한국지하수토양환경학회 추계학술발표회 2006년 10월 12～13일 KAIST
하천의 오염된 지표수에 의해 지하수의 보전을 위한 모델링 연구
석희준․박성민․김형수 한국수자원공사 수자원연구원
요 약 문
하천이 오염물질로 인해 오염될 경우 주변 지역 지하수내 오염물질의 거동 및 오염된 지표수의 침투수량 분석을 SEEP2D를 이용하여 수행하였고, 석희준에 의해 개발된 SEEPATH 를 이용하여 지표수가 침투하는 경로선과 일정시간 경과 시 오염된 지표가 침투한 영역을 모 의 하였다. 그 결과 강바닥에 점토를 매립하지 않은 경우와 세 가지의 수리전도도를 갖는 점토 를 매립한 경우에 단위 길이 당 강바닥을 통해 빠져나오는 침투수량은 낮은 수리전도도를 가 질수록 침투수량이 줄어들고, 수리전도도가 10-7 cm/sec 일 때 좀 더 급격히 줄어드는 것으로 조사되었다. 또한 점토의 수리전도도가 작아 질수록 영향반경이 줄어 듬을 확인하였고, 10-7 cm/sec 일 때 영향반경이 적고, 수직방향보다는 수평방향으로 지하수 영향반경이 더 큰 것으로 조사되었다.
key word : SEEP2D, 수리전도도, 침투수량, 지하수 영향반경
1. 서론
지표수의 오염물질 유입에 의한 지하수의 영향에 대한 모델링 연구는 해안지역 하 천수의 해수 침입에 의한 지하수의 염수화(Mundzir, 1994)나 폐광산 지역의 산성배수에 의 한 지하수 오염(Mas-Pla, 1999,A. Davis, 2006)에 관한 연구 등이 수행되어 왔다. 본 연구에 서는 오염된 하천이 손실하천일 경우 오염물질이 지하수에 영향을 미치는 정도를 모델링하 기 위해 지하수의 거동 및 오염된 지표수의 침투수량 분석은 SEEP2D를 활용하여 수치 모 의하였고, 강바닥을 통해 오염된 지표수가 침투하는 경로선과 일정시간 경과 시 지표수가 침투한 영역과 침투한 지표수가 경계면에 도달하는 시간을 모의하기 위해 강바닥에서부터 시작하는 입자추적을 석희준이 개발한 SEEPATH을 이용하여 실시하였다. 본 연구의 목적 은 오염된 지표수가 인근지역 지하수에 미치는 부정적인 영향을 최소화하기 위해 하천의 바 닥에 점토를 매립시 점토의 최적 수리전도도 값을 구하고, 오염된 지표수가 인근지역 지하 수에 미치는 영향범위를 산정하고자 하는데 있다.
2. 본론
2.1 지하수 거동 및 침투수량 분석
강바닥에 점토를 매립하였을 때 지하수위 거동 영향을 알아보기 위하여 점토를 50cm 깊이로 매립했을 경우와 하지 않았을 경우를 가정하여 수치 모의 하였다. 이때 점토 의 다양한 수리전도도 값에 따른 지하수위 거동을 알아보기 위하여 세 가지 경우, 즉 매립 한 점토의 수리전도도가 10-6 cm/sec, 5.0×10-7 cm/sec, 10-7 cm/sec를 가정한 시나리오를 만
들어서 수치모의하고 지하수 속도 분포 및 강의 단위 길이당 강바닥을 통해 빠져나오는 침 투수량을 계산하였다. 수치모의를 위한 총 영역은 하천 측면 폭 길이(x방향) 220m, 대수층 깊이(y방향) 29.85m이고, 지표면은 EL. 7.35m에 위치하고 대수층은 EL. 7.35～-22.5m 사이 에 위치하고 강바닥은 EL. -3.6m에 위치한다(그림 1). 강바닥의 폭은 80m이다. 강 사면은 1:2.5의 경사를 가지고 충적층 하부에는 연암이 존재하는 것으로 가정하였다. 위쪽 경계면 중앙 부분은 강이 위치하는 구간이며 평균 강의 수위는 EL. 3.55m이므로 강에 해당하는 경 계에서는 일정수두 조건으로 3.55m가 유지되도록 하였다. 강우는 1000 mm/yr로 하여 이중에 20%가 위쪽 경계면을 통해 대수층으로 유입되어, 강우에 의해 대수층으로 유입되는 양은 흐 름 경계조건으로 침투수량을 200 mm/yr로 하였다. 지하수위는 EL. 2.7m에 분포하므로 오른 쪽 경계와 왼쪽 경계에서 2.7m가 유지되도록 하였고 대수층의 하부에는 연암으로 인한 no flow 경계조건을 설정하였다. 대수층의 수리전도도는 10-4 cm/sec이며, 불포화대에서의 지하 수의 흐름을 모의하기 위해서는 van Genuchten 식을 사용하였다. SEEP2D를 이용하여 정류 상태로 수치모의하여 얻은 총수두와 속도방향은 그림 1과 같고 강바닥을 통해 침투된 수량은 표 1과 같다.
(a) 강바닥에 점토를 매립하지 않은 경우 (b) 수리전도도 10-6 cm/sec인 점토
(c) 수리전도도 5.0×10-7 cm/sec인 점토 (d) 수리전도도가 10-7 cm/sec인 점토 그림 1 SEEP2D를 이용하여 정류상태로 수치모의하여 얻은 총수두와 속도 분포
표 1 강바닥을 통해 빠져나오는 물의 양 (m3/day)
강바닥이 점토로 매립되지 않은 경우
강바닥이 점토로 매립된 경우 (매립 점토 수리전도도, cm/s) 10-6 5.0
×
10-7 10-7 유출량(m3/day) 0.0445 0.0382 0.032 0.016
2.2 지하수 경로 분석 및 영향 범위
강바닥을 통해 지표수가 침투하는 경로선과 일정시간 경과 시 지표수가 침투한 영 역 그리고 침투한 지표수가 경계면에 도달하는 시간을 모의하기 위해 입자추적을 실시하였 다. 입자추적방법은 석희준에 의해서 개발된 프로그램인 SEEPATH을 이용하였다. 그림 2는 강바닥에서 지표수가 침투한 지 40년 경과 후 지표수의 이동한 지점을 모사한 것이다. 이를 살펴보면 매립된 점토의 수리전도도가 낮은 경우 침투가 덜 이루어지는 것으로 조사되었으 며, 수리전도도가 10-7 cm/sec인 점토를 강바닥에 매립한 경우에 침투수의 이동이 상당히 줄어드는 것으로 조사되었다(그림 2). 지표수가 강바닥을 통해 40년 동안 침투한 영향반경을 구하기 위해서 강바닥의 중간지점에서부터 x방향 좌우측의 최대이격거리와 y방향의 최대이 격거리를 구하여 표 2에 나타내었다. 그 결과 수직방향보다는 수평방향으로 지하수의 영향 반경이 더 큰 것으로 조사되었다.
(a) 강바닥에 점토를 매립하지 않은 경우
(b) 수리전도도 10-6 cm/sec인 점토
(c) 수리전도도 5.0×10-7 cm/sec인 점토
(d) 수리전도도가 10-7 cm/sec인 점토
그림 2 SEEPATH을 이용하여 지표수가 침투한지 40년 경과 후 지표수가 이동한 지점
표 2 강바닥의 중간지점에서 x 방향의 최대이격거리와 y 방향의 최대이격거리
강바닥이 점토로 매립되지 않은 경우
강바닥이 점토로 매립된 경우 (매립 점토 수리전도도, cm/sec) 10-6 5.0×10-7 10-7 x 방향 좌측
최대이격거리 (m) 75 67 65 60
x 방향 우측
최대이격거리 (m) 72 66 64 60
y 방향 최대이격거리
(m) 5 3 2 0.7
3. 결론
강바닥에 점토를 매립하지 않은 경우와 세 가지의 수리전도도를 갖는 점토를 매립한 경우의 단위 길이당 강바닥을 통해 빠져나오는 침투수량은 낮은 수리전도도를 가질수록 침투 수량은 줄어드나, 점토의 수리전도도가 10-7 cm/sec 일 때 좀 더 급격히 줄어듬을 확인할 수 있었고 강바닥에 점토를 매립하면 강바닥의 총수두가 급격히 더 낮아지는 것을 확인할 수 있 다. 침투 경로선과 지하수 속도분포를 통해 볼 때 강의 사면에서는 흐름 속도가 빠르고, 강의 바닥에서는 흐름속도가 느린 것을 볼 수 있다. 지표수가 강바닥을 통해 40년 동안 침투한 영향 반경을 구하기 위해서 강바닥의 중간지점에서부터 x 방향 좌우측의 최대이격거리와 y 방향의 최대이격거리를 구해보면 수직방향보다는 수평방향으로 지하수 영향반경이 더 큰 것으로 조사 되었다. 점토의 수리전도도가 낮을수록 영향반경이 줄어들고, 10-7cm/sec 일 때 영향반경이 적 고, 중심으로부터 수평방향으로는 60m이고 수직으로는 0.7m로 침투가 일어났음을 알 수 있다.
4. 사사
본 연구는 21세기 프론티어 연구개발사업인 수자원의 지속적 확보기술개발사업단의 연구비지원(과제 번호 3-4-2)에 의해 수행되었다. 연구비를 지원해준 사업단 측에 감사드 립니다.
5. 참고문헌
Andy Davis., 2006. The nexus between groundwater modeling, pit lake chemogenesis and ecological risk from arsenic in the Getchell Main Pit, Nevada, U.S.A 2006, p 175-196.
Mas-Pla, J., 1999. Groundwater resources and quality variations caused by gravel mining in coastal streams. Journal of hydrology, 216 p 197-213
Mundzir, H.B., 1994. Optimal Analysis of a Subsurface Barrier for Saltwater Intrusion Control(groundwater), The Univ. of Manitoba, p 169
