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가설 설정
- 동절기 지하수 인공함양 시험 결과를 바탕으로 개념 모델을 개발하였다. 균질 및 등방성의 저투수성 암반과 암반의 중심부를 수평으로 관통하는 고투수성의 파쇄대로 구성된 암반 대수층을 가정하였다(Fig. 3). 3차원 모델 영역의 크기는 열-수리 모델에서는 100 m × 100 m × 13 m로설정하였으나, 용질 거동 모델링 시 주입된 물의 영향이 모델의 좌우 경계에까지 영향을 미치는 것으로 확인되어 모델의 영역을 500 m × 200 m × 13 m로 확장하였다.
- (1992)에의하면 종분산지수는 실험규모 또는 용질 이동 거리의 약 1/10이며, 횡분산지수는 종분산지수의 약 1/10 정도이다. 따라서 본 연구에서는 시험의 규모 또는 모델 영역의 크기를 고려하여 모델 보정의 초기값으로 종분산지수와 횡 분산지수를 각각 50 m와 5m로 가정하였다. 분산지수의 경우 모델 결과의 세밀한 부분을 조절하는데 있어서 용이하였기 때문에 균열대의 두께와 균열대의 공극률 및 수두구배로 전체적인 모델 보정을 실시하고 분산지수로 세밀한 부분을 보정하였다.
- 84 m2/day로 나타났다. 모델의 입력변수로는 두 값의 평균을 사용하였으며, 본 연구에서는 지하수의 주 이동 경로를 균열대로 가정하였기 때문에 K=T/b로 균열대의 두께(b)가 변화하면 수리전도도(K) 또한 변하도록 설정하였다. 한편 균열대 상하부 암반의 경우 지하수 흐름이 거의 발생하지 않을 것으로 판단되어 매우 낮은 수리전도도와 저유계수를 가정하였다.
- 모델의 입력변수로는 두 값의 평균을 사용하였으며, 본 연구에서는 지하수의 주 이동 경로를 균열대로 가정하였기 때문에 K=T/b로 균열대의 두께(b)가 변화하면 수리전도도(K) 또한 변하도록 설정하였다. 한편 균열대 상하부 암반의 경우 지하수 흐름이 거의 발생하지 않을 것으로 판단되어 매우 낮은 수리전도도와 저유계수를 가정하였다.
제안 방법
- 4 m 이격시켜 관측정을 설치하였다. 50 m3/day로 0~0.6일간 7.5℃, 0.17mg/l의 물이 균열대가 위치한 층에 주입되도록 하였으며,0.6~5일까지 회복되도록 하였다(Fig. 3).
- 지하수와 수온, 수질이 다른 수돗물을 관정에 주입하고 균열암반 대수층에서의 수온 및 전기전도도 변화를 관측하는 인공함양시험을 수행하였다. FEFLOW를 이용하여 열-수리 및 용질거동 모델을 개발하였으며 현장시험 결과를 적용하여 모델 보정을 실시하였고, 보정된 모델을 이용하여 민감도 분석을 수행하였다.
- 개발된 개념 모델을 이용하여 모델 보정을 실시하였다. 보정은 불확실한 입력 변수인 균열대의 공극률(n), 균열대의 두께, 수두구배(dh/dl) 및 분산지수(α)를 변화시키며 관측값에 모델링 결과를 일치시키는 과정으로 시행착오법을 이용하였다.
- 5 mS/cm로 거의 모든 구간에서 일정한 값으로 나타났다. 검층 후 관정 내부에 자동 계측기를 설치한 뒤 수위가 안정되도록 충분히 기다린 후 하절기에는 약 24.5℃,0.16 mS/cm의 수돗물을 51.2 m3/day로 주입하였으며, 동절기에는 약 7.6℃, 0.16 mS/cm의 수돗물을 49.5 m3/day로주입하였다. 하절기의 경우 2013년 8월 28일부터 9월2일까지 계측하였고, 동절기의 경우 2014년 2월 5일부터 2월 10일까지 계측하였다.
- 동절기 지하수 인공함양 시험 결과를 바탕으로 개념 모델을 개발하였다. 균질 및 등방성의 저투수성 암반과 암반의 중심부를 수평으로 관통하는 고투수성의 파쇄대로 구성된 암반 대수층을 가정하였다(Fig.
- 하절기의 경우 주입정과 관측정 모두 25 m부터 5 m 간격으로 자동 계측기를 설치하였다. 동절기의 경우 주입정은 40 m부터 5 m 간격으로, 관측정은 36 m부터 5m 간격으로 자동 계측기를 설치하였으며, 관측정의 69 m와 73 m 심도에서는 전기전도도를 추가적으로 측정할 수 있도록 CTD DIVER를 설치하였다. 수돗물 주입이 중단된 후 회복되는 동안 검층을 실시하여 관정 내부의 수온 및 전기전도도 분포를 측정하였다.
- 열물성 측정에 있어 주의할 점은 샘플의 단면과 probe의 표면을 밀착시키는 과정에서 샘플과 probe의 사이에 열물성이 매우 낮은 공기가 들어가게 되면 측정값에 큰 오차가 발생하게 된다. 따라서 공기가 들어가지 않도록 샘플과 probe 사이에 증류수를 뿌린 뒤 밀착시켜 측정하였다. 또한, 열물성 측정값의 정확도를 높이기 위해 총 3회씩 측정하여 평균값을 사용하였다(Table 1).
- 수치모델링의 경우 반복적인 계산을 통하여 결과를 도출하게 되는데,암반을 구성하는 각 층(layer)의 두께가 너무 두껍거나 두께의 차이가 급격하게 커지면 계산과정에서 오차가 발생하기 쉽다. 따라서 등 간격으로 설정하는 방법보다 점진적으로 두께가 증가하도록 설정하는 방법이 계산과정에서의 오차를 줄일 수 있는 방법이라고 판단하여 암반을 구성하는 층의 두께가 점진적으로 변화하도록 하였다.
- 지하수에 비해 상수도를 통해 공급되는 수돗물은 기온에 영향을 많이 받아 계절적 온도변화가 뚜렷하다. 따라서 시험 기간을 하절기(8월)와 동절기(2월)로 선정하여 대수층에 온수와 냉수가 주입되도록 하였다. 또한, 대수층 내부의 심도별 온도변화를 관측하기 위해 자동 계측기를 관정의 내부에 설치하여 시험을 수행하였다.
- 따라서 시험 기간을 하절기(8월)와 동절기(2월)로 선정하여 대수층에 온수와 냉수가 주입되도록 하였다. 또한, 대수층 내부의 심도별 온도변화를 관측하기 위해 자동 계측기를 관정의 내부에 설치하여 시험을 수행하였다. 하절기의 경우 주입정과 관측정 모두 25 m부터 5 m 간격으로 자동 계측기를 설치하였다.
- 따라서 공기가 들어가지 않도록 샘플과 probe 사이에 증류수를 뿌린 뒤 밀착시켜 측정하였다. 또한, 열물성 측정값의 정확도를 높이기 위해 총 3회씩 측정하여 평균값을 사용하였다(Table 1).
- 하지만 단위 변환에 따른 환산값을 사용하지 않더라도 모델링 해석 결과에는 영향을 주지 않으므로 현장에서 측정한 전기전도도 값을 그대로 사용하였다. 또한, 전체적인 수두분포를 초기값으로 입력하기 위해 좌우 경계에 수두차를 발생시킨 뒤 정류모델을 모사하여 그 결과를 부정류모델의 초기수두로 설정하였다.
- 모델의 좌우 경계면은 수두차가 존재하는 일정수두경계로 설정하였다. 모델의 위, 아래 경계는 물이 흐르지 않도록 불투수경계(No Flow Boundary)로 설정하였으며, 모델의 중심에 주입정을 설치하고 하류로 5.4 m 이격시켜 관측정을 설치하였다. 50 m3/day로 0~0.
- 모델영역에서 수직 방향의 크기 13 m는 임의로 선정된 값이며, 인공함양 시 모델영역의 중앙부 고투수성의 파쇄대 영역에서 발생하는 열-수리 흐름 또는 용질 거동의 영향이 암반에서 흡수되기에 충분한 거리이다. 모델의 좌우 경계에는 일정수두경계(Constant head boundary)로 설정하여 수두차가 발생하도록 하였다.
- 보정된 모델을 이용하여 불확실 변수인 균열대의 두께,균열대의 공극률, 수두구배 및 분산지수에 대하여 민감도 분석을 실시하였다(Table 4).
- 본 연구에서는 암반대수층에 지하수와 다른 조건의 물을 주입하여 암반대수층에서의 심도별 수온 및 전기전도도 변화를 관측하였으며, 그 결과를 FEFLOW에 적용하여 수치모의를 수행하였다. 수치모델의 입력자료 중 불확실 변수를 조절하여 모델보정을 실시하였고, 보정된 모델을 통해 민감도 분석을 수행하여 인공함양 시 각 변수가 대수층에 미치는 영향에 대해 분석하고자 하였다.
- 본 연구에서는 앞서 산출된 투수량계수를 균열대의 수리물성으로 가정하였기 때문에 균열대의 두께가 변화함에 따라 균열대의 수리전도도가 변화하도록 하였다. 균열대의 두께와 공극률의 경우 모델링 초기값으로 임의의 값을 입력하여 보정을 실시하였다.
- 따라서 본 연구에서는 시험의 규모 또는 모델 영역의 크기를 고려하여 모델 보정의 초기값으로 종분산지수와 횡 분산지수를 각각 50 m와 5m로 가정하였다. 분산지수의 경우 모델 결과의 세밀한 부분을 조절하는데 있어서 용이하였기 때문에 균열대의 두께와 균열대의 공극률 및 수두구배로 전체적인 모델 보정을 실시하고 분산지수로 세밀한 부분을 보정하였다. 열-수리 모델의 경우 종분산지수 10 m, 횡분산지수 1m로 보정되었으며, 용질 거동 모델의 경우 종분산지수 5 m, 횡분산지수 0.
- 동절기의 경우 주입정은 40 m부터 5 m 간격으로, 관측정은 36 m부터 5m 간격으로 자동 계측기를 설치하였으며, 관측정의 69 m와 73 m 심도에서는 전기전도도를 추가적으로 측정할 수 있도록 CTD DIVER를 설치하였다. 수돗물 주입이 중단된 후 회복되는 동안 검층을 실시하여 관정 내부의 수온 및 전기전도도 분포를 측정하였다.
- 본 연구에서는 암반대수층에 지하수와 다른 조건의 물을 주입하여 암반대수층에서의 심도별 수온 및 전기전도도 변화를 관측하였으며, 그 결과를 FEFLOW에 적용하여 수치모의를 수행하였다. 수치모델의 입력자료 중 불확실 변수를 조절하여 모델보정을 실시하였고, 보정된 모델을 통해 민감도 분석을 수행하여 인공함양 시 각 변수가 대수층에 미치는 영향에 대해 분석하고자 하였다.
- 암반 대수층에 지하수와 조건이 다른 물이 주입되는 경우를 모의하기 위해 하절기와 동절기 총 2회에 걸쳐 인공함양 시험을 실시하였다. 지하수에 비해 상수도를 통해 공급되는 수돗물은 기온에 영향을 많이 받아 계절적 온도변화가 뚜렷하다.
- 열물성을 측정하기 전에 측정기기의 오차를 검증하였다. 표준 샘플을 이용하여 측정기기의 오차를 검증한 결과 5% 이내였기 때문에 측정 결과에 대한 문제가 없다고 판단된다.
- 지하수 인공함양 시험 결과를 바탕으로 생성된 모델을 이용하여 민감도 분석을 수행하였다. 분석 결과 균열대의 두께와 공극률은 균열대 내부의 공간과 지하수의 유속에 영향을 미치기 때문에 인공함양에 의한 영향 범위와 회복되는 속도에 주로 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 지하수 인공함양 시험을 실시하기 전에 대수층의 전체적인 수온과 전기전도도의 분포를 알아보기 위해 검층을 수행하였다. 그 결과 수온은 약 15℃, 전기전도도는 약 0.
- 지하수와 수온, 수질이 다른 수돗물을 관정에 주입하고 균열암반 대수층에서의 수온 및 전기전도도 변화를 관측하는 인공함양시험을 수행하였다. FEFLOW를 이용하여 열-수리 및 용질거동 모델을 개발하였으며 현장시험 결과를 적용하여 모델 보정을 실시하였고, 보정된 모델을 이용하여 민감도 분석을 수행하였다.
- 5 m3/day로주입하였다. 하절기의 경우 2013년 8월 28일부터 9월2일까지 계측하였고, 동절기의 경우 2014년 2월 5일부터 2월 10일까지 계측하였다.
대상 데이터
- 공주대학교 자연과학대학 서쪽에 위치한 암반관정 2개소를 대상으로 인공함양 시험을 실시하였다. 시험 대상 관정은 공주지역 지하수 기초조사 사업을 목적으로 설치된 암반관정으로 주입정과 관측정간의 이격 거리는 약 5.
- 보정은 불확실한 입력 변수인 균열대의 공극률(n), 균열대의 두께, 수두구배(dh/dl) 및 분산지수(α)를 변화시키며 관측값에 모델링 결과를 일치시키는 과정으로 시행착오법을 이용하였다. 모델 보정에 사용된 관측값은 온도의 경우 주입정의 70 m와 관측정의 71 m, 전기전도도의 경우 관측정 69 m 심도의 데이터를 이용하였다.
- 열물성 측정 결과 편마상 화강암인 KJ-56시료와 KJ-99시료에 비해 편마암인 KJ-85시료는 열전도도가 높게 측정되었다. 모델의 입력 변수를 결정하기 위해 주 균열대인 71 m 부근의 시추코아와 가장 유사한 암종으로 보이는 KJ-56(56 m), KJ-99(99 m)의 열물성을 선정하였다. 비교적 다른 암종으로 보이는 KJ-85(85 m)의 열물성은 제외하였다.
- 공주대학교 자연과학대학 서쪽에 위치한 암반관정 2개소를 대상으로 인공함양 시험을 실시하였다. 시험 대상 관정은 공주지역 지하수 기초조사 사업을 목적으로 설치된 암반관정으로 주입정과 관측정간의 이격 거리는 약 5.4 m이며, 지하수위는 약 31 m 정도 이다. 굴착 시 지질 검층 자료에 의하면 지표로부터 매립층(0~0.
- 열물성의 측정을 위해 연구 지역의 시추코아 중 암종의 구분이 뚜렷한 3종류의 코아 샘플을 대상으로 2014년 4월 한국지질자원연구원(KIGAM)에서 열물성 측정을 실시하였다. 코아 샘플의 경우 완전 포화시켜 대수층의 조건을 반영하였고, 측정에 용이하도록 세로로 절단하였다.
이론/모형
- 보정은 불확실한 입력 변수인 균열대의 공극률(n), 균열대의 두께, 수두구배(dh/dl) 및 분산지수(α)를 변화시키며 관측값에 모델링 결과를 일치시키는 과정으로 시행착오법을 이용하였다.
- 연구 지역의 관정 굴착 시 수행된 장기 양수 및 회복시험 결과(MOLIT, 2013)를 Jacob법에 적용하여 수리물성(투수량계수(T), 저유계수(S))을 산출하였다. 양수시험의 해석 결과 T = 30.
성능/효과
- 3차원 모델 영역의 크기는 열-수리 모델에서는 100 m × 100 m × 13 m로설정하였으나, 용질 거동 모델링 시 주입된 물의 영향이 모델의 좌우 경계에까지 영향을 미치는 것으로 확인되어 모델의 영역을 500 m × 200 m × 13 m로 확장하였다.
- 동절기 시험 또한 마찬가지로 주입정의 75 m 심도에서 대수층으로 유출되는 구간을 파악하였으며, 관측정의 71 m 심도에서 주입된 물이 관정 내부로 유입되었다. 검층 결과를 분석해 보면 관측정의 35 m, 39 m, 43 m,50 m, 71 m의 심도에서 수온 및 전기전도도가 크게 변화하였거나 빠르게 회복되는 것을 볼 수 있었다. 이는 공주지역 지하수 기초조사 보고서에 기재된 4개의 파쇄대와 근사한 심도로 판단되며, 특히 71 m 심도는 지하수의 유동이 가장 활발한 주 균열대로 사료된다.
- 1a). 관측정의 경우 70 m 심도에서 가장 먼저 수온 변화가 관측되었으며,70 m 심도에서 시작된 수온 변화는 주로 70 m 하부보다는 상부에 더 큰 영향을 주는 것으로 나타났다(Fig. 1b).
- 5는 열-수리 모델의 불확실 변수에 대한 민감도 분석 결과이다. 균열대의 두께를 감소시킨 경우와 수두구배가 증가한 경우 회복되는 속도가 증가하였으며, 주입기간 동안 주입수에 의한 온도 변화가 컸다(Fig. 5a, b). 한편, 균열대의 공극률을 변화시킨 결과 주입정과 관측정의 온도변화에는 영향이 거의 없었다(Fig.
- 8은 균열대 심도에서 주입정과 관측정이 위치한 지점의 전기전도도 분포 단면도이다. 균열대의 두께와 공극률이 감소함에 따라 주입수에 의한 영향 범위가 크게 나타나는 것을 볼 수 있었으며(Fig. 8a, c), 수두구배가 증가함에 따라 지하수의 유속이 증가하여 주입수에 의한 영향이 비대칭적으로 하류 방향으로 크게 나타났다(Fig. 8e). 균열대의 두께와 공극률은 반비례, 수두구배는 정비례하여 지하수의 유속에 영향을 미친다.
- 지하수 인공함양 시험을 실시하기 전에 대수층의 전체적인 수온과 전기전도도의 분포를 알아보기 위해 검층을 수행하였다. 그 결과 수온은 약 15℃, 전기전도도는 약 0.5 mS/cm로 거의 모든 구간에서 일정한 값으로 나타났다. 검층 후 관정 내부에 자동 계측기를 설치한 뒤 수위가 안정되도록 충분히 기다린 후 하절기에는 약 24.
- 또한, 지하수의 유속은 두께에 반비례하고 수두구배에 정비례하여 균열대의 두께가 얇아질수록, 수두구배가 커질수록 증가하게 된다. 따라서 균열대의 두께가 감소하고, 수두구배가 증가함에 따라 지하수의 유속이 증가하여 회복되는 속도가 증가하는 것으로 나타났다(Fig.6b, d). 한편, 균열대의 공극률이 변화하여도 수온 분포의 변화에는 영향을 미치지 않았다(Fig.
- 5c). 또한, 분산지수가 증가할수록 주입된 물의 영향이 덜 발생하였고, 회복되는 속도가 빠른 것으로 나타났다(Fig. 5d).
- 7a, b, c). 또한, 분산지수를 증가시킨 결과 주입수의 영향이 덜 발생하였으며, 주입 중단 후 회복되는 속도가 증가하였다. 한편, 종분산지수가 1m일 때 2일과 3일 사이에 그래프가 매끄럽지 못한 부분이 있는데, 이는 분산지수가 매우 작아 모델링 계산과정에서 발생한 오차인 것으로 추정된다(Fig.
- 분석 결과 균열대의 두께와 공극률은 균열대 내부의 공간과 지하수의 유속에 영향을 미치기 때문에 인공함양에 의한 영향 범위와 회복되는 속도에 주로 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한,수두구배의 경우 지하수의 유속에 정비례하여 영향을 미치기 때문에 인공함양에 의해 변화한 대수층의 영역이 이동하는 속도와 수리분산에 의해 퍼져나가는 정도에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 분산지수의 경우 인공함양에 의한 영향 범위와 전체적인 모양을 결정하는 것으로 나타났다.
- 6e, f). 분산지수가 증가할수록 주입수가 퍼져나간 거리가 증가하였고, 회복되는 속도 또한 증가하였다(Fig. 6g, h)
- 지하수 인공함양 시험 결과를 바탕으로 생성된 모델을 이용하여 민감도 분석을 수행하였다. 분석 결과 균열대의 두께와 공극률은 균열대 내부의 공간과 지하수의 유속에 영향을 미치기 때문에 인공함양에 의한 영향 범위와 회복되는 속도에 주로 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한,수두구배의 경우 지하수의 유속에 정비례하여 영향을 미치기 때문에 인공함양에 의해 변화한 대수층의 영역이 이동하는 속도와 수리분산에 의해 퍼져나가는 정도에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 열물성 측정 결과 편마상 화강암인 KJ-56시료와 KJ-99시료에 비해 편마암인 KJ-85시료는 열전도도가 높게 측정되었다. 모델의 입력 변수를 결정하기 위해 주 균열대인 71 m 부근의 시추코아와 가장 유사한 암종으로 보이는 KJ-56(56 m), KJ-99(99 m)의 열물성을 선정하였다.
- 하절기 시험 결과 주입정의 70 m와 75 m 사이에 주입된 물이 대수층으로 빠져나가는 구간이 존재하였으며, 대수층을 통해 관측정으로 유입되는 구간이 약 70 m 부근에 존재하였다. 동절기 시험 또한 마찬가지로 주입정의 75 m 심도에서 대수층으로 유출되는 구간을 파악하였으며, 관측정의 71 m 심도에서 주입된 물이 관정 내부로 유입되었다.
후속연구
- 하지만 모델에서는 이러한 점을 모사할 수 없었기 때문에 실제 현장을 완벽히 반영하지 못했다. 따라서 주 균열대로 추정되는 71 m 심도의 전기전도도 데이터와 관정과 관정 내부의 물 흐름을 모델로 모사할 수 있었다면 더욱 정확한 모델 보정 결과가 도출되었을 것으로 판단된다.
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