• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2017.05a
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• pp.116-116
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• 2017

지하수 인공함양은 수자원확보 및 비상시 용수를 목적으로 세계적으로 연구 및 프로젝트가 진행되고 있다. 인공함양의 방법에는 여러 가지의 방식이 있지만 본 연구는 관정을 통해 주입하는 ASTR(Aquifer Storage Transfer and Recovery)방법을 이용하여 연구하였다. ASTR이란 지표수를 인공적인 방법으로 대수층에 주입시키고, 일정기간 저장시키거나 유하시킨 후 양수하는 방법이다. 염수로 포화된 피압대수층에 담수를 주입하여 염수를 치환할 수 있는 주입-양수 시스템을 연구하였다. 염수로 포화된 대수층에서 인공함양기술을 성공시키기 위해서는 양수정으로 유입되는 염수비율이 0%을 만족하며, 주입으로 인한 수위상승량은 지반변형을 일으키지 않는 최소한의 값을 가지는 것이다. 본 연구는 앞서 언급한 인공함양기술을 성공시키기 위해 지하수 흐름모델과 최적화 모델을 결합한 최적전산모델을 이용하여 모의하였다. 지하수 흐름모델은 경계면모델을, 최적화 기법은 GA(Genetic Algorithm)을 이용하였다. 구축된 목적함수로는 양수정의 담수비율 최대화, 주입정에서의 수위상승량 최소화 그리고 양수개시시간 최소화로 구성하였다. 제약조건으로는 총 주입량 및 양수량 그리고 주입 및 양수정 개수이다. 서술한 목적함수와 제약조건을 만족하는 주입/양수정의 위치 및 유량을 최적전산모델로부터 얻을 수 있다. 기존 지하수 인공함양 및 개발은 사례별 연구 또는 전문가의 주관적 판단에 의존하는 경향이 있었다. 본 연구는 최적화 기법을 통해 복수의 관정에서 정량적인 산정이 가능하다. 현재 모델링에 의존한 연구로써 한계가 있지만, 추후 실제현장에 적용하여 모델 검정을 통해 신뢰도를 높이며 지하수 인공함양 개발에 많은 공헌을 할 수 있을 것으로 예상한다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.11a
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• pp.119-119
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• 2010

무한 지속 가능한 지열 에너지를 활용한 공조시스템인 지열원 냉난방 시스템은 기존의 공조 시스템보다 열원이 안정적이기 때문에 높은 효율과 우수한 성능을 가지므로, 기후변화협약 대응의 주요수단으로서 기술개발과 보급이 증대되고 있다. 본 연구에서는 대수층 축열 지열원 열펌프 시스템에 대한 실증 연구를 통하여 대수층 축열 지열원 열펌프 시스템의 하절기 냉방 성능을 분석하였다. 대수층 축열 냉난방 시스템은 주입정과 양수정의 2개의 우물공이 설치되어 있으며, 겨울 난방 운전 중에 한 개의 우물공으로부터 지하수를 열펌프로 유입한 후 낮은 온도의 지하수를 타 우물공에 축열하고, 하절기에 겨울에 저온으로 축열된 우물공으로부터 지하수를 열펌프로 유입하여 온도가 증가된 지하수를 타 우물공에 주입한다. 즉, 계절별로 열펌프에서 생성된 냉수와 온수의 대수층 축열을 위하여 계절별로 주입정과 양수정이 바뀌게 된다. 본 연구의 대수층 축열 지열원 열펌프 시스템의 2009년 8월의 주요일자별 시스템 운전 중의 평균 냉방 열펌프 유닛 COP와 냉방 시스템 COP는 각각 4.7과 3.4이상의 우수한 성능을 나타냈다. 또한, 모든 일자에 대하여 외기온도가 $31.6^{\circ}C$서 $22^{\circ}C$까지 변화가 크게 나타났지만 열펌프 유닛 COP와 시스템 COP의 변화는 미소하였다. 이는 양수정으로부터의 지중 순환수가 운전기간 중에 $17.5^{\circ}C$로 일정하게 유지되었기 때문이다. 양수정과 주입정 사이에 5개의 관측공을 설치하였으며, 양수정 측에 인접한 관측공의 온도는 거의 변화가 없었으며, 단기간이지만 널리 사용되고 있는 수직밀폐형 시스템과 달리 지속적인 냉방운전 중의 양수 온도의 증가는 발생하지 않아 안정적인 성능을 나타냈다. 주입정에 인접한 모니터링 홀의 온도는 심도가 깊은 곳의 온도가 낮은 곳보다 높게 나타났다. 이는 냉방 운전 시 열펌프 유닛의 실외열교환기에서 지중 순환수가 냉매로부터 열을 취득하여 온도가 상승하면서 주입정측에 온열이 축열이 진행되었기 때문으로 분석되며, 하절기의 냉방 운전 시간이 증가할 경우 축열 효과는 더욱 증가할 것으로 예상된다. 양수정과 주입정 중간의 모니터링 홀의 온도는 2009년 8월 가동 중에 온도변화는 없었는데, 이는 양수정과 주입정 사이의 열간섭이 발생하지 않았기 때문으로 분석된다. 일자별로 운전 중의 열펌프 유닛 COP는 차이가 없었지만, 운전 및 정지 시간을 모두 포함한 시스템 소비전력과 냉방용량을 모두 합산하여 산정한 일일 평균 냉방 열펌프 유닛 COP와 냉방 시스템 COP는 일자별로 다소 차이가 발생하였는데, 이는 각 일자별로 열펌프 유닛 가동율의 차이로 인하여 열펌프 유닛 가동 전에 먼저 작동되는 지중순환펌프의 운전 소비전력의 차이와 열펌프의 단속운전 시의 열손실과 추거 소비전력의 차이 때문이다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2017.05a
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• pp.387-387
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• 2017

인공함양 시설을 설계 및 운영하는 단계에서 설치 예정부지의 자연적 특성(지형, 지질, 기후 등)과 인공적 특성(주입정과 양수정의 거리, 주입량, 양수량 등)은 중요한 인자라고 볼 수 있다. 인공함양 예정 부지의 개념모델을 설정하고 수리전도도와 이격거리(주입정과 양수정의 직선거리)에 대한 민감도 분석을 수행하였다. 인공함양 예정 부지는 충적대수층이며, 인공함양 주입량과 양수량은 $150m^3/day$로 동일하게 설정하였다. HydroGeoSphere 모델링을 통한 민감도 분석은 수리전도도($10^{-1}cm/sec$, $10^{-2}cm/sec$, $10^{-3}cm/sec$, $10^{-4}cm/sec$)와 이격거리(10 m, 50 m, 100 m) 조건에 대해 총 12회 수행하였다. 수리전도도가 $10^{-1}cm/sec$ 및 $10^{-2}cm/sec$인 경우의 모델링 결과, 이격거리가 100 m 범위 이내에서는 지하수위 변동이 발생하지 않았다. 수리전도도가 $10^{-3}cm/sec$인 경우의 모델링 결과, 이격거리가 10 m일 때 5 m 이내의 수위하강이 발생하고 영향반경은 약 14 m 정도로 나타났고, 이격거리가 50 m일 때 5 m 이내의 수위하강이 발생하고 영향반경은 약 31 m 정도로 나타났고, 이격거리가 100 m일 때 5 m 이내의 수위하강이 발생하고 영향반경은 약 34 m 정도로 나타났다. 수리전도도가 $10^{-4}cm/sec$인 경우의 모델링 결과, 이격거리가 증가할수록 양수에 의한 수위하강과 영향반경이 증가하였으며, 낮은 수리전도도로 인해 양수로 인한 수두손실을 회복할 수 없었기에 양수정 주변에서 반경 수십 m 이상의 수두하강 영역을 형성하고 주입정 근처에서는 주입속도가 대수층의 투수능력에 비해 상당히 높기 때문에 5 m 정도의 수위상승이 나타났다. 모델링 결과를 분석하여, 수리전도도가 $10^{-3}cm/sec$ 이하이고 이격거리가 10 m 범위 이상인 충적대수층에 $150m^3/day$를 주입하면서 동시에 $150m^3/day$를 양수하는 시스템에서는 지하수위변동이 발생하므로 주입량과 양수량의 조절이 필요하다는 것을 확인하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2009.06a
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• pp.596-599
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• 2009

대수층 축열 시스템(ATES)의 효율은 지중에 저장된 열 사이의 간섭에 의해 결정이 되며, 열 간섭에 영향을 미치는 요인들은 시추공 간 이격거리, 대수층의 수리 전도도, 주입/양수량 등이 있다. 따라서 이 연구에서는 지하수-지열 거동 모델링을 통하여 열 간섭이 일어나는 현상과 열 간섭이 시스템 효율에 미치는 영향을 분석하였다. 모델링 결과로부터 이격거리는 작을수록 그리고 대수층의 수리전도도와 주입/양수량은 클수록 열 간섭이 잘 일어나는 것을 확인하였고, 열 간섭 계수가 1일 때는 시스템 효율이 상대적으로 크게 낮아지고, 열 간섭 계수가 1 미만일 때는 변화가 미미한 것을 확인하였다. ATES 를 이용한 냉난방 시스템을 시공 하고 있는 안성 연구지역에 대한 장기 예측 모델링을 수행 하였다. 모델링 결과 이격거리가 80 m 이고, 주입/양수량이 100 $m^3/day$ 일 때, 시스템 가동 7년경과 뒤 여름철과 겨울철에 계산된 시스템 효율은 각각 36 RT 와 31 RT 로 나타났다. 따라서 주입/양수량을 100 $m^3/day$로 했을 때, 냉난방 대상건물의 필요 부하인 20 RT 를 충분히 충족할 수 있을 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korean Society of Soil and Groundwater Environment Conference
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• 2005.04a
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• pp.415-419
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• 2005

대수층 저장 및 회수(ASR)기술의 현장 적용성을 평가하기 위하여 경상북도 울릉군 울릉읍 저동천 상류부근에서 양수시험 및 주입시험을 실시하였다. 양수시험결과 투수계수는 $48.7m^2/day$ 이고, 저류계수는 0.009이며, 비양수량은 $158.2m^2/day$로 계산되었다. 또한 시험정과 관측정은 거의 위상차 없이 같은 수위강하 경향을 보여주며 취수정은 관측정보다 평균적으로 10cm 정도 더 높은 수위강하 폭을 보여주는 것으로 미루어 볼 때 시험정과 관측정의 두 지점은 서로 수리지질학적으로 긴밀히 연결되어 있는 하나의 시스템임을 강하게 시사한다. 이외에도 주입시험 결과 암반구간 대수층은 낮은 투수계수를 가질 뿐만 아니라 낮은 저류계수를 가지기 때문에 ASR에 불리한 조건을 가짐을 알 수 있다. 그러나 상부 충적층 구간에서 실시한 주입시험 결과, 두 지점은 긴밀히 연결된 하나의 시스템으로 두 지점의 심부 암반층과의 연결성은 없고, 대신 상부의 높은 투수계수를 가지는 충적층 구간이 두 지점사이에 서로 긴밀히 연결되어 있는 것으로 파악된다. 또한 잔류 수위가 0으로 떨어지는 것으로 볼 때 주입된 주입수는 저장되지 않고 인근의 저동천으로 빠져나가는 것으로 사료된다. 이상의 사실로 볼 때 본 연구지역은 ASR에 불리한 조건을 가지는 지역으로 최종적으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2016.05a
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• pp.328-328
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• 2016

우리나라는 생활용수의 대부분을 지표수에 의존하고 있는 실정이다. 그러나 지표수는 가뭄과 같은 기상변화, 수질사고 등으로 물 공급의 안정성에 문제가 되기도 한다. 향후 기후변화는 가뭄의 빈도와 강도를 증대시킬 것으로 파악되므로 수질 및 수량의 문제를 더욱 악화시킬 것으로 예상된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 지표수를 대수층 내에 인공적으로 함양한 뒤 대수층의 자연정화 기능에 의해 여과된 양질의 청정원수를 생산하는 기술을 본 연구에서 현장에 실증 적용하는 시설을 구축하였다. 이러한 기술은 기존의 지하 대수층을 이용하는 강변여과 등이 갖는 장점을 취하고 단점을 보완하였으며 친환경적이며 지속가능한 용수공급뿐만 아니라 청정 원수 확보를 통해 정수처리비용을 절감, 장기간의 가뭄이나 지표수 수질사고 시에 비상용수 공급 등 기존 취수원들과 달리 많은 장점을 갖고 있는 대규모 청정지하저수지 시험시설이다. 청정 지하저수지 기술이 주로 적용되는 지역은 해안지역 또는 하구 델타지역을 대상으로 한다. 해안 또는 델타지역은 해수침투로 인하여 염지하수가 부존되어 있기 때문에 지하수자원 활용에 매우 제한적이다. 따라서 지표수(담수)를 전처리하여 대수층에 인공적으로 함양을 하여 염지하수 대수층 안에 담지하수(담수체)를 형성할 수 있다. 이는 염수와 담수의 밀도차에 의해 희석되지 않는 특성을 이용한 기술이다. 청정 지하저수지 시험시설은 크게 지표수 취수시설, 전처리시설, 주입정, 양수정, 운영시스템으로 나눌 수 있다. 주입정 및 양수정은 원형의 형태로 지하저수지 조성범위 중심부에 9개의 주입정과 외각에 8개의 양수정을 설치하였다. 시험시설의 운영 과정은 하천수를 취수하여 전처리시설에서 탁도를 제거한 후, 피압대수층 염지하수에 동력으로 주입을 한다. 이때 기존에 부존되어 있던 염지하수를 밀어내고 담수체 지하수 형성을 유도한다. 일정기간 주입을 통해 목표 담수체를 만들어 내면 양수정에서 담수를 취수하되, 대수층의 모래자갈층을 일정거리 이동하여 취수하는 방식이다. 즉, 하천수를 대수층에 함양하고, 일정거리를 이동하여 취수하는 ASTR 방식의 대체수자원 확보 기술이다. 시험시설은 통합운영센터를 통해 원격감시 및 각종 제어/계측을 실시하며, 모니터링된 자료는 운영시스템에서 관리한다. 본 연구시설에서는 대수층 주입, 관정폐색, 미생물/지화학 수질반응, 지하수모니터링, 지반변형 등이 주요 핵심 연구를 진행하고 있도록 시설을 구성하였다. 본 시험시설은 2015년 8월 착공하여 2016년 4월에 완공 예정이며, 2016년 3월부터 주입을 시작하여 6개월간 피압대수층에 주입을 실시하고 이후부터 주입과 양수를 병행할 계획이다.

• Journal of Soil and Groundwater Environment
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• v.10 no.4
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• pp.54-61
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• 2005

An aquifer thermal energy storage (ATES) system can be very cost-effective and renewable energy sources, depending on site-specific parameters and load characteristics. In order to develop the ATES system which has certain hydrogeological characteristics, understanding the thermohydraulic process of an aquifer is necessary for a proper design of an aquifer heat storage system under given conditions. The thermohydraulic transfer for heat storage was simulated according to two sets of simple pumping and waste water reinjection scenarios of groundwater heat pump system operation in a two-layered aquifer model. In the first set of the scenarios, the movement of the thermal front and groundwater level was simulated by changing the locations of injection and pumping wells in a seasonal cycle. However, in the second set the simulation was performed in the state of fixing the locations of pumping and injection wells. After 365 days simulation period, the shape of temperature distribution was highly dependent on the injected water temperature and the distance from the injection well. A small temperature change appeared on the surface compared to other simulated temperature distributions of 30 and 50 m depths. The porosity and groundwater flow characteristics of each layer sensitively affected the heat transfer. The groundwater levels and temperature changes in injection and pumping wells were monitored and the thermal interference between the wells was analyzed to test the effectiveness of the heat pump operation method applied.

• Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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• v.27 no.5
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• pp.353-357
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• 2015

A new method is proposed for water resources using aquifers in coastal areas. These aquifers are generally filled with saline water due to seawater intrusion and consequently being left unutilized. Surface water can be injected into these aquifers and recovered for water quality enhancement and stored water. Injection and pumping wells are used. For this technique to be successful protection of pumping well from seawater intrusion is an essential issue. Salt water pumping can be used to prevent saline water upconing. Numerical analysis demonstrated that a properly designed and executed salt water pumping well can protect a freshwater pumping well from salt water intrusion.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2020.06a
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• pp.25-25
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• 2020

최근 기후변화와 함께 한국은 매년 가뭄이 지속적으로 발생하고 있으며 피해지역도 다양하게 나타나고 있다. 이에, 가뭄에 능동적으로 대처하고, 지하수자원을 확보할 수 있는 인공함양 및 취수시설의 실증시설을 구축하여 상시 가뭄지역을 대상으로 적용하고자 한다. 최종적으로 연구지역의 소규모 평탄지 하천 중·상류지역 충적층에 인공함양을 통해 가뭄대책 마련을 위한 인공 주입시설을 설치하고, 대수층 발달이 양호한 하류지역에 수평집수정을 이용한 취수시설을 설치하여 취수-공급의 지속적인 순환방식의 통합적인 인공주입·취수시스템을 구축하고자 한다. 연구지역은 가뭄 및 상수도 미 보급지역으로 인해 제한급수가 이루어지고 있는 충청남도 홍성군 운곡리 지역을 대상으로 하였으며, 연구지역 주 대수층인 충적층은 시추조사 결과 지표하 0.5~12.3m에 분포하며, 실트질 모래 및 실트질 자갈로 구성되어있다. 대수층의 수리성은 양수 및 회복시험결과 3.79×10-4~7.71×10^-3(평균 3.13×10^-3)cm/sec로 인공함양을 위한 지반 특성으로 양호한 수리특성을 보인다. 본 연구에서는 연구지역의 지층분포 및 수리지질특성을 고려하여 현장시험 대수층에 인공함양 방법 중 Ditch 및 Ditch+injection Well을 설치하고 공경, 여재등 여러인자에 따른 인공 주입에 의한 함양특성과 수위변동 모니터링을 분석하였으며, 분석결과를 토대로 향후 최적의 취수시설을 구축하여 국내 상시 가뭄지역의 대체수자원확보와 용수공급 방안으로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2009.05a
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• pp.1924-1928
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• 2009

다중패커시스템은 격리된 어느 특정 구간의 지하수를 채수할 수 있으며 그 구간의 온도, 압력 등의 자료를 연속적으로 관측할 수 있어 이를 통해 각 구간별 수리전도도를 구할 수 있다. 심도별 수직적 지하수두는 지상에서 연결 롯드를 통해 압력 측정 센서를 해당 심도까지 내려 롯드에서 설치된 압력 측정용 장비에서 관측할 수 있으며, 다중패커시스템을 이용한 수리시험으로는 양수시험, 순간충격시험, 간섭시험 등이 있는데, 본 논문에서는 순간충격시험을 이용한 결과를 제시하였다. 도출된 구간별 수리전도도를 다중패커시스템을 설치하기 전 나공에서 이중 패커를 이용한 정압주입시험의 결과와 비교하여 보았다. 다중패커시스템을 통해 획득된 심도별 지하수두는 정수두 (hydro-static)상태의 일정한 경향성이 없이, 각 심도에 존재하는 투수성 구조에 영향을 보이고 있음을 알 수 있었으며, 이는 다수의 관측공을 통해 수평 방향의 수리경사를 산출함에 있어 관측공의 심도에 대한 충분한 고려가 있어야 한다고 판단된다. 또한, 다중패커시스템을 이용한 수리시험 결과를 나공 상태에서 이중 패커를 이용한 정압주입시험 결과에 대해 심도별 도출되는 수리전도도가 국지적으로 분포하는 투수성 구조에 영향으로 인해 투수량계수 (transmissivity)로 환산한 유효 투수계수로 비교하여 결정질 암반의 수리 특성으로 제안하는 것이 타당한 것으로 분석되었다.