한반도와 제주를 포함한 전국의 강우 자료와 국가지하수위 관측소에 관측된 지하수위 관측 자료를 수집하였다. 강우와 지하수위의 관계를 분석한 후 강우자료를 이용하여 이동평균을 취한 후 지하수위와의 상관관계를 분석하였다. 또한 유역평균 일최대침투량인 한계침투량을 고려한 후, 강우이동평균과 지하수위간의 상관계수를 산정하였다. 한계침투량 고려시 상관계수가 0.6 이상인 곳을 최종적으로 선정하였고, 선정된 지역의 공통점과 지역 특성에 따른 차이점 등을 비교 분석하였다. 총 26개 지역이 선정되었고 행정구역별로 경기도가 4개소, 강원도가 4개소, 충청도가 5개소, 전라도가 3개소, 경상도가 9개소, 제주도가 1개소이다. 상관계수가 높을수록 강우사상 발생에 따른 지하수위 변동은 뚜렷하게 나타났으며, 강우와 상관없는 요인에 의한 지하수위의 변동이 거의 없는 것으로 나타났다. 본 연구를 토대로 강우 예측 시나리오를 활용한다면 상관계수가 높은 지역에서 지하수위 또한 예측이 가능할 것으로 기대된다.
한반도와 제주를 포함한 전국의 강우 자료와 국가지하수위 관측소에 관측된 지하수위 관측 자료를 수집하였다. 강우와 지하수위의 관계를 분석한 후 강우자료를 이용하여 이동평균을 취한 후 지하수위와의 상관관계를 분석하였다. 또한 유역평균 일최대침투량인 한계침투량을 고려한 후, 강우이동평균과 지하수위간의 상관계수를 산정하였다. 한계침투량 고려시 상관계수가 0.6 이상인 곳을 최종적으로 선정하였고, 선정된 지역의 공통점과 지역 특성에 따른 차이점 등을 비교 분석하였다. 총 26개 지역이 선정되었고 행정구역별로 경기도가 4개소, 강원도가 4개소, 충청도가 5개소, 전라도가 3개소, 경상도가 9개소, 제주도가 1개소이다. 상관계수가 높을수록 강우사상 발생에 따른 지하수위 변동은 뚜렷하게 나타났으며, 강우와 상관없는 요인에 의한 지하수위의 변동이 거의 없는 것으로 나타났다. 본 연구를 토대로 강우 예측 시나리오를 활용한다면 상관계수가 높은 지역에서 지하수위 또한 예측이 가능할 것으로 기대된다.
Precipitation data and groundwater level data were collected for Korean peninsular and Jeju island. The relationship between precipitation and groundwater level and the correlation between the moving average of precipitation and goundwater level were analyzed. Critical infiltration, which is the spa...
Precipitation data and groundwater level data were collected for Korean peninsular and Jeju island. The relationship between precipitation and groundwater level and the correlation between the moving average of precipitation and goundwater level were analyzed. Critical infiltration, which is the spatially averaged maximum daily infiltration depth over interested region, is considered when the precipitation data was modified for moving average process and correlation between the moving average of modified precipitation and groundwater level. High correlation regions, which have greater than 0.6 correlation coefficients, were selected after the analysis with ciritical infiltration. Twenty-six regions were selected for high correlation regions. If we divide the regions by administrative district, there are nine regions for Gyungsang-Do, five regions for Chunchung-Do, four regions for Gyunggi-Do and Gangwon-Do, three regions for Jolla-Do, and one region for Jeju island. The groundwater level data for high correlation regions shows obvious response after precipitation event and there are few cases with abrupt change in groundwater level without precipitation-related event.
Precipitation data and groundwater level data were collected for Korean peninsular and Jeju island. The relationship between precipitation and groundwater level and the correlation between the moving average of precipitation and goundwater level were analyzed. Critical infiltration, which is the spatially averaged maximum daily infiltration depth over interested region, is considered when the precipitation data was modified for moving average process and correlation between the moving average of modified precipitation and groundwater level. High correlation regions, which have greater than 0.6 correlation coefficients, were selected after the analysis with ciritical infiltration. Twenty-six regions were selected for high correlation regions. If we divide the regions by administrative district, there are nine regions for Gyungsang-Do, five regions for Chunchung-Do, four regions for Gyunggi-Do and Gangwon-Do, three regions for Jolla-Do, and one region for Jeju island. The groundwater level data for high correlation regions shows obvious response after precipitation event and there are few cases with abrupt change in groundwater level without precipitation-related event.
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가설 설정
전국의 강우와 지하수위의 일 관측 자료를 이용하여 이동 평균과 한계침투량의 개념을 도입하였고 지하수위와 강우이동평균의 상관관계를 분석해보았다. 지하수위의 변동과 이동 평균 강우량과의 상관관계 분석에 있어서 양수량 등 강우를 제외하고 지하수위에 영향을 줄 수 있는 인위적인 인자에 관하여 일정하다고 가정하였다. 그 결과 강우이동평균과 지하수위와의 상관관계가 가장 높은 곳은 청원부용-부강 지점으로 90일의 이동평균일수를 가지고, 상관계수는 0.
제안 방법
먼저 10 mm를 한계침투량으로 가정한 후 강우자료 중 10 mm 이상의 강우량은 10 mm로 수정한 후 이동평균을 하고, 지하수위간의 상관계수를 구한다. 가정된 한계침투량의 값을 10 mm 간격으로 20 mm, 30 mm 등으로 계속 수정하면서 지하수위와의 상관계수를 구한 뒤 상관계수가 가장 큰 값일 때의 한계침투량을 해당 연구 지점의 한계침투량으로 정한다. 위의 과정은 많은 반복계산과 선별과정이 필요하게 되고 본 연구에서는 java program을 사용하여 결과를 구하였다.
최대 이동평균 일수는 360일로 하였다. 각각의 이동평균값과 지하수위간의 상관관계를 분석한 후 가장 높은 상관관계를 가지는 이동평균일수를 해당연구지역의 강우이동평균일수라고 정하고 상관계수를 도출하였다. 강우이동평균은 10일 간격으로 설정한 기준 시점을 포함한 N일의 선행강우량을 합산한 후, N으로 나눈 것이다.
이동평균은 지하수위 관측자료를 기준으로 과거 열흘간의 강우자료로 이동평균값을 구한다. 그리고 10일 간격으로 20일간의 이동평균, 30일간의 이동평균 등을 계속 구한다. 최대 이동평균 일수는 360일로 하였다.
제주도의 경우 관측정이 분류되어 있지 않다. 또한 연구 지점의 지질구조에 대한 정보를 보여주는 정호구조도를 정리해서 부록에 실었다.
강우사상이 발생할 경우 하루 동안 지하수에 유입되어 지하수위 상승에 영향을 미칠 수 있는 유역평균 일최대침투량을 한계침투량이라고 정의한다. 먼저 10 mm를 한계침투량으로 가정한 후 강우자료 중 10 mm 이상의 강우량은 10 mm로 수정한 후 이동평균을 하고, 지하수위간의 상관계수를 구한다. 가정된 한계침투량의 값을 10 mm 간격으로 20 mm, 30 mm 등으로 계속 수정하면서 지하수위와의 상관계수를 구한 뒤 상관계수가 가장 큰 값일 때의 한계침투량을 해당 연구 지점의 한계침투량으로 정한다.
먼저 일강우자료로 10일 간격의 이동평균값(Moving Average, MA)을 계산한다. 이동평균은 지하수위 관측자료를 기준으로 과거 열흘간의 강우자료로 이동평균값을 구한다.
본 연구에서는 국가지하수 정보센터(GIMS)와 제주특별자 지치도 상하수도 본부, 국가수자원 종합정보시스템(WAMIS) 그리고 기상청에서 관측된 지하수위와 강우의 관측 자료를 이용하여 강우이동평균과 지하수위의 상관관계를 분석하였다. 전국적으로 165개 지점이 분석되었고 본 연구에서는 상관계수가 높은 지역을 선별하고 2008년 자료를 추가하여 집중적으로 분석하였다.
가정된 한계침투량의 값을 10 mm 간격으로 20 mm, 30 mm 등으로 계속 수정하면서 지하수위와의 상관계수를 구한 뒤 상관계수가 가장 큰 값일 때의 한계침투량을 해당 연구 지점의 한계침투량으로 정한다. 위의 과정은 많은 반복계산과 선별과정이 필요하게 되고 본 연구에서는 java program을 사용하여 결과를 구하였다.
이러한 연구는 유역별 혹은 행정구역별로 상관관계를 분석하였으나 본 연구에서는 전국을 대상으로 하여 상관관계를 분석하였고 제주도를 포함시켰다. 또한 시간이 지남에 따라 연구 지점 선정에 있어서 관측 자료의 길이와 결측일 등으로 연구 지점에서 배제되었던 관측소가 관측자료가 늘어남에 따라 일부 추가되었고 선정되었던 관측소라도 자료가 추가됨에 따라 한계침투량과 일이동평균이 고려된 상관계수가 업데이트 되었다.
전국의 강우와 지하수위의 일 관측 자료를 이용하여 이동 평균과 한계침투량의 개념을 도입하였고 지하수위와 강우이동평균의 상관관계를 분석해보았다. 지하수위의 변동과 이동 평균 강우량과의 상관관계 분석에 있어서 양수량 등 강우를 제외하고 지하수위에 영향을 줄 수 있는 인위적인 인자에 관하여 일정하다고 가정하였다.
자료 수집 중 자료 길이가 3년 이하인 곳은 제외하였고, 장기간의 결측이 발생했을 경우 이듬해부터 자료를 수집하였다. 지하수위와 강우 관측소 중 자료의 길이가 짧은 것을 기준하여 자료를 수집하였고 결측일은 보간법을 이용하여 보정하였다. Fig.
대상 데이터
강우 관측 자료는 국가 수자원 종합정보 시스템(http:// www.wamis.go.kr)에 업로드 되어 있는 강우 자료 중 기왕 자료를 이용하여 2005년도까지 수집하였고, 그 이후의 경우 한국수문조사연보 중 우량 편을 이용하여 자료를 수집하였다.
kr)의 관측 자료를 활용하였다. 관측정별로 암반층과 충적층 자료를 각각 수집하였으며, 자료 수집 조건인 3년 이상의 관측기간, 결측일 10일 이하의 조건에 부합되지 않을 경우 수집을 하지 않았다. 제주도의 경우 제주특별자치도 상하수도본부(http://www.
기존에 진행되었던 관련된 연구에서 제외되었던 연구 지점중 지하수위 관측소와 강우 관측소의 거리가 10 km 이내인 곳을 1차 선정한 후, 해당 관측소의 일별 관측 자료를 수집하였다. 자료 수집 중 자료 길이가 3년 이하인 곳은 제외하였고, 장기간의 결측이 발생했을 경우 이듬해부터 자료를 수집하였다.
기존에 진행되었던 관련된 연구에서 제외되었던 연구 지점중 지하수위 관측소와 강우 관측소의 거리가 10 km 이내인 곳을 1차 선정한 후, 해당 관측소의 일별 관측 자료를 수집하였다. 자료 수집 중 자료 길이가 3년 이하인 곳은 제외하였고, 장기간의 결측이 발생했을 경우 이듬해부터 자료를 수집하였다. 지하수위와 강우 관측소 중 자료의 길이가 짧은 것을 기준하여 자료를 수집하였고 결측일은 보간법을 이용하여 보정하였다.
공주반포-반포 지점은 다른 연구지역과 마찬가지로 2008년의 연 최고 지하수위는 예년에 비해 낮게 형성되고 있으며 한계침투량이 110 mm로 높은 편이다. 자료의 길이는 2003년부터 2008년까지로 6개년 도를 분석하였고 200년에 78.65로 최고수위를 기록하였다. 심도 11.
본 연구에서는 국가지하수 정보센터(GIMS)와 제주특별자 지치도 상하수도 본부, 국가수자원 종합정보시스템(WAMIS) 그리고 기상청에서 관측된 지하수위와 강우의 관측 자료를 이용하여 강우이동평균과 지하수위의 상관관계를 분석하였다. 전국적으로 165개 지점이 분석되었고 본 연구에서는 상관계수가 높은 지역을 선별하고 2008년 자료를 추가하여 집중적으로 분석하였다.
관측정별로 암반층과 충적층 자료를 각각 수집하였으며, 자료 수집 조건인 3년 이상의 관측기간, 결측일 10일 이하의 조건에 부합되지 않을 경우 수집을 하지 않았다. 제주도의 경우 제주특별자치도 상하수도본부(http://www.jejuwater.go.kr)의 관측 자료를 활용하였다. 제주도의 경우 관측정이 분류되어 있지 않다.
지하수위 관측 자료는 국가지하수정보센터(http://www.gims. go.kr)의 관측 자료를 활용하였다. 관측정별로 암반층과 충적층 자료를 각각 수집하였으며, 자료 수집 조건인 3년 이상의 관측기간, 결측일 10일 이하의 조건에 부합되지 않을 경우 수집을 하지 않았다.
이론/모형
특히 강우량에 따른 지하수위의 변동 특성을 파악하기 위해 지하수위와 강우량의 상관관계를 분석해야할 필요성이 커지고 있는 실정이다. 이에 가뭄지표를 산정하기 위한 과정에 사용된 관측 자료의 이동평균 개념(Wilhite, 1985; Gutmann, 1999)은 본 연구에서 선행강우에 의한 지하수위의 변동 특성을 파악하기 위해서 쓰이며 집중호우 시의 강우량과 지하수위간의 상관관계를 좀 더 정확히 판단하기 위하여 유역평균 일최대 침투량인 한계침투량 개념을 도입하였다. 국내의 경우 쌍천 지하댐 최적운영을 위한 연구에서 강우이동평균과 지하수위간의 상관관계를 구하는 기법이 이용되었으며(양정석 등, 2005), 강우이동평균과 한계침투량을 고려하여 지하수위간의 상관관계를 분석한 연구가 있었다(양정석 등, 2005, 2006a, 2006b).
성능/효과
결론적으로 상관계수가 높게 분석되었다는 것은 강우량에 따른 지하수위 변동특성이 보다 뚜렷하게 나타난다는 것을 의미하고 강우사상이 발생하지 않을 경우 지하수위의 변화폭이 크지 않다는 것을 의미한다. 상관관계 분석에 있어 한계침투량을 고려한 강우이동평균과 지하수위간의 회귀식을 얻을 수 있고 상관계수가 큰 지역에 한해서 이러한 회귀식을 이용하여 강우 예측 시나리오에 의해 생성된 강우자료를 활용한다면, 신뢰성 높은 지하수위의 예측이 가능할 것으로 판단된다.
지하수위 관측 시작년도는 1999년도부터 2006년까지 다양했으며, 그 중 2003, 2004년도가 가장 많았다. 관측정별로는 암반층이 충적층에 비해 상관계수가 높은 지역이 1개소, 충적층이 암반층에 비해 상관계수가 높은 지역이 7개소로 나타났다. 암반층만 분석한 곳은 14개소이고, 제주도에 위치한 위미-서귀포 연구 지점의 경우 지질구조상 관측정의 분류가 없었다.
지하수위의 변동과 이동 평균 강우량과의 상관관계 분석에 있어서 양수량 등 강우를 제외하고 지하수위에 영향을 줄 수 있는 인위적인 인자에 관하여 일정하다고 가정하였다. 그 결과 강우이동평균과 지하수위와의 상관관계가 가장 높은 곳은 청원부용-부강 지점으로 90일의 이동평균일수를 가지고, 상관계수는 0.8142를 가진다. 그런데 한계침투량을 고려한 후 강우이동평균과 지하수위간의 상관관계 분석 시 가장 높은 상관관계를 가지는 곳은 양평개군-양평 지점으로 한계침투량은 40 mm이고 이동평균일수는 100일이며 상관계수는 0.
의성안계-의성 지점은 어느 정도의 양수 등 인공적인 지하수 추출이 있는 것으로 추측되지만, 전체적인 지하수위는 자연적인 상승과 하강을 반복하고 있다. 또한, 상관계수도 상당히 높게 나왔고, 지하수위도 매년 증가하는 경향을 보이고 있다.
암반층만 분석한 곳은 14개소이고, 제주도에 위치한 위미-서귀포 연구 지점의 경우 지질구조상 관측정의 분류가 없었다. 상관계수가 높을수록 강우량에 따른 지하수위 상승폭이 비교적 일정하였고, 갈수기시의 지하수위는 양수와 같은 인공적인 요인에 의한 급격한 변화가 거의 없이 안정되어 있었다.
청원부용-부강 지점은 관측기간 동안 지하수위가 상승하고 있으며 강우사상과 지하수위간의 연계성이 매우 높게 나타나며 그에 따라 높은 상관계수 값이 도출되었다. 지하수위와 강우사상의 연계성이 높고 지속적인 지하수위의 상승과 안정된 수위변화에 따라 지하수위의 효율적인 이용이 용이하다 판단된다.
하동양보-산청 지점의 특이점은 지하수위의 갈수기와 성수기의 수위 차는 작으나 강우사상과의 상관계수가 매우 높고 특히 이동평균일수를 고려하였을 때 큰 상관계수를 얻을 수 있었다. 이는 지하수위의 잦은 양수로 판단되는 지하수위의 잦은 상승 하강에 비해 관측 기간 동안 지하수위는 꾸준하게 상승하고 있어 앞으로 지하수 활용에 용이하다 판단된다.
안성신모산-양성 지점은 보통의 다른 연구 지점과는 다르게 지하수위가 강우에 따른 영향으로 급격히 증가한 후, 자연스럽게 하강하는 특성이 보인다. 하지만, 5년간의 관측 기간 중 급격하게 지하수위가 하강하는 현상이 총 8회 나타났으며, 그 회복속도 또한 매우 빨랐다. 특히 2005년에는 하루사이에 5 m 이상의 수위가 하강 및 상승하는 현상이 나타났고, 이는 인위적인 요소로 인한 것으로 판단된다.
꾸준한 관측과 관리가 필요한 지역으로 판단된다. 한계침투량을 고려했을 때의 강우이동평균과 지하수위간의 상관관계가 고려하지 않았을 때 비해 매우 높게 나타났다. 이는 한계침투량인 20 mm 이상의 강우사상이 발생할 경우 지하수위에 유입되지 못하고 직접유출 되는 것을 의미한다.
후속연구
현재까지 제시되었던 타 연구에 비해 자료의 길이도 길어졌으며, 전국적인 지하수위와 강우이동평균간의 상관관계를 분석하였지만 아직 관측 자료에 결측일이 많고 관측 기간이 강우 자료에 비하여 현저히 짧은 현실이다. 그러나 향후 매년 추가되는 자료를 이용하여 관측기간과 관측지점을 늘려 분석한다면 더욱 좋은 연구 결과를 얻을 수 있을 것이다. 이와 더불어 연구 지점 선정에 있어 적정수의 연구지점을 확보하기 위하여 강우 및 지하수위 관측소간의 거리를 최대 10 km로 설정하였는데 이는 각 지형마다 다양한 분포를 가지는 비균질한 지하매질에 따라 한계침투량이 틀려질 수 있고 이는 수문학적 동질성이 거리가 멀어질수록 낮아지기 때문이다.
태백황지-태백 지점은 회귀분석결과 지하수위가 상승하고 있으며 성수기와 갈수기간의 수위 변화 폭도 좁아지고 있다. 또한 강우사상과의 높은 상관계수에 따라 앞으로 수자원으로써의 효율적 활용에 용이하다 판단된다.
향후 연구 과제로는 지질특성 등 강우와 더불어 지하수위에 영향을 미치는 요인들에 대한 고려를 하면서 지역별로 물리적 요인들을 고려한 연구를 시행한다면 더욱 신빙성이 있는 연구 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다. 또한 최근 기후변화의 영향에 따른 올바른 대체수자원 선정 및 활용을 위하여 지하수위 관측과 더불어 지하수위 변동 예측에 관한 연구가 향후 지속적으로 이루어져야 할 것이다.
결론적으로 상관계수가 높게 분석되었다는 것은 강우량에 따른 지하수위 변동특성이 보다 뚜렷하게 나타난다는 것을 의미하고 강우사상이 발생하지 않을 경우 지하수위의 변화폭이 크지 않다는 것을 의미한다. 상관관계 분석에 있어 한계침투량을 고려한 강우이동평균과 지하수위간의 회귀식을 얻을 수 있고 상관계수가 큰 지역에 한해서 이러한 회귀식을 이용하여 강우 예측 시나리오에 의해 생성된 강우자료를 활용한다면, 신뢰성 높은 지하수위의 예측이 가능할 것으로 판단된다.
향후 연구 과제로는 지질특성 등 강우와 더불어 지하수위에 영향을 미치는 요인들에 대한 고려를 하면서 지역별로 물리적 요인들을 고려한 연구를 시행한다면 더욱 신빙성이 있는 연구 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다. 또한 최근 기후변화의 영향에 따른 올바른 대체수자원 선정 및 활용을 위하여 지하수위 관측과 더불어 지하수위 변동 예측에 관한 연구가 향후 지속적으로 이루어져야 할 것이다.
청원가덕-문의 지점은 지하수위의 하강과 상승이 뚜렷한 지역으로, 5~11월은 상승, 12월~4월은 하강곡선을 그린다. 회귀분석 결과 지하수위가 하강하는 것으로 나타났고, 특히 2007년 4월은 4년간 최저수위를 기록하였지만, 동년 11월에 최고점을 보면 전년도 보다 높기 때문에, 앞으로의 수위변화를 지켜봐야 할 것이다. 또한 청원지역은 한계침투량이 연구 지점 중 가장 높게 나타났고, 이는 점토와 모래가 섞인 6.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이동평균은 어떻게 구했는가?
먼저 일강우자료로 10일 간격의 이동평균값(Moving Average, MA)을 계산한다. 이동평균은 지하수위 관측자료를 기준으로 과거 열흘간의 강우자료로 이동평균값을 구한다. 그리고 10일 간격으로 20일간의 이동평균, 30일간의 이동평균 등을 계속 구한다.
강우량에 따른 지하수위의 변동 특성을 파악하기 위해 분석 필요성이 커지는 부분은?
물 부족에 대한 인식이 확산되고 지하수 등의 대체수자원의 체계적인 보전 및 이용에 대한 중요성이 대두되고 있는 상황에서, 지하수위의 급격하고 심각한 하강을 막기 위한 연구는 꾸준히 지속되고 있다. 특히 강우량에 따른 지하수위의 변동 특성을 파악하기 위해 지하수위와 강우량의 상관관계를 분석해야할 필요성이 커지고 있는 실정이다. 이에 가뭄지표를 산정하기 위한 과정에 사용된 관측 자료의 이동평균 개념(Wilhite, 1985; Gutmann, 1999)은 본 연구에서 선행강우에 의한 지하수위의 변동 특성을 파악하기 위해서 쓰이며 집중호우 시의 강우량과 지하수위간의 상관관계를 좀 더 정확히 판단하기 위하여 유역평균 일최대 침투량인 한계침투량 개념을 도입하였다.
칠곡가산-고매 지점의 강우이동평균일수는?
강우에 따른 지하수위 상승은 유기적으로 반응하지만, 홍수위를 유지하지 못하고 급격하게 감소하는 것이 특징이다. 강우이동평균일수는 10일로써 가장 짧고, 한계침투량은 280 mm로 높게 나타난 것으로 볼 때 이 지역은 강우 사상이 발생할 경우 대부분의 강우가 지하수위로 즉시 유입 된다는 것을 알 수 있다.
참고문헌 (13)
국가 수자원관리정보 시스템(http://www.wamis.go.kr)
국가 지하수 정보센터(http://www.gims.go.kr)
기상청(http://www.kma.go.kr)
박재현, 최용선, 김대근, 박창근, 양정석(2005) 일 강우자료를 이용한 지하댐 운영지표의 개발, 한국수자원학회 발표논문집, 한국수자원학회, p. 60.
Guttman, Nathaniel B. (1999) Accepting the standardized precipitation index : a calculation algorithm., Journal of the American Water Resources Association, Vol. 35, No. 2, pp. 311-322.
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