서
론
유해폐기물, 일반폐기물 및 산업시설로부터 오염물이 지하매질내로 이동하는 중요한 메카니즘은 지하수 흐름 이다. 따라서 지하매질내 오염물의 이동ㆍ확산과정을 예 측하기 위해서는 먼저 정확한 지하수 흐름 체계가 파악되 어야 한다. 지하수 유동 및 지하매질내 오염물의 이동ㆍ 확산 현상을 이해하기 위하여 현장관측, 물리적 모델 및 수학적 모델 등이 널리 이용되고 있다 (Fetter 1994). 현 장관측은 조사 대상지역에서 수리 지질자료의 관측 자 료를 기초로 하여 지하수 흐름과 오염물 이동을 유추하 는 방법이고 (Oxtobee and Novakowski 2002; Woumeni and Vauclin 2006), 물리적 모델은 실제 현장 규모를 축 적모형을 이용하여 실내에서 재현하여 지하수 흐름을 해 석하는 방법이고 (Westerhoff and Pinney 2000; Qian et al.2005), 수학적 모델은 지하수 흐름 및 오염물 이동의 지 배 방정식을 적절한 초기 및 경계조건을 이용하여 해석 ─ ─ 79 ──
동위원소를 이용한 지하매질내 오염물 이동 해석
김기철∙박건형∙정성희1∙서경석* 한국원자력연구원 원자력환경안전연구부, 1한국원자력연구원 동위원소이용기술개발부Analysis of Pollutant Transport in Subsurface Materials
by Using Radioisotope
Ki Chul Kim, Geon Hyeong Park, Sung Hee Jung1and Kyung Suk Suh*
Nuclear Environmental Safety Research Division, Korea Atomic Energy Research Institute, Daejeon 305-353, Korea
1Radioisotope Research and Development Division, Korea Atomic Energy Research Institute,
Daejeon 305-353, Korea
Abstract-- The pollutants in subsurface soil are advected by groundwater flow and transported by the hydrodynamic dispersion. In this study, laboratory-scale experiments by using a radioisotope were conducted to evaluate the characteristics of the transport and dispersion of pollutants in the soil. The hydraulic model of the laboratory-scale was manufactured based upon its geometric simi-larity. Tc-99m having a short half-life was used with a tracer and it was injected instantaneously into the soil. Tc-99m milked from a 99Mo/99mTc portable generator fabricated for medical purposes
had 0.141 MeV of gamma radiation. The experiments are performed by the different conditions like the variations of groundwater velocity and the results are analyzed by the measured CPS of Tc-99m.
Key words : Groundwater, Hydraulic model, Radioisotope
* Corresponding authors: Kyung Suk Suh, Tel. +82-42-868-4788, Fax. +82-42-868-8943, E-mail. [email protected]
적 방법이나 수치적 방법으로 해석하는 방법이다 (Liu et al. 2007; Zhang et al. 2008).
본 연구에서는 경주 방사성폐기물 처분장 건설지역의 한 지역을 선정하여 지표에 침적되거나 토양내로 침투할 시 오염물의 토양내 거동 및 지하수의 유동 해석을 위하 여 축적모형에 의해 현장을 실내에서 축소 재현한 모형 장치를 이용하였다. 또한 현장의 동일한 조건 재현을 위 하여 현장에서 직접 시료를 채취하였으며, 오염물질의 이동을 파악하기 위하여 방사성동위원소 (radioisotope) 를 이용하여 실험을 수행하였다.
모형장치의 설계 및 제작
지하매질내 오염물의 이동 특성을 파악하기 위하여 실 제 지역과 유사한 지하수 모형 장치를 설계ㆍ제작하였 다. 설계에 적용된 지역은 경상북도 경주시 양북면 봉길 리 지역으로 적용 규모는 길이 1 km 폭 200 m를 선정하 였으며 대상지역의 지형도를 Fig. 1에 나타내었다. 적용 지역의 단면은 Fig. 1의 A-A′단면으로 왼쪽으로는 산악 지역이며 오른쪽으로 동해안과 인접해 있다. 지형 특성 으로는 서고동저로 서쪽의 산악지형에서 동쪽 해안으로 경사를 이루고 있다. 본 설계에서는 실제 지형의 경사도 를 반영하기 위하여 경사도 조절이 가능한 경사도 조절 장치를 설계에 반영하였으며, 모형의 제원은 Froude상사 법칙과 왜곡도를 적용하여 수평길이 3 m, 폭 0.5 m, 수직 깊이 0.6 m로 설계하였다 (Chanson 1999). 상사법칙 적용 결과는 지하수 모형 장치의 폭을 0.5 m로 정하고 실제 부지의 폭은 200 m를 적용함으로써 수평 길이 방향의 축척 Xr은 1/333이 된다. 따라서 적용부지 구간의 길이 가 1 km이므로, 모형장치의 길이는 3 m가 되어야 하며 실제 부지에서의 평균 깊이를 200 m까지 모사하고자 한 다면 연직길이 방향의 축척 Yr은 1/400이므로, 지하수 모사 장치에서의 평균 깊이는 0.6 m가 된다. 따라서 수 평길이 방향 축척 Xr이 1/333이고 연직길이 방향 축척 이 1/400이므로 왜곡도는 1.2가 된다. 상사법칙에 따른 왜곡도와 수리량 환산비를 Table 1에 나타내었다. 왜곡도를 기초로 하여 설계한 지하수 모형 장치는 지 하수 유입부, 적용 부지를 모사할 수 있는 중심부, 통과 된 매질을 통해 배수되는 물을 받을 수 있는 저수조부, 실제 경사를 모사할 수 있도록 설계된 경사 조절장치 부 분으로 구성되어 있다. 지하수 유입부에는 흙의 붕괴현상 을 방지하기 위하여 필터를 설치하였으며, 중심부 끝단 은 원만한 배수를 위하여 균일한 크기의 구멍을 사용한 필터를 설치하였다. 또한 토압과 하중에 의한 처짐을 방 지하기 위하여 하부는 강철로 제작하였다. 이러한 설계 를 기초로 하여 제작한 지하수 모형장치는 Fig. 2와 같다.지하매질내 오염물 이동 모사 실험 및 분석
지하수의 흐름은 유속과 토질입자의 특성에 따라 변화 Fig. 1. Layout of the experimental site.Table 1. Scale ratios for groundwater scale model
Variable Conversionequation Prototype(m) Scale Hydraulicmodel (m) Xr(length scale) Xr 1000 333 3 Yr(width scale) Yr 200 400 0.5 Dr(depth scale) Gr 200 20 0.6
Distortion 1.2
한다. 이와 같은 현장 특성이 반영된 토질을 재현하기 위 하여 Fig. 3과 같이 현장에서 흙 시료를 채취ㆍ분석하여 현장 조건과 유사한 공극률과 입도분포를 갖는 토질을 제작하였다. 지하매질의 토양을 선정한 뒤 모형장치에 흙을 채우고 실제 지형과 유사하게 단면을 형성한 후 지하수내의 오 염물의 이동 특성을 평가하기 위하여 99mTc 이용한 실내 실험을 조건을 달리하여 2회에 걸쳐 수행하였다. 실험에 사용한 99mTc의 농도는 첫 번째 실험시 13 mCi, 두 번째 실험시 1.3 mCi를 사용하여 방출점에서 순간 방출하였 다. 농도의 계측은 0.5 inch (직경)×1 inch (길이) NaI Scin-tillation 감마선 계측기를 사용하였으며 계측기의 위치는 지점별로 injection 위치에서 가장 가까운 지점인 7번에 1개의 검출기를 설치하였고 이후 지점에는 2개의 Line 에 3개씩 총 7개 지점에서 감마선 세기를 계측하였다. 검출기의 위치도는 Fig. 4와 같다. 감마선 검출기의 계측 시간은 동위원소의 최대농도가 마지막 지점을 통과한 후 기저농도까지 감소될 때까지 측정하였다. 관측결과 첫 번째 실험은 injection 이후 동 위원소가 7번 지점까지 도착하는 데 걸리는 시간은 약 5시간 30분이며, 이후 최고 Count Per Second (CPS)에 도 달하는 시간은 약 19시간 50분으로 약 320,000 cps이다. 이후 5번 지점에 도달한 시간은 25시간이며 약 450,000 cps값을 나타내고 있다. 그리고 2번 지점에 도달한 시간 은 41시간으로 약 460,000 cps가 측정되었다. 이는 지점 7번에서 지점 5번까지 흐르는 데 5시간이 걸렸으나 지 점 5번에서 2번까지 동위원소가 도달하는 데 걸리는 시 간이 약 16시간으로 작은 유속과 단면의 영향으로 흐름 이 정체되는 현상으로 보여진다. CPS의 분포는 7번과 5 번 지점의 CPS가 각각 320,000 cps, 450,000 cps 값으로 상용 NaI 섬광형 검출기를 이용한 계측장치의 불감시간 등을 고려하였을 때 얻을 수 있는 최대계수 값에 비해 높게 나온 것으로 이는 방사선 계측기의 불감시간으로 인하여 고계수율의 계측값을 계측하지 못하고 오히려 더 낮은 계수율의 형태로 나타내어 역치의 분포를 보여 주고 있다. 관측된 동위원소의 변화 그래프를 Fig. 5에 나타내었다. 첫 번째 실험의 관측값 분석결과 유속의 흐름이 너무 작아 동위원소가 정체되는 현상을 보이고 있어 두 번째 실험시 유량을 조절하여 유속의 흐름을 빠르게 한 상태 의 동일 조건에서 실험을 수행하였다. 실험결과 Fig. 6과 같이 유속의 흐름이 빨라져 지점 7번에 동위원소가 최 대값에 도달된 시간은 5시간 30분이며, 지점 7번에서 지 점 5번까지 도달하는 데 걸린 시간은 5시간이다. 또한 단면의 높이와 작은 유속으로 정체현상을 보였던 첫 번 째 실험의 지점 5번~2번의 관측값이 유속이 증가함에 따라 정체현상이 없어져 지점 7번에서 지점 2번에 동위 Fig. 3. Field sampling.
Fig. 4. Deployment of NaI detectors.
36 cm 33.5 cm 29.5 cm 35 cm 36 cm 37.5 cm 34 cm 30.5 cm 34 cm 36 cm 5.5 cm 21 cm 20.5 cm 6 cm 6.5 cm 21 cm 21 cm 5 cm 102 cm 42 cm 43.5 cm 37 cm 25.5 cm 25 cm 출구 입구 3 2 1 6 5 4 7
원소가 도달한 도달시간은 11시간이 소요되었다. 관측값 은 지점 7번에서 가장 높은 값을 보이며 지점 5번 지점 2번 순으로 나타나고 있다. 또한 지점 7번을 통과하면서 동위원소가 확산되어 지점 4번과 지점 6번에서도 작은 관측값을 보이고 있다.
결
론
지하매질내 오염물 이동 특성을 평가하기 위하여 지 하수 모형장치를 설계ㆍ제작하였다. 실제 지역과 유사한 조건을 재현하기 위하여 현장에서 시료를 채취하고 분 석하였다. 지하수의 흐름은 유속의 영향에 민감함에 따 라 유속의 변화를 준 각기 다른 조건에서 두 번에 걸쳐 실험을 수행하였다. 실험 결과 낮은 유속과 고르지 못한 단면에서는 지하수의 흐름이 작아 동위원소 (99mTc)가 정체되어 일정 시간이 지난 뒤 단면을 통과함으로써 동 위원소의 농도 값이 부정확하게 나타났다. 그러나 유속 을 증가하여 실험한 결과 정체현상 없이 지하수의 흐름 이 고르게 나타났으며 동위원소가 일정 시간내 통과함에 따라 농도분포가 7번 5번 2번 순으로 농도값이 계측되 었다. 또한 4번과 6번에서도 난류 유속의 증가에 따른 횡 분산에 의해 동위원소가 계측되었다. 이는 단면의 중 심에서 양쪽으로 지하수의 흐름이 생성되어 있는 것을 알 수 있다. 이처럼 지하수 실험에 있어서는 유속의 흐 름과 단면의 형상이 중요하고 유속이 느린 경우 99mTc 에 비해 반감기가 좀더 긴 동위원소를 사용한다면 지하 수 흐름이 적은 조건에서도 지하매질내 오염물의 이동 확산 특성을 좀더 정확히 규명할 수 있을 것으로 생각 된다.사
사
본 연구는 교육과학기술부에서 시행하는 원자력연구 개발사업의 지원으로 수행되었습니다.Fig. 5. Measured CPS of Tc-99m in first experiment.
Fig. 6. Measured CPS of Tc-99m in second experiment.
Concentration of the tracer
(Count/Second) 500000 450000 400000 350000 300000 250000 200000 150000 100000 50000 0 Injection D7 D7 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 180000 200000 Time (sec) D5 D2 D6 D5 D4 D1 D2 D3
Concentration of the tracer
(Count/Second) 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 180000 Time (sec) 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 D7 D5 D2 Injection D7 D6 D5 D2 D1 D4 D3
참 고 문 헌
Chanson H. 1999. The hydraulics of open channel flow. 585pp. Butterworth-Heinemann, London.
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Oxtobee JPA and Novakowski K. 2002. A field investigation of groundwater/surface water interaction in a fractured bed-rock environment. J. of Hydrology 269:169-193.
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Zhang QF, Lan SQ, Wang YM and Xu YF. 2008. A new nume-rical method for groundwater flow and solute transport using velocity field. J. of Hydrodynamics 20(3):356-364.
Manuscript Received: February 12, 2010 Revision Accepted: February 22, 2010
