≤1인 경우는 불안정하게 되며,파괴기준선에 대한 제안식은 다음과 같다.
≤
(2.18)
(2.19)
settlement(S )v failure criterion line (ultimate surcharge)
safety danger
lat. deflection/settlement(Y /S )m v 0
Fig2.18Controldiagram by(Sv-Ym/Sv)
토양오염물질은 천연 또는 합성 화합물로서 토양미생물에 의해 분해가 잘되지 않고 지속적으로 남아있으므로 토양에 축적된다.토양오염의 원인이 되는 위험요소 로는 크게 다음 세 가지를 들 수 있다.
첫 째로 산업활동에 의하여 직접 피해가되는 물질이 배출되는 경우이고,둘째는 토양내의 영양물질이나 함수율이 영향을 받아 생물학적 토양자정능력이 변하는 경 우다.세 째는 격리,자원채취 혹은 건축활동 등에 의하여 토양의 물리적 성질이 변하는 경우이다.위 세 가지 위험요소를 제공하는 오염원으로는 불량 폐기물 매립 지,생활 및 산업폐기물의 비위생 혹은 위생매립지,산업부지,누수되는 하수관,대 기에 의한 산성화,농업활동에 의한 오염 및 홍수에 의한 오수범람 등이다.
오염물질이 사람의 생활에 노출되어 해를 끼치게 된 것은 화산 폭발 등의 자연 재해로부터 시작되었으며,산업사회가 발달하면서 오염물의 종류와 발생원인이 다 양하게 나타나게 되었다.특히,1900년대 이후 생산기술의 발전과 화학제품의 생산 을 대량으로 시작하면서 발생되는 폐기물의 증가로 유해성 오염물은 도시생활에 큰 영향을 주게 되고 이로 인해 라듐,그리,철 등과 같은 오염물질의 증장에 따라 환경과 위생에 대한 문제가 야기되기 시작하였다.
현재 취급되고 있는 오염물의 발생원을 6개로 분류하면 다음 Table2.2와 같다.
Table2.2Classificationofthepollutant
분 류 발 생 원
지하유출에 의한 분류 오수 정화조,저장 탱크의 부식,하수구(생활 오폐수), 주입정,토공에 의한 오염물 발생
저장, 처분, 처리시설에 의한 누출
쓰레기 매립지,폐기물 방치 및 처분장소,재료 적치장, 지상 및 지하 저장탱크,방사성 물질 처분장
일시적 또는 주기적 배출 파이프 라인,재료 운반시설
이송시설에 의한 누출 관개수로, 농약사용, 짐승사육(축산폐수와 분뇨), 도시 유출수,대기 오염물질의 침투,광산 폐기물 유출 인위적 배수시설 Pumpingwell,지하 굴착 작업
자연적 현상에 의한 오염 지하수 및 지표수의 교호작용,자연 침출,해수의 침입
2.오염물질의 특성
물이 아닌 액상의 화합물을 NAPL(NonaqueousPhaseLiquid)이라고 하고,NAPL 은 물보다 가벼운 LNAPL(LightNAPL)과 무거운 DNAPL(DenseNAPL)로 나누 어진다.이러한 특징으로 인해 Fig 2.19와 같이 LNAPL은 지하수면위에 머무르게 되고,DNAPL은 지하수면을 통과하여 아래로 내려가 불투수층인 하부의 반암에 도달하게 된다.
pollutants ground level pollutants
LNAPL
DNAPL bed rock
Fig2.19Modeldiagram showingthedegreeofpenetrationofDNAPL and LNAPL intogroundwatertable
인위적으로 만들어진 화합물 중에서 토양에서 오염물질로 작용하는 가장 대표적 인 DNAPL은 PCB(PolychlorinatedBiphenyl),TCE(Trichloroethene),Chlorophenols 등이다.NAPL은 단일 화합물이거나 여러 가지 화합물이 혼합된 것이다.전자의 예 로는 여러 유기용매,즉 Benzene,TCE,Toluene 등이 있고 후자의 예로는 원유, 경유 등이 있다.연약지반에 이와 같은 오염물질이 혼입되게 되면 지반중 토립자의 소성화는 크게 증가되어 측방유동을 더욱 촉진시키고 그로 인해 구조물의 안정이 위태롭게 된다.
지표 아래에서 유류 오염물질은 다른 물리적 상태로 존재하면서 복잡한 혼합 형
태로 분포한다.예로서 석유계 탄화수소는 증기상태,Bulk 액체상태,흡착상태,수 중 또는 용해상태로 지하에 존재할 수 있다.대조적으로 메탄올은 지하수에 쉽게 용해된다.불포화층 지역에서 토양입자의 공극은 휘발성 오염물질이 휘발할 수 있 도록 해준다.수증기는 토양공극이 밀도가 낮을 때 이동하고,보다 밀도가 높아 빈 틈이 없을 경우 토양에 남게 된다.포화지역의 오염물질은 주로 용해된 탄화수소의 형태나 토양에 흡착,분산되어 있는 형태로 한정되어 있다.지하수면이 상승하는 기간에도 액체 상태의 탄화수소는 물의 이동속도보다 느려 토양에 남아 있게 된다.
증기상태의 탄화수소는 물이나 Bulk 액체상태의 탄화수소에 의해 아직 차지되지 않은 불포화지역의 공극에 존재한다.
탄화수소 오염물질은 중력에 의해 아래로 이동하고,일부는 수평방향으로 퍼지기 도 하는데 이는 유동하는 액체나 토양입자 사이에서 일어나는 모세관현상에 의해 발생한다.용해된 탄화수소는 평형에 도달할 때까지 물에 전이된다.용해상태에서 의 이동은 지하수의 속도와 이동비율에 의존하고 용해상태에서 탄화수소의 이동과 퍼짐은 토양입자에 탄화수소의 흡착과 불포화층에서의 휘발율,미생물에 의한 분해 율에 따라 달라진다.
석유계 탄화수소는 보통 비유동상과 유동상 사이에 분배되어 있다.LNAPL의 경 우에 유동상은 지하수의 흐름 방향으로 흐른다.DNAPL은 지하수의 방향으로 흐르 는 것이 아니라 반암의 기울기 방향으로 흐른다.
2. 6. 2오염물질의 이동과 해석법
1.오염물질의 이동
지반에 오염물질이 접촉하거나 누출되면 연직 및 수평방향으로 연속적으로 이동 한다.오염물질의 이동원리는 불포화토에서의 이동원리로 구분하여 생각할 수 있는 데 불포화 영약은 지하수위면의 상부영역을 의미하며,포화영역은 지하수위면의 하 부영역을 의미한다.불포화 영역에서는 공기,물,흙 입자,오염물질의 4가지 요소 로 구성되어 있으며,포화영역에서는 물,흙 입자,오염물질의 3가지 요소로 구성되어
있는데 각 요소 간에 상호 물리화학적 작용이 오염물의 이동에 영향을 미치고 있다.
Fig2.20은 매립지의 오염물질 즉 침출수가 지하수의 흐름을 따라 이동하여 오염 범위를 확산시키는 현상을 나타낸다.지하수의 유속이 빠르고 간극률이 큰 경우 LNAPL의 용해도 빠르게 진행된다.토립자에 흡착된 LNAPL(오염물질)은 흙입자 로부터 쉽게 떨어지지 않으므로 장기적인 지반오염을 초래하게 되고,양수처리공법 (Pump-and-Treat)으로 지반정화를 시도 할 때 초기에는 오염농도가 많이 떨어지 나,시간이 지날수록 어떤 한계밑으로 떨어지지 않는 잔존현상(TailingEffect)으로 지반오염이 장기화된다.
flow ing of not polluted
LNA PL soil particle
flow ing of polluted groundw ater that contain solute LNA PL groundw ater
Fig2.20GroundwaterpollutionofLNAPL withsolution
지하층의 불포화층 지역 아래에는 모세관지역이 존재하는데 모세관지역은 토양 입자 사이의 빈 공간에 물이 모세관현상에 의해 상승하는데서 기인한다.물분자의 표면장력은 불포화된 빈 공간에 물을 끌어올리는 역할을 하고 지하수면위에 있는 토양의 포화정도를 증가시킨다.다음으로 아래에 위치한 지역은 유동지역이다.지 하수면의 위치는 고정되어 있지 않고 순환적 형태로 오르내리면서 움직인다.예로 서 연안지역의 많은 지하수의 유동은 조류와 관련이 있다.다른 지역에서는 지하수 면이 우기 때와 눈이 녹는 초여름 동안에 올라간다.많은 양의 빗물이나 녹은 눈의 유출이 있는 기간 지하수는 증가하게 되고 이로 인해 유동지역은 포화되어진다.
오염물 이동 이론의 가장 기본이 되는 1차원적 감쇠현상과 선형적 흡착작용의
영향을 받으며,지하수에 용해되어 있는 용질의 확산 및 분산에 의한 이동원리를 이론화 한 것이다.일반적으로 이론의 해는 일차원과 이차원적으로 문제해결에 접 근하고 있으며,많은 분석해법이 연구자들에 의해 제안되었으나 근래에는 수치해석 을 이용한 해석방법이 많이 이용되고 있다.
지하수오염에서 용질이동원리를 해석하는 데 중요하게 다루어지는 주된 요소들 은 이류,확산,분산,흡착,생물학적 감쇠,화학적 반응 등이다.
이류는 오염물질이 다공질매체를 통하여 지하수의 흐름방향을 따라 지하수의 수 두경사에 따라 이동하는 과정을 말하며,확산은 용질의 분자가 용질의 농도가 높은 곳으로부터 낮은 쪽으로 이동하는 과정을 말한다.
분산은 다공질매체에서 유속을 매개변수로 하여 용질이 혼합되는 과정을 말하며, 분산은 오염원으로부터 오염범위가 확장되어가는 방향의 끝부분에서 최소의 폭을 보이며,그 부분에서 용질의 농도가 희석되는 현상이다.
용해성 물질이 흙 구조의 표면에 부착 또는 밀착하여 막을 형성하거나 흡수되는 현상을 흡착이라고 하는데 이러한 현상으로 인하여 오염물의 분산속도가 지연되는 결과를 가져온다.미생물이 부존하는 유기성의 오염물에서 유기성물질이 이산화탄 소나 물로 변성되어 오염물의 농도를 감쇠시키는 과정을 생물학적 감쇠라고 한다.
실제적으로 지하수에서는 생물학적 감쇠작용이나 화학적 작용이 많이 일어난다.
Fig2.21은 임의의 지점에서 시간의 경과에 따른 용질의 농도분포를 나타낸 것이다.
time 1.0
0.5
0.0 C/C
the front of advection
early stage
influence of
adsorption 1.0
0.5
0.0 diffusion
(delay) appearance
o
Fig2.21Influenceofdispersionanddelayaction
2.오염물질의 해석법
지표면에 누출된 오염물질이 지하수 흐름과 더블어 이동하게 되는데 이 침투속 도는 다공질매체를 통해 이동하는 오염물의 평균 선형속도와 같으며,이것이 곧 오 염물질의 이동지배방정식에서 적용하는 유속이다.이 다공질매체에서의 흐름이 Darcy 법칙의 적용범위내에서 침투속도를 Darcy의 이론을 이용하여 나타내면 다 음의 식(2.20)과 같다.
(2.20)
여기서,는 침투유속,K는 다공질매체의 투수계수,n은 다공질매체의 공극률,
은 수두경사이며,이때 공극률은 물이 다공질매체를 통하여 실제적으로 흐르는 유효공극율이다.다공질 매체의 공극을 통하여 흐르는 물은 공극들에 의해 연결되 는 미세한 유로를 따라서 흐르게 되는데 이 유로는 직선이 아니고 공극의 형태의 다라서 아주 불규칙하며,두 지점간의 직선거리보다 훨씬 길다.따라서 두 지점간 의 거리를 직선으로 가정한 평균선형유속이나 평균침투속도는 매체공극사이의 한 개의 미세유로에서 발생하는 흐름의 유속보다 항상 작다.침투유속의 영향에 의하 여 용질이 다공질매에의 유로를 따라서 흐르는 과정을 이류과정이라고 하며,이 경 우 1차원적 유량()은 침투속도는 다음 식(2.21)로 나타낼 수 있다.
(2.21)
여기서,n은 공극율이며,C는 용존농도이다.
동일한 유로상에서 두 지점간의 거리에 대하여 적분하면 오염물질이 도달되는 시간을 선정할 수 있다.그러나 실제에 있어서는 유로의 방향이 3차원으로 형성되 고 분산작용이나 확산작용이 동시에 작용한다.식(2.21)로부터 1차원적 용질이동방 정식을 유도하면,다음 식 (2.22)와 같이 나타낼 수 있다.