수문 지질학

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수문 지질학(수문 지질학, 수문 지질학)은 지각의 토양과 암석(일반적으로 대수층)에서 지하수의 분포와 이동을 다루는 지질학 분야이다.지하수 수문학, 지질학, 수문 지질학이라는 용어는 종종 서로 바꿔서 사용된다.

수문 지질학은 지하수의 이동, 다공질 고체와 이 물의 기계적, 화학적, 열적 상호작용, 흐름별 에너지, 화학적 성분 및 입자 물질의 운송을 지배하는 법칙에 대한 연구이다(Domenico and Schwartz, 1998).

수문 지질학의 다른 이름인 지하수 공학은 지하수의 이동과 우물, 펌프, ^[1]배수구 설계에 관련된 공학 분야이다.지하수 엔지니어링의 주요 관심사에는 지하수 오염, 물자 보존,^[2] 수질 등이 포함된다.

유정은 개발도상국 및 수도 시스템에 연결되지 않은 선진국에서 사용하기 위해 건설되었습니다.유정은 대수층의 무결성을 유지하고 오염물질이 지하수에 도달하는 것을 방지하도록 설계되고 유지되어야 한다.지하수 사용이 지표수 시스템에 영향을 미치거나 인간 활동이 지역 대수층 시스템의 무결성을 위협할 때 지하수 사용에 대한 논란이 발생한다.

서론

수문 지질학은 학문 간 과목이다; 토양, 물, 자연과 사회 사이의 화학적, 물리적, 생물학적 그리고 심지어 법적 상호작용을 완전히 설명하기는 어려울 수 있다.지하수의 움직임과 지질 사이의 상호작용에 대한 연구는 매우 복잡할 수 있다.지하수가 항상 지표면 지형을 따르는 것은 아니다. 지하수는 압력 경사(고압에서 저압으로의 흐름)를 따르며, 종종 회로 경로의 균열과 도관을 통과한다.다중 구성 요소 시스템의 다른 측면의 상호작용을 고려하는 것은 종종 실험 및 이론적 수준 모두에서 여러 다양한 분야의 지식을 필요로 한다.다음은 포화 지하 수문학의 방법과 명명법에 대한 보다 전통적인 소개입니다.

다른 분야와 관련된 수문 지질학

위에서 설명한 바와 같이 수문 지질학은 대수층 및 기타 얕은 다공질 매체(일반적으로 지표면 아래 450m 이하)를 통한 물의 흐름을 다루는 지구과학의 한 분야이다.지표면(상부 3m)의 매우 얕은 물의 흐름은 수문 지질학뿐만 아니라 토양 과학, 농업 및 토목 공학 분야와 관련이 있다.지질학자, 지구물리학자 및 석유 지질학자의 관심사는 깊은 층의 유체(물, 탄화수소, 지열 유체 등)의 일반적인 흐름이다.지하수는 느리게 움직이는 점성 유체이며(레이놀즈 수치가 단일성보다 작음), 경험적으로 도출된 많은 지하수 흐름 법칙은 스토크스 흐름의 특수한 경우(점도와 압력 항, 관성 항 없음)에서 유체 역학에서 교대로 도출될 수 있습니다.

다공질 매체를 통한 물의 흐름을 설명하는 데 사용되는 수학적 관계는 다아시의 법칙, 확산 방정식 그리고 라플라스 방정식으로, 다양한 분야에서 응용된다.안정된 지하수 흐름(라플라스 방정식)은 전기, 탄성 및 열 전도 유추를 사용하여 시뮬레이션되었다.과도 지하수 흐름은 고체에서 열이 확산되는 것과 유사하므로, 수문학적 문제에 대한 일부 해결책은 열 전달 문헌에서 채택되었다.

전통적으로 지하수의 이동은 지표수, 기후학, 그리고 심지어 수문 지질학의 화학적, 미생물학적 측면과 별도로 연구되어 왔다.수문 지질학 분야가 성숙함에 따라 지하수, 지표수, 물 화학, 토양 수분 그리고 심지어 기후 사이의 강한 상호작용이 더욱 뚜렷해지고 있다.

캘리포니아와 워싱턴은 둘 다 대중에게 전문적인 서비스를 제공하기 위해 수문 지질학자의 특별 인증을 요구합니다.29개 주는 지질학자가 대중에게 서비스를 제공하기 위해 전문 면허를 필요로 한다. 이 면허에는 지하수 ^[3]자원 개발, 관리 및/또는 교정 분야의 작업이 포함된다.

예를 들어 대수층 감소 또는 초과 인출과 화석수의 펌핑은 해수면 ^[4]상승에 기여하는 요인일 수 있다.

과목들

수문 지질학자가 전형적으로 수행하는 주요 업무 중 하나는 과거와 현재의 관측 분석을 바탕으로 대수층 시스템의 미래 거동을 예측하는 것이다.가정적이지만 특징적인 질문은 다음과 같습니다.

• 대수층이 다른 구획을 지탱할 수 있을까요?
• 농부가 관개를 두 배로 하면 강이 마를까요?
• 드라이 클리닝 시설에서 나온 화학 물질이 대수층을 통과해서 제 우물까지 흘러와서 아픈 건가요?
• 옆집 정화 시스템에서 나오는 폐수가 식수로 잘 흐를까요?

이러한 질문의 대부분은 (숫자 모델 또는 분석 방정식을 사용하여) 수문 시스템의 시뮬레이션을 통해 해결할 수 있다.대수층 시스템의 정확한 시뮬레이션을 위해서는 대수층의 특성과 경계 조건에 대한 지식이 필요합니다.그러므로, 수문 지질학자의 공통적인 임무는 대수층 시험을 이용하여 대수층의 특성을 결정하는 것이다.

대수층과 대수층을 더욱 특징짓기 위해 몇 가지 1차 및 파생된 물리적 특성이 아래에 소개되어 있다.대수층은 일반적으로 제한되거나 정제되지 않은(물 테이블 대수층) 또는 포화 또는 불포화 중 하나로 분류된다. 대수층의 유형은 해당 매체에서 물의 흐름을 제어하는 특성에 영향을 미친다(예: 제한된 대수층을 위한 저장소에서 물의 방출은 저장성과 관련이 있지만 특정 yi와 관련이 있다.(정제되지 않은 대수층을 위한 엘드).

대수층

대수층은 표면 아래에 있는 물의 집합체이며, 샘이나 우물에서 유용하게 쓰이기에 충분히 크다.대수층의 상단이 수표에 의해 정의되거나 제한되는 경우, 대수층은 밀폐층 ^[5]아래에 존재할 수 있는 경우, 대수층은 분리될 수 있다.

대수층의 성질을 통제하는 세 가지 측면이 있다: 층서학, 암석학, 그리고 지질 형성과 퇴적물.층서학은 대수층을 구성하는 많은 층들의 나이와 기하학적 구조를 관련짓는다.암석학은 광물 성분과 입자 크기와 같은 대수층의 물리적 구성 요소를 말한다.구조적 특징은 골절이나 접힘 등 퇴적 후 변형으로 인해 발생하는 요소입니다.이러한 측면을 이해하는 것은 대수층이 어떻게 형성되고 전문가들이 지하수 엔지니어링에 ^[6]어떻게 활용할 수 있는지에 대한 이해에 가장 중요하다.

유압 헤드

유압 헤드(h)의 차이로 인해 물이 한 곳에서 다른 곳으로 이동하고, 물은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐릅니다.유압헤드는 압력헤드(θ)와 승강헤드(z)로 구성된다.헤드 구배는 유로의 길이당 유압 헤드의 변화이며, Darcy의 법칙에서 유량에 비례하는 것으로 나타납니다.

유압 헤드는 (z 항에 포함된 임의 기준 때문에) 모든 값을 취할 수 있는 직접 측정 가능한 특성입니다. 압력 변환기를 사용하여 δ를 측정할 수 있습니다(예: 흡입은 음수이지만 포화 대수층에서는 양수임). z는 조사 기준(일반적으로 웰 케이스의 상단)에 대해 상대적으로 측정할 수 있습니다.) 일반적으로 유정을 탭핑하는 비정제 대수층에서는 압력의 수직 경사가 없다고 가정하여 유정의 수위를 유압 헤드의 대용물로 사용한다.종종 유압 헤드의 시간 경과 변화만 필요하므로 일정한 상승 헤드 항을 생략할 수 있습니다(δh = δδ ） 。

유정에서의 유압 헤드 통과 시간의 기록은 하이드로그래프 또는 테스트에서 유정을 펌핑하는 동안 기록된 유압 헤드의 변화를 드로다운이라고 합니다.

투과성

다공성(n)은 직접 측정할 수 있는 대수층 특성으로, 0과 1 사이의 비율로, 비고결 토양 입자 사이 또는 부서진 암석 내 모공 공간의 양을 나타냅니다.일반적으로 지하수(및 그 안에 녹아 있는 것)의 대부분은 흐를 수 있는 다공성(유효 다공성이라고도 함)을 통해 이동합니다.투과성은 모공의 연결성의 표현이다.예를 들어, 골절되지 않은 암석 유닛은 다공성(구성 입자 사이에 많은 구멍이 있음)은 높지만 투과성은 낮을 수 있습니다(공극이 연결되어 있지 않음).이 현상의 예로는 경석이 있는데, 경석이 골절되지 않은 상태일 때 대수층이 잘 되지 않을 수 있습니다.

다공성은 대수층의 유압 헤드 분포에 직접적인 영향을 미치지 않지만, 반비례 관계를 통해 지하수 흐름 속도에 영향을 미치기 때문에 용해된 오염물질의 이동에 매우 강한 영향을 미친다.

다아시의 법칙은 다공질 매체를 통한 물 또는 다른 유체의 움직임을 연구하는 데 일반적으로 적용되며, 많은 수문 지질학적 분석의 기초를 구성합니다.

수분 함량

수분 함량())은 또한 직접적으로 측정 가능한 특성이며, 액체 물로 채워진 전체 암석의 비율이다.이 값도 0과 1 사이의 소수이지만 총 다공성보다 작거나 같아야 합니다.

수분 함량은 물 함량의 강한 비선형 함수인 vadose zone 수문학에서 매우 중요합니다. 이는 불포화 지하수 흐름 방정식의 해법을 복잡하게 합니다.

유압 전도율

유압 전도율(K)과 투과율(T)은 간접 대수층 특성입니다(직접 측정할 수 없음).T는 대수층의 수직두께(b)에 걸쳐 적분된 K이다(K가 전체 두께에 걸쳐 일정할 경우 T=Kb).이러한 특성은 대수층이 물을 전달하는 능력의 척도이다.고유투과성(δ)은 유체의 점도와 밀도(K와 T는 물에 특유)에 의존하지 않는 2차 매체 특성으로 석유 산업에서 더 많이 사용된다.

특정 스토리지 및 특정 수율

비저장고(S_s) 및 깊이 적분 등가물 저장량(S_s=Storageivity)은 간접 대수층 특성(직접 측정할 수 없음)으로, 제한 대수층의 단위 감압에 의해 저장에서 방출되는 지하수의 양을 나타낸다.0과 1 사이의 분수입니다.

비수율(S_y)도 0과 1의 비율(S_y por 다공도)이며, 비수층의 수위를 낮추어 배수하여 방출되는 물의 양을 나타낸다.분자간 힘으로 인해 배수 후에도 일부 물이 배지에 남아 있기 때문에 특정 수율 값은 다공성 값보다 작습니다.종종 다공성 또는 유효 다공성이 특정 수율에 대한 상한으로 사용됩니다.일반적으로_y S는 S보다_s 큰 규모입니다.

단층대 수문 지질학

단층대 수문 지질학은 부서지기 쉬운 기형 암석이 쇄설암, 화성암, 탄산암과 같은 다양한 암석학적 환경에서 유체 흐름을 어떻게 변화시키는지에 대한 연구입니다.투과성으로 정량화할 수 있는 유체 이동은 단층대의 ^[7]존재로 인해 촉진되거나 방해될 수 있습니다.이것은 다른 메커니즘과 변형된 암석이 다공성을 변화시키고, 따라서 단층대 내 투과성을 변화시킬 수 있기 때문이다.관련된 액체는 일반적으로 지하수(담수 및 해수)와 탄화수소(석유 및 가스)^[8]입니다.단층대는 풍화대 두께를 증가시켜 지하수 ^[9]재충전에 도움이 되는 취약대이기 때문이다.단층과 함께, 골절과 이탈은 주로 단단한 바위 ^[9]지형에서 지하수를 촉진한다.

오염물질 수송 특성

우리는 종종 움직이는 지하수가 용해된 오염물질을 어떻게 (오염물질 수문 지질학의 하위 분야) 주위로 운반하는지에 관심이 있다.인공 오염물질(예: 석유제품, 질산염, 크롬 또는 방사성핵종) 또는 자연적으로 발생하는 오염물질(예: 비소, 염분)은 이류(침출 속도 확산으로 흐름의 주요 방향을 따라 이동)의 세 가지 주요 메커니즘을 통해 운반될 수 있다(높은 농도에서 낮은 농도로의 이동).as) 및 분산(침출 ^[10]속도에 상대적인 다공질 매체 및 비침투 속도 분포에 존재하는 마이크로스케일 이질성 때문에)지하수가 어디에서 흐르고 있는지를 이해할 필요가 있을 뿐만 아니라 위에서 설명한 다른 수문학적 특성에 기초하여 용해된 오염물질이 지하수와 함께 이동하는 방법에 영향을 미치는 추가적인 대수층 특성이 있다.

유체역학적 분산

유체역학적 분산성(α_LT, α)은 얼마나 많은 오염물질이 그것을 운반하는 지하수의 경로에서 벗어나는지를 수량화하는 경험적 요인이다.오염물질 중 일부는 평균 지하수의 "뒤로" 또는 "앞쪽으로" 이동하며 종방향 분산성_L(α)을 발생시키고, 일부는 순수 이류 지하수 흐름의 "옆으로" 이동하여 횡방향 분산성_T(α)을 초래할 것이다.지하수의 분산은 토양 입자를 지나는 각 물 "입자"가 왼쪽이든 오른쪽이든 위쪽이든 아래쪽이든 어디로 갈지 선택해야 하기 때문에 발생하며, 따라서 물 "입자"(및 그 용질)가 평균 경로 주변의 모든 방향으로 점차 확산된다.이것은 토양 입자의 크기에 대한 "현미경" 메커니즘입니다.보다 중요한 것은, 먼 거리에 걸쳐, 대수층의 거시적 불균일성일 수 있다. 대수층은 더 크거나 더 작은 투과성의 영역을 가질 수 있다. 그래서 어떤 물은 한 방향으로, 어떤 물은 다른 방향으로 선호 경로를 찾을 수 있다. 따라서 오염물질이 완전히 불규칙한 방식으로 확산될 수 있다(3차원).l) 강 삼각주

분산성은 실제로 시뮬레이션하고 있는 시스템에 대한 정보가 부족한 요인입니다.대수층에 대해서는 거시적 접근법(예: 모래 대수층의 자갈과 점토의 작은 층)을 사용할 때 효과적으로 평균을 내는 많은 세부 사항이 있다. 이들은 명백한 분산성으로 나타난다.이러한 이유로 α는 종종 문제의 길이 척도에 의존한다고 주장된다. 즉, 대수층³ 1m를 통한 운반에서 발견된 분산성은 동일한 대수층 물질의 ^[11]1cm를³ 통한 운반에서 발견된 분산성과 다르다.

분자 확산

확산은 알버트 아인슈타인이 브라운 운동이라고 특징지은 기본적인 물리 현상이며, 기체와 액체에서 분자와 작은 입자의 무작위 열 움직임을 묘사합니다.이것은 작은 거리에 대한 중요한 현상이지만(열역학적 평형 달성에 필수적이지만), 확산에 의해 거리를 커버하는 데 필요한 시간은 거리 자체의 제곱에 비례하기 때문에 거시적 거리에 용질을 확산시키는 데는 효과적이지 않다.확산 계수 D는 일반적으로 매우 작으며, 그 영향은 무시할 수 있는 것으로 간주될 수 있다(점토 대수원에서와 같이 지하수 흐름 속도가 매우 낮은 경우를 제외하고).

확산은 물리적 현상이고 후자는 확산과 유사한 형태로 주조되는 경험적 요소이기 때문에 확산과 분산을 혼동하지 않는 것이 중요하다. 왜냐하면 우리는 이미 그 문제를 해결하는 방법을 알고 있기 때문이다.

흡착에 의한 지각

지연 인자는 오염물질의 움직임이 평균 지하수 운동에서 벗어나게 하는 또 다른 매우 중요한 기능입니다.그것은 크로마토그래피의 지연인자와 유사하다.단순히 오염물질을 확산시키는 확산과 분산과는 달리 지연계수는 지구 평균 속도를 변화시켜 물의 속도보다 훨씬 느릴 수 있다.이는 화학-물리적 영향 때문입니다. 토양에 대한 흡착은 오염물질을 억제하고 화학적 흡착 평형에 해당하는 양이 흡착될 때까지 진행되지 못하게 합니다.이 효과는 수용성이 낮은 오염물질에 특히 중요하며, 따라서 물보다 수백 배 또는 수천 배 느리게 이동할 수 있습니다.이 현상의 효과는 오직 더 많은 용해성 종만이 먼 거리를 커버할 수 있다는 것이다.지연 인자는 오염물질과 대수층의 화학적 성질에 따라 달라집니다.

역사와 발전

헨리 다아시: 19세기

헨리 다아시는 다공질 물질을 통해 유체의 흐름을 발전시킨 프랑스 과학자였습니다.그는 모래 기둥을 통과하는 유체의 움직임을 연구하는 실험을 했다.이 실험들은 다공성이 높은 매체를 통한 유체 흐름을 설명하는 다아시의 법칙을 결정하게 했다.다아시의 연구는 양적 수문 지질학의 ^[12]시초로 여겨진다.

오스카 에드워드 마인저: 20세기

오스카 에드워드 마인저는 종종 "현대 지하수 수문학의 아버지"라고 불리는 미국의 과학자였습니다.그는 발생, 이동 및 배출에 관한 정해진 원칙뿐만 아니라 해당 분야의 주요 용어를 표준화했습니다.그는 물의 흐름이 다아시의 법칙을 따른다는 것을 증명했다.그는 또한 우물에서 지구물리학적 방법과 기록기의 사용을 제안했고, 대수층의 특성에 대한 정량적 정보를 수집하기 위해 펌핑 테스트를 제안했다.마인저는 또한 물의 지구화학과 대수층의 ^[13]높은 염도 수치의 영향을 연구하는 것의 중요성을 강조했다.

지배 방정식

다아시의 법칙

다아시의 법칙은 1856년 헨리 다아시에 의해 경험적으로 도출된 구성 방정식으로, 대수층의 주어진 부분을 통해 방출되는 지하수의 양은 흐름의 단면적, 유압 경사도, 유압 전도도에 비례한다는 것입니다.

지하수 흐름식

지하수 흐름 방정식은 가장 일반적인 형태로 다공질 매체(수층 및 대수층)에서 지하수의 움직임을 설명한다.수학에서는 확산 방정식으로 알려져 있으며, 다른 분야에서는 많은 유사점을 가지고 있다.지하수 흐름 문제에 대한 많은 솔루션은 기존 열 전달 솔루션에서 차용되거나 채택되었다.

이것은 종종 다아시의 법칙을 사용한 물리적 기초와 작은 대조 체적을 위한 질량 보존에서 파생됩니다.이 방정식은 반지름 대칭을 가진 웰로의 흐름을 예측하는 데 자주 사용되므로 흐름 방정식은 일반적으로 극좌표 또는 원통좌표로 해결됩니다.

테이스 방정식은 지하수 흐름 방정식에 가장 일반적으로 사용되는 기본 솔루션 중 하나이며, 하나 또는 다수의 펌핑 웰의 영향으로 인한 헤드의 일시적인 진화를 예측하는 데 사용할 수 있다.

티엠 방정식은 정상 상태의 지하수 흐름 방정식(라플라스 방정식)에 대한 해입니다.(강이나 호수) 근처에 대규모 수원이 없는 한, 실제 정상 상태는 거의 달성되지 않는다.

위의 두 공식 모두 대수층 테스트(펌프 테스트)에서 사용됩니다.

Hoohoudt 방정식은 배관, 타일 배수구 또는 ^[14]도랑에 의한 지하수 배수에 적용되는 지하수 흐름 방정식이다.대체적인 지표하 배수 방법은 지하수 흐름 방정식을 이용할 ^[15]수 있는 유정에 의한 배수이다.

지하수 흐름 계산

지하수 흐름 방정식을 사용하여 유압 헤드의 분포 또는 지하수 흐름의 방향과 속도를 추정하려면 이 편미분 방정식(PDE)을 풀어야 합니다.수문 지질학 문헌에서 확산 방정식을 해석적으로 푸는 가장 일반적인 방법은 다음과 같습니다.

• 라플라스, 행켈 및 푸리에 변환(PDE의 치수 수를 줄이기 위해),
• 유사성 변환(볼츠만 변환이라고도 함)은 일반적으로 테이스 솔루션이 도출되는 방법입니다.
• 변수 분리 - 비직교 좌표에 더 유용합니다.
• Theis 솔루션을 도출하기 위한 또 다른 일반적인 방법인 Green의 함수는 기본 솔루션에서 자유 공간의 확산 방정식까지입니다.

지하수 흐름 방정식을 풀기 위해 어떤 방법을 사용하든, 초기 조건(시간(t) = 0)과 경계 조건(도메인의 물리적 경계 또는 해당 지점을 벗어난 도메인의 근사치를 나타냄)이 모두 필요합니다.종종 초기 조건은 해당하는 정상 상태 시뮬레이션(지하수 흐름 방정식의 시간 도함수가 0으로 설정됨)에 의해 과도 시뮬레이션에 공급된다.

(PDE)의 해결 방법에는 분석 방법, 수치 방법 또는 그 사이에 있을 수 있는 두 가지 범주가 있습니다.일반적으로 해석 방법은 단순화된 조건 하에서 지하수 흐름 방정식을 정확하게 푸는 반면, 수치 방법은 보다 일반적인 조건에서 근사치까지 해결한다.

분석 방법

해석 방법은 일반적으로 수학의 구조를 사용하여 단순하고 우아한 해법에 도달하지만, 가장 단순한 영역 기하학적 구조를 제외한 모든 것에 필요한 도출은 매우 복잡할 수 있습니다(비표준 좌표, 등각 매핑 포함).분석 솔루션은 일반적으로 몇 가지 기본 매개변수에 따라 신속하게 답변할 수 있는 방정식입니다.테이스 방정식은 지하수 흐름 방정식에 대한 매우 간단한(그러나 여전히 매우 유용한) 분석 솔루션으로, 일반적으로 대수층 테스트 또는 슬래그 테스트의 결과를 분석하는 데 사용됩니다.

수치법

수치적 방법의 주제는 상당히 크고, 분명히 공학 및 과학 전반의 대부분의 분야에서 사용된다.수치적 방법은 컴퓨터보다 훨씬 더 오래 사용되었습니다(1920년대에 리처드슨은 오늘날에도 여전히 사용되고 있는 유한한 차이 체계를 개발했지만, 그것들은 인간의 "계산기"에 의해 손으로 계산되었습니다). 그러나 빠르고 저렴한 개인용 컴퓨터를 이용할 수 있게 되면서 매우 중요해졌습니다.수문 지질학에서 사용되는 주요 수치적 방법과 가장 기본적인 원리에 대한 간단한 조사가 아래에 제시되어 있으며 지하수 모델 기사에서 더 자세히 논의된다.

수치 방법에는 그리드 또는 이산 방법과 그리드 또는 메시가 없는 방법의 두 가지 범주가 있다.공통 유한 차분법 및 유한 요소법(FEM)에서 도메인은 완전히 격자("작은 요소의 격자 또는 메시로 절단")된다.Analytic Element Method(AEM; 해석요소법) 및 BEM(Boundary Integrated Equional Method, BEM; 경계적분방정식법)은 경계 또는 흐름 요소(라인 싱크, 영역 소스 등)에 따라 분리되며 도메인의 대부분은 메쉬가 없습니다.

그리드 방식의 일반 속성

유한 차분 및 유한 요소 방법과 같은 격자형 방법은 문제 영역(영역)을 여러 작은 요소(제곱, 직사각형, 삼각형, 블록, 사면체 등)로 분할하고 각 요소의 흐름 방정식을 풀어서 지하수 흐름 방정식을 해결한다(모든 재료 특성은 일정하거나 선형 가변 위트로 가정함).원소 간 경계를 가로지르는 질량 보존을 사용하여 모든 요소를 연결한다(발산 정리와 유사).결과적으로 전체적으로 지하수 흐름 방정식에 근접하지만 경계 조건과 정확히 일치하는 시스템이 생성됩니다(헤드 또는 플럭스는 경계를 교차하는 요소에서 지정됨).

유한 차분은 이산 구간(δx 및 δt)을 사용하여 연속 미분 연산자를 표현하는 방법이며, 유한 차분 방법은 이를 기반으로 한다(Taylor 계열에서 파생됨).예를 들어, 1차 시간 도함수는 종종 다음과 같은 순방향 유한 차이를 사용하여 근사된다. 여기서 첨자는 이산적인 시간 위치를 나타낸다.

${\displaystyle {\frac h}{\frac t}=h'(t_{i})\약 {\frac {h_{i}-h_{i-1}{\Delta t}}입니다.}$

순방향 유한차이 근사치는 무조건 안정적이지만 암묵적인 방정식 집합으로 이어진다(이는 행렬 방법을 사용하여 풀어야 한다(예: LU 또는 콜레스키 분해).유사한 역방향 차이는 조건적으로만 안정적이지만 명시적이고 시간방향으로 전진하여 한 번에 하나의 그리드노드를 해결하는데 사용할 수 있습니다(또는 한 노드가 인접 노드에만 의존하므로 병렬로 처리).유한한 차이 방법보다는 때때로 공간에서 갤러킨 FEM 근사치가 사용된다(이것은 구조 공학에서 종종 사용되는 FEM의 유형과 다르다). 여전히 시간에 유한한 차이가 사용된다.

유한 차분 모델의 적용

MODFLOW는 일반적인 유한 차분 지하수 흐름 모델의 잘 알려진 예입니다.이것은 지하수 흐름을 모델링하기 위한 모듈식 확장 가능한 시뮬레이션 도구로 US 지질 조사국에 의해 개발되었다.USGS에 의해 개발, 문서화 및 배포된 무료 소프트웨어입니다.많은 상용 제품들이 그 주변에서 성장하여 입력 파일 기반 인터페이스에 그래픽 사용자 인터페이스를 제공하고 일반적으로 사용자 데이터의 사전 및 사후 처리를 통합하고 있습니다.다른 많은 모델은 MODFLOW의 단순하고 잘 문서화된 특성 때문에 여러 수문 과정(흐름 및 운송 모델, 지표수 및 지하수 모델 및 화학 반응 모델)을 시뮬레이션하는 링크된 모델을 가능하게 한다.

유한 요소 모델의 적용

유한 요소 프로그램은 설계에서 더 유연하며(삼각형 요소 대 대부분의 유한 차이 모델이 사용하는 블록 요소), 몇 가지 프로그램(USGS의 2D 또는 3D 밀도 의존 흐름 모델, 상용 불포화 흐름 모델인 Hydrus, 지하 흐름, 용질 및 용질을 위한 상업적 모델링 환경인 FEFLOW)이 있습니다.히트 교통 과정;OpenGeoSys,thermo-hydro-mechanical-chemical(THMC)을 사용이나 갈라진 다공성 물질에서 과학적 오픈 소스 프로젝트이며[16][17]콤솔 멀티 피직스(상업 일반 모델링 환경), FEATool Multiphysics MATLAB시뮬레이션 도구 상자 사용하기도 쉽고, 그리고 통합 물 유동 모델(IWFM),지만은 아직도 있다.내가 아니라MODFLOW처럼 수문 지질학자들에게 인기가 있다.유한 요소 모델은 대학 및 연구실 환경에서 더 인기가 있습니다. 전문 모델은 흐름 방정식의 비표준 형태(불포화 흐름, 밀도 의존 흐름, 결합된 열과 지하수 흐름 등)를 해결합니다.

유한 체적 모델의 적용

유한체적법은 편미분방정식을 대수방정식으로 ^{[18][19][full citation needed]}표현하고 평가하는 방법이다.유한 차분 방법과 마찬가지로, 값은 메쉬 지오메트리 상의 이산적인 장소에서 계산됩니다."무한 볼륨"은 메시의 각 노드 점을 둘러싼 작은 볼륨을 의미합니다.유한체적법에서는 발산항을 포함하는 편미분방정식에서의 체적분을 발산정리를 이용하여 표면적분으로 변환한다.그런 다음 이러한 항은 각 유한 부피의 표면에서 플럭스로 평가됩니다.소정의 부피로 들어가는 플럭스는 인접한 부피에서 나오는 플럭스와 동일하기 때문에 이들 방법은 보수적이다.유한 볼륨 방법의 또 다른 장점은 구조화되지 않은 메시를 허용하도록 쉽게 공식화할 수 있다는 것입니다.이 방법은 많은 계산 유체 역학 패키지에 사용됩니다.

PORFLOW 소프트웨어 패키지는 ACRi의 Analytic & Computational Research, Inc.에 의해 개발된 지하수 흐름 및 핵폐기물 관리의 시뮬레이션을 위한 포괄적인 수학 모델이다.

FEHM 소프트웨어 패키지는 Los Alamos National Laboratory에서 무료로 이용할 수 있습니다.이 다용도 다공질 흐름 시뮬레이터는 다상, 열, 응력 및 다성분 반응 화학을 모델링하는 기능을 포함합니다.현재 이 코드를 사용하는 작업에는 메탄 하이드레이트 생성 시뮬레이션₂, CO 격리, 오일 셰일 추출, 핵 및 화학 오염물질 이동, 불포화 구역 환경 동위원소 이동 및 카르스트 생성 등이 포함된다.

기타 방법

여기에는 분석 솔루션에 가까운 분석 요소 방법(AEM) 및 경계 요소 방법(BEM)과 같은 망사가 없는 방법이 포함되지만 어떤 식으로든 지하수 흐름 방정식에 근접한다.BEM과 AEM은 지하수 흐름 방정식(완벽한 질량 균형)을 정확하게 풀면서 경계 조건을 근사한다.이러한 방법은 보다 정확하고 훨씬 우아한 솔루션(분석 방법처럼)이 될 수 있지만, 아직 학술 및 연구 그룹 외부에서 널리 사용되는 것으로는 보이지 않습니다.

우물

우물이란 지하수를 굴착 또는 파서 펌프나 양동이 등을 사용하여 지표로 끌어올리는 장치이다.유정의 역사적인 첫 사례는 기원전 52세기 ^[20]오늘날의 오스트리아에서 있었다.오늘날, 우물은 개발도상국에서 미국 교외에 이르기까지 전 세계에서 사용되고 있다.

우물에는 크게 얕은 우물, 깊은 우물, 아테아식 우물 세 가지가 있습니다.얕은 유정은 막히지 않은 대수층을 파고들며, 일반적으로 깊이가 15미터도 안 되는 얕은 우물입니다.얕은 우물은 지름이 작아서 보통 15센티미터 ^[21]미만이다.깊은 유정은 제한된 대수층에 접근하며 항상 기계로 천공됩니다.모든 깊은 유정은 기계식 펌프를 사용하여 지표로 물을 끌어옵니다.아르세안 우물에서는 펌프나 다른 기계 장치를 사용하지 않고도 물이 자연스럽게 흐릅니다.이는 우물 상판이 물 ^[22]테이블 아래에 위치하기 때문입니다.

우물 설계 및 시공

지하수 공학과 수문 지질학의 가장 중요한 측면 중 하나는 우물 설계와 건설이다.지하수와 그 우물을 사용할 사람들의 건강을 유지하기 위해서는 적절한 우물 설계와 건설이 중요하다.우물 설계에서 고려해야 할 요인은 다음과 같습니다.

• 지속적인 물 공급을 제공하는 신뢰할 수 있는 대수층
• 접근 가능한 지하수의 수질
• 우물 모니터링 방법
• 우물 운영 비용
• 우물의 예상 수율
• 대수층에^[23] 구멍을 뚫기 전에

새로운 유정을 계획하고 건설할 때 고려해야 할 5가지 주요 영역이 위의 요인들과 함께 있습니다.다음과 같은 것이 있습니다.

• 대수층 적합성
• 「설계에 관한 고려사항
• 우물 굴착 방법
• 웰스크린 설계 및 개발
• Well Testing(^[24]우물 테스트)

대수층의 적합성은 대수층의 "USGS 보고서, 우물 로그 및 단면"을 사용하여 유정의 가능한 위치를 결정하는 것부터 시작됩니다.이 정보를 사용하여 깊이, 두께, 투과율 및 우물 수율 등의 대수층 특성을 결정해야 합니다.이 단계에서는 대수층의 수질도 파악해야 하며 오염물질을 ^[24]확인하기 위한 선별이 이루어져야 한다.

깊이 및 우물 수율 등의 요인이 결정되면 우물 설계 및 시추 접근법을 확립해야 합니다.시추공법은 "토양상태, 우물깊이, 설계, 비용"^[24]을 기준으로 선정한다.이 단계에서는 비용 견적을 작성하고 예산 요구에 맞게 계획을 조정한다.

웰의 중요한 부품에는 웰 씰, 케이스 또는 라이너, 드라이브 슈, 웰 스크린 어셈블리 및 모래 또는 자갈 팩(옵션)이 포함됩니다.이러한 각 구성 요소는 유정이 하나의 대수층에서만 끌어오고 ^[24]공정의 어느 단계에서든 누출이 발생하지 않도록 보장합니다.

유정을 건설할 때 사용할 수 있는 몇 가지 시추 방법이 있다.여기에는 "케이블 공구, 에어 로터리, 머드 로터리 및 Flooded reverse circulation 이중 로터리" 드릴링 ^[24]기술이 포함됩니다.케이블 공구 드릴링은 비용이 저렴하고 모든 유형의 웰에 사용할 수 있지만 정렬을 지속적으로 점검해야 하며 진행 속도가 느립니다.이는 통합 지형에 효과적인 시추 기술은 아니지만, 시추 면적이 작습니다.공기 회전식 드릴링은 비용 효율이 뛰어나며, 통합 포메이션에 적합합니다.진행 속도는 빠르지만 큰 직경의 웰에는 적합하지 않습니다.진흙 회전 시추는 깊은 유정에 특히 비용 효율적입니다.정렬은 양호하지만 설치 공간이 더 커야 합니다.그것은 매우 빠른 가불률을 가지고 있다.침수된 역순환 이중 회전식 드릴링은 비용이 더 많이 들지만 대형 우물 설계에 적합합니다.범용성이 뛰어나 정렬 상태를 유지합니다.진급률이 ^[24]빠르다.

유정 스크린은 오직 물만이 지표로 나오게 하고, 퇴적물은 지구 표면 아래에 남아 있게 한다.유정의 축을 따라 방충망이 설치되어 물이 지표로 퍼질 때 침전물을 걸러냅니다.스크린 디자인은 토양의 성질에 따라 영향을 받을 수 있으며,^[24] 천연 팩 디자인을 사용하여 효율성을 극대화할 수 있습니다.

우물 건설 후에는 유정의 생산성, 효율성 및 수율을 평가하고 유정이 대수층에 미치는 영향을 결정하기 위해 테스트를 수행해야 합니다.우물의 모든 관련 품질을 테스트하기 위해 우물에서 ^[24]몇 가지 다른 테스트를 완료해야 합니다.

지하수 공학 및 수문 지질학 문제

오염

지하수 오염은 다른 액체가 대수층에 스며들어 기존 지하수와 섞일 때 발생합니다.살충제, 비료, 휘발유는 대수층의 흔한 오염물질이다.특히 지하수 오염원에는 휘발유와 같은 화학물질을 저장하는 지하수 저장탱크가 있다.이러한 탱크가 부식되면 물이 새고 그 내용물이 인근 지하수를 오염시킬 수 있다.폐수 처리 시스템에 연결되지 않은 건물의 경우 정화조를 사용하여 폐기물을 안전한 속도로 처리할 수 있습니다.정화조가 제대로 만들어지거나 유지보수가 되지 않으면 주변 지하수로 박테리아, 바이러스, 기타 화학물질이 유출될 수 있다.매립지는 지하수 오염의 또 다른 잠재적 원천이다.쓰레기가 매몰되어 있기 때문에 보호 기초층이 균열되거나 다른 방식으로 손상되면 유해한 화학물질이 쓰레기에서 주변 지하수로 이동할 수 있습니다.도로염과 잔디밭과 농장에서 사용되는 화학물질과 같은 다른 화학물질들은 지역 저수지로 흘러들어갈 수 있고, 결국 대수층으로 흘러들어갈 수 있다.물이 물의 순환을 거치면서 대기 중의 오염물질이 물을 오염시킬 수 있다.이 물은 지하수로 ^[25]들어갈 수도 있다.

논란

프래킹

프래킹에 의한 지하수 오염은 오랫동안 논의되어 왔다.유압 파쇄에 일반적으로 사용되는 화학물질은 지하수에 대한 프래킹의 영향을 결정하는 책임을 지는 정부 기관에 의해 테스트되지 않기 때문에 미국 환경보호국(EPA)의 실험실은 프래킹에 사용되는 화학물질이 인근 대수층에 ^[26]존재하는지 확인하는 데 어려움을 겪고 있다.2016년 EPA는 식수가 프래킹에 의해 오염될 수 있다는 보고서를 발표했다.이것은 지역 ^[27]식수에 대한 프래킹의 영향에 대한 2,900만 달러의 연구 후에 그들의 이전 정책을 뒤집은 것이다.

캘리포니아

캘리포니아는 캘리포니아가 직면하고 있는 건조한 조건, 높은 인구, 그리고 집약적인 농업 때문에 지하수 사용에 있어 가장 큰 논란이 되고 있다.지하수를 퍼올려 밖으로 내보내는 것, 상업용수의 불공정 사용, 개발사업에 의한 지하수 오염 등을 놓고 갈등이 빚어지는 게 일반적이다.캘리포니아 북부 시스키유 카운티에서는 캘리포니아 상급법원이 열악한 지하수 규제가 스콧 강의 흐름을 줄이고 연어의 자연 서식지를 교란시켰다고 판결했다.캘리포니아 중심부의 오웬스 밸리에서는 양식장에서 사용하기 위해 지하수를 퍼올렸고, 이로 인해 지역 목초지와 다른 생태계가 죽었다.이것은 어류 회사들에 대한 소송과 화해를 초래했다.남부 캘리포니아의 개발은 건설과 정상적인 인간 활동을 통해 지하수를 오염시키면서 지역 대수층을 위협하고 있다.예를 들어, 샌버너디노 카운티의 태양광 프로젝트는 하퍼 ^[28]호수에 영향을 미칠 수 있는 130만 입방미터의 지하수를 사용하기 때문에 조류와 야생 생물 종의 생태계를 위협할 것이라고 한다.2014년 9월 캘리포니아주는 지하수가 지표수 ^[28]시스템과 연결되어 있어 사용자가 적절하게 관리해야 하는 지속 가능한 지하수 관리법을 통과시켰다.

콜로라도

건조한 기후 때문에 콜로라도 주는 대부분의 물을 지하에서 얻는다.이 때문에 지하수 엔지니어링 실무에 문제가 있었다.Widefield Aquifer에서 높은 수준의 PFC가 발견되었을 때 무려 65,000명의 사람들이 영향을 받았다.콜로라도의 지하수 사용은 20세기 이전으로 거슬러 올라간다.콜로라도 주의 63개 카운티 중 19개 카운티는 대부분 공급과 가정용 지하수에 의존하고 있다.콜로라도 지질 조사국에는 덴버 분지의 지하수에 대한 세 가지 중요한 보고서가 있습니다.덴버 남서부 분지의 백악기, 고생세 및 에오세 층의 지질학 첫 번째 보고서, 백악기 상층부의 암반 지질학, 구조, 그리고 그릴리와 콜로라도 스프링스 사이의 고생대 층에 대한 지도, 제3차 간행물 덴버 강 하층부의 횡단면n 그릴리와 콜로라도 스프링스.^[29][30]

지하수 공학/수문 지질학의 새로운 동향

수천 년 전 최초의 우물이 만들어진 이래로 지하수 시스템은 인간의 활동에 의해 변화되어 왔다.50년 전, 이러한 시스템의 대규모 지속가능성이 고려되기 시작했고 지하수 공학의 주요 초점 중 하나가 되었다.지하수 ^[31]보존을 고려하면서 새로운 아이디어와 연구가 지하수 공학을 21세기로 발전시키고 있다.

지형 매핑

지속가능성을 개선하기 위해 지형지도에 새로운 발전이 일어났다.지형 지도는 지면을 투과하여 관심 영역을 정확히 파악하는 데 도움이 될 수 있는 레이더를 포함하도록 업데이트되었습니다.또한 대형 계산은 지도에서 수집된 데이터를 사용하여 최근 지하수 대수층에 대한 지식을 높일 수 있다.이를 통해 매우 복잡하고 개별화된 물 순환 모델이 가능해졌으며, 이는 지하수의 지속 가능성을 특정 ^[31]상황에 더 적용할 수 있도록 하는 데 도움이 되었다.

테크놀로지의 역할

기술적 개선은 지형적 매핑을 발전시켰으며, 암석권, 수권, 생물권 및 대기 시뮬레이션의 품질을 향상시켰다.이러한 시뮬레이션은 그 자체로도 유용하지만, 함께 사용하면 지역의 미래 지속 가능성과 지역의 안정성을 보장하기 위해 어떤 변화가 이루어질 수 있는지에 대한 보다 정확한 예측을 제공하는 데 도움이 됩니다.이것은 기술의 발전 없이는 가능하지 않을 것이다.기술이 계속 발전함에 따라 시뮬레이션의 정확도가 향상되고 지하수 엔지니어링에 ^[31]대한 보다 복잡한 연구와 프로젝트가 가능하게 될 것이다.

인구 증가

인구가 계속 증가함에 따라 지하수를 지속 가능한 속도로 사용하던 지역들이 이제 미래의 지속가능성 문제에 직면하기 시작했다.현재 대도시에서 볼 수 있는 규모의 인구는 대수층의 장기적 지속가능성을 고려하지 않았다.이러한 대규모 인구는 지하수 공급을 압박하기 시작했다.이로 인해 일부 도시 지역에서는 새로운 정책이 필요하게 되었다.이것들은 도시들이 지하수를 보존하기 위해 적극적으로 이동할 수 있는 사전 토지 이용 관리로 알려져 있다.

브라질에서는 인구 과잉으로 인해 지방자치단체가 공급한 물이 부족해졌다.물 부족으로 인해, 사람들은 보통 도시 수도 시스템이 제공하는 범위 내에서 우물을 파기 시작했다.이것은 높은 사회 경제적 지위에 있는 사람들을 위한 해결책이었지만, 많은 소외된 사람들을 물에 접근하지 못하게 만들었다.이 때문에, 스스로 우물을 굴착할 여유가 없는 사람들을 돕기 위해 우물을 굴착하는 새로운 시 정책이 만들어졌다.도시는 새로운 우물을 시추하는 일을 담당하고 있기 때문에, 그들은 조심스럽게 우물을 설치하고 증가하는 인구를 ^[32]고려함으로써, 그 지역의 지하수의 미래 지속 가능성을 더 잘 계획할 수 있다.

미국의 지하수 의존도

미국에서는 식수의 51%가 지하수 공급에서 나온다.시골 인구의 약 99%가 지하수에 의존하고 있다.또 전국 지하수의 64%가 관개용으로 사용되고 있으며, 일부는 공업 공정이나 호수와 하천의 재충전용으로 사용되고 있다.2010년 미국에서 사용되는 담수의 22%는 지하수이고 나머지 78%는 지표수이다.지하수는 민물에 접근할 수 없는 일부 주에서는 중요하다. 민물 지하수의 65%는 관개용으로, 21%는 공공용으로 ^[33]주로 사용된다.^[34]

「 」를 참조해 주세요.

• 환경공학은 수문 지질학에 적합한 광범위한 범주이다.
• Flyet은 정상 상태 흐름을 위한 분석 도구입니다.
• 지하수 에너지 균형: 에너지 균형에 기초한 지하수 흐름 방정식;
• 단층대 수문 지질학: 단층대의 수문 지질학을 전문적으로 분석하는 분야
• 수지구물리학: 수문지질학과 지구물리학을 통합한 분야
• 수문학(농업)
• 지하수 시스템의 선원과 이동 시간을 이해하기 위해 동위원소 수문학이 자주 사용된다.
• 지질학에서 중요한 출판물 목록 #수문 지질학: 중요 간행물
• 오스카 에드워드 마인저는 "현대 지하수 수문학의 아버지"로 여겨진다.
• SahysMod는 다각형 네트워크에서 지하수 흐름을 가진 공간 농수 염도 모델이다.
• 용수철(수문학)과 급수망은 수문 지질학자가 우려하는 대상이다.
• 물 순환, 수구 및 수자원은 수문 지질학이 속한 더 큰 개념이다.

레퍼런스

추가 정보

일반 수문 지질학

수치 지하수 모델링

지하수 분석 모델링

• Fitts, C. R (2010). "Modeling aquifer systems with analytic elements and subdomains". Water Resources Research. 46 (7). Bibcode:2010WRR....46.7521F. doi:10.1029/2009WR008331.

외부 링크

• 국제수문 지질학자 협회—지하수 전문가들을 위한 세계적인 협회.
• 영국 지하수 포럼 - 영국 지하수
• 지하수 연구 센터 - 지하수 교육 및 연구.
• EPA 음용수 표준—미국 음용수에 용해된 종에 대한 최대 오염물질 수준(mcl).
• 미국 지질조사국의 수자원 홈페이지 - 무료 데이터(미국 지표수와 지하수 모두)와 무료 지하수 모델링 소프트웨어(MODFLOW)를 찾을 수 있는 좋은 장소입니다.
• 미국 지질조사 TWRI 지수 - 수문 지질학의 일반적인 절차를 다루는 일련의 지침 매뉴얼.PDF 파일로서 온라인으로 자유롭게 입수할 수 있습니다.
• IGWMC(International Ground Water Modeling Center) - 대부분의 소프트웨어를 지원하는 지하수 모델링 소프트웨어의 교육 저장소이며, 일부는 무료입니다.
• 수문 지질학 타임캡슐 - 이 직업에 중요한 변화를 가져온 저명한 수문 지질학자들의 인터뷰를 모은 비디오 모음입니다.
• IGRAC 국제 지하수 자원 평가 센터
• 미군 지리공간센터 - OCONUS 지표수 및 지하수에 대한 정보.