지표수지하수 통합모형을 이용한 무심천 유역의 지하수 개발가능량 산정 Estimating Exploitable Groundwater Amount in Musimcheon Watershed by Using an Integrated Surface Water-Groundwater Model원문보기
우리나라의 지하수관리는 연간 지하수 함양량을 기반으로 수행되어 왔으나 지히수 함양량과 지표수-지하수 상호작용은 시공간적으로 변동하는 양이므로 지속적인 모니터링과 동적인 분석을 통해 지하수자원의 지속가능성이 평가되어야 할 것이다. 본 연구에서는 무심천 유역을 대상으로 지표수-지하수 통합해석 모형인 SWAT-MODFLOW를 이용하여 다양한 지하수 양수 시나리오(무양수 및 현 이용량의 1~3배)에 대한 수문성분 해석을 수행하였다. 현 이용량으로 양수하는 경우가 비교적 지속가능한 개발량으로 판단되었는데 이때 연간 기저유출량은 16%, 대수층 저류량은 27 mm 감소하는 것으로 나타났다. 지하수의 지속가능성을 평가하기 위해서는 지하수 이용에 따른 수문학적, 생태학적, 사회 경제적, 기술적 영향을 평가하는 총체적 접근법이 도입되어야 하며 이를 위해서는 물리적인 분석과 함께 지역사회의 합의 또한 중요한 의사결정 방식이라고 판단되었다.
우리나라의 지하수관리는 연간 지하수 함양량을 기반으로 수행되어 왔으나 지히수 함양량과 지표수-지하수 상호작용은 시공간적으로 변동하는 양이므로 지속적인 모니터링과 동적인 분석을 통해 지하수자원의 지속가능성이 평가되어야 할 것이다. 본 연구에서는 무심천 유역을 대상으로 지표수-지하수 통합해석 모형인 SWAT-MODFLOW를 이용하여 다양한 지하수 양수 시나리오(무양수 및 현 이용량의 1~3배)에 대한 수문성분 해석을 수행하였다. 현 이용량으로 양수하는 경우가 비교적 지속가능한 개발량으로 판단되었는데 이때 연간 기저유출량은 16%, 대수층 저류량은 27 mm 감소하는 것으로 나타났다. 지하수의 지속가능성을 평가하기 위해서는 지하수 이용에 따른 수문학적, 생태학적, 사회 경제적, 기술적 영향을 평가하는 총체적 접근법이 도입되어야 하며 이를 위해서는 물리적인 분석과 함께 지역사회의 합의 또한 중요한 의사결정 방식이라고 판단되었다.
In Korea, groundwater management has been conducted based on the estimation of annual average of groundwater recharge. Since groundwater recharge and surface water-groundwater interactions show spatiotemporal variation, continuous monitoring and dynamic analysis must be carried out to evaluate the s...
In Korea, groundwater management has been conducted based on the estimation of annual average of groundwater recharge. Since groundwater recharge and surface water-groundwater interactions show spatiotemporal variation, continuous monitoring and dynamic analysis must be carried out to evaluate the sustainability of groundwater resources. In this study, SWAT-MODFLOW, an integrated surface water-groundwater model was used to analyze surface-groundwater interactions for various groundwater pumping scenarios in Musimcheon watershed. When current usage is applied, the baseflow reduction is about 16%, and annual averaged storage reduction is about 27 mm for whole watershed. As a holistic approach to groundwater sustainability considers the hydrological, ecological, socioeconomic, technological aspects of groundwater utilization, the exploitable groundwater should be determined by physical analysis as well as social compromise in a community.
In Korea, groundwater management has been conducted based on the estimation of annual average of groundwater recharge. Since groundwater recharge and surface water-groundwater interactions show spatiotemporal variation, continuous monitoring and dynamic analysis must be carried out to evaluate the sustainability of groundwater resources. In this study, SWAT-MODFLOW, an integrated surface water-groundwater model was used to analyze surface-groundwater interactions for various groundwater pumping scenarios in Musimcheon watershed. When current usage is applied, the baseflow reduction is about 16%, and annual averaged storage reduction is about 27 mm for whole watershed. As a holistic approach to groundwater sustainability considers the hydrological, ecological, socioeconomic, technological aspects of groundwater utilization, the exploitable groundwater should be determined by physical analysis as well as social compromise in a community.
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문제 정의
또한 대수층에서 지하수 양수량을 고려한 물수지 변화해석이 가능하도록 모형이 구성되었다(KICT 2007). 본 연구에서는 한국형 장기유출해석 모형인 SWAT-MODFLOW 모형을 이용한 방법을 이용한 최적개발가능량 산정 기법을 검토하였다.
이는 양수로 인해서 지하수위가 감소하여 하천으로 배출되는 지하수량이 감소한 데서 기인한다. 실제로 지하수 양수량의 일부는 다시 하천으로 회귀되어 하천수량 증가에 기여하나 본 분석에서는 보수적인 결과를 도출하기 위해서 하천으로의 회귀수 영향은 고려하지 않았다. 하천유출 총량 측면에서는 회귀수로 인해 다소 증가할 수 있으나 지하수 유줄 즉, 하천유줄중 기저유출 성분은 회귀수 유무와 상관없이 양수로 인해 줄어든다.
또한 더욱이 시 · 군 · 구 지역지하수 관리계획은 국가 지하수 관리 기본계획의 결과를 토대로 수립되나 이 경우 최소 단위 소유역의 대표값에 해당하는 시· 군 · 구의 특성과는 상이하여 계획값을 적용하기에는 많은 어려움이 있다(Chung and Kim, 2011). 유역단위를 기반으로 시공간적으로 분포된 지하수 양수의 영향과 지표수 유줄량을 동시에 고려한 지하수 개발 가능량의 산정기법을 도출하여 합리적인 지하수 개발가능량을 일관성 있고 타당성 있게 산출함으로써 각종 지하수 기초조사와 기본계획에 활용토록 하는 것이 본 연구의 목적이다. 이를 위해 분포형 지표수-지하수 통합모의 모형을 이용하여 분포형 함양량을 산정하는 동시에 기존의 양수량 자료를 이용한 대수층의 양수량 분포를 고려함으로써 실질적이며 지속가능한 유역별 개발가능량산정 기법을 제시하고자 한다(Chung et al.
가설 설정
-100 m까지로 정하였으며, 지반 고로부터 각 층의 두께를 감하여 각층의 저면 고도를 생성하여 모형의 입력자료로 활용하였다. 굴착 깊이까지의 충적층 및 암반층의 바닥고는 지층 구성별 심도로부터 산정할 수 있으나, 굴착심도 이상의 암반의 분포 심도는 명확하지 않은 상황이므로 그 두께 및 각종 수리지질 인자들의 값은 가정에 의존하였으며 모델을 수행하는 과정에서 이들을 보정의 인자로 사용하였다. 모델링을 위한 대수층의 수리전도도로서 제 1층의 수리전도도는 국가지하수관측망 2개소에서 제시한 값과 양수시험을 통하여 얻은 10개소의 측정값을 이용하여 크리깅을 통해 수리전도도 분포도를 작성하여 모델의 입력자료로 이용하였고, 제 2층의 수리전도도는 국가지 하수관측망 2개소, 양수시험공 20개소 측정값을 역시크리깅을 통해 격자별 수리전도도 값을 보간 생성하였다.
2 m/day 이다. 또한, 수리전도도 입력시 이방성에 관한 자료는 전무하므로 수평방향으로 수리전도도는 등방성인 것으로 가정하였다. 수직 수리전도도는 전 구간에 대해 수평 수리전도도의 1/10에 해당하는 것으로 가정하여 적용호}였다(MOCT and KICTTER 2007).
또한, 수리전도도 입력시 이방성에 관한 자료는 전무하므로 수평방향으로 수리전도도는 등방성인 것으로 가정하였다. 수직 수리전도도는 전 구간에 대해 수평 수리전도도의 1/10에 해당하는 것으로 가정하여 적용호}였다(MOCT and KICTTER 2007).
제안 방법
대상지역의 수리지질은 1개의 충적층 및 2개의 투수성 암반 층으로 단순화하였으며, 충적층의 경우에는 자유면 대수층으로 암반층은 피압/자유면대수층 변환층으로 모델링을 실시하였다. 충적층 및 암반층의 공간적인 분포는 해당 유역내 포함되는 국가지하수 관측공, 지자체 지하수 관측공, 해당 지역 내 시추 및 착정 조사자료 등을 이용하여 각층의 바닥고를 크리깅 기법을 이용하여 공간적으로 분포시켰다.
굴착 깊이까지의 충적층 및 암반층의 바닥고는 지층 구성별 심도로부터 산정할 수 있으나, 굴착심도 이상의 암반의 분포 심도는 명확하지 않은 상황이므로 그 두께 및 각종 수리지질 인자들의 값은 가정에 의존하였으며 모델을 수행하는 과정에서 이들을 보정의 인자로 사용하였다. 모델링을 위한 대수층의 수리전도도로서 제 1층의 수리전도도는 국가지하수관측망 2개소에서 제시한 값과 양수시험을 통하여 얻은 10개소의 측정값을 이용하여 크리깅을 통해 수리전도도 분포도를 작성하여 모델의 입력자료로 이용하였고, 제 2층의 수리전도도는 국가지 하수관측망 2개소, 양수시험공 20개소 측정값을 역시크리깅을 통해 격자별 수리전도도 값을 보간 생성하였다. 제 3층의 경우 수리전도도에 관한 자료가 없으므로 심도가 깊은 것을 고려하여 제 2층의 평균 수리전도도와 같거나 그 이하의 값을 부여하였다.
모의 결과의 타당성을 검증하기 위해서 Fig. 8과 같이 청주수위관측소에서의 관측유량과 일단위 모의 유량을 비교하였다. 모의유량은 실측유량의 경향을 잘 반영하고 있으며, 특히 갈수기 기저유량 시계열을 잘 모사하고 있는 것으로 나타났다.
무심천 유역에 대하여 양수 시나리오별 지하 수계의 저류량의 변화와 하천유출량 변화를 모의하였다. 양수시나리오는 양수를 하지 않은 경우, 현재 유역내에 설치되어 사용 중인 우물의 현 이용량(Q0)을 양수하는 경우, 그리고 현 이용량의 2배(2Q0) 및 3배(3Q0)를 양수하는 경우로 총 4가지 경우를 설정하여 모의를 수행하였다.
양수시나리오는 양수를 하지 않은 경우, 현재 유역내에 설치되어 사용 중인 우물의 현 이용량(Q0)을 양수하는 경우, 그리고 현 이용량의 2배(2Q0) 및 3배(3Q0)를 양수하는 경우로 총 4가지 경우를 설정하여 모의를 수행하였다.
공간분포된 함양량을 구하고 연 추정량을 구한다. 양수정의 실제 배치를 통해 현재 이용량을 양수하고 이때 유역 전체의 저류량 변화를 계산한다. 계산된 함양량보다 개발가능량이 크면 양수량을 줄여서 재계산을 수행한다.
하천경계는 지하수 유출입이 일어나는 무심천 본류와 제 1지류를 하천셀로 지정하였다. 이 하천셀에서 시간종속수두 경계조건을 부여하여 SWAT으로부터 일단위로 모의된 하천 수위와 M0DFL0W에서 계산된 지하수위의 수위 차에 따라지 하수 유출입량이 결정되도록 하였다. 또한 무심천 유역의 실제 존재하는 우물을 셀별로 군집화하여 Fig.
7 과 같이 총 2,176개 관정의 양수를 고려하였다. 이때 각 양수정은 충적관정과 암반관정으로 분류하여 각 layer별로 배치하였다.
유역단위를 기반으로 시공간적으로 분포된 지하수 양수의 영향과 지표수 유줄량을 동시에 고려한 지하수 개발 가능량의 산정기법을 도출하여 합리적인 지하수 개발가능량을 일관성 있고 타당성 있게 산출함으로써 각종 지하수 기초조사와 기본계획에 활용토록 하는 것이 본 연구의 목적이다. 이를 위해 분포형 지표수-지하수 통합모의 모형을 이용하여 분포형 함양량을 산정하는 동시에 기존의 양수량 자료를 이용한 대수층의 양수량 분포를 고려함으로써 실질적이며 지속가능한 유역별 개발가능량산정 기법을 제시하고자 한다(Chung et al.2010a).
하천·대수층의 상호작용을 포함한 포괄적인 지표수지하수 모델링 연구는 Ramireddygari et al(2000)에 의해 수행되었는데, 이들은 캔사스 중서부 유역인 Wet Vfelnut 샛강 유역을 대상유역으로 유역내 구조물 설치와 관개용수 사용이 하천유출과 지하수위 변동에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 지표수 유출모형 POTYLDR와 지하수 모형 MODFLOW를 결합시켜 분석하였으며, Wet Vfelnut 샛강 유역의 연속 유출모의와 지하수 모의를 수행하였다. Sophocleous et al(1999)은 분포된 수리지질 매개변수를 가진 대수층과 변화하는 양수량을 모의할 수 있는 통합 지표수·지하수 모형인 SWATMOD 를 개발하였다.
그림에서와 같이 대상 유역이 확정되면 토양도, 토지이용도와 수문자료, 수문지질자료 등을 확보하여 모델링의 기본 셋업을 구성한다. 이어 지표 수지 하수통합해석을 이용한 지표수 유출량과 지하수위의 검 보정을 수행한다. 공간분포된 함양량을 구하고 연 추정량을 구한다.
지하수 함양이 모사영역 내에서 수직 방향의 모든 최상위 활성 셀에 함양이 일어나도록 함양플럭스 경계조건을 부여하였다. 함양량 값은 SWAT으로부터 일 단위로 모의 되어 M0DFL0W의 지하수 활성셀에 자동으로 입력되게 하였다.
대상지역의 수리지질은 1개의 충적층 및 2개의 투수성 암반 층으로 단순화하였으며, 충적층의 경우에는 자유면 대수층으로 암반층은 피압/자유면대수층 변환층으로 모델링을 실시하였다. 충적층 및 암반층의 공간적인 분포는 해당 유역내 포함되는 국가지하수 관측공, 지자체 지하수 관측공, 해당 지역 내 시추 및 착정 조사자료 등을 이용하여 각층의 바닥고를 크리깅 기법을 이용하여 공간적으로 분포시켰다. 크리깅 결과를 토대로 상위대수층(제1층)의 두께는 5 m~18 m로, 하위대수층(제2층)의 두께는 48 m~145 m로, 최하위대수층(3 층)은 2층 하부부터 E1.
대상 데이터
이 하천셀에서 시간종속수두 경계조건을 부여하여 SWAT으로부터 일단위로 모의된 하천 수위와 M0DFL0W에서 계산된 지하수위의 수위 차에 따라지 하수 유출입량이 결정되도록 하였다. 또한 무심천 유역의 실제 존재하는 우물을 셀별로 군집화하여 Fig. 7 과 같이 총 2,176개 관정의 양수를 고려하였다. 이때 각 양수정은 충적관정과 암반관정으로 분류하여 각 layer별로 배치하였다.
모형의 입력자료인 강수량, 기온, 풍속, 일사량, 상대습도 등의 기상자료는 무심천 유역 내에 위치한 청주기상대의 자료를 이용하였고, 수문자료로서 하천유출량 자료는 청주수위표의 자료를 이용하였다. 토지이용도과 토양통 자료를 활용하여 HRU분포도를 작성하며 이에 대한 세부 내용은 기발표된 연구(Kim et al.
지하수 유동해석을 위하여 격자크기를 100 m로 하여 223행, 214열, 3층의 모델 격자를 구성하였다. 대상지역의 수리지질은 1개의 충적층 및 2개의 투수성 암반 층으로 단순화하였으며, 충적층의 경우에는 자유면 대수층으로 암반층은 피압/자유면대수층 변환층으로 모델링을 실시하였다.
충적층 및 암반층의 공간적인 분포는 해당 유역내 포함되는 국가지하수 관측공, 지자체 지하수 관측공, 해당 지역 내 시추 및 착정 조사자료 등을 이용하여 각층의 바닥고를 크리깅 기법을 이용하여 공간적으로 분포시켰다. 크리깅 결과를 토대로 상위대수층(제1층)의 두께는 5 m~18 m로, 하위대수층(제2층)의 두께는 48 m~145 m로, 최하위대수층(3 층)은 2층 하부부터 E1.-100 m까지로 정하였으며, 지반 고로부터 각 층의 두께를 감하여 각층의 저면 고도를 생성하여 모형의 입력자료로 활용하였다. 굴착 깊이까지의 충적층 및 암반층의 바닥고는 지층 구성별 심도로부터 산정할 수 있으나, 굴착심도 이상의 암반의 분포 심도는 명확하지 않은 상황이므로 그 두께 및 각종 수리지질 인자들의 값은 가정에 의존하였으며 모델을 수행하는 과정에서 이들을 보정의 인자로 사용하였다.
이론/모형
대수층 저류량의 장기적인 변화를 고려한 적정 개발가능량 산정 기법을 Kim et al. (2008)에 의해 통합 수문모델링을 수행한 바 있는 무심천 유역에 적용하였다. 무심천 유역은 Fig.
토지이용도과 토양통 자료를 활용하여 HRU분포도를 작성하며 이에 대한 세부 내용은 기발표된 연구(Kim et al., 2008)를 참고할 수 있다.
성능/효과
11은 무심천 유역의 지하수 이용량에 해당하는 값인 % (약 100 mm)를 양수하였을 경우 연평균(1999- 2008) 모의 결과를 나타낸 것이다. 10년 동안 대수층 저류 변화량은 평균 약 27 mm로서 무양수에 비해 약간의 저류량이 감소하였으나 그 변화는 매우 미미한 것으로 나타났다. 지하수 유출량은 10년 평균 351 min 로서 무양수일 때 420 mm 보다 69 mm만큼(약.
그러나 자연적인 혹은 평형조건하에서 대수층으로의 함양은 장기적인 관점에서는 하천, 샘 혹은 습지로 방출되는 수량과 같다. 결과적으로 양수량이 함양량과 같다고 하면, 하천, 습지 그리고 샘은 언젠가는 마르게 되며, 과잉양수가 진행되면 대수층마저 고갈된다는 것을 의미한다.
또한 기 수행된 모델링에서 관측지하수위와 모의지하 수위의 분포도를 비교한 결과는 Fig. 9에 나타난 것처럼 전반적인 지하수위의 고저분포의 경향이 유사하게 나타나고 있으며, 결정계수는 약 0.95로 높게 나타나 모의치가 실제 지하수위의 분포양상을 양호하게 구현하고 있음을 알 수 있다. 내덕 국가지하수 관측소와의 계산지하수위 비교 역시 양호하게 일치하는 것으로 나타났다(MOCT and KICTTER 2007).
8과 같이 청주수위관측소에서의 관측유량과 일단위 모의 유량을 비교하였다. 모의유량은 실측유량의 경향을 잘 반영하고 있으며, 특히 갈수기 기저유량 시계열을 잘 모사하고 있는 것으로 나타났다. 실측치와 모의치간의 결정계수가 약 0.
앞선 현 이용량 양수 모의와는 달리 연 평균 약 65 mm의 저류량이 지속적으로 감소하여 함양과 배출의 균형이 깨지고 있다. 즉, 현 이용량의 2배 양수인 경우 양수를 하지 않았을 경우에 비해 기저유출 감소율은 약 32%인 것으로 나타났다.
연 평균 약 106 mm의 저류량이 지속적으로감소하여 함양과 배출의 균형이 깨지고 있다. 현 이용량의 3배를 양수하였을 경우 양수를 하지 않았을 경우에 비해 기저유출량이 약 48% 감소하는 것으로 나타났다.
후속연구
포함한 동적인 과정으로 평가되어야 한다. 다시 말해서, 지표수와 지하수의 물순환을 유역단위에서 파악할 수 있는 해석기술을 통해 지*지표하수 수의 다각적인 연계운영 시나리오가 제시돼야 할 것이다.
하지만 이러한 기준을 적용하면 실제 공간적으로 매우 상이하게 분포하는 지하수 양수량의 지역별 현황이나 개발가능량의 월별, 계절적인 변화는 고려할 수 없다는 한계를 가진다. 따라서 대단위 지하수 양수 분포에 따른 지하수위의 변동과 하천유량의 변화를 동시에 고려하는 방법(Fig. 3)이 도입되어야 할 것이다. Fig.
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