Characteristics of Hydraulic Head Variation at Multi-packer Wells in a Coastal Area

해안지역 다중패커공에서의 수리수두 변화 특성

Abstract

For hydrogeological studies, it is of importance to observe hydraulic head in order to interpret groundwater flow, characterize aquifers, and calibrate groundwater flow model. This study analyzed the zonal variation of hydraulic heads at the eight monitoring wells (GM-1~GM-8) installed with multi-packers in a coastal area and verified vertical and lateral trends of the hydraulic gradients. Hydraulic heads were expressed as the depth of water because the monitoring wells have different depths. The hydraulic gradient at the nearest well (GM-5) shows 0.0142 with increasing trend of hydraulic gradient along depth. This fact indicates typical phenomenon of the discharge area. On the other hand, GM-1 and GM-2 wells in coastal area demonstrate constant hydraulic gradient down to the depth of 100 meters while at the zone of deeper than 100 m the hydraulic gradients illustrate 0.0196 and 0.0735, respectively. This indicates that horizontal flow is dominant at shallower zone than 100 m whereas upward flow is dominant at the zone deeper than 100 m. GM-3 well located farther than the other wells from the coast shows a small hydraulic gradient of 0.0046 that evidences a prevalent horizontal flow between the recharge area and the discharge area.

지하수 흐름 해석 및 대수층의 특성 파악, 지하수 유동모델 보정 등과 같은 수리지질학적 연구에서 가장 중요한 요소 중 하나가 수리수두를 파악하는 것이다. 본 연구에서는 해안 인근 지역의 다중패커가 설치된 8개 관측공(GM-1~GM-8)의 각 구간별 수리수두를 분석하였으며 심도와 위치에 따른 수리경사 변화를 규명하였다. 수리수두는 관측공 심도에 따른 변화를 표현하기 위해서 표고로부터 수두까지의 심도로 표준화하였다. 해안에 가장 가깝게 위치한 GM-5은 수리경사가 0.0142로서 심도가 깊어질수록 수두가 증가하는 경향을 보이며, 전형적인 배출지역의 특성을 보인다. 한편, 해안인근의 GM-1, GM-2는 심도 약 100 m까지 수리수두가 대체로 일정하나, 심도 100 m 보다 깊어지면 수리경사가 각각 0.0196, 0.0735로 나타났다. 이는 심도 100 m 이내에서는 지하수의 수평적인 흐름이 지배적이고, 심도 100 m 이상에서는 하부에서 상부로의 상향 흐름이 나타남을 지시한다. 해안에서 거리가 먼 곳에 위치한 GM-3에서는 수리경사가 0.0046로서 낮으며 이는 함양지역과 배출지역의 중간에 위치하여 지하수의 수평적인 흐름이 우세하다는 것을 지시한다.

서 론

지하수의 흐름 방향과 유량을 결정하기 위한 많은 수리시험들 중에 가장 중요한 요소 중 하나가 수리수두 관측이다. 관측된 수리수두는 대수층의 분포 특성 및 변동 특성을 파악하고 함양량 산정 및 지하수 유동의 개념모델을 수립하는데 이용되며, 지하수 유동모델의 보정과정 등에 이용된다. 수리수두 관측은 개발하고자 하는 대수층의 규모 및 심도 또는 해저터널 및 유류비축기지, 심부 CO2 저장소, 방사성폐기물처분장 등 지하공간에 대한 이용산업이 확대됨에 따라 보다 지하심부환경을 이해하고 지하수의 흐름을 파악하기 위한 심부 수리수두 관측방법에 대한 연구들이 진행되어 왔다(Brownlie et al., 2003). 특히, 불균질암반 대수층의 경우 각 단열대에 따라 다른 수리수두를 갖기 때문에 나공상태의 관측정에서 측정된 수리수두를 이용하여 지하수의 흐름과 양을 산정하거나 지하수모델링에 적용하기가 쉽지 않으며, 이러한 한계를 극복하기 위한 방법 중 하나로 다중패커시스템(Multi-packer system)에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

다중패커시스템은 지하수계에 대한 감시체계를 단일공에서 수행함으로써 적정한 비용으로 신속하게 구축할 수 있으며, 기존의 standpipes 방식보다 감시하고자 하는 다수의 구간을 장기간 유지할 수 있는 장점이 있다(Kim et al., 2000). 다중패커시스템에 대한 상업적 이용은 1980년대 초부터 개발되어 왔으며, Westbay사의 MP system (Black et al., 1986) 및 Solinst사의 Waterloo system (Cherry and Johnson, 1982)과 WaterFLUTeTM system (Cherry et al., 2007), SOLEXPERS사의 MP system (Brownlie et al., 2003) 등이 주로 사용되고 있다.

본 연구는 해안 인근 지역에서 지하인공 구조물 개발에 따른 함양지역에서부터 배출지역까지의 지하수 흐름을 파악하기 위한 방법으로 다중패커시스템이 설치된 8개 관측공(GM-1~GM-8)에 대하여 지하 심도에 따른 각 구간별 수리수두를 비교 분석하고 수리경사를 파악하였다.

 

연구 방법

지형 및 지질개요

연구지역인 경북 경주시 양남면 일대는 동해에 인접한 해안에 위치하고 동쪽으로 비교적 완만하게 경사진 지역이며, 연구지역의 서부는 상대적으로 고지를 형성하기는 하나 가장 높은 곳이 해발고도 223 m 정도로 낮은 편이다. 지형은 지질에 크게 영향을 받고 있다(KORAD, 2014). 백악기 퇴적암류와 유문암이 분포하는 서측과 남측은 화강암류가 분포하는 연구지역 중앙부에 비해서 지형의 기복이 심하게 나타나나, 중앙부는 상대적으로 침식 저항도가 낮은 화강암류 분포지역으로 뚜렷한 산계를 형성하지 않는 구릉지 지형을 보인다.

산계는 연구지역 서쪽 경계부에 남북으로 뻗은 능선으로부터 동쪽으로 대략 동-서 방향의 능선들을 형성하고 여기서 다시 분기하는 소규모의 산릉들도 대부분 북동 혹은 남동향으로 연장되는 특징을 보여준다. 이러한 방향은 수계에서 더욱 뚜렷하게 나타나는데, 1차 수계는 모두 동쪽으로 흐르며, 연구지역 남쪽 경계부에 있는 하천을 제외한 나머지 하천의 2차, 3차 수계들은 대체로 동쪽으로 흐르고 있다. 연구지역에서 나타나는 절리와 단층들은 뚜렷하게 두 방향(남북 방향과 서북서-동남동 방향)을 보여주고 있는데, 남쪽 경계부 하천이 위치한 계곡부는 서북서 방향과 잘 일치하고 있어서 남쪽 경계부 하천의 2차 수계는 남북 방향 구조의 발달과도 관련이 있을 것으로 판단된다(Fig. 1).

Fig. 1.Location of the study area.

연구지역의 암석은 크게 백악기 퇴적암류와 후에 퇴적암을 관입한 화강암류로 구분된다. 퇴적암류는 경상층 군의 상부 층준에 대비되며, 주로 이암과 실트스톤, 사암의 호층으로 구성된다(Fig. 2). 층리의 발달은 뚜렷하지 않으나 대략 북서 내지 서쪽으로 45° 이상 고각도의 경사를 보이며, 연구지역 남부와 북부에 위치한 동-서방향의 단층에 인접한 층리의 주향은 동-서로 변하며 남쪽 혹은 북쪽으로 경사져 있다.

Fig. 2.Geological map of the study area.

화강암류는 백악기 퇴적암류를 관입하여 연구지역의 중심 지역에서부터 북동부 지역에 걸쳐 분포하는데, 중립질의 흑운모화강암과 화강섬록암 내지 섬록암으로 구성된다. 화강섬록암과 섬록암은 연구지역의 북측에서 남측으로 갈수록 점이적으로 변하는 특징을 보여주는데, 대체로 퇴적암과의 관입접촉부에서 중심부로 가면서 염기성암에서 산성암으로 변화하는 정상성분 누대 심성암체(normal zoned pluton)의 양상을 나타낸다. 즉 연구지역의 남쪽 해안가 일대에는 석영섬록암이 분포하며, 관입체의 중심부가 되는 북쪽으로 가면서 화강섬록암으로 변한다.

연구지역에는 퇴적암과 화강암류 외에 국부적으로 관입암류(유문암, 반정질 조면안산암)가 나타나는데, 유문암은 연구지역의 남부에서 맥상 관입체의 양상을 보여주고 있으나 북부에서는 비교적 넓은 면적을 차지하고 있으며, 대부분 유백색의 괴상암체로서 반정을 포함하지 않지만 부분적으로 세립의 장석반정이 관찰되기도 한다. 연구지역의 북서부와 남동부 해안가에는 반정질 조면안산암이 소규모로 분포한다. 이외에도 수 m 이내의 유문암맥이 여러 곳에 발달하고 있으며, 중동부 해안에서는 40 cm~1 m 폭의 소규모 현무암맥이 나타난다.

다중패커시스템 설치

연구지역의 GM-1~GM-8 공에는 다중패커시스템이 설치되어 있어 심도별로 압력수두를 관측하고 있다(Table 1, Fig. 3). 해안가에 위치한 GM-1, GM-2 공의 다중패커는 2007년 9월에 설치되었으며, 처분시설 상부에 위치한 GM-3 공은 2006월 11월 설치되었다. GM-4~GM-6 공에서는 2010년 12월부터 현재까지 지속적으로 압력수두를 관측하고 있으며, 2011년 8월에 설치된 GM-7 공은 GM-3 공을 대체하기 위하여 설치되어 2011년 9월 22일부터 압력변화를 관측하고 있다. 추가로 설치된 GM-8 공은 2012년 3월부터 압력측정이 계속되고 있다.

Table 1.Information of multi packer (MP) well installation.

Fig. 3.Location of the multi-packer wells.

GM-1~GM-3 공은 캐나다 Westbay사의 다중패커시스템(MP system)을 이용하여 설치하였으며, GM-1, GM-2 공은 약 300 m를 굴착 후 10개 구간의 압력을 측정하고 있으며, GM-3 공은 약 100 m 굴착 후 5개 구간의 압력을 측정하고 있다. GM-4~GM-7 공에는 스위스 SOLEXPERS사에서 설계·제작한 MP system을 설치하였으며, GM-4, GM-6, GM-7 공은 약 300 m를 굴착하였고, GM-5는 약 230 m 굴착 후 6개 구간의 압력을 측정하고 있다. GM-8 공은 국내특허를 지닌 국내업체에서 설계·제작한 MP system을 설치하였으며, 약 300 m 굴착 후 3개 구간에서 압력을 측정하고 있다.

각 구간별 수리수두의 표준화

일반적으로 지하수의 속도가 느리기 때문에 속도에 대한 에너지를 무시한 수두(hydraulic head)는 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다(Freeze and Cherry, 1979).

여기서, z는 압력계가 설치된 지점의 고도[L]이며, P는 지하수에 의한 압력[M/LT2], ρw는 지하수의 밀도[M/L] (1000 kg/m3으로 가정), g는 중력가속도[L/T](9.81 m/sec2)이다. z는 위치수두(potential head)에 해당되며, P/ρw, g 항은 압력수두에 해당된다.

관측공 지점의 지표고도를 zg라고 하고, 지표로부터의 수두까지의 심도를 DTW라고 하면,

로 표현할 수 있으며, 지표로부터 압력계가 설치된 지점까지의 심도를 zs라고 하면, 식 (1)과 (2)로 부터

으로 표준화 할 수 있다.

각 구간별로 표현된 DTW는 지표면으로부터 수리수두까지의 심도를 나타내므로, 값이 커질수록 해당 구간의 수리수두는 작아지게 되고, 값이 작아질수록 수리수두는 커지는 것을 의미하는데, 음의 DTW값은 수리수두가 지표면보다 높아져서 지하수가 자분정(artesian well)을 형성하는 것을 의미한다.

관측공별 수직 수리경사 산정

각 관측공에서의 지하수 흐름을 파악하기 위하여 다중패커시스템에 의해 산출된 각 구간별 DTW를 기준으로 심도에 따른 수리경사를 산정하였다. 수리경사(grad h)는 일정지점간의 거리(ds)에 대한 지점간의 수리수두 차(dh)이므로, 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다(Fetter, 2000).

수리경사는 지하수 흐름이 크기와 방향을 가지는 벡터로 표시되며, 균질 등방 대수층의 경우, 등수위선에 수직하며 낮은 수리수두를 가진 지점으로부터 높은 수리수두를 가진 지점으로 향하게 된다. 따라서, 수리수두의 방향은 지하수흐름과는 평행하지만 반대의 방향을 갖게 된다. 식 (3)에서 수리수두와 DTW는 음의 상관관계를 가지므로, DTW를 이용하여 수리경사를 구할 경우, 수리경사와 지하수흐름은 같은 방향을 가지게 된다. 즉, 다중패커시스템내 심도가 증가할수록 DTW가 증가하게 되는 경우, 수직수리경사는 하향방향이 되며 지하수의 흐름도 하향방향을 가지게 된다. 이와는 반대로 심도가 증가할수록 DTW가 감소하게 되는 경우, 수직수리경사는 상향방향이 되며 지하수의 흐름도 상향방향을 가지게 된다. 또한, 수평적인 지하수흐름이 존재하는 지역에서 다중패커시스템내 수직수리경사 값이 0에 가까울수록 수직방향의 흐름보다 수평방향 흐름이 우세하다는 것을 지시한다.

 

결 과

다중패커시스템내 구간별 수두 변화 특성

다중패커시스템이 설치된 GM-1~GM-8 공의 심도별 압력수두 변화를 DTW로 표준화하여 비교하였다(Table 2, Fig. 4). GM-1 공의 경우, 2007년 9월 설치 초기 안정화 후 G.L. -301 m 까지 최소 DTW가 2.07 m이며, 최대 DTW는 10.02 m로써 최대 수두차는 7.95 m로 나타난다. 심도 G.L. 0 m ~ -110 m 구간에서는 DTW가 약 4m 폭으로 증가, 감소가 반복되며, G.L. -110m~ -301m 구간에서는 서서히 감소하는 경향성을 보이는데, 전자는 투수성 단열대가 발달한 전형적인 상부의 함양특성을 보이고, 후자는 지하수 배출지역의 특성인 지하수의 상향 흐름이 형성되는 것으로 판단된다.

Table 2.Measurement results of DTW in MP holes.

Fig. 4.Equivalent depth to water by depth in the multi-packer holes.

GM-2 공의 경우, 2007년 9월 설치 초기 안정화 후 G.L. -302 m까지 최소 DTW가 -6.30 m이며, 최대 DTW는 11.05 m로써 최대 수두차는 17.80 m를 보인다. 심도 G.L. 0 m ~ -120 m 구간에서는 DTW는 약간 증가하는 추세를 보이나, G.L. -120 m ~ -302 m 구간에서는 서서히 감소하는 경향성을 보이며 G.L. -200 m 하부구간에서 지표면 기준 최대 6.30 m의 피압수두를 보이는데, 전자는 전형적인 상부의 함양특성을 보이고, 후자는 지하수 배출지역에서 나타나는 지하수의 상향 흐름에 의한 것으로 판단된다.

GM-3 공의 경우, 2006년 11월 설치 초기 안정화 후 G.L. -104 m까지 최소 DTW가 -4.29 m이며, 최대 DTW는 4.65 m로써 최대 수두차는 0.36 m에 불과하며, 정수두압 조건을 보인다. 이는 GM-3 공에서 수직흐름보다 수평방향의 흐름이 지배적으로 발생하고 있다는 것을 지시한다.

GM-5 공의 경우, 2010년 9월 설치 초기 안정화 후 G.L. -228 m까지 최소 DTW가 16.56 m이며, 최대 DTW는 18.19 m로써 최대 수두차는 1.63 m로 나타난다. 심도 G.L. 65 m ~ -228 m 구간에서는 DTW가 적은 폭으로 감소되고 있는데, 이는 약한 상향 방향의 흐름에 의한 것으로 판단된다.

GM-4, GM-6, GM-7, GM-8의 경우, 최소 DTW가 42.33 m ~ 81.00 m이며, 최대 DTW는 73.63 m ~ 150.72 m로써 전체적으로 큰 DTW를 가지는데, 이는 인위적인 영향을 받는 것을 지시하며, 인근에서 건설 중인 지하인공구조물의 영향에 의한 것으로 판단된다.

심도별 수리경사 분석

관측공에서 심도에 따른 지하수의 흐름을 파악하기 위하여 수리수두가 일정한 경향을 보이는 구간에 대해 DTW를 이용한 수직수리경사를 구하여 비교하였다(Table 3, Fig. 5). 지하수 흐름은 수리수두를 이용한 수직수리경사와는 반대의 방향을 가지므로, 심도에 따라 수직수리경사가 양(+)의 값을 가지면 하향 방향의 지하수 흐름이 발생하며 함양지역의 특성을 나타내며, 심도에 따라 수직수리경사가 음(-)의 값을 가지면 상향 방향의 지하수 흐름이 발생하며 배출지역의 특성을 보인다고 할 수 있다. 지하 인공구조물의 영향을 받는 GM-4, GM-6, GM-7, GM-8 공을 제외하고 DTW를 이용한 수직수리경사는 세 가지 유형으로 분류된다. 첫 번째 유형은 해안으로부터 99m 떨어진 곳에 위치한 GM-5 공으로써, G.L. 65m~ -228m 구간에서 수직수리경사가 –0.0140로 상향 방향의 지하수 흐름을 나타내며, 전형적인 배출지역의 특성을 나타낸다. 두 번째 유형은 해안으로부터 각각 166m, 162m 떨어진 곳에 위치한 GM-1, GM-2 공이 해당되며, 상부 G.L. 0 m ~ -110 m, G.L. 0 m ~ -120 m 구간을 제외한 하부구간에서 수직수리경사가 각각 -0.0196, -0.0736을 가지며, 상부에서 수평방향의 지하수 흐름과 하부에서 상향방향의 지하수 흐름을 가지는데, 함양지역과 배출 지역 사이 중 배출지역에 가까운 특성을 보이는 것으로 판단된다. 세 번째 유형은 해안으로부터 722 m 떨어져 위치한 GM-3 공으로 G.L. 0 m ~ -104 m 전 구간에 걸쳐 수직수리경사가 -0.0046으로 낮은 값을 보이며, 수평방향의 지하수 흐름이 지배적이라는 것을 지시하는데, 이는 함양지역과 배출지역의 중간에 해당하는 특성을 보이는 것으로 판단된다.

Table 3.Vertical hydraulic gradient in multi-packer well.

Fig. 5.Equivalent depth to water vs. measurement depth in the multi-packer wells.

 

토의 및 결론

지하수의 수리수두는 3차원 즉, 횡방향과 수직방향으로 달라지므로 수리수두의 공간적인 분포를 파악하기 위해서는 다수의 관측공에서 여러 심도에서 수리수두를 측정하여야 한다. 이는 다중패커시스템을 이용함으로써 가능하다. 본 연구에서는 해안으로부터의 거리뿐만 아니라 심도에 따른 수리수두를 구함으로써 해안지역의 수리수두 분포와 지하수 흐름을 정확하게 파악할 수 있었다. 또한 인위적인 양수 등의 영향에 의한 수리수두 변화와 지하수 유동의 변화를 알아낼 수 있었다. 일반적으로 현장수리시험에서는 대수층의 수리특성 파악을 위하여 단일 패커나 이중 패커를 이용하여 시추공에서 수리적 매개변수를 산출할 수 있으나, 심도에 따른 수리경사 파악은 다수의 다른 심도의 관측공이 밀집되어 있어야 가능하기 때문에 경제적으로 많은 비용이 소요된다. 이를 보완하기 위해 대상 영역을 심도에 따라 격리시켜서 장기간의 지하수두 자료 분석과 대상 영역의 수리시험 결과를 동시에 도출할 수 있는 다중패커시스템을 활용한다. 이로부터 강우에 의한 지하수 함양과 함양지로부터 배출지까지의 지하수 흐름에 대한 정확한 파악 및 지하수 모델링에 있어서 개념모델 설정 및 관측값-결과값 보정에 많은 도움이 될 것으로 사료된다.

본 연구는 해안 인근 지역에서의 지하 심도에 따른 지하수의 흐름을 파악하기 위하여 8개 관측공(GM-1~GM-8)에 다중패커시스템이 설치하여 각 구간별 및 각 공별 수리수두를 비교 분석하였다. 이때 수리수두는 관측공 심도에 따른 변화를 표현하기 위해서 표고로부터 수두까지의 거리인 DTW로 표준화하였다. 해안에 가장 가깝게 위치하는 GM-5은 수리경사가 0.0142로써, 상향의 지하수 흐름을 보이면서, 전형적인 배출지역의 특성을 보인다. 해안인근의 GM-1, GM-2에서는 심도 약 100 m까지 수리수두가 일정한 경향성을 보이지 않으나, 심도 100 m 이상에서는 수리경사가 각각 0.0196, 0.0735를 보인다. 이는 심도 100 m 이내에서는 지하수의 수평적인 흐름이 지배적이고, 심도 100 m 이상에서는 하부에서 상부로의 상향 흐름이 지배적임을 지시한다. 한편, 해안에서 거리가 먼 곳에 위치한 GM-3에서는 수리경사가 0.0046로서 낮으며, 이는 함양지역과 배출지역의 중간 지역에서 수평적인 흐름이 우세하다는 것을 지시한다. GM-4와 GM-6~GM-8의 경우, 표고로부터 수두까지의 거리가 약 40~160 m까지 나타나는데, 이는 양수 또는 지하 굴착에 의한 배출 등의 인위적인 영향에 의한 것으로 판단된다.

다중패커시스템은 방사성폐기물 처분장, 원자력발전소 부지 등의 지하수 흐름을 상세하게 알아야 하는 지역에서 지하수 모델링의 기초자료를 제공할 수 있으며, 지하수 함양지역과 배출지역 사이의 지하수 이동을 이해하는데 많은 도움이 될 것으로 사료된다.