KR101729900B1 - 지하수 추적 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR101729900B1
KR101729900B1 KR1020160181056A KR20160181056A KR101729900B1 KR 101729900 B1 KR101729900 B1 KR 101729900B1 KR 1020160181056 A KR1020160181056 A KR 1020160181056A KR 20160181056 A KR20160181056 A KR 20160181056A KR 101729900 B1 KR101729900 B1 KR 101729900B1
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이기택
김미옥
이강근
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포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

일 실시예에 따른 지하수 추적 시스템은, 고농도의 추적자 포화용액을 제조하는 추적자 포화용액 제조부; 상기 추적자 포화용액 제조부에서 제조된 고농도의 추적자 포화용액을 예비 시험 관정에서 양수된 지하수에 희석시킨 예비 추적자 희석액을 제조하는 예비 추적자 제조부; 상기 예비 추적자 제조부에서 제조된 예비 추적자 희석액을 예비 시험 관정에 주입하여 예비 추적자 희석액을 표류시킨 후에 상기 예비 시험 관정으로부터 지하수를 양수하는 예비 추적자 시험부; 상기 추적자 포화용액 제조부에서 제조된 고농도의 추적자 포화용액을 시험 관정에서 양수된 지하수에 희석시킨 추적자 희석액을 제조하는 추적자 제조부; 및 상기 추적자 제조부에서 제조된 추적자 희석액을 상기 시험 관정에 주입하여 상기 추적자 희석액을 표류시킨 후에 상기 시험 관정으로부터 지하수를 양수하는 추적자 시험부;를 포함하고, 상기 추적자는 SF6(육불화황)으로 마련되고, 상기 추적자 포화용액 제조부에서 SF6을 지하수에 폭기시킴으로써 고농도의 SF6 포화용액이 제조될 수 있다.

Description

지하수 추적 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR TRACING GROUNDWATER}
본 발명은 지하수 추적 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지하수 추적자로서 SF6(육불화황)을 사용하여 지하수의 이동 속도 및 지질 매체의 유효 공극률을 산출할 수 있는 지하수 추적 시스템 및 방법에 관한 것이다.
추적자 시험은 크게 두 가지 목적을 가지고 수행되고 있다.
그 중 하나는 지하 매질의 관심 있는 두 지점이나 영역 사이의 연결성을 확인하고자 하는 것이고, 다른 하나는 대수층에서 용질의 이동 특성을 반영하는 물리·화학·생물학적 매개변수를 추정하고자 하는 것이다.
지하 매질의 연결성을 확인하는 목적 수행은 주로 카르스트 지형에서 이루어져 왔고, 최근에는 암반 대수층에서 관찰되는 큰 규모 단열의 연결성을 확인하는 데도 적용되고 있다.
이러한 추적자 시험과 관련하여, 2003년 10월 14일에 출원된 KR10-2003-0071517에는 '양수 추적자 시험방법'에 대하여 개시되어 있다.
일 실시예에 따른 목적은 직접 시험 지역에서의 추적자 시험을 통해 지하수의 이동 속도 및 지질 매체의 유효 공극률을 산출함으로써 자연에 노출된 여러 가지 오염 물질이 어떤 과정과 경로를 통해 지하 매질을 이동하는지 파악하는 데 도움이 될 수 있는 지하수 추적 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 예비 추적자 시험을 통해 SF6(육불화황)의 적정 농도(고농도 SF6 포화용액의 주입량 및 희석배수)를 결정하고 고농도의 SF6 포화용액을 지하수에 희석시킨 후에 시험 관정에 주입함으로써 적은 양의 SF6을 사용하여 추적자 분석부에서 SF6의 농도이력곡선을 효과적으로 도출할 수 있는 지하수 추적 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 지하수 추적자로서 SF6을 사용함으로써 현장에서 실시간으로 장기간 시험할 수 있어, 다른 지하수 추적자에 비해 원거리의 추적자 이동을 추적하는 데 유리할 수 있는 지하수 추적 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 시험 관정으로부터 먼 위치에서 고농도의 SF6 포화용액을 제조함으로써 지하수 또는 수돗물에 SF6이 폭기되는 중에 시험 관정 주위 SF6의 배경농도가 오염되는 것을 방지할 수 있는 지하수 추적 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 단공 추적자 시험을 통해 SF6이 검출되지 않는 상황에 대한 위험도가 낮고, 시험 관정에 주입된 SF6 희석액이 지하수와 함께 흐르는 표류시간을 시험자가 설정할 수 있어 추적자 시험의 설계적 측면에서 경제성이 확보될 수 있고, 시험 지역에서의 불균질성을 고려하여 다양한 변수를 최대한 줄일 수 있는 지하수 추적 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 사후 모니터링을 통해 시험 관정에서 양수되지 못한 SF6을 확인하여 추후 추적자 시험 시 방해되는 것을 방지할 수 있고, 미량의 SF6의 농도가 검출되는 경우 배경농도로 설정할 수 있는지를 판단할 수 있는 지하수 추적 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 지하수 추적 시스템은, 고농도의 추적자 포화용액을 제조하는 추적자 포화용액 제조부; 상기 추적자 포화용액 제조부에서 제조된 고농도의 추적자 포화용액을 예비 시험 관정에서 양수된 지하수에 희석시킨 예비 추적자 희석액을 제조하는 예비 추적자 제조부; 상기 예비 추적자 제조부에서 제조된 예비 추적자 희석액을 예비 시험 관정에 주입하여 예비 추적자 희석액을 표류시킨 후에 상기 예비 시험 관정으로부터 지하수를 양수하는 예비 추적자 시험부; 상기 추적자 포화용액 제조부에서 제조된 고농도의 추적자 포화용액을 시험 관정에서 양수된 지하수에 희석시킨 추적자 희석액을 제조하는 추적자 제조부; 및 상기 추적자 제조부에서 제조된 추적자 희석액을 상기 시험 관정에 주입하여 상기 추적자 희석액을 표류시킨 후에 상기 시험 관정으로부터 지하수를 양수하는 추적자 시험부;를 포함하고, 상기 추적자는 SF6(육불화황)으로 마련되고, 상기 추적자 포화용액 제조부에서 SF6를 지하수에 폭기시킴으로써 고농도의 SF6 포화용액이 제조될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 예비 추적자 시험부에서 상기 예비 시험 관정으로부터 양수된 지하수 또는 상기 추적자 시험부에서 상기 시험 관정으로부터 양수된 지하수 내 용존하는 추적자를 추출 및 분석하는 추적자 분석부;를 더 포함할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 추적자 제조부에서 상기 SF6 포화용액이 상기 시험 관정에서 양수된 지하수에 희석되어 SF6 희석액이 제조되고, 상기 SF6 희석액 내에 염소가 더 주입되어, 상기 추적자 분석부에서 상기 염소의 염분 농도 데이터 및 상기 양수된 지하수 내 용존하는 SF6의 농도 데이터로부터 염분 및 SF6의 농도이력곡선 도출될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 예비 추적자 시험부에서 상기 추적자 분석부의 검출한계를 고려하여 상기 SF6 포화용액의 적정 주입량이 결정되고, 상기 추적자 제조부에서는 상기 결정된 SF6 포화용액의 적정 주입량에 의해 상기 SF6 희석액이 제조되며, 상기 SF6 포화용액의 적정 주입량은 상기 추적자 분석부에서 도출되는 SF6의 농도이력곡선의 농도 범위가 상기 추적자 분석부의 검출한계 이상의 범위에서 획득되도록 결정될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 추적자 시험부에서 상기 지하수는 상기 추적자 분석부에서 검출된 염소의 염분 농도가 상기 시험 관정 주위 염소의 배경농도에 대응될 때까지 양수될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 시험 관정은, 지반 내에 관입되어 상기 추적자 희석액이 주입되는 관; 상기 관 내에 이격 배치된 복수 개의 스크린(screen); 상기 관 내에서 상기 복수 개의 스크린 사이에 배치되어 상기 관 내에 주입된 추적자 희석액의 수직 이동을 제한하는 제1 패커(packer); 상기 관의 외측에서 상기 복수 개의 스크린 사이에 배치되어 상기 관 내에 주입된 추적자 희석액의 수직 이동을 제한하는 제2 패커; 및 상기 복수 개의 스크린 중 하나에 배치되어 상기 관을 통해 지하수를 양수시키는 펌프;를 포함하고, 상기 펌프에 의해 상기 추적자 희석액과 함께 표류된 지하수가 양수될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 지하수 추적 방법은, 고농도의 SF6 포화용액이 제조되는 단계; 일정량의 SF6 포화용액 및 지하수가 희석된 예비 SF6 희석액이 제조되는 단계; 상기 예비 SF6 희석액을 사용하여 예비 시험 관정에서 예비 추적자 시험이 수행되는 단계; 상기 예비 추적자 시험을 통해 SF6 포화용액의 적정 주입량이 결정되는 단계; 추적자 시험을 실시하고자 하는 시험 지역에 설치된 시험 관정으로부터 지하수가 양수되는 단계; 상기 예비 추적자 시험을 통해 결정된 SF6 포화용액의 적정 주입량에 의해 SF6 희석액이 제조되는 단계; 및 상기 시험 관정에서 추적자 시험이 수행되는 단계;를 포함하고, 상기 예비 추적자 시험을 통해 결정된 SF6 포화용액의 적정 주입량에 의해 SF6 희석액이 제조되는 단계에서, 상기 예비 SF6 희석액을 제조하기 위해 사용된 SF6 포화용액이 사용될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 시험 관정에서 추적자 시험이 수행되는 단계는, 상기 SF6 희석액이 상기 시험 관정에 주입되는 단계; 상기 SF6 희석액이 지반 내에서 지하수와 함께 표류되는 단계; 및 상기 시험 관정으로부터 상기 SF6 희석액과 함께 표류된 지하수가 양수되는 단계;를 포함하고, 상기 시험 관정으로부터 상기 SF6 희석액과 함께 표류된 지하수가 양수되는 단계에서 지하수의 양수량은 상기 SF6 희석액을 제조하기 위해 상기 시험 관정으로부터 지하수가 양수되는 단계에서 지하수의 양수량보다 많을 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 시험 관정에서 추적자 시험이 수행되는 단계 후에, 상기 양수된 지하수가 정량으로 샘플링 되는 단계; 상기 샘플링 된 지하수 내 용존하는 SF6가 추출되는 단계; 및 상기 추출된 SF6의 농도가 분석되는 단계;를 더 포함하고, 상기 추출된 SF6의 농도가 분석되는 단계에서, 상기 SF6의 농도이력곡선이 도출되고, 상기 SF6의 농도이력곡선으로부터 상기 시험 관정 주변 지하수의 이동 속도 또는 지질 매체의 유효 공극률이 산출될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 예비 SF6 희석액을 사용하여 예비 시험 관정에서 예비 추적자 시험이 수행되는 단계는, 상기 예비 SF6 희석액이 상기 예비 시험 관정에 주입되는 단계; 상기 예비 SF6 희석액이 지반 내에서 지하수와 함께 표류되는 단계; 및 상기 예비 시험 관정으로부터 상기 예비 SF6 희석액과 함께 표류된 지하수가 양수되는 단계;를 포함하고, 상기 예비 시험 관정에서 예비 추적자 시험이 수행되는 단계 후에, 상기 양수된 지하수 내 용존하는 SF6가 추출되는 단계; 및 상기 추출된 SF6의 농도가 분석되는 단계;를 더 포함하며, 상기 추출된 SF6의 농도가 분석되는 단계에서 도출된 상기 SF6의 농도이력곡선으로부터 상기 예비 SF6 희석액을 제조하기 위해 사용된 일정량의 SF6 포화용액 및 지하수가 적정량인지 판단될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 시험 관정에서 추적자 시험이 수행되는 단계 후에, 상기 시험 관정 주위에 베일러가 설치되는 단계; 상기 베일러를 통해 상기 시험 관정 주위 지하수가 양수되는 단계; 상기 양수된 지하수로부터 SF6가 추출되는 단계; 및 상기 추출된 SF6의 농도가 분석되는 단계;를 더 포함하고, 상기 추출된 SF6의 농도가 분석되는 단계에서, 매우 낮은 검출한계를 갖는 분석시스템을 통한 측정으로 검출한계에 가까운 미량의 SF6 농도가 검출되면 상기 검출된 SF6의 농도가 상기 시험 관정 주위에서 자연으로 희석되어 사라지므로 SF6의 배경농도로 설정될 수 있다.
일 실시예에 따른 지하수 추적 시스템 및 방법에 의하면, 직접 시험 지역에서의 추적자 시험을 통해 지하수의 이동 속도 및 지질 매체의 유효 공극률을 산출함으로써 자연에 노출된 여러 가지 오염 물질이 어떤 과정과 경로를 통해 지하 매질을 이동하는지 파악하는 데 도움이 될 수 있다.
일 실시예에 따른 지하수 추적 시스템 및 방법에 의하면, 예비 추적자 시험을 통해 SF6의 적정 농도(고농도 SF6 포화용액의 주입량 및 희석배수)를 결정하고 고농도의 SF6 포화용액을 지하수에 희석시킨 후에 시험 관정에 주입함으로써 적은 양의 SF6을 사용하여 추적자 분석부에서 SF6의 농도이력곡선을 효과적으로 도출할 수 있다.
일 실시예에 따른 지하수 추적 시스템 및 방법에 의하면, 지하수 추적자로서 SF6을 사용함으로써 현장에서 실시간으로 장기간 시험할 수 있어, 다른 지하수 추적자에 비해 원거리의 추적자 이동을 측정하는 데 유리할 수 있다.
일 실시예에 따른 지하수 추적 시스템 및 방법에 의하면, 시험 관정으로부터 먼 위치에서 고농도의 SF6 포화용액을 제조함으로써 지하수 또는 수돗물에 SF6이 폭기되는 중에 시험 관정 주위 SF6의 배경농도가 오염되는 것을 방지할 수 있다.
일 실시예에 따른 지하수 추적 시스템 및 방법에 의하면, 단공 추적자 시험을 통해 SF6이 검출되지 않는 상황에 대한 위험도가 낮고, 시험 관정에 주입된 SF6 희석액이 지하수와 함께 흐르는 표류시간을 시험자가 설정할 수 있어 추적자 시험의 설계적 측면에서 경제성이 확보될 수 있고, 시험 지역에서의 불균질성을 고려하여 다양한 변수를 최대한 줄일 수 있다.
일 실시예에 따른 지하수 추적 시스템 및 방법에 의하면, 사후 모니터링을 통해 시험 관정에서 양수되지 못한 SF6을 확인하여 추후 추적자 시험 시 방해되는 것을 방지할 수 있고, 매우 낮은 검출한계를 갖는 분석시스템을 통한 측정으로 검출한계에 가까운 미량의 SF6의 농도가 검출되는 경우 자연적으로 희석되어 사라지므로 배경농도로 설정할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 지하수 추적 시스템의 구성을 도시한다.
도 2는 추적자 포화용액 제조부를 도시한다.
도 3은 예비 추적자 시험부에서 SF6의 농도 분석 결과를 도시한다.
도 4는 단공 추적자 시험을 개략적으로 도시한다.
도 5는 추적자 시험부에서 시험 관정을 도시한다.
도 6은 양수된 지하수가 시린지 샘플링 되는 모습을 도시한다.
도 7은 샘플링 된 지하수로부터 SF6가 추출되는 모습을 도시한다.
도 8은 SF6의 주입량에 따른 추적자 분석부에서 검출된 농도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 추적자의 농도이력곡선의 예시를 도시한다.
도 10은 추적자의 농도이력곡선과 무게중심 도달 시간을 나타낸다.
도 11은 추적자 분석부에서 도출된 염분 및 SF6의 농도이력곡선을 도시한다.
도 12는 일 실시예에 따른 지하수 추적 방법을 나타내는 순서도이다.
도 13은 예비 SF6 희석액을 사용하여 예비 시험 관정에서 예비 추적자 시험이 수행되는 단계를 나타내는 순서도이다.
도 14는 시험 관정에서 추적자 시험이 수행되는 단계를 나타내는 순서도이다.
도 15는 시험 관정에서 추적자 시험이 수행되는 단계 이후 양수된 지하수 내 SF6의 농도가 분석되는 과정을 나타내는 순서도이다.
도 16은 시험 관정에서 추적자 시험이 수행되는 단계 이후 사후 모니터링 되는 과정을 나타내는 순서도이다.
이하, 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시예에 기재한 설명은 다른 실시예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 지하수 추적 시스템의 구성을 도시하고, 도 2는 추적자 포화용액 제조부를 도시하고, 도 3은 예비 추적자 시험부에서 SF6의 농도 분석 결과를 도시하고, 도 4는 단공 추적자 시험을 개략적으로 도시하고, 도 5는 추적자 시험부에서 시험 관정을 도시하고, 도 6은 양수된 지하수가 시린지 샘플링 되는 모습을 도시하고, 도 7은 샘플링 된 지하수로부터 SF6가 추출되는 모습을 도시하고, 도 8은 SF6의 주입량에 따른 추적자 분석부에서 검출된 농도의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 9는 추적자의 농도이력곡선의 예시를 도시하고, 도 10은 추적자의 농도이력곡선과 무게중심 도달 시간을 나타내고, 도 11은 추적자 분석부에서 도출된 염분 및 SF6의 농도이력곡선을 도시한다.
도 1을 참조하여, 일 실시예에 따른 지하수 추적 시스템(10)은 추적자 포화용액 제조부(100), 예비 추적자 제조부(200), 예비 추적자 시험부(300), 추적자 제조부(400), 추적자 시험부(500) 및 추적자 분석부(600)를 포함할 수 있다.
상기 추적자 포화용액 제조부(100)는 고농도의 추적자 포화용액을 제조할 수 있다.
상기 고농도의 추적자 포화용액은 예비 추적자 시험 또는 추적자 시험에서 사용하기 위한 것으로서, 추후 예비 추적자 제조부(200)에서 예비 시험 관정으로부터 양수된 지하수에 희석된 후에 예비 추적자 시험부(300)에서 예비 추적자 시험을 위해 사용되거나, 추적자 제조부(400)에서 시험 관정으로부터 양수된 지하수에 희석되어 추적자 시험부(500)에서 추적자 시험을 수행하기 위해 사용될 수 있다.
특히, 도 2를 참조하여, 추적자 포화용액 제조부(100)에서 추적자 포화용액은 다음과 같이 제조될 수 있다.
이때, 추적자는 SF6(육불화황)으로 마련될 수 있다.
상기 SF6은 무색, 무취의 가스상 형태로 생물에 무해하며, 자연 중에 fM(femto(=10-15) Mole)로 극히 미량 존재하므로 인위적 투입 시 검출이 쉽다. 또한 SF6은 반응성이 없기 때문에 대기와의 가스 교환되는 양 이외에는 손실이 없고, 주변 물질의 성상에 관계없이 적은 양을 사용하여 현장에서 실시간으로 장기간 실험이 가능하다는 이점이 있다.
기존에 가장 널리 사용되고 있는 지하수 추적자는 브롬 이온(bromide)이나 염소 이온(chloride)을 포함한 무기 이온(ionic salt)이며, 염소는 비교적 보존성이 좋은 추적자이며 안정적이다. 다만, 수체역학적 섞임(hydrodynamic dispersion) 때문에 이동 동안의 플룸(plume)을 고해상도에서 장기간 측정하기 위해서 추적자는 보통 검출한계보다 최소한 100배 이상 주입되어야 하는데, 염소 이온의 경우 높은 배경농도 때문에 훨씬 고농도로 주입하여야 하고, 이것은 이온 활성도에 영향을 주어 일부 무기물질의 용해도 변화에 영향을 줄 수 있다. 게다가 고농도의 무기이온 추적자는 수괴 추적에 바람직하지 못한 밀도효과(density effect)를 보이므로 염소는 밀도 효과를 피할 수 있고, 점토가 적은 곳에서 사용되어야 한다는 제약이 있다.
그 밖에 기존 추적자 시험에 사용되던 다른 추적자들은 지하수 오염물질 추적 시 측정 방해 요소가 많고 고농도 사용을 요하거나, 수괴의 성상에 따라 반응하여 사라지거나 잔류시간이 길지 않기 때문에 현장에서 장기간 측정이 어려움이 있다.
이와 같이 SF6을 지하수 추적자로 사용함으로써 기존의 추적자 시험에서 사용되는 다른 추적자들이 가지는 단점 또는 한계점을 개선할 수 있다.
계속, 도 2를 참조하여, 추적자 포화용액 제조부(100)에서 추적자 포화용액은 일반 수돗물을 채운 1gal(약 3.8ℓ)의 밀폐된 플라스틱 용기에 10%의 SF6을 다공성 튜브 또는 에어스톤(air stone) 등을 이용하여 약 0.5ℓ/min으로 20분간 폭기시켜 제조할 수 있다. 다시 말해서, 고농도의 SF6을 수돗물에 폭기시켜 SF6 포화용액을 제조할 수 있다. 이때, 물 속에 용존하는 SF6이 물 밖으로 휘발되어 손실되는 것을 방지하기 위해 용기의 헤드 스페이스(head space)를 최소로 하여 SF6 포화용액을 제조하는 것이 바람직할 수 있다.
이와 같이 제조된 SF6 포화용액은 밀폐된 용기에 보관된 상태로 추적자 시험을 실시하고자 하는 시험 지역에 운반될 수 있다.
또한, 추적자 포화용액 제조부(100)는 추적자 시험부(500)로부터 멀리 떨어진 곳에 위치되어, 고농도의 SF6을 폭기하는 과정에서 시험 지역의 SF6 배경농도(자연환경 중에 거의 검출되지 않는 극미량의 배경농도)가 오염되지 않도록 할 수 있다.
한편, 추적자 포화용액 제조부(100)에서 제조된 고농도의 추적자 포화용액은 예비 추적자 제조부(200)에 전달될 수 있다.
상기 예비 추적자 제조부(200)는 추적자 포화용액 제조부(100)에서 미리 제조된 SF6 포화용액 중 일정량을 예비 시험 관정에서 미리 양수된 지하수에 희석시켜 예비 추적자 희석액(이하, 예비 SF6 희석액)을 제조할 수 있다. 이를 위해 예비 시험 관정에서 예비 추적자 시험을 수행하기 전에 지하수를 미리 양수해 놓을 필요성이 있다.
한편, 예비 추적자 제조부(200)에서 제조된 예비 SF6 희석액은 예비 시험 관정에서 예비 추적자 시험이 수행되기 전에 추가적으로 실내에서 예비 실험될 수 있다.
구체적으로, 추적자 포화용액 제조부(100)에서 제조된 SF6 포화용액 30㎕를 50ℓ의 수돗물에 넣어 희석한 후(희석배수 약 1/1.67 X 106) 추적자 분석부(600)에서 SF6의 농도 분석 결과 약 100ppt(part per trillion)가 검출되었다.
이때, 추적자 분석부(600)의 SF6 검출농도 한계가 약 5ppt이며, 보유한 표준가스는 6.42, 66.1, 340, 677ppt로 검량선의 범위는 약 6 내지 680ppt로 추적자 시험에서 측정되는 SF6 농도가 검량선 범위 내에서 측정되는 것을 이상적인 목표로 고려할 수 있다.
또한, 예비 추적자 제조부(200)에서는 실내 예비 실험에서 사용한 SF6 포화용액의 주입량 및 희석배수를 고려하여 예비 추적자 시험부(300)에서의 예비 추적자 시험을 위해 SF6 포화용액 중 일정량을 예비 시험 관정에서 미리 양수된 지하수에 희석시킬 수 있다.
이때, 예비 SF6 희석액의 농도가 200 내지 300ppt가 되도록 실내 예비 실험에서 100ppt가 검출되었던 희석배수의 약 2 내지 3배의 SF6 포화용액을 사용할 수 있다.
구체적으로, 예비 SF6 희석액 또는 SF6 희석액의 양은 주입 시간이 오래 걸리지 않도록 통상적인 범위(50 내지 500ℓ) 내에서 100ℓ로 결정되고 실내 예비 실험에서 약 100ppt가 검출되었던 희석배수의 약 2.67배인 160㎕의 SF6 포화용액을 100ℓ의 지하수에 희석시킬 수 있다.
이와 같이 예비 추적자 제조부(200)에서 제조된 예비 SF6 희석액은 예비 추적자 시험부(300)에 전달될 수 있다.
예비 추적자 시험은 초기 추적자 주입 농도가 원하는 주입정 깊이에 주입된 이후 표류시간 이후 양수하였을 때, 얼마나 희석되어 그 농도 범위가 나타날지 모르기 때문에 SF6 희석액의 농도(추적자 포화용액의 주입량 및 희석배수)를 결정하기 위해 수행하는 것이다.
구체적으로 도시되지는 않았으나, 예비 추적자 시험부(300)는 예비 시험 관정을 포함할 수 있다.
상기 예비 시험 관정은, 예비 추적자 시험이 수행되는 지반 내에 관입되어 예비 SF6 희석액이 주입되는 관, 상기 관 내에 이격 배치된 복수 개의 스크린, 상기 관 내에서 복수 개의 스크린 사이에 배치되어 관 내에 주입된 예비 SF6 희석액의 수직 이동을 제한하는 제1 패커(packer), 상기 관의 외측에서 복수 개의 스크린 사이에 배치되어 관 내에 주입된 예비 SF6 희석액의 수직 이동을 제한하는 제2 패커 및 복수 개의 스크린 중 하나에 배치되어 관을 통해 지하수를 양수시키는 펌프를 포함할 수 있다.
구체적으로, 예비 추적자 시험은 다음과 같이 수행될 수 있다.
우선, 예비 추적자 제조부(200)에서 제조된 SF6 포화용액 160㎕ 및 지하수 100ℓ가 혼합된 예비 SF6 희석액을 예비 시험 관정에 주입한다. 이때 예비 시험 관정 주위에서 SF6의 배경농도가 검출되지 않았으며, 몇 차례의 추적자 시험 반복을 위해 고농도의 SF6에 의해 오염되지 않도록 예비 추적자 시험에서는 최소로 적은 양을 결정하여 사용할 수 있다.
이와 같이 예비 시험 관정에 예비 SF6 희석액을 주입하고 24시간 체류시킨 후, 예비 SF6 희석액과 함께 표류된 예비 시험 관정 인근 지하수를 양수하면서 일정 시간 간격으로 지하수 시료를 샘플링을 한다.
도 3을 참조하여, 표류시간 이후 총 1,000ℓ의 지하수를 양수하는 동안 시간별로 채취한 시료의 SF6 농도를 추적자 분석부(600)에서 측정한 결과 2 내지 15ppt로 매우 낮게 나타났다. 이것은 예비 SF6 희석액을 주입하고 24시간 동안 표류시킨 후 양수하였을 때, SF6 검출 농도가 17 내지 125배 희석되어 나타난 것으로, 추적자 분석부(600)의 검출한계에 가깝게 너무 낮은 농도로 검출되어 시간의 흐름에 따른 농도 변화를 뚜렷이 구분할 수 없다.
이러한 경우 예비 추적자 제조부(200)에서 예비 SF6 희석액을 제조하는 데 사용된 SF6 포화용액의 주입량은 추적자 분석부(600)에서 SF6을 검출하기에 적절한 양이 아니므로, 추적자 포화용액의 적정 주입량으로 결정되지 않을 수 있다.
반면, 미리 양수해놓은 지하수 120ℓ(예비 SF6 희석액 내 펌프가 잠기는 깊이를 고려한 것임)에 SF6 포화용액 7㎖를 주입하여 만든 예비 SF6 희석액 100ℓ를 주입하고 24시간 표류시킨 경우, 추적자 분석부(600)에서 정상적인 SF6 농도이력곡선이 도출되었고, 그 농도 범위가 관정의 하층 실험 시 74 내지 2,852ppt, 중층 실험 시 38 내지 4,954ppt 범위로 나타났다.
이렇게 검출된 농도 범위는 추적자 분석부(600)에서 ECD 검출기의 직선성이 103 이상이며, 추적자 분석부(600)의 검출한계가 약 5ppt인 것을 고려하여 SF6 농도이력곡선이 5 내지 5,000ppt 범위 내에서 획득된 것으로 이상적인 조건이라고 볼 수 있다.
이러한 경우 예비 추적자 제조부(200)에서 예비 SF6 희석액을 제조하는 데 사용된 SF6 포화용액의 주입량은 추적자 분석부(600)에서 SF6을 검출하기에 적절하므로, 추적자 포화용액의 적정 주입량으로 결정될 수 있다.
또한, 상기에서 SF6 최고 농도가 2,852ppt 또는 4,954ppt로 나타난 것을 추적자 분석부(600)의 검량선의 범위(약 6 내지 680ppt)를 고려하여 보다 이상적인 검출농도 범위를 위해 최고농도 수준을 더 낮추고 싶다면 상기에서 사용한 SF6 포화용액 7㎖를 약 절반으로 조절하는 것으로 추적자 포화용액의 적정 주입량이 결정될 수 있다.
다만, 추적자 시험을 실시하는 실험 지역의 환경특성이 다르므로, 처음 적용 실시하는 지역에서는 적은 양의 SF6을 주입하여 예비 추적자 시험을 통해 추적자 실험을 위한 적정 주입량 결정의 지표로 삼는 것이 바람직할 수 있다.
또한, SF6의 주입량만 검출이 가능한 범위에서 최소량이 되도록 고려할 뿐 다른 실험 조건들은 예비 추적자 시험과 추적자 시험에서 동일하게 실시하도록 하여, 예비추적자 시험 결과 정상적인 농도이력곡선을 획득할 경우 예비 추적자 시험 결과를 그대로 사용하여도 무방할 수 있다.
이와 같이 예비 추적자 시험부(300)에서 예비 추적자 시험을 통해 추적자 시험부(500)에서 추적자 시험에서 사용될 SF6 희석액을 제조하기 위한 SF6 포화용액의 주입량을 결정할 수 있다.
전술된 바와 같이 추적자 분석부(600)에서의 검출한계를 고려하여 추적자 포화용액의 적정 주입량을 결정할 수 있으며, 추적자 포화용액의 적정 주입량은 추적자 분석부(600)에서 도출되는 SF6의 농도이력곡선의 농도 범위가 추적자 분석부(600)의 검출한계 이상의 범위에서 획득되도록 결정될 수 있다. 그리고 예비 추적자 시험을 통해 획득된 시험 결과를 통해 희석배수를 조절함으로써 목표 농노를 조절할 수 있다.
이와 같이 예비 추적자 시험을 통해 결정된 추적자 포화용액의 적정 주입량을 바탕으로 추적자 제조부(400)에서 추적자 희석액(이하, SF6 희석액)이 제조될 수 있다.
구체적으로, 추적자 포화용액 제조부(100)에서 제조된 SF6 포화용액을 시험 관정에서 양수된 지하수에 희석시킴으로써 SF6 희석액이 제조될 수 있다.
상기 추적자 제조부(400)에서 제조된 SF6 희석액은 추적자 시험부(500)에 전달되어 추적자 시험을 하는 데 사용될 수 있다.
추가적으로, 추적자 제조부(400)에서 제조된 SF6 희석액에는 염소가 추가적으로 주입될 수 있다. 염소는 비휘발성의 보존성 추적자로서 SF6와 추적자 시험을 통한 지하수의 유속 및 유효공극률 계산에 유용할 수 있으며, 추적자 시험부(500)에서 SF6 희석액을 주입하고 표류시킨 이후 시험 관정으로부터 지하수를 양수 시 바로 즉각적인 염분 농도 측정이 가능하여 염분의 배경농도가 될 때까지 양수하기 위한 지표로 삼을 수 있으므로, 추가적으로 염소 추적자를 SF6 추적자 희석액에 함께 섞어줄 수 있다.
상기 추적자 시험부(500)는 추적자 제조부(400)에서 제조된 SF6 희석액을 시험 관정에 주입하여 SF6 희석액을 표류시킨 후에 시험 관정으로부터 지하수를 양수할 수 있다.
특히, 도 4를 참조하여, 추적자 시험은 단공에서 진행하는 추적자 시험(Single-well tracer test)으로 수행될 수 있으며, 단공 주입 - 표류 - 양수(push-drift-pull) 추적자 시험은 실험자가 상황에 따라 실험 조건을 정할 수 있다는 장점이 있다.
반면, 다공 추적자 실험의 경우 시험 부지의 수리 전도도나 공극률의 상태에 따라서 추적자가 양수과정에서 나오기까지 기간이 얼마나 걸리는지 불확실하고, 추적자의 분산도(dispersivity)가 높을 경우에는 이미 희석이 되어서 검출 농도가 아닌 상태가 되었는데 계속해서 실험을 진행하는 경우도 발생하게 될 수 있다.
이러한 점에서 단공 추적자 시험은 단공에서 실험을 하기 때문에 검출이 안 되는 상황에 대한 위험도는 낮으며, 추적자 제조부(400)에서 제조된 SF6 희석액이 지하수와 함께 흐르는 표류시간(drift time) 역시 실험자가 상황에 맞게 설정을 해줄 수가 있기 때문에 실험의 설계적 측면에 있어서도 경제적이라고 할 수 있는 이점이 있다. 따라서 실험 지역에서의 불균질성을 고려하여 다양한 변수를 최대한 줄일 수 있는 단공 추적자 실험을 설계하는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 도 5를 참조하여, 추적자 시험부(500)는 시험 관정을 포함할 수 있다.
상기 시험 관정은, 지반 내에 관입되어 SF6 희석액이 주입되는 관(510), 관(510) 내에 이격 배치된 복수 개의 스크린(screen; 520), 관(510) 내에서 복수 개의 스크린(520) 사이에 배치되어 관(510) 내에 주입된 SF6 희석액의 수직 이동을 제한하는 제1 패커(packer; 530), 관(510)의 외측에서 복수 개의 스크린(520) 사이에 배치되어 관(510) 내에 주입된 SF6 희석액의 수직 이동을 제한하는 제2 패커(540), 및 복수 개의 스크린(520) 중 하나에 배치되어 관(510)을 통해 지하수를 양수시키는 펌프(550)를 포함할 수 있다.
이때, SF6 희석액을 목표로 하는 주입 심도에 주입하기 위해서 부분 스크린 관정을 사용할 수 있으며, 예를 들어 복수 개의 스크린(520)은 15 내지 18m, 21 내지 24m, 27 내지 30m 구간으로 총 3구간에 걸쳐서 3m 간격으로 배치될 수 있다. 그리고 복수 개의 스크린(520)이 없는 구간에는 벤토나이트(bentonite)로 패킹을 함으로써 수직적인 흐름이 일어나지 않도록 할 수 있다. 이에 의해 SF6 희석액의 주입 구간 주위를 고립시킬 수 있다. 그리고 펌프(550)에 의해 SF6 희석액과 함께 표류된 지하수가 양수될 수 있다.
구체적으로 추적자 시험부(500)에서 다음과 같이 추적자 시험이 수행될 수 있다.
전술된 시험 관정에 SF6 희석액이 주입될 수 있다.
이때, 100L의 SF6 희석액을 주입한 이후에 시험 관정에 존재하는 SF6 희석액까지 완전히 대수층으로 밀어주기 위해 주입용수 30ℓ를 추가 주입할 수 있다. 이때 주입용수는 추적자가 전혀 섞이지 않은 자연 지하수를 의미한다.
시험 관정에 주입된 추적자 SF6 희석액은 시험 관정 내에서 24시간 표류된 다음, 4ℓ/min의 속도로 양수될 수 있다. 이때, 지하수의 양수액은 1,000 내지 2,400ℓ로서, 지하수의 양수량은 샘플링을 하고 추적자 분석부(600)에서 검출된 SF6의 농도가 배경농도만큼 떨어졌을 때까지를 기준으로 할 수 있다. 다시 말해서 추적자 분석부(600)에서 검출된 SF6의 농도가 배경농도에 대응되도록 되었을 때 지하수의 양수가 중단될 수 있다. 이를 위해 추적자 시험부(500) 및 추적자 분석부(600)는 동시에 작동될 수 있다. 또는, 현장용 염분 센서를 통해 즉각적으로 측정 가능한 염소 추적자가 배경농도까지 떨어졌을 때를 지표로 양수가 중단될 수 있다.
한편, 양수 과정의 SF6 시료 채취 시, 물 속에 녹아 있는 SF6이 폭기 및 휘발되지 않도록 안정적인 양수 흐름에서 시료병에 채우고, 기포가 유입되지 않도록 시료병목 외부로 물이 넘치게 흘려 받은 후, 내부에 실리콘 마개를 포함한 알루미늄 마개(seal)를 병목에 꽉 물리게 마개 패킹 도구(hand capper)를 이용하여 마개를 잘 닫아야 한다. 이는 외부로 SF6이 손실되거나 외부 공기의 유입으로 SF6이 희석되는 것을 차단하기 위한 것이며, 보관 및 운반 시에도 시료병을 거꾸로 위치시키는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 양수 과정의 샘플링 간격은 최초 400ℓ까지는 2분, 이후 600ℓ까지는 5분, 600ℓ를 초과하는 경우에는 10분씩, 더 이후에는 30분씩 샘플링 간격을 조절할 수 있으며, 이는 추적자 시험을 통해서 얻을 수 있는 농도이력곡선(breakthrough curve)에서는 초반의 데이터가 중요하기 때문이다. 따라서 초기 샘플링 간격을 작게 설정하고, 뒤로 갈수록 간헐적인 샘플링을 실시하는 것이 바람직할 수 있다.
전술된 바와 같이 예비 추적자 시험부(300)에서 예비 시험 관정으로부터 양수된 지하수 또는 추적자 시험부(500)에서 시험 관정으로부터 양수된 지하수는 추적자 분석부(600)에 전달될 수 있고, 추적자 분석부(600)에서는 양수된 지하수 내 용존하는 추적자, 즉 SF6을 추출 및 분석할 수 있다.
개략적으로, 상온 보관하여 실험실로 옮겨진 시료는 현장에서 125㎖ 시료병에 채취된 시료를 시린지를 사용하여 연결된 튜빙(tubing)을 통해 시료병의 하부 물 시료를 정량 샘플링을 한다.
이때, 총 부피가 50㎖인 유리 주사기(syringe)를 사용하며, 앞쪽 입구에 3방향 스탑콕(stopcock)과 튜빙을 순차적으로 연결하고, 3방향 스탑콕의 방향을 조절하여 시료를 담거나 버리기를 반복하면서 충분히 씻어준 후 시린지 시료에 기포가 들어가지 않도록 주의하여 마지막 20㎖를 샘플링 한다.
그런 다음, 물 시료와 질소가스가 1:1이 되도록 질소가스(99.999%) 20㎖를 채우고 10분간 교반기(shaker)로 흔들어 줌으로써 물 시료로부터 질소가스 쪽으로 SF6을 추출해낸다.
이렇게 추출된 SF6은 가스 분석장치(GC-ECD)에 주입되어 SF6의 농도를 분석할 수 있다.
특히, 도 6을 참조하여, 시료 샘플링(syringe sampling)은 구체적으로 다음과 같이 수행될 수 있다. 특히, 시료 샘플링은 시료병에서 시료를 시린지로 옮기는 과정을 말하며, 버블이 생기지 않도록 많은 주의가 요구된다.
우선, 시린지에 부착되어 있는 3-way luer lock 스탑콕의 회전을 통해 시린지 샘플링을 한다. 스탑콕의 위치를 1번과 같이 했을 때 샘플을 시린지 안으로 유입시킬 수 있고, 시린지에 샘플을 채우면서 샘플링 튜빙에 있는 공기가 100% 시린지 내부로 유입되도록 한다.
그런 다음, 스탑콕이 하늘을 향하도록 해서 가벼운 기체들이 시린지 상부에 헤드 스페이스(headspace)를 형성하게 하고, 스탑콕을 2번과 같이 움직여서 시린지 안에 기체들을 완전히 제거한다. 보통 작은 기포들이 벽에 붙어서 쉽게 제거되지 않는데 이때는 오히려 외부 공기를 유입시키면 작은 기포가 외부 공기에 합류하게 되고 이는 용이하게 제거할 수 있다.
3번과 같이 공기 제거 후에도 시린지 안에 물 시료를 0mL 눈금까지 모두 제거시키고, 다시 스탑콕을 4 포지션으로 돌리고 샘플을 유입시킨다.
이 과정을 3회 반복하고, 이 과정에서 시린지 내부를 샘플로 충분히 세척하며, 다시 한 차례 샘플을 유입시키되 5번과 같이 20㎖가 되도록 하고 스탑콕을 조절하여 6번과 같은 스탑콕의 포지션을 위치시켜서 외부 대기와 내부를 격리시킨 뒤 기포가 없는지 확인한다.
이와 같이 시료 샘플링이 수행된 후에 시료 내에서 SF6이 추출된다.
개략적으로, 스탑콕을 통해 초고순도(99.999%) 질소를 시린지 내부로 유입시킨다. 질소 압력을 너무 강하게 하면 시린지 내부에 원하는 양의 질소를 정확히 채우기가 어려워지므로 사전 몇 번 연습을 통해 분석자에게 맞는 적당한 압력을 찾도록 한다.
질소와 물 시료 비율은 보통 1:1로 이루어지고 20㎖ 질소가스를 주입한다. 이미 20㎖의 물 시료가 있으므로 시린지의 부피가 40㎖가 될 때까지 질소가스를 넣고 40㎖가 되면 시린지 플런저를 손으로 고정한 상태로 스탑콕을 조절하여 대기압과 시린지 내부의 압력을 맞추기 위해 순간 멈추고 마지막으로 시린지 내부와 외부를 격리시킨다.
구체적으로, 도 7을 참조하여, 가스관을 통해 초고순도 질소가 공급되고, "a" 방향으로 흐르게 되면 가스 크로마토그래프(GC)로 이동하고 시린지에 질소가스를 채우기 위해서는 "b" 방향으로 질소를 흐르게 한다.
시린지와 가스관을 연결한 뒤에 스탑콕을 1번과 같이 조절하여 스탑콕 내에 남아 있는 수분과 이물질을 질소로 제거해준다. 충분한 질소 세척 이후에 2번과 같이 스탑콕을 조절하여 본격적으로 시린지 내에 질소가스를 주입한다. 그리고 20㎖의 질소를 넣은 뒤 시린지를 손으로 고정하고 2번에서 4번 형태로 스탑콕을 움직이면서 중간에 3번의 상태로 약 1초 잠깐 머무른다.
이는 질소 가스가 주입되는 압력 때문에 시린지 내부의 압력이 대기압보다 높기 때문에 대기압과 동일하게 조절해줌으로써 압력에 영향을 받는 가스의 부피를 항상 동일하게 설정해주기 위한 것이다.
또한, SF6의 용해도는 매우 낮기 때문에 SF6이 들어있지 않는 질소 가스와 섞어주면 물 시료에 녹아 있는 SF6이 거의 100% 질소 가스로 이동할 수 있다. 실험적으로 교반기(shaker)로 약 10분 정도 섞어주면 충분하고, 이 과정에서 기계적인 힘이 10분에 걸쳐 시린지에 가해지므로 시린지에서 새는 현상이 나타나는지 아닌지 모든 시린지에 대해 확인해야 한다. 같은 샘플을 측정함에도 불구하고 다른 시린지에 비해 낮은 농도가 반복적으로 나오는 시린지는 샘 현상(leaking)이 있는 것이므로 사용하지 않아야 한다.
약 10분에 걸친 기계적 혼합으로 거의 100%의 SF6이 질소 가스로 이동하였고 이 SF6을 측정하기 위해서 시린지의 헤드 스페이스(head-space) 내 가스를 추적자 분석부(600)에 주입하여 분석할 수 있다.
이때, 물 시료로부터 추출해 낸 SF6을 포함한 시린지 헤드 스페이스 내의 가스는 수증기로 포화되어 있고, 이와 같은 수분은 O2와 OH-에 매우 민감한 가스 크로마토그래프(GC)의 전자포획 검출기(ECD)에 노이즈를 발생시키는 원인이 된다.
또한, 수분의 과도한 유입은 컬럼(column)을 오염시키거나 수명을 단축시키므로 측정 장비의 장기적인 관리와 측정의 유지를 위해서는 추출된 가스로부터 수분을 제거해야 한다. 20㎖의 질소에 포화 가능한 수증기는 많은 양이 아니므로 실리카겔블루(silicagel blue), 과염소산마그네슘(Mg(ClO4)2), 탄산칼륨(K2CO3)과 같은 물 분자를 흡착하여 수분을 흡수하는 화학적 성질을 가진 물질을 채운 트랩(trap)을 통해서 제거될 수 있다. 이때, 상기 실리카겔블루는 SF6을 흡착하여 SF6의 농도가 과소 추정(underestimation)될 수 있으므로 정상적인 농도이력곡선을 도출하기 위해서 SF6을 흡착하지 않는 과염소산마그네슘 수분제거트랩을 사용하는 것이 바람직하다.
특히, 도 8을 참조하여, 예를 들어 물 시료로부터 추출해 낸 SF6의 주입량은 10㎖ 이상이면 되므로, 충분히 20mL의 SF6의 대부분이 가스 크로마토그래프(GC)에 주입되게 할 수 있으며, 이때 물이 가스 라인에 유입되지 않게 하는 것이 바람직하고, 물 시료로부터 추출해 낸 SF6은 가스 크로마토그래프(GC)의 전자포획 검출기(ECD)에 일정한 속도로 주입해주는 것이 바람직하며, 검량(calibration) 시 표준가스와 같은 유량을 주입할 수 있다.
또한, 도 9를 참조하여, 추적자 시험을 통해 경과 시간별로 측정한 염소 추적자의 염분 농도(salinity) 데이터와 SF6의 농도 데이터를 가지고 각 추적자의 농도이력곡선(breakthrough curve)을 얻을 수 있다. 상기 농도이력곡선은 시간별 농도의 변화를 X-Y 평면에 도식한 그래프를 말하며, 이를 해석하여 지하수의 이동 속도와 지질 매체의 유효 공극률을 산출할 수 있다.
상기 지질 매체의 유효 공극률은 토지 총 부피 중에 지하수가 이동할 수 있도록 서로 연결된 유효 간극 부피비로서, 지질 매체의 유효 공극률이 클수록 사방으로 지하수가 이동할 수 있는 간극이 더 많으므로 지하수의 이동 속도와는 반비례 관계가 될 수 있다.
구체적으로, 추적자 시험을 통해 추적자는 지하수와 함께 흐르면서 유동성 공극(물이 통과할 수 있는 공극)과 비유동성 공극(물이 통과하지 못하는 공극)을 번갈아 지나면서 그 농도가 점차 낮아지게 된다. 즉, 최초의 농도(Cinj)보다 점차 낮아지는 양상을 가지게 되며, 추적자의 무게중심은 계속해서 지하수의 이동 속도(Vavg)로 이동되는 것을 보여준다.
이때, 추적자 시험의 양수 과정에서 추적자 분석부(600)에서 얻은 농도이력곡선에서의 무게중심 도달 시간(tcom)을 계산하고, 이것을 통해 지하수 속도 및 지질 매체의 유효 공극률을 알 수 있다. 무게중심 도달 시간이란 추적자 시험 과정 중 표류시간(drift time) 동안 무게중심이 이동한 거리에서 다시 양수 과정을 통해 관정까지 뽑혀오기까지 걸린 시간을 의미한다.
도 10을 참조하여, 양수 과정에 일정한 시간 간격을 두고 샘플링을 진행하였으므로, 두 샘플링 시점을 선으로 이으면 사다리꼴 모양과 같은 도형이 나오게 된다. 농도 값은 샘플링 한 시료의 추적자 농도 분석을 통해 알 수 있으며, 시간은 두 샘플링 간격의 중앙지점을 대표값으로 정한다. 추가적으로, 양수 속도를 이미 알고 있으므로, 해당 시간 간격 간에 양수된 추적자의 양을 알 수가 있다. 이렇게 도출된 각 시간 간격 간의 추적자의 양을 가지고 아래의 식을 통해 무게중심이 양수 시험 간에 관정에 도달한 시간을 구할 수 있다.
Figure 112016128525037-pat00001
이와 같이 무게중심의 관정 도달 시간까지 구했다면 아래의 식에 의해 지하수의 이동 속도와 지질 매체의 유효 공극률을 계산할 수 있다.
Figure 112016128525037-pat00002
이때, q는 지하수의 이동 속도(m/day)이고,
Q는 양수속도(m3/day)이고,
t는 무게중심의 관정 도달 시간(day)이고,
b는 대수층의 두께(m)이고,
d는 표류시간(drift time)과 무게중심의 관정 도달 시간(t)을 합한 시간(day)이고,
K는 수리전도도(m/day)이고,
I는 수두구배(두 지점간의 수위차를 거리로 나눈 값)를 나타낸다.
또한, 지질 매체의 유효 공극률은 아래의 식에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112016128525037-pat00003
한편, 추적자 분석부(600)에서는 SF6의 농도이력곡선이 도출될 수 있다.
도 11을 참조하여, SF6 추적자(양수 이후 15분 경과)와 염소 추적자(양수 이후 13분 경과)가 모두 최고농도 검출에 도달하는 시점이 비슷하였고, 양수 이후 검출된 최고 농도는 SF6의 경우 2,852ppt(part per trillion(10-12)) 염소의 경우 2.61ppt(part per thousand(10-3))값을 보였다.
그리고 추적자 시험부(500)에서 시험 관정으로부터 양수된 지하수는 추적자 분석부(600)에 전달되어 도출된 SF6의 농도이력곡선을 통해 시험 지역의 지하수 속도 및 지질 매체의 유효 공극률을 산출할 수 있다. 이때, 산출된 지하수 속도 및 지질 매체의 유효 공극률은 자연에 노출된 오염물질이 어떠한 과정과 경로를 통해 지하 매질을 이동하는지 파악하는 데 중요한 정보가 될 수 있다.
또한, 전술된 바와 같이, 예비 추적자 시험부(300)에서 예비 시험 관정으로부터 양수된 지하수는 추적자 분석부(600)에 전달되어 도출된 SF6의 농도이력곡선을 통해 예비 추적자 제조부(200)에서 제조된 예비 SF6 희석액에 포함된 SF6의 포화용액이 적정량인지 여부를 판단할 수 있다.
이상 일 실시예에 따른 지하수 추적 시스템에 대하여 설명되었으며, 이하에서는 일 실시예에 따른 지하수 추적 방법에 대하여 설명된다.
도 12는 일 실시예에 따른 지하수 추적 방법을 나타내는 순서도이고, 도 13은 예비 SF6 희석액을 사용하여 예비 시험 관정에서 예비 추적자 시험이 수행되는 단계를 나타내는 순서도이고, 도 14는 시험 관정에서 추적자 시험이 수행되는 단계를 나타내는 순서도이고, 도 15는 시험 관정에서 추적자 시험이 수행되는 단계 이후 양수된 지하수 내 SF6의 농도가 분석되는 과정을 나타내는 순서도이고, 도 16은 시험 관정에서 추적자 시험이 수행되는 단계 이후 사후 모니터링 되는 과정을 나타내는 순서도이다.
도 12를 참조하여, 일 실시예에 따른 지하수 추적 방법은 다음과 같이 수행될 수 있다.
우선 사전 준비 과정으로서, 시험 현장 점검 및 선정을 하고, 사전 조사를 한다.
이때, 시험 현장 점검 및 선정 단계에서는, 이미 지하수 관정이 설치되어 있어 이것을 최대한 활용할 수 있는 곳을 검토하여 추적자 시험 실시 지역으로 선정하는 것이 유리하며, 기존 연구 사례 지역의 경우 현장의 관련 정보 획득에 유리한 장점이 있고, 기존 설치된 지하수 관정을 대상으로 이용함으로써 별도의 신규 관정 공사 경비를 절감할 수 있다. 필요한 경우, 지하수 흐름 방향을 고려하여 추가적인 시험 관정을 설치할 수 있음은 당연하다.
또한, 사전 조사 단계에서는, 수리학적 기초자료 조사를 통해 지질 매체의 유효 공극률과 지하수 속도 계산에 필요한 기초 수리인자를 획득한다.
구체적으로, 초기 관정 굴착 공사 시 실시된 토양시료 분석결과 대수층(포화대)의 두께, 양수 시험을 통한 수리전도도, 및 수두구배를 측정한다.
추가적으로, 시험 관정 주위 SF6의 배경농도를 확인한다. 구체적으로 추적자 실험을 실시하기 전에 SF6 추적자의 다른 소스가 없는지, 이전 실험 등을 통해 남아있는 SF6이 없는지 확인하기 위해 시험 지역의 SF6 배경농도를 측정한다.
그런 다음, 고농도의 SF6 포화용액을 제조한다(S10).
시험 관정에 주입하고자 하는 SF6 추적자의 농도 조절을 용이하게 하기 위해 시험 관정에 바로 SF6를 주입하는 것이 아닌 고농도의 SF6 포화용액을 사전에 제조하여 이 용액을 시험 지역에서 양수한 지하수에 희석하여 주입하는 방식을 채택하는 것이 바람직하며, 이를 위해 먼저 고농도의 SF6 포화용액을 제조하는 것이다.
구체적으로, 고농도의 SF6을 밀폐된 용기에 준비한 지하수 또는 수돗물에 폭기시켜 SF6 포화용액을 제조한다. 이때, SF6 포화용액은 10% SF6 가스를 1gal(약 3.8ℓ)의 밀폐된 플라스틱 용기 내의 지하수 또는 수돗물에 다공성 튜브 또는 에어스톤(air stone) 등을 이용하여 약 0.5ℓ/min으로 20분간 폭기시켜 제조된다.
그리고 SF6 포화용액 제조 시 시험 관정과 거리를 둔 곳에서 제조하여 고농도의 SF6 가스를 폭기하는 과정 중에 시험 지역의 배경농도가 오염되지 않게 할 수 있다.
이어서, 일정량의 SF6 포화용액 및 지하수가 희석된 예비 SF6 희석액이 제조되고(S20), 상기 예비 SF6 희석액을 사용하여 예비 시험 관정에서 예비 추적자 시험이 수행된다(S30).
특히, 도 13을 참조하여, 예비 추적자 시험은, 상기 예비 SF6 희석액이 상기 예비 시험 관정에 주입되는 단계(S31), 상기 예비 SF6 희석액이 지반 내에서 지하수와 함께 표류되는 단계(S32), 상기 예비 시험 관정으로부터 상기 예비 SF6 희석액과 함께 표류된 지하수가 양수되는 단계(S33), 상기 양수된 지하수 내 용존하는 SF6가 추출되는 단계(S34) 및 상기 추출된 SF6의 농도가 분석되는 단계(S35)를 포함할 수 있다.
이때, 예비 추적자 시험은 SF6 포화용액의 적정량을 결정하기 위한 것으로서, 추출된 SF6의 농도가 분석되는 단계에서 도출된 상기 SF6의 농도이력곡선으로부터 상기 예비 SF6 희석액을 제조하기 위해 사용된 일정량의 SF6 포화용액 및 지하수가 적정량인지 판단될 수 있다.
한편, SF6 포화용액의 주입량이 지나치게 많으면 SF6의 농도가 낮아지는 데 장시간이 소요되며, SF6 포화용액의 주입량이 지나치게 적으면 추적자 농도 분포가 불명확해져서 이상적인 농도이력곡선을 얻을 수가 없다. 그러므로 SF6 포화용액의 적정 주입량을 결정하는 것이 최종적으로 지하수 속도 및 지질 매체의 유효 공극률을 산출하는 데 중요한 영향을 미칠 수 있다.
이어서, 추적자 시험을 실시하고자 하는 시험 지역에 설치된 시험 관정으로부터 지하수가 양수된다(S50).
추적자 시험 시 통상적으로 50 내지 500ℓ를 주입하고 200 내지 1,000ℓ를 양수하므로, 예를 들어 SF6 희석액을 100ℓ 주입하기 위해 넉넉히 120ℓ를 미리 양수할 수 있다.
그런 다음, 상기 예비 추적자 시험을 통해 결정된 SF6 포화용액의 적정 주입량에 의해 SF6 희석액이 제조된다(S60).
예를 들어, 예비 추적자 시험에서 결정된 SF6 포화용액의 적정 주입량을 미리 양수된 지하수에 희석시켜 SF6 희석액이 제조될 수 있다.
이어서, 시험 관정에서 추적자 시험이 수행된다(S70).
구체적으로, 도 14를 참조하여, 추적자 시험은, 상기 SF6 희석액이 시험 관정에 주입되는 단계(S71), 상기 SF6 희석액이 지반 내에서 지하수와 함께 표류되는 단계(S72) 및 상기 시험 관정으로부터 SF6 희석액과 함께 표류된 지하수가 양수되는 단계(S73)를 포함할 수 있다.
앞서 지하수가 양수된 다음에는 낮아진 수위가 원래 수위로 회복될 때까지 기다린 다음 SF6 희석액을 시험 관정에 주입한다.
그리고 표류시간은 추적자 시험에서 지하수의 이동 속도를 파악하는 데 필수적인 요소로서, 주입한 추적자 용액이 지하수와 함께 흐르면서 용액의 무게중심이 지하수의 이동 속도로 함께 이동하는 원리를 이용한다.
이때, 표류시간(drift time)은 실험자가 상황에 맞게 설정을 해줄 수가 있다. 예를 들어 SF6 포화용액 7㎖를 지하수 120ℓ에 희석하여 주입한 경우 표류시간은 1 내지 2일(24 내지 48시간)이 바람직할 수 있다.
한편, 양수 단계에서는 펌프를 사용하여 양수하며, 지하수 양수량은 1,000 내지 2,400ℓ를 권장하되, 샘플링을 한 추적자의 농도가 배경농도만큼 떨어졌을 때까지를 기준으로 한다. 이때 염소 추적자를 같이 사용하게 되면, 현장에서 즉각적으로 염분 농도(salinity)를 측정하여 염분의 배경농도까지 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
특히, 도 15를 참조하여, 지하수가 양수된 다음, 양수된 지하수가 정량으로 샘플링 되고(S80), 상기 샘플링 된 지하수 내 용존하는 SF6이 추출되며(S90), 상기 추출된 SF6의 농도가 분석된다(S100).
구체적으로, 양수 단계에서 시간대별로 125㎖ 시료병에 샘플링을 한 SF6 시료를 유리 주사기(glass syringe)로 다시 20㎖를 샘플링 한다. 그리고 질소 가스를 주사기에 물 시료와 동일한 부피인 20㎖만큼 채우고, 10분간 교반기(shaker)로 흔들어 줌으로써 물 시료 내의 SF6을 질소 가스층으로 평형시켜 추출해 낸다. 이렇게 가스층으로 추출해 낸 SF6을 가스 크로마토그래프-전자포획검출기(GC-ECD)를 사용하여 측정할 수 있다.
특히, SF6의 농도가 분석되는 과정에서 SF6의 농도이력곡선이 도출되고, 전술된 수식들을 통하여 SF6의 농도이력곡선으로부터 시험 관정 내 지하수의 이동 속도 또는 지질 매체의 유효 공극률이 산출된다.
추가적으로, 시험 관정에서 추적자 시험이 수행된 이후, 사후 모니터링이 수행될 수 있다.
도 16을 참조하여, 사후 모니터링이 되는 과정은, 상기 시험 관정 주위에 베일러(bailer)가 설치되는 단계(S110), 상기 베일러를 통해 상기 시험 관정 내의 지하수가 양수되는 단계(S120), 상기 양수된 지하수로부터 SF6이 추출되는 단계(S130) 및 추출된 SF6의 농도가 분석되는 단계(S140)를 포함할 수 있다.
이는 추적자 시험 이후 시험 지역 주위에 남아 있을 수 있는 SF6 추적자를 확인하기 위한 것으로서, 추후 추적자 시험 시 방해되는 것을 방지하기 위한 것이다.
또한, 미량의 추적자 농도가 검출될 경우, 추가적인 양수를 실시하여 추적자의 배경농도가 되도록 할 수 있으며, SF6 농도는 배경농도가 불검출에 가까우므로, SF6 농도가 검출한계 약 5ppt의 20배인 약 100ppt 미만으로 감소하면 자연적으로 희석되어 사라지는데 문제가 없다.
이와 같이 일 실시예에 따른 지하수 추적 시스템 및 방법은 지하수 추적자로서 SF6을 사용함으로써 현장에서 실시간으로 장기간 시험할 수 있고, 다른 지하수 추적자에 비해 원거리의 추적자 이동을 측정하는 데 유리할 수 있으며, 예비 추적자 시험을 통해 SF6의 적정 농도(고농도 SF6 포화용액의 주입량 및 희석배수)를 결정하고 고농도의 SF6 포화용액을 지하수에 희석시킨 후에 시험 관정에 주입함으로써 적은 양의 SF6을 사용하여 추적자 분석부에서 SF6의 농도이력곡선을 효과적으로 도출할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 지하수 추적 시스템
100: 추적자 포화용액 제조부
200: 예비 추적자 제조부
300: 예비 추적자 시험부
400: 추적자 제조부
500: 추적자 시험부
600: 추적자 분석부

Claims (11)

  1. 고농도의 추적자 포화용액을 제조하는 추적자 포화용액 제조부;
    상기 추적자 포화용액 제조부에서 제조된 고농도의 추적자 포화용액을 예비 시험 관정에서 양수된 지하수에 희석시킨 예비 추적자 희석액을 제조하는 예비 추적자 제조부;
    상기 예비 추적자 제조부에서 제조된 예비 추적자 희석액을 상기 예비 시험 관정에 주입하여 예비 추적자 희석액을 표류시킨 후에 상기 예비 시험 관정으로부터 지하수를 양수하는 예비 추적자 시험부;
    상기 추적자 포화용액 제조부에서 제조된 고농도의 추적자 포화용액을 시험 관정에서 양수된 지하수에 희석시킨 추적자 희석액을 제조하는 추적자 제조부; 및
    상기 추적자 제조부에서 제조된 추적자 희석액을 상기 시험 관정에 주입하여 상기 추적자 희석액을 표류시킨 후에 상기 시험 관정으로부터 지하수를 양수하는 추적자 시험부;
    를 포함하고,
    상기 추적자는 SF6(육불화황)으로 마련되고,
    상기 추적자 포화용액 제조부에서 SF6을 지하수에 폭기시킴으로써 고농도의 SF6 포화용액이 제조될 수 있으며,
    상기 예비 추적자 제조부는 상기 추적자 포화용액 제조부에서 제조된 SF6 포화용액을 예비 시험 관정에서 양수된 지하수에 희석시켜 예비 SF6 희석액을 제조하고, 상기 추적자 제조부는 상기 추적자 포화용액 제조부에서 제조된 SF6 포화용액을 시험 관정에서 양수된 지하수에 희석시켜 SF6 희석액을 제조하며,
    상기 예비 추적자 시험부에서 상기 추적자 제조부에서 사용될 SF6 포화용액의 적정 주입량이 결정되는 지하수 추적 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 예비 추적자 시험부에서 상기 예비 시험 관정으로부터 양수된 지하수 또는 상기 추적자 시험부에서 상기 시험 관정으로부터 양수된 지하수 내 용존하는 추적자를 추출 및 분석하는 추적자 분석부;
    를 더 포함하는 지하수 추적 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 SF6 희석액 내에 염소가 더 주입되어,
    상기 추적자 분석부에서 상기 염소의 염분 농도 데이터 및 상기 양수된 지하수 내 용존하는 SF6의 농도 데이터로부터 염분 및 SF6의 농도이력곡선 도출되는 지하수 추적 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 SF6 포화용액의 적정 주입량은 상기 추적자 분석부에서 도출되는 SF6의 농도이력곡선의 농도 범위가 상기 추적자 분석부의 검출한계 이상의 범위에서 획득되도록 결정되는 지하수 추적 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 추적자 시험부에서 상기 지하수는 상기 추적자 분석부에서 검출된 염소의 염분 농도가 상기 시험 관정 주위 염소의 배경농도에 대응될 때까지 양수되는 지하수 추적 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 시험 관정은,
    지반 내에 관입되어 상기 추적자 희석액이 주입되는 관;
    상기 관 내에 이격 배치된 복수 개의 스크린(screen);
    상기 관 내에서 상기 복수 개의 스크린 사이에 배치되어 상기 관 내에 주입된 추적자 희석액의 수직 이동을 제한하는 제1 패커(packer);
    상기 관의 외측에서 상기 복수 개의 스크린 사이에 배치되어 상기 관 내에 주입된 추적자 희석액의 수직 이동을 제한하는 제2 패커; 및
    상기 복수 개의 스크린 중 하나에 배치되어 상기 관을 통해 지하수를 양수시키는 펌프;
    를 포함하고,
    상기 펌프에 의해 상기 추적자 희석액과 함께 표류된 지하수가 양수되는 지하수 추적 시스템.
  7. 고농도의 SF6 포화용액이 제조되는 단계;
    일정량의 SF6 포화용액 및 지하수가 희석된 예비 SF6 희석액이 제조되는 단계;
    상기 예비 SF6 희석액을 사용하여 예비 시험 관정에서 예비 추적자 시험이 수행되는 단계;
    상기 예비 추적자 시험을 통해 SF6 포화용액의 적정 주입량이 결정되는 단계;
    추적자 시험을 실시하고자 하는 시험 지역에 설치된 시험 관정으로부터 지하수가 양수되는 단계;
    상기 예비 추적자 시험을 통해 결정된 SF6 포화용액의 적정 주입량에 의해 SF6 희석액이 제조되는 단계; 및
    상기 시험 관정에서 추적자 시험이 수행되는 단계;
    를 포함하고,
    상기 예비 추적자 시험을 통해 결정된 SF6 포화용액의 적정 주입량에 의해 SF6 희석액이 제조되는 단계에서, 상기 예비 SF6 희석액을 제조하기 위해 사용된 SF6 포화용액이 사용되는 지하수 추적 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 시험 관정에서 추적자 시험이 수행되는 단계는,
    상기 SF6 희석액이 상기 시험 관정에 주입되는 단계;
    상기 SF6 희석액이 지반 내에서 지하수와 함께 표류되는 단계; 및
    상기 시험 관정으로부터 상기 SF6 희석액과 함께 표류된 지하수가 양수되는 단계;
    를 포함하고,
    상기 시험 관정으로부터 상기 SF6 희석액과 함께 표류된 지하수가 양수되는 단계에서 지하수의 양수량은 상기 SF6 희석액을 제조하기 위해 상기 시험 관정으로부터 지하수가 양수되는 단계에서 지하수의 양수량보다 많은 지하수 추적 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 시험 관정에서 추적자 시험이 수행되는 단계 후에,
    상기 양수된 지하수가 정량으로 샘플링 되는 단계;
    상기 샘플링 된 지하수 내 용존하는 SF6가 추출되는 단계; 및
    상기 추출된 SF6의 농도가 분석되는 단계;
    를 더 포함하고,
    상기 추출된 SF6의 농도가 분석되는 단계에서,
    상기 SF6의 농도이력곡선이 도출되고,
    상기 SF6의 농도이력곡선으로부터 상기 시험 관정 내 지하수의 이동 속도 또는 지질 매체의 유효 공극률이 산출되는 지하수 추적 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 예비 SF6 희석액을 사용하여 예비 시험 관정에서 예비 추적자 시험이 수행되는 단계는,
    상기 예비 SF6 희석액이 상기 예비 시험 관정에 주입되는 단계;
    상기 예비 SF6 희석액이 지반 내에서 지하수와 함께 표류되는 단계; 및
    상기 예비 시험 관정으로부터 상기 예비 SF6 희석액과 함께 표류된 지하수가 양수되는 단계;
    상기 양수된 지하수 내 용존하는 SF6가 추출되는 단계; 및
    상기 추출된 SF6의 농도가 분석되는 단계;
    를 더 포함하며,
    상기 추출된 SF6의 농도가 분석되는 단계에서 도출된 상기 SF6의 농도이력곡선으로부터 상기 예비 SF6 희석액을 제조하기 위해 사용된 일정량의 SF6 포화용액 및 지하수가 적정량인지 판단되는 지하수 추적 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 시험 관정에서 추적자 시험이 수행되는 단계 후에,
    상기 시험 관정 주위에 베일러가 설치되는 단계;
    상기 베일러를 통해 상기 시험 관정 내의 지하수가 양수되는 단계;
    상기 양수된 지하수로부터 SF6가 추출되는 단계; 및
    상기 추출된 SF6의 농도가 분석되는 단계;
    를 더 포함하고,
    상기 추출된 SF6의 농도가 분석되는 단계에서,
    미량의 SF6 농도가 검출되면 상기 검출된 SF6의 농도가 상기 시험 관정 주위 SF6의 배경농도로 설정될 수 있는 지하수 추적 방법.
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