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누수대수층 지하수 양수에 따른 하천수 감소율 거동 분석
Analysis of Stream Depletion Rate by Groundwater Abstraction in Leaky Aquifer 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.37 no.6, 2017년, pp.1001 - 1008  

이정우 (한국건설기술연구원 수자원.하천연구소) ,  정일문 (한국건설기술연구원 수자원.하천연구소) ,  김남원 (한국건설기술연구원 수자원.하천연구소)

초록
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누수대수층-하천-양수정 경계치 문제에 관한 Zlotnik and Tartakovsky 해석해를 이용하여 하천-관정 이격거리, 대수층투수량계수 및 저류계수, 누수층의 누수계수, 하상의 수리전도성 값의 다양한 조합에 대해 지하수 양수로 인한 하천수 감소율을 산정하고 그 변동 특성을 분석하였다. 본 연구에서 적용한 수리조건에 대해서는 하상수리전도성과 반대수층 누수계수가 하천수 감소율 크기에 지배적인 영향을 미치는 것으로 평가되었다. 하부대수층의 수위변화를 무시하고 고정수두 경계조건을 부여한 Zlotnik and Tartakovsky 해석해의 적용성을 평가하기 위해서 상하부 대수층의 수위변화를 동시에 고려한 보다 실제적인 조건에 대해 유도된 Hunt 해석해와 비교하였다. 그 결과 Zlotnik and Tartakovsky 해석해는 양수기간 1년 이하의 단기간 영향을 예측하는데 적절하며, 하천고갈지수가 2,500일 보다 크거나 누수계수와 하천-관정이격거리의 곱이 10cm/s 미만인 경우에 적용하는 것이 바람직한 것으로 분석되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study was to evaluate the stream depletion rate from groundwater pumping with varying stream-well distance, aquifer transmissivity, storage coefficient, leakage coefficient, streambed hydraulic conductance using the Zlotnik and Tartakovsky analytical solution which considers a two-layer leaky a...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • Zlotnik and Tartakovsky (2008) 해석해는 누수층 하부의 지하수두가 변하지 않는 고정수두 경계조건에 대해 유도된 것으로 2층 하부 대수층의 지하수두 변화를 함께 고려하여 유도한 Hunt (2009) 해석해에 비해 단순화된 조건에 대해 유도된 것이다. 따라서 본 연구에서는 두 해석해의 적용 결과를 상대 비교하여 Zlotnik and Tartakovsky (2008) 해석해의 적용성을 검토하였다. Hunt (2009) 해석해 적용을 위해서 앞선 입력 변수 조건에 2층 투수량계수 \(T\)2= 1, 10, 100m2/d, 2층 저류계수 \(S\)2=0.
  • 본 연구에서는 상부와 하부 대수층의 수위변화를 함께 고려한 Hunt (2009)방법에 비해 보다 더 간단한 방법인 Zlotnik and Tartakovsky (2008) 해석해를 이용하여 상부대수층과 하부의 공급원 사이에 반대수층(aquitard)이 위치하는 구조에서 양수에 따른 하천수 감소율을 산정하기 위한 수치실험을 수행하고 그 거동특성과 적용성을 평가하였다.

가설 설정

  • 또한 대수층은 비압축성 반대수층을 사이에 두고 수두가 \(H\)로 일정한 하부 공급원(source bed)과 수리적으로 연결되었으며, 대수층과 공급층간의 교환량은 두 층의 수두차이에 비례한다. 하상퇴적층(streambed)을 통과하는 하천과 대수층간의 침윤흐름(seepage flow) 역시 수두차이에 비례하며, 이 때 하천수위는 일정하다고 가정하였다. 이와 같은 가정하에 지하수 흐름은 Eq.
  • 해석해 유도를 위해서 수평방향(\(x\))으로 무한한 대수층은 등방, 균질하고, 종방향(\(y\))으로 무한한 하천의 횡단면 크기는 대수층 두께에 비해 무시할 정도로 작으며, Dupuit 근사가 유효하도록 지하수위 강하량이 대수층 두께에 비해 작다고 가정하였다. 또한 대수층은 비압축성 반대수층을 사이에 두고 수두가 \(H\)로 일정한 하부 공급원(source bed)과 수리적으로 연결되었으며, 대수층과 공급층간의 교환량은 두 층의 수두차이에 비례한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
지하수 양수에 의해 감소되는 하천수량을 예측하는 방법은 무엇인가? 최근 전 세계적으로 하천 주변의 지하수 이용량이 많아짐에 따라 양수에 의해 줄어드는 하천수 손실량에 대한 정확한 예측이 중요한 연구주제로 대두되고 있다. 지하수 양수에 의해 감소되는 하천수량을 예측하기 위해서는 실제 수리지질학적인 조건을 모형화하여 가용한 매개변수의 정확한 추정을 기반으로 한 수치모델링을 수행하거나 간단한 해석적 모형을 이용할 수 있다. 하천수 감소를 모의하는데 있어서 시간적, 비용적 측면에서는 후자의 방법이 효과적이다.
Zlotnik and Tartakovsky (2008) 해석해의 한계점은? (5) Zlotnik and Tartakovsky (2008) 해석해는 복잡한 수치적분과 수치변환과정을 거치지 않고 하부 대수층 수리특성인자 값을 필요로 하지 않기에 지하수 양수로 인한 하천수 감소율을 예측하는데 간편하고 유용한 방법이다. 하지만, 하부 대수층의 수위변화를 고려하지 않기 때문에 수위변화가 큰 지역이나 장기간 양수 영향 분석에는 한계가 있으며 1년 이하의 단기간 영향 분석에 활용하는 것이 바람직하다.
하천수 감소율의 추정을 위해 필요한 정보는? 하천수 감소율의 추정을 위해서는 하상의 수리전도도와 대수층의 층별 투수계수와 저류계수의 정보가 필요하다. 이 중에서 하상의 수리전도도는 대수층과 하천의 연결도를 결정하는 변수로서 하천수 감소율을 산정함에 있어 중요한 영향인자이다.
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참고문헌 (17)

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  2. Butler Jr., J. J., Zlotnik, V. A. and Tsou, M.-S. (2001). "Drawdown and stream depletion produced by pumping in the vicinity of a partially penetrating stream." Ground Water, Vol. 39, No. 5, pp. 651-659. 

  3. Christensen, S., Zlotnik, V.A., Tartakovsky, D.M. (2009). "Optimal design of pumping tests in leaky aquifers for stream depletion analysis." Journal of Hydrology, Vol. 375, No. 3, pp. 554-565. 

  4. Hantush, M. S. (1964). Hydraulics of wells. In: Chow, V. (Ed.), Advances in Hydroscience, Vol. 1. Academic Press, New York, pp. 281-432. 

  5. Hantush, M. S. (1965). "Wells near streams with semipervious beds." Journal of Geophysical Research, Vol. 70, No. 12, pp. 2829-2838. 

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  12. Lee, J., Chung, I. M. and Kim, N. W.(2016b). "Evaluation of stream depletion from groundwater pumping in deep aquifer using an analytical model." Journal of the Korea Society of Civil Engineering, Vol. 36, No. 5B, pp. 769-777 (in Korean). 

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  16. Zlotnik, V. A. and Huang, H. (1999). "Effect of shallow penetration and streambed sediments on aquifer response to stream stage fluctuations (analytical model)." Ground Water, Vol. 37, No. 4, pp. 599-605. 

  17. Zlotnik, V. A. and Tartakovsky, D. M. (2008). "Stream depletion by groundwater pumping in leaky aquifers." Journal of Hydrologic Engineering, Vol. 13, No. 2, pp. 43-50. 

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