당 절리의 수(volumetric joint count, VJC)의 관계식(Palmstrom, 2005)을 사용하여 결정하였다. 또한 각 절리군의 간극(aperture)은 그 간격과 팩커 및 양수 시험 (packer and pumping test)으로부터 구한 해당 지층의 포화수리전도도에 cubic law(Parsons, 1966; Snow, 1968, 1969)를 적용하여 계산하였다.
3과 같이 수립되 었다. 삼차원 지층 모델을 구성하는 내륙 지역의 고도는 국립지리원(2005)에서 발간한 부산 수치지형도를 활용하였으며, 해안 지역의 고도는 국립해양조사원(2004)에서 발간한 부산항에서 가덕도 수치해도를 활용하였다. 삼차원 지층 모델을 구성하는 지층들은 퇴적암, 안산암질 화산각력암, 안산암, 유문암, 각섬석 화강섬록암 및 화강반암 등의 기반암(Fig.
kr) 연구 성과의 하나로 개발된 COFAT3D(Kim and Yeh, 2004)이다. 이 수치 모델은 범용 다차원 복합 유한요소 모델(generalized multidimensional hybrid Lagrangian-Eulerian finite element model)로서 복잡한 지질 구조와 경계를 가지는 포화-불포화 불균질진이방성 다공질, 파쇄질 및 파쇄다공질 지질 매체와 개별 절리 내에서의 밀도 의존적 지하수 유동(densitydependent groundwater flow) 및 다성분 용질 이동 (multicomponent solute transport) 현상은 물론 강수-증발산-침투-삼출(precipitation-evapotranspiration-infiltrationseepage) 현상도 수치 모의할 수 있다. 또한 COFAT3D (Kim and Yeh, 2004)는 요소 군집 기법(element cluster technique)을 이용하여 우물이나 터널 등과 같은 임의의 구조물로 유입되는 지하수 및 용질의 유입 속도와 유입량을 시간에 따라 계산할 수 있다.
76 mm/year로 설정하였다. 이때 증발산량은 FAO56 Penman-Monteith 식(Allen et al., 1998)으로 구한 잠재증발산량에 증발산량과 잠재증발산량의 비(Penman, 1948)를 곱하여 산정되었으며, 지표 유출량은 NRCS-CN 방법(Natural Resources Conservation Service, 2004a, 2004b)을 사용하여 계산되었다. 한편 해안선을 중심으로 남쪽의 해저 표면에는 지하수 유동에 대해서는 해안선에서의 수리 수두가 0m이고 수심이 깊어질수록 해수 내의 염분 농도를 고려하여 수리 수두가 증가하도록 하는 Dirichlet 경계 조건을, 염분 이동에 대해서는 지하수 유동에 따라서 지하수 내의 염분 농도가 해수 내의 염분 농도보다 작을 수도 있도록 하는 가변 이동 유입-유동 유출 (variable run in-flow out) 경계 조건을 적용하였다.
또한 COFAT3D (Kim and Yeh, 2004)는 요소 군집 기법(element cluster technique)을 이용하여 우물이나 터널 등과 같은 임의의 구조물로 유입되는 지하수 및 용질의 유입 속도와 유입량을 시간에 따라 계산할 수 있다. 이러한 COFAT3D(Kim and Yeh, 2004)는 비정상 상태 문제를 풀기 위해서 adaptive finite difference time-stepping scheme을 사용하고, 비선형 문제를 풀기 위해서 static and dynamic incremental Picard method를 사용하며, 선형화된 행렬 방정식의 해를 구하기 위해서는 5개의 matrix solver(1 direct and 4 iterative methods) 중 하나를 사용한다. 특히 본 연구에서는 iterative ICPCG(incomplete Cholesky LU decomposed preconditioned conjugate gradient) method 를 사용하였으며, 압력 수두와 해수 표준화 염분 농도의 수렴 기준(convergence criterion)을 비선형 반복 단계 (nonlinear iterations)에서는 각각 10-3m와 10-3으로, 선형 반복 단계(linear iterations)에서는 각각 10-4m와 10-4으로 설정하였다.
5 m인 단일 최상부 element layer로 반영하였다. 해당 물질의 물성 값은 관련 문헌들(한국도로공사, 1996a, 1996b; Soroka, 1980; Chadbourn et al., 1997; Kanitpong et al., 2001; Kasatkin and Kuznetsov, 2004; Ahmedzade et al., 2007)로부터 구하였다(Table 1의 마지막 열). 그리고 347개의 양수정 및 양수정 밀집지(도시화요소 2)는 공간적으로 서로 다른 양수 위치와 심도(수중 펌프 심도) 및 양수량을 가지는 개별 point sink들로 반영하였다.
성능/효과
다음으로 시간에 따른 해안 대수층 내 총염분량 변화 (Fig. 9b)를 보면 상수도 누수(도시화 요소 5)에 의해서는 총염분량이 감소하고, 불투수성 피복(도시화 요소 1)과 지하수 양수(도시화 요소 2)에 의해서는 총염분량이 증가하며, 전체적으로는 도시화에 의해 해안 대수층 내 총염분량이 상당히 증가하는 것을 알 수 있다. 한편 지하철 유출(도시화 요소 3) 및 전력구 터널 유출(도시화 요소 4) 은 다른 도시화 요소에 비해 총염분량 변화에는 큰 영향을 주지 않는다.
상기한 5대 도시화 요소를 모두 고려한 도시화 이후의 비정상 상태 수치 모델링 결과는 연구 지역 해안 대수층 내에서 지하수 유동은 도시화 약 200년 후에, 염분 이동은 도시화 약 5,000년 후에 새로운 정상 상태에 도달함을 보여준다. 따라서 상기한 5대 도시화 요소들을 모두 고려한 도시화 5,000년 후의 새로운 정상 상태 수치 모델링 결과가 Fig.
6b). 이러한 수리 수두 분포를 통해 연구 지역의 지하수는 산지로부터 저지대의 평지인 중앙의 수영강과 남쪽의 해안으로 흐르고 있는 것을 알 수 있다. 또한 수리 수두 경사(동수 구배)가 산지에서는 급하게 형성되어 있고 가운데 평지에서는 수영강을 중심으로 완만하게 형성되고 있어 연구 지역 해안 대수층은 지하수가 풍부할 것으로 판단된다.
이는 도시화에 의해 도시 지역의 지하수 시스템 내에서는 지하수면이 전반적으로 하강하지만 국부적으로는 일부 도시화 요소에 의해 상승할 수도 있거나 또는 그 반대로 더 하강할 수도 있음을 의미 한다. 즉 연구 지역 해안 대수층에서는 전반적으로 도시화가 진행되면서 상수도 누수(도시화 요소 5)에 의해 지하수 함양이 증가하는 효과보다는 불투수성 피복(도시화요소 1), 지하수 양수(도시화 요소 2), 지하철 유출(도시화요소 3) 및 전력구 터널 유출(도시화 요소 4)에 의해 지하수 함양이 감소하는 효과가 더 커서 전체적으로 해안대수층 내 지하수량이 감소하고 국부적으로는 그 양상에큰 차이가 발생한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내에서의 수리동역학적 분산 수치 모델을 이용한 해수 침투 연구는 무엇이 있는가?
아시아 여러 나라에서도 이러한 수치 모델을 이용한 해수 침투 연구가 활발하게 이루어지고 있다(Gangopadhyay and Das Gupta, 1995; Cheng and Chen, 2001; Bobba, 2002; Qahman and Larabi, 2006). 국내에서도 수리동역학적 분산 수치 모델을 이용한 다양한 연구가 수행되고 있는데 그 중에서 박화석 외(2008)는 지질 매체의 층상 불균질성과 지하수 양수 방식이 해수 침투 양상에 미치는 영향을 분석하였고, 박주현 외(2008) 는 부안 지역 해안 대수층 내 지하수 유동 및 염분 이동에 대한 단층의 영향을 해석하였으며, 오찬성·김준모 (2008)는 경주 중·저준위 방사성 폐기물 처분장 부지의 지형과 단층 및 절리뿐만 아니라 지하 처분장 시설들도 고려하여 지하수 유동과 염분 및 방사성 핵종 이동 양상을 평가하였다.
도시화란 무엇인가?
도시화(urbanization)는 특정 지역으로 인구가 집중하여도시적 특성이 확대되어 가는 과정으로서 수리학적인 관점에서 보면 도로, 건물, 주거 및 상업 지역의 확대로 불 투수성 피복(impermeable pavement)의 증가, 상·하수도 시설(waterworks and sewer facilities)의 확대, 지하수 양수(groundwater pumping)의 증가, 각종 지하 구조물(underground structure)로의 지하수 유출(groundwater discharge)의 증가, 각종 오염원(contamination source)에 의한 지반, 지표수 및 지하수의 오염, 그리고 공원 및 정원에서의 과잉 관개 (excessive irrigation) 등이 그 특징적인 요소가 된다. 일반적으로는 불투수성 피복의 증가로 강수 침투(rainfall infiltration)가 감소하여 지표 유출(surface runoff)이 증가하고 그에 따라 지하수 함양(groundwater recharge)이 감소하지만(Endreny, 2005) 일부 도시 지역에서는 상·하수도관(waterworks and sewerage pipelines)에서의 누수 (leakage)가 발생하면서 오히려 지하수위(groundwater level)가 상승하여 지반 약화 등의 문제를 일으키기도 한다(Lawrence et al.
해안 대수층에 대한 적절한 관리가 요구되는 이유는 무엇인가?
해안 대수층은 전 세계적으로 주요 담수 공급원이다. 하지만 해안 대수층은 인위적인 교란에 매우 민감하기 때문에 도시화가 진행되고 있는 많은 해안 지역에서 인간의 활동에 의해 해안 대수층 내 담수 자원이 양적으로나 질적으로나 모두 점점 파괴되고 있어 이에 대한 적절한 관리가 요구되고 있다(Cheng and Ouazar, 2004). 인간 활동에 의해 해안 대수층이 손상을 입는 대표적인 현상이 바로 해수 침투(seawater intrusion)이다.
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