WO2018092979A1 - 해수침투 저감을 위한 무동력 해수양수 시스템, 및 이 시스템에서의 관정의 최적화 설계를 위한 장치 및 방법 - Google Patents

해수침투 저감을 위한 무동력 해수양수 시스템, 및 이 시스템에서의 관정의 최적화 설계를 위한 장치 및 방법 Download PDF

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pumping
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pipe
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박남식
남병희
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동아대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a seawater pumping system that can reduce the impact of seawater penetration and to an apparatus and method for optimal design of the wells in the system, more specifically, it is possible to pump seawater without a separate power source such as a pump
  • the present invention relates to a non-powered ocean pumping system, and an apparatus and method for optimizing a design of an ocean pumping device for performing an ocean pumping with optimum efficiency in such an ocean pumping system.
  • seawater sea water
  • seawater penetrates through the permeable layer in the ground and often contaminates groundwater.
  • the groundwater level will be lowered and seawater will penetrate better. If the seawater invades the aquifer in the ground, the water quality of the aquifer will not recover for many years. It may be lost.
  • the well structure is simple, and a non-powered seawater pumping device that does not require a separate pump or power unit can be implemented. It provides a seawater pumping device that saves installation costs and time for pumping devices and can significantly reduce maintenance costs.
  • an optimized design method of a seawater pumping device to be able to pump seawater most efficiently under given conditions.
  • a non-powered seawater pumping device for reducing seawater penetration in a ground having an aquifer having a seawater-freshwater interface, having open ends and a first end of the sea A pumping pipe disposed below the sea level and disposed at a second end thereof below the seawater-freshwater interface in the ground; And a well disposed to surround a side of the ground buried portion, which is a portion buried in the ground of the pumping pipe, and configured to separate the ground buried portion of the pipe from the ground, wherein the inside of the pumping pipe is filled with sea water.
  • the present invention provides a sea pumping device comprising a screen having a plurality of through holes formed along the perimeter of the well at the bottom of the well.
  • a hydraulic model device for simulating the interface between a first fluid and a second fluid having a specific gravity smaller than the first fluid, the sand storage unit and at least partially receiving sand
  • a tank including a first fluid reservoir and a second fluid reservoir respectively disposed on both sides of the reservoir and respectively storing the first fluid and the second fluid;
  • a first screen interposed between the sand reservoir and the first fluid reservoir and having a plurality of through holes;
  • a second screen interposed between the sand reservoir and the second fluid reservoir and having a plurality of through holes;
  • a discharge water storage unit storing a first fluid discharged from the first fluid storage unit;
  • a first level control device for adjusting the level of the first fluid reservoir;
  • a second water level adjusting device for adjusting the water level of the discharge water storage unit to maintain the same level as the water level of the first fluid storage unit.
  • the seawater pumping device optimized using a computer
  • a method of designing a method comprising the steps of: (a) applying an optimization algorithm to initial condition data for an aquifer to generate n (where n is an integer of 2 or more) determinant sets (D) for said ocean pumping device; (b) applying an groundwater flow model to each of the n set of decision variables (D) to generate n prediction results for a change in interface; (c) calculating a performance evaluation value for each of the n prediction results; And (d) selecting a set of determination variables (D) having a maximum performance evaluation value.
  • a computer-readable recording medium having recorded thereon a program for executing the above-described optimization method on a computer.
  • the seawater pumping device since the seawater is pumped according to the siphon principle due to the difference between the sea level and the groundwater level, the well structure is simple and does not require a separate pump or a power unit. As a result, the installation cost and time of the seawater pumping device can be saved, and the maintenance cost can be greatly reduced.
  • the hydraulic model device of an embodiment of the present invention it is possible to implement a natural phenomenon in which the low tide and high tide is repeated in the hydraulic model device, and also to accurately measure the amount of water pumped when seawater is pumped at the low tide level. .
  • the optimized design method of the seawater pumping device of an embodiment of the present invention it is possible to present an optimized pumping device design model capable of pumping seawater most efficiently under given conditions.
  • FIG. 1 is a view for explaining a seawater pumping system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a view for explaining a seawater pumping apparatus according to an embodiment
  • 3 is a view for explaining the operation of the seawater pumping device according to an embodiment at low water level
  • FIG. 4 is a view for explaining the operation of the ocean pumping device according to an embodiment at high water level
  • FIG. 5 is a view for explaining a change in the groundwater level and seawater-freshwater interface by the operation of the seawater pumping apparatus according to an embodiment
  • FIG. 6 is a schematic perspective view of a hydraulic model device that simulates a seawater-freshwater interface, in accordance with one embodiment
  • FIG. 7 is a view for explaining a repair model apparatus according to an embodiment
  • FIG. 8 is a view for explaining the operation of the repair model apparatus according to an embodiment at low water level
  • FIG. 9 is a view for explaining the operation of the repair model apparatus according to an embodiment at high water level
  • FIG. 10 is a view for explaining a seawater-freshwater interface measuring device according to an embodiment
  • FIG. 11 is an exemplary flow chart of an optimized design method of a non-powered ocean pumping well according to one embodiment
  • FIG. 12 is a diagram for explaining an exemplary initial condition applied to an optimization algorithm used in an embodiment
  • FIG. 13 illustrates exemplary results of an optimization design of a seawater pumping well derived by an groundwater flow model according to one embodiment
  • FIG. 14 is a block diagram illustrating an exemplary system configuration for an optimization design of a seawater pumping well according to an embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a ground in a coastal area and a seawater pumping system in accordance with one embodiment of the present invention installed in the area.
  • the ground is roughly composed of a permeable layer 10 and a hardly permeable layer 20 from the ground surface.
  • the water permeable layer 10 may include a topsoil layer, a soil layer, and the like that may be permeable or easily permeable to water
  • the impermeable permeable layer 20 may include a clay layer, a rock layer, and the like, which are difficult to permeate or permeate.
  • the aquifer is composed of soil components with high permeability coefficients, and can generally be composed of various rock components such as sand, gravel, sandstone, alluvial layer, hollow limestone, crack surrogate, cracked granite, and debris quartz.
  • seawater penetrates into the infiltration layer 10 and penetrates into the inland. Since the specific gravity of the seawater (approximately 1.025) is greater than that of the freshwater, the seawater penetrates to the bottom of the freshwater. Freshwater interface (IF) is created. As shown in Fig. 1, the seawater-freshwater interface (IF) (hereinafter also referred to simply as "boundary plane") has a distribution in which the height of the interface decreases as it goes inland and becomes equal to the water level in the coastline.
  • a seawater pumping device 30 for reducing seawater penetration by pumping seawater may be installed.
  • Figure 2 schematically shows a seawater pumping apparatus according to an embodiment.
  • the seawater pumping device 30 includes a well configured to surround a part of the pumping pipe 31 and the pumping pipe 31 for discharging the seawater penetrating into the permeate layer inland to the sea ( 32).
  • Pumping pipe 31 (hereinafter also referred to simply as "piping ”) consists of elongated pipe having both open ends 311,312. As shown in FIG. 1, a pipe 31 is arranged such that the first end 311 of both ends is below the sea level of the sea and the second end 312 is below the seawater-freshwater interface in the ground. As will be described later, the inside of the pipe 31 is filled with seawater, and the seawater is pumped from the second end 312 side to the first end 311 side by the siphon principle.
  • one or more openable inlets may be formed in the pipe 31 and the sea water may be injected into the pipe 31 through the inlet.
  • the piping 31 may include a check valve 315.
  • the check valve 315 does not impede the flow of seawater from the second end 312 side to the first end side 311 but in the opposite direction, ie from the first end 311 side to the second end 312 side. To prevent backflow.
  • the check valve 315 is illustrated as being installed at one end 312 of the pipe 31, but the mounting position of the check valve 315 may be any position in the pipe 31.
  • the pipe 31 may further include a flow meter 317.
  • the flow meter 317 measures the amount of fluid flowing in the pipe 31 and may be installed at any position of the pipe 31.
  • the well 32 may be, for example, in the form of a tube having a long cylindrical shape, with a portion of the pipe 31 inserted into the well 32. That is, it arrange
  • the upper end of the well 32 is open for insertion of the pipe 31, the lower end of the well 32 may be open or may be blocked by the bottom bottom.
  • a plurality of through holes 321 are formed along the circumference of the well at the lower end of the well.
  • the through hole 321 is formed up to a predetermined height ⁇ while surrounding the lower end of the well 32, and the area in which the through hole 321 is formed is called a “screen”.
  • the diameter of the through hole 321 preferably has a diameter such that fluid (for example, seawater or fresh water) can pass, but cannot pass through the soil of the aquifer.
  • fluid for example, seawater or fresh water
  • the outer surface of the pipe 31 and the inside of the well 32 Seawater enters the spaces between the sides so that at least a portion of the spaces are filled with seawater.
  • seawater entering this spaced space through the through hole 321 may be filled up to the ground water level (H) height.
  • H ground water level
  • FIG. 3 is a view for explaining the operation of the seawater pumping device according to an embodiment at low water level.
  • the seawater at low tide is further lowered from the mean sea level (MSL).
  • MSL mean sea level
  • the water level in the well 32 is maintained higher than the sea level, and according to the siphon principle, the water in the pipe 31 moves from the second end 312 side to the first end 311 side.
  • IF seawater-freshwater interface
  • FIG. 4 is a view for explaining the operation of the ocean pumping device according to an embodiment at high water level.
  • MSL mean sea level
  • the check valve 315 may be operated to prevent such a backflow.
  • a manual or automatic on / off valve may be installed instead of the check valve 315 to prevent backwater from flowing back.
  • 5 is a view for explaining the change of the groundwater level and the seawater-freshwater interface by the operation of the seawater pumping device according to an embodiment, for example, the continuous stopping of the seawater pumping operation at low tide level and the water pumping at high tide level It is schematically illustrated assuming a steady state after repeated time passes.
  • the groundwater level (H) is at the H1 position before the pumping and then lowered to the H2 position after the pumping
  • the seawater-freshwater interface (IF) is at the IF1 position before the pumping and then to the IF2 after the pumping.
  • Lowering the height of the interface IF means that the freshwater region is wider, and therefore, it can be seen that the seawater penetration is reduced.
  • the pumping device 30 pumps the seawater according to the siphon principle due to the difference between the sea level and the groundwater level during low tide. It is possible to implement, and therefore, the installation cost and time is reduced and maintenance costs are significantly reduced compared to the device for pumping sea water by the conventional pump driving.
  • the amount of seawater pumping may be low or not pumping at high water, but in an alternative embodiment, a pump (not shown) may be additionally installed to compensate for this. That is, at low tide, as shown in Fig. 3, the seawater pumping is carried out in a non-powered manner according to the siphon principle, and during high tide, the pump is driven to assist the seawater pumping according to the present invention, irrespective of the difference between tides. Can be.
  • This alternative embodiment is more expensive to install additional components (such as pumps and power sources) than the embodiment shown in the figures, but only pumps run for half or less of the total operating time. In comparison, the cost savings can still be achieved.
  • the pumping efficiency varies depending on where the pumping device 30 is embedded in the aquifer, so it is preferable to install the pumping device 30 at the most optimal position.
  • FIG. 6 is a schematic perspective view of a hydraulic model device simulating a seawater-freshwater interface
  • FIG. 7 is a side cross-sectional view of the hydraulic model device according to one embodiment. In FIG. 6, some components are removed to facilitate understanding of the structure of the repair model apparatus.
  • the repair model apparatus includes a tank (100).
  • the water tank 100 may have an open hexahedron shape and may be made of a transparent or translucent material so that the inside thereof may be viewed.
  • the interior of the water tank 100 is divided into at least three parts.
  • a sand storage unit 130 for receiving sand is positioned at the center thereof, and a seawater storage unit 140 for storing sea water and a fresh water storage unit 150 for storing fresh water are respectively disposed at both sides thereof. .
  • the sand storage unit 130 and the seawater storage unit 140 are separated by the first screen 110, and the sand storage unit 130 and the fresh water storage unit 150 are separated by the second screen 120.
  • Each of the first and second screens 110 and 120 is, for example, in the form of a thin plate, and a plurality of through holes (not shown) are formed over the entire area of the screen. These through-holes are large enough to allow the passage of sand but no fluids (sea and fresh water).
  • sea water 141 and the fresh water 151 are filled in the sea water storage unit 140 and the fresh water storage unit 150 to a predetermined height, the sea water 141 and the fresh water.
  • a portion of 151 penetrates through sand screen 130 through first screen 110 and second screen 120, respectively.
  • seawater penetrates below the freshwater and a seawater-freshwater interface IF is formed as shown in FIG.
  • the seawater storage unit 140 is provided with a water level control device for adjusting the water level.
  • the leveling device comprises a drain pipe 145.
  • the drain pipe 145 is disposed in the seawater storage unit 140 in the up and down direction, and the upper end thereof is open upward, and the lower end 146 communicates with the outside through the seawater storage unit 140. In this configuration, when the seawater is higher than the top of the drain pipe 145 is sucked into the drain pipe 145 and discharged to the outside through the bottom 146, so that the sea water is maintained at the top height of the drain pipe 145. .
  • the drain pipe 145 is configured to be movable in the vertical direction.
  • the drain pipe 145 may move up and down in the seawater storage unit 140 by a predetermined height by, for example, a driving motor or a driving means such as a cylinder. Accordingly, the seawater level in the seawater storage unit 140 is also increased. It can be raised or lowered by that height. Therefore, by such a configuration, it is possible to implement, in the hydraulic model device according to the present invention, for example, that the sea level is changed at low tide-high tide.
  • the fresh water storage unit 150 may be installed with a water level control device for adjusting the water level.
  • this leveling device may comprise a drain pipe 155. Similar to the drainage pipe 145 of the seawater reservoir 140, the drainage pipe 155 of the freshwater reservoir 150 is disposed in the freshwater reservoir 150 in the up and down direction, and the upper end thereof is open upward. The lower end 156 communicates with the outside through the freshwater reservoir 150. Therefore, since fresh water is discharged to the outside through the drain pipe 155 when the fresh water is higher than the top of the drain pipe 155, the fresh water in the fresh water storage unit 150 may be maintained at the top height of the drain pipe 155.
  • the drainage pipe 155 of the freshwater storage unit 150 may also be configured to move in the vertical direction.
  • the device for driving the drain pipe 155 up and down may be omitted.
  • drain pipes 145 and 155 are used to control the water level of the seawater storage unit 140 and the fresh water storage unit 150, respectively, may be used instead of the drain pipes 145 and 155 for the water level control.
  • the drain pipes 145 and 155 may be used instead of the drain pipes 145 and 155 for the water level control.
  • the present invention is not limited to any particular level control device.
  • the repair model apparatus further includes a discharge water storage unit 170 for storing the sea water discharged from the tank (100).
  • the discharge water storage unit 170 may have any shape as long as it is a container that can hold a fluid.
  • Effluent storage unit 170 may include a level control device for adjusting the water level.
  • this leveling device may comprise a drain pipe 175. Similar to the drainage pipes 145 and 155 of the seawater storage unit 140 or the freshwater storage unit 150, the drainage pipe 175 of the wastewater storage unit 170 is disposed in the wastewater storage unit 170 in the up and down direction and has an upper end. Is open upward and the lower end 176 communicates with the outside through the discharge water storage unit 170. Therefore, when the discharge water is higher than the top of the drain pipe 175 is discharged to the outside through the drain pipe 175, the water in the waste water storage unit 170 may be maintained at the top height of the drain pipe 175.
  • the water level in the wastewater storage unit 170 is maintained at the same level as the seawater storage unit 140.
  • the height of the upper end of the drain pipe 175 of the discharge water storage unit 170 is installed to match the height of the upper end of the drain pipe 145 of the seawater storage unit 140.
  • the drain pipe 145 moves up and down, it can be configured to move the discharge water storage unit 170 itself up and down in the same manner.
  • the discharge water storage unit 170 and the drain pipe 145 may be configured to be moved up and down at once by using one driving motor or a driving cylinder.
  • the height of the upper end of the drain pipe 175 of the wastewater storage unit 170 is determined by the seawater storage unit 140.
  • the drain pipe 145 may be installed at the same height as the upper end of the drain pipe 145, and the two drain pipes 145 and 175 may be configured to move in the vertical direction. That is, in this alternative embodiment, the discharge water storage unit 170 itself is fixed, and only the drain pipe 175 may be configured to move in the vertical direction in accordance with the movement of the drain pipe 145.
  • the discharge measuring unit 180 may be disposed below the discharge water storage unit 170 to measure the amount of water discharged from the discharge water storage unit 170.
  • the lower end of the drain pipe 175 of the discharge water storage unit 170 is opened downward, so that water discharged from the discharge water storage unit 170 falls directly to the discharge measurement unit 180. Can be.
  • the discharge measurement unit 180 may include a container 181 for receiving water falling from the discharge water storage unit 170 and a scale 183 for measuring the weight of the container.
  • the container 181 is a bowl of any shape capable of containing the water discharged from the discharge water storage unit 170, and the scale 183 may use, for example, an electronic balance.
  • the repair model apparatus includes a pipe 200 buried in the vertical direction in the sand storage unit 130.
  • the pipe 200 has open both ends, and a screen is formed at a predetermined height at a lower end thereof.
  • a plurality of through holes 210 are formed in the screen, and the through holes 210 have a diameter such that sand can not pass but fluid can pass therethrough.
  • the lower end of the piping 200 extends below the seawater-freshwater interface so that the screen is placed below the interface.
  • the seawater introduced into the pipe 200 through the through hole 210 of the screen is filled up to a certain height in the pipe 200.
  • the seawater introduced into the pipe 200 may be filled to a height substantially equal to the height of fresh water that has penetrated into the sand reservoir 130.
  • the hose 160 is installed so that the fluid flows between the pipe 200 and the discharge water storage unit 170.
  • One end of the hose 160 is located below the water surface of the discharge water storage unit 170 and the other end is installed to be connected to approximately halfway of the pipe 200 to communicate with the inside of the pipe 200.
  • the other end of the hose is preferably in communication with the pipe 200 at a position lower than the water level in the pipe 200, the inside of the hose 160, siphon the seawater of the tank 100 in the discharge water storage unit ( In order to discharge it to 170, it is preferred that the entire interior is filled with seawater.
  • At least one interface measuring device 300 may be embedded in the sand storage unit 130 to measure the seawater-freshwater interface height. The interface measuring device will be described later with reference to FIG. 10.
  • FIG. 8 is a view for explaining the operation of the repair model apparatus according to an embodiment at low water level.
  • the freshwater storage unit 150 slightly higher than the seawater storage unit 140 simulates the average sea level MSL.
  • the drainage pipe 145 of the seawater storage unit 140 is moved downward by a predetermined height.
  • the discharge water storage unit 170 also moves downward by the same height, so that the water level of the seawater storage unit 140 and the water level of the discharge water storage unit 170 are lowered as shown in FIG. 8.
  • the water level of the seawater storage unit 140 and the discharge water storage unit 170 is lower than the groundwater level (the water level of the sand storage unit 130 and the freshwater storage unit 150 in the hydraulic model shown), Seawater below the interface in the water tank 100 flows to the discharge water storage unit 170 by the siphon principle. That is, the seawater below the boundary surface is discharged to the discharge water storage unit 170 through the pipe 200 and the hose 160.
  • the overflow pipe 175 overflows to the container 181 of the emission measurement unit 180. That is, an amount equal to the amount of water discharged from the water tank 100 to the discharge water storage unit 170 is discharged to the container 181. Therefore, by measuring the amount of water dropped in the container 181, it is possible to determine how much seawater under the interface of the water tank 100 is pumped by the siphon principle.
  • FIG. 9 is a view for explaining the operation of the repair model apparatus according to an embodiment at high water level.
  • the drain pipe 145 of the seawater storage unit 140 is moved upward by a predetermined height.
  • the discharge water storage unit 170 also moves up by the same height, so that the water level of the seawater storage unit 140 and the water level of the discharge water storage unit 170 are increased as shown in FIG.
  • the opening and closing valve (not shown) may be installed in the hose 160 to prevent the reverse flow.
  • the repair model apparatus of the present invention by repeatedly repeating the states of FIGS. 8 and 9 for a predetermined time using the repair model apparatus of the present invention, the phenomenon in which the low tide and the high tide are repeated can be realized in the repair model apparatus, and the seawater is maintained at the low water level. When pumping, the amount of water pumped can be accurately measured.
  • the hydraulic model apparatus not only tests the behavior of the seawater-freshwater interface, but also two fluids having different specific gravity (that is, any first fluid and a second fluid having a specific gravity smaller than the first fluid). It will be appreciated that this can also be applied when testing the behavior of the interface between the halves.
  • the interface measuring device 300 will be described with reference to FIG. 10.
  • 10 is a schematic cross-sectional view of an exemplary seawater-freshwater interface measuring apparatus 300 according to an embodiment.
  • the interface measuring apparatus 300 includes a measuring pipe 320 filled with seawater or fresh water, and a measurement. And a laser range finder 310 disposed at an upper end of the pipe 320, and a buoy 330 disposed freely in the pipe 320 for measurement.
  • the measuring pipe 320 is, for example, a cylindrical member that can be embedded in the sand reservoir 130 of the hydraulic model device described above, and has an open top.
  • a plurality of through holes 321 are formed on the side of the measuring pipe 320, and the through holes 321 have a diameter such that the fluid passes through the sand but cannot pass through the sand.
  • the measuring pipe 320 when the measuring pipe 320 is embedded in the sand storage unit 130 as shown in Figs. 7 to 9, sand does not penetrate into the measuring pipe 320, but seawater and fresh water enter to a certain height. Will be filled.
  • the interface IF is also formed in the measurement pipe 320. That is, as shown in FIG. 10, the seawater 141 penetrates below the measurement pipe 320 and the freshwater 151 penetrates upward to form an interface IF as shown.
  • the buoy 330 located inside the measuring pipe 320 is manufactured to have a specific gravity value between the specific gravity of seawater and the specific gravity of fresh water, and thus is filled with seawater 141 and fresh water 151.
  • buoy 330 is located at interface IF.
  • the buoy 330 may be made of a material having a specific gravity of approximately 1.014.
  • the material of the buoy 330 itself is heavier than seawater, the buoy 330 may have a specific gravity of 1.014 by forming a hollow in the buoy 330.
  • the buoy 330 is preferably configured such that its top surface is substantially flat and the top surface of the buoy 330 is approximately equal to the interface IF.
  • the laser range finder 310 installed at the upper end of the measuring pipe 320 measures the distance between the meter and the buoy 330. For example, when the laser light is irradiated toward the buoy 330 in the range finder 310 and then reflected from the upper surface of the buoy 330 to return to the measurer 310, the measurer 310 receives the reflected light, The distance between the range finder 310 and the buoy 330 may be measured by measuring the time difference between the irradiation time of the light and the reception time of the reflected light.
  • FIGS. 11 to 14 an optimization design method of pumping well according to an embodiment will be described.
  • the pumping efficiency varies depending on where the pumping well 30 is buried in the aquifer, so that the pumping well 32 is installed at the most optimal position if possible. It is desirable to. To this end, the pumping wells should be designed by considering the seawater pumping effects of various design variables.
  • step S110 the initial condition data is input to the optimization algorithm.
  • the initial condition is data to be input when the optimization algorithm is executed.
  • the initial condition may include data about the groundwater level and the seawater-freshwater interface distribution before the non-powered seawater pumping in the target area.
  • Fig. 12 is a diagram for describing an exemplary initial condition.
  • Fig. 12 shows a plan view from above of the (non-pressure) aquifer and includes a coastal (Tidal BC) with tide level function and a Constant Head BC showing constant water level conditions inland.
  • the tide is ⁇ 3m
  • tide interval 12 hours inland constant water level is 3m
  • aquifer depth -30m permeability coefficient 0.5m / day was entered as the initial conditions.
  • the Y axis was set at 200 m as the length of the shore
  • the X axis was set at 500 m as the distance from the shore to Constant Head BC.
  • step S120 the optimization algorithm is applied to generate n (where n is an integer of 2 or more) determinant sets D related to the non-powered ocean pumping decision.
  • the "determined variable” is a variable required for the design of the non-powered seawater pump well 32, in one embodiment of the present invention, the position ( ⁇ ), screen height ( ⁇ ) of the non-powered seawater pump wells 32, It may include at least one of the diameter ( ⁇ ).
  • the position ⁇ of the well 32 can be expressed as a position on the plan view of FIG. 12.
  • the lower left end of FIG. 12 is the origin (0,0) and is spaced a predetermined distance from the origin in the X-axis and Y-axis directions. You can mark the point as (x, y).
  • the screen height ⁇ refers to the height of an area (screen) in which the through hole 321 is formed at the lower end of the well 32 as shown in FIG. 2.
  • the diameter ⁇ of the pipe means the diameter of the pipe 31 provided in the well 32.
  • decision variables such as the number of non-powered seawater wells 32 to be installed.
  • the three variables ⁇ , ⁇ , and ⁇ are assumed to be determinants, and accordingly, in step S120, the set of n decision variables D ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ).
  • the optimization algorithm may use one of known optimization algorithms such as genetic algorithm, neural network algorithm, Particle Swarming technique, Differential Evolution technique, Newton technique, and Steepest Descent technique.
  • genetic algorithm is one of the representative ways of solving the optimization problem, a kind of evolutionary computation that mimics the evolution of living things.
  • the genetic algorithm is an algorithm that approaches the most optimized solution by expressing the best possible solutions to the problem (objective function) to solve in a fixed data structure, and then repeating the search for these solutions.
  • each of the n data sets is applied to the groundwater flow model to generate n simulation results regarding the change of the seawater-freshwater interface.
  • the groundwater flow model used may be, for example, DUSWIM, and the groundwater flow model may be used without any limitation, but any groundwater modeling algorithm may be used.
  • the design of the no-power seawater pumping well is a function to determine the amount of water by comparing the water level in the coast and the water level in the non-powered seawater pumping, which may include the Darcy-Weisbach formula.
  • the sea level is high, it is preferable to include a check valve function to prevent the sea water is injected into the inverse.
  • n prediction results are generated (S130).
  • step S140 performance evaluation is performed on each of the n prediction results.
  • the performance evaluation may calculate an evaluation value by, for example, setting an evaluation function for performance evaluation in advance and inputting each of the n prediction results into the evaluation function.
  • the performance evaluation value for each of the n prediction results may be determined based on a value of a predetermined evaluation function.
  • the evaluation function may include at least one of "target time ratio”, “boundary surface reduction volume ratio”, and “boundary surface reduction area ratio”.
  • Target time ratio refers to the time it takes to reach a certain interface depth and shows how quickly you see the effects of seawater pumping. In the case of non-powered seawater pumping well, it is a system that uses tidal flow. It is a system that can be pumped only at a certain time (that is, when the level of non-powered seawater pumping water is higher than sea level). In an exemplary embodiment, the target time ratio may be calculated as a ratio of the time to reach the target boundary with respect to the reduction target time.
  • the "boundary volume reduction volume ratio" is a volume condition among the effects of non-powered ocean pumping, and the more seawater decreases, the greater the seawater penetration reduction effect.
  • the interface reduction volume ratio may be calculated as the ratio of the volume of seawater affected after pumping to the volume of seawater affected before pumping.
  • the "boundary area reduction area ratio" is also one of the seawater penetration reduction effects, and is a condition for how much seawater penetration prevention effect is applied over a large area.
  • the interface reduction area ratio may be calculated as the ratio of the area after the pumping interface is reduced to the total modeling area.
  • the evaluation function includes at least one item of “target time ratio”, “border reduction volume ratio”, and “border reduction area”, and may be proportional to the included item.
  • the evaluation function may be defined as, for example, the following equation, or any function proportional to the following equation.
  • the right three terms of the above evaluation function mean the target time ratio, the boundary reduction volume ratio, and the boundary reduction area ratio, respectively, in order from the left.
  • step S140 n performance evaluation values are obtained using an evaluation function for each of the n simulation result values.
  • step S140 is performed for the last generation of the genetic algorithm, the process proceeds to step S160 to select a data set D of the decision variable having the maximum value of the n performance evaluation values. However, if the preset number of last generations has not been reached, the process returns to step S120 to generate n decision variable data sets D (S120), to derive n simulation result values (S130), and to calculate n performance evaluation values. Repeat the process (S140).
  • the number of generations G preset in the genetic algorithm may be any integer of 2 or more, and the user may arbitrarily set it as an initial condition.
  • FIG. 13 shows exemplary results of an optimization design of a seawater pumping well derived by an groundwater flow model according to one embodiment (FIG. 12).
  • the Y axis represents the shoreline and the X axis represents the distance away from the shore.
  • the resulting graph in Fig. 13 shows the boundary change when the seawater pumping well 32 is installed at a point approximately 20 meters away from the coast, that is, (20,0), and the numbers written in the graph indicate the seawater-freshwater interface after the pumping. This means lowered height. That is, according to the result graph of FIG. 13, it can be seen that the boundary surface is lowered by 0.263 m at the point where the seawater pumping well 32 is installed.
  • FIG. 14 is a block diagram illustrating an exemplary system configuration for an optimized design of a non-powered ocean pumping well according to one embodiment.
  • the non-powered seawater pumping optimization design system 400 may be any terminal device or server capable of performing the steps of the flowchart described with reference to FIG. 11, and as shown in FIG. 410, memory 420, and storage 430.
  • the storage device 430 is a storage medium capable of semi-permanently storing data, such as a hard disk drive or a flash memory.
  • the storage device 430 includes various kinds of algorithms described above, such as an optimization algorithm 431 such as a genetic algorithm, and a groundwater flow model 432 such as DUSWIM. At least one of an algorithm or a program may be stored.
  • various programs or algorithms may be stored in the storage device 430, and then loaded and executed in the memory 420 under the control of the processor 410.
  • some programs or algorithms may exist on an external server or storage device separate from the optimization design system 400 in accordance with the present invention, and if the system 400 transmits data or variables to the corresponding external server or device, The external server or device may execute some steps of the program or algorithm and then pass the data to the system 400.

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 해수-담수 경계면을 갖는 대수층이 형성된 지반에서의 해수침투 저감을 위한 무동력의 해수양수 장치로서, 개방된 양 단부를 가지며 상기 양 단부 중 제1 단부는 바다의 해수면 아래에 위치하고 제2 단부는 지반 내 해수-담수 경계면 아래에 위치하도록 배치되는 양수 배관; 및 상기 양수 배관 중 지반에 매설된 부분인 지반 매설부의 측면을 둘러싸도록 배치되어 상기 배관의 지반 매설부를 지반으로부터 이격시키도록 구성된 관정;을 포함하고, 상기 관정은, 관정의 하단부에 관정의 둘레를 따라 형성된 다수의 관통구를 갖는 스크린을 포함하는 것을 특징으로 하는 해수양수 장치를 제공한다.

Description

해수침투 저감을 위한 무동력 해수양수 시스템, 및 이 시스템에서의 관정의 최적화 설계를 위한 장치 및 방법
본 발명은 해수침투의 영향을 저감할 수 있는 해수양수 시스템 및 이 시스템에서의 관정의 최적화 설계를 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 펌프 등의 별도의 동력원 없이 해수를 양수할 수 있는 무동력 해수양수 시스템, 및 이러한 해수양수 시스템에서 최적의 효율로 해수양수를 수행할 수 있도록 하는 해수양수 장치 설계의 최적화 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 해안가에서는 지반 내의 투수층을 통해 바다물(해수)이 침투하여 지하수를 오염시키는 현상이 종종 발생한다. 특히 해당 지역에서 사용가능한 양을 초과하여 지하수를 사용하는 경우 지하수위가 낮아져서 해수가 더욱 잘 침투하게 되고, 지반 내 대수층에 해수가 침입하게 되면 대수층의 수질이 수년 동안 회복되지 않아 취수원으로의 가치를 상실하는 경우도 있다.
해수의 침투를 방지하거나 저감하는 방법으로서 종래에는 해수-담수 경계면 아래쪽의 해수를 양수(pumping)하거나 대수층에 담수를 주입하는 방법이 사용되어 왔다. 그러나 해수의 양수나 담수 주입의 어느 방식에서도 펌프 등의 구동원이 필요하고 이를 구동하기 위한 전력이 필요하므로 설치비용 및 유지관리 비용이 많이 드는 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 해수면과 지하수면의 차이에 의한 사이펀 원리에 따라 해수를 양수하기 때문에 관정 구조도 간단하고 별도의 펌프나 동력 장치가 필요하지 않는 무동력 해수양수 장치를 구현할 수 있으므로 해수양수 장치의 설치 비용과 시간을 절약하고 유지관리 비용도 대폭 절감할 수 있는 해수양수 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 간조와 만조가 반복되는 자연계 현상을 수리모형 장치에서 구현할 수 있고 또한 간조 수위 상태에서 해수를 양수할 경우 양수되는 물의 양도 정확히 측정할 수 있는 수리모형 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 주어진 조건 하에서 가장 효율적으로 해수를 양수할 수 있도록 하는 해수양수 장치의 최적화 설계 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 해수-담수 경계면을 갖는 대수층이 형성된 지반에서의 해수침투 저감을 위한 무동력의 해수양수 장치로서, 개방된 양 단부를 가지며, 상기 양 단부 중 제1 단부는 바다의 해수면 아래에 위치하고 제2 단부는 지반 내 해수-담수 경계면 아래에 위치하도록 배치되는 양수 배관; 및 상기 양수 배관 중 지반에 매설된 부분인 지반 매설부의 측면을 둘러싸도록 배치되어 상기 배관의 지반 매설부를 지반으로부터 이격시키도록 구성된 관정;을 포함하고, 상기 양수 배관 내부는 해수로 채워져 있으며, 상기 관정은, 관정의 하단부에 관정의 둘레를 따라 형성된 다수의 관통구를 갖는 스크린을 포함하는 것을 특징으로 하는 해수양수 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 유체 및 상기 제1 유체 보다 비중이 작은 제2 유체의 경계면을 모사(simulation)하는 수리모형 장치로서, 모래를 적어도 부분적으로 수용하는 모래 저장부 및 상기 모래 저장부의 양측에 각각 배치되고 제1 유체와 제2 유체를 각각 저장하는 제1 유체 저장부와 제2 유체 저장부를 포함하는 수조; 상기 모래 저장부와 제1 유체 저장부 사이에 개재되고 다수의 관통구가 형성된 제1 스크린; 상기 모래 저장부와 제2 유체 저장부 사이에 개재되고 다수의 관통구가 형성된 제2 스크린; 상기 제1 유체 저장부로부터 배출되는 제1 유체를 저장하는 배출수 저장부; 상기 제1 유체 저장부의 수위를 조절하는 제1 수위조절 장치; 및 상기 배출수 저장부의 수위를 상기 제1 유체 저장부의 수위와 동일하게 유지하도록 조절하는 제2 수위조절 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수리모형 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 해수-담수 경계면을 갖는 대수층이 형성된 지반에 대해 청구항 제1항 기재의 해수양수 장치를 설치하여 해수침투를 저감하는 시스템에서, 컴퓨터를 이용하여 최적화된 해수양수 장치를 설계하는 방법으로서, (a) 대수층에 관한 초기조건 데이터에 최적화 알고리즘을 적용하여 상기 해수양수 장치에 관한 n개의(단, n은 2 이상의 정수) 결정변수 세트(D)를 생성하는 단계; (b) 상기 n개의 결정변수 세트(D)의 각각에 대해 지하수 흐름 모델을 적용하여, 경계면의 변화에 관한 n개의 예측 결과를 생성하는 단계; (c) 상기 n개의 예측 결과의 각각에 대한 성능평가 값을 산출하는 단계; 및 (d) 최대 성능평가 값을 갖는 결정변수 세트(D)를 선정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 해수양수 장치의 최적화 설계 방법을 제공한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상술한 최적화 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
본 발명의 일 실시예의 해수양수 장치에 따르면, 해수면과 지하수면의 차이에 의한 사이펀 원리에 따라 해수를 양수하기 때문에 관정 구조도 간단하고 별도의 펌프나 동력 장치가 필요하지 않는 무동력 해수양수 장치를 구현할 수 있으므로 해수양수 장치의 설치 비용과 시간을 절약하고 유지관리 비용도 대폭 절감되는 효과를 가진다.
본 발명의 일 실시예의 수리모형 장치에 따르면, 간조와 만조가 반복되는 자연계 현상을 수리모형 장치에서 구현할 수 있고 또한 간조 수위 상태에서 해수를 양수할 경우 양수되는 물의 양도 정확히 측정할 수 있는 이점을 가진다.
본 발명의 일 실시예의 해수양수 장치의 최적화 설계 방법에 따르면, 주어진 조건 하에서 가장 효율적으로 해수를 양수할 수 있는 최적화된 양수장치 설계 모델을 제시할 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수양수 시스템을 설명하기 위한 도면,
도2는 일 실시예에 따른 해수양수 장치를 설명하기 위한 도면,
도3은 간조 수위시 일 실시예에 따른 해수양수 장치의 동작을 설명하기 위한 도면,
도4는 만조 수위시 일 실시예에 따른 해수양수 장치의 동작을 설명하기 위한 도면,
도5는 일 실시예에 따른 해수양수 장치의 동작에 의한 지하수위 및 해수-담수 경계면의 변화를 설명하기 위한 도면,
도6은 일 실시예에 따라 해수-담수 경계면을 모사하는 수리모형 장치의 개략적인 사시도,
도7은 일 실시예에 따른 수리모형 장치를 설명하기 위한 도면,
도8은 간조 수위시 일 실시예에 따른 수리모형 장치의 동작을 설명하기 위한 도면,
도9는 만조 수위시 일 실시예에 따른 수리모형 장치의 동작을 설명하기 위한 도면,
도10은 일 실시예에 따른 해수-담수 경계면 측정장치를 설명하기 위한 도면,
도11은 일 실시예에 따른 무동력 해수양수 관정의 최적화 설계 방법의 예시적인 흐름도,
도12는 일 실시예에서 사용되는 최적화 알고리즘에 적용되는 예시적인 초기조건을 설명하기 위한 도면,
도13은 일 실시예에 따른 지하수 흐름 모델에 의해 도출된 해수양수 관정의 최적화 설계의 예시적 결과를 나타내는 도면,
도14는 일 실시예에 따른 해수양수 관정의 최적화 설계를 위한 예시적인 시스템 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서의 도면에 있어서, 구성요소들의 길이, 두께, 넓이 등의 수치는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장하여 표시될 수 있다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예를 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 또한, 발명을 기술하는 데 있어서 당업계에 공지되었고 본 발명과도 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 상세히 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서 도1 내지 도4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 해수양수 시스템을 설명하기로 한다.
도1은 해안 지역의 지반의 단면도 및 이 지역에 설치된 본 발명의 일 실시예에 따른 해수양수 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. 도면을 참조하면, 지반은 개략적으로 지표면에서부터 아래쪽으로 투수층(10)과 난투수층(20)으로 이루어져 있다. 투수층(10)은 물이 투과할 수 있거나 투과하기 쉬운 표토층, 토사층 등을 포함하고, 난투수층(20)은 물이 투과할 수 없거나 투과하기 어려운 점토층, 암반층 등을 포함할 수 있다.
내륙쪽의 투수층(10) 영역에는 지하수(담수)를 담고 있는 대수층(aquifer)이 존재한다. 대수층은 투수계수가 높은 토양 성분으로 구성되고, 일반적으로 모래, 자갈, 사암, 충적층, 공동성 석회암, 균열대리암, 균열화강암, 쇄설성 석영암 등 다양한 암석 성분으로 구성될 수 있다.
그런데 해안 지역의 경우 도1에 도시한 바와 같이 해수가 투수층(10)을 투과하여 내륙으로 침투하는 현상이 발생하는데, 해수의 비중(대략 1.025)이 담수의 비중 보다 크기 때문에 담수 아래쪽으로 침투하여 해수-담수 경계면(IF)이 생성된다. 도1에 도시한 것처럼 해수-담수 경계면(IF)(이하 간단히 "경계면"이라고도 함)은 해안선에서는 바다의 수위와 같고 내륙으로 갈수록 경계면의 높이가 낮아지는 분포를 보인다.
이러한 지반 위에, 본 발명의 일 실시예에 따르면 해수를 양수(pumping)함으로써 해수침투를 저감하기 위한 해수양수 장치(30)가 설치될 수 있다. 이와 관련하여 도2는 일 실시예에 따른 해수양수 장치를 개략적으로 도시하였다.
도2를 참조하면, 일 실시예에 따른 해수양수 장치(30)는 내륙의 투수층 내로 침투한 해수를 바다로 배출하기 위한 양수 배관(31) 및 양수 배관(31)의 일부를 둘러싸도록 구성된 관정(32)을 포함한다.
양수 배관(31)(이하 간단히 "배관"이라고도 함)은 개방된 양 단부(311,312)를 가지는 길다란 배관으로 이루어진다. 도1에 도시한 것처럼, 양 단부 중 제1 단부(311)는 바다의 해수면 아래에 위치하고 제2 단부(312)는 지반 내 해수-담수 경계면 아래에 위치하도록 배관(31)이 배치된다. 뒤에서 후술하겠지만, 배관(31) 내부는 해수로 채워져 있으며 사이펀(Siphon) 원리에 의해 제2 단부(312)측에서 제1 단부(311) 측으로 해수를 양수하게 된다.
배관(31) 내부에 해수를 채우기 위해, 도시하지 않았지만 예컨대 하나 이상의 개폐 가능한 주입구(미도시)를 배관(31)에 형성하고, 이 주입구를 통해 배관(31) 내에 해수를 주입할 수 있을 것이다.
일 실시예에서 배관(31)은 체크밸브(315)를 포함할 수 있다. 체크 밸브(315)는 제2 단부(312)측에서 제1 단부측(311)으로 흐르는 해수 흐름을 방해하지 않지만 그 반대 방향, 즉 제1 단부(311)측에서 제2 단부(312)측으로 해수가 역류하는 것을 방지한다. 도시한 실시예에서는 체크밸브(315)가 배관(31)의 한쪽 단부(312)에 설치된 것으로 도시하였지만, 체크밸브(315)의 설치 위치는 배관(31) 내 임의의 위치이어도 무방하다.
또한 일 실시예에서 배관(31)이 유량계(317)를 더 포함할 수 있다. 유량계(317)는 배관(31) 내를 흐르는 유체의 양을 측정하며, 배관(31)의 임의의 위치에 설치될 수 있다.
일 실시예에서 관정(32)은 예컨대 원통 형상을 길다란 관 형태일 수 있고, 관정(32) 내로 배관(31)의 일부가 삽입되어 배치된다. 즉 배관(31)의 전체 길이 중 지반에 매설되는 부분(이하 “지반 매설부”라고도 함)을 둘러싸도록 배치되어, 배관(31)의 지반 매설부를 지반으로부터 이격시킨다. 따라서 관정(32)의 내경은 배관(31)의 지반 매설부의 외경 보다도 큰 값을 가지는 것이 바람직하다.
관정(32)의 상단부는 배관(31)의 삽입을 위해 개방되어 있고, 관정(32)의 하단부는 개방되어 있을 수도 있고 하부 바닥에 의해 막혀 있어도 무방하다.
관정(32)의 하단부에는 관정의 둘레를 따라 다수의 관통구(321)가 형성되어 있다. 관통구(321)는 관정(32) 하단부를 둘러싸면서 소정 높이(β)까지 형성되어 있으며, 이와 같이 관통구(321)가 형성된 영역을 '스크린'이라고 한다.
관통구(321)의 직경은, 유체(예컨대 해수나 담수)는 통과하되 대수층의 토사는 통과하지 못할 정도의 직경을 갖는 것이 바람직하며, 따라서 배관(31)의 외측면과 관정(32)의 내측면 사이의 이격 공간에는 해수가 들어오게 되어, 이 이격 공간의 적어도 일부가 해수로 채워지게 된다. 예컨대 관통구(321)를 통해 이 이격 공간으로 들어온 해수는 지하수위(H) 높이까지 채워질 수 있다.
도3은 간조 수위시 일 실시예에 따른 해수양수 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도면을 참조하면, 간조시 해수는 평균해수면(MSL)으로부터 아래로 더 내려가 있다. 그러나 내륙에서 해안으로 흐르는 지하수흐름에 의해 관정(32) 내 수위는 해수면보다 높게 유지하고 있으므로, 사이펀 원리에 의해 배관(31) 내의 물이 제2 단부(312)측에서 제1 단부(311)측으로 흐르게 되어, 해수-담수 경계면(IF) 아래쪽의 해수가 바다로 양수된다.
도4는 만조 수위시 일 실시예에 따른 해수양수 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도면을 참조하면, 만조시 해수면은 평균해수면(MSL) 보다 더 위로 더 올라가 있다. 따라서 해수위와 관정내수위 차이가 줄어들게 되고 해수가 배관(31)을 통해 바다쪽으로 흐르는 양이 작아지게 된다.
이 때 지하수위(H)가 해수면 보다 낮으면 사이펀 원리에 의해 바다의 해수가 제1 단부(311)로 흘러들어가 제2 단부(312)측으로 역류할 수도 있다. 따라서 일 실시예에서는 체크밸브(315)가 작동하여 이러한 역류를 방지할 수 있다. 대안적으로 체크밸브(315) 대신 수동 또는 자동의 개폐밸브를 설치하여 바다물이 역류하는 것을 방지할 수도 있다.
도5는 일 실시예에 따른 해수양수 장치의 동작에 의한 지하수위 및 해수-담수 경계면의 변화를 설명하기 위한 도면으로, 예컨대 간조수위시의 해수양수 동작 및 만조수위시 해수양수의 일시적 중단을 지속적으로 반복하여 시간이 흐른 뒤의 안정화된 상태(steady state)를 가정하여 개략적으로 도시한 것이다.
도면을 참조하면, 지하수위(H)는 양수 전 H1 위치에 있다가 양수 후 H2 위치로 낮아지고, 해수-담수 경계면(IF)은 양수 전 IF1 위치에 있다가 양수 후 IF2로 낮아진다. 경계면(IF)의 높이가 낮아진 것은 담수 영역이 그만큼 더 넓어진 것을 의미하므로, 해수침투를 감소시킨 효과가 있음을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 양수 장치(30)는 간조시 해수면과 지하수면의 차이에 의한 사이펀 원리에 따라 해수를 양수하기 때문에 별도의 펌프나 동력 장치가 필요하지 않은 무동력 해수양수 장치를 구현할 수 있고, 그러므로 종래의 펌프 구동에 의해 해수를 양수하는 장치에 비해 설치 비용과 시간이 적게 소모되고 유지관리 비용도 대폭 절감되는 효과가 있다.
또한 상술한 일 실시예에 따르면 만조시에는 해수 양수의 양이 적거나 양수를 하지 못할 수도 있지만, 대안적 실시예에서, 펌프(미도시)를 추가적으로 설치하여 이를 보완할 수 있다. 즉 간조시에는 도3에서와 같이 사이펀 원리에 따라 무동력으로 해수 양수를 수행하고 만조시에는 펌프를 구동하여 본 발명에 따른 해수 양수를 보조함으로써, 조수 간만의 차에 상관없이 24시간 해수양수를 할 수 있다. 이 대안적 실시예의 경우, 도면에 도시한 실시예에 비해 추가 구성요소(예컨대 펌프 및 전력원 등)의 설치 비용이 더 들지만 전체 동작시간의 절반 또는 그 이하 동안만 펌프를 구동하기 때문에 종래기술과 비교하여 비용 절감의 효과를 여전히 가질 수 있다.
한편, 상술한 무동력 해수양수 시스템에 따르면 양수 장치(30)를 대수층 내 어느 위치에 매설하는가에 따라 양수 효율이 달라지므로 가능하면 가장 최적의 위치에 양수 장치(30)를 설치하는 것이 바람직하다. 이를 위해 양수 관정의 여러 설계 변수에 따른 해수 양수 영향을 종합적으로 고려하여 양수 관정을 설계하는 것이 바람직하며, 이에 대해서는 도11 내지 도14를 참조하여 후술하기로 한다.
이제 도6 내지 도10을 참조하여, 상술한 해수양수 장치(30)의 최적 설계를 위해 해수-담수 경계면을 모사(simulation)하는 수리모형에 대해 설명하기로 한다.
도6은 일 실시예에 따라 해수-담수 경계면을 모사(simulation)하는 수리모형 장치의 개략적인 사시도이고 도7은 일 실시예에 따른 수리모형 장치의 측 단면도이다. 도6에서는 수리모형 장치의 구조를 이해하기 쉽도록 일부 구성요소들을 제거한 상태로 도시하였다.
도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 수리모형 장치는 수조(100)를 포함한다. 수조(100)는 상부가 개방된 육면체 형상이고, 내부를 볼 수 있도록 투명 또는 반투명 재질로 만들어질 수 있다.
수조(100) 내부는 적어도 3부분으로 분할된다. 도시한 실시예에서, 중앙에 모래를 수용하는 모래 저장부(130)가 위치하고, 그 양쪽으로 각각 해수를 저장하는 해수 저장부(140)와 담수를 저장하는 담수 저장부(150)가 각각 배치된다.
모래 저장부(130)와 해수 저장부(140)는 제1 스크린(110)에 의해 구분되고, 모래 저장부(130)와 담수 저장부(150)는 제2 스크린(120)에 의해 구분된다. 제1 및 제2 스크린(110,120)의 각각은 예컨대 얇은 판재 형상이며, 스크린의 전체 면적에 걸쳐 다수의 관통구(미도시)가 형성되어 있다. 이 관통구는 모래는 통과하지 못하지만 유체(해수 및 담수)는 통과할 수 있을 정도의 크기를 가진다.
그러므로, 모래 저장부(130)에 모래를 담고 그 후 해수(141)와 담수(151)를 각각 해수 저장부(140)와 담수 저장부(150)에 소정 높이까지 채우면, 해수(141)와 담수(151)의 일부가 각각 제1 스크린(110)과 제2 스크린(120)을 통과하여 모래 저장부(130)로 침투한다. 이 때 해수의 비중이 담수보다 크기 때문에, 해수가 담수의 아래쪽으로 침투하며 도6에서와 같이 해수-담수 경계면(IF)이 형성된다.
도7을 참조하면, 해수 저장부(140)에는 수위를 조절하기 위한 수위조절 장치가 설치된다. 도시한 일 실시예에서 이 수위조절 장치는 배수 파이프(145)를 포함한다. 배수 파이프(145)는 해수 저장부(140) 내에 상하 방향으로 배치되되, 상단은 위를 향해 개방되어 있고, 하단(146)은 해수 저장부(140)를 관통하여 외부와 연통하고 있다. 이러한 구성에서, 해수가 배수 파이프(145)의 상단보다 더 높아지게 되면 배수 파이프(145)로 빨려 들어가 하단(146)을 통해 외부로 배출되므로, 결국 해수는 배수 파이프(145)의 상단 높이로 유지된다.
이 때 일 실시예에서 배수 파이프(145)는 상하 방향으로 움직일 수 있도록 구성된다. 도시하지 않았지만 예컨대 구동모터나 실린더 등의 구동수단에 의해 배수 파이프(145)가 해수 저장부(140) 내에서 상하 방향으로 일정 높이만큼 움직일 수 있고, 이에 따라 해수 저장부(140) 내의 해수 수위도 그 높이만큼 높아지거나 낮아질 수 있다. 그러므로 이러한 구성에 의해, 예컨대 간조-만조시 해수면 높이가 달라지는 것을 본 발명에 따른 수리모형 장치에서 구현할 수 있다.
일 실시예에서 담수 저장부(150)에도 수위 조절을 위한 수위조절 장치가 설치될 수 있다. 일 실시예에서 이 수위조절 장치는 배수 파이프(155)를 포함할 수 있다. 해수 저장부(140)의 배수 파이프(145)와 유사하게, 담수 저장부(150)의 배수 파이프(155)는 담수 저장부(150) 내에 상하 방향으로 배치되고, 상단은 위를 향해 개방되어 있고 하단(156)은 담수 저장부(150)를 관통하여 외부와 연통하고 있다. 그러므로 담수가 배수 파이프(155)의 상단보다 더 높아지게 되면 배수 파이프(155)를 통해 외부로 배출되기 때문에, 담수 저장부(150) 내의 담수는 배수 파이프(155)의 상단 높이로 유지될 수 있다.
이 때 일 실시예에서, 해수 저장부(140)의 배수 파이프(145)와 유사하게, 담수 저장부(150)의 배수 파이프(155)도 상하 방향으로 움직이도록 구성할 수 있다. 그러나 담수에 대해서는 조석간만의 차이를 고려하지 않아도 되므로, 배수 파이프(155)를 상하로 구동하는 장치를 생략하여도 무방하다.
도시한 실시예에서는 해수 저장부(140)와 담수 저장부(150)의 수위 조절을 위해 각각 배수 파이프(145,155)를 사용한 예를 설명하였지만, 수위 조절을 위해 배수 파이프(145,155) 대신 다른 방식을 사용할 수도 있을 것이다. 예컨대 각 저장부(140,150)에 펌프를 설치하고 구동하여 각 저장부(140,150)를 원하는 수위로 조절할 수도 있으며, 그러므로 본 발명이 어느 특정 수위조절 장치에 제한되지 않음을 이해할 것이다.
한편, 일 실시예에 따른 수리모형 장치는 수조(100)에서 배출되는 해수를 저장하는 배출수 저장부(170)를 더 포함한다. 배출수 저장부(170)는 유체를 담을 수 있는 용기 형태이면 어떤 형상이어도 무방하다.
배출수 저장부(170)는 수위 조절을 위한 수위조절 장치를 포함할 수 있다. 일 실시예에서 이 수위조절 장치는 배수 파이프(175)를 포함할 수 있다. 해수 저장부(140)나 담수 저장부(150)의 배수 파이프(145,155)와 유사하게, 배출수 저장부(170)의 배수 파이프(175)는 배출수 저장부(170) 내에 상하 방향으로 배치되고, 상단은 위를 향해 개방되어 있고 하단(176)은 배출수 저장부(170)를 관통하여 외부와 연통하고 있다. 그러므로 배출수가 배수 파이프(175)의 상단보다 더 높아지게 되면 배수 파이프(175)를 통해 외부로 배출되기 때문에 배출수 저장부(170) 내의 물은 배수 파이프(175)의 상단 높이로 유지될 수 있다.
일 실시예에서 배출수 저장부(170) 내의 수위는 해수 저장부(140)의 수위와 동일하게 유지된다. 이를 위한 일 실시예에서, 배출수 저장부(170)의 배수 파이프(175)의 상단부 높이를 해수 저장부(140)의 배수 파이프(145)의 상단부 높이와 동일하게 맞추어 설치한다. 그리고 배수 파이프(145)가 상하로 움직일 때, 이와 동일하게 배출수 저장부(170) 자체를 상하로 움직이도록 구성할 수 있다. 예를 들면, 하나의 구동 모터나 구동실린더를 이용하여 배출수 저장부(170)와 배수 파이프(145)를 한번에 일체로 상하 방향으로 움직이도록 구성할 수 있다.
배출수 저장부(170) 내의 수위를 해수 저장부(140)의 수위와 동일하게 유지하는 대안적 방법으로서, 배출수 저장부(170)의 배수 파이프(175)의 상단부 높이를 해수 저장부(140)의 배수 파이프(145)의 상단부 높이와 동일하게 맞추어 설치하고, 두 개의 배수 파이프(145,175)를 일체로 상하 방향으로 움직이도록 구성할 수도 있다. 즉 이 대안적 실시예의 경우 배출수 저장부(170) 자체는 고정되어 있고, 배수 파이프(175)만 배수 파이프(145)의 움직임에 맞추어 상하 방향으로 움직이도록 구성할 수 있다.
배출수 저장부(170) 아래쪽에는 배출수 저장부(170)로부터 배출되는 물의 양을 측정하는 배출량 측정부(180)가 배치될 수 있다. 도시한 실시예에서, 배출수 저장부(170)의 배수 파이프(175)의 하단부가 아래쪽으로 개방되어 있어, 배출수 저장부(170)에서 배출되는 물이 배출량 측정부(180)로 바로 떨어지도록 구성할 수 있다.
일 실시예에서 배출량 측정부(180)는 배출수 저장부(170)에서 떨어지는 물을 수용하는 용기(181) 및 용기의 무게를 측정하는 저울(183)을 포함할 수 있다. 용기(181)는 배출수 저장부(170)에서 배출되는 물을 수용할 수 있는 임의의 형상의 그릇이고, 저울(183)은 예컨대 전자 저울을 사용할 수 있다.
한편 일 실시예에 따른 수리모형 장치는 모래 저장부(130) 내에 상하 방향으로 매설된 배관(200)을 포함한다. 배관(200)은 개방된 양단을 가지며, 하단부에는 일정 높이만큼 스크린이 형성되어 있다. 스크린에는 다수의 관통구(210)가 형성되어 있으며, 이 관통구(210)는 모래가 통과하지 못하지만 유체는 통과할 수 있을 정도의 직경을 가진다.
바람직하게는 배관(200)의 하단부는 해수-담수 경계면 아래쪽까지 뻗어있어서 스크린이 경계면 아래쪽에 배치되도록 한다. 이러한 구성에 의해, 스크린의 관통구(210)를 통해 배관(200) 내로 들어온 해수는 배관(200) 내에서 일정 높이까지 채워진다. 예컨대, 배관(200) 내부로 들어온 해수는 모래 저장부(130) 내로 스며든 담수의 높이와 거의 동일한 높이로 채워질 것이다.
한편, 배관(200) 내부와 배출수 저장부(170) 사이에 유체가 흐를 수 있도록 호스(160)가 설치된다. 호스(160)의 일 단부는 배출수 저장부(170)의 수면 보다 아래쪽에 위치하고 타 단부는 배관(200)의 대략 중간쯤에 연결되어 배관(200) 내부와 연통할 수 있도록 설치된다. 이 때 호스의 타 단부는 배관(200) 내의 수위보다 낮은 위치에서 배관(200)과 연통하는 것이 바람직하고, 호스(160)의 내부는, 사이펀 원리로 수조(100)의 해수를 배출수 저장부(170)로 배출하기 위해, 내부 전체가 해수로 채워져 있는 것이 바람직하다.
그리고 필요에 따라 해수-담수 경계면 높이를 측정하기 위해 하나 이상의 경계면 측정장치(300)가 모래 저장부(130) 내에 매설될 수 있다. 경계면 측정장치에 대해서는 도10을 참조하여 후술하기로 한다.
이제 도8과 도9를 참조하여, 각각 간조와 만조를 수리모형 장치가 어떻게 구현하는지 설명하기로 한다.
도8은 간조 수위시 일 실시예에 따른 수리모형 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
우선 도7에서와 같이 담수 저장부(150)을 해수 저장부(140)보다 약간 높게 유지시킨 상태가 평균 해수면(MSL)을 모사한 것이라고 전제할 수 있다. 이 상태에서 해수 저장부(140)의 배수 파이프(145)를 소정 높이만큼 아래로 움직인다. 이 때 배출수 저장부(170)도 함께 동일 높이만큼 아래로 움직이며, 따라서 도8과 같이 해수 저장부(140)의 수위 및 배출수 저장부(170)의 수위가 낮아지게 된다.
이와 같이 해수 저장부(140)와 배출수 저장부(170)의 수위가 담수에 의한 지하수위(도시한 수리모형에서는 모래 저장부(130)와 담수 저장부(150)의 수위) 보다 낮아지게 되므로, 수조(100) 내의 경계면 아래쪽에 있는 해수가 사이펀 원리에 의해 배출수 저장부(170)로 흐르게 된다. 즉 경계면 아래쪽의 해수가 배관(200)과 호스(160)를 통해 배출수 저장부(170)로 배출된다.
이 때 배출수 저장부(170)에는 해수가 이미 배수 파이프(175)의 상단부 높이까지 차 있으므로, 수조(100)에서 배출수 저장부(170)로 해수가 배출됨에 따라 배출수 저장부(170) 내의 물이 배수 파이프(175)로 넘쳐서 배출량 측정부(180)의 용기(181)로 떨어진다. 즉 수조(100)에서 배출수 저장부(170)로 배출되는 물의 양과 동일한 양이 용기(181)로 배출된다. 그러므로 용기(181)에 떨어진 물의 양을 측정하면 수조(100)의 경계면 아래쪽의 해수가 사이펀 원리에 의해 얼마만큼 양수되었는지를 측정할 수 있다.
도9는 만조 수위시 일 실시예에 따른 수리모형 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 수리모형 장치에서 만조 상태를 나타내기 위해, 도9에 도시한 것처럼 해수 저장부(140)의 배수 파이프(145)를 소정 높이만큼 위로 움직인다. 이 때 배출수 저장부(170)도 함께 동일 높이만큼 위로 움직이며, 따라서 도9와 같이 해수 저장부(140)의 수위 및 배출수 저장부(170)의 수위가 높아지게 된다.
이 경우 해수 저장부(140)와 배출수 저장부(170)의 수위가 담수에 의한 지하수위 보다 높아진 상태가 되므로, 수조(100) 내의 경계면 아래쪽에 있는 해수가 배출수 저장부(170)로 흐를 수 없게 되고, 오히려 사이펀 원리에 의해 배출수 저장부(170)의 물이 수조(100)를 행해 역류할 수도 있는 상태가 된다. 따라서 이러한 역류를 방지하기 위해, 일 실시예에서 호스(160)에 개폐밸브(미도시)를 설치하여 역류를 방지할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 수리모형 장치를 이용하여 도8과 도9의 상태를 각각 일정 시간 동안 계속 반복함으로써, 간조와 만조가 반복되는 현상을 수리모형 장치에서 구현할 수 있고, 또한 간조 수위 상태에서 해수를 양수할 경우 양수되는 물의 양을 정확히 측정할 수 있다.
또한 상술한 일 실시예에 따른 수리모형 장치는 해수-담수 경계면의 거동을 실험할 때 뿐만 아니라, 비중이 서로 다른 두 유체(즉 임의의 제1 유체, 및 제1 유체보다 비중이 작은 제2 유체)간 경계면의 거동을 실험하는 경우에도 적용될 수 있음을 이해할 것이다.
이제 도10을 참조하여 경계면 측정장치(300)에 대해 설명하기로 한다. 도10은 일 실시예에 따른 해수-담수 경계면 측정장치(300)의 예시적 단면 구조를 개략적으로 나타낸 것으로, 경계면 측정장치(300)는 해수나 담수로 채워지는 측정용 파이프(320), 및 측정용 파이프(320)의 상단부에 배치되는 레이저 거리측정기(310), 및 측정용 파이프(320) 내에 자유롭게 움직이도록 배치된 부표(330)를 포함한다.
측정용 파이프(320)는 예컨대 상술한 수리모형 장치의 모래 저장부(130) 내에 매설될 수 있는 원통형 부재로서, 개방된 상단부를 가진다. 측정용 파이프(320)의 측면에는 다수의 관통구(321)가 형성되어 있고, 이 관통구(321)는 유체는 통과하되 모래는 통과하지 못할 정도의 직경을 가진다.
따라서 예컨대 측정용 파이프(320)가 도7 내지 도9에서와 같이 모래 저장부(130)에 매설되어 있는 경우, 모래는 측정용 파이프(320) 내로 침투하지 못하지만 해수와 담수가 들어와서 일정 높이까지 채워질 것이다. 이 때 모래 저장부(130) 내에 해수-담수 경계면이 생성되므로 측정용 파이프(320) 내에도 경계면(IF)이 형성된다. 즉 도10에 도시한 것처럼 측정용 파이프(320)의 아래쪽으로 해수(141)가 침투하고 위쪽으로 담수(151)가 침투하여 도시한 바와 같이 경계면(IF)이 형성된다.
일 실시예에서 측정용 파이프(320) 내부에 위치하는 부표(330)는 해수의 비중과 담수의 비중 사이의 비중 값을 갖도록 제작되고, 이에 따라 해수(141)와 담수(151)로 채워진 측정용 파이프(320) 내에서 부표(330)는 경계면(IF)에 위치하게 된다.
예를 들어 담수의 비중이 1이고 해수의 비중이 1.025이므로, 부표(330)는 대략 1.014의 비중을 갖는 물질로 만들어질 수 있다. 대안적으로, 부표(330)의 재질 자체는 해수 보다 무겁더라도 부표(330) 내에 빈 공간(hollow)을 형성하여 부표(330)의 비중이 1.014를 갖도록 만들 수도 있다.
도시한 실시예에서 부표(330)는 상부면이 대략 평평한 형상이고, 부표(330)의 상부면이 경계면(IF)과 거의 동일하게 되도록 구성하는 것이 바람직하다.
이 상태에서, 측정용 파이프(320) 상단부에 설치된 레이저 거리측정기(310)가 측정기와 부표(330) 사이의 거리를 측정한다. 예를 들어, 거리측정기(310)에서 레이저광이 부표(330)를 향해 조사된 후 부표(330)의 상부면에서 반사되어 측정기(310)로 되돌아가면 측정기(310)가 이 반사광을 수신하고, 광의 조사 시간과 반사광의 수신 시간의 시간차를 측정하여 거리측정기(310)와 부표(330) 사이의 거리를 측정할 수 있다.
이하에서는 도11 내지 도14를 참조하여, 일 실시예에 따른 양수 관정의 최적화 설계 방법에 대해 설명하기로 한다.
도1 내지 도5를 참조하여 상술한 무동력 해수양수 시스템에 따르면 양수 관정(30)을 대수층 내 어느 위치에 매설하는가에 따라 양수 효율이 달라지므로 가능하면 가장 최적의 위치에 양수 관정(32)을 설치하는 것이 바람직하다. 이를 위해 양수 관정의 여러 설계 변수에 따른 해수 양수 영향을 종합적으로 고려하여 양수 관정을 설계해야 한다.
도11은 일 실시예에 따른 무동력 해수양수 관정의 최적화 설계 방법의 예시적인 흐름도이다. 우선 단계(S110)에서, 초기조건 데이터를 최적화 알고리즘에 입력한다. 여기서 초기조건은 최적화 알고리즘의 실행시 입력해야 하는 데이터로서, 예를 들어, 대상지역에서의 무동력 해수양수 전의 지하수위 및 해수-담수 경계면 분포에 관한 데이터를 포함할 수 있다.
이와 관련하여 도12는 예시적인 초기조건을 설명하기 위한 도면이다. 도12는 (비피압) 대수층을 위에서 바라본 평면도를 나타내며, 조위(tide level) 기능이 포함된 해안(Tidal BC(Boundary Condition))과 내륙의 일정 수위조건을 나타내는 Constant Head BC를 포함하고 있다. 일 실시예로서, 조위는 ±3m, 조위 간격은 12시간, 내륙의 일정수위는 3m, 대수층 깊이는 -30m, 투수계수는 0.5m/day가 초기조건으로 입력되었다. 또한 도12에 도시한 것처럼 Y축은 해안의 길이로서 200m로 입력하고 X축은 해안에서 Constant Head BC까지 거리로서 500m로 설정하였다.
초기조건 데이터가 최적화 알고리즘에 입력되면, 다음으로 단계(S120)에서, 최적화 알고리즘을 적용하여 무동력 해수양수 관정에 관한 n개의(단, n은 2 이상의 정수) 결정변수 세트(D)를 생성한다. 이 때 "결정변수"는 무동력 해수양수 관정(32)의 설계에 필요한 변수로서, 본 발명의 일 실시예에서, 무동력 해수양수 관정(32)의 위치(α), 스크린 높이(β), 배관의 직경(γ) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
여기서 관정(32)의 위치(α)는 도12의 평면도 상의 위치로 표현가능하며, 예를 들어 도12의 좌하단이 원점(0,0)이고 원점에서 X축 및 Y축 방향으로 소정 거리 떨어진 지점을 (x,y)로 표시할 수 있다. 스크린 높이(β)는 도2에 도시한 것처럼 관정(32)의 하단부에 관통구(321)가 형성된 영역(스크린)의 높이를 의미한다. 배관의 직경(γ)은 관정(32) 내에 설치된 배관(31)의 직경을 의미한다.
그 외에도, 대안적 실시예에서, 예컨대 설치할 무동력 해수양수 관정(32)의 개수 등 다른 설계값도 결정변수에 포함될 수 있다. 도시한 일 실시예에서는 설명의 편의를 위해 상기 3가지 변수(α, β, γ)를 결정변수로 가정하였고, 따라서 단계(S120)에서 최적화 알고리즘에 의해 n개의 결정변수 세트 D(α, β, γ)를 생성한다.
한편 상기 최적화 알고리즘은 유전자 알고리즘(genetic algorithm), 신경망 알고리즘(neural network algorithm), Particle Swarming기법, Differential Evolution기법, Newton기법, Steepest Descent기법 등 공지의 최적화 알고리즘 중에서 하나를 이용할 수 있으며, 본 실시예에서는 유전자 알고리즘을 사용하는 것으로 가정한다. 일반적으로 유전 알고리즘은 최적화 문제를 해결하는 대표적 방법 중 하나로서 생물의 진화를 모방한 진화 연산(evolutionary computation)의 일종이다. 유전 알고리즘은 풀고자 하는 문제(목적함수)에 대한 가능한 최적의 해들을 정해진 형태의 자료구조로 표현한 다음, 이 해들의 탐색을 반복함으로써 가장 최적화된 해에 접근하는 알고리즘이다.
본 발명의 일 실시예에서, 단계(S110)에서 초기조건 데이터를 유전자 알고리즘에 입력하면, 유전자 알고리즘에 의한 교차(crossover)와 변이(mutation)에 의해 n개의 결정변수 데이터 세트 D(α, β, γ)가 생성된다. 예를 들어, 25개의 결정변수 데이터 세트(D)를 생성하도록 설정했다면(즉, n=25), 단계(S120)를 통해 D1(α1, β1, γ1), D2(α2, β2, γ2),… , D25(α25, β25, γ25)의 데이터 세트가 생성될 것이다.
다음으로, n개의 데이터 세트가 생성되면, 단계(S130)에서, n개 데이터 세트의 각각을 지하수 흐름 모델에 적용하여 해수-담수 경계면의 변화에 관한 n개의 시뮬레이션 결과를 생성한다. 이 때 사용되는 지하수 흐름 모델은 예를 들어 DUSWIM을 사용할 수 있으며, 이에 제한되지 않고 임의의 지하수 모델링 알고리즘을 사용하여도 무방하나, 무동력 해수양수 관정 설계기능이 포함되어야 한다.
무동력 해수양수 관정 설계기능은 해안의 수위와 무동력 해수양수관정 내의 수위를 비교하여 양수량을 결정하는 기능으로 Darcy-Weisbach 공식이 포함될 수 있다. 또한, 해수위가 높을 경우 역으로 해수가 내륙으로 주입되는 것을 방지하기 위한 체크밸브 기능도 포함되는 것이 바람직하다.
단계(S120)에서 생성된 n개의 데이터 세트(D)의 각각을 지하수 흐름 모델에 적용하면, n개의 예측 결과(시뮬레이션 결과)가 생성된다(S130).
그 후 단계(S140)에서, n개의 예측 결과의 각각에 대해 성능평가를 수행한다. 일 실시예에서 이 성능평가는 예컨대 성능평가를 위한 평가함수를 미리 설정해놓고, n개의 예측 결과의 각각을 이 평가함수에 입력함으로써 평가 값을 산출할 수 있다.
n개의 예측 결과의 각각에 대한 성능평가 값은 기설정된 평가함수의 값에 기초하여 정할 수 있다. 일 실시예에서 평가함수는 "목표 시간비", "경계면 감소 체적비", 및 "경계면 감소 면적비" 중 적어도 하나의 항목을 포함할 수 있다.
"목표 시간비"는 특정 경계면 깊이까지 도달하는데 걸리는 시간에 관한 항목으로, 해수양수를 통한 효과를 얼마나 빨리 보는지를 나타낸다. 무동력 해수양수 관정의 경우 조위를 이용하는 시스템으로 상시 양수가 아닌 특정시간(즉, 무동력 해수양수 관정의 수위가 해수위보다 높을 경우)에만 양수가 가능한 시스템이다. 일 실시예에서 목표 시간비는 '저감 목표시간'에 대한 '목표경계 도달 시간'의 비로 산출될 수 있다.
"경계면 감소 체적비"는 무동력 해수양수 관정의 효과 중 체적에 관한 조건으로 해수가 많이 줄어들수록 해수침투 저감 효과가 크다고 할 수 있다. 일 실시예에서 경계면 감소 체적비는 '양수 전의 해수 영향을 받는 체적'에 대한 '양수 후의 해수 영향을 받는 체적'의 비로 산출될 수 있다.
"경계면 감소 면적비"도 해수침투 저감 효과 중 하나로서, 얼마나 넓은 면적에 걸쳐 해수침투 방지 효과가 미치는가에 대한 조건이다. 일 실시예에서 경계면 감소 면적비는 '모델링 전체 면적'에 대한 '양수 후 경계면이 감소된 면적'의 비로 산출될 수 있다.
일 실시예에서, 평가함수는 "목표 시간비", "경계면 감소 체적비", 및 "경계면 감소 면적" 중 적어도 하나의 항목을 포함하며, 이 포함된 항목에 비례할 수 있다. 예를 들어 위의 3가지 항목을 모두 고려하는 경우 평가함수는 예컨대 아래 수학식과 같이 정의되거나 또는 아래 수학식에 비례하는 임의의 함수로 정의될 수 있다.
Figure PCTKR2017000219-appb-M000001
이 때 위의 평가함수의 오른쪽 3개 항은 왼쪽부터 차례로 각각 목표 시간비, 경계면 감소 체적비, 및 경계면 감소 면적비를 의미한다.
다시 도11을 참조하면, 단계(S140)에서, n개의 시뮬레이션 결과값의 각각에 대해 평가함수를 사용하여 n개의 성능평가 값을 구한다.
그 후 만일 이 단계(S140)가 유전자 알고리즘의 마지막 세대에 대해 수행한 것이면 단계(S160)로 진행하여, n개의 성능평가 값 중 최대값을 갖는 결정변수의 데이터 세트(D)를 선정한다. 그러나 기설정된 마지막 세대 수에 이르지 못했다면, 다시 단계(S120)로 돌아가서 n개의 결정변수 데이터 세트(D)의 생성(S120), n개의 시뮬레이션 결과값 도출(S130), 및 n개의 성능평가 값 산출(S140) 과정을 반복한다. 이 때 유전자 알고리즘에서 기설정된 세대수(G)는 2 이상의 임의의 정수일 수 있고, 사용자가 초기조건으로서 임의로 설정할 수 있다.
도13은 일 실시예(도12)에 따른 지하수 흐름 모델에 의해 도출된 해수양수 관정의 최적화 설계의 예시적 결과를 나타낸다. 도12와 마찬가지로, 도13에서 Y축은 해안선을 나타내고 X축은 해안으로부터 떨어진 거리를 나타낸다.
도13의 결과 그래프는 해수양수 관정(32)이 해안으로부터 대략 20미터 떨어진 지점, 즉 (20,0) 지점에 설치되었을 경우의 경계면 변화를 나타내며, 그래프에 기입된 숫자는 양수 후 해수-담수 경계면이 낮아진 높이를 의미한다. 즉 도13의 결과 그래프에서 따르면 해수양수 관정(32)이 설치된 지점에서는 0.263m 만큼 경계면이 낮아졌음을 알 수 있다.
도14는 일 실시예에 따른 무동력 해수양수 관정의 최적화 설계를 위한 예시적인 시스템 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도14를 참조하면, 일 실시예에 따른 무동력 해수양수 관정 최적화 설계 시스템(400)은 도11을 참조하여 설명한 흐름도의 단계들을 실행할 수 있는 임의의 단말 장치나 서버일 수 있고, 도시한 것처럼 프로세서(410), 메모리(420), 및 저장장치(430)를 포함할 수 있다.
저장장치(430)는 하드 디스크 드라이브 또는 플래시 메모리 등과 같이 데이터를 반영구적으로 저장할 수 있는 저장매체로서, 상술한 각종 알고리즘, 예컨대 유전자 알고리즘과 같은 최적화 알고리즘(431), 그리고 DUSWIM 같은 지하수 흐름 모델(432) 등의 알고리즘 또는 프로그램 중 적어도 하나를 저장할 수 있다.
이 구성에서 이러한 각종 프로그램이나 알고리즘이 저장장치(430)에 저장되어 있다가 프로세서(410)의 제어 하에 메모리(420)에 로딩되어 실행될 수 있다. 대안적으로, 일부 프로그램이나 알고리즘이 본 발명에 따른 최적화 설계 시스템(400)과는 별도로 외부의 서버나 저장장치에 존재할 수 있고, 시스템(400)에서 데이터나 변수를 해당 외부 서버나 장치로 전송하면 이 외부 서버나 장치가 프로그램 또는 알고리즘 중 일부 단계를 실행한 뒤 그 결과 데이터를 시스템(400)에 전달할 수도 있다.
이와 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (21)

  1. 해수-담수 경계면을 갖는 대수층이 형성된 지반에서의 해수침투 저감을 위한 무동력의 해수양수 장치로서,
    개방된 양 단부를 가지며, 상기 양 단부 중 제1 단부(311)는 바다의 해수면 아래에 위치하고 제2 단부(312)는 지반 내 해수-담수 경계면 아래에 위치하도록 배치되는 양수 배관(31); 및
    상기 양수 배관 중 지반에 매설된 부분인 지반 매설부의 측면을 둘러싸도록 배치되어 상기 배관의 지반 매설부를 지반으로부터 이격시키도록 구성된 관정(32);을 포함하고,
    상기 양수 배관 내부는 해수로 채워져 있으며,
    상기 관정은, 관정의 하단부에 관정의 둘레를 따라 형성된 다수의 관통구(321)를 갖는 스크린을 포함하는 것을 특징으로 하는 해수양수 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배관(31) 내에 설치되고, 상기 제1 단부(311) 측에서 제2 단부(312) 측으로 해수가 역류하는 것을 방지하는 체크밸브(317);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해수양수 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 스크린의 관통구(321)가 해수는 통과하되 대수층의 토사는 통과하지 못할 정도의 직경을 가짐으로써, 상기 이격 공간의 적어도 일부가 해수로 채워져 있는 것을 특징으로 하는 해수양수 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 관정(32)의 위치, 상기 관정(32)의 스크린의 높이, 및 상기 배관(31)의 직경 중 적어도 하나의 값이, 목표 시간비, 경계면 감소 체적비, 및 경계면 감소 면적비 중 적어도 하나를 고려하여 결정되고,
    상기 목표 시간비는 저감 목표시간에 대한 목표경계 도달 시간의 비에 비례하고,
    상기 경계면 감소 체적비는 양수 전의 해수 영향을 받는 체적에 대한 양수 후의 해수 영향을 받는 체적의 비에 비례하고,
    상기 경계면 감소 면적비는 모델링 전체 면적에 대한 양수 후 경계면이 감소된 면적의 비에 비례하는 것을 특징으로 하는 해수양수 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 관정(32)의 위치, 상기 관정(32)의 스크린의 높이, 및 상기 배관(31)의 직경 중 적어도 하나의 값이, 상기 목표 시간비, 상기 경계면 감소 체적비, 및 상기 경계면 감소 면적비 중 적어도 하나에 비례하는 평가함수의 함수값에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 해수양수 장치.
  6. 제1 유체 및 상기 제1 유체 보다 비중이 작은 제2 유체의 경계면을 모사(simulation)하는 수리모형 장치로서,
    모래를 적어도 부분적으로 수용하는 모래 저장부(130) 및 상기 모래 저장부(130)의 양측에 각각 배치되고 제1 유체와 제2 유체를 각각 저장하는 제1 유체 저장부(140)와 제2 유체 저장부(150)를 포함하는 수조(100);
    상기 모래 저장부(130)와 제1 유체 저장부(140) 사이에 개재되고 다수의 관통구가 형성된 제1 스크린(110);
    상기 모래 저장부(130)와 제2 유체 저장부(150) 사이에 개재되고 다수의 관통구가 형성된 제2 스크린(120);
    상기 수조(100)로부터 배출되는 제1 유체를 저장하는 배출수 저장부(170);
    상기 제1 유체 저장부(140)의 수위를 조절하는 제1 수위조절 장치; 및
    상기 배출수 저장부(170)의 수위를 상기 제1 유체 저장부(140)의 수위와 동일하게 유지하도록 조절하는 제2 수위조절 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수리모형 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 수위조절 장치는, 개방된 양단을 가지며 상기 제1 유체 저장부(140) 내에 상하 방향으로 배치되되 하단이 상기 제1 유체 저장부 외부와 연통하는 제1 배수 파이프(145)를 포함하고,
    상기 제2 수위조절 장치는, 개방된 양단을 가지며 상기 배출수 저장부(170) 내에 상하 방향으로 배치되되 하단이 상기 배출수 저장부 외부와 연통하는 제2 배수 파이프(175)를 포함하고,
    상기 배출수 저장부(170)와 상기 제1 배수 파이프(145)가 상하 방향으로 일체로 움직이도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수리모형 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2 유체 저장부(150)의 수위를 조절하는 제3 수위조절 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수리모형 장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    개방된 양단을 가지며 모래 저장부(130) 내에 상하방향으로 매설된 배관(200); 및
    상기 배관(200) 내부와 상기 배출수 저장부(170) 사이를 유체가 흐를 수 있도록 연결하는 호스(160);를 더 포함하고,
    상기 배관(200)의 측면에 유체는 통과하되 모래는 통과하지 못할 정도의 직경을 갖는 다수의 관통구(210)가 형성되고, 상기 호스(160)의 내부는 제1 유체로 채워진 것을 특징으로 하는 수리모형 장치.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 배출수 저장부(170)에서 외부로 배출되는 제1 유체의 배출량을 측정하는 배출량 측정부(180);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수리모형 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 배출량 측정부(180)는,
    상기 배출수 저장부(170)의 하부에 배치되고, 상기 제2 배수 파이프(175)의 하단으로부터 배출되는 제1 유체를 수용하는 용기(181); 및
    상기 용기에 수용되는 제1 유체의 무게를 측정하는 저울(183);를 포함하는 것을 특징으로 하는 수리모형 장치.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 모래 저장부(130) 내에 배치되어 상기 제1 유체와 제2 유체의 경계면을 측정하는 적어도 하나의 경계면 측정 장치(300)를 더 포함하고,
    각각의 상기 경계면 측정장치(300)는,
    상기 모래 저장부(130) 내에 매설되고, 개방된 상단부를 가지며, 유체는 통과하되 모래는 통과하지 못할 정도의 직경을 갖는 다수의 관통구(321)가 측면에 형성된 측정용 파이프(320);
    상기 측정용 파이프의 상부에 배치된 레이저 거리측정기(310);
    상기 측정용 파이프 내에서 상하 자유롭게 움직이도록 배치되고, 상기 제1 유체의 비중과 상기 제2 유체의 비중 사이의 비중 값을 갖는 부표(330);를 포함하는 것을 특징으로 하는 수리모형 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 레이저 거리측정기(300)는, 상기 부표를 향해 조사된 후 상기 부표의 상부에서 반사된 광을 수신하고, 이 광의 조사 시간과 수신 시간 사이의 시간차에 기초하여 상기 레이저 거리측정기와 상기 부표 사이의 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 수리모형 장치.
  14. 해수-담수 경계면을 갖는 대수층이 형성된 지반에 대해 청구항 제1항 기재의 해수양수 장치(30)를 설치하여 해수침투를 저감하는 시스템에서, 컴퓨터를 이용하여 최적화된 해수양수 장치(30)를 설계하는 방법으로서,
    (a) 대수층에 관한 초기조건 데이터에 최적화 알고리즘을 적용하여 상기 해수양수 장치에 관한 n개의(단, n은 2 이상의 정수) 결정변수 세트(D)를 생성하는 단계(S120);
    (b) 상기 n개의 결정변수 세트(D)의 각각에 대해 지하수 흐름 모델을 적용하여, 경계면의 변화에 관한 n개의 예측 결과를 생성하는 단계(S130);
    (c) 상기 n개의 예측 결과의 각각에 대한 성능평가 값을 산출하는 단계(S140); 및
    (d) 최대 성능평가 값을 갖는 결정변수 세트(D)를 선정하는 단계(S160);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 해수양수 장치의 최적화 설계 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 결정변수 세트(D)는, 상기 관정(32)의 위치(α), 상기 관정(32)의 스크린의 높이(β), 및 상기 배관(31)의 직경(γ) 중 적어도 하나의 변수를 포함하는 것을 특징으로 하는, 해수양수 장치의 최적화 설계 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 대수층에 관한 초기조건 데이터는, 상기 해수양수 장치에 의한 양수 전의 지하수위 및 경계면 분포에 관한 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 해수양수 장치의 최적화 설계 방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 최적화 알고리즘이 유전자 알고리즘이고,
    상기 (d)의 선정 단계를 실행하기 전에, 상기 (a) 내지 (c) 단계를 G회(단 G는 2 이상의 정수) 반복하는 것을 특징으로 하는, 해수양수 장치의 최적화 설계 방법.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 지하수 흐름 모델이 DUSWIM인 것을 특징으로 하는, 해수양수 장치의 최적화 설계 방법.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 n개의 예측 결과의 각각에 대한 성능평가 값은 기설정된 평가함수의 값에 비례하고,
    상기 평가함수는 목표 시간비, 상기 경계면 감소 체적비, 및 상기 경계면 감소 면적비 중 적어도 하나의 항목을 포함하고,
    상기 목표 시간비는 저감 목표시간에 대한 목표경계 도달 시간의 비에 비례하고,
    상기 경계면 감소 체적비는 양수 전의 해수 영향을 받는 체적에 대한 양수 후의 해수 영향을 받는 체적의 비에 비례하고,
    상기 경계면 감소 면적비는 모델링 전체 면적에 대한 양수 후 경계면이 감소된 면적의 비에 비례하는 것을 특징으로 하는, 해수양수 장치의 최적화 설계 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 평가함수가 상기 목표 시간비, 상기 경계면 감소 체적비, 및 상기 경계면 감소 면적비 중 적어도 하나에 비례하는 것을 특징으로 하는, 해수양수 장치의 최적화 설계 방법.
  21. 제14항 내지 제20항에 중 어느 한 항에 기재된 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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