This study analyzed on characteristics of the ground-water capture zone in coastal areas and mid-mountainous area according to pumping rate. For this study, it targeted Jejudo island where is the volcanic island. To analyze, MODFLOW model and MODPATH model, which are the ground-water flow analysis m...
This study analyzed on characteristics of the ground-water capture zone in coastal areas and mid-mountainous area according to pumping rate. For this study, it targeted Jejudo island where is the volcanic island. To analyze, MODFLOW model and MODPATH model, which are the ground-water flow analysis models, were used. As a result of research, the following conclusions could be obtained. As a result of analyzing influence of a change in pumping time upon length of capture zone, the length of capture zone in coastal area was indicated to be greater in the changing ratio compared to the length of capture zone in mid-mountainous area. Next, in the coastal area, the pumping rate and the capture-zone length are changing similarly. However, in mid-mountainous area, the length of capture zone was indicated to grow when the pumping rate comes to exceed 1,500m3/day. As a result of analyzing influence of a change in pumping time upon capture area, the tendency of a change in the area was indicated similarly in coastal areas and mid-mountainous area. Especially, it could be known that the larger pumping rate leads to the more definite increase in tendency to a change in capture area. Based on this study, it was allowed to be possibly used in the suitable pumping rate in coastal areas and mid-mountainous area of the volcano island in the future. A follow-up research is judged to necessarily analyze the influence of tubular-well group upon capture zone by additionally analyzing a change in capture zone targeting the concentrated tubular well.
This study analyzed on characteristics of the ground-water capture zone in coastal areas and mid-mountainous area according to pumping rate. For this study, it targeted Jejudo island where is the volcanic island. To analyze, MODFLOW model and MODPATH model, which are the ground-water flow analysis models, were used. As a result of research, the following conclusions could be obtained. As a result of analyzing influence of a change in pumping time upon length of capture zone, the length of capture zone in coastal area was indicated to be greater in the changing ratio compared to the length of capture zone in mid-mountainous area. Next, in the coastal area, the pumping rate and the capture-zone length are changing similarly. However, in mid-mountainous area, the length of capture zone was indicated to grow when the pumping rate comes to exceed 1,500m3/day. As a result of analyzing influence of a change in pumping time upon capture area, the tendency of a change in the area was indicated similarly in coastal areas and mid-mountainous area. Especially, it could be known that the larger pumping rate leads to the more definite increase in tendency to a change in capture area. Based on this study, it was allowed to be possibly used in the suitable pumping rate in coastal areas and mid-mountainous area of the volcano island in the future. A follow-up research is judged to necessarily analyze the influence of tubular-well group upon capture zone by additionally analyzing a change in capture zone targeting the concentrated tubular well.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 화산도서인 제주도 지역의 해안저지대와 중산간지역을 대상으로 하여 양수량에 따른 지하수 유동 및 포획구간 특성을 규명함으로서 도서지역 지하수관리의 기초자료로 제공하고 한다.
연구에서는 양수량에 따른 해안저지대지역과 중 산간지대의 지하수 포획구간특성에 대하여 분석하였다. 연구를 위하여 화산도서지역인 제주도를 대상으로 하였다.
가설 설정
MODFLOW모형은 3차원 유한차분 지하수 유동모형으로 다양한 수리지질학적 구조를 보다 손쉽게 구현하여 모의할 수 있는 장점으로 인하여 전 세계적으로 널리 이용되는 지하수 유동모형이다. 지하수 유동해석 시 모의영역은 포화대이고 대수층은 다공성 매질로 변형되지 않으며, 유체는 온도와 밀도가 항상 일정하며 비압축(incompressible) 상태로 유동한다는 가정으로 부터 Darcy법칙과 연속방정식을 통해 식(1)과 같이 도출된다.
제안 방법
따라서 본 연구에서는 지하수 양수량에 따른 지하 수유동 및 포획구간변동특성을 분석하기 위하여 14개 관측정 자료를 이용하여 매개변수를 추정하고, 여기서 추정된 매개변수를 이용하여 Fig. 2(b)에 표시된 15, 16 관정을 이용하여 지하수 영향 특성 분석을 하였다.3.
지층의 수직적 구조는 제주특별자치도 수문지질도및 단면도(2010년)를 참고하여 화산암층을 주대수층으로 구성하였으며, 화산암층 표고는 1:5,000의 수치지형도를 수치고도자료(DEM)로 변환하여 각 격자별로 고도값을 내삽하였다. 또한 그 하부에 위치하는 서귀포층은 수문지질도를 참고하여 지질층 경계를 보간하고, 각 Stratigraphy Coverage의 특성을 반영하는 매개변수인 수리전도도(Hydraulic conductivity)와 비산출율(Specific storage), 비저류율(Specific yield), 공극율(Porosity)을 입력하였다.
연구 대상지역의 지하수 유동 모델링은 지표지질조사, 지층구조조사 등을 통한 세부 지하 지질조사 결과와 관측정에 의해 획득된 대수성 수리특성 자료를 이용하여 입력 자료로 활용하였으며, 지하수 유동 변화와 유입·유출량 변화를 예측하였다. 또한 이를 토대로 화산도서지역의 해안 및 중산간지대의 포획구간을 산정하여 지하수유출특성분석을 실시하였다.
연구 대상유역의 지하수유동 및 포획구간 특성을 분석하기 위하여 대상유역의 지형적 특성과 수리지질학적 특성을 고려하여 모의격자망은 50 ✕ 50 m으로 총 300행 200열로 구성하였다. 또한 지하수 흐름분포 예측에 중점을 두어 대상유역을 활성화 셀로 설정하고 대상유역 바깥은 비활성 셀로 설정하였다.
양수량에 따라 지하수계는 영향을 받게 되며 이를 예측하기 위하여 MODPATH모형을 이용하여 포획구간 및 수위 강하량을 분석하였다. 먼저 해안지역과 중산간지역의 양수량에 따른 포획구간 분석을 위해 양수량은 500 m3/day, 1,000 m3/day, 1,500 m3/day, 2,000 m3/day,로 구분하여 양수 기간 100일, 200일, 300일, 400일에 대한 포획구간 분석을 실시하였다.
지하수 모델링은 현장 또는 실제 상황을 표현하기 위하여 그와 유사하게 만든 이론적 모델을 이용하는 것으로, 실제 지하수 유동이나 용질의 이동과 관련된 과거 및 현재의 상황을 재현, 분석하고 미래에 예상되는 변화를 예측하기 위하여 널리 이용되고 있다. 본 연구에서는 비가시적인 지하수 흐름의 복잡한 양상을 단순화하는 모형에 있어 수리지질학적 개념이 가장 중요하며, 개념 모델을 설정한 후 적합한 수치모델을 선정하고, 관측 자료를 입력자료로 하여 분석을 실시하였다.
연구 대상지역의 지하수 유동 모델링은 지표지질조사, 지층구조조사 등을 통한 세부 지하 지질조사 결과와 관측정에 의해 획득된 대수성 수리특성 자료를 이용하여 입력 자료로 활용하였으며, 지하수 유동 변화와 유입·유출량 변화를 예측하였다.
지층의 수직적 구조는 제주특별자치도 수문지질도및 단면도(2010년)를 참고하여 화산암층을 주대수층으로 구성하였으며, 화산암층 표고는 1:5,000의 수치지형도를 수치고도자료(DEM)로 변환하여 각 격자별로 고도값을 내삽하였다. 또한 그 하부에 위치하는 서귀포층은 수문지질도를 참고하여 지질층 경계를 보간하고, 각 Stratigraphy Coverage의 특성을 반영하는 매개변수인 수리전도도(Hydraulic conductivity)와 비산출율(Specific storage), 비저류율(Specific yield), 공극율(Porosity)을 입력하였다.
지하수유동 및 포획구간 분석을 위한 모형의 최적매개변수의 추정을 위하여 표고 및 공간적인 분포를 고려하여 Fig. 2(b) 및 Table 2와 같이 14개 관측정에 대한 관측수위를 이용하여 시행착오법으로 매개변수를 추정하였다. 그 결과 본 연구대상지역내 3개 지대 (해안지역, 중산간지역, 산간지역)에 대하여 추정된 최적 모형 매개변수(수리전도도와 비산출율 비저류율, 공극율)는 Table.
대상 데이터
2(a)와 같이 함양량 지대를 고도 범위별로 3개의 함양지대를 구분하였다. 강우자료는 최근 10년간 (2001~2012)년 연평균 강수량을 1,754 mm/yr을 적용하였으며, 함양량의 경우 기존의 연구(수자원 관리 종합계획, 2012년) 자료를 인용하여 43.6%로 적용하여 분석을 실시하였다. 또한 본 연구대상지역내의 지하수유동특성 분석에 사용되는 모형 매개변수의 추정을 위하여 Fig.
연구 대상유역으로 선정된 북제주의 경우 해안지역과 중산간지역에 주거지가 밀집되어 있고, 인근 하천은 평시에는 건천인 경우가 많아서 지역 내에서 필요한 생활․농업용수는 지표수보다 지하수에 크게 의존하고 있는 실정이다. 또한 지역 내 용수 수요량 공급을 위해서 52개소 이상의 정호가 개발되어 있으나 본 연구에서는 비교적 관측 자료가 양호한 14개 정호를 선정하여 분석을 실시하였다.
연구 대상유역의 지하수유동 및 포획구간 특성을 분석하기 위하여 대상유역의 지형적 특성과 수리지질학적 특성을 고려하여 모의격자망은 50 ✕ 50 m으로 총 300행 200열로 구성하였다. 또한 지하수 흐름분포 예측에 중점을 두어 대상유역을 활성화 셀로 설정하고 대상유역 바깥은 비활성 셀로 설정하였다.
연구에서는 양수량에 따른 해안저지대지역과 중 산간지대의 지하수 포획구간특성에 대하여 분석하였다. 연구를 위하여 화산도서지역인 제주도를 대상으로 하였다. 분석을 위하여 지하수 유동해석 모형인 MODFLOW모형과 MODPATH모형을 이용하였으며, 연구결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이론/모형
본 연구에서는 지하수 해석에 사용되는 수치기법 중 보편적으로 사용되는 3차원 지하수 유동을 모의할 수 있는 MODLFOW모형을 사용하였으며, 포획구간 분석을 위해서는 MODPATH모형을 사용하였다. 연구 대상지역의 지하수 유동 모델링은 지표지질조사, 지층구조조사 등을 통한 세부 지하 지질조사 결과와 관측정에 의해 획득된 대수성 수리특성 자료를 이용하여 입력 자료로 활용하였으며, 지하수 유동 변화와 유입·유출량 변화를 예측하였다.
연구를 위하여 화산도서지역인 제주도를 대상으로 하였다. 분석을 위하여 지하수 유동해석 모형인 MODFLOW모형과 MODPATH모형을 이용하였으며, 연구결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
양수량에 따라 지하수계는 영향을 받게 되며 이를 예측하기 위하여 MODPATH모형을 이용하여 포획구간 및 수위 강하량을 분석하였다. 먼저 해안지역과 중산간지역의 양수량에 따른 포획구간 분석을 위해 양수량은 500 m3/day, 1,000 m3/day, 1,500 m3/day, 2,000 m3/day,로 구분하여 양수 기간 100일, 200일, 300일, 400일에 대한 포획구간 분석을 실시하였다.
성능/효과
먼저, 양수 시간변화가 포획구간의 길이에 미치는 영향을 분석한 결과 해안저지대지역의 포획구간 길이가 중산간지대의 포획구간 길이에 비하여 변화비가 크게 나타났다. 다음으로, 해안저지대지역에서는 양 수량과 포획구간의 길이가 비슷하게 변화하고 있으나, 중산간지역에서는 양수량이 1,500 m3/day 넘어서게 되면 포획구간의 길이가 증가하는 것으로 나타났다.
마지막으로, 양수 시간 변화가 포획면적에 미치는 영향을 분석한 결과 해안저지대지역과 중산간지역에서의 면적변화경향이 비슷하게 나타났다. 특히, 양수량이 많아질수록 포획면적 변화 경향이 뚜렷하게 증가하고 있음을 알 수 있었다.
먼저, 양수 시간변화가 포획구간의 길이에 미치는 영향을 분석한 결과 해안저지대지역의 포획구간 길이가 중산간지대의 포획구간 길이에 비하여 변화비가 크게 나타났다. 다음으로, 해안저지대지역에서는 양 수량과 포획구간의 길이가 비슷하게 변화하고 있으나, 중산간지역에서는 양수량이 1,500 m3/day 넘어서게 되면 포획구간의 길이가 증가하는 것으로 나타났다.
6126 m/m3/day으로 분석되었다. 이 결과로 볼 때 중산간지역에서 해안 지역보다 양수량 증가에 따른 수위강하 폭이 약 1.25배 정도 큰 것으로 분석되었다.
추정된 매개변수를 이용한 정류상태의 지하수위분포 분석결과 Fig. 3(b) 및 Table 2에서 나타낸 바와 같이 분석되었으며, 전체 관정을 대상으로 분석한 결과 평균오차는 –0.286 m, 평균제곱오차는 3.519 m, R2 는 0.9598로 분석되었다.
마지막으로, 양수 시간 변화가 포획면적에 미치는 영향을 분석한 결과 해안저지대지역과 중산간지역에서의 면적변화경향이 비슷하게 나타났다. 특히, 양수량이 많아질수록 포획면적 변화 경향이 뚜렷하게 증가하고 있음을 알 수 있었다.
후속연구
본 연구를 바탕으로 향후 화산도서지역의 해안지역및 중산간지역의 적정양수량 결정에 이용될 수 있도록하였으며, 추후 연구에서 밀집 관정을 대상으로 포획구간의 변화를 추가적으로 분석하여 관정군이 포획구간이 미치는 영향을 분석할 필요가 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 연구에서 양수량에 따른 해안저지대지역과 중 산간지대의 지하수 포획구간특성을 분석한 결과는 무엇인가?
먼저, 양수 시간변화가 포획구간의 길이에 미치는 영향을 분석한 결과 해안저지대지역의 포획구간 길이가 중산간지대의 포획구간 길이에 비하여 변화비가 크게 나타났다. 다음으로, 해안저지대지역에서는 양 수량과 포획구간의 길이가 비슷하게 변화하고 있으나, 중산간지역에서는 양수량이 1,500 m3/day 넘어서게 되면 포획구간의 길이가 증가하는 것으로 나타났다.
마지막으로, 양수 시간 변화가 포획면적에 미치는 영향을 분석한 결과 해안저지대지역과 중산간지역에서의 면적변화경향이 비슷하게 나타났다. 특히, 양수량이 많아질수록 포획면적 변화 경향이 뚜렷하게 증가하고 있음을 알 수 있었다.
지하수 모델링의 특징은 무엇인가?
지하수 개발과 관리가 체계화되지 못 할 경우에는 지하수위 저하로 인해 토양이 건조해지고 토양 생태계가 파괴되며, 또한 폐공관리 부실로 인해 오염물질이 유입되어 수질악화 등의 문제의 원인이 될 수 있으므로 지하수 관리의 체계화가 필요한 실정이다. 지하수 모델링은 현장 또는 실제 상황을 표현하기 위하여 그와 유사하게 만든 이론적 모델을 이용하는 것으로, 실제 지하수 유동이나 용질의 이동과 관련된 과거 및 현재의 상황을 재현, 분석하고 미래에 예상되는 변화를 예측하기 위하여 널리 이용되고 있다. 본 연구에서는 비가시적인 지하수 흐름의 복잡한 양상을 단순화하는 모형에 있어 수리지질학적 개념이 가장 중요하며, 개념 모델을 설정한 후 적합한 수치모델을 선정하고, 관측 자료를 입력자료로 하여 분석을 실시하였다.
지하수 관리의 체계화가 필요한 이유는 무엇인가?
최근에 화산도서지역인 제주도 내에서 증가하는 용수수요와 안정적 용수확보를 위하여 지하수개발이 증가되고 있는 실정이다. 지하수 개발과 관리가 체계화되지 못 할 경우에는 지하수위 저하로 인해 토양이 건조해지고 토양 생태계가 파괴되며, 또한 폐공관리 부실로 인해 오염물질이 유입되어 수질악화 등의 문제의 원인이 될 수 있으므로 지하수 관리의 체계화가 필요한 실정이다. 지하수 모델링은 현장 또는 실제 상황을 표현하기 위하여 그와 유사하게 만든 이론적 모델을 이용하는 것으로, 실제 지하수 유동이나 용질의 이동과 관련된 과거 및 현재의 상황을 재현, 분석하고 미래에 예상되는 변화를 예측하기 위하여 널리 이용되고 있다.
참고문헌 (5)
Korea socitety of water science and technolgy 16 49 2008
Geochimica et Cosmochimica Acta 21 199 1968
International Journal for Numerical Methods in Engineering 11 1251 1997
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