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ISSN : 1738-1894(Print)
ISSN : 2288-5471(Online)
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology Vol.17 No.2 pp.245-261
DOI : https://doi.org/10.7733/jnfcwt.2019.17.2.245

Determination of Location and Depth for Groundwater Monitoring Wells Around Nuclear Facility

Kyung-Woo Park*, Jang-Soon Kwon, Sung-Hoon Ji
Korea Atomic Energy Research Institute, 111, Daedeok-daero 989beon-gil, Yuseong-gu, Daejeon, Republic of Korea
Corresponding Author. Kyung-Woo Park, Korea Atomic Energy Research Institute, E-mail: woosbest@kaeri.re.kr, Tel: +82-42-868-8893
April 26, 2019 June 13, 2019 June 24, 2019

Abstract


Radioactive contaminant from a nuclear facility moves to the ecosystem by run-off or groundwater flow. Among the two mechanisms, contaminant plume through a river can be easily detected through a surface water monitoring system, but radioactive contaminant transport in groundwater is difficult to monitor because of lack of information on flow path. To understand the contaminant flow in groundwater, understanding of the geo-environment is needed. We suggest a method to decide on monitoring location and points around an imaginary nuclear facility by using the results of site characterization in the study area. To decide the location of a monitoring well, groundwater flow modeling around the study area was conducted. The results show that, taking account of groundwater flow direction, the monitoring well should be located at the downstream area. Also, monitoring sections in the monitoring well were selected, points at which groundwater moves fast through the flow path. The method suggested in the study will be widely used to detect potential groundwater contamination in the field of oil storage caverns, pollution by agricultural use, as well as nuclear use facilities including nuclear power plants.



원자력이용시설 주변의 지하수 감시공의 위치와 심도 선정

박 경우*, 권 장순, 지 성훈
한국원자력연구원, 대전광역시 유성구 대덕대로989번길 111

초록


원자력이용시설에서 유출된 방사성 오염물질은 지표수나 지하수의 유동에 따라 이동할 수 있다. 이 중에 지표수에 의해 이 동하는 오염물질은 비교적 감시가 용이하지만, 지하수를 따라 이동하는 오염물질은 대상 매질에서의 지하수흐름에 대한 정 보를 알아야 하므로 감시가 매우 어렵다. 그러므로 지하수에 의한 오염물질의 이동을 규명하기 위해서 지질환경의 특성화 가 선행되어야 한다. 본 연구에서는 연구부지에 건설된 가상의 원자력이용시설에 대한 감시공의 위치를 결정하고, 감시공 에서의 심도별 감시 구간을 선정하는 방법론을 제안하였다. 감시공의 위치를 결정하기 위해 지하수유동 모델링을 수행하였 고, 그 결과 지하수 흐름의 하류 지역에 감시공의 위치를 선정하였으며, 감시공에서 수행한 현장조사 결과를 바탕으로 비교 적 지하수의 흐름이 빠른 구간을 대상으로 감시 구간을 선정하였다. 본 연구를 통해 개발된 모니터링 방법론은 국내 원자력 발전소를 포함한 원자력이용시설 뿐만 아니라, 유류비축시설의 오염물질, 농업 관련 지하수 오염의 감시 등 다양한 분야에 서 잠재적으로 지하수에 유입될 수 있는 오염물질을 조기 감시하는 데에 활용할 수 있을 것이다.



    Ministry of Science and ICT
    Ministry of Trade, Industry and Energy
    20171510300670
    © Korean Radioactive Waste Society. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서론

    일반적으로 원자력이용시설에서 누출(leak)되거나 방출 (spill)된 방사성 오염물질은 지표수를 따라 하천으로 흘러가 거나(run-off), 지하로 침투(infiltration)되어 지하수를 따라 이류(advection)한다. 이 중 지표수를 따라 흘러 하천으로 유 입되는 오염물질은 비교적 오염원의 누출을 쉽게 감지할 수 있지만, 지하에서 지하수를 따라 이동하는 오염물질은 땅속 이라는 공간적인 제약 때문에 쉽게 확인하기 어렵다. 항공사 진이나 인공위성을 통해 쉽게 확인할 수 있는 하천의 흐름과 는 달리, 지하 매질에서 흐르는 지하수의 유동 경로는 대상 매질의 수리지질 시스템에 대한 충분한 이해가 있어야 파악 할 수 있기 때문이다.

    강수에 의해 함양된 지하수는 불포화대(unsaturated zone)를 거쳐 지하수면으로 침투하는데 불포화대가 발달한 지역에서는 불포화대의 두께에 따라 대수층으로 함양되는 지 하수의 유동 경로가 각기 다양한 양상을 보인다. 특히 불포화 대가 두꺼울 경우 함양된 강수가 지하수면으로 도달하기까지 시간이 많이 걸리거나 불포화대의 공극에서 모세관압(capillary pressure)에 의해 오염물질이 공극에 포집되어 이동이 저지되는데, 이는 지표에서 누출 또는 방출된 오염물질이 대 수층으로 유입되는 과정도 매우 복잡함을 보여준다[1]. 그러 나 국내 원자력발전소로 대표되는 원자력이용시설은 주로 해 안에 위치하기 때문에 지하수면이 내륙지역에 비해 지표에 근접해 있어 강수에 의해 함양된 지하수가 얇은 불포화대를 통해 대수층으로 비교적 짧은 시간에 침투할 수 있다.

    또한 지하수의 유동은 지하수가 흐를 수 있는 매질의 특 성에서도 영향을 받는다. 지하수가 풍화대나 퇴적층 같은 다 공성 매질(porous medium)에서 흐를 경우, 매질에서 흐르 는 지하수는 매질내 공극을 따라 흐르게 된다. 그러나 결정 질 암반의 경우, 암반 내 존재하는 단열(fracture)을 따라 대 부분의 지하수가 흐르게 된다. 이 때, 결정질 암반 내 지하 수의 흐름을 이해하기 위해서는 비교적 공간적으로 특성화 하기 쉬운 다공성 매질에서와는 달리 공간적으로 불균질하 게 분포하고 있는 단열 시스템(fracture system)에 대한 정보 가 필요하다. 이러한 단열시스템에 대한 정보는 지표 지질조 사, 지구물리탐사, 시추공 또는 터널 굴착을 통해 비로소 취 득할 수 있다[2].

    요약하자면, 불포화대가 얇은 국내의 경우 원자력 이용 시설에서 지하로 누출된 오염물질을 감시하기 위해서는 암 반 대수층내 지하수를 따라 흐르는 오염물질의 모니터링이 필요하며, 이를 위해 지하수가 흐를 수 있는 단열 시스템의 정보를 파악하고 단열시스템에 근거하여 모니터링의 위치와 심도를 결정하는 것이 필요하다[3, 4].

    2. 연구지역

    2.1 연구지역의 지형

    연구지역은 차령산맥과 소백산맥 사이에 위치하는 지형 으로서 비교적 완만한 지대이나, 북부는 평야지대가 위치하 고 남부는 동남부를 제외하고는 산계지형으로 되어 있다. 남 서부의 신선봉, 우산봉 등 계룡산을 중심으로 하여 형성된 산계는 대체로 남북 방향의 산지를 형성하며, 이 남북방향의 산맥은 모두 반암으로 이루어져 있다. 그리고 화강암류는 일 반적으로 반암류에 비해 풍화에 약하기 때문에 저지대를 이루 고 있다. 연구지역의 수계는 산계의 방향과 거의 나란한 남북 방향이며, 이들은 대부분 초기 수지상 수계의 특징을 보이고, 주로 화강암류가 분포된 저지대에서 수지상 수계를 이룬다. 연구지역의 남쪽으로 소지류인 반석천, 탄동천, 진잠천과 대 동천의 소지류들이 모여 갑천, 유등천, 대전천 등의 대지류를 이루는데 이들 대지류는 곡류를 형성한 곳이 많다(Fig. 1) [5].

    2.2 연구지역의 지질

    연구지역은 경기변성암 복합체 내에 위치하며 주로 선캠 브리아기의 편마암류와 중생대의 심성암과 맥암류로 구성되 어 있다. 선캠브리아기의 변성암류는 흑운모, 편마암 및 편 암으로 나누어지며 이들은 감시공 시추 지점의 북서부에 주 로 분포한다. 주로 구성하고 있는 심성암류는 크게 시대 미 상의 편상화강암과 연구지역 전범위에 걸쳐 광범위하게 분 포하는 복운모화강암으로 나뉜다. 이 중 복운모화강암이 편 상화강암을 관입하고 있는 것으로 알려져 있다. 대전도폭에 서는 편상화강암을 쥬라기의 편마상 화강암으로 기재하였 고, 복운모화강암과는 동일 마그마에서 유래된 것으로 기재 하였다[5]. 이들은 중립질로서 편리의 방향이 주변의 변성퇴 적암류의 편리방향과 일치한다. 또한 연구지역 외곽부에는 중생대 심성암류가 시대미상의 변성퇴적암류를 관입하고 있 다[6]. 또한, 4기 충적층이 수계를 따라 수 미터의 두께를 보 이면서 매우 광범위하게 분포하고 있다[7].

    연구지역 주변의 기반암은 하부로부터 시대미상의 각종 퇴적암류 및 이들을 관입한 쥬라기의 화강암류 및 백악기 내 지는 제 3기의 각종 맥암류로 분류되고, 이들을 부정합으로 덮는 충적층이 하천을 따라 발달하고 있다(Fig. 2) [6].

    2.3 연구지역의 수리지질특성

    결정질 암반에서 지하수가 영역을 고려하여 지하 매질 에 대해 수리지질학적 요소로 수리토양대(Hydraulic Soil Domain, HSD), 수리투수대(Hydraulic Conductor Domain, HCD), 수리암반대(Hydraulic Rock Domain, HRD)를 구분 할 수 있다[8]. 이에 더하여 본 연구지역에서는 수리암반대 를 저경사 단열(Low angle fractures)을 다수 포함한 상부 수리암반대와 하부 수리암반대로 수리지질특성 요소를 구 성하였다[9].

    연구지역에서 확인되는 수리토양대는 15〜30 m의 분포 를 갖는 것으로 분석되며, 풍화대와 상부 토양층을 포함하 고 있다. 연구지역에 굴착된 시추공을 이용하여 관측한 지 하수위는 지표에서 수 미터 내의 범위에 분포하고 있어, 지 하수의 포화대가 수리토양대내에 위치하고 있음을 알 수 있 다. 현장수리시험결과에서는 수리토양대에 대해 1.5×10-7 m·sec-1의 평균 수리전도도를 제시하고 있다[10]. 연구지역 에서는 총 18개의 수리투수대를 도출할 수 있는데, 현장수리 시험을 통해 산출한 평균 수리전도도는 1.33×10-6 m·sec-1이 며, 1.96×10-8 ~ 2.90×10-5 m·sec-1의 범위를 갖고 있다. 그 리고, 연구지역의 주요한 특징 중 하나인 상부 수리암반대는 1.05×10-7 m·sec-1의 수리전도도를 갖고 있어 수리토양대의 투수성과 유사한 값을 보이고 있다. 하부 수리암반대의 경우 배경단열의 밀도, 투수성에 따라 투수성이 양호한 구간도 있 으나, 현장수리시험 결과 도출된 수리암반대의 평균 수리전 도도는 1.05×10-10 m·sec-1을 보여, 수리투수대의 평균 수리 전도도와는 4 order의 차이를 보이고 있으며, 심도에 따라 수 리전도도가 감소하는 경향성을 파악할 수 있다[10].

    연구지역의 수리지질특성을 요약하면 연구지역에서 관 측되는 지하수의 수위는 지표에서 수 미터 내에 분포하고 있기 때문에 불포화대의 두께가 매우 얇으며, 강수에 의해 함양된 지하수는 주로 투수성이 양호한 수리토양대와 상부 수리암반대에서 흐르는 우세 경로가 형성된다. 또한 하부 수 리암반대로의 지하수 흐름은 극히 작으며, 투수성이 큰 수리 투수대를 통해 심부 영역으로 지하수 흐르는 것을 알 수 있다.

    3. 연구방법

    미국의 전력연구원(EPRI)은 2008년 원자력 발전소 부지 의 지하수 보호 지침서를 발간하고, 기본프로그램(Baseline Program)과 보완프로그램(Elevated program)으로 구분하 여 기술하였다[11]. 지침서에 따르면 기본프로그램은 상업용 원자력이용시설에서 지하수 보호를 위해 필수적으로 수행해 야 하는 업무들로 구성하였고, 보완프로그램은 이 시설이 방 사성 오염에 취약할 경우 해당 부지에서 추가적으로 수행해 야 하는 업무로 정의하고 있다. 이 보고서는 원자력이용시설 에서 누출되는 오염물질을 지하수에서 모니터링하기 위해서 먼저 원자력 이용시설에서 오염물질을 누출/방출할 수 있는 시스템을 평가하고, 오염물질이 지하수를 따라 이동하게 되 는 이동 경로를 부지특성조사를 통해 분석함으로써 모니터 링의 위치를 결정한 후, 모니터링을 위한 감시공을 굴착하여 주기적으로 지하수에 대한 모니터링을 수행하는 것을 제안 하고 있다(Fig. 3).

    본 연구에서는 한국원자력연구원을 연구지역으로 하고, 이를 대상으로 수행한 부지특성평가 및 지하수유동 예비모델 결과를 바탕으로 적정 감시공의 위치를 선정하고, 감시공 상 세 조사를 통한 모니터링 심도를 결정함으로써 이에 대한 수 행 방법론을 제안하고자 하였다. 본 연구를 위해 수행한 일 련의 과정은 미국 EPRI 보고서의 기본프로그램과 보완프로 그램에서 부지특성평가를 이용한 모니터링 위치 선정에 해 당하며, 기존에 조사된 부지특성 개념모델을 이용하여 모니 터링 관정의 위치를 선정하였고(기본프로그램), 시추공 단 열검층, 현장 수질검층과 수리시험 결과에 근거하여 대수층 내 지하수 흐름 특성을 규명하고 최종 모니터링 심도를 결 정하였다(보완프로그램)[11]. 다만 본 연구에서는 미국의 경 우와는 달리, 단일 감시공에서 심도별 수리-화학적 특성을 평가하여 다중심도에서 지하수 감시를 실시할 수 있도록 설 계하였다.

    4. 감시공의 위치 선정

    4.1 연구 영역의 설정

    일반적으로 지하수의 유동 양상에 근거하여 수리지질의 모델 영역을 광역, 국지, 부지 규모로 규모별 분류를 한다. 광 역 규모의 모델은 수백 km2의 크기로 국지 규모의 지하수 유 동에 대한 경계 및 경계조건을 제시하기 위한 영역이며, 국지 규모의 모델은 관심이 되는 지하수유동시스템의 배출 영역과 함양 영역을 포함하는 영역으로 국지 규모의 지하수유동에 대해 이해를 위한 영역이다[12, 13]. 부지 규모 영역은 국지 규모의 한 부분으로서 보다 상세한 수리지질 현상과 지하수 유동 양상을 이해하기 위한 영역이다(Fig. 4).

    원자력이용시설에서 지하로 누출되는 오염물질을 모니 터링하기 위해 적절한 위치에 관정을 굴착하여야 하는데, 이 를 위해 부지 규모의 영역을 이용하여 지하수유동 모델링 을 수행하였으며, 국지 규모의 영역에서 수행하였던 지하수 유동 모델링 결과를 부지 규모 모델에 대한 경계조건 입력 하였다.

    4.2 입력 파라미터

    지하수유동 모델링을 위해 사용한 소프트웨어는 Feflow (Finite Element subsurface FLOW system)로 지하수 유동, 용 질 이동, 열전이 모델링을 위한 소프트웨어이다. 이 프로그램 은 유한 요소법을 이용하여 포화대 및 불포화대의 지하수 유 동 방정식과 용질/열 이송 방정식을 수치적으로 계산하고 특 히 밀도 의존성 유체흐름을 지하수 유동 및 용질 이동 방정식 을 함께 계산할 수 있다. Feflow는 복잡한 지질 구조를 갖는 국내 연구지역의 지하수 유동 수치모의를 위해 단열망 분석 프로그램(FracMan)과 연계하여 이용되고 있으며, 국내에서 중저준위 방사성폐기물 처분지역 지하수 유동모델링, KURT 주변지역의 지하수유동 모델링에 이용되고 있다[9].

    지하수유동 모델링을 위해 먼저 부지 규모의 영역에 부 합하도록 초격자 모델(super element model)을 구성하였다. 초격자 모델은 2.0 km × 2.0 km의 영역에서 2차원 평면상에 지형을 반영해서 총 157개의 요소(element)로 작성하였다. 초격자 모델의 각 요소는 다시 세분하여 1개 층당 3,471개의 요소를 갖는 격자모델을 구축하였고, 수직방향으로도 16개 의 층(layer)으로 구분하여 연구지역에 대한 3차원 공간적 분포를 재현하였다. 수치모델링에 사용된 요소는 103,536개 이다.

    부지 규모 지하수유동 모델링에 입력한 수리지질특성은 수리전도도, 함양률, 저유계수이다. 모델 영역내의 수리전 도도는 기존의 수리지질모델에서 제시한 수리토양대, 상부 수리암반대, 하부수리암반대의 값을 입력하였으며, 수리투 수대의 경우 본 모델링에서는 고려하지 않았다[11]. 함양률 은 현장조사에서 도출된 함양률을 초기 값으로 입력하고, 연 구지역에서 기존에 조사된 시추공 지하수위와 모델링에서 산출되는 지하수위를 근사시켜 교정된 함양률을 모델에 입 력하였으며, 저유계수는 현장 양수시험에서 도출한 값을 이 용하였다. 지하수유동 모델링에 사용된 각 입력 파라미터를 Table 1에 정리하였다. 지하수유동 모델링에서 각 격자에 대 한 수리수두를 해석하기 위해 사용한 경계 조건은 일정수두 경계 조건(constant head boundary condition)과 유량 경계 조건(flux boundary condition)이다. 일반적으로 일정수두 경계 조건은 수두가 일정하게 유지되는 하천이나 해양을 대 상으로 설정하는 경계조건이나, 본 논문에서 수행한 모델링 과 같이 규모별 지하수유동 모델링에서 큰 규모의 모델링 결 과를 이용하여 보다 작은 규모의 모델링을 수행할 때 입력하 는 경계조건으로도 사용한다[13]. 본 지하수유동 모델링에서 는 큰 국지 규모(local scale) 영역의 지하수유동 모델링 결 과에서 도출된 수두 값을 반영하여 측면의 수두 경계와 하 부 경계 조건으로 설정하였다. 또한, 수치 모델링에 입력한 상부 경계는 강수의 함양률을 고려한 유량 경계조건으로 설 정하였다(Fig. 5).

    4.3 지하수유동 모델링 결과

    지하수유동 모델링으로부터 도출된 지하수 수리수두는 연구지역의 지형 구배와 유사한 분포를 나타내고 있다. 수리 수두가 가장 큰 곳은 연구지역의 북서쪽에 위치한 고지대로 약 300 m의 수리수두를 갖고 있으며, 수두가 낮은 영역은 연 구지역의 동남쪽에 위치한 저지대로 약 50∼60 m의 수두로 분포한다. 수리수두 분포를 통해 지하수의 흐름 방향을 분석 해 보면 연구지역에서 지하수는 북쪽에서 남쪽 방향으로, 그 리고 서쪽에서 동쪽 방향으로 흘러 동남쪽의 저지대로 수렴 하는 것으로 판단된다(Fig. 6).

    지하수유동 모델링에서 도출된 다시속도(darcy velocity) 는 해당 영역의 가장 고지대에서 0.3 m·day-1 정도의 속도를 갖고, 낮은 지대에서 0.09∼0.12 m의 분포를 보인다. 지질 모델에 입력한 영역별로 다시속도를 구분하면 풍화대 및 상 부암반대에서 0.03∼0.12 m·day-1 범위의 속도를 보이지만, 하부암반대에는 0에 근접하여 거의 지하수 흐름이 없는 것 을 알 수 있다(Fig. 7). 이러한 하부암반대의 다시속도는 본 수치모델링에서 하부암반대 내부의 수리투수대를 고려하지 않았기 때문이며, 만약 모델 영역내 하부암반대에 수리투수 대를 반영한다면 다시속도에서 다소 상이한 결과를 보일 것 으로 예측된다. 그러나 본 지하수유동 모델링의 목적이 지하 수 장기 감시를 위한 조사지점의 위치를 결정하는 것이기 때 문에 조사지점에서의 수리투수대는 감시공 시추 후, 상세 현 장조사를 통해서 모니터링 심도를 결정하는 데에 반영할 수 있을 것이다.

    4.4 감시공의 위치

    일반적으로 원자력이용시설에서 감시공의 위치를 선정 함에 있어 고려해야 할 요소로 감시공의 굴착 행위가 원자 력이용시설의 안전한 운영에 영향을 주지 않아야 하며, 원 자력이용시설 주변의 고려할 수 있는 지하수 흐름에서 하 류 구배에 위치해야 한다. 또한, 안전한 감시를 위해 잠재 적인 지하수 유동로를 포괄할 수 있는 지점에 다수의 관정 을 굴착해야 할 것이다. 본 논문에서는 감시공의 위치를 선 정할 때 연구지역의 부지특성 평가 결과를 바탕으로 지하 수유동 모델링을 수행하여, 이에 근거한 관정 위치 선정의 방법론을 제시하고자 하였다. 연구지역의 지하수유동 모델 링 결과 지하수는 주로 풍화대와 상부암반대에서 흐르고 있 으며, 하부암반대에서의 흐름은 수리투수대에 국한될 것으 로 예상된다. 또한 모델링으로 도출된 수리수두의 분포에서 연구지역의 지하수는 북서쪽에서 동남쪽 방향으로 흘러간 다. 연구지역의 원자력이용시설에서 누출된 오염물질이 지 하수를 따라 이동하는 것을 가정하여 입자추적기법을 통해 오염물질의 이동 방향을 예측했을 때, Fig. 7에서 확인되는 바와 같이 입자운 흐름 방향을 따라 하류 구배에 감시공을 위치시켜야 할 것이다. 본 연구에서는 지하수의 흐름에 하 류 구배에 위치하고, 연구지역의 부지 여건을 고려하여 연 구지역내에 감시공의 굴착이 가능한 조사지점(RM-1)을 결 정할 수 있었다(Fig. 8).

    5. 감시공내 현장조사

    지하수유동 모델링 결과를 이용하여 감시지점의 위치를 결정하였으며, 부지 여건을 고려하여 감시공 굴착이 용이한 위치에서 RM-1 시추공을 굴착하였다. 이후 굴착된 RM-1 감 시공에서 모니터링을 위한 심도를 결정하기 위해 지질특성 조사, 수리지질특성조사와 지하수 수질검층을 실시하였으 며, 현장조사 결과를 바탕으로 지하수내 오염물질 이동의 감 시에 적합한 모니터링의 심도 구간을 제시하였다.

    5.1 단열특성

    감시공 굴착 후, 조사코어 자료를 이용하여 육안으로 확 인되는 단열을 구분하여 심도별 단열 분포를 도출하였고, 단 열대 분석을 위해 심도별 단열의 빈도(frequency analysis) 와 단열간 공간(spacing analysis)자료를 활용하였다[14]. 단 열의 빈도는 3차원의 공간적인 단열의 밀도를 1차원인 시추 공의 단위 길이당 단열 개수를 이용하여 추론할 수 있으며, 또한 단열 빈도 분포를 이용하여 단열대가 갖는 단열의 개수 를 개략적으로 예측하는 주요 인자가 될 수 있으므로 단열 암반에서 단열망 모델링을 수행할 때 주요한 인자로 분류 된 다[15]. 단열간 공간 분석은 단열과 단열 사이 공간(spacing) 을 도출하여, 단열 사이의 공간에 대한 누적밀도함수를 구함으로써 단열대를 정의하기 위해 구성하는 단열에 대한 통계적인 기준으로 설정하기 위한 주요 인자가 된다[16].

    RM-1 감시공에서 관측되는 단열의 공간 분석 결과에 서 누적밀도함수를 이용하여 그 기울기로 단열대를 정의하 였는데, 관측되는 단열은 단열간 공간(fracture spacing)이 0.16∼0.18 m를 기준으로 누적밀도함수의 기울기가 변하며, 이를 기준으로 RM-1 시추공에서 단열간 공간이 0.16 m 이 하의 구간을 단열대로 정의하였다(Fig. 9). 이는 단열의 빈도 분석에서 단위 길이(1 m) 당 6개 이상의 단열이 모여있는 구 간과 6개 미만의 단열이 분포하는 구간이 뚜렷이 구분되어, 단열 빈도를 이용해 단열대를 정의할 수 있음을 의미한다. RM-1 감시공 자료를 이용하여 단열 분석을 실시한 결과, 전 체 7개의 단열대를 도출할 수 있었다(Fig. 10).

    5.2 수리지질특성

    RM-1 감시공에서 수리지질특성 도출을 위해 시추 중 수 리시험과 시추 후 수리시험을 구분하여 수행하였다. 시추 중 수리시험은 단일 패커를 이용하여 약 30 m 구간을 대상 으로 하며, 시추 후 수리시험은 지질특성을 고려하여 비교 적 투수성이 높을 것으로 예상되는 2개의 구간을 대상으로 이중패커를 이용하여 현장수리시험을 수행하였다. 현장수 리시험에서는 먼저 구간별 수리수두(hydraulic head)를 분 포를 도출하였다. 대부분의 구간에서 RM-1 감시공의 해발 고도를(Elevation = 66.168 m)를 기준으로 2∼4 m 이하의 심도에 수리수두가 분포하고 있으나, 최하부 심도(124∼150 m (EL.))에서는 해발고도에 근접하는 수리수두 분포를 보이 는 것이 관측되었다(Fig. 11). 전체적으로 상부에 비해 하부 로 갈수록 지하수의 수리수두가 높아지는데, 이는 RM-1 감 시공이 주변 지표수계 주변에 위치하여 상부 방향의 지하수 흐름(upward flow)이 형성되고 있는 것으로 분석되며, 전체 적인 심도별 수리수두는 보다 넓은 지역에서 강수에 의해 함 양된 지하수가 배출되는 영역으로 예상할 수 있다. 다만 단 순히 구간별 수리수두 분포를 통해 RM-1 시추공이 반드시 지 하수계의 배출영역으로 단정지을 수 없으나, 이는 지하수에 따라 이동하는 오염물질을 모니터링 함에 있어 선호되는 지 점이라고 판단된다.

    RM-1 감시공에서 수리지질특성 도출을 위해 수행한 현 장수리시험은 상부대수층 대상의 양수시험과 상부암반대 이 하 구간의 순간충격시험으로 구분할 수 있으며, 그 결과는 수리전도도와 투수량계수로 제시하였다. 일반적으로 양수 시험의 결과는 양수에 따른 관측정의 지하수위 변화를 이 용하여 대수층이 갖는 특성을 파악한 후, 피압대수층을 고 려한 Theis (1935), Cooper and Jacob (1946), Cooper et al. (1967)의 해석 방법과 자유면대수층을 대상으로 Theis (1935), Cooper and Jacob (1946)이 제안한 방법을 적용하 여 해석한다. 여러 해석 방법 중, 본 연구에서 수행한 양수시 험이 토양층 및 풍화대를 대상으로 수행한 단공 양수시험으 로 자유면대수층을 고려하고, 가까운 대수층의 특성에 영향 을 받지 않는 Cooper and Jacob (1946) 해석 방법을 이용하 였다[17-19]. 단, 본 연구에서 양수시험을 통해 도출한 결과 는 매질의 비균질성을 고려하지 않고, 대수층이 무한히 확장 되었다고 가정하기 때문에 다공을 이용한 양수시험 결과와 는 차이를 나타낼 수 있음을 밝힌다[20].

    순간수위변화시험의 한 종류인 순간충격시험은 수리전 도도가 낮은 지역 또는 구경이 작은 시추공에서도 시험이 가능한 장점을 가진다. 순간충격시험은 피압대수층의 경우 Cooper et al. (1967) 의 해석 방법이[19], 자유면대수층의 경 우는 Bouwer and Rice (1976) 의 방법을 이용할 수 있다[21]. RM-1 감시공에서의 현장수리시험은 이중 패커를 이용하여 일정 심도 이하의 시험 구간(30 m 간격)을 수리적으로 격리 한 후 수행하였기 때문에, 피압대수층을 대상으로 해석하는 Cooper et al. (1967)의 방법을 이용하여 현장수리시험 결과 를 도출하였다.

    RM-1 감시공에서 수행한 총 8회의 수리시험 결과, 2.07×10-9 ~ 5.87×10-6 m·sec-1 범위의 수리전도도를 도출 하였으며(Table 2), 심도별 수리전도도는 Fig. 12과 같다. 상 부 34 m 구간에서 양수시험으로 도출된 5.43×10-6 m·sec-1 의 수리전도도는 투수성이 양호한 풍화대의 수리지질특성으 로 볼 수 있어 수리토양대로 구분할 수 있다. 풍화대 하부 심 도의 수리전도도는 2.07×10-9 ~ 5.87×10-6 m·sec-1 범위로, 각 구간에서 전체적으로 큰 수리전도도가 도출되고 있다. 이 는 비교적 넓은 구간에서의 시험 결과로 각 구간에 존재하는 단열대의 투수성에 영향을 받고 있기 때문으로 판단된다. 특 히, 100∼124 m 심도의 수리전도도는 가장 낮은 2.07×10-9 m·sec-1로 도출되나, 기존 연구에서 연구지역에 분포하는 기 반암의 평균 수리전도도(= 7.9×10-11 m·sec-1) 보다 다소 큰 값을 보이고 있다(Fig. 12) [10].

    현장 수리시험 결과를 통해 RM-1 시추공에서 도출한 수 리지질특성은 시험 구간에 분포하는 단열대에 의해 영향을 받고 있는 것으로 판단된다. 이와 같은 수리지질특성은 단열 빈도와 투수성의 관계를 도시한 Fig. 11에서도 알 수 있으며, 특히 시추 중에 수행한 61.0∼76.0 m와 124.0∼150.0 m 구 간의 현장수리시험 결과와 시추 후에 수행한 66.0∼73.0 m 와 140.0∼150.0 m 구간의 결과를 비교해 보면 알 수 있다. 시추 후 보다 작은 구간의 현장 시험 결과가 시추 전 이를 포 함한 구간의 시험 결과에 비해 다소 크게 도출되고 있는데, 61.0∼76.0 m, 124.0∼150.0 m 구간에서는 각각 1.92×10-6 m·sec-1, 9.27×10-7 m·sec-1의 수리전도도가 도출되지만, 66.0∼73.0 m와 140.0∼150.0 m 구간에서는 각각 5.87×10-6 m·sec-1, 1.18×10-6 m·sec-1 의 수리전도도가 도출되는 것으 로 유추해 볼 때, 단열대가 갖는 투수성이 보다 확장된 구간 에서 수행하는 수리시험 결과에 영향을 미치고 있는 것으로 판단된다.

    수리시험 결과를 바탕으로 단열대의 투수량계수를 예 측하였다. Table 3에 제시된 단열대의 투수량계수는 현장수 리시험으로 도출한 수리전도도가 위에서 기술한 단열대의 투수성에 지배를 받는다는 가정하에 예측한 값이다. 즉, 전 시험구간을 대상으로 단열대의 투수량계수를 계산하였기 때 문에 단열대의 투수량계수는 다소 작게 도출될 수 있다. 반 면 단열대 두께를 산정함에 있어 기하학적 방향성을 고려하 지 않고 조사코어에서 확인한 결과를 단열대 두께로 고려할 경우, 그 값이 과대평가될 수 있으므로 투수량계수는 다소 크 게 도출될 수도 있다. 상기 두 가지의 불확실성을 갖고 도출 된 단열대의 투수량계수는 Table 3과 같다.

    5.3 감시공 지하수 수질검층

    일반적으로 심도가 깊어질수록 지온 구배에 의해 지하수 의 온도는 증가하는데, 이는 지구 내부의 열원이 그 원인이 된 다. RM-1 감시공에서 측정한 지하수의 온도 또한 심도에 따 라 증가하는 양상을 보이는데, 심도 55 m까지는 비교적 일정 한 온도 분포를 나타내나 55 m 하부 지역에서 0.021℃·m-1 정 도의 지온구배로 지하수의 온도가 상승하고 있다(Fig. 13(a)). 지하수 온도에 변화를 주는 다른 요인은 투수성 지질구조 의 존재 유무이다. 만약 다른 수온을 갖는 지하수가 공내 로 유입될 경우, 지하수의 온도는 비정상적으로 증가하거나 감소할 수 있다. 즉, 지하수의 온도 변위는 매질의 수리적 특성인 투수성 지질구조의 유무를 간접적으로 지시하는 것 이다. 이에 RM-1 감시공에서 투수성 지질구조를 판단하기 위해 심도에 따른 온도 변위를 도출해 보았다(Fig. 13(b)).

    지하수의 전기전도도는 주변의 환경적 요인과 지하수의 체류 시간(residence time)에 영향을 받는다. 만약 지표 오염 물질, 해수 등 주변 환경적 요인이 없다면, 심도가 깊어질수 록 지하수의 전기전도도는 증가하는데, 이는 심도가 깊어짐 에 따라 지하수가 암석과 반응하는 시간이 길어져 보다 많은 이온이 용해되어 있기 때문이다. RM-1 감시공에서 수행한 전 기전도도 검층 결과 약 57 m 심도까지는 160 μS·cm-1의 값 을 보이고 있으나, 그 하부에서 153 μS·cm-1까지 떨어지다 가 더 깊어질수록 상승하는 양상을 보이고 있다(Fig. 14(a)). 지하수 전기전도도에 영향을 주는 다른 환경적 요인으로 투수성 지질구조를 들 수 있다. 만약 다른 전기전도도를 갖는 지 하수가 공내로 유입될 경우, 계측되는 지하수의 전기전도도는 수온 분포와 마찬가지로 비정상적으로 증가하거나 감소할 수 있다. RM-1 감시공의 전기전도도 검층 결과 지하수의 전 기전도도 변위가 발생하는 투수성 지질구조를 도출하기 위 해 심도에 따른 차이를 도출해 보았다(Fig. 14(b)).

    끝으로 RM-1 감시공에서 수질검층의 일환으로 심도별 지하수의 pH를 계측하였다. 지하수의 pH는 일반적으로 심도에 따라 증가하는 양상을 보이는데, 이는 심부 영역으 로 갈수록 가수분해(hydrolysis)로 대표되는 물-암석반응 의 정도가 증가하기 때문이다. RM-1 감시공에서도 지하수 의 pH는 전체적으로 6.6에서 7.8로 상승하는 양상을 보이고 있다(Fig. 15(a)). 여기에서도 투수성 지질구조는 지하수의 pH 분포에 영향을 미칠 수 있으며, 온도나 전기전도도 분포 와 마찬가지로 상이한 pH를 갖는 지하수가 유입될 수 있는 투수성 지질구조에서는 심도별 다른 분포양상을 보일 수 있 다. RM-1 감시공에서 투수성 지질구조를 확인하기 위해 심도 에 따른 pH 분포 변위를 도출하여 Fig. 15(b)에 도시하였다.

    요약하면, 각 수질검층 결과로부터 심도별 변위는 그 비 정상적 증가나 감소로 잠재적 투수성 지질구조를 간접적으 로 도출할 수 있다. RM-1 감시공에서 이에 해당되는 구간 은 31∼34 m, 44∼47 m, 56∼58 m, 63∼67 m, 69∼73 m, 143∼145 m 의 6개 구간이며(Fig. 16), 수질검층 결과의 변 위를 종합하여 투수성 지질구조를 도출하는 방법은 각 검층 에서 반영하지 못하는 지하수질을 상호 비교하여 이상대를 판명할 수 있는 장점이 있다. 그러나 나공(open hole) 상태 에서 공내 상하로 흐르는 지하수의 흐름에 의해 결과가 교란 될 수 있으며, 하부에서 상부로의 지하수 흐름과 상부의 지하 수가 만나는 심도(여기서는 56∼58 m 구간으로 판단됨)에서 는 다소 큰 변위가 발생하여 투수성 지질구조가 없음에도 있 는 것처럼 오해석할 수 있는 여지가 있으므로 반드시 시추공 단열 검층 결과와 비교하여 해석해야 할 것이다.

    6. 감시공 모니터링 심도 선정

    6.1 지질특성

    지질특성을 고려해 볼 때, RM-1 감시공에서 모니터링을 위한 구간은 다음 Table 4와 같이 선정할 수 있다. 연구지역 의 지하수면이 지표에서 수 미터 내외에 존재하고 있으므 로 풍화대 구간인 지표에서 심도 28.0 m 구간에서는 지하 수의 흐름이 빠를 것으로 예상되며, 풍화대 하부에 위치 한 상부암반대는 수평방향의 단열이 다수 존재하므로 수 평방향의 지하수 흐름이 우세 할 것으로 판단된다. 따라서 풍화대와 상부암반대 구간의 경우 감시 구간으로 유의미 할 것으로 판단된다. 상부암반대 하부, 기반암에 분포하는 단열대에서는 4 m의 두께를 갖는 단열대 5, 단열대 7이 모 니터링 구간으로 가장 선호되며, 단열대 4, 단열대 6의 경 우 상기 2개의 단열대에 비해 크기가 작아 모니터링 구간 으로서 우선순위가 낮아진다. 지질특성을 고려하여 설정 한 모니터링 심도는 지하수의 흐름이 빠를 것으로 예상되 는 구간을 고려하여 선정하였으며, 수리지질특성 조사 결 과로 도출되는 모니터링 구간과 함께 비교하여 최종 모니 터링 심도를 결정할 수 있다.

    6.2 수리지질특성

    연구지역의 RM-1 감시공에서 수행한 현장 수리시험 결과, 투수성을 기준으로 모니터링 구간을 선정하면 Table 5 와 같다. 지표에서 심도 28.0 m 구간은 수리토양대 구간으 로 수리전도도가 5.43×10-6 m·sec-1로 도출되어 지하수의 흐름이 양호하며, 심도 28.0∼61.0 m 구간은 상부암반대 구간으로 1.52×10-6 m·sec-1의 수리전도도를 갖고, 저경 사를 갖는 수평방향의 단열로 인해 수평방향의 지하수 흐 름이 우세할 것으로 판단된다. 상부암반대 하부의 기반암 에 존재하는 수리투수대 중, 심도 69.0∼72.0 m 구간과 심 도 143.0∼147.0 m 구간은 투수량계수가 각각 1.76×10-5 m2·sec-1, 4.72×10-6 m2·sec-1로 투수성이 매우 양호하며 모 니터링 구간으로 적합하다. 그러나, 심도 100.0∼112.0 m 구 간은 도출된 투수량계수가 8.28×10-9 m2·sec-1로 지하수 흐 름이 매우 느려 모니터링 구간에서 제외할 수 있다.

    6.3 수질 검층 결과

    연구지역에서 수행한 수질검층 결과 잠재적 투수성 지질 구조로 고려할 있는 구간은 Table 6과 같다. 전체 7개 구간 에서 56∼58 m구간은 하부에서 상부로의 지하수 흐름과 상 부의 지하수가 만나는 심도로 판단되어 모니터링 구간으로 제외할 수 있으며, 모니터링 구간으로 가장 선호되는 구간 은 수질 변이의 두께가 두꺼운 31.0∼34.0 m, 44.0∼47.0 m, 63.0∼67.0 m의 3구간이며, 71.0∼73.0 m, 143.0∼145.0 m 구간 또한 모니터링이 필요한 구간으로 판단된다.

    7. 결론

    본 연구에서는 지하수내 오염물질 거동에 대한 조기 감시 및 장기 감시의 목적으로 감시공의 위치 및 조사심도 의 적정 선정을 위한 방법론을 예시와 더불어 제안하고자 하 였다. 먼저, 모니터링을 위한 감시공의 위치를 결정하기 위 해 수리지질개념모델에 근거하여 조사지역에 대한 지하수 유동 모델링을 선행하여야 한다. 이후 조사지역에서 상세 현장 조사를 위해 감시용 시추공을 굴착하고, 지질특성 분 석, 현장수리시험 및 검층을 통해 단열분포 특성과 지하수 흐름의 상세 정보를 분석하여 적정 모니터링 심도를 결정 하여야 한다. 본 논문에서는 연구지역의 부지특성 평가 결 과를 바탕으로 지하수유동 모델링을 수행하였으며, 지하 수유동 모델링 결과 지하수는 북서쪽에서 동남쪽 방향으 로 풍화대와 상부암반대에서 흐르는 것으로 지하수의 흐 름 방향을 결정하였다. 또한, 연구지역의 원자력이용시설 에서 누출된 오염물질이 지하수를 따라 이동하는 것을 가 정하여 입자추적기법을 통해 입자운 흐름 방향을 따라 하 류 구배에 감시공을 위치시켜야 할 것으로 제안하였다. 본 연구에서 제안한 조사부지의 감시공내 모니터링 심도를 지 질학적인 관점과 수리지질학적 관점에서 고려해 보면 다음 Table 7과 같이 정리할 수 있다.

    조사지역의 심도 28 m까지의 수리토양대 영역은 지질특 성과 수리지질특성상 지하수의 흐름이 빠를 것으로 예측되 며, 심도 28.0∼61.0 m의 상부 암반대 구간에서도 수평방향 의 방향성을 가진 다수의 단열대가 존재하며, 수리지질 특성 으로 투수성이 양호하므로 최종 모니터링 구간으로 설정할 수 있다. 또한 수질검층 결과에서도 온도, 전기전도도, pH 변화에 따른 투수성 지질구조를 확인할 수 있다. 수리투수 대에서 심도 69.0∼72.0 m, 심도 143.0∼147.0 m 구간의 경 우 또한 단열이 발달한 단열대, 수질검층 결과 이상대, 그리 고 투수성이 양호한 구간으로 판명되어 모니터링이 필요하 다고 판단된다.

    원자력이용시설내 방사성물질에 의한 토양 및 지하수 오 염은 최종적으로 생태계를 위협하는 요소이기도 하며, 이를 복원하는 과정에서 막대한 양의 시간과 비용이 소요될 뿐 아 니라 폐기물 발생량도 무시할 수 없다. 이를 사전에 예방하 기 위해서는 시설물 안전점검이 필요하며, 누출에 대한 조기 경보시스템을 구현하고 오염물질의 확산을 최소화해야 한다. 특히 다중패커시스템을 활용한 감시공 다중심도 지하수 모니 터링을 구현함으로써 원자력이용시설 지하수의 3차원 유동 체계 확보 및 심도별 오염물질의 유출입과 오염범위를 진단 할 수 있는데, 감시공의 위치 및 조사심도 선정시 본 연구에서 제안한 구체적인 방법론을 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

    감사의 글

    본 연구는 과학기술정보통신부 지원에 의한 원자력기술개발 사업 처분환경 진화특성기술개발(NRF-2017M2A8A5014858) 과 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원 (No.20171510300670)의 지원을 받아 수행하였습니다.

    Figure

    JNFCWT-17-2-245_F1.gif

    Geographical map of the study area.

    JNFCWT-17-2-245_F2.gif

    Geologic map of the study area [6]. Study area is located in the northern part of Daejeon.

    JNFCWT-17-2-245_F3.gif

    Implementing the Groundwater Protection Program [11].

    JNFCWT-17-2-245_F4.gif

    Modeling area for groundwater flow simulation (Solid line: local scale area, Dotted line: site area).

    JNFCWT-17-2-245_F5.gif

    Boundary condition for groundwater flow simulation around an imaginary nuclear facility in site scale area.

    JNFCWT-17-2-245_F6.gif

    Simulated hydraulic head distribution from the groundwater flow modeling.

    JNFCWT-17-2-245_F7.gif

    Simulated Darcy velocity distribution from the groundwater flow modeling.

    JNFCWT-17-2-245_F8.gif

    Suggested area (dot rectangle) of monitoring point for the detection of contaminant transport from an imaginary nuclear facility.

    JNFCWT-17-2-245_F9.gif

    Statistical analysis of fractures observed in RM-1 borehole.

    JNFCWT-17-2-245_F10.gif

    Fracture zones obtained from statistical analysis of fractures.

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    Measured hydraulic head values in RM-1 borehole.

    JNFCWT-17-2-245_F12.gif

    Vertical profile of hydraulic conductivities from the hydraulic tests.

    JNFCWT-17-2-245_F13.gif

    Vertical temperature profile (a) and its difference value (b) in RM-1 borehole.

    JNFCWT-17-2-245_F14.gif

    Vertical EC profile (a) and its difference value (b) in RM-1 borehole.

    JNFCWT-17-2-245_F15.gif

    Vertical pH profile (a) and its difference value (b) in RM-1 borehole.

    JNFCWT-17-2-245_F16.gif

    Predicted water conducting features by anomalies of groundwater logging data.

    Table

    Parameters for groundwater flow simulation

    Hydrogeological properties from the results of hydraulic tests

    Hydrogeological properties at each geological unit

    Preferred monitoring position in RM-1 borehole from a geological point of view (●: most preferred, ▲: preferred)

    Preferred monitoring position in RM-1 borehole from a hydrogeological point of view (●: most preferred, ▲: preferred)

    Preferred monitoring sections in RM-1 borehole in consideration of groundwater logging data (●: most preferred, ▲: preferred)

    Suggested monitoring sections in RM-1 borehole in consideration of all results from the field investigation

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