KR20160000261A - 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 시스템 및 모사 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 시스템 및 모사 방법에 관한 것으로, 지하수의 흐름, 오염물의 이동 및 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 모사 하기 위한 모델링 영역을 설정하는 모델링영역부 및 상기 모델링 영역에서 유체 흐름 및 용질 이동에 대해 격자단위로 계산하고, 상기 모델링 영역에서 용질의 농도를 시간단위별로 갱신하며, 상기 모델링 영역에서 지하수와 지하 매질의 지화학 조건을 고려한 지화학 반응을 계산하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부에서 계산된 계산치를 토대로 상기 지하수의 흐름, 오염물의 이동 및 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 모사 한다.

Description

지하수 내 오염물 반응 이동 모사 시스템 및 모사 방법{Simulation system and method for the reactive transport of pollutants in groundwater}
본 발명은 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 시스템 및 모사 방법에 관한 것이다.
최근 산업의 발달과 공업화에 따라 각종 산업체로부터 대량 및 다양한 환경오염 물질들이 배출되고 있으며, 환경오염을 막기 위하여 오염 물질을 처분하기 위한 다양한 시설에 대한 연구는 계속적으로 개진되고 있다. 최근에는 전 세계적으로 지하암반과 같은 지하수의 투수도가 매우 낮은 매질에 대한 관심이 증가하고 있는데, 이는 이와 같은 지질 내에 오염 물질 처분장을 고려하고 있기 때문이다.
이에 따라, 현재까지 지하수 내 오염물 이동을 모사 하기 위한 모델들이 세계적으로 다수 개발되어 왔으며, 유한 요소법에 의해 지하수가 흐르는 개량체에 의해 발생하는 지반토의 응력의 변화를 평가하기 위한 특허문헌과 같이, 대부분 유한요소법 또는 유한차분법으로 지하수의 흐름 및 오염물의 이동을 해석하고 있다.
그러나, 지하수 내 오염물 이동을 모사 하기 위해 특허문헌과 같이, 유한차분법 또는 유한요소법과 같은 수치해석 방법을 사용할 경우에는 이하와 같은 문제가 있다.
먼저, 연속체인 지하수의 흐름 및 오염물의 이동을 유한개의 요소 즉 소구간으로 분할하여 각기의 영역에 관한 근사해법으로 계산하기 때문에, 매질의 규모(scale), 형태, 불균질성(heterogeneity) 등에 크게 제약을 받는다는 문제가 있다.
또한, 몇몇 반응 이동 모델들은 오염물의 반응 해석을 위하여 반응 모듈을 반응 이동 모델에 내장하고 있기 때문에, 다양한 환경과 다양한 오염물에 대한 반응식들을 고려하기 위한 모델링 업그레이드가 어렵다는 문제가 있다.
또한, 다양한 규모에서 지하수 흐름, 오염물 이동, 그리고 오염물의 반응들을 고려한 오염물 반응 이동을 수치적으로 계산하기 위해서는 많은 양의 정보를 처리해야 하기 때문에, 계산 시간에 대한 제약이 존재한다는 문제가 있다.
특허문헌 : 등록특허 10-1196631(2012. 10. 25. 등록)
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 지하수 내 오염물 반응 이동 모사에 있어서, 매질의 규모, 형태, 불균질성 등에 크게 제약을 받지 않고 모사 할 수 있고, 다양한 환경에서 오염물의 반응식들에 대한 모델 업그레이드가 용이한 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 시스템 및 모사 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 시스템은 지하수의 흐름, 오염물의 이동 및 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 모사 하기 위한 모델링 영역을 설정하는 모델링영역부 및 상기 모델링 영역에서 유체 흐름 및 용질 이동에 대해 격자단위로 계산하고, 상기 모델링 영역에서 용질의 농도를 시간단위별로 갱신하며, 상기 모델링 영역에서 지하수와 지하 매질의 지화학 조건을 고려한 지화학 반응을 계산하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부에서 계산된 계산치를 토대로 상기 지하수의 흐름, 오염물의 이동 및 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 모사 할 수 있다.
또한, 상기 모델링 영역에서 상기 지하수의 흐름 및 상기 오염물의 이동은 격자 볼츠만 방법(LBM; lattice Boltzmann method)을 사용하여 모사하고, 상기 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응은 Phreeqc를 사용하여 모사 할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 병렬 컴퓨팅을 통해, 상기 모델링 영역에서 유체 흐름 및 용질 이동에 대해 상기 LBM을 사용하여 계산하고, 상기 Phreeqc를 사용하여 상기 모델링 영역에서 용질의 농도를 시간단위별로 갱신하며 상기 모델링 영역에서 지하수와 지하 매질의 지화학 조건을 고려한 지화학 반응을 계산할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 모델링 영역에서 유체 흐름에 대해 격자단위로 계산하는 유체 산출부와, 상기 모델링 영역에서 용질 이동에 대해 격자단위로 계산하는 용질 산출부 및 상기 모델링 영역에서 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 계산하는 지화학 반응 산출부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 유체 산출부는 유속을 포함하여 상기 유체 흐름과 관련된 변수를 격자단위로 계산하는 유체흐름변수 산출모듈과, 상기 모델링 영역의 주변 격자 간 유체입자의 충돌을 계산하는 유체입자 충돌 산출모듈과, 상기 모델링 영역의 주변 격자 간 유체입자의 충돌 후 유체입자의 전파를 계산하는 유체입자 전파 산출모듈 및 상기 모델링 영역의 주변 격자의 공극율 또는 투수계수를 고려하여 전파된 유체입자의 부분적인 회귀를 계산하는 유체입자 회귀 산출모듈을 포함할 수 있다.
또한, 상기 용질 산출부는 상기 지하수와 지하 매질의 지화학 조건을 고려하여 계산한 지화학 반응 계산치를 적용하여 상기 모델링 영역에서 용질별 농도를 포함한 용질 이동과 관련된 변수를 격자단위로 계산하는 용질이동변수 산출모듈과, 상기 유체흐름변수 산출모듈에서 계산된 상기 유속이 적용되어 상기 모델링 영역의 주변 격자 간 용질의 충돌을 계산하는 용질 충돌 산출모듈과, 상기 모델링 영역의 주변 격자 간 충돌 후 용질의 전파를 계산하는 용질 전파 산출모듈 및 상기 모델링 영역의 주변 격자의 공극율 또는 투수계수를 고려하여 전파된 용질의 부분적인 회귀를 계산하는 용질 회귀 산출모듈을 포함할 수 있다.
또한, 상기 지화학 반응 산출부는 상기 용질이동변수 산출모듈에서 계산된 용질별 농도가 적용되어 상기 모델링 영역에서 용질 이동에 의한 각 용질별 농도변화를 시간단위별로 갱신하는 용질별 농도변화 수정모듈 및 상기 모델링 영역에서 지하수와 지하 매질의 지화학 조건을 고려한 지화학 반응을 계산하고, 그 계산치를 상기 용질이동변수 산출모듈로 출력하는 지화학 반응 산출모듈을 포함할 수 있다.
그리고 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 방법은 지하수의 흐름, 오염물의 이동 및 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 모사 하기 위해 모델링 영역을 설정하는 단계와, 상기 모델링 영역의 유속을 포함하여 유체 흐름과 관련된 계산과, 상기 유속이 적용되며 상기 모델링 영역의 용질별 농도를 포함하여 용질 이동과 관련된 계산 및 상기 용질별 농도가 적용되며 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응과 관련된 계산을 병렬적으로 진행하는 병렬 컴퓨팅 단계 및 상기 병렬 컴퓨팅하여 계산된 계산치를 토대로 상기 지하수의 흐름, 오염물의 이동 및 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 모사 하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 유체 흐름과 관련된 계산은 상기 지하수 흐름과 관련된 초기조건을 설정하는 단계와, 상기 유체 흐름과 관련된 변수를 계산 한 후, 상기 모델링 영역의 주변 격자 간 유체입자의 충돌을 계산하고, 상기 모델링 영역의 주변 격자 간 충돌 후 유체입자의 전파를 계산하며 상기 모델링 영역의 주변 격자의 공극률 또는 투수계수를 고려하여 전파된 유체입자의 부분적인 회귀를 계산하는 단계 및 상기 모델링 영역 외곽부분의 유체 흐름과 관련된 경계조건을 고려하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 용질 이동과 관련된 계산은 지하수와 지하 매질의 초기 지화학 조건을 정의하는 단계와, 상기 지하수와 지하 매질의 지화학 조건을 고려하여 계산한 지화학 반응 계산치를 적용하여 상기 모델링 영역에서 상기 용질 이동과 관련된 변수를 격자단위로 계산한 후, 상기 유속을 적용하여 상기 모델링 영역의 주변 격자 간 용질의 충돌을 계산하고, 상기 모델링 영역의 주변 격자 간 충돌 후 용질의 전파를 계산하며, 상기 모델링 영역의 주변 격자의 공극율 또는 투수계수를 고려하여 전파된 용질의 부분적인 회귀를 계산하는 단계 및 상기 모델링 영역 외곽부분의 용질 이동과 관련된 경계조건을 고려하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 지하수와 지하 매질의 초기 지화학 조건을 정의하는 단계 이후 상기 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응과 관련된 계산은 상기 용질별 농도를 적용하여 상기 모델링 영역에서 용질 이동에 의한 용질별 농도변화를 시간단위별로 갱신하는 단계 및 상기 모델링 영역에서 지하수와 지하 매질의 지화학 조건을 고려한 지화학 반응을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 시스템 및 모사 방법은 모델링 영역에서 유체 밀도, 유체 압력, 유속, 오염물 농도 등을 격자단위로 병렬 컴퓨팅을 통해 계산하여 지하수의 흐름 및 오염물의 이동을 모사하고 다양한 환경에서 오염물의 반응식들에 대해 모델링 업그레이드하는 지화학 반응 산출부를 포함함으로써, 지하 매질의 규모, 형태, 불균질성 등에 크게 제약을 받지 않고 지하수의 흐름 및 오염물의 반응 이동을 모사 할 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 시스템을 나타내는 도면,
도 2는 도 1의 유체 산출부를 나타내는 블록도,
도 3은 도 1의 용질 산출부를 나타내는 블록도,
도 4는 도 1의 지화학 반응 산출부를 나타내는 블록도,
도 5는 실시 예에 따른 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1은 실시 예에 따른 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 실시 예에 따른 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 시스템은 모델링영역부(10), 자료 수집부(30), 초기부(50), 조건부(70) 및 제어부(90)를 포함하여, 지하수의 흐름, 오염물의 이동 및 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 모사 한다.
이때, 실시 예에 따른 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 시스템은 지하수의 흐름 및 오염물의 이동 모사 시에 지하 매질의 규모, 형태, 불균질성 등에 크게 제약을 받지 않도록, 모델링영역부(10)에서 설정된 모델링 영역의 각 격자에서 지하수 또는 오염물의 밀도분포가 주변 격자에 흐름(streaming)과 충돌(collision)에 의하여 미치는 영향 등을 고려하여 상기 모델링 영역에서 유체 밀도, 유체 압력, 유속, 오염물 농도 등을 격자단위로 계산하여 상기 지하수의 흐름 및 오염물의 이동을 모사 한다. 예를 들어, 상기 지하수의 흐름 및 오염물의 이동은 LBM으로 모사 할 수 있다.
이때, 상기 LBM을 이용하여 지하수의 흐름 및 오염물의 이동을 모사 할 경우, 종래에는 공극과 지하 매질로 구성된 이진영역(binary domain)에만 적용되기 때문에 소규모 모델링 영역에서만 모사 할 수 있으나, 실시 예에 따른 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 시스템은 매질의 지하수 투과능을 나타내는 실수범위의 인자(예를 들어, 공극률(porosity), 투수계수(permeability) 등)도 고려하여 유체입자의 충돌 및 전파와 용질의 충돌 및 전파가 계산되기 때문에, 상기 이진영역 뿐만 아니라 실수영역(gray-scale domain)의 모델링 영역에도 적용되어 종래 보다 다양한 규모와 불균질 매질의 모델 영역에 모델링이 가능하게 된다.
그리고 실시 예에 따른 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 시스템은 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응 모사 시, 다양한 환경에서 오염물의 반응식들에 대한 모델 업그레이드가 용이한 방법으로 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 모사 한다. 예를 들어, 상기 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응은 Phreeqc로 모사 할 수 있다. 상기 Phreeqc는 산화·환원반응, 이온교환, 표면착화, 광물의 용해 및 침전 등의 다양한 지화학적 반응들을 계산할 수 있다.
이때, 실시 예에 따른 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 시스템은 상기 Phreeqc를 이용하여 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 모사 할 경우, 모델 업그레이드를 하기 위해 추가적으로 고려된 지화학 반응식들을 업그레이드 전의 Phreeqc 데이터베이스에 추가하고 이용하기 때문에, 다양한 환경에서 오염물의 반응식들에 대한 모델 업그레이드가 용이하다.
여기서, 상기 지하수의 흐름은 오염물의 이동을 지배하고 이에 따라, 지하수의 유동방향, 유동특성 및 오염농도에 대한 종합적인 이해는 지하수 오염관리의 근간이 된다. 또한, 상기 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응은 자연적인 오염의 조절과 감시에 중요한 기능을 담당하고 이에 따라, 수리지질학적, 지화학적 과정 및 영향에 대한 종합적인 이해는 지하수 오염 취약성 평가의 기초가 된다.
상기 모델링영역부(10)는 지하수의 흐름, 오염물의 이동 및 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 모사 하기 위하여 사전에 정의된 공간인 모델링 영역을 설정한다.
상기 자료 수집부(30)는 모델링에 사용되는 물리화학적 상수들 등 지하수의 흐름, 오염물의 이동 및 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 모사 하기 위한 자료를 수집한다.
상기 초기부(50)는 지하수 흐름과 관련된 초기조건을 설정하고, 지하수와 지하 매질의 초기 지화학 조건을 정의한다. 여기서, 상기 지하수 흐름과 관련된 초기조건은 LBM으로 설정할 수 있고, 상기 지하수와 지하 매질의 초기 지화학 조건은 Phreeqc로 정의할 수 있다.
상기 조건부(70)는 유체 흐름을 모사 하기 위하여 모델링 영역 외곽부분의 유체 흐름과 관련된 경계조건을 고려하고 또한, 용질 이동을 모사 하기 위하여 모델링 영역 외곽부분의 용질 이동과 관련된 경계조건을 고려한다.
상기 제어부(90)는 유체 산출부(910), 용질 산출부(930) 및 지화학 반응 산출부(950)을 포함하여 시스템을 총괄적으로 제어한다.
도 2는 도 1의 유체 산출부를 나타내는 블록도이다. 상기 유체 산출부(910)는 도 2에 도시된 바와 같이, 유체흐름변수 산출모듈(911), 유체입자 충돌 산출모듈(913), 유체입자 전파 산출모듈(915) 및 유체입자 회귀 산출모듈(917)을 포함하여 상기 모델링 영역에서 유체 흐름에 대해 격자단위로 계산한다.
상기 유체흐름변수 산출모듈(911)은 방향별 유속, 유압 등의 유체 흐름과 관련된 변수를 격자단위로 계산한다.
상기 유체입자 충돌 산출모듈(913)은 모델링 영역의 주변 격자 간 유체입자의 충돌을 계산한다. 그리고 상기 유체입자 전파 산출모듈(915)은 모델링 영역의 주변 격자 간 충돌 후 유체입자의 전파를 계산한다.
상기 유체입자 회귀 산출모듈(917)은 모델링 영역의 주변 격자의 공극률 또는 투수계수를 고려하여 전파된 유체입자의 부분적인 회귀를 계산한다.
도 3은 도 1의 용질 산출부를 나타내는 블록도이다. 상기 용질 산출부(930)는 도 3에 도시된 바와 같이, 용질이동변수 산출모듈(931), 용질 충돌 산출모듈(933), 용질 전파 산출모듈(935) 및 용질 회귀 산출모듈(937)을 포함하여 상기 모델링 영역에서 용질 이동에 대해 격자단위로 계산한다.
상기 용질이동변수 산출모듈(931)은 지화학 반응 산출부(950)에서 상기 모델링 영역에서 지하수와 지하 매질의 지화학 조건을 고려하여 계산한 지화학 반응 계산치가 적용되어 용질별 질량, 농도 등의 용질 이동과 관련된 변수를 격자단위로 계산한다.
상기 용질 충돌 산출모듈(933)은 유체흐름변수 산출모듈(911)에서 계산된 유속이 적용되어 모델링 영역의 주변 격자 간 용질의 충돌을 계산한다. 그리고 상기 용질 전파 산출모듈(935)은 모델링 영역의 주변 격자 간 충돌 후 용질의 전파를 계산한다.
상기 용질 회귀 산출모듈(937)은 모델링 영역의 주변 격자의 공극률 또는 투수계수를 고려하여 전파된 용질의 부분적인 회귀를 계산한다.
도 4는 도 1의 지화학 반응 산출부를 나타내는 블록도이다. 상기 지화학 반응 산출부(950)는 도 4에 도시된 바와 같이, 용질별 농도변화 수정모듈(951) 및 지화학 반응 산출모듈(953)을 포함한다.
상기 용질별 농도변화 수정모듈(951)은 용질이동변수 산출모듈(931)에서 계산된 용질별 농도가 적용되어 모델링 영역에서 용질 이동에 의한 용질별 농도변화를 시간단위별로 갱신한다.
상기 지화학 반응 산출모듈(953)은 모델링 영역에서 지하수와 지하 매질의 지화학 조건을 고려한 지화학 반응을 계산하고, 그 계산치를 용질 이동 계산을 위하여 용질이동변수 산출모듈(931)로 출력한다.
이하에서는 실시 예에 따른 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 방법에 대하여 상세히 설명한다. 그리고 도 5는 실시 예에 따른 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 방법을 나타내는 순서도이다.
실시 예에 따른 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 방법은 사전에 정의된 공간인 모델링 영역에서 정해진 시간 즉 모델링 시간 동안 지하수 내 오염물의 시공간적 분포를 구하기 위한 것으로서, 이러한 오염물의 시공간적 분포가 지하수 흐름에 의한 이동과 지하 매질과의 반응에 의해서 영향을 받기 때문에, 지하수 유속을 계산하고 이를 이용하여 오염물의 이동을 계산하여 지하수 흐름에 의한 오염물의 분포를 도출하고 이를 바탕으로 지하 매질과의 반응에 의한 오염물 농도분포의 변화를 계산한다. 여기서, 상기 지하 매질과의 반응 즉 지화학 반응은 유동상의 지하수 내 오염물과 고정상의 지하 매질 표면과의 반응이다. 이러한 과정은 매 시간단위별로 반복한다.
즉 도 5에 도시된 바와 같이, 실시 예에 따른 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 방법은 지하수의 흐름, 오염물의 이동 및 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 모사 하기 위해서 먼저, 모델링 영역을 설정한다(S100). 이때, 상기 모델링에 사용되는 물리적 상수, 화학적 상수 등을 입력한다.
그 다음, 상기 정의된 모델링 영역의 조건들을 초기화한다. 여기서, 지하수 흐름과 관련된 초기조건을 설정한다(S200). 또한, 지하수와 지하 매질의 초기 지화학 조건을 정의한다(S300). 여기서, 상기 지하수 흐름과 관련된 초기조건은 LBM(L)으로 설정할 수 있고, 상기 지하수와 지하 매질의 초기 지화학 조건은 Phreeqc(P)로 정의할 수 있다.
이후, 상기 지하수의 흐름 및 오염물의 이동을 모사 하기 위하여, 유체 흐름 및 용질 이동에 관한 계산을 진행한다.
먼저, 상기 유체 흐름에 관한 계산과정은 상기 지하수 흐름과 관련된 초기조건을 설정한(S200) 상태에서, 상기 모델링 영역에서 지하수의 유체 흐름과 관련된 변수 예를 들어, 방향별 유속, 유압 등을 격자단위로 계산한다(S211).
이 후, 상기 모델링 영역의 주변 격자 간 유체입자의 충돌을 계산하고, 상기 모델링 영역의 주변 격자 간 충돌 후 유체입자의 전파를 계산한 후, 상기 모델링 영역의 주변 격자의 공극율 또는 투수계수를 고려하여 전파된 유체입자의 부분적인 회귀를 계산한다(S213).
그 다음, 상기 모델링 영역 외곽부분의 유체 흐름과 관련된 경계조건을 고려한다(S215).
그 후, 상기 유체 흐름에 관한 계산과정(S211,S213,S215)은 모델링 시간 경과될 때까지 순차적이고 반복적으로 계산한다(S217).
그리고 상기 용질 이동에 관한 계산과정은 상기 지하수와 지하 매질의 초기 지화학 조건을 정의한(S300) 상태에서, 상기 모델링 영역에서 지하수의 용질 이동과 관련된 변수 예를 들어, 용질별 질량, 농도 등을 격자단위로 계산한다(S311). 이때, 상기 용질 이동과 관련된 변수 계산시에는 후속 과정인 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 모사 하기 위하여 계산된 지하수와 지하 매질의 지화학 조건을 고려한 지화학 반응이 적용된다. 이에 따라, 상기 모델링 영역에서 용질의 농도는 Phreeqc에 의해서 시간단위별로 갱신될 수 있다.
그 후, 상기 모델링 영역의 주변 격자 간 용질의 충돌을 계산한다(S313). 이때, 상기 용질의 충돌 계산시에는 상기 유체 흐름과 관련된 변수 계산과정(S211)에서 계산된 유속이 적용된다.
그 다음, 상기 모델링 영역의 주변 격자 간 충돌 후 용질의 전파를 계산하고, 상기 모델링 영역의 주변 격자의 공극율 또는 투수계수를 고려하여 전파된 용질의 부분적인 회귀를 계산한다(S315).
이 후, 상기 모델링 영역 외곽부분의 용질 이동과 관련된 경계조건을 고려한다(S317).
이어서, 상기 용질 이동에 관한 계산과정(S311,S313,S315,S317)은 모델링 시간 경과 될 때까지 순차적이고 반복적으로 계산한다(S319).
이때, 상기 유체 흐름에 관한 계산과정(S211,S213,S215) 및 용질 이동에 관한 계산과정(S311,S313,S315,S317)은 LBM(L)을 사용하여 진행할 수 있다.
계속해서, 상기 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 모사 하기 위하여, 상기 모델링 영역에서 지하수와 지하 매질의 초기 지화학 조건을 정의한(S300) 상태에서, 상기 모델링 영역에서 용질 이동에 의한 용질별 농도변화를 시간단위별로 수정한다(S331). 이때, 상기 용질별 농도변화 수정과정에서는 지하수의 용질 이동을 모사 하기 위하여 계산된 용질별 농도가 적용된다.
그 다음, 상기 모델링 영역에서 지하수와 지하 매질의 지화학 조건을 고려한 지화학 반응을 계산하고(S333), 그 계산치를 상기 용질이동변수 산출모듈(931)로 출력한다.
이때, 상기 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 모사 하기 위하여 진행한 과정은 Phreeqc(P)을 사용하여 진행할 수 있다.
즉, 특정 시간 단위에서의 지화학 반응을 계산하기 위해서는 초기조건으로 이전 시간 단위에서 계산된 지하 매질의 지화학 특성과 현재 시간 단위에서 갱신된 지하수의 지화학 특성이 함께 고려된다. 여기서 계산된 지화학 반응에 의하여 지하수의 오염물의 농도와 지하 매질의 지화학 특성이 모두 갱신된다. 그 다음 시간단위에서 갱신된 고정상의 지화학 특성은 각 격자별로 별도로 저장되고, 갱신된 지하수 내 오염물은 지하수 흐름에 의한 오염물 이동 계산에 의하여 또다시 갱신된다.
이를 계산하기 위해서, 실시 예에 따른 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 방법은 Phreeqc를 이용하여 각 격자별 이전 시간 단위에서의 지하수의 지화학 특성과 지하 매질과의 평형상태를 계산하여 지하 매질의 지화학 특성을 정의하고, 이를 현재 시간 단위에서 지하수 내 오염물 이동에 의하여 갱신된 지하수의 지화학 특성과 다시 평형상태를 계산하여 지하수 내 오염물 분포를 갱신한다. 즉, 지하수와 지하 매질의 지화학 반응을 계산하기 위하여, 매시간 단위별 지하 매질의 지화학 특성을 별도로 저장하는 것이 아니라, 매시간 단위별로 이전 시간 단위의 지하수의 지화학 특성을 이용하여 현재 시간의 지하 매질의 지화학 특성을 먼저 계산하는 것이다.
계속해서, 상기 지하수 흐름, 지하수의 용질 이동 및 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 모사 하기 위하여 계산된 결과값을 토대로 지하수의 흐름, 오염물의 이동 및 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 모사 하여 지하수의 흐름 및 오염물 이동을 분석한다(S400).
여기서, 상기 지하수 흐름, 지하수의 용질 이동 및 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 모사 하기 위한 계산방법은 도 5에 도시된 바와 같이, 모사 하기 위한 각 모듈별 정보 전달 방식으로 병렬 컴퓨팅하여 각 모듈을 효율적으로 계산할 수 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 실시 예에 따른 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 시스템 및 모사 방법은 모델링 영역에서 유체 밀도, 유체 압력, 유속, 오염물 농도 등을 격자단위로 병렬 컴퓨팅을 통해 계산하여 지하수의 흐름 및 오염물의 이동을 모사하고 다양한 환경에서 오염물의 반응식들에 대해 모델링 업그레이드하는 지화학 반응 산출부를 포함함으로써, 지하 매질의 규모, 형태, 불균질성 등에 크게 제약을 받지 않고 지하수의 흐름 및 오염물의 반응 이동을 모사 할 수 있다.
또한, 실시 예에 따른 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 시스템 및 모사 방법은 지하 매질의 규모, 형태, 불균질성 등에 크게 제약을 받지 않고 지하수의 흐름 및 오염물의 반응 이동을 모사 할 수 있음으로써, 지하 매질의 분포가 불균질하고, 방사성폐기물 심지층 처분 시설 등과 같은 지하 시설물들에 의하여 매질의 형태가 단순하지 않은 환경에서 오염물의 반응 이동 현상을 효율적으로 해석할 수 있고, 여러 규모(scale)에 대한 수치해석 결과가 필요할 때 결과의 연계성을 유지할 수 있다.
또한, 실시 예에 따른 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 시스템 및 모사 방법은 지하수의 흐름, 오염물의 이동 및 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 모사 하기 위해서, 모델링 영역에서 유체 밀도, 유체 압력, 유속, 오염물 농도 등을 지화학 반응 산출부의 모델링 업그레이드를 적용하여 격자단위로 계산하는 등의 계산과정을 병렬 컴퓨팅을 통하여 효율적으로 계산함으로써, 많은 양의 정보를 처리하기 위해 단일 프로세서에 의한 방대한 메모리 사용 및 계산 시간의 지연 등 계산상의 문제점을 해결할 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변경이나 변형 및 치환이 가능하다.
10: 모델링영역부 30: 자료 수집부
50: 초기부 70: 조건부
90: 제어부 911: 유체흐름변수 산출모듈
913: 유체입자 충돌 산출모듈 915: 유체입자 전파 산출모듈
917: 유체입자 회귀 산출모듈 931: 용질이동변수 산출모듈
933: 용질 충돌 산출모듈 935: 용질 전파 산출모듈
937: 용질 회귀 산출모듈 951: 용질별 농도변화 수정모듈
953: 지화학 반응 산출모듈

Claims (11)

  1. 지하수의 흐름, 오염물의 이동 및 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 모사 하기 위한 모델링 영역을 설정하는 모델링영역부; 및
    상기 모델링 영역에서 유체 흐름 및 용질 이동에 대해 격자단위로 계산하고, 상기 모델링 영역에서 용질의 농도를 시간단위별로 갱신하며, 상기 모델링 영역에서 지하수와 지하 매질의 지화학 조건을 고려한 지화학 반응을 계산하는 제어부; 를 포함하며,
    상기 제어부에서 계산된 계산치를 토대로 상기 지하수의 흐름, 오염물의 이동 및 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 모사 하는 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 모델링 영역에서 상기 지하수의 흐름 및 상기 오염물의 이동은 격자 볼츠만 방법(LBM; lattice Boltzmann method)을 사용하여 모사하고, 상기 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응은 Phreeqc를 사용하여 모사 하는 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는 병렬 컴퓨팅을 통해, 상기 모델링 영역에서 유체 흐름 및 용질 이동에 대해 상기 LBM을 사용하여 계산하고, 상기 Phreeqc를 사용하여 상기 모델링 영역에서 용질의 농도를 시간단위별로 갱신하며 상기 모델링 영역에서 지하수와 지하 매질의 지화학 조건을 고려한 지화학 반응을 계산하는 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 모델링 영역에서 유체 흐름에 대해 격자단위로 계산하는 유체 산출부;
    상기 모델링 영역에서 용질 이동에 대해 격자단위로 계산하는 용질 산출부; 및
    상기 모델링 영역에서 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 계산하는 지화학 반응 산출부;
    를 포함하는 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 유체 산출부는,
    유속을 포함하여 상기 유체 흐름과 관련된 변수를 격자단위로 계산하는 유체흐름변수 산출모듈;
    상기 모델링 영역의 주변 격자 간 유체입자의 충돌을 계산하는 유체입자 충돌 산출모듈;
    상기 모델링 영역의 주변 격자 간 유체입자의 충돌 후 유체입자의 전파를 계산하는 유체입자 전파 산출모듈; 및
    상기 모델링 영역의 주변 격자의 공극율 또는 투수계수를 고려하여 전파된 유체입자의 부분적인 회귀를 계산하는 유체입자 회귀 산출모듈;
    을 포함하는 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 용질 산출부는,
    상기 지하수와 지하 매질의 지화학 조건을 고려하여 계산한 지화학 반응 계산치를 적용하여 상기 모델링 영역에서 용질별 농도를 포함한 용질 이동과 관련된 변수를 격자단위로 계산하는 용질이동변수 산출모듈;
    상기 유체흐름변수 산출모듈에서 계산된 상기 유속이 적용되어 상기 모델링 영역의 주변 격자 간 용질의 충돌을 계산하는 용질 충돌 산출모듈;
    상기 모델링 영역의 주변 격자 간 충돌 후 용질의 전파를 계산하는 용질 전파 산출모듈; 및
    상기 모델링 영역의 주변 격자의 공극율 또는 투수계수를 고려하여 전파된 용질의 부분적인 회귀를 계산하는 용질 회귀 산출모듈;
    을 포함하는 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 지화학 반응 산출부는,
    상기 용질이동변수 산출모듈에서 계산된 용질별 농도가 적용되어 상기 모델링 영역에서 용질 이동에 의한 각 용질별 농도변화를 시간단위별로 갱신하는 용질별 농도변화 수정모듈; 및
    상기 모델링 영역에서 지하수와 지하 매질의 지화학 조건을 고려한 지화학 반응을 계산하고, 그 계산치를 상기 용질이동변수 산출모듈로 출력하는 지화학 반응 산출모듈;
    을 포함하는 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 시스템.
  8. 지하수의 흐름, 오염물의 이동 및 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 모사 하기 위해 모델링 영역을 설정하는 단계;
    상기 모델링 영역의 유속을 포함하여 유체 흐름과 관련된 계산과, 상기 유속이 적용되며 상기 모델링 영역의 용질별 농도를 포함하여 용질 이동과 관련된 계산 및 상기 용질별 농도가 적용되며 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응과 관련된 계산을 병렬적으로 진행하는 병렬 컴퓨팅 단계; 및
    상기 병렬 컴퓨팅하여 계산된 계산치를 토대로 상기 지하수의 흐름, 오염물의 이동 및 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응을 모사 하는 단계;
    를 포함하는 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 유체 흐름과 관련된 계산은,
    상기 지하수 흐름과 관련된 초기조건을 설정하는 단계;
    상기 유체 흐름과 관련된 변수를 계산 한 후, 상기 모델링 영역의 주변 격자 간 유체입자의 충돌을 계산하고, 상기 모델링 영역의 주변 격자 간 충돌 후 유체입자의 전파를 계산하며 상기 모델링 영역의 주변 격자의 공극률 또는 투수계수를 고려하여 전파된 유체입자의 부분적인 회귀를 계산하는 단계; 및
    상기 모델링 영역 외곽부분의 유체 흐름과 관련된 경계조건을 고려하는 단계;
    를 포함하는 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 용질 이동과 관련된 계산은,
    지하수와 지하 매질의 초기 지화학 조건을 정의하는 단계;
    상기 지하수와 지하 매질의 지화학 조건을 고려하여 계산한 지화학 반응 계산치를 적용하여 상기 모델링 영역에서 상기 용질 이동과 관련된 변수를 격자단위로 계산한 후, 상기 유속을 적용하여 상기 모델링 영역의 주변 격자 간 용질의 충돌을 계산하고, 상기 모델링 영역의 주변 격자 간 충돌 후 용질의 전파를 계산하며, 상기 모델링 영역의 주변 격자의 공극율 또는 투수계수를 고려하여 전파된 용질의 부분적인 회귀를 계산하는 단계; 및
    상기 모델링 영역 외곽부분의 용질 이동과 관련된 경계조건을 고려하는 단계;
    를 포함하는 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 지하수와 지하 매질의 초기 지화학 조건을 정의하는 단계 이후 상기 지하수와 지하 매질 간의 지화학적 반응과 관련된 계산은,
    상기 용질별 농도를 적용하여 상기 모델링 영역에서 용질 이동에 의한 용질별 농도변화를 시간단위별로 갱신하는 단계; 및
    상기 모델링 영역에서 지하수와 지하 매질의 지화학 조건을 고려한 지화학 반응을 계산하는 단계;
    를 포함하는 지하수 내 오염물 반응 이동 모사 방법.
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