세계적으로 물소비량은 매 21년마다 2배씩 증가하고 있으나 우리가 쓸 수 있는 물의 양은 한정되어 있는데 문제의 심각성이 있다. 따라서 지금이라고 지구상의 물자원에 대한 극단의 조치가 강구되어야 할 때이다. 연간 65%가 비풍수기인 우리나라의 수문특성상 이 시기의 하천수중 그 대부분이 풍수기에 강수가 지하로 침투된 후 지하수로 변했다가 갈수기에 다시 하천을 통해 서서히 지표로 배출되는 지하수임을 감안한다면 지하수자원의 오염은 지표수자원의 오염과 직결되어 있다.
이 책 [수리지질과 지하수모델링]은 저자가 1999년도에 저술한 “지하수환경과 오염”의 내용 중 필요한 부분을 발췌하여 요약 편집 및 보강하여 수록하고, 각종 지하수의 관리기법과 오염 토양 지하수의 정화방법 등 지난 20여년간 국내외에서 직접 실시했던 지하수조사/개발, 오염 부지조사(environmental site assessment) 및 각종 문제 TSDF에 의해 오염된 토양과 지하수환경의 조사 및 정화사업을 통해 취득했던 현장 경험과 결과들을 토대로 하여 작성하였다
저자 소개
저자 한정상은
ㆍ서울대학교 지질학과 및 동 대학원, 고려대학교 대학원 졸. 이학박사(지하수환경)
ㆍBangladesh국 IDA/Deep Tube Well Project 소장
ㆍ(주)한국건업(벽산그룹), 자원 및 환경 담당 전무이사(국내 및 해외 담당)
ㆍ(주)한서엔지니어링 대표이사
ㆍ(주)넥스지오 기술고문
ㆍ연세대 지구시스템과학과 객원교수
ㆍ제주대학교 석좌교수
ㆍ중국 길림대학교 객좌교수
ㆍ(사)대한지하수환경학회 회장
ㆍ(사)한국지하수토양환경학회 고문
ㆍ(사)물관련학술단체 연합회 부회장
ㆍ환경부/중앙환경보전자문위원회 위원
ㆍ건교부/중앙하천관리위원회 위원
ㆍ환경부/먹는물 관리위원회 위원
ㆍ건교부/중앙지하수관리위원회 위원 등
주요저서
ㆍ지하수학개론(박영사, 83)
ㆍ환경수리지질학(신우문화사, 88)
ㆍ지하수환경과 오염(박영사, 98)
ㆍ오염지하수 토양의 자연정화와 위해성평가(한림원, 99)
ㆍ지열에너지(한림원, 2010)
ㆍ수리지질과 지하수환경(내하출판사, 2010)
ㆍ지하수관리(내하출판사, 2010) 외 공저 4권
목 차
Chapter 01 지구상의 물자원과 광역 및 국지규모의 지하수환경
1.1 서언
1.1.1 수문학에서 지하수의 역할과 지하수관련 학문의 정의
1.1.2 수리지질학의 역사
1.1.3 지하수의 기원에 관한 설의 발전
1.2 물과 수문순환
1.3 지구 시스템에서 물
1.3.1 기권수
1.3.2 지표수
1.3.3 표면하수
1.4 물의 기원과 지하수의 성인
1.5 광역 및 국지적인 규모의 지하수환경
1.5.1 광역규모의 지하수계
1.5.2 국지규모의 지하수계
1.5.3 복류수와 충적층 지하수
Chapte 02 대수층의 저유성과 수리특성
2.1 포화대의 수리지질 특성인자
2.1.1 대수층의 저유성
2.1.2 대수층의 투수성
2.2 대수성 수리특성과 지하수 수리학의 기본개념
2.2.1 지하수위 강하구역
2.2.2 수위 강하
2.2.3 부분 및 완전 관통정
2.2.4 자유면대수층
2.2.5 압력수두, 위치수두와 등포텐셜선
2.2.6 정류상태에서 지하수위 강하구역과 함양
2.2.7 피압대수층과 자유면대수층에서 지하수위 강하구역의 비교
Chapter 03 지하수의 운동과 유동특성
3.1 Darcy 법칙
3.2 대수층의 수리성과 수리전도도
3.3 수리전도도의 분포특성
3.4 지하수의 수평흐름 조건
3.4.1 수평흐름 상태에서 수리수두, 압력수두와 위치수두와의 관계
3.4.2 지하수 수평흐름 상태에서 유선과 등포텐셜선
3.5 지하수의 수직흐름 조건
3.6 복잡한 수리지질 조건에서 지하수흐름
3.6.1 이방성
3.6.2 불연속적인 소규모 투수성 구간이 지하수유동에 미치는 영향
3.6.3 지하수의 굴절흐름
3.7 등수위선도와 유선망 분석
3.7.1 등수위선도 작도시 주의해야 할 사항
3.7.2 등방 균질 대수층에서 유선망
3.7.3 유선망 작도와 분석
Chapter 04 지하수의 변동과 물수지 분석
4.1 자연유황곡선과 장단기 지하수위 변동 특성
4.1.1 자연유황곡선
4.1.2 장기적인 지하수위 변동
4.1.3 단기적인 지하수위 변동
4.1.4 다른 요인에 의해 발생하는 지하수위 변동
4.2 물수지 분석
4.2.1 안전 채수량과 지하수 산출 분석
4.2.2 물수지 분석과 수문 평형 방정식
4.2.3 지하수 함양과 물수지
4.3 지하수 함양량 산정법들
4.3.1 수문곡선과 기저유출분리법 및 지하수 함량량 산정법(제1방법)
4.3.2 SCS 방법으로 직접유출량 산정법
4.3.3 기저유출량으로부터 지하수 함양량 산정방법(제2방법)
4.3.4 무강우 지속일수 동안 지하수 감수곡선을 이용하는 방법
4.3.5 염소이온 농도를 이용하여 함양률 산정하는 방법
4.4 지하수개발시 대수층의 지하저수지로서 능력 검토
Chapter 05 지하수 수리학과 대수성 시험분석
5.1 지하수의 운동방정식
5.1.1 Darcy 법칙의 적용한계
5.1.2 정류와 부정류
5.1.3 지하수 유동 지배식
5.1.4 지하수의 3차원 유동 지배식
5.2 정류상태의 우물수리와 분석
5.2.1 정류-자유면대수층
5.2.2 정류-피압대수층
5.3 피압-부정류상태의 우물수리와 분석
5.3.1 부정류-피압 대수층
5.3.2 부정류-누수피압대수층
5.4 부정류-자유면 상태의 우물수리와 분석법
5.4.1 개념모델
5.4.2 수학적인 모델
5.4.3 해석학적인 해
5.4.4 분석방법과 순서
5.5 부정류-파쇄형-단열매체의 우물수리와 분석
5.5.1 패쇄형-단열대수층의 종류
5.5.2 2층 다공질 블록과 단열계 모델(비누수 피압상태)
5.6 순간충격시험(slug test)
5.6.1 피압-무한~반무한 심도의 이방성 및 비압축성 대수층
5.7 단계 대수성시험(step drwdown test)
5.7.1 제1분석법
5.7.2 제2분석법
5.7.3 직선법
5.7.4 대수층 수두손실과 선형의 공벽 수두손실
5.7.5 단계 대수성시험 결과를 이용한 우물 평가방법
Chapter 06 우물의 종류와 비양수량 및 지하수의 인공함양
6.1 우물 일반
6.2 우물의 분류
6.2.1 인력관정 혹은 수굴정
6.2.2 타설관정
6.2.3 소형관정
6.2.4 기계관정
6.2.5 연립관정
6.3 우물 굴착(착정)방법과 우물 설치
6.3.1 재래식 충격 착정법(percussion drilling)
6.3.2 직접회전식 착정법(rotary drilling)
6.3.3 압축공기를 이용한 회전 굴착법(hammer drilling)
6.4 우물구경과 채수량과의 관계
6.4.1 우물구경 증가에 따른 채수량의 변화
6.5 비양수량과 투수량계수와의 관계
6.5.1 비양수량과 투수량계수와의 일반적인 관계
6.5.2 비양수량으로부터 투수량계수 산정법
6.6 미고결암에 설치한 우물의 가채량 산정법
6.6.1 가채량 산정 곡선법
6.6.2 비양수량 자료의 응용(walton법)
6.7 양수량 측정법
6.7.1 간이유량 측정법
6.7.2 Orifice을 이용하여 측정하는 법
6.7.3 Orifice bucket을 이용하여 측정하는 법
6.7.4 V-notch에 의한 유량측정법
6.8 지하수의 인공함양
6.8.1 지하수 인공함양의 개념과 연혁
6.8.2 목적
6.8.3 지하수 인공함양의 방법
6.8.4 인공함양의 자연 입지 조건
6.8.5 인공함양시 수질 변화와 수질 개선
Chapter 07 관정과 대용량 수평집수정의 설계(well design)
7.1 미고결 대수층에 설치하는 관정(tube well) 설계
7.1.1 우물과 케이싱 구경
7.1.2 우물심도
7.1.3 스크린의 길이
7.1.4 자연개량 우물에서 유공관의 개공크기
7.1.5 스크린 구경, 개공면적과 개공율
7.1.6 스크린의 통수능력과 소요 스크린 길이
7.1.7 스크린의 재질
7.1.8 스크린의 내구력
7.1.9 부분관통에 따른 비양수량과 채수량의 보정
7.2 고결암(암반) 대수층에서 관정(우물)설계
7.2.1 외국의 심정설계
7.2.2 심정에 사용하는 무공관인 강관의 종류와 사양
7.2.3 우리나라의 암반관정
7.3 우물개량(well development)과 여과력(filter pack)
7.3.1 인공여과력 설치
7.3.2 여과력의 설계
7.4 수평방사 집수정(RCWL)과 강변여과수 취수시설(RBF system)
7.4.1 일반
7.4.2 수평방사 집수정과 RBF 시설에서 지하수 흐름
7.4.3 기타 강변여과 취수시설과 대구경 수평집수정의 채수 가능량 산정법
7.4.4 대구경 수평 집수관거(Infilteration gallery)의 설계
7.4.5 사이펀식 방사 집수정
7.4.6 지하댐
7.5 우물사이의 적정 이격거리
7.5.1 경제적인 면을 고려한 우물 간격
7.5. 22개 이상의 우물을 설치했을 경우 취수정 사이의 적정 이격거리
7.6 우물소독과 우물재생
7.6.1 CaHCl
7.6.2 NaHCl
7.6.3 착정 굴진작업 중의 염소소독
7.6.4 피막현상
7.6.5 산처리법
Chapter 08 지하수 조사와 평가 방법
8.1 지하수 조사와 평가 방법
8.1.1 지하수의 산출 및 부존조사
8.1.2 지하수환경 영향조사
8.2 광역 지하수 조사(유역별 지하수 조사)
8.2.1 기존자료 수집
8.2.2 정천 현황조사
8.2.3 용수 이용조사
8.2.4 지하수 관리망 설정?운영
8.2.5 지하수 수질관리망 설정?운영
8.2.6 수문지질조사
8.2.7 저수량 측정과 기저유출
8.2.8 정량적인 대수성시험
8.2.9 잠재오염원조사와 지하수 오염취약성 조사
8.2.10 실내작업
8.3 지표지질조사
8.3.1 지형 및 수계조사
8.3.2 위성사진 판독과 선구조 및 지표지질조사
8.4 지하수탐사에 이용되는 지구물리탐사
8.4.1 전기비저항 탐사
8.4.2 탄성파탐사
8.4.3 전자탐사
8.5 직접 지하지질 조사
8.5.1 시추조사의 종류
8.5.2 미고결암 시추조사
8.5.3 고결암의 시추조사
8.5.4 공내검층
Chapter 09 암반지하수와 결정질 단열매체의 수리시험 분석
9.1 암반지하수와 지질구조와의 관계
9.1.1 암반에서 지하수의 산출상태
9.1.2 지체구조와 암반지하수의 산출성
9.2 파쇄 결정질 매체의 수리특성
9.2.1 일 반
9.2.2 개념모델
9.2.3 수리성(hydraulic properties)
9.2.4 결정질 암체의 이론적인 모델
9.2.5 단공시험 분석(Interpretation of single hole test)
9.3 단열매체의 단공시험시 공벽효과(skin effect)와 우물 저장효과(well storage effect)
9.3.1 일 반
9.3.2 공벽효과(skin effect)
9.3.3 시험정의 저장효과(borehole storage effect)
9.4 단열균질매체에서 주입 및 수위강하 시험분석
9.4.1 일반
9.4.2 방사흐름(radial flow)
9.4.3 구면흐름(spherical flow)
9.4.4 정류주입시험(st-st injection test)
9.5 단열균질대수층에서 수위회복(상승), 강하시험(회복) 분석 (build up/fall off test in homogeneous formation)
9.5.1 일반
9.5.2 방사흐름
9.4.3 구면 흐름
9.6 2중 공극매체(dual porosity formation)에서 수리시험
9.6.1 파쇄매체의 분류
9.6.2 2중 공극매체의 이론적 모델
9.6.3 이론과 시험분석
9.7 분리단열대와 교차하는 시험정에서 수리시험(borehole intersected by discrete fractures)
9.7.1 일반
9.7.2 계념모델
9.7.3 원리와 해석
9.8 단열매체에서 순간충격시험(pulse response test)
9.8.1 일반
9.8.2 순간충격시험(slug test)
9.8.3 압력충격시험(pressure pulse test)
9.8.4 충격회복시험(drill stem test, DST)
9.9 파쇄매체의 Moench법
9.9.1 가상 정류상태
9.9.2 부정류 상태
Chapter 10 지하수 모델링
10.1 지하수 모델링(modeling)과 모델(model)
10.1.1 모델링의 목적
10.1.2 지하수 모델의 분류와 종류
10.1.3 모델의 사용
10.1.4 모델의 규약(protocol)
10.2 3-D와 2-D의 지하수 흐름의 표현
10.2.1 3-D 지하수유동 지배식
10.2.2 2-D 피압대수층의 지하수유동 지배식
10.3 해석학적인 방법(analytical method)
10.4 수치적인 방법(numerical method)
10.4.1 수치적인 방법의 종류
10.4.2 유한차분법(finite difference model, FDM)과 종합유한차분법(integrated finite difference method, IFDM)
10.4.3 유한요소법(finite element method, FEM)
10.5 모델링 시 고려해야 할 사항
10.5.1 수치적인 고려
10.5.2 실제 적용 시 고려사항
10.6 수치모델의 보정, 민감도 분석 및 검증
10.6.1 모델 설정
10.6.2 보정(calibration)과 민감도분석(sensitivity analysis)
10.6.3 모델의 확인(validation), 검증(model verification) 및 예측(prediction)
10.6.4 지하수자원 관리와 오염 지하수 정화에 관련된 전산프로그램
ㆍ 부록
부록 1. 마이크로컴퓨터 우물 함수(well function)의 해석모델
부록 2. 우물함수의 우물함수의 값에 따른 W()와 ?W()
부록 3. 단위 환산표
부록 4. 우물저장효과와 공벽효과를 감안한 표준곡선들
ㆍ 참고문헌
출판사 서평
지구상에 부존된 담수 중 하천이나 호수와 같은 지표수는 단지 2.5% 정도이고 잔여 97.5%는 지하에 지하수 형태로 부존되어 있다. 지하수자원은 지하에 부존된 자연자원 가운데 유일하게 매년 지하로 재충전 되는 자연 자원으로서 이를 잘 관리 이용하면 영원히 이용 가능한 재생자원이 된다.
지구상에서는 물자원이 부족해서 고통을 받고 있는 반면 물자원이 비교적 풍부한 지역도 수자원의 비합리적인 관리로 인해서 물자원이 대규모로 오염되는 등 심각한 부작용을 낳고 있다. UN의 1997년 보고서에 의하면 1995년에 전 세계 인구의 20%가 깨끗한 식수를 마시지 못하고 있으며, 수세식 화장실 사용 인구는 50% 이상이다. UN의 영국대사였던 Tickell경에 의하면 “지구는 현재 광범위한 물 문제를 안고 있으며, 오히려 Oil shock 보다 더 많은 문제와 국지적인 전쟁을 유발시킬 수 있는 요인이 될 소지가 있다”고 경고한 바 있다.
세계적으로 물소비량은 매 21년마다 2배씩 증가하고 있으나 우리가 쓸 수 있는 물의 양은 한정되어 있는데 문제의 심각성이 있다. 따라서 지금이라고 지구상의 물자원에 대한 극단의 조치가 강구되어야 할 때이다.
물은 생명체의 원천일 뿐만 아니라 지역 경제성장과 산업발전 및 도시성장의 기초자원이기 때문에 앞으로의 수자원의 오염양태, 물 분쟁 빈도나 양상은 더욱 복잡하고 심각해질 것으로 예상된다.
연간 65%가 비풍수기인 우리나라의 수문특성상 이 시기의 하천수중 그 대부분이 풍수기에 강수가 지하로 침투된 후 지하수로 변했다가 갈수기에 다시 하천을 통해 서서히 지표로 배출되는 지하수임을 감안한다면 지하수자원의 오염은 지표수자원의 오염과 직결되어 있다. 따라서 범정부차원의 오염된 지하수의 정화대책이 얼마나 시급한 명제인지를 우리는 쉽게 알 수 있을 것이다.
특히 지금처럼 불량 폐기물매립지, 각종 유해폐기물의 저장, 운송, 처리시설, 최근에 사회적인 문제가 되고 있는 미 8군을 위시한 군부대에서 운영한 각종 유류저장탱크로부터 누출된 독성 유기화학물질, 제초제와 같은 농약의 부적절한 살포와 처분, 산성광산 폐수와 같은 각종 잠재오염원으로부터 과거 두레박으로 퍼서 시원하게 마실 수 있었던 우리의 순수한 천연의 지하수자원을 지금처럼 마구 방치만 하는 경우에 나타날 결과는 자명한 사실이다. 따라서 정부는 소 잃고 외양간 고치는 누를 범하지 않도록 현행 지하수법을 적극 활용하여 지하수자원의 보전과 최적 활용에 극단적인 조치를 취해야 할 시점이라 생각된다.
이 이외에도 오염된 지하수정화를 위해서는 오염대수층의 정화가 반드시 병행되어야 하는데 현재 국내 실정은 그러하지 못하다. 이는 정부가 규정한 지하수의 정화기준(생활용수 적용)이 다음과 같이 지극히 비현실적이기 때문이다.
① 지하수의 생활용수 수질기준 가운데 카드뮴, 비소, 시안 및 수은의 수질기준은 정부가 국민에게 먹는 물로 공급하는 상수도나 정부가 철저히 규제하고 있는 해당성분의 먹는 물의 수질기준과 동일하거나 훨씬 엄격하다.
② 만일 현재 농공업용수로 허가를 받아 사용하던 지하수가 오염되어 농공업용수로 사용하지 못할 정도로 오염이 된 경우에 이들 오염된 지하수의 정화기준을 지하수의 생활용수 기준으로 격상하여 정화해야 할 것인지 아니면 아예 정화를 하지 않아도 되는지 이에 대한 명확한 규정이 없다.
③ 지하수 상위에 소재하는 오염토양을 현재의 토양정화기준(TPH, BTEX 및 기타 중금속 들)으로 정화했을 경우에 그 하부에 부존된 지하수수질이 현재 설정된 지하수의 정화기준을 초과하지 않는다는 과학적인 근거가 전혀 없다.
④ 초기에 지하수의 수질기준을 설정할 당시에는 지표수 수질기준을 바탕으로 하여 짜깁기 식으로 지하수 수질기준을 지하수의 이용목적에 따라 설정하여 지하수의 보전측면이 전혀 고려되지 않았다. 지하수의 생활용수 수질기준은 국민건강과 삶의 질을 고려하여 국민이 사용하는 각종 생활용수의 수질기준으로 설정한 기준이지 결코 오염된 지하수를 정화하기 위한 기준이 아님을 명심할 필요가 있다.
따라서 지하수의 정화기준은 빠른 시일 내에 현실에 부합되게 수정보완 되어야 하며, 보다 합리적이고 과학적인 국내 오염지하수와 오염대수층의 정화기준 설정을 위한 연구와 더불어 오염 토양정화기준과 지하수 정화기준과의 상호연관성에 관한 연구가 빠른 시일 내에 이루어져야 할 것이다.
본 교재의 제1편인 “수리지질과 지하수 모델링”은 저자가 1999년도에 저술한 “지하수환경과 오염”의 내용 중 필요한 부분을 발췌하여 요약 편집 및 보강하였고 제2편인 “지하수관리와 오염 정화 및 응용”은 각종 지하수의 관리기법과 오염 토양 지하수의 정화방법 등을 저자들이 지난 20여년간 국내외에서 직접 실시했던 지하수조사/개발, 오염 부지조사(environmental site assessment) 및 각종 문제 TSDF에 의해 오염된 토양과 지하수환경의 조사 및 정화사업을 통해 취득했던 현장 경험과 결과들을 토대로 하여 작성하였다. 특히 이를 바탕으로 하여 금년에 미비한 내용을 다음과 같이 다시 보완 수정하여 본 교재들을 발간하게 되었다.
1편의 7장에는 암반 대수층에 심정을 설치할 경우에 현재 국제적으로 널리 적용되고 있는 심정의 설계방법과 강변여과수를 위시한 대용량 지하수개발시설인 방사 수평집수정(radial collector well, laterals 등)을 설치할 경우의 우물설계방법과 사례들을 추가하였다. 특히 한반도는 전국토의 75%정도가 결정질 암석으로 구성되어 있고, 암반지하수는 전체 지하수 부존량의 약 83%에 해당하는 대종을 이루고 있기 때문에 암반지하수가 산출되는 암반 단열매체에서 지하수 산출특성과 대수성시험 분석법을 별도로 9장에서 다루었다. 10장에서는 국내 지하수자원의 최적관리와 오염된 지하수 정화 시 가장 효율적이고 경제적인 방법을 선정하고 결정하는데 필수적인 3차원 지하수모델링기법에 대한 내용과 모델보정과 모델검증 시 이용되는 민감도분석에 관한 내용을 추가하였다.
미국의 경우에 NPL site를 위시하여 오염된 토양과 지하수환경은 고비용의 인공적인(공학적인) 정화방법(superfund innovative technology evaluation)으로 정화작업을 수행해 왔으나, 그 성공률이 매우 저조한 데 비해, 지하환경의 자연적인 저감능에 의한 자연정화가 보다 효율적임이 특히 연료용 유류에 의해 오염된 지역에서 밝혀지기 시작하였다. 따라서 자연저감은 1995년부터 가장 각광을 받고 있는 일종의 경제적이며, 효율적인 정화대안으로 인식되고 있는 자연정화법이다. 따라서 2편의 5장에서는 오염된 지하수의 자연정화기작과 자연정화법을 상세히 기술하였다. 특히 최근 미국을 위시한 선진 제국에서 시행하는 정화작업은 오염된 토양이나 지하수 내에 함유된 오염물질의 양을 인공적으로 감소시키기 위해서 공학적인 정화를 실시하기 이전에 이들 오염물질에 의한 위해로부터 인간을 위시한 각종 수용체에게 미치는 위해성을 경감 및 감소시키는데 주안점을 두고 가장 경제적이고, 효율적인 방법을 결정하기 위해 과거에 사용해 왔던 전통적인 부지조사와 위해성평가를 기초로 하여 정화방법의 선정과 정화기준을 설정하는 종합적인 단계접근법인 위해성 기초 정화?교정방법을 널리 적용하고 있다. 따라서 6장에서는 위해성 기초 정화교정법에 관한 내용을 상세히 다루었다.
7장에 오염된 토양과 지하수의 비용 경제적(cost effective)인 정화방법을 위시하여 국내 오염토양과 지하수에 관한 법령과 정화기준, 공기 분사기법(Air Sparging) 및 양수처리법(Pump and Treat)과 같은 오염 지하수와 오염대수층의 정화방법과 설계방법 등을 구체적으로 기술하였다. 또한 9장에는 남북한에서 사용하는 수문지질단위와 이를 토대로 산정한 지하수자원의 부존량과 개발 가능량 및 남한에서 실시하고 있는 지하수 관리체계와 지하수 정보관리에 대해 기술하였다. 10장에는 현재 재생에너지의 열원으로 우리나라에서 각광을 받고 있는 저 엔탈피의 지하수열을 위시하여 일반 지중열을 이용한 냉난방열에너지 이용방법과 국내 천부 지하수와 천부 지중열의 지역별 분포 특성과 계절별 변동특성을 분석하여 지중열교환기나 지하수열펌프시스템 설계 시 가장 중요한 입력인자인 지역별 평균 지중온도와 계절별 변동특성에 관한 내용을 분석하여 추가하였다.
