KR20100004144A - 암반 대수층의 중금속 오염물질의 종분산지수 산출방법 - Google Patents

암반 대수층의 중금속 오염물질의 종분산지수 산출방법 Download PDF

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KR20100004144A KR1020080064166A KR20080064166A KR20100004144A KR 20100004144 A KR20100004144 A KR 20100004144A KR 1020080064166 A KR1020080064166 A KR 1020080064166A KR 20080064166 A KR20080064166 A KR 20080064166A KR 20100004144 A KR20100004144 A KR 20100004144A
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김태형
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Abstract

본 발명은 암반대수층의 중금속 오염물질의 종분산지수를 효율적이고 경제적이며 친환경적으로 산출하도록 하는 암반대수층의 중금속 오염물질의 종분산지수 산출방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 암반대수층의 중금속 오염물질의 종분산지수 산출방법은, 암반대수층에 시추된 1 개의 시험관정에 추적자용액을 일정한 주입율로 주입하는 추적자용액 주입단계와, 상기 추적자용액의 주입이 완료됨과 동시에 상기 시험관정에 현장수를 상기 추적자용액의 주입율과 동일한 주입율로 주입하는 현장수 주입단계와, 상기 현장수의 주입이 완료됨과 동시에 상기 추적자용액의 주입율과 동일한 양수율로 양수하면서 경과시간에 따라 상기 추적자의 농도를 관측하는 양수단계와, 상기 추적자의 농도변화를 이용하여 종분산지수, 공극유속, 평균이송거리를 산출하는 분석단계를 포함하여 수행된다. 상기 추적자의 종분산지수, 공극유속, 평균이송거리의 산출은 "Haggerty et al."이 개발한 수학식과 "Pickens and Grisak"이 개발한 수학식을 적용하여 수행된다. 그리고 상기 추적자는 브롬이온 추적자를 사용하며, 상기 시험관정에 주입되는 상기 추적자는 상기 양수단계에서 전량회수된다.
암반대수층, 종분산지수, 단관정, 브롬이온

Description

암반 대수층의 중금속 오염물질의 종분산지수 산출방법 {METHOD FOR THE LONGITUDINAL DISPERSIVITY ESTIMATION OF HEAVY METAL CONTAMINANTS IN ROCK AQUIFERS}
본 발명은 암반대수층에서 중금속 오염물질의 종분산지수를 산출하는 방법으로 더욱 상세하게는, 암반대수층에 추적자 물질을 주입하고 양수하여 종분산지수, 공극유속, 평균이송거리를 산출하는 방법에 관한 것이다.
종분산지수란 암반대수층의 지하수의 주흐름방향과 같은 방향의 분산지수를 의미하고, 횡분산지수란 지하수 주흐름방향에 수직인 방향의 분산지수를 의미한다.
종래에는 지하수의 종분산지수 측정을 위하여 자연구배 추적자 시험을 많이 활용하였는데, 자연구배 추적자시험을 통하여 대수층의 유효공극율, 종분산지수 및 횡분산지수를 산출할 수 있지만, 암반층에서는 그 시험기간이 매우 길고 관측정에 추적자가 도달하지 않아 실패하는 경우가 많다는 문제점이 있다.
그리고, 강제구배 추적자시험은 추적자를 연속주입하여 주입공과 관측공 사 이의 수리경사를 높여서 대수층의 분산지수를 결정하는 방법인데, 이 방법에 의하면 대량의 추적자가 소요되어 시험비용이 많이 들고 암반 대수층에서 성공할 확률이 높지 않다는 문제점이 있다.
또한, 자연구배 추적자시험과 강제구배 추적자시험에서는 주입된 추적자의 일부만이 회수되기 때문에 시험과정에서 지하수를 오염시키게 되어 환경적인 측면에서 바람직하지 않다는 문제점이 있다.
한편, 종래에는 암반대수층의 종분산지수 측정시험시 추적자로서 염소이온(Chloride), 요오드(Iodide), 형광성염료(Dye) 등을 많이 이용하였지만, 염소이온은 원자량이 36으로 비교적 적고 지하수에 상당량 용존되어 있으며, 요오드와 형광성 염료는 가격이 비싸고 미생물과 반응하기 쉽고 토양이나 암석에 침전 또는 흡착되기 쉬워서, 지하수가 중금속에 오염되어 있는 경우에는 그 오염물질들의 종분산지수를 분석하는 데에는 적합하지 않다는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 암반대수층에서 중금속 오염물질의 분산지수를 효율적이고 경제적으로 측정하는 것을 목적으로 한다.
전술한 본 발명의 목적은, 암반대수층에 시추된 1 개의 시험관정에 추적자용액을 일정한 주입율로 주입하는 추적자용액 주입단계와, 상기 추적자용액의 주입이 완료됨과 동시에 상기 시험관정에 현장수를 상기 추적자용액의 주입율과 동일한 주입율로 주입하는 현장수 주입단계와, 상기 현장수의 주입이 완료됨과 동시에 상기 추적자용액의 주입율과 동일한 양수율로 양수하면서 경과시간에 따라 상기 추적자의 농도를 관측하는 양수단계와, 상기 추적자의 농도변화를 이용하여 종분산지수, 공극유속, 평균이송거리를 산출하는 분석단계를 포함하여 수행되는 암반대수층의 중금속 오염물질의 종분산지수 산출방법을 제공함에 의해서 달성된다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 추적자의 종분산지수, 공극유속, 평균이송거리의 산출은 상기 추적자의 농도이력곡선과 상기 추적자의 상대농도 그래프를 이용하여 "Haggerty et al."이 개발한 수학식 1;
Figure 112008047993543-PAT00001
;과 "Pickens and Grisak"이 개발한 수학식 2;
Figure 112008047993543-PAT00002
;와 수학식 3;
Figure 112008047993543-PAT00003
;을 적용하여 수행되되, 상기 수학식 1에서 v는 상기 추적자의 공극유속, Qinj는 주입율, r은 방사상 거리, θ는 유효공극율, b는 대수층 두께이고, 상기 수학식 2에서
Figure 112008047993543-PAT00004
는 상기 추적자의 종분산지수, UI는 전체 주입부피, UP는 시간에 따른 양수부피, b는 대수층 두께, θ는 유효공극율, Δ(UP/UI)는 무차원 양수부피 증가분이며, 상기 수학식 3에서 R은 상기 추적자의 평균이송거리, b는 대수층 두께, θ는 유효공극율, Q는 주입율, t는 주입시간이다.
본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 추적자는 브롬이온 추적자를 사용한다.
본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 시험관정에 주입되는 상기 추적자는 상기 양수단계에서 전량 회수된다.
본 발명에 따른 암반대수층의 중금속 오염물질의 종분산지수 산출방법에 의하면, 다른 방법에 비해서 성공확률이 현저하게 높고, 시간 및 경제적으로 매우 효과적이고, 또한 주입한 추적자를 양수단계에서 전량 회수할 수 있어 아주 친환경적 이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명한다. 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
도 1에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 암반대수층의 중금속 오염물질의 종분산지수 산출방법의 실시를 위한 개념도가 도시되고, 도 2에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 암반대수층의 중금속 오염물질의 종분산지수 산출방법을 나타내는 순서도가 도시된다. 그리고, 도 3에서는 양수단계(S104)에서 경과시간에 따른 추적자의 상대농도 이력그래프가 도시되고, 도 4에서는 양수단계(S104)에서 경과시간에 따른 추적자의 누적질량회수 그래프가 도시되고, 도 5에서는 UP/UI 대 추적자의 상대농도 그래프가 도시되며, 도 6에서는 무차원 양수부피 증가분(UP/UI)의 추정그래프가 도시된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 암반대수층의 중금속 오염물질의 종분산지수 산출방법은 암반대수층에 시추된 1 개의 시험관정(10)에 추적자용액(80)을 일정한 주입율로 주입하는 추적자용액 주입단계(S102)와, 추적자용액(80)의 주입이 완료됨 과 동시에 시험관정(10)에 현장수(90)를 추적자용액(80) 주입율과 동일한 주입율로 주입하는 현장수 주입단계(S103)와, 현장수(90)의 주입이 완료됨과 동시에 추적자용액(80) 주입율과 동일한 양수율로 양수하면서 경과시간에 따라 추적자의 농도를 관측하는 양수단계(S104)와, 추적자의 농도변화를 이용하여 종분산지수, 공극유속, 평균이송거리를 산출하는 분석단계(S105)를 포함하여 수행된다.
가. 준비단계(S101)
준비단계(S101)에서는 시험대상 암반대수층에 하나의 시험관정(10)을 시추하고, 추적자와 각종 파이프, 펌프, 유량계 등을 준비하여 설치한다. 본 발명은 하나의 시험관정(10)만을 이용한다는 것이 요점 중의 하나인데, 단관정을 이용하는 것은 다관정을 이용하는 것에 비해서 비용이 절감되고, 시험의 성공율이 높으며, 추적자의 회수가 용이해져 친환경적이라는 이점을 갖는다.
바람직하게는, 추적자로는 브롬이온이 사용되는데, 브롬이온은 원자량이 80으로 비교적 크고, 보통지하수에 극미량만 용존되어 있고, 미생물과 반응하기 어려우며, 토양이나 암석에 침전 또는 흡착되지 아니하여, 지하수가 중금속에 오염되어 있는 경우에 그 오염물질들의 종분산지수를 분석하는 데 효율적이다.
시험관정(10)에는 추적자 주입용 주입파이프(20)가 설치되는데, 주입파이프(20)의 하단은 지하수면(70)의 하측에 설치되고 주입파이프(20)의 상단은 추적자용액(80) 주입용 제 1 펌프(30)와 현장수(90) 주입용 제 2 펌프(40)에 병렬 연결된다. 제 1 펌프(30)와 제 2 펌프(40)에는 주입율을 관찰할 수 있도록 유량계가 장착 되고, 제 1 펌프(30)와 제 2 펌프(40)로는 주입율을 조절할 수 있도록 회전수 조절이 가능한 펌프가 사용된다.
추적자 회수를 위한 양수파이프(50)가 시험관정(10)에 설치되는데, 양수파이프(50)의 하단은 지하수면(70)의 하측에 설치되고 양수파이프(50)의 하단에는 수중펌프(60)가 설치된다. 그리고, 양수파이프(50)의 상단에는 양수율을 관찰할 수 있도록 하는 유량계가 장착되고, 수중펌프(60)로는 양수율을 조절할 수 있는 회전수 조절이 가능한 수중펌프(60)가 선택된다. 대안으로서 수중펌프(60)는 지상에 설치되는 일반펌프로 대체될 수도 있다.
나. 추적자용액 주입단계(S102)
추적자용액 주입단계(S102)에서는 제 1 펌프(30)를 이용하여 추적자용액(80)을 시험관정(10)의 지하수로 일정한 주입율을 유지하면서 주입한다. 추적자용액(80)인 브롬이온용액이 제 1 펌프(30)와 주입파이프(20)를 통하여 일정한 주입율로 시험관정(10) 내로 주입되고, 주입된 브롬이온용액은 암반대수층으로 확산된다.
이때, 주입되는 브롬이온용액은 시험관정(10) 체적의 2배 내지 3배로 되는 것이 적합하다. 본 단계에 의하여 시험관정(10)에 주입된 브롬이온은 대수층 내로 최소 수 m에서 최대 수십 m까지 확산된다.
다. 현장수 주입단계(S103)
현장수 주입단계(S103)는 추적자용액(80)의 주입이 완료되는 것과 동시에 시 작되는데, 본 단계에서는 시험관정(10)에 현장수(90)를 추적자용액 주입단계(S102)의 추적자용액(80) 주입율과 동일한 주입율로 주입한다.
추적자용액 주입단계(S102)가 완료되면 현장수(90) 주입용 제 2 펌프(40)를 이용하여 브롬이온이 함유되지 아니한 현장수(90)를 주입파이프(20)를 통하여 주입한다. 현장수(90)는 제 1 펌프(30)의 브롬이온용액 주입율과 동일한 주입율로 주입하며 시험관정(10)의 체적만큼 주입한다.
본 단계는 제 1 펌프(30)를 통해 주입된 브롬이온용액 중 시험관정(10) 내에 잔류하는 것을 암반대수층으로 완전히 확산시키기 위한 단계이다.
라. 양수단계(S104)
양수단계(S104)에서는 현장수(90)의 주입이 완료됨과 동시에 추적자용액(80) 주입율과 동일한 양수율로 양수하면서 경과시간에 따라 추적자의 농도를 관찰한다. 제 2 펌프(40)와 주입파이프(20)를 통해서 현장수(90)의 주입이 완료된 후 즉시, 시험관정(10) 내에 설치된 수중펌프(60)를 이용하여 브롬이온용액의 주입율 또는 현장수(90)의 주입율과 동일한 양수율로 양수한다.
시험관정(10) 내에 설치된 수중펌프(60)를 이용하여 양수되는 경과시간별로 지하수를 채수한 후, 현장에서는 전기전도도를 측정하고, 실내에서는 브롬이온의 농도를 측정한다.
현장측정과 샘플링의 시간 간격은 양수 초기에는 수 초 간격으로 수행하고, 양수 중반과 후반에는 전기전도도의 변화를 고려하여 수분 내지 수십 분 정도로 조 절한다.
현장에서 수행되는 전기전도도의 측정은 간접적인 방법이지만, 양수 시 샘플링 간격의 결정과 브롬이온 농도의 감소와 안정화 경향을 파악할 수 있다. 이러한 경향을 기초로 하여 현장에서 추적자시험의 계속적인 수행여부 또는 추적자시험의 종료시기를 판단할 수 있다. 그리고 현장에서 채수된 지하수 내에 용존되어 있는 브롬이온 농도를 실내에서 정밀분석하여, 시험대수층의 종분산지수의 산정에 활용된다.
바람직하게는 시험관정(10)에 주입되는 브롬이온은 양수단계(S104)를 거치면서 전량회수 된다. 브롬은 상온에서 액체상태로 존재하는 비금속 원소로서 환경 오염을 유발한다. 따라서 본 양수단계(S104)를 거치면서 전량 양수하여 회수하면 암반대수층의 지하수 오염을 방지할 수 있다.
마. 분석단계(S105)
분석단계(S105)에서는 추적자의 농도변화를 이용하여 종분산지수, 공극유속, 평균이송거리를 산출한다. 분석을 위해서는 다음과 같은 가정이 필요하다.
① 광역적인 수리경사는 무시한다.
② 암반대수층은 두께가 일정한 피압대수층이고, 등방ㆍ균질한 수평층이다. 그리고, 지하수의 흐름은 방사상의 흐름이며, 시험관정(10)을 중심으로 대칭적인 흐름을 형성한다. 본 시험의 기본 가정 및 해석은 피압대수층에 적용되지만, 자유면 대수층에도 적합한 것으로 알려져 있다.
추적자의 공극유속(v)은 지하수의 평균선형유속과 동일하며, "Haggerty et al.(2001)"이 제시한 수학식 1이 이용된다.
Figure 112008047993543-PAT00005
수학식 1에서 Qinj는 주입율, r은 방사상 거리(시험관정(10)에서 멀어지는 방향이 (+)), θ는 유효공극율, b는 대수층 두께이다.
양수단계(S104)에서 회수된 브롬이온용액으로부터 도 3의 경과시간에 대한 추적자의 상대농도 이력그래프를 작성한다. 그리고 주입량과 양수량의 비율로부터 도 5의 그래프를 작성한다. 도 6으로부터 C/CO=0.5 에서의 접선과 C/CO=0.0 , 1.0인 지점이 교차할때의 UP/UI값들의 차이에 해당하는 Δ(UP/UI)의 무차원 양수부피 증가분을 산출한다.
종분산지수(
Figure 112008047993543-PAT00006
)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 시험 중 양수단계(S104)에서의 시간에 따른 농도변화자료를 이용한 UP/UI 대 C/CO의 그래프에서 "Pickens and Grisak(1981)"이 개발한 수학식 2를 이용하여 산출한다.
Figure 112008047993543-PAT00007
수학식 2에서 UI는 전체 주입부피, UP는 시간에 따른 양수부피, b는 대수층 두께, θ는 유효공극율, Δ(UP/UI)는 무차원 양수부피 증가분이다.
주입완료 시점에서 추적자의 평균이송거리(R)는 "Pickens and Grisak(1981)"이 개발한 수학식 3을 이용하여 산출한다.
Figure 112008047993543-PAT00008
수학식 3에서 b는 대수층 두께, θ는 유효공극율, Q는 주입율, t는 주입시간이다.
본 발명에 따른 암반대수층의 중금속 오염물질의 종분산지수 산출방법에 의하면, 단관정을 이용하기 때문에 추적자가 관측관정에 도달하지 아니하는 경우가 발생하는 다관정을 이용하는 방법에 비해서 성공확률이 현저하게 높다. 그리고, 1개의 시험관정(10)을 시추하고 설비를 설치하므로 시간 및 경제적으로 매우 효과적이고, 또한 주입한 추적자를 양수단계(S104)에서 전량회수할 수 있어 아주 친환 경적이다.
도 1은 본 발명에 따른 암반대수층의 중금속 오염물질의 종분산지수 산출방법의 실시를 위한 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 암반대수층의 중금속 오염물질의 종분산지수 산출방법의 순서도.
도 3은 양수단계에서 경과시간에 따른 추적자의 상대농도 이력그래프.
도 4는 양수단계에서 경과시간에 따른 추적자의 누적질량회수 그래프.
도 5는 UP/UI 대 추적자의 상대농도 그래프.
도 6은 무차원 양수부피 증가분(UP/UI)의 추정그래프.
<도면의 주요 부분의 설명>
10; 시험관정 20; 주입파이프
30; 제 1 펌프 40; 제 2 펌프
50; 양수파이프 60; 수중펌프
70; 지하수면 80; 추적자용액
90; 현장수 S101; 준비단계
S102; 추적자용액 주입단계 S103; 현장수 주입단계
S104; 양수단계 S105; 분석단계

Claims (4)

  1. 암반대수층에 시추된 1 개의 시험관정에 추적자용액을 일정한 주입율로 주입하는 추적자용액 주입단계;
    상기 추적자용액의 주입이 완료됨과 동시에 상기 시험관정에 현장수를 상기 추적자용액의 주입율과 동일한 주입율로 주입하는 현장수 주입단계;
    상기 현장수의 주입이 완료됨과 동시에 상기 추적자용액의 주입율과 동일한 양수율로 양수하면서 경과시간에 따라 상기 추적자의 농도를 관측하는 양수단계; 및
    상기 추적자의 농도변화를 이용하여 종분산지수, 공극유속, 평균이송거리를 산출하는 분석단계;를 포함하여 수행되는 암반대수층의 중금속 오염물질의 종분산지수 산출방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 추적자의 종분산지수, 공극유속, 평균이송거리의 산출은 상기 추적자의 농도이력곡선과 상기 추적자의 상대농도 그래프를 이용하여 "Haggerty et al."이 개발한 수학식 1;
    Figure 112008047993543-PAT00009
    ;과 "Pickens and Grisak"이 개발한 수학식 2;
    Figure 112008047993543-PAT00010
    ;와 수학식 3;
    Figure 112008047993543-PAT00011
    ;을 적용하여 수행되되, 상기 수학식 1에서 v는 상기 추적자의 공극유속, Qinj는 주입율, r은 방사상 거리, θ는 유효공극율, b는 대수층 두께이고, 상기 수학식 2에서
    Figure 112008047993543-PAT00012
    는 상기 추적자의 종분산지수, UI는 전체 주입부피, UP는 시간에 따른 양수부피, b는 대수층 두께, θ는 유효공극율, Δ(UP/UI)는 무차원 양수부피 증가분이며, 상기 수학식 3에서 R은 상기 추적자의 평균이송거리, b는 대수층 두께, θ는 유효공극율, Q는 주입율, t는 주입시간인 것을 특징으로 하는 암반대수층의 중금속 오염물질의 종분산지수 산출방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 추적자는 브롬이온 추적자를 사용하는 것을 특징으로 하는 암반대수층의 중금속 오염물질의 종분산지수 산출방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 시험관정에 주입되는 상기 추적자는 상기 양수단계에서 전량회수되는 것을 특징으로 하는 암반대수층의 중금속 오염물질의 종분산지수 산출방법.
KR1020080064166A 2008-07-03 2008-07-03 암반 대수층의 중금속 오염물질의 종분산지수 산출방법 KR20100004144A (ko)

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KR1020080064166A KR20100004144A (ko) 2008-07-03 2008-07-03 암반 대수층의 중금속 오염물질의 종분산지수 산출방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101327983B1 (ko) * 2013-06-25 2013-11-13 주식회사 지오그린이십일 양수 처리 시스템 및 그 방법
CN114544437A (zh) * 2022-02-28 2022-05-27 中国矿业大学 一种煤岩流场原位荧光菌显微示踪方法

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