KR101652370B1 - 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치 - Google Patents

지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지표수/퇴적물 경계면(surface water/sediment interface)을 통하여 하천, 호수 및 해수로 유출되는 지하수를 지표수와 혼합됨이 없이 집수하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 지표수/퇴적물 경계면을 통하여 유출되는 지하수를 지표수와 혼합됨이 없이 집수하기 위해, 하부는 열려있으나 상부는 닫힌 원통형의 챔버를 지표수/퇴적물 경계면 직하부의 퇴적물에 매설하고, 챔버와 부표에 고정된 집수 실린더를 튜브로 연결하여 지하수의 수두(hydraulic head)가 지표수의 수두보다 높을 경우에만 지표수/퇴적물 경계면을 통하여 유출되는 지하수를 포획하여 집수하도록 구성되는 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치 및 이를 이용한 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정방법이 제공된다.

Description

지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치{Flux meter for measuring exchanges of water and mass across groundwater-surface water interface}
본 발명은 지표수/퇴적물 경계면(surface water/sediment interface)을 통하여 하천, 호수 및 해수로 유출되는 지하수를 지표수와 혼합됨이 없이 연속적으로 집수하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
더 상세하게는, 본 발명은, 지표수/퇴적물 경계면을 통하여 유출되는 지하수를 지표수와 혼합됨이 없이 집수하기 위해, 하부는 열려있으나 상부는 닫힌 원통형의 챔버와, 부표에 고정된 집수 실린더 및 집수 실린더와 챔버를 연결하는 튜브로 구성되며, 지하수의 수두(hydraulic head)가 지표수의 수두보다 높을 경우에만 지표수/퇴적물 경계면을 통하여 유출되는 지하수를 포획하여 집수하도록 설계된 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치 및 이를 이용한 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 특히, 지표수로 자연 배출되는 지하수를 주변 지표수와의 혼합 없이 채취 가능하므로 해저로 유출되는 저염분의 지하수를 주변 해수와의 혼합 없이 채취하는데 활용할 수 있으며, 그것에 의해, 최근, 저염분의 지하수(brackish water)의 탈염(desalination)이 해수를 원수로 이용하는 탈염에 비해 규모면이나 비용면에서 유리하다는 점이 부각되고 있는 실정을 감안하여, 기후변화, 산업화 및 도시화에 따른 물부족의 해결책으로서 저염분 해저 유출 지하수를 대체 수자원으로 확보하기 위한 방안으로 활용될 수 있도록 구성되는 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치 및 이를 이용한 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정방법에 관한 것이다.
일반적으로, 지표수와 지하수는 상호 연결되어 한쪽 영역에서의 물리적, 화학적 변화가 다른 한쪽에도 영향을 미치는, 즉, 상호작용을 하는 하나의 자원으로 인식되고 있다.
또한, 지표수/퇴적물 경계면에서의 물과 물질의 교환량(water and mass flux)에 대한 정량적 평가는, 물수지 분석, 영향분이나 오염물질의 이동경로 파악, 지하수 유동시스템 규명, 수자원 확보 등 여러 가지 측면에서 필수적으로 규명되어야 할 사항이며, 현재, 지표수/퇴적물 경계면에서의 물 교환량 평가를 위한 다양한 종류의 침윤계(seepage meter)들이 개발되어 사용되고 있으나, 물질 교환량을 측정할 수 있거나 물과 물질 교환량을 동시에 측정할 수 있는 기술은 알려진 바 없었다.
아울러, 지하수와 지표수 상호 교환량을 직간접적으로 측정하기 위한 종래기술의 방법으로는, 예를 들면, 모델링(modelling), 내츄럴 트레이서(natural tracer), 침윤계(seepage meter), 온도 프로파일링(temperature profiling)에 근거한 방법과, 수직 수리구배와 수직 수리전도도를 측정하여 물교환량을 계산하는 방법 등 다양한 접근 방법이 제안되고 있다(참고문헌 1 참조).
여기서, 내츄럴 트레이서(natural tracer)를 이용하는 방법을 제외하면, 현장에서 일반적으로 적용하는 물교환량 측정방법은 침윤계(seepage meter)와, 수직 수리구배와 수직 수리전도도를 측정하여 물교환량을 계산하는 다시안 플럭스 계산(Darcian flux calculation)법이 주로 이용되며(참고문헌 2 참조), 이 외에, 본 발명자 등에 의해 제시된 한국 등록특허 제10-1252136호의 "지하수 유출량 및 함양량을 연속 계측할 수 있는 유입출 측정장치" 및 마찬가지로 본 발명자 등에 의해 출원된 한국 특허출원 제10-2014-0055104호의 "지표수/퇴적물 경계면에서의 물교환량(water exchanges) 측정장치" 등이 있다.
또한, 침윤계(seepage meter)는, 1940년대와 50년대 관개수로에서의 물의 유실을 측정하기 위해 이용되었으며(참고문헌 3 참조), 종래, 원통형(half-barrel)의 침윤계(seepage meter)가 고안되어 지하수-하천 상호작용 평가에 이용된바 있으나(참고문헌 4 참조), 이는, 연속 측정이 어렵고, 집수백(collection bag)의 영향으로 인해 측정치가 부정확하다는 단점이 있다.
아울러, 이러한 종래의 침윤계의 문제점, 즉, 연속 측정 및 집수백과 관련된 문제점을 보완하기 위해, 예를 들면, 히트 펄스(Heat pulse)(참고문헌 5 참조), 연속 히트 펄스(Continuous heat pulse)(참고문헌 6 참조), 초음파(참고문헌 7 참조), 색소 희석(dye-dilution)(참고문헌 8 참조) 등과 같이, 물교환량을 연속적으로 자동 측정할 수 있는 다양한 방식의 침윤계들에 대한 개발이 진행되고 있다.
그러나 이들 자동 침윤계들은 아직 상용화되지 않은 관계로, 아직까지도 많은 연구자들이 상기한 종래의 원통형(half-barrel) 침윤계를 이용하고 있는 실정이다.
또한, 다시안 플럭스 계산(Darcian flux calculation) 방법은, 경계면 퇴적물의 수리전도도와 수리구배로부터 다시안 플럭스(Darcian flux)(q)를 계산하는 방법으로, 측정 결과의 정확도와 정밀도가 수리전도도와 수리구배 측정치의 신뢰도에 좌우될 수밖에 없으며, 그러한 수리전도도 및 유량 측정치의 신뢰도가 낮아 그 결과로서 추정되는 물교환량 역시 신뢰도가 낮은 문제점이 있을 뿐만 아니라, 수리구배 측정점과 수리전도도 측정점의 측정 위치가 일치하지 않아 생기는 오차 문제도 있다.
상기한 바와 같이, 종래기술의 침윤계들은, 대부분 지표수로 유출되는 지하수를 포획하지 않고 그 양만을 측정하는 방식으로 물질 교환량 측정이 어려우며, 또한, 지표수로 유출되는 지하수를 집수하여 그 양을 측정하는 종래의 원통형(half-barrel) 침윤계 역시, 배출되는 지하수 교환량(water flux)을 정확하게 제시하지 못하므로 물질량(material flux) 측정의 신뢰도가 높지 못하다는 문제가 있는 것이었다.
또한, 상기한 등록특허 제10-1252136호의 지하수 유출량 및 함양량을 연속 계측할 수 있는 유입출 측정장치는, 하천수와 지하수의 상호간 유출입량의 변화를 수조내의 수위변화로 유도하여 지하수 유출량과 함양량을 계측할 수 있으며, 지하수 함양량 계측장치와 지하수 유출량 계측장치의 로드를 분리하여 구성함으로써, 지하수 함양량과 지하수 유출량을 분리하여 각자 독립적으로 계측할 수 있는 지하수 유출량 및 함양량을 연속 계측할 수 있는 유입출 측정장치에 관한 것이다.
그러나 상기한 등록특허 제10-1252136호의 지하수 유출량 및 함양량을 연속 계측할 수 있는 유입출 측정장치는, 하천 혼합대에서의 지하수 유출량과 지하수 함양량 변화를 측정하기 위해 지하수 함양량 계측장치와 지하수 유출량 계측장치의 로드를 각각 분리하여 구성함으로써 전체적인 구성이 다소 복잡해지는 단점이 있는 것이었다.
아울러, 상기한 특허출원 제10-2014-0055104호의 지표수/퇴적물 경계면에서의 물교환량(water exchanges) 측정장치는, 지표면/퇴적물 경계면에서의 물 교환량을 측정할 수는 있으나, 물질 교환량 측정은 불가능하다는 점에서 그 한계가 있는 것이었다.
따라서 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위하여는, 지표수/퇴적물 경계면을 기준한 지하수와 지표수간의 수두 차를 확인할 수 있는 동시에, 지하수의 수두가 지표수 수두보다 높을 경우 지표수로 유출되는 지하수를 주변 해수와 혼합되지 않게 포획하고 집수할 수 있는 새로운 구성의 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치 및 측정방법을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.
[참고문헌]
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2. Mulligan, A. E. and Charette, M. A., 2006, Intercomparison of submarine groundwater discharge estimates from a sandy unconfined aquifer. Journal of hydrology, 327, 411-425.
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[선행기술문헌]
1. 한국 등록특허 제10-1252136호
2. 한국 특허출원 제10-2014-0055104호
3. 한국 등록특허 제10-1051133호
4. 한국 등록특허 제10-1179933호
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 지표수로 유출되는 지하수의 지하수 교환량(water flux)의 연속 측정이 어렵고 측정치가 정확하지 못하여 물질 교환량(material flux) 측정의 신뢰도가 높지 못한 단점이 있었던 종래기술의 지하수 및 물질 교환량 측정장치 및 측정방법들의 문제점을 해결하기 위해, 지표수/퇴적물 경계면을 기준한 지하수와 지표수간의 수두 차를 확인할 수 있는 동시에, 지하수의 수두가 지표수 수두보다 높을 경우 지표수로 유출되는 지하수를 주변 해수와 혼합되지 않게 연속적으로 포획하고 집수할 수 있도록 구성되는 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치 및 이를 이용한 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정방법을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 상단이 개방되고 하단이 폐쇄된 원통형의 집수용 실린더 측면에 포트(port)를 개설하여 부표에 고정시키고, 하부는 열려있으나 상부는 닫힌 원통형의 챔버를 지표수/퇴적물 경계면 퇴적물에 수직으로 삽입하여 상단부에 연결된 튜브를 상기한 실린더 포트와 체결시킨 다음, 실린더 포트와 지표수면의 높이를 일치시키는 것에 의해, 지하수와 지표수간의 수두차를 이용하여 챔버를 통해 유출되는 지하수가 지표수와 혼합되지 않고 무동력으로 채집 가능하도록 구성되는 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치 및 이를 이용한 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정방법을 제공하고자 하는 것이다.
아울러, 본 발명의 또 다른 목적은, 상기한 바와 같이 지표수와 혼합되지 않고 무동력으로 채집되는 지하수를 실린더 포트를 통하여 실린더 내부에 모으고, 이를 별도의 저장체로 이송하여 연속적인 지하수 포획 및 집수가 가능하도록 구성됨으로써, 물/퇴적물 경계면에서의 배출량(water flux)과 물질 배출량(mass flux)의 시계열적 변화를 보다 정확하게 파악하여 물/퇴적물 경계면에서의 지표수-지하수 상호작용의 정량화 및 특성 파악이 가능하도록 구성되는 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치 및 이를 이용한 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 지표수로 유출되는 지하수의 지하수 교환량(water flux)의 연속 측정이 어렵고 측정치가 부정하여 물질 교환량(material flux) 측정의 신뢰도가 높지 못한 단점이 있었던 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 지표수와 퇴적물의 경계면(surface water/sediment interface)을 통하여 하천, 호수 및 해수로 유출되는 지하수를 지표수와 혼합됨이 없이 집수하기 위한 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치에 있어서, 수면에 설치되는 부유체; 상단이 개방되고 하단이 폐쇄된 원통 형태로 형성되어 상기 부유체에 고정 설치되는 집수용 실린더; 상기 집수용 실린더 측면의 수면과 일치하는 높이의 위치에 형성되는 실린더 포트(port); 하부는 개방되고 상부는 닫힌 원통 형태로 형성되어 수중의 지표수와 퇴적물의 경계면에 수직으로 삽입되는 챔버; 상기 챔버의 상단과 상기 실린더 포트 사이에 연결되는 연결관을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치가 제공된다.
여기서, 상기 측정장치는, 상기 집수용 실린더를 지표수면과 수직이 되도록 하는 동시에, 부표를 이용하여 상기 실린더 포트와 상기 지표수면의 높이를 일치시켜 상기 부유체에 고정시킴으로써, 상기 챔버의 상단부에 연결된 상기 연결관을 상기 실린더 포트에 체결시키는 것에 의해, 상기 챔버를 통해 유출되는 지하수가 상기 지표수와 혼합되지 않고 상기 집수용 실린더에 채집될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 측정장치는, 상기 집수용 실린더를 지표수면과 수직이 되도록 하는 동시에, 부표를 이용하여 상기 실린더 포트와 상기 지표수면의 높이를 일치시켜 상기 부유체에 고정시킴으로써, 상기 지하수의 수두가 상기 지표수면보다 높은 경우, 상기 지하수의 수두와 상기 지표수면과의 높이 차이만큼 상기 지하수 수두를 낮아지게 하여 상기 챔버 내부의 물이 상향 유동하게 되어 상기 챔버에서 상기 집수용 실린더로 상기 지하수가 배출되는 것에 의해, 상기 지하수와 상기 지표수간의 수두차를 이용하여 무동력으로 상기 챔버를 통해 유출되는 지하수가 상기 지표수와 혼합되지 않고 상기 집수용 실린더에 채집될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 측정장치는, 상기 집수용 실린더의 하단에 형성되는 배출포트; 상기 배출포트와 연결되어 상기 집수용 실린더에 집수된 물을 외부로 배출시키기 위한 펌프; 상기 펌프에 의해 상기 집수용 실린더로부터 배출된 물을 집수하기 위한 집수장치부를 더 포함하여 구성되고, 상기 실린더 포트를 통하여 상기 집수용 실린더 내부에 모인 상기 지하수를 상기 펌프를 이용하여 상기 집수용 실린더 하부의 상기 배출포트를 통해 상기 집수장치부로 이송함으로써, 상기 지하수의 연속적인 집수가 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 집수장치부는, 복수의 저장용기와, 상기 복수의 저장용기를 수용하는 수용부를 포함하여 이루어지고, 상기 수용부를 모터에 의해 미리 정해진 일정한 시간 간격으로 이동 또는 회전시키는 것에 의해, 상기 펌프에 의해 상기 집수용 실린더로부터 이송된 상기 지하수가 상기 미리 정해진 일정 시간마다 각각의 상기 저장용기에 순차적으로 저장되도록 구성됨으로써, 시간에 따른 상기 지하수 배출량의 변화를 용이하고 정확하게 측정할 수 있는 동시에, 각각의 상기 저장용기에 저장된 상기 지하수의 성분을 분석하는 것에 의해 시간에 따른 물질의 배출량 및 배출량의 변화도 용이하고 정확하게 측정할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 지표수로 유출되는 지하수의 지하수 교환량(water flux)의 연속 측정이 어렵고 측정치가 부정하여 물질 교환량(material flux) 측정의 신뢰도가 높지 못한 단점이 있었던 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정방법에 있어서, 상기에 기재된 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치를 이용하여 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정하는 측정단계; 및 상기 측정단계에서 측정된 결과에 근거하여 시간에 따른 물 및 물질의 배출량과 각각의 상기 배출량의 변화를 분석하는 분석단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정방법이 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 지표수/퇴적물 경계면을 기준한 지하수와 지표수간의 수두 차를 확인할 수 있는 동시에, 지하수의 수두가 지표수 수두보다 높을 경우 지표수로 유출되는 지하수를 주변 해수와 혼합되지 않게 연속적으로 포획하고 집수할 수 있도록 구성되는 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치 및 이를 이용한 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정방법이 제공됨으로써, 지표수로 유출되는 지하수의 지하수 교환량(water flux)의 연속 측정이 어렵고 측정치가 정확하지 못하여 물질 교환량(material flux) 측정의 신뢰도가 높지 못한 단점이 있었던 종래기술의 지하수 및 물질 교환량 측정장치 및 측정방법들의 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상단이 개방되고 하단이 폐쇄된 원통형의 집수용 실린더 측면에 포트(port)를 개설하여 부표에 고정시키고, 하부는 열려있으나 상부는 닫힌 원통형의 챔버를 지표수/퇴적물 경계면 퇴적물에 수직으로 삽입하여 상단부에 연결된 튜브를 상기한 실린더 포트와 체결시켜 실린더 포트와 지표수면의 높이를 일치시키는 것에 의해, 지하수와 지표수간의 수두차를 이용하여 챔버를 통해 유출되는 지하수가 지표수와 혼합되지 않고 무동력으로 채집 가능하도록 구성되는 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치 및 이를 이용한 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정방법을 제공할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 지표수와 혼합되지 않고 무동력으로 채집되는 지하수를 별도의 저장체로 이송하여 연속적인 지하수 포획 및 집수가 가능하도록 구성되어 물/퇴적물 경계면에서의 배출량(water flux)과 물질 배출량(mass flux)의 시계열적 변화를 보다 정확하게 파악하여 물/퇴적물 경계면에서의 지표수-지하수 상호작용의 정량화 및 특성 파악이 가능하도록 구성되는 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치 및 이를 이용한 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정방법을 제공할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 특히, 주변 해수보다 낮은 염도의 해저 유출 지하수(기수; brackish water)의 역삼투압 방식의 담수화는 증발법을 이용한 해수-담수화보다 규모 및 효율 그리고 비용 측면에서 효율적이므로, 해안지역의 대체 수자원 개발에 효과적으로 적용될 수 있으며, 또한, 장치의 구성 및 작동이 간단하고 용이하므로 휴대용 식수 개발 용도로도 활용 가능한 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치 및 이를 이용한 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 지표수/퇴적물 경계대에서의 지하수 수두와 지표수 수두의 차이에 의해 지하수-지표수 상호작용의 방향과 크기가 결정되는 원리를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치의 집수장치부의 구성예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치의 집수장치부의 다른 구성예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치를 이용하여 지표수/퇴적물 경계면을 통한 지하수 배출량의 변화를 측정한 결과를 그래프로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치를 이용하여 지표수/퇴적물 경계면을 통한 지하수 성분별 배출량을 측정한 결과를 그래프로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 지표수로 유출되는 지하수의 지하수 교환량(water flux)의 연속 측정이 어렵고 측정치가 정확하지 못하여 물질 교환량(material flux) 측정의 신뢰도가 높지 못한 단점이 있었던 종래기술의 지하수 및 물질 교환량 측정장치 및 측정방법들의 문제점을 해결하기 위해, 지표수/퇴적물 경계면을 기준한 지하수와 지표수간의 수두 차를 확인할 수 있는 동시에, 지하수의 수두가 지표수 수두보다 높을 경우 지표수로 유출되는 지하수를 주변 해수와 혼합되지 않게 연속적으로 포획하고 집수할 수 있도록 구성되는 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치 및 이를 이용한 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명, 후술하는 바와 같이, 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 상단이 개방되고 하단이 폐쇄된 원통형의 집수용 실린더 측면에 포트(port)를 개설하여 부표에 고정시키고, 하부는 열려있으나 상부는 닫힌 원통형의 챔버를 지표수/퇴적물 경계면 퇴적물에 수직으로 삽입하여 상단부에 연결된 튜브를 상기한 실린더 포트와 체결시켜 실린더 포트와 지표수면의 높이를 일치시키는 것에 의해, 지하수와 지표수간의 수두차를 이용하여 챔버를 통해 유출되는 지하수가 지표수와 혼합되지 않고 무동력으로 채집 가능하도록 구성되는 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치 및 이를 이용한 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정방법을 제공하고자 하는 것이다.
아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 지표수와 혼합되지 않고 무동력으로 채집되는 지하수를 실린더 포트를 통하여 실린더 내부에 모으고 별도의 저장체로 이송하여 연속적인 지하수 포획 및 집수가 가능하도록 구성됨으로써, 물/퇴적물 경계면에서의 배출량(water flux)과 물질 배출량(mass flux)의 시계열적 변화를 보다 정확하게 파악하여 물/퇴적물 경계면에서의 지표수-지하수 상호작용의 정량화 및 특성 파악이 가능하도록 구성되는 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치 및 이를 이용한 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정방법에 관한 것이다.
계속해서, 도면을 참조하여, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치(10)는, 크게 나누어, 수면에 설치되는 부유체(11)와, 상단이 개방되고 하단이 폐쇄된 원통 형태로 형성되어 부유체(11)에 설치되는 집수용 실린더(12)와, 집수용 실린더(12) 측면의 수면과 일치하는 높이의 위치에 형성된 실린더 포트(port)(13)와, 하부는 개방되어 있으나 상부는 닫힌 원통 형태로 형성되어 수중의 바닥면, 즉, 지표수와 퇴적물의 경계면에 수직으로 삽입되는 챔버(14)와, 챔버(14)의 상단과 실린더 포트(port)(13) 사이에 연결되는 연결관(15)을 포함하여 구성되어 있다.
또한, 상기한 측정장치(10)는, 집수용 실린더(12)의 하단에 형성되는 배출포트(16)와, 상기한 배출포트(16)와 연결관(15)으로 연결되어 집수용 실린더(12)에 집수된 물을 외부로 배출시키기 위한 펌프(17)와, 펌프(17)에 의해 집수용 실린더(12)로부터 배출된 물을 연속적으로 집수하여 시간에 따른 물 및 물질의 배출량을 측정할 수 있도록 하기 위한 집수장치부(18)를 더 포함하여 구성되어 있다.
더 상세하게는, 도 2를 참조하면, 도 2는 지표수/퇴적물 경계대에서의 지하수 수두와 지표수 수두를 나타내는 도면이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 지하수의 수두가 지표수 수두보다 높을 경우(s vs a)는 지하수가 지표수로 배출되고, 지하수 수두와 지표수 수두가 같을 경우(s vs b)에는 지하수/지표수 상호작용이 일어나지 않으며, 지하수 수두가 지표수 수두보다 낮을 경우(s vs c)에는 지표수가 대수층으로 함양된다.
상기한 바와 같이, 지표수/퇴적물 경계면을 기준으로 한 경계면 직상부의 지표수와 직하부의 지하수 간의 수두 차는 지표수면과 지하수 수두 사이의 높이의 차와 동일하며, 이는 물/퇴적물 경계면을 통한 물의 흐름 방향과 크기를 결정한다.
즉, 지하수의 수두가 지표수면보다 높은 경우는 물/퇴적물 경계면에서의 지표수의 수두보다 지하수의 수두가 높음을 의미하며, 수두 차에 비례하여 지하수가 지표수체로 유출됨을 의미한다.
마찬가지로, 지하수의 수두가 지표수면보다 낮은 경우는 물/퇴적물 경계면에서의 지표수의 수두가 지하수의 수두보다 높음을 의미하며, 결과적으로, 수두 차에 비례하여 지표수가 대수층으로 함양됨을 나타낸다.
이러한 지하수와 지표수 수두와의 차이를 알기 위해, 본 발명에서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 부유체(11)와, 이러한 부유체에 고정되는 집수용 실린더(12) 및 하부는 열려있으나 상부는 닫힌 원통형의 챔버(14)를 이용하여 지표수의 이동을 측정할 수 있는 측정장치(10)를 구성하였다.
즉, 부유체(11)를 물에 띄웠을 때, 부유체(11)의 물속에 잠긴 부분과 물 위로 드러난 부분의 경계는 지표수면을 의미한다.
또한, 도 1에 나타낸 바와 같이, 상단이 개방되고 하단이 폐쇄된 원통형의 집수용 실린더(12) 측면에 실린더 포트(13)를 형성하여 부유체(11)에 고정시키고, 이때, 부유체(11)에 고정된 집수용 실린더(12)는 지표수면과 수직이 되도록 하며, 실린더 포트(13)와 지표수면의 높이를 일치시킨다.
다음으로, 지표수/퇴적물 경계면에 수직으로 삽입한 챔버(14)의 상단부에 연결된 연결관(15)을 실린더 포트(14)와 체결시킨다.
상기한 바와 같이 구성함으로써, 지하수의 수두가 지표수면보다 높은 경우,챔버(14)와 실린더 포트(13) 사이를 연결관(15)으로 연결하는 것에 의해 지하수 수두와 지표수면과의 높이차 만큼 지하수 수두를 낮아지게 하는 효과가 있다.
따라서 실린더 포트(13) 부분에서의 지하수 수두는 챔버(14) 상단부의 지하수 수두와 같아지고, 챔버(14) 상단부의 지하수 수두가 하단부의 지하수 수두가 보다 낮아져 챔버(14) 내 지하수 수두 분포를 변화시킴으로써, 결과적으로, 챔버(14) 내부의 물이 상향 유동하게 되어 챔버(14)에서 집수용 실린더(12)로 지하수가 배출되게 된다.
이때, 집수용 실린더(12)와 챔버(14)는 연결관(15)을 통하여 연결되어 있으므로 챔버(14)를 통해 유출되는 지하수는 지표수와 혼합되지 않으며, 또한, 지하수와 지표수간의 수두 차를 이용하여 지하수의 이동이 이루어지므로 지하수 채집과정에 별도의 동력이 요구되지 않는다.
아울러, 실린더 포트(13)를 통하여 집수용 실린더(12) 내부에 모인 지하수를 펌프(17) 등을 이용하여 집수용 실린더(12) 하부의 배출포트(16)를 통해 외부의 집수장치부(18)로 이송함으로써, 연속적인 지하수 포획 및 집수가 가능하게 된다.
즉, 미리 정해진 일정한 시간 간격으로 지하수의 유입량을 각각 측정할 수 있도록 집수장치부(18)를 구성함으로써, 지하수-지표수 경계대에서 시간에 따른 지하수 배출량의 변화를 용이하고 또한 정확하게 측정할 수 있으며, 더욱이, 각 시간대별로 집수된 지하수의 성분을 각각 분석함으로써, 시간에 따른 물질의 배출량 및 배출량의 변화도 용이하게 파악할 수 있다.
더 상세하게는, 예를 들면, 복수의 저장용기와 이러한 복수의 저장용기를 수용하는 수용부를 구성하고, 이러한 수용부를 모터 등에 의해 일정 시간 간격으로 이동 또는 회전시키도록 집수장치부(18)를 구성하여, 펌프(17)에 의해 집수용 실린더(12)로부터 이송된 지하수가 일정 시간마다 각각의 저장용기에 차례대로 저장되도록 구성함으로써, 시간에 따른 지하수 배출량의 변화를 용이하고 정확하게 측정할 수 있으며, 각각의 저장용기에 저장된 지하수의 성분을 분석하는 것에 의해 시간에 따른 물질의 배출량 및 그러한 배출량의 변화도 용이하고 정확하게 파악할 수 있다.
여기서, 상기한 집수장치부(18)의 구성예로는, 예를 들면, 본 발명의 발명자 등에 의해 한국 특허청에 등록된 등록특허 제10-1051133호의 "유출 빗물 자동채집기"에 제시된 바와 같이, 카운터와 타이머를 이용하여 일정 시간마다 일정 각도로 회전하는 것에 의해 샘플을 시간별로 순차적으로 구분하여 손쉽게 채집할 수 있도록 구성되는 샘플러의 구성을 적용할 수 있다.
즉, 도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치(10)의 집수장치부(18)의 구성예를 개략적으로 나타내는 도면으로, 상기한 등록특허 제10-1051133호의 유출 빗물 자동채집기에 제시된 샘플러의 구성을 나타내고 있다.
또는, 상기한 집수장치부(18)의 다른 구성예로서는, 예를 들면, 본 발명의 발명자 등에 의해 한국 특허청에 등록된 등록특허 제10-1179933호의 "유출빗물 연속샘플러"에 제시된 바와 같이, 하향경사진 레일부재를 따라 다수개의 저장부재가 하향 이동하는 것에 의해 샘플을 시간별로 구분하여 자동적으로 채집할 수 있도록 구성되는 연속샘플러의 구성 적용할 수도 있는 등, 본 발명은 필요에 따라 다양하게 적용될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
즉, 도 4를 참조하면, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치(10)의 집수장치부(18)의 다른 구성예를 개략적으로 나타내는 도면으로, 상기한 제10-1179933호의 유출빗물 연속샘플러에 제시된 연속샘플러의 구성을 나타내고 있다.
여기서, 상기한 바와 같은 샘플러의 구성은 종래기술의 문헌 등을 통하여 당업자에게 있어 자명한 사항이므로, 설명을 간략히 하기 위해 여기서는 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
상기한 바와 같이, 도 1에 나타낸 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치(10)에 따르면, 지하수 수두가 지표수 수두보다 높은 경우(s vs a), 지하수 수두를 지표수 수두에 일치시키면 챔버(14) 상단부의 지하수 수두가 지표수 수두와 같게 되고, 이에 따라 챔버(14) 상단부의 지하수 수두는 챔버(14) 하단부의 지하수두보다 낮아지며, 그것에 의해 챔버(14) 하단부에서 상단부로 지하수의 상향 유동이 일어나, 결과적으로 연결관(15)을 통해 챔버(14)에서 집수용 실린더(12)로 지하수가 유동하게 된다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치(10)를 이용하면, 간단한 구성으로 지하수 배출량을 용이하고 정확하게 측정할 수 있으며, 그것에 의해, 연속측정이 어렵고 집수백(collection bag)의 영향으로 측정값이 부정확한 단점이 있었던 종래기술의 측정장치들의 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치(10)에 따르면, 상기한 바와 같이 집수용 실린더(12) 내부에 모인 지하수를 펌프(17) 등을 이용하여 집수용 실린더(12) 하부의 배출포트(16)를 통해 미리 정해진 일정한 시간 간격으로 지하수의 유입량을 측정할 수 있도록 구성되는 집수장치부(18)로 이송함으로써, 지하수-지표수 경계대에서 시간에 따른 지하수 배출량의 변화를 용이하고 또한 정확하게 측정할 수 있는 데 더하여, 시간대별로 각각의 저장용기에 집수된 지하수의 성분을 각각 분석하는 것에 의해 시간에 따른 물질의 배출량 및 배출량의 변화도 용이하고 정확하게 파악할 수 있다.
더 상세하게는, 도 5 및 도 6을 참조하면, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치(10)를 이용하여 지표수/퇴적물 경계면을 통한 지하수 배출량의 변화를 측정한 결과를 그래프로 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치(10)를 이용하여 지표수/퇴적물 경계면을 통한 지하수 성분별 배출량을 측정한 결과를 그래프로 나타내는 도면이다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치(10)의 구성에 따르면, 지표수/퇴적물 경계면 퇴적물에 수직으로 삽입된 챔버와, 부유체에 체결되어 지표수면에 그 높이를 일치시킨 실린더 및 이들을 연결한 튜브를 사용하고, 실린더에 유입된 지하수는 펌프를 이용하여 배출하고 저장통에 집수하여 측정을 행함으로써, 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 지표수/퇴적물 경계면을 통한 지하수 배출량의 변화 및 지표수/퇴적물 경계면을 통한 지하수 성분별 배출량을 종래의 방법에 비하여 용이하고 또한 정확하게 측정할 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치를 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치를 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 지표수/퇴적물 경계면을 기준한 지하수와 지표수간의 수두 차를 확인할 수 있는 동시에, 지하수의 수두가 지표수 수두보다 높을 경우 지표수로 유출되는 지하수를 주변 해수와 혼합되지 않게 연속적으로 포획하고 집수할 수 있도록 구성되는 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치 및 이를 이용한 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정방법이 제공됨으로써, 지표수로 유출되는 지하수의 지하수 교환량(water flux)의 연속 측정이 어렵고 측정치가 정확하지 못하여 물질 교환량(material flux) 측정의 신뢰도가 높지 못한 단점이 있었던 종래기술의 지하수 및 물질 교환량 측정장치 및 측정방법들의 문제점을 해결할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상단이 개방되고 하단이 폐쇄된 원통형의 집수용 실린더 측면에 포트(port)를 개설하여 부표에 고정시키고, 하부는 열려있으나 상부는 닫힌 원통형의 챔버를 지표수/퇴적물 경계면 퇴적물에 수직으로 삽입하여 상단부에 연결된 튜브를 상기한 실린더 포트와 체결시켜 실린더 포트와 지표수면의 높이를 일치시키는 것에 의해, 지하수와 지표수간의 수두차를 이용하여 챔버를 통해 유출되는 지하수가 지표수와 혼합되지 않고 무동력으로 채집 가능하도록 구성되는 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치 및 이를 이용한 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정방법을 제공할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 지표수와 혼합되지 않고 무동력으로 채집되는 지하수를 실린더 포트를 통하여 실린더 내부에 모으고 별도의 저장체로 이송하여 연속적인 지하수 포획 및 집수가 가능하도록 구성되어 물/퇴적물 경계면에서의 배출량(water flux)과 물질 배출량(mass flux)의 시계열적 변화를 보다 정확하게 파악하여 물/퇴적물 경계면에서의 지표수-지하수 상호작용의 정량화 및 특성 파악이 가능하도록 구성되는 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치 및 이를 이용한 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 특히, 주변 해수보다 낮은 염도의 해저 유출 지하수(기수; brackish water)의 역삼투압 방식의 담수화는 증발법을 이용한 해수-담수화보다 규모 및 효율 그리고 비용 측면에서 효율적이므로, 해안지역의 대체 수자원 개발에 효과적으로 적용될 수 있으며, 아울러, 장치의 구성 및 작동이 간단하고 용이하므로 휴대용 식수 개발 용도로도 활용 가능한 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치 및 이를 이용한 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정방법을 제공할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
10. 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치
11. 부유체 12. 집수용 실린더
13. 실린더 포트 14. 챔버
15. 연결관 16. 배출포트
17. 펌프 18. 집수장치부

Claims (6)

  1. 지표수로 유출되는 지하수의 지하수 교환량(water flux)의 연속 측정이 어렵고 측정치가 부정하여 물질 교환량(material flux) 측정의 신뢰도가 높지 못한 단점이 있었던 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 지표수와 퇴적물의 경계면(surface water/sediment interface)을 통하여 하천, 호수 및 해수로 유출되는 지하수를 지표수와 혼합됨이 없이 집수하기 위한 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치에 있어서,
    수면에 설치되는 부유체;
    상단이 개방되고 하단이 폐쇄된 원통 형태로 형성되어 상기 부유체에 고정 설치되는 집수용 실린더;
    상기 집수용 실린더 측면의 수면과 일치하는 높이의 위치에 형성되는 실린더 포트(port);
    하부는 개방되고 상부는 닫힌 원통 형태로 형성되어 수중의 지표수와 퇴적물의 경계면에 수직으로 삽입되는 챔버;
    상기 챔버의 상단과 상기 실린더 포트 사이에 연결되는 연결관을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 측정장치는,
    상기 집수용 실린더를 지표수면과 수직이 되도록 하는 동시에, 부표를 이용하여 상기 실린더 포트와 상기 지표수면의 높이를 일치시켜 상기 부유체에 고정시킴으로써,
    상기 챔버의 상단부에 연결된 상기 연결관을 상기 실린더 포트에 체결시키는 것에 의해, 상기 챔버를 통해 유출되는 지하수가 상기 지표수와 혼합되지 않고 상기 집수용 실린더에 채집될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 측정장치는,
    상기 집수용 실린더를 지표수면과 수직이 되도록 하는 동시에, 부표를 이용하여 상기 실린더 포트와 상기 지표수면의 높이를 일치시켜 상기 부유체에 고정시킴으로써,
    상기 지하수의 수두가 상기 지표수면보다 높은 경우, 상기 지하수의 수두와 상기 지표수면과의 높이 차이만큼 상기 지하수 수두를 낮아지게 하여 상기 챔버 내부의 물이 상향 유동하게 되어 상기 챔버에서 상기 집수용 실린더로 상기 지하수가 배출되는 것에 의해, 상기 지하수와 상기 지표수간의 수두차를 이용하여 무동력으로 상기 챔버를 통해 유출되는 지하수가 상기 지표수와 혼합되지 않고 상기 집수용 실린더에 채집될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 측정장치는,
    상기 집수용 실린더의 하단에 형성되는 배출포트;
    상기 배출포트와 연결되어 상기 집수용 실린더에 집수된 물을 외부로 배출시키기 위한 펌프;
    상기 펌프에 의해 상기 집수용 실린더로부터 배출된 물을 집수하기 위한 집수장치부를 더 포함하여 구성되고,
    상기 실린더 포트를 통하여 상기 집수용 실린더 내부에 모인 상기 지하수를 상기 펌프를 이용하여 상기 집수용 실린더 하부의 상기 배출포트를 통해 상기 집수장치부로 이송함으로써, 상기 지하수의 연속적인 집수가 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 집수장치부는,
    복수의 저장용기와, 상기 복수의 저장용기를 수용하는 수용부를 포함하여 이루어지고,
    상기 수용부를 모터에 의해 미리 정해진 일정한 시간 간격으로 이동 또는 회전시키는 것에 의해, 상기 펌프에 의해 상기 집수용 실린더로부터 이송된 상기 지하수가 상기 미리 정해진 일정 시간마다 각각의 상기 저장용기에 순차적으로 저장되도록 구성됨으로써,
    시간에 따른 상기 지하수 배출량의 변화를 용이하고 정확하게 측정할 수 있는 동시에, 각각의 상기 저장용기에 저장된 상기 지하수의 성분을 분석하는 것에 의해 시간에 따른 물질의 배출량 및 배출량의 변화도 용이하고 정확하게 측정할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치.
  6. 지표수로 유출되는 지하수의 지하수 교환량(water flux)의 연속 측정이 어렵고 측정치가 부정하여 물질 교환량(material flux) 측정의 신뢰도가 높지 못한 단점이 있었던 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정방법에 있어서,
    청구항 1항 내지 청구항 5항 중 어느 한 항에 기재된 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치를 이용하여 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정하는 측정단계; 및
    상기 측정단계에서 측정된 결과에 근거하여 시간에 따른 물 및 물질의 배출량과 각각의 상기 배출량의 변화를 분석하는 분석단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정방법.
KR1020150013502A 2015-01-28 2015-01-28 지하수-지표수 경계대에서의 물 및 물질 배출량 측정장치 KR101652370B1 (ko)

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