KR20080081452A - 이중압력자료를 이용한 담-염수 경계면 변화 산정방법 - Google Patents

이중압력자료를 이용한 담-염수 경계면 변화 산정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이중압력자료를 이용한 담-염수 경계면 변화 산정방법에 관한 것으로, 그 목적은 담수와 염수의 밀도 차이에 근거하여 해안대수층의 담수와 염수대에서 획득한 압력에 대한 시계열 자료를 이용하여 담-염수 경계면의 위치와 외부 환경요인에 의한 담-염수 경계면의 변화 양상을 산정하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 구성은 해안대수층에서의 담-염수 또는 밀도가 서로 다른 유체 경계면 산정 방법에 있어서, 담-염수 경계면을 관통하는 적어도 하나 이상의 관측정을 형성하는 단계와; 상기 형성된 관측정 내부의 담-염수 경계면의 상부인 담수와 경계면 하부인 염수 부분에 각각 압력식 자동 수위기록 장치를 설치하여 시간에 따른 압력변화를 관측하는 단계; 및 상기 압력식 자동 수위기록 장치에서 측정된 시간에 따른 압력변화를 이용 담수와 염수의 밀도 차이와 압력자료를 이용하여 담-염수 경계면을 산정하는 단계;를 포함하는 것을 그 기술적 사상의 특징으로 한다.
담-염수 경계면, 해안대수층, 압력변화, 압력식 자동 수위기록 장치, 관측정

Description

이중압력자료를 이용한 담-염수 경계면 변화 산정방법{Method for determining fresh-saltwater interface in a coastal aquifer using pressure data}
도 1은 본 발명에 따른 담-염수 경계면 산정 방법의 모식도를 도시한 개념도이고,
도 2는 본 발명에 따른 담-염수 경계면 산정 방법에 따라 담수와 염수대에서 획득한 압력자료와 동일기간 동안의 조석 및 강우자료를 도시한 그래프이고,
도 3은 종래의 심도에 따른 전기전도도 검층 결과를 도시한 그래프이고,
도 4a와 4b는 본 발명에 따른 담-염수 경계면 산정 방법에 따라 담-염수 경계면의 위치를 산정하고, 단기간 동안 조석에 의한 담-염수 경계면의 변화를 산정한 결과를 도시한 그래프이고,
도 5는 본 발명에 따른 담-염수 경계면 산정 방법에 따라 담-염수 경계면의 위치를 산정하고, 장기간 동안 강우에 의한 담-염수 경계면의 변화를 산정한 결과를 보인 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 관측정
(2, 3) : 압력식 자동 수위기록 장치
본 발명은 해안대수층에서 담-염수 경계면의 위치와 시간에 따른 변화를 산정하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 담-염수 경계면이 형성된 대수층에서 하나의 관정 내에 압력식 자동 수위기록 장치를 담수와 염수 부분에 각각 하나씩 설치하고, 각 센서에서 획득된 시간에 따른 압력 변화를 이용하여 담-염수 경계면의 위치와 변화를 산정하는 방법에 관한 것이다.
해안에 인접한 대수층의 경우 일반적으로 해수와 지하수의 밀도 차이로 인해 해수가 쐐기 모양의 형태를 띠며 내륙쪽으로 침투해 들어온다. 이로 인해 담-염수 경계면이 형성되며, 이러한 담-염수 경계면의 위치와 형태는 대수층의 수리적 특성, 조석의 변화, 계절에 따른 강우의 빈도와 지속성 등의 자연적인 요인과 주변에서의 지하수 양수, 구조물 형성 등의 인위적인 요인에 의해 계속해서 변화한다.
해안지역에서의 지하수에 대한 의존도는 증가하는 추세이이며, 이러한 해안지역에서 지하수를 이용할 경우 해수침투의 범위, 즉 담-염수 경계면에 대한 정보가 필수적이다.
기존의 담-염수 경계면 결정 방법은 염수가 담수에 비해 전기전도도 값이 높 은 특성을 이용하여 왔다. 즉, 전기전도도 검층기를 이용하여 심도에 따른 전기전도도 값을 도시한 후 전기전도도 값이 증가되는 부분을 담-염수 경계면으로 결정하여 왔다.(도 3참고)
상기에서와 같이 해안대수층에서 전기전도도 검층기를 이용하여 자연적인 혹은 인위적인 요인에 의한 담-염수 경계면의 변화를 관측하기 위해서는 주기적인 물리검층을 수행하여야 한다. 그러나 시간에 따른 연속적인 변화를 모니터링 하기 위해서는 계속적인 물리검층을 수행하여야 하는데 이는 많은 시간과 비용이 소비된다.
보다 구체적으로, 기존의 물리(전기전도도) 검층 장비를 통해 심도에 따른 전기전도도 변화 양상을 측정하기 위해서는 검층기(sonde)를 지하수면에서 공저(borehole bottom)까지 서서히 하강시키면서 전기전도도를 측정하게 된다. 이러한 물리검층 측정 동안에는 관정에 기 설치된 수위, 온도 및 기타 수질측정용 자동 모니터링 센서를 제거한 후 검층을 하게 되는데 이에 따라 자동 모니터링 자료에 결측자료가 생기게 된다.
또한 시간에 따른 담-염수 경계면의 변화를 보기 위해 계속적인 물리검층을 수행한다는 것은 시간, 인력, 비용 면에서 매우 비효율적이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 담수와 염수의 밀도 차이에 근거하여 해안대수층의 담수와 염수대에서 획득한 압력에 대한 시계열 자료를 이용하여 담-염수 경계면의 위치와 외부 환경요인에 의한 담-염수 경계면의 변화 양상을 산정하는 방법을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 담-염수 경계면 산정방법에 있어서 초기 1회의 전기전도도 검층이 수행된 이후 압력식 자동 수위기록 장치를 설치할 위치를 선정하고, 압력식 자동 수위기록 장치가 설치된 이후에는 자동으로 압력자료가 측정되고 두 지점에서의 압력자료를 이용하여 담-염수 경계면의 변화를 산정하게 되므로 종래와 같이 지속적인 전기전도도 검층이 불필요한 비용면에서 매우 효율적이고, 기타 다른 목적의 자동관측용 센서들과 함께 설치하여 담-염수 경계면의 변화 양상을 산정하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 해안대수층에서의 담-염수 또는 밀도가 서로 다른 유체 경계면 산정 방법에 있어서,
담-염수 경계면을 관통하는 적어도 하나 이상의 관측정을 형성하는 단계와;
상기 형성된 관측정 내부의 담-염수 경계면의 상부인 담수와 경계면 하부인 염수 부분에 각각 압력식 자동 수위기록 장치를 설치하여 시간에 따른 압력변화를 관측하는 단계; 및
상기 압력식 자동 수위기록 장치에서 측정된 시간에 따른 압력변화를 이용 담수와 염수의 밀도 차이와 압력자료를 이용하여 담-염수 경계면을 산정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 압력자료는 연속적인 시계열 자료를 이용하여 시간별, 계절별 담-염수 경계면을 산정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 담-염수 경계면 산정법의 개념적인 관계를 도시한 도이다. 도 1에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 담-염수 경계면 산정법의 적용을 위하여 담-염수 경계면이 형성된 해안대수층에 담-염수 경계면을 관통하는 관측정(1)이 도시되어 있다. 이러한 관측정은 적어도 적어도 하나 이상 형성한다.
또한 관측(1)정 내부에는 담수층과 담수측에 각각 압력식 자동 수위기록 장치(2, 3)이 설치되어 있음을 알 수 있습니다.
상기 압력식 자동 수위기록 장치 자체는 상용의 장치를 사용하되, 그 설치 위치는 초기 1회의 전기전도도 검층을 통해 압력식 자동 수위기록 장치의 위치를 선정하여 담수층과 염수층에 각각 위치하게 한다.
상기 압력식 자동 수위 측정장치가 측정하는 인자는 물기둥(water column), 즉 물의 높이이다(단위는 cmH2O). 장치의 일반적인 명칭은 'pressure transducer'인데 일반적으로 측정된 물기둥을 이용해서 수위값을 계산하기 때문에 “압력식 자동 수위기록 장치”라고 표현한다.
상기 압력식 자동 수위기록 장치는 사용자가 설정한 일정한 시간 간격으로 압력을 측정하고 장치 내부 메모리에 자료가 저장된다. 따라서 관측하고자 하는 기간이 종료되면, 측정장치를 수거하여 지상의 컴퓨터와 적외선 통신과 같은 상호 통신방식을 사용하여 자료를 받게 된다.
도 2는 2006년 3월 15일부터 8월 8일까지 약 5개월간의 조석자료, 강우자료, 담수대에서의 압력자료, 염수대에서의 압력자료를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 장치를 사용하여 측정한 것으로 지하수면에서 담수대에 설치된 압력식 자동 수위기록 장치(2)까지의 거리(h 1 ), 지하수면에서 염수대에 설치된 압력식 자동 수위기록 장치(3)까지의 거리(h 2 ), 담수와 염수의 밀도, 및 압력식 자동 수위기록 장치에서 획득된 압력 자료 등의 자료를 수학식 1로 주어지는 식에 입력하여 담-염수 경계면 의 위치를 산정한다.
도 2에서 각 장치간의 거리는 압력식 자동 수위기록 장치를 처음 설치할 때 설치자가 측정하고, 밀도값은 최초 전기전도도 검층시 측정되는 전기전도도값을 이용하여 산정하고, 압력 수치는 압력식 자동 수위기록 장치에서 연속적으로 측정, 저장한다.
이때 획득되는 자료가 연속적인 자료일 경우 그 기간 동안의 담-염수 경계면의 변화도 함께 산정할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112007018112251-PAT00001
상기의 수학식 1에서
Figure 112007018112251-PAT00002
: 지하수면에서 염수대에 설치된 압력식 자동 수위기록 장치까지의 거리
Figure 112007018112251-PAT00003
: 담-염수 경계면에서 염수대에 설치된 압력식 자동 수위기록 장치까지의 거리
Figure 112007018112251-PAT00004
: 담수의 밀도
Figure 112007018112251-PAT00005
: 염수의 밀도
Figure 112007018112251-PAT00006
: 중력가속도
Figure 112007018112251-PAT00007
Figure 112007018112251-PAT00008
: 염수대에 설치된 압력식 자동 수위기록 장체에서 획득된 압력 값
도 3은 기존의 전기전도도 검층기를 이용하여 심도에 따른 전기전도도 값을 도시한 것이다. 총 4회의 검층을 수행하였으며, 각 시점을 t1, t2, t3 및 t4로 표기하였다. t1과 t2 시기는 3월 중 각각 간조와 만조일 때이며, t3와 t4 시기는 8월 중 각각 간조와 만조일 때이다.
일반적으로 해안대수층에서 담-염수 경계면은 대수층의 수리특성(수리전도도, 저류계수, 공극률, 종분산지수, 횡분산지수 등)과 담수의 수리경사, 조석의 효과 등에 의해 다양한 형태가 나타나게 된다.
본 발명에서 실시예로 제시한 지역의 경우 전기전도도의 변화를 살펴보았을 때 경계면의 변화가 비교적 샤프(sharp)하게 나타나고 있다. 본 실시예에서는 전기전도도값이 약 15,000μS/cm인 지점을 경계면이 존재하는 지점으로 해석하였다.
t1 시점의 경우 담-염수 경계면은 약 40m에서 형성되며, t2 시점의 경우 약 35m에서 형성된다. 또한 t3과 t4 시점의 경우 각각 약 65m와 약 46m 지점에서 담-염수 경계면이 형성된다.
즉, t1은 3월 중 간조일 때 측정한 자료이고, t2는 만조일 때 측정한 자료이다. 도 3에서 볼 수 있듯이 만조일 때 담-염수 경계면이 간조일 때의 담-염수 경계면보다 상승하였음을 알 수 있다. 즉, 담-염수 경계면의 변화는 약 35~40m 범위에 서 약 5m 변화폭을 가지고 있다.
즉, 상기 도 3에서 볼 수 있듯이 3월과 8월 중에 측정한 전기전도도 값을 통해 볼때 담-염수 경계면이 형성되는 위치가 매우 상이함을 알 수 있다. 이는 같은 간조 혹은 만조일 때라도 강우와 같은 다른 외부환경에 의해 담-염수 경계면이 형성되는 위치가 달라진다는 것을 나타낸다.
도 4a와 도 4b는 본 발명에 따른 담-염수 경계면 산정법에 대하여 실제 현장에서 단기간(약 30시간)에 걸쳐 조석에 대한 담-염수 경계면의 변화를 추정한 도이다. 기존의 전기전도도 검층기를 이용하여 결정된 담-염수 경계면의 위치와 잘 일치하고 있음을 보이고 있다.
구체적으로 도 4a는 t1 시기와 t2 시기에 본 발명에 따른 담-염수 경계면 산정법에 대하여 조석의 영향에 대한 담-염수 경계면의 변화를 추정한 도이다. 담-염수 경계면은 간조시 약 40m 부근에서 형성되며, 만조시 약 35m 부근에서 형성된다. 도 4b는 t3 시기와 t4 시기에 본 발명에 따른 담-염수 경계면 산정법에 대하여 조석의 영향에 대한 담-염수 경계면의 변화를 추정한 도이다. 담-염수 경계면은 간조시 약 60m 부근에서 형성되며, 만조시 약 46m 부근에서 형성된다.
즉, 4a는 본 발명에 따른 담-염수 경계면 산정법으로 시간에 따른 담-염수 경계면 변화를 연속적으로 추정한 그림으로 조수위가 낮을때(간조) 담-염수 경계면이 약 40m에서 형성되었다가 조수위가 상승함에 따라 담-염수 경계면도 함께 상승하고, 만조시 약 35m 부근에서 담-염수 경계면이 형성되고 있음을 알 수 있다. 도 시된 바와 같이 전기전도도 검층에 의한 측정 결과와 비교적 잘 일치하고 있음을 알 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 담-염수 경계면 산정법에 대하여 실제 현장에서 장기간(약 5개월)에 걸쳐 강우에 대한 담-염수 경계면의 변화를 추정한 도이다. 장기적으로 보았을 때 담-염수 경계면은 40m 내외에서 형성되어 소폭의 변화를 보이다가 6월 30일과 7월 10일경 두 차례의 집중 강우로 인해 담-염수 경계면이 약 70m 부근까지 하강하고 있음을 보인다.
도시된 바와 같이 담-염수 경계면이 조석에 의한 효과 외의 다른 외부 환경요인에 의해 장기적으로 어떻게 변화하는가를 산정한 그림으로 변화의 추이를 확인할 수 있다.
상기 본 발명은 해안대수층에서의 실시 예를 참조하여 특별히 도시되고 기술되었지만, 이는 예시를 위하여 사용된 것이며 이외의 밀도 차이를 가지는 유체의 경계면의 위치와 시간에 따른 변화를 산정하는데 다양하게 이용할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예이다.
(실시예 1)
본 발명에 따른 담-염수 경계면 산정 방법의 실시 예로 제주도 북부 해안대수층에 위치해 있는 관측정에서 적용해 보았다. 본 관정은 해안으로부터 약 320m 떨어져 있으며, 심도는 약 90m이다. 초기 심도에 따른 전기전도도 검층 결과 담-염수 경계면은 약 35~40m 부근에서 형성되었다. 담-염수 경계면을 기준으로 두 개의 압력식 자동 수위기록 장치를 담수대와 염수대에 각각 하나씩 설치하였다. 담수대에는 28m 지점에 염수대에는 84m 지점에 설치하였으며, 담수와 염수의 밀도는 관측된 전기전도도 값으로부터 산정된 997kg/m3값과 1,013kg/m3값을 이용하였다.
(비교예 1)
종래의 방법은 전기전도도 검층을 통해 담-염수 경계면을 산정하는 방법이다. 이에 대해서는 도 3에 도시하였으며, 담-염수 경계면의 위치는 본 발명에 의한 결과와 비교적 잘 일치하였다.
상기와 같이 담-염수 경계면이 형성되는 위치와 시간에 따른 변화를 살펴볼 목적으로 종래의 전기전도도 검층을 이용하는 방법은 많은 시간, 인력, 비용이 드는 반면 본 발명은 최초 1회의 전기전도도 검층 이후에는 자동으로 측정되는 압력자료를 이용하여 담-염수 경계면의 위치와 그 변화 양상을 살펴 볼 수 있기 때문에 매우 효율적이라 할 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
상기와 같은 본 발명은 담수와 염수의 밀도 차이에 따른 압력 변화를 이용하여 해안대수층에서의 시간에 따른 담-염수 경계면의 변화를 산정할 수 있게 되어 조석에 따른 단기적인 담-염수 경계면의 변화뿐만 아니라 강우에 따른 계절적인 영향, 그리고 지하수 양수 등의 인위적인 영향에 의한 변화 정보까지 제공하는 효과를 얻게 된다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.

Claims (4)

  1. 해안대수층에서의 담-염수 또는 밀도가 서로 다른 유체의 경계면 산정 방법에 있어서,
    담-염수 경계면을 관통하는 적어도 하나 이상의 관측정을 형성하는 단계와;
    상기 형성된 관측정 내부의 담-염수 경계면의 상부인 담수와 경계면 하부인 염수 부분에 각각 압력식 자동 수위기록 장치를 설치하여 시간에 따른 압력변화를 관측하는 단계; 및
    상기 압력식 자동 수위기록 장치에서 측정된 시간에 따른 압력변화를 이용 담수와 염수의 밀도 차이와 압력자료를 이용하여 담-염수 경계면을 산정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중압력자료를 이용한 담-염수 경계면 변화 산정방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 압력식 자동 수위기록 장치에 입력되는 압력자료를 연속적인 시계열 자료를 이용하여 시간별, 계절별 담-염수 경계면을 산정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이중압력자료를 이용한 담-염수 경계면 변화 산정방법.
  3. 제 1 항 또는 2항에 있어서,
    상기 담수와 염수의 밀도 차이와 압력자료를 이용하여 담-염수 경계면을 산정하는 단계는 하기의 수학식을 이용하여 담-염수 경계면을 계산하는 방법을 특징으로 하는 이중압력자료를 이용한 담-염수 경계면 변화 산정방법.
    [수학식 ]
    Figure 112007018112251-PAT00009
    상기의 수학식에서
    Figure 112007018112251-PAT00010
    : 지하수면에서 염수대에 설치된 압력식 자동 수위기록 장치까지의 거리
    Figure 112007018112251-PAT00011
    : 담-염수 경계면에서 염수대에 설치된 압력식 자동 수위기록 장치까지의 거리
    Figure 112007018112251-PAT00012
    : 담수의 밀도
    Figure 112007018112251-PAT00013
    : 염수의 밀도
    Figure 112007018112251-PAT00014
    : 중력가속도
    Figure 112007018112251-PAT00015
    Figure 112007018112251-PAT00016
    : 염수대에 설치된 압력식 자동 수위기록 장치에서 획득된 압력 값이다.
  4. 제 1 항 또는 2항에 있어서,
    상기 압력식 자동 수위기록 장치는 초기 1회의 전기전도도 검층을 통해 위치를 선정하는 것을 특징으로 하는 이중압력자료를 이용한 담-염수 경계면 변화 산정방법.
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