[국내논문]경계면 수치 모델을 이용한 해안 지역 이중 양수정의 해수침투 저감 효과 Effectiveness of Double Negative Barriers for Mitigation of Sewater Intrusion in Coastal Aquifer: Sharp-Interface Modeling Investigation원문보기
해안지역에서 지하수 해수침투 저감을 위하여 해수 양수 관정을 가동할 때 해수정으로 많은 양의 담수가 낭비되는 사례가 있다. 해수 침투를 저감시키고 낭비되는 담수를 유용하게 활용하기 위하여 이중 양수정이 제안된 바 있다. 이중 양수정은 해수 양수를 위한 해안 쪽의 해수정과 담수 양수를 위한 내륙 쪽의 담수정으로 구성된다. 선행 연구에서는 담수정의 해수 비율을 최소화시키기 위한 해수정의 양수량을 산정하였으나 담수정의 해수비율이 1~15% 범위로 나타나 담수정에서 담수를 확보하기 어렵다고 판단하였다. 본 연구에서는 이송이 지배적인 상황에서 이중 양수정의 효과를 분석하였다. 연구 결과 담수정에서 저염도 지하수를 확보할 수 있음을 밝혔다. 또한 해안 유역 차원의 적정 지하수관리를 위해서는 담수정의 해수비율을 최소화하는 것 외에도 해수정으로 낭비되는 담수량을 최소화하는 것도 함께 고려해야한다.
해안지역에서 지하수 해수침투 저감을 위하여 해수 양수 관정을 가동할 때 해수정으로 많은 양의 담수가 낭비되는 사례가 있다. 해수 침투를 저감시키고 낭비되는 담수를 유용하게 활용하기 위하여 이중 양수정이 제안된 바 있다. 이중 양수정은 해수 양수를 위한 해안 쪽의 해수정과 담수 양수를 위한 내륙 쪽의 담수정으로 구성된다. 선행 연구에서는 담수정의 해수 비율을 최소화시키기 위한 해수정의 양수량을 산정하였으나 담수정의 해수비율이 1~15% 범위로 나타나 담수정에서 담수를 확보하기 어렵다고 판단하였다. 본 연구에서는 이송이 지배적인 상황에서 이중 양수정의 효과를 분석하였다. 연구 결과 담수정에서 저염도 지하수를 확보할 수 있음을 밝혔다. 또한 해안 유역 차원의 적정 지하수관리를 위해서는 담수정의 해수비율을 최소화하는 것 외에도 해수정으로 낭비되는 담수량을 최소화하는 것도 함께 고려해야한다.
Saltwater pumping method can be used to mitigate saltwater intrusion in coastal aquifers. However, the saltwater pumping well may discharge large freshwater along with saltwater, thereby wasting precious resources. A double negative barrier was proposed: an inland well to capture freshwater and a sa...
Saltwater pumping method can be used to mitigate saltwater intrusion in coastal aquifers. However, the saltwater pumping well may discharge large freshwater along with saltwater, thereby wasting precious resources. A double negative barrier was proposed: an inland well to capture freshwater and a saltwater well near the coastline to pump saltwater. A previous study anaylzed effects of double negative barriers in dispersion-dominated coastal aquifers and determined the critical pumping rate at the saltwater well which minimized the saltwater ratio at the freshwater well. However, the study resulted in 1~15% of saltwater ratios, which were too high, for example, for drinking water standards. This study analyzed cases that were considered in the previous study, but for advection-dominated cases, and found that freshwater with sufficiently low saltwater ratios could be developed at the freshwater well. In addition, for optimal groundwater management of a watershed not only the minimum saltwater ratio at the freshwater well but also the least freshwater wasted at the saltwater well must be pursued.
Saltwater pumping method can be used to mitigate saltwater intrusion in coastal aquifers. However, the saltwater pumping well may discharge large freshwater along with saltwater, thereby wasting precious resources. A double negative barrier was proposed: an inland well to capture freshwater and a saltwater well near the coastline to pump saltwater. A previous study anaylzed effects of double negative barriers in dispersion-dominated coastal aquifers and determined the critical pumping rate at the saltwater well which minimized the saltwater ratio at the freshwater well. However, the study resulted in 1~15% of saltwater ratios, which were too high, for example, for drinking water standards. This study analyzed cases that were considered in the previous study, but for advection-dominated cases, and found that freshwater with sufficiently low saltwater ratios could be developed at the freshwater well. In addition, for optimal groundwater management of a watershed not only the minimum saltwater ratio at the freshwater well but also the least freshwater wasted at the saltwater well must be pursued.
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문제 정의
(2009)은 해안선 인근에서는 해수를 양수하고 내륙에서는 담수를 양수하는 이중 양수정(double negative barrier)의 해수침투 저감효과에 대한 연직 2차원 수치모델을 이용하여 분석하였다. 이중 양수정은 해수 양수를 위한 관정(해수정) 하나만 가동할 때 상당한 양의담수가 낭비되는 단점을 보완하기 위하여 해수정의 내륙에서 별도의 관정으로 담수를 양수하여(담수정) 해수정으로 유입되는 담수량을 축소시키려는 목적으로 제안되었다. 이중 양수정의 이상적 결과는 담수정과 해수정 사이에 정체점을 형성시켜 해수정과 담수정의 포획구간 (capture zone)을 분리시키고, 해수정에서는 해수만, 담수 정에서는 담수만 양수하는 것이라 할 수 있다.
본 연구에서는 이송이 지배적인 경우에 이중 양수정의 효과를 분석하였다. 경계면 모델은 담수와 해수 사이의 확산을 무시하고 선명한 경계를 가정하므로 이송이 지배적인 해안 지하수 흐름 상황을 모의하는 데 적절하다.
따라서 본 연구에서는 축소된 담수정 양수량 범위와 내륙으로 이동시킨 담수정에 대한 이중 양수정의 효과를 분석하였다. 축소된 담수정의 양수량 범위는 0∼2 kg/s, 위치는 300 m와 400 m의 두 경우를 고려하였다.
가설 설정
는 각 유체의 밀도를 나타내며, Eq. (4)는 해수-담수 경계면에서 압력은 연속임을 의미한다. 지하수 관정에서 총 양수량 Qt가 양수될 때 양수되는 물의 종류는 여러 가지 인자에 의하여 결정된다.
지하수 관정에서 총 양수량 Qt가 양수될 때 양수되는 물의 종류는 여러 가지 인자에 의하여 결정된다. 여기서는 양수되는 해수와 담수의 비율이 관정의 스크린 구간에서 각 유체의 투수량계수에 의하여 결정된다고 가정하였다. 그러면 각 유체의 양수량은 다음과 같이 산정될 수 있다.
제안 방법
해수 양수방법은 논리적으로는 단순한 방법이나 해수와 함께 담수가 낭비되는 경우 해수침투를 더욱 촉진시킬 수 있다는 위험이 있다. 본 연구에서 대상으로 하는 이중 양수정은 해수 양수 방법의 일종이며 다음 단락에서 세부적으로 다루고자 한다. 넷째, 그라우팅 등을 통한 물리적 차수벽이 사용될 수 있다(Kaleris and Ziogas, 2013).
경계면 모델은 담수와 해수 사이의 확산을 무시하고 선명한 경계를 가정하므로 이송이 지배적인 해안 지하수 흐름 상황을 모의하는 데 적절하다. 또한 본 연구에서는 선행 연구의 미비점에 대한 분석 및 보완을 통하여 이중 양수정의 효과에 대한 포괄적 분석을 시도하였다. 연구결과 이중 양수정을 적절히 설치하고 운영하면 담수 관정만 가동할 때보다 최대 2∼4배 가량의 지하수를 추가 확보할 수 있는 것으로 나타났다.
해수의 밀도는 1,027 kg/m3 , 담수의 밀도는 1,000 kg/m3이다. 담수정은 해안선에서 300 m 위치에, 해수 정은 20 m, 40 m, 55 m, 70 m, 90 m 지점에 설치되는 경우를 분석하였다. 담수정에는 400 m3/d (=4.
본 연구에서는 먼저 선행 연구에서 고려되었던 매개변수(확산지수 제외)에 대한 경계면 모델의 결과를 도출하고 선행 연구결과와 비교하였다. 그리고 이중 양수정의 효과를 높이기 위하여 주요 매개변수의 범위를 조정한 사례에 대한 모의분석을 시행하였다.
본 연구에서는 먼저 선행 연구에서 고려되었던 매개변수(확산지수 제외)에 대한 경계면 모델의 결과를 도출하고 선행 연구결과와 비교하였다. 그리고 이중 양수정의 효과를 높이기 위하여 주요 매개변수의 범위를 조정한 사례에 대한 모의분석을 시행하였다.
그런데 Pool and Carrera (2010) 의 선행연구에서는 해수정의 담수비율에 대한 결과가 제시되지 않았다. 본 연구에서는 경계면 모델에서 산정된 해수정의 담수비율을 제시하였다(Fig 2(c)). 해수정에서는 염수비율이 60∼75% 정도에 불과해 양수량의 25∼45%는 담수임을 의미한다.
Pool and Carrera (2010)의 선행연구에서 고려된 사례에 대한 확산모델과 경계면모델의 비교를 통하여 확산이 지배적인 경우(Pool and Carrera (2010)의 선행연구)와 이류가 지배적인 경우(본 연구)에 대한 이중 양수정의 효과를 비교하였다. 고려된 사례에서는 경계면 모델이 확산 모델 보다 해수 비율을 더 높게 산정하였다.
선행 연구자들은 확산이 지배적인 지하수 흐름을 다루었다. 본 연구에서는 이송이 지배적인 경우를 모의할 수 있는 경계면 모델을 이용하여 이중 양수정의 효과를 분석하였다. 두 연구결과를 비교한 결과 경계면 모델에서 해수 비율이 2배 가까이 높게 나타나 선행 연구에서 고려된 매개변수의 범위에서는 이송이 지배적인 경우 역시 담수 확보가 불가능한 것으로 나타났다.
대상 데이터
조정 대상 매개변수로 담수정의 위치와 양수량을 선정하였으며 조정된 범위는 다음과 같다: 담수정의 위치로 300 m와 400 m의 두 지점을 고려하였다. 또한 담수정의 양 수량을 Pool and Carrera (2010)의 선행연구의 4.
축소된 담수정의 양수량 범위는 0∼2 kg/s, 위치는 300 m와 400 m의 두 경우를 고려하였다.
400 m 지점의 담수정이 단독 가동될 때 양수량 별 해수비율은 Fig 4(b)에 도시하였다. 해수정의 위치는 선행 연구에서 고려되었던 20 m, 55 m, 그리고 90 m의 3개 지점을 대상으로 하였다. 해수정의 양수량은 0∼15 kg/s의 범위에 대하여 고려하였다.
이론/모형
는 각 각 담수와 염수의 염분 농도이다. 본 연구에서는 상술된 지배방정식을 유한요소법으로 이산화한 수치모델(Huyakorn et al., 1996)을 이용하였다. 본 수치모델은 해석해가 알려진 다양한 경우에 대하여 검증되었으며 실제 광역 유역의 해수침투 문제에 대하여 적용된바 있다(Park et al.
성능/효과
해수의 침투를 방지하는 방법에는 여러 가지 대안이 고려될 수 있다. 첫째, 지하수 개발량을 줄여서 해수침투 방지에 요구되는 최소 지하수위를 회복시키는 것이다. 그러나 당초에 해수침투 원인을 제공했던 배경과 상반된 조치로 다른 수원이 확보되지 않는다면 현실적으로 불가능한 대책이 된다.
, 2005). 셋째, 해수쐐기에서 해수를 양수하여 내륙으로 침투하는 해수를 차단하는 방법이 있다. Kim (2007)은 실험실에서 모래상자 수리모형실험으로 염수 양수를 통한 염수쐐기 제어 실험을 수행하고 수치모델(경계면 모델 및 분산 모델)의 적용성을 조사하였다.
이중 양수정은 해수 양수를 위한 관정(해수정) 하나만 가동할 때 상당한 양의담수가 낭비되는 단점을 보완하기 위하여 해수정의 내륙에서 별도의 관정으로 담수를 양수하여(담수정) 해수정으로 유입되는 담수량을 축소시키려는 목적으로 제안되었다. 이중 양수정의 이상적 결과는 담수정과 해수정 사이에 정체점을 형성시켜 해수정과 담수정의 포획구간 (capture zone)을 분리시키고, 해수정에서는 해수만, 담수 정에서는 담수만 양수하는 것이라 할 수 있다. 연직 2차원단면에서는 두 개 관정의 양수량을 조절하여 소기의 목적을 달성할 수 있었다.
전술된 바와 같이 이중 양수정은 단일 해수정을 가동할 때 해수로 오염되어 낭비되는 담수를 오염없이 확보하기 위하여 제안되었는데 담수정으로의 해수 유입량에 대한 결과는 제시되고 있으나 해수정으로 유입되는 담수량에 대한 결과는 제시되고 있지 않아 동 연구의 의미를 퇴색시키고 있다. 둘째, 고려된 이중 양수정 시나리오 중 담수정으로 유입되는 해수 비율이 적게는 1%, 많게는 15%에 달하여 당초 연구 목적으로 제시된 해수로 오염되지 않은 담수 확보의 가능성이 낮다는 결론이 제시되었다. 그러나 이러한 결과는 선생 연구가 확산이 지배적인 경우에 대하여 수행되었고 추후 언급될 매개변수의 범위가 적당하지 못하여 도출된 결과로 나타났다.
연구결과 이중 양수정을 적절히 설치하고 운영하면 담수 관정만 가동할 때보다 최대 2∼4배 가량의 지하수를 추가 확보할 수 있는 것으로 나타났다.
Pool and Carrera (2010)의 선행연구에서 고려한 대수층 특성은 다음과 같다: 해안선 방향 길이 500 m, 내륙 방향 500 m의 정사각형 유역에 존재하는 두께 50 m의 대수층. 정사각형의 경계 중 해안선에 수직한 두 경계와 대수층의 바닥은 불투수경계조건이 적용되고 해안선에서 지하수위는 평균해수면 수위(0 m)가, 해수가 유입되는 경우 농도가 해수농도라는 조건이, 지하수가 유출되는 경우 농도의 경사가 0이라는 경계조건이 사용되었다. 해안선과 평행한 내륙 측 경계에는 담수가 균일한 유량(648 m3/d=7.
그림에서 상태 I(0∼50년)은 담수정만 가동시키는 상황을, 상태 II는 50년 시점에 해수정을 가동한 이후의 상황을 나타낸다. 담수정의 해수비율은 대략 30년 이후 정상상태에 도달한 것으로 나타나며 해수정의 가동 이후 담수정의 해수비율은 급격히 감소하나 짧은 기간 이후 다시 증가하여 상태 I의 정상상태 해수비율보다는 낮지만 새로운 평형상태의 해수비율에 도달한다는 결과를 보인다.
3(c)에는 해수정의 해수 비율을 도시하였다. 최소값을 가지는 담수정의 해수비율과는 다르게 해수정의 해수비율은 양수량에 비례하여 지속적으로 증가하는 것으로 나타났다. 해수 비율이 증가(즉, 담수 비율이 감소)하는 것이 바람직하다고 보일 수 있으나 양 수량의 증가에 따라 낭비되는 담수량도 증가하므로 유역의 지하수 자원 관리 차원에서는 낭비되는 담수량이 적은 경우가 더 바람직하다고 할 수 있다.
본 연구에서는 이송이 지배적인 사례를 다루었지만(확산이 지배적이지만) 선행 연구에서 사용된 매개변수의 범위로는 이중 양수정의 효과를 정확하게 파악하기 어렵다고 판단하였다. 첫째, 해안선에서 300 m 거리에 설치된 담수 정을 고려하였는데 주어진 대수층의 수리수문지질 조건에서는 자연상태에서도 해수쐐기가 담수정 인근까지 침투할 수 있으므로 담수 확보를 위한 담수정의 위치로 적합하지 않다. 경계면 모델 이론에서 자연 상태의 해수침투 거리는 다음과 같이 산정될 수 있다.
담수정의 해수비율은 300 m 지점의 경우보다 전반적으로 약 50% 정도 감소하며 이에 따라 TDS 음용수 기준을 충족하는 담수량도 약 1.7∼1.8 kg/s 정도로 크게 증가하였다(Fig.
본 연구에서는 이송이 지배적인 경우를 모의할 수 있는 경계면 모델을 이용하여 이중 양수정의 효과를 분석하였다. 두 연구결과를 비교한 결과 경계면 모델에서 해수 비율이 2배 가까이 높게 나타나 선행 연구에서 고려된 매개변수의 범위에서는 이송이 지배적인 경우 역시 담수 확보가 불가능한 것으로 나타났다. 그러나 조정된 매개변수의 범위에 대해서는 담수정의 담수 확보가 가능한 것으로 나타났다.
이중 양수정을 이용하여 해수침투를 저감시키고 담수정에서 담수를 확보할 수 있다. 고려된 사례에서는 이중 양수정으로부터 확보할 수 있는 지하수 량이 담수정만 가동할 때보다 2배에서 4배 가량 증가하는 것으로 나타났다. 다만 담수 정은 지하수 개발 이전 자연 상태의 해수쐐기 침투 지점의 내륙에 위치해야하며 그 거리가 증가할수록 이중 양수정의 담수 확보량이 증가한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해안 지역의 과잉 양수는 어떠한 사태를 일으킵니까?
내륙 지역의 지하수 개발 시와 비교할 때 해안 지역의 지하수 개발에는 해수침투 현상에 대하여 추가적 고려가 필요하다. 알려진 바와 같이 해안 지역의 과잉 양수는 지하수 계로 해수침투를 야기시켜 유역의 대수층의 염분량을 증가시키고 취약한 관정에서는 해수침투로 인하여 우물을 포기해야 하는 사태를 일으킨다. 따라서 해안지역에서는 해수침투를 허용 가능한 위치까지로 국한시키는 유역 차원의 적정 지하수 개발이 필요하지만 지역의 지하수 수요가 적정 개발량을 초과하는 등의 경우에는 침투된 해수의 퇴치를 위한 적극적인 대책을 적용해야만 하는 경우도 있다.
해수의 침투를 방지하는 방법에는 어떠한 대안이 고려될 수 있으며, 각각의 특징은 무엇입니까?
해수의 침투를 방지하는 방법에는 여러 가지 대안이 고려될 수 있다. 첫째, 지하수 개발량을 줄여서 해수침투 방지에 요구되는 최소 지하수위를 회복시키는 것이다. 그러나 당초에 해수침투 원인을 제공했던 배경과 상반된 조치로 다른 수원이 확보되지 않는다면 현실적으로 불가능한 대책이 된다. 둘째, 담수를 대수층에 인공 함양시켜 해수의 내륙 침투를 방지할 수 있다. 해수쐐기 퇴치를 위한 인공 함양 사례 중 가장 널리 알려진 시설은 1960년대에 시작된 미국 남캘리포니아 지방에 있다(Herndon, 2002; Bloetscher et al., 2005). 셋째, 해수쐐기에서 해수를 양수하여 내륙으로 침투하는 해수를 차단하는 방법이 있다. Kim (2007)은 실험실에서 모래상자 수리모형실험으로 염수 양수를 통한 염수쐐기 제어 실험을 수행하고 수치모델(경계면 모델및 분산 모델)의 적용성을 조사하였다. 동 연구에서 경계면 모델로 양수정의 염수비율을 모의할 수 있음을 보인바 있다. Suh et al. (2010)은 실험실 모래상자 수리모형실험을 통해 염수침투가 일어나지 않는 지하수의 최적 양수량에 대한 실험 연구를 수행하였다. 해수 양수방법은 논리적으로는 단순한 방법이나 해수와 함께 담수가 낭비되는 경우 해수침투를 더욱 촉진시킬 수 있다는 위험이 있다. 본 연구에서 대상으로 하는 이중 양수정은 해수 양수 방법의 일종이며 다음 단락에서 세부적으로 다루고자 한다. 넷째, 그라우팅 등을 통한 물리적 차수벽이 사용될 수 있다(Kaleris and Ziogas, 2013). 차수벽은 다른 대안에 비하여 해수침투 차단의 효과가 가장 우수하지만 비용이 크다는 단점을 가지고 있다. 상술된 방법들 외에 전기적 방법을 이용하여 해수침투 차단 연구가 실험실 모래상자 모형에서 수행된 바 있다(Barbieri et al., 1988).
이중 양수정의 장점은 무엇입니까?
본 연구에서 밝힌 이중 양수정의 효과는 다음과 같다. 이중 양수정을 이용하여 해수침투를 저감시키고 담수정에서 담수를 확보할 수 있다. 고려된 사례에서는 이중 양수정으로부터 확보할 수 있는 지하수 량이 담수정만 가동할 때보다 2배에서 4배 가량 증가하는 것으로 나타났다.
참고문헌 (11)
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Suh, S.K., Oh, C.M., Kim, W.I., and Ho, J.S. (2010). "Experimental Study of Freshwater Discharge and Saltwater Intrusion control in Coastal Aquifer." Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 10, No. 5, pp. 159-168.
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