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문제 정의
- 본 연구는 토층으로 이루어진 자유면 대수층에서 필터조건에 따른 우물의 취수량 및 효율과의 상관관계를 평가하기 위하여 수행하였다. 이를 위하여 입도가 다른 충적층(모래층, 자갈층) 조건에 다양한 필터조건을 형성시킨 모형시험장치를 제작한 후 단계양수시험을 수행하고 그 결과를 분석하여 상관관계를 평가하였다.
- 또한, 단일필터층과 이중필터층의 비교, 이중필터층의 층위 및 필터층의 두께에 대한 평가 뿐 아니라 각각의 조건에 따른 취수량과 우물효율, 투수계수와의 연관성을 도출하고자 하였다. 본 연구의 결과는 추후 수행예정인 현장실증시험의 기초자료로 활용될 예정이며, 향후 충적층 우물의 설계에 대한 기준을 제시할 수 있을 것으로 판단된다.
제안 방법
- 본 연구는 토층으로 이루어진 자유면 대수층에서 필터조건에 따른 우물의 취수량 및 효율과의 상관관계를 평가하기 위하여 수행하였다. 이를 위하여 입도가 다른 충적층(모래층, 자갈층) 조건에 다양한 필터조건을 형성시킨 모형시험장치를 제작한 후 단계양수시험을 수행하고 그 결과를 분석하여 상관관계를 평가하였다.
- 시험장치는 안정적으로 용수를 공급하기 위한 용수공급조, 강변의 대수층을 모사하는 시험조, 시험조의 스크린을 통해 지하수를 배출하는 배수펌프, 배수펌프를 통하여 배출되는 물의 양을 측정하기 위한 유량계, 필터층 형성을 위한원형 케이싱으로 구성된다(Table 1). 펌프 배관에 밸브를 장착, 시험조에서 유출되는 유량을 조절하여 시험조의 물의 수위가 일정하게 유지될 수 있도록 하였으며, 시험조에 유입된 물이 필터층을 지나 스크린을 통해 배출될 때 시간에 따른 유량의 변화를 관찰하기 위하여 유량계를 설치하였다. 유량계를 통해 유출된 용수는 시험조 용수공급부로 재공급 되도록 배관을 설치하였다.
- 유량계를 통해 유출된 용수는 시험조 용수공급부로 재공급 되도록 배관을 설치하였다. 또한, 용수공급이 부족 할 경우를 대비하여 용수공급조를 추가 설치하여 부족한 용수를 공급하도록 계획하였으며, 용수공급이 과다할 경우를 대비하여 시험조에 수위유지선 높이에 유출배관을 설치하였다. 이중필터를 적용하여 실험하는 경우 필터재의 두께는 총 30 cm로 설정하였으며, 단일필터의 경우 필터재의 두께는 10 cm와 30 cm를 적용하였다.
- 관측정1은 취수정에서 60 cm 이격하여 설치하였으며, 관측정2는 100 cm 이격하여 설치하였다. 원수유입관 지점의 지하수위는 항상 65 cm를 유지하도록 설계하였다(Fig. 1).
- 대수성시험은 단계대수성시험을 수행하였으며, 각 시험조에서 단계별 소요시간은 1시간이며, 총 소요시간은 5시간으로 설정하였다(Table 2).
- 본 모형시험에서 1개의 양수정과 2개의 관측정을 설치하였으며, 단계양수시험에서의 관측정 수위 강하량을 분석하여 투수특성을 평가하였다. 투수계수는 r = r1 일때, h = h1, r = r2 일때, h = h2이므로 다음 식에 의해 계산 가능하다.
- 우물효율은 양수량이 증대될수록 낮아지는 특성이 있어 동일한 양수량에 기반하여 우물효율의 비교가 이루어져야하며 본 연구에서는 10 m3/d 일 때의 우물효율을 평가하였다.
- 본 연구에서 단계양수시험 결과를 토대로 투수계수, 적정양수량, 투수특성을 고려한 필터층 영향, 우물효율을 분석하였다.
대상 데이터
- 시험장치는 안정적으로 용수를 공급하기 위한 용수공급조, 강변의 대수층을 모사하는 시험조, 시험조의 스크린을 통해 지하수를 배출하는 배수펌프, 배수펌프를 통하여 배출되는 물의 양을 측정하기 위한 유량계, 필터층 형성을 위한원형 케이싱으로 구성된다(Table 1). 펌프 배관에 밸브를 장착, 시험조에서 유출되는 유량을 조절하여 시험조의 물의 수위가 일정하게 유지될 수 있도록 하였으며, 시험조에 유입된 물이 필터층을 지나 스크린을 통해 배출될 때 시간에 따른 유량의 변화를 관찰하기 위하여 유량계를 설치하였다.
- 또한, 용수공급이 부족 할 경우를 대비하여 용수공급조를 추가 설치하여 부족한 용수를 공급하도록 계획하였으며, 용수공급이 과다할 경우를 대비하여 시험조에 수위유지선 높이에 유출배관을 설치하였다. 이중필터를 적용하여 실험하는 경우 필터재의 두께는 총 30 cm로 설정하였으며, 단일필터의 경우 필터재의 두께는 10 cm와 30 cm를 적용하였다. 관측정1은 취수정에서 60 cm 이격하여 설치하였으며, 관측정2는 100 cm 이격하여 설치하였다.
성능/효과
- 투수계수를 분석한 결과 이중필터 취수정 중 SDS-3에서 4.14 × 10−2cm/sec로 가장 높은 값을 가지는 것으로 평가되었으며, 단일필터 취수정 SSS-3에서 2.36 × 10−2 cm/sec로 가장 낮은 값을 보였다(Fig. 3).
- SDS-3은 외부필터층이 모래로 구성되어 있어 충적층의 세립분의 급격한 유입을 방지하고 이로 인하여 클로깅 현상을 완화시킴과 동시에 내부필터재인 자갈에서 높은 공극율을 유지하기 때문에 높은 투수성을 나타내는 것으로 판단된다. 동일한 두께의 단일필터와 이중필터의 평균 투수계수를 평가하면, 이중필터는 단일필터에 비해약 123.6%의 투수계수가 높음을 확인하였으며, 필터재 두께가 얇은 SSS-3과는 이중필터가 약 152.4% 높게 평가되었다.
- 4). 모래층과 마찬가지로 내부필터가 자갈, 외부필터가 모래로 구성된 GDS-3에서 가장 양호한 투수특성을 보이는 것으로 파악되었다. 이중필터 중 GDS-2에서의 투수계수가 낮게 평가되는데 이는 시료 제작 시 불균질성에 기인한 영향과 필터조건에 따른 영향이 복합적으로 작용하였을 개연성이 있다.
- GDS-2를 제외한 동일한 두께의 단일필터와 이중필터의 평균 투수계수를 평가하면, 이중필터는 단일필터에 비해 약 105.1%의 투수계수가 높음을 확인하였으며, 필터재 두께가 얇은 GSS-3과는 이중필터가 약 135.5% 높게 평가되었다.
- 필터재의 층위 및 두께에 따른 투수특성의 변화양상을 볼 때, 지반의 불균질성에 의한 영향을 감안하더라도 외부필터재가 모래, 내부필터재가 자갈로 형성하는 것이 수리특성 향상에 보다 유리한 것으로 평가되었으며, 내부필터재의 두께가 더 두꺼운 경우에 보다 좋은 결과를 나타내고 있음을 확인하였다.
- 모래층에서 각 단계별 평균 양수량과 양수정에서의 수위 강하량과의 관계를 분석하면 로그함수 형태로 매우 높은 상관성을 보이는 것으로 평가되었다. 관계식을 근거로 하여 수위 강하 심도가 50 cm인 경우로 각각의 조건에 대하여 평가하면 이중필터가 단일필터에 비해 상대적으로 양호한 취수량이 확보되는 것으로 파악되었다.
- 모래층에서 각 단계별 평균 양수량과 양수정에서의 수위 강하량과의 관계를 분석하면 로그함수 형태로 매우 높은 상관성을 보이는 것으로 평가되었다. 관계식을 근거로 하여 수위 강하 심도가 50 cm인 경우로 각각의 조건에 대하여 평가하면 이중필터가 단일필터에 비해 상대적으로 양호한 취수량이 확보되는 것으로 파악되었다. 가장 높은 양수량을 보이는 시료는 SDS-3으로써 26.
- 관계식을 근거로 하여 수위 강하 심도가 50 cm인 경우로 각각의 조건에 대하여 평가하면 이중필터가 단일필터에 비해 상대적으로 양호한 취수량이 확보되는 것으로 파악되었다. 가장 높은 양수량을 보이는 시료는 SDS-3으로써 26.34 L/min로 평가되었으며, SSS-3에서 12.41 L/min로 가장 낮은 값으로 분석되었다(Table 3). 동일한 두께인 30 cm 필터층을 갖는 이중필터와 단일필터의 평균 양수량을 분석하면, 이중필터가 단일필터 대비 약 115.
- 41 L/min로 가장 낮은 값으로 분석되었다(Table 3). 동일한 두께인 30 cm 필터층을 갖는 이중필터와 단일필터의 평균 양수량을 분석하면, 이중필터가 단일필터 대비 약 115.0% 양수량이 증대되는 것으로 평가되었다. 필터층 두께가 얇은 SSS-3과 비교하면, 이중필터가 약182.
- 자갈층에서 각 단계별 평균 양수량과 양수정에서의 수위 강하량과의 관계를 분석하면 모래층과 마찬가지로 높은 상관성을 보이는 것으로 평가되었다. 수위 강하 심도가 50 cm인경우로 각각의 조건에 대하여 평가하면 이중필터가 단일필터에 비해 비교적 양호한 취수량을 보이는 것으로 파악되었다.
- 자갈층에서 각 단계별 평균 양수량과 양수정에서의 수위 강하량과의 관계를 분석하면 모래층과 마찬가지로 높은 상관성을 보이는 것으로 평가되었다. 수위 강하 심도가 50 cm인경우로 각각의 조건에 대하여 평가하면 이중필터가 단일필터에 비해 비교적 양호한 취수량을 보이는 것으로 파악되었다. 내측필터를 자갈로 형성시킨 이중필터인 GDS-1과 GDS-3에서 각각 79.
- 38 L/min로 높은 양수량을 보이고 있다(Table 4). 필터층 두께가 10 cm인 단일필터인 GSS-3에서 45.73 L/min로 가장 낮은 양수량을 보이는 것으로 평가되었다. 동일한 두께인 30 cm 필터층을 갖는 이중필터와 단일필터의 평균 양수량을 분석하면, 이중필터가 단일필터 대비 약 112.
- 73 L/min로 가장 낮은 양수량을 보이는 것으로 평가되었다. 동일한 두께인 30 cm 필터층을 갖는 이중필터와 단일필터의 평균 양수량을 분석하면, 이중필터가 단일필터 대비 약 112.3% 양수량이 증대되는 것으로 평가되었다. 필터층 두께가 얇은 SSS-3과 비교하면, 이중필터가 단일필터에 비해 약 160.
- 3% 양수량이 증대되는 것으로 평가되었다. 필터층 두께가 얇은 SSS-3과 비교하면, 이중필터가 단일필터에 비해 약 160.9% 양수량이 증대되는 것으로 확인되었다.
- 3% 양수량이 증대되는 것으로 평가되었다. 필터층 두께가 얇은 SSS-3과 비교하면, 이중필터가 단일필터에 비해 약 160.9% 양수량이 증대되는 것으로 확인되었다.
- 필터재의 층위 및 두께에 따른 적정양수량의 변화양상을 볼 때, 이중필터가 단일필터에 비해 상대적으로 양호한 양수량 확보가 가능한 것으로 평가되었다. 특히, 필터층 두께가 작은 단일필터와의 차이는 두드러지게 나타나는데 이는 지반조건에 맞는 이중필터가 양수정 주변에서 난류 발생을 최소화함으로써 우물효율을 높게 유지시키는데 기인한 것으로 판단된다.
- 4%로 가장 높게 평가되었으며, 이중필터 SDS-1과 단일필터 SSS-1 및 SSS-2에서 65% 내외의 효율을 나타낸다. 이중필터 중 자갈층이 외부필터로 구성되어 있는 SDS-2 및 SDS-4에서는 상대적으로 낮은 효율을 나타내고 있으며, 가장 낮은 효율을 보이는 것은 SSS-3으로 분석된 E 값은 37.1%이다(Table 7).
- 1 L/min로 가장 낮게 평가되었다. SSS-3을 제외한 동일한 두께의 이중필터와 단일필터의 취수량 평균값을 분석하면, 이중필터가 단일필터 대비 111.3%의 취수효율이 높은 것으로 평가되었다(Table 5). 이중필터 평균값과 단일필터 SSS-3을 비교하면, 이중필터가 168.
- 3%의 취수효율이 높은 것으로 평가되었다(Table 5). 이중필터 평균값과 단일필터 SSS-3을 비교하면, 이중필터가 168.6% 높은 적정양수량을 보이는 것으로 평가되었다.
- 3 L/min로 가장 낮게 평가되었다(Table 6). GSS-3을 제외한 동일한 두께의 이중필터와 단일필터의 취수량 평균값을 분석하면, 이중필터가 단일필터 대비 126.7%의 취수효율이 높은 것으로 평가되었다. 이중필터 평균값과 단일필터GSS-3을 비교하면, 이중필터가 168.
- 7%의 취수효율이 높은 것으로 평가되었다. 이중필터 평균값과 단일필터GSS-3을 비교하면, 이중필터가 168.3% 높은 적정양수량을 보이는 것으로 평가되었다.
- 모래층의 우물효율을 분석한 결과 이중필터인 SDS-3이 70.4%로 가장 높게 평가되었으며, 이중필터 SDS-1과 단일필터 SSS-1 및 SSS-2에서 65% 내외의 효율을 나타낸다. 이중필터 중 자갈층이 외부필터로 구성되어 있는 SDS-2 및 SDS-4에서는 상대적으로 낮은 효율을 나타내고 있으며, 가장 낮은 효율을 보이는 것은 SSS-3으로 분석된 E 값은 37.
- 자갈층의 우물효율을 분석한 결과 이중필터 중 내부필터재가 자갈로 구성되고 내외부 필터재 두께가 동일한 GDS-1에서 66.5%로 가장 높게 평가되었으며, 단일필터 중 필터재 두께가 가장 얇은 GSS-3에서 22.5%로 가장 낮은 값으로 분석되었다(Table 8).
- 우물효율을 분석한 결과 이중필터가 단일필터에 비해 상대적으로 양호한 우물효율을 보이는 것으로 평가되었으며, 이중필터 중 내부필터재가 자갈로 구성되어 있는 경우에 보다 효율이 높은 양상을 보인다. 또한, 필터재가 얇은 단일필터와 필터재 두께가 두꺼운 이중필터의 우물효율은 약 2~3배 이중필터가 높은 것으로 미루어 필터재의 층위 및 두께가 우물의 효율에 중요한 영향을 미치는 것으로 판단할 수 있다.
- 우물효율을 분석한 결과 이중필터가 단일필터에 비해 상대적으로 양호한 우물효율을 보이는 것으로 평가되었으며, 이중필터 중 내부필터재가 자갈로 구성되어 있는 경우에 보다 효율이 높은 양상을 보인다. 또한, 필터재가 얇은 단일필터와 필터재 두께가 두꺼운 이중필터의 우물효율은 약 2~3배 이중필터가 높은 것으로 미루어 필터재의 층위 및 두께가 우물의 효율에 중요한 영향을 미치는 것으로 판단할 수 있다.
- 모래층의 투수계수를 분석한 결과 동일한 두께의 단일필터와 이중필터의 평균 투수계수를 평가하면, 이중필터는 단일필터에 비해 약 123.6%의 투수계수가 높음을 확인하였으며, 필터재 두께가 얇은 SSS-3과는 이중필터가 약 152.4% 높게 평가되었다. 자갈층의 경우에는 이중필터는 단일필터에 비해 약 105.
- 4% 높게 평가되었다. 자갈층의 경우에는 이중필터는 단일필터에 비해 약 105.1%의 투수계수가 높음을 확인하였으며, 필터재 두께가 얇은 SSS-3과 대비하면 이중필터가 약 135.5% 높게 평가되었다. 모래층과 자갈층의 투수계수 분석결과 지반의 불균질성에 의한 영향을 감안하더라도 외부필터재가 모래, 내부필터재가 자갈로 형성하는 것이 수리특성 향상에 보다 유리한 것으로 평가되었다.
- 5% 높게 평가되었다. 모래층과 자갈층의 투수계수 분석결과 지반의 불균질성에 의한 영향을 감안하더라도 외부필터재가 모래, 내부필터재가 자갈로 형성하는 것이 수리특성 향상에 보다 유리한 것으로 평가되었다. 모래로 구성된 외부필터재를 모래로 하고 내부필터재를 자갈로 하며, 내부필터재의 두께가 두꺼울수록 클로깅 현상을 완화시키며, 이는 내부필터재의 자갈층에서 높은 공극율을 유지하기 때문인 것으로 판단된다.
- 양수량 분석을 통한 적정양수량 평가 결과, 수위 강하 심도가 50 cm인 경우, 모래층에서 가장 높은 양수량을 보이는 시료는 SDS-3으로써 26.03 L/min로 평가되었다. 동일한 두께인 30 cm 필터층을 갖는 이중필터와 단일필터의 평균 양수량을 분석하면, 이중필터가 단일필터 대비 약 115.
- 9% 양수량이 증대되는 것으로 확인되었다. 비수위 강하량을 이용한 적정양수량 평가 결과, 모래층에서 동일한 두께의 이중필터와 단일필터의 취수량 평균값을 분석하면, 이중필터가 단일필터 대비 111.3%의 취수효율이 높은 것으로 평가되었다. 이중필터 평균값과 단일필터 SSS-3을 비교하면, 이중필터가 168.
- 4%로 가장 높게 평가되었으며, 이중필터 SDS-1과 단일필터 SSS-1 및 SSS-2에서 65% 내외의 효율을 나타낸다. 자갈층의 경우에는 이중필터 중 내부필터재가 자갈로 구성되고 내외부 필터재 두께가 동일한 GDS-1에서 66.5%로 가장 높게 평가되었으며, 단일필터 중 필터재 두께가 가장 얇은 GSS-3에서 22.5%로 가장 낮은 값으로 분석되었다. 우물효율을 분석한 결과 이중필터가 단일필터에 비해 상대적으로 양호한 우물효율을 보이는 것으로 평가되었으며, 이중필터 중 내부필터재가 자갈로 구성되어 있는 경우에 보다 효율이 높은 양상을 보인다.
- 본 연구를 통해 필터재 두께 10 cm인 경우에 비해 필터재 두께가 30 cm일 때의 투수특성이 개선되는 것을 확인하였으며, 이중필터가 단일필터에 비해 양수량 및 우물효율이 상대적으로 높은 것으로 평가되었다. 이와 같은 결과는 우물설계에 실질적으로 활용이 가능할 것으로 판단된다.
- 모래층 분석결과 비수위 강하량은 이중필터의 SDS-3이 가장 낮은 값을 보이고 있으며, 단일필터 10 cm로 구성된 SSS-3이 가장 높은 것으로 평가되었다(Fig. 9).
- 모래층에서 비수위 강하량을 이용하여 0.5 m 수위하강시의 적정양수량은 산정한 결과 SDS-3에서 25.7 L/min로 가장 높은 값을 보이는 것으로 평가되었으며, SSS-3에서 13.1 L/min로 가장 낮게 평가되었다. SSS-3을 제외한 동일한 두께의 이중필터와 단일필터의 취수량 평균값을 분석하면, 이중필터가 단일필터 대비 111.
- 자갈층에서의 각 시험조별 양수량과 비수위 강하량과의 관계를 분석하면 내부필터를 자갈층으로 형성한 GDS-3이 가장 낮은 값을 보이고 있으며, GDS-1도 GDS-3과 유사한 값을 나타내고 있는 것으로 분석되었다. 모래층에서와 마찬가지로 단일필터 10 cm로 구성된 GSS-3이 가장 높은 값을 보이는 것으로 평가되었다(Fig.
- 자갈층에서의 각 시험조별 양수량과 비수위 강하량과의 관계를 분석하면 내부필터를 자갈층으로 형성한 GDS-3이 가장 낮은 값을 보이고 있으며, GDS-1도 GDS-3과 유사한 값을 나타내고 있는 것으로 분석되었다. 모래층에서와 마찬가지로 단일필터 10 cm로 구성된 GSS-3이 가장 높은 값을 보이는 것으로 평가되었다(Fig. 12). 전반적으로 이중필터가 단일필터에 비해 낮은 값을 보이는 경향이 뚜렷하며, 이는 이중필터가 동일 지층에서 단일필터에 비해 취수효율을 향상시키는 역할을 하기 때문인 것으로 판단된다.
- 자갈층의 경우, 비수위 강하량을 이용하여 0.5 m 수위하강시의 적정양수량을 산정한 결과 GDS-3에서 96.7 L/min로 가장 높은 값을 보이는 것으로 평가되었으며, GSS-3에서48.3 L/min로 가장 낮게 평가되었다(Table 6). GSS-3을 제외한 동일한 두께의 이중필터와 단일필터의 취수량 평균값을 분석하면, 이중필터가 단일필터 대비 126.
후속연구
- 또한, 단일필터층과 이중필터층의 비교, 이중필터층의 층위 및 필터층의 두께에 대한 평가 뿐 아니라 각각의 조건에 따른 취수량과 우물효율, 투수계수와의 연관성을 도출하고자 하였다. 본 연구의 결과는 추후 수행예정인 현장실증시험의 기초자료로 활용될 예정이며, 향후 충적층 우물의 설계에 대한 기준을 제시할 수 있을 것으로 판단된다.
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