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문제 정의
- 본 연구를 통해 단열 암반 대수층 현장의 심부 관측정에서 얻은 자료를 이용하여 지하수 유동 모형을 세우고, 현장의 지하수 유동 특성을 보다 정확히 나타낼 수 있도록 현장 측정값을 이용해 모형을 보정하고 수정하는 방안이 제시되었다. 이런 일련의 과정은 이 연구에서 이용된 현장 외에도 앞으로 처분장 건설을 위해 조사가 이루어질 수 있는 다른 현장에서도 그대로 적용될 수 있을 것으로 예상되며, 보다 정확한 지하수 유동 모형 구축을 위한 추가적인 연구가 필요하다고 생각된다.
- 핀란드의 Olkiluoto 현장의 지하 연구시설 부근의 수리지질학적 자료와 수리시험 결과, 이전에 이루어진 Olkiluoto 섬 전체에 대한 광역 모의 결과를 이용하여 영역 내 단열대가 반영된 블록 규모 지하수 유동 모의 모형을 만들었으며, 이를 이용하여 단열대가 블록 규모 지하수 유동에 미치는 영향을 평가하였다. 영역 내에서 수행된 수리 시험 결과를 이용하여 부지의 함양률(recharge rate)과 단열대의 투수량계수를 보정하였으며, 보정 과정에서 지하수 유동 모형이 현장의 측정값과 보다 더 일치하는 결과를 보여줄 수 있도록 하기 위한 방안을 제시하여 연구에서 이용된 방법의 적용가능성을 고찰해 보았다.
- 이 연구에서는 이전에 이루어진 광역 지하수 모의 결과를 이용하여, 방사성폐기물 처분장의 건설로 영향을 받을 수 있는 블록 규모의 지하수계를 모의하였다. 핀란드의 Olkiluoto 현장의 지하 연구시설 부근의 수리지질학적 자료와 수리시험 결과, 이전에 이루어진 Olkiluoto 섬 전체에 대한 광역 모의 결과를 이용하여 영역 내 단열대가 반영된 블록 규모 지하수 유동 모의 모형을 만들었으며, 이를 이용하여 단열대가 블록 규모 지하수 유동에 미치는 영향을 평가하였다.
제안 방법
- KR14 관측공에서의 양수 시험 모의와 마찬가지로 KR18 관측공에서 이루어진 양수 시험을 모사하기 위한 모형을 구성하고, 현장에서 측정된 양수 시험 자료와 앞서서 이루어진 두번의 보정된 모의 결과를 이용하여 모형을 재보정하였다. 재보정 결과, HZ19A의 투수량계수는 3.
- KR14 심부 관측정에서 양수를 했을 때 다른 관측공에서 나타나는 수리적 반응을 모의하고 현장에서 이루어진 양수 시험 자료를 이용하여 모형을 보정하였다. 관측공들을 관통하는 두 단열대인 HZ19A, HZ19C 단열대의 투수량계수와 함양률을 조절하여 보정을 하였는데, 보정된 모형에서 HZ19A의 투수량계수는 5.
- 관측공들을 관통하는 두 단열대인 HZ19A, HZ19C 단열대의 투수량계수와 함양률을 조절하여 보정을 하였는데, 보정된 모형에서 HZ19A의 투수량계수는 5.37 × 10-5 m2/s, HZ19C의 투수량계수는 2.95 × 10-5 m2/s, 함양률은 0.01 mm/yr로 맞춰졌다.
- 대상 대수층이 단열암반대수층일 경우 지하수의 흐름은 주로 투수성이 큰 단열들을 통해 이루어지므로, 단열들의 투수성이나 연결성을 알아보기 위해 단일 관정 혹은 여러 관정을 이용한 수리 시험을 실시하게 된다. 그리고 그 결과를 토대로 단열 암반의 수리적 연결성에 대한 개념 모델을 만들고 이를 지하수 유동 모델링을 통해 검토/확정한다. 이와 같은 일련의 과정을 통해 특성화된 부지의 지하수 유동 특성은 방사성폐기물 처분장과 같은 지하 시설물의 성능 평가 및 안전성 평가를 하는데 이용된다.
- 청정 수자원확보를 위해 심부 대수층에서 지하수를 개발하거나 심부 암반에 지하 저장소를 건설하게 되면 일반적으로 기초 조사를 위해 심도 300 m 이상의 심부 관측정을 설치하고, 이들 관측정에서 부지의 수리지질학적 특성을 관측한다. 그리고 축적된 자료의 일치성을 확인하고 전체적인 지하수계의 평가를 위해 지하수계에 대한 모의 평가 작업을 수행한다. 이 때 대상 지역을 포함하는 광역 규모 지하수계에 대한 모의평가를 가장 먼저 수행하고, 뒤이어 지하 시설물의 건설에 의한 지하수계의 교란을 보다 면밀하게 살펴보기 위해 시설물 예정 구역 근방의 지하수계에 대한 보다 정밀한 조사와 모의, 평가를 수행한다.
- 3a). 단열대의 투수량계수는 수리시험을 통해 관측된 값을 이용하여 각각 일정한 값을 갖도록 하였다(Table 1). 이 투수량 계수는 모의영역을 위한 수리전도도장을 만드는 과정에서 각 격자망의 수리전도도를 계산하는데 이용된다.
- 즉, 동일 지점의 광역 모의 결과값을 고정 수위 경계값으로 할당하였다. 상부에서 강수로 인해 유입되는 함양률은 단열 암반의 특성상 거의 없다고 보고 모의를 시작했으나, 모의 과정 중에 HZ19A, HZ19C의 투수량계수와 함께 보정 변수로 두고 모의를 진행하였다.
- 이곳은 방사성폐기물 처분장 건설예정지로, 관측정을 통한 심부 지하수 환경에 대한 조사가 오래전부터 꾸준히 이루어졌다. 심도가 300 m 이상이 되는 심부 관측정이 약 40 개 정도 설치되었으며 이 관측공정에서 얻어진 수리지질학적 자료를 이용하여 연구 지역의 지하수 유동 모의에 이용하였다(Fig. 2)[6]. 이전에 이루어진 광역 모의에서는 거의 모든 관측정이 이용되었으며, 이번 연구에서는 모의영역에 포함되는 일부 관정들만이 이용되었다(Fig.
- 이중 KR14에서 KR18관정은 심도가 300에서 500 m인 심부 관측정이고, KR15B부터 KR18B는 심도가 30 m 내외인 천부 관측정이다. 심부 관측정에서는 지하수면의 위치 뿐만아니라, 관정 내 격리된 구간에서의 수리수두와 지하 매질에서 관측정으로 흘러들어오는, 또는 흘러나가는 지하수의 유량도 측정하였다. 이 때 수리수두와 지하수 유량은 수리시험 전과 후 모두 측정되었다.
- 모형의 경계 조건은 이전 연구에서 이루어진 섬 전체에 대한 광역 모의결과를 활용하였다. 양수 시험 전과 KR14, KR18 양수 시험의 현장 측정 자료를 이용해 각각의 모형을 보정하였다. 순차적인 작업을 통해 보정된 정상 상태에서의 지하수 유동 모형은 양수 전과 양수 시험에서 측정된 수위와 관측공으로 유출입하는 지하수 유량을 대체적으로 잘 모사해 주었다.
- 연구지역에서 수행된 수리시험들을 순차적으로 모의하면서 영역 내의 관측공들을 관통하는 HZ19A, HZ19C 단열대의 투수량계수와 함양률을 조절하여 모형들을 보정하였다. 이에 우선 수리시험 전 자연상태의 지하수 유동계를 모의하고, 이어서 KR14 관정과 KR18 관정에서의 양수 시험에 의한 수리적 반응을 모의하면서 모형을 보정하였다.
- 그리고 축적된 자료의 일치성을 확인하고 전체적인 지하수계의 평가를 위해 지하수계에 대한 모의 평가 작업을 수행한다. 이 때 대상 지역을 포함하는 광역 규모 지하수계에 대한 모의평가를 가장 먼저 수행하고, 뒤이어 지하 시설물의 건설에 의한 지하수계의 교란을 보다 면밀하게 살펴보기 위해 시설물 예정 구역 근방의 지하수계에 대한 보다 정밀한 조사와 모의, 평가를 수행한다. 대상 대수층이 단열암반대수층일 경우 지하수의 흐름은 주로 투수성이 큰 단열들을 통해 이루어지므로, 단열들의 투수성이나 연결성을 알아보기 위해 단일 관정 혹은 여러 관정을 이용한 수리 시험을 실시하게 된다.
- 연구지역에서 수행된 수리시험들을 순차적으로 모의하면서 영역 내의 관측공들을 관통하는 HZ19A, HZ19C 단열대의 투수량계수와 함양률을 조절하여 모형들을 보정하였다. 이에 우선 수리시험 전 자연상태의 지하수 유동계를 모의하고, 이어서 KR14 관정과 KR18 관정에서의 양수 시험에 의한 수리적 반응을 모의하면서 모형을 보정하였다. 이 때, 각각의 단계에서 보정된 변수들은 다른 단계에서도 반영되도록 하였다.
- 지하 저장소 건설 예정지인 핀란드의 Olkiluoto 섬 중앙부에 설치된 심부 관측정에서 얻어진 수리지질학적 자료들을 이용하여 지하 저장소의 건설로 인해 지하수계가 직접적인 영향을 받을 수 있는 블록 규모에서의 지하수 유동 상태를 모의하였다. 지표와 심부 관측공에서 확인된 단열대에 관한 정보를 이용하여 분리 단열망을 구성하고, 지하수 유동 모의를 위해 3차원의 유한 요소 격자망을 만들어, 앞서 구성된 단열망을 이용해 모의영역 내 수리전도도장을 구성하는 혼합 모형접근방식을 이용하였다. 모형의 경계 조건은 이전 연구에서 이루어진 섬 전체에 대한 광역 모의결과를 활용하였다.
- 지표의 노두 조사와 지표 탐사, 심부 시추공 조사 자료를 통해 모의 영역에 존재하는 것으로 확인된 단열대를 이용하고 모의 영역을 위한 분리 단열망을 구성하였다(Fig. 3a). 단열대의 투수량계수는 수리시험을 통해 관측된 값을 이용하여 각각 일정한 값을 갖도록 하였다(Table 1).
- 지하 저장소 건설 예정지인 핀란드의 Olkiluoto 섬 중앙부에 설치된 심부 관측정에서 얻어진 수리지질학적 자료들을 이용하여 지하 저장소의 건설로 인해 지하수계가 직접적인 영향을 받을 수 있는 블록 규모에서의 지하수 유동 상태를 모의하였다. 지표와 심부 관측공에서 확인된 단열대에 관한 정보를 이용하여 분리 단열망을 구성하고, 지하수 유동 모의를 위해 3차원의 유한 요소 격자망을 만들어, 앞서 구성된 단열망을 이용해 모의영역 내 수리전도도장을 구성하는 혼합 모형접근방식을 이용하였다.
- 현장에서 확인된 단열대의 정보를 이용하여 분리단열망(discrete fracture network)를 구성하고 각 단열대의 수리적 특성을 파악하였다[8]. 지하수 유동 모의를 위해 3차원의 유한 요소(finite element) 격자망을 만들고, 분리단열망으로부터 각 격자의 불균질 이방성 수리 전도도를 유도하였다[2]. 각 단계에서 구성된 모의 모형은 Fig.
- 핀란드의 Olkiluoto 현장의 지하 연구시설 부근의 수리지질학적 자료와 수리시험 결과, 이전에 이루어진 Olkiluoto 섬 전체에 대한 광역 모의 결과를 이용하여 영역 내 단열대가 반영된 블록 규모 지하수 유동 모의 모형을 만들었으며, 이를 이용하여 단열대가 블록 규모 지하수 유동에 미치는 영향을 평가하였다.
- 블록 규모의 지하수 유동 모의를 위해 Okiluoto 섬 중앙부의 가로, 세로 심도가 각각 500 m × 500 m × 500 m인 영역을 모의 영역으로 선정하였다. 현장에서 확인된 단열대의 정보를 이용하여 분리단열망(discrete fracture network)를 구성하고 각 단열대의 수리적 특성을 파악하였다[8]. 지하수 유동 모의를 위해 3차원의 유한 요소(finite element) 격자망을 만들고, 분리단열망으로부터 각 격자의 불균질 이방성 수리 전도도를 유도하였다[2].
대상 데이터
- 모의에 이용한 수리지질관련 자료는 핀란드 남서부에 위치한 Olkiluoto 섬 중앙부에서 측정되었다(Fig. 1). 섬 전체 면적은 약 10 km2 정도이고 동쪽으로는 본토와 작은 해협으로 떨어져 있으며, 나머지 면은 발틱해와 만나고 있다[4].
- 모형의 경계 조건은 이전에 이루어진 광역 모의 결과를 활용하였으며, 심부 관측정에 의한 영향도 고려하였다[9]. 모형을 구성하는데 필요한 자료는 Olkiluoto 현장에 관한 문헌자료를 참고하였다[4][5][6][7].
- 블록 규모의 지하수 유동 모의를 위해 Okiluoto 섬 중앙부의 가로, 세로 심도가 각각 500 m × 500 m × 500 m인 영역을 모의 영역으로 선정하였다.
- 연구 현장의 지하수 유동 모의를 위해 격자점(node)이 911,582개이고 요소의 수가 876,160개인 3차원의 유한 요소 격자망을 만들었다(Fig. 3b). 지하수 유동 모의를 위해서는 격자망 내의 3차원 수리전도도 분포를 알아야 하는데, 이는 Oda의 방법을 이용하여 앞서 구성된 단열망으로부터 산출하였다[10].
이론/모형
- 이는 유한 요소 격자망(finite element mesh)에서 같은 요소(element)에 포함되지 않는 두 절점(node)을 직접 이어주도록 식을 구성하여 주변 매질에 비해 매우 높은 투수성을 가진 두 지점 사이의 영향을 고려하기 위해 제안된 방법이다[11]. DFE내의 유동은 Darcy 법칙을 따르도록 하였으며, 수리전도도는 관측공의 구경에 의한 함수로 계산하였다.
- 매질의 투수성이 매우 낮은 단열암반대수층에서 새로운 지하수 유동로가 될 수 있는 심부 관측정의 영향을 고려하기 위해 DFE(discrete fracture element) 방법이 이용되었다. 이는 유한 요소 격자망(finite element mesh)에서 같은 요소(element)에 포함되지 않는 두 절점(node)을 직접 이어주도록 식을 구성하여 주변 매질에 비해 매우 높은 투수성을 가진 두 지점 사이의 영향을 고려하기 위해 제안된 방법이다[11].
- 지표와 심부 관측공에서 확인된 단열대에 관한 정보를 이용하여 분리 단열망을 구성하고, 지하수 유동 모의를 위해 3차원의 유한 요소 격자망을 만들어, 앞서 구성된 단열망을 이용해 모의영역 내 수리전도도장을 구성하는 혼합 모형접근방식을 이용하였다. 모형의 경계 조건은 이전 연구에서 이루어진 섬 전체에 대한 광역 모의결과를 활용하였다. 양수 시험 전과 KR14, KR18 양수 시험의 현장 측정 자료를 이용해 각각의 모형을 보정하였다.
- 3과 같다. 모형의 경계 조건은 이전에 이루어진 광역 모의 결과를 활용하였으며, 심부 관측정에 의한 영향도 고려하였다[9]. 모형을 구성하는데 필요한 자료는 Olkiluoto 현장에 관한 문헌자료를 참고하였다[4][5][6][7].
- 모형의 경계조건은 이전에 이루어진 광역 모의 결과를 활용하였다[9]. 네 방향의 측면 경계와 하부 경계는 광역 모의 결과값이 모의가 이루어지는 동안 일정하게 유지되도록 하였다(Fig.
- 이렇게 구성된 3차원의 유한 요소 모형에 대하여 FEFLOW[12]를 이용해 모의 영역에 대한 지하수 유동 모의를 수행하였다.
- 3b). 지하수 유동 모의를 위해서는 격자망 내의 3차원 수리전도도 분포를 알아야 하는데, 이는 Oda의 방법을 이용하여 앞서 구성된 단열망으로부터 산출하였다[10]. Fig.
성능/효과
- 10). HZ19A, HZ19C가 모두 연결된 KR14 관정에서의 모의 결과가 앞선 두 모의 결과에 비해 관측값과 가장 잘 일치하고 있으며, 다른 지점에서도 관측값과 거의 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
- 9). 다만, 양수정인 KR18관측공 근처의 수리전도도가 실제보다 높게 평가되어 KR18에서의 수위 강하가 더 적게 계산되었으며, 이로 인해 양수정에서 모의된 지하수위가 높게 나온 것으로 판단된다. 그러나, 이 차이는 관측공에서의 구간별 지하수 유출입량 분포 모의에 큰 영향을 끼치지 않아서, 대체적으로 관측 유량과 모의 유량이 일치하거나 같은 방향으로 나타나고 있다(Fig.
- 재보정 결과, HZ19A의 투수량계수는 3.80 × 10-5 m2/s, HZ19C의 투수량계수는 2.09 × 10-5 m2/s, 함양률은 0.01 mm/yr로 설정되었다.
후속연구
- 본 연구를 통해 단열 암반 대수층 현장의 심부 관측정에서 얻은 자료를 이용하여 지하수 유동 모형을 세우고, 현장의 지하수 유동 특성을 보다 정확히 나타낼 수 있도록 현장 측정값을 이용해 모형을 보정하고 수정하는 방안이 제시되었다. 이런 일련의 과정은 이 연구에서 이용된 현장 외에도 앞으로 처분장 건설을 위해 조사가 이루어질 수 있는 다른 현장에서도 그대로 적용될 수 있을 것으로 예상되며, 보다 정확한 지하수 유동 모형 구축을 위한 추가적인 연구가 필요하다고 생각된다.
- 이는 HZ19A나 HZ19C와 같은 대규모의 단열대로 인해 발생하는 지하수 유동 외에 국지적인 유동이 연구지역 내에 존재하나, 지하수 유동 모의를 위한 개념모형에는 이것이 반영되어 있지 않기 때문으로 판단된다. 추가적인 관측공의 설치로 새로운 단열 구조가 발견되지 않는 경우라면, 단열 매질 내의 배경 단열과 같이 지하수의 유동에 기여할 수 있는 국지적 지질구조를 지하수 유동 모의 모형에 반영하면 실제 관찰되는 수리적 반응을 보다 잘 모사할 수 있을 것으로 생각된다.
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