수두와 수리경사도

지하수면의 깊이는 지표의 토지이용이나 비피압 대수층 (unconfined aquifer)으로 부터 지하수를 개발하는데 중요한 영향을 미친다. 지하수면이 지표 얕은 부분에서 나타나면 비가 많은 계절에는 지표층이 항상 젖어 있게 되므로 이러한 지역은 주거지나 기타의 토지 이용에 적합하지 않을 것이다. 반면에 지하수면이 지하 깊은 곳에 위치한다면 지하수를 이용하는데 펌핑시설이 필요하게 되므로 많은 경제적인 비용이 들 것이다.

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1. 피압대수층(confined aquifer): 피압대수층의 경우 대수층(모래, 자갈, 단열암반 등 그러나 상대적인 개념)의 상부에 저투수성의 실트나 점토로 된 지층 혹은 단열이 없는 암반층이 있을 경우 구속이 되어 압력을 받고 있는데 이를 피압대수층이라고 합니다. 이런 경우 상부로 부터 직접적인 강우나 지하수의 침투는 제한적입니다.
2. 비피압대수층(unconfined aquifer) 혹은 자유면 대수층(water table aquifer): 비피압 혹은 자유면 대수층은 상부에 압층이 없어 지하수가 대기와 접하고 있으면 지하수면은 대기압과 압력이 동일합니다. 자유면 대수층은 상부에 압층이 없어 비가 올 경우 수직으로 강우가 침투하는 것이 원활합니다. 보통의 경우 지하수관정을 설치할 때 천부에서 처음 만나는 대수층이 자유면 대수층입니다.​

물은 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다. 마찬가지로 지하수도 수위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르게 된다. 지하수의 경사방향은 지하수를 이동방향을 나타내게 된다. 따라서 지하수의 경사방향은 지하수를 이용할 것인지 결정하는데 있어서 매우 중요한 요소가 된다.

지하수면의 위치와 경사도는 관정내의 지하수의 수위면을 측정하면 알 수 있다. 이렇게 측정된 지하수면 자료로 지하수면의 경사를 나타내게 되는데 측정된 자료의 일관성을 유지하기 위해서는 지하수면의 기준점이 필요하게 된다. 이 기준점으로 널리 쓰이는 기준수위면은 평균해수면을 사용한다. 지상의 해발고도를 나타낼 때도 이 기준점을 사용한다.

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관정내 지하수면까지의 깊이를 관측지점의 고도에서 빼면 그 관정내 지하수의 전체 수두 (Total head : Ht)가 된다. 전체 수두는 베르누이의 에너지 방정식에서 이야기 하듯이 유체가 갖는 위치수두 (elevation : He), 압력수두 (pressure head : Hp), 속도수두 (velocity head : Hv)의 합을 말한다. 이 중에서 일반적으로 지하수의 흐름은 상당히 느리므로 속도수두는 무시해도 될 만큼 작다. 또한 유체는 에너지가 큰 곳에서 작은 쪽으로 이동하게 되므로 지하수는 전체 수두가 낮아지는 방향으로 움직인다. 위에서 말한 바와 같이 지하수는 속도수두를 무시해도 될 만큼 작으므로 전체수두(Ht)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

Ht = He + Hp

 

지하수 주변의 모든 환경요소가 일정하다면, 지하수의 유동속도는 수리경사 (또는 동수구배, 동수경사, Hydraulic gradients)에 따라 달라진다. 지표면에서 지형의 기복을 나타낼 때 지형경사를 사용하듯이 수리경사는 지하수면의 경사를 의미하며 이는 단위 거리 당 전체 수두량의 변화로 나타낸다.

아래 그림과 같이 지하수가 관정 1에서 관정2 방향으로 흐른다고 하면 이 때의 수리경사는 다음과 같이 구할 수 있다.

 

 

수리 경사를 구하면 다음과 같다.

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