KR101706280B1 - 지반변형 억제 시스템에서의 관정의 최적화 설계 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 관정의 최적화 설계에 관한 발명으로, 일 실시예에 따르면, 양수 또는 주입용의 제1 관정이 매설된 피압대수층 및 그 상부의 난투수층을 포함하는 지반에 대해 제2 관정을 상기 난투수층에 매설하여 제2 관정 내 수위를 기설정된 수위로 유지하여 지반변형을 억제하는 시스템에서, 컴퓨터를 이용하여 최적화된 제2 관정 설계모델을 선정하는 방법으로서, (a) 난투수층에 관한 초기조건 데이터에 최적화 알고리즘을 적용하여 상기 제2 관정에 관한 n개의 결정변수 세트(D)를 생성하는 단계; (b) 상기 n개의 결정변수 세트(D)의 각각에 대해 지하수 흐름 모델을 적용하여, 난투수층 수두 변화에 관한 n개의 예측 결과를 생성하는 단계; (c) 상기 n개의 예측 결과의 각각에 대한 성능평가 값을 산출하는 단계; 및 (d) 최대 성능평가 값을 갖는 결정변수 세트(D)를 선정하는 단계;를 포함하는 제2 관정의 최적화 설계 방법을 제공한다.

Description

지반변형 억제 시스템에서의 관정의 최적화 설계 방법 {Method for optimizing a well design in a land-deformation controlling system}

본 발명은 지반변형 억제 시스템에서의 관정의 최적화 설계 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 피압대수층의 양수(pumping) 또는 주입(injecting)에 의해 피압대수층 상부의 난투수층이 불안정해져 지반침하 또는 지반상승 등의 지반변형이 발생하는 것을 방지하고 억제할 수 있는 시스템에서 난투수층에 매설되는 관정 설계의 최적화 방법에 관한 것이다.

점토층과 같은 난투수층의 하부에 대수층이 발달한 경우 대수층내 지하수는 자유수면을 가지지 않고 피압 상태가 될 수 있다. 이러한 대수층을 피압대수층이라 부른다. 피압대수층에서 지하수를 양수하면 피압대수층의 지하수위가 낮아지게 되어 인하여 상부 난투수층의 지하수위도 낮아지며 이는 난투수층의 압밀(consolidation)을 야기하여 지반침하라 불리는 현상이 발생한다.

지반침하는 태국, 베트남, 중국, 일본, 멕시코 등 세계 각지에서 일어나며 우리나라에서도 최근 지반침하 현상이 사회적 이슈로 떠오르고 있다. 지반침하는 피압대수층에서의 지하수 양수로 인해 발생하는 경우가 많으며, 압밀된 난투수층은 원 상태로 되돌리는 것이 거의 불가능하기 때문에 압밀을 방지하는 것 외에는 대안이 없는 실정이다. 즉 종래 기술에서는 지반침하 현상이 발견되면 피압대수층에서의 양수를 중단하거나 물을 피압대수층에 다시 주입하는 방법을 사용하였다.

또한 지하수 양수와 반대로 피압대수층에 물을 주입하는 경우, 대수층의 수위가 상승하고 이로 인하여 난투수층의 수두도 상승하며 역시 난투수층의 변형을 일으킬 수 있다. 이 역시 지표면의 변형을 일으키므로 바람직하지 않아 방지가 필요하다.

특허문헌1: 일본 공개특허공보 제2002-54856호 (2002년 2월 20일 공개)

본 발명의 일 실시예에 따르면, 피압대수층 지하수의 양수 또는 물 주입 등의 다양한 피압대수층 활용에 대비하여 실용적인 난투수층 변형관리 방안을 제시한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 피압대수층의 양수/주입 관정 주위에 난투수층에 매설하는 제2 관정을 설치하고 이 제2 관정의 수위를 소정 높이로 제어함으로써, 난투수층의 수두 변화를 억제하는 시스템 및 장치를 개시한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 지반변형 억제를 가장 효율적으로 할 수 있도록 제2 관정을 설계할 수 있는 최적화 시스템 및 방법을 개시한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 양수 또는 주입용의 제1 관정이 매설된 피압대수층 및 그 상부의 난투수층을 포함하는 지반에 대해 제2 관정을 상기 난투수층에 매설하여 제2 관정 내 수위를 기설정된 수위로 유지하여 지반변형을 억제하는 시스템에서, 컴퓨터를 이용하여 최적화된 제2 관정 설계모델을 선정하는 방법으로서, (a) 난투수층에 관한 초기조건 데이터에 최적화 알고리즘을 적용하여 상기 제2 관정에 관한 n개의(단, n은 2 이상의 정수) 결정변수 세트(D)를 생성하는 단계; (b) 상기 n개의 결정변수 세트(D)의 각각에 대해 지하수 흐름 모델을 적용하여, 난투수층 수두 변화에 관한 n개의 예측 결과를 생성하는 단계; (c) 상기 n개의 예측 결과의 각각에 대한 성능평가 값을 산출하는 단계; 및 (d) 최대 성능평가 값을 갖는 결정변수 세트(D)를 선정하는 단계;를 포함하는 제2 관정의 최적화 설계 방법을 제공한다.

이 때 일 실시예에서, 상기 결정변수 세트(D)는, (i) 상기 제1 관정과 제2 관정 사이의 이격 거리(α), (ii) 제2 관정의 상기 기설정된 수위 값(β), 및 (iii) 제2 관정 하부에 형성된 다수의 관통구 영역(이하 "스크린"이라 함)의 높이(γ) 중 적어도 하나의 변수를 포함할 수 있다.

이 때 일 실시예에서 상기 난투수층에 관한 초기조건 데이터는, 지반에 제1 관정을 매설하여 피압대수층에 대한 양수 또는 주입을 실행할 때의 난투수층의 수평적 및 수직적 수두 변화량에 관한 데이터를 포함할 수 있다.

이 때 일 실시예에서 상기 최적화 알고리즘이 유전자 알고리즘(genetic algorithm)일 수 있고, 이 경우 상기 (d)의 선정 단계를 실행하기 전에, 상기 (a) 내지 (c) 단계를 복수회 반복할 수 있다.

이 때 일 실시예에 따르면, 상기 피압대수층을 양수하는 경우, 상기 n개의 예측 결과의 각각에 대한 성능평가 값은 기설정된 제1 평가함수의 값에 비례하고, 상기 제1 평가함수는 상기 난투수층 내의 적어도 하나의 깊이에서의 수두 회복비, 수두 회복 체적비, 및 과잉 수두상승 체적비 중 적어도 하나의 항목을 포함하고, 상기 수두 회복비는 [상기 피압대수층의 양수로 인한 수두 감소량]에 대한 [제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복량]의 비에 비례하고, 상기 수두 회복 체적비는 [상기 피압대수층의 양수로 인한 난투수층의 수두 감소 영향을 받는 체적]에 대한 [상기 제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복 영향을 받는 체적]의 비에 비례하고, 상기 과잉 수두상승 체적비는 [상기 제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복 영향을 받는 체적]에 대한 [상기 난투수층의 최초 수두보다 높은 수두 값을 나타내는 영역의 체적]의 비에 비례할 수 있다.

이 때 일 실시예에 따르면, 상기 제1 평가함수가 상기 수두 회복비 및 수두 회복 체적비 중 적어도 하나에 비례하고 상기 과잉 수두상승 체적비에 반비례할 수 있다.

이 때 일 실시예에 따르면, 상기 피압대수층에 물을 주입하는 경우, 상기 n개의 예측 결과의 각각에 대한 성능평가 값은 기설정된 제2 평가함수의 값에 비례하고, 상기 제2 평가함수는 상기 난투수층 내의 적어도 하나의 깊이에서의 수두 회복비 및 수두 회복 체적비 중 적어도 하나의 항목을 포함하고, 상기 수두 회복비는 [상기 피압대수층의 주입으로 인한 수두 증가량]에 대한 [제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복량]의 비에 비례하고, 상기 수두 회복 체적비는 [상기 피압대수층의 주입으로 인한 난투수층의 수두 증가 영향을 받는 체적]에 대한 [상기 제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복 영향을 받는 체적]의 비에 비례할 수 있다.

이 때 일 실시예에 따르면, 상기 제2 평가함수가 상기 수두 회복비 및 수두 회복 체적비 중 적어도 하나에 비례할 수 있다.

이 때 일 실시예에서 상기 결정변수 세트(D)가 (iv) 난투수층에 매설하는 상기 제2 관정의 개수;를 변수로서 더 포함할 수 있고, 이 경우 상기 제2 관정의 개수가 복수개 일 때, 각각의 제2 관정마다 이격 거리(α), 제2 관정의 수위 설정값(β), 및 스크린 높이(γ)를 각기 별개로 가질 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상술한 최적화 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 피압대수층의 양수/주입 관정 주위에 난투수층에 매설하는 제2 관정을 설치하고 이 제2 관정의 수위를 소정 높이로 제어함으로써 난투수층의 수두 변화를 억제하는 효과를 가진다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 피압대수층의 양수/주입 관정을 계속 사용하더라도 제2 관정의 수위를 소정 높이로 제어하면 난투수층의 수두 변화를 억제할 수 있으므로, 피압대수층의 지하수를 계속 사용하면서도 지반침하를 방지할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 관정의 최적화 설계 시스템 및 방법을 제시함으로써 주어진 조건 하에서 가장 효율적으로 지반변형을 억제할 수 있는 최적화된 제2 관정 설계모델을 제시할 수 있는 이점이 있다.

도1은 지하수 양수시 피압대수층의 수두 변화를 설명하기 위한 도면,
도2는 평형상태에서 지하수 양수시 깊이에 따른 수직적 수두변화를 설명하기 위한 도면,
도3(a)는 양수시 난투수층의 깊이별 수평적 수두변화를 설명하기 위한 도면,
도3(b)는 도3(a)의 수두변화에 따른 유효응력 변화를 나타내는 도면,
도4(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 난투수층 지반변형 억제 시스템을 설명하기 위한 도면,
도4(b)는 깊이(A)에서 난투수층의 수두 변화를 설명하기 위한 도면,
도5는 제2 관정의 설계변수에 따른 난투수층 수두 변화를 설명하기 위한 도면,
도6은 지하수 주입시 피압대수층의 수두 변화를 설명하기 위한 도면,
도7은 평형상태에서 지하수 주입시 깊이에 따른 수직적 수두변화를 설명하기 위한 도면,
도8은 일 실시예에 따른 관정의 최적화 설계 방법의 예시적인 흐름도,
도9는 일 실시예에서 사용되는 최적화 알고리즘에 적용되는 예시적인 초기조건을 설명하기 위한 도면,
도10은 일 실시예에 따른 지하수 흐름 모델에 의해 도출된 제2 관정의 최적화 설계의 예시적 결과를 나타내는 도면,
도11 및 도12는 각각 제2 관정을 3개 및 4개로 가정했을 때 지하수 흐름 모델에 의해 도출된 제2 관정의 최적화 설계의 예시적 결과를 나타내는 도면,
도13은 일 실시예에 따른 관정의 최적화 설계를 위한 예시적인 시스템 구성을 설명하기 위한 블록도이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서의 도면에 있어서, 구성요소들의 길이, 두께, 넓이 등의 수치는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장하여 표시될 수 있다.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예를 기술하는데 있어서 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서 도1 내지 도4를 참조하여 피압대수층에서 양수(pumping)를 할 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 지반변형 억제 시스템을 설명하기로 한다.

도1은 지하수 양수시 피압대수층의 수두 변화를 설명하기 위한 도면이다. 지하수를 양수하는 영역의 지층 구조가 도1에 개략적으로 도시되어 있으며, 지표면에서부터 아래쪽으로 표토층(10), 난투수층(20), 및 피압대수층(30)으로 이루어져 있다고 가정한다. 표토층(10)은 지표면에서 수십 센티미터 내지 수십 미터의 두께를 갖는 층이다. 난투수층(難透水層; aquiclude)은 공극이 미세한 토양으로 구성되어 매우 낮은 투수계수를 갖는 지층이다. 도면에서는 난투수층(20)의 구성요소로 점토만을 명시하였지만, 일반적으로 난투수층은 점토나 미사 또는 경반층 등 투수계수가 낮은 임의의 토양 성분으로 구성된다. 이하의 본 발명의 실시예에서는 설명의 편의를 위해 '난투수층' 또는 '점토층'으로 칭하기로 한다.

피압대수층(被壓帶水層; confined aquifer)은 상부와 하부가 난투수층 또는 불투수층으로 둘러싸인 대수층(aquifer)으로 투수계수가 높은 토양 성분으로 구성된다. 도1에서 피압대수층(30)의 구성요소로 모래와 자갈만을 명시하였지만 일반적으로 피압대수층은 모래, 자갈, 사암, 충적층, 공동성 석회암, 균열대리암, 균열화강암, 쇄설성 석영암 등 다양한 암석 성분으로 구성된다.

피압대수층(30)은 상부의 지층으로부터 압력을 받기 때문에 피압대수층(30)까지 삽입된 관정 내의 지하수위는 대수층의 상부 경계보다 높게 형성된다. 즉 도1에 도시한 것처럼 양수 관정(40)을 피압대수층(30)까지 매설한 경우 피압대수층(30)의 초기 지하수위(이하에서 "수두(water head)"라고도 함)는 h1으로 표시한 가상의 수위를 가진다. 그 후 관정(40)의 하부에 형성된 다수의 관통구(45)를 통해 피압대수층(30) 내의 지하수를 양수(pumping)하면 양수 관정(40)을 중심으로 지하수가 점차 줄어들게 되므로, 도시한 것처럼 h2의 그래프와 같이 수두가 하강하게 된다.

도2는 평형상태에서 지하수 양수시 깊이에 따른 수직적 수두변화를 설명하기 위한 도면이다. 도2에서 왼쪽의 지층 구조는 도1과 동일하다. 도2의 오른쪽 그래프에서 수직축은 지층 깊이(d)를 나타내고 수평축은 각 깊이(d)에서의 간극수압(μ)을 나타낸다. 실선 그래프(μ1)로 표시한 것처럼 초기 간극수압(μ)은 깊이(d)에 비례하여 증가한다고 가정한다.

양수를 하지 않는 경우, 즉 양수 관정(40)을 피압대수층(30)에 매설한 직후 피압대수층(30)의 지하수의 수두는 h1이고, 관정(40)을 통해 양수를 함에 따라 수두가 h2로 강하함은 도1을 참조하여 설명한 것과 같다.

양수를 하기 전의 깊이에 따른 간극수압(μ)은 오른쪽 그래프에서 실선 그래프(μ1) 이다. 피압대수층(30)은 투수계수가 높으므로 피압대수층에서 지하수가 양수되면, 피압대수층의 지하수위 변화는 거의 즉각 발생한다. 따라서 피압대수층 내 간극수압(μ)은 피압대수층 전체 깊이에 걸쳐 빠르고 거의 일정하게 감소하여 점선(μ2)과 같이 이동하게 된다.

한편 이 때 난투수층(20)의 수두 변화의 경우, 낮은 투수성으로 인하여 피압대수층(30)과 접해있는 난투수층(20)의 하부에서부터 점차적으로 수두가 변화되기 시작한다. 난투수층(20) 상부에는 하부의 피압대수층(30)과 완전히 분리된 자유면 대수층이 있는 경우가 많고, 이러한 경우 난투수층 상부의 수두는 거의 변화하지 않는다. 따라서 난투수층(20)의 수두 변화는 하부에서 가장 크게 발생하며 시간 경과에 따라 상부로 전파되는 양상을 보인다. 즉, 난투수층(20)에서의 간극수압(μ)은 도2의 점선(μ2)의 그래프의 곡선 구간으로 표시한 것처럼, 상부에는 간극수압에 영향이 거의 없는 반면 난투수층 하부, 즉 피압대수층(30)과 인접한 부분에서는 피압대수층(30)과 거의 동일하게 간극수압이 하강하게 된다.

난투수층(20)의 간극수압(μ) 변화에 대해 좀 더 살펴보면, 도3(a)는 양수시 난투수층(20)의 깊이별 수평적 간극수압의 변화를 설명하기 위한 도면이고 도3(b)는 간극수압 변화에 따른 유효응력 변화를 나타내는 도면이다.

도3(a)를 참조하면, 도3(a)는 피압대수층(30)의 양수시 난투수층(20)의 각 깊이(d1, d2, d3, d4)에서의 간극수압(μ)의 수평적 분포를 나타내며, 각 깊이(d1, d2, d3, d4)에서의 간극수압을 각각 μ1, μ2, μ3, μ4로 나타내었다. 도2에서 설명한 바와 같이, 난투수층(20) 내에서 깊이가 깊을수록 피압대수층(30)의 영향을 많이 받아 간극수압(μ)이 크게 떨어지고 위로 올라갈수록 간극수압(μ)의 변화가 적음을 알 수 있다.

일반적으로 지반 변형의 대부분은 난투수층의 변형에 기인한다. 수위 강하로 인한 난투수층의 압밀의 경우 침하량은 유효응력을 고려하여 산정될 수 있다. 도3(b)는 간극수압 변화에 의한 각 깊이에서의 유효응력 변화를 나타낸다. 유효응력(σ')은 아래 수식에 따라 간극수압(μ)으로부터 곧바로 유도될 수 있으며, 난투수층(20) 내의 각 깊이(d1, d2, d3, d4)에서의 유효응력을 각각 σ'1, σ'2, σ'3, σ'4로 나타내었다.

σ' = σ - μ (단, σ는 전응력(total stress))

본 발명의 일 실시예에 따르면, 피압대수층(30)의 수두 변화가 발생하여도 난투수층(20)의 수위를 기설정한 설계값 대로 일정하게 유지시키면 난투수층의 수두 변화를 경감시킬 수 있고 난투수층의 유효응력 변화에 기인한 지반 변형을 억제할 수 있다.

이에 따라 본 발명의 일 실시예에서는 난투수층(20) 내에 관정을 매설하고 이 관정 내 수위를 일정하게 유지시킨다. 즉 피압대수층(30)의 지하수 양수의 경우 난투수층(20)의 관정내 수위를 높게 유지시키고 피압대수층(30)의 지하수 주입의 경우 난투수층(20)의 관정내 수위를 낮게 유지시키면, 피압대수층(30)에서 발생한 수두 변화가 난투수층(20)으로 전파되는 것을 억제할 수 있다.

도4(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 난투수층 지반변형 억제 시스템을 설명하기 위한 도면이고, 도4(b)는 깊이(A)에서 난투수층의 수두 변화를 설명하기 위한 도면이다.

도4(a)를 참조하면, 일 실시예에 따른 지반변형 억제 시스템은 제1 관정(40) 및 제2 관정(50)을 포함한다. 또한 대안적인 일 실시예에서, 지반변형 억제 시스템은 제1 관정(40) 및 제2 관정(50) 외에, 수로관(60), 펌프(65), 수위측정 센서(70), 및 제어부(80)를 더 포함할 수 있다.

제1 관정(40)은 피압대수층(30) 깊이까지 매설되어 피압대수층의 지하수를 양수하는 양수 관정으로 기능한다. 일 실시예에서 제1 관정(40)의 하부에는 다수의 관통구(45)가 형성되어 있고, 이 관통구(45)를 통해 피압대수층의 지하수가 흡입되어 지상으로 배출된다.

도4(b)는 난투수층(20) 내의 임의의 지점으로서 깊이(A)를 선정하여 이 깊이(A)에서의 난투수층의 수두를 나타내었다. 피압대수층(30)의 양수를 하기 전 최초의 수두 높이를 0이라고 하면, 제1 관정(40)에 의해 피압대수층을 양수함에 따라, 도2 및 도3에서 설명한 것과 같이, 난투수층의 수두가 점차 하강하여 h_A1의 점선과 같은 모양을 나타낸다.

이와 같이 제1 관정(40)의 매설 및 피압대수층(30)의 양수에 의해 수두가 하강한 상태를 전제로 할 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 관정(50)이 난투수층(20)의 깊이까지 매설된다.

제2 관정(50)은 제1 관정(40)으로부터 소정 거리 이격되어 설치되고, 하단부가 난투수층(20)에 위치한다. 도면에서 제1 관정(40)의 위치를 원점(0,0)이라고 하면, 제2 관정(50)은 수평 방향에서 제1 관정(40)으로부터 α(x,y) 지점에 매설된 것으로 예시하였다. 제2 관정(50)의 매설 지점은 특별히 제한되지 않는다. 다만 제2 관정(50)이 난투수층(20)의 수두를 회복시키기 위한 것이므로, 난투수층(20) 중에서도 피압대수층(30)의 양수로 인해 난투수층(20)의 수두 감소 영향을 받는 영역 내에서 임의의 위치에 매설되는 것이 바람직하다. 제2 관정(50)은 제1 관정(40)의 둘레를 따라 하나 이상 설치될 수 있으며, 본 명세서의 실시예에서는 설명의 편의를 위해 1사분면 내에 위치하는 것으로 도시하였다.

일 실시예에서 제2 관정(50)은 일반적으로 사용되는 관정과 같이 원통 형상의 본체 및 이 본체 하부에서 본체의 둘레를 따라 형성된 다수의 관통구(55)로 이루어진 스크린을 포함한다. 스크린의 높이(γ)는 특별히 제한되지 않으며, 다만 제2 관정(50)이 난투수층(20)의 수두를 회복시키기 위해 설치되므로 스크린이 난투수층(20) 내에 위치하는 것이 바람직하다.

제1 관정에 의해 피압대수층의 양수가 진행되고 있는 상태에서 제2 관정(50)을 난투수층(20)에 매설하였다고 가정하였으므로, 제2 관정(50)을 매설한 직후 제2 관정(50) 내의 지하수의 수두는 도4(b)에서 0보다 작은 값(예컨대 h_A1 그래프에서 해당 X축 지점에서의 수두 값 또는 이와 유사한 값)을 가질 것이다.

본 발명의 일 실시예에서, 제2 관정(50)의 수위를 기설정된 값(β)으로 설정하고 이 설정값을 유지시킨다. 이 때 설정값(β)은 현재의 수두 값 보다 큰 값이면 되지만, 바람직하게는 최초 수두(즉, 0)보다 높은 값으로 설정하는 것이 바람직하다. 후술하겠지만, 제2 관정(50)의 위치 α(x,y), 제2 관정 내 수두의 설정값 β, 그리고 관통구(55)로 이루어진 스크린의 높이 γ는 제2 관정(50)에 따른 수두 회복 효과를 고려하여 적절한 값으로 설정될 수 있다.

본 발명에서 난투수층(20)에 매설된 제2 관정(50)의 수위를 기설정된 값(β)으로 유지시키게 되면 도4(b)에 도시한 바와 같이 난투수층의 수두가 h_A1에서 h_A2로 상승하게 된다. 즉 도4(b)에서 빗금 영역(실선과 점선의 차이)은 피압대수층의 양수에 의해 떨어진 난투수층의 수두가 제2 관정(50)에 의해 상승된 효과를 나타낸다. 따라서 본 발명에 따르면 제2 관정(50)을 설치하고 제2 관정 내 수위를 기설정된 값(β)으로 유지시킴으로써 난투수층의 수두 변화를 경감시킬 수 있으므로 유효응력 변화에 기인한 지반 변형을 억제하는 효과를 얻을 수 있다.

제2 관정(50)의 수위를 기설정된 값(β)으로 유지하는 장치는 여러 가지 실시예로 구현될 수 있다. 도4(a)에 도시한 일 실시예에 따르면, 지반변형 억제 시스템은 수로관(60), 펌프(65), 수위측정 센서(70), 및 제어부(80)를 포함할 수 있다.

수위측정 센서(70)는 제2 관정(50)의 수위를 측정할 수 있다. 수로관(60)의 일단은 제2 관정(50)에 연결되고 타단은 외부의 저류조와 연결될 수 있다. 여기서 외부 저류조는 예컨대 호수, 저수지, 하천, 물탱크 등 물을 배출하거나 물을 끌어올 수 있는 임의의 대상물이 될 수 있다.

펌프(65)는 수로관(60)의 임의의 경로상에 결합되어 제2 관정(50)의 물을 외부 저류조로 배출하거나 외부 저류조로부터 제2 관정(50)에 물을 공급하도록 동작한다. 제어부(80)는 수위측정 센서(70)로부터 수두 높이에 관한 센싱 값을 입력받고, 이에 기초하여 펌프(65)의 구동을 제어하여 제2 관정(50)의 수위를 상기 기설정된 값(β)으로 유지시킨다.

이와 같이 본 발명에 일 실시예에 따르면 제2 관정(50) 펌프(65), 센서(70), 및 제어부(80) 등으로 지반변형 억제 시스템을 구성하고 제어부(80)에 의해 자동으로 제2 관정(50)의 수위를 설정값(β)으로 유지시킴으로써 난투수층의 수두 변화를 경감시키고 지반 변형을 억제하는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 난투수층(20)의 변형은 지표면에서 지반 침하 등으로 나타나는데 위치에 따라 변형량이 상이하다. 이는 피압대수층의 수두변화 분포나 난투수층의 두께 분포가 균일하지 않기 때문이다. 따라서 제2 관정(50)의 위치(α), 수두의 설정값(β), 그리고 스크린의 높이(γ)를 각각 어떻게 설정하는가에 따라 난투수층의 수두 회복 효과가 달라지게 된다.

제2 관정(50)의 설치 위치(α)는, 가능하면 양수관정, 즉 제1 관정(40)에 가까울수록 제2 관정(50)에 의한 수두 상승 효과가 크겠지만, 실제 환경에서는 난투수층의 두께가 일정하지 않는 등 다양한 변수가 있으므로 반드시 제1 관정에 가까운 것이 가장 효율적인 것은 아니다.

제2 관정(50)의 수두 설정값(β)은, 가능하면 높게 설정할수록 난투수층의 수두 회복량이 많아지지만 과잉 수두상승 영역이 커지므로 효율적이지 않다.

이와 관련하여 도5는 난투수층 내 임의의 깊이(예컨대 A 깊이)에서의 수두의 수평 방향(X방향) 분포를 나타내며, 도5의 h_A1, h_A2 곡선은 도4(b)의 h_A1, h_A2 그래프에 각각 대응한다. 제2 관정(50)의 수두 설정값(β)을 크게 설정한 경우, 수두 상승 효과도 커지므로 예컨대 도5에서 h_A2'로 표시한 것과 같은 그래프를 나타낼 것이다. 그러나 이 경우 X축 상부 영역, 즉 수두가 최초 높이(즉, 0) 이상으로 높아지는 과잉 수두상승 지역이 많아지므로 효율적이지 않다. 반대로, 설정값(β)을 낮추면 h_A2''로 표시한 그래프와 같이 수두 회복이 되므로 수두 상승 효과가 작아지므로 역시 효율적이지 않다.

제2 관정(50)의 스크린 높이(γ)에 대해, 스크린 높이(γ)를 높이면 그만큼 많은 물이 난투수층(20)에 공급되므로 도5의 h_A2'와 유사한 수두 회복량을 나타낼 것이고, 반대로 스크린 높이(γ)를 낮추면 물 공급이 적어지므로 도5의 h_A2''와 유사한 그래프를 나타낼 것이다.

이하에서는 도6과 도7을 참조하여 피압대수층(30)에 물을 주입할 때 난투수층(20)의 수두 변화 및 이에 대한 본 발명의 지반변형 억제 시스템 구성을 간략히 설명한다.

도6은 물 주입시 피압대수층의 수두 변화를 설명하기 위한 도면이고, 도7은 평형상태에서 물 주입시 깊이에 따른 수직적 수두변화를 설명하기 위한 도면이다.

도6을 참조하면, 피압대수층(30)에 물을 주입할 때의 해당 영역의 지층 구조 및 주입 관정(40)은 도1과 동일 또는 유사하다고 가정한다. 피압대수층(30)에 물을 주입하기 전의 피압대수층의 수두는 h1으로 표시한 가상의 수위를 가진다. 그 후 관정(40)의 하부에 형성된 다수의 관통구(45)를 통해 물을 피압대수층(30) 내부로 주입하면 도6에 도시한 것처럼 h2의 그래프와 같이 수두가 상승하게 된다.

도7에서 왼쪽의 지층 구조는 도2와 동일하고, 도7의 오른쪽 그래프에서 수직축은 지층 깊이(d)이고 수평축은 각 깊이(d)에서의 간극수압(μ)을 나타낸다. 실선 그래프로 표시한 것처럼 피압대수층(30)에 물을 주입하기 전의 초기 간극수압(μ1)은 깊이(d)에 비례하여 증가한다고 가정한다. 피압대수층(30)에 물을 주입하면 피압대수층의 지하수위 변화는 거의 즉각 발생하고, 따라서 피압대수층 내 간극수압(μ)은 피압대수층 전체 깊이에 걸쳐 빠르고 일정하게 감소하여 점선(μ2)과 같이 상승 이동하게 된다.

이 때 난투수층(20)은 투수계수가 매우 작기 때문에 난투수층(20) 상부의 수두는 초기 단계에서 거의 변화하지 않고 피압대수층(30)과 접해있는 난투수층(20)의 하부에서부터 점차적으로 수두가 변화되기 시작한다. 이에 따라 난투수층(20)의 수두 변화는 하부에서 가장 크게 발생하고 시간 경과에 따라 상부로 전파되는 양상을 보인다. 즉 도7의 점선 그래프(μ2)의 곡선 구간으로 표시한 것처럼, 상부에는 간극수압에 영향이 거의 없는 반면 난투수층 하부, 즉 피압대수층(30)과 인접한 부분에서는 피압대수층(30)과 거의 동일하게 간극수압이 상승하게 된다.

이러한 구성에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 지반변형 억제 시스템은 도4(a)에 도시한 것과 동일 또는 유사한 구성을 가질 수 있다. 즉 일 실시예에 따른 지반변형 억제 시스템은 제1 관정(40), 제2 관정(50), 수로관(60), 펌프(65), 수위측정 센서(70), 및 제어부(80)를 포함할 수 있다. 각 구성요소의 구성 및 기능은 피압대수층 양수시 구성 및 기능과 동일 또는 유사하므로 설명을 생략한다. 다만 피압대수층에 물을 주입하는 경우, 제2 관정(50)을 매설한 직후의 난투수층의 수두의 최초 값은 (도4(b)에서) 0보다 큰 값(예컨대 "h3"이라 칭하기로 함)이며, 본 발명의 일 실시예에서는, 제2 관정(50)의 설정값(β)을 0보다 낮은 값으로 설정할 경우 지반침하의 우려가 있으므로, 설정값(β)을 0 이상 h3 미만의 범위에서 설정하는 것이 바람직할 것이다.

한편 피압대수층에 대한 양수 또는 물 주입시 지반변형을 위해 설치하는 제2 관정의 설계를 위해, 상술한 바와 같이 제2 관정의 위치(α), 수두의 설정값(β), 스크린의 높이(γ) 등 설계변수에 따른 수두 회복의 영향을 종합적으로 고려해서 제2 관정을 설계해야 한다.

이하에서는 도8 내지 도14를 참조하여, 일 실시예에 따른 제2 관정의 최적화 설계 방법에 대해 설명하기로 한다. 설명의 편의를 위해, 이하에서는 피압대수층을 양수하는 경우를 전제로 최적화 방법을 설명하고, 피압대수층에 물을 주입하는 경우에 대해서는 양수의 경우와 구별의 필요성이 있는 부분에서 보충적으로 설명하기로 한다.

도8은 일 실시예에 따른 제2 관정의 최적화 설계 방법의 예시적인 흐름도이다.

우선 단계(S110)에서, 초기조건 데이터를 최적화 알고리즘에 입력한다. 여기서 초기조건은 최적화 알고리즘의 실행시 입력해야 하는 데이터로서, 예를 들어, 지반에 제1 관정(40)만 매설하여 피압대수층에 대한 양수 또는 주입을 실행한 상태에서의 난투수층의 수평적 및 수직적 수두 변화 븐포에 관한 데이터를 포함할 수 있다.

이와 관련하여 도9는 난투수층에 관한 예시적인 초기조건을 설명하기 위한 도면으로, 도9의 그래프는 피압대수층의 양수에 의한 난투수층의 수두 강하량을 나타내고 있다. 도9에서 X-Y축 평면은 제1 관정(40)이 설치된 영역을 위에서 바라본 평면이고, 제1 관정(40)이 왼쪽 하단 모서리에 위치하는 것으로 가정하였다. 도9에서 알 수 있듯이, 피압대수층의 양수에 의해 제1 관정(40) 근처의 난투수층 수두가 대략 3m 가량 강하 하였고, 제1 관정에서 멀어질수록 수두 강하가 줄어들다가 대략 반경 170m 지점부터는 수두 강하가 일어나지 않는 것으로 표시되었다.

이와 같이, 제1 관정(40)만 설치하여 피압대수층의 양수 (또는 주입)이 기설정된 소정 기간 진행된 상태에서의 난투수층 수두의 수평적 및 수직적 분포를 최적화 알고리즘의 초기 조건으로 사용할 수 있다. 즉 시뮬레이션 대상이 되는 지반의 수평적 및 수직적 규모, 표토층, 난투수층, 및 피압대수층의 각 층의 두께, 각 층에서의 공극과 투수율, 피압대수층에 대한 양수 기간(또는 주입 기간), 양수량(또는 주입량) 등의 데이터 중 적어도 일부가 초기조건으로 사용될 수 있다.

초기조건 데이터가 최적화 알고리즘에 입력되면, 다음으로 단계(S120)에서, 최적화 알고리즘을 적용하여 제2 관정에 관한 n개의(단, n은 2 이상의 정수) 결정변수 세트(D)를 생성한다. 이 때 "결정변수"는 제2 관정(50)의 설계에 필요한 변수로서, 상술한 바와 같이 제2 관정의 위치(α), 난투수층의 수두의 설정값(β), 제2 관정의 스크린의 높이(γ) 중 적어도 하나를 포함한다. 그 외에도, 대안적 실시예에서, 예컨대 설치할 제2 관정(50)의 개수 등 다른 설계값도 결정변수에 포함될 수 있다. 도시한 일 실시예에서는 설명의 편의를 위해 상기 3가지 변수(α, β, γ)를 결정변수로 가정하였고, 따라서 단계(S120)에서 최적화 알고리즘에 의해 n개의 결정변수 세트 D(α, β, γ)를 생성한다.

한편 상기 최적화 알고리즘은 유전자 알고리즘(Genetic algorithm), 신경망 알고리즘(Neural Network algorithm), 입자 군집(Particle Swarming) 최적화 기법, 미분 진화(Differential Evolution) 최적화 기법, 뉴튼(Newton) 기법, 경사 하강(Steepest Descent) 기법 등 공지의 최적화 알고리즘 중에서 하나를 이용할 수 있으며, 본 실시예에서는 유전자 알고리즘을 사용하는 것으로 가정한다. 일반적으로 유전 알고리즘은 최적화 문제를 해결하는 대표적 방법 중 하나로서 생물의 진화를 모방한 진화 연산(evolutionary computation)의 일종이다. 유전 알고리즘은 풀고자 하는 문제(목적함수)에 대한 가능한 최적의 해들을 정해진 형태의 자료구조로 표현한 다음, 이 해들의 탐색을 반복함으로써 가장 최적화된 해에 접근하는 알고리즘이다.

본 발명의 일 실시예에서, 단계(S110)에서 초기조건 데이터를 유전자 알고리즘에 입력하면, 유전자 알고리즘에 의한 교차(crossover)와 변이(mutation)에 의해 n개의 결정변수 데이터 세트 D(α, β, γ)가 생성된다. 예를 들어, 25개의 결정변수 데이터 세트(D)를 생성하도록 설정했다면(즉, n=25), 단계(S120)를 통해 D₁(α1, β₁, γ₁), D₂(α₂, β₂, γ₂),… , D₂₅(α₂₅, β₂₅, γ₂₅)의 데이터 세트가 생성될 것이다.

다음으로, n개의 데이터 세트가 생성되면, 단계(S130)에서, n개 데이터 세트의 각각을 지하수 흐름 모델에 적용하여 난투수층 수두 변화에 관한 n개의 시뮬레이션 결과를 생성한다. 이 때 사용되는 지하수 흐름 모델은 예를 들어 MODFLOW를 사용할 수 있으며, 이에 제한되지 않고 임의의 지하수 모델링 알고리즘(MODFLOW, FEFLOW 등 불균질 지층에서 3차원 흐름을 모의할 수 있는 지하수 흐름 수치모델)을 사용하여도 무방하다.

단계(S120)에서 생성된 n개의 데이터 세트(D)의 각각을 지하수 흐름 모델에 적용하면, 예컨대 도4(b)의 h_A2 그래프와 같이 난투수층의 수두의 수평 및 수직적 분포에 관한 n개의 예측 결과(시뮬레이션 결과)가 생성된다.

그 후 단계(S140)에서, n개의 예측 결과의 각각에 대해 성능평가를 수행한다. 일 실시예에서 이 성능평가는 예컨대 성능평가를 위한 평가함수를 미리 설정해놓고, n개의 예측 결과의 각각을 이 평가함수에 입력함으로써 평가 값을 산출할 수 있다.

성능 평가에 대해서는 피압대수층을 양수하는 경우와 피압대수층에 물을 주입하는 경우를 나누어 설명하기로 한다.

피압대수층을 양수하는 경우, n개의 예측 결과의 각각에 대한 성능평가 값은 기설정된 제1 평가함수의 값에 기초하여 정할 수 있다. 일 실시예에서 제1 평가함수는 난투수층 전체 또는 난투수층 내 임의의 깊이(예컨대 도4(a)의 A 깊이 지점)에서의 "수두 회복비", "수두 회복 체적비", 및 "과잉 수두상승 체적비" 중 적어도 하나의 항목을 포함할 수 있다.

수두 회복비는 [피압대수층의 양수로 인한 수두 감소량]에 대한 [제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복량]의 비에 비례하는 값으로 정의할 수 있다. 즉, 수두 회복비는 예컨대 도4(b)에서 X축과 h_A1의 그래프에 사이 영역에서의 지하수의 감소량에 대해, 도4(b)에서 h_A2와 h_A1 사이의 빗금친 영역의 지하수의 회복량의 비(ratio)에 비례하는 값이다.

수두 회복 체적비는 [피압대수층의 양수로 인한 난투수층의 수두 감소 영향을 받는 체적]에 대한 [제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복 영향을 받는 체적]의 비에 비례하는 값으로 정의할 수 있다. 즉 수두 회복 체적비는 예컨대 도4(b)의 X축과 h_A1 사이의 공간(체적)에 대해, 도4(b)의 빗금친 영역의 공간(체적)의 비에 비례하는 값이다.

과잉 수두상승 체적비는 [제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복 영향을 받는 체적]에 대한 [난투수층의 최초 수두보다 높은 수두 값을 나타내는 영역의 체적]의 비에 비례하는 값으로 정의할 수 있다. 즉 과잉 수두상승 체적비는 예컨대 도4(b)의 빗금친 영역의 공간(체적)에 대해, 도4(b)에서 X축과 h_A2 그래프 사이의 영역의 공간(체적)의 비에 비례하는 값일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 제1 평가함수가 난투수층에서의 "수두 회복비", "수두 회복 체적비", 및 "과잉 수두상승 체적비" 중 적어도 하나의 항목을 포함하되, 구체적으로, 수두 회복비 및 수두 회복 체적비 중 적어도 하나에 비례하고 과잉 수두상승 체적비에 반비례할 수 있다. 예를 들어 위의 3가지 항목(수두 회복비, 수두 회복 체적비, 및 과잉 수두상승 체적비)을 모두 고려하는 경우 제1 평가함수는 예컨대 아래 수학식1과 같이 정의되거나 또는 수학식1에 비례하는 임의의 함수로 정의될 수 있다.

[수학식1]

이 때 위의 제1 평가함수의 오른쪽 3개 항은 왼쪽부터 차례로 각각 수두 회복비, 수두 회복 체적비, 및 과잉 수두상승 체적비를 의미한다.

피압대수층에 물을 주입하는 경우, n개의 예측 결과의 각각에 대한 성능평가 값은 기설정된 제2 평가함수의 값에 기초하여 정할 수 있다. 일 실시예에서 피압대수층에 물 주입시 수두 설정값(β)을 물 주입 전의 원래의 수두 높이로 정하는 것이 바람직하다. 이는 난투수층의 수두가 원래의 수두 이하로 떨어질 경우 지반침하가 야기될 수 있기 때문이다.

따라서 제2 평가함수를 설정함에 있어서, 제2 평가함수는 난투수층 전체 또는 난투수층 내 임의의 깊이(예컨대 도4의 A 깊이 지점)에서의 수두 회복비 및 수두 회복 체적비 중 적어도 하나의 항목을 포함할 수 있고, 예컨대 아래 수학식2와 같이 정의되거나 또는 수학식2에 비례하는 임의의 함수로 정의될 수 있다.

[수학식2]

위의 제2 평가함수에서 오른쪽 첫번째 항은 수두 회복비를 의미하며, [피압대수층의 주입으로 인한 수두 증가량]에 대한 [제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복량]의 비에 비례하는 값으로 정의할 수 있다. 오른쪽 두번째 항은 수두 회복 체적비를 의미하며, [피압대수층의 주입으로 인한 난투수층의 수두 증가 영향을 받는 체적]에 대한 [제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복 영향을 받는 체적]의 비에 비례하는 값으로 정의할 수 있다.

이와 같이 수학식2의 제2 평가함수는 수두 회복비와 수두 회복 체적비로 구성되어 있으며, 피압대수층 양수시의 제1 평가함수에 포함되었던 과잉 수두상승 체적비는 난투수층의 수두가 원래의 수두로 고정되므로 고려되지 않아도 무방하다.

다시 도8을 참조하면, 단계(S140)에서, 난투수층의 수두 분포의 n개의 시뮬레이션 결과값의 각각에 대해 제1 평가함수 또는 제2 평가함수를 사용하여 n개의 성능평가 값을 구한다.

그 후 만일 이 단계(S140)가 유전자 알고리즘의 마지막 세대에 대해 수행한 것이면 단계(S160)로 진행하여, n개의 성능평가 값 중 최대값을 갖는 결정변수의 데이터 세트(D)를 선정한다. 그러나 기설정된 마지막 세대 수에 이르지 못했다면, 다시 단계(S120)로 돌아가서 n개의 결정변수 데이터 세트(D)의 생성(S120), n개의 시뮬레이션 결과값 도출(S130), 및 n개의 성능평가 값 산출(S140) 과정을 반복한다. 이 때 유전자 알고리즘에서 기설정된 세대수(G)는 2 이상의 임의의 정수일 수 있고, 사용자가 초기조건으로서 임의로 설정할 수 있다.

도10은 일 실시예에 따른 지하수 흐름 모델에 의해 도출된 제2 관정의 최적화 설계의 예시적 결과를 나타내는 도면이다.

도10은 피압대수층 양수시 도9와 같은 난투수층 수두 변화 분포를 초기조건으로 하고 최적화 설계에 따라 제2 관정(50)이 설치된 경우의 시뮬레이션 결과로서, 도10(a)는 실험 모형을 위에서 내려다 본 모습이고, 도10(b)는 표토층, 난투수층, 및 피압대수층으로 이루어진 지형의 측단면을 보여주고, 도10(c)는 난투수층을 확대하여 보여주고 있다. 이 모델링에서 표토층은 지하 10미터까지이고, 난투수층은 지하 10~20미터 사이에 위치하고 그 아래에 피압대수층이 놓여있는 것으로 가정하였다.

도10(a)와 도10(b)에 나타낸 것처럼, 이 실험 모델의 결과에 따르면 제1 관정(40)에서 대략 30미터 이격된 지점(α)에 제2 관정(50)을 설치하였고, 이 때 제2 관정의 스크린 높이(γ)는 5미터이고 수두 설정값(β)은 10미터로 설정하는 것이 최적임을 나타낸다. 이 결과, 도10(a) 내지 도10(c)에 나타나듯이 제2 관정 근방에서 수두가 설정값(β)과 비슷하다가 제2 관정에서 멀어질수록 수두가 내려가지만, 제1 관정에서부터 대략 반경 70미터에 이르는 영역까지 제2 관정으로 인한 수두 상승 효과가 나타남을 알 수 있다.

도11과 도12는 각각 제2 관정을 3개 및 4개로 가정했을 때 지하수 흐름 모델에 의해 도출된 제2 관정의 최적화 설계의 예시적 결과를 나타내는 도면이다.

도11을 참조하면, 3개의 제2 관정(50)을 설치하는 경우 제1 관정(40)에서부터 대략 40미터 이격된 지점에 하나의 제2 관정을 설치하고, 나머지 2개의 제2 관정은 대략 90미터 근방에 설치하는 것이 최적임을 나타낸다. 이 때 제2 관정 주위의 흰색 영역은 수두회복이 100%인 부분을 나타낸다.

도12를 참조하면, 4개의 제2 관정을 설치하는 경우 제1 관정에서부터 대략 50미터 이격된 지점에 하나의 제2 관정을 설치하고, 2개의 제2 관정은 대략 100미터 근방에 설치하고, 나머지 하나는 대략 150미터 근방에 설치하는 것이 최적임을 나타낸다.

한편 도11과 도12의 경우는 초기조건으로서 제2 관정 개수를 미리 3개 또는 4개로 설정하고 최적화 알고리즘을 실행한 경우를 나타내지만, 대안적 실시예로서, 제2 관정의 개수를 결정변수 취급하여 최적화 알고리즘을 실행할 수도 있다. 즉 이 경우 결정변수 데이터 세트(D)가 제2 관정의 개수도 변수로서 포함하며, 이 때 만일 복수개의 제2 관정이 선택되는 경우 각각의 제2 관정마다 이격 거리(α), 난투수층 수두 설정값(β), 및 스크린 높이(γ)를 가질 것이다.

도13는 일 실시예에 따른 제2 관정의 최적화 설계를 위한 예시적인 시스템 구성을 설명하기 위한 블록도이다.

도13을 참조하면, 일 실시예에 따른 제2 관정 최적화 설계 시스템(100)은 도8을 참조하여 설명한 흐름도의 단계들을 실행할 수 있는 임의의 단말 장치나 서버일 수 있고, 도시한 것처럼 프로세서(110), 메모리(120), 및 저장장치(130)를 포함할 수 있다.

저장장치(130)는 하드 디스크 드라이브 또는 플래시 메모리 등과 같이 데이터를 반영구적으로 저장할 수 있는 저장매체로서, 상술한 각종 알고리즘, 예컨대 유전자 알고리즘과 같은 최적화 알고리즘(131), 그리고 MODFLOW와 같은 지하수 흐름 모델(132) 등의 알고리즘 또는 프로그램 중 적어도 하나를 저장할 수 있다.

이 구성에서 이러한 각종 프로그램이나 알고리즘이 저장장치(130)에 저장되어 있다가 프로세서(110)의 제어 하에 메모리(120)에 로딩되어 실행될 수 있다. 대안적으로, 일부 프로그램이나 알고리즘이 본 발명에 따른 최적화 설계 시스템(100)과는 별도로 외부의 서버나 저장장치에 존재할 수 있고, 시스템(100)에서 데이터나 변수를 해당 외부 서버나 장치로 전송하면 이 외부 서버나 장치가 프로그램 또는 알고리즘 중 일부 단계를 실행한 뒤 그 결과 데이터를 시스템(100)에 전달할 수도 있다.

이와 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10: 표토층
20: 난투수층
30: 피압대수층
40: 제1 관정
50: 제2 관정
60: 수로관
70: 수위측정 센서
80: 제어부
100: 제2 관정 최적화 설계 시스템

Claims (11)

1. 양수 또는 주입용의 제1 관정이 매설된 피압대수층 및 그 상부의 난투수층을 포함하는 지반에 대한 지반변형을 억제하는 시스템에서, 컴퓨터를 이용하여 최적화된 제2 관정을 설계하는 방법으로서,
   이 때 상기 제2 관정은 제2 관정의 하단부가 상기 난투수층에 위치하도록 매설되어, 상기 제2 관정 내 수위가 기설정된 수위로 유지되고,
   상기 방법은,
   (a) 난투수층에 관한 초기조건 데이터로부터 상기 제2 관정에 관한 n개의(단, n은 2 이상의 정수) 결정변수 세트(D)를 생성하는 단계(S120);
   (b) 상기 n개의 결정변수 세트(D)의 각각에 대해, 난투수층 수두 변화에 관한 n개의 예측 결과를 생성하는 단계(S130);
   (c) 상기 n개의 예측 결과의 각각에 대한 성능평가 값을 산출하는 단계(S140); 및
   (d) 최대 성능평가 값을 갖는 결정변수 세트(D)를 선정하는 단계(S160);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 제2 관정의 최적화 설계 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 결정변수 세트(D)는, (i) 상기 제1 관정과 제2 관정 사이의 이격 거리(α), (ii) 제2 관정의 상기 기설정된 수위 값(β), 및 (iii) 제2 관정 하부에 형성된 다수의 관통구 영역(이하 "스크린"이라 함)의 높이(γ) 중 적어도 하나의 변수를 포함하는 것을 특징으로 하는, 제2 관정의 최적화 설계 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 난투수층에 관한 초기조건 데이터는, 지반에 제1 관정을 매설하여 피압대수층에 대한 양수 또는 주입을 실행할 때의 난투수층의 수평적 및 수직적 수두 변화량에 관한 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 제2 관정의 최적화 설계 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 (a) 단계는, 상기 초기조건 데이터에 최적화 알고리즘을 적용하여 상기 n개의 결정변수 세트(D)를 생성하며,
   이 때 상기 최적화 알고리즘이 유전자 알고리즘이고,
   상기 (d)의 선정 단계를 실행하기 전에, 상기 (a) 내지 (c) 단계를 G회(단 G는 2 이상의 정수) 반복하는 것을 특징으로 하는, 제2 관정의 최적화 설계 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 (b) 단계는, 상기 n개의 결정변수 세트(D)의 각각에 대해 지하수 흐름 모델을 적용하여 상기 n개의 예측 결과를 생성하며,
   이 때 상기 지하수 흐름 모델이 MODFLOW인 것을 특징으로 하는, 제2 관정의 최적화 설계 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 피압대수층을 양수하는 경우,
   상기 n개의 예측 결과의 각각에 대한 성능평가 값은 기설정된 제1 평가함수의 값에 비례하고,
   상기 제1 평가함수는 상기 난투수층 내의 적어도 하나의 깊이에서의 수두 회복비, 수두 회복 체적비, 및 과잉 수두상승 체적비 중 적어도 하나의 항목을 포함하고,
   상기 수두 회복비는 [상기 피압대수층의 양수로 인한 수두 감소량]에 대한 [제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복량]의 비에 비례하고,
   상기 수두 회복 체적비는 [상기 피압대수층의 양수로 인한 난투수층의 수두 감소 영향을 받는 체적]에 대한 [상기 제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복 영향을 받는 체적]의 비에 비례하고,
   상기 과잉 수두상승 체적비는 [상기 제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복 영향을 받는 체적]에 대한 [상기 난투수층의 최초 수두보다 높은 수두 값을 나타내는 영역의 체적]의 비에 비례하는 것을 특징으로 하는, 제2 관정의 최적화 설계 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 제1 평가함수가 상기 수두 회복비 및 수두 회복 체적비 중 적어도 하나에 비례하고 상기 과잉 수두상승 체적비에 반비례하는 것을 특징으로 하는, 제2 관정의 최적화 설계 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 피압대수층에 물을 주입하는 경우,
   상기 n개의 예측 결과의 각각에 대한 성능평가 값은 기설정된 제2 평가함수의 값에 비례하고,
   상기 제2 평가함수는 상기 난투수층 내의 적어도 하나의 깊이에서의 수두 회복비 및 수두 회복 체적비 중 적어도 하나의 항목을 포함하고,
   상기 수두 회복비는 [상기 피압대수층의 주입으로 인한 수두 증가량]에 대한 [제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복량]의 비에 비례하고,
   상기 수두 회복 체적비는 [상기 피압대수층의 주입으로 인한 난투수층의 수두 증가 영향을 받는 체적]에 대한 [상기 제2 관정으로 인한 난투수층의 수두 회복 영향을 받는 체적]의 비에 비례하는 것을 특징으로 하는, 제2 관정의 최적화 설계 방법.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 제2 평가함수가 상기 수두 회복비 및 수두 회복 체적비 중 적어도 하나에 비례하는 것을 특징으로 하는, 제2 관정의 최적화 설계 방법.
10. 제1 항에 있어서, 상기 결정변수 세트(D)가,
    (iv) 난투수층에 매설하는 상기 제2 관정의 개수;를 변수로서 더 포함하고,
    이 때 상기 제2 관정의 개수가 복수개 일 때, 각각의 제2 관정마다 이격 거리(α), 제2 관정의 수위 설정값(β), 및 스크린 높이(γ)를 각기 별개로 갖는 것을 특징으로 하는, 제2 관정의 최적화 설계 방법.
11. 제1항 내지 제10항에 중 어느 한 항에 기재된 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.

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