KR20210147509A - 유도분극 탐사를 이용한 안정화제 적용 토양의 모니터링 방법 - Google Patents

유도분극 탐사를 이용한 안정화제 적용 토양의 모니터링 방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서에 개시된 유도분극 탐사를 이용한 안정화제 적용 토지의 모니터링 방법을 이용하여, 안정화제 적용 토양(안정화층)의 유지 여부를 모니터링할 수 있다.

Description

유도분극 탐사를 이용한 안정화제 적용 토양의 모니터링 방법 {METHOD FOR MONITORING SOIL WITH STABILIZER USING INDUCED POLARIZATION SURVEY}
본 명세서에는 유도분극 탐사를 이용한 안정화제 적용 토양의 모니터링 방법이 개시된다. 구체적으로, 중금속 등으로 오염된 토양 내에서 중금속의 이동성, 용해성을 낮추기 위해 안정화제를 교반한 이후, 장기간 동안 안정화제가 적용된 토양의 상태를 평가하는 방법이다.
무분별한 자원 사용으로 인하여 지중환경의 오염이 심각해지고, 오염에 의하여 발생한 피해로 인하여 지중환경의 관리에 그 필요성이 대두되고 있다. 특히, 중금속의 경우 자연적으로 정화되는 시간이 길고, 경로를 통해 인체에 유입 시 배출이 어려워 각종 질병을 유발하게 된다.
중금속은 지중환경에서 거동 시 지하수, 강우, 물리적 작용 등에 의해서 거동되며, 이러한 거동은 토양정화사업이나, 토양 이용 시 문제가 될 수 있다. 이에 토양 내 중금속 처리는 매우 중요한 문제로 관심 받고 있다.
현재 토양 내 중금속을 처리하는 방법 중에서 중금속의 이동성, 용해성을 낮추어 안정화하고, 고형화상태로 중금속의 용출을 차단하는 방법을 널리 사용하고 있다. 국외에서는 고형화/안정화방법은 이미 상용화되어 보편화되어 있지만, 국내의 안정화제 적용은 주로 폐광산 인근 농경지로 토양개량 복원에 사용되고 있다.
이때, 사용되는 안정화제로는 석회석과 제강슬래그 등으로 분말 형태로 부설된 안정화제는 복토층이 약해지면 비산되는 문제가 발생하며, 액체 형태의 안정화제는 강우시 쉽게 유출되는 현상이 발생한다. 안정화/고형화를 적용한 이후 안정화제 처리 토양의 평가는 굴착을 통한 토양 시료의 채취 후 분석에 의존해 이루어지고 있다. 이는 안정화층의 파괴로 인한 2차 오염이 발생할 우려가 있다.
또한, 기존 토양 오염 조사의 경우, 개황조사와 정밀조사를 통한 토양조사사업을 진행 시 지속적 인력의 투입과, 토양시료의 전처리, 분석 등으로 인하여 시간과 노동적 낭비가 심하다고 볼 수 있다.
한편, 유도분극(Induced Polarization, 이하 IP) 탐사는 지하 매질에 전류를 공급해 분극을 유도하고 이를 측정하여, 유도되는 분극 차이를 파악하는 기술로, 지반 매질의 차이와 분포 형태를 파악하는 효과적인 방법으로 알려져 있다.
다만, 현재까지는 토양 화학 분석을 통한 정성적 분석만이 이루어지고 있어, 안정화제를 적용한 부지에 대한 지구물리학적 평가 방법이 이루어지지 않고 있는 실정이다.
한국 등록 특허 제10-1436260호 한국 등록 특허 제10-1612027호
본 발명의 일 측면에서, 중금속 오염으로 안정화제를 적용한 부지에 대하여 고형화/안정화된 토양의 유지성을 파악 및 모니터링할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 또다른 일 측면에서, 안정화 공법으로 처리된 토양에 대해 안정화제 유지 여부를 비파괴적, 효과적으로 평가 또는 모니터링하는 방법을 제공하고자 한다.
일 측면에서, 본 명세서에서는, 안정화제 적용 토지에 유도분극 탐사를 위한 측선을 설치하는 단계; 상기 측선을 이용하여 전기 비저항 값 및 IP(Induced Polarization) 값을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 전기 비저항 값 및 IP(Induced Polarization) 값을 영상으로 변환하는 단계; 를 포함하는, 유도분극 탐사를 이용한 안정화제 적용 토지의 모니터링 방법을 제공한다.
일 측면에 있어서, 본 발명의 일 구현 예에 따른 모니터링 방법은 지중환경의 조건을 고려하여, 천부 및/또는 심부에 측선을 설치하여, 오염 조건 및 비오염 조건의 전기비저항(resistivity)과 충전성(chargeability)을 확보할 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명의 일 구현예에 따른 모니터링 방법은 사용된 안정화제 종류에 따라 다른 특성을 보여, 안정화제 적용 토양(안정화층)의 유지 여부를 검증할 수 있으며, 각 토양 층의 전기비저항과 충전성(IP 효과) 특징을 파악하여 안정화층의 유지성을 파악할 수 있다. 또한, 넓은 영역에 대해 기존의 시료 채취를 통한 불연속적 분석이 아닌 연속적인 지반의 정보를 획득할 수 있는 장점이 있다.
다른 측면에서, 주기적인 측정을 통한 안정화층의 유지성을 모니터링함으로써 부지의 정보를 파악해 안정화층에 가해지는 물리적 변화를 관찰할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현 예에 따른 안정화 처리 부지의 평가 방법(오른쪽)과 기존의 평가 방법(왼쪽)의 구성을 대비하여 나타낸 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 모니터링(또는 측정) 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따라 전류 전극과 전위 전극이 이격되어 설치된 모습을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 의한 유도분극 측정 방법을 시간에 따른 충전성(Chargeability)감쇠를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서, 석회를 안정화제로 사용한 부지의 2차원 전기비저항과 시간영역 유도분극 영상화 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서, 석회석 및 제강슬래그를 안정화제로 사용한 부지의 2차원 전기비저항과 시간영역 유도분극 영상화 결과이다.
용어 정의
본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
예시적인 구현예들의 설명
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 명세서의 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 일 구현예에 따른 유도분극 탐사를 이용한 안정화제 적용 토지의 모니터링(또는 측정) 방법을 설명한다.
본 발명은 중금속으로 오염된 부지를 대상으로 안정화 처리 이후에 유도분극 탐사를 이용하여 안정화층의 유지를 파악하기 위한 것이다. 구체적으로, 도 1을 참조하면, 먼저 안정화처리 토양의 안정화층을 파악한 후, 안정화토에 사용된 안정화제의 특성에 따라 IP 반응이 인접한 토양 보다 높거나 낮은 특성을 이용하여 전기비저항과 함께 비교함으로써 안정화 적용 토양이 원상태로 유지되는지 여부를 확인할 수 있다.
본 명세서의 예시적인 구현예들에서는, 안정화제 적용 토지에 유도분극 탐사를 위한 측선을 설치하는 단계; 상기 측선을 이용하여 전기 비저항 값 및 IP(Induced Polarization) 값을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 전기 비저항 값 및 IP(Induced Polarization) 값을 영상으로 변환하는 단계; 를 포함하는, 유도분극 탐사를 이용한 안정화제 적용 토지의 모니터링 방법을 제공한다.
도 1에 도시된 바와 같이 기존의 부지의 토양을 평가하기 위해서는 여러 지점에 걸쳐 토양을 굴착해 시료를 채취 후(샘플링) 건조와 전처리를 거쳐 토양 내 중금속을 모두 추출하여 농도를 분석하는 방식으로 평가하고 있다(도 1의 왼쪽). 그러나 이 방법은 노동집약적이며 고가의 분석 비용이 발생하며, 시료 채취 지점에 한정한 판정에 그쳐 연속적인 지층의 정보를 얻기 어렵다는 단점이 있다.
이러한 점들을 개선하기 위하여, 본 명세서에서는 안정화제를 처리한 부지에 대해 유도분극을 측정하여, 자료 편집 후, 영상화 단계를 거쳐 안정화제 적용 토양의 유지성을 판정하는 방법을 제안한다(도 1의 오른쪽).
먼저, 도 2a와 같이 안정화제 적용 토지에 유도분극 탐사를 위한 측선을 설치한다. 유도분극 탐사에서 전극에서 발생하는 분극 효과는 측정 자료에 잡음으로 작용하기 때문에, 도 2a에서 보는 것과 같이 전류 전극(송신)과 전위 전극(수신)을 각각 분리하여 설치하는 것이 바람직하다.
전류 전극에서는 지반에 전류를 공급하게 되며, 전위 전극에서는 전위차를 측정하여 지반의 전기비저항 값을 측정하고, 도 3에 도시한 바와 같이 전류 송신 차단 이후 시간에 전위차를 측정하여 IP 값을 측정한다.
일 구현예에서, 상기 IP(Induced Polarization) 값은 1 이상의 채널로부터 측정되며, 상기 1 이상의 채널로부터 측정된 IP(Induced Polarization) 값을 편집 후 적분하여 단일 IP(Induced Polarization) 효과로 변환하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 도 3에서 time slot으로 표시된 부분이 채널별 측정된 충전성 값인데, 이 값들에서 이상이 있는 값을 제거하고 나머지 값을 적분하여 계산할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 IP(Induced Polarization) 값은 1 이상의 시간 채널로부터 측정되며, 상기 1 이상의 시간 채널로부터 측정된 잡음이 포함된 자료를 편집한 후, 편집한 자료를 단일 IP 값으로 적분하여 변환하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 이는, 장비에서 자동으로 제공하는 IP 값은 잡음이 포함될 가능성이 있으므로, 각 시간 채널별 자료를 편집한 후에 채널 자료를 적분하여 단일 IP 자료로 변환하는 것이다. 구체적으로, 도 3에서 time slot으로 표시된 부분이 채널별 측정된 충전성 값인데, 이 값들에서 이상이 있는 값을 제거하고 나머지 값을 적분하여 계산할 수 있다.
다시 말해, 여러 개의 시간채널에서 IP 값을 측정하고, 각 시간채널별 탐사자료에 대한 편집 후 전체 채널에 대한 탐사자료를 적분하여 단일채널 IP 자료로 변환한다. 그 후, 2차원 전기비저항/유도분극 역산을 수행하고 역산결과를 이용하여 영상을 획득한다. 측정 영역을 확장 또는 추가한다면, 3차원 분포 영상을 획득할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 측선은 2 이상의 전류 전극 및 2 이상의 전위 전극을 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 2 이상의 전류 전극은 각각 0.1 m 내지 5 m 의 일정한 간격으로 설치할 수 있고, 예컨대 0.1 내지 3 m, 0.1 내지 2 m, 또는 0.1 내지 1 m 의 일정한 간격으로 설치할 수 있으며, 상기 2 이상의 전위 전극은 각각 0.1 m 내지 5 m의 일정한 간격으로 설치할 수 있고, 예컨대 0.1 내지 3 m, 0.1 내지 2 m, 또는 0.1 내지 1 m 의 일정한 간격으로 설치할 수 있고, 측선의 전체 가로 길이가 10 내지 30 m 일 수 있다(도 2b 참조).
또한, 일 구현예에서, 확인하고자 하는 심도를(복토, 안정화토, 심토 경계 부) 고려하여 상기 2 이상의 전류 전극 및 2 이상의 전위 전극 사이의 거리는 0.5 m 내지 2 m일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 2 m일 수 있다. 또한, 각각의 전극의 매설 깊이는 일정하게 설치하여 토양과의 접촉을 유지하도록 하는 것이 바람직하다.
예컨대, 도 2b를 참조하면, 상기 2 이상의 전류 전극들(1-24)과 상기 2 이상의 전위 전극들(25-48)은 서로 일정한 간격(약 1 m)을 가지고 설치될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 영상은 2차원 영상 또는 3차원 영상일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 영상으로 변환하는 단계는 측정된 전기 비저항 값 및 IP(Induced Polarization) 값을 역산하여 이루어질 수 있다.
일 구현예에서, 상기 안정화제 적용 토지는 토지 표면으로부터 표토, 안정화층 및 심토를 포함하고, 상기 측선은 표토(또는 복토)에 설치될 수 있다. 표토에만 측선을 설치하여도, 심토까지 유도 분극 여부를 영상화하여 확인할 수 있다.
이하, 하기의 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 하기의 실시에는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 예시의 목적으로만 제공된 것일 뿐, 본 발명의 범주 및 범위가 이에 한정되지 않는다.
실시예
본 발명의 안정화제 적용 부지의 안정화제의 유지를 판정하는 방법을 적용하여 실제 현장에서 측정한 결과를 구체적으로 서술하기로 한다.
실시예 1
실험지역1은 과거 망간을 채굴한 광산 인근의 농경지로 주로 비소, 카드뮴, 납, 아연이 오염되어 있다. 광산 일대는 산지 계곡지형에 포함되며, 과업지역의 농경지는 대부분 저경사지(2~7%)가 분포한다. 실험지역1 인근의 복원 전 오염도는 Cd, Pb, Zn 우려 기준 (Cd : 4 mg/kg, Pb : 200 mg/kg, Zn : 300 mg/kg) 초과 지역이다.
오염토양의 안정화제로 입상석회석을 5%비율로 혼합하여 안정화를 적용하였다. 안정화제를 적용한 부지는 작물을 재배하는 밭(전)으로 사용되고 있어, 작물이 심어지지 않은 고랑에 측선을 설치하여 자료를 획득하였다. 본 실험지역1은 오염된 원지반(심토) 상부에 안정화층은 20cm 두께로 구성하며, 40cm 두께로 복토층을 적용한 부지이다. 이에 전극간격 0.3m로 총 16.5 m의 측선을 설치하였다. 측정에 사용된 전극배열은 분해능이 뛰어난 쌍극자 배열(dipole-dipole array)을 이용하였으며, 전극에서 발생하는 분극현상을 배제하기 위해 송신 전극과 수신 전극을 이격하여 설치하였다.
도 4는 입상석회석을 안정화제로 사용한 부지에 대한 전기비저항/유도분극 탐사를 수행한 결과이다. 상단의 전기비저항 탐사 결과에서 약 0.4 ~ 0.6 m지점에서 낮은 전기비저항이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이 지점은 안정화제를 혼합한 영역으로 인접한 표토(0 ~ 0.4 m), 심토(0.6 m 이상)와 뚜렷하게 구분이 되는 것을 확인해 안정화처리 토양의 유무를 확인할 수 있다. 하단의 IP탐사 결과에는 안정화제를 혼합한 영역에서 낮은 IP 반응을 보이는 특징을 보이고 있다. 전기비저항/IP 탐사를 통해 석회를 안정화제로 처리한 부지에 대해서 안정화제층의 위치와 그 유지를 파악할 수 있어, 유용하게 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
실시예 2
실험지역2는 과거 금, 은, 동, 연, 아연을 주 광종으로 채굴되는 광산의 인근 필지로 이 일대는 비교적 완경사지(15 ~ 30%), 농경지는 대부분 저경사지(2~7%)가 분포한다. 인근지역 복원 전 오염도는 Cd, As, Pb, Zn이 대책 기준 (Cd : 12 mg/kg, As : 75 mg/kg, Pb : 300 mg/kg, Zn : 900 mg/kg) 초과 지역으로 상당 지역이 대책기준의 10배 이상의 As가 검출되었다.
실험지역2는 안정화제로 입상석회석 2%+제강슬래그3%를 혼합하여 사용하였다. 실험지역1과 마찬가지로 작물을 재배하는 전이므로, 고랑에 측선을 설치하여 자료를 획득하였다. 실험지역1과 동일한 조건에서 자료획득이 이루어졌으며, 그 결과는 도 5에 나타내었다.
도 5는 석회석과 제강슬래그를 혼합하여 안정화제로 사용한 부지에 대한 전기비저항/유도분극 탐사를 수행한 결과이다. 상단의 전기비저항 탐사 결과에서 실험지역1과 달리 지표와 안정화처리 토양의 명확한 차이를 확인하기 어려움을 확인할 수 있다. 전기비저항 탐사 결과만으로는 안정화제를 혼합한 영역과 인접한 표토(0 ~ 0.4 m)와 뚜렷하게 구분이 어렵지만 안정화처리 토양의 유무를 하단의 IP탐사 결과에서 확인할 수 있다. 실험지역1과 달리 철이 함유된 제강슬래그가 안정화제로 혼합된 영역에서 높은 IP 반응을 보이는 특징을 보이고 있다.
이러한 결과로부터 안정화제를 적용한 부지에 전기비저항/IP 탐사를 적용하여 안정화제 처리 영역의 위치, 유지성을 파악하는데 유용하게 사용될 것으로 판단된다.

Claims (9)

  1. 안정화제 적용 토지에 유도분극 탐사를 위한 측선을 설치하는 단계;
    상기 측선을 이용하여 전기 비저항 값 및 IP(Induced Polarization) 값을 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 전기 비저항 값 및 IP(Induced Polarization) 값을 영상으로 변환하는 단계; 를 포함하는, 유도분극 탐사를 이용한 안정화제 적용 토지의 모니터링 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 IP(Induced Polarization) 값은 1 이상의 채널로부터 측정되며,
    상기 1 이상의 채널로부터 측정된 IP(Induced Polarization) 값을 편집 후 적분하여 단일 IP(Induced Polarization) 효과로 변환하는 단계;를 더 포함하는, 유도분극 탐사를 이용한 안정화제 적용 토지의 모니터링 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 IP(Induced Polarization) 값은 1 이상의 시간 채널로부터 측정되며,
    상기 1 이상의 시간 채널로부터 측정된 잡음이 포함된 자료를 편집한 후, 편집한 자료를 단일 IP 값으로 적분하여 변환하는 단계;를 더 포함하는, 유도분극 탐사를 이용한 안정화제 적용 토지의 모니터링 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 측선은 2 이상의 전류 전극 및 2 이상의 전위 전극을 포함하는 것인, 유도분극 탐사를 이용한 안정화제 적용 토지의 모니터링 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 2 이상의 전류 전극은 각각 0.1 m 내지 5 m의 일정한 간격으로 설치되고,
    상기 2 이상의 전위 전극은 각각 0.1 m 내지 5 m의 일정한 간격으로 설치되는 것인, 유도분극 탐사를 이용한 안정화제 적용 토지의 모니터링 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 2 이상의 전류 전극 및 2 이상의 전위 전극 사이의 거리는 0.5 m 내지 2 m인, 유도분극 탐사를 이용한 안정화제 적용 토지의 모니터링 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 영상은 2차원 영상 또는 3차원 영상인, 유도분극 탐사를 이용한 안정화제 적용 토지의 모니터링 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 영상으로 변환하는 단계는 측정된 전기 비저항 값 및 IP(Induced Polarization) 값을 역산하여 이루어지는 것인, 유도분극 탐사를 이용한 안정화제 적용 토지의 모니터링 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 안정화제 적용 토지는 토지 표면으부터 표토, 안정화층 및 심토를 포함하고, 상기 측선은 표토에 설치되는, 안정화제 적용 토지의 모니터링 방법.
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