Experimental Study of Freshwater Discharge and Saltwater Intrusion Control in Coastal Aquifer

한 국 방 재 학 회 논 문 집 제10권 5호 2010년 10월

pp. 159 ~ 168

하천방재

해안대수층에서 담수-염수 경계면 변화에 따른 최대담수양수량과 염수침투제어에 대한 실험적 연구

Experimental Study of Freshwater Discharge and Saltwater Intrusion Control in Coastal Aquifer

서성국*·오창무**·김원일***·호정석****

Suh, Seong Kook·Oh, Chang Moo·^{Kim, Wonil}·Ho, JungSeok

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Abstract

This study investigates the relationships between the maximum freshwater pumping discharge and hydraulic properties of coastal aquifer using a laboratory model. The experiment performed the fresh pumping test in various locations near the salt- wedge induced by saltwater intrusion to freshwater over aquifer characteristics of hydraulic conductivity, salinity, and ground sur- face slope. Saltwater pumping also tested to protest saltwater intrusion to the excessively discharging freshwater well. The max- imum freshwater discharges were achieved, and then the optimum saltwater discharges were measured. It is found that greater hydraulic conductivity and ground surface slope produced greater the maximum freshwater pumping discharge. Salinity gave less impact on the pumping discharge relatively. Higher freshwater discharge was found at higher hydraulic conductivity and steeper ground surface slope. The optimum saltwater discharge required 14% more pumping rate than the maximum freshwater discharge to keep saltwater intrusion to the freshwater pumping well. Pumping well located closer to salt-wedge profile promoted less fresh- water pumping discharge. Therefore, pumping well location, hydraulic conductivity, ground surface slope, and salinity should be taken into account in freshwater pumping in coastal aquifer.

Key words : Saltwater intrusion, Freshwater-Saltwater interface, Maximum freshwater pumping discharge, Optimuim saltwater pumping discharge, Sandtank model

요 지

해안대수층의 지형특성과 수리특성에 의한 담수-염수 경계면과 최대담수양수량의 변화를 연구하였다. 모래 대수층의 수리전도 도와 사면경사, 그리고 염수의 염도조건에 따른 담수-염수 경계면의 기울기 및 염수쐐기의 침투길이를 분석하였으며, 일정한 위 치의 양수정에서 최대담수양수량과 염수침투제어를 위한 최적염수양수량을 실내 모래수조 모형을 이용하여 분석하였다. 실험결 과, 대수층의 수리전도도가 높을수록, 사면경사가 급할수록 최대담수양수량은 증가되었으며, 이때 염도에 의한 영향은 상대적으 로 미미하였다. 또한, 최대담수양수량이 증가함에 따라 염수침투제어를 위한 최적염수양수량이 비례적으로 증가되었으며, 그 양 은 최대담수양수량 보다 평균 14% 증가되었다. 양수정의 위치에 따라 최대담수양수량과 최적염수양수량은 변화되었고, 염수위 와 담수-염수 경계면에서 가까울수록 양수량은 감소하였다. 이러한 결과는 해안지역에서 지하수 개발량의 최대화를 위한 양수정 의 위치 선정시, 대수층의 수리전도도, 사면경사 및 염도가 고려되어야 할 것으로 판단된다.

핵심용어 : 해수침투, 담수-염수 경계면, 최대담수양수량, 최적염수양수량, 모래수조 모형

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1. 서 론

최근 수자원 이용량의 증가 및 수자원 공급의 부족에 따라 대안으로 제시되고 있는 지하수 이용은 매년 크게 증가하고 있지만, 무분별한 개발에 따른 여러 문제점이 야기되고 있는 실정이다. 특히 해안지역에서의 지하수 개발에 있어 발생하는

해수침투 현상은 심각한 문제로 대두되고 있으며, 이에 따른 취수정에서의 염분 검출 및 주변 생태계 파괴 등 해수 침투 로 인한 피해가 증가하고 있다. 예를 들어 우리나라 서남해 안의 경우, 해수의 빠른 유입 및 유출로 인해 생활용수 또는 농업용수의 공급을 위해 개발된 관정에서 수질기준 이상의 염소이온 농도가 측정되고 있다(이정호 등, 2008)는 기 연구

****수원대학교 대학원 토목공학과 박사수료(E-mail : [email protected])

****수원대학교 대학원 토목공학과 석사과정

****대림대학 토목환경과 교수

****뉴멕시코대학교 토목공학과 연구교수

결과에서도 확인할 수 있다.

해안지역에서의 해수침투 연구는 실제 지형에서의 측정 및 조사보다는 여러 제약 조건을 고려하여 지형 특성, 즉 대수 층 조건에 따른 모형 실험을 통한 담수-염수 경계면의 형태 및 양수 특성에 의한 해수침투 영향을 규명하는 것이 현실적 이라 할 수 있다.

이러한 모형을 이용한 해안대수층의 실험연구로는, Oosttrom et al.(1992)이 길이 167 cm, 높이 100 cm의 수조에 입경 0.5 mm 실리카로 대수층 모형을 재현하고, 비피압 대수층에 서의 밀도에 따른 오염물의 거동에 대한 실험연구를 하였다.

수평 포화 수리전도율은 35 m/day로 나타났으며, 수평방향의 Darcy 유속에 따른 지하수와 오염물간의 밀도차이가 오염물 의 거동에 가장 큰 영향이 있음을 확인하였다. Zhang et al.(2002)은 길이 1,650 mm, 높이 600 mm의 직사각형 수조 모형을 사용하여 해안대수층에서의 오염물 밀도가 오염물의 이송에 미치는 영향을 연구하였다. 이때, 직사각형 수조 양 옆에 담수조와 염수조를 설치하여 담수위와 염수위를 조절하 고 수두차를 설정하였다. 대수층을 구현을 위한 시료로 평균 직경 0.725 mm의 유리구슬을 채워 공극률 0.37과 포화투수 계수 4.0 mm/s의 비피압대수층 모형을 제작하였고, 염수조쪽 으로 약 1:6.12의 지표경사를 재현하였다. 이영수(2005)는 축 소모형을 이용한 해수침투 양상의 규명을 위한 양수실험을 수행하였다. 비중이 2.65인 유리구슬(glass beads)를 대수층 재현 시료로 사용하였고, 염수의 농도는 3500 mg/l로 설정하 였다. 담수지역과 해수 근접지역에 양수정을 각각 설치하고 5.0 ml/min, 8.0 ml/min 두 가지 경우의 양수량 조건으로 실 험을 수행하여 해수 근접지역에서 양수정의 설치를 통해 담 수지역의 해수침투 오염을 축소할 수 있음을 확인하였다. 홍 성훈과 박남식(2006)은 길이 43 cm, 높이 30 cm이고 타원형 표면을 갖는 모래수조를 제작하여 담수 렌즈 실험을 수행하였 으며, 이때 모래의 유효 공극률 0.3과 투수계수 7.042×10^-4m/s 조건을 상정하였다. 실험 과정에서 염도 46.3 ppk, 비중 1.04 의 염수를 공급시키고, 담수 공급조에서 대수층으로의 담수 함양이 발생하는 것으로 설정한 담수렌즈 수리모형을 통한 담수-염수 경계면 수치모델을 검정하였다. Goswami and Clement(2007)는 입경 1.1 mm의 실리카 구슬로 대수층을 구 현하여 3 단계의 염수쐐기 위치를 모의하였다. 이 때, 대수층 의 공극률은 0.385, 수리전도율(hydraulic conductivity)은 1,050 m/day, 그리고 염수의 염도는 1.026 g/ml로 설정하여 담수조 수위 조절에 따른 수리경사(hydraulic gradient)의 변 화가 염수쐐기의 위치 변화에 미치는 영향을 실험하고, 수치 모의 결과와 비교하였다. 김성윤(2008)은 담수-염수 경계면 하부에 위치하는 해수 양수를 통한 해수쐐기 제어 실험을 수 행하여, 경계면 모델의 적용성을 검증하였다. 더 나아가 시범 현장(Test-bed)을 운영하여 전기비저항 탐사 자료 분석 결과 와 천이대의 두께를 이용한 경계면 모델의 전기전도도를 산 출하여 현장자료와 경계면 모델에서의 계산 자료를 비교, 분 석하였다. 시뢰 등(2009)은 소규모 모래수조(길이 43 cm, 높 이 30 cm, 폭 7.8 cm)를 이용하여, 염수의 측면침투와 담수 렌즈에서의 상승추 현상 규명을 위한 양수 실험을 수행하였

다. 실험 결과, 과잉 양수정에서의 경계면 모델을 이용한 해 수 양수 비율의 개략 산정 방법을 검토하였다. 박화준 등 (2009)은 가로 140 cm, 세로 70 cm, 폭 10 cm의 직사각형 모래수조 모형을 이용하여 다양한 실험 인자들의 경계조건들 이 담수-염수 경계면 형성에 미치는 영향을 분석하였다. 실험 조건은 대수층 수리전도도에 따른 담수-염수 수위비, 대수층 지표면 경사, 그리고 염수의 염도를 상정하였으며, 수리전도 도와 염도가 높을수록 담수-염수 수위비가 증가하게 되어 경 계면이 염수조 방향으로 이동하고, 또한 염수조 방향의 모래 사면 경사가 증가 할수록 경계면의 기울기가 완만하게 형성 되는 특성을 확인하였다.

상기한 바와 같이 기존의 모래수조 모형을 이용한 연구는 모두 하나의 실험조건, 특히 한 종류의 다공질매체에 대해 연구되었으며, 또한, 해안대수층의 지형 및 수리학적 인자들 이 담수-염수 경계면 형성에 미치는 영향과 이에 따른 양수 정에서의 양수량 변화에 대한 연구는 미미한 것으로 조사되 었다.

이에 본 연구에서는 먼저 대수층의 수리전도도, 해안가 지 표경사, 해수 염도 등의 다양한 인자들이 담수-염수 경계면 형성에 미치는 영향을 실험하고, 이를 기존 이론식의 계산 결과와 비교하였다. 마지막으로 각 조건에 따른 담수양수량의 변화와 관정을 통한 담수양수를 수행하여 해수 침투 제어를 가능케 하는 최적양수량의 변화를 분석하고자 한다.

2. 담수-염수 경계면 및 염수침투제어

해안대수층에서의 해수침투는 Ghyben-Herzberg 이론과 결 합된 Dupuit 이론, 그리고 해안선 부근의 유선망 해석에 대 한 포텐셜 흐름 이론으로 나타낼 수 있다. 자유면 해안대수 층에서 담수와 염수 사이에 존재하는 경계면 높이는 아래의 Ghyben-Herzberg 이론을 통하여 예측할 수 있다.

(1) 여기서, z는 해수면 아래의 담수-염수 경계면 깊이(L), h는 해수면 위의 지하수면 높이(L), ρf는 담수 밀도(M/L³), ρs는 염수 밀도(M/L³) 이다.

Ghyben-Herzberg 이론은 담수에서의 지배 흐름을 수평방향 흐름으로 가정하였고, 담수와 염수 사이의 염분 확산으로 이 루어지는 천이대(mixing zone)를 고려하지 않은 서로 혼합되 지 않는 이상유체(multiple-phase flow) 형태를 갖는 가상의 경계면이 존재한다는 가정 아래 유도되었다. Glover(1959)는 해안선 부근의 유선망 분석법을 이용하여 해안 대수층의 흐 름 패턴을 정의하였으며, 그림 1과 같은 경계면에서의 x와 z거리에 대하여 다음 식 (2)와 같은 모델을 제시하였다.

(2) 여기서, γ 는 ρf/(ρs−ρs) (무차원), K는 수리전도도(L/T),

z ρ_f ρ_s–ρ_f ---h

=

z γ²q'² K² --- 2γq'x

---K +

=

q'[(L³/T)/L]는 단위 폭에 대한 해안 대수층으로부터의 유출량 이다.

Henry(1959)는 호도그래프(hodograph) 해석법을 이용해 무 한히 연속적인 섬에서 해수위로부터 염수 경계면에 대한 거 리를 추정하는 절대해를 유도하였고, Dupuit 가정을 이용한 수평방향 흐름 조건에 대한 식은 다음 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다.

(3) 여기서, k는 전달계수(L/T), 는 지하수위(L), z는 흐름의 전체 깊이(L)이다. 이 때, 흐름은 이론적으로 수평 유속인 V0, 그 리고 V0(l − x)와 관련된 해안에서의 거리 x를 이용하여 정의 할 수 있다. 여기서, l 은 섬의 중심선에서부터 대칭되는 거 리이다.

Ghyben-Herzberg 이론과 식 (3)의 관계를 이용하여 경계면 의 위치를 좌표화하면 다음 식 (4)와 같다.

(4) 여기서, k0= k(ρs− ρf)/ρf이다.

2.2 염수양수로 인한 염수침투제어

해안가에서의 과잉 담수 양수로 야기되는 염수 침투는 양 수정의 위치 및 양수량 조절을 통해 제어할 수 있는데, 이 방법은 과도한 양수시 수두경사가 양수정으로 향하는 것을 방지할 수 있게 한다. 해안지역에서 염수침투의 문제를 해결 하는 또 다른 방법으로, 피압 대수층이나 자유면 대수층에 관계없이 양수정을 해안선에 평행하게 설치하여 염수를 양수 하여 해수면이나 양수 지역의 지하수위보다 낮은 지하수위를 형성시켜(그림 2), 그 부분 외의 우물을 통해 담수를 양수할 수 있게 하는 방법도 보고되어 있다(손호웅 등, 2003).

해안지역에 개발된 관정의 과잉양수에 의한 지하수위 저하 는 담수-염수 경계면의 염수가 하부에서부터 밀려 올라오는 현상을 야기시키며, Schmorak and Mercado(1969)는 양수에 의해 새롭게 형성되는 경계면을 Ghyben-Herzberg 이론과 관

계하여 다음의 식 (5)와 같이 나타내었다.

(5) 여기서, z는 상승추의 평형고도(L), K는 수리전도도(L/T), Q 는 양수량[(L³/T)/L], d는 원래의 담수-염수 경계면으로부터 관정바닥까지의 거리(L)이다. 그러나, 양수정이 개발되는 대수 층의 지리학적 특성과 수리학적 조건에 따라 염수쐐기가 다 르게 형성이 될 수 있으므로, 위의 식을 일반적으로 적용하 기엔 현장 여건에 따라 다소간의 제약이 발생할 수 있다.

3. Sandtank 수리모형실험

양수로 인한 해안지역 대수층의 해수침투 현상의 실험을 위하여 길이 140 cm, 높이 70 cm, 폭 10 cm 크기의 직사각 형 아크릴 수조를 제작하였으며, 제작된 실험 수조의 양 끝 단에 담수와 염수의 공급을 위한 (10×70×10) cm³부피의 담 수 및 염수 공급조를 설치하고, 일정 수위 유지 및 다양한 수위 조건의 설정을 위한 5 cm 간격의 월류공을 천공하였다.

그리고 수조 내의 대수층 구성 재료인 모래가 담수 및 염수 공급조로 유실되는 것을 방지하기 위해 모래 입경 보다 조밀 한 간격의 스테인리스 철망(wire mesh)을 설치하였다. 직경 5 mm 알루미늄 원형관을 사용하여 양수 실험시 관정을 재현 하였으며, 관정 내부로 모래 유입의 방지를 위해 원형관 끝 단에 철망을 삽입하여 차단하였다. 모형 내 담수와 염수의 일정 유량 공급과 양수량의 정밀도를 확보하기 위하여 정량 이송펌프(PP-150DW, 풍림상사)를 사용하였다. 담수는 일반 수돗물을 이용하였으며, 염수는 담수의 온도를17^oC~18^oC를 유지시킨 후 염화나트륨을 용해시켜 염도 34 ppk 및 45 ppk, 비중 1.022~1.037의 염수를 제조하였으며, 염수의 이동을 가 시화하기 위하여 수조와 모래 등에 착색되지 않는 적색 염료 를 첨가하였다. 염수의 염도는 전기전도도 측정기(CM-21P, TOADKK)를 이용하여 측정하였다. 해안 대수층 지형은 1 mm, 2 mm 입경의 주문진 표준사를 이용하여 포화된 다공 질매체를 구성하였다. 체가름 시험을 통한 입도분석, 공극률 실험 및 수리전도도 분석을 수행하여 사용된 대수층 재료의 Q kzdh

---dx –

=

z --l V₀

k₀ --- 2x

---l x --l

⎝ ⎠⎛ ⎞² –

=

z Qρ_f 2ΠdK ρ( _s–ρ_f) ---

= 그림 1. 해안 근처의 유출 형태 (Glover, 1959)

그림 2. 염수침투제어를 위해 염수 양수정을 이용하는 방법

기초 물성치 특성 분석을 하였고, 표 1과 같이 정리하였다.

다공질 매체가 특정 크기의 입자로 구성되어 있을 때 이를 균일하다고 정의할 수 있으며, 균등계수가 4 이하이면 분급 이 우수하다고 판단할 수 있다. 표 1에서와 같이 실험시료인 1 mm와 2 mm 모래는 균등계수가 각각 1.33 및 1.59로 산 정되어 입도가 균일한 시료로 판단하였다. 또한 공극률은 토 양 중 간극이 차지하는 부분으로 정의되며 일정한 부피의 젖 은 시료를 105^oC의 오븐에서 건조시킨 후, 건조된 시료의 무게와 부피비를 산정하였으며, 실험 결과 일반적인 조립질 모래의 공극률 값인 31~46%의 범위에 포함되는 것으로 분 석되었다. 마지막으로 수리전도도는 제작된 모래수조 모형에 서 직접 측정하는 방법을 적용하였다. 다음 식 (6)과 같이 Dupuit 방정식을 응용한 비피압 대수층의 정상상태 흐름 공 식에 의해 계산되었다.

(6) 여기서, Q는 대수층을 통과한 유량[(L³/T)/L], L은 대수층의 길이(L), B는 대수층의 폭(L), h1, h2는 담수조와 염수조의 수위(L)이다.

실험에 사용된 시료의 수리전도도는 1 mm 모래는 0.37 cm/s, 2 mm 모래는 1.91 cm/s로 측정되었으며, 입자의 크기가 커질 수록, 즉 2 mm 모래의 시료에서 더 크게 계산되었다.

3.2 담수-염수 평형상태 실험

모래수조 내에서 형성되는 담수-염수 경계면은 담수 및 염 수 공급조에서 Wiremesh를 통하여 침투하는 두 액체가 일정 시간의 경과 후, 담수와 염수간의 밀도 차이로 인해 염수가 담수의 하부로 침투하게 되고 이 때, 담수조의 수위에 따라 경계면 형성 위치가 달라지게 된다. 본 연구에서는 염수 공 급조의 월류고를 바닥에서부터 55 cm로 유지시키고, 담수 공 급조의 수위 조절을 통해 경계면의 침투거리가 일정시간 동 안 변화하지 않을 때를 평형상태로 간주하였다. 평형상태 실

험을 위한 초기조건 및 경계조건은 수리전도도 0.37 cm/s 및 1.91 cm/s의 2 가지의 조건과, 해안가 지표면 사면경사의 변 화가 염수와 지표면이 만나는 경계점의 위치 변화를 초래하 여 양수정 위치 선정에 있어 영향을 줄 수 있으므로 사면경 사 45^o 및 60^o 2 가지 조건으로 실험을 수행하였다. 염수의 염도는 34 ppk 및 45 ppk 농도로 설정하였다.

3.3 담수양수 및 염수침투제어

본 절에서는 해안 대수층 우물에서의 과도한 양수로 인해 해수가 침투하는 과정을 실험하였으며, 염수침투를 제어하기 위한 방법 중, 대수층 하부의 염수를 직접 양수하는 방법을 적용하였다. 담수 양수정은 모형 내 염수 공급조와 모래 수 조가 만나는 점(기준점)에서부터 47 cm, 52 cm 지점에 설치 하였고, 설치 심도는 담수-염수 경계면을 기준으로 상향 8 cm, 12 cm 이격하였다. 그리고 염수 양수를 통한 염수침투 제어 실험을 위하여 그림 4와 같이 담수 양수정의 위치 4지 점을 각각 Case 1, Case 2, Case 3, Case 4로 구분하였고, 염수 양수정의 위치는 각각의 담수 양수정 Case에서 담수-염 수 경계면을 기준으로 직각의 동일 거리에 설치하였다. 각각 의 양수정 위치에서 정량펌프를 사용하여 일정한 양만큼 양 수량을 증가시키면서 염수에 의한 관정의 오염이 발생하도록 한 후, 단일 관정에서 양수되는 담수의 염도 농도 변화를 실 시간 확인하여 담수의 오염 여부를 확인하였다. 상기한 일련 의 과정을 반복하면서 일정시간동안 담수-염수 경계면의 형 태가 변화하지 않고, 동시에 2 ppk의 범위 내에서 염도의 변 화가 발생하지 않는 시점을 새로운 평형상태라고 간주하였다.

본 논문에서 사용된 최대담수양수량은 설정된 조건에서 최대 로 양수가 가능한 담수양수량이라 정의한다. 또한, 염수침투 제어에 대한 평가는 염수로 오염된 담수와 변화된 경계면이 초기 담수의 염도 및 담수-염수 경계면 상태로 회복 가능케 하는 최적염수양수량을 산정하였다. 이 때 최적염수양수량이 라함은 염수침투를 제어 할 수 있게 하는 최소의 염수양수량 을 의미한다. 측정된 최대담수양수량과 최적염수양수량을 바 탕으로 양수정의 위치에 따른 두 값의 차이를 산정하였다.

또한 수리전도도에 따른 담수-염수비, 대수층 사면경사, 염수 염도가 담수-염수 경계면의 변화에 많은 영향을 미친다는 기 연구결과를 바탕으로(박화준 등, 2009), 상기한 3 가지 조건 의 조합을 실험의 경계조건으로 설정하여 각 조건에 따른 최

K 2QL

h₂²–h₁²

( )B

---

=

그림 3. Sand tank 실험 모형 개략도 표 1. 다공질매체의 물성치 시료 입경 D₁₀

(mm) D₆₀

(mm) CU 공극률

(%) 수리전도도

(cm/s) 1 mm 0.85 1.13 1.33 42.8 0.37 2 mm 1.35 2.15 1.59 37.8 1.91

그림 4. 담수-염수 양수정 위치

대담수양수량과 최적염수양수량의 변화에 대한 실험을 수행 하였다.

4. 실험결과

모래수조 내에서 양수를 하지 않는 조건에서 평형상태에 도달한 담수-염수 경계면 형태 분석을 위한 실험을 수행하고, 관측된 평형상태에서의 담수-염수 경계면 결과와 유선망 분 석법을 이용한 Glover(1959)의 유도식 및 호도그래프 해석법 을 이용한 Henry(1959)의 해석해와 비교하였다. 그림 5에서 와 같이 경계면의 형태의 플로팅을 위해 실험 결과와 이론식 에 의한 계산 결과 모두 수평방향 5 cm 간격으로 도시하였 다. 이 때, 기준이 되는 위치는 염수위와 모래사면이 맞닿는 위치를 선정하였으며, 수직선으로 표시해 비교하였다. 이 위 치에서 담수조 방향으로의 거리(cm)가 x가 되며, 단위 폭 당 유출량 q'은 염수 공급조에 설치된 월류공으로 유출되는 전체 물의 양에서 염수 공급량만큼 빼서 산정하였다. 염수위가 변 화하게 되면 모래사면과 맞닿는 기준점의 수직위치가 조건에 따라 바뀌게 되어 담수-염수 경계면의 형태도 달라지기 때문 에 본 실험에서는 염수위를 55 cm로 고정하였다. 특이한 점 은 Henry의 해석해는 그림 5에서와 같이 실질적인 염수쐐기 시작점의 경계면 깊이가 계산되지 않는 한계를 나타내는데, 이는 해수가 지표사면과 만나는 기준점에서 담수-염수 경계

면이 시작한다는 가정으로 전개되었기 때문으로 해석할 수 있다. 실험 결과 대수층의 수리전도도에 따른 담수-염수 경계 면의 형태를 몇 가지 이론식의 결과와 비교해보면 매우 유사 한 담수-염수 경계면의 형상을 나타내고 있는 것을 알 수 있 으며, 특히 수리전도도 K = 1.91 cm/s 조건의 실험 결과는 Glover 식의 결과와 매우 근접한 경계면의 양상을 나타낸다.

이를 종합하면 양수실험을 위한 기초 실험의 형태로 수행된 담수-염수 경계면의 평형상태 실험이 이론식의 그것과 비교 해 볼 때 합리적인 결과를 제시하고 있는 것이라 판단할 수 있다.

그림 6은 대수층의 수리전도도에 따른 담수-염수 경계면의 차이를 도시하였다. 수리전도도가 큰 대수층 일수록 담수 공 급조에서 염수 공급조 방향으로의 유속이 증가하기 때문에 박화준 등(2009)의 연구에서와 같이 경계면의 평형상태 유지 를 위해 담수-염수 수위비(HF/HS)를 증가시켜야 한다. 여기서, HF는 담수 공급조의 수위, HS는 염수 공급조의 수위를 나 타낸다. 수위비를 증가시키면, 담수조에서 공급되는 담수의 정 수압이 상승하게 되고, 상승된 정수압의 영향으로 경계면이 염수조 쪽으로 위치하게 되어, 염수 침투거리가 감소하는 것 을 확인할 수 있다.

홍성훈 등(2003)은 실험 모형을 이용한 해수침투 현상 실 험을 통해 해수의 염도에 따라 해안 대수층 내 지하수 흐름 이 상이하게 나타나는 것을 관측하여, 담수와 해수의 밀도차 이가 해수침투의 중요한 인자라는 연구결과를 제시하였다. 하

그림 5. 이론식과 실험식의 담수-염수 경계면 비교

그림 6. 수리전도도에 따른 담수-염수 경계면의 변화

지만 본 연구의 실험 결과에서는 염도가 담수-염수 경계면의 기울기와 염수의 침투거리에 미치는 영향은 크지 않았으며, 수리전도도 조건에 대한 실험에서보다 해수 침투에 미치는 영향은 상대적으로 미미한 것으로 나타났다(그림 7).

그림 8에는 대수층의 사면경사가 급할수록 담수-염수 경계 면의 기울기가 완만하게 형성되는 실험 결과를 도시하였다.

담수-염수 경계면은 서로 동일한 크기, 방향과 에너지를 갖는 담수와 염수의 유출 흐름(steamline)으로 이루어지는데, 모래 수조에서 대수층 내로 흐르는 담수의 유출 지점인 모래사면 을 하나의 등수위선(equipotentialline)이라 생각할 수 있고, 이는 위치흐름 해석법의 기본조건에 의하면, 담수-염수 경계 면은 모래사면을 직각으로 통과하게 된다. 따라서 그림 8에 서와 같이 담수-염수 경계면이 모래사면과 직각에 가깝도록 형성 되는 결과를 확인할 수 있고, 또한 지표면의 사면 경사 가 60^o인 경우에서보다 상대적으로 완만한 45^o 경우에 형성 되는 담수-염수 경계면의 기울기가 더 급하게 형성되는 것을 알 수 있다.

4.2 최대담수양수량 및 최적염수양수량

전 절에서의 실험 결과와 같이 평형상태에 도달한 담수-염 수 경계면의 일정한 거리의 양수정 위치를 선정하고, 양수정 을 재현한 알루미늄관을 대수층 내에 관입하여 정량펌프를 사용하여 양수하였다. 시간이 경과함에 따라 담수-염수 경계 면에 변화가 발생하면서 담수-염수 경계면이 양수정 쪽으로

상승하였다.

계속해서 양수를 하게 되면 그림 9(b)와 같이 경계면의 상 승이 멈추게 되는 새로운 평형상태가 형성되었으며, 이 때, 염수의 침투양상과 그에 따른 담수의 염도변화와 담수-염수 경계면의 초기 평형상태로의 회복 과정의 보다 정확한 분석 을 위하여 실시간으로 염수의 침투거리 및 양수되는 담수의 염도를 측정하였다. 최대담수양수량 실험에서는 양수되는 담 수의 염도가 본 연구에서 상정한 기준염도인 2 ppk 내에서 측정되었으며, 양수정의 위치에 따른 염수 침투거리는 초기 평형상태에서보다 4 cm~12 cm 정도 길어지는 것을 확인하였 다. 또한 과잉양수에 의한 영향 분석을 위해 최대담수량을 초과하는 양수량으로 양수실험을 수행한 결과 담수의 염도는 증가하지만, 과잉양수가 염수침투거리에 미치는 영향은 미미 하였다. 그리고 염수침투로 인해 발생하는 담수정의 염수 오 염을 방지하기 위한 실험에서는 그림 9(c)와 같이 담수-염수 경계면이 초기 평형상태로의 복원되고, 초기 담수의 염도 0.1 â로 회복되는 것을 알 수 있었다. 이 과정에서 최적염수량을 초과하는 염수량으로 과잉양수를 한 실험 결과 그림 9(d)에 서와 같이 담수-염수 경계면의 형태가 최대담수양수량이 양 수될 때와 확연히 대비되는 것을 확인할 수 있다. 그림 10은 양수로 인한 담수-염수 경계면이 변화되는 것을 시간에 따른 염도의 변화를 측정하여 도시하였다. 실험은 최대담수양수량 으로 양수시, 염도의 변화가 시작되었을 때를 기준으로 매 15분 간격으로 염도를 측정하였으며, 염수양수를 통하여 경계 그림 7. 염도에 따른 담수-염수 경계면의 변화

그림 8. 사면경사에 따른 담수-염수 경계면의 변화

면이 초기 평형상태로 회복할 때까지의 염도를 나타내었다.

그림 11(a)는 수리전도도 K = 0.37 cm/s와 K = 1.91 cm/s인 실험조건에서 각 Case별 양수되는 담수량을 도시하였으며, K = 0.37 cm/s에서는 평균 28.5 ml/min, K = 1.91 cm/s에서는 평균 71.5 ml/min의 담수가 양수되는 것을 알 수 있다. 또한 그림 11(b)는 사면경사가 60^o인 실험조건에서 각 Case별 양 수되는 담수량을 도시하였으며, 수리전도도에 따른 평균 양수 량은 38.3 ml/min, 88.5 ml/min으로 확인되었다. 실험결과, 수 리전도도가 클수록 대수층 내에서의 유속은 증가하고 담수와 염수위의 수위비가 상승하게 되어 상대적으로 최대담수양수 량이 증가하는 것을 알 수 있다.

대수층의 사면경사가 담수양수량에 미치는 영향을 살펴보 기 위하여 사면경사를 고정하고, 동일한 위치에 양수정을 설 치하여 최대담수양수량을 측정하였다. 대수층의 수리전도도 K = 0.37 cm/s 조건인 그림 12(a)에서는 사면경사 45^o 일 때 평균양수량 28.5 ml/min, 60^o 조건에에서의 평균양수량은 그림 9. 담수-염수 경계면의 변화

그림 10. 시간 별 양수되는 담수의 염도 변화

그림 11. 수리전도도에 따른 양수량의 변화

38.3 ml/min으로 나타났다. 또한 대수층의 수리전도도 K = 1.91 cm/s 조건인 그림 12(b)에서는 사면경사에 따른 평 균 담수양수량이 71.5 ml/min, 88.5 ml/min으로 나타났다. 실 험결과 대수층의 사면경사가 급할수록 사면경사가 완만한 지 형과 비교하여 최대담수양수량이 상대적으로 증가하는 것을 알 수 있다.

그림 13은 대수층의 사면경사를 45^o로 고정한 상태에서 염 수의 염도 변화가 양수량에 미치는 영향에 대한 실험 결과를 도시하였다. 그림 13(a)는 수리전도도가 K = 0.37 cm/s인 조 건의 실험 결과이며, 이 때 평균양수량은 34 ppk에서 28.5 ml/

min, 45 ppk에서 31 ml/min으로 나타났다. 수리전도도 K = 1.91 cm/s인 조건(그림 13(b))에서는 34 ppk에서 71.5 ml/min, 45 ppk에서 69.3 ml/min으로 나타났다. 경계면의 평형상태 실 험 결과에서와 같이 염도의 변화는 양수량에 큰 영향을 미치 지 않는 것을 확인하였다.

그림 14는 양수정의 위치별 양수량 변화에 대한 실험 결과 를 도시하였으며, 그림에서와 같이 Case 2 지점에 양수정이 설치되었을 때 최대담수양수량과 최적염수양수량 모두 가장 적은 양이 양수되는 것을 알 수 있고, Case 3 지점에서는 가장 많은 양의 최대담수양수량과 최적염수양수량이 양수되 그림 12. 사면경사에 따른 양수량의 변화

그림 13. 염도에 따른 양수량의 변화

그림 14. 양수정 위치별 양수량 변화

었다. 이러한 결과는 양수정의 위치가 염수위와 가까워져 정 수압이 작아질 수록, 그리고 담수-염수 경계면에 양수정이 근 접할수록 염수에 의한 영향을 크게 받게 되어 염수 침투의 발생이 쉽기 때문인 것으로 판단된다.

그림 15의 x축에는 최대담수양수량 측정 결과를, y축에는 최적염수양수량 측정 결과를 나타내었다. 그림에서와 같이 최 대담수양수량이 증가함에 따라 최적염수양수량이 비례하여 증 가하는 것을 알 수 있었다. 실험 결과 염수침투 제어를 위한 최적염수양수량은 최대담수양수량 보다 평균 14% 큰 것으로 나타났는데, 실험 결과를 바탕으로 적절한 염수침투제어를 위 해 필요한 염수의 양수량은 최대담수양수량보다 상대적으로 많아야 하는 것으로 분석할 수 있다.

5. 결 론

담수-염수 경계면 형성에 관한 실험에서는 박화준 등(2009) 의 연구에서와 같이 담수-염수 경계면의 평형상태 유지를 위 해 수리전도도가 클수록 담수-염수 수위비(HF/HS)를 증가시켜 야 하였으며, 그렇게 되면 모래수조 내 정수압이 상승하여 경계면이 염수조 쪽으로 위치하게 되고, 염수 침투거리가 감 소하는 것을 확인할 수 있었다. 대수층의 사면경사가 급할수 록 경계면의 기울기는 완만해지는 것으로 관측되었고, 염도 차이에 의한 경계면의 변화는 모래사면으로 유출되는 담수로 염수가 희석되어 그 영향이 미미한 것으로 실험 결과 알 수 있었다.

본 연구의 결론을 다음과 같이 몇 가지로 요약한다.

1) 담수-염수 경계면의 평형상태를 확인한 실험 결과를 유 선망 분석법을 이용한 Glover(1959)의 유도식 및 호도 그래프 해석법을 이용한 Henrry(1959) 해석해를 이용한 이론식의 계산결과와 비교하면 담수-염수 경계면의 형태 가 매우 유사하게 나타났다. 특히, 수리전도도가 큰 경 우에서 Glover식과 매우 유사한 경계면의 형태를 나타 내는 것을 확인하였다. 이를 통해 기초 실험의 성격으로 수행된 경계면 형성 실험은 수리학적으로 합리적인 결과

를 나타낸 것으로 판단할 수 있고, 실험 결과는 기존의 이론식과의 적절한 비교·분석을 통하여 해안가 지역의 담수-염수 경계면 예측에 활용될 수 있을 것으로 판단된 다.

2) 초기 평형상태에서 과잉양수를 하게 되면 염수쐐기가 국 지적으로 양수정 위치까지 상승되고, 침투거리는 증가 하는 것을 확인하였고, 이로 인해 담수양수정으로 염수 침투가 발생되었다. 이때 염수양수를 하게 되면 담수양 수정에서 담수의 염도와 경계면의 위치 및 형태가 초기 평형상태로의 회복되어 염수침투가 제어됨을 확인하였다.

3) 담수양수량은 해안가 지하수를 구성하는 여러 인자들 중 에서 대수층의 지형 및 수리학적 인자에 큰 영향을 받 는 것을 확인하였다. 본 연구의 실험 결과 수리전도도가 크고, 대수층의 사면경사가 급할수록 상대적인 담수량의 증가를 확인하였다. 또한, 양수정의 위치가 염수위로부터 근접할수록 즉, 경계면에 가깝게 위치할수록 양수량이 적어지는 것으로 나타났으며, 이는 염수침투가 발생되기 쉽기 때문인 것으로 판단된다. 궁극적으로 양수량의 변 화는 초기 담수-염수 경계면 평형상태의 기울기와 염수 침투거리 변화에 따라 나타나는 것이므로, 양수정의 위 치 선정시 담수-염수 경계면의 예측이 선행되어야 할 것 으로 판단된다. 하지만 실제 해안대수층에서는 함양량이 일정한 지역에서 수리전도도가 크면 수리전도도가 작은 대수층에 비하여 지하수위가 낮고 이러한 상황에서 양수 하면 해수침투가 더 쉽게 발생할 수 있으므로, 계속된 연구를 수행하여 객관적인 지표를 제시하고자 한다.

4) 최대담수양수량이 증가하면 이에 따라 최적염수양수량 또한 비례하여 증가하는 것을 확인하였다. 최적염수양수 량은 최대담수양수량 보다 평균 14% 많은 것으로 본 연구에서 실험 결과 도출되었는데, 경계면을 기준으로 동일거리에 담수-염수 양수정이 설치된 경우 과잉양수에 의한 염수침투의 제어를 위해서는 염수의 양수량이 상대 적으로 증가하는 것을 확인하였다. 그러나, 실제 해안대 수층에서는 수리지질특성, 담수-염수 양수정의 위치, 과 잉양수정도 등의 복합적인 요인이 더 발생할 수 있으므 로 염수양수량은 크게 변화할 수 있다.

실험실에서 수행한 물리실험을 통해 다양한 실제 해안대수 층의 지형 조건에 따른 해수침투 현상을 보다 정확히 규명하 기 위해서는 좀 더 다양한 수리전도도를 가지는 다공질매체 에서의 실제 해안가 대수층 재현이 필요하고, 결론 (3)에서와 같이 다양한 인자들에 대한 실험 결과를 제시할 수 있어야 할 것이다.

끝으로 본 연구에서 수행된 실험 결과가 해안가에서 물 부 족 문제로 인해 지하수개발이 불가피한 현실에 비추어 최대 지하수개발 및 최적 관리를 위한 작은 밑거름이 될 수 있기 를 기대하는 바이다.

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◎ 논문접수일 : 10년 09월 08일

◎ 심사의뢰일 : 10년 09월 08일

◎ 심사완료일 : 10년 10월 20일