[논문]제주 지역 지표수-지하수 연계 해석

김남원; 정일문; 유상연; 이정우; 양성기

doi:10.5322/jes.2009.18.9.1017

문제 정의

가진다. 따라서 SWAT에서 계산된 물수지를 바탕으로 산정된 함양량이 MODFLOW의 입력자료로 타당한지 살펴보기 위해 표선유역내 물수지를 살펴보고 실제 지하 수위 시계열과 함양량의 시계열을 비교 분석하여 그 효용성올 살펴보았다. 제주도수문지질 및 지하수자원 종합조사口”에 보고된 제주도 표선유역의 물수지는 다음 Table 4와 같다.
그러나 이 관측값의 기간이 매우 짧아 장기유출의 특성을 정확히 파악하기 위해서는 보다 장기간의 관측자료가 수집되어야만 한다. 본 연구에서는 모델링의 신뢰성을 판단하기 위한 충분한 관측값을 보유하고 있지 못한 관계로 모형의 보정과 검증에 대한 분석이 매우 제한적으로 기술될 수밖에 없으나 제주 지역의 특성상 유출해석을 수행하기 어려운 상황을 감안하여 SWAT-MODFLOW모형의 펄스형태 해석의 가능성을 제시하는데 목표를 두고 있으며, 아울러 그 하부구조인 지하수 유동해석을 통해 전체적인 유출해석이 보완될 수 있다는 새로운 제안을 시도하는데서 그 의미를 찾고자 한다. Fig.
본 연구에서는 완전연동형 지표수-지하수 결합모형인 SWAT-MODFLOW4~6)를 이용한 제주 표선유역의 수문해석을 수행하고자 한다. 대상 유역은 표선 유역 내에 위치한 천미천 유역으로 3개의 소유 역으로 나누어 해석을 수행하였다.

제안 방법

또한 대수증내 우물의 함양과 배출, 지하수의 증발산으로 인한 손실 등도 상호 연동되도록 결합하였다. SWAT으로부터 HRU별로 계산된 함양량을 MODFLOW의 셀값에 분배시키기 위흐H서 HRU-GRID 변환 툴을 만들어 활용하였다 MODFLOW 의 RIVER PACKAGE를 이용하여 하천셀별로 하천-대수층간의 순 유출입량을 계 산후 합산하여 SWAT 의 하도로 유입되도록 구성하였다. 양수모의는 MODFLOW의 WELL PACKAGE를 이용하였는데, MODFLOW의 함양 또는 배출량을 SWAT에서 받고, SWAT의 Water Transfer라는 물 이동 명령에 의해 하천, 다른 HRU, 다른 소유역 유역외 등의 원하는 목적지로 전이되도록 구성되었다 6).
특히 투수계수의 경우 해발고도를 기준으로 그 특성이 다르게 나타난다고 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 7과 같이 표선유역을 고도별로 3부분으로 구분하여 각각의 투수 계수의 값을 산정하였다. 또한 저류계수 및 River Package에 사용되는 전도계수 C값의 경우 실측 지하 수위와 모의 지하수위간 보정과정을 통해 모델링에 적합한 값을 산정하였다.
본 연구에서는 2004년~2007년까지 4년의 모의기간을 두고 모델링을 실시하였는데 제주도의 경우 지표면 아래로 평균 200 m(상류의 경우) 지점에 지하수위가 형성되고 있어 모델링에서 지하 수위가 안정되는데 꽤 오랜 기간이 필요하였다. 따라서 비교적 지하수위가 안정된 2006년 6월 이후부터 2007년 12월까지의 지하수위를 비교하였다.
87로 비교적 양호하게 나타났다. 또한 삼다수 관측정에서의 실측 지하 수위와, 모의 지하수위 시계열을 비교하였다 (Fig. 9). 본 연구에서는 2004년~2007년까지 4년의 모의기간을 두고 모델링을 실시하였는데 제주도의 경우 지표면 아래로 평균 200 m(상류의 경우) 지점에 지하수위가 형성되고 있어 모델링에서 지하 수위가 안정되는데 꽤 오랜 기간이 필요하였다.
7과 같이 표선유역을 고도별로 3부분으로 구분하여 각각의 투수 계수의 값을 산정하였다. 또한 저류계수 및 River Package에 사용되는 전도계수 C값의 경우 실측 지하 수위와 모의 지하수위간 보정과정을 통해 모델링에 적합한 값을 산정하였다. Fig.
하지만 지금까지는 적정 지하수 개발가능량을 산정함에 있어서 많은 법적, 기술적 제약이 있었던 것이 사실이다. 본 연구에서는 완전연동형 지표수-지하수 통합모형 인 SWAT-MODFLOW를 이용하여 수문해석이 난해한 제주 표선 지역에 대해 실증 적용하여 지표수 유출현상과 지하수 유동을 동시에 모의할 수 있었다. 내륙과는 매우 상이한 제주의 유출 특성이 SWAT-MODFLOW에서는 현실적으로 모의가 가능함을 확인할 수 있어 향후 제주 전 지 역으로의 수문해석을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
SWAT으로부터 HRU별로 계산된 함양량을 MODFLOW의 셀값에 분배시키기 위흐H서 HRU-GRID 변환 툴을 만들어 활용하였다 MODFLOW 의 RIVER PACKAGE를 이용하여 하천셀별로 하천-대수층간의 순 유출입량을 계 산후 합산하여 SWAT 의 하도로 유입되도록 구성하였다. 양수모의는 MODFLOW의 WELL PACKAGE를 이용하였는데, MODFLOW의 함양 또는 배출량을 SWAT에서 받고, SWAT의 Water Transfer라는 물 이동 명령에 의해 하천, 다른 HRU, 다른 소유역 유역외 등의 원하는 목적지로 전이되도록 구성되었다 6). SWAT-MODFLOW의 계산 순서도는 Fig.
지표수-지하수 통합모형인 SWAT-MODFLOW를표선유역에 적용하였으며, SWAT모형만을 적용한 결과와 비교하여 그 차이점을 분석하였다. 다음 Fig.

대상 데이터

각 지증의 수리 특성인자들의 경우 제주 삼다 수지 하수 정밀조사 보고서力의 자료를 이용하였으며 Table 3에 제시하였다. 특히 투수계수의 경우 해발고도를 기준으로 그 특성이 다르게 나타난다고 알려져 있다.
수문해석을 수행하고자 한다. 대상 유역은 표선 유역 내에 위치한 천미천 유역으로 3개의 소유 역으로 나누어 해석을 수행하였다. 이 지역은 삼다수 먹는샘물 환경영향조사가 수행되어 비교적 정확한 지하 수위 관측 자료가 확보되어 있고, 매우 제한적이기는 하나 하천의 유출량 조사가 수행된 바 있다? 현장 조사에 따르면, 유역내에서 80~100 mm를 기록해도 선행강우가 없을 경우에는 유출이 일어나지 않았으며, 1일 100 mm 이상의 강우가 나타날 경우에만 유출이 발생하는 것으로 나타났다(Fig.
9). 본 연구에서는 2004년~2007년까지 4년의 모의기간을 두고 모델링을 실시하였는데 제주도의 경우 지표면 아래로 평균 200 m(상류의 경우) 지점에 지하수위가 형성되고 있어 모델링에서 지하 수위가 안정되는데 꽤 오랜 기간이 필요하였다. 따라서 비교적 지하수위가 안정된 2006년 6월 이후부터 2007년 12월까지의 지하수위를 비교하였다.
본 연구에서는 SWAT-MODFLOW모형을 적용하기 위한 대상유역으로 표선유역을 선정하였다. 표선유역의 면적은 207.
따라서 대수층의 경우 MODFLOW의 입력을 위한 대상지역의 수리 지질은 1개의 충적층(화산암층) 및 1개의 투수성 암반층(서귀포 층)으로 단순화하였다’ 모델 영역은 가로 29, 900 m, 세로 16, 700 m로 면적 499.33 kn? 이고, 실제 모사에 적용된 면적은 활성격자만을 고려한 216.11 km², 모델 격자는 167행, 299열, 2충으로 구성되며 수평방향 격자 한 개의 크기는 100 mxlOO m 이다. 수평격자의 크기는 지표수 해석과 동일하게 적용되어야 하는데 지표수 유출해석을 위한 DEM 및 토지이용도, 토양도를 구성함에 있어서 100 m 격자를 사용하였기에 지하수 역시 이와 동일하게 적용되 었다

이론/모형

본 연구에서는 SWAT-MODFLOW 결합모형을 이용한 연계모델링을 수행하였으며 모형에 관한 내용은 다음과 같다. SWAT(Soil and Water Assessment Tool)모형8)은 미국 농무성에서 개발된 유역 수문 모형으로 다양한 토양, 토지이용 등의 상태를 반영한 물순환, 토사 및 화학물질 이동 해석이 가능한 장기유출모형이다.

성능/효과

관측치 가 확보된 기간(2006년 8월 21일 - 2006년 11월 21일)에 대한 결정계수는 SWAT모형의 rJ 0.46, SWAT-MODFLOW의 경우는 史=(康 5 정도로 나타났다. 그러나 이 관측값의 기간이 매우 짧아 장기유출의 특성을 정확히 파악하기 위해서는 보다 장기간의 관측자료가 수집되어야만 한다.
그에 비해 SWAT-MODFLOW는 지표 수와 지하수의 상호작용을 통해 지하수 유출이 결정되므로 표선 유역과 같이 지하수위가 낮게 분포하는 경우에 대해서는 하천과 지하수가 분리됨으로써 펄스 형태의 유출이 계산 가능하며 이는 관측값과 매우 유사한 결과를 보인다. 다시 말해서 유출이 강우시와 비강우시에 펄스형태로 진행되는 간헐천의 성격을 잘 표현하고 있으며, 지하수 유출 감소로 인해 하천 유출량은 SWAT결과에 비해 줄어들며 이 양은 함양성분에 포함되어 바다로 유출될 것임을 잘 보여준다. 그럼에도 10월 19일-10월 22일까지 발생한 강우에 대해서는 실제 유출이 발생하지 않았는데 이와 같은 현상은 제주의 독특한 수문 현상으로 향후 추가적인 관측을 통해 현상규명을 해야 할 것이다.
본 연구에서 SWAT-MODFLOW를 통해 파악된 표선유역의 유출률은 약 17~19%정도로 나타났으며, 지하수 함양량은 약 53%로 추정되어 기존 보고서와 유사한 결과를 보여주었다. 또한 관측치와 비교하여 모의 된 지표수 유출량의 상관성은 R=0.65, 지하수위의 , 상관성은 R=0.87 모두 관측치 대비 좋은 상관성을 보였다. 한편, 표선 유역의 적용을 통해 확인된 제주지역의 독특한 수문현상에 대해서는 선행강우 조건과 결부시켜 보다 정확한 규명 이 필요할 것으로 판단된다.
내륙과는 매우 상이한 제주의 유출 특성이 SWAT-MODFLOW에서는 현실적으로 모의가 가능함을 확인할 수 있어 향후 제주 전 지 역으로의 수문해석을 수행할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서 SWAT-MODFLOW를 통해 파악된 표선유역의 유출률은 약 17~19%정도로 나타났으며, 지하수 함양량은 약 53%로 추정되어 기존 보고서와 유사한 결과를 보여주었다. 또한 관측치와 비교하여 모의 된 지표수 유출량의 상관성은 R=0.
이를 바탕으로 실제 삼다수 수위관즉정에서 즉정한 2004년~2007년의 실측 지하수위와 계산된 함양량과의 상관계수(Correlation)는 R=0.87로 비교적 양호하게 나타났다. 또한 삼다수 관측정에서의 실측 지하 수위와, 모의 지하수위 시계열을 비교하였다 (Fig.

후속연구

다시 말해서 유출이 강우시와 비강우시에 펄스형태로 진행되는 간헐천의 성격을 잘 표현하고 있으며, 지하수 유출 감소로 인해 하천 유출량은 SWAT결과에 비해 줄어들며 이 양은 함양성분에 포함되어 바다로 유출될 것임을 잘 보여준다. 그럼에도 10월 19일-10월 22일까지 발생한 강우에 대해서는 실제 유출이 발생하지 않았는데 이와 같은 현상은 제주의 독특한 수문 현상으로 향후 추가적인 관측을 통해 현상규명을 해야 할 것이다.
본 연구에서는 완전연동형 지표수-지하수 통합모형 인 SWAT-MODFLOW를 이용하여 수문해석이 난해한 제주 표선 지역에 대해 실증 적용하여 지표수 유출현상과 지하수 유동을 동시에 모의할 수 있었다. 내륙과는 매우 상이한 제주의 유출 특성이 SWAT-MODFLOW에서는 현실적으로 모의가 가능함을 확인할 수 있어 향후 제주 전 지 역으로의 수문해석을 수행할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서 SWAT-MODFLOW를 통해 파악된 표선유역의 유출률은 약 17~19%정도로 나타났으며, 지하수 함양량은 약 53%로 추정되어 기존 보고서와 유사한 결과를 보여주었다.
이와 같은 분석기술을 활용하면 보다 정확한 지하수 함양량의 산정 및 지표수 유출과의 비교를 통해 제주 지역의 적정 지하수 개발가능량을 산정하는데 중요한 기술적 판단기준이 수립될 수 있을 것
이와 같은 천미천의 유출은 선행강우에 따른 토양수분변화, 토지이용의 변경에 따른 CN값의 변화 등에 좌우된다. 표선 유역의 정확한 유출해석을 위해서는 관측 유량의 확보가 절실한 상황이며 이에 대한 조사는 점차 확대될 것으로 판단된다.
이와 같이 제주 지역 수자원은 강수로부터 하천으로 유출되기 보다는 지하 공극을 통해 대수층으로 유입되는 양이 커서 전체 수자원 관리에 있어서 지하수의 중요성이 매우 크다. 한편, 제주도 지하수 함양량의 추정에 있어서 지표수 -지하수 통합모형을 적용할 경우 지표수 유출성분과 지하수 유동변화를 동시에 고려한 보다 신뢰성 있는 함양량 추정이 기대된다.
87 모두 관측치 대비 좋은 상관성을 보였다. 한편, 표선 유역의 적용을 통해 확인된 제주지역의 독특한 수문현상에 대해서는 선행강우 조건과 결부시켜 보다 정확한 규명 이 필요할 것으로 판단된다.

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