KR102518022B1 - 지중 오염 탐지용 복합 센서시스템 - Google Patents

지중 오염 탐지용 복합 센서시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR102518022B1
KR102518022B1 KR1020220084980A KR20220084980A KR102518022B1 KR 102518022 B1 KR102518022 B1 KR 102518022B1 KR 1020220084980 A KR1020220084980 A KR 1020220084980A KR 20220084980 A KR20220084980 A KR 20220084980A KR 102518022 B1 KR102518022 B1 KR 102518022B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
sensor
contamination
complex
electrode
main body
Prior art date
Application number
KR1020220084980A
Other languages
English (en)
Inventor
이희순
김성도
안태규
고지혜
Original Assignee
(주)지오룩스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)지오룩스 filed Critical (주)지오룩스
Application granted granted Critical
Publication of KR102518022B1 publication Critical patent/KR102518022B1/ko

Links

Images

Classifications

    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00Survey of boreholes or wells
    • E21B47/10Locating fluid leaks, intrusions or movements
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • B08B1/002
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B12/00Accessories for drilling tools
    • E21B12/06Mechanical cleaning devices
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00Survey of boreholes or wells
    • E21B47/06Measuring temperature or pressure
    • E21B47/07Temperature
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00Measuring or testing not otherwise provided for
    • G01D21/02Measuring two or more variables by means not covered by a single other subclass
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24Earth materials
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01VGEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V11/00Prospecting or detecting by methods combining techniques covered by two or more of main groups G01V1/00 - G01V9/00
    • G01V11/002Details, e.g. power supply systems for logging instruments, transmitting or recording data, specially adapted for well logging, also if the prospecting method is irrelevant
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01VGEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/18Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation specially adapted for well-logging
    • G01V3/20Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation specially adapted for well-logging operating with propagation of electric current
    • GPHYSICS
    • G08SIGNALLING
    • G08CTRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C17/00Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link
    • G08C17/02Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link using a radio link
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02ATECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/30Assessment of water resources

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Abstract

본 발명은 지중 오염 탐지용 복합 센서시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 지중 오염 탐지용 복합 센서시스템은 적어도 하나의 복합센서모듈과, 복합센서모듈을 매달아 지지하기 위한 케이블을 구비한다.
복합센서모듈은 지중 천공홀에 삽입되며 상하방향으로 길게 형성되며 절연성 소재로 형성되는 본체, 본체에 상하방향을 따라 상호 이격되게 설치되며, 적어도 2개의 전류전극 및 2개의 전위전극을 구비하는 전극유닛, 본체에 설치되어 지중의 지화학요소를 측정하며, 전기전도도 센서, 온도 센서, 습도 센서, pH 센서, 용존산소 센서, 질산성질소 센서, 산화환원전위 센서 중 적어도 하나를 구비하는 센서유닛 및 유무선 통신망과 연결되어 센서유닛 및 전극유닛의 측정값을 외부로 송신하는 통신유닛을 구비하는 것에 특징이 있다.

Description

지중 오염 탐지용 복합 센서시스템{COMPLEX SENSOR SYSTEM FOR DETCTING UNDERGROUND CONTAMINATION}
본 발명은 환경오염 저감기술에 관한 것으로서, 특히 지중 오염 여부를 지속적으로 모니터링하는데 사용하는 센서 기술에 관한 것이다.
토양과 지하수의 오염원과 오염경로는 매우 다양하다.
예컨대 NAPL(Non-Aqueous Phase Liquid) 중에서 원유, 가솔린, 벤젠 등 물보다 가벼운 것들은 지중에 침투한 후 대수층의 수위면을 따라 이동하게 된다. 반면 PAHs, 염소처리용제 등 물보다 무거운 것들은 대수층을 통과하여 기반암까지 하강하여 확산된다. 또한 일부의 NAPL은 물에 용존된 상태(dissolved phase)로 이동하는 등, NAPL의 이동 및 확산 경로는 매우 다양하게 나타난다. NAPL은 지중에 유입된 후 지하수를 따라 확산되기 때문에 광범위한 영역에서 오염을 일으킨다.
한편, 폐광 지역 등에서는 중금속에 의한 토양 및 지하수 오염이 나타나곤 한다. 중금속은 앞에서 말한 NAPL과 달리 빗물, 하천 등에 녹아서 지하수에 유입되어 이동되는 특징이 있다. 농가나 축사에서는 비료 살포로 인해 질소산화물이 발생하여 토양이나 지하수의 오염원으로 작용한다. 또한 쓰레기 매립장에서는 유기물, 무기물, 금속 등 복합 오염물이 침출수 형태로 배출된다.
지중 오염은 한 번 발생하고 나면 NAPL이나 중금속처럼 지하수를 매개로 매우 광범위하게 확산되기 때문에 초기에 오염을 차단하는 것이 매우 중요하다.
이에 지중 오염원으로 작용할 수 있는 물질을 취급하는 곳에서는 지중 오염여부 및 오염물의 거동을 지속적으로 모니터링할 필요가 있다. 그러나 종래에는 이러한 모니터링이 거의 이루어지지 않았고, 오염이 발생된 후에 사후 복원처리가 중심이 되었다.
또한 오염 여부를 조사하고 모니터링을 하는 경우에도 주로 Ex-situ 방식의 시료 샘플링 조사 및 분석에 의존하였다. ex-situ 방식의 경우 간헐적으로 진행할 수 밖에 없고, 넓은 지역을 대상으로 하기 때문에 이미 오염된 영역을 탐지하는데는 유리할 수 있어도, 오염이 진행되고 있는 과정에서 오염 경로를 정밀하게 파악하는 데에는 한계가 있다. 오염이 실시간으로 확산되고 있는 과정에서는 in-situ 방식으로 오염원 이동 경로에서 오염 확산 추이를 모니터링할 수 있는 탐지 장치가 요청된다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 오염 우려가 있는 영역의 지중에 설치되어 지반의 물리적, 화학적 요소를 탐지함으로써 지중 오염 여부 및 오염 경로를 실시간으로 파악할 수 있는 복합 센서시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지중 오염 탐지용 복합 센서시스템은, 지반에 형성된 천공홀에 삽입설치되는 적어도 하나의 복합센서모듈과, 상기 복합센서모듈을 매달아 지지하기 위한 케이블을 구비하며, 상기 복합센서모듈은 지중 천공홀에 삽입되며 상하방향으로 길게 형성되며 절연성 소재로 형성되는 본체, 상기 본체에 상하방향을 따라 상호 이격되게 설치되며, 적어도 2개의 전류전극 및 2개의 전위전극을 구비하는 전극유닛, 상기 본체에 설치되어 지중의 지화학요소를 측정하며, 전기전도도 센서, 온도 센서, 습도 센서, pH 센서, 용존산소 센서, 질산성질소 센서, 산화환원전위 센서 중 적어도 하나를 구비하는 센서유닛 및 유무선 통신망과 연결되어 상기 센서유닛 및 전극유닛의 측정값을 외부로 송신하는 통신유닛을 구비하는 것에 특징이 있다
본 발명에 따르면, 상기 전류전극 및 전위전극은 링 형상으로 상기 본체의 외주면을 둘러싸며 부착된다.
본 발명의 일 예에서, 상기 복합센서모듈은 상기 전극을 이용하여 상기 복합센서모듈이 위치한 지점을 중심으로 반경 10cm 이내의 국소 영역에 대한 전기비저항을 측정한다.
본 발명의 일 예에서, 상기 본체에 상하방향으로 왕복이동 가능하게 결합되는 지지대와, 고리형으로 형성되어 상기 본체부를 둘러싸며, 상기 지지대에 회전가능하게 결합되어 상기 전류전극 및 전위전극을 세척하도록 상기 지지대에 상하방향을 따라 상호 이격되게 배치되는 복수의 세척링과, 상기 세척링을 회전시키기 위한 구동수단을 포함하여 이루어진 세척유닛을 더 구비할 수 있다.
그리고 상기 세척링의 내주면에는 다수의 침상 브러쉬가 부착되어, 상기 전극의 표면과 접촉 및 세척하는 것이 바람직하다.
또한 상기 세척링의 내부에는 상기 전극을 세척하기 위한 세척액을 상기 브러쉬 쪽으로 공급하기 위한 유로가 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 지중 오염 탐지용 복합 센서시스템은 대상 지역에서 오염 발생시 오염원의 이동 경로로 예상되는 지점에 설치되어 타겟 영역의 오염 여부를 매우 정밀하게 탐지할 수 있다.
특히 전기비저항과 지화학 요소를 동시에 탐지가능하여, 오염 여부를 실시간으로 신뢰성있게 탐지하여, 신속하게 대응함으로써 오염확산을 방지할 수 있는 이점이 있다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 본 발명의 일 예에서 사용하는 복합 센서시스템의 개략적 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 지중 오염 모니터링 방법을 위해 복합 센서시스템을 지중에 설치한 모습을 나타낸 것이다.
도 3은 도 1에 도시된 복합 센서시스템을 이용한 지중 오염 모니터링 방법의 개략적 흐름도이다.
도 4는 세척유닛을 구비하는 형태의 복합센서모듈의 개략적 정면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 복합센서모듈의 개략적 종단면도이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 일 예에 따른 지중 오염 모니터링 방법에 대하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 예에서 사용하는 복합 센서시스템의 개략적 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 지중 오염 모니터링 방법을 위해 복합 센서시스템을 지중에 설치한 모습을 나타낸 것이다.
도면을 참고하면, 본 발명의 일 예에 따른 복합 센서시스템(100)은 적어도 하나의 복합센서모듈(90)과, 이 복합센서모듈(90)을 매달아 지지하여 천공홀에 삽입하기 위한 케이블(c)을 구비한다. 케이블에는 복수의 복합센서모듈이 상호 이격되게 설치될 수 있다. 케이블(c)에는 후술할 복합센서모듈(90)에 전원을 공급하고 통신을 수행하기 위한 전기선과, 복합센서모듈을 지지하기 위한 견인줄이 복합설치된다.
복합센서모듈(90)은 본체(10)를 구비한다. 본 예에서 본체(10)는 원기둥 형태로 상하방향으로 길게 배치되며, 전류를 통하지 않도록 절연성 소재로 이루어진다. 케이블(c)에 설치되어 있는 전기선은 본체(10)의 내부로 연장되어 후술할 전극 및 지화학센서와 전기적으로 연결된다.
본체(10)의 외주면에는 적어도 4개의 전극을 구비하는 전극유닛이 설치된다. 전극유닛을 이루는 4개의 전극 중 2개의 전극은 전류전극(21,22)으로, 나머지 2개의 전극은 전위전극(23,24)으로 활용되어 주변 영역에 대한 전기비저항을 측정한다. 즉 한 쌍의 전류전극(21,22)을 통해 직류전류를 지반에 주입하고, 다른 한 쌍의 전위전극(23,24)에서 전위차를 측정하여 지하의 전기비저항 분포를 탐지한다. 다만 4개의 전극은 지표에 연결된 단자를 변경함으로써 각각 전류전극 또는 전위전극으로 모두 활용할 수 있다. 즉 전류전극과 전위전극의 배열을 다양하게 변경할 수 있다. 예컨대, 다른 실시예에서는 본체(10)의 길이방향을 따라 위의 2개를 전류전극으로, 아래의 2개를 전위전극으로 활용할 수도 있다. 본 예에서 전극(21~24)은 원형 링 형상으로 이루어지므로, 본체(10)의 설치방향에 관계없이 복합센서모듈(90)이 배치된 지점의 전기비저항을 측정할 수 있다. 일반 지표 물리탐사의 전기비저항 탐사에서는 수백m에서 수km까지의 광역 영역에서 전기비저항 분포를 파악하는 것이 일반적인데, 본 예에서 복합센서모듈(90)에 의한 전기비저항 탐사는 전극 주변 수 cm(최대 10cm) 반경의 국부 영역의 비저항을 측정한다는 점에서 차이가 있다. 본 발명에서는 복합센서모듈을 오염원의 이동 경로로 예측되는 중요 지점에 배치하기 때문에, 해당 지점의 변화를 민감하게 관측하는 것이 중요하다. 기존에 오염원 탐지를 위해 활용한 지표 물리탐사는 오염원의 전체 분포를 보는 것이기 때문에 특정 국소 영역에 대한 정확한 관측 해상도는 떨어질 수 밖에 없고, 오염원의 경로를 파악하기는 어렵다. 본 발명에 따른 센서시스템에서는 오염원의 이동 경로로 예상되는 지점 주변의 국부 영역을 정밀하게 관측하는데 초점을 맞추고 있다.
또한 본체에는 적어도 하나의 지화학센서를 구비하는 센서유닛(30)이 설치된다. 지화학센서는 대상 지역의 잠재적 오염원의 탐지에 유리한 것을 선택하여 설치하게 되는데, 예컨대 전기전도도 센서, 온도 센서, 습도 센서, pH 센서, 용존산소 센서, 질산성질소 센서, 산화환원전위 센서들이 설치될 수 있다. 오염원이 철, 중금속 등이 포함되어 지중 오염된 경우, 전기전도도의 변화를 탐지하여 오염을 확인할 수 있다. 또는 산이나 염기 용액 오염물의 경우 pH 변화로 탐지가 가능하다. 또한 축산폐수 등 유기 오염원의 경우 질산성 질소를 탐지하여 오염 여부를 확인가능하다. 즉 대상 지역의 오염원 종류에 따라 오염 여부 탐지에 적합한 센싱 요소를 특정하여 지화학센서를 선택할 수 있다. 지화학센서들은 전극들과 마찬가지로 본체(10) 내부의 전기선과 연결되며, 본체에 마련된 통신유닛(미도시)을 통해 측정 데이터를 외부의 콘트롤러에 전송한다. 통신유닛은 전기선에 의하여 유선으로 구현하는 것이 일반적이지만, 무선 통신유닛을 사용할 수도 있다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명에 따른 센서시스템을 이용한 지중 오염 탐지방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 3은 도 1에 도시된 복합 센서시스템을 이용한 지중 오염 모니터링 방법의 개략적 흐름도이다.
도면을 참고하면, 지중 오염 모니터링 방법에서는 먼저 대상 지역의 특성을 파악한다. 먼저 잠재적 오염원으로 작용할 수 있는 물질이 무엇인지 파악한다. 예컨대 대상 지역이 유류저장소라면 기름이 주요 오염원이 될 것이며, 제련소 주변이라면 비소나 중금속이 잠재적 오염원이 될 것이다. 이렇게 대상 지역에 대한 잠재적 오염원이 결정되면, 해당 오염원의 거동 특성을 파악할 수 있다. 앞의 종래기술에서도 설명하였듯이 오염원은 물리적, 화학적 특성에 따라 확산 경로가 서로 다르게 나타난다. 유류 같이 가벼운 LNAPL은 대수층 수면 위를 따라 이동하며, 무거운 DNNAPL은 대수층 아래의 기반암까지 하강하여 확산된다. 즉 확산되는 경로가 다르다. LNAPL이 잠재적 오염원인 경우 대수층 수위면에서 LNAPL의 존재를 파악함으로써 오염 여부를 탐지할 수 있을 것이고, DNAPL의 경우 대수층 아래의 기반암 위에서 센싱을 통해 오염 여부를 탐지하는 것이 효과적일 것이다. 위와 같이 NAPL의 경우 물에 녹지 않아서, 대수층의 수위면이나 하부면에서 센싱이 가능하지만, 물에 녹는 오염원의 경우라면 대수층 내에서 오염 여부를 탐지해야 한다.
위와 같이 대상지역의 잠재적 오염원을 파악하고, 해당 오염원의 물리적, 화학적 특성에 따른 확산 경로를 파악한다. 그리고 대상 지역에 대한 지질조사를 통해 잠재적 오염원이 확산될 것으로 예상되는 지점을 찾아낸다. 지질조사 방법은 다양하다. 대상 지역에 대하여 코어링을 하거나, 전기탐사, 전자탐사, 탄성파탐사 등 지표 물리탐사를 수행할 수도 있다. 또한 직접 조사를 하지 않더라도, 대상 지역에 대한 기존의 시추주상도 데이터를 통해 파악할 수도 있다. 즉 여기서 말하는 지질조사는 직접 조사는 물론, 기존의 지질조사 데이터를 이용하는 것도 포함할 수 있다. 또한 지질조사는 지층 구조를 파악하는 것 이외에, 수리지질적 측면도 포함한다. 앞에서 언급한 것처럼, 오염원의 이동 및 확산은 지하수나 대수층과 관련이 크다. 이에 대상 지역의 년간 지하수 및 대수층의 수위 변화, 지하수가 이동가능한 대규모 절리 발달 여부 등을 함께 파악한다.
지질조사를 통해 잠재적 오염원의 지중 이동 경로를 예측한 후 복합센서모듈을 설치할 지점, 즉 위치 및 심도를 결정한다. 예컨대 지하수 평균 수위면, 기반암과 대수층의 경계, 절리면 등으로 결정할 수 있다. 본 발명에서는 대상 지역에서 오염원이 높은 확률로 이동할 것으로 예측되는 복수의 지점을 선택하여 복합센서모듈을 각각 설치할 수 있다.
복합센서모듈(90)을 배치할 위치와 심도를 결정한 후에는 복합센서모듈을 준비한다. 즉 전극(21~24)과 함께 해당 오염원을 탐지하기에 적합한 지화학센서를 설치하여 복수의 복합센서모듈(90)들을 제조한다.
그리고 도 2에 도시된 바와 같이 대상 지역(A)의 지반(g)에 천공홀(h)을 형성한다. 지반을 천공하는 경우 시추공처럼 공벽 붕괴를 방지하기 위하여 케이싱을 설치할 수도 있으며, 케이싱 없이 단순 드릴링을 통해 천공홀을 만들 수도 있다. 천공홀을 형성하면 도 2에 도시된 바와 같이 케이블에 매달려 있는 복수의 복합센서모듈(90)을 천공홀을 심도방향을 따라 서로 이격되게 배치한다.
센서시스템(100)의 설치가 완료되면 콘트롤러에서 보낸 신호에 따라 전극유닛과 센서유닛을 작동시켜 복합센서모듈이 설치된 국부 영역에 대하여 전기비저항 및 지화학요소를 측정한다.
본 발명에 따른 복합 센서시스템에 의해 수행되는 전기비저항 탐사에 대하여 간략하게 설명한다. 한 쌍의 전류전극을 통해 지하에 전류를 주입하면 1차 전위(primary potential)를 만들어내며, 이 1차 전기장에 의해 배경매질과 전기비저항이 다른 이상체의 표면에 표면전하가 발생하며, 표면전하에 의하여 2차 전기장 및 전위가 생성된다. 1차 전기장과 2차 전기장의 합인 합성장의 전위차를 측정하는 것이 전기비저항 탐사이다. 다만 앞에서도 설명한 바와 같이, 일반 지표 물리탐사에서는 넓은 광역 범위에서 전기비저항 분포를 파악하지만, 본 발명에 따른 센서시스템에서는 복합센서모듈이 설치된 지점의 반경 최대 10cm 내의 국소 영역에 대한 비저항을 측정한다는 점에서 차이가 있다. 지반으로 주입되는 전류를 조절함으로써 국소 영역만의 전기 비저항을 측정할 수 있다. 각 오염원은 특성에 따라서 이동하는 경로를 예측할 수 있기 때문에 이동 경로의 중요 포인트(국소 영역)에 대해서 정밀한 조사를 수행하는 것이 오염 여부를 파악하는데 효과적이다.
그리고 전기비저항 및 지화학 요소에 대한 측정은 지속적, 주기적으로 진행된다. 즉 장기간 동안 모니터링의 관점에서 진행된다. 그리고 전극 및 지화학센서에 의해서 측정된 데이터들은 데이터 베이스에 저장된다.
일상적인 모니터링 과정에 측정값에서 비정상치가 발견되면 콘트롤러에서는 실시간으로 알람을 발송하여 해당 지역의 오염 여부를 경고하고 정밀 조사를 수행할 수 있다. 모니터링을 통해 오염원이 널리 확산되기 전에 빠르게 대응할 수 있다. 다만, 본 발명에 따른 센서시스템이 일상적, 주기적 모니터링 방식에 한정적으로 적용되는 것은 아니며, 특정 지역을 일회적으로 조사하는 경우에도 적용할 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 복합 센서시스템(100)을 이용한 전기비저항 및 지화학요소를 측정하는 것과 함께, 일회적으로 또는 비주기적으로 지표 물리탐사를 병행할 수 있다. 예컨대 대상 지역에 센서시스템(100)을 설치할 시점, 오염원이 탐지된 시점에 지표 물리탐사를 간헐적으로 수행할 수 있다. 특히 오염원이 확산되었다고 판단된 경우 넓은 영역에 대한 지표 물리탐사를 통해 오염 분포를 확인할 수 있다. 물리탐사의 경우 2차원 및 3차원 탐사가 가능하지만, 심도방향을 포함하는 3차원 탐사에서는 오염물질의 탐지에서 한계가 있다. 이에 본 발명에서는 심도방향 탐지는 센서시스템(100)을 이용하고, 평면방향 조사에는 지표 물리탐사를 이용하여 오염원의 3차원 분포를 확인할 수 있다.
물리탐사 방법은 매우 다양한데, 오염물질의 종류에 따라 보다 민감도가 높은 방법이 있다. 본 발명에서는 잠재적 오염원이 무엇인지를 이미 알고 있기 때문에 물리탐사 방법을 보다 효과적으로 선택할 수 있다. 예컨대 전기탐사, 보다 구체적으로는 전기비저항탐사와 유도분극탐사 중 어느 하나를 선택적으로 실시하거나, 이들을 함께 실시할 수도 있다. 전기비저항탐사는 전극이 연속적으로 설치된 스트리머를 지반에 배치한 후, 전극을 통해 지반에 전류를 흘렸을 때 발생하는 전위차를 측정함으로써 지하의 전기비저항 분포를 파악한다. 유도분극(induced polarization; IP) 탐사는 분극 현상으로 인해 매질에서 발생하는 과전압을 측정하는 전기전자탐사법이다. IP 탐사에는 충전율을 측정하는 시간영역 IP 탐사, 진동수 효과를 측정하는 진동수영역IP 탐사, 그리고 복소수 전기비저항을 측정하는 복소 전기비저항 탐사와 광대역 IP (spectral IP; SIP) 탐사 등이 있다. 전기비저항탐사와 유도분극탐사는 널리 알려진 기술이므로 더 이상의 자세한 설명은 생략하기로 한다.
예컨대 유류 등 NAPL 오염 지역은 전기비저항이 높은 특징이 있다. 일반적으로 토양 내부의 공극은 지하수로 채워져 있는데, 오염이 발생한 경우 NAPL이 토양 내 공극수를 밀어내고 채워지는데, 유류의 전기비저항(~0.001ms/m)이 공극수의 전기비저항(0.01~0.2mS/m) 보다 높으므로 조사지역의 전기비저항이 보통의 토양에 비하여 높아지게 된다.
또한 쓰레기 매립지에서의 침출수 유출, 가축 축사에서의 페사물에 의한 침출 수 유출, 해수가 역류되어 토양으로 침입하는 경우, 이들은 밀도가 지하수와 거의 차이가 없으므로 지하수와 동일하게 대수층으로 이동한다. 침출수에 의해 지하수의 이온 농도가 높아지면 전기비저항이 낮아지는 바, 전기비저항 탐사에 의하여 오염 여부를 확인할 수 있다.
최근 황화광물에 의해 발생되는 산성배수가 문제되는데, 황화광물(황철석 등)에 의한 토양 오염을 탐지하는데에는 유도분극탐사를 사용할 수 있다. 황철석이 많은 영역은 황철석 함량이 낮은 구역에 비해 상대적으로 분극현상(induced polarization)으로 인해 발생되는 과전압(overvoltage)이 높게 나타나기 때문이다.
특히 본 발명에서는 TCE 또는 PCE 오염지역의 탐사에서 복합 전기탐사법인 DC-IP 탐사를 사용하는 것이 바람직하다. 그리고 지표 물리탐사에서 언급한 위의 내용들은 복합센서모듈에서 수행하는 전기비저항 측정에도 그대로 적용 가능하다.
본 발명에서는 전기비저항탐사, 유도분극탐사 등 물리탐사기술을 이용하여 평면방향의 넓은 영역에서의 오염여부 및 오염분포를 확인한다. 물론 본 발명에서는 위에서 예를 들은 물리탐사방법 이외에도 GPR탐사 등 다른 기법들도 활용가능하다.
이렇게 물리탐사를 통해 평면방향에서의 오염분포를 확인하고, 복합센서모듈을 통해 심도방향에서의 오염분포를 확인함으로써, 대상지역에 대한 3차원 오염분포를 파악할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 대상지역의 잠재적 오염원, 지질구조, 오염원의 이동경로를 파악하여, 오염원의 탐지에 가장 유리한 위치에 복합센서모듈을 설치한다. 그리고 복합센서모듈이 설치된 지점, 즉 오염원의 중요 이동처로 예상되는 국소 영역에 대해 매우 정밀하게 전기비저항과 지화학요소를 일상적으로 실시간 모니터링한다. 이에 따라 오염이 발생하면 매우 빠르게 탐지가 가능하고 오염확산을 방지할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 센서시스템을 이용한 모니터링을 통해 축적된 전기비저항 데이터 및 지화학요소 데이터를 분석하여, 전기비저항과 지화학요소 사이의 상관성과 대응성을 파악할 수 있다. 전기비저항과 지화학요소 사이의 대응성을 통해 상관성이 정성적 또는 정량적으로 파악되면, 이를 이용하여 보다 정밀한 오염 분석이 가능할 것으로 기대한다.
한편, 위에서 설명한 복합센서모듈(90)은 일정 기간 사용하는 경우 전극의 표면에 스케일이 부착되면 측정 정밀성이 저하될 수 있다. 전극의 표면이 깨끗하게 유지되는 것이 중요하다. 이에 본 발명의 다른 예에서는 복합센서모듈(90)에 세척유닛을 더 구비할 수 있다. 도면을 참고하여 설명한다.
도 4는 세척유닛을 구비하는 형태의 복합센서모듈의 개략적 정면도이며, 도 5는 도 4의 개략적 종단면도이다.
도면을 참고하면, 본 발명의 다른 예에 따른 복합센서모듈(95)은 앞에서 설명한 형태를 그대로 유지하면서, 세척유닛(80)을 구비한다는 점에서만 차이가 있다.
세척유닛(80)은 전류전극(21,22)과 전위전극(23,24)의 표면을 세척하여 전극이 열화되는 것을 방지한다. 본 예에서 세척유닛(80)은 상하방향으로 길게 형성되어 본체(10) 옆에 나란하게 배치되는 지지대(40)를 구비한다. 지지대(40)는 천공홀의 상측 지표까지 연장되어 지표에 설치된 구동수단(미도시)과 연결된다. 지지대(40)는 지표의 구동수단, 예컨대 모터에 의하여 정방향 및 역방향으로 회전가능하며, 상하방향으로도 이동가능하다.
지지대(40)에는 세척링(50)이 연결설치된다. 세척링(50)은 고리형로 형성되어 본체(10)을 감싸며 배치되고, 지지대(40)로부터 회전력을 전달받아 회전된다. 예컨대, 지지대(40)의 외주면에 설치된 기어(미도시)와 세척링(50)의 외주면이 형성된 기어(미도시)가 맞물려서 지지대(40)가 일방향으로 회전시 세척링(50)은 타방향으로 회전되는 구조이다. 그리고 세척링(50)이 지지대(40)에 연결되어 있는 바, 도 4 및 도 5에 점선으로 표시된 바와 같이, 지지대(40)가 상하이동시 함께 이동되는 구조로 이루어진다. 세척링(50)의 내주면에는 침상의 브러쉬(51)가 다수 부착되어 있어서, 도 5에 점선으로 표시된 바와 같이, 세척링(50)이 전극(23)을 감싸며 배치되면 브러쉬(51)가 전극의 외주 표면과 접척된다. 세척링(50)이 회전하면 브러쉬(51)가 전극(23) 표면을 세척할 수 있다. 세척 효율이 향상되도록, 세척링(50) 내측에는 세척액이 수용 및 이송될 수 있는 유로(52)가 마련될 수 있다. 유로(52)는 세척링(50) 내주면의 브러쉬(51) 쪽으로 가이드되어 세척액을 브러쉬(51) 쪽으로 공급할 수 있다. 세척유닛(80)은 주기적으로 작동하여 복수의 전극들을 세척함으로써, 전극의 기능이 유지될 수 있도록 보조한다.
한편, 위에서는 본 발명에 따른 복합센서시스템의 전극이 반경 10cm 범위에서 전기비저항을 측정하는 것으로 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 더 넓은 범위에서 측정하는 것을 배제하지는 않는다. 예컨대 전극과 전극 사이의 간격이 넓어지면 측정 반경도 더 넓게 설정될 수 있다.
또한, 본 발명에서 복합센서모듈이 천공홀에 상하방향으로 삽입설치되는 것으로 설명 및 도시하였지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 수평방향으로 설치할 수도 있다. 예컨대, 복합센서모듈을 지표 또는 지표의 천부에 매립할 때에는 눕혀서 설치하여 전기비저항과 지화학요소를 측정할 수 있음을 첨언한다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.
100 ... 센서시스템, 90, 95 ... 복합센서모듈
10 ... 본체, 21,22 ... 전류전극
23,24 ... 전위전극, 30 ... 센서유닛
40 ... 지지대, 50 ... 세척링

Claims (6)

  1. 지반에 형성된 천공홀에 삽입설치되는 적어도 하나의 복합센서모듈과, 상기 복합센서모듈을 매달아 지지하기 위한 케이블을 구비하는 지중 오염 탐지용 복합 센서시스템으로서,
    상기 복합센서모듈은,
    지중 천공홀에 삽입되며 상하방향으로 길게 형성되며 절연성 소재로 형성되는 본체;
    상기 본체에 상하방향을 따라 상호 이격되게 설치되며, 적어도 2개의 전류전극 및 2개의 전위전극을 구비하는 전극유닛;
    상기 본체에 설치되어 지중의 지화학요소를 측정하며, 전기전도도 센서, 온도 센서, 습도 센서, pH 센서, 용존산소 센서, 질산성질소 센서, 산화환원전위 센서 중 적어도 하나를 구비하는 센서유닛; 및
    유무선 통신망과 연결되어 상기 센서유닛 및 전극유닛의 측정값을 외부로 송신하는 통신유닛;을 구비하며,
    상기 본체에 상하방향으로 왕복이동 가능하게 결합되는 지지대와,
    고리형으로 형성되어 상기 본체를 둘러싸며, 상기 지지대에 회전가능하게 결합되어 상기 전류전극 및 전위전극을 세척하도록 상기 지지대에 상하방향을 따라 상호 이격되게 배치되는 복수의 세척링과,
    상기 세척링을 회전시키기 위한 구동수단을 포함하여 이루어진 세척유닛을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 지중 오염 탐지용 복합 센서시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류전극 및 전위전극은 링 형상으로 상기 본체의 외주면을 둘러싸며 부착되는 것을 특징으로 하는 지중 오염 탐지용 복합 센서시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복합센서모듈은 상기 전극을 이용하여 상기 복합센서모듈이 위치한 지점을 중심으로 반경 10cm 이내의 국소 영역에 대한 전기비저항을 측정하는 것을 특징으로 하는 지중 오염 탐지용 복합 센서시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 세척링의 내주면에는 다수의 침상 브러쉬가 부착되어, 상기 전극의 표면과 접촉 및 세척하는 것을 특징으로 하는 지중 오염 탐지용 복합 센서시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 세척링의 내부에는 상기 전극을 세척하기 위한 세척액을 상기 브러쉬 쪽으로 공급하기 위한 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 지중 오염 탐지용 복합 센서시스템.
KR1020220084980A 2021-11-08 2022-07-11 지중 오염 탐지용 복합 센서시스템 KR102518022B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210151926 2021-11-08
KR20210151926 2021-11-08

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102518022B1 true KR102518022B1 (ko) 2023-04-05

Family

ID=85884851

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220084980A KR102518022B1 (ko) 2021-11-08 2022-07-11 지중 오염 탐지용 복합 센서시스템
KR1020220107103A KR102565165B1 (ko) 2021-11-08 2022-08-25 토양 교란 최소화를 위한 지중 복합 센서 및 이를 이용한 지중 오염 모니터링 방법

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220107103A KR102565165B1 (ko) 2021-11-08 2022-08-25 토양 교란 최소화를 위한 지중 복합 센서 및 이를 이용한 지중 오염 모니터링 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (2) KR102518022B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116593535A (zh) * 2023-05-19 2023-08-15 中国矿业大学 一种探测土壤污染浓度的微型电阻率探头及探测方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010108553A (ko) * 2000-05-29 2001-12-08 하진규 오염토양의 형태 및 분포 파악을 위한 환경콘 관입장치
KR101203085B1 (ko) * 2012-07-27 2012-11-21 한국지질자원연구원 비분극 프로브 및 이를 포함하는 시추공 광대역 유도분극 검층기
KR101348842B1 (ko) * 2013-01-28 2014-01-09 고려대학교 산학협력단 수평 시추공 탐사용 프로브
KR20160000236A (ko) * 2014-06-24 2016-01-04 한국원자력연구원 다중 레벨 지하수 모니터링 장치
KR101728134B1 (ko) * 2016-01-12 2017-04-18 김진삼 지하수 모니터링 장치

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000046510A (ja) * 1998-07-28 2000-02-18 Ohbayashi Corp 改良体の計測システム及び計測方法
KR101229398B1 (ko) * 2010-10-08 2013-02-05 대한민국 휴대용 토양 물리성 측정장치
KR101382535B1 (ko) * 2011-12-12 2014-04-10 대한민국 외기 및 토양 환경 측정장치
CN212060599U (zh) * 2020-05-21 2020-12-01 中国建筑第四工程局有限公司 一种含环状电极的电阻率探测管

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010108553A (ko) * 2000-05-29 2001-12-08 하진규 오염토양의 형태 및 분포 파악을 위한 환경콘 관입장치
KR101203085B1 (ko) * 2012-07-27 2012-11-21 한국지질자원연구원 비분극 프로브 및 이를 포함하는 시추공 광대역 유도분극 검층기
KR101348842B1 (ko) * 2013-01-28 2014-01-09 고려대학교 산학협력단 수평 시추공 탐사용 프로브
KR20160000236A (ko) * 2014-06-24 2016-01-04 한국원자력연구원 다중 레벨 지하수 모니터링 장치
KR101728134B1 (ko) * 2016-01-12 2017-04-18 김진삼 지하수 모니터링 장치

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116593535A (zh) * 2023-05-19 2023-08-15 中国矿业大学 一种探测土壤污染浓度的微型电阻率探头及探测方法
CN116593535B (zh) * 2023-05-19 2023-10-20 中国矿业大学 一种探测土壤污染浓度的微型电阻率探头及探测方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR102565165B1 (ko) 2023-08-09
KR20230067499A (ko) 2023-05-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Krause et al. Investigating patterns and controls of groundwater up-welling in a lowland river by combining Fibre-optic Distributed Temperature Sensing with observations of vertical hydraulic gradients
Dietrich et al. Direct push-technologies
Mondelli et al. Geoenvironmental site investigation using different techniques in a municipal solid waste disposal site in Brazil
Sparrenbom et al. Investigation of chlorinated solvent pollution with resistivity and induced polarization
KR102518022B1 (ko) 지중 오염 탐지용 복합 센서시스템
Barrio et al. CO2 migration monitoring methodology in the shallow subsurface: Lessons learned from the CO2FIELDLAB project
Fjordbøge et al. Integrity of clay till aquitards to DNAPL migration: Assessment using current and emerging characterization tools
Parker et al. Multiple lines of field evidence to inform fracture network connectivity at a shale site contaminated with dense non-aqueous phase liquids
Ilie et al. Configuration, programming and implementation of 3 Smart Water network wireless sensor nodes for assessing the water quality
Fernandez et al. Monitoring redox sensitive conditions at the groundwater interface using electrical resistivity and self-potential
Tsai et al. Noninvasive survey technology for LNAPL-contaminated site investigation
Devlin et al. An inexpensive multilevel array of sensors for direct ground water velocity measurement
Xia et al. Integration of hydrochemical and induced polarization analysis for leachate localization in a municipal landfill
JP2004198385A (ja) 土壌における油類汚染の探査方法
Meng et al. Shaping the concentration of petroleum hydrocarbon pollution in soil: A machine learning and resistivity-based prediction method
Bloem et al. Towards understanding time‐lapse electrical resistivity signals measured during contaminated snowmelt infiltration
Mercer et al. DNAPL site characterization issues at chlorinated solvent sites
KR100332962B1 (ko) 오염토양의 형태 및 분포 파악을 위한 환경콘 관입장치
Stevenson et al. Simple Resistivity Probe System for Real‐Time Monitoring of Injected Reagents
Shanshal et al. Detection of Soil Contamination Using Electrical Resistivity Tomography and Induced Polarization Methods by Tank Model
Caputo et al. Field measurement of hydraulic conductivity of rocks
Anomohanran Investigating the geoelectric response of water saturated and hydrocarbon impacted sand in the vicinity of petroleum pipeline
Zawawi et al. Detection of fractured aquifer using combination of resistivity and induced polarization analysis
Annan et al. Geophysical monitoring of DNAPL migration in a sandy aquifer
Ardi et al. Resistivity mapping and geochemical data for groundwater contamination at Sarimukti municipal landfill, West Bandung

Legal Events

Date Code Title Description
GRNT Written decision to grant