암반단열의 수리적 연결성 해석을 위한 Brinkman 방정식 기반의 유향유속시험 수치모델링 :The numerical modeling of flowmeter tests for fracture connectivity analysis using the Brinkman equations

서현승

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자료유형: 학위논문

저자정보: 서현승 (전남대학교 )

지도교수: 여인욱

발행연도: 2023

저작권: 전남대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수4

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2023

암반단열의 수리적 연결성 해석을 위한 Brinkman 방정식 기반의 유향유속시험 수치모델링

서현승 지질환경과학과 2023.01 학위논문

2022

암반단열의 수리적 연결성 해석을 위한 유향유속시험의 수치모델링

서현승 , 여인욱 대한지질학회 학술대회 2022.10 학술대회자료

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암반대수층에서 지하수는 특정 투수성 단열을 통해 집중적으로 유동하는 선택적인 흐름(preferential flow)이 발생한다. 따라서 암반단열의 지하수유동을 해석하기 위해서는 투수성 단열들을 찾고 그들의 수리적 연결성을 파악하는 것이 중요하다. 유향유속시험은 일반적으로 관정 내의 수직적인 유량 변화를 측정하여 투수성 단열을 찾는 데 사용된다. 그러나 이 수리시험에 수반되는 관정은 자유유동영역(free-flow domain)의 파이프 흐름(pipe flow)을 형성시켜 다공성 매질 중심의 지하수 유동체계를 변형시키게 된다. 보다 정확한 유향유속시험 해석을 위해서는 파이프 흐름을 반영해야 하지만, 기존의 Darcy 법칙에 기반한 지하수유동 모델은 이를 반영할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 Brinkman 방정식에 기반한 수치해석 모델을 구현하여 유향유속시험을 해석하고자 하였다. Brinkman 방정식은 자유류 영역에서 발생하는 유체 흐름에 대한 지배방정식인 Navier-Stokes 방정식과 다공성 매질에 대한 Darcy 법칙을 합친 유동방정식으로서, 동굴, 관정 등과 같은 자유류 영역이 포함된 대수층에서의 지하수유동 해석에 효과적이다. 본 연구는 음파 텔리뷰어로 획득된 단열들의 방향 자료와 유향유속시험 자료를 분석하여 3차원 단열 망을 먼저 구축하고 Brinkman 방정식을 이용하여 유향유속시험을 수치모델링으로 구현하였다. 모델링으로 계산된 유량과 실제 측정된 유량을 비교하고 단열의 수리적 특성과 연결성을 분석하여 3차원 단열 망을 보정하고 분석하였다. 그 결과, 모든 시험조건에서 표준평균제곱근오차(NRMSE)가 3.51 % 이하로 현장 측정값과 모델링 값이 매우 잘 일치하였다. 또 암반과 각 단열의 민감도 분석(sensitivity analysis)으로 특정 투수성 단열을 통한 지하수의 지배적인 흐름을 확인하였다. 이 연구에서 제안한 방법은 정교한 3D 투수성 단열 망을 구축하고 양수 시 단열을 통해 관정으로 이동하는 지하수 흐름 패턴을 분석하는데 유용하였다. 향후 Brinkman 방정식에 기반한 모델링 해석기법은 단열의 수리적 연결성 해석을 위한 유향유속시험, 추적자시험 등 다양한 수리시험에 적용이 가능할 것으로 기대된다.

Fluid flows in fractured rocks predominantly occur through specific permeable fractures. Therefore, it is crucial to identify fracture networks and determine their hydraulic connectivity. Flowmeter tests are commonly used to locate permeable fractures by measuring flow variations within boreholes. However, during these hydraulic tests, open boreholes act as free-flow conduits, resulting in alterations in the existing flow field within the aquifer. Unfortunately, existing models based on Darcy''s law struggle to accurately simulate pipe flow inside boreholes. To address this limitation, this study proposes an improved numerical method for analyzing the hydraulic connectivity of heterogeneous fractures by implementing a groundwater flow model based on the Brinkman equation. The Brinkman equation effectively combines the Navier-Stokes equations to handle fluid flow in free-flow regions with Darcy''s law and is a suitable fluid flow equation for analyzing groundwater flow in formations containing free-flow regions such as caves and boreholes. This study presents the first application of the Brinkman equation to flowmeter tests. A three-dimensional fracture network was first constructed using televiewer logs and flowmeter tests, and hydraulic modeling was then conducted to simulate the flowmeter tests. The hydraulic conductivity and connectivity of the fracture network were adjusted and calibrated by comparing the simulated flow values with the measured flow values obtained from in-situ tests. The results demonstrated that the normalized RMSE values were below 3.51% for all test conditions, indicating a strong agreement between the simulated flow profiles and the measured flows. This method suggested in this study contributed to constructing a sophisticated 3D conductive fracture network and analyzing groundwater flow patterns through the fractures between wells during pumping. The Brinkman-based numerical method holds promise for application in various hydraulic tests, including flowmeter and tracer tests to analyze fracture connectivity.

#암반단열 #수리적 연결성 #유향유속시험 #Brinkman 방정식 #모델링

1. 서론 1
2. 연구방법 7
가. 연구지역 7
나. 모델링 자료 10
1) 시추공영상촬영 결과 10
2) 유향유속시험 결과 15
다. 지하수유동 모델링 21
1) 모델 지배방정식 21
2) 수치 모델 구성 22
3. 연구결과 25
가. 3차원 투수성 단열 모델 25
나. 유향유속시험 수치 모델링 및 보정 31
다. 유향유속시험 모델 평가 40
라. Cubic law를 통한 투수성 단열의 간극(aperture) 계산 41
마. 민감도 분석(Sensitivity analysis) 43
4. 결론 45
참고문헌 47
Abstract(영문초록) 53

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