KR100497614B1 - 양수 추적자 시험방법 - Google Patents

Abstract

양수시험과 추적자시험을 동시에 수행하여 지하수의 거동과 오염의 확산 해석에 필요한 필수조건인 수리전도도와 분산계수를 추정한다. 조사 대상의 지역에 관측정과 양수정을 각각 일정 거리를 두고 형성한 후에 양수정에서 양수를 하고, 양수정과 관측정에서 관측한 수위변화 자료를 해석하여 수리전도도를 추정한다. 관측정에서 더 이상의 수위변화가 발생하지 않는 정상상태에 도달하면 관측정에 추적자를 주입하여 지하수의 흐름에 따라 양수정에서 검출되는 농도변화를 관측하여 분산계수를 추정한다.

Description

양수 추적자 시험방법 {METHOD OF TESTING PUMPING TRACER}

본 발명은 지하 대수층에서의 지하수의 흐름과 지하수내에 용존되어 있는 오염물질의 이동을 반영하는 수리전도도와 분산계수를 추정하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 각각 다른 별개의 현장시험을 통하여 얻어지는 수리전도도와 분산계수에 대한 시험을 동시에 수행할 수 있는 방법으로서 지하매질의 특성과 오염물의 이동경로 파악 및 오염범위를 예측할 수 있도록 하는 양수 추적자 시험방법에 관한 것이다.

양수시험은 대수층의 수리상수를 구하는 현장시험방법으로서 가장 널리 사용되는 방법 중의 하나이다. 양수시험에서는 수중펌프(지상펌프도 가능), 수위기, 타이머, 유량계 등을 사용하며 물을 양수하면서 관측정에서 수위변화를 관측하여 대수층의 수리상수를 구한다. 추적자시험은 지하수에 용존되어 있는 추적자가 지하수와 함께 이동하여 주변 관측정에서 추적자의 농도 변화를 관측하는 시험이다.

종래에는 수리전도도를 추정하기 위해서는 양수시험을, 분산계수를 추정하기 위해서는 추적자시험을 각각 개별적으로 수행하여야 했다. 즉, 양수시험이나 순간수위변화 시험 및 기타 다른 수리시험을 통해 수리전도도를 계산하고 추적자시험을 통하여 분산계수를 추정하여 왔다.

조사대상 지역에서 지하수의 유동 속도 및 오염물의 거동을 예측, 파악하기 위해서는 수리전도도와 분산계수는 필수적인 수리상수이다. 양수시험과 추적자시험을 각각 수행하는 경우에 상당한 시간과 비용이 현장에서 요구된다. 특히 추적자시험은 자연적인 수두구배로 추적자가 흘러가서 관측정에서 검출되기 시작하여 최고 농도값에 도달후 다시 시험전의 배경농도로 감소하는 과정은 많은 시간을 요한다. 또한 수리지질학적 현장 조건에 따라 자연적인 지하수 수두구배는 매우 다양하며, 이에 따라 추적자가 검출되기 시작하는 시간이 다양하게 나타난다. 따라서 시험기간의 예측이 매우 어려우며 추적자를 검출하지 못함으로 인하여 시험 자체가 실패할 수도 있다.

상기에서와 같이 조사 대상지역의 지하수의 유동과 오염물의 거동 파악 및 모델링을 수행하기 위해서는 수리전도도와 분산계수를 현장시험을 통해 추정한다. 그러나 수리전도도를 추정하기 위한 양수시험과 분산계수를 추정하기 위한 추적자시험을 각각 별개로 수행함으로써 많은 시간과 비용이 이중으로 소비되고 있는 실정이다.

더욱이 추적자시험은 지하수에 용존되어 있는 추적자가 지하수와 함께 이동하여 관측정에서 추적자의 농도변화를 관측하여야 한다. 그러나 추적자의 농도 변화를 관측하는 과정에서 추적자 도달시간은 현장마다 각각 다르기 때문에 시험을 완벽하게 수행하는데 어려움이 있다. 그리고 지하수의 흐름이 추적자의 거동을 지배하기 때문에 지하수 흐름 방향에 따라 추적자 주입정과 관측정이 설치되어야 한다. 따라서 주입정과 관측정의 배치가 지하수의 흐름방향과 맞게 설치되지 않고 빗나가거나 역방향으로 설치될 경우 신뢰성이 있는 종분산계수(지하수에 있는 오염물의 확산을 지배하는 인자인 분산계수로서 지하수의 흐름방향에 대한 계수( 흐름방향에 대하여 수직적인 계수는 횡분산계수라함))를 구하기 어렵다. 그리고 여러 가지의 추적자 중에서 환경에 위해성이 없는 것을 선택하지만 추적자를 지하 대수층에 주입한다는 것 그 자체가 환경적 시각에서 살펴보면 문제를 유발할 수가 있으며 또한 추적자의 회수도 곤란한 문제점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 양수시험과 동시에 추적자시험을 수행하여 수리전도도와 분산계수를 추정할 수 있는 양수 추적자 시험방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 양수시험과 동시에 추적자시험을 수행하여 신뢰성이 있는 분산계수와 주입한 추적자를 다시 회수할 수 있는 양수 추적자 시험방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 양수 추적자 시험방법은 적어도 하나 이상의 양수정과 상기 양수정의 주변에 다수의 관측정이 형성되어 있는 지하수 개발현장에 있어서,

상기 양수정으로부터 지하수를 양수하는 동안에 상기 관측정에서의 지하수의 수위변화를 관측하여 대수층의 수리전도도를 추정하는 단계;

상기 양수정에서의 양수를 지속하여 소정 시간의 경과후 상기 관측정에서 수위변화가 없는 정상상태에 도달할 때에 상기 관측정에 추적자를 투입하는 단계;

상기 관측정에 투입된 추적자가 상기 지하수의 흐름에 따라 상기 양수정에서의 검출되는 상기 추적자의 농도변화를 검출하는 단계; 및

상기 검출된 추적자의 농도변화를 이용하여 상기 지하수의 분산계수를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 양수 추적자 시험방법에 대하여 구체적으로 살펴본다.

도 1 은 본 발명에 따른 양수 추적자 시험방법의 개념적인 관계를 도시한 도이다. 도 1 에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 양수 추적자 시험방법의 적용을 위하여 기본적으로 적어도 하나의 양수정(10)과 이 양수정(10)으로부터 일정 거리만큼 떨여진 곳(r1, r1+r2)에 복수의 관측정(20, 30)을 형성한다. 양수정(10)에서 일정량으로 양수(Q)를 하면 이 양수정(10)을 중심으로 지하수의 방사상 수렴 흐름(radial convergent flow)이 발생하게 된다.

양수에 의하여 주변의 지하수가 양수정(10)으로 집중되면서 관측정(20, 30)에서의 지하수위(h1, h2)가 하강한다. 이때 관측정(20, 30) 및 양수정(10)에서 시간에 따른 지하수위의 변화를 관측하여 수리전도도를 구할 수 있다. 수위관측은 각 관측정 및 양수정에 압력식 자동 수위기록장치(예, DIVER(Vanessen사의 제품명))를 이용하거나 수동으로 측정할 수 있다. 압력식 자동 수위기록장치는 관측시간과 시간간격을 설정해두면 지하수위를 자동적으로 관측할 수 있으며, 이 장치를 관정내에 설치하여 장치에 설치된 센서 상부의 지하수위가 변동하게 되면 센서에 작용하는 수압의 차이를 수위변화로 자동 변환하여 저장한다.

양수정(10)에서 양수를 시작하면 초기에는 관측정(20, 30) 및 양수정(10)의 지하수위가 빠르게 하강한다. 그러나 충분한 양수가 이루어지고 난 후에는 수위가 더 이상 변동이 없는 정상 상태(steady-state)에 도달한다. 즉, 대수층에서 양수를 시작하고 초기에는 수위강하가 일어나더라도 시간이 지남에 따라서 지하수위는 점차적으로 안정되어 가는데 이는 양수량과 대수층에서 공급되는 물의 양이 서로 같아지기 때문이다. 초기 수위강하가 발생하는 것은 물을 공급하는 대수층의 부분이 작지만 시간이 지남에 따라 포획구간 혹은 영향구간이 확대되어 감에 따라 공급되는 물의 양이 증가하기 때문이다.

이와 같은 지하수위의 정상 상태가 이루어지면 관측공(20, 30)에 추적자를 주입한다. 추적자를 주입한 시간부터 시작하여 계획한 시간 간격으로 양수정에서 양수되어 나오는 지하수를 채취하여 주입한 추적자의 농도를 현장에서 분석한다. 시간에 따른 추적자의 농도의 변화를 통하여 대수층의 분산계수를 계산할 수 있다.

상기에서 개략적으로 언급된 양수 추적자 시험방법에 대하여 양수정과 관측정을 실제 현장에 설치하여 적용하여 그 결과를 도 2a 내지 도 2d 와 도 3 에 도시하였다.

도 2a 내지 도 2d 는 본 발명에 따른 양수 추적자 시험방법에 따라 관측한 수위변화에 따른 수리전도도를 추정하는 도면이고, 도 3 은 추적자의 농도변화를 이용하여 분산계수를 계산한 도를 도시한 것이다.

도 2a 내지 도 2d 에 도시된 것처럼, 양수를 진행하는 동안 관측정에 설치한 압력식 자동 수위 기록계에 저장된 수위(h)를 수위변화(s)로 환산하여 수리전도도를 추정할 수 있다. 양수 시험자료를 해석하기 위하여는 대상 대수층이 자유면 대수층(unconfined aquifer)인지 혹은 피압대수층(confined aquifer)인가의 여부를 판단해야 한다. 실제로 대상 대수층이 피압인지 혹은 자유면 대수층인가, 아니면 피압정도를 알기 위해서는 적용현장 지역의 제반 수리지질정보와 더불어 자연기압자료(대기압자료)와 그에 따른 자연수위 변화자료가 있어야 정확한 결과를 얻을 수 있다.

다만, 이번 적용예에서는 자유면 대수층과 피압대수층인 경우를 모두 적용하여 해석하였다. 그리고 현장 주변에 경계조건(대수층에 지속적으로 물을 공급하는 경계인 함양경계 또는 지하수가 흘러가지 않거나 상당히 느리게 흘러가는 경계인 불투수경계)으로 작용할 수 있는 특징들이 존재하지 않는, 즉 주변지역의 수리지질학적인 조건이 변화가 없는 무한대(infinite domain) 조건을 가정하는 상용 프로그램으로 해석을 하였다. 해석방법으로는 Thesis (도 2a 및 도 2b)와 Copper and Jacob (도 2c 및 도 2d) 의 직선법으로 수리전도도를 추정하였다. Thesis 와 Copper and Jacob 의 방법 자체는 이미 널리 알려진 것으로 구체적인 설명은 생략한다.

도 2a 와 도 2c 에서의 자유면 대수층인 경우와 도 2b 와 도 2d 에서의 피압대수층인 경우 모두 잘 적용되는 것을 알 수 있다. 도 2a 내지 도 2d 에서 관측자료는 검은색 원으로 표시하였고 Thesis 와 Copper and Jacob 방법에 의한 결과는 실선으로 도시하였다. 도시된 것처럼 그래프가 관측자료와 거의 일치하고 있음을 나타낸다.

따라서 본 발명에 따른 양수 추적자 시험방법에서 적용된 현장은 자유면대수층과 피압대수층의 성질을 같이 가지고 있다고 볼 수 있다. 그리고 그 결과도 서로 유사하다. 자유면대수층으로 해석한 경우에는 수리전도도가 3.02x10^-3 이다. 피압대수층으로 해석한 경우에는 수리전도도가 2.95x10^-3 이다. 따라서 양수 추적자 시험방법을 통하여 추정한 적용현장의 수리전도도는 평균 2.99x10^-3 으로 추정할 수 있다.

상기와 같은 양수에 의한 관측정에서 측정되는 수위변화에 따른 수리전도도의 추정과 함께 양수에 따른 수위변화가 거의 없는 정상 상태에 도달하면 관측정(20, 30)에 추적자를 주입한다. 추적자의 주입에 따라 관측정으로부터 소정의 거리를 두고 떨어져 있는 양수정에서의 농도 변화를 관측한다. 관측된 농도변화 예는 도 3 에 도시되어 있다.

추적자가 지하수의 흐름과 함께 양수정으로 나오는 시간은 대수층 매질 및 현장 조건에 따라 각각 다르게 설정되어있기 때문에 추적자의 농도 관측 시간간격 및 관측종료를 알기 위해서는 현장에서 분석하는 방법이 요구된다. 추적자는 자연상에서 배경농도가 낮고 보존성이 뛰어나 브롬 이온 등을 사용한다.

양수 추적자 시험방버??로 얻게되는 추적자 농도변화 관측자료는 방사상 수렴 흐름 추적자 시험방법인 타입 커브 매칭 방법을 이용하여 해석된다. 타입 커브 매칭 방법은 상용화된 프로그램인 CATTI(Sauty and Kinzelbach, 1992)에 제시된 양수정으로 흐르는 지하수의 수렴 흐름장에서의 순간주입 추적자 시험에 대한 다음의 수학식 1 로 주어지는 식에 여러가지 조건을 부가하여 얻어지는 근사해와 비교하여 수치적으로 최적화한다.

상기의 수학식 1 에서,

r : 방사상의 거리(m) M : 단위 면적당 주입한 추적자의 질량(㎏)

α_L : 종분산도 u : 평균 선속도

DL(α_Lu) : 종분산계수 λ : 추적자 붕괴비

도 3 에 도시된 것처럼, 관측되는 추적자의 농도가 도 3 에서 검은 색 원으로 표시되어 있다. 실선으로 표시되는 곡선들은 상기의 수학식 1 에 따라서 종분산도를 0.2 에서 시작하여 0.8까지 조금씩 변화를 준 경우를 도시한 것이다. 종분산계수 0.8 인 경우 그래프가 관측자료보다 일찍 나타나고 최고 피크가 더 작으면서 일찍 감소하기 시작한다. 또한 0.2 인 경우에는 관측자료보다 늦게 나타나고 최고 피크가 더 크게 나타난다. 따라서 0.8 과 0.2 인 겨우에는 관측자료와 잘 맞지 않고 그 중간값인 0.4 인 경우에 관측자료와 유사하기 때문에 종분산도가 0.4 라고 추정한다. 즉, 종분산도와 적용현장에서의 조건에 따라 상기의 조건들을 다양한 값으로 변화시켜서 얻어지는 근사해와 관측자료를 비교하여 수치적으로 최적화를 수행하여 분산계수를 추정할 수 있다.

또한 시간에 따른 농도와 유량으로 회수된 추적자를 적분하면 회수율이 거의 100% 에 달한다. 따라서 주입한 추적자를 전량 회수하는 것이 가능하므로 주입한 추적자에 의한 이차적인 지하수 오염을 방지할 수 있다.

상기에서와 같이 본 발명은 양수시험과 추적자시험을 하나의 시험방법으로써 단 일회의 현장 시험으로 수행하여 지하수의 거동과 오염의 확산 해석에 필수 조건인 수리전도도와 분산계수를 모두 추정하는 것이 가능하다.

특히 추적자 실험과 관련하여 종래기술에서는 주입한 추적자가 대수층에 잔류하거나 타지역으로 이동함으로써 청정지역의지하수가 주입한 추적자로 오염될 수도 있다는 문제점을 갖고 있었으나 본 발명에 의하면 양수정 주변의 방사성 수렴 흐름을 기본으로 하고 있기 때문에 관측정에 주입한 추적자가 타 지역으로 흘러가는 것과 대수층에 잔류하는 것을 방지할 수 있는 친환경적인 효과가 있다.

본 발명은 상기의 실시예를 참조하여 특별히 도시되고 기술되었지만, 이는 예시를 위하여 사용된 것이며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 청구범위에서 정의된 것처럼 발명의 정신 및 범위를 벗어남이 없이 다양한 수정을 할 수 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 양수 추적자 시험방법의 모식도를 개념적으로 도시한 것이다.

도 2a 내지 도 2d 는 본 발명에 따른 양수 추적자 시험방법에 따라 관측한 수위변화에 따른 수리전도도를 Thesis 와 Cooper-Jacob 방법에 따라 추정한 결과를 도시한 도이다.

도 3 은 추적자의 농도변화를 이용하여 분산계수를 추정하는 그래프를 도시한 도이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 ... 양수정 20, 30 : 관측정

40 ... 수위감지센서

Claims (4)

1. 적어도 하나 이상의 양수정과 상기 양수정의 주변에 다수의 관측정이 형성되어 있는 지하수 개발현장에 있어서,

   상기 양수정으로부터 지하수를 양수하는 동안에 상기 관측정에서의 지하수의 수위변화를 관측하여 대수층의 수리전도도를 추정하는 단계;

   상기 양수정에서의 양수를 지속하여 소정 시간의 경과후 상기 관측정에서 수위변화가 없는 정상상태에 도달할 때에 상기 관측정에 추적자를 투입하는 단계;

   상기 관측정에 투입된 추적자가 상기 지하수의 흐름에 따라 상기 양수정에서의 검출되는 상기 추적자의 농도변화를 검출하는 단계; 및

   상기 검출된 추적자의 농도변화를 이용하여 상기 지하수의 분산계수를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양수 추적자 시험방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 지하수의 분산계수의 추정은 상기 양수정에서의 추적자의 농도이력곡선과 라플라스 변형해를 타입 커브 매칭방법을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 양수 추적자 시험방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 추적자는 브롬 이온을 사용한 것을 특징으로 하는 양수 추적자 시험방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 관측정에서 투입된 상기 추적자는 상기 양수정을 통하여 거의 회수되는 것을 특징으로 하는 양수 추적자 시험방법.