지표수-지하수 상호작용의 특성과 강도 및 방향은 지하수두, 수리전도도와 하상지형에 의해 영향을 받게 된다. 이러한 요소들은 공간적으로 매우 불균질하여 결과적으로 상호작용은 유역 전체 물수지에도 영향을 준다. 그러나 지표수-지하수 상호작용의 시공간적인 범위나 강도에 관한 조사 및 연구는 매우 제한적이며 대개 작은 하천 구간의 단면해석으로만 치우쳐 유역기반의 지표수-지하수 상호작용에 대한 포괄적인 연구가 필요한 시점이다. 본 연구에서는 완전연동형 지표수-지하수 결합모형인 SWAT-MODFLOW를 안양천 유역에 적용하여 하천과 대수층의 상호작용의 범위와 강도를 분석하였다. 분석결과 안양천 유역은 강수집중 기간을 제외하면, 연중 기저유출의 공급으로 인해 이득하천의 특성을 잘 나타내는 것으로 나타났으며, 지표수-지하수 상호작용의 영향범위는 표고가 낮은 하류로 갈수록 점점 커지는 것으로 확인되었다.
지표수-지하수 상호작용의 특성과 강도 및 방향은 지하수두, 수리전도도와 하상지형에 의해 영향을 받게 된다. 이러한 요소들은 공간적으로 매우 불균질하여 결과적으로 상호작용은 유역 전체 물수지에도 영향을 준다. 그러나 지표수-지하수 상호작용의 시공간적인 범위나 강도에 관한 조사 및 연구는 매우 제한적이며 대개 작은 하천 구간의 단면해석으로만 치우쳐 유역기반의 지표수-지하수 상호작용에 대한 포괄적인 연구가 필요한 시점이다. 본 연구에서는 완전연동형 지표수-지하수 결합모형인 SWAT-MODFLOW를 안양천 유역에 적용하여 하천과 대수층의 상호작용의 범위와 강도를 분석하였다. 분석결과 안양천 유역은 강수집중 기간을 제외하면, 연중 기저유출의 공급으로 인해 이득하천의 특성을 잘 나타내는 것으로 나타났으며, 지표수-지하수 상호작용의 영향범위는 표고가 낮은 하류로 갈수록 점점 커지는 것으로 확인되었다.
The characteristics, intensity and direction of groundwater.surface water interactions are controlled by groundwater head gradients, hydraulic conductivity and by the riverbed geometry. As a result of the spatial heterogeneity of these factors and the subsequent variability of the impact of these in...
The characteristics, intensity and direction of groundwater.surface water interactions are controlled by groundwater head gradients, hydraulic conductivity and by the riverbed geometry. As a result of the spatial heterogeneity of these factors and the subsequent variability of the impact of these interaction processes, the water balance is also characterized by highly variable spatial patterns and temporal dynamics. However, spatially detailed studies concerning the spatio-temporal variability of the extent and intensity of surface-groundwater interactions have been limited to the investigation of cross-sections or small stream reaches. Thus, the extensive study on the watershed based interaction between surface water and groundwater is to be analyzed. In this study, the intensity and the spatial extent of interactions along the stream were found by using integrated SWAT-MODFLOW model. This integrated modeling approach was applied to Anyangcheon watershed in Korea. The effluent stream characteristics were found in the watershed, namely, baseflow was annually discharged except heavy rainy periods. The intensity and the spatial extent of surface-groundwater interactions in different sub-watersheds were found on a daily basis. The influential extent of surface-groundwater interaction become larger as the watershed elevations are lower.
The characteristics, intensity and direction of groundwater.surface water interactions are controlled by groundwater head gradients, hydraulic conductivity and by the riverbed geometry. As a result of the spatial heterogeneity of these factors and the subsequent variability of the impact of these interaction processes, the water balance is also characterized by highly variable spatial patterns and temporal dynamics. However, spatially detailed studies concerning the spatio-temporal variability of the extent and intensity of surface-groundwater interactions have been limited to the investigation of cross-sections or small stream reaches. Thus, the extensive study on the watershed based interaction between surface water and groundwater is to be analyzed. In this study, the intensity and the spatial extent of interactions along the stream were found by using integrated SWAT-MODFLOW model. This integrated modeling approach was applied to Anyangcheon watershed in Korea. The effluent stream characteristics were found in the watershed, namely, baseflow was annually discharged except heavy rainy periods. The intensity and the spatial extent of surface-groundwater interactions in different sub-watersheds were found on a daily basis. The influential extent of surface-groundwater interaction become larger as the watershed elevations are lower.
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문제 정의
이길성 등(2006a)은 안양천 지역에 SWAT을 적용하여 유황곡선을 도출하고 이를 바탕으로 갈수량과 필요 수량의 비교를 통해 하천유지유량을 산정하였다. 각 소하천에서의 지하수 취수가 하천수 감소에 영향을 미치고 실제 하천수량이 하천정비기본계획에서 제시된 하천유지유량보다 매우 적어 지류하천의 하천유지유량 산정의 문제점을 제시하였다. 또한 이길성 등(2006b)은 안양천 중상류 지역에 대한 물수지 분석을 통해 안양천 지역 건천화의 현황과 이를 방지하기 위한 지속가능한 수자원 계획등을 수립하여 안양천 지역의 물순환 개선의 효과를 분석하였다.
따라서 본 연구에서는 지표수-지하수 교환의 시간적인 변화 뿐 아니라 공간적인 변동성을 파악하기 위해 대상 유역의 상·하류 하천 수직단면의 지하수위 변화를 살펴봄으로서 지표수와 지하수가 서로 교환되는 범위를 알아보았다.
따라서 실질적으로 동일한 하천의 길이나 폭을 가질 경우 공간적인 위치에 따라 교환량이 어떤 차이를 갖는지 알아보기 위해 유역의 상·중·하류의 대표 소유역의 단위면적당 교환량의 값을 비교해 보았다.
본 연구에서는 안양시를 통과하는 대표적인 도시하천인 안양천 중상류 유역을 대상으로 완전연동형 지표수-지하수 통합모형인 SWAT-MODFLOW을 사용하여 지하수 유출입량을 평가하였다. 이는 기존에 사용된 Darcy의 법칙, 침윤계를 이용한 직접측정법, 추적자법 등의 방법(Corbett et al.
가설 설정
4(b)). 또한 지하수 분수령이 유역의 경계와 같다고 가정하여 유역 경계는 No-flow Boundary로 설정하였다(Fig. 4(a)).
제안 방법
토양도의 경우, 농업과학기술원에서 제공하고 있는 각 토양통별 토양층 개수, 층별 깊이, 자갈, 모래, 실트, 점토 비율 등을 이용하였다.
다음으로 소유역별 교환량을 평가하여 유역의 위치에 따른 교환량의 변화를 살펴보았다. 각 소유역에 해당하는 하천의 길이나 폭과 같은 물리적인 특성과 하천수위와 지하수위의 변동이 각각 달라서 교환량의 단순 비교는 큰 의미가 없다.
SWAT 모형의 기본 입력자료인 수치주제도에는 DEM, 토지피복도, 토양도 등이 요구된다. 대상유역의 격자크기와 소유역 분할 개수는 유출량에 큰 영향을 미치지 않는다는 연구결과(Chaplot, 2005)에 따라 대상유역의 DEM은 1:25,000수치지도에서 추출한 100m 격자 크기로 리샘플링하여 구축하였으며, 대상유역은 모두 15개의 소유역으로 구분하였다(Figs. 3(a) and 3(b)).
대상지역의 수리지질은 1개의 충적층 및 2개의 투수성 암반층으로 단순화하였으며, 충적층의 경우에는 자유면대수층, 암반층은 피압/자유면대수층 변환층으로 설정하였다. 충적층 및 암반층의 공간적인 분포는 해당 유역내 포함되는 국가지하수 관측망 2개소 및 안양지역 지하수 기초조사 보고서(2008)의 지하수 시추조사 자료, 양수시험시 굴착깊이 등을 이용하여 각 층의 바닥고를 지구통계학적 방법인 Linear model을 이용한 Kriging 기법을 이용하여 유역 전체의 지하수위의 분포를 나타내었다.
충적층 및 암반층의 공간적인 분포는 해당 유역내 포함되는 국가지하수 관측망 2개소 및 안양지역 지하수 기초조사 보고서(2008)의 지하수 시추조사 자료, 양수시험시 굴착깊이 등을 이용하여 각 층의 바닥고를 지구통계학적 방법인 Linear model을 이용한 Kriging 기법을 이용하여 유역 전체의 지하수위의 분포를 나타내었다. 또한 각 지층의 수리 특성인자들 역시 기초조사 보고서의 내용을 토대로 공간분포값을 입력자료로 활용하였다.
0에 가까울수록 모의치가 실측치의 경향을 잘 반영한다. 또한 모형 효율성 계수는 무작위 오차를 평가하는 결정계수와 달리 오차의 정도를 나타내기 위해 사용하였다. 모형의 효율을 평가하기 위해서 사용한 결정계수(R2)와 모형 효율성계수(ME)는 다음 Eq.
박달 하수처리장은 1995년 준공되어 하수를 처리하고 있으며 석수 하수처리장은 2003년에 준공되어 하수처리기능을 수행하고 있다. 본 연구에서는 2003년부터 2006년까지의 하수 방류량(연평균 약 360,000 ㎥/day)과 하수 재이용수량(연평균 약 32,000 ㎥/day)을 고려하였다.
유역내 물수지를 고려한 유출량 보정을 위해 출구점의 총 유출량의 값을 비교하였다. 유역 출구점인 시흥 대교에 위치한 시흥수위관측소의 관측값과 모의값을 비교한 결과 결정계수(R2)는 0.
지하수 흐름계를 결정하는 주요 수리 특성인자로서 대수층의 수리전도도 및 저류계수, 하천 바닥 퇴적층의 전도계수, 대수층 두께, 경계조건 등이 있다. 이 중에서 시추자료와 양수시험 등을 통하여 얻은 대수층 두께, 수리전도도는 가급적 변화시키지 않고, Table 2에 나타난 바와 같이 함양지체시간 GW_DELAY, 저류계수 S와 전도계수비인 K/M값을 변화시키면서 지하수위 보정을 실시하였다.
토양의 수문학적 그룹은 정정화 등(1995)의 결과를 이용하였다. 이러한 방법으로 구축된 usersoil.dbf를 이용하여, 토양통별 속성값을 정의하였다.
지표수-지하수 교환량의 시·공간적인 변화를 살펴봄으로써 교환량의 특성을 살펴보았다.
지하수 모델링은 지하수 해석 모델인 MODFLOW를 SWAT과 완전 연동시킨 SWAT-MODFLOW를 이용하여 일단위로 모의하였다. SWAT-MODFLOW는 지하수 흐름 모의를 위해 일별 함양량의 공간적 분포를 SWAT에서 추출하여 MODFLOW로 입력하고, 하천과 대수층간의 수위차에 비례하는 순 유출입량으로부터 지하수유출량을 계산하여 다시 SWAT으로 전달함으로써 두 모형간의 연계가 매시간단계별로 이루어지게 된다.
3(a) and 3(b)). 토지피복도는 환경부에서 제공하는 토지피복 중분류를 사용하였으며, 토양도는 농업과학기술원에서 제공하는 정밀토양도를 이용하여 토양통으로 분류하여 구축하였다(Figs. 3(c) and 3(d)).
따라서 본 연구에서는 지표수-지하수 교환의 시간적인 변화 뿐 아니라 공간적인 변동성을 파악하기 위해 대상 유역의 상·하류 하천 수직단면의 지하수위 변화를 살펴봄으로서 지표수와 지하수가 서로 교환되는 범위를 알아보았다. 하천 주변의 지하수위는 강우에 민감하므로 모의 기간 중 가장 강우가 많이 발생한 때를 기점으로 지하수위의 변화를 파악하였다. 2002년 8월 4일∼8월 6일까지 3일동안 총 308 mm의 강우가 발생하였고 지하수위의 변동이 가장 심한 날은 8월 8일∼8월 9일인 것으로 나타났다.
72 km2, 주 하도연장은 56 km인 지역이다. 대상 유역 내에는 안양과 남면 강우관측소가 유역 외에는 낙생 강우관측소가 위치하며 유역에 영향을 미치는 기상관측은 서울과 수원 관측소의 자료를 이용하였다. 또한 지표수 관측을 위한 안양, 시흥 수위관측소와 지하수 관측을 위한 군포당정, 안양 비산 지하수 관측소가 유역내에 위치하고 있다(신문주, 2006).
대상 유역에 영향을 미치는 기상자료로는 서울과 수원기상관측소의 자료를 이용하였다. 최근 5개년(2002∼2006년)의 기상자료를 보면 연평균 강우량의 경우 서울은 1,587.
한강의 제1지류인 안양천은 한강의 지류 가운데 중랑천 다음으로 큰 하천이며 안양천 유역 내에 있는 하천들은 국가하천과 지방 2급 하천들이다. 대상 유역은 본류인 안양천을 비롯하여 왕곡, 오전, 산본, 당정, 학의, 청계사, 갈현, 수암, 삼성, 삼막, 삼봉천등 총 11개의 지방 2급 하천이 흐르고 유역면적 140.72 km2, 주 하도연장은 56 km인 지역이다. 대상 유역 내에는 안양과 남면 강우관측소가 유역 외에는 낙생 강우관측소가 위치하며 유역에 영향을 미치는 기상관측은 서울과 수원 관측소의 자료를 이용하였다.
대상 유역은 안양천의 중상류 유역으로 Fig. 2와 같이 시흥대교를 유역 출구점으로 하고 서울의 남서쪽에 위치하고 동경 126° 52′∼127° 03′, 북위 37° 19′∼37° 27′이다.
2와 같이 시흥대교를 유역 출구점으로 하고 서울의 남서쪽에 위치하고 동경 126° 52′∼127° 03′, 북위 37° 19′∼37° 27′이다. 대상유역은 안양시를 포함하고 안양시 북쪽 끝에는 관악산(冠岳山:629 m), 동쪽 끝에는 청계산(淸溪山:618 m), 남서쪽 끝에는 수리산(修理山:475 m) 등이 있어 중앙은 낮고 평탄하며(EL. 31 m) 유역 외곽이 산지로 둘러싸인(EL. 250 m) 평균표고 EL. 93 m의 타원형 분지 지형을 이룬다.
모델 보정의 기준은 안양지역에 포함된 국가지하수 관측망 2개소의 지하수위 관측자료와 안양천 지역의 52개 지하수위 관측지점의 관측자료를 이용하였다(안양시, 2008, Fig. 6
모델 영역은 가로 16,100 m, 세로 15,500 m로 면적 249.55 km2이고, 실제 모사에 적용된 면적은 활성격자만을 고려한 140.72 km2, 모델 격자는 155행, 161열, 3층으로 구성되며 수평방향 격자 한 개의 크기는 100 m × 100 m이다(Fig.
는 모의값의 평균이다. 보정과정에서 사용된 매개변수는 지표수와 관련하여 CN2, SOL_AWC, ESCO등이 사용되었고 지하수와 관련해서는 GW_DELAY 변수와 저류계수 S, 하천 바닥 퇴적층의 전도계수 Criv와 관련된 K/M값을 모델보정에 사용하였다(Table 2).
데이터처리
모형의 효율성을 나타내기 위해 결정계수(R2)과 모형 효율성 계수인 Nash-Sutcliffe model efficiency(ME)를 사용하여 결과를 검증하였다. 결정계수는 0.
이론/모형
지표수와 지하수의 상호작용의 시공간적 변화를 살펴보기 위하여 연구대상유역인 안양천 유역에 SWAT-MODFLOW를 적용하였다. 결과를 요약하면 다음과 같다.
대상지역의 수리지질은 1개의 충적층 및 2개의 투수성 암반층으로 단순화하였으며, 충적층의 경우에는 자유면대수층, 암반층은 피압/자유면대수층 변환층으로 설정하였다. 충적층 및 암반층의 공간적인 분포는 해당 유역내 포함되는 국가지하수 관측망 2개소 및 안양지역 지하수 기초조사 보고서(2008)의 지하수 시추조사 자료, 양수시험시 굴착깊이 등을 이용하여 각 층의 바닥고를 지구통계학적 방법인 Linear model을 이용한 Kriging 기법을 이용하여 유역 전체의 지하수위의 분포를 나타내었다. 또한 각 지층의 수리 특성인자들 역시 기초조사 보고서의 내용을 토대로 공간분포값을 입력자료로 활용하였다.
토양도의 경우, 농업과학기술원에서 제공하고 있는 각 토양통별 토양층 개수, 층별 깊이, 자갈, 모래, 실트, 점토 비율 등을 이용하였다. 토양의 수문학적 그룹은 정정화 등(1995)의 결과를 이용하였다. 이러한 방법으로 구축된 usersoil.
성능/효과
1) 지하수의 교환량의 분석 결과 연구대상지역은 지하수가 하천수로 유입되는 이득하천의 형태를 나타내고 있으며 강수가 집중되는 시기에만 하천수가 지하수로 유입되는 것을 알 수 있었다.
2) 유역의 하천에서 발생한 월평균 교환량은 월평균 강수량이 가장 많은 7월이 아닌 9월에 발생한 51.79 m3/sec였다. 유역에 월평균 강수량의 편차보다 교환량의 월별 편차가 적은 것은 기저유출의 영향과 지표수가 지하수로 유입되는 과정에서 발생하는 함양의 시간 지체의 영향 때문으로 판단된다.
3) 유역의 상, 중, 하류에서의 교환량을 살펴본 결과 유역의 하류로 갈수록(표고가 낮아질수록) 지표수-지하수 교환량의 영향 범위가 더 넓어지고 변동폭은 작아지는 경향을 나타냈다. 소유역별 교환량 변화를 정량적으로 살펴보기 위해 하류에서 상류로 연결된 15-11-3번 소유역의 단위면적당 교환량을 비교해 본 결과 15번 소유역은 0.
4) 소유역별 수문성분을 비교한 결과 수자원량 대비 교환량의 경우 약 3.9∼25.5%로 소유역별 차이를 나타냈다. 전체 대상유역의 평균 교환량 비율은 11.
SWAT-MODFLOW를 이용하여 모의된 하천 유출량, 지하수위의 보정 및 검증 과정을 통하여 모델링 결과의 타당성을 입증하였다. 모델을 이용한 총 유출량의 보정 및 검증 결과는 다음과 같다.
이처럼 상, 하류의 영향 범위와 수위차가 다른 것은 하천의 폭이나 길이와 같은 물리적인 형상과 하천과 대수층간의 지형 경사가 유역에 따라 다르기 때문이다. 따라서 상류의 경우 하천수위의 변동는 심하지만 급경사로 인해 지하수위에 미치는 영향은 하류에 비해 적은 것으로 나타났다. 반면 하류의 경우 하천수위의 변동는 적었지만 하천과 대수층의 경사가 완만하여 지하수위에 미치는 영향이 상류보다 더 넓게 퍼지는 것으로 확인되었다.
3) 유역의 상, 중, 하류에서의 교환량을 살펴본 결과 유역의 하류로 갈수록(표고가 낮아질수록) 지표수-지하수 교환량의 영향 범위가 더 넓어지고 변동폭은 작아지는 경향을 나타냈다. 소유역별 교환량 변화를 정량적으로 살펴보기 위해 하류에서 상류로 연결된 15-11-3번 소유역의 단위면적당 교환량을 비교해 본 결과 15번 소유역은 0.7∼1.3× 10-3 m3/mon/km2의 범위를 갖는 반면 상류인 3번 소유역의 경우 8.2∼12.6×10-3 m3/mon/km2의 값을 나타내어 약 10배 정도의 차이를 보였다.
28 m의 수위차를 나타냈다. 연구대상 유역의 경우 하류에서 상류로 올라 갈수록 지하수위가 변동하는 폭은 하류에서 더 크게 나타난 반면 최대 수위차의 경우 상류에서 더 크게 나타났다. 이처럼 상, 하류의 영향 범위와 수위차가 다른 것은 하천의 폭이나 길이와 같은 물리적인 형상과 하천과 대수층간의 지형 경사가 유역에 따라 다르기 때문이다.
유역내 물수지를 고려한 유출량 보정을 위해 출구점의 총 유출량의 값을 비교하였다. 유역 출구점인 시흥 대교에 위치한 시흥수위관측소의 관측값과 모의값을 비교한 결과 결정계수(R2)는 0.70정도로 적합했고 모형 효율성계수(ME)는 0.69로 비교적 양호하였다. 또한 2005년에 하천 유출량에 대한 모형의 검증을 하였고 그 결과 결정계수(R2)는 0.
5%로 소유역별 차이를 나타냈다. 전체 대상유역의 평균 교환량 비율은 11.2%로 하천유출량 59.3%의 약 1/5 수준이었다. 또한 소유역별 하천유출량의 변화에 비해 교환량의 변화가 심하게 나타났는데 이는 소유역별로 물리적인 특성이 다르고 하천수위와 지하수위의 변동폭이 크게 다르기 때문인 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유역에서 지하수란 무엇인가?
유역에서 지하수는 갈수기에 하천으로 흐르는 지표 수의 주요 공급원이 되고 홍수기에는 지표수가 지하수로 함양되어 지하수위에 영향을 끼치는 등 지표수와 지하수는 따로 분리하여 생각할 수 없는 상호 연결성을 가진다(Winter, 1999). 따라서 지표수와 지하수 어느 한쪽이 오염되거나 개발이 될 경우 상호간에 영향을 주며 이는 수자원의 관리측면에서 매우 중요하다(하규철 등, 2006).
지표수-지하수 상호작용의 특성과 강도 및 방향은 무엇에 의해 영향을 받는가?
지표수-지하수 상호작용의 특성과 강도 및 방향은 지하수두, 수리전도도와 하상지형에 의해 영향을 받게 된다. 이러한 요소들은 공간적으로 매우 불균질하여 결과적으로 상호작용은 유역 전체 물수지에도 영향을 준다.
완전연동형 지표수-지하수 결합모형인 SWAT-MODFLOW를 안양천 유역에 적용하여 하천과 대수층의 상호작용의 범위와 강도를 분석한 결과는 어떠한가?
본 연구에서는 완전연동형 지표수-지하수 결합모형인 SWAT-MODFLOW를 안양천 유역에 적용하여 하천과 대수층의 상호작용의 범위와 강도를 분석하였다. 분석결과 안양천 유역은 강수집중 기간을 제외하면, 연중 기저유출의 공급으로 인해 이득하천의 특성을 잘 나타내는 것으로 나타났으며, 지표수-지하수 상호작용의 영향범위는 표고가 낮은 하류로 갈수록 점점 커지는 것으로 확인되었다.
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