개념 한 쪽
지하수 유동은 다르시의 법칙에 따른 흐름 관계와 대수층의 물리적 인자들로 이해한다. 유량 산정에는 투수계수, 수두구배, 단면적의 곱을 사용하고, 개발 가능량은 공극률·비산출률·면적·두께·수위강하의 곱으로 접근한다. 단위 환산과 각 인자 정의를 정확히 확인하는 것이 핵심이다.
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출제기준 단원 「지하수 유동」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 전도계수 정의 판단 | 1 | 투수계수와 대수층 두께의 곱으로 전도계수를 식별하는 능력 |
| 다르시 법칙 반비례 관계 확인 | 1 | 유량과 거리의 관계를 통한 다르시 법칙 이해도 확인 |
| 개발 가능량 계산 | 1 | 공극률·비산출률·면적·두께·수위강하를 곱하여 체적 산정하기 |
다르시의 법칙은 지하수 유동의 기본 경험법칙으로, 유량(Q)이 투수계수(K)와 수리경사(i) 및 유로의 단면적(A)에 비례한다는 관계를 제시한다. 수리경사 i는 수두차를 거리로 나눈 값이므로 Q = K·i·A의 형태로 표현한다는 점을 기억한다. 이 법칙은 층류가 유지되는 조건에서 적용되는 경험식임을 유의한다.
유량 산정에서 수리경사 i는 Δh/L로 계산하므로 거리가 분모에 위치해 거리가 길수록 유량이 감소한다는 반비례 관계가 성립한다는 점을 강조한다. 따라서 '거리와 유량이 비례한다'는 서술은 다르시 법칙의 본질과 상충하므로 오답 처리한다. 실제 문제 풀이에서는 i를 먼저 계산한 뒤 K와 A를 곱하는 절차를 따른다.
대수층의 흐름 능력 평가는 투수계수와 층의 두께를 함께 고려하는 계수로 표현한다. 자료에는 전도계수와 투수량계수라는 용어가 등장하며, 두 계수는 투수계수(K)에 대수층의 두께(B)를 곱한 값으로 단위 폭당 유량을 나타낸다고 설명한다. 이 값들은 단위 동수경사에서 단위폭당 유량을 산정할 때 중요한 인자이다.
지하수 개발 가능량 산정은 저장체적의 일부만을 실질적으로 이용할 수 있다는 점에 기반한다. 기본적으로 개발 가능량은 공극률(n), 비산출률(S 또는 Sy로 표기되는 저장성 인자), 유역면적(A), 평균 두께(b), 허용 수위강하(Δh)를 곱하여 산정한다는 설명이 제시된다. 이 계산에서 면적 단위(km²→m²) 변환과 각 인자의 곱셈 순서를 정확히 지키는 것이 계산 결과를 맞추는 관건이다.
다르시 법칙 적용 예를 보인다. 두 지점의 수두차가 1.5m이고 수평거리가 500m이며 투수계수 K가 250m/day, 대수층 단면적 A가 6m²일 때 수리경사 i는 1.5/500 = 0.003이다. Q = K·i·A를 대입하면 Q = 250 × 0.003 × 6 = 4.5m³/day로 유량을 구한다는 절차를 따른다.
개발 가능량 계산 예를 보인다. 공극률 0.3, 비산출률 0.3, 유역면적 150km²(=150×10⁶m²), 평균 두께 100m, 수위강하 4m를 적용하면 기본식 Q = n × S × A × Δh × b를 사용하여 대수층에서 개발 가능한 체적을 산정한다는 점에 유의한다. 계산 시 단위 변환을 먼저 수행하고 각 계수를 곱하는 순서를 지켜 실수를 방지해야 한다.
단위 동수경사에서 대수층의 단위폭당 유량으로 투수계수와 대수층의 두께를 곱한 값으로 나타내는 대수층 지하수채수량 영향 인자는?
정답 ① · 대수층의 지하수 유동 특성을 나타내는 주요 인자 중 하나인 전도계수(또는 수리전도도)는 단위 동수경사에서 대수층 단위 폭당 흐르는 유량을 의미합니다. 이 값은 투수계수(수리전도도)와 대수층의 포화두께를 곱한 값과 동일하며 지하수의 흐름과 채수량을 평가하는 데 핵심적인 매개변수로 사용됩니다.
전도계수는 투수계수와 대수층 두께의 곱으로 단위 폭당 유량을 나타낸다.
지하수 유동의 기본법칙인 Darcy의 법칙에 관한 설명으로 틀린 것은?
정답 ③ · 문항은 다르시(Darcy) 법칙에 관한 설명 중 틀린 것을 묻고 있다. 다르시 법칙은 흐름이 층류일 때 성립하는 경험적 법칙으로 속도는 수두구배에 비례하고 유량은 단면적에 비례하며 수두차에 비례한다.
다르시의 법칙에 따르면 유량은 수두 차에 비례하고 거리의 역수에 비례하므로, 거리에 비례한다는 설명은 틀렸다.
자유면 대수층이 발달한 지역에서 공극률이 0.3, 비산출률이 0.3이고 유역면적이 150km²이며 수위강하를 4m만 하용할 때 지하수 개발 가능량은 몇 m³인가? (단, 자유면 평균 두께 : 100m)
정답 ② · 문제는 자유면 대수층에서 주어진 매개변수로 지하수 개발 가능량을 계산하는 문제이다. 계산식은 공극률×비산출률×유역면적×수위강하×평균두께이며, 수역면적 150km²를 m²로 환산하면 150×10^6 m²가 된다.
개발 가능량은 '공극률×비산출률×유역면적×수위강하×평균두께'로 계산하며, 단위 환산에 주의해야 한다.
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