기초수문학 및 주요공식

1. 수문 순환

(1) 물의 기원

① 초생수(connate water) : 암석의 공극 내에 존재하는 물. 지표나 대기에 유출되지 않은 물

(ex: 지층의 생성 과정에 매몰된 화석 공극수)

② magnetic water: 마그마로부터 유래한 물.

종류 − − plutonic water : 마그마의 심층에서 생성.

− volcanic water : 용암분출시 천층에서 생성.

③ 처녀수(Juvenile water): 과거에 지표수나 대기로 존재한 적이 없는 마그마나 우주에서 유래된 물. ✎ 운석수 (meteoric water) : 운석 등에 의해 대기로부터 유래된 물.

✎ 변성수 (matamorphic water) : 암석의 변성 작용에서 유래된 물

✎ 이런 순환과정에는 전체 물 중 0.001%만이 참여

 

(2) 위치에 따른 물의 대별(大別)

① 기상수 : 대기권에서 존재하는 기체․액체․고체 상태의 물

② 지표수 : 표류수, 호소, 바다 등에 존재하는 지표면 상의 물(눈과 얼음 포함)로 하천을 따라 흐르는 물, 특히 유출(runoff)란 배수지역으로부터 지표수의 형태로 배출되는 물을 말함

③ 표면하수 : 비포화대 및 포화대에 존재하는 지하 내부의 물

그 외, 지질학에서 다루는 지구 내부의 물, 운석 속의 물 등을 포함할 수 있음.

 

(3) 수문순환(hydrologic cycle)

① 수문순환의 개념

물이 바다에서 대기로 증발했다가 다시 지상에 강수로 하강하여 하천유출이나 용천의 형태로 다시 바다로 유입되는 계속적인 물의 순환 과정

② 물의 순환을 일으키는 원동력

태양열 > 지구중력 > 입자들의 분자력과 모세관현상 등

 

(4) 수문학과 수리지질학

① 수문학: 지구상의 모든 물의 생성, 분포, 이동과 화학적 특성 등에 관한 학문

② 수리지질학(지하수 수문학)

- 물과 지하의 매체 및 이를 통한 다양한 과정들의 연관성을 연구하는 학문 분야

- 지하수의 생성, 분포, 이동의 물리적 특성, 물의 유동 중 주변 매체와의 상호관계에서 발생하는 물리적/화학적 변화, 지하수자원의 관리 및 보호․정화 등을 다루는 종합 학문

 

(5) 기타 : 성인에 따른 호소의 분류

① 구조호(Tectonic Lake)

② 폐색호(Dammed Lake)

③ 침식호(Erosion Lake)

④ 잔적호(Relic Lake)

⑤ 화구호(Crater Lake, Caldela Lake)

★ 직각상수계 : 지류, 주류가 모두 직각에 가까우며 절리나 단층에 의해 형성되는 수계

 

2. 흙의 구성

(1) 흙의 조성

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Va 공기 (기체) Wa

Vv −−−− −−−−−−−−−−−−−−−− −−−−

V Vw 물 (액체) Ww W

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Vs 토립자 (고체) Ws

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① 흙의 삼상도 : 흙은 흙입자(soil), 물(water), 공기(air)의 세 가지 성분으로 구성되어 있으며 이 세 가지 성분을 흙의 삼상도라고 함

② 공극(=간극, void) : 흙에서 물과 공기가 차지하는 공간

 

(2) 공극(interstice pore, void or opening)

✎ 암석이나 토양 내에 공기나 물로 채워져 있는 공간으로서 중요한 수리특성인자임.

① 1차 공극: 암석이 생성될 당시에 형성된 것으로 퇴적기원의 공극과 화성기원의 공극으로 세분.

┏ 입자간 공극: 암석이 생설될 때 만들어짐

┣ 지층면 공극: 퇴적암에 많음

┗ 다공질 공극: vesicle

② 2차공극

암석이 만들어진 후에 용해, 수축, 결정, 습곡, 압축력, 화성암의 함락 등에 의해 2차적 으로 만들어진 것. 2차 공극은 절리, 단열대, 파쇄대, 용해공동, 단층대, 동식물에 의해 생긴 구멍과 재결정작용 등에 의해 생긴 것들이 대표적임.

 

(3) 주의해야 할 사항

① 공극율 : 점토>모래

② 투수율 : 점토<<모래

③ 압력에 의한 체적감소율 : 점토>모래

 

3. 주요 개념 및 공식

 

(1) 상대 정수의 상호 관계 ☞ 필수 숙지 사항

① 공극비(간극비; void ratio) : 흙입자의 체적에 대한 공극(간극)의 체적의 비

e `` = { V sub v ( 간극의 체적)} over { V sub s (흙만의 체적)} = {{ V sub v}} over {{ V - V sub v}} = {G sub s} over {r sub d} times r sub w - 1

② 공극률(간극율; porosity) : 흙덩어리 전체 체적에 대한 공극 체적의 비율(통상 백분율)

n = { V SUB v ( 간극의 체적)} over { V (흙덩어리전체의 체적)} TIMES 100%

※ 유효공극율 : 서로 연결된 공극에서 측정된 공극율

대수층내 지하수의 저유량 ∝ 대수층의 공극율.

③ 포화도(dgree of saturation) : 공극의 체적에 대한 함유된 물의 체적의 비율

S = { V SUB w (공극에 포함된 수분의 체적)} over { V sub v ( 공극의 체적)} times 100(%)

④ 함수비(water content) : 흙입자의 중량에 대한 수분 중량의 비율

w = {rm W SUB w (물의 중량)} over {rm W SUB s (흙의 중량)} times ```100(%)

함수율(흡수율; ratio of moisture) : 흙덩어리 전체에 대한 함유된 수분 중량의 비율

w ' = {W SUB w```` (물의 ``중량)} over {W````(전체`` 중량)} TIMES 100 ```(%)

★ 흙덩어리의 무게 W와 함수비 w을 알 때....

W SUB s = {100 W} OVER {100 + w}``,``````````````` W SUB w = {w W} OVER {100 + w}

 

(2) 흙의 단위 중량(밀도): 흙덩이의 무게를 이에 대응하는 부피로 나눈 값

➄ 전체단위중량 : r sub t = W OVER { V}= { G sub s CDOT r sub w + s CDOT e}over {+ e}times r sub w

➅ 건조단위중량 : r sub d = { W SUB s} over{ V} ={ G sub s} over {1+ e} times r sub w

➆ 포화단위중량 : r sub sat = W OVER { V} = { G sub s + e } over {1 + e} times { r sub w}

➇ 수중단위중량 : r sub "sub" = { G sub s -1} over {1+ e} times r sub w

✎ 상호 관계식 ① S SUB r cdot e = w cdot G sub s

② r sub d} = {100 r sub t} over {100 + w} ③

 

(3) 흙의 비중(specific gravity) : 흙입자의 단위중량에 대한 증류수의 단위 중량의 비

✎ 더 구체적으로 어떤 온도에서 토립자의 단위 중량과 같은 온도 또는 15℃의 증류수의 단위 중량과의 비를 흙의 비중이라고 함)

G sub s ={ W SUB s} over { V sub s} CDOT 1 OVER { r sub w}

 

4. 보유수의 종류 및 모관상승고

 

(1) 보유수(held water)

① 모관수(capillary water) : 모관작용(표면장력)을 받아 지하수면 위쪽으로 올라오는 물. 점토나 유기질이 많을수록 그 양은 많아짐

② 흡착수(absorbed water) : 물리, 화학적 작용으로 토립자의 표면에 굳게 흡착되어 있는 물.

100± 5℃ 이상 가열해야 분리됨(비등점 높고, 빙점 낮고, 표면장력이 크다.)

③ 결합수 : 100℃이상 가열해도 분리가 되지 않는 물, 토립자와 일체로 취급

 

(2) 모관상승고

✎ 흙입자가 작을수록 모관상승고가 높아짐. (모래 : 12∼35, 점토 : 200∼400)

{rm H SUB c} = {4 rm T SUB S CDOT RM cos alpha} over { r sub w ``rm d}

깨끗한 증류수일 경우, α= 0, T = 0.075 g/cm이므로

{rm H sub c} = 0.3 over {rm d} ````````````````````````````` 흙속의 모관상승고 : {rm H sub c} = C OVER { e times rm D SUB 10} ( C :입자의 상태정수 : 0.1∼0.5cm

)

 

5. 지하수의 수직적 분포

 

(1) 지하수와 토양수의 의미

① 토층수(토양수) : 흙 속에 존재하는 물을 말하며 공극을 통해 유동하므로 유속이 비교적 낮아 층류로 분류함.

② 한편 지하수는 넓은 의미로 지하에 존재하는 물을 총칭하나 정확한 의미로는 대수층 특히 포화대(saturated zone)에 존재하는 물을 일컫는다.

지하수는 지층내의 공극이나 균열을 통하여 아주 느린 속도로 이동하며, 넓은 범위에 걸쳐 분포하는 것이 특징이다.

 

(2) 비포화대(=통기대,unsaturated zone 혹은 vadose zone)와 천층수

① 토양대와 토양수 : 지표면에서부터 식물의 주 뿌리구간

② 중간대(intermediate or gravitational zone)와 중력수(intermediate or gravitational water, = 자유수) 중력에 의해 토양을 통과하는 토양 수분의 잉여부분으로 토양수대와 모세관대를 연결하며 지하수위에 따라 두께가 변동

③ 모관대(capillary zone) : 지하수면에서부터 모세관 현상에 의한 물의 상승 가능지역. 공극내에 작용하는 표면장력으로 인하여 대기압보다 낮은 부압을 보이며, 이를 모관수압이라 함.

 

(3) 포화대(saturated zone)와 지하수(groundwater)

➀ 지하의 토사 혹은 암석의 공극에 충만 되어 있는 물로 통상 포화대에 존재하는 물을 지하수라고 함.

➁ 지하수대와 모관대의 경계에는 수압이 대기압과 같아지는 자유면(Phreatic surface or Free surface)이 존재함.