KR20220002921A - 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지·확인 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 특정 지반 영역의 지하 수맥을 검지 · 확인하고, 해당 지하 수맥에서의 지하수를 핀 포인트로 검지 · 확인할 수 있도록 한 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명은, 특정 지반 영역의 지하 수맥을 2차원적으로 가시화하면서, 해당 특정 지반 영역에 배치되는 다수의 전극군(22)과, 상기 전극군(22) 중에서 다이폴 · 다이폴 배치가 되는 4극의 전극(22a) 중의 2극을 전위 전극으로 하고, 다른 2극을 전류 전극으로 하고, 이들을 조합하고, 또한, 전환하여, 수평 탐사, 지하 수직 탐사를 실시하는 측점 전환 유닛(23)과, 지반 영역 전체의 측점마다 수행하는 측정 수단(25)과, 상기 지반 영역의 각 측점에서의 수평, 수직 방향에 걸친 고저 2 주파수마다의 비저항 값을 측점마다 산출하는 측점별 비저항 산출 수단(31)과, 산출한 각 측점에서의 고저 2 주파수마다의 비저항 값을 바탕으로, 각 측점마다에서의 임피던스 효과를 구하여 임피던스 효과 > 1 인 측점 위치에서 지하 수맥이 있는 것으로 추정 가능하게 하여 3차원적으로 표시할 수 있도록 한 것이다.

Description

지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지·확인 시스템

본 발명은, 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템에 관한 것이며, 구체적으로는, 특정 지반 영역의 지하 수맥을 검지 · 확인하고, 게다가, 지표로부터의 탐사에서, 해당 검지 · 확인된 특정 지반 영역의 지하 수맥에서의 지하수를 핀 포인트로 검지 · 확인할 수 있도록 하는 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템에 관한 것이다.

종래에는, 일반적으로, 지질 조사법에, 지질의 물리적 성질을 이용한 물리 탐사 분야가 있고, 그 안에 전기적 성질을 이용한 전기 탐사가 있다.

상기 전기 탐사 중에서, 지반의 비(比)저항을 이용한 비저항법에 지층의 수직 변화를 파악하는 수직 탐사와, 광맥과 단층 등의 수평 이상을 파악하는 수평 탐사가 있다.

상기 수평 탐사는, 조밀한 측정 수에 의해 수직 탐사를 합한 효과를 발휘할 수 있고, 화상(image)에 의해 한층 더 알기 쉬우며, 게다가 지하수의 유무와 취수량의 많고 적음까지 판정이 가능한 것이 알려져 있다.

특허문헌 1에는, 본 발명에 관련하는 기술로서, 위성 화상 데이터와 현지 실측 데이터와 지형 · 지질 데이터를 이용하여 생성한 일정 범위의 지권(geosphere)에서의 지표, 지하를 포함하는 3차원 지형 · 지질 모델을 시뮬레이션 결과 기억부에 기억하고, 3차원 지형 · 지질 모델의 지하는 초기화 모델을 생성하고, 초기화 모델에 대해, 과거 · 근현대 재현, 및 미래 예측을 위한 파라미터의 입력에 대응하여, 연산 처리, 화면 생성 처리를 실행하고, 지형 · 지질 모델 등의 수정을 수행하여 정밀도를 높이고, 결과를 시뮬레이션 결과 기억부에 기억(저장)함과 더불어, 정지 영상 및 동영상 처리해서 표시부에 표시하고, 과거에서 미래에 이르는 4차원 물 순환 상황의 재현 · 해석(분석) · 예측 · 가시화를 수행하도록 구성한 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템이 개시되어 있다.

이 특허문헌 1의 기술에 의하면, 본 발명에 관련된 기술로서, 지하 수맥을 다원적으로 표시하고 가시화할 수 있지만, 물 이용의 관점에서는 해당 가시화한 지하 수맥 중 어느 위치를 핀 포인트로 굴착(보링, boring)하면 좋은지의 판단은 곤란하였다.

즉, 특허문헌 1의 기술에 의하면, 평면적, 2차원적으로 지하 수맥을 표시할 수 있지만, 단순히 해당 지하 수맥을 가시화해 보아도, 정작, 해당 가시화 속의 지하 수맥의 어떤 위치를 핀 포인트로 보링하면 지하수에 다다르는지는 종래에는 완전히 인간의 감에 의존했었던 실정이다.

특허문헌 2에는, 본 발명에 관련한 기술로서, 지중의 소정 영역에 포함되어 있는 수분을 검출하는 수분 검출 장치로서, 상기 소정 영역에 입력한 교류 전류의 전류 값을 측정하는 복수의 전류 전극 쌍과, 상기 교류 전류에 대응하는 전압 값을 측정하는 복수의 전위 전극 쌍과, 상기 교류 전류의 주파수를, 미리 설정된 제1 주파수부터 상기 제1 주파수보다 높은 제2 주파수까지의 사이에서, 소정의 주파수 간격으로 복수의 주파수를 설정하는 주파수 설정 수단과, 상기 주파수 설정 수단에 의해 주파수가 설정될 때마다, 상기 전류 값과 상기 전압 값을 이용하여, 상기 소정 영역의 비저항 값을 구하는 비저항 산출 수단과, 상기 비저항 값의 최대 값과 최소 값을 구하고, 상기 최대 값을 상기 최소 값으로 나눈 몫이 작을수록, 상기 소정 영역에 포함되어 있는 수분이 많은 것으로 추정하는 추정 수단을 구비하는 수분 검 출 장치가 개시되어 있다.

이 특허 문헌 2의 기술에 의하면, 비저항 값의 최대 값과 최소 값을 구하고, 상기 최대 값을 상기 최소 값으로 나눈 몫이 작을수록, 상기 소정 영역에 포함되어 있는 수분이 많다고 추정하도록 하고 있지만, 이러한 추정은 실험 결과에 근거한 것으로서, 단순히 이러한 장치를 이용하여, 미리 검지 · 확인하지 않은 채에서의 지반 영역의 지하 수맥에서의 지하수를 핀 포인트로 검지 · 확인하는 것은 곤란한 일이었다.

특허문헌 1: 일본특개2014-37677호 공보 특허문헌 2: 일본특허제6235146호 공보

본 발명은, 상술한 종래의 실정에 비추어 개발된 것으로서, 특정 지반 영역의 지하 수맥을 검지 · 확인하고, 게다가, 지표로부터의 탐사로, 해당 검지 · 확인한 특정 지반 영역의 지하 수맥의 지하수를 핀 포인트로 검지 · 확인할 수 있도록 한 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템을 제공하는 것이다.

즉, 본 발명은, 본 발명에 관련된 기술로서의 특허문헌 1과 특허문헌 2의 각 시스템 기술을 정교하게 조합하여 이루어지는 지하 수맥 및 해당 지하 수맥의 지하수의 검지 · 확인 시스템이며, 특허문헌 1의 기술로 평면적, 2차원적으로 지하 수맥을 가시화하여, 해당 가시화한 지하 수맥의 지하수의 위치를 3차원적으로 표시하여 핀 포인트로 보링하도록 한 시스템이다.

본 발명의 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템은, 상기한 바와 같이, 평면적, 2차원적으로 지하 수맥을 가시화하여, 해당 가시화한 지하 수맥에서의 지하수의 위치를 3차원적으로 표시하여 핀 포인트로 보링할 수 있도록 한 시스템이다.

우선, 본 발명에서 상기 평면적, 2차원적으로 지하 수맥을 가시화하기 위한 기술은, 위성 관측 화상 데이터 · 현지 관측 데이터 · 기존 공표 데이터의 지형 · 지질 데이터를 이용하여 생성한 일정 범위의 지권에서의 지표, 지하를 포함하는 3차원 지형 · 지질 모델을 기억 수단에 기억하여 실행되고, 3차원 지형 · 지질 모델의 지하는 포화대(飽和帶)로 하는 초기화 처리를 수행하여 초기화 모델을 생성하고, 초기화 모델에 대해 시뮬레이션 프로그램의 실행을 기초로, 과거 · 근현대 재현, 및 미래 예측을 위한 각종 파라미터의 입력 수단으로부터의 입력에 대응하여, 연산 수단에 의한 연산 처리, 화상 생성 처리 수단에 의한 화상 생성 처리에 의한 시뮬레이션을 실행하고, 시뮬레이션 결과를 기억 수단에 기억함과 더불어, 2차원 및 3차원의 정지 영상 및 동영상에 가시화 처리된 것은 표시 수단에 표시하고, 해당 일정 범위의 지권에서 과거부터 미래에 이르는 4차원 물 순환 상황의 재현 · 해석 · 예측 · 가시화를 수행하도록 한 것을 가장 주요한 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서 상기 평면적, 2차원적으로 지하 수맥을 가시화한 지하 수맥에서 지하수의 위치를 3차원적으로 표시하여 핀 포인트로 보링할 수 있도록 하기 위한 기술은, 특정 지반 영역에 측선을 따라 배치되는 다수의 전극군과, 상기 전극군 중 다이폴(dipole) · 다이폴 배치가 되는 4극의 전극을 조합하고, 또한, 전환하여, 비저항법에 의해 특정 지반 영역의 수평 탐사, 지하 수직 탐사를 실시하는 측점 전환 유닛과, 상기 다이폴 · 다이폴 배치가 되는 4극의 전극 중 2극에 고저(高低) 2 주파수로 이루어진 전압을 인가하고, 다른 2극에 의해 상기 2극 사이에 흐르는 고저 2 주파수 별로 전류를 검출하는 측정을 특정 지반 영역 전체의 측점마다 수행하는 측정 수단과, 상기 고저 2 주파수로 이루어진 전압, 검출한 고저 2 주파수 별로 전류를 기초로 대응하는 상기 특정 지반 영역의 각 측점에서의 수평, 수직 방향에 걸친 고저 2 주파수 별로 비저항 값을 측점마다 산출하는 측점별 비저항 산출 수단과, 산출한 각 측점에서의 고저 2 주파수마다의 비저항 값을 기초로, (고주파수에 대응하는 비저항 값) / (저주파수에 대응하는 비저항 값)으로 이루어지는 각 측점마다에서의 임피던스 효과를 구하는 측점별 임피던스 효과 산출 수단을 갖고, 임피던스 효과 > 1 인 측점 위치에서 지하 수맥 있음으로 추정 가능하게 한 것을 주요한 특징으로 한다.

청구항 1 기재의 발명에 따르면, 특정 지반 영역의 지하 수맥을 평면적, 2차원적으로 가시화하면서 해당 지하 수맥에서 지하수의 위치를 3차원적으로 핀 포인트로 표시 가능하게 한 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서 지하수의 검지 · 확인 시스템을 실현하여 제공할 수 있다.

청구항 2 기재의 발명에 따르면, 특정 지반 영역의 지하 수맥을 평면적, 2차원적으로 가시화할 수 있도록 한 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템과 더불어, 해당 특정 지반 영역에 측선을 따라 배치되는 다수의 전극군과, 상기 전극군 중 다이폴 · 다이폴 배치가 되는 4극의 전극 중 2극을 전위 전극, 다른 2극을 전류 전극으로 하여, 이들을 조합하고 또한 전환하여, 비저항법, 웨너법(wenner method)에 의해 특정 지반 영역의 수평 탐사, 지하 수직 탐사를 실시하는 측점 전환 유닛과, 상기 다이폴 · 다이폴 배치가 되는 2극의 전위 전극에 고저 2 주파수로 이루어지는 전압을 인가하고, 다른 2극의 전류 전극에 의해 상기 전위 전극 사이에 흐르는 고저 2 주파수별로(마다) 전류를 검출하는 측정을 특정 지반 영역 전체의 측점마다 수행하는 측정 수단과, 상기 고저 2 주파수로 이루어지는 전압, 검출한 고저 2 주파수마다의 전류를 기초로 대응하는 상기 특정 지반 영역의 각 측점에서의 수평, 수직 방향에 걸친 고저 2 주파수마다의 비저항 값을 측점마다 산출하는 측점별 비저항 산출 수단과, 산출한 각 측점에서의 고저 2 주파수마다의 비저항 값을 기초로, (고주파수에 대응하는 비저항 값) / (저주파수에 대응하는 비저항 값)으로 이루어지는 각 측점마다의 임피던스 효과를 구하는 측점별 임피던스 효과 산출 수단을 갖고, 임피던스 효과 > 1인 측점 위치를 지하 수맥 있음, 으로 추정 가능하게 한 구성의 시스템을 기초로, 특정 지반 영역의 지하 수맥을 평면적, 2차원적으로 가시화하면서 해당 지하 수맥에서 지하수의 위치를 3차원적으로 핀 포인트로 표시 가능하게 한 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서 지하수의 검지 · 확인 시스템을 실현하여 제공할 수 있다.

청구항 3에 기재된 발명에 따르면, 상기 청구항 1 또는 2에 기재된 측정에 이용하는 전압의 고저 2 주파수 중에서, 고주파수는 40Hz, 저주파수는 4Hz로 한 구성의 기초로 상기 효과를 발휘하는 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서 지하수의 검지 · 확인 시스템을 실현하여 제공할 수 있다.

도 1은 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템의 구성 개념을 나타내는 개략 블록도이다.
도 2는 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템의 구성을 나타내는 개략 블록도이다.
도 3은 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 시뮬레이션 시스템에서 기상, 수문(水文), 지형 등의 각종 항목에 관한 대량의 데이터 항목을 나타내는 설명도이다.
도 4는 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션 실행에 의한 3차원 지형 모델 유역 물 순환 모델의 영역 초기화 처리의 개념도이다.
도 5는 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션에서 영역 초기화 처리 실행에 의한 불포화대의 발달 과정, 지표수의 출현 형성 과정, 및 지표 및 지하의 유선 궤적의 개념도이다.
도 6은 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션의 홍수 범람 해석 기능에 의한 기록 호우 등의 실강우 데이터를 이용한 홍수 범람 흐름 및 하천 제방 결궤에 의한 제로미터 지대 범람 영역 시뮬레이션 사례를 나타내는 개략도이다.
도 7은 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션의 다상류(多相流) 해석 기능에 의한 포화 · 불포화 지반내에서 물보다 비중이 큰 오염 원액의 지하 침투의 해석예를 나타내는 개략도이다.
도 8은 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션에서 담염 밀도류 해석 기능에 의한 해안 영역의 염수 침입 시뮬레이션 사례를 나타내는 개략도이다.
도 9는 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션에서 반응성 물질 이행 해석 기능에 의해 호소(湖沼)에 유입하는 하천과 그 유역으로부터의 임팩트를 해석한 사례를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션에서 다성분 가스 수송 해석 기능에서 원위치 실험계에서의 인공 배리어(barrier) 중의 가스 이행 거동의 3차원 시뮬레이션 사례를 나타내는 개략도이다.
도 11은 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션에서 물 · 유사(流沙) 연성(連成, coupled) 해석(analysis) 기능에 의한 물 · 유사 · 지반 상(床) 변동 연송계의 개념 및 인공 강우에 의한 사면류(斜面流), 침식, 토사 이동, 퇴적이 리프(reef) 모양의 지형 기복 형성 상태를 개념적으로 나타내는 개략도이다.
도 12은 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션 프로그램이 대상으로 하는 지역권의 물 순환 모델의 물리적 개념을 나타내는 설명도이다.
도 13은 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션의 물 · 공기 2상류(相流) 해석 기능을 사용하여 해석한 일본 열도 전체의 인위가 가해지지 않은 이전의 자연 상태의 표류수와 지하수를 일체로 한 물 순환의 원 풍경을 나타내는 개략도이다.
도 14은 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션의 물 · 공기 2상류 해석 기능을 사용하여 해석한 관동(칸토우) 지방의 인위가 가해지지 않은 이전의 자연 상태의 표류수와 지하수를 일체로 한 물 순환의 원 풍경을 나타내는 개략도이다.
도 15는 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션 해석 실증의 역사적 사실 비교 해석 수법의 일례를 나타내는 현재 및 6000년전의 승문(죠우몬) 시대의 관동 지방의 지형의 음영도이다.
도 16은 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 물 · 공기의 2상류 해석 기능을 사용하여 해석한 사가미 만(bay), 스루가 만 영역의 표류수와 지하수 및 용수(湧水) 등의 인위가 가해지지 않은 이전의 자연 상태의 물 순환을 나타내는 개략도이다.
도 17는 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션 해석의 실증의 수질 · 수량 수치 분석 수법의 일례를 나타내는 것이며, 스루가 만 연안 영역에서의 수많은 측정 포인트에서, 깊이 방향으로 해수를 채취하여, 해수 염분 농도 · 수온 · 탁도 · 전기 전도도 및 DO(용존 산소량)의 수질 분석 데이터를 나타내는 설명도이다.
도 18은 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션의 물 · 공기 2상류 해석 기능을 사용하여 해석한, 노우비 평야에서 인위가 가해지지 않은 이전의 자연 상태의 표류수와 지하수 일체의 물 순환의 개략도이다.
도 19은 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션의 물 · 공기 2상류 해석 기능을 사용하여 해석한 노우비 평야의 21세기의 현재의 표류수와 지하수 일체의 물 순환의 개략도이다.
도 20은 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션의 다상류 해석 기능을 사용하여 공장이나 오일 탱크에서 지하수에 유분, 중금속, 열 용해성 물질이 흐르는 상태를 시뮬레이션하는 경우를 개념적으로 나타내는 개략도이다.
도 21은 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션 프로그램의 반응성 물질 이행 해석 기능을 사용하여 난투(難透)수조에서 지하 수면으로의 트리클로로에틸렌(난(難) 용해성), 벤젠(용해성) 침투 상태를 시뮬레이션한 개략도이다.
도 22은 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션의 반응성 물질 이행 해석 기능을 사용하여 해석한, 어떤 지역의 2개소(個所)의 오염원으로부터의 농약 오염의 상태를 시뮬레이션한 개략도이다.
도 23은 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션의 처리의 흐름을 나타내는 개략 플로우차트다.
도 24은 실시예에 관련된 지하 수맥에서 지하수의 검지 · 확인 시스템의 전체 구성 및 지반 탐사 결과의 개념을 나타내는 개략도이다.
도 25은 실시예에 관련된 지하 수맥에서 지하수의 검지 · 확인 시스템의 전체 구성을 나타내는 개략 블록도이다.
도 26은 실시예에 관련된 지하 수맥에서 지하수의 검지 · 확인 시스템에 의한 탐사 결과로서 예를 들면 일본국; A 지반 영역에서의 다이폴 · 다이폴법에 의한 등비(等比)저항선도(상란), 임피던스 효과도(하란) 및 깊이(심도)에 대응한 암석 등의 분포도(주상(기둥 모양)선도)를 나타내는 개략 탐사 결과도이다.
도 27은 실시예에 관련된 지하 수맥에서 지하수의 검지 · 확인 시스템에 의한 탐사 결과로서 예를 들면 일본국; B 지반 영역에서의 웨너법에 의한 비저항 값(상란), 다이폴 · 다이폴법에 의한 등비저항선도(중란), 임피던스 효과도(하란) 및 깊이에 대응한 암석 등의 분포도(주상선도)를 나타내는 개략 탐사 결과도이다.
도 28은 실시예에 관련된 지하 수맥에서 지하수의 검지 · 확인 시스템에 의한 탐사 결과로서 예를 들면 일본국; C 지반 영역에서의 다이폴 · 다이폴법에 의한 등비저항선도(상란), 임피던스 효과도(하란) 및 깊이에 대응한 암석 등의 분포도(주상선도)를 나타내는 개략 탐사 결과도이다.
도 29은 실시예에 관련된 지하 수맥에서 지하수의 검지 · 확인 시스템에 의한 예를 들면 일본국; D 지반 영역에서의 어스댐(earth dam)의 누수 개소의 탐사 결과로서 다이폴 · 다이폴법에 의한 등비저항선도 및 임피던스 효과도를 나타내는 개략 탐사 결과도이다.

본 발명의 특정 지반 영역의 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서 지하수의 검지 · 확인 시스템에 관한 평면적이고, 2차원적으로 지하 수맥을 가시화하기 위한 기술은, 국토 등의 일정 범위의 지권에서 과거부터 미래까지의 물 순환 상황을 재현 · 해석 · 예측 · 가시화하는 컴퓨터를 이용한 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템으로서, 위성 화상 데이터와 현지 실측 데이터 및 기존 공표되어 있는 지형 · 지질 데이터, 혹은 위성 화상 데이터 또는 현지 실측 데이터 중 하나의 데이터와 기존에 공표되어 있는 지형 · 지질 데이터를 사용하여 생성한 일정 범위의 지권에서의 지표, 지하를 포함하는 3차원 지형 · 지질 모델을 기억 수단에 기억하고, 요청되는 물 문제 해결을 위한 해석 과제의 명확화의 기반으로 짜여진 시뮬레이션 프로그램의 실행에 의해, 3차원 지형 · 지질 모델의 지하는 포화대로 하는 초기화 처리를 수행하여 초기화 모델을 생성하고, 초기화 모델에 대해 시뮬레이션 프로그램의 실행을 바탕으로, 과거 · 근현대 재현, 및 미래 예측을 위한 기상, 수문, 지형, 토지 이용, 지질, 토사, 물 이용, 인공물, 유체물성, 화학 물질 특성에 관한 각종 파라미터의 입력 수단으로부터의 입력에 대응하여, 연산 수단에 의한 연산 처리, 화상 생성 처리 수단에 의한 화상 생성 처리에 의한 시뮬레이션을 실행하고, 그 시뮬레이션 결과는 수질 · 수량 수치 해석 수법이나 지형 · 지질 해석 수법 및 역사적 사실 비교 수법 등에 의해 검증되어 필요에 따라 지형 · 지질 모델 등의 수정을 수행하여 시뮬레이션 정밀도를 높이고, 시뮬레이션 결과를 기억 수단에 기억함과 더불어, 2차원 또는 3차원의 정지 영상 및 동영상 처리하여 표시 수단에 표시하고, 해당 일정 범위의 지권에서 과거에서 미래에 이르는 4차원 물 순환 상황의 재현 · 해석 · 예측 · 가시화를 수행하는 구성에 의해 실현하였다.

또한, 상술한 특정 지반 영역의 지하 수맥을 평면적, 2차원적으로 가시화한 해당 지하 수맥의 지하수(또는 수원(水源))의 위치를 3차원적으로 표시하여, 핀 포인트로 보링할 수 있도록 하기 위한 기술은, 특정 지반 영역에 측선을 따라 배치되는 다수의 전극군과, 상기 전극군 중 다이폴 · 다이폴 배치가 되는 4극의 전극 중 2극을 전위 전극, 다른 2 극을 전류 전극으로 하고, 이들을 조합하여, 또한, 전환하여, 비저항법, 웨너법에 의해 특정 지반 영역의 수평 탐사, 지하 수직 탐사를 실시하는 측점 전환 유닛과, 상기 다이폴 · 다이폴 배치가 되는 2극의 전위 전극에 고저 2 주파수로 이루어지는 전압을 인가하고, 다른 2극의 전류 전극에 의해 상기 전위 전극 사이에 흐르는 고저 2 주파수 별로 전류를 검출하는 측정을 특정 지반 영역 전체의 측점마다 수행하는 측정 수단과, 상기 고저 2 주파수로 이루어지는 전압, 검출한 고저 2 주파수별의 전류를 기초로 대응하는 상기 특정 지반 영역 각 측점에서의 수평, 수직 방향에 걸친 고저 2 주파수마다의 비저항 값을 측점마다 산출하는 측점별 비저항 산출 수단과, 산출한 각 측점에서의 고저 2 주파수마다의 비저항 값을 바탕으로, (고주파수에 대응하는 비저항 값) / (저주파수에 대응하는 비저항 값)으로 이루어지는 각 측점마다에서의 임피던스 효과를 구하는 측점별 임피던스 효과 산출 수단을 가지고, 임피던스 효과 > 1 인 측점 위치에서 지하 수맥이 있는 것으로 추정 가능하게 한 구성에 의해 실현하였다.

[실시예]

이하, 도면을 참조하여, 우선, 실시예에 관련된 특정 지반 영역의 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템(21)을 실현하기 위한 "평면적, 2차원적으로 지하 수맥을 가시화하기 위한 기술"에 대해 상세히 설명한다.

뒤쪽(後記)에서는, 실시예에 관련된 특정 지반 영역의 지하 수맥을 그리고 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템(21)을 실현하기 위한 "평면적, 2차원적으로 가시화한 지하 수맥에서의 지하수의 위치를 3차원적으로 표시하여, 핀 포인트로 보링할 수 있도록 하기 위한 기술"에 대해 상세히 설명한다.

이하, 본 발명의 실시예에 관련된 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서 지하수의 검지 · 확인 시스템(21)을 실현하기 위한 평면적, 2차원적으로 지하 수맥을 가시화하기 위한 기술인 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템에 대해 상세하게 설명한다.

즉, 본 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 시뮬레이션(이하 "시뮬레이션"이라 한다)는, 그 시뮬레이션이 요청되는 물 문제 해결을 위한 과제의 명확화를 바탕으로 시뮬레이션 프로그램이 짜여져, 시뮬레이션에 필요한 데이터는 위성 화상 데이터, 현지 실측 데이터, 기존 공표 데이터(혹은 위성 화상 데이터 또는 현지 실측 데이터 중 하나의 데이터와 기존 공표되어 있는 지형 · 지질 데이터를 사용하여도 된다) 등으로 구성되는 다수의 데이터가 수집 인풋되어, 그 시뮬레이션 결과는 수질 · 수량 수치 해석 수법이나 지형 · 지질 해석 방법 및 역사적 사실 비교 수법 등에 의해 검증되어, 실제와 해석 결과의 어긋남이 발생한 경우에는 재차, 시뮬레이션 프로그램에서의 지형 · 지질 모델 등의 수정을 수행하고, 대상 지역의 물 순환을 정확하게 재현하는 것을 실현한다.

또한, 이 시뮬레이션 해석 결과는 2차원 또는 3차원의 정지 영상 및 동영상 처리하여, 지금까지 인간이 눈으로 볼 수 없었던 지하수를 포함하는 해석 대상 지역의 물 순환의 가시화를 실현해 간다.

상기 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션은, 도 2에 나타난 바와 같이, 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 시뮬레이션 프로그램(이하 "시뮬레이션 프로그램"이라 한다)을 저장한 프로그램 메모리(12)와, 전체의 제어를 수행함과 더불어 시뮬레이션 프로그램에 기초하는 각종 처리의 제어를 수행하는 제어부(11)와, 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 처리에 필요한 각종 데이터를 수집 축적하는 데이터베이스(13)와, 시뮬레이션 프로그램에 기초하여 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 처리에 필요한 각종 연산을 실행하는 연산부(14)와, 시뮬레이션 프로그램에 기초하는 시뮬레이션 처리에 대응하는 화상 생성 처리를 수행하는 화상 생성 처리부(15)와, 시뮬레이션 프로그램에 기초하는 시뮬레이션 결과를 기억하는 시뮬레이션 결과 기억부(16)와, 데이터 입력용 키보드(17), 마우스(18)와, 데이터 출력용 컬러 프린터(19), 표시부(20)를 가지고 있다.

상기 데이터베이스(13)에는, 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 처리를 실행하기 위해, 도 3에 나타난 바와 같이, 기상, 수문, 지형 등의 각종 데이터 항목에 관한 대량의 데이터가 수집 축적된다. 상기 데이터에는 먼 과거로부터 근현대, 나아가서는 미래 예측에 관한 기상, 수문 등에 관한 데이터가 포함된다.

이 경우, 각종 항목에 관한 대량의 데이터의 수집 축적은, 위성 화상 데이터와 실제 현지 조사 데이터와 공개되어 있는 기존의 수문 수질 데이터베이스, 기상 데이터베이스 등의 외부 데이터베이스와, 이과연표(理科年表) 등의 공지문헌 등으로부터 수행할 수 있다.

다음으로, 상기 시뮬레이션 프로그램에서 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 처리에 관한 기능에 대하여 자세히 설명한다.

상기 시뮬레이션 프로그램은 도쿄 대학 토사카 히로유키 교수, 주식회사 지권 환경 테크놀로지에서 제공한 GETFLOWS(GEneral purpose Terrestrial fluid-FLOW Simulator): 등록 상표)을 채용하고 있다.

이 GETFLOWS는, 본 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 기간(基幹) 기술이며, 이미 기술적으로 확립되어 있는 것이다.

상기 시뮬레이션 프로그램은, 지권 유체 모델링과 수치 시뮬레이션을 수행하는 프로그램이며, 육지에서의 물 순환 시스템을 다상 다성분 유체계로서 정식화(定式化)하고, 종래 곤란했던 지상 및 지하의 물 흐름을 일체화시킨 점에 특징이 있다.

즉, 일반적인 지하수 해석, 하천 유출 해석, 홍수 · 범람 해석, 지표수 · 지하수의 상호 작용 해석, 오염 물질을 포함하는 이류(移流) 분산 해석, 유층 해석, 열 해석 등을 수행한다.

상기 시뮬레이션 프로그램은, 지표수를 포함하는 물 · 공기 2상 유동 시뮬레이션에 의해, 육수계(陸水系)에서의 물 흐름을 표현하는 물 · 공기 2상류 해석 기능, 호우나 파제에 의한 홍수 범람 흐름을 동반하는 지표수 유동을 해석하는 홍수 범람 해석 기능, 지상 · 지하 지반 중에서의 수상, 공기상, 오염 원액상의 해석을 수행하는 다상류 해석 기능, 유체상(물 · 가스 상)에 의한 열이류(熱移流), 토양 · 암반 등의 고상(固相) 중에서의 열전도를 해석하는 물 · 열연성 해석 기능, 연안 지역에서의 담수와 해수의 상호 작용(밀도류)을 고려한 유체 거동을 해석하는 담염 밀도류 해석 기능, 유역 내에서 발생하는 오탁(汚濁) 물질과 지상, 지하에서의 물질 이동 과정을 시뮬레이트하는 반응성 물질 이행 해석 기능, 반응성 물질 이행 해석 기능, 방사성 폐기물 · 일반 쓰레기 등 폐기물에서 발생하는 가스나 매설관 누설 가스의 지하 지반중의 이동 거동을 해석하는 다성분 가스 수송 해석 기능, 및 산간지의 지하수 또는 수원에서의 지하수 함양(涵養) 기능의 공간적, 장기적인 변화를 해석하는 물 · 유사(流砂) 연성 해석 기능을 주요한 요소로 하고 있다.

상기 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템의 기본적인 처리의 흐름은, 도 23에 나타낸 바와 같이 데이터베이스(13)에 축적된 위성 화상과 기존의 지형 데이터를 이용하여 연산부(14), 화상 생성 처리부(15)의 동작에 의해 일정 범위의 지권에서의 지표, 지하를 포함하는 3차원 지형 · 지질 모델을 생성하여 데이터베이스(13)에 기억하고, 다음으로 상기 시뮬레이션 프로그램에 의해, 3차원 지형 · 지질 모델의 지하는 포화대로 하는 초기화 처리를 수행하여 초기화 모델을 생성하여 시뮬레이션 결과 기억부(16)에 기억하고, 상기 초기화 모델에 대한 과거 · 근현대 재현, 및 미래 예측을 위한 기상, 수문, 지형, 토지 이용, 지질, 토사, 물 이용, 인공물, 유체물성, 화학 물질 특성에 관한 각종 파라미터의 상기 키보드(17) 등으로부터의 입력에 대응하여, 연산부(14), 화상 생성 처리부(15)의 동작에 의해 해당 일정 범위의 지권에서의 과거에서 미래에 이르는 4차원 물 순환 상황의 화상 및 수치에 의한 재현 · 해석 · 예측을 수행하고, 시뮬레이션 결과 기억부(16)에 기억하고, 필요에 따라 표시부(20)에 표시하고, 칼라 프린터(19)에 의해 프린트 출력하는 것이다.

상기 시뮬레이션 프로그램에 포함되는 제(諸)기능들에 대하여 이하에 자세히 기술한다.

<물 · 공기 2상류 해석 기능>

이 기능은, 지표수를 포함하는 물 · 공기 2상 유동 시뮬레이션에 의해, 육수계에서의 물 흐름을 상세하게 표현한다. 또한, 육수계에서의 유체 분포의 초기 상태는 영역 초기화에 의해 재현하고, 거기서 발생하는 다양한 현상을 해석한다.

물 · 공기 2상류 해석 기능에서의 지형 · 지질, 사행(蛇行)한 하천 · 하상 지형, 인공물 등의 복잡한 공간 표현은, 코너 포인트형 차분 격자로 불리는 임의 지오메트리(geometry)의 6면체 격자에 의해 유연하게 모델화가 가능하다.

또한, 지형 · 지질 모델 데이터의 하나하나의 격자마다, 또는 격자의 면마다 물성(物性) 데이터를 부여하는 것이 가능하기 때문에, 터널 벽면, 시트와 벽 모양의 인공 구조물, 이방성 지반 등의 표현이 용이하게 수행될 수 있는 것이다.

위의 물 · 공기의 2상류 해석 기능의 적용 분야로는, 지표수 · 지하수의 상호 작용 해석(하천 흐름 끊어짐, 용수 · 함양, 하천의 유지 유량 평가, 수자원 이용 계획의 적정화 등등), 하천 유출 해석, 포화 · 불포화 침투류 해석, 터널, 댐, 유수지(遊水地), 지하 구조물 등의 건설 공사에 의한 환경 영향 평가, 수자원 부존(賦存)량 예측, 양수(揚水) 계획의 적정화 등을 들 수 있다.

도 4 상란에 3차원 지형 모델의 영역 초기화 처리의 개념도를 나타낸다.

도 4 중란에 나타낸 바와 같이 일정량의 강수량(지하수 함양량과 같은 1 ~ 2mm / 일)을 입력하고 계산을 개시한다. 이것에 의해, 지표면에 공기와 물이 침입하여, 물보다 무거운 소금물이 조금씩 바다와 강에 밀려가는 모습을 얻을 수 있다.

도 4 하란에 나타낸 바와 같이, 수만년 정도에 걸친 계산에 의해, 거의 현재와 같은 정도의 소금물, 지하수위, 하천 유량 등의 물의 분포를 계산할 수 있다. 그리고, 강우와 지하수위, 지하수 유출이 균형잡힌 상태를 얻을 수 있다. 이상에서 실제의 강수량 데이터를 이용한 계산을 실행할 준비가 완료된다.

다음으로, 영역 초기화 시뮬레이션을 실행하여, 지형 · 지질 등의 격자를 작성하여, 투수 계수 등의 수리(水理) 파라미터를 격자로 설정하고, 계산을 개시한다. 우선, 유역 물 순환 모델의 격자를 소금물로 채운다(초기 조건).

도 5에 영역 초기화 시뮬레이션에 의해 얻어진 불포화대의 발달 과정, 지표수의 출현 형성 과정, 지표 및 지하의 유선(流線) 궤적 개념도를 나타낸다.

<홍수 범람 해석 기능>

이 기능은, 호우와 파제에 의한 홍수 범람류를 동반하는 지표수 유동 시뮬레이트하는 기능이다.

상기 시뮬레이션 프로그램에서는, 운동 방정식의 관성항과 속도항을 생략한 확산파 근사에 의해 지표 유동을 해석하고, 다양한 호우 패턴이나 파제 조건에 대해 큰 물의 움직임을 안정되고, 또한, 고속으로 추적할 수 있도록 하고 있다.

하천 등 범람 영역이나 범람 수량을 예측하는 것으로, 도시부의 배수 설계나 재해시의 피난 계획의 책정을 지원하는 툴이 된다.

또한, 지반 내의 지하수(공기도 포함하여)와 동시에 해결하기 위해, 호우시의 급격한 지하 수위 상승과 내수 범람을 표현하고, 그 발생 지점이나 침수 지역 · 침수량을 예측할 수 있다.

시뮬레이션에 의해 얻어지는 수치 정보는, 범람 범위 · 수량, 압력, 포텐셜, 수심 · 수위, 유속 등이다.

도 6에 기록 호우 등의 실제 강우 데이터를 이용한 홍수 범람 흐름 및 하천 제방 결궤에 의한 제로미터 지대 범람 영역 시뮬레이션 사례의 개념도를 나타낸다.

홍수 범람 해석의 적용 분야로서는, 호우시의 침수 지역 예측, 내수 범람, 하천 제방 결궤 후의 범람 영역 예측, 저평(低平)농지에서의 담수 피해 지역의 예측과 암거(暗渠) · 펌프 등 배수 대책의 효과 검토, 연안 지역에서의 고조(高潮) 범람 및 기록 호우에 의한 내수 범람의 침수 범위 예측 등의 예를 들 수 있다.

<다상류 해석 기능>

이 기능은, 지상 · 지하 지반 중에서의 수상, 공기상, 오염 원액상(비 수용성 유체 Non-Aqueous Phase Liquid: NAPL)의 다상 동시 흐름을 실용 레벨의 3차원 솔버(solver)에 의해 해석하는 것이다.

상기 오염 원액상은, 유기 용제나 탄화수소계의 비 수용성 유체를 대상으로 하고, 물질마다의 유체 물질(비중, 점성 계수 등)을 상세하게 부여할 수 있다.

지반 중의 NAPL상(相)의 이동 용이성(가동성: Mobility)는, 유층(油層) 시뮬레이션 등에서 일반적인 Stone(1970,1973)이나 Parker (1987) 다른 3상류 파라미터(상 대 침투율 곡선)을 부여하여, 유체상의 상호 치환 거동을 추적할 수 있다.

또한, NAPL 상이 불포화대의 공기나 지하수와 접촉하는 것으로 생기는 휘발 · 용해(상간 이동)이나, 불포화대 혹은 수상 중에서의 물질 이동을 동시에 고려할 수 있다.

시뮬레이션에 의해 얻어지는 수치 정보는, 지하수상 중의 오염 물질 농도, 가스상 중의 오염 물질 농도, 수상 · 가스상 · NAPL상의 포화도, 압력, 포텐셜, 수심 · 수위나 유속 등이다.

도 7에 포화 · 불포화 지반 내에서 물보다 비중이 큰 오염 원액(DNAPL)의 지하 침투의 해석예를 나타낸다. 오염 원액상에서 지하수상으로의 용해와 이류 분산 과정을 고려한 다상 다성분계를 대상으로 한 20일 후, 100일 후의 시뮬레이션 사례의 개념도다.

다상류 해석의 적용 분야로서는, 중금속, NAPL 등에 의한 지하수 · 토양 오염 사이트의 오염 범위 변화의 예측, 각종 대책공(양수, 배리어 우물, 지수벽(止水壁), 에어 스파징(air sparging), 토양 가스 흡인, 바이오 레메디에이션(bioremediation) 등)의 효과 검토와 선정, 하천이나 수변 환경에서의 누설 유해 물질의 거동 예측 · 리스크 평가(assessment), 석유 · LPG 등의 에너지 지하 비축 시설에서의 각종 설계 해석 · 환경 영향 예측 등이다.

<담염 밀도류 해석 기능>

이 기능은, 연안 지역에서의 담수와 해수의 상호 작용(밀도류)을 고려한 유체 거동을 시뮬레이트한다.

상기 시뮬레이션 프로그램에서는, 통상적으로, 육역(陸域)과 해역(海域)의 쌍방을 모델화하여, 해역에는 육역 지형과 연속한 해저 지형을 직접 짜 넣는다. 그리고, 해수는 염분을 포함한 지표수로 표현하고, 해저의 지하수와 동시에 풀어진다.

지표수, 지하수를 구별함 없이, 어느 쪽이든 수상 중에 포함되는 염분량의 차이에 의해, 해안 지역에 형성되는 담염 점이(漸移)대와 그 주위에 생기는 밀도류를 해석하는 것이 가능하다.

또한, 조석과 해수준 변동에 의한 해수위의 동적 변화를 고려하는 것으로, 육역에서 발생하는 영향권이나 수위 응답의 거리 감쇠를 해석하는 등으로, 지하 지반 물성 분포를 동정(同定)하는 것이 가능해진다.

연안 지역에서의 수자원 개발에서는, 우물에 의한 해수의 인입이나 양수의 염분 농도 변화를 재현 · 예측하여, 각종 수질 기준을 고려한 적정 양수량의 평가 등을 수행한다. 시뮬레이션에 의해 얻어지는 수치 정보는, 염분 농도, 수상 · 가스상의 포화도, 압력, 포텐셜, 수심 · 수위, 유속 등이다.

담염 밀도류 해석의 적용 분야로서는, 담염 점이대를 수반하는 밀도류 문제, 조석 · 해수준 변동 해석, 연안 지역 지하 댐 건설에 수반되는 물 환경 영향 평가, 이도(離島) 담수 렌즈 수자원량 예측 등이다.

도 8에 연안 지역에서의 염수(소금물) 침입 시뮬레이션 사례의 개념도를 나타낸다.

지형, 지층 분포, 강수, 해수위 변화 등의 자연 조건과 균형 잡힌 담염 점이대를 해석한 것이다.

<반응성 물질 이행 해석 기능>

이 기능은, 유역 내에서 발생하는 오탁 물질과 지상, 지하에서의 물질 이동 과정을 상세하게 시뮬레이트한다.

오탁 부하의 발생은, 도시 지역에서의 생활 배수나 사업소 배수, 농지에의 시비(施肥)나 축산 분뇨에 관한 것 등 다방면에 걸친다.

발생원이나 오탁 물질의 차이에 의해서도, 분해 · 반응 과정이나 지하에의 침입 경로, 그 후의 이동 형태는 다양하다.

상기 시뮬레이션 프로그램에서는, 점원(点源), 비특정 배출원으로부터의 다양한 오탁 물질에 대해, 분해 · 화학반응에 의한 물질의 동태 변화를 고려하면서, 하천 수송, 지반 내 침입, 수착(收着, sorption) · 이탈(脫離, desorption), 이류 분산 등의 물질 이동 과정을 집어넣은 것보다 자연스러운 물리 모델을 실현하여 제공한다.

이에 따라, 종래의 거시적인 시점에서 오탁 부하량을 강제적으로 부여하는 원단위법에서는 곤란하였던 지연 현상이나 기타 물질 이동 과정의 상세한 메커니즘을 알 단서를 얻을 수 있다.

시뮬레이션에 의해 얻어지는 수치 정보는, 각 물질의 수중에서의 농도, 고상 중의 농도, 수상 · 가스상의 포화도, 압력, 포텐셜, 수심 · 수위, 유속 등이다.

반응성 물질 이행 해석의 적용 분야로는, 질산태질소 오염, 폐쇄성 수역에의 오탁 부하량 예측, 방사성 폐기물의 지층 처분 시스템 성능 평가(핵종(核種) 이행(移行) · 피폭선량 평가) 등이다.

도 9에 호소에 유입하는 하천과 그 유역으로부터의 임팩트를 시뮬레이션에 의해 해석한 사례의 개념도를 나타낸다.

<다성분 가스 수송 해석 기능>

이 기능은, 방사성 폐기물 · 일반 쓰레기 등 폐기물에서 발생하는 가스나 매설관 누설 가스의 지하 지반 속의 이동 거동을 상세하게 시뮬레이트한다.

지반 중의 가스 이동은, 물 · 공기 2상 유동 시뮬레이션과 마찬가지로 일반화 달시(Darcy) 법칙에 의해 기술되어, 간극압의 축적 · 상승에 수반하여 발생하는 용해 · 유리(遊離), 매체의 공극 변형과 침투율의 증가 등의 침투 파라미터의 압력 의존의 동적 변화를 고려한 해석이 가능해진다.

또한, 가스상에 포함되는 물질 성분(부취제(付臭劑)나 트레이서)이 각종 상변화나 흡착 · 탈리를 수반하면서 이동하는 등, 필드 조건이나 시험계에 대응한 상세 해석이 가능해진다.

시뮬레이션에 의해 얻어지는 수치 정보는, 수상 · 가스상의 포화도, 수상 · 가스상 내의 물질 농도, 압력, 포텐셜, 수심 · 수위, 유속 등이다.

다성분 가스 수송 해석의 적용 분야로서는, 매설관 손상부로부터의 누설 가스 확산 이동, 방사성 폐기물이나 금속 용기 부식에 의해 생기는 가스의 이행 거동, 이산화탄소 지중 처분에서의 CO₂ 압입 · 용해와 캡 록(cap rock)에 의한 봉쇄 성능 해석 등이다.

도 10에 원위치 실험계에서의 인공 배리어 중의 가스 이행 거동의 3차원 시뮬레이션 사례의 개념도를 나타낸다.

모의 폐기체에서 발생한 가스가 간극 수중에 용해하고 · 이동하는 프로세스를 추적 · 재현하는 상태를 개념적으로 나타내고 있다.

<물 · 유사 연성 해석 기능>

이 기능은, 지표수, 지하수를 일체화한 유동 모델과 유사 수송 모델을 커플링하여, 산간지의 지하수 또는 수원에서의 지하수 함양 기능의 공간적, 장기적인 변화를 해석하는 것이다.

고려할 수 있는 수문(水文) 기본(素) 과정은, 지표수, 지하수 유동, 지표수 · 지하수 상호 작용(하천의 복몰(伏沒)이나 용수 등), 소류사(掃流砂) 이동, 부유사 이동(이류 및 난류 확산), 침강 · 감아올림(卷上), 토사 수송에 의한 지형 변화(침식 · 퇴적), 지형 변화에 의해 발생하는 유황(流況) 변화이다.

도 11에 물 · 유사 · 지반 상 변동 연성계의 개념 및 인공 강우에 의한 사면류, 침식, 토사 이동, 퇴적이 리프 모양의 지형 기복 형성 상태를 개념적으로 나타내고 있다.

상기 시뮬레이션 프로그램에 의한 시뮬레이션에 의해 얻어지는 수치 정보는 유체상마다(수상 · 가스상)의 포화도, 압력, 포텐셜, 유속, 지형 표고, 부유사 농도나 토사 플럭스(flux) 등이다.

물 · 유사 연성 해석의 적용 분야로는 수류에 의한 지형 변화의 해석, 산간지 수원 지역의 치산(治山) 관리, 통합 수자원 관리(IWRM: Integrated Water Resources Management), 총합 토사 관리 계획의 책정 등이다.

도 12는, 상기 시뮬레이션 프로그램이 대상으로 하는 지역의 물 순환 모델의 물리적 개념을 나타내는 것이다.

다음으로, 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템의 구체적인 활용예에 대하여 설명한다.

도 13은, 일본 열도 전체의 물 순환 모델을 나타내고, 육역 · 연안 물 순환의 대국 구조를 포착한 것이다. 이것은, 육역 및 연안 해양부를 평면적으로 1km 오더의 그리드로 분할하여, 지형 및 대략적인 지질 상황을 입력한 3차원 모델에 의한 시뮬레이션의 결과이다.

이 스케일의 격자 시스템의 계산에서는, 큰 지형에 의한 지표나 지하의 유동계의 구조 추정, 넓은 영역의 수자원량 평가, 온난화에 의한 지하수 담수 자원량의 변화의 예측, 잠재 수력 발전 포텐셜 등의 예를 들면 일본국의 전국 개요 평가를 목적으로 한 것이다.

또한, 이 모델에는 해저 지형이 반영되어, 해역의 소금물 조건이 반영되어 있어서, 육역 주변의 연안 해저에서의 지하수 용출의 모습도 표현할 수 있다.

도 14는, 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션의 물 · 공기 2상류 해석 기능을 사용하여 칸토우 지방을 중심으로 하는 일본 열도 중앙부에서 장기 평형 계산을 수행하여 얻어진 압력 분포, 포화율 분포로부터 유속장을 계산하여, 강우에 의한 물방울이 지표면에서 침투하여 용출하는 3차원적 궤적을 하늘에서 본 정사영(正射影)으로 그린 것이다.

이 도 14는 인위가 가해지지 않은 이전의 토네강의 물 순환의 원풍경을 나타내고 있어서, 토네강의 표류수 및 지하수의 흐름은, 예를 들면 치바현의 쵸시로 향하지 않고 도쿄 만을 향하고 있다.

도 15의 왼쪽 도는, 현재의 칸토우의 지형을 나타내는 음영도이고, 오른쪽 도는 6,000년전의 칸토우의 지형을 나타내는 음영도이다. 6,000년전의 승문(죠우몬) 전기(前期)는 해면이 약 5m 상승해 있던 승문 해진(海進) 시대이며, 도 15의 오른쪽 도는 왼쪽 도의 해면을 컴퓨터로 5m 상승시킨 것이며, 승문 시대에는 바다가 칸토우의 안쪽 깊숙이까지 침입해 있었던 것이 명료하게 나타나 있다. 칸토우 평야의 바다의 침입의 선단의 현재의 세키쥬쿠 부근에 육지가 연결되어 있어서, 토네강은 여기서 흐름의 방향을 남쪽으로 바꾸어 도쿄 만으로 흘러들어가던 것이 명료하다.

이러한 역사적 사실 비교 검증 수법에 의해 상기 시뮬레이션 해석의 결과는 인위가 가해지지 않은 이전의 칸토우의 물 순환의 원풍경을 나타내고 있다고 실증할 수 있고, 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템이 객관적이고 정확한 물 순환을 사회에 제공해 가는 것이 가능해진다.

도 16은 본 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션의 물 · 공기 2상류 해석 기능을 사용하여 해석한, 사가미 만, 스루가 만 영역의 표류수와 지하수 일체의 물 순환의 결과이다. 지표면에 입력된 강우 입자가 지하에 침투하여, 사가미 만, 스루가 만에서 다수의 해저 용수가 되어 가는 것을 해석의 결과가 보여주고 있다.

도 17은 시즈오카 대학 카토우 켄지 교수에 의해 수행된, 상기 시뮬레이션 해석 결과의 정확성의 실증을 위해, 스루가 만 연안 지역에서의 수많은 측정 포인트에서, 깊이 방향으로 해수를 채취하여, 해수 염분 농도 · 수온 · 탁도 · 전기 전도도 및 DO(용존 산소량)의 측정 데이터를 나타내는 것이다. 이 수질 분석 결과의 St. T1-8G 측정 포인트에서, 해저 96m 지점에서 해수의 염분 농도가 담수(민물)에 가까운 것이 확인되고, 게다가 그 DO는 제로라는 수치를 얻었다. 이것은 후지산으로부터의 지하수가 깊게 스루가 만에 들어와서 천천히 바다를 향해 흘러 내리는 동안에 물에 포함되어 있던 산소가 박테리아에 포식되어 제로가 된 것을 나타내고 있다.

이러한 수치의 수질 · 수량 분석 수법에 의해, 상기 시뮬레이션의 지하수 해석의 결과가 맞다는 것을 실증할 수 있어서, 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템이 객관적이고 정확한 물 순환의 모습을 사회에 제공해 가는 것이 가능해진다.

상술한 수치의 수질 · 수량 분석 수법은, 본 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 실증 분석 수법의 하나이다.

도 18는 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션의 물 · 공기 2상류 해석 기능을 사용하여 해석한, 노우비 평야에서 인위가 가해지지 않은 이전의 자연 상태의 표류수와 지하수 일체의 물 순환의 해석 결과이다.

예를 들면 일본국의 노우비 평야의 자연 상태에서는, 지표면을 표류수가 그물망처럼 흐르고 있어서, 일대가 습지대였던 해석 결과로 되어 있어서, 수백년전의 노우비 평야의 사람들의 생활 형태는 주거를 제방으로 둘러싸는 둘레둑(輪中堤)이었던 것이 이 결과부터도 명백해진다.

도 19은 본 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션의 물 · 공기의 2상류 해석 기능을 사용하여 해석한, 예를 들면 노우비 평야의 21세기의 현재의 표류수와 지하수 일체의 물 순환의 해석 결과이다. 근세에서 근대에 걸쳐 인위적인 제방이 만들어지고, 표류수의 하천은 제방 속으로 밀어넣어져서, 지하수는 그들의 아래를 밀도 높게 흘러내려가고 있다는 해석 결과가 되어 있다.

도 18, 도 19의 비교에 의해 수백년의 인위의 노동이, 자연의 물 순환을 변질시키고 있는 것이 나타나 있어서, 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템이 장기의 역사적 현상을 재현하고 있는 것을 명료하게 실증하고 있다.

도 20은, 본 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션의 다상류 해석 기능을 사용하여 공장이나 오일 탱크에서 지하수에 유분, 중금속, 열용해성 물질이 흐르는 상태를 해석하는 경우를 개념적으로 나타낸 것이다.

도 21는 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션의 반응성 물질 이행 해석 기능을 사용하여 난투수조에서 지하 수면으로의 트리클로로에틸렌(난용해성), 벤젠(용해성) 침투 상태를 해석 시뮬레이션한 사례의 개념도이다.

도 22은, 마찬가지로 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 시뮬레이션의 반응성 물질 이행 해석 기능을 사용하여, 어떤 지역의 2개소의 오염원으로부터의 농약 오염의 상태를 해석 시뮬레이션한 사례의 개념도이다.

이상 설명한 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템에 의하면, 과거의 지역 본래의 자연 상태에서의 물 순환(표류수 · 지하수, 해수)를 재현하거나, 현재의 물 순환(표류수 · 지하수, 해수)의 상태, 도시 배수, 농업용수, 화학 물질 등의 순환의 상황을 해석, 추정하거나, 미래의 물 순환(표류수 · 지하수, 해수) 상태를 예측 · 추정하고 가시화하는 것이 가능해진다.

이에 따라, 국토의 일정 지역의 육역에서 발생하는 다양한 물 문제(수자원, 물 환경, 물 재해)에서 요청되는 실용적이고, 또한, 객관적이고, 지상 및 지하의 물의 흐름를 일체화하여 파악하고, 재현 · 해석 · 예측 · 가시화하는 것이 가능하게 되는 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 실현하여 제공할 수 있다는 매우 참신한 효과를 얻는다.

본 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템을 구성하는 각 기술 요소는, 이미 구체적으로 확립해 있는 것과 더불어, 본 실시예에 관련된 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템은, 컴퓨터에 의해 구체적으로 실현할 수 있음은 물론이다.

상술한 바와 같이, 본 실시예의 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템에 의하면, 본 발명에 관련된 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템(21)을 실현하기 위해, 평면적, 2차원적으로 지하 수맥을 가시화할 수 있다.

즉, 위성 화상 데이터, 현지 실측 데이터 및 기존 공표되어 있는 지형 · 지질 데이터, 혹은 위성 화상 데이터 또는 현지 실측 데이터 중 하나의 데이터와 기존에 공표되어 있는 지형 · 지질 데이터를 사용하여 생성한 일정 범위의 지권에서의 지표, 지하를 포함하는 3차원 지형 · 지질 모델을 기억 수단에 기억하고, 요청되는 물 문제 해결을 위한 해석 과제의 명확화를 바탕으로 컴퓨터에 짜 넣은 시뮬레이션 프로그램의 실행에 의해, 과거의 지역 본래의 자연 상태로의 물 순환(표류수 · 지하수, 해수)를 재현하거나, 현재의 물 순환(표류수 · 지하수, 해수) 상태, 도시 배수, 농업용수, 해수 담수화, 화학 물질 등의 물 순환의 상황을 해석, 추정하거나, 미래의 물 순환(표류수 · 지하수, 해수) 상태를 예측하고 추정하는 것이 가능해져서, 이들의 해석 결과를 가시화함에 의해, 본 발명에 관련된 지하 수맥과 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템(21)을 실현하기 위해, 평면적, 2차원적으로 지하 수맥을 가시화할 수 있다.

이하, 도면을 참조하여, 실시예에 관련된 상기 평면적, 2차원적으로 가시화한 특정 지반 영역의 지하 수맥에서의 지하수의 위치를 3차원적으로 표시하여, 핀 포인트로 보링할 수 있도록 하기 위한 기술에 대해 상세히 설명한다.

먼저 지하 수맥의 탐사에 사용되고 있는 다이폴 · 다이폴 배치의 비저항법에 대해 개략적으로 설명한다.

일반적으로, 비저항법은, 미리 측선을 따라 다수의 전극을 설치해두고, 다이폴 · 다이폴 배치가 되는 4극을 조합하여, 측점을, 전환하여 측점 위치를 측선을 따라 시프트시켜 측점마다 비저항을 구하는 작업을 실행하는 것이다.

이 경우, 지하 구조가 균일하지 않은 때에는, 전극 간격, 전극 위치, 전극 배치형 등의 변화와 더불어, 다이폴 · 다이폴 배치에서 측정하는 비저항의 값도 변화하여, 측정하는 비저항의 값은 진짜 비저항 값으로서의 의미를 잃는다.

그러나, 측정하는 비저항의 값은, 지하 구조와 무언가의 관계가 있는 양이며, 그 전극계의 영향하에 있는 지하 구조를 균질이라고 간주했을 때 얻어지는 겉보기 비저항 값 ρ이라 생각된다.

다음으로, 본 실시예에 관련된 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템(21)에 관한 특정 지반 영역의 지하 수맥에서 지하수의 위치를 3차원적으로 표시하여, 핀 포인트로 보링할 수 있도록 하기 위한 기술에 대해 설명한다.

본 실시예의 지하 수맥에서 수원의 검지 · 확인 시스템(21), 즉, 특정 지반 영역의 지하 수맥에서 지하수의 위치를 3차원적으로 표시하여, 핀 포인트로 보링할 수 있도록 하기 위한 기술은, 도 24, 도 25에 나타낸 바와 같이, 특정 지반 영역에 측선을 따라 배치되는 다수의 전극군(22)(도 24에는 전극 번호 0 ~ 20까지의 각 전극(22a)를 나타낸다)와, 상기 전극군(22) 중 다이폴 · 다이폴 배치가 되는 4극의 전극(도 24에 나타낸 예에서는 전극 번호 0 ~ 3까지의 각 전극(22a)) 중 2극(도 24에 나타낸 예에서는 전극 번호 0, 전극 번호 3의 2극)을 전위 전극, 다른 2극(도 24에 나타낸 예에서는 전극 번호 1, 전극 번호 2의 2극)을 전류 전극으로 하고, 이들을 조합하고, 또한, 전환하여, 비저항법, 웨너법에 의해 특정 지반 영역의 수평 탐사, 지하 수직 탐사를 실시하는 측점 전환 유닛(23)과, 상기 전극군(22)의 각 전극(22a)와, 상기 측점 전환 유닛(23)을 접속하는 필요 개수의 전기 케이블군(24)과, 상기 다이폴 · 다이폴 배치가 되는 2극의 전위 전극(첫번째는 전극 번호 0, 전극 번호 3의 전극(2a))에 예를 들면 정전 용량 전환식으로 고저 2 주파수로 이루어지는 전압을 인가하고, 다른 2극의 전류 전극(첫번째는 전극 번호 1, 전극 번호 2의 전극(22a)에 의해, 상기 전위 전극 사이에 흐르는 고저 2 주파수마다의 전류를 검출하는 측정을 특정 지반 영역 전체의 측점마다 수행하는 측정 수단(25)과, 상기 고저 2 주파수로 이루어진 전압, 검출한 고저 2 주파수마다의 전류를 기초로 대응하는 상기 특정 지반 영역의 각 측점에서의 수평, 수직 방향에 걸친 고저 2 주파수마다의 비저항 값을 측점마다 산출하는 측점별 비저항 산출 수단(31)과, 산출한 각 측점에서 고저 2 주파수마다의 비저항 값을 바탕으로, (고주파수에 대응하는 비저항 값 ρH) / (저주파수에 대응하는 비저항 값 ρL)로 이루어지는 각 측점마다에서의 임피던스 효과를 구하는 측점별 임피던스 효과 산출 수단(41)을 갖고 있다.

상기 측정 수단(25), 측점별 비저항 산출 수단(31), 측점별 임피던스 효과 산출 수단(41)은, 도 24, 도 25에 나타낸 측정 장치(30)에 탑재되어 있다.

또한, 상기 측정 장치(30)에 대해서는, 축전지 B에 의해 필요로 하는 전력 공급을 수행하도록 구성하고 있다.

또한, 도 24 하란은 본 실시예에 관련된 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템(21)에 의해 묘화(描畵)할 수 있는 특정 지반 영역의 탐사 결과인 등비저항선, 및 임피던스 효과의 표시 개념을 나타내는 것이다.

그리고, 임피던스 효과 > 1 인 측점 위치에서 지하 수맥이 있다고 추정 가능하게 한 것이다.

다음으로, 본 실시예의 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템(21)에 있어서 특히 상기 측정 장치(30)의 상세 구성에 대해 도 25을 참조하여 설명한다.

상기 측정 장치(30)는, 본 실시예의 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템(21)의 동작 프로그램을 저장한 프로그램 메모리(26)와, 상기 동작 프로그램에 기초하여 전체 제어를 수행하는 제어부(27)와, 상기 측정 수단(25)을 구성함과 더불어, 상기 측점 전환 유닛(23)에 대하여 고저 2 주파수로 이루어지는 측점마다의 전압을 출력하고, 또한, 해당 측점마다의 전압의 값을 제어부(27)에 전송하고, 또 상기 전류 전극으로부터의 측점마다의 검출 전류의 값을 제어부(27)에 전송하는 가변 주파수 전압 출력 · 검출 전류 처리부(28), 및 가변 주파수 전압 출력 · 검출 전류 처리부(28)가 출력하는 측점마다의 전압의 주파수를 고저 2 주파수(예를 들어 고주파수 40Hz, 저주파수 4Hz)로 전환하는 주파수 전환 스위치(29)를 갖고 있다.

또한, 상기 측정 장치(30)는, 상기 제어부(27)를 통해 전송되는 상기 측점마다의 전압의 값, 측점마다의 전류의 값을 기억하는 측점별 전압 · 전류 기억부(34)와, 상기 측점별 비저항 산출 수단(31)을 구성하는 상기 전압, 전류에 기초하여 측점마다의 비저항 값 ρ40, ρ4을 산출하는 측점별 비저항 산출부(32) 및 측점별 비저항 산출부(32)의 산출 결과를 기억하는 측점별 비저항 기억부(33)와, 상기 측점별 임피던스 효과 산출 수단(41)을 구성함과 더불어 상기 측점마다의 비저항 값 ρ40, ρ4를 기초로 각 측점의 임피던스 효과(ρ40 / ρ4)의 값을 산출하는 측점별 임피던스 효과 산출부(42) 및 측점별 임피던스 효과 산출부(42)의 산출 결과를 측점마다 기억하는 측점별 임피던스 효과 저장부(43)를 갖고 있다.

또한, 상기 측정 장치(30)는, 각종 문자, 화상을 표시하는 표시부(44)와, 상기 동작 프로그램에 기초하여 상기 측점마다의 비저항 값 ρ40, ρ4에 대응하는 측점별 등비저항선도, 상기 각 측점의 임피던스 효과(ρ40 / ρ4)에 대응하는 임피던스 효과도를 상기 표시부(44)의 화면에 묘화하는 측점별 등비저항선도 · 측점별 임피던스 효과 묘화 처리부(45)와, 각종 문자 등의 입력 조작을 수행하는 입력 조작부(46)와, 상기 축전지 B를 구비하고 있다.

다음으로, 본 실시예의 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템(21)에 의한 지반 탐사의 일련의 공정에 대해 설명한다.

본 실시예의 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템(21)에 의한 지반 탐사는, 특정 지반 영역에서 미리 설정한 측선을 따라 전극군(22)의 각 전극(22a)를 등(等) 간격으로 연속 배치하고, 각 전극(22a)와, 상기 측점 전환 유닛(23)을 필요 개수의 전기 케이블군(24)에 의해 접속한다.

다음으로, 등 간격으로 연속 배치하는 다수의 전극(22a)의 기점 측에서, 다이폴 · 다이폴 배치가 되는 4극을 조합하여, 예를 들어 40Hz와 4Hz의 고저 2 주파수의 전압을 4극 중의 2극의 전위 전극에 개별적으로 인가하고, 나머지 2극의 전류 전극에 흐르는 전류를 각각 측정하면서, 상기 측점 전환 유닛(23)에 의해 전환을 수행하면서 순서대로 종점 측으로 진행하여, 일렬의 측정이 끝나면 전극 간격을 바꾸어 마찬가지의 측정을 다음 측선에 따라 수행한다.

그리고, 측점마다의 고저 2 주파수의 전압과, 대응하는 측점마다의 전류를 상기 측점별 전압 · 전류 기억부(34)에 기억하고, 이들을 바탕으로 각 측점마다의 비저항 값 ρ40, ρ4을 측점별 비저항 산출부(32)에 의해 산출하고, 산출 결과를 측점별 비저항 기억부(33)에 기억한다.

다이폴 · 다이폴 배치에 의한 측정이 끝나면, 상기 전극을 그대로 이용하여, 필요한 부분에는 증접(增接)하여 웨너 배치(혹은 슐럼버거(schlumberger) 배치)에 의한 수직 탐사를 실시하고, 상술한 경우와 마찬가지로, 각 측점마다의 비저항 값 ρ40, ρ4을 측점별 비저항 산출부(32)에 의해 산출하고, 이것도 측점별 비저항 기억부(33)에 기억한다. 이렇게 하여 해당 특정 지반 영역의 개략적인 지질 구조를 알게 된다.

이 때, 표층토의 등비저항 값과 깊이는 그대로 사용하고, 깊은 부분은 등가의 수평층으로 취급한다.

다음으로, 다이폴 · 다이폴 배치에서 측정한 2 주파수마다의 비저항 값 ρ40, ρ4 중에서, 한편에서 구한 비저항 값(예를 들면 비저항 값 ρ40)을, 상기 측점별 등비 저항선도 · 측점별 임피던스 효과 묘화 처리부(45)에 의해 표시부(44)의 화면에서 각각 중심점 바로 아래의 깊이에 플롯하여 측선에 대응하는 수직 단면의 등비저항선도를 그리고, 웨너법과 합쳐서 지질의 판독을 수행한다.

다음으로, 측점별 임피던스 효과 산출부(42)에 의해, 수직 단면의 각 점의 2 주파수마다의 비저항 값 ρ40, ρ4에 기초하여 각 점의 임피던스 효과(ρ40 / ρ4)의 값을 산출하고, 측점별 임피던스 효과 기억부(43)에 기억함과 더불어, 각 임피던스 효과(ρ40 / ρ4)의 값도 상기 측점별 등비저항선도 · 측점별 임피던스 효과 묘화 처리부(45)에 의해 표시부(44)의 화면에서 각각 중심점 바로 아래의 깊이에 묘화하여, 임피던스 효과도를 그리고, 이 임피던스 효과도를 해석하여 임피던스 효과(ρ40 / ρ4) > 1 이 되는 지하 수맥의 위치를 알게 된다.

이 임피던스 효과(ρ40 / ρ4) > 1 이 되는 효과를 갖는 측점의 위치에, 양호한 지하 수맥이 존재한다는 판단은, 본 발명자들의 실제 지반 탐사에 의한 경험에서 취득한 것이다.

다음으로, 도 26 내지 도 28를 참조하여 본 실시예의 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템(21)을 사용한 예를 들면 일본국의 특정 지반 영역에서의 실제의 탐사 결과에 대해 설명한다.

도 26은, 본 실시예의 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템(21)을 사용하여 취득한 예를 들면 일본국; A 지반 영역에서 웨너법에 의한 비저항 값(상란), 다이폴 · 다이폴법에 의한 등비저항선도(중란), 임피던스 효과도(하란), 및 깊이에 대응한 암석 등의 분포도(주상선도)를 나타내는 것이다.

<웨너법에 의한 탐사 결과에 대하여>

도 26 상란으로부터 명확하듯이, 예를 들면 일본국; A 지반 영역에서는,

깊이 0.0 ~ 4.2m: 충적(沖積) 저지(低地) 퇴적 점성토(비저항 28Ωm)

깊이 4.2 ~ 11.0m: 충적 저지 퇴적 사질토(비저항 90Ωm)

깊이 11.0 ~ 19.0m: 점성토(비저항 31Ωm)

깊이 19.0 ~ 50m: 응회 각력암(비저항 300Ωm )

깊이 50m ~ : 사암 셰일

이었다.

<다이폴 · 다이폴법의 등비저항선도에 의한 탐사 결과에 대하여>

도 26 중란에서 명확하듯이, 일본국; A 지반 영역에서는, 측점 40부터 기점 측은 깊이 20m 부근까지 사력(砂礫)층이 있고, 이하 30m 부근까지 점성토, 측점 150 ~ 155, 깊이 20 ~ 30m의 높은 비저항(136 ~ 150Ωm)는 삼면 하천의 영향, 깊이 20 ~ 50m는 약간 비저항이 높고 응회 각력암이고, 종점 측은 지표부까지 분포하고 있다.

<임피던스 효과도에 의한 탐사 결과에 대하여>

도 26 하란에서 명확하듯이, 일본국; A 지반 영역에서는, 지하 수맥은 임피던스 효과(ρ40 / ρ4) > 1.1 이상을 나타낸다.

측점 85, 깊이 60 ~ 70m 이상

측점 105 ~ 115, 깊이 60 ~ 80m 이상

측점 140, 깊이 40 ~ 50m 이상

의 각 영역에 기대할 수 있어, 시굴정에 적절하다.

또한, 다이폴 · 다이폴법에 의한 등비저항선도, 및 임피던스 효과도에서, 가로 축은 측점 0 ~ 200, 세로 축은 깊이 0 ~ 90m를 나타내는 것이다.

상술한 A 지반 영역의 깊이에 대응한 암석 등의 분포를 도 26의 가장 오른쪽 란에 주상선도로서 나타낸다.

해석 후, 측점 110 선에서 보링을 실시하여, 400 입방 미터 / 분의 지하 수맥을 발견했다.

도 27은, 본 실시예의 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템(21)을 사용하여 취득한 일본국; B 지반 영역에서의 다이폴 · 다이폴법에 의한 등비저항선도(상란), 임피던스 효과도(하란), 및 깊이에 대응한 암석 등의 분포도를 보여주는 것이다.

탐사 결과는, 이하와 같다.

도 27에서, 얕은 곳(淺所) 높은 비저항층의 피크 80 ~ 100Ωm, 깊이 10m 부근까지는 사력층, 비저항 10 ~ 20Ωm은 셰일, 비저항 20 ~ 50Ωm는 사질 셰일과 사암의 호층(互層), 기점으로부터 120m 부근의 제3기층과는 부정합, 왼쪽이 내려가는 정단층을 추정했다.

임피던스 효과(ρ40 / ρ4)가 높은 측점(110)의 깊이 40 ~ 50m와, 깊이 70m 부근을 노리고, 오차를 포함한 측점(110)선 위치의 보링을 실시하여, 1.2 입방미터 / 분의 지하 수맥을 발견했다.

상술한 B 지반 영역의 깊이에 대응한 암석 등의 분포를 도 27 가장 오른쪽 란에 주상선도로 나타낸다.

도 28은, 본 실시예의 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템(21)을 사용하여 취득한 예를 들면 일본국; C 지반 영역에서의 웨너법에 의한 비저항 값(상란), 다이폴 · 다이폴법에 의한 등비저항선도(중란), 임피던스 효과도(하란), 및 깊이에 대응한 암석 등의 분포도(주상선도)을 나타내는 것이다.

<웨너법에 의한 탐사 결과에 대하여>

도 28 상란에서 명확하듯이, 예를 들면 일본국; C 지반 영역에서는,

깊이 0.8 ~ 1.7m: 사질토

깊이 1.7 ~ 6.5m: 사력

깊이 6.5 ~ 30.0m: 점성토

깊이 30.0 ~ 60m: 홍적(洪積)사력 또는 연암

깊이 60 ~ 74m: 강풍화대(强風化帶) 또는 단층

깊이 74m ~: 중경암(中硬岩)

이었다.

<다이폴 · 다이폴법의 등비저항선도에 의한 탐사 결과에 대하여>

도 28 중란에서 명확하듯이, 웨너법으로 깊이 6.6m까지 사력층이 있고, 전극 간격의 사정으로 깊이 10m 부근에 나타나고 있다.

깊이 15 ~ 40m에 끼워지는 저비저항(120Ωm 이하)는 가장 비저항 값이 내려간다.

깊이 25 ~ 30m까지가 점성토이고, 상승 과정에 있는 부분은 사관토(砂貫土)이다(심도 50m 부근까지가 홍적사력층으로 추정된다).

깊이 50m 이하의 오른쪽 구석은 기반암이고, 측점 110 깊이 50m와 측점 80 깊이 70m를 잇는 오른쪽이 내려가는 면은 단층면일 가능성이 있다.

도 28 하란에 임피던스 효과도에 의한 탐사 결과를 나타낸다.

도 28 하란으로부터 명확하듯이, 예를 들면 일본국; C 지반 영역에서는, 임피던스 효과(ρ40 / ρ4)> 1은 지하수의 가능성이 있지만, 비저항이 높고 ρ40 / ρ4 = 1.07 ~ 1.18이 집중되는 측점 85 ~ 120의 30m 이상 깊이를 대상으로 깊이 110m 이후에 시굴정을 권한다.

상술한 C 지반 영역의 깊이에 대응한 암석 등의 분포를 도 28 가장 오른쪽 란에 주상선도로서 나타낸다.

해석 후, 측점 100 선에서 보링을 실시하여, 140 리터 / 분의 지하 수맥을 발견했다.

도 29은, 본 실시예의 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서 지하수의 검지 · 확인 시스템(21)을 사용하여 취득한 예를 들면 일본국; D 지반 영역에서 어스댐의 누수 개소의 탐사 결과를 나타내는 것이며, 해당 도면 상란은 D 지반 영역에서의 다이폴 · 다이폴법에 의한 등비저항선도, 해당 도면 하란은 임피던스 효과도를 나타내는 것이다.

해당 도면 하란의 임피던스 효과도를 바탕으로 8개의 작은 누수 개소와, 2개의 큰 누수 개소를 발견했다.

이와 같이 본 실시예의 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템(21)은, 댐 등의 지하수 관의 존재하는 지반 영역의 누수 개소의 탐사용으로서도 유효하다.

본 실시예에 관련된 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템(21)은, 특정 지반 영역에 관하여 실제로 보링을 하지 않고, 지표로부터의 전기 탐사로 지하 수맥을 핀포인트로 추정하여 확인하는 것이 가능하다는 참신한 효과를 가진다.

또한, 특정 지반 영역의 경사의 유무에 관계없이 정확한 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인을 실현할 수 있음과 더불어, 종래의 보링 수법에 비하면 훨씬 낮은 가격으로 특정 지반 영역의 지하 수맥에서 지하수의 검지 · 확인을 실시할 수 있다는 이점도 존재한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 관련된 특정 지반 영역의 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템(21)을 실현하기 위한 기술, 즉, 상기 평면적, 2차원적으로 지하 수맥을 가시화한 지하 수맥에서 지하수의 위치를 3차원적으로 핀 포인트로 표시할 수 있다.

즉, 특정 지반 영역에 측선을 따라 배치되는 다수의 전극군과, 상기 전극군 중에서 다이폴 · 다이폴 배치가 되는 4극의 전극 중 2극을 전위 전극, 다른 2극을 전류 전극으로 하고, 이들을 조합하고, 또한 전환하여, 비저항법, 웨너법에 의해 특정 지반 영역의 수평 탐사, 지하 수직 탐사를 실시하는 측점 전환 유닛과, 상기 다이폴 · 다이폴 배치가 되는 2극의 전위 전극에 고저 2 주파수로 이루어지는 전압을 인가하고, 다른 2극의 전류 전극에 의해 상기 전위 전극 사이에 흐르는 고저 2 주파수마다의 전류를 검출하는 측정을 특정 지반 영역 전체의 측점마다 수행하는 측정 수단과, 상기 고저 2 주파수로 이루어지는 전압, 검출한 고저 2 주파수마다의 전류를 기초로 대응하는 상기 특정 지반 영역의 각 측점에서의 수평, 수직 방향에 걸친 고저 2 주파수마다의 비저항 값을 측점마다 산출하는 측점별 비저항 산출 수단과, 산출한 각 측점의 고저 2 주파수마다의 비저항 값을 바탕으로, (고주파수에 대응하는 비저항 값) / (저주파수에 대응하는 비저항 값)으로 이루어지는 각 측점마다의 임피던스 효과를 구하는 측점별 임피던스 효과 산출 수단을 가지며, 임피던스 효과 > 1 인 측점 위치에 지하 수맥이 있는 것으로 추정가능하게 한 구성을 바탕으로, 특정 지반 영역의 지하수의 위치를 3차원적으로 핀 포인트로 표시하는 시스템을 실현할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 특정 지반 영역에서, 평면적, 2차원적으로 지하 수맥을 가시화하여, 해당 가시화한 지하 수맥에서 지하수의 위치를 3차원적으로 표시하여, 핀 포인트로 보링을 수행할 수 있는 시스템을 실현할 수 있다.

이상 설명한 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템은, 상술한 바와 같은 예를 들면 일본 국내의 일정한 지권에서의 물 순환의 재현 · 해석 · 예측 · 가시화에 사용되는 외에, 예를 들어 외국의 특정 지역에서의 물 순환의 재현 · 해석 · 예측 · 가시화를 이용하여 국제 공헌에 이바지하는 등의 응용이 가능하고, 또한, 상술한 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템(21)은, 특정 지반 영역의 지하 수맥에서 지하수 또는 지하수의 검지 · 확인용으로서, 혹은 댐 등의 지하수 관이 매설되어 있는 지반 영역의 지하 누수의 검지 · 확인용으로 광범위하게 이용 가능하다.

1 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템
11 제어부
12 프로그램 메모리
13 데이터베이스
14 연산부
15 화상 생성 처리부
16 시뮬레이션 결과 기억부
17 키보드
18 마우스
19 칼라 프린터
20 표시부
21 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템
22 전극군
22a 전극
23 측점 전환 유닛
24 전기 케이블군
25 측정 수단
26 프로그램 메모리
27 제어부
28 가변 주파수 전압 출력 · 검출 전류 처리부
29 주파수 전환 스위치
30 측정 장치
31 측점별 비저항 산출 수단
32 측점별 비저항 산출부
33 측점별 비저항 기억부
34 측점별 전압 · 전류 기억부
41 측점별 임피던스 효과 산출 수단
42 측점별 임피던스 효과 산출부
43 측점별 임피던스 효과 기억부
44 표시부
45 측점별 등비저항선도 · 측점별 임피던스 효과 묘화 처리부
46 입력 조작부
B 축전지

Claims (3)

1. 위성 화상 데이터, 현지 실측 데이터 및 기존 공표되어 있는 지형 · 지질 데이터, 혹은 위성 화상 데이터 또는 현지 실측 데이터 중 하나의 데이터와 기존 공표되어 있는 지형 · 지질 데이터를 이용하여 생성한 특정 지반 영역에서의 지표, 지하를 포함하는 3차원 지형 · 지질 모델을 기억 수단에 기억하고,
   요청되는 물 문제 해결을 위한 해석 과제의 명확화를 바탕으로 짜여진 시뮬레이션 프로그램의 실행에 의해, 3차원 지형 · 지질 모델의 지하를 포화대로 하는 초기화 처리를 수행하여 초기화 모델을 생성하고,
   상기 초기화 모델에 대하여 시뮬레이션 프로그램의 실행을 바탕으로, 과거 · 근현대 재현, 및 미래 예측을 위한 각종 파라미터의 입력 수단으로부터의 입력에 대응하여, 연산 수단에 의한 연산 처리, 화상 생성 처리 수단에 의한 화상 생성 처리에 의한 시뮬레이션을 실행하고,
   해당 시뮬레이션 결과는 수치 해석 수법이랑 지형 · 지질 해석 방법 및 역사적 사실 비교 수법 등에 의해 검증되어 필요에 따라 지형 · 지질 모델 등의 수정을 수행하여 시뮬레이션 정밀도를 높이고,
   해당 시뮬레이션 결과를 기억 수단에 기억함과 더불어, 2차원 또는 3차원의 정지 영상 및 동영상 처리하여 표시 수단에 표시하고,
   상기 특정 지반 영역에서의 지하 수맥에 관하여 과거에서 미래에 이르는 4차원 물 순환 상황의 재현 · 해석 · 예측 · 가시화를 평면적, 2차원적으로 실시하도록 한 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템과 함께,
   상기 특정 지반 영역에 측선을 따라 배치되는 다수의 전극군과,
   상기 전극군 중 다이폴 · 다이폴 배치가 되는 4극의 전극을 조합하고, 또한, 전환하여, 비저항법에 의해 상기 특정 지반 영역의 수평 탐사, 지하 수직 탐사를 실시하는 측점 전환 유닛과,
   상기 다이폴 · 다이폴 배치가 되는 4극의 전극 중 2극에 고저 2 주파수로 이루어지는 전압을 인가하고, 다른 2극에 의해 상기 2극 사이에 흐르는 고저 2 주파수마다의 전류를 검출하는 측정을 상기 특정 지반 영역 전체의 측점마다 수행하는 측정 수단과,
   상기 고저 2 주파수로 이루어지는 전압, 검출한 고저 2 주파수마다의 전류를 기초로 대응하는 상기 특정 지반 영역의 각 측점에서의 수평, 수직 방향에 걸친 고저 2 주파수마다의 비저항 값을 측점마다 산출하는 측점별 비저항 산출 수단과,
   산출한 각 측점에서의 고저 2 주파수마다의 비저항 값을 바탕으로, (고주파수에 대응하는 비저항 값) / (저주파수에 대응하는 비저항 값)으로 이루어지는 각 측점마다의 임피던스 효과를 구하는 측점별 임피던스 효과 산출 수단,
   을 가지며,
   상기 임피던스 효과 > 1 인 측점 위치에서 지하 수맥이 있는 것으로 추정 가능하게 하여, 상기 특정 지반 영역의 지하 수맥에서 지하수의 위치를 3차원적으로 핀 포인트로 표시 가능하게 한 시스템에 의해,
   상기 특정 지반 영역의 지하 수맥을 평면적, 2차원적으로 가시화하면서 해당 지하 수맥에서 지하수의 위치를 3차원적으로 핀 포인트로 표시 가능하게 한 것을 특징으로 하는 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템.
2. 위성 화상 데이터, 현지 실측 데이터 및 기존 공표되어 있는 지형 · 지질 데이터, 혹은 위성 화상 데이터 또는 현지 실측 데이터 중 하나의 데이터와 기존 공표되어 있는 지형 · 지질 데이터를 이용하여 생성한 특정 지반 영역에서의 지표, 지하를 포함하는 3차원 지형 · 지질 모델을 기억 수단에 기억하고,
   요청되는 물 문제 해결을 위한 해석 과제의 명확화를 바탕으로 짜여진 시뮬레이션 프로그램의 실행에 의해, 3차원 지형 · 지질 모델의 지하를 포화대로 하는 초기화 처리를 수행하여 초기화 모델을 생성하고,
   상기 초기화 모델에 대하여 시뮬레이션 프로그램의 실행을 바탕으로, 과거 · 근현대 재현, 및 미래 예측을 위한 각종 파라미터의 입력 수단으로부터의 입력에 대응하여, 연산 수단에 의한 연산 처리, 화상 생성 처리 수단에 의한 화상 생성 처리에 의한 시뮬레이션을 실행하고,
   해당 시뮬레이션 결과는 수치 해석 수법과 지형 · 지질 해석 수법 및 역사적 사실 비교 수법 등에 의해 검증되어 필요에 따라 지형 · 지질 모델 등의 수정을 수행하여 시뮬레이션 정밀도를 높이고,
   해당 시뮬레이션 결과를 기억 수단에 기억함과 더불어, 2차원 또는 3차원의 정지 영상 및 동영상 처리하여 표시 수단에 표시하고,
   상기 특정 지반 영역에서의 지하 수맥에 관하여 과거에서 미래에 이르는 4차원 물 순환 상황의 재현 · 해석 · 예측 · 가시화를 평면적, 2차원적으로 수행하도록 한 4차원 물 순환 재현 · 해석 · 예측 · 가시화 시뮬레이션 시스템과 더불어,
   상기 특정 지반 영역에 측선을 따라 배치되는 다수의 전극군과,
   상기 다수의 전극군 중에서 다이폴 · 다이폴 배치가 되는 4극의 전극 중 2극을 전위 전극, 다른 2극을 전류 전극으로 하여, 이들을 조합하고, 또한, 전환하여, 비저항법, 웨너법에 의해 상기 특정 지반 영역의 수평 탐사, 지하 수직 탐사를 실시하는 측점 전환 유닛과,
   상기 다이폴 · 다이폴 배치가 되는 2극의 전위 전극에 고저 2 주파수로 이루어지는 전압을 인가하고, 다른 2극의 전류 전극에 의해 상기 전위 전극 사이에 흐르는 고저 2 주파수마다의 전류를 검출하는 측정을 상기 특정 지반 영역 전체의 측점마다 수행하는 측정 수단과,
   상기 고저 2 주파수로 이루어지는 전압, 검출한 고저 2 주파수마다의 전류를 기초로 대응하는 상기 특정 지반 영역의 각 측점에서의 수평, 수직 방향에 걸친 고저 2 주파수마다의 비저항 값을 측점마다 산출하는 측점별 비저항 산출 수단과,
   해당 산출한 각 측점에서의 고저 2 주파수마다의 비저항 값을 바탕으로, (고주파수에 대응하는 비저항 값) / (저주파수에 대응하는 비저항 값)으로 이루어지는 각 측점마다의 임피던스 효과를 구하는 측점별 임피던스 효과 산출 수단,
   을 가지며,
   상기 임피던스 효과 > 1 인 측점 위치에서 지하 수맥이 있는 것으로 추정 가능하게 한 것을 특징으로 하는 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템.
   상기 임피던스 효과 > 1 인 측점 위치에서 지하 수맥이 있는 것으로 추정 가능하게 하여, 상기 특정 지반 영역의 지하 수맥에서의 지하수의 위치를 3차원적으로 핀 포인트로 표시 가능하게 한 시스템에 의해,
   상기 특정 지반 영역의 지하 수맥을 평면적, 2차원적으로 가시화하면서 해당 지하 수맥에서의 지하수의 위치를 3차원적으로 핀 포인트로 표시 가능하게 한 것을 특징으로 하는 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고저 2 주파수 중에서, 고주파수는 40Hz, 저주파수는 4Hz인 것을 특징으로 하는 지하 수맥 및 해당 지하 수맥에서의 지하수의 검지 · 확인 시스템.

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