포화대에서 흐름과 분산, 지하수 유동

포화대에서의 흐름과 분산 지하수의 유동과 층리.pptx

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포화대에서는 연결된 모든 공극들이 물로 가득차 있으며, 이들은 수리경사도에 따라 결정되는 방향으로 공극을 통하여 흐르게 된다. 포화대에서의 지하수의 흐름은 층상(層狀; laminar)이거나 난상(亂狀; turbulent)이다.(그림 12).

층류(層流; laminar flow)에서는 물입자들이 유선(流線; flowlines)을 따라서 일정하게 움직인다. 반면에, 난류(亂流; turbulcnt flows)에서는 물 입자들의 운동이 불규칙적이므로 입자들이 서로 섞이게 된다.

자연상태에서는, 자갈이나 용암지대 또는 공동이 발달된 석회암 지대 같이 입자간의 공극이 대단히 큰 지역에서만 난류가 형성되며, 대부분 퇴적층에서의 흐름은 층류이다.

n조립질 매질내의 층류에서는, 통로가 좁아지면 여러 입자들간의 유선들이 집중되며, 공극이 넓어지면 유선들은 분산된다.

n그러므로, 이 과정에서 몇몇 유선들은 지하수의 흐름에 직각 방향으로 퍼지게 되는데, 이 현상을 종분산(transverse dispersion; lateral dispersion)이라 한다.

n또한 물 입자들과 암석 입자들 사이의 마찰에 의하여, 어떤 물 입자들은 다른 입자들보다 상대적으로 속도가 늦어지게 된다.

n따라서 물 이동 속도는 암석입자에 가까운 곳에서 느려지며, 공극의 중심부에서 빠르게 된다. 이러한 현상은 지하수의 흐름과 같은 방향으로 일어나는 물 입자의 분산으로 횡분산(longitudinal dispersion)이라고 한다.

nDanel(1953)은 균등/동방성인 조립질 매체에 염료를 투입한 결과 횡분산이 약 6° 정도의 폭으로 나타남을 알아냈으며(그림 13-(2)),

염료 농도가 주입점에서 거리에 따라 종 모양을 이루는 것을 발견하였다. 물의 흐름에 따른 종분산과 횡분산으로 인해 최고 농도는 흐름 방향으로 가면서 낮아진다.

종분산의 영향은, 초기농도의 어떤 물질을 한 지점에서 지속적으로 주입하는 경우, 일정한 거리 떨어진 하류의 한 지점에서 그 물질의 농도 변화를 보면 알 수 있다.

이 지점에서는, 빠른 유선들이 먼저 도착하면서 이 물질의 농도가 서서히 증가하다가, 초기 농도의 0.7배 정도까지 비교적 빨리 증가하며, 이후에 다시 초기 농도에 이르기까지 서서히 증가하게 된다(그림 13-(3)).

분산현상은 지하수 오염의 연구에 대단히 중요하지만, 이를 야외에서 측정하기는 쉽지 않다. 왜냐하면, 오염 물질의 이동 방향과 속도가 분산 외에도 층리, 이온 교환, 이과작용, 기타 주변 조건과 여러 반응들에도 동시에 영향을 받기 때문이다.

층리와 그 밖의 암상의 차이, 그리고 대수층과 피압층의 특성들은 언급한 Danel(1953)이 균질/등방성의 매질에서 측정한 것보다 훨씬 큰 종분산과 횡분산을 일으킨다.

지하수계를 이해하기 위해서는 먼저 지하수면 위치와 지하수유동방향을 알아야하고 이를위해서는 그 지역 고도나 정호내 지하수수위 높이를 결정하여야 한다. 지하수 유동방향은 대부분 지역에서 지표의 지형을 관찰함으로서 식별 할수가 있다.

지하수 이동을 일으키는 힘은 중력이고 자연상태에서 지하수는 언덕아래(경사하부)로 흐르게 되며 결국 샘물로 지표에 배출되거나 하천의 옆이나 바닥으로 스며들거나 연안으로 배출된다. 이때 지하수가 유입되는 하천을 유입하천이라고 한다

 

포화대의 상부 즉 지표로부터 가까운 부분의 지하수는 하천이나 해안방향으로 흐르고 지표의 소규모 불규칙한 면들을 무시한다면 지표 경사 역시 하천이나 해안지역을 향해 발달되어 있음을 알수가 있다.

지하수면까지의 깊이는 하천 주변의 범람원보다 하천 사이의 분기대에서 깊게 나타나며 일반적으로 지하수면은 지표면과 상당히 유사하게 발달한다.

산악지형을 흐르던 하천들이 선상지 육상 퇴적층으로 스며들고 포화대 상부의 지하수는 하천으로부터 방사상으로 퍼져나가면서 계곡하부로 흐르게 된다

이때 하천은 지하수배수지역이 아니라 충진역할을 하며 손실하천이라 한다.

거의 모든 지하수계에는 대수층과 피압층을 모두 갖고 있고 지하수유동은 대수층을 통한 흐름 뿐만아니라 피압층을 통한 흐름도 연관된다.

자유면대수층의 수리전도도는 피압층의 수천배 수만배에 이르고 한 유선에서 단위 거리당 수두차는 피압층의 수천 수만분의 일에 해당된다.

결과적으로 피압층에서는 지하수의 횡적인 유동은 무시될수 있고 유선들은 대수층에 집중되며 경계면에 평행하게 나타난다

 

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