[논문]강우-지하수위 상관성 분석을 통한 사질토층의 수리전도도 산정

박승혁; 손두기; 정교철

doi:10.9720/kseg.2019.3.303

강우-지하수위 상관성 분석을 통한 사질토층의 수리전도도 산정
Determination of Hydraulic Conductivities in the Sandy Soil Layer through Cross Correlation Analysis between Rainfall and Groundwater Level 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.29 no.3, 2019년, pp.303 - 314

박승혁 (중앙컨설턴트(주)) , 손두기 (중앙컨설턴트(주)) , 정교철 (안동대학교 지구환경과학과)

초록
AI-Helper

얕은 대수층에서 매우 복잡한 함양과정을 거치는 지하수의 함양은 지표와 지하매질의 투수성에 의해 상당한 영향을 받는다. 투수성은 고유투수계수(intrinsic permeability)와 수리전도도(hydraulic conductivity)의 두 가지 개념으로 설명되며 이중 지표매질의 특성만으로 수리전도도를 구하려는 많은 연구가 이루어졌다. 본 연구에서는 경주지역 지하수기초조사에서 수행된 미고결퇴적물의 입도분포곡선과 강우-지하수위 교차상관분석을 토대로 회귀식을 사용하여 강우-지하수위 교차상관분석을 통한 수리전도도 산정식을 제안하고 실제현장에서 수행한 대수성 시험결과와 비교하여 그 적용성을 검토하였다. 그 결과 사질토 기반 충적층대수층에서 Zunker의 경험식에서 산정된 수리전도도와 강우-지하수위 최대 교차상관계수의 상관식이 자연로그형태로 증가하면서 결정계수 0.95 이상으로 매우 큰 상관성을 나타내었고 이 회귀식을 다른 관측공에 적용한 결과 실제 현장에서 수행한 대수성시험 결과와 평균제곱근오차가 2.83%로 나타나 강우-지하수위 모니터링 자료만으로 매우 신뢰할 만한 수리전도도를 추정할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Surface permeability and shallow geological structures play significant roles in shaping the groundwater recharge of shallow aquifers. Surface permeability can be characterized by two concepts, intrinsic permeability and hydraulic conductivity, with the latter obtained from previous near-surface geological investigations. Here we propose a hydraulic equation via the cross-correlation analysis of the rainfall-groundwater levels using a regression equation that is based on the cross-correlation between the grain size distribution curve for unconsolidated sediments and the rainfall-groundwater levels measured in the Gyeongju area, Korea, and discuss its application by comparing these results to field-based aquifer test results. The maximum cross-correlation equation between the hydraulic conductivity derived from Zunker's observation equation in a sandy alluvial aquifer and the rainfall-groundwater levels increases as a natural logarithmic function with high correlation coefficients (0.95). A 2.83% difference between the field-based aquifer test and root mean square error is observed when this regression equation is applied to the other observation wells. Therefore, rainfall-groundwater level monitoring data as well as aquifer test are very useful in estimating hydraulic conductivity.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Borehole distribution for groundwater monitoring.
표 Table 1. Summarized results of the grain size distribution curve (GSDC) and USCS soil classification
표 Table 2. Comparison of the five methodologies
표 Table 3. Comparison of the conductivities (m/s) based on the five methodologies
표 Table 4. Comparison of the cross-correlation analysis results during the annual monitoring period and the intense rainfall event times
그림 Fig. 2. Hydrographs of the groundwater levels from the boreholes (BH7, 9, 15, 16, 17, and 20) in an alluvial aquifer near the stream in the Gyungju area.
그림 Fig. 3. Relationship between the maximum cross-correlation coefficient of the rainfall-groundwater levels and estimated hydraulic conductivity from the GSDC results in an alluvial aquifer near the stream in the Gyungju area.
표 Table 5. Comparison of the conductivities (m/s) based on the five methodologies
표 Table 6. Comparison of the conductivities (m/s) based on the five methodologies
그림 Fig. 4. Hydrographs of the rainfall-groundwater levels from the monitoring wells (KJ15, 39, 50, and 58) in an all uvial aquifer near the stream in the Gyungju area.
표 Table 7. Validation of the conductivities (m/day) between the predicted and measured hydraulic conductivities based on the pumping test results

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 강우에 따른 대수층의 지하수위 변화가 비슷한 상대밀도를 갖는 사질토 기반의 대수층에서 어떠한 상관성을 갖는지 살펴보고 이를 통해 수리전도도를 추정하여 수리지질학적 관점에서 그 의미를 살펴보고자 한다.

제안 방법

BH-1-20 시추공은 회전수세식 시추기를 사용하여 NX 규격으로 수직 시추하였으며, 굴진심도는 대부분 모래 자갈층이 존재하는 지표하 약 10 m 심도까지 굴진하였다. 조사결과, 조사지역의 충적층은 BH-2, 3, BH-5~9 를 제외한 전 구간에서 모래자갈층으로 분포하고 있으며 BH-6, 8, 9의 충적층심도가 비교적 얕은 경향이다.
경주지역 지하수기초조사에서 사질토기반의 충적대수층이 분포할 것으로 예상되는 미고결 쇄설성 퇴적층 및 반고결쇄설성퇴적암 대상지점 20개소에 대해 표준관입시험을 실시하였다.
경주지역 충적층 대상 20 개소에 대해 관측공을 설치하고 일년간 지하수위에 대한 자동관측을 수행하였다. 지하 수위는 압력식 자동관측기기 (diver) 를 통해 매시간 간격으로 수온과 같이 관측되었으며, 기압계를 통해 기압 보정후 일수위로 환산하여 주변 기상청 강우와 비교하였다.
경주지역 충적층 자동관측 지점 20개소 중에서 비교적 동일한 상대밀도와 토양분류에 속하는 5 개 지점에 대해 강우-지하 수위 교차상관분석과 미고결 퇴적물의 입도분석을 수행하고 최대 교차상관계수와 수리 전도도의 상관성을 분석하였다. 그 결과 강우-지하수위 최대 교차상관계수 값은 수리전도도 값이 증가할수록 자연로그 상으로 증가하는 양상을 보이며 기울기도 약 0.
그 결과 Zunker 의 방법이 순간충격시험결과와 거의 일치하고, 양수시험결과와 약 8배정도 차이가 나는 것으로 확인된다. 따라서 Zunker 에 의한 경험식에서 산정된 수리전도도 값과 강우-지하수위 최대 교차 상관계수 값의 회귀식을 최종적으로 선정하여 사질토기반의 충적대수층에서 강우-지하수위 교차상관분석에 따른 수리전도도산정 식을 도출하였다.
2016). 따라서 실제현장의 미고결퇴적물 상태와 각각의 경험식에서 적용조건이 일치하는 구간을 확인하여 주변에서 수행한 충적층에서의 대수성시험 자료와 비교해 보았다(Table 6).
, 2010), 시추공에서 채취한 모래의 입도분포곡선 (grain size distribution curve, GSDC)과 원마도(roundnes factor, RF)로부터 최대간극률과 최소간극률과의 관계식을 주정하고 이를 SPT(spilt spoon test)같은 현장시험에서 구한 공극률, 간극률 값과 비교하였다(Chapuis, 2012b). 방사상 집 수정의 스크린에서 산출량을 산정하기 위해 입도분석결과를 활용하여 수리전도도를 구하고(Kim et al., 2014) 9가지의 다양한 경험식에 의해 산정된 수리전도도값을 실내시험을 통해 구한 수리전도도값과 비교하여 가장 신뢰할만한 경험식을 제시하였다(Blohm, 2016)..
상부토양 깊이 30 cm 까지 상대밀도가 일정한 지점을 선정하였다. 본 조사지 역에서는 표준관입시험에서 N 치가 50 으로 일정하게 나타나는 BH-7, 9, 15, 16, 17, 20지점을 선정하고 상부 30 cm 심도에서의 미고결시료의 입도분석 결과를 바탕으로 Slichter, Beyer, Kruger, Zunker, USBR 등 다양한 방법의 경험식을 적용하여 수리전도도를 산정하였다.
지하 수위는 압력식 자동관측기기 (diver) 를 통해 매시간 간격으로 수온과 같이 관측되었으며, 기압계를 통해 기압 보정후 일수위로 환산하여 주변 기상청 강우와 비교하였다. 선행연구(Lee and Lee, 2002)를 바탕으로 강우와 지하수위의 교차상 관계수를 구하였으며 특히 경주지역 8~9월 사이 2 번의 집중 강우가 있는 기간을 중심으로 교차상관분석을 수행하여 강우 집중 기간과 관측전체 기간에서 산정한 교차상관계수가 차이가 있을 때에는 강우에 의한 함양간을 고려하기 위해 강우 집중기간의 교차상관계수값을 채택하였다. 여기서 표준관입시험에서 N 치가 50으로 일정하게 나타나는 BH-7, 9, 15, 16, 17, 20지점을 선정하여(Table 4의 음영) 충적층 상부 미고결퇴적물의 입도분석결과에 따른 수리전도도 값과 강우-지하수위 상관성을 분석하였다(Table 4, Fig.
조사결과, 조사지역의 충적층은 BH-2, 3, BH-5~9 를 제외한 전 구간에서 모래자갈층으로 분포하고 있으며 BH-6, 8, 9의 충적층심도가 비교적 얕은 경향이다. 여기서 지표하 30 cm 심도의 토양에서 입도분석용 시료를 채취하여 KS2302에 의거하여 체분석을 수행하였다(Table 1).
선행연구(Lee and Lee, 2002)를 바탕으로 강우와 지하수위의 교차상 관계수를 구하였으며 특히 경주지역 8~9월 사이 2 번의 집중 강우가 있는 기간을 중심으로 교차상관분석을 수행하여 강우 집중 기간과 관측전체 기간에서 산정한 교차상관계수가 차이가 있을 때에는 강우에 의한 함양간을 고려하기 위해 강우 집중기간의 교차상관계수값을 채택하였다. 여기서 표준관입시험에서 N 치가 50으로 일정하게 나타나는 BH-7, 9, 15, 16, 17, 20지점을 선정하여(Table 4의 음영) 충적층 상부 미고결퇴적물의 입도분석결과에 따른 수리전도도 값과 강우-지하수위 상관성을 분석하였다(Table 4, Fig. 2).
본 결과 Slichter, Zunker 의 경험식에 의한 수리전도도 산정결과가 가장 적합한 것으로 나타난다. 이 두 가지 방법에서 산정한 수리전도도 값과 대수성 시험결과를 비교하기 위해 BH-12 지점 주변에서는 순간충격시험, BH-20 지점 주변에서는 양수시험을 수행하였다. 그 결과 Zunker 의 방법이 순간충격시험결과와 거의 일치하고, 양수시험결과와 약 8배정도 차이가 나는 것으로 확인된다.
지하 수위는 압력식 자동관측기기 (diver) 를 통해 매시간 간격으로 수온과 같이 관측되었으며, 기압계를 통해 기압 보정후 일수위로 환산하여 주변 기상청 강우와 비교하였다. 선행연구(Lee and Lee, 2002)를 바탕으로 강우와 지하수위의 교차상 관계수를 구하였으며 특히 경주지역 8~9월 사이 2 번의 집중 강우가 있는 기간을 중심으로 교차상관분석을 수행하여 강우 집중 기간과 관측전체 기간에서 산정한 교차상관계수가 차이가 있을 때에는 강우에 의한 함양간을 고려하기 위해 강우 집중기간의 교차상관계수값을 채택하였다.

대상 데이터

본 연구지역은 경주지역을 대상으로 수계를 따라 발달한 충적층의 주요 지점 20 개소에서 시추조사를 수행하였다. 경주지역은 경상분지의 중앙부 동쪽에 위치하며 중생대 백악기 쇄설성퇴적암을 관입한 비다공질 화산암, 관입화성암, 다공질 화산암이 분포하고 그 위에 신생대 제3 기의 반고결 쇄설성퇴적암, 제4기의 미고결 쇄설성퇴적층으로 피복되어 있다.

데이터처리

식 (3) 의 적용성 검토를 위해 주변에서 대수성 시험이 수행된 4개소의 관측지점을 선정하고 산정식에 의해 예측된 수리전도도 값이 실제 현장에서 양수시험을 통해 확인된 수리전도도값과 얼마나 차이가 나는지를 통계적으로 분석하였다(Fig. 4,Table 7).

이론/모형

유효입경은 Slichter, Beyer, USBR 의 경험식은 다공질매질을 형성하는 작은 입자들의 특성에 의해 seepage 가 결정된다는 전제하에 입경가적곡선의 중량통과 백분율 값으로 입력하지만, Kruger, Zunker 의 경험식은 가장 큰 입경과 가장 작은 입자의 영향을 반영하기 위해 가중기하평균값(Δg)을 적용한다. 공극률은 개념적으로 입자의 형태, 크기, 구조, 성분, 표면 특성을 반영하는 함수로 표현되지만, Istomina(1957) 가 광범위한 사질퇴적물에서 실험하여 제안한 경험식을 적용하였다. 이 식은 다음과 같다.

성능/효과

(3)현장 대수성시험결과 비교를 통해 상기식을 통해 예측된 수리전도도값을 검증해 본 결과 양수시험 결과값 대비Zunker 의 방법에 의한 수리전도도 주정값의 잔차는 -1.97 m/day, Normalized RMS error는 2.83% 로 합리적으로 추정된 것으로 판단되며 사질토기반의 충적층에 대해 강우-지하수위 교차상관분석을 바탕으로 한 수리전도도 추정 식을 도출할 수 있었다.
이 두 가지 방법에서 산정한 수리전도도 값과 대수성 시험결과를 비교하기 위해 BH-12 지점 주변에서는 순간충격시험, BH-20 지점 주변에서는 양수시험을 수행하였다. 그 결과 Zunker 의 방법이 순간충격시험결과와 거의 일치하고, 양수시험결과와 약 8배정도 차이가 나는 것으로 확인된다. 따라서 Zunker 에 의한 경험식에서 산정된 수리전도도 값과 강우-지하수위 최대 교차 상관계수 값의 회귀식을 최종적으로 선정하여 사질토기반의 충적대수층에서 강우-지하수위 교차상관분석에 따른 수리전도도산정 식을 도출하였다.
분석하였다. 그 결과 강우-지하수위 최대 교차상관계수 값은 수리전도도 값이 증가할수록 자연로그 상으로 증가하는 양상을 보이며 기울기도 약 0.08~0.1 로 나타나고 이에 대한 결정계수값도 0.9 이상으로 매우 큰 상관성이 확인되었다(Fig. 3).
수리전도도 산정 결과를 비교하였다. 그 결과 수리전도도값이 증가할수록 최대 교차상관계수 값이 비례하여 증가하는 경향이 나타났으며 매우 양호한 양의 상관성을 나타냈다.
그 결과 최대 교차상관계수 값의 범위는 0.28~0.86 이고 이때의 지연시간은 0~2 일로 나타나 충적층에서 강우 즉시 혹은 다음날의 지하수위는 대부분 상승한다. 따라서 최대 교차상관계수가 클수록 지연시간은 상대적으로 작은 것으로 확인된다.
실제현장에서 대부분 실트질모래(SM) 인 미고결퇴적물 상태와 각각의 경험식에서 적용조건이 일치하는 구간을 비교해 본 결과 Slichter, Zunker 의 경험식에 의한 수리전도도 산정결과가 가장 적합한 것으로 나타난다. 이 두 가지 방법에서 산정한 수리전도도 값과 대수성 시험결과를 비교하기 위해 BH-12 지점 주변에서는 순간충격시험, BH-20 지점 주변에서는 양수시험을 수행하였다.
여기서 구한 수리전도도는 선행연구(Kruseman and Ridder, 1994)에서 제시한 대수증의 형태, 수리적인 경계와는 연관성이 없는 것으로 판단되지만 지하수위 변동특성과 관련하여 강우-지하수위 교차상관분석에 따라 사질토 기반 대수층의 수리전도도를 효율적으로 예측할 수 있었다. 추가적으로 수리전도도 추정식에 대해 사질토 기반 충적층에서 수온에 따른 영향, 상대밀도에 따른 영향(Chapuis, 2012a) 등을 고려한 실험이 수행되면 대수성 시험을 수행할 수 없는 현장에서 효과적으로 수리전도도를 측정할 수 있으리라 기대한다.
존재하는 지표하 약 10 m 심도까지 굴진하였다. 조사결과, 조사지역의 충적층은 BH-2, 3, BH-5~9 를 제외한 전 구간에서 모래자갈층으로 분포하고 있으며 BH-6, 8, 9의 충적층심도가 비교적 얕은 경향이다. 여기서 지표하 30 cm 심도의 토양에서 입도분석용 시료를 채취하여 KS2302에 의거하여 체분석을 수행하였다(Table 1).
주변에서 대수성시험을 수행한 모니터링 관측공으로 검증구간을 확대한 결과, 4개소의 관측공(KJ-58, 50, 39, 15)에 대해서 미고결 퇴적물의 입도분석결과를 바탕으로 한 수리전도도 산정식의 결과와 양수시험의 결과의 잔차는 -1.97 m/day,Normalized RMS error는 2.83% 로 나타났다(Table 7).

후속연구

대수층의 수리전도도를 효율적으로 예측할 수 있었다. 추가적으로 수리전도도 추정식에 대해 사질토 기반 충적층에서 수온에 따른 영향, 상대밀도에 따른 영향(Chapuis, 2012a) 등을 고려한 실험이 수행되면 대수성 시험을 수행할 수 없는 현장에서 효과적으로 수리전도도를 측정할 수 있으리라 기대한다.

참고문헌 (27)

Ahlinhan, M.F., 2012, Stability of non-cohesive soils with respect to internal erosion, International Conference on Scour and Erosion, Paris, France, ICE6, 1-15.
Beyer, W., 1966, Hydrogeological investigation in the deposition of water pollutants, Journal of Applied Geology, 12(1), 599-606.
Blohm, F.J.A., 2016, Determination of hydraulic conductivities through grain-size analysis, M.S. Thesis, Boston College University, Boston, 100p.
Carrier, D., 2003, Goodbye, hazen; hello, kozeny-carman, Journal of Geotechnical and Geoen-vironmental Engineering, 129(11), 1054-1056.

상세보기
Chapuis, R.P., 2012a, Predicting the saturated conductivity of soils: a review, Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 71(3), 401-434.
Chapuis, R.P., 2012b, Estimating the in situ porosity of sandy soils sampled in boreholes, Engineering Geology, 141-142, 57-64.
Cheng, C., Chen, X., 2007, Evaluation of methods for determination of hydraulic properties in an aquifer-aquitard system hydrologically connected to river, Hydrogeology Journal, 15, 669-678.
Dullien, F.A., 1979, Porous media: Fluid transport and pore structure, Hydrogeology Journal, Academic Press, 396p.
Fallico, C., Bartolo, S.D., Troisi, S., Veltri, M., 2010, Scaling analysis of hydraulic conductivity and porosity on a sandy medium of an unconfined aquifer reproduced in the laboratory, Geoderma,160(1), 3-12.

상세보기
Hamm, S.Y., Cheong, J.Y., Lee, J.H., Kim, H.S., Han, J.S., 2005, The comparison of hydraulic conductivity according to the grain size analysis and pumping test, KoSSGE Conference, Apr. 14-15, Gongju, 446-450 (in Korean with English abstract).
Healy, R.W., 2010, Estimating groundwater recharge, Cambridge University Press, 8-9.
Hussain, F., Nabi, G., 2016, Empirical formulae evaluation for hydraulic conductivity determination based on grain size analysis, Pyrex Journal of Research in Environmental Studies, 3(3), 26-32.
Istomina, V.S., 1957, Filtration stability of soils, Gostroizdat, Moscow, Leningrad.
Kim, T.H., Chung, J.H., Kim, M., Oh, S.H., Lee, J.S., 2014, Analysis of the correlation between geological characteristics and water withdrawals in the laterals of radial collector well, The Journal of Engineering Geology, 24(2), 201-215 (in Korean with English abstract).
Kruseman, G.P., Ridder, N.P., 1994, Analysis and evaluation of pumping test data, 2nd ed., ILRI Publication 47, 377p.
Lee, J.Y., Lee, K.K., 2002, A comparative study on characteristics of waterlevel responses to rainfall in the two aquifer systems, Journal of Soil and Groundwater Environment, 7(1), 3-14 (in Korean with English abstract).
McCarthy, P.E., David, F., 2006, Essentials of soil mechanics and foundations, 7 edition, Prentice Hall, New York, 864p.
Memon, B.A., 1995, Quantitative analysis of springs, Environmental Geology, 26, 111-120.

상세보기
Odong, J., 2007, Evaluation of empirical formulas for determination of hydraulic conductivity based on grain size analysis, Journal of American Science, 3(3), 54-60.
Pliakas, F., Petalas, C., 2011, Determination of hydraulic conductivity of unconsolidated river alluvium from permeameter tests, empirical formulas and statistical parameters effect analysis, Water Resources Management, 25(11), 2877-2899.

상세보기
Slichter, C.S., 1899, Theoretical investigation of the motion of groundwaters, USGS 19th Annual Report, 1897-98, Wachington D.C., 295-384.
Song, Y.S., Lee, N.W., 2011, Unsatured hydraulic conductivity of sand according to relative densities, KSEG Conference, Apr. 7-9, Jeju, 57-60 (in Korean with English abstract).
Strobel, M., 2005, The early times let's talk water-hydraulic conductivity, USGS, URL http://nevada.usgs.gov/barcass/strobel_articles.htm, 295-384.
Tillmann, A., Engelert, A., Nyari, Z., Fejes, I., Vanderborght, J., Vereecken, H., 2008, Characterization of subsoil heterogeneity, estimation of grain size distribution and hydraulic conductivity at the Krauthausen test site using Cone Penetration Test, Journal of Contaminant Hydrology, 95(1-2), 57-75.
USBR, 1993, Drainage manual: a water resources technical publication, URL https://www.usbr.gov//tsc/techreferences/mands/mands-pdfs/DrainMan.pdf, 212-221.
Vukovic, M., Soro, A., 1992, Determination of hydraulic conductivity of porous media from grain-size composition, Water Resources Publications, 83p.
Zimmerman, R., Gudmundur, B., 1996, Hydraulic conductivity of rock fractures, Transport in Porous Media, 23(1), 1-30.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증