KR100226497B1 - 지하공동 시설물에 대한 해수침투 모니터링 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해변에 매설된 지하저장시설로 침투할 수 있는 해수침투를 모니터링하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 해변 지하에 건설된 지하저장시설로 침투하는 해수침투를 전기비저항을 이용하여 모니터링하기 위한 장치는 전극봉, 전극봉간을 연결하는 전선, 전극봉으로 전류를 발생시키고, 전극봉을 통해 측정되는 전압을 수신하여, 측정 지점의 지하 매질의 전기비저항을 측정하는 전기비저항 탐사기를 포함한다. 이 모니터링 장치를 이용하여 해수침투를 모니터링하는 방법은 먼저 측정변수를 셋업하고 모니터링 장치를 설치한다. 이후, 측정을 개시하면, 특정한 지점에 대한 해수농도 산출을 위한 전기비저항측정인지 판단하여, 그러한 경우, 전기비저항 역산을 수행하여 저비저항대 위치를 확인한다. 다음으로 측정 위치별 측정값의 산점분포에 대한 회귀식을 계산하여 해수농도를 산출하고, 마지막으로, 모니터링 측선의 저비저항대 위치를 연결하여 해수이동 경로를 규명한다.

Description

지하 공동 시설물에 대한 해수침투 모니터링 방법

제1도 및 제2도는 본 발명에 따른 해수침투 모니터링을 위한 장치가 설치된 상태를 나타내는 도면.

제3도는 제1도 및 제2도의 전극봉의 영구설치시 접지이상을 방지하기 위한 구조도.

제4도는 본 발명에 따른 해수침투 모니터링 방법의 흐름도.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 지하저장시설 2 : 전극봉

3 : 전기비저항탐사기 8 : 전선

13 : 시멘트혼합물

본 발명은 지하 공동 시설물의 해수침투 모니터링 방법에 관한 것으로, 특히 지하 유류저장 시설, 지하 폐기물 처분시설의 건설 및 운영시 해수침투 상태를 모니터링하는 방법에 관한 것이다.

종래에는 지하공동 시설물로 해수가 침투하는지의 여부를 파악하기 위하여 해안에 위치한 지하저장공동시설 인근 지역에 지하수 관측공을 시추하여, 관측공을 통해 물 시료를 채취하고, 시료내에 포함된 염분의 농도를 측정함으로써, 해수의 침투 정도 및 침투 심도를 결정하였다.

하지만, 이와 같은 종래 기술은 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 해수침투 여부를 파악하기 위한 시추에 따른 과다한 비용의 지출이 발생된다. 둘째, 관측공을 통해 얻은 자료는 일정한 지점에 대한 값이므로 넓은 지역에 대한 해수침투 영향을 파악하기 곤란하다. 셋째, 물 시료의 채취시간과 염분농도 분석시간의 차이에 의해서 해수의 이동에 대한 연속성을 파악할 수 없다. 넷째, 세번째 문제점과 관련하여 매번 물 시료를 채취하기 위해 수작업을 해야 하는 번거로움이 있고, 마지막으로 수작업에 의존하기 때문에 조석에 대한 해수면의 상승과 하강에 따른 효과를 모니터링하는데 어려움이 있있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에는 물리탐사를 이용한 방법이 제안되었다. 하지만, 이 기술의 사용은 단지 간접적인 자료를 획득하는데 목적이 있었기 때문에 일회적인 측정으로 그 결과를 분석하여 해수에 의한 영향여부를 판단하는 보조자료로서 활용해 왔다. 또한 매번 측정을 실시하기 위해 항상 측정지역으로 장비를 이동하고 , 측정한 후 다시 철수하는 번거로움이 있어서 해수침투와 같은 장시간의 모니터링이 요구되는 데에는 적절한 방법이 될 수 없었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로 전기비저항의 시간에 따른 변화를 측정하여, 넓은 지역에 대한 해수침투의 영향을 용이하고 신뢰성있게 모니터링할 수 있는 해수침투 모니터링 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 해수침투 모니터링 방법은, 다수개의 전극봉을 이용해 서로 평행하게 적어도 두 개 이상의 측선을 고정 설치하고, 상기 전극봉에 전원을 인가하여 전기비저항 값을 측정하는 장치와 컴퓨팅 장치를 포함하는 해수침투 모니터링 장치에 적용되는 방법에 있어서, 측정 주기를 포함하는 측정 변수를 설정하는 제 1 단계; 상기 설정된 측정 시간이 되면 각 측선별로 전극봉의 간격을 바꿔가면서 측점별 전기비저항 값을 측정하여 저장하는 제 2 단계; 상기 측정된 전기비 저항값을 역산하여 그 결과를 저장함과 동시에 화면상에 디스플레이하는 제 3단계; 상기 설정된 모든 측정 시간들에 대한 상기 제 2단계 및 제 3단계를 반복하는 제 4 단계; 상기 측선별 각 측점들에 대해 시간의 변화에 따른 전기비저항값의 변화정도를 계산하는 제 5단계; 상기 측정된 초기 전기비저항값과 상기 제 5 단계에서 계산된 시간에 따른 전기비저항 값의 변화값을 이용해 시간에 따른 해수농도를 계산하는 제 6 단계; 및 해수의 침투 경로를 확인하기 위해 상기 계산된 시간에 따른 해수농도로부터 얻어진 저비저항대의 위치를 연결하여 화면상에 그 결과를 디스플레이하는 제 7 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 지하공동 시설물에 대한 해수침투를 모니터링하기 위해 장치의 설치 상태를 나타내는 도면이다.

도면에서 점선으로 표시된 구역(1)은 지하에 굴착된 공동 시설물을 나타낸다. 이 지하 공동 시설물은 보통 자연 지하수위(11)와 담수와 해수의 경계면(10) 사이에 위치하게 된다. 그 이유는 지하공동에 저장하게 되는 저장물, 예를 들면 가스, 유류, 방사성 폐기물 등이 지하수면 아래에 놓이게 되면 자연수압에 의해 밀폐효과를 얻을 수 있기 때문이다. 가스나 유류저장의 경우에는 특별히 인위적인 수막을 형성하여 수밀성을 높이기도 한다. 이러한 수밀성이 확보되지 못한 상태에서는 가스나 액체와 기체가 혼재하는 상태의 유류, 방사성 폐기물의 방사능 등이 암반 매질 내에 자연적으로 존재하는 틈을 타고 지표로 유출될 가능성이 높다. 이러한 틈을 지하수가 채워 줌으로써 밀폐 효과를 거두게 되는 것이다.

한편, 담수와 해수의 경계면(10)은 해안에 인접한 지역에서 담수와 해수가 접촉하는 경계면으로, 두 액체의 밀도차에 의해 형성된다. 즉 담수에 비해 상대적으로 밀도가 큰 해수가 담수 아래에 위치하게 된다. 지하수의 흐름방향은 보통 내륙으로부터 해안으로 향한다. 이 흐름에 의해 담수는 지속적으로 해수와 접촉하게 되어 어느 정도 섞이게 된다. 이렇게 섞인 지역의 밀도는 해수에 비해 낮고 담수에 비해서는 높다. 해수와 담수의 전이대라 불리는 이곳의 수직적인 위치는 전이대의 속성상 엄격하게 규명하기 어렵다. 따라서 해안에 인접한 지역에 지하공동을 설치할 때 어려움을 겪게 되는 주요한 원인이 된다. 해수는 가스나 유류 등 저장물의 품질을 현저하게 떨어뜨리고, 더욱이 방사성 폐기물 저장의 경우 보통 철제 드럼통에 담아 방사선 차단에 효과적인 시멘트 혼합물로 차벽을 선치하여 보관하게 되는데, 이때 해수에 포함된 염분은 시멘트 및 철제 보관 용기의 부식을 매우 촉진시킨다. 이 부식의 정도는 담수에 의한 부식 속도보다 보통 수십에서 수백배 큰 것으로 알려져 있다.

한편, 해안선(4)과 지하시설(1) 사이에 위치하는 지역의 지표면에는 전극봉(2)이 설치되며, 전극봉을 통해 지표에서 지하로 전기를 흘려 보낸다. 지하저장시설(1)로의 해수의 영향이 미칠 것으로 예상되는 지역에 걸쳐 이 전극봉들을 일정한 간격으로 해안선에 평행하게 설치한다. 이 전극봉들이 일렬로 평행하게 설치된 것을 측선이라 하며, 이 측선들은 적어도 두 개 이상이어야 한다. 한편, 이 전극봉들 사이의 간격이 좁을수록 전기적 신호에 의한 분해능은 높아지지만, 이 전극봉 간격에 따라 탐사심도는 얕아지므로 분석하고자 하는 탐사심도와 수평적인 해수 영향 범위를 고려하여 전극봉 설치간격을 결정해야 한다. 전극봉의 재질은 보통 전류의 흐름이 용이하면서 부식에 강하고 비용 측변에서 저렴한 스테인레스 강을 이용한다. 특히 영구설치를 위해 부식방지에 주의를 기울일 필요가 있다. 전극봉은 지하에 전류를 잘 통하게 할 수 있도록 깊게 박고, 장기적인 설치고정으로 흔들림 같이 접지에 영향을 줄 수 있는 여건을 배제하기 위해 도 3과 같이 부도체인 시멘트 혼합물(13)로 주변을 채워 영구적인 접지상태를 유지시켜 준다.

전극을 모두 설치한 후 개개의 전극봉은 라인(7)을 통해 연결되고, 개개의 전극봉이 연결된 라인(7)은 다른 라인(8)을 통해 전기비저항탐사기(3)와 연결된다. 전기비저항탐사기(3)는 전류를 흘려보내고, 각 전극봉을 통해 측정되는 전압을 받아 측정지점 지해매질의 전기비저항을 측정하는 장치로서, 이는 매회 측정시마다 전극의 배열을 조절할 수 있는 개폐장치와, 탐사조건을 결정하는 변수들을 입력하기 위한 입력장치와, 측정 데이터를 저장하는 저장장치, 그리고 컴퓨터 장치로 측정 데이터를 전송하는 출력장치 등을 포함한다. 본 발명의 실시예에서는 상기 전기비저항탐사기(3)로 Advanced Geosciences, Inc. 의 STING R1 Earth Resistivity Meter를 사용하였다. 도 1 내지 도 3에서 미설명된 참조번호 5와 6은 각각 해수와 내륙의 매질이고, 9는 전극봉이 접지되는 표면이며, 12는 지하저장시설(1)의 벽체이다.

도 4는 본 발명에 따른 해수침투 모니터링 방법의 흐름도이다.

본 발명을 위해 먼저, 해안에 인접한 지하저장시설의 해수에 의한 영향을 감시하기 위해 지하저장시설과 해안선 사이의 전기비저항 모니터링 탐사측선을 설치하기 위한 적당한 위치를 선정해야 한다. 이때 되도록 탐사측선은 해안선에 평행하게 설치한다. 탐사측선은 해안선에서 내륙 방향으로 서로 평향하게 두 개 이상의 측선을 설치한다. 왜냐하면 해수침투의 경로와 그 방향성을 파악하기 위해서는 평행한 두 개 이상의 측선에서 측정한 결과를 서로 비교해야 하기 때문이다. 한 개의 탐사 측선결과에서는 해수침투 방향성을 인지하기가 곤란하다. 또한 측선위치의 선정시 고려할 중요한 사항으로 양호한 접지상태를 유지할 수 있는 지표조건을 가지고 있는 곳을 찾아야 한다. 잡석이 많이 깔려 있거나 인공적으로 매립한 곳은 측정시 심한 잡음의 원인이 되므로 피해야 한다.

그리고, 탐사심도에 따른 측선길이, 전극봉 설치 개수 및 전극봉 간격을 결정한다. 예를 들면, 모니터링 측선의 길이는 탐사심도의 4배 이상으로 한다. 전극봉과 전극봉 사이의 간격은 측정결과의 분해능과 관계가 있으므로 현장 여건에 따라 다를 수 있다. 전극봉 간격에 따라 전극봉 설치 개수는 결정된다.

이후 모니터링 탐사측선의 전체 윤곽을 설정한 후, 모니터링 측정 주기를 결정한다. 측정주기를 고려해야 하는 이유는 해안의 조석현상에 의한 짧은 주기의 전기비 저항 변화와 관계가 있다. 지속적인 해수침투가 일어나고 있더라도 조석에 의한 국부적인 효과에 의해 전기비저항 변화양상에는 고저의 기복이 발생한다. 측정주기는 이러한 기복을 측정하기 위해서 실시된다. 측정주기는 현장의 간조와 만조 사이의 시간 간격의 반보다 작아야 한다.

이렇게 측선의 위치와 전극봉의 간격이 결정되면 해당되는 위치에 전극봉을 설치한다. 전극봉은 접지가 양호한 지점을 선정하여 전극봉 간격에 맞게 설치한다. 전극봉 설치후 접지에 이상이 발생하지 않도록 도 3에서 설명한 바와 같은 조치가 필요하다.

이와 같이 모든 전극봉을 설치하고 전극봉을 연결하는 다중선의 설치가 끝나면 제대로 전극봉이 지주에 접지되었는지 확인하기 위해 전기비저항탐사기를 이용하여 전극봉의 접지시험을 실시한다. 접지시험 실시 후에는, 전기비저항 탐사시의 영구적인 모니터링을 위해 장비를 설치한다. 이와 같은 과정을 통해 본 발명을 위한 측정 장비의 설치가 완료되고, 이후 설정된 측정주기가 되면, 측정이 개시된다.

도 4를 참조하여 본 발명에 따른 해수침투 모니터링 방법에 대해 상세히 살펴본다.

먼저, 본 발명에서는 측정 변수를 설정하는데, 측정 변수에는 측정 주기가 포함된다(101). 그리고, 설정된 측정 주기가 되면, 각각의 측선들에 대해 전극봉의 간격을 바꿔 가면서 각 측점들 각각에 대한 전기비저항 값을 측정한다(102). 이렇게 측정된 각 측점들에 대한 전기비저항 값은 메모리에 저장된다.

각 측선별로 모든 측점들에 대한 전기비저항 값의 측정이 완료되면 이렇게 측정된 전기비저항 값을 역산하여 2차원 비저항 모델을 계산한다(103). 여기서, 사용되는 역산 루틴은 이미 공지된 기술로서, 측정된 2차원 겉보기 비저항 데이터에 대한 Smoothness-Constrained Least-Squared Method(deGroor-Hedlin and constable, 1990; Sasaki, 1992)이다. 이와 같이 측정된 전기비저항데이터에 대한 역산을 수행하여 2차원 비저항 모델을 산출함으로써, 저비저항대의 위치를 확인할 수 있다. 여기서, 측정장비는 측정된 전기비저항 값을 이용해 화면상에 각 측점별로 각 측점별 전기비저항 값에 따른 색상을 디스플레이 함으로써, 2차원의 단면도가 형성된다. 마찬가지로, 역산을 통해 형성된 비저항 모델을 전기비저항 값에 따라 다른 색상으로 디스플레이하고, 이를 통해 저비저항대의 위치를 확인할 수 있는 것이다. 이러한 역산과정은 각 측선별로 이루어진다. 그리고 상기와 같은 전기비저항 측정과 역산 과정을 모든 측정주기에 대해 반복적으로 수행하여, 그 결과를 메모리에 저장한다(104).

이러한 과정을 통해 측정된 전기비저항 값들을 이용해 시간에 따른 측정값의 감소정도를 정량적으로 분석하기 위해 측정 위치별 시간에 따른 전기비저항의 변화를 계산하고, 상기 계산된 시간에 따른 전기비저항의 변화도와 초기 전기비저항 값을 이용해 회귀분석을 수행한다(105). 상기 회귀분석을 통해 구해진 값은 시간에 따른 전기비저항 모니터링 결과가 된다. 상기 회귀분석에서 사용되는 회귀식 (R(t))은 공지의 일차원 선형식으로, 이는 다음과 같다.

여기서, R₀는 측정 지역의 초기 전기비저항 값이고, βt는 시간에 따른 관측지점의 전기비저항 변화도이다.

그런 다음, 상기 회귀식을 이용해 구해진 값과 초기 전기비저항 값을 이용해 해수농도를 산출한다(106). 상기 해수농도는 전기비저항 값과 해수농도의 상관 관계식에 의해 구해질 수 있다. 상기 상관 관계식(C(t))은 다음과 같다.

C(t) = -0.0054 × R(t) + R₀

여기서, R(t)는 회귀분석을 통해 얻어진 시간에 따른 전기비저항 값(

m)이고, R₀는 측정 지역의 초기 전기비저항값(

m)이다.

이렇게 각 측선별로 해수농도를 산출하여, 각 측선간의 저비저항대를 연결함으로써, 해수의 이동 경로를 확인할 수 있다(107). 즉, 복수로 설치된 각 모니터링 측선에 대해 해수침투에 의한 전기비저항 변화가 보이는 지점의 위치를 평면도 상에서 선으로 연결했을 때 그 방향성은 해수침투 경로가 된다.

따라서, 위와 같은 처리절차에 의해 수행되는 본 발명에 의하면 지하 암반내 해수의 이동을 감지하고, 그에 따른 전기비저항 변화를 정량적으로 분석하여 해수농도를 산출하고, 지하 암반내 해수 이동의 정도를 예측할 수 있다. 이로부터 지하저장시설 운영관리자는 지하저장시설의 인근 해안으로부터 해수가 침투하여 저장물에 직접, 간접적인 영향을 미치게 되는 것을 사전에 감지하여 대책수립을 위한 정보를 제공할 수 있다.

Claims (3)

1. 다수개의 전극봉을 이용해 서로 평행하게 적어도 두 개 이상의 측선을 고정 설치하고, 상기 전극봉에 전원을 인가하여 전기비저항 값을 측정하는 장치와 컴퓨팅 장치를 포함하는 해수침투 모니터링 장치에 적용되는 방법에 있어서, 측정 주기를 포함하는 측정 변수를 설정하는 제 1 단계; 상기 설정된 측정 시간이 되면 각 측선별로 전극봉의 간격을 바꿔가면서 각 측점별 전기비저항 값을 측정하여 저장하는 제 2 단계; 상기 측정된 전기비저항 값을 역산하여 그 결과를 저장함과 동시에 화면상에 디스플레이하는 제 3단계; 상기 설정된 모든 측정 시간들에 대해 상기 제 2단계 및 제 3단계를 반복하는 제 4 단계; 상기 측선별 각 측점들에 대해 시간의 변화에 따른 전기비저항 값의 변화 정도를 계산하는 제 5 단계; 상기 측정된 초기 전기비저항 값과 상기 제 5 단계에서 계산된 시간에 따른 전기비저항 값의 변화값을 이용해 시간에 따른 해수 농도를 계산하는 제 6 단계; 및 해수의 침투 경로를 확인하기 위해 상기 계산된 시간에 따른 해수농도로부터 얻어진 저비저항대의 위치를 연결하여 화면상에 그 결과를 디스플레이하는 제 7단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 해수침투 모니터링 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 측정 주기는 조석 간만의 주기를 고려하여 그 주기가 결정되는 것을 특징으로 하는 해수 침투 모니터링 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 측정 주기는 연속해서 발생하는 간조와 만조시간의 차이의 반보다 작은 시간으로 설정되는 것을 특징으로 하는 해수침투 모니터링 방법.

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