KR20040014826A - 강우 연동형 지중 오염 추적자 실험장치 - Google Patents

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Abstract

강우와 연동하여 지하에 강우량과 시간을 거의 변화시킴이 없이 추적자를 침투시켜서 지하의 측정지점에서 오염물질이 지하수의 수질에 미치는 영향을 실시간으로 측정한다.
강우수집부를 통하여 통하여 수집된 강우는 제 1 저장부에 저장되고 추적자 탱크에 저장되어 있던 추적자 용액이 제 1 저장부에서 강우와 교반되어 혼합용액이 형성된다. 이 혼합용액은 제 2 저장부로 공급되고 하부에 형성되어 있는 분사부에 제공된다. 분사부는 회전모터에 의하여 회전하는 분사대에 형성되어 있는 다수의 구멍을 통하여 혼합용액을 균일하게 지표에 분사할 수 있다. 따라서 강우에 직접 추적자를 혼합하여 침투시켜서 지하의 측정지점에서 추적자의 침투속도와 농도변화를 측정하여 지표의 오염물질이 어떠한 속도로 침투하여 지하수의 수질에 어느 정도의 영향을 주는가를 직접 측정으로 알 수 있다.

Description

강우 연동형 지중 오염 추적자 실험장치 {Coupled rainfall and subsurface tracer application system}
본 발명은 강우 연동형 지중 오염 추적자 실험장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 강우와 연동하여 지하에 강우량과 시간을 거의 변화시킴이 없이 추적자를 침투시켜서 지하의 측정지점에서 오염물질이 지하수의 수질에 미치는 영향을 실시간으로 측정할 수 있는 강우 연동형 지중 오염 추적자 실험장치에 관한 것이다.
지하수는 대기나 지표부분의 오염물질이 지하로 유입되어 하부로 이동하여 지하수면에 도달함으로써 오염이 시작, 진행된다. 농촌지역의 농경지에서 지하수의 주요 오염원인 질산성 질소는 농업활동에 수반되는 거름, 비료 등의 사용이나 축사 및 민가에서 발생되는 하수의 지하 침투가 그 원인으로 알려져 있다. 도시 지역에서도 지표 부분에 축적되어 있는 오염물질이나 하수관로 등에서 오염물질이 지하로 침투됨으로써 오염이 진행된다고 알려져 있다.
그러나 지상오염 물질의 지하로의 이동은 그 오염물질이 운송될 수 있는 수단이 있어야 하는데 그것이 강우이다. 즉 강우 시에 지상에 도달한 빗물이 지표 부분에 있는 오염 물질을 녹이거나 포획하여 지하로 운반하게 된다. 따라서 지하수의 오염 정도는 지표 부근에 오염 물질이 얼마나 있는가 정도에다 강우의 빈도, 규모 등이 서로 연계되어 결정된다.
현재까지는 지표와 지하수면 사이(불포화대 또는 통기대)의 공극율과 함수비에 따라서 수분의 침투속도에 대한 분석, 한 번의 강수 또는 몇 번의 복합 강수에 대한 불포화대의 수분함량 변화와 침투속도를 계산하는 모델이 제시되어 있다. 아울러서 이러한 침투속도를 이용해 오염물질의 지하 이동 상태를 모의할 수 있는 상태에 도달해 있다. 그러나 이러한 이론적이고 수치적인 방법은 지하의 상태를 정확히 반영하기 어려워서 계산의 결과로만 받아들일 수 있고 실제 현상과는 차이가 다른 경우가 많다.
또한 실제의 상황을 고려하여 강수 시와 동일한 환경을 만들어서 오염물질의 지하 이동 상태를 실험할 수도 있으나 이러한 실험은 하나의 지점 또는 다수의 지점에서 수행한다고 하여도 실제의 상황과는 차이가 있어서 그 결과가 만족스럽게 나타나지 않을 뿐만 아니라 경제적인 측면을 고려한다면 실시하기 어려운 점이 있다. 더욱이 강수 시에 이러한 실험을 할 수도 있으나 이는 매 실험 지점에서 사람의 조작을 요한다는 문제점을 가지고 있다.
따라서 본 발명의 목적은 지표의 오염물질이 지하수의 수질에 미치는 영향을 추적할 수 있도록 강우에 직접 추적자를 혼합하여 실시간으로 지하로 침투시킬 수 있도록 하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 강우에 직접 추적자를 혼합하여 지하에 강우량과 시간을 거의 변화시키지 않으면서 그대로 침투시켜서 지하의 측정지점에서 추적자의 침투속도와 농도변화를 측정하여 지표의 오염물질이 지하수의 수질에 미치는 영향을 측정하는 것을 가능하도록 하는 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 강우 연동형 지중 오염 추적자 실험장치의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2 는 도 1 에서의 실험장치의 일 예의 정면을 도시한 도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 ... 강우수집부20 ... 추적자 저장부
30 ... 제 1 저장부40 ... 제 2 저장부
50 ... 분사부60 ... 자동밸브
70 ... 정량펌프80 ... 제 1 펌프
90 ... 제 2 펌프100 ... 회전모터
110 ... 분사대120 ... 개구부
130 ... 자료기록장치140 ... 전기전도도 측정센서
150 ... 강우계
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 강우 연동형 지중 오염추적자 실험장치는
강우의 발생 시에 일정한 양의 강우를 수집할 수 있는 크기를 가지는 강우수집부;
지표에서의 오염물질이 지중으로 침투하여 지하수의 수질에 미치는 영향을 실험하기 위한 추적자를 저장하는 추적자 저장부;
상기 강우수집부에서 수집되는 강우의 양을 저장 및 조절하고 상기 추적자 저장부로부터의 추적자를 공급받아서 강우와 추적자를 균일하게 혼합하는 제 1 저장부;
상기 제 1 저장부로부터 강우-추적자 혼합용액을 받아서 분사를 위하여 저장하는 제 2 저장부;
상기 제 2 저장부로부터 상기 혼합용액을 공급받아서 지표에 일정한 양으로 회전분사하기 위한 분사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 강우 연동형 지중 오염 추적자 실험장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 강우 연동형 지중 오염 추적자 실험장치에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명에 따른 강우 연동형 지중 오염 추적자 실험장치의 개략적인 구성을 도시한 불록도이다. 도 1 에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 강우 연동형 지중 오염 추적자 실험장치는 강우의 발생 시에 일정한 양의 강우를 수집할 수 있는 크기의 면적을 가지는 강우수집부(10), 지표에서의 오염물질이 지중에서 어떤 속도로 침투하여 지하수의 수질에 어느 정도의 영향을 미치는 가를 실험하기 위한추적자를 저장하는 추적자 저장부(20), 강우수집부(10)에서 수집된 강우와 추적자 저장부(20)로부터 공급되는 추적자를 혼합하여 저장하는 제 1 저장부(30), 제 1 저장부(30)로부터 균일하게 혼합된 강우-추적자 혼합용액을 받아서 분사를 위하여 저장하는 제 2 저장부(40), 제 2 저장부(40)에 저장된 혼합용액을 지표에 일정한 양으로 회전분사하기 위한 분사부(50)를 포함하며, 또한 추적자 저장부(20), 제 1 저장부(30), 제 2 저장부(40)에 저장되어 있는 추적자 또는 혼합용액 등을 다른 저장부나 분사부(50)로의 이송을 위하여 정량펌프(70), 제 1 및 제 2 펌프(80, 90)를 포함한다.
또한 별도로 강우계(150)를 설치하여 강우의 양을 측정하여 상기의 강우 연동형 지중 오염 추적자 실험장치에서의 결과와 함께 데이터의 측정 및 분석에 도움을 줄 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 강우 연동형 지중 오염 추적자 실험장치의 각 구성요소들과 이들간의 동작을 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
강우수집부(10)(Rainfall Collector)는 강우의 발생시에 강우를 인위적으로 수집하기 위한 것으로서 그 크기는 제작하는 장치의 크기에 따라 다양한 형태로 제작할 수 있다. 본 발명에서 실시예로서 제작한 장치에서는 강우수집부(10)의 크기를 가로×세로×높이를 1.0m×1.0m×0.2m 의 크기로 제작하였다. 이는 1㎜ 의 강우가 발생했을 때 1ℓ의 강우가 수집될 수 있는 면적이다. 따라서 높이를 0.2m 정도로 설정하여 적은 양의 강우에 의해서도 동작할 수 있도록 하였다. 강우수집부(10)는 그 형상에 따라서 원형 또는 사각형 등 어떠한 형태로 제작도 가능하며, 그 형태에 맞추어 강우수집부(10)를 소정의 높이로 지지할 수 있는 지지틀을 제작하고 이 지지틀내에 이후에 언급되는 각 구성요소들이 설치될 수 있도록 한다.
강우수집부(10)의 중앙에 설치된 하부 도관에는 낙엽이나 다소 큰 입자의 먼지를 걸러주는 미세망을 설치하여 이러한 강우이외의 다른 물질로 인하여 출구가 막히는 것을 방지하였다. 또한 강우의 원활한 수집을 위하여 강우수집부(10)의 형상을 외곽에서 중앙에 설치되어 있는 하부 도관 측으로 경사를 두어서 강우의 이동을 원활하게 할 수 있다.
강우수집부(10)로 강우가 수집되면 이 강우는 중앙의 개구부와 연결되는 하부도관을 통하여 제 1 저장부(30)(1st Reservoir)로 이송된다. 제 1 저장부(30)에 이송되어 저장되는 강우의 양은 강우의 형태에 따라 다양하다. 단기 강우 사건의 경우에 강우량은 수 ㎜ 에서 수 백 ㎜ 까지 다양하다. 따라서 아주 적은 양의 강우에 의해서는 지하로 유입되는 양보다 증발산화에 의해 대기로 유출되는 양이 많기 때문에 실제 지하로 유입되는 강우는 없다고 판단할 수 있다. 즉 일정량 이상의 강우량을 갖는 강우 사건이 발생하였을 경우에만 장치를 가동할 필요가 있다.
따라서 일정량 이상의 강우 사건이 발생하여 제 1 저장부(30)에 일정양 이상으로 강우가 누적되면 내부에 설치된 자동 센서에 의해 강우수집부(10)와 연결된 도관의 연결부분이 닫힌다. 제 1 저장부(30)내에 설치되는 자동 센서는 공지의 센서를 사용할 수 있으며 강우의 축적된 양이 소정 높이를 초과하는 경우에 강우수집부(10)와 제 1 저장부(30)간의 통로를 자동적으로 차단할 수 있는 자동밸브(50)를설치하여 제 1 저장부(30)에 공급되는 강우의 양을 제어할 수 있다.
이와 같이 장치를 가동할 수 있는 정도로 강우가 제 1 저장부(30)에 누적되면 자동밸브(50)에 의하여 제 1 저장부(30)로의 강우의 공급이 차단되고 추적자를 이 강우에 혼합하기 위하여 제 1 저장부(30)와 추적자 저장부(20)(tracer solution tank)간을 연결하는 관로 사이에 접속되어 있는 정량펌프(70)를 동작시킨다.
정량펌프(70)는 추적자 저장부(20)에 있는 추적자 용액을 제 1 저장부(30)로 주입한다. 추적자는 그 실험의 목적, 매질의 형태, 추적자의 측정범위, 시료의 채취와 분석방법, 추적자의 물리, 화학 생물학적 성질, 독성 등을 고려하여 선택한다. 사용되는 추적자의 종류로는 이온(지하수를 연구하는데 있어서 가장 많이 사용됨, 예로서는 염소, 브롬, 요오드 이온 등이 있다), 염료(가격이 비교적 저렴하고, 사용하기도 쉬우며 효과적이기 때문에 지표수와 지하수를 추적하는데 많이 사용되고 있음), 포자 또는 박테리아(박테리아는 배양하기 쉽고, 검출하기가 간단하므로 일반적으로 쓰이는 미생물 추적자임) 등이 있다.
추적자가 제 1 저장부(30)에 공급되면 제 1 저장부(30)는 그 하부에 설치되어 있는 교반기(미도시)를 회전시켜서 강우내에 혼합되는 추적자가 일정하게 섞이도록 작용한다.
이와 같이 제 1 저장부(30)는 추적자 저장부(20)로부터 추적자를 받아서 이를 균일하게 혼합하여 저장하는 역할 외에도 집중호우가 발생하는 경우에도 앞서에서 언급한 것처럼 내부에 설치된 자동센서에 의하여 강우수집부(10)로부터 공급되는 강우의 양을 자동적으로 소정의 높이만큼 조절할 수 있으므로 강우의 집중을 완충해줄 수 있다. 더욱이 실제 강우에 의한 지하 유입이 발생하는 강우량은 지역에 따라 토양조건과 계절적인 요인에 의하여 달라질 수 있기 때문에, 제 1 저장부(30)의 자동센서를 이러한 장소와 상황에 적절하게 작동할 수 있도록 자유로운 조절이 가능하다.
제 1 저장부(30)에 공급되는 추적자는 강우가 발생하였을 때 지중으로 침투되는 지표상의 오염물을 대표하는 것으로서 강우의 양에 관계없이 일정한 비율로 섞인다. 따라서 어떤 강우의 강도나 강우가 지속되는 시간에 관계없이 일정량의 농도를 갖는 추적용액을 만들 수 있게 된다. 이는 제 1 저장부(30)와 추적자 저장부(20)를 연결하는 도관에 접속된 정량펌프(70)에 의하여 이루어질 수 있다. 또한 정량펌프(70)의 배출량을 조절하여 제 1 저장부(30)로 공급되는 추적자의 양을 조절함으로써 제 1 저장부(30)에서의 강우-추적자 혼합용액의 농도를 조절할 수 있다.
제 1 저장부(30)에서 형성된 강우-추적자 혼합용액은 제 1 펌프(80)를 통하여 제 2 저장부(40)로 강제적으로 공급된다. 제 2 저장부(40)의 경우에도 제 1 저장부(30)와 마찬가지로 그 내부에 센서가 상부와 하부에 각각 부착되어 있어서 이 센서가 수면이 닿으면 자동적으로 저장되어 있는 강우-추적자 혼합용액이 외부로 배출된다. 외부로의 배출은 통상적으로 제 2 저장부(40)의 하부 측면 또는 하부 바닥에 형성되는 도관과 이 도관에 연결되어 있는 제 2 펌프(90)에 의하여 제 2 저장부(40)의 혼합용액을 분사부(100)에 공급한다. 또한 제 2 저장부(40)의 센서에 수면이 떨어지는 순간 배출이 멈추게 된다.
분사부(50)는 중앙부분으로 혼합용액이 공급되고 하측에 다수의 개구부(120)가 뚫어져있는 막대형의 분사대(110)와 이 분사대를 회전시키기 위한 회전모터(100)로서 형성된다. 분사부(50)는 제 2 펌프(90)를 통하여 제 2 저장부(40)로부터 공급되는 혼합용액을 강제적으로 일정한 양을 지표로 뿌려준다. 제 2 펌프(90)를 이용하지 않고 위치 차이에 의한 자연배수는 일정량의 분사를 보장할 수 없을 뿐만 아니라 지표면에 균일하게 혼합용액을 분사할 수 없는 단점이 있어서 사용상 문제점이 있다.
또한 본 발명에서는 분사부(50)가 커버하는 면적을 강우수집부(10)의 면적과 거의 같은 면적에 분사할 수 있도록 하기 위하여 분사대(110)의 길이를 강우수집부(10)의 한 면의 절반과 같은 크기로 제작하였다. 따라서 회전모터(100)에 의하여 분사대(110)가 회전함에 따라 분사대(110)에 형성된 다수의 분사구(120)를 통하여 혼합용액을 지표 상으로 균일하게 회전분사할 수 있도록 하였다.
이렇게 지표에 균일하게 분사된 혼합용액은 지표의 불포화대를 통하여 수직으로 지하로 이동하게 된다. 이때 혼합용액에 포함되어 있는 추적자의 농도에 따라서 측정되는 전기전도도의 값이 변화된다. 따라서 분사구의 하부에 수직으로 깊이를 달리하면서 전기전도도 측정 센서(140)를 설치한다. 이 센서들은 추적자 혼합용액의 침투속도와 침투량을 측정하여 기록계인 지상의 자료기록장치(130)로 이 측정값을 전송한다. 전기전도도 측정 센서(140)로는 기존에 개발된 다양한 다중 전기전도도 측정장치를 이용할 수 있다.
상기에서와 같은 본 발명에 따른 강우 연동형 지중 오염 추적자 실험장치에 의하여 실제 강우에 직접 추적자를 혼합하여 지하에 강우량과 시간을 거의 변화시키지 않으면서 그대로 침투시킬 수 있다. 따라서 지하의 측정지점에서 추적자의 침투속도와 농도를 측정하면 지표의 어떠한 오염물질이 어떠한 속도로 지하로 침투하여 지하수의 수질에 어느 정도의 영향을 주는지를 직접 측정으로 알 수 있는 효과가 있다.
더욱이 이러한 실험결과를 특정 지역의 강우자료와 함께 이용한다면 그 지역 지하수의 수질 변화 분석과 예측이 가능해질 수 있다.
본 발명은 상기의 실시예를 참조하여 특별히 도시되고 기술되었지만, 이는 예시를 위하여 사용된 것이며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 청구범위에서 정의된 것처럼 발명의 정신 및 범위를 벗어남이 없이 다양한 수정을 할 수 있다.

Claims (7)

  1. 강우의 발생 시에 일정한 양의 강우를 수집할 수 있는 크기를 가지는 강우수집부;
    지표에서의 오염물질이 지중으로 침투하여 지하수의 수질에 미치는 영향을 실험하기 위한 추적자를 저장하는 추적자 저장부;
    상기 강우수집부에서 수집되는 강우의 양을 저장 및 조절하고 상기 추적자 저장부로부터의 추적자를 공급받아서 강우와 추적자를 균일하게 혼합하는 제 1 저장부;
    상기 제 1 저장부로부터 강우-추적자 혼합용액을 받아서 분사를 위하여 저장하는 제 2 저장부;
    상기 제 2 저장부로부터 상기 혼합용액을 공급받아서 지표에 일정한 양으로 회전분사하기 위한 분사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 강우 연동형 지중 오염 추적자 실험장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사부는
    다수의 분사구가 형성되어 상기 혼합용액을 지표에 일정한 양으로 분사하기 위한 분사대; 및
    상기 분사대의 일단이 접속되며 상기 분사대를 일정한 속도로 회전시키기 위한 회전모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 강우 연동형 지중 오염 추적자 실험장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 저장부는
    상기 강우수집부에서 수집된 강우와 상기 추적자 저장부로부터의 추적자를 균일하게 혼합하기 위한 교반부; 및
    상기 강우수집부에서 수집되는 강우의 양을 측정하기 위한 제 1 센서를 포함하며,
    상기 제 1 저장부는 수집되는 강우의 높이가 일정 높이를 초과하는 것이 상기 제 1 센서에 의하여 감지되는 경우에 상기 강우수집부로부터 공급되는 강우를 차단하는 것을 특징으로 하는 강우 연동형 지중 오염 추적자 실험장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 저장부는 상기 강우수집부로부터 공급되는 강우를 차단하기 위하여 상기 강우수집부와 연결된 도관에 설치되는 자동밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강우 연동형 지중 오염 추적자 실험장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 분사대의 길이는 상기 강우수집부의 한 면의 절반과 같은 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 강우 연동형 지중 오염 추적자 실험장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 추적자는 이온, 염료, 포자 또는 박테리아 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연동형 지중 오염 추적자 실험장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 저장부는 그 내부의 소정 높이에서 수위를 감지하기 위한 센서를 포함하며, 상기 제 1 저장부로부터 공급되는 혼합용액의 수위가 상기 센서와 닿으면 혼합용액을 상기 분사부로 배출하고, 상기 센서에 수면이 떨어지는 순간 배출이 멈추게 되는 것을 특징으로 하는 연동형 지중 오염 추적자 실험장치.
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