[논문]해안 대수층에서 지하수 장기 모니터링을 통한 수리 특성 조사

심병완; 이철우

doi:10.9719/eeg.2011.44.3.239

해안 대수층에서 지하수 장기 모니터링을 통한 수리 특성 조사
Hydrologic Characterization through Ground Water Monitoring in a Coastal Aquifer 원문보기

자원환경지질 = Economic and environmental geology, v.44 no.3, 2011년, pp.239 - 246

심병완 (한국지질자원연구원 국토지질연구본부 지열자원연구실) , 이철우 (한국지질자원연구원 국토지질연구본부 지열자원연구실)

초록
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도서지역의 지하수는 중요한 수자원으로 이용되고 있으나 지하수의 과잉 개발은 해수침투를 유발하거나 온천공에서는 온도 저하 등의 문제를 일으킬 수 있다. 본 연구는 석모도 매음리 일대의 온천공 및 지하수공에서 장기 모니터링을 실시하여 연구지역의 수리지질 특성을 추정하였다. 온천공 모니터링 결과 계절적인 수위 변화나 지속적인 수위 하강 또는 상승은 나타나지 않았으며, 공내 약 10 m 내외 심도에서 측정된 지하수온은 몇 개의 공에서 대기 최고온도와 2~5개월 정도의 시간차를 보이며 일년 주기로 나타났다. 그리고 조석 변동에 따른 유효응력 변화를 분석하여 저류계수를 계산하였다. 조석 영향을 분석한 결과 조석효율 요소를 이용하여 계산된 저류계수가 시간지연 요소를 이용한 값들보다 다소 크게 나타났다. 여러 가지 대수층 조건을 가정한 조석 분석법은 넓은 범위의 저류계수 값을 산정할 수 있으나, 본 연구에서 적용한 조석 분석법으로 계산된 값은 합리적이라 판단된다. 측정된 수위 및 조석 변동 형태가 동남향 방향으로 유사한 이유는 지반내 수리지질적인 연결성 또는 단열계의 분포특성에 의한 것으로 추정된다. 본 연구의 결과는 적정 지하수 사용량 또는 지하수 부존 평가나 온천공들의 개발 및 허가량 등에 대한 평가 자료로 이용될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Groundwater in small islands is used as main water resource but the overuse of groundwater may cause seawater intrusion and temperature decrease in geothermal wells. This study aimed to characterize the hydrogeology of Maeum-ri area in Seokmo Island of Ganghwagun using long-term monitoring at groundwater wells and geothermal wells. In the monitoring period seasonal water level change, consistent drop or increase of water levels are not detected. The groundwater temperature about 10m below ground surface shows year cycle variation having two to five months difference with ambient temperature cycle. The storativity was calculated by tidal method. The storativity estimated by adapting tidal efficiency factor showed some larger values than that by using tidal time lag. The result suggested that the tidal method assuming several assumptions on aquifer condition may produce broad ranges but the calculated ranges at this application are reasonable. The similar shape of groundwater level change and tidal effects was observed at several wells clustered east-south-east direction which may implicate the distribution of vertical fracture system strongly related with groundwater flow channels. The applied methodology and study results will bc valuable to evaluate optimal pumping rate for the preservation of groundwater resources, and to manage geothermal development.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 한국지질자원연구원 기본사업인"저온 지열 열병합 발전에 활용가능한 심부 지열수 자원 확보기술 개발” 과제의 일환으로 수행되었다.
최근 온천수를 이용한 인근 주택의 냉난방과 온실 및 양식장 운영 등으로 지열수 사용량이 증가하고있으므로 효율적인 관리가 없을 경우 장기적으로 수온 및 수질 저하 등의 문제가 발생할 수 있다. 본 연구에서는 석모도 매음리 해안지역(Fig. 1)의 전반적인 수리적 연결성과 대수층 특성을 파악하기 위하여 온천 공과 지하수공들을 중심으로 수위 및 수온 장기 모니터링과 조석 영향을 분석하여 수리인자를 추정하였다. 이 지역에서는 60 - 70℃ 정도의 고온 지열수가 대량으로 자연 용출하는 공들이 분포하여 최근 10여 년 전부터많은 온천공 개발이 지속되고 있다(Lee et al.

가설 설정

이 방법을 적용하기 위한 가정들로서 지하수는 수평적인 유동 형태이고 Darcy의 법칙을 따르며 조석 범위에 비하여 대수층이 두꺼워야 된다(Carr and %n Der Kamp, 1969). 이 수식들이 반무한대 (semiinfinite)의 피압 대수층을 기본으로 가정하고 있으며, 지하 수위 변동 범위가 포화된 대수층의 두께에 비하여 작을 경우에 적용이 가능하다CIbdd, 1980). 경계조건 가정은 a=0일 경우 hx=hfi\ea)f), 8일 경우 A=0, 각속도 (angular velocity) 이다.

제안 방법

2009년 3월부터 2010년 10월까지 20분 간격으로 자동측정시스템(DIVER)을 이용하여 지표하 8-10 m심도의 지하수위 및 온도, 전기전도도를 측정하였다(Fig. 1). 피압된 온천수가 자연용출하는 공(YG-1, YG-2, PSG-1, HM-1)들은 상방향 화살표로 표시되었으며 그 수량은 각 공마다 다양하며 YG-1 호공에서 최대 약2,000 m3/day 정도이다.
Table 1은 연구지역내 조석 영향을 파악하기 위하여 요약된 자료를 나타낸 것으로서 공심도, 지하수위 변동 폭, 최저 및 최고 지하수위, 조석영향에 의한 지하 수위 진폭, 해안으로부터 공의 거리 등을 기재하였다. 해안지형에 따라 해안으로부터의 공까지의 거리는 조석변동에 따라 크게 달라지지만 이 지역의 남서쪽 해안선 경계부터 공 위치까지로 산정하였다.
장기 모니터링에 의한 수위변동 해석을 통하여 석모도 매음리 일대 수리지질 특성을 파악하였다. 수위 모니터링에 의하면 대부분의 온천공에서 지속적인 수위 하강 또는 상승은 없으며, 강우에 의한 상관성은 거의 나타나지 않았다.
해안지형에 따라 해안으로부터의 공까지의 거리는 조석변동에 따라 크게 달라지지만 이 지역의 남서쪽 해안선 경계부터 공 위치까지로 산정하였다. YG-2호공은온천수를 양수하지 않는 경우 수위가 지표하 8 m 부근에 위치하지만 일정 기간 양수가 이루어지면 사이펀 (siphon) 현상처럼 지속적으로 자연용출한다.

대상 데이터

각 시추공에서 측정된 초음파 텔레뷰어 검층 자료 및 심도별 온도분포 자료에 의하면 대부분의 시추공에서 특정 구간에 암상변화와 파쇄대를 따라 지열수가 부존하는 것으로 나타난다 (Lee et al, 2010). 따라서 연구지역은 대부분 피압대수층으로 판단되며, 조석 영향은 남서쪽에서 동북쪽으로 전달되는 것으로 하였다. 조석의 영향을 받는 대수층의 지하수위 변동은 식(1)과 같은 1차원의 부정류 지하수 유동 방정식으로 표현될 수 있다.
본 연구에서는 2009년 3월부터 2010년 10월까지 9개의 조사공에 대하여 온도 및 지하수위 모니터링을실시하였다(Fig. 1). 온천공들의 시추 심도는 대략 450 -1440 m 범위에 있으며, 케이싱은 온천수가 유출되는 심도 전까지 설치하여 그 심도는 대략 70 - 300 m 사이에 있다.
3은 조석분석법을 이용하기 위하여 2009년 3월 5일에서 4월 26일까지 조석에 의한 지하수위변동을 도시하였다. 조석 높이 (Tidal height)는 인천 해양조사원에서 20분 간격으로 측정된 것을 이용하였으며, 강화도 외포리의 측정치와 높이는 거의 유사하며 약 20분의 시차를 보인다. 온천공 중에 YG-2호공이 가장 뚜렷한 조석 영향이 나타내고 있으며 나머지 공들에서는 약간 불규칙적인 형태를 보이고 있다.
또한 본 연구지역과 같이 해안 조석의 영향을 받는 조건에서는 위치 및 심도에 따라 매우 큰 편차를 가질 수 있다. 조석자료는 강화도 외포리 선착장에서의 조석 주기 24.83 hr과 조석진폭 9.27 m를 이용하였으며, 조사자료와 4장의 수식들을 이용하여 수위 변동을 해석하였다.

성능/효과

22x104 정도로 추정되며, 대수층의 불균질성과 아울러 공들의 다양한 심도, 해안선의 형태도 결과에 영향을 미치는 것으로 판단된다. 조석 영향 분석법은 이를 적용하기 위해 여러가지 가정이 포함되어 계산된 수리인자가 실제 대수층과 다소 차이가 있을 수 있으나 본 해안대수층의 수리특성을 추정하기 위한 적절한 방법으로 판단된다. 지하수위 변동 양상과 조석 영향을 분석한 결과 기존 연구결과에 나타난 서북서 -동남동 방향의 단열 계가 지열수 대수층과 연관성이 있는 것으로 추정된다.
지표부근 지하수온은 연주기 변동 형태를 나타내며, 대기온도와는 약 2~5개월 정도의 시간차를 보이지만 지속적인 온도 저감이나 상승은 나타나지 않았다. 조석에 따른 유효응력 영향을 조석효율과 시간지연 요소로 분석한 결과 조석효율을 이용하여 계산된 저류계수가 시간지연 요소를 적용한 값보다 다소 크게 나타났다. 저류계수는 3.

후속연구

장기모니터링에 의한 본 연구는 해안대수층의 지열수 및 지하수 활용 및 관리를 위하여 매우 유용할 것으로 판단된다. 또한 추후 석모도내 보다 넓은 지역으로 모니터링을 확대하여 각 대수층별로 온도 및 수위의 체계적인 정보 수집이 필요할 것으로 판단된다.
위 결과들은 적정 지하수 사용량 또는 지하수 부존평가나 온천공의 개발 및 허가량에 대한 평가 자료로 이용될 수 있다. 장기모니터링에 의한 본 연구는 해안대수층의 지열수 및 지하수 활용 및 관리를 위하여 매우 유용할 것으로 판단된다.
수 있다. 장기모니터링에 의한 본 연구는 해안대수층의 지열수 및 지하수 활용 및 관리를 위하여 매우 유용할 것으로 판단된다. 또한 추후 석모도내 보다 넓은 지역으로 모니터링을 확대하여 각 대수층별로 온도 및 수위의 체계적인 정보 수집이 필요할 것으로 판단된다.

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