[논문]부안 지역 해안 대수층 내에서의 지하수 유동 및 염분 이동 삼차원 수치 모델링

김중휘; 김준모

문제 정의

이 연구의 목적은 연구 지역의 지형과 지층의 구성 등의 수리지질학적 특성을 종합적으로 고려한 삼차원 수치 모델링을 수행하여 해수 침투 현상을 정량적으로 모사하고 이를 바탕으로 지하수 양수정의 설치 및 운영에 따른 수리지질학적 및 수리동역학적 변화를 정량적으로 예측하는 것이다. 이를 위하여 수리동역학적 분산 수치 모델인 COFAT3D(Kim and Yeh, 2004)를 이용하여 전 라북도 부안군 변산면 격포리 일대 해안 대수층 내에서의 지하수 유동 및 염분 이동 삼차원 수치 모델링을 수행하였다.

제안 방법

현장의 양수정들 중에서 그 위치를 고려하여 3개의 양수정을 선택하였고 각각의 관정명은 Al, A7, R1 이 다 (그림 2). 각 관정에 대하여 충적층 및 풍화대의 중간에 해당하는 절점에서 양수를 실시하였고 양수량은 50 ton/day로 지정하였다.
모델의 경계 조건은 바닥과 산지의 능선을 따라 설정된 측면에 대해서는 지하수 유동과 염분 이동에 대하여 각각 no flow와 no flux 경계를 지정하였다. 해안쪽 측면에는 지하수 유동에 대해서는 해수면(z = 0 m)에서 수리수두가 0 이이고 하부로 내려갈수록 해수의 농도를 고려하여 증가하는 수리수두 값을 지정하였다.
본 연구에서는 먼저 정상 상태 수치 모델링을 통하여 지하수 양수 이전의 연구 지역의 해수 침투 현상을 모사하였고 이 결과를 초기 조건으로 하여 비정상 상태 수치 모델링을 수행하여 양수 정의 설치 및 운영에 따른 해수 침투 양상을 예측하였다. 정상 상태 및 비정상 상태 수치 모델링 모두에서 같은 모델 영역과 유한요소망, 경계조건, 물성값을 사용하였다.
이 지역은 서쪽과 서북쪽으로 바다와 접하고 중앙에는 충적층으로 피복된 평지가 분포하며 그 주변은 50-150 m 내외의 산지가 분포한다. 수치 지도로부터 추출된 고도값을 활용하여 이러한 지형의 특징을 모델에 적용하였다. 지층의 분포는 하부로부터 크게 기반암, 풍화대, 토양의 3가지 층을 고려하였고 현장 자료로부터 이들 지층의 수직적 분포를 파악하여 모델에 적용하였다.
연구지역인 전라북도 부안군 변산면 격포리 일대에 분포하는 해안 대수층 내에서의 지하수 유동 및 염분 이동에 대한 삼차원 수치 모델링을 수행하였다. 먼저 정상 상태 수치 모델링 결과에서 는 지하수 유동 및 염분 이동의 측면에서 현장의 지형과 지층의 구성 등의 전반적인 수리지질학 적 특성이 잘 반영되어 나타났다.
해안쪽 측면에는 지하수 유동에 대해서는 해수면(z = 0 m)에서 수리수두가 0 이이고 하부로 내려갈수록 해수의 농도를 고려하여 증가하는 수리수두 값을 지정하였다. 염분 이동에 대해서는 최상부의 1개 요소의 면에 대하여 염분이 지하수의 유동을 따라 이송은 가능하지만 분산은 일어나지 않도록 Neumann boundary를 적용하고 그 값을 0으로 지정하였으며 그 하부로는 표준화 염분 농도를 1.0으로 고정하였다. 지표면에 대해서는 최대 압력수두 0 m, 최소 압력수두 -300 in 를 가지는 variable boundary를 적용하였고 강수량은 연구지역에 인접한 군산관측소에서 측정한 연평균 강수량(한국기상청, 1971-2000)의 20%인 241.
수치 지도로부터 추출된 고도값을 활용하여 이러한 지형의 특징을 모델에 적용하였다. 지층의 분포는 하부로부터 크게 기반암, 풍화대, 토양의 3가지 층을 고려하였고 현장 자료로부터 이들 지층의 수직적 분포를 파악하여 모델에 적용하였다. 수치 모델링 영역은 주변 산지의 능선과 해안선을 경계로 설정되었으며 그림 1과 같이 15250개의 절점과 12915개의 육면체 요소로 이산화되었다.
0으로 고정하였다. 지표면에 대해서는 최대 압력수두 0 m, 최소 압력수두 -300 in 를 가지는 variable boundary를 적용하였고 강수량은 연구지역에 인접한 군산관측소에서 측정한 연평균 강수량(한국기상청, 1971-2000)의 20%인 241.82 mm/year를 지정하였다.

대상 데이터

지층의 분포는 하부로부터 크게 기반암, 풍화대, 토양의 3가지 층을 고려하였고 현장 자료로부터 이들 지층의 수직적 분포를 파악하여 모델에 적용하였다. 수치 모델링 영역은 주변 산지의 능선과 해안선을 경계로 설정되었으며 그림 1과 같이 15250개의 절점과 12915개의 육면체 요소로 이산화되었다. 세 지층은 수직적으로 나뉘어 졌으며 각 지층의 물성은 표 1에 정리되어 있다.
연구 지역은 전라북도 부안군 변산면 격포리 일대이다. 이 지역은 서쪽과 서북쪽으로 바다와 접하고 중앙에는 충적층으로 피복된 평지가 분포하며 그 주변은 50-150 m 내외의 산지가 분포한다.
정상 상태 및 비정상 상태 수치 모델링 모두에서 같은 모델 영역과 유한요소망, 경계조건, 물성값을 사용하였다. 한편 비정상 상태 수치 모델링에서는 297 개의 시간 구간에 걸쳐서 0일 부터 950000일(2603년)을 모델링 하였다. 현장의 양수정들 중에서 그 위치를 고려하여 3개의 양수정을 선택하였고 각각의 관정명은 Al, A7, R1 이 다 (그림 2).
한편 비정상 상태 수치 모델링에서는 297 개의 시간 구간에 걸쳐서 0일 부터 950000일(2603년)을 모델링 하였다. 현장의 양수정들 중에서 그 위치를 고려하여 3개의 양수정을 선택하였고 각각의 관정명은 Al, A7, R1 이 다 (그림 2). 각 관정에 대하여 충적층 및 풍화대의 중간에 해당하는 절점에서 양수를 실시하였고 양수량은 50 ton/day로 지정하였다.

이론/모형

이 연구의 목적은 연구 지역의 지형과 지층의 구성 등의 수리지질학적 특성을 종합적으로 고려한 삼차원 수치 모델링을 수행하여 해수 침투 현상을 정량적으로 모사하고 이를 바탕으로 지하수 양수정의 설치 및 운영에 따른 수리지질학적 및 수리동역학적 변화를 정량적으로 예측하는 것이다. 이를 위하여 수리동역학적 분산 수치 모델인 COFAT3D(Kim and Yeh, 2004)를 이용하여 전 라북도 부안군 변산면 격포리 일대 해안 대수층 내에서의 지하수 유동 및 염분 이동 삼차원 수치 모델링을 수행하였다.

성능/효과

먼저 정상 상태 수치 모델링 결과에서 는 지하수 유동 및 염분 이동의 측면에서 현장의 지형과 지층의 구성 등의 전반적인 수리지질학 적 특성이 잘 반영되어 나타났다. 그리고 지하수 양수 시의 비정상 상태 수치 모델링 결과에서는 지형과 지층의 특성에 따라서 염분 이동의 양상이 특징적으로 나타났으며 양수정의 위치에 따른 염분 농도의 시간적 . 공간적 분포의 변화를 효과적으로 예측할 수 있었다.
연구지역인 전라북도 부안군 변산면 격포리 일대에 분포하는 해안 대수층 내에서의 지하수 유동 및 염분 이동에 대한 삼차원 수치 모델링을 수행하였다. 먼저 정상 상태 수치 모델링 결과에서 는 지하수 유동 및 염분 이동의 측면에서 현장의 지형과 지층의 구성 등의 전반적인 수리지질학 적 특성이 잘 반영되어 나타났다. 그리고 지하수 양수 시의 비정상 상태 수치 모델링 결과에서는 지형과 지층의 특성에 따라서 염분 이동의 양상이 특징적으로 나타났으며 양수정의 위치에 따른 염분 농도의 시간적 .

후속연구

공간적 분포의 변화를 효과적으로 예측할 수 있었다. 이러한 결과들은 향후 연구지역 뿐만 아니라 국내의 다른 해안 지역에서 지하수 자원의 개발 시에 해수 침투의 양상을 파악하고 예측하는데 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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