한강 하구역에서의 지하수위 변화에 관한 연구(수중보 철거로 인한 영향) A Study on the Variation of Groundwater Level in the Han River Estuary (The Effect of the Removing of a Weir)원문보기
한강 하구역에 존재하는 신곡수중보의 철거 유무에 따른 지하수위 변동을 MODFLOW 모형을 이용하여 분석, 예측하였다. 토양의 비균질성을 반영하기 위하여 유효투수계수를 산정하였으며, 그 값은 지표면과 수평방향의 경우 0.313 m/day, 지표면과 수직 방향의 경우 0.0423 m/day이며, 이방성비는 7.19이다. 수중보 철거로 인한 하천 수위 하강은 지하수위 하강을 초래하며, 새로운 평형에 도달하는 시간은 약 3개월이 소요된다. 또한, 수중보 철거전에는 한강 본류에서 굴포천 쪽으로 지하수 함양이 되지만, 수중보 철거후에는 그 반대의 방향으로 기저유출이 진행된다. 수중보 철거로 인해서 수중보 상류 한강 본류의 영향을 받는 인접 지역에서는 최대 30 cm의 지하수위 감소가 발생한다. 그러나 수중보 하류의 수위를 배수 기점 수위로 하는 굴포천의 영향을 받는 굴포천 인근 지역에서는 약 10 cm의 지하수 하강이 발생한다. 한편, 대상 지역 부근의 단위면적당($km^2$) 지하수 이용량은 $52m^3/day$이며, 이러한 지하수 이용량은 신곡 수중보 철거 전후를 망라하여 최대 1 m의 지하수위 하강을 유발한다. 즉, 수중보의 철거로 인하여 유발되는 지하수위의 변동은 상시의 지하수의 이용량에 의한 지하수위 변동에 미치지 못한다.
한강 하구역에 존재하는 신곡수중보의 철거 유무에 따른 지하수위 변동을 MODFLOW 모형을 이용하여 분석, 예측하였다. 토양의 비균질성을 반영하기 위하여 유효투수계수를 산정하였으며, 그 값은 지표면과 수평방향의 경우 0.313 m/day, 지표면과 수직 방향의 경우 0.0423 m/day이며, 이방성비는 7.19이다. 수중보 철거로 인한 하천 수위 하강은 지하수위 하강을 초래하며, 새로운 평형에 도달하는 시간은 약 3개월이 소요된다. 또한, 수중보 철거전에는 한강 본류에서 굴포천 쪽으로 지하수 함양이 되지만, 수중보 철거후에는 그 반대의 방향으로 기저유출이 진행된다. 수중보 철거로 인해서 수중보 상류 한강 본류의 영향을 받는 인접 지역에서는 최대 30 cm의 지하수위 감소가 발생한다. 그러나 수중보 하류의 수위를 배수 기점 수위로 하는 굴포천의 영향을 받는 굴포천 인근 지역에서는 약 10 cm의 지하수 하강이 발생한다. 한편, 대상 지역 부근의 단위면적당($km^2$) 지하수 이용량은 $52m^3/day$이며, 이러한 지하수 이용량은 신곡 수중보 철거 전후를 망라하여 최대 1 m의 지하수위 하강을 유발한다. 즉, 수중보의 철거로 인하여 유발되는 지하수위의 변동은 상시의 지하수의 이용량에 의한 지하수위 변동에 미치지 못한다.
The variation of groundwater level near the Shingok weir has been analyzed. To consider the soil inhomogeneity, coefficient of effective permeability was computed to be 0.313 m/day in the horizontal direction, and 0.0423 m/day in vertical direction. Anisotropic ratio is 7.19. The river water level d...
The variation of groundwater level near the Shingok weir has been analyzed. To consider the soil inhomogeneity, coefficient of effective permeability was computed to be 0.313 m/day in the horizontal direction, and 0.0423 m/day in vertical direction. Anisotropic ratio is 7.19. The river water level drawdown (caused by the removing of the weir) causes the groundwater level drawdown, and 3 months are required for the new steady condition. and groundwater flows from Han river toward Gulpo stream before the removing of the weir, but when the weir removed, the flow direction changes. The groundwater level falls maximum 30 cm in the areas under the influence of Han river, but, in the areas near Kulpo stream, groundwater level falls about 10 cm. The amount of groundwater use in the study area was investigated to be $52m^3/day$ and in this condition, groundwater level falls maximum 1m (before or after the removing of Shingok weir). therefore, the variation of groundwater level caused by the removing of Shingok weir is less than that caused by the usual use of groundwater.
The variation of groundwater level near the Shingok weir has been analyzed. To consider the soil inhomogeneity, coefficient of effective permeability was computed to be 0.313 m/day in the horizontal direction, and 0.0423 m/day in vertical direction. Anisotropic ratio is 7.19. The river water level drawdown (caused by the removing of the weir) causes the groundwater level drawdown, and 3 months are required for the new steady condition. and groundwater flows from Han river toward Gulpo stream before the removing of the weir, but when the weir removed, the flow direction changes. The groundwater level falls maximum 30 cm in the areas under the influence of Han river, but, in the areas near Kulpo stream, groundwater level falls about 10 cm. The amount of groundwater use in the study area was investigated to be $52m^3/day$ and in this condition, groundwater level falls maximum 1m (before or after the removing of Shingok weir). therefore, the variation of groundwater level caused by the removing of Shingok weir is less than that caused by the usual use of groundwater.
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문제 정의
본 연구는 신곡 수중보의 철거 유무에 따른 지하수위의 변화에 대한 연구이다. Fig.
수중보의 철거는 하천 수위의 하강을 초래하며, 이는 필연적으로 지하수위 하강으로 이어진다. 본 연구에서는 수중보의 유무에 따른 이러한 지하수 환경 변화에 대한 정량적인 예측을 통하여, 바람직한 하구역 개발, 보존 및 관리에 도움을 주고자 하는 데에 그 목적이 있다.
000759 m/day이었다. 본 연구에서는 인천시 계양구 동양동 지점에서 계산된 투수계수를 추계학적 섭동방법을 이용한 유효투수계수를 산정함으로써 비균질토양과 등가 역적인 균질토양으로의 해석을 실시하였다. Table 2는 4개의 투수계수 자료를 이용하여 계산한 유효투수계수의 결과를 나타내고 있다.
한강 하구역의 개발과 보존에 관한 많은 논제 중에, 신곡 수중보의 철거 유무에 따른 사회, 경제적인 이득과 손실은 현재 많은 논란이 되고 있으며, 이에 대한 적절한 평가가 시급한 실정이다. 신곡 수중보의 철거 유무에 따라서 인근 지역의 지표수, 퇴적물, 지하수 등의 수환경에 다소 간의 변화가 있을 것으로 예상되며, 이러한 변화 중에서도 특히 지하수의 변화에 관한 예측 및 관련기술을 구현하고자 하는 의미에서 본 연구가 진행되었다.
가설 설정
- 신곡 수중보의 철거로 인한 하천수위의 감소는 지하 수위의 감소를 초래하며, 수중보 철거 이후 지하수위가 새로운 평형에 도달하는 시간은 3개월이 소요된다.
원래 지하수의 흐름이란 하루에 불과 몇 m도 움직이지 않으므로 거시적인 시각에서 해석해야함에 반해 조위는 시간적인 변화가 지하수 해석에 비해 매우 크다. 조위를 반영하는 수위를 반영하기 위해, 만조시 수위가 18시간 지속하고 간조시 수위가 6시간 시간 지속하는 것으로 가정하고 시간에 대한 가중 평균치를 사용하였다. Table 6은 팔당 방류량이 1000 CMS를 넘지 않는 평상시의 경우, 상기의 관측치로부터 추정한 신곡수중보 철거 전후의 상하류 수위를 나타내고 있으며, 본 연구에서 지하수 흐름을 해석하기 위한 경계조건으로 사용하였다.
제안 방법
하지만, 그러나 본 연구에서는 이러한 작업을 수행하지는 않았다. 대상 지역의 실측 자료가 미비하고 또한 본 연구의 목적이 MODFLOW를 이용하여 지하수위 변동을 산출하는 방법론의 제시에 치중하고 있으므로, 주로 기존의 연구자료를 활용하여 매개변수나 경계조건으로 이용하였다.
지금 어떤 기간 내의 수두와 유속 등을 기지로 한다. 먼저 대상 영역에서 적당한 매개변수를 주어 계산을 하고 산출된 수두와 유속 등을 기지의 수두와 유속 등과 비교한다. 만약 충분히 가까운 값이 얻어지지 않으면, 그 와 같은 값이 얻어질 때까지 매개변수의 값을 시행착오적으로 수정한다.
한강 하구역에서 주변 생태계와 수환경에 많은 영향을 주고 있는 신곡 수중보의 철거 유무에 따른 지하수 흐름 및 지하수위 변화예측을 위하여 필요한 분석자료를 확보하였다. 분석 모형으로서는 MODFLOW를 선택하였으며, 모형의 이론적인 구조, 모형의 실행방법, 수리 매개 변수의 선정, 모형의 경계조건 설정을 위한 방법론 등 관련 연구를 시행하였다. 그 결과 및 결론을 요약하면 다음과 같다.
신곡수중보 철거 전후의 지하수위 변동을 분석하는 본 과업의 MODFLOW에서는 조위에 따른 지하수위의 변동을 반영하기가 어려우므로 조위의 시간에 따른 가중 평균치를 사용하여 상하류 수위를 결정하였다. 원래 지하수의 흐름이란 하루에 불과 몇 m도 움직이지 않으므로 거시적인 시각에서 해석해야함에 반해 조위는 시간적인 변화가 지하수 해석에 비해 매우 크다.
신곡수중보 철거전후의 지하수영향을 분석하기 위해서는 하천의 수중보 인근의 하천수위가 필요하며 이들 수위를 결정하기위해서 신곡수중보의 영향 및 흐름특성 조사(1998)’ 결과를 토대로 하였다.
즉, 초기값은 신곡수중보가 있을 경우에 대하여 MODFLOW 모형을 ‘정상류조건’으로 수행한 결과로 하고, 하천 경계 조건은 신곡수중보가 없을 경우에 대한 것을 입력값으로 하여, MODFLOW 모형을 ‘비정상류’로서 수행하여 그 결 과가 수중보가 없을 경우의 ‘정상류 조건’ 하에서의 결과와 동일해 지는 시간을 확인하였다.
한편, 모델링 영역의 격자는 50×25로 하였고 하천 경계(River Boundary)는 신곡수중보 철거전과 신곡수중보 철거 후로 나누어 적용하였다. 하천구배와 배수곡선의 영향 및 모델링 영역의 크기를 계산한 결과, 신곡수중보 상류의 수위차는 약 10 cm로 한단계를 나누어 적용하였고, 하류의 수위차는 10 cm씩 두 단계로 나누어 적용하였다. 또한 굴 포천은 한강본류와 만나는 지점으로부터 10 cm씩 10단계로 적용되었다(Table 7).
한편, 모델링 영역의 격자는 50×25로 하였고 하천 경계(River Boundary)는 신곡수중보 철거전과 신곡수중보 철거 후로 나누어 적용하였다.
대상 데이터
본 연구는 신곡 수중보의 철거 유무에 따른 지하수위의 변화에 대한 연구이다. Fig. 2는 본 연구의 대상 지역인, 한강 하구에 위치한 신곡 수중보 남쪽의 지역을 보여주고 있다. 그림에서 보는 바와 같이 신곡 수중보는 김포대교와 근접해 있으며, 굴포천은 전호리를 관통하여 수중보의 근처 한강으로 유입하고 있다.
본 연구에서 사용한 모델링 영역은 Fig. 3의 수치지도에서 추출된, 신곡수중보 남쪽 부분영역으로서, 경거의 길이 900 m 위거의 길이 1627 m이다(Fig. 7). 이 지역은 굴포천 하류 지역으로 지대가 낮은 상습 침수지역이며(대부 분 해발 0m에 가까움), 원활한 배수를 위해 굴포천 방수로 공사가 진행 중이고, 논농사지역으로서 지하수 이용량이 많다.
건설교통부와 한국수자원공사에서는 인천강화도 지역의 지하수 수위/수질 관측을 2004년 9월~2005년 10월 까지 장기관측 9회, 단기관측 4회 등 총 13회를 실시하였다. 본 연구에서는 여기서 2005년도에 인천시 계양구에서 측정한 18개 지점의 자료를 발췌하였다(Table 4, Table 5참조).
44 m3/day이며, 또한 단위면적(km2)당 지하수 이용량은 52 m3/day이다(Table 3참조). 본 연구의 대상유역 전체면적 1.46 km2 중 하천 지역을 제외한 면적은 약 0.87 km2이며, 따라서 이 지역의 지하수 이용량을 45 m3/day로 상정하였고, 우물 7개를 대상유역에 설치하여 주변 지역의 지하수 이용과 비슷한 경계조건을 구현하였다. 우물을 배치한 X, Y축의 좌표는 각각(240, 300), (240, 600), (480, 300), (480, 600), (480, 900), (720,300), (720,600)으로서 지역 내에 균등하게 배치하였다.
시추 및 착정조사 지점은 행정구역상 인천시 계양구 동양동 TMx 179702 TMy 450845 지점의 자료를 발췌하였다. 충적층인 이 지역의 표고는 6.
수치모형 시뮬레이션을 수행하려면 먼저 대상유역을 이산화하고 유역경계에 적절한 조건을 지정해야하며 유역 내부의 각 특정 영역들에는 투수계수, 공극율, 지하 수 함양량, 대수층 바닥의 표고 및 두께 등의 입력변수들 에 대한 값들이 지정되어야한다. 이러한 자료들은 장기간에 걸친 치밀하고도 광범위한 관측에 의해 획득할 수 있으나, 본 연구에서는 이러한 관측을 수행하지는 못하였고 2장에서 제시된 바와 같은 기존의 연구 및 조사자료(한국 수자원공사, 2005)를 이용하였다. 또한 대상 지역은 대부분 화강암층으로 구성된 대수층이므로 1개의 층으로 해석하여 모델을 간단히 구성하는데에는 큰 문제가 없을 것으 로 판단된다.
한강 하구역에서 주변 생태계와 수환경에 많은 영향을 주고 있는 신곡 수중보의 철거 유무에 따른 지하수 흐름 및 지하수위 변화예측을 위하여 필요한 분석자료를 확보하였다. 분석 모형으로서는 MODFLOW를 선택하였으며, 모형의 이론적인 구조, 모형의 실행방법, 수리 매개 변수의 선정, 모형의 경계조건 설정을 위한 방법론 등 관련 연구를 시행하였다.
이론/모형
본연구에서사용한지하수해석모형은 Visual MODFLOW v.2.8.2(Waterloo Hydrogeologic Inc., 2002)이다. Visual MODFLOW는 지하수 흐름과 오염 이동에 대하여 3차원 해석이 가능한 상업적인 모형으로서, 1994년에 처음 출시된 이후로 계속 발전되고 있으며 지하수 해석 모형으로서는 현재 지구상에서 가장 많이 사용되고 있는 모형이다.
성능/효과
1개당 이용량 6.44 m3/day인 우물 7개를 설치한 경우에 신곡수중보 철거 전후의 유속은 신곡수중보 철거 전이 전반적으로 크게 나타남(신곡수중보 철거전의 최대유속이 철거전보다 40% 가량 더 크게 나타남)을 알 수 있고 유선은 그 변화가 적음을 알 수 있다.
/yr 보다는 높게 나타났다. 단위면적당 지하수 이용량은 1,894 m3/yr로서 전국평균 3,783 m3/yr, 서울특별시/광역시의 평균 4,919 m3/yr, 그리고 인천시의 단위면적당 평균 지하수 이용량 2,129 m3/yr 보다 적게 나타났다. 면적에 대한 우물개발밀도는 8.
42 m이다. 동양동 지점에서 장기양수시험 결과 해석에 의하여 도출된 투수계수는 0.069 m/day와 0.478 m/day이었다. 또한 이 지점에서 채취한 표준관입시험 및 지표지질조사 토양시료에 대한 입도분석 결과를 토대로 추정한 투수계수는 0.
본 연구에서 제시된 결과를 보면, 수중보의 철거로 인하여 유발되는 지하수위의 변동은 최대 30 cm이며, 이는 상시의 지하수의 이용량에 의한 지하수위 변동(최대 1 m)에 미치지 못한다. 즉, 수중보의 철거로 인하여 급격한 지하수위 변화는 발생하지 않으며 이는 하천수위의 영향을 받는 지하수의 특성을 반영한 것이라고 볼 수 있다.
부평구와 계양구의 지하수 이용특성을 분석하면 우물 1개소당 지하수 이용량은 2,350 m3/yr로서 전국평균 3,050 m3/yr와 서울특별시/광역시 평균 3,260 m3/yr에 비해 적게 나타났지만 인천광역시 평균지하수 이용량 1,920 m3/yr 보다는 높게 나타났다. 단위면적당 지하수 이용량은 1,894 m3/yr로서 전국평균 3,783 m3/yr, 서울특별시/광역시의 평균 4,919 m3/yr, 그리고 인천시의 단위면적당 평균 지하수 이용량 2,129 m3/yr 보다 적게 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Visual MODFLOW의 구성 요소는 무엇인가?
Visual MODFLOW는 지하수 흐름과 오염 이동에 대하여 3차원 해석이 가능한 상업적인 모형으로서, 1994년에 처음 출시된 이후로 계속 발전되고 있으며 지하수 해석 모형으로서는 현재 지구상에서 가장 많이 사용되고 있는 모형이다. Visual MODFLOW의 구성 요소는 MODFLOW, MODPATH, ZoneBudget, MT3Dxx/RT3D, PEST이며 각 구성요소에 의하여 지하수의 흐름과 오염 이동에 관한 모의(Simulation) 가 가능하며, 모의 결과는 2차원 혹은 3차원으로 표현할 수 있다. 수치모형 시뮬레이션을 수행하려면 먼저 대상유역을 이산화하고 유역경계에 적절한 조건을 지정해야하며 유역 내부의 각 특정 영역들에는 투수계수, 공극율, 지하 수 함양량, 대수층 바닥의 표고 및 두께 등의 입력변수들 에 대한 값들이 지정되어야한다.
Visual MODFLOW에서 수치모형 시뮬레이션을 수행하려면 무엇을 지정하여야 하는가?
Visual MODFLOW의 구성 요소는 MODFLOW, MODPATH, ZoneBudget, MT3Dxx/RT3D, PEST이며 각 구성요소에 의하여 지하수의 흐름과 오염 이동에 관한 모의(Simulation) 가 가능하며, 모의 결과는 2차원 혹은 3차원으로 표현할 수 있다. 수치모형 시뮬레이션을 수행하려면 먼저 대상유역을 이산화하고 유역경계에 적절한 조건을 지정해야하며 유역 내부의 각 특정 영역들에는 투수계수, 공극율, 지하 수 함양량, 대수층 바닥의 표고 및 두께 등의 입력변수들 에 대한 값들이 지정되어야한다. 이러한 자료들은 장기간에 걸친 치밀하고도 광범위한 관측에 의해 획득할 수 있으나, 본 연구에서는 이러한 관측을 수행하지는 못하였고 2장에서 제시된 바와 같은 기존의 연구 및 조사자료(한국 수자원공사, 2005)를 이용하였다.
Visual MODFLOW는 어떠한 모형인가?
, 2002)이다. Visual MODFLOW는 지하수 흐름과 오염 이동에 대하여 3차원 해석이 가능한 상업적인 모형으로서, 1994년에 처음 출시된 이후로 계속 발전되고 있으며 지하수 해석 모형으로서는 현재 지구상에서 가장 많이 사용되고 있는 모형이다. Visual MODFLOW의 구성 요소는 MODFLOW, MODPATH, ZoneBudget, MT3Dxx/RT3D, PEST이며 각 구성요소에 의하여 지하수의 흐름과 오염 이동에 관한 모의(Simulation) 가 가능하며, 모의 결과는 2차원 혹은 3차원으로 표현할 수 있다.
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