[논문]대수층 계간 축열시스템 적용을 위한 지하수의 화학적 특성 변화

최한나; 이홍진; 심병완

doi:10.7857/jsge.2021.26.3.014

대수층 계간 축열시스템 적용을 위한 지하수의 화학적 특성 변화
The Influences of Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) System on Geochemical Properties of Groundwater 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.26 no.3, 2021년, pp.14 - 24

최한나 (한국지질자원연구원) , 이홍진 (한국지질자원연구원) , 심병완 (한국지질자원연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Aquifer thermal energy storage (ATES) system uses groundwater thermal energy for cooling and heating of buildings, and it is also often utilized to provide warm water to crops and plants for the purpose of enhancing agricultural yields. This study investigated the potential influences of a ATES system on the geochemical properties of groundwater by simulating the variation of hydrochemistry and saturation index of groundwater during ATES operation. The test bed was installed at an agricultural field, which is mainly composed of an groundwater-rich alluvial plain. The simulation results showed no significant precipitation of mineral phases such as manganese-iron oxide, carbonate and sulfate around the ATES test bed, as well as no debasement of other important water quality parameters. The implementation of ATES system in the study area was appropriate and effective for utilizing the thermal energy of groundwater for agricultural use.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Recharge rate and available amount of groundwater in South Korea. The location of study site is marked with a red point.
그림 Fig. 2. Geological map of Wanju-Gun, Jeonbuk in Korea. (modified from Hong and Kim, 1969).
그림 Fig. 3. Location of the ATES (Aquifer Thermal Energy Storage) test bed and water sampling points (a), and Cross section images for borehole from BH-1 to BH-5 drilled around the test bed.
그림 Fig. 4. Red dots and blue dot represent sampling points of groundwater and surface water, respectively. The surface water flows to the southwest direction (Blue arrow).
그림 Fig. 5. Piper diagram using major cation and anion composition of water samples in this study site. The red dots and the blue dot represent the mean of groundwaters and the surface water, respectively.
표 Table 1. Measured field parameters including Temperature, pH, EC, DO, and ORP and analyzed cations (Ca, Mg, Na, K, Fe, Mn, and Sr), anions (F, Cl, Br, NO₃, PO₄, and SO₄), and dissolved silica (SiO₂). Sampling campaign was conducted in March 2021
그림 Fig. 6. Distribution map of Pie chart on the major ions and TDS in the study site.
표 Table 2. Measured values of DO (Dissolved oxygen), turbidity, and KMnO₄ oxidation and calculated values of TDS (Total dissolved solids), TH (Total hardness), Na% (sodium percentage), SAR (Sodium absorption ratio), and Kelly ratio for each sample
그림 Fig. 7. Gibbs diagrams present controlling processes among the hydrochemistry of rock, precipitation, and evaporation (Gibbs, 1970).
그림 Fig. 8. The oxygen (δ¹⁸O) and hydrogen (δ²H) isotope pairs of water samples in the study site as compared to the global meteoric water line (GMWL) and local meteoric water line (LMWL). The GMWL and LMWL data refer to Craig (1961) and Lee and Lee (1999), respectively.
그림 Fig. 9. Potential health risks due to aesthetic influential material (turbidity, Cl^- concentration, and KMnO₄ oxidation) through drinking water.
그림 Fig. 10. Saturation index (SI) of JB-1 (a), JB-2 (b), and JB-4 (c) sites with respect to anhydrite, calcite, and dolomite. The dotted line and red dot show an initial sampling temperature and saturation index for initial water at each sampling site, respectively.

AI 본문요약
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문제 정의

완주군의 주요 소득 작물인 화훼류는 안정적인 온도유지가 필수적으로 요구되기 때문에, 테스트 베드에 대수층 계간 축열(ATES)시스템을 설치하여 지열지하수를 활용하고자 한다. 이 연구에서는 ATES 시스템을 설치하기 전 연구지역의 지하수 수질특성과 활용 용도로서의 적합성, 그리고 시스템 가동에 따른 대수층 수온 변화에 따른 광물포화도 변화를 알아보고자 하였다. 연구지역의 지하수는 대부분 강수에 의해 함양되었으며 물-암석 반응이 주된 수리화학 결정인자로서 작용하였다.

제안 방법

연구지역은 구릉 및 평지지형을 가지는 충적평야로서 연중 활발한 농작물 생산이 이뤄져 농업 및 생활용수로서 지하수 의존도가 높다. 완주군의 주요 소득 작물인 화훼류는 안정적인 온도유지가 필수적으로 요구되기 때문에, 테스트 베드에 대수층 계간 축열(ATES)시스템을 설치하여 지열지하수를 활용하고자 한다. 이 연구에서는 ATES 시스템을 설치하기 전 연구지역의 지하수 수질특성과 활용 용도로서의 적합성, 그리고 시스템 가동에 따른 대수층 수온 변화에 따른 광물포화도 변화를 알아보고자 하였다.

대상 데이터

연구지역은 구릉 및 평지지형을 가지는 충적평야로서 연중 활발한 농작물 생산이 이뤄져 농업 및 생활용수로서 지하수 의존도가 높다. 완주군의 주요 소득 작물인 화훼류는 안정적인 온도유지가 필수적으로 요구되기 때문에, 테스트 베드에 대수층 계간 축열(ATES)시스템을 설치하여 지열지하수를 활용하고자 한다.
예측 관정은 테스트 베드에서 가까운 지점의 지하수(JB- 1, 2, 4)를 대상으로 모델링 하였으며, 온도상승 범위는 동계와 하계조건 및 시스템의 가동으로 대수층에 장기간축열될 가능성을 고려하여 5℃부터 55℃ 사이로 모사하였다. 하천 맞은편의 시료채취 지점은 하천이 배리어 역할을 하여 온도 변화가 크게 반영되지 않을 것으로 여겨져 이 모델에 넣지 않았다.

이론/모형

앞서 언급한 것처럼, 연구지역의 지하수는 대부분 생활용수 및 농업용수로 활용되고 있으므로 지하수 및 지표수의 수질인자가 활용목적에 부합하는지 판단하고자 하였다. 지하수 수질특성 평가를 위해 한국의 먹는물 수질기준 가운데 일부 항목인 건강상 유해영향 무기물질(불소 및 질산성 질소)과 심미적 수질기준(과망간산칼륨소비량, 염소이온, 탁도)과 농업용수 적합도 평가인자(경도 및 치환성양이온 조성)를 활용하였다(Table 2).

성능/효과

또한 천부지하수의 경우 음용으로는 일부 항목에서 적합성이 떨어지지만, 농업용수로 사용하기에는 적합하다. ATES 시스템 영향반경 내의 관정에서 수온변화로 인해 망간-철 산화물, 탄산염과 황산염 침전물이 생성되거나 수질 저하가 나타날 가능성은 매우 낮은 것으로 여겨진다. 따라서 연구지역의 지하수는 농업생산성 증진을 위해 ATES 시스템을 적용하기에 적합한 부지로 판단된다.
ATES 시스템 영향반경 내의 관정에서 수온변화로 인해 망간-철 산화물, 탄산염과 황산염 침전물이 생성되거나 수질 저하가 나타날 가능성은 매우 낮은 것으로 여겨진다. 따라서 연구지역의 지하수는 농업생산성 증진을 위해 ATES 시스템을 적용하기에 적합한 부지로 판단된다.
연구지역의 지하수는 대부분 강수에 의해 함양되었으며 물-암석 반응이 주된 수리화학 결정인자로서 작용하였다. 또한 천부지하수의 경우 음용으로는 일부 항목에서 적합성이 떨어지지만, 농업용수로 사용하기에는 적합하다. ATES 시스템 영향반경 내의 관정에서 수온변화로 인해 망간-철 산화물, 탄산염과 황산염 침전물이 생성되거나 수질 저하가 나타날 가능성은 매우 낮은 것으로 여겨진다.
이 연구에서는 ATES 시스템을 설치하기 전 연구지역의 지하수 수질특성과 활용 용도로서의 적합성, 그리고 시스템 가동에 따른 대수층 수온 변화에 따른 광물포화도 변화를 알아보고자 하였다. 연구지역의 지하수는 대부분 강수에 의해 함양되었으며 물-암석 반응이 주된 수리화학 결정인자로서 작용하였다. 또한 천부지하수의 경우 음용으로는 일부 항목에서 적합성이 떨어지지만, 농업용수로 사용하기에는 적합하다.

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동의어: Packet Collision Rate

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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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