[논문]흐름 전위 특성을 고려한 수리시설물에서의 자연 전위 탐사 사례 고찰

송서영; 조아현; 강경철; 남명진

doi:10.7857/jsge.2021.26.6.001

흐름 전위 특성을 고려한 수리시설물에서의 자연 전위 탐사 사례 고찰
A Review on Past Cases of Self-potential Surveys for Dikes and Embankments Considering Streaming Potential 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.26 no.6, 2021년, pp.1 - 17

송서영 (세종대학교 에너지자원공학과) , 조아현 (세종대학교 에너지자원공학과) , 강경철 , 남명진 (세종대학교 에너지자원공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Self-potential (SP) surveys measure naturally occurring differences in electrical potential in the absence of artificial sources and have been applied to various fields since the first application in mineral explorations. Among various causes of SP occurrences, streaming potential is generated by the flow of groundwater, and makes SP surveys suitable for the exploration of groundwater table fluctuation, fractures, sinkholes and landslide occurrences. Recently, there has been many studies that applied SP surveys to monitor water leakage through dikes and embankments. In this review paper, we first review the characteristics and theoretical backgrounds of streaming potential in saturated or unsaturated porous media to introduce it in the embankment among various application field. After the review of the background theory, we review the past cases of field SP surveys on dikes and embankments and also the characteristics of field streaming potential data in the surveys. Further, by analyzing past studies of qualitative as well as quantitative interpretation of SP survey data, we show the possibility of quantitative interpretation of streaming potential data obtained on dikes and embankments. Consequently, it is hope that this review paper helps researches on SP surveys on dikes and embankments, and provides basis for interpretation methods of the SP data to identify leaked area and further leakage rate (or permeability).

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Schematic diagrams for streaming potential. An underground matrix consisting of fine particles (colloid) and surface of the matrix being negatively charged. The negatively charged surface attracts cations to form electrical double layers in the water-saturated pore space, where fluid flows to cause current flow: larger amount of anions flow along the fluid than cations.
그림 Fig. 2. A flowchart of forward modeling of streaming potential and inversion of self-potential (SP) survey data (modified from Bolève et al., 2009).
그림 Fig. 3. Schematic diagrams of electrode array methods for SP survey: (a) fixed-based method and (b) leap-frog or gradient method.
그림 Fig. 4. SP and electrical-resistivity surveys in an embankment along Rhone River in France (Bolève et al., 2009): (a) electrodes positions for both surveys (a total of 2076 electrodes were installed from the crest to the ditch of the dam while the reference electrode (Ref 1) is located in the middle of the slope) and (b) measured SP distribution (three SP anomalies are labeled A1, A2 and A3, and a filled triangle is the position of Ref 1 of (a)).
그림 Fig. 5. Results of numerical modeling of the effects of stratigraphy as well as groundwater flow on streaming potential data: (a) a schematic cross-section of the model, whose stratigraphy interpreted from field studies and resistivity soundings, with estimated bulk resistivity of each unit (a black dot is the position of reference electrode while groundwater travels along the contact between ice-filled and ice-free moraines) and (b) a cross-section of simulated SP distribution along the profile at the surface in (a) (Moore et al., 2011).
그림 Fig. 6. Monitoring results of SP surveys conducted before and after brine injection at a crest of the dam; two positive self-potential peaks in the leak area (electrodes #1–#16) appear in relation to the injection (Bolève et al., 2011).
그림 Fig. 7. Experimental relationship between charge densities per unit pore volume and permeabilities in log–log scale. Samples are from a wide variety of porous materials to avoid regional trends (Bolève et al., 2012).

AI 본문요약
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제안 방법

수리시설물에서 자연전위 탐사는 댐 환경 또는 관심 영역에 따라 2D 또는 3D 탐사를 수행한다. 3장에서는 수리 시설물에서의 자연전위 탐사 수행 시 사용하는 전극 배열의 특성, 탐사 위치 별 탐사법 특성, 사용 가능한 전극의 종류 및 탐사 장비에 대해 소개하고자 한다.
수리시설물에서 측정된 흐름 전위는 정성적 혹은 정량적으로 다양한 자료들과 함께 공간적 혹은 시간적 전위변화를 해석하여 누수 영역을 복합 해석한다. 정성적으로 흐름 전위를 해석할 때에는 다른 자료와 함께 해석하거나 환경에 인위적인 변화를 주면서 모니터링을 수행하고 이에 따른 흐름 전위 변화를 관측하여 누수 영역을 평가할 수 있다.
, 2011). 이에 기초하여 댐에서 추적자시험(tracer test)을 위한 소금물 주입 후의 흐름 전위 자료에서 주입 전 배경 흐름 전위 자료를 제거하여 양의 이상이 나타나는 영역을 누수 영역으로 해석하였다. 누수 영역으로 해석된 영역에서의 전기전도도 변화 자료에서도 뚜렷한 전도도 증가가 나타났다.
그러나 자연 전위 신호의 세기가 작고 이에 따른 잡음의 영향이 크며 정량적 해석에 한계가 있어 자연전위 탐사 적용에 어려움이 있다. 이에 따라 국내외의 여러 사례에서 잡음의 영향을 최대한 줄이고 누수를 평가하기 위한 연구들이 많이 수행되었으며, 누수를 효과적으로 해석하기 위해 다른 탐사 방법들과 복합 해석을 하거나 현장 지질 특성을 고려하여 정성적 및 정량적 해석을 수행하였다. 흐름 전위자료만으로도 탐사 시에 염도나 지하수위 변화와 같은 외부 환경 변화를 발생시켜 누수에 의한 흐름 전위 반응을 보다 뚜렷하게 함으로써 누수를 성공적으로 평가하였다.
흐름 전위자료만으로도 탐사 시에 염도나 지하수위 변화와 같은 외부 환경 변화를 발생시켜 누수에 의한 흐름 전위 반응을 보다 뚜렷하게 함으로써 누수를 성공적으로 평가하였다. 특히 최근 자연전위 자료를 정량적으로 해석하는 연구들이 늘어나면서 시간 경과 및 기타 탐사 자료와의 복합해석을 통해 누수를 평가하였다. 또한 정량적 해석 결과로부터 누수 영역에서의 수리 상수 평가도 수행되며 자연 전위 탐사의 활용도가 높아지고 있다.
이에 따라 국내외의 여러 사례에서 잡음의 영향을 최대한 줄이고 누수를 평가하기 위한 연구들이 많이 수행되었으며, 누수를 효과적으로 해석하기 위해 다른 탐사 방법들과 복합 해석을 하거나 현장 지질 특성을 고려하여 정성적 및 정량적 해석을 수행하였다. 흐름 전위자료만으로도 탐사 시에 염도나 지하수위 변화와 같은 외부 환경 변화를 발생시켜 누수에 의한 흐름 전위 반응을 보다 뚜렷하게 함으로써 누수를 성공적으로 평가하였다. 특히 최근 자연전위 자료를 정량적으로 해석하는 연구들이 늘어나면서 시간 경과 및 기타 탐사 자료와의 복합해석을 통해 누수를 평가하였다.

대상 데이터

테스트 베드에서 취득한 흐름 전위 모니터링 자료를 활용하여 음향 방출 탐사와의 복합 역산 및 시간 경과 역산을 수행한 사례도 있는데, 여기서 자연전위 모니터링은 네덜란드의 북동쪽에 위치하고 있는 실물 크기의 댐에서 2007년부터 2012년까지 수행된 파괴 시험(IJKDIJK experi- ment) 중 마지막 시험 시 하였다(Ritters et al., 2015). 일정 기간 동안 취득한 모니터링 자료를 역산 수행 시추가적인 제한 조건을 주어서 한 번에 역산하는 4D 흐름전위 역산을 통해 소스 전류 밀도를 직접 계산하였다 (Jardani et al.

성능/효과

수리시설물에서의 자연전위 탐사는 주된 유체 흐름이 있는 누수 영역을 해석하고 외부 송신원 없이 지속적인 모니터링이 가능하다는 점에서 큰 장점이 있다. 그러나 자연 전위 신호의 세기가 작고 이에 따른 잡음의 영향이 크며 정량적 해석에 한계가 있어 자연전위 탐사 적용에 어려움이 있다.
또한 자연전위 탐사와 함께 수행된 수동적 물리탐사인 음향 방출 탐사 결과도 흐름 전위 역산 시의 계산 영역에 맞추어 외삽하고 이를 스칼라 가중치로 계산하여 평활화 제한조건에 적용함으로써 소스 전류 밀도의 크기를 보정하는 데 사용되었다. 역산 결과 음향 방출 결과와 복합 해석한 흐름 소스 전류 밀도 벡터장이 보다 현실적인 유체 흐름을 보여주며 누수 부근 흐름 전위 이상이 보다 잘 집중되어 나타나 흐름 전위의 정량적 해석에서의 복합 해석 가능성을 잘 보여주었다.
, 2009). 이를 검증하기 위해 측정된 흐름 전위 자료와 역산 자료를 비교하는 것뿐만 아니라 댐 상부에 시추공을 뚫고 투수율을 평가하기 위한 지반 테스트를 수행한 뒤 비슷한 심도에서 투수율이 높게 나타나는 것을 보임으로써 흐름 전위 역산 결과를 효과적으로 검증하였다.

후속연구

수리시설물에서의 자연전위 탐사는 주된 유체 흐름이 있는 누수 영역을 해석하고 외부 송신원 없이 지속적인 모니터링이 가능하다는 점에서 큰 장점이 있다. 그러나 자연 전위 신호의 세기가 작고 이에 따른 잡음의 영향이 크며 정량적 해석에 한계가 있어 자연전위 탐사 적용에 어려움이 있다. 이에 따라 국내외의 여러 사례에서 잡음의 영향을 최대한 줄이고 누수를 평가하기 위한 연구들이 많이 수행되었으며, 누수를 효과적으로 해석하기 위해 다른 탐사 방법들과 복합 해석을 하거나 현장 지질 특성을 고려하여 정성적 및 정량적 해석을 수행하였다.
특히 최근 자연전위 자료를 정량적으로 해석하는 연구들이 늘어나면서 시간 경과 및 기타 탐사 자료와의 복합해석을 통해 누수를 평가하였다. 또한 정량적 해석 결과로부터 누수 영역에서의 수리 상수 평가도 수행되며 자연 전위 탐사의 활용도가 높아지고 있다. 수리 시설물에서의 여러 사례들을 분석하며 수리시설물 내부의 복잡한 수리환경 및 전기적 분포의 불확실성 등의 누수 평가의 한계들이 있지만 주변 환경을 고려한 정성적 해석 및 다른 탐사 혹은 시추공 자료와의 복합 해석을 통한 정량적 해석을 수행한다면 보다 효과적으로 누수를 평가할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 정량적 해석 결과로부터 누수 영역에서의 수리 상수 평가도 수행되며 자연 전위 탐사의 활용도가 높아지고 있다. 수리 시설물에서의 여러 사례들을 분석하며 수리시설물 내부의 복잡한 수리환경 및 전기적 분포의 불확실성 등의 누수 평가의 한계들이 있지만 주변 환경을 고려한 정성적 해석 및 다른 탐사 혹은 시추공 자료와의 복합 해석을 통한 정량적 해석을 수행한다면 보다 효과적으로 누수를 평가할 수 있을 것으로 기대된다.

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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].

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