PBM (Porous Body Model) 기반의 N-S Solver를 이용한 해안대수층의 해수침투모의

이우동,정영한,허동수,Lee, Woo-Dong,Jeong, Yeong-Han,Hur, Dong-Soo 한국수자원학회 2015 한국수자원학회논문집 Vol.48 No.12

본 연구에서는 해수-담수-해안대수층의 비선형 상호작용을 직접 해석할 있는 PBM(Porous Body Model) 기반의 3차원 N-S Solver인 LES-WASS-3D ver 2.0을 적용하며, 해안대수층의 해수침투모의를 수행하였다. 이와 같은 N-S Solver를 적용한 해안대수층의 해수침투모의는 국내 최초 수행되는 것일 뿐만 아니라, 국외적으로도 찾아보기 어려운 새로운 수치해석방법이라고 할 수 있다. 먼저 적용하는 수치모델을 검증하기 위하여 해안대수층의 해수-담수 경계면에 관한 수리모형실험결과와 비교 검토하여 수치모델의 타당성 및 유효성을 확인하였다. 그리고 해수위 및 지하수위 변화를 고려한 해안대수층 내의 해수침투모의를 수행하여 해수위-지하수위 차와 해수위의 비(${\Delta}h/h$)의 증가에 따른 해안대수층 내의 유동장 그리고 해수-담수 경계면 분포 특성에 관하여 논의하였다. 또한 기존의 비확산 수치모델에서 도출할 수 없었던, ${\Delta}h/h$에 따른 해안대수층 내의 연직 염분농도로 부터 해수침투 특성을 파악하였으며, 최종적으로 지표화 할 수 있는 ${\Delta}h/h$가 해안대수층 내의 해수침투거리에 미치는 영향에 대하여 분석하였다. 이 결과로부터 ${\Delta}h/h$가 작을수록 해안대수층 내의 해수침투가 약해지는 메커니즘을 이해할 수 있었다. This study applies 3-D N-S solver based on PBM (Porous Body Model), LED-WASS-3D ver 2.0 to directly analyze non-linear interaction of seawater-freshwater-coastal aquifer in order to simulate the seawater infiltration into coastal aquifer. This numerical simulation is the first trial in Korea, as well as unusual and new numerical analysis abroad. Firstly, to validate the applied numerical model, the validity and effectiveness was verified for the numerical model by comparing and considering it with the result of laboratory experiment for seawater-freshwater interface in coastal aquifer. And then it simulated the seawater infiltration into coastal aquifer considering the changed levels of seawater and groundwater in order to analyze the distribution characteristics of flow field and seawater-freshwater interface of coastal aquifer as the level difference between seawater and groundwater and rate of seawater level (${\Delta}h/h$) increased. In addition, the characteristics of seawater infiltration were analyzed from the vertical salinity in the coastal aquifer by ${\Delta}h/h$, which cannot be obtained from existing non-diffusion numerical models. Finally, it analyzed the effect of ${\Delta}h/h$ on the seawater infiltration distance in coastal aquifer, which was indexed.

해안대수층에서 지하수-지표수 상호작용에 의한 지하수위 변화

김구영,이철우,김용제,김태희,우남칠,Kim Kue-Young,Lee Cheol-Woo,Kim Yongje,Kim Taehee,Woo Nam-Chil 한국지하수토양환경학회 2004 지하수토양환경 Vol.9 No.4

조석의 효과가 대수층에 미치는 해안대수층에서 지하수-지표수 상호작용에 관한 모사를 위해 수치모델링을 이용하였다. 모사에 사용한 모델은 하천경계와 해안경계가 서로 직교하며 하천은 대수층을 부분관통하고 있다. 해안경계와 하천경계에 의한 영향을 각각 살펴보고 두 경계조건에 의한 동시효과를 함께 모사하였다. 모사기간동안 해안경계에 의한 영향은 일정한 범위까지만 나타났으나, 하천경계에 의한 영향은 시간의 증가에 따라 영향범위가 넓어졌다. 하천경계와 해안경계조건이 만나는 부근에서는 해안경계에 의한 지하수위의 반복적인 상승과 하강으로 인해 두 경계조건에 의한 지하수위가 상호 상승작용을 일으키기도 하고 상호 상쇄되어 지하수위의 변화가 없는 영역이 나타나기도 한다. 따라서 이러한 하천과 해안경계조건이 상호 교차하는 주변 대수층에서의 수위를 측정하여 해안대수층에서의 수리상수를 추정하면 수리확산계수를 과대 혹은 과소평가하는 오류를 범할 수 있으므로 주의를 요한다. 하천바닥의 컨덕턴스(conductance)와 하천의 폭이 주변 대수층에 미치는 영향을 살펴보기 위해 입력인자를 변화시키며 모사한 결과, 하천폭의 증가에 의한 주변 대수층에서의 지하수위 변화는 하천바닥의 면적이 증가함에 따라 하천바닥 전체에서 대수층으로 유동하는 유량이 증가하기 때문이다. Analysis of water-level fluctuation due to goundwater-surface water interaction in coastal aquifers is carried out by numerical modeling. The conceptual model used in this study has a stream boundary and a tidal boundary that forms a right angle and the stream partially penetrates the aquifer. We analyzed the effect of each boundary and the simultaneous effect of the two boundary conditions. The area of influence caused by the stream boundary increased during the simulation, while the influence zone of the coastal boundary was relatively constant. The groundwater level near the zone where two boundaries meet may rise by the action of combined effect of the two boundaries or may not change by cancelling the effect of each boundary. Thereafter, care must be taken when hydraulic parameters are estimated using sinusoidal oscillations of hydraulic head in coastal aquifers. Sensitivity analysis is employed to develop insight into the controls on groundwater level fluctuations. In this study our analyses focused on the effect of conductance and the stream width to the aquifer nearby.

PBM (Porous Body Model) 기반의 N-S Solver를 이용한 해안대수층의 해수침투모의

이우동,정영한,허동수 한국수자원학회 2015 한국수자원학회논문집 Vol.48 No.12

본 연구에서는 해수-담수-해안대수층의 비선형 상호작용을 직접 해석할 있는 PBM(Porous Body Model) 기반의 3차원 N-S Solver인 LES-WASS-3D ver 2.0을 적용하며, 해안대수층의 해수침투모의를 수행하였다. 이와 같은 N-S Solver를 적용한 해안대수층의 해수침투모의는 국내 최초 수행되는 것일 뿐만 아니라, 국외적으로도 찾아보기 어려운 새로운 수치해석방법이라고 할 수 있다. 먼저 적용하는 수치모델을 검증하기 위하여 해안대수층의 해수-담수 경계면에 관한 수리모형실험결과와 비교·검토 하여 수치모델의 타당성 및 유효성을 확인하였다. 그리고 해수위 및 지하수위 변화를 고려한 해안대수층 내의 해수침투모의를 수행하여 해수위-지하수위 차와 해수위의 비(△h/h)의 증가에 따른 해안대수층 내의 유동장 그리고 해수-담수 경계면 분포 특성에 관하여 논의하였다. 또한 기존의 비확산 수치모델에서 도출할 수 없었던, △h/h에 따른 해안대수층 내의 연직 염분농도로 부터 해수침투 특성을 파악하였으며, 최종적으로 지표화 할 수 있는 △h/h가 해안대수층 내의 해수침투거리에 미치는 영향에 대하여 분석하였다. 이 결과로부터 △h/h가 작을수록 해안대수층 내의 해수침투가 약해지는 메커니즘을 이해할 수 있었다. This study applies 3-D N-S solver based on PBM (Porous Body Model), LED-WASS-3D ver 2.0 to directly analyze non-linear interaction of seawater-freshwater-coastal aquifer in order to simulate the seawater infiltration into coastal aquifer. This numerical simulation is the first trial in Korea, as well as unusual and new numerical analysis abroad. Firstly, to validate the applied numerical model, the validity and effectiveness was verified for the numerical model by comparing and considering it with the result of laboratory experiment for seawaterfreshwater interface in coastal aquifer. And then it simulated the seawater infiltration into coastal aquifer considering the changed levels of seawater and groundwater in order to analyze the distribution characteristics of flow field and seawater-freshwater interface of coastal aquifer as the level difference between seawater and groundwater and rate of seawater level (△h/h) increased. In addition, the characteristics of seawater infiltration were analyzed from the vertical salinity in the coastal aquifer by △h/h, which cannot be obtained from existing non-diffusion numerical models. Finally, it analyzed the effect of △h/h on the seawater infiltration distance in coastal aquifer, which was indexed.

한국 부산광역시 수영구 지역 해안 대수층 내의 지하수 유동 및 염분 이동에 대한 도시화의 영향 삼차원 수치 모의

조현조,김준모,Cho, Hyeon-Jo,Kim, Jun-Mo 한국지하수토양환경학회 2009 지하수토양환경 Vol.14 No.6

한국 부산광역시 수영구 지역 해안 대수층 내의 밀도 의존적 지하수 유동 및 염분 이동에 대한 도시화의 영향을 효과적으로 모사하고 정량적으로 평가하기 위하여 하나의 범용 다차원 수리동역학적 분산 수치 모델을 이용한 일련의 삼차원 수치 모델링이 수행되었다. 먼저 모든 도시화 요소들을 고려한 수치 모델링 보정을 통해 확립된 연구 지역해안 대수층의 지층 물성을 가지고, 도시화 요소들을 모두 고려하지 않은 도시화 이전의 지하수 유동과 염분 이동에 대한 정상 상태 수치 모델링을 수행하였다. 그 다음에 도시화 요소들을 개별적으로 그리고 통합적으로 고려한 도시화 이후의 지하수 유동 및 염분 이동에 대한 비정상 상태 수치 모델링을 수행하였다. 그리고 두 수치 모델링 결과를 서로 비교하고 분석하였다. 수치 모델링 결과는 해안 대수층 내의 밀도 의존적 지하수 유동 및 염분 이동 그리고 해수 침투가 이러한 도시화 요소들에 의해 크게 그리고 광범위하게 영향을 받음을 보여준다. 특히 이러한 도시화 요소들은 해안 대수층 내의 총지하수량 및 총염분량의 변화를 초래한다. 그러나 각 도시화 요소의 그러한 영향은 공간적으로 균일하지 않고 국부적으로 차별적이다. A series of three-dimensional numerical simulations using a generalized multidimensional hydrodynamic dispersion numerical model is performed to simulate effectively and to evaluate quantitatively impacts of urbanization on density-dependent groundwater flow and salt transport in a coastal aquifer system, Suyeong-Gu, Busan, Korea. A series of steady-state numerical simulations of groundwater flow and salt transport before urbanization with material properties of geologic formations, which are established by numerical modeling calibrations considering all the urbanization factors, is performed first without considering all the urbanization factors. A series of transient-state numerical simulations of groundwater flow and salt transport after urbanization is then performed considering the urbanization factors individually and all together. Finally, the results of both numerical simulations are compared with each other and analyzed. The results of the numerical simulations show that density-dependent groundwater flow, salt transport, and seawater intrusion in the coastal aquifer system are intensively and extensively impacted by the urbanization factors. Especially, these urbanization factors result in the changes of the total groundwater volume and salt mass in the coastal aquifer system. However, such impacts of each urbanization factor are not spatially uniform but locally different.

한국 부안 지역 해안 대수층 내의 지하수 유동 및 염분 이동에 대한 단층 존재의 영향 삼차원 수치 모의

박주현,김중휘,김한태,김준모,Park, Ju-Hyun,Kihm, Jung-Hwi,Kim, Han-Tae,Kim, Jun-Mo 한국지하수토양환경학회 2008 지하수토양환경 Vol.13 No.5

A series of three-dimensional numerical simulations using a generalized multidimensional hydrodynamic dispersion numerical model is performed to simulate effectively and to evaluate quantitatively impacts of fault existence on densitydependent groundwater flow and salt transport in coastal aquifer systems. A series of steady-state numerical simulations with calibration is performed first for an actual coastal aquifer system which contains a major fault. A series of steadystate numerical simulations is then performed for a corresponding coastal aquifer system which does not have such a major fault. Finally, the results of both numerical simulations are compared with each other and analyzed. The results of the numerical simulations show that the major fault produces hydrogeologically significant heterogeneity and true anisotropy in the actual coastal aquifer system, and density-dependent groundwater flow, salt transport, and seawater intrusion patterns in the coastal aquifer systems are intensively and extensively dependent upon the existence or absence of such a major fault. Especially, the major fault may act as a pathway for groundwater flow and salt transport along the direction parallel to its plane, while it may also behave as a barrier against groundwater flow and salt transport along the direction perpendicular to its plane. 해안 대수층 내의 밀도 의존적 지하수 유동 및 염분 이동에 대한 단층 존재의 영향을 효과적으로 모사하고 정량적으로 평가하기 위하여 하나의 범용 다차원 수리동역학적 분산 수치 모델을 이용한 일련의 삼차원 수치 모델링이 수행되었다. 먼저 단층이 존재하는 실제 해안 대수층에 대해 보정을 병행한 일련의 정상 상태 수치 모델링을 수행한 다음에 이러한 단층이 존재하지 않는 해안 대수층에 대해 일련의 정상 상태 수치 모델링을 수행하여 그 결과를 서로 비교 분석하였다. 수치 모델링 결과는 단층이 실제 해안 대수층 내에 수리지질학적으로 중대한 불균질성과 진이방성을 야기시키며, 해안 대수층 내의 밀도 의존적 지하수 유동 및 염분 이동 그리고 해수 침투 양상이 이러한 단층의 존재 여부에 크게 그리고 광범위하게 좌우됨을 보여준다. 특히 단층은 단층면과 평행한 방향으로는 지하수 유동과 염분 이동에 대해서 통로로 작용하지만, 단층면과 수직한 방향으로는 지하수 유동과 염분 이동에 대해서 방벽으로 작용하는 것으로 해석된다.

제주도 동부지역 해안대수층의 조석에 의한 수리경사 변화 연구

김구영(Kue-Young Kim),심병완(Byoung-Ohan Shim),박기화(Ki-Hwa Park):김태희(Taehee Kim),성현정(Hyeonjeong Seong),박윤석(Yun-Seok Park),고기원(Gi-Won Koh),우남칠(Nam-Chil Woo) 대한자원환경지질학회 2005 자원환경지질 Vol.38 No.1

해안대수층은 조석의 영향을 받아 지하수위가 주기적으로 변동하는 곳이 많으며, 이러한 특성을 이용하여 대수층의 수리지질학적 특성을 평가할 수 있다. 본 연구에서는 제주도 동부 해안대수층에 구축되어 있는 해수침투 감시 관측망 에서 관측된 자료를 이용하여 조석의 영향에 의한 지하수위의 변동 특성을 분석하였다. 그리고 대수층의 수리인자를 추정하고 지하수위의 평균수리경사 산정 및 시간에 따른 수리경사 변화를 정량적으로 분석하였다. 제주도 동부지역의 경우 조석이 지하수위에 영향을 미치는 범위는 해안으로부터 3~5 km 사이이며, 수리확산계수는 2.94 × 10 ~4.36×10 7 m 2 d -1 의 범위를 가진다. 71시간 모니터링한 연속자료에 대해 이동평균법을 이용하여 주기적으로 변동하는 지하수위의 수리경사를 산정한 결과, 수리경사는 대체로 ~10 내외의 범위를 보인다. 한동-1, 2호공 구간의 수리경사는 ~10 -6 으로 수리경사가 0에 가까우며, 해안으로부터의 거리 차이에 의해 지하수위의 변동폭이 다르게 나타난다. 그결과 조석의 간·만조에 따라 두 관측공에서의 지하수위는 역전되는 현상이 나타나며, 지하수의 유동방향도 달라진다. 따라서 해안대수층에서의 지하수 유동방향을 해석할 때에는 반드시 조석에 의한 영향을 고려해야 할 것이다. Groundwater level changes in coastal aquifers occur due to oceanic tides, where the properties of oceanic tides can be applied to estimate hyadraulic parameters. Hydraulic parameters of coastal aquifers located in eastern part of Jeju island were estimated using the tidal response technique. Groundwater level data from a saltwater intrusion monitoring well system was used which showed tidal effects from 3 to 5 km. The hydraulic gradient was assessed by utilizing the filtering method from 71 consecutive hourly water-level observations. Calculated hydraulic diffusivity ranged from 2.94 × 10 7 m 2 d -1 to 4.36 × 10 7 m 2 d -1 . The hydraulic gradient of the coastal aquifer area was found to be ~10 -4 , whereas the gradient of the area between wells Handong-1 and 2 was found to be ~10 -6 , which is very low comparatively. Analysis of groundwater monitoring data showed that groundwater levels are periodically higher near coastal areas compared to that of inner land areas due to oceanic tide influences. When assessing groundwater flow direction in coastal aquifers it is important to consider tidal fluctuation.

권역별 충적층 지하수의 해안 유출량 분포

한수영(Han Soo Young),홍성훈(Hong Sung Hun),박남식(Park Namsik) 대한토목학회 2006 대한토목학회논문집 B Vol.26 No.1B

낙동강, 섬진강, 영산강, 그리고 금강 권역의 충적 대수층에서 해안선을 통하여 바다로 유출되는 지하수 해안유출량이 평가되었다. 증반산, 하천 유출과 같은 수문학적 주요 인자와 양적으로 비교하면 지하수 해안유출량은 상대적으로 많은 양이 아니다. 하지만 수문순환 과정에서 최하류라는 특징에 의하여 지하수 해안 유출의 개발은 환경적인 영향을 상대적으로 적게 받으며, 현재 물 부족으로 어려움을 겪고 있는 많은 해안지역에서 유용하게 사용될 수 있는 중요한 수자원이다. 유출량 평가를 위하여 기 조사된 지하수위 조사 자료와 Darcy의 법칙에 기반을 둔 평가방법을 이용하였다. 주요 변수의 산정에는 해안선의 복잡성과 해수쐐기의 영향을 고려할 수 있는 기술을 적용하였다. 연구결과 조사 대상 4개 하천 권역의 지하수 해안 유출량은 연간 18억㎥에 달하는 것으로 나타났다. 이는 권역별 강수총량의 2.3%에 이르는 수치이다. 지하수 개발 측면에서는 낙동강 권역이 가장 유리한 것으로 나타났다. Amount of coastal ground water discharge(CGD) of surficial aquifer via coastlines of Nakdong River watershed, Seomjin River watershed, Youngsan River watershed and Keum River watershed is estimated. Compared to other major hydrological components, such as evapo-transpiration and river discharge, CGD is not so large in the amount. However, it is important since coastal ground water can be developed relatively free of environmental impact on downstream area and since most of coastal areas currently suffers water shortage. Regional groundwater investigation data and assessment based on Darcy's law are used for estimating coastal groundwater discharge. In this work the amount of CGD across the coastlines of the four rivers is estimated as J.8 billion cubic meter per year and that is about 2.3 percentage of total amount of annual precipitation. Nakdong River watershed is most appropriate region in view of developing groundwater.

확률통계기법을 이용한 해안지역 대수층의 염수침입 평가

정재열 ( Jae-yeol Cheong ),함세영 ( Se-yeong Hamm ),김광구 ( Kwang-koo Kim ),이충모 ( Chung-mo Lee ),전항탁 ( Hang-tak Jeon ),옥순일 ( Soon-il Ok ) 대한지질공학회 2016 지질공학 Vol.26 No.3

해안지역의 염수침입은 지하수내 다양한 지화학 성분들에 의해서 탐지될 수 있다. 그러나 불충분한 지하수 자료는 염수침입의 인지를 어렵게 한다. 확률밀도함수는 제한된 수질자료를 이용하여 더 넓은 범위의 확률적 예측이 가능하며 특성화된 확률밀도 분포 도출을 통하여 해안지역의 염수침입을 효과적으로 판단할 수 있다. 본 연구에서는 부산시의 해안지역 지하수, 해안유출수, 하천수의 화학성분에 대해서 확률통계기법을 적용함으로써 염수침입을 평가하였다. 이 연구에 의해서, 해수 중에 농도가 높은 항목인 Na+, Mg²+, K+, SO₄²-, Cl- 은 염수의 영향유무 판별의 유용한 지시자인 것으로 판명된다. 한편, 지하수, 해안유출수 및 하천수에서 유사한 확률분포형태를 보이는 항목인 Si⁴+, Fe2+, NO₃-., PO₄³-은 염수영향에 대한 지시자로서 적당하지 않은 것으로 판단된다. Saltwater intrusion in coastal regions can be detected by using numerous geochemical constituents in groundwater. However, insufficient numbers of groundwater data can often make us difficult to interpret saltwater intrusion. Probability statistics technique enables statistical prediction using a limited numbers of water quality data for a wider range and can make to effectively evaluate saltwater intrusion through a characterized distribution of probability. This study evaluated saltwater intrusion by applying probability statistics to the chemical constituents in groundwater, coastal discharge, and stream water in the coastal areas of Busan City. By the result of the study, it is proven that Na+, Mg²+, K+, SO₄²-, and Cl-, abundantly contained in seawater, are valuable indicators for evaluating saltwater intrusion. On the other hand, it is judged that Si⁴+, NO₃-, Fe2+, and , PO₄³-, showing sim-ilar probability distribution in groundwater, coastal discharge, and stream water, are not appropriate indicators for the detection of saltwater intrusion.

해안대수층에서 담수-염수 경계면 형성에 영향을 미치는 조건에 대한 실험적 연구

박화준,김원일,호정석,안원식 한국수자원학회 2009 한국수자원학회논문집 Vol.42 No.11

해안대수층의 염수침투에 의한 담수-염수 경계면 특성을, 가로 140 cm, 세로 70 cm, 두께 10 cm 의 직사각형 모래수조 모형을 이용하여 모의하였다. 대수층 모형의 특성과 염수의 염도에 따른 총 31가지의 실험을 수행하였으며, 위치흐름 해석법을 유도한 Glover (1959)의 이론식과 호도그래프를 이용한 Henry (1959) 해석식 및 위치흐름 해석법을 이용한 Strack (1976)의 해석해 결과와 비교하였다. 대수층의 수리전도도, 해수의 Saltwater intrusion in coastal aquifer was investigated using a laboratory model. Salt-wedge profiles were reproduced in a porous media tank 140 cm long, 70 cm high, and 10 cm wide. The experiments were performed with various conditions of porous media hy

기후변화의 영향을 고려한 한반도 해안지역 대수층의 해수침투 영향 분석

양정석(Yang Jeong-Seok),남재준(Nam Jae-Joon),박인보(Park In-Bo),김상단(Kim Sangdan) 대한토목학회 2011 대한토목학회논문집 B Vol.31 No.1B

한반도의 해안 지하수 및 해수면 수위, 수온, 그리고 전기전도도(Electrical Conductivity, EC) 관측 자료를 통해 경향성 분석을 실시하여, 한반도 대수층의 해수침투 영향을 연구하였다. 총 27개소의 지하수위 및 EC 자료를 분석한 결과 지하수위는 27 개소 모두 안정된 경향을 보였으며, EC는 증가 9개소, 안정 10개소, 감소 8개소로서 안정 및 변동의 경향을 나타내고 있으며, 해수면 수온은 총 14개소의 관측소 중 증가 12개소, 안정 2개소로서 증가의 경향이 대부분인 것으로 나타났으며, 해수면 수위 또한 총 24개소의 관측소 중 증가 18개소, 안정 3개소, 감소 3개소로 대부분의 관측소가 증가의 경향을 보였다. 특히, 동해와 남해안보다 서해의 해수면수위, 수온 및 EC의 모든 연구 항목의 상승 경향성을 보이는 관측소 비율이 높은 것으로 분석되어, 서해안에서 해수침투 영향이 타 해안보다 심각한 것으로 판단되며, 이에 대한 연구 및 대책이 강구되어야 하겠다. Saltwater intrusion effects of coastal aquifers in Korea peninsula were analyzed through trend analysis with groundwater level, seawater level, seawater temperature, and electrical resistivity(EC) data sets. Groundwater level and EC data sets from 27 coastal regions were collected and analyzed. Groundwater level was stable for all the regions however EC data showed stable or changing trends (9 increasing, 10 stable, and 8 decreasing regions). Seawater temperature was collected and analyzed for 14 regions and they are increasing for most regions (12 increasing and 2 stable regions). Seawater level was also collected and analyzed for 24 regions and is rising for most regions (18 rising, 3 stable, and 3 falling regions). Especially, west cost regions have stronger increasing tendencies of seawater level, seawater temperature, and EC than eastern and southern coastal regions. Therefore the saltwater intrusion problem can be serious for west cost regions in Korea peninsula and it is necessary to establish a plan to minimize the damages from saltwater intrusion.