PBM (Porous Body Model) 기반의 N-S Solver를 이용한 해안대수층의 해수침투모의 Numerical Simulation on Seawater Intrusion in Coastal Aquifer using N-S Solver Based on Porous Body Model원문보기
본 연구에서는 해수-담수-해안대수층의 비선형 상호작용을 직접 해석할 있는 PBM(Porous Body Model) 기반의 3차원 N-S Solver인 LES-WASS-3D ver 2.0을 적용하며, 해안대수층의 해수침투모의를 수행하였다. 이와 같은 N-S Solver를 적용한 해안대수층의 해수침투모의는 국내 최초 수행되는 것일 뿐만 아니라, 국외적으로도 찾아보기 어려운 새로운 수치해석방법이라고 할 수 있다. 먼저 적용하는 수치모델을 검증하기 위하여 해안대수층의 해수-담수 경계면에 관한 수리모형실험결과와 비교 검토하여 수치모델의 타당성 및 유효성을 확인하였다. 그리고 해수위 및 지하수위 변화를 고려한 해안대수층 내의 해수침투모의를 수행하여 해수위-지하수위 차와 해수위의 비(${\Delta}h/h$)의 증가에 따른 해안대수층 내의 유동장 그리고 해수-담수 경계면 분포 특성에 관하여 논의하였다. 또한 기존의 비확산 수치모델에서 도출할 수 없었던, ${\Delta}h/h$에 따른 해안대수층 내의 연직 염분농도로 부터 해수침투 특성을 파악하였으며, 최종적으로 지표화 할 수 있는 ${\Delta}h/h$가 해안대수층 내의 해수침투거리에 미치는 영향에 대하여 분석하였다. 이 결과로부터 ${\Delta}h/h$가 작을수록 해안대수층 내의 해수침투가 약해지는 메커니즘을 이해할 수 있었다.
본 연구에서는 해수-담수-해안대수층의 비선형 상호작용을 직접 해석할 있는 PBM(Porous Body Model) 기반의 3차원 N-S Solver인 LES-WASS-3D ver 2.0을 적용하며, 해안대수층의 해수침투모의를 수행하였다. 이와 같은 N-S Solver를 적용한 해안대수층의 해수침투모의는 국내 최초 수행되는 것일 뿐만 아니라, 국외적으로도 찾아보기 어려운 새로운 수치해석방법이라고 할 수 있다. 먼저 적용하는 수치모델을 검증하기 위하여 해안대수층의 해수-담수 경계면에 관한 수리모형실험결과와 비교 검토하여 수치모델의 타당성 및 유효성을 확인하였다. 그리고 해수위 및 지하수위 변화를 고려한 해안대수층 내의 해수침투모의를 수행하여 해수위-지하수위 차와 해수위의 비(${\Delta}h/h$)의 증가에 따른 해안대수층 내의 유동장 그리고 해수-담수 경계면 분포 특성에 관하여 논의하였다. 또한 기존의 비확산 수치모델에서 도출할 수 없었던, ${\Delta}h/h$에 따른 해안대수층 내의 연직 염분농도로 부터 해수침투 특성을 파악하였으며, 최종적으로 지표화 할 수 있는 ${\Delta}h/h$가 해안대수층 내의 해수침투거리에 미치는 영향에 대하여 분석하였다. 이 결과로부터 ${\Delta}h/h$가 작을수록 해안대수층 내의 해수침투가 약해지는 메커니즘을 이해할 수 있었다.
This study applies 3-D N-S solver based on PBM (Porous Body Model), LED-WASS-3D ver 2.0 to directly analyze non-linear interaction of seawater-freshwater-coastal aquifer in order to simulate the seawater infiltration into coastal aquifer. This numerical simulation is the first trial in Korea, as wel...
This study applies 3-D N-S solver based on PBM (Porous Body Model), LED-WASS-3D ver 2.0 to directly analyze non-linear interaction of seawater-freshwater-coastal aquifer in order to simulate the seawater infiltration into coastal aquifer. This numerical simulation is the first trial in Korea, as well as unusual and new numerical analysis abroad. Firstly, to validate the applied numerical model, the validity and effectiveness was verified for the numerical model by comparing and considering it with the result of laboratory experiment for seawater-freshwater interface in coastal aquifer. And then it simulated the seawater infiltration into coastal aquifer considering the changed levels of seawater and groundwater in order to analyze the distribution characteristics of flow field and seawater-freshwater interface of coastal aquifer as the level difference between seawater and groundwater and rate of seawater level (${\Delta}h/h$) increased. In addition, the characteristics of seawater infiltration were analyzed from the vertical salinity in the coastal aquifer by ${\Delta}h/h$, which cannot be obtained from existing non-diffusion numerical models. Finally, it analyzed the effect of ${\Delta}h/h$ on the seawater infiltration distance in coastal aquifer, which was indexed.
This study applies 3-D N-S solver based on PBM (Porous Body Model), LED-WASS-3D ver 2.0 to directly analyze non-linear interaction of seawater-freshwater-coastal aquifer in order to simulate the seawater infiltration into coastal aquifer. This numerical simulation is the first trial in Korea, as well as unusual and new numerical analysis abroad. Firstly, to validate the applied numerical model, the validity and effectiveness was verified for the numerical model by comparing and considering it with the result of laboratory experiment for seawater-freshwater interface in coastal aquifer. And then it simulated the seawater infiltration into coastal aquifer considering the changed levels of seawater and groundwater in order to analyze the distribution characteristics of flow field and seawater-freshwater interface of coastal aquifer as the level difference between seawater and groundwater and rate of seawater level (${\Delta}h/h$) increased. In addition, the characteristics of seawater infiltration were analyzed from the vertical salinity in the coastal aquifer by ${\Delta}h/h$, which cannot be obtained from existing non-diffusion numerical models. Finally, it analyzed the effect of ${\Delta}h/h$ on the seawater infiltration distance in coastal aquifer, which was indexed.
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문제 정의
, 2009) 및 수치실험결과(Shim and Chung,2003)와의 비교·분석을 통하여 적용하는 LES-WASS-3D의 타당성 및 유효성을 확인한다. 그리고 해수-지하수위차에 따른 해안대수층 내의 유동장, 지하수위분포, 해수-담수 경계면, 연직염분농도분포, 해수침투거리 등으로부터 N-S Solver의 적용성을 확인함과 더불어 해수침투특성을 분석하는 것을 본 연구의 목적으로 한다.
가설 설정
(d)) 연직염분농도가 작아질 뿐만 아니라, Δh가 큰 경우에는 해수침투거리가 짧아 지하수에서 염분이 검출되지 않는다.
제안 방법
그리고 기존의 수리모형실험(Park et al., 2009) 및 수치실험(Shim and Chung, 2003)의 결과와 비교·검토하여 해안대수층의 해수침투모의에 적용하는 LES-WASS-3D의 타당성 및 유효성을 확인하였다.
그리고 본 검증에서는 1.025g/cm3의 해수 밀도를 고려하기 위하여 32psu의 염분을 고려하고, 지반조건은 평균입경 (D50) 0.1mm, 체적 공극률(γv) 0.15를 적용하였다.
그리고 수치수조의 격자크기는 Δx = 1m, Δy = 1m, Δz = 0.25m이며, Δt = 1/100sec 의 시간간격으로 해수침투모의를 수행한다.
그리고 수치수조의 격자크기는 Δx = 5m, Δy = 5m, Δz = 2m이며, Δt = 1/10sec의 시간간격으로 시뮬레이션을 수행한다.
기존의 비확산 수치모델에서는 파악할 수 없었던, 해안대수층 내의 연직염분농도로부터 해수침투에 따른 염분 농도 특성을 조사·분석하였다.
기존의 수리모형실험결과(Park et al., 2009) 및 수치해석결과(Shim and Chung, 2003)와의 비교·검토하여 적용한 수치모델 N-S Solver (LES-WASS-3D)의 타당성 및 유효성을 검증하였다.
이상과 같이 다양한 방법(현장조사, 근사식, 실험, 수치해석 등)을 통하여 해안대수층의 해수침투에 관한 연구들이 많은 분야에서 많이 수행되고 있으나, 아직까지 여러가지 문제점을 내재하고 있는 것은 엄연한 사실이다. 따라서 본 연구에서는 수치적인 접근방법에서 아직까지 해안대수층 내의 유동현상분석에 투수계수를 이용하는 방법에서 탈피하여 투수성 매체의 특성(입경, 공극, 형상 등)을 고려할 수 있는 PBM(Porous Body Model) 기반의 3차원 N-S Solver(LES-WASS-3D ver 2.0; Lee and Hur, 2014)를 적용하여 해수침투모의를 수행한다. 먼저 기존 실험결과(Park et al.
해안대수층의 해수침투모의에서는 해수위-지하수위의 차(Δh)에 따른 해안대수층의 유동 그리고 해수-담수 경계면의 분포 특성에 대하여 논의하였다. 또한 기존의 비확산 수치모의에서는 도출할 수 없었던 해안대수층의 연직염분농도의 분포특성을 수치적으로 조사하였다. 나아가 Δh/h에 따른 해안대수층 내의 해수침투거리를 나타내었으며, 이로부터 얻어진 주요한 결론을 아래와 같이 기술한다.
먼저 기존 실험결과(Park et al., 2009) 및 수치실험결과(Shim and Chung,2003)와의 비교·분석을 통하여 적용하는 LES-WASS-3D의 타당성 및 유효성을 확인한다.
본연구에서는 해수침투모의에 앞서 이용하는 N-S Solver (LES-WASS-3D ver 2.0; Lee and Hur, 2014)의 타당성과 유효성을 확인하기 위하여 해수침투에 관한 수리모형 실험(Park et al., 2009) 및 수치실험(Shim and Chung, 2003)의 결과와 비교·분석한다.
해안대수층의 해수침투모의에서는 해수위-지하수위의 차(Δh)에 따른 해안대수층의 유동 그리고 해수-담수 경계면의 분포 특성에 대하여 논의하였다.
대상 데이터
그리고 해석영역에는 평균입경(D50) 0.2cm, 체적 공극률(γv) 0.378의 모래를 1 : 1 경사로 설치하여 해안대수층을 구성한다.
이론/모형
그리고 LES-WASS-3D ver. 2.0에 관한 상세한 수치해석방법에 대해서는 Lee and Hur (2014)를 참고할 수 있다.
기초방정식은 3차원 비압축성·점성유체에서 무반사로파랑과 흐름을 발생시키기 위한 소스항이 포함된 연속방정식 (1) 그리고 PBM(Porous Body Model) 기반에 의해수정된 Navier-Stokes 운동방정식 (2)로 구성된다.
(15)와 같이 층류저항, 난류저항 그리고 관성저항으로 구분된다. 본 연구에서는 층류저항은 Liu and Masliyah (1999), 난류저항은 Ergun (1952) 그리고 관성저항은 Sakakiyama and Kajima (1992)가 제안한 실험식을 사용하고 있다.
본 연구에서는 해안대수층의 해수침투 특성을 PBM(Porous Body Model) 기반의 N-S Solver인 3차원 수치모델 LES-WASS-3D ver. 2.0 (Lee and Hur, 2014)를 적용하여 수치적으로 분석하였다. 그리고 기존의 수리모형실험(Park et al.
본 연구에서는 해안대수층의 해수침투모의를 위하여염분과 온도차에 의한 밀도류를 직접 해석할 수 있는 3차원 N-S Solver (LES-WASS-3D ver. 2.0; Lee and Hur,2014)를 이용한다. LES-WASS-3D ver.
4는 중앙단면(y = 0m)에서 정상상태의 해수-담수 경계면 및 유동장을 나타낸 것이다. 여기서 빨간색 원(○) 은 Shim and Chung (2003)이 SUTRA 모델을 적용하여 산정한 해수-담수 경계면이고, 색으로 구분되는 경계면은 N-S Solver를 이용하여 추정한 경계면이다.
(1991)과 Lilly (1991)가 제안한 동적 와동점성모델을 적용하고 있다. 자유수면의 표면장력을 수치적으로 고려할 수 있는 CSF(ContinuumSurface Force)모델(Brackbill et al., 1992)을 적용하였다.
성능/효과
Fig. 2로부터 수심이 깊어질수록 해수-담수의 압력 평형지점이 해안대수층 내부로 이동함에 따라 해수침투거리가 길어지는 특성을 잘 나타내며, 전반적으로 본 연구의 계산결과가 저면의 해수침투거리, 해수-담수 경계면의 기울기 등을 잘 재현하고 있다.
4로부터 상대적으로 동수경사가 작은 5월의 경우가 동수경사가 큰 7월의 경우에 비해 해수침투거리가 짧고, 해수-담수 경계면의 기울기가 완만한 것을 확인할 수 있다. 그리고 N-S Solver (LES-WASS-3D ver. 2.0)의 결과가 기존 수치모델(SUTRA)의 결과와 매우 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
그리고 해수침투거리는 Δh/h 가 작을수록 수심의 영향을 크게 받는 것을 알 수 있었다.
이상의 결과로부터 기존의 비확산 수치모델을 이용한 해수침투 계산결과에서는 얻을 수 없었던 이와 같은 연속적인 연직염분농도를 확인할 수 있다. 따라서 이러한 연직분포를 이용한다면 해안 및 도서지역에서 지하수 활용에 있어서 관정의 위치 및 깊이 그리고 최대/적정 양수량 등을 추정하는데 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
이상의 수리모형실험 및 수치실험과의 비교·분석결과에 근거하여 해안대수층 내의 해수침투모의에 있어서 새롭게 적용하는 3차원 N-S Solver 수치모델의 타당성과 유효성이 검증되었다고 판단되며, 본 연구에서는 LES-WASS-3D ver. 2.0을 이용하여 해안대수층 내의 해수침투모의를 수행한다.
해안대수층 내에서는 상대적으로 밀도가 큰 해수가 지하수(담수) 아래로 쐐기형태로 침투하고, Δh에 의해 발생한 지하수 흐름은 상대적으로 밀도가 작기 때문에 해빈의 수면부근으로 유출되는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
이상의 결과는 특정한 해석조건에 대한 결과이기는 하지만, 유사한 현장조건에서 해수침투에 대한 지표로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 그리고 본 연구에서 국내 최초로 적용한 N-S Solver는 해안대수층의 해수침투모의에 있어서 하나의 해석도구로 자리매김할 수 있을 것으로 사료된다.
이상의 결과로부터 기존의 비확산 수치모델을 이용한 해수침투 계산결과에서는 얻을 수 없었던 이와 같은 연속적인 연직염분농도를 확인할 수 있다. 따라서 이러한 연직분포를 이용한다면 해안 및 도서지역에서 지하수 활용에 있어서 관정의 위치 및 깊이 그리고 최대/적정 양수량 등을 추정하는데 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
이와 같이 지하수위의 변화는 해안대수층으로 침투하는 해수에 매우 큰 영향을 미치게 된다. 따라서 지하수위 변화가 가장 큰 홍수기와 갈수기에 대한 해안대수층 내의해수침투 정도를 예측하여 적절한 대응이 필요할 것으로 판단된다. 또한 무분별한 지하수 남용이 Δh를 줄일 수있기 때문에 해안 및 도서지역의 효율적인 취수시스템이 갖춰 주어야 할 것이다.
또한 무분별한 지하수 남용이 Δh를 줄일 수있기 때문에 해안 및 도서지역의 효율적인 취수시스템이 갖춰 주어야 할 것이다.
이상의 결과는 특정한 해석조건에 대한 결과이기는 하지만, 유사한 현장조건에서 해수침투에 대한 지표로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 그리고 본 연구에서 국내 최초로 적용한 N-S Solver는 해안대수층의 해수침투모의에 있어서 하나의 해석도구로 자리매김할 수 있을 것으로 사료된다.
반면에 Δh가 커질수록 수심에 의한 침투거리의 변화가 작기 때문에 해수침투거리 분포곡선이 급해지는 경향을 나타낸다. 이와 같이 2차 포물선 형태를 띠고 있는 해수침투거리 분포곡선을 적절히 활용한다면, 본 해수침투모의와 유사한 조건의 현장에서 침투거리를 추정하는데 하나의 중요한 지표로 활용될 수 있다. 향후 이러한 결과를 이용하여 해수침투 대응방안에 대한 검토를 수행해 나갈 예정이다.
이와 같이 2차 포물선 형태를 띠고 있는 해수침투거리 분포곡선을 적절히 활용한다면, 본 해수침투모의와 유사한 조건의 현장에서 침투거리를 추정하는데 하나의 중요한 지표로 활용될 수 있다. 향후 이러한 결과를 이용하여 해수침투 대응방안에 대한 검토를 수행해 나갈 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해안 및 도서지역에서의 지하수의 사용량 증가는 어떤 문제점이 있는가?
이러한 해안 및 도서지역은 용수공급에 있어서 불가결한 지하수의 사용량 증가는 지하수위를 저하시키게 되고, 이 영향으로 인해 해안대수층의 해수침투가 발생할 잠재적 위험성을 지내고 있다. 한번 해수침투가 발생하면 복구를 하는 데 막대한 비용과 시간이 소요되어, 사실상 한번 해수침투가 발생한 지역은 더 이상 식수 및 용수로 사용이 불가능해지는 악순환이 발생한다.
해안대수층의 해수침투에 관한 국내의 기존 연구들의 한계점은?
이와 같은 실험적 연구들은 해안대수층의해수침투특성을 이해하는 데 크게 기여하고 있다. 하지만 거의 대부분의 실험이 소규모의 모래수조에서 이루어지고 있기 때문에 실제 현장에서 발생하는 해수침투 현상을 파악 및 예측을 수행하기에는 미흡한 점이 많다.
지하수가 지표수에 비해 수자원으로 활용하기 쉬운 이유는?
76%로서 월등한 비율을차지한다. 그리고 지표수는 단시간에 바다로 유출되기 때문에 수자원을 확보하기 위해서는 막대한 비용을 들여 저류시설을 갖추어야 한다. 하지만 지하수는 특별한 저류시설이 없이도 유출시간이 길어 지표수에 비해 수자원으로 활용하기가 매우 유용하다.
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