지하수 수문학 담당교수명 : 서 영 민 연 락 처 : elofy@naver.com

지하수 Ground water

서론 지하수의 역할 - 지하수 (ground water) · 지표하 지중에 저류되어 있는 물 · 지표면으로부터 침투 (infiltration)한 물과 하부 토층으로 침루 (percolation) 된 물로 인해 생성 - 지하수의 역할 · 이수측면 :- 침투를 유도하여 지하수위 저하 방지 관정 (well)을 이용하여 물을 양수  용수 확보 · 치수측면 :- 침투를 유도하여 지표면 유출을 감소  홍수량 감소 유도

지하수의 성질

지하수의 성질 투수능 - 투수능 (permeability) · 토양의 공극을 통해 물이 이동하는 비율 · 공극의 크기가 작을수록 낮은 투수능을 가지게 됨 · 대수층의 공극률, 구성입자의 크기, 분포, 배치상태, 모양 등에 따라 달라짐. - 투수능과 토양의 물리적 특성과의 관계 · 투수능, 입도분포, 입자 평균입경 등과의 관계 k: 투수능 (L2) d: 입자의 평균입경 C: 입도분포, 배열 등과 관련된 형상계수 · 투수계수 (coefficient of permeability) 또는 수리전도도 (hydraulic conductivity) :- 어떤 재료의 투수능 정도를 정량적으로 표시하는 계수 :- 투수계수값이 클수록 투수능이 높음을 의미 K: 투수계수 (L/T) γ: 물의 단위중량 μ: 물의 동점성 계수 (L2/T)

지하수의 성질 투수능 영향인자 - 투수능에 영향을 미치는 인자 · 온도, 이온구성, 토양 내 포함된 공기, 공극률, 구성입자의 크기 및 분포 배치상태, 모양 등 - 온도에 따른 투수계수의 변화 · 온도에 따라 물의 점성 변화  투수계수에 영향을 미침 · 높은 온도  낮은 점성  토양 내 흐름저항 감소  투수능 증가 · 온도에 따른 투수계수 (c: 비례상수)    Kt: t℃일 때 투수계수 K20: 20℃일 때 투수계수 μt: t℃일 때 점성계수 μ20: 20℃일 때 점성계수

지하수의 성질 일반적인 투수계수 값 투수계수 증가 입자 크기 및 공극 크기 증가

지하수의 성질 Darcy의 법칙 - 지하수의 흐름유속 · 흐름의 길이 당 수두손실의 변화를 이용하여 산정 손실수두의 경사 V: Darcy의 유속 (L/T) K: 투수계수 (L/T) L: 흐름거리 (L) h: 압력수두 (L) z: 위치수두 (L) ΔH H1 H2 Darcy의 법칙 : 지하수 흐름의 유속 (Darcy 유속)은 투수계수 및 손실수두의 경사에 비례함.  동수경사 (hydraulic gradient), 수리경사, 마찰경사

지하수의 성질 Darcy의 법칙 [참고] EL H1 H2  속도수두의 크기는 다른 값에 비해 매우 작으므로 수두 계산 시 무시해도 무방

지하수의 성질 투수계수의 결정 □ 투수계수의 결정 방법 1) 투수계 (permeameter)를 사용하는 방법 :- 대수층 내 토양을 채취, 투수계를 이용하여 투수계수 결정 :- 대수층 내 토양을 자연상태 그대로 투수계에 넣는 것이 어려움  측정값이 실제 대수층을 대표할 수 있는가에 대한 문제 발생 2) 경험공식을 사용하는 방법 :- 모래층 필터 (filter)에 대한 실험결과로부터 얻어진 경험식 :- 동질의 모래층에서는 적합 :- 자연 대수층은 이질성 입자들이 혼합하여 존재  모래층에 대해 유도된 경험공식을 적용하기에는 문제점이 있음 3) 관정을 통한 양수시험 (pumping well test)* :- 대수층 내부까지 관정을 설치하여 양수시험정의 수리학적 원리에 의한 해석을 통하여 투수계수를 결정

지하수의 성질 투수계수의 결정 1) 투수계를 이용한 투수계수 결정 - 정압수두 투수계 · 투수계의 입구부와 출구부에서 수두 (수위, H)를 일정하게 유지 · 모래 및 자갈과 같은 토양의 투수계수 산정 시 적절 - 감소수두 투수계 · 입구부에서는 수두가 감소하고, 출구부에서는 수두를 일정하게 유지 · 실트와 같은 낮은 투수능을 가진 토양의 투수계수 산정 시 적절 입구부 수위가 일정하게 유지 되도록 물공급 H가 점차 감소 정압수두 투수계 감소수두 투수계 H 일정

지하수의 성질 정압수두 투수계를 이용한 투수계수 결정 횡단면을 통과하는 유량: 연속방정식    K: 투수계수 (m/day) H: 수두 (m) L: 표본길이 (m) Q: 유량 (m3/day) R: 표본의 반경 (m)  

지하수의 성질 감소수두 투수계를 이용한 투수계수 결정 가는 관 통과 유량: 표본 통과 유량: R  L 시간 t 경과 후 H1에서 H2로 감소 가는 관 통과 유량: 표본 통과 유량: 시간에 따른 수두 감소율 H1 R H2 (가는 관 통과 유량)=(표본 통과 유량)  L (where, R, r, K and L = constant) H1: 수두관의 초기 높이 (m) H2: 수두관의 종기 높이 (m) t: 관측시간 (day)

지하수의 성질 [예제] 어떤 대수층으로부터 시료를 채취하여 정압수두 투수계를 이용하여 투수계수를 산정하고자 한다. 시료의 반경이 5cm, 길이가 30cm일 때 5분 동안 시료를 통과한 물의 양이 200cm3, 수두차가 15cm일 경우 투수계수를 산정하라. 시료통과 유량 (Q): 투수계수 (K):

지하수의 성질 [예제] 어떤 대수층으로부터 시료를 채취하여 감소수두 투수계를 이용하여 투수계수를 산정하고자 한다. 시료의 반경이 4cm, 길이가 30cm일 때 1시간 동안 물이 시료를 통과하여 반경 1cm인 관의 수위가 50cm에서 25cm로 낮아진 경우 투수계수를 산정하라. 관측시간 (t): 투수계수 (K):

지하수의 성질 경험공식을 이용한 투수계수 결정 - 투수계수 결정을 위한 경험공식 k: 투수계수 (m/day) c: 입자의 크기, 분포, 배열상태 및 공극률에 관계되는 상수 (400~1200, 평균 1000) d10: 토양재료의 입도분석 결과 시료의 지름이 d10보다 더 작은 값을 가지는 부피가 전 시료의 10%가 되는 입자지름 (mm)

지하수의 성질 공극유속 QSeepage V V: Darcy 유속 (m/day) A Vs: 공극유속 (m/day) QDarcy 공극유량이 동일 QSeepage V V: Darcy 유속 (m/day) Vs: 공극유속 (m/day) A: 총단면적 (m2) (입자+공극) As: 공극 단면적 (m2) A QDarcy Vs As 1)    공극유속 (Vs)은 Darcy 유속 (V)보다 크다  공극률:  2)  공극유속 (Vs)은 Darcy 유속 (V)을 공극률 (η)로 나눈 것과 같음  

대수층

대수층 대수층의 구분 - 대수층 (aquifer) (지하수 저수지, groundwater reservoir) · 물을 공급하기 위해 경제적으로 개발이 가능한 물을 충분히 함유하고 있는 토양 또는 암반층 · 지하수면 (water table)의 존재여부에 따라 피압대수층과 비피압대수층 으로 구분 1) 피압대수층 (confined aquifer) · 지하수가 불투수성 암석층 사이에 놓여 있어서 대기압보다 큰 압력을 받고 있는 대수층 (지하수면이 존재하지 않음) · 자유대수층 (free phreatic or non-artesian aquifer)이라고도 함. 2) 비피압대수층 (unconfined aquifer) · 지표면으로부터 침투 및 침루로 인한 광범위한 지하수면을 가지고 있는 대수층 · 지하수면에서 대기압이 작용

대수층 대수층의 구분 대기압보다 큰 압력작용  관정내 수위가 지하수면보다 상승함 Water table well Groundwater recharge Flowing well Artesian well 지하수면에서 대기압 작용 대기압의 작용  관정 내 수위가 지하수면과 일치 대기압보다 높은 압력 # 압력수면 (piezometric surface) :- 피압대수층 내의 물이 받는 정수압의 크기에 해당하는 높이 (압력수두)를 연결한 가상의 수면 :- (압력수면) > (지면)  분정 (flowing well) 발생