KR102225911B1 - 토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 방법 및 장치 - Google Patents

토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 방법은, 양단이 개방된 중공의 파이프의 외면에 설치된 포트에 수두 측정라인의 일단을 연결하여 상기 수두 측정라인을 상기 중공의 파이프와 나란하게 수직으로 세운 다음, 지표수에 잠긴 퇴적물의 일정 깊이까지 수직으로 삽입하고, 상기 중공의 파이프에 물을 일정 수위까지 채운 상태를 유지하며, 상기 퇴적물 하단부의 수두가 안정될 때까지 기다리고, 상기 퇴적물 하단부의 수두가 안정되면 상기 퇴적물 칼럼 상, 하단부 수두 차(h0 = hu0 - hl0)를 우선 측정하며, 상기 수두 차(h0)를 측정한 다음, 상기 파이프로의 물 공급을 중단하고, 시간대별 상기 퇴적물 칼럼 상, 하단부 수두 차(ht = hut - hlt)를 측정하며, 상기 퇴적물 칼럼 상, 하단부 수두 차 h0 (hu0 - hl0)와 ht (hut - hlt )를 아래 식에 대입하여 지표수에 잠긴 상기 퇴적물의 수직 수리전도도를 구하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112021009204406-pat00006

여기서, Kv는 지표수에 잠긴 퇴적물의 수직 수리전도도이고, L은 퇴적물 컬럼의 길이이며, t는 시간이고, ln은 자연 로그임.

Description

토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 방법 및 장치{FALLING HEAD TEST METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING SATURATED HYDRAULIC CONDUCTIVITY OF SOILS}
본 발명은 토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 지표수와 지하수간의 물교환 (지표수-지하수 상호작용)이 일어나는 하천, 호수 그리고 바다와 같은 지표수 하부 퇴적물(submerged sediments)의 수리전도도 측정이 가능한 변수두 투수시험 방법 및 장치에 관한 것이다.
지표수와 지하수는 상호 연결되어 한쪽 영역에서의 물리적, 화학적 변화는 다른 한쪽에도 영향을 미치는, 즉 상호작용을 하는 하나의 자원으로 인정되고 있다.
지표수-지하수 상호작용은 물수지 분석, 영향분이나 오염물질의 이동경로 파악, 지하수 유동시스템 규명 등 여러 가지 측면에서 필수적으로 평가되어야 할 사항이다.
지표수와 지하수의 상호작용은 지표수에 잠긴 퇴적물(대수층)로부터 지표수로의 배출 또는 지표수에서 대수층으로의 함양 정도를 의미하므로, 이의 정량적 평가를 위해서는 지표수-퇴적물 경계면 퇴적물의 포화 수리전도도 측정이 필수적으로 요구된다.
수리전도도는 대수층 구성 물질이 얼마나 물을 잘 흐르게 하는가를 나타내는 토양의 물리적 특성을 나타내는 수치이며, 이의 측정에는 정수두(constant head) 또는 변수두(falling head) 방식의 시험법, seepage meter와 지표수-지하수 간의 수리구배를 이용하는 방법, 순간수위변화법(slug test), 입도분석(grain size analysis), 추적자, 모델링 등을 통한 추정 방법이 이용되고 있다.
변수두 투수시험 방식의 수리전도도 측정방법에는 Darcy's law에 기반하여 Todd(1980)가 유도한 식 (1)과, Hvoslev (1951)가 유도한 식 (2)의 2가지 방식이 있다 (Landon, (비특허문헌 1)).
식 (1)
Figure 112021009204406-pat00001
식 (2)
Figure 112021009204406-pat00002
식 (1), (2)에서 ln은 자연로그, h0 는 파이프내 수위를 일정하게 유지한 상태에서의 퇴적물 상하단간 수두 차, ht는 파이프로의 물 공급 중단 후의 퇴적물 상하단간 수두 차, Kv 는 수직 수리전도도, L은 파이프내 퇴적물 컬럼의 길이, 그리고 t는 시간이다.
D는 파이프의 직경, m은 수직 수리전도도에 대한 수평 수리전도도의 비에 대한 제곱근이다.
Landon (비특허문헌 1)은 식 (1)을 이용하여 현장에서 하상퇴적물의 수직 수리전도도 (vertical hydraulic conductivity)를 측정한 결과, 하상퇴적물의 수직 수리전도도는 수리전도도 측정에 사용된 원형파이프의 직경(D)에 따라 그 값이 상이함을 확인하고, 현장에서의 수리전도도 측정에 식(1)의 적용이 부적절함을 보고하였다.
이러한 연구 결과는 추후의 연구자들에게 영향을 미쳐 현재 식 (1)을 이용한 현장 수직 수리전도도 측정 예는 찾아 보기 힘들다.
연구자들의 거의 대부분은 식 (2)를 이용하여 하상퇴적물의 현장 수직 수리전도도를 구하고 있는 실정이다(비특허문헌 2와 3).
Landon (비특허문헌 1)은 파이프내 퇴적물 칼럼의 상단부의 수두 만을 수리전도도 산정에 이용하여 잘못된 결과를 도출한 것으로 판단된다.
이는 Darcy's law에 기반하여 유도된 식 (1)을 이용하기 위해서는 2지점에서의 수두(hydraulic head) 측정 및 사용이 요구되기 때문이다.
현재 식 (1)에 기반한 변수두 투수시험방식은 퇴적물 칼럼의 상, 하단부 2지점에서의 수두(hydraulic head) 측정이 가능한 실내시험에서 주로 사용되고 있는 실정이다.
한국등록특허 제10-1366057호
Landon, M.K., Rus, D. L., Harvey, F. E., 2001. Comparison of instream methods for measuring hydraulic conductivity in sandy streambeds. Ground Water. 39, 870-885. Chen, X., 2000. Measurement of streambed hydraulic conductivity and its anisotropy. Environmental Geology 39, 1317-1324. Genereux et al., 2008. Spatial and temporal variability of streambed hydraulic conductivity in West Bear Creek, North Carolina, USA. Journal of Hydrology 358, 332-353. Lee, B.-J., Lee, J.-H., Yoon, H., Lee, E., 2015. Hydraulic experiments for determination of in situ hydraulic conductivity of submerged sediments. Sci.Rep.5, 7917.
본 발명은 전술한 바와 같은 Darcy's law 기반 변수두 투수시험법의 현장 적용에 관련한 문제점 해결과 더불어, 지표수-지하수 상호작용이 활발하게 일어나는 곳에서도 지표수에 잠긴 퇴적물의 수리전도도 측정을 정확하게 할 수 있는 토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 구성이 간단하여 휴대성이 좋고 측정 내용이 단순하여 사용하기 편리한 토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1관점에 따른 토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 방법은, 양단이 개방된 중공의 파이프의 외면에 설치된 포트에 수두 측정라인의 일단을 연결하여 상기 수두 측정라인을 상기 중공의 파이프와 나란하게 수직으로 세운 다음, 지표수에 잠긴 퇴적물의 일정 깊이까지 수직으로 삽입하고, 상기 중공의 파이프에 물을 일정 수위까지 채운 상태를 유지하며, 상기 퇴적물 하단부의 수두가 안정될 때까지 기다리고, 상기 퇴적물 하단부의 수두가 안정되면 상기 퇴적물 칼럼 상, 하단부 수두 차(h0 = hu0 - hl0)를 우선 측정하며, 상기 수두 차(h0)를 측정한 다음, 상기 파이프로의 물 공급을 중단하고, 시간대별 상기 퇴적물 칼럼 상, 하단부 수두 차(ht = hut - hlt)를 측정하며, 상기 퇴적물 칼럼 상, 하단부 수두 차 h0 (hu0 - hl0)와 ht (hut - hlt )를 아래 식에 대입하여 지표수에 잠긴 상기 퇴적물의 수직 수리전도도를 구하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112021009204406-pat00003
여기서, Kv는 지표수에 잠긴 퇴적물의 수직 수리전도도이고, L은 퇴적물 컬럼의 길이이며, t는 시간이고, ln은 자연 로그임.
이때, 상기 수두 측정라인은 관 형태의 투명 재질로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 상기 수두 측정라인은 투명하고 플렉시블한 재질로 형성된 것이 바람직하다.
아울러, 상기 복수의 포트에는 상기 파이프 내 퇴적물이 상기 수두 측정라인으로 유입되지 않도록 소정의 망처리가 된 것이 바람직하다.
게다가, 상기 파이프는 원통형태 또는 다각형태로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 제2관점에 따른 토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 장치는, 전술한 토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 방법을 수행하기 위한 것으로서, 지표수에 잠긴 퇴적물에 수직으로 삽입되는 양단이 개방된 중공의 파이프; 및 상기 퇴적물에 삽입된 중공의 파이프의 외면에 설치되되 상기 파이프의 내부와 연통하는 포트에 일단이 연결되어 상기 파이프 내 퇴적물 칼럼 하단부의 수두를 측정하는 수두 측정라인;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 수두 측정라인은 투명하고 플렉시블한 플라스틱 튜브로 이루어지는 것이 바람직하다.
게다가, 상기 복수의 포트에는 상기 파이프 내 퇴적물이 상기 수두 측정라인으로 유입되지 않도록 소정의 망처리가 된 것이 바람직하다.
기타 실시예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.
전술한 과제의 해결수단에 의하면 본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.
본 발명은 파이프내 삽입된 퇴적물의 상, 하단부 수두 차 h0와 ht를 Todd(1980)가 유도한 식 (1) 또는 이의 변형 식인 식(3)에 대입하여 퇴적물의 수직 수리전도도를 구함으로써, 실내에서만 가능하였던 Darcy's law 기반의 변수두 투수시험의 현장 적용이 가능하도록 하였다.
또한, 본 발명은 Darcy's law 적용하여 수리전도도를 구하는데 요구되는 퇴적물을 통과한 물량과 2개 지점에서의 수두 측정이 가능하며, 측정 장치의 이러한 기능은 수리전도도 측정 지점에서의 지표수-지하수 상호작용의 방향 및 세기에 영향을 받지 않고 퇴적물 수리전도도 측정을 할 수 있다.
즉, 지표수-지하수 상호작용이 활발하게 일어나는 하천이나 해안 퇴적물의 수리전도도 측정이 가능하다.
아울러, 본 발명은 직경이 일정한 파이프를 이용함으로써 파이프내 퇴적물 상단과 하단의 단면적이 동일하여 수식에서 이들 항목들이 약분되어 제거되므로 시험에서의 측정 항목이 줄어 계산이 간편해지고, 장비의 구성이 간단하여 휴대성이 좋아지는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 방법을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 방법을 검증하기 위한 실내 시험장치를 개략적으로 설계한 도면이다.
도 3은 도 2에 따라 구성한 실내 시험장치의 실제 사진이다.
도 4는 도 3의 시험장치를 이용하여 구한 ΔH 별 퇴적물 상, 하단부 수두 차와 시간간의 상관관계를 나타낸 그래프들이다.
도 5은 도 4의 ΔH 별 퇴적물 상, 하단부 수두 차와 시간간의 상관관계에 대한 직선 회귀식의 기울기로부터 탱크 퇴적물(sand)의 ΔH 별 포화 수리전도도의 값을 나타낸 그래프이다.
도 6은 비특허문헌 4의 방법으로 구한 동일 탱크 퇴적물(sand)의 포화 수리전도도의 값을 나타낸 그래프로서 직선회귀식의 기울기가 수리전도도를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실내시험과 동일한 장치 및 조건으로 Hvoslev equation에 기반한 비특허문헌 2의 방법으로 구한 ΔH 별 수리전도도와의 비교 결과이다.
도 8은 본 발명의 실내시험과 동일한 장치 및 조건으로 Hvoslev equation에 기반한 수리전도도 측정 방법으로 비특허문헌 3에서 제안된 방법에 따라 측정된 ΔH 별 수리전도도를 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.
더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.
반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.
마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에 있어서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.
더욱이, 본 발명의 명세서에서는, "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.
본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 방법을 개념적으로 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 방법은, 파이프(standpipe)(1) 내의 퇴적물(S) 칼럼의 상, 하단부 수두를 측정하고 이를 시간에 따른 수위강하량 계산에 적용하여 수리전도도(Kv)를 구하는 방법이다.
즉, 본 발명에 따른 토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 방법은, 퇴적물(S)에 양단이 개방된 중공의 파이프(standpipe)(1)를 수직으로 삽입하고, 퇴적물(S)에 삽입된 중공의 파이프(1)의 외면에 설치된 포트(1a)에 수두 측정라인(2)의 일단을 연결하여 수두 측정라인(2)을 중공의 파이프(1)와 나란하게 수직으로 세운 다음, 중공의 파이프(1)에 물(W)을 일정 수위까지 채운 후 같은 수위를 유지한 상태로 퇴적물 하단부의 수두가 안정되기를 기다린다.
퇴적물 하단부 수두가 안정되어 더 이상 변화가 없으면, 파이프(1) 내의 퇴적물(S) 칼럼 상, 하단부 수두를 측정하고 그 차이(h0)를 구한다.
이후 파이프로의 물 공급을 중단하고 시간에 따른 퇴적물 상단과 하단의 수두 변화를 측정하여 퇴적물(S) 칼럼 상, 하단부 수두 차(ht)를 구한다.
이렇게 구한 h0와 ht를 전술한 식 (1) 또는 아래 식 (3)에 대입하여 퇴적물(S)의 수직 수리전도도를 구하는 것을 특징으로 한다.
식 (3)
Figure 112021009204406-pat00004
도 1에 도시된 바와 같이 h0 는 파이프(standpipe)(1)에 일정 수위 상태의 퇴적물 칼럼(sediment column) 상, 하단부 수두 차(h0 = hu0 - hl0)이며, ht는 파이프로의 물 공급이 중단된 이후 파이프(1) 내의 퇴적물 칼럼 상, 하단부 수두 차(ht = hut - hlt)이다.
이러한 퇴적물 칼럼(sediment column) 상, 하단부 수두 차(hu0 - hl0)와 (hut - hlt)를 식 (3)에 대입하여 수리전도도(Kv)를 구하게 된다.
이와 같은 토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 장치는, 지표수에 잠긴 퇴적물(S)에 수직으로 삽입되는 양단이 개방된 중공의 파이프(1)와, 상기 퇴적물(S)에 삽입된 중공의 파이프(1)의 외면에 설치되되 상기 파이프(1)의 내부와 연통하는 포트(1a)에 일단이 연결되어 상기 파이프(1) 내 퇴적물 칼럼 하단부의 수두를 측정하는 수두 측정라인(2);을 포함한다.
이때, 수두 측정라인(2)은 투명하고 플렉시블한 플라스틱 튜브로 이루어진다.
또한, 포트(1a)는 파이프(1)의 길이방향을 따라 복수로 형성되되 일정간격 마다 위치한다.
아울러, 복수의 포트(1a)는 평상시에는 밀폐되었다가 수두 측정라인(2)의 일단을 연결하는 경우 개방가능하게 형성될 수 있다.
게다가, 복수의 포트(1a)에는 파이프(1) 내 퇴적물(S)이 수두 측정라인(2)으로 유입되지 않도록 소정의 망처리가 될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 방법을 검증하기 위해 시도한 실내 시험 방식을 개념적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2에 따라 제작된 실제 실내 시험 장치를 보이는 사진이다.
실내 시험 장치는 실제의 하천 환경과 유사하게 구성되는데, 시험탱크(5)의 맨하단에는 미세한 자갈(S2)을 깔고 그 위에 모래(S1)를 소정 두께로 깐 다음 그 위로 물(W)을 공급하여 시험탱크(5)를 채우게 된다.
시험탱크(5) 상단부에는 물(W) 유출구(8)가 개설되어 있어 시험탱크(5) 수위는 일정하게 유지된다.
이와 같이 구성된 시험탱크(5) 내의 모래층(S1)에 파이프(standpipe)(1)를 수직으로 삽입한다.
파이프(1)에 형성된 포트(1a)에 수두 측정라인(2)을 연결하여 퇴적물의 상, 하단부 수두를 측정하게 된다.
이때, 수두 측정은 마노미터와 같은 수두 차 측정기(6)에 의해 수행될 수 있다.
실내 시험에서 지표수-지하수 상호작용을 모사하기 위해서 저수조 (bucket)(4)의 높이를 조절하여 저수조(4)와 시험탱크(5)간 수위 차이(ΔH)를 일정하게 유지할 수 있게 하였다.
저수조(4)의 수위가 시험탱크(5)의 수위보다 높을 경우, 저수조(4)와 시험탱크(5)를 연결한 호스(7)를 통하여 저수조(4)의 물이 시험탱크(5) 하단 중앙부로 유입되어 탱크내 퇴적물을 통해 상향 유동하게 되고, 최종적으로는 시험탱크(5) 상단에 설치된 물 유출구(8)를 통해 탱크 외부로 배출된다.
시험탱크(5)의 수위는 항상 일정하게 유지된다.
저수조(4)의 수위가 시험탱크(5)의 수위보다 낮을 경우, 시험탱크(5) 내 물은 하향유동하여 시험탱크(5)를 연결한 호스(7)를 통하여 저수조(4)로 유입되게 된다.
이 경우 시험탱크(5) 수위를 일정하게 유지하기 위해 일정량 이상의 물을 시험탱크(5) 상부로 직접 공급한다.
저수조(4)로 유입된 물은 저수조(4) 상단의 유출구(9)를 통해 외부로 배출되어 저수조(4)는 일정한 수위를 유지하게 된다.
지표수위와 지하수위가 같아 이들간의 상호작용이 일어나지 않는 경우를 모사할 때에는 저수조(4)를 통한 물 유입과 유출이 없게 하여 시험을 진행하였다.
시험탱크(5)와 저수조(4) 수위 간의 차이(ΔH)를 46.0, 31.7 16.9, 0.0, -11.7, -24.9, -37.0 cm 로 하여 시험을 진행하였다.
이때 수위 차는 시험탱크(5) 수위에서 저수조(4) 수위를 뺀 것이다.
도 4는 도 3의 시험장치를 이용하여 저수조와 시험탱크(5)간 수위 차이(ΔH) 별로 시도한 변수두 투수시험 결과를 나타낸 그래프들이다.
각 그래프들은 시간(t)과 수위강하 ln(ht/h0)간 일차식의 직선 관계로 대응하고 있음을 보여주고 있어, 실험 결과가 Darcy's law 기반의 식 (3)에 부합하고 있음을 보인다.
시간(t)과 수위강하 ln(ht/h0)간의 직선 회귀식의 기울기는 최소 0.00126, 최대 0.00133이며 평균은 0.00129 그리고 표준 편차는 2.36e-5로 수리전도도가 저수조와 시험탱크(5)간 수위 차이(ΔH)에 무관하게 거의 일정함을 보인다.
각 그래프의 시간(t)과 수위강하 ln(ht/h0)간 직선 회귀식의 기울기는 식 (3)의 기울기(Kv/L)와 대응되므로, 도 5의 ΔH 별 수리전도도(Kv)는 ΔH 별 직선 회귀식의 기울기와 퇴적물 컬럼의 길이(L)의 곱하여 구하였다.
도 5는 도 4의 시간(t)과 수위강하 ln(ht/h0)간 직선 회귀식의 기울기와 퇴적물 컬럼의 길이(L)의 곱하여 구한 ΔH 별 수리전도도(Kv)를 나타낸 박스 그래프 (box plot) 이다.
ΔH 별 수리전도도(Kv) 측정을 3회 반복 측정한 결과를 통계처리하여 그 결과를 도시한 그림으로 각 ΔH 별 수리전도도(Kv) 측정결과의 편차(standard deviation)가 거의 없음을 보이며, 특히 ΔH를 달리 하여 시행한 시험의 측정 결과 역시 거의 동일한 수치(0.045 cm/s)에 근접하고 있음을 보이고 있다.
수리전도도는 물을 통과시키는 토양의 수리적 특성을 나타내는 상수(constant)로 ΔH에 무관하게 동일 값을 보여야 한다.
따라서, 모든 ΔH에서 거의 동일한 수리전도도 값을 보여준 위의 시험 결과는 본 발명이 토양의 수리전도도 측정, 특히 지표수-지하수 상호작용이 활발한 곳에서의 수리전도도 측정에 적용 가능한 방법 및 장치임을 지시한다.
도 6은 도 비특허문헌 2의 방법을 적용하여 도 3의 동일 퇴적물(S)을 대상으로 구한 포화 수리전도도(0.042 cm/s)로 본 발명의 방법 및 장치로 구한 수리전도도 값(0.045 cm/s)과 거의 일치하고 있음을 보인다.
수리전도도는 물을 통과시키는 토양의 수리적 특성을 나타내는 상수 (constant)이므로 서로 다른 방법과 장치로 구한 특정 토양의 수리전도도가 일치한다는 것은 본 발명의 방법 및 장치를 이용한 수리전도도 측정의 정확도와 신뢰도가 높다는 것을 지시한다.
도 7은 본 발명의 실내시험과 동일한 장치 및 조건으로 Hvoslev equation에 기반한 비특허문헌 2의 방법으로 구한 ΔH 별 수리전도도와의 비교 결과이다.
본 발명에 의한 수리전도도 측정 결과와는 달리 ΔH 별 수리전도도가 상이함을 보인다.
특히, ΔH 가 커질수록 수리전도도 측정 값의 차이도 커지고 있어, 비특허문헌 2의 방법은 지표수-지하수 상호작용이 활발한 곳에서는 적용하기 어려움을 지시한다.
도 8은 본 발명의 실내시험과 동일한 장치 및 조건으로 Hvoslev equation에 기반한 수리전도도 측정 방법으로 비특허문헌 3에서 제안된 방법에 따라 측정된 ΔH 별 수리전도도를 나타낸 것이다.
본 발명에 의한 것과 유사한 값을 보이나 ΔH 가 커지면 그 차이가 커짐을 볼 수 있다.
이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.
또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.
1 : 파이프(standpipe)
1a : 포트
2, 2a, 2b : 수두 측정라인
3 : 펌프
4 : 저수조(bucket)
5 : 시험탱크(test tank)
6 : 수두차 측정기
7 : 시험탱크와 저수조간 연결호스
8 : 시험탱크 물 유출구
9 : 저수조 물 유출구
W : 물
S: 지표수에 잠긴 퇴적물
S1 : 모래
S2 : 미세 자갈

Claims (8)

  1. 양단이 개방된 중공의 파이프의 외면에 설치된 포트에 수두 측정라인의 일단을 연결하여 상기 수두 측정라인을 상기 중공의 파이프와 나란하게 수직으로 세운 다음, 지표수에 잠긴 퇴적물의 일정 깊이까지 수직으로 삽입하고,
    상기 중공의 파이프에 물을 일정 수위까지 채운 상태를 유지하며, 상기 퇴적물 하단부의 수두가 안정될 때까지 기다리고,
    상기 퇴적물 하단부의 수두가 안정되면 상기 퇴적물 칼럼 상, 하단부 수두 차(h0 = hu0 - hl0)를 우선 측정하며,
    상기 수두 차(h0)를 측정한 다음, 상기 파이프로의 물 공급을 중단하고, 시간대별 상기 퇴적물 칼럼 상, 하단부 수두 차(ht = hut - hlt)를 측정하며,
    상기 퇴적물 칼럼 상, 하단부 수두 차 h0 (hu0 - hl0)와 ht (hut - hlt )를 아래 식에 대입하여 지표수에 잠긴 상기 퇴적물의 수직 수리전도도를 구하는 것을 특징으로 하는,
    토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 방법.
    Figure 112021009204406-pat00005

    여기서, Kv는 지표수에 잠긴 퇴적물의 수직 수리전도도이고, L은 퇴적물 컬럼의 길이이며, t는 시간이고, ln은 자연 로그임.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수두 측정라인은 관 형태의 투명 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는,
    토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 수두 측정라인은 투명하고, 플렉시블한 재질로 형성된 것을 특징으로 하는,
    토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 복수의 포트에는 상기 파이프 내 퇴적물이 상기 수두 측정라인으로 유입되지 않도록 소정의 망처리가 된 것을 특징으로 하는,
    토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 파이프는 원통형태 또는 다각형태로 이루어진 것을 특징으로 하는,
    토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 방법.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 하나의 청구항에 따른 토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 방법을 수행하기 위한 시험 장치로서,
    지표수에 잠긴 퇴적물에 수직으로 삽입되는 양단이 개방된 중공의 파이프; 및
    상기 퇴적물에 삽입된 중공의 파이프의 외면에 설치되되 상기 파이프의 내부와 연통하는 포트에 일단이 연결되어 상기 파이프 내 퇴적물 칼럼 하단부의 수두를 측정하는 수두 측정라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 수두 측정라인은 투명하고 플렉시블한 플라스틱 튜브로 이루어진 것을 특징으로 하는,
    토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 복수의 포트에는 상기 파이프 내 퇴적물이 상기 수두 측정라인으로 유입되지 않도록 소정의 망처리가 된 것을 특징으로 하는,
    토양의 포화 수리전도도 측정을 위한 변수두 투수시험 장치.
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