KR101541342B1 - 자연상태의 지표수/퇴적물 경계면에서의 물교환량(water exchange) 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자연상태의 지표수/퇴적물 경계면에서의 물교환량 측정장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 측정대상지점에서 챔버와 저장관체간의 수두차를 유발하여 지표수/퇴적물 경계면 퇴적물의 포화 수직 수리전도도를 측정하되, 수직 수리전도도 측정후 수직 수리전도도 측정에 사용된 장치를 그대로 둔 상태에서 챔버 내 상, 하 두지점간 수직 수리구배를 현장에서 연속적으로 측정할 수 있도록 하여, 지하수 퇴적물 경계면에서의 물교환량을 자동, 연속 측정이 가능한 자연상태의 지표수/퇴적물 경계면에서의 물교환량 측정장치에 관한 것이다.

Description

자연상태의 지표수/퇴적물 경계면에서의 물교환량(water exchange) 측정장치{Darcian flux meter}

본 발명은 지표수/퇴적물 경계면 직하부의 퇴적물에 대한 수직 수리전도도(K)와 수직 수리구배(i)를 측정하여 지표수/퇴적물 경계면(surface water/sediment interface)에서의 물교환량(water exchange)을 측정하는 장치에 관한 것이다. 우선 하부는 열려있으나 상부는 닫힌 원통형의 챔버를 지표수/퇴적물 경계면 직하부의 퇴적물에 매설하여 챔버 내 퇴적물의 포화 수직 수리전도도를 측정한 후, 챔버를 그대로 둔 상태에서 동일 챔버의 수직 이격된 2 지점 간의 수직 수리구배 변화를 연속 측정하여, 자연상태의 지표수/퇴적물 경계면에서의 물교환량을 자동, 연속적으로 측정하는데 사용할 수 있도록 한 자연상태의 지표수/퇴적물 경계면에서의 물교환량 측정장치에 관한 것이다.

지표수와 지하수는 상호 연결되어 한쪽 영역에서의 물리적, 화학적 변화는 다른 한쪽에도 영향을 미치는, 즉 상호작용을 하는 하나의 자원으로 인식되고 있다. 지표수-지하수 상호작용은 물수지 분석, 영향분이나 오염물질의 이동경로 파악, 지하수 유동시스템 규명, 수자원 확보 등 여러 가지 측면에서 필수적으로 규명되어야 할 사항이다. 지표수와 지하수의 상호작용은 대수층에서 지표수로의 배출 또는 지표수에서 대수층으로의 함양 정도를 의미하므로, 이의 정량적 평가를 위해서는 지표수/퇴적물 경계면에서의 물 교환량의 직간접적 측정 방법 및 장치의 개발이 필수적이다.

현재 지하수와 지표수 상호 교환량의 직간접적 측정하기 위해 modelling, natural tracer, seepage meter, temperature profiling에 근거한 방법과, 수직 수리구배와 수직 수리전도도를 측정하여 물교환량를 계산하는 방법 등 다양한 접근 방법이 제안되고 있다(Burnett et al., 2006). natural tracer를 제외하면 현장에서 일반적으로 적용하는 물교환량 측정방법은 seepage meter와, 그리고 수직 수리구배와 수직 수리전도도를 측정하여 물교환량를 계산하는 Darcian flux calculation법이 주로 이용된다(Mulligan and Charette, 2006). seepage meter는 1940년대와 50년대 관개수로에서의 물의 유실을 측정하기 위해 이용되었으며(Israelson and Reeve, 1944), Lee(1977)는 원통형(half-barrel)의 seepage meter를 고안하여 지하수-하천 상호작용 평가에 이용하였다. Lee(1977)가 제안한 seepage meter의 문제점을 보완하기 위해 Heat pulse(Taniguchi and Fukuo, 1993), Continuous heat pulse(Taniguchi and Iwakawa, 2001), 초음파(Paulsen et al., 2001), dye-dilution(Sholkovitz et al., 2003) 등 물교환량을 연속적으로 자동 측정할 수 있는 다양한 방식의 seepage meter들이 개발되어 사용되고 있다. 그러나 현재 이들 자동화된 seepage meter들은 상용화되지 않아 아직까지 많은 연구자들이 Lee type의 seepage meter를 이용하고 있으나 측정치의 신뢰도가 낮은 것이 문제점으로 지적되고 있다(Belanger and Montgomery, 1992).

기존의 Darcian flux calculation 방법은 경계면 퇴적물의 수직 수리전도도와 수직 수리구배로부터 Darcian flux(q)를 계산하는 방법이지만, 이 방법에 의한 측정 결과의 정확도와 정밀도는 수직 수리전도도와 수직 수리구배 측정치의 신뢰도에 좌우될 수밖에 없다. 수직 수리구배 측정점과 수직 수리전도도 측정점의 위치가 일치하지 않아 생기는 오차 역시 문제점으로 지적되고 있다.

이에, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 장치의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 측정대상지역 매질의 포화 수직 수리전도도를 측정한 후, 측정한 챔버를 그대로 두고 자연상태에서의 챔버 내 상, 하부 두 지점간 수직 수리구배를 연속적으로 측정할 수 있도록 함으로써, 지표수/퇴적물 경계면에서의 물 교환량을 자동, 연속적으로 측정할 수 있도록 한 장치를 제공할 수 있도록 한 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시 예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 주 발명자에 의한 “현장 포화 수리전도도 측정기(10-1366057)”를 이용하여 챔버(10) 내부에 채워진 퇴적물의 수직 수리전도도를 측정한 후, 저장관체(25)와 챔버(10)를 연결하는 연결라인(40)을 끊어 챔버(10) 쪽 연결라인(40)의 끝이 개방된 상태에서 물이 자유롭게 출입할 수 있도록 항상 수중에 놓이게 하거나, 또는 챔버(10) 상, 하부를 개방하여 챔버(10)를 채운 퇴적물을 통한 수직방향의 물 흐름을 자유롭게 하고, 챔버(10)에 착탈가능하게 설치되되, 챔버(10)의 외주연 양측 상, 하부에 각각 연통설치되어, 챔버(10) 내부의 수직으로 이격된 상, 하부 2지점간의 수직 수리구배를 연속적으로 측정할 수 있도록 하는 수직 수리구배 측정부(50);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 이용한 Darcy 법칙은 모래층을 통과하는 물의 유동에 대한 실험적 연구를 통하여 수립된 지하수의 흐름에 대한 관계식으로서 다공성 매질에서 지하수는 수두(hydraulic head)가 높은 곳에 낮은 곳으로 흐르며, 이때의 지하수 통과 유량은 수직 수리전도도와 수직 수리구배에 비례한다는 법칙이다(식 1). 식(1)에서와 같이 연속적인 수직 수리구배(i) 변화를 측정하여 그 결과를 수직 수리전도도(K)와 곱하면 지표수/퇴적물 경계면(water/sediment interface)에서의 연속적인 Darcian flux(q) 변화를 구할 수 있다. 이때 지표수/퇴적물 경계면에서의 물교환량은 Darcian flux(q)에 챔버(10)의 단면적(A)과 측정 경과시간(t)를 곱하여 구한다.

식 (1)

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 측정대상지역의 포화 수직 수리전도도를 측정함과 동시에, 이때 사용한 장치를 그대로 두고, 동일 시험 대상인 챔버내 퇴적물에 대해 자연상태에서의 챔버 내 상, 하부 2지점간 수직 수리구배를 연속적으로 측정하여 지표수/퇴적물 퇴적물 경계면에서의 물교환량을 자동, 연속 측정가능하게 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 장비의 구성 및 작동이 간편하고 손쉬운 효과가 있다.

도 1은 저장관체(25)와 챔버(10) 간의 수두 차를 이용한 본 발명에서의 포화 수직 수리전도도 측정 방안을 설명하는 개념도.
도 2는 본 발명에 따라 수직 수리전도도를 측정하기 위한 장치의 구성을 나타낸 일실시예의 개념도(현장 포화 수리전도도 측정기; 10-1366057).
도 3은 챔버 내 수직 수리구배를 측정하기 위한 장치의 구성을 나타낸 일실시에의 개념도.
도 4는 도 3의 사시도.
도 5는 챔버(10) 상단을 개방하여 수직 수리구배를 측정하기 위한 장치의 구성을 나타낸 일실시에의 개념도.
도 6은 도 5의 사시도
도 7은 본 발명에 따른 현장시험 위치도.
도 8은 조수위 변화와 수직 수리전도도 측정싯점을 나타낸 그림.
도 9는 본 발명에 따른 장비의 현장 시험 사진.
도 10은 측정 시점별 수직 수리전도도 값(a, b, c)과 전체 측정 자료를 이용하여 구한 수직 수리전도도를 보여주는 그래프(d).
도 11은 본 발명에 따른 챔버 상부의 포트에서 측정한 수두 변화를 나타낸 그래프.
도 12는 본 발명에 따른 챔버 하부의 포트에서 측정한 수두 변화를 나타낸 그래프.
도 13은 본 발명에서 수직으로 이격된 챔버 두 지점간 수두 차(difference in head)와 챔버 상, 하부 포트간의 거리를 이용하여 구한 챔버 상, 하부 포트간 수직 수리구배 변화를 나타낸 그래프.
도 14는 측정지점의 수직 수리전도도 (0.034 cm/sec)와 수직 수리구배를 Darcy식(식 (1))에 적용하여 구한 측정지점의 Darcian flux 변화를 나타낸 그래프.
도 15는 측정지점의 Darcian flux와 챔버(10)의 단면적 그리고 경과시간를 곱하여 구한 측정지점의 단위시간(10분) 당 물교환량 변화를 나타낸 그래프.

본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래의 특징을 갖는다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에서 측정한 포화 수직 수리전도도 측정의 개념도로써,

하상 퇴적물에 삽입된 챔버와 속이 빈 물통을 하천 바닥에 설치하고, 챔버(10)와 물통사이를 튜브로 연결한 상태를 보여준다. 챔버와 튜브로 연결되는 빈 물통의 유입구의 높이를 지표수면보다 ΔH만큼 낮은 심도에 위치하게 한다. 이득하천 또는 손실하천 등의 지표수/퇴적물 상호작용을 무시한다면, 챔버(10)내의 수두(Pd)는 지표수면의 높이와 일치하는 ρgH가 된다. 반면, 속이 빈 통에서의 튜브 연결점의 수두(Pa)는 ρgH1이 되어 챔버의 수두가 물통 유입구에서의 수두보다 ρgΔH 만큼 높다. 이러한 수두 차에 의해 포화대의 지하수가 챔버를 통해 상향으로 유동하게 되어 최종적으로 속이 빈 물통에 모이게 된다. ΔH가 증가함에 따라 수두 차가 커지게 되어 챔버를 통과하는 유량이 증가하게 된다. 이때 챔버내 퇴적물의 수직 수리전도도는 챔버내 2지점간 수두차와 속이 빈 통에 배출되는 유량을 측정하여 그 비율을 구하면 되는 것이다.

이에, 본 발명에서의 챔버(10)와 수직 수리전도도 측정부(20)를 통한 포화 수직 수리전도도 측정장치의 실시예(도 2)를 설명하면, 연결라인(40)을 통해 상호 연결되어 있는 챔버(10)과 저장관체(25)을 서로 이격시켜 하상에 수직이 되도록 직립 설치한다. 챔버(10)를 설치할 때, 퇴적물이 교란되지 않도록 챔버(10)의 상단을 천천히 가압하여야 하며, 저장관체(25)의 타설 심도는 유입구(52)가 지표수면보다 낮은 심도에 고정되도록 결정되어야 한다. 저장관체(25)의 유입구(52)가 지표수면보다 낮은 심도에 위치하도록 하상에 직립 타설되면, 유입구(52)와 챔버(10)간의 수두차가 발생하며, 이러한 수두차(ΔH)는 하상에 설치된 챔버(10)에서 저장관체(25) 유입구(52)로의 물의 흐름을 야기한다. 이는 챔버(10) 주변의 지하수가 챔버(10)로 유입됨을 의미하며, 결과적으로 챔버(10) 하부에서 상부로의 물의 유동과 챔버(10) 하부와 상부간의 수두차(Δh) 발생을 야기한다. 저장체(25) 유입구(52)의 지하수면 아래 심도를 고정하면, 챔버(10)를 통과하는 물의 유량과 챔버(10) 상, 하부의 수두차(Δh)는 일정하게 유지되므로 이들을 측정하여 그 비를 구하면 수직 수리전도도가 구해진다 (Darcy의 법칙에서 수리전도도는 수리구배에 대한 Darcian flux의 비이다).

이하, 도 2 내지 도 15를 참조하여 본 발명에 따른 자연상태의 지표수/퇴적물 경계면에서의 물교환량 측정장치에서, 포화 수직 수리전도도 측정의 일실시예를 상세히 설명하도록 한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 자연상태의 지표수/퇴적물 경계면에서의 물교환량 측정장치에서, 챔버(10)와 수직 수리전도도 측정부(20)를 통한 포화 수직 수리전도도 측정은, 인위적으로 유도된 수직 수리구배의 정도에 따라 배출되는 물교환량을 측정하고, 수직 수리구배와 Darcian flux 간의 관계를 분석하여 모래퇴적물의 포화 수직 수리전도도(K)를 측정하고자 하는 것으로, 챔버(10), 제 1, 2 수두 측정라인(21, 22), 연결라인(40), 저장관체(25)를 포함한다.

상기 챔버(10)는 내부가 비어있고, 하단부가 개구된 원통형이며, 이러한 상기 챔버(10)의 상단을 천천히 가압하여 챔버(10)가 지표수/퇴적물 경계면 퇴적물에 직립되도록 설치한다. 개구된 하단부를 통해 모래 등의 포화대 퇴적물이 채워지는 형태가 된다. 또한, 챔버(10)의 상부에는 수면 상부까지 연장되어 돌출되는 연장관(11)을 수직설치하고, 이러한 연장관(11)의 최상단에는 연장관(11)과 수직을 이루는 수평바(12)를 더 설치하여, 상기 수평바(12)의 수평상태를 통해 챔버(10)가 지표수/퇴적물 경계면에 수직으로 매설되어있는지를 식별할 수 있도록 한다. 물론, 이러한 수평바(12)는 챔버(10)를 매설 또는 철거할 때 손잡이 용도로 사용될 수도 있음이다. 챔버(10) 상단에 탈착가능토록 설치된 챔버(10) 커버를 제거하여 챔버(10) 상, 하부가 개방된 상태에서 수직 수리구배 측정을 진행할 수 도 있다. 이러한 경우에는 연장관(11)과 연장관(11)의 수평바(12)도 같이 제거된다.

제 1, 2 수두 측정라인(21, 22)은 챔버(10)의 외주연 상, 하부에 각각 일단이 연결되고, 타단은 지표수 수면위로 돌출시킨 것으로, 챔버(10)의 외주연 상부에 연결된 것을 제 1 수두 측정라인(21), 챔버(10)의 외주연 하부(상기 챔버(10)의 외주연에서 제 1 수두 측정라인(21)보다 상대적으로 낮은 위치)에 연결된 것을 제 2 수두 측정라인(22)이라 하였다. 제 1, 2 수두 측정라인(21, 22)은 챔버(10) 하부에서 상부로의 물의 상향 흐름에 의한 챔버(10) 내부의 2개 지점에서의 수두 손실(head loss)에 따른 수두차(Δh)를 측정(ex: 마노메터(23)와 핸드진공펌프(24) 등)하기 위한 것이다. 챔버(10)에 연결되는 제 1, 2 수두 측정라인(21, 22)의 일단에는 챔버(10)에 채워진 퇴적물의 유입을 막기 위해 망처리가 되어 있다.

상기 연결라인(40)은 플렉시블한 관으로서, 일단은 전술된 챔버(10)의 상단에 연통연결되고, 타단은 후술될 저장관체(25)의 외주연에 형성된 유입구(52)와 연통연결됨으로써, 챔버(10)를 통과한 물이 연결라인(40)을 통해 저장관체(25)의 유입구(52)(연결라인(40)과 연통시키기 위한 노즐이 설치되는 곳)로 유입되어, 상기 저장관체(25) 내에 물이 채워질 수 있도록 하는 것이다.

상기 저장관체(25)는 전술된 원형 단면이면서 상단이 개구되어 있고 내부가 비어있는 관체로써, 타단에는 설치의 용이성을 위해 하단을 향해 점차 뾰족해지는 삽입부(26)를 형성하도록 한다. 이러한 저장관체(25)는 챔버(10)에 소정간격 이격되어 수중에 직립 타설하여 고정시킨다. 뾰족한 삽입부(26)가 형성된 타단을 통해 저장관체(25)를 하천바닥에 박아 고정하고, 이렇게 설치된 저장관체(25)는 개구된 상단이 하천 수면 상부로 돌출될 정도의 길이를 가지도록 하여, 상기 저장관체(25)의 상단을 통해 내부로 지표수가 유입되지 않도록 한다. 저장관체(25)의 지하수면 아래 심도 조절은 외주연에 외부로 돌출된 가압편(28)을 가압수단(29)인 슬라이드 햄머(slide hammer)로 타격하여 이루어진다.

저장관체(25)는 단면적이 일정한 원통형의 파이프이므로 저장관체(25)에 유입되는 물의 수위 변화를 측정하면, 물의 양과 물의 유입속도가 일정한지 여부를 확인할 수 있다. 저장관체(25)로의 물의 유입속도가 일정하면 저장관체(25) 내에서의 수위변화는 직선적으로 상승하게 되므로, 직선적 수위 변화 구간을 취하고, 선택 구간에서의 경과 시간, 물 유입 총량과 챔버(10)의 단면적으로 부터 Darcian flux를 계산할 수 있다. 저장관체(25) 내의 수위 변화는 저장관체(25) 내부 바닥에 설치하는 제 1 자동수위측정기(30)를 이용한다. Darcian flux와 챔버(10) 상, 하부간의 수두차(Δh)는 식 (2)을 통한 퇴적물의 포화 수직 수리전도도 산출의 필수 요소이다.

저장관체(25) 외주연에는 유입구(52)가 형성되어 있고, 이러한 유입구(52)에 전술된 연결라인(40)의 타단이 연통연결되어 있는 형태가 되도록 하는데, 이러한 저장관체(25)의 유입구(52) 위치, 즉 연결라인(40)의 타단 연통부위 위치를 변화시킴으로써 저장관체(25)와 챔버(10)와의 수두차(ΔH)를 조절한다. 연결라인(40)이 연결되는 유입구(52)의 위치가 수중에서 점차 낮아질수록(저장관체(25)의 타단을 향할수록), 유입구(52)와 챔버(10) 사이의 수두차(ΔH)가 증가하게 되며, 이로 인해 저장관체(25)에 유입되는 물의 양(Q) 역시 증가하게 되는 것이다. 저장관체(25) 유입구(52)의 심도를 단계별로 달리하여, 각 단계별로 챔버(10)에서 저장관체(25)로 유도되어 저장되는 Darcian flux와 챔버(10) 상, 하부의의 수두차(Δh)를 측정하여 각 단계별 측정대상 퇴적물의 포화 수직 수리전도도를 산출한다. 측정 대상인 챔버(10) 내부의 다공성 매질의 수직 수리전도도는 매질마다의 고유한 상수(constant)이므로 단계별 수직 수리전도도 측정이 정확하게 이루어졌다면 단계별로 구한 수직 수리전도도 값은 서로 같아야 하며, 각 단계별 수직 수리구배와 Darcian flux는 1차 함수의 관계를 보여야 한다. 즉 각 단계별로 구한 수직 수리전도도를 단순비교 하거나, 각 단계별 수직 수리구배와 Darcian flux가 1차 함수의 관계를 보이는지, 그리고 이들이 이루는 1차함수의 직선 기울기가 기 확인된 수직 수리전도도와 일치하는지를 확인하여 본 발명의 측정기를 통해 구한 수직 수리전도도의 정확도에 대한 검증이 가능하다.

본 발명에서 퇴적물에 직립 설치된 챔버(10)의 내경은 13.4cm, 길이는 40.0cm이며, 챔버(10)에 연결되는 제 1, 2 수두 측정라인(21, 22)간의 이격거리는 20.0cm이며, 각 각은 챔버(10) 상, 하부에서 10.0cm 떨어진 곳에 위치한다.

상기와 같이 포화 수직 수리전도도가 측정된 후, 본 발명에 따른 자연상태의 지표수/퇴적물 경계면에서의 물교환량 측정장치에서, 챔버(10)의 두지점(상, 하부)간 수두차를 연속적으로 측정함으로써, 지표수/퇴적물 경계면에서의 물교환량 측정의 일실시예를 상세히 설명하도록 한다.

이를 위해서, 본 발명에서는 도 3 부터 도 6까지 도시한 바와 같이, 전술한 포화 수직 수리전도도를 측정할 시 사용했던 수직 수리전도도 측정부(20)의 구성 중, 제 1, 2 수두측정라인(21, 22)과 저장관체(25)를 각각 연결해체하여 분리한 후, 수직 수리구배 측정부(50)를 연결하여 챔버(10) 내 상, 하부의 2 지점간 수직 수리구배를 측정하는 것이다. 이를 위한 수직 수리구배 측정부(50)의 경우, 제 1, 2 파이프(51, 52), 제 2 자동수위측정기(55a, 55b)를 포함한다.

우선, 상기 저장관체(25)가 연결해제되면, 상기 저장관체(25)에 일단이 연결되어 있던 연결라인(40)은, 일단이 개방된 상태로 항상 수중에 놓여 있도록 하며, 퇴적물이 연결라인(40)을 통해 챔버(10) 내로 유입되지 않도록, 지하수 퇴적물 경계면에서 사전설정거리 이격된 위치에 놓여질 수 있도록 한다.

상기 제 1, 2 파이프(51, 52)는 각각 하단이 밀폐되고 상단이 개방된 원형 단면의 파이프로써, 이러한 제 1, 2 파이프(51, 52)는 상호간 대향되어 챔버(10)의 외주연 양측에 직립으로 연통설치된다. 이때, 제 1 파이프(51)는 챔버(10)의 외주연 왼측 상단부에 연통되는 형태로 설치되고, 제 2 파이프(52)는 챔버(10)의 외주연 우측 하단부에 연통되는 형태로 설치되도록 한다.

또한, 제 1, 2 파이프(51, 52)의 하단은 점차 직경이 좁아지는 형태를 가지도록 하여, 챔버(10)와 함께 퇴적물에 쉽게 삽입되어 확실한 고정이 될 수 있도록 하며, 상단은 지표수면 상단으로 돌출되는 길이를 가지도록 한다. (물론 측정기간동안 지표수위 변화를 고려하여 제 1, 2 파이프(51, 52)의 길이를 사전에 다양하게 설정할 수 있음이다.)

상기 수위 자동계측장치는 전술된 제 1, 2 파이프(51, 52)의 내부 최하단에 각각 동일높이부분에 설치되어 있도록 함으로써, 챔버(10) 두지점(제 1, 2 파이프(51, 52)와 각각 연통되는 상, 하부)간의 수두차를 장시간 자동, 연속적으로 측정할 수 있도록 한다.

이에, 사용자는 제 1, 2 파이프(51, 52)와 각각 연통되어 있는 챔버(10) 두 점의 수두로부터 구한 수두차(Δh)와, 두 지점간 수직 이격거리(L)를 통해, 두지점간 수직 수리구배를 산출할 수 있다.

이렇게 산출된 수직 수리구배값을 챔버(10) 내 퇴적물의 포화 수직 수리전도도 값과 곱하여, 챔버(10)를 통한 물교환량을 구할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 자연상태의 지표수/퇴적물 경계면에서의 물교환량 측정장치의 현장 시험은, 도 7에 도시된 바와 같이, 지표수/퇴적물 경계면에서의 수직흐름과 해수면 조석변동이 뚜렷한 제주도 동부의 방두만(Hwang, 2002)에 분포하는 해안퇴적물을 대상으로 하였다.

경계면 퇴적물에 수직으로 삽입된 챔버(10)(길이 40cm, 직경 13.4cm)에 수직으로 이격된 챔버(10) 상, 하부 2개의 포트(port)에, 각 3m 길이의 제 1, 2 파이프(51, 52)를 수직으로 연통연결하고, 제 1, 2 파이프(51, 52)의 내부 바닥에 자동수위측정기(55a, 55b)를 설치하였다.

물론, 도 8에 도시된 바와 같이, 이러한 챔버(10) 내 수두차 측정 이전에, 저조에서 고조로 변하는 기간 동안 3회에 걸쳐 챔버(10)에 채워진 모래 퇴적물의 수직 수리전도도를 측정하였다.

도 9은 현장 시험장면으로 사진 중앙부의 수직으로 세워진 제 1, 2 파이프(51, 52)가 수직으로 이격된 챔버(10)의 두 지점의 수두를 측정하기 위한 일종의 manometer이다. 제 1, 2 파이프(51, 52) 바닥에는 자동수위측정기(55a, 55b)가 설치되어 각 설치지점에서의 수두 변화를 기록한다.

도 10에 도시된 바와 같이, 3회에 걸쳐 측정한 챔버(10)내 모래퇴적물의 수직 수리전도도는 각각 0.032, 0.036, 0.041 cm/sec 로 거의 일치하며, 수직 수리구배와 Darcian flux간의 상관계수가 0.99 이상으로 수직 수리전도도 측정값이 매우 정확함을 지시하고 있다. 전체 수직 수리구배와 Darcian flux 측정값을 이용하여 구한 수직 수리전도도는 0.034 cm/sec이다. 본 발명에서 물교환량 계산에 사용된 포화 수직 수리전도도는 0.034cm/sec로 하였다.

도 11, 12는 챔버(10) 상, 하부 두 지점에서의 수두 변화를 나타낸 것이다. 도 13은 챔버(10) 하부 포트에서 측정한 수두 값에서 상단 포트의 수두 값을 빼서 구한 수두 차를 상, 하부 포트의 수직 이격거리(L)로 나누어 산정한 수직 수리구배 변화를 나타낸 것이며, 도 14는 측정대상지점의 수직 수리전도도 (K)와 수직 수리구배(i)를 곱하여 구한 측정지점의 Darcian flux(q) 변화이다. 도 15는 전술한 Darcian flux에 챔버(10)의 단면적과 경과시간을 곱하여 구한 측정점의 지표수/퇴적물 경계면에서의 물교환량 변화를 나타낸 것이다.

본 발명은 포화 수직 수리전도도 측정과 수직 수리구배 측정이 동일 지점에서 이루어지므로, 기존의 측정장치와는 달리, 수직 수리전도도와 수직 수리구배 측정지점이 상이하여 야기되는 오차 성분을 배제할 수 있다는 장점을 최대한 살려 물교환량를 구하는 장치이다.

상기 챔버(10) 두 지점의 수두 측정은 상용화된 제 2 자동수위측정기(55a, 55b)를 사용하므로 측정 시간 분해능과 관측기간 등 자동수위측정기(55a, 55b)의 기능을 극대화할 수 있는 장점이 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 물론이다.

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10: 챔버 11: 연장관
12: 수평바 20: 수직 수리전도도 측정부
21: 제 1 수두측정라인 22: 제 2 수두측정라인
23: 마노메터 24: 핸드진공펌프
25: 저장관체 26: 삽입부
27: 유입구 28: 가압편
29: 가압수단 30: 제 1 자동수위측정기
40: 연결라인 50:수직 수리구배 측정부
51: 제 1파이프 52: 제 2파이프
53: 연통부위 55a, 55b: 제 2 자동수위측정기

Claims (3)

1. 하천바닥에 고정설치되며, 내부에 매질이 채워지고, 상, 하부가 개방되어 있는 챔버(10);
   상기 챔버(10) 내부의 상, 하부 수두차가 측정되고, 챔버(10)와 수두차를 가지도록 설치되는 저장관체(25)와 연결라인(40)으로 연통되어, 챔버(10) 하부에서 상부를 향해 동력없이 저장관체(25)로 유입되는 물의 양과 유입속도가 측정되어, 상기 매질의 포화 수직 수리전도도(K)를 구할 수 있도록 하는 수직 수리전도도 측정부(20);
   상기 포화 수직 수리전도도(K)가 측정된 이후, 수직 수리전도도 측정부(20)가 제거된 챔버(10)에 착탈가능하게 설치되되, 챔버(10)의 외주연 양측 상, 하부에 각각 연통설치되어, 챔버(10) 상, 하부 2지점간의 수직 수리구배(i)를 연속적으로 측정할 수 있도록 함으로써, 포화 수직 수리전도도(K)값과의 곱에 의해 챔버(10)를 통한 물교환량(q)을 구할 수 있도록 하는 수직 수리구배 측정부(50);를 포함하여 이루어지며,
   상기 수직 수리구배 측정부(50)는 챔버(10)의 외주연 양단에서 챔버(10)의 상단과 하단에 각각 연통되도록, 하천 바닥에 직립설치되는 제 1, 2 파이프(51, 52)와, 상기 제 1, 2 파이프(51, 52) 각 내부 하단에 설치되어, 수위가 측정되는 제 2 자동수위측정기(55a, 55b)를 포함하여 이루어지며,
   상기 제 1, 2 파이프(51, 52) 내부 바닥에는 자동수위측정기(55a, 55b)가 설치되어 각 설치지점에서의 수두 변화를 기록하는 것을 특징으로 하는 자연상태의 지표수/퇴적물 경계면에서의 물교환량 측정장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 연결라인(40)은
   상기 저장관체(25)가 제거될 시, 수중에 일단이 개방된 상태로 놓여지되, 지표수/퇴적물 퇴적물 경계면에서 사전설정거리 이격배치되어, 퇴적물을 챔버(10) 내로 유입시키지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 자연상태의 지표수/퇴적물 경계면에서의 물교환량 측정장치.
   
3. 삭제

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