본 연구는 복합지열시스템의 효율성 평가를 위하여 필요한 부분인 대수층의 수리지질학적 분석을 위하여 수행되었다. 복합지열시스템은 개방형 지열시스템과 밀폐형 지열시스템을 결합하여 지열의 효과적 이용을 목적으로 제안되었으며, 연구지역인 충주시 금가면의 수막재배 지역에 소구경 복합지열시스템과 대구경 복합지열시스템이 설치되었다. 연구 지역 대수층의 수리지질학적 특성 분석을 위하여 양수시험과 단계양수시험을 포함하는 현장수리시험 결과, 대수층의 투수량계수는 $13.49{\sim}58.99cm^2/sec$의 범위를 가지며, 저유계수는 $1.13{\times}10^{-5}{\sim}5.20{\times}10^{-3}$의 범위로 분석되었다. 또한, 지구화학적 분석에서 지하수 성분 중 $Ca^{2+}$이온과 ${HCO_3}^-$ 이온이 우세한 것으로 나타났고, 랑겔리어 지수 및 리즈나 지수 분석에서 지하수 내의 탄산염 광물의 침전 가능성이 낮게 평가되었다. 수직적 수온 변화 분석에서는 평균 증온률이 $2.1^{\circ}C/100m$로 평가되어 지열 특성이 충분한 것으로 나타났다. 따라서, 연구지역에서는 지하수의 양이 풍부하고 지중열을 안정하게 사용할 수 있으며 탄산염 광물의 침전에 의한 열에너지 효율 저하가 발생할 가능성이 낮으므로 복합지열시스템 설치가 적합한 것으로 판단된다.
본 연구는 복합지열시스템의 효율성 평가를 위하여 필요한 부분인 대수층의 수리지질학적 분석을 위하여 수행되었다. 복합지열시스템은 개방형 지열시스템과 밀폐형 지열시스템을 결합하여 지열의 효과적 이용을 목적으로 제안되었으며, 연구지역인 충주시 금가면의 수막재배 지역에 소구경 복합지열시스템과 대구경 복합지열시스템이 설치되었다. 연구 지역 대수층의 수리지질학적 특성 분석을 위하여 양수시험과 단계양수시험을 포함하는 현장수리시험 결과, 대수층의 투수량계수는 $13.49{\sim}58.99cm^2/sec$의 범위를 가지며, 저유계수는 $1.13{\times}10^{-5}{\sim}5.20{\times}10^{-3}$의 범위로 분석되었다. 또한, 지구화학적 분석에서 지하수 성분 중 $Ca^{2+}$이온과 ${HCO_3}^-$ 이온이 우세한 것으로 나타났고, 랑겔리어 지수 및 리즈나 지수 분석에서 지하수 내의 탄산염 광물의 침전 가능성이 낮게 평가되었다. 수직적 수온 변화 분석에서는 평균 증온률이 $2.1^{\circ}C/100m$로 평가되어 지열 특성이 충분한 것으로 나타났다. 따라서, 연구지역에서는 지하수의 양이 풍부하고 지중열을 안정하게 사용할 수 있으며 탄산염 광물의 침전에 의한 열에너지 효율 저하가 발생할 가능성이 낮으므로 복합지열시스템 설치가 적합한 것으로 판단된다.
This study was performed in order to hydrogeological analysis of aquifer, which is a necessary part for evaluating the efficiency of the combined well and open-closed loops geothermal (CWG) systems. CWG systems have been proposed for the effective utilization of geothermal energy by combining open l...
This study was performed in order to hydrogeological analysis of aquifer, which is a necessary part for evaluating the efficiency of the combined well and open-closed loops geothermal (CWG) systems. CWG systems have been proposed for the effective utilization of geothermal energy by combining open loop geothermal systems and closed loop geothermal systems. Small aperture CWG systems and large aperture CWG systems were installed at a green house land with water curtain facilities in Chungju City. Aquifer tests include pumping tests and step-drawdown tests were conducted to analyse hydrogeological characteristics of aquifer in the study area. The transmissivity was estimated in the range of $13.49{\sim}58.99cm^2/sec$, and the storativity was estimated in the range of $1.13{\times}10^{-5}{\sim}5.20{\times}10^{-3}$. The geochemical analysis showed $Ca^{2+}$ ion and ${HCO_3}^-$ ion were dominant in groundwater. The Langelier Saturation Index and the Ryznar Stability Index showed low scaling potential of groundwater. In the analysis of vertical water temperature change, the geothermal gradient was estimated as $2.1^{\circ}C/100m$, which indicated the aquifer was enough for geothermal systems. In conclusion, groundwater is rich, can stably use geothermal heat, and it is less likely to cause deterioration of thermal energy efficiency by precipitation of carbonate minerals in study area. Therefore, the study area is suitable for installation of the combined geothermal system.
This study was performed in order to hydrogeological analysis of aquifer, which is a necessary part for evaluating the efficiency of the combined well and open-closed loops geothermal (CWG) systems. CWG systems have been proposed for the effective utilization of geothermal energy by combining open loop geothermal systems and closed loop geothermal systems. Small aperture CWG systems and large aperture CWG systems were installed at a green house land with water curtain facilities in Chungju City. Aquifer tests include pumping tests and step-drawdown tests were conducted to analyse hydrogeological characteristics of aquifer in the study area. The transmissivity was estimated in the range of $13.49{\sim}58.99cm^2/sec$, and the storativity was estimated in the range of $1.13{\times}10^{-5}{\sim}5.20{\times}10^{-3}$. The geochemical analysis showed $Ca^{2+}$ ion and ${HCO_3}^-$ ion were dominant in groundwater. The Langelier Saturation Index and the Ryznar Stability Index showed low scaling potential of groundwater. In the analysis of vertical water temperature change, the geothermal gradient was estimated as $2.1^{\circ}C/100m$, which indicated the aquifer was enough for geothermal systems. In conclusion, groundwater is rich, can stably use geothermal heat, and it is less likely to cause deterioration of thermal energy efficiency by precipitation of carbonate minerals in study area. Therefore, the study area is suitable for installation of the combined geothermal system.
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문제 정의
본 연구는 개방형과 밀폐형 지열시스템을 결합한 복합지열시스템(combined well and open-closed loops geothermal systems, CWG)을 개발하는 과제의 선행연구이며 CWG 시스템의 설치부지에 대한 수리상수를 산정하고 대수층의 수직적인 수온 및 전기전도도의 변동특성 및 지하수의 지구화학적 특성을 평가하여 이러한 특성들이 CWG 시스템의 운영 및 주변 환경에 미치는 영향을 평가하기 위해서 수행하였다.
개방형과 밀폐형 지열시스템이 결합된 복합지열시스템(CWG systems)에서는 대수층의 수리지질학적 특성이 중요하므로, 복합지열시스템에 적절한 지하수량, 수온 및 지화학적 특성을 분석하여 복합지열시스템의 효율성을 평가할 수 있다. 본 연구에서는 복합지열시스템이 설치되는 대수층의 수리지질학적 특성을 파악하기 위해 현장수리시험과 지화학분석 등을 수행하였다. 장기양수시험과 단계양수시험의 현장수리시험 자료의 분석에 가장 적합한 해석법으로는 피압대수층으로 가정했을 경우에는 Hanthsh (1962), 누수대수층으로 가정했을 경우에는 Hantush-Jacob (1955), 자유면대수층으로 가정하였을 때는 Neuman (1974)의 해석법이 선택되었다.
제안 방법
2016년 5월 25일, 7월 14일 그리고 8월 11일 총 3회에 걸쳐 복합지열시스템 관측정 BH-1, BH-2에서 수온과 전기전도도의 수직적 변화를 100 m 심도까지 측정하였다. 수온과 전기전도도 측정은 Solinst사의 TLC Meter를 사용하였으며 대수층의 교란을 막기 위해 하향식(down-hole)으로 수행하였다.
GH-2, GH-3 및 GH-4 관정에서 수행한 단계양수시험의 양수량, 양수시간 및 수위강하량을 Table 6에 정리하였다. GH-2 관정에서는 양수량을 231, 258, 330, 370 m3/day로 증가시키며 각 단계별 지속시간을 4시간으로 양수하였다. GH-3 관정에서는 285, 315, 348, 370 m3/day으로 증가시키며 각 단계별 지속시간을 2시간으로 하여 양수하였다.
GH-2 관정에서는 양수량을 231, 258, 330, 370 m3/day로 증가시키며 각 단계별 지속시간을 4시간으로 양수하였다. GH-3 관정에서는 285, 315, 348, 370 m3/day으로 증가시키며 각 단계별 지속시간을 2시간으로 하여 양수하였다. GH4 관정에서는 양수량을 198, 250, 300, 373 m3/day으로 증가시키며 각 단계별 지속시간을 4시간으로 하여 양수하였다(Fig.
GH-3 관정에서는 285, 315, 348, 370 m3/day으로 증가시키며 각 단계별 지속시간을 2시간으로 하여 양수하였다. GH4 관정에서는 양수량을 198, 250, 300, 373 m3/day으로 증가시키며 각 단계별 지속시간을 4시간으로 하여 양수하였다(Fig. 5). 단계양수시험도 양수시험과 마찬가지로 각 단계 양수시험 시 관측정의 수위강하 결과를 특성곡선법에 적용하여 해석하였다.
단계양수시험도 장기양수시험과 동일하게 GH-2, GH-3 및 GH-4 관정에서 수행되었으며, 양수량이 적은 단계에서부터 시작하여 단계적으로 양수량을 증가시켜 총 4단계를 일정 시간 간격으로 수행하였다. 각 관정에 대한 양수시험과 단계양수시험에서 GH-3 관정의 단계양수시험을 제외하고는 모두 정류상태(steady-state)에 도달한 것으로 판단되는 시점까지 시험을 진행하였으며, GH-3 관정의 단계양수시험은 현장 상황과 시험 조건을 고려하여 각 단계별 2시간 간격으로 시험을 진행하였다.
단계양수시험도 장기양수시험과 동일하게 GH-2, GH-3 및 GH-4 관정에서 수행되었으며, 양수량이 적은 단계에서부터 시작하여 단계적으로 양수량을 증가시켜 총 4단계를 일정 시간 간격으로 수행하였다. 각 관정에 대한 양수시험과 단계양수시험에서 GH-3 관정의 단계양수시험을 제외하고는 모두 정류상태(steady-state)에 도달한 것으로 판단되는 시점까지 시험을 진행하였으며, GH-3 관정의 단계양수시험은 현장 상황과 시험 조건을 고려하여 각 단계별 2시간 간격으로 시험을 진행하였다.
심도가 깊어질수록 연암 내지 경암층이 기반암으로 분포하며 부분적으로 파쇄대가 발달한 것으로 나타난다. 따라서, 본 연구지역은 수리지질학적 여건으로 볼 때 자유면대수층으로 보아야 하나 관정의 심도가 150~400 m인 균열암반대수층이므로 피압 및 누수대수층의 특성도 가지고 있기 때문에 여러 가지 대수층을 적용하여 수리상수를 산정하였다. 피압대수층으로 가정했을 경우에는 Hantush (1962),누수대수층으로 가정했을 경우에는 Hantush-Jacob (1955),자유면대수층으로 가정하였을 때는 Neuman (1974)의 해석법이 가장 적합한 것으로 나타났다(Table 3, 4 및 5).
단계양수시험도 양수시험과 마찬가지로 각 단계 양수시험 시 관측정의 수위강하 결과를 특성곡선법에 적용하여 해석하였다. 본 연구에서는 단계양수시험으로 최적양수량과 영향반경은 산출하지 않고, 양수시험 결과와의 비교를 위해 투수량계수와 저유계수만을 분석하였다.
3과 Table 1, 2에 정리하였다. 수리시험은 강수량의 영향을 최소화하기 위해 건기인 2017년 3월~4월에 수행하였다.
장기양수시험은 수막재배용 복합지열시스템인 GH-2, GH3 및 GH-4 관정에서 심도 100 m에 설치된 7.5HP 수중펌프를 이용하여 각 관정에서 16시간 양수하였으며 양수 시 수위변화를 관측하기 위하여 양수정 및 관측정에 Solinst사의 Levelogger Gold를 설치하여 1분 간격으로 자동관측을 수행하였으며, 수동 수위계로 지하수위를 수시로 측정하여 보정하였다.
수온과 전기전도도 측정은 Solinst사의 TLC Meter를 사용하였으며 대수층의 교란을 막기 위해 하향식(down-hole)으로 수행하였다. 정확한 수온과 전기전도도의 자료취득을 위해 측정 전 장비의 보정을 수행하였고, 측정된 값과 현장수질측정기(D-54, 55; Horiba사)의 측정값을 비교하였다.
채취한 물 시료는 현장에서 간이수질측정기를 이용하여 수온, pH, 산화-환원전위(oxidation reduction potential, ORP), 전기전도도를 측정하였으며, 주양이온(Ca2+, Mg2+, Na+, K+)과 주음이온(Cl−,NO3−, SO42-) 분석은 4℃로 보관 후 ICP와 IC로 수행하였다.
대상 데이터
2016년 5월 25일, 7월 14일 그리고 8월 11일 총 3회에 걸쳐 복합지열시스템 주변 관정과 관측정 및 강에서 물시료를 채취하였다. 시료 채취 시에는 고여 있는 물을 충분히 퍼내고 채취하였으며, 관측정(BH-1, 2)에서는 기반암이 위치한 40 m 하부에서 시료를 채취하였다.
본 연구에서 수행된 수리시험은 장기양수시험과 단계양수시험으로 시험 대상 관정은 거의 일직선상에 위치하며 양쪽 끝에는 관측정(BH-1, 2)이 설치되어 있고, 가운데에는 복합 지열시스템 관정(GH-2~4)이 위치한다. 관정의 위치와 시추자료 및 관정의 제원은 Fig.
2016년 5월 25일, 7월 14일 그리고 8월 11일 총 3회에 걸쳐 복합지열시스템 주변 관정과 관측정 및 강에서 물시료를 채취하였다. 시료 채취 시에는 고여 있는 물을 충분히 퍼내고 채취하였으며, 관측정(BH-1, 2)에서는 기반암이 위치한 40 m 하부에서 시료를 채취하였다. 채취한 물 시료는 현장에서 간이수질측정기를 이용하여 수온, pH, 산화-환원전위(oxidation reduction potential, ORP), 전기전도도를 측정하였으며, 주양이온(Ca2+, Mg2+, Na+, K+)과 주음이온(Cl−,NO3−, SO42-) 분석은 4℃로 보관 후 ICP와 IC로 수행하였다.
연구지역은 충북 충주시 금가면 오석리 일원으로 주로 수막재배와 논농사가 이루어지고 있으며 관계수로가 잘 정비되어 있다. 산계는 태백산맥의 서쪽 말단부이며 대부분 고도 300~600 m로 낮은 구릉성 산지가 불규칙하게 분포하며, 수계는 주변 산계에서 발원한 소규모의 하천들과 태백산맥에서 발원하여 충주호로 유입되어 연구부지의 서쪽에서 북서방향으로 흐르는 남한강으로 이루어져 있다.
이론/모형
단계양수시험 해석에도 장기양수시험 해석 시 적용한 Hantush (1962), Hantush-Jacob (1955) 및 Neuman (1974) 해석법을 적용하였다(Table 7~9). 단계양수시험 해석결과 투수량계수는 GH-2, GH-3, GH-4, BH-1 및 BH-2 관정에서 각각 기하평균값이 47.
5). 단계양수시험도 양수시험과 마찬가지로 각 단계 양수시험 시 관측정의 수위강하 결과를 특성곡선법에 적용하여 해석하였다. 본 연구에서는 단계양수시험으로 최적양수량과 영향반경은 산출하지 않고, 양수시험 결과와의 비교를 위해 투수량계수와 저유계수만을 분석하였다.
2016년 5월 25일, 7월 14일 그리고 8월 11일 총 3회에 걸쳐 복합지열시스템 관측정 BH-1, BH-2에서 수온과 전기전도도의 수직적 변화를 100 m 심도까지 측정하였다. 수온과 전기전도도 측정은 Solinst사의 TLC Meter를 사용하였으며 대수층의 교란을 막기 위해 하향식(down-hole)으로 수행하였다. 정확한 수온과 전기전도도의 자료취득을 위해 측정 전 장비의 보정을 수행하였고, 측정된 값과 현장수질측정기(D-54, 55; Horiba사)의 측정값을 비교하였다.
일반적으로 양수시험을 해석하기 위한 많은 개념모델과 해석방법들이 나와 있으며(Dawson and Istok, 1991;Kruseman and de Ribber, 1991) 본 연구에서는 상용프로그램인 Aqtesolv ver. 3.5 (HydroSOLVE,Inc.)를 이용하였다. GH-2, GH-3 및 GH-4 관정에서는 각각 365, 370,374 m3/day의 양수량으로 각각 16시간 동안 양수하였는데, 각 장기양수시험 시의 양수량이 약 370 m3/day(± 5 m3/day)로 거의 유사함에도 불구하고, 최대 수위강하량은 GH-3에서 28.
성능/효과
BH-1과 BH-2 관정에서 수직적 수온변화는 유사하였고, 지하 40 m까지는 수온이 점차 감소하다가 약 40 m 지점부터는 수온이 점차 증가하는 경향을 보였으며 평균 증온률은 2.1℃/100 m로 평가되었다. 전기전도도는 BH-1이 BH-2에 비해서 약간 낮은 값을 보이며, 특히 36~58 m 구간에 분포하는 파쇄대에서 지하수가 유입되어 전기전도도가 감소하고, 주변 환경변화에 따라 유입되는 지하수 양이 변화하여 측정 시기별로 전기전도도의 수직분포특성이 다르게 나타난 것으로 파악되었다(Fig.
GH-2, GH-3 및 GH-4 관정에서는 각각 365, 370,374 m3/day의 양수량으로 각각 16시간 동안 양수하였는데, 각 장기양수시험 시의 양수량이 약 370 m3/day(± 5 m3/day)로 거의 유사함에도 불구하고, 최대 수위강하량은 GH-3에서 28.08 m로 나타나, GH-2의 10.04 m와 GH-4의 6.05 m보다 약 1.8~3.6배의 최대 수위강하량의 차이가 나타났다(Fig. 4).
남한강, 복합지열시스템 관정, 관측정 및 주변 관정 모두 화학조성은 유사하였으며 수질유형은 Ca-HCO3형으로 구분되었다(Fig. 7). 양이온과 음이온 모두 좁은 범위를 보였으며 뚜렷한 계절변화를 보이지는 않았다.
단계양수시험 해석결과 투수량계수는 GH-2, GH-3, GH-4, BH-1 및 BH-2 관정에서 각각 기하평균값이 47.53, 35.14, 53.18, 23.60, 19.45 cm2/sec이며, 저유계수는 1.13 × 10−5~3.49 × 10−3의 범위를 가진다(Table 7~9).
또한, 지하수 화학조성은 Ca2+와 HCO3−가 우세하게 평가되었으며, 랑겔리어 지수와 리즈나 지수 분석에서 지하수 내 탄산염 광물의 침전 가능성이 낮게 평가되었다.
7). 양이온과 음이온 모두 좁은 범위를 보였으며 뚜렷한 계절변화를 보이지는 않았다. 조사지역 주변에는 농업활동이 활발히 이루어지고 있지만 NO3−와 SO42-의 농도가 각각 3.
또한, 지하수 화학조성은 Ca2+와 HCO3−가 우세하게 평가되었으며, 랑겔리어 지수와 리즈나 지수 분석에서 지하수 내 탄산염 광물의 침전 가능성이 낮게 평가되었다. 연구지역 내 지하수 수온의 평균 증온률은 2.1℃/100 m로 평가되었으며, 전기전도도의 수직적 변화에서 일부 구간의 파쇄대에 의한 지하수 유입 경향이 파악되었다. 연구지역의 수리지질학적 분석을 종합하면, 복합지열시스템 설치지역의 대수층은 안정적인 지하수량, 생활용수 기준의 수질, 적절한 지하수온이라는 조건을 만족시킨다고 판단된다.
연구지역 대수층의 투수량계수는 13.49~58.99 cm2/sec의 범위를 가지며, 저유계수는 1.13 × 10−5~5.20 × 10−3의 범위를 가지는 것으로 분석되었다.
1℃/100 m로 평가되었으며, 전기전도도의 수직적 변화에서 일부 구간의 파쇄대에 의한 지하수 유입 경향이 파악되었다. 연구지역의 수리지질학적 분석을 종합하면, 복합지열시스템 설치지역의 대수층은 안정적인 지하수량, 생활용수 기준의 수질, 적절한 지하수온이라는 조건을 만족시킨다고 판단된다.
장기양수시험 해석 결과 투수량계수는 GH-2, GH-3, GH-4,BH-1 및 BH-2 관정에서 각각 기하평균값이 37.83, 30.50,58.99, 17.63, 13.49 cm2/sec이며, 저유계수는 3.79 × 10−5~5.20 × 10−3의 범위를 가진다.
1℃/100 m로 평가되었다. 전기전도도는 BH-1이 BH-2에 비해서 약간 낮은 값을 보이며, 특히 36~58 m 구간에 분포하는 파쇄대에서 지하수가 유입되어 전기전도도가 감소하고, 주변 환경변화에 따라 유입되는 지하수 양이 변화하여 측정 시기별로 전기전도도의 수직분포특성이 다르게 나타난 것으로 파악되었다(Fig. 9).
후속연구
따라서, 연구부지 복합지열시스템의 최적화된 열효율을 파악하기 위해서는 지하수의 최적양수량, 우물효율 및 영향반경 산정이 필요하며 추가적으로 연구부지 관정에서 동시 양수시험(multi-pumping test)을 수행하여 적용될 복합지열시스템의 최대 적정양수량의 평가와 그에 따른 수질 및 수온의 변화 모니터링이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수막재배는 어떤 방법인가
국내에서 수막재배가 활성화되면서 지하수의 사용량이 급격하게 증가하였는데(Kwon et al., 2017), 특히 수막재배는 지하수를 사용하여 시설 내 온도를 일정하게 유지하는 방법으로 시설재배 농가에서 많이 사용하고 있다. 최근에는 수막재배시설에서 난방 또는 냉방을 위해 지열냉난방시스템을 이용하여 사례가 점차 증가하고 있으며(Song and Lee,2015), 2000년 초에 국내에 도입된 지열냉난방시스템은 정부의 활발환 보급정책으로 인해 2014년까지 약 790 MW가설치되었다(Song and Lee, 2015).
수막시설에서 설치부지에 대한 수리지질학적 특성이 왜 중요한가?
국내에서 수막시설에 적합한 지열냉난방시스템의 개발과 에너지 효율을 증가시키기 위해 다양한 분야에서 많은 연구들이 활발히 진행되었다. 수막시설에서는 많은 양의 지하수를 사용하기 때문에 설치부지에 대한 수리지질학적 특성이 매우 중요하다. 또한, 농업활동으로 인해 지하수가 오염될 수 있다는 우려가 지속적으로 제기되고 있어 수막재배시설에서 지열냉난방시스템을 친환경적으로 사용할 수 있는 기술개발이 필요한 실정이다.
대수층의 수리적 특성을 파악하기 위한 방법 중 양수시험의 기본 복적 및 장단점은?
, 1999). 양수시험의 기본 목적은 투수량계수(transmissivity; T)와 저유계수(storativity; S) 같은 수리상수값을 구하기 위해 수행되며, 비교적 큰 규모의 평균적 수리 상수 추정이 가능한 장점이 있지만, 복잡한 장비가 필요하고 시험시간이 긴 단점이 있다. 또한, 단계양수시험(stepdrawdown test)은 단공시험(single well test)으로 일정한 시간 간격으로 양수량을 증가시키면서 인근 관측정의 수위강하를 측정함으로써 관정의 효율, 대수성의 생산성 등을 평가하는데 사용된다(Dawson and Istok, 1991; Kruseman and de Ridder, 1991; Hahn, 1998).
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