[논문]플럭스미터와 단공희석시험을 이용한 카르스트 대수층 내 지하수 플럭스 측정 비교

이주연; 양민준

doi:10.9719/eeg.2020.53.5.543

플럭스미터와 단공희석시험을 이용한 카르스트 대수층 내 지하수 플럭스 측정 비교
Comparison between Passive Flux Meters and Borehole Dilution Tests to Estimate Groundwater Flux in a Karst Aquifer 원문보기

자원환경지질 = Economic and environmental geology, v.53 no.5, 2020년, pp.543 - 552

이주연 (부경대학교 지구환경시스템과학부) , 양민준 (부경대학교 지구환경과학과)

초록
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본 연구는 플로리다 주 Silver Springs 유역 내 카르스트 대수층의 지하수 플럭스를 측정하기 위해 플럭스미터(passive flux meter)와 단공희석시험(borehole dilution test)을 수행하였다. 또한 카르스트 대수층 내 분포하는 두 영역인 암반 매질(matrix)과 균열암반 매질(non-matrix)에 따른 플럭스미터의 성능도 함께 평가하였다. 그 결과 유속이 낮은 암반 매질 영역에서는 플럭스미터의 측정값(5.96 ± 1.75 cm/day)이 단공희석시험의 측정값(4.68 ± 2.99 cm/day)과 유사하게 나타났다. 반면, 유속이 빠른 균열암반 매질 영역에서는 플럭스미터의 측정값(9.94 ± 0.90 cm/day)과 단공희석시험의 측정값(1817.37 ± 1795.50 cm/day)이 큰 차이를 보였다. 이와 같은 결과는 지하수가 플럭스미터 내부 흡착제를 완전히 통과한다고 가정하였으나, 빠른 지하수 플럭스(>11 cm/day)를 가진 균열암반 매질 영역의 경우 지하수가 플럭스미터의 활성탄 담체를 통과하지 못하고 플럭스미터와 관측공 사이의 공간으로 우회하여 흐르기 때문으로 판단된다. 따라서 기존의 플럭스미터는 11 cm/day 이하의 지하수 플럭스 측정에 적합하며, 지하수 플럭스가 11 cm/day 이상인 대수층에서 사용할 수 있는 새로운 플럭스미터의 개발이 필요할 것으로 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we measured groundwater fluxes with a passive flux meter and a borehole dilution test in the Upper Floridan Aquifer. In addition, the feasibility of the passive flux meter is also evaluated within matrix and non-matrix zones. The results of the PFM (5.96 ± 1.75 cm/day) showed good agreement with those of the BHD (4.68 ± 2.99 cm/day) in matrix zones, whereas the results of the PFM (9.94 ± 0.90 cm/day) showed poor agreement with those of the BHD (1817.37 ± 1795.50 cm/day) in non-matrix zones. We assumed that the groundwater passes through the sorbent material inside the PFM. However, it could not pass through the sorbent when the groundwater flux is faster than 11 cm/day. The flow might bypass between monitoring well and the PFM. The PFM used in this study might be suitable for measuring the groundwater fluxes under 11 cm/day. Therefore, more extensive research is needed in the future to measure fast groundwater fluxes (> 11 cm/day).

주제어

표/그림 (11)

$Fig. 1. Schematic description of a karst aquifer consisting of 1) matrix zones including pore-scale and fissures, and 2) non-matrix zones including cave, conduit and large fracture.$ 그림 Fig. 1. Schematic description of a karst aquifer consisting of 1) matrix zones including pore-scale and fissures, and 2) non-matrix zones including cave, conduit and large fracture.
그림 Fig. 2. Regional location map showing the location of the study area, Silver Springs, Marion, FL. The area colored with light blue indicates the Silver Springs Springshed.
$Fig. 3. Down-borehole video images of a non-matrix zone that is suggestive of fractures and conduits in the well M-0625.$ 그림 Fig. 3. Down-borehole video images of a non-matrix zone that is suggestive of fractures and conduits in the well M-0625.
그림 Fig. 4. Schematics of field experimental apparatus for (a) the borehole dilution test (BHD) and (b) the passive flux meter (PFM). Q_in: inflow discharge, Q_out: outflow discharge.
표 Table 1. Parameters for BHD tests performed in three monitoring wells (M-0625, M-0762, and M-0764). V_T is the total mixing volume, S is the slope of linear regression line, r is borehole radius, and L is the length of borehole that is interrogated
표 Table 2. Parameters for PFM tests performed in three monitoring wells (M-0625, M-0762, and M-0764). θ is the dimensionless volumetric water content, R_d is the retardation factor
그림 Fig. 5. Log-transformed C/C₀ data from matrix (a, c, e) and non-matrix (b, d, f) zones in three monitoring wells. Groundwater fluxes were estimated using Equation (5) with the slope of the regression line.
표 Table 3. Summary of measured groundwater fluxes in rock matrix and non-matrix zones with PFM (q_p) and BHD (q_b) tests performed in three monitoring wells
그림 Fig. 6. Comparison of measured groundwater fluxes in matrix zones from PFM and BHD. Error bars in PFM data represent the standard deviation of triplicate measurements (n = 3).
그림 Fig. 7. Comparison of measured groundwater fluxes in
그림 Fig. 8. Estimated flow lines (solid line) in a karst aquifer with PFM deployment into a borehole. r₁: PFM diameter, k₀: hydraulic conductivity of a karst aquifer, k₁: hydraulic conductivity of PFM (modified from Klammler et al., 2007). In matrix zones, the groundwater flow is relatively slow that can be passed through the PFM (a), but if the PFM deployed in the conduit layer which has groundwater over 11 cm/day, it will occur to bypass the PFM (b).

AI 본문요약
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문제 정의

, 2004), 높은 유속을 측정한 사례는 보고된 바 없으며, 플럭스미터의 측정 한계에 대한 연구는 다소 미비한 실정이다. 따라서 본 연구의 목적은 단공희석시험과 플럭스미터로 Silver Springs 유역 내 암반 매질과 균열암반 매질 영역의 지하수 플럭스를 측정 및 비교하여 실제 현장에서 지하수 플럭스를 측정할 수 있는 플럭스미터의 최대 범위를 제시함에 있다.
본 연구는 플럭스미터의 지하수 플럭스 측정 가능 범위를 규명하기 위해 Upper Floridan Aquifer 내 암반 매질과 균열암반 매질 영역에서 단공희석시험 및 플럭스미터를 이용하여 지하수 플럭스를 측정하고 이에 대한 해석을 실시하였다. 암반 매질 영역에서의 플럭스미터 측정 결과는 단공희석시험의 결과와 유사하게 나타난 반면, 균열암반 매질 영역에서의 플럭스미터 측정 결과는 단공희석시험 결과와 1.

제안 방법

현장 실험이 종료된 뒤 회수한 플럭스미터 내부 활성탄 담체 10 g과 기존에 제작해 둔 활성탄 담체 10 g를 각각 20 mL의 이소부틸알코올(isobutyl alcohol)이 담긴 바이알(vial)에 넣어 24시간 동안 교반하였다. 그후 상층액 2 mL를 샘플링하여 가스 크로마토그래피 (GC/FID, PerkinElmer, Inc.) 분석을 통해 활성탄 내 알코올 잔존농도를 측정하였다(Hatfield et al., 2004). 플럭스미터를 이용해 지하수 플럭스(q_p)를 계산하는 식은 식 (5)와 같다(Annable et al.
따라서 본 연구에서는 Silver Springs 유역에 위치한 Upper Floridan Aquifer를 암반 매질과 균열암반 매질 영역으로 분류하였다. 이를 위해 81개의 관측공 내부를 촬영하여 절리의 유무를 확인하였고(Fig.
따라서 본 연구에서는 Silver Springs 유역에 위치한 Upper Floridan Aquifer를 암반 매질과 균열암반 매질 영역으로 분류하였다. 이를 위해 81개의 관측공 내부를 촬영하여 절리의 유무를 확인하였고(Fig. 3), 육안으로 관측하였을 때 공로의 존재가 가장 뚜렷한 3개의 관측공(M-0625, M-0762, M-0764)을 대상으로 단공희석시험과 플럭스미터를 이용하여 지하수 플럭스를 측정하였다. 각 관측공을 대상으로 암반 매질과 균열암반 매질 영역의 지하수 플럭스 측정 구간은 Table 1에 나타내었다.
, 2019). 재순환 펌프(MP1, Grunfos)와 추적자 주입구가 구성되어 있는 측정 구간에 일정한 속도로 추적자(Rhodamine)를 주입한 뒤, 순환펌프를 이용하여 형광 광도계(Albillia Co., GGUN-FL30)로 추적자의 흡광도를 측정하였다.
4b와 같이 크리놀린(crinoline) 망으로 감쌌으며, 활성탄 담체 형태 보존 및 유출을 방지하기 위해 고무 와셔를 끼워 원통형으로 제작하였다. 제작된 플럭스미터는 단공희석시험과 동일한 깊이에 따라 세 구간(상, 중, 하부)으로 나누어 관측공에 주입하여 지하수 플럭스를 측정하였다. 관측공의 측정 깊이는 Table 1에 나타내었다.
활성탄 담체는 Fig. 4b와 같이 크리놀린(crinoline) 망으로 감쌌으며, 활성탄 담체 형태 보존 및 유출을 방지하기 위해 고무 와셔를 끼워 원통형으로 제작하였다. 제작된 플럭스미터는 단공희석시험과 동일한 깊이에 따라 세 구간(상, 중, 하부)으로 나누어 관측공에 주입하여 지하수 플럭스를 측정하였다.
)로 나타내었으며, 이는 추세선의 기울기(slope, S)로 표현할 수 있다(Palmer, 1993). 흡광도 측정 초반에는 측정값이 불안정하며 피크 현상(peak phenomenon)이 발생할 수 있으므로 측정 초반(약 15분) 흡광도를 제외하고 감소 패턴을 보이는 구간의 추세선 기울기를 사용하였다. 단공희석시험의 경우 지하수 플럭스는 M-625에서 3회, M-762, 764는 각각 1회 측정하였으며 본 연구에서 사용된 매개변수들은 Table 1에 요약하였다.

대상 데이터

Table 1. Parameters for BHD tests performed in three monitoring wells (M-0625, M-0762, and M-0764). V_T is the total mixing volume, S is the slope of linear regression line, r is borehole radius, and L is the length of borehole that is interrogated
Table 2. Parameters for PFM tests performed in three monitoring wells (M-0625, M-0762, and M-0764). θ is the dimensionless volumetric water content, R_d is the retardation factor
본 연구에서는 빠른 유속의 카르스트 대수층에 의한 패커의 손상을 최소화하기 위하여 일반적으로 사용되고 있는 팽창식 고무소재가 아닌 Kevlar소재(DuPont Co., Kevlar®)를 사용하였다(Yang et al., 2019).
4b). 시험에 사용된 흡착제는 입상 활성탄(granulated activated carbon, Fisher Scientific)으로 6~12 mesh를 사용하였으며 2 mm의 직경에 약 0.59 cm/s의 수리전도도를 갖는다(Hatfield et al., 2004). 입상활성탄에 흡착시킨 알코올 추적자 종류는 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 이소프로필알코올 (isopropyl alcohol, IPA), 삼차부틸알코올(tert-butyl alcohol, TBA)이며 각각 5, 27, 120, 295의 지연계수를 갖는다(Yang et al.

데이터처리

식 (5)을 이용하여 계산한 지하수 플럭스는 Table 3에 나타내었다. 모든 시험은 세 번 반복 시험이 수행되었으며, 측정 결과는 평균값과 표준편차로 나타내었다. 암반 매질 영역의 경우, M-0625 (22 m), M-0762(37 m), M-0764 (14 m)에서 측정된 지하수 플럭스는 각각 평균 6.

이론/모형

, 1968). 본 연구를 수행한 관측정은 개방형 단공으로, 일반적으로 개방형 단공에서 사용되는 유체 왜곡 계수값인 2를 적용하였다(Novakowski et al., 1995; Pitrak et al., 2007; Shafer et al., 2010; van Tonder et al., 2002). 단공희석시험에 의한 지하수 플럭스(q_b)는 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다(Pitrak et al.
75 kg의 활성탄을 넣고 12시간 동안 자동교반기로 교반하였다. 활성탄 담체 제작 과정에서 공기의 유입을 최소화하기 위해 테프론 테이프를 사용하여 밀봉하였다(Annable et al., 2005; Kunz et al., 2017).

성능/효과

(2019)은 Silver Springs의 복잡한 지질구조를 규명하기 위해 불확실한 카르스트 지질구조를 단일 도메인 모델(single domain model), 암반 매질 영역과 균열암반 매질 영역이 존재하는 이중 도메인 모델(double domain model), 그리고 암반 매질, 절리 암반과 공로로 구성된 삼중 도메인 모델(triple domain model)로 가정하였다. 그 결과 Silver Springs의 지하수 플럭스를 예측하는데 이중 도메인 모델의 성능이 가장 우수함을 보여주었다.
, 2019)에서도 유사하게 나타났다. 동일한 유속의 실내실험에서 추적자시험과 DVT의 지하수 플럭스 측정결과(14.5-17.8 cm/day)에 비해 플럭스미터 측정결과는 평균 10.25 cm/day로 나타나 11 cm/day 이상의 지하수 플럭스를 측정하는데 한계를 보였다. 위 측정 결과의 차이가 나타난 원인은 플럭스미터의 유체 왜곡 계수(α) 보정과 플럭스미터 내부 활성탄 담체의 상대적으로 낮은 수리전도도에 관한 문제로 추정된다.
본 연구를 통해 기존 플럭스미터는 약 11 cm/day 이하의 대수층에서 사용이 적합하다는 결과를 얻었다. 따라서 이와 같은 측정 한계를 기준으로 삼는다면 기존의 플럭스미터는 대수층의 장기적인 지하수 거동을 측정하는데 좋은 장비로 활용될 수 있을 것이며, 카르스트 대수층과 같은 고유량 환경에서 플럭스미터를 적용하기 위해서는 담체를 포함한 내부 소재의 투수성 개선 및 적합한 소재로의 변화가 요구된다.
3 cm/day로 나타났다. 세 관측공 모두 표준편차가 낮게 나타났으며 이를 통해 플럭스미터는 단공희석시험보다 암반 매질 영역에서 장기간 동안 지하수 플럭스 시험을 수행했음에도 불구하고 반복 시험 간의 정밀도가 상대적으로 높음을 판단할 수 있었다(Table 2).
세 관측공을 대상으로 한 플럭스미터와 단공희석시험의 측정값은 암반 매질 영역의 경우 플럭스미터는 평균 6.46 ± 0.38 cm/day, 단공희석시험은 평균 6.19 ± 3.6 cm/day로 나타났다.
세 관측공의 균열암반 매질 영역에서 단공희석시험을 실시한 결과, 암반 매질영역에서 측정된 결과에 비해 흡광도의 감소 패턴이 다양하게 나타난 것을 확인할 수 있었다(Fig. 5b, d, f). 특히, M-0625 (34 - 36 m)에서 추세선의 기울기는 -3.
본 연구는 플럭스미터의 지하수 플럭스 측정 가능 범위를 규명하기 위해 Upper Floridan Aquifer 내 암반 매질과 균열암반 매질 영역에서 단공희석시험 및 플럭스미터를 이용하여 지하수 플럭스를 측정하고 이에 대한 해석을 실시하였다. 암반 매질 영역에서의 플럭스미터 측정 결과는 단공희석시험의 결과와 유사하게 나타난 반면, 균열암반 매질 영역에서의 플럭스미터 측정 결과는 단공희석시험 결과와 1.5배에서 400배까지 큰 차이를 보였다. 이를 통해 기존의 플럭스미터는 빠른 지하수 플럭스 측정에 어려움이 있으며 지하수의 흐름이 빠를수록(>11 cm/day) 플럭스미터 내 활성탄 담체의 낮은 수리전도도에 의해 지하수 우회가 발생할 수 있음을 제시하였다.
이를 통해 기존의 플럭스미터는 빠른 지하수 플럭스 측정에 어려움이 있으며 지하수의 흐름이 빠를수록(>11 cm/day) 플럭스미터 내 활성탄 담체의 낮은 수리전도도에 의해 지하수 우회가 발생할 수 있음을 제시하였다.
5에 나타내었다. 전체적인 흡광도 측정 결과는 선형적으로 잘 나타났다(R² = 0.89 - 0.99).

후속연구

본 연구를 통해 기존 플럭스미터는 약 11 cm/day 이하의 대수층에서 사용이 적합하다는 결과를 얻었다. 따라서 이와 같은 측정 한계를 기준으로 삼는다면 기존의 플럭스미터는 대수층의 장기적인 지하수 거동을 측정하는데 좋은 장비로 활용될 수 있을 것이며, 카르스트 대수층과 같은 고유량 환경에서 플럭스미터를 적용하기 위해서는 담체를 포함한 내부 소재의 투수성 개선 및 적합한 소재로의 변화가 요구된다. 또한 고유량에 적용될 수 있는 유체왜곡보정 시나리오의 개선과 그에 대한 추가적인 검증이 필요할 것이다.
따라서 이와 같은 측정 한계를 기준으로 삼는다면 기존의 플럭스미터는 대수층의 장기적인 지하수 거동을 측정하는데 좋은 장비로 활용될 수 있을 것이며, 카르스트 대수층과 같은 고유량 환경에서 플럭스미터를 적용하기 위해서는 담체를 포함한 내부 소재의 투수성 개선 및 적합한 소재로의 변화가 요구된다. 또한 고유량에 적용될 수 있는 유체왜곡보정 시나리오의 개선과 그에 대한 추가적인 검증이 필요할 것이다.
8). 이처럼 대수층과 플럭스미터 간의 우회 현상이 발생하는 문제를 해결하기 위해서는 기존 플럭스미터의 활성탄 담체로 사용되었던 입상활성탄보다 입자 크기가 크고 유동성이 좋은 새로운 활성탄 담체의 개발이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	카르스트란 무엇인가?	카르스트(karst)란 탄산염광물로 구성된 석회암이 빗물 또는 지하수에 의해 용해되어 형성된 지형으로, 전 세계 인구의 약 20 - 25%가 카르스트 대수층을 수자원으로 사용하고 있다(Ford and Williams, 1989; Hartmann et al., 2013).
	카르스트 외부에는 무엇이 있는가?	, 2013). 카르스트 외부는 폴리예(polje), 돌리네(dolines), 카렌(karren) 등이 있으며 카르스트 대수층에는 탄산염암 내 공극과 절리(fracture) 또는 균열(fissure), 그리고 공로(conduit) 및 석회동굴(cave) 등이 존재한다(Fig. 1).
	카르스트 대수층이 대수층 오염에 취약한 이유는 무엇인가?	, 2013; Kaufmann and Braun, 2000). 또한, 싱크홀(sinkhole)과 샘(spring)을 통한 외부로부터의 오염 가능성이 높아 대수층 오염에 취약하다(Bakalowicz, 2005; Ford and Williams, 1989; Gunn et al., 2000).

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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].

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