Estimation of Groundwater Table using Ground Penetration Radar (GPR) in a Sand Tank Model and at an Alluvial Field Site

201

실내 모형과 현장 충적층에서 지하투과레이더를 이용한 지하수면 추정

김병우¹·김형수²*·최두형³·고용권¹

1

한국원자력연구원 방사성폐기물처분연구부,

중원대학교 신재생에너지학과,

3

한국수자원공사 국가지하수정보센터

Estimation of Groundwater Table using Ground Penetration Radar (GPR) in a Sand Tank Model and at an Alluvial Field Site

Byung-Woo Kim

, Hyoung-Soo Kim

*, Doo-Houng Choi

, and Yong-Kwon Koh

1

Radioactive Waste Disposal Research Division, Korea Atomic Energy Research Institute

2

Dept. of Renewable Energy, Jungwon University

3

National Groundwater Information Center, Korea Water Resources Corporation

지하수면과 불포화대의 수분 포화도가 지하투과레이더(GPR) 신호에 미치는 영향을 연구하기 위하여 실내 토조와 충적층 현장에 서 GPR 조사를 수행하였다. 실내의 모래 채움 토조 실험에서, 지하수위를 변화시키기 위해 물을 탱크 바닥에 설치된 밸브를 통해 주입하고 배수시켰다. 지하수위와 수분포화도를 추정하기 위하여 모래 채움 토조에서 GPR 수직반사법(이후, VRP) 자료가 획득되었 다. 실내 모래 채움 토조에서 획득된 GPR 신호는, 지하수위는 물론 함수율 변화에도 민감하게 반응함을 보여준다. 불포화대에서 GPR 속도는 함수율 변화에 따라 크게 조절되며, 주시 시간의 증가는 포화도의 증가로 해석된다. 함안군 이룡리 낙동강변 충적층에서 220 m에 달하는 VRP 조사가, 지하수위를 추정하기 위하여 수행되었다. 현장 조사 결과, 포화 조건에서 GPR 신호의 첫 번째 반사면은 모관 상승에 의한 경계부를 지시하며, 실제 지하수면과는 차이가 있음을 지시한다. 보다 정확한 지하수위를 추정하기 위하여, Well- 3호공 주변에서 중앙공심점(common mid-point, 이후, CMP) 방식 GPR 조사를 수행하였다. 그 결과, 모관 상승 경계부와 지하수면 으로부터 반사되는 CMP 자료는 쌍곡선 형태를 보였다. NMO(nomal move-out) 보정을 통해, CMP 조사 자료로부터 GPR 신호의 속도를 구하였고, 이는 보다 상세한 지하수면과 심도별 포화도 정보를 제공하였다. 지하수면과 포화도 정보를 포함하는 GPR 조사 결과는 통기대의 현장 수리 지질학적 특성 조사에 유용한 수단이다.

주요어 : 지하투과레이더, 모래층, 지하수면

Ground penetrating radar (GPR) surveys were conducted in a sand tank model in a laboratory and at an alluvial field site to detect the groundwater table and to investigate the influence of saturation on GPR response in the unsaturated zone. In the sand tank model, the groundwater table and saturation in the sand layer were altered by injecting water, which was then drained by a valve inserted into the bottom of the tank. GPR vertical reflection profile (VRP) data were obtained in the sand tank model for ris- ing and lowering of the groundwater table to estimate the groundwater table and saturation. Results of the lab-scale model provide information on the sensitivity of GPR signals to changes in the water content and in the groundwater table. GPR wave velocities in the vadose zone are controlled mainly by variations in water content (increased travel time is interpreted as an increase in satura- tion). At the field site, VRP data were collected to a depth of 220 m to estimate the groundwater table at an alluvial site near the Nakdong river at Iryong-ri, Haman-gun, South Korea. Results of the field survey indicate that under saturated conditions, the first reflector of the GPR is indicative of the capillary fringe and not the actual groundwater table. To measure the groundwater table more accurately, we performed a GPR survey using the common mid-point (CMP) method in the vicinity of well-3, and sunk a well to check the groundwater table. The resultant CMP data revealed reflective events from the capillary fringe and groundwater table showing hyperbolic patterns. The normal moveout correction was applied to evaluate the velocity of the GPR, which improved the accuracy of saturation and groundwater table information at depth. The GPR results show that the saturation infor- mation, including the groundwater table, is useful in assessing the hydrogeologic properties of the vadose zone in the field.

Key words : ground penetrating radar (GPR), alluvium, sand tank, groundwater table

*Corresponding author: [email protected]

ⓒ 2013, The Korean Society of Engineering Geology

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서 론

기후변화로 인한 가뭄발생과 물 부족현상에 대한 지 표수의 대응 및 활용방안으로는 지하댐, 인공함양 그리 고 강변여과 등과 같은 대체수자원으로서의 지하수 활 용이 최근 주목받고 있다. 이들 중에서 하상 퇴적층으로 부터 양질의 원수를 취수하는 강변여과 방식의 개발이 창원, 김해 그리고 낙동강 유역의 지자체를 중심으로 활 발하게 추진되고 있다. 하상 퇴적층으로부터 수자원을 성공적이고, 효율적으로 확보하기 위해서는 무엇보다도 하상 퇴적층에 대한 지질학적 특성과 물리적 성질의 규 명이 필요하다. 이를 위해서는 기본적으로 하상 퇴적층 의 퇴적구조, 지하수의 화학적 조성 그리고 생태적 변화 의 고찰 등의 다양한 조사와 연구가 요구된다. 이 중에 서 퇴적층에 대한 조사 및 연구는 전기 비저항 또는 굴 절법 등이 국내외적으로 가장 일반적으로 수행되어 왔 으며, 조사의 목적은 주로 기반암의 심도 파악 및 충적 지하수 부존 여부를 확인하기 위한 것이다. 충적대수층 에서 정밀한 퇴적 및 층서학적 구조 파악을 위한 고해 상도 지구물리 탐사는 국내외에서 활발히 수행되고 있 다(Steeples and Miller, 1990; Beres and Haeni, 1991; Fielding et al., 1999; Corbeanu et al., 2001;

Kim and Kim, 2008).

특히, 지하투과레이더(GPR) 탐사는 1975년 뉴멕시코 의 Chaco Canyyon에서 유적탐사를 시작으로 공학 및 지반 조사에 활발히 응용되어 왔다(Nishimura and Goodman 1993). 이러한 지질학적 GPR 탐사 적용에 앞서, 레이더 기술의 기본적인 응용은 1930년에 최초로 전자기파를 이용한 비행체 감별에 성공하였으며, 그 이 후에도 많은 실험적 방법들이 시도되어 성공하게 되었 다. 이에 대한 응용은 2차 대전 당시 군사적 목적으로 수행되었으나, 실제로 전자기학적인 연구 수행을 뒷받침 할 전자기술 부족으로 1980년 초에 이르러 처음으로 지 하투과레이더 탐사 기술이 현장 실무적용이 가능하게 되 었다.

국외에서는 유류오염물질을 탐사하기 위한 실험실 및 탱크모델 실험(DeRyck et al., 1993; Daniels et al., 1995), 충적대수층의 정밀한 층서퇴적학적 구조 파악 (Steeples and Miller, 1990; Beres and Haeni, 1991;

Fielding et al., 1999; Corbeanu et al., 2001), 지하수 면(groundwater table)과 토양수분함량의 측정 및 관측 (Hargey and Müller, 2000), 양수시험 시 자유면대수층 의 공간적 반응 및 수리특성 추정(Endres et al., 2000;

Lu and Sato, 2004), 단열암반대수층의 특성 평가 (Porsani et al. 2005), 지하수면, 수리전도도와 함수량의 수리특성 추정(Lu and Sato, 2007), LNAPL 오염평가 (Cassidy, 2007), 동역학적 지하수면으로부터 GPR 반사 면의 원인을 판정하기 위한 실내시험(Pyke et al., 2008), 탄광지역에서 식물성장에 영향을 미칠 수 있는 토양수분과 지하수면 변화를 분석하기 위한 모니터링 방 법(Bian, et al., 2009), 지하수 인공함양에 따른 불포화 대(vadose zone)의 시간경과에 따른 침투과정과 함수량 의 공간적 분포(Kuroda et al., 2009), 시추공간 레이더 에 의한 불포화층의 효율적인 전자기 영상화와 Zero- Offset Profiling (ZOP) 의 초동 주시 역산을 이용한 함 수율 변화(Jang et al., 2011a; Jang et al., 2011b), 다 중 오프셋 단공과 시추공간 레이더 반사자료를 이용한 화강암 대수층에서의 단열 영상분석(Dorn et al., 2012) 등에 관한 GPR 관련 연구가 수행되었다.

한편, 국내에서도 하상퇴적물 조사(Chang and Jeong, 2002), 유적지 발굴 조사(Kim and Oh, 2003; Oh and Shin, 2004; Kim et al., 2005), 유류오염물질 반응에 대한 실험연구(Kim, 2004), 퇴적물 분포 및 준설능력 (Lee et. al., 2006), GPR, IE 및 IR의 복합기법을 이 용한 콘크리트 배면공동 탐지(Noh, et al., 2009), 그리 고 소방방재 시스템 구축(Shin et al, 2011) 등에 대한 GPR 연구가 수행되어 왔다.

이와 같이 충적층 및 하상 퇴적층으로부터의 GPR 탐

사는 매우 다양하지만, 지하수위 조사와 관련된 연구는

매우 제한적인 편이다. 그러나 지하수 분야와 관련하여

충적층 및 하상 퇴적층에서 GPR 탐사를 이용한 지하수

위 심도 및 변화 등에 관한 연구 및 조사방법이 최근

들어 많은 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 지하 투과

레이더 탐사로부터 정확한 불포화대의 수리지질학적 정

보를 얻기 위하여 GPR 수직반사법(VRP; vertical

reflection profile) 및 GPR 중앙공심점(Common Mid-

Point, 이후 CMP) 탐사를 수행하였다. 실내 토조 실험

은 VRP 탐사를 이용하여 건조 및 포화 토양층, 물 주

입 및 배수 동안 함수율 변화에 따른 동역학적 지하수

위 변화를 추정할 수 있었다. 그리고 현장 실험에서는

하상 퇴적층의 VRP 및 CMP 탐사 해석 결과로부터 추

정된 지하수면과 실제 지하수면의 차이가 모관대 상승

대 영향인지의 여부를 확인하는데 목적을 두었다. 이러

한 GPR 탐사는 하상 퇴적층의 수리지질학적 특성을 평

가하는데 매우 유용할 것으로 판단된다.

토양 지하수 및 GPR 이론 일반 지하수의 수직분포

지하수의 수직분포는 Fig. 1에서 보는바와 같이 불포 화대와 포화대로 나누어진다. 불포화대는 공기와 물로 차있으며, 포화대는 완전히 지하수로 차 있다. 따라서 불 포화대와 포화대의 경계면에는 지하수면(water table or phreatic surface) 이 존재한다. 불포화대는 공기와 물로 차 있는 잔류포화대(residual saturation zone), 잔류 포 화대와 모관대(capillary fringe) 사이의 중간대(transition zone) 로서 잔류 포화에서 하강한 물이 모관대나 포화대 로 자유로이 통과할 수 있도록 수로의 역할만을 한다.

이러한 모세관대는 지하수면에서부터 모세관현상에 의 한 물 상승 가능까지의 구간이다.

다공질 매질에서 유체이동(transferring)에 대한 주요 문제는 모세관 채널의 직경이 일정하지 않아 쉽게 예측 되지 않는다. 토양에서 모세관 압력수두를 추정하기 위 한 방법으로, 모관상승고를 지배하는 유효공극 직경 (effective pore diameter) 과 유효입자직경 d

사이의 정 확한 관계를 찾기 위한 연구들이 시도되었다(Terzaghi and Peck, 1967; Andersson, 1976; Holtz and Kovacs, 1981). 모세관 힘은 공극 차원에 의해 제어되 며, 불균질한 모관상승고는 모래토양의 건조 칼럼이 물 과 관련될 때 나타나는 현상이다(Fig. 2(a)). 이러한 모 세관 상승의 원인은 Fig. 2(b)에서 보는바와 같이 시간 이 지남에 따라 토양 칼럼의 높이를 가지는 포화도의

변화와 같다. 포화도의 높이 h

까지는 약 100%가 되며, 최대 공극에 해당한다. 높이 h

외에도 h

의 물은 아주 작은 공극을 채울 수 있으며, 이러한 포화도는 100%

보다 적다. 따라서 모관상승고의 최대 높이 h

은 작은 공극과 관련된다(Braja, 2010). Hazen (1930)는 토양의 형태에 따라서 모관상승고 높이의 근사치에 대하여 식 (1) 로 표현하였다.

(1)

여기서 d

은 유효입자 직경(effective size) [mm], e는 공극율(void ratio), C는 입자의 모양 및 상태에 따른 상수(10~50 mm

) 이다. 모래 입자크기 d

과 토양에서의 공극 크기의 감소는 보다 높은 모관상승고의 원으로 나 타난다. 이에 대하여 Hansbo (1960)와 Braja (2010)는 Table 1 과 같이 다양한 토양 형태로부터 발생되는 모관 상승고의 대략적인 범위를 제시하였다.

하상 퇴적층에서의 모관상승고는 일반적인 토양층과 는 다소 상이하며, 특성이 범람원의 형태로 모래층 구간 사이에 점토질이 미세하거나 소량 협재되어 있어 국부

h

( mm ) C ed

---

=

the subsurface (Abdul, 1988).

Fig. 2. Capillary effect in sandy soil: (a) a soil column in contact with water, (b) variation in the degree of saturation in the soil column (Braja, 2010).

Table 1. Approximate range of capillary rise in various soil types.

Type of soils Range of capillary rise (m) Hansbo (1960) Braja (2010)

Coarse sand 0.03-0.15 0.1-0.2

Medium sand 0.12-0.50 -

Fine sand 0.30-3.50 0.3-1.2

Silt 1.50-12.0 0.75-7.5

Clay > 10.0 7.5-23

적으로 불투수 구간 또는 피압 형태를 가지고 있기 때 문에 GPR 탐사 및 해석에 미치는 영향이 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 실내 토조 실험과 현장 시험으로부터 불포화대 및 모세관대의 특성이 GPR 탐 사에 미칠 수 있는 영향성을 파악하고자 하였다.

GPR 탐사 일반

GPR 탐사는 크게 수직반사법(VRP), 중앙공심점 (CMP), 투과법(TM: Transilluminating Mode)으로 분류 할 수 있으며, 조사심도 및 목적에 따라 안테나를 선택 한 후 Fig. 3(a)에서 보는바와 같이 미리 설계된 탐사측 선을 따라 GPR 조사 장비를 이동시키면서 자료를 취득 하게 된다. 이때 송신 안테나에서 전송된 송신파는 Fig.

3(b) 와 같이 매질을 전파하다가 매질의 경계면을 만나면 일부 에너지가 반사되어 돌아오게 되는데, 이렇게 반사 된 반사파는 수신안테나로 기록하고 이를 분석함으로써 대상 매질에 대한 정보를 취득하게 된다. 탐사자료의 처 리 및 해석에 영향을 미치는 전자파의 전달 속도는 유 전상수에 영향을 받으며 파의 감쇠(attenuation)는 주로 전기전도도에 영향을 받는다. 파의 전달 속도는 유전상 수의 제곱근에 반비례하며 감쇠는 전기전도도에 비례하 고 유전상수에 반비례하는 특성을 가진다. 일반적으로 전기전도도는 매질 내 수분함량과 전도성 물질의 함량 에 영향을 받으며 유전상수는 매질이 균질한 경우 수분 함량과 공극율에 영향을 받게 된다(Reynolds, 1997).

본 연구에서 실내 토조 실험은 VRP 탐사를, 현장 실 험에서는 VRP 및 CMP 탐사를 적용하였다. 또한 조사 심도 및 목적에 따라 GPR 장비의 중심 주파수, 송수신 기 이격 거리 등은 조절하였다. 이때, 구성 매질의 속도 와 감쇄율 등도 함께 고려되었다.

지하를 구성하는 암석의 투자율을 진공에서의 값과 같다고 가정하면( ), 레이더파의 속도는 식 (2)와 같다(Reynolds, 1997).

(2)

여기서 는 상대 유전율, c는 진공에서의 전자 기파의 속도가 0.3 m/ns이다. 지하를 구성하는 암석의 상대 유전율은 대개 3~30내 범위 값을 가지므로 레이더 파의 속도는 0.06~0.175 m/ns이다. 물의 상대 유전율은 80 으로 다른 물질에 비하여 대단히 크며, 지하매질 내에 분포하는 수분함량은 레이더파의 거동에 커다란 영향을 미치게 된다.

따라서 GPR 신호의 감쇠요인은 3가지로 나눌 수 있 으며, 첫째, 송신안테나로부터 거리가 증가함에 따라 신 호의 크기는 1/r의 비율로 감소한다. 둘째, 파의 전파시 에너지의 일부가 열로 변환되면서 신호의 크기가 감쇠 하여, 이를 흡수(absorption)라 한다. 끝으로 경계면에서 발생하는 레이더파의 반사 및 투과로 인하여 에너지 손 실이 발생한다. 이러한 반사계수는 식 (3)과 같으며, 지 표로부터 심도 d까지의 경계에 대한 왕복 주시(T : two- way travel time) 는 다음과 같이 식 (4)로 표현된다.

(3)

(4) µ µ =

v ω ---- β 1

µ

ε --- c

ε

--- 0.3 ε

--- m ns ( ⁄ )

= = = =

ε

= ε ε ⁄

R ε

– ε

ε

+ ε

---

=

T 2d

--- 2d ε v

--- c

= =

Fig. 3. (a) Radar antenna used to detect the following in the air: ground wave, critically refracted wave, and refracted wave travel paths (modified from Reynolds 1997), and (b) antenna pulled along the surface of a deposit sediment. Subsurface information is recorded, stored, and displayed in a portable radar unit carried in a shoulder harness by the operator.

여기서, ε

, ε

는 경계면 양쪽에서의 상대유전율, c는 유 전 상수율(dielectric permittivity)이다.

CMP 탐사 방법은 일정 오프셋(constant offset)만을 사용하는 VRP 방법과 비교할 때 탐사작업이 상대적으 로 복잡하지만 레이더파 속도를 정확히 결정할 수 있다 는 장점을 가지고 있다. 이러한 원리는 송신기(T) 자료 의 트레이스들을(Fig. 4(a)) 지하의 중앙공심점을 기준으 로 모으는 것으로서(Fig. 4(b)) 이 모음 자료를 공통중간 점 자료(CMP gather)라 한다. Fig. 4(b)에서 반사점(D) 는 여러 개의 송신기(T)-수신기(R) 조합의 경로가 스쳐 가는데 자료를 수집할 때 양쪽으로 같은 거리로 펼쳐나 가 반사점이 중첩되도록 설계한다. 송신기-지하반사점- 수신기까지의 주행시간 t (x)는 속도와 오프셋 x의 함수 로 식 (5)로 표현된다.

(5)

여기서 x는 송신기와 수신기 사이의 거리, v는 매질의 속도이며, t (0)는 영 오프셋(zero offset) 시간으로서 수 직 경로에 대한 왕복 주시이다. 속도가 일정한 층의 하 부 경계면으로부터 반사된 파는 Fig 4(c)에서 보는바와 같이 공중점 자료에서 쌍곡선 형태로 나타난다. 송신기 에서 x 만큼 떨어진 수신기까지의 반사파의 주행시간 t

와 영 오프셋 주행시간 t

의 차이는 지하구조를 반영한 것이 아니라 단지 송신점과 수신점 사이의 거리 때문에 생기는 것으로서 이 시간차이를 수직 시간차(NMO)라 한다. 이러한 시간차 ∆t

를 보정하기 위해 필요한 속 도를 NMO 속도라고 하며, 이러한 NMO 보정은 t (x)와 t (0) 사이의 차이에 의해서 식 (6)으로 표현된다(Yilmaz, 1987).

(6)

여기서 x는 송수신기(Tx-Rx) 사이의 거리(m), v는 시험 적으로(trial and error) 결정되는 NMO 속도(m/nsec), t (0)는 영 오프셋(x = 0) 시간(nsec) 이다. 식 (6)은 t

(x) 대 x

면(plane)에서 커브는 Fig. 4(c)의 Before로 설명 되며, 곡선형태는 이며, 절편 값 x = 0는 t (0)이다.

t

− x

속도 분석은 중합 속도들을 추정하기 위한 방법 이다. 이때, 수직경로시차(NMO)가 보정된 트레이스들의 반사 신호들은, 적정한 속도로 보정하게 되면 Fig. 4(c) 의 After와 같이 동일 시간으로 정렬된다.

실험방법 및 자료처리 실내 실험

본 연구는 동역학적 지하수위 변동 특성에 대한 실내 토조 실험과 하상 퇴적층의 지하수면 및 잔류상(residual phase) 추정에 대한 현장시험으로 분류하여 VRP 및 CMP 탐사를 수행하였다. 실험에 사용된 실내 토조는 Fig. 5 에서 보는바와 같이 외부로부터 실험 과정 및 지 t

( ) t x

( ) x 0

v

+ ----

=

∆t

t x ( ) t 0 – ( ) t 0 ( ) 1 x vt 0 ( ) ---

⎝ ⎠

⎛ ⎞

+

1 2---

1

⎩ – ⎭

⎨ ⎬

⎧ ⎫

= =

1 v ⁄

Fig. 4. CMP-GPR configuration (Fisher et. al., 1992); (a) conception, (b) CMP gather for a single horizontal reflector, and (c) NMO correction involves mapping nonzero-offset travel time t(x) onto zero-offset travel time t(0).

하수위를 직접 관찰할 수 있도록 하기 위하여 투명아크 릴(10T)로 제작하였다. 실내 토조의 규격은 240 × 150 × 100 cm (L × W × H) 이며, 토양시료를 채워 넣을 내부 공간의 규격은 224 × 135 × 92 cm이다. 모형세트의 양쪽 끝 부분에는 실험에 사용될 수위를 조절하기 위한 밸브 를 5조씩 설치하였고, 외부 공간과 토양시료 공간사이 에는 토양의 출입을 방지하고 유체의 이동만이 가능하

도록 하기 위하여, 균일한 직경과 간격의 구멍을 배치한 투명아크릴 판에 200 mesh 망을 부착하여 칸막이로 사 용하였다. 실내 토조의 채움 재료는 전체시료의 약 80%

중량비가 Friedman과 Sanders(1978)의 입자 크기(grain size) 등급중 φ 1.23 ~ −1(437 µm ~ 2 mm)에 해당되는 중 립사(medium sand) 내지 왕모래(granule)를 사용하였다.

실내 토조 실험은 수위변화에 따른 체적함수비 변화, 배수 이후의 심도별 함수비를 측정하였다. 그리고 지하 수위 변화를 관찰하기 위하여 실내 토조에 물 주입 이 전의 자연상태 조건, 물의 포화된 상태, 그리고 모래 토 조의 물 주입 및 배수에 따른 수위 상승 및 강하 (drawdown) 에서의 VRP 탐사를 실시하였다. 건조 모래 및 포화된 상태에서 VRP 탐사는 송신 및 수신 안테나 의 간격(Tx-Rx)이 0.17 m의 탐사장비를 이용하여 모래 토조 중앙부의 측선을 따라 0.01 m 간격의 단계 방식 (Step mode) 로 측정하였다. 그리고 토조 내 물 주입 및 배수에 따른 탐사는 모래 토조 중앙에 센서를 고정시켜 두고 연속 방식(continuous mode)으로 5 sec/trace 간격 으로 측정하였다. 이때 수신기의 주파수는 900 MHz를 사용하였으며, 실내 토조 실험으로부터 자료획득방법은 VRP 방식과 송신기 취합 방식(transmitter gather/shot gather) 을 이용하였다.

실내 토조 실험으로부터 지하수 유입 및 배출 시 수 위변화에 따른 체적함수비(volumetric water content) 변 화분석은 OTT사 LogoSens 측정기 Trime-TDR(Time Domain Reflectometry) 센서를 이용하였으며, 센서의 측 정 범위는 0-1V로 1V는 100%의 체적함수비를 의미한 다. 이러한 체적함수비는 모래의 전체에서 물이 차지하 는 체적을 의미하므로, 토조 실험에서는 공극률과 같다.

그리고, 토조에서 함수비 측정은 수위강하(물 배수) 이 후에 9개 지점으로부터 토양샘플을 채취한 후 건조시험 을 통해 측정하였다. 이러한 함수비 측정은 토조에서 물 배수 시 수위강하, 잔류 포화대와 모세관대의 특성이 지 하 투과 레이더 탐사에 미치는 영향을 파악하는데 있다.

현장 실험

현장 탐사지역은 경남 함안군 이룡지역으로 낙동강 주변의 하상 퇴적층이 매우 넓게 분포되어 있으며, 하상 퇴적층으로부터 지하수면을 추정하기 위해 탐사가 실시 되었다. 탐사 방법은 지하반사체에 대한 정보를 얻기 위 해 VRP 탐사와 매질에 대한 전자파의 속도를 계산하기 위한 CMP 탐사를 수행하였다. VRP 탐사는 Fig. 6과 같이 낙동강으로부터 220 m 내륙지점(하상 퇴적층)까지

and GPR, (b) sample soil with horizontal plane and depth variation, and (c) ground and side plans.

탐사심도 10 m 이내의 지하수면을 추정하기 위하여 100 MHZ( 정격출력전압, 1000 V) 안테나를 조사선 바닥면에 설치하였다. 해석결과로부터 실제 현장 지하수위와의 비 교분석을 위하여 탐사가 수행된 측선으로부터 4개의 간 이 관측공(Well-1, -2, -3, -4)을 굴착하였으며, 굴진된 시추시편으로부터 퇴적층의 상태를 파악하였으며, 공내 수위 측정을 통해 실제 지하수위를 측정하였다. 이때, 하 상 퇴적층 지표 부분의 모래는 건조하며, 지표로부터 수 십 cm 이하부터는 습윤 상태를 보였다. 그리고 CMP 탐사는 Well-3호공 주변에서 탐사가 실시되었으며, Well-3 호공을 중심으로 8 m에 대하여 탐사가 실시되었 다. 탐사에 사용된 주파수는 VRP 탐사법과 동일한 100 MHZ 로, 송신 및 수신 안테나의 간격(Tx-Rx)은 최초 1.5 m 에서부터 장비 이동 간격은 0.2 m 씩 양방향 이동 방식으로 수행하였다.

실험장비 및 해석 프로그램

국내에서는 현재 일반적으로 사용되는 지하레이더 탐 사장비는 Pulse EKKO 시스템과 Ramac 시스템이 있으

며, 본 연구에서는 Sensors & Software Inc의 Pulse EKKO 시스템을 이용하였다. Pulse EKKO 시스템은 주 파수에 따라 pulse EKKO 100 모델과 1000 모델로 나 눠지며, 실내 토조 실험은 pulse EKKO 1000 모델을, 현장시험은 pulse EKKO 100 모델을 사용하였다. 실내 토조 실험과 현장실험으로부터 획득된 자료는 Colorado School of Mines 의 SU(Seismic Unix) V.3.2 탄성파 유닉스 프로그램을 이용하여 해석하였다. 이러한 GPR 자료는 SU 패키지에서 소프트웨어 DT1과 dt1tosu 형식 을 통해서 데이터를 GPR 형식으로 변환하여 사용할 수 있다(Stockwell and Cohen, 2002). 특히 GPR 탐사자 료는 수신호 형태가 탄성파 탐사(seismic exploration)에 서 획득되는 신호와 유사하기 때문에 탄성파 신호의 자 료처리(data processing) 단계에서 사용되는 일반적인 처 리기법을 이용하여 탐사결과를 해석할 수 있다(Yun et al., 1995; Onish et al., 2005). 이와 같이 실내 및 실 험 현장에서 측정된 레이더파의 초동 감지는 실제적으 로 많은 오차나 조사자의 착오가 수반될 우려가 높기 때문에, 필터링이나 이득조절 등의 후처리 과정을 거쳐 초동 위치를 보정하였다.

실험 현장의 경우 GPR 탐사로부터 추정된 지하수면 을 검증하기 위하여 직경 25 cm의 무공 간이 관측공 4 개를 설치하여 지하수위를 측정하였다. 이때, 모래층에 점토가 협재되어 있는 하상 퇴적층에서의 지하수위는 불 포화대의 모관상승고의 지하수면으로 판단되어, VRP 및 CMP 탐사결과와 비교하였다.

실내 실험결과 및 고찰 표준사 물성시험

실내 토조 실험으로부터 VRP 탐사에 따른 지하수면 및 잔류상의 변화를 분석하기 위하여 토조에 표준사를 사용하였다. 그리고 실내 토조의 모래 물성들을 파악하 기 위하여 최소 및 최대 압밀한 상태에서 물성실험 및 매질에 따른 레이더의 상대 투과율과 속도에 관한 특성 들을 분석하여 Table 2와 Table 3에 정리하였다.

모래의 물성시험 시 습윤 및 건조밀도, 포화도에서 최

대압밀 상태는 최소 상태 보다 각각 1.16, 1.16, 1.33배

높게 나타났으며, 공극율과 고유 투수량계수의 최대 압

밀상태에서는 최소 압밀상태 보다 약 0.71, 0.60배 낮게

나타났다. 지하투과레이더 탐사자료 해석 시 탐사자료의

처리 및 해석에 영향을 미치는 레이더파의 전달 속도는

유전상수에 영향을 받는다. 이와 같이 물, 암석, 토양 등

의 대표적인 지층 물질의 레이더파 속도의 범위는 Table 3 과 같다. 모래층으로부터 지하투과레이더 탐사자 료 해석 시 중요한 요인은 각층의 경계를 구분하는 것 이다. 보통 전기적 성질이 서로 다른 두 매질의 경계부 에 안테나가 위치할 경우 대부분의 에너지는 상대적으 로 유전상수가 큰 매질로 전파되며, 이를 위해서는 먼 저 반사면을 구분해야 한다. 또한 다양한 잡음 및 반사 파의 진폭 등을 종합적으로 판단하여야 한다. 일반적인 물과 점토층 경계면에서 물과 점토층의 상대유전율은 각각 80, 40으로, 반사계수는 0.17을 보였다. 또한, 물 과 모래층 경계면에서 모래층의 상대유전율이 20일때 반사계수는 0.33로서 약 1/2 정도이므로 점토층에서의 반사면이 모래층에서의 반사면에 비해 약 0.5배 낮게 나타난다.

체적 함수비

실내 토조 실험으로부터 수위 상승 및 강하에 따른 체적함수비를 측정하기 위하여 Fig. 7에서 보는바와 같 이 TDR 센서를 GL.-15 cm, GL.-37 cm 위치에 설치하 였다. 실내 모래토조 내에 물 주입 시 GL.-37과 GL.- 15 cm 에서의 체적함수비 변화는 각각 35분, 140분이 지 나면서 증가하기 시작하였으며, 최대 체적 함수비는 150 분, 260분이 경과하게 될 때에 각각 0.45, 0.41를 보였다.

토조 내 물 배수에 따른 위치별 체적함수비 변화는 배수 시작(330분, 실험시작기준) 후, 각각 79분(409분, 실험시작기준), 317분(647분, 실험시작기준)이 지나면서 급격히 줄어들기 시작하였다. 실제 지하수위와 측정된 체적함수비로부터 지하수위가 상승할 때, 모세관 현상에 의해 다소 먼저 체적함수비가 증가하는 현상이 뚜렷이 나타나며, 지하수위가 하강할 때는 그 반대로 실제 수위 가 관측 지점보다 하부에 있어도 당분간 체적함수비를 유지하는 현상이 뚜렷이 관찰된다. 이러한 현상은 상대 적으로 상부에 위치한 TDR-1의 체적함수비가 중간지점 에 위치한 TDR-2에서 보다 급격한 수위 변화에 모세관 상승, 중력 배수 및 잔류포화상태 유지에 영향이 적음을 알 수 있다. GL.-15 cm, GL.-37 cm에서 측정한 공극 (porosity) 은 약 0.42, 0.45, 유효공극(effective porosity) 은 약 0.38, 0.35로 위치에 따른 특성은 보이지 않았으 며, 모래층의 지하수 흐름은 균질등방인 것으로 가정할 수 있다고 판단된다. 한편, 모래 토조에서 물 배수 시 모래층의 심도가 증가할 수 록 다공질 모래층의 공극에 남아 있는 물은 포화잔류 시간이 증가하는 것으로 나타 났다.

Table 2. Physical properties of consolidation using a standard soil test.

Properties Consolidation

Min. Max.

Specific Gravity 2.64 2.64

Specimen Diameter, cm 10 10

Cross Section Area, cm² 78.50 78.54

Specimen Length, cm 12.74 12.74

Specimen Weight, g 1374 1595

Water Content, % 0.20 0.20

Dry Density, g/cm³ 1.371 1.592

Wet Density, g/cm³ 1.374 1.594

Degree of Saturation, % 0.6 0.8

Void Ratio 0.93 0.66

Intrinsic permeability, cm/sec 6.3 × 10⁻³ 3.8 × 10⁻³

Table 3. Relative permittivity (ε_r) and radar velocity (v) (from Davis and Annan, 1989).

Material εr v (m/ns)

Air 1 0.3

Distilled water 80 0.033

Fresh water 80 0.033

Seawater 80 0.01

Dry sand 3~5 0.15

Saturated sand 20~30 0.06

Limestone 4~8 0.12

Clay 5~40 0.06

Granite 4~6 0.13

Dry salt 5~6 0.13

Ice 3~4 0.16

Fig. 7. Estimation of porosity and effective porosity by water injection and drain in the soil layer.

불포화 조건과 포화 조건시의 GPR 탐사 모래 매질의 수분 함량변화 및 지하수위 변동에 따른 영향성을 파악하기 위하여 토조 내 물 주입 이전의 건 조 모래상태에서 VRP 탐사를 수행하였다. 물 주입 이 전의 건조 상태에서 반사법 탐사 결과에서 약 10 nsec 의 신호는 토조 바닥면의 반사에 해당된다(Fig. 8(a)).

10 nsec 하부에서 나타나는 쌍곡선 형태의 반사 사건 등 은 토조 바닥 외부를 지켜주는 강재로 부터의 반사와 토조와 실험실 바닥면 사이에서의 신호 등으로 추정된 다. 일반적으로 알려진 완전 건조 모래에서의 속도는 15 cm/nsec 이며, 모래 토조의 크기를 고려하여 토조 바닥 면의 반사 신호로부터 산정된 속도는 약 13.54 cm/nsec 로 토조가 완전 건조 모래층보다는 다소 늦은 레이더 투과 속도를 가지고 있어 완전한 건조 상태가 아니거나, 일부 실트 등의 이물질의 영향이 반영된 것으로 판단되 었다. 실내 토조 내 일정 높이까지 물을 유입시킨 이후 지하수위 확인과 포화된 모래층의 레이더 투과 속도를 추정하기 위한 VRP 탐사를 실시하였다. 물이 포화된 모래 위에서 송수신 안테나를 단계 방식(step mode)으 로 측정한 결과 Fig. 8(b)에서 보는바와 같이 왕복 주시 가 약 3 nsec 지점에 지하수면이 추정되었으며, 약 20 nsec 지점에 토조 밑면의 반사면이 나타났다. Reynolds (1997) 의 발표 결과에 의하면 이론적으로 포화된 모래에 서의 속도는 5.56 cm/ns이며, 본 실험의 포화된 모래에 서의 속도는 상대 유전율과 유전 상수율을 이용하여 식 (3) 으로부터 산정한 결과 약 5.48 cm/nsec로 이론값과 거의 일치함을 알 수 있다.

수위변동에 따른 GPR 측정

지하수위 변동에 대한 VPR 탐사는 실험 현장과 유사 한 환경을 모사하기 위하여 실내 모형 토조 내에 66.7 cm 의 모래층을 만들었으며, 토조 바닥으로부터 지표하 5 cm 까지 수위를 상승시켜 자연 상태와 유사한 대수층 을 형성하였다. 그리고 물 주입 이후의 안정 수위 GL.- 5 cm 에서 수위강하 시킴으로써 모래층에 남아 있는 물 잔류포화 상태의 대수층을 형성하였다. 이때, 실내 토조 내의 수위상승을 위한 물 주입 유량은 0.158 l/min, 물 배출 유량은 0.052 l/min로 하였으며, 물 배출 시 중력 배수에 의한 교란을 최소화하기 위하여 물 주입유량 보 다 3배 느린 속도로 배수시켰다. 이와 같이 토조로부터 수위 상승 및 강하에 따른 수위 및 함수비 변화가 VRP 탐사에 미칠 수 있는 영향을 파악하기 위하여 1개 의 지하수위 간이관측공과 함수비 측정 장치인 TDR 센 서를 GL.-15 cm (TDR-1)와 GL.-37 cm(TDR-2)의 각 지점에 설치하였다.

Fig. 9(a) 에서 보는바와 같이 실내 토조 내에 물 주입 시 GL.-37 cm 지점의 함수율은 시간경과 55~150분에 걸쳐 급격히 증가함을 보이며, 이때 수위는 센서 위치와 동일한 지점에 관측되었다. GL.-15 cm 지점의 함수율은 시간경과 200~256분에 걸쳐 급격히 증가하였으며, 이때 수위는 GL.-10.4 cm로 관측되었다. 물 주입에 따른 VRP 반사 신호는 모세관 상부, 지하수위 및 토조 바닥 면에서 발생가능하며, 이중 모세관 상부와 지하수위에 의한 반사면의 뚜렷한 구분은 어려운 것으로 판단된다.

이는 사용된 레이더 신호의 수직 분해능 한계 보다 모 세관 상부와 지하수위의 차이가 크지 않은 현상 및 조 사가 수행되는 동안에도 이 부분이 지속적으로 변화되 는 현상 때문인 것으로 평가된다. 한편 토조 바닥면은 물리적인 위치의 변화가 없지만, 상부 모래의 포화도가 바뀌면서 주시 시간 변화에 따라 GPR 신호 시간 단면 에서는 변화하는 현상이 나타난다. 이러한 신호들에 대 한 GPR 신호 시간 단면내의 추정 위치는 Fig. 9(a)에 표시되어 있다.

물로 포화된 모래층으로부터 물 배수 시 VRP 탐사 에 의한 수위강하는 Fig. 9(b)에서 보는바와 같이 건조 된 모래에서 수위상승에 대한 반응보다 수위강하 시에 대한 변화양상이 크게 나타나지 않았다. 물 배수 시 GL.-15 cm 지점의 함수율 감소는 수위강하 시작부터 100 분(경과시간 430분)이 지나면서 급격히 감소하였으 며, GL.-37 cm 지점의 함수율 감소는 수위강하 시작부 터 363분(경과시간 693분)이 지나면서 급격히 감소되

sand (b).

었다. 두 지점 사이의 함수율 감소 시차는 263분으로, 상부 모래층으로부터 중력배수와 잔류 포화도에 의한 영향이 하부지점의 함수율에 미치는 것으로 나타났다.

또한, 지하수위가 강하함에 따라 레이더 반사파는 토 조에서 모관대 위의 불포화대가 잔류포화도의 물을 함 유하고 있는 모래층으로 구성되어 있어서 이를 통과하 는 레이더파의 속도가 둔화되어 반사면까지의 왕복시 간이 상대적으로 길어지는 것으로 나타났다. 이는 VRP 탐사 시 대수층의 함수비 변화에 매우 민감하게 반응하기 때문에 잔류포화도의 물 반사파가 약하게 나 타나는 것으로, 잔류포화도에 의한 수위강하는 잔류포 화대의 중력배수에 의한 동역학적 경로 흔적(층상 구

조)으로 분석하였다. 또한 수위강하로 인한 함수율 변 화는 심도 별 함수율 감소 변화의 시차로 인하여 동역 학적 유동 해석에 오류를 범할 수 있으므로 주의해야 한다.

수위 상승 및 강하 반복시의 GPR 신호 특성 모래층에서 수위 상승 및 강하에 대한 GPR 신호 특 성을 분석을 하기 위하여 수위 상승 및 강하 시험을 반 복하였다. Fig. 10은 반복 시험 중, 모래층을 완전히 포 화시키고 다시 자연 중력 배수한 후, 12시간을 기다린 다음 다시 물을 주입하고 배수하면서 기록된 GPR 신호 를 보여준다. GPR 신호는 토조 중심 지점에 고정시켜 연속 모드(continuous mode)로 측정되었다.

Fig. 10 에서 보는 바와 같이 모래 토조 실험에서의 수위 상승 및 강하시 지하수면과 토조 바닥의 반사 신 호 이외에도 모래층에 잔류된 물로 인해 다양한 반사 신호가 관찰된다. 이는 수위 상승 및 강하시에 GPR 신 호가 대수층에 잔존하고 있는 모래 수분 함량 변화에 매우 민감히 반응하고 있음을 보여 주며, 기존의 연구 (Greaves et al., 1996) 와도 유사한 결과를 나타낸 것으 로 나타났다. 지하수위를 상승시키고 연속하여 즉시 하 강시키는 반복 실험을 통해 얻어진 GPR 신호는 토조 내에서 Fig. 9에서 보는바와 같이 수위 상승 및 강하 시험을 구분하여 수행된 결과와 유사한 반사면을 보여 주고 있다. 이는 모래 대수층의 경우, 포화의 지속 시간 은 잔류하는 수분 함량에 크게 영향을 주지 않는 것으 로 해석된다.

실내 토조 실험으로부터 물 주입 시 수위상승에 대한 지하수면은 뚜렷한 GPR 반사 신호를 보여주지만, 상대 적으로 수위강하 시에는 약한 반사면을 보여준다. 이는 수위하강 시의 잔류하는 수분으로 인해 GPR 투과 속도

table, water level, and volumetric water content due to (a) water injection and (b) draining.

Fig. 10. Reflective surface of groundwater table due to water injection and draining.

의 변화가 지하수면 부위에서 뚜렷하게 구분되지 않기 때문으로 해석된다. 그 원인을 보다 정밀하게 판단하기 위하여 수위 강하 후, 9개 지점으로부터 심도별(GL.-5, -15, -25, -35 cm) 샘플을 채취하여 건조시험을 통한 함 수비를 측정하였다(Fig. 5(b)). Fig. 11과 Fig. 12는 수 위 하강 후, 측정된 함수비 분포도를 보여주며, 결과에 서 볼 수 있듯이 수위가 강하한 이후에도 일부 구간에 서는 10% 이상의 수분이 잔류하는 것이 확인되었다. 결 국, 이러한 심도에 따른 점이적인 함수비 변화로 인해 GPR 신호가 약하게 나타남을 알 수 있다. 다시 말해, 수위강하 시 모래층에 포화된 물이 빠져 나가는 속도가 수위상승 시 보다 훨씬 더 느려지기 때문에 이를 통과 하는 레이더 신호가 약한 반사 신호를 보여주는 것이 다. 이는 GPR 탐사 신호가 대수층의 수분함량 변화에 매우 민감한 반응을 보인다는 기존의 연구(Greaves et al., 1996) 와 잘 부응함을 알 수 있다.

현장 실험결과 및 고찰 GPR-VRP 해석

함안군 이룡지역은 낙동강 하류부에 위치하고 있으 며, 하상 퇴적층이 크게 발달되어 있는 지형적 특성을 갖고 있다. 지질은 제4기 충적층과 함안층으로 충적층 의 경우 입도가 대부분 세립질로 이루어져 있고, 불투수 층의 점토층들이 협재되어 분포하고 있다. 표층 모래는 건조하며, 지표로부터 수 cm 젖은 모래 상태를 보였다.

연구지역은 황갈색의 모래질 충적층으로 구성되어 있으 며 공학적 분류에 의해 입도분포가 양호한 모래(SW)로 분류된다. Fig. 6에서 보는바와 같이 VRP 탐사 측선상 (220 m) 에 간이관측공을 설치하기 위해 굴진된 코아 시 료의 지질 상태와 지하수위를 관측한 결과를 Table 4에 정리하였다.

실험 현장에서 VRP 탐사를 실시하였으며, Fig. 13에 서 보는바와 같이 탐사 측선 상에 위치한 간이 관측공 Well-1, -2, -3 호공 주변에서 VRP 탐사로 측정된 지하 수면 반사 신호의 왕복 주시는 각각 30, 48, 38 nsec를

water content below the ground surface at each of the soil sampling sites.

Fig. 12. Comparison of 2-D water content at three depths (a) and at vertical section S4-S5-S6 (b).

보였다. 사용된 송수신기 간격이 1 m 임을 감안하고, 매 질의 속도를 0.12 m/nsec로 가정할 때, 측정된 왕복 주 시로부터 환산된 지하수위의 심도는 대수층에서 흐릿한 반사면을 보이는 것은 모관대와 물을 함유하고 있는 잔 류포화의 모래층을 통과하는 레이더파의 속도가 둔화되 어 반사면까지 왕복 주시가 느려졌기 때문이다. 이때, 왕 복 주시를 지하 심도로 환산하기 위해 적용된 하상 퇴 적층의 매질속도는 0.12 m/nsec, 이를 고려할 때 Well- 1, -2, -3 호공 주변 지하수면에 대한 심도는 각각 GL.- 1.73 m, -2.84 m, -2.22 m 로 계산된다. 실제 현장 간이 관측공에서 측정된 지하수면은 각각 GL.-1.42 m, -2.38 m, -1.73 m 였다. VRP 탐사로부터 환산된 지하수면과 간 이 관측공 Well-1, -2, -3호공에서 실측된 지하수위는

대체로 유사하지만, GPR 탐사로부터 환산된 지하수면 이 약 0.31~0.49 m 낮으며, 이는 GPR 탐사시의 영점 시간 조정의 오차 혹은 실제 부분 피압에 의해 관측공 설치시 지하수위가 상승하였을 가능성이 있는 것으로 생 각된다. Table 5는 실측 지하수위와 GPR-VRP 방식 조 사로 추정된 지하수위를 정리하여 보여준다.

GPR-CMP 해석

CMP 방식 GPR 탐사는 Well-1, Well-2 및 Well-3 호공 주변에서 수행되었다. 이 방식은 중앙공심점(CMP) 에 대하여 송신기와 수신기의 간격을 변경시키면서 나 타나는 반사 신호 관측을 통해 보다 정확한 지하수위 정보를 획득하기 위한 방식이다. Fig. 14는 이중 Well-

Name of well Total drilling depth (m) Groundwater level (GL.-m) Depth (GL.-m) Description

Well 1 3.5 -1.42

0 ~ -1 Dry & Wet

-1 ~ -2 Wet

-2 ~ -3 Wet, Fine and little coarse

Well 2 4.2 -2.38

-0 ~ -1 Dry

-1 ~ -2 Wet

-2 ~ -3 Wet, Clay 0.05m thick

Well 3 3.4 -1.73

-0 ~ -1 Dry

-1 ~ -2 Wet

-2 ~ -4 Wet, Coarse

Well 4 2.3 -0.6 0 ~ -1 Dry & Wet

-1 ~ -2 Wet, Coarse

Fig. 13. (a) Groundwater table in observation wells and (b) GPR-VRP section in the Iryoung area, Haman.

3 주변에서 수행된 결과를 보여주면, 자료에서 볼 수 있 듯이 매우 뚜렷한 쌍곡선 형태의 지하수위 반사 곡선이 관찰된다. 획득된 자료를 이용하여, 수직경로 시차 보정 (T

) 을 수행하였으며, 이를 통해 지하수위 상부 구간 의 레이더 투과 속도는 0.12 m/sec 내외로 추정되었다.

자료에서 알 수 있듯이, 하상 퇴적층에서 GPR CMP 탐사는 정확하고 뚜렷한 지하수면을 추정할 수 있으나, 현장 작업 시간 등이 많이 소요되는 문제가 있었다. 또 한 영점 주시 시간(zero offset travel-time)과 레이더 투과 속도를 감안하여 계산된 지하수위 심도는 약 GL.- 2.0 m 내외로 실제 측정 지하수위 GL.-1.73 m를 고려할 때, 다소 깊게 평가된다. 이러한 결과는 VRP 방식 조 사에서도 유사하게 나타나고 있으며, 관측공에서 관측 된 지하수위가 부분적인 피압으로 인해 다소 상승하였 을 가능성과 관측되는 지하수위가 모관상승 현상을 일 부 반영하였음을 시사한다. 이러한 피압의 원인은 부분 적으로 협재하는 얇은 실트질 혹은 점토질 퇴적물에 의 한 현상으로 추정된다. Hazen (1930)이 제시한 식 (1) 을 적용하고, 모래의 입경 d

을 0.03 mm로 적용한 경 우의 모세관 상승고는 약 0.42 m에 해당되는 것으로 평 가되었다.

결 론

본 연구는 모래 지층에서 지하투과레이더를 이용하 여, 지하수면을 추정하기 위한 연구로 탐사 방식은 VRP 및 CMP가 적용되었다. 실내 모형 토조와 실제 낙동강의 충적층 현장에서 얻어진 자료의 해석을 통해 다음과 같은 결과를 도출하였다.

먼저, 실내 모래 토조 실험에서 토조 내의 건조 모래 층과 포화 모래층에 대한 레이더파의 속도 변화는 함수 율 증가에 따라 약 2배 가량 변화하였으며, 그 결과 뚜 렷한 반사면을 보이는 모형 모래 토조의 바닥면까지의 왕복 주시가 약 2배 증가되었다. 일반적으로 불포화대에 서 물의 함양은 레이더 주시의 변화에 영향을 미치며, 레 이더파 속도의 변화는 함수율 변화에 크게 의존하기 때 문에 주시의 증가는 포화도 증가로 나타난다. 수위 상승 의 경우, 건조 모래층내의 수위상승에 대한 레이더 반응 은 확연하게 나타났으나, 수위 강하에 대한 반응은 모래 층에 잔류하는 수분으로 인해 지하수 반사면 구분이 어 려웠다. 수위 상승 및 강하 그리고 송수신 장치 고정점 연속 모드에서의 상승 및 강하에 대한 실내 모래 토조 실험에서는 다공성 매질의 불포화대에서 수분함량이 증 가함에 따라 레이더파의 속도가 감소되었으며, 특히, 수 위 강하시 모래층으로부터 포화된 물이 완전 배수되는 데는 시간이 소요되므로 수위 상승시와 비교할 때 뚜렷 한 지하수면이 나타나지 않는 것으로 분석된다. 이는 지 하투과레이더 신호는 수분 함량 변화에 매우 민감히 반 응하고 있음을 보이며, 다공질 모래층에서는 실제 지하 수면과 잔류포화대(혹은 모세관대)가 함께 탐지되는 것 으로 나타났다.

현장에서 수행된 지하투과레이더 탐사는, VRP 방식 의 경우, 지하수면과 모세관대를 뚜렷이 구분하기 어려 운 것으로 판단된다. 그러나 CMP 방식의 탐사를 수행 하면 모세관대의 상부와 완전포화된 지하수면의 경계를 어느 정도 구분할 수 있는 것으로 나타났다. 한편, 현장 에서 수행된 지하투과레이더 탐사에 의한 지하수위는 천

Name of Well

Two-way travel time (nsec)

Computed groundwater level by GPR (GL.-m)

Groundwater level in wells (GL.-m)

Difference (GPR-goundwater level, m)

Well 1 30 -1.73 -1.42 0.31

Well 2 48 -2.84 -2.38 0.46

Well 3 38 -2.22 -1.73 0.49

Well 4 Not defined due to unresolved GPR data -0.58 -

Fig. 14. CMP experiment in the vicinity of Well-3. The travel-time curve pattern for a flat reflector is hyperbolic because of offset change.

공을 통해 직접 조사된 지하수위 보다 다소 낮은 현상 을 보여주며, 이는 현장에 부분적인 피압을 받는 현상으 로 인해 천공을 통해 압력이 없어지면서 부분적인 지하 수위의 상승이 나타나는 것으로 해석된다. 즉, 현장 충 적층의 경우 완전한 미고결 지층으로 이루어진 경우라 고 해도 이상적인 자유면 대수층을 이루고 있지는 않으 며, 부분적인 점토질과 실트질 층들로 인해 부분적인 피 압이 형성되는 것으로 판단된다.

이러한 지하투과레이더 탐사는 지속적으로 변화하는, 5 m 이내의 얕은 지하수위를 갖는 하천 인접부의 충적 층 조사에 매우 유용하게 활용될 수 있는 것으로 나타 났다. 그러나, 레이더 신호를 통한 지하수면 추정은 지 하수위 상승 시기와 강하 시기에 차이를 보일 가능성이 있으므로 이에 대한 면밀한 분석이 필요할 것이다. 지하 투과레이더 탐사는 건조된 매질이나 지하수위가 얕은 조 건에서는 지하수위 조사에 적합하나 양수시험과 같은 연 속적 수위변동을 조사하기에는 한계가 있을 것으로 판 단된다. 잔류 포화대, 모세관대의 수분 상승 등에 의한 해석 오류가 향후 보완되어야 할 과제로 판단된다.

사 사

본 연구에서 지하투과레이더 현장 조사는 교육과학기 술부의 21C 프론티어 연구개발사업인 수자원의 지속적 확보기술개발사업단의 지원을 받아 수행되었으며, 토양 물성시험, 수리시험, 그리고 실내 및 현장 시험 해석은 2012 년도 지식경제부(현, 산업통상자원부)의 재원으로 한 국에너지 기술평가원(KETEP)의 지원을 받은 연구과제 (No.2012171020001D) 지원 사업의 일환으로 수행되었 다. 또한 일부 지하투과레이더의 자료처리 등은 2013년 도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지 기술평가원 (KETEP) 및 한국지질자원연구원 (KIGAM)의 지원을 받는 연구과제(한계 유가스전 탐사시스템 및 유망구조 도출 기술개발, No. 2009201030001A)의 일환으로 수행 되었다. 마지막으로 논문 심사에 유익한 조언을 주신 익 명의 심사위원들께도 깊은 감사를 드린다.

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원고접수일 : 2013년 4월 12일

수정본채택 : 2013년 7월 24일(1차)

수정본채택 : 2013년 8월 29일(2차)

게재확정일 : 2013년

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