[논문]제주도 지하수위의 변화와 지하수 함양부피

박원배; 김기표; 이준호; 문덕철; 김수정; 고기원; 방성준; 방익찬

doi:10.5322/jes.2011.20.7.857

문제 정의

이와 같은 규모로 물산업을 육성할 경우 지하수의 수요가 급증하게 됨으로써 지하수의 안정적인 공급을 위해 보다 과학적이고 체계적인 관리가 필요할 것이다. 본 연구의 목표는 제주도 지하수의 공급원인 강수량과 지하수위의 관계를 분석하여 제주도 지하수를 효율적로 이용하는 데 필요한 정보를 제공하는 데 있다.
이 논문에서는 지하수를 지속적으로 이용하기 위해 필요한 정보를 얻고자 지하수의 공급원인 강수량과 지하수위의 변화를 분석하였다. 1992년부터 2008년까지 중산간 및 고지대 지역을 포함한 제주도 전역에서 관측된 강수량 자료를 분석한 결과 제주도 전체의 연평균 강수량은 1,973 mm이었다.
이 방법은 지하수위로부터 지하수가 채워진 함양부피를 직접 계산하는 방법으로 강수량에서 증발산량과 직접유출량을 제하여 함양량을 구하는 간접적인 방법에 비해 강점을 가지고 있기는 하지만, 함양부피 중 어느 정도가 지하수로 채워져 있는지를 알려주는 공극률을 현재로서는 정확하게 알 수 없기 때문에 역시 한계가 있다. 이 논문에서는 지하수위의 변화로부터 구한 함양부피와 2003년 제주도 수문지질 및 지하수자원 종합조사 Ⅲ(제주도․한국수자원공사, 2003)에서 산출한 함양량을 근거로 제주도 전역의 평균 공극률을 산정해 보았다. 지하수위 변화로부터 지하수 함양부피를 구하고 지하수로 채워진 공극률을 계산하는 것은 제주도의 지하수 함양량 산정을 다른 시각으로 접근하는 계기가 될 것이라고 생각한다.
이정도의 관측망이면 제주도 전역에 대한 강수와 지하수위의 관계와 강수에 의한 지하수 함양부피를 구할 수 있다. 이 연구에서는 이러한 자료를 수집하여 강수량과 지하수위의 관계를 분석하고 지하수위의 변동으로부터 제주도 전역과 지역별로 지하수 함양부피를 계산하고자 한다.
그러나 지하수위 변동만으로는 함양량을 구할 수는 없다. 이 절에서는 함양부피를 활용하여 함양량을 구할 수 있는 방법을 제시해 보았다. 함양부피로부터 함양량을 구하려면 공극률이 필요하지만 이에 대한 연구가 제대로 이루어지지 않았다.
지역별 함양부피는 강수량에 따른 지하수위의 상승 정도와 가뭄 시 지하수위의 하강 정도에 관계가 있기 때문에 이 연구에서는 강수와 무강수 시 지하수위의 반응을 지역별로 분석해 보았다. 이러한 결과들은 강수량에 따른 지하수위의 변화와 지속적인 가뭄에 의한 지하수위의 변화 등을 예측하게 해 주기 때문에, 지하수 이용 및 개발, 효율적 수자원관리 방안을 도출하는 데 기초자료로 사용될 수 있을 것이다.

제안 방법

강수 후 지하수위가 상승하는 정도를 알아보기 위해 이 논문에서는 지하수위 기준면을 정하였는데 지하수위 기준면은 강수가 없을 때 각 관측정에서 지하수위가 안정적으로 유지되는 최저 지하수위를 연결한 면이다. 지하수위 기준면은 해안에서 중산간 지역으로 갈수록 높아지는데 동쪽 지역에서는 50 m 이하의 기준면이 폭넓게 분포하며 남쪽에서는 폭이 매우 좁다.
강수량에 대한 지하수위의 반응을 알아보기 위해 최고 강수량이 내린 후 지하수위 상승폭, 강수 후 최고수위에 도달하는 데 걸리는 시간과 다시 낮은 수위로 돌아가는데 걸린 시간을 지역별로 구하였다(Table 3).
1%를 적용하는 것에 무리가 없으나 태풍 후의 극단적인 경우에는 지표를 통해 유출되는 빗물의 양이 많기 때문에 함양률은 이보다 작을 것이다. 그러나 현재로서는 태풍과 같이 많은 비가 내렸을때 어느 정도의 빗물이 지표를 통해 유출되는지 연구된 자료가 없기 때문에 무리임에도 불구하고 함양율 46.1%를 적용하여 유효공극률을 산출하였다. 이 문제는 앞으로 연구되어야 할 과제 중의 하나이다.
이와 같이 관측정의 분포가 불균질할 경우에는 단순평균과 내삽평균이 많이 다르며 내삽평균이 실제와 더 가깝게 된다. 따라서 이 논문에서는 제주도 전지역의 평균을 구할 때는 내삽평균을 주로 사용하였다. 내삽할 때 사용한 격자는 제주도를 동서와 남북으로 각각 0.
이자료는 2000년 위성고도계로부터 얻은 자료를 이용하여 평균해면을 수직 기준면으로 정하고 WGS84 경위도 좌표로 나타낸 30초간격의 육상 표고 자료이다. 분석 편의상 제주도를 Fig. 1과 Fig. 2에서와 같이 8개구역으로 나누어 분석하였다.
우선 분석기간 동안의 평균 유효공극률을 구하였는데 2001년과 2002년에는 관측정의 수가 많지 않고 지하수위가 낮은 해안가에 분포하여 지하수위가 많이 낮았기 때문에 두 해를 빼고 평균 유효공극률을 구하였다. 2003년 1월 1일부터 2009년 7월 31일 동안의 평균 함양부피와 평균 강수량으로부터 평균 유효공극률은 다음과 같이 구할 수 있다.
이 장에서는 강수량이 최대인 시점인 2007년 9월 전후로 하여 강수량과 지하수위의 변화와의 상관관계를 구해 보았다. 기간은 태풍 “나리”가 오기 90일 전부터 태풍이 지나간 후 260일까지 총 340일(2007년 6월15일 부터 2008년 5월 31일까지) 동안이다.
한 등(1994)은 공극률과 비슷한 개념인 저유계수(specific yield)를 도입하여 산정하였는데, 제주도의 평균 저유계수를 12%로 보고하였다. 이 절에서는 제주도 수문지질 및 지하수자원 종합조사(2003)에서 추산한 함양률 46.1%를 적용하여 강수량으로부터 지하수 함양량을 구하고 그 함양량과 앞에서 구한 함양부피로부터 제주도 전체의 평균 유효공극률을 추정하여 보았다. 유효공극률은 지하수가 유입되어 채워진 공극률로서 지질의 특성이라기보다는 지하수 흐름의 특성으로서 시간에 따라 변화하는 값이며 이 논문에서는 태풍 후의 극단적인 경우와 분석기간 동안 평균의 경우로부터 평균 유효공극률의 범위를 제시하였다(참고로, 평균에는 제주도 전체의 공간 평균과 분석 기간 전체의 시간 평균이 있데 평균 유효공극률의 평균은 제주도 전체의 공간 평균이다.
그러므로 지하수로 채워진 제주도의 평균 유효공극률은 비가 온 직후에는 약 5%이다가 시간이 지나며 점점 높아져 약 17%까지 높아지는 것으로 판단할 수 있다. 이러한 계산에는 많은 오차들이 포함되어 있으나 제주도의 평균 유효공극률의 범위를 제공함으로써 지하수위 변동으로부터 현재의 지하수 함양량을 대략적으로 추정할 수 있는 방법을 제공한다.
제주도 전역의 평균 강수량이나 평균 지하수 함양부피(3.4절 참조) 등을 산정할 때에는 단순평균과 관측자료들을 제주도 전역에 걸쳐 내삽한 후에 평균한 내삽평균으로 구하였다. 예를 들어 년강수량의 평균을 구할 때 각 강수량 관측소의 년강수량 자료를 제주도 전역에 걸쳐 내삽한 것이 Fig.
강수에 의한 지하수의 함양부피를 지하수면으로부터 구하기 위해서는 지하수위 기준면이 필요하다. 지하수위 기준면은 강수에 의해 상승한 지하수면이 무강수 시 가장 낮게 하강하는 지하수면으로서 이 논문에서는 관정별로 강수에 의해 지하수위가 높아진 후 다시 되돌아오는 안정적인 기준수위를 정한 후에 이 수위들을 연결하여 지하수위 기준면을 구하였다. 함양부피는 이 기준면과 강수 시 상승한 지하수면 사이의 부피로 계산할 수 있으며 관측정에서 지하수위가 관측되면 제주도 전역 또는 지역별 지하수 함양부피를 계산할 수 있다.
제주도 전역에 걸친 지하수위 평균 상승폭도 역시 두 가지 방법으로 산정하였다. 하나는 각 관측정에서 지하수위 기준면으로부터 상승한 지하수위 상승폭을 각각 산정한 후 전 관측정에 대해 단순 평균한 것과, 이와 같이 구한 각 관측정의 상승폭을 제주도 전역에 걸쳐 내삽한 후 제주도 전역에 걸쳐 평균하여 산정한 것이다. 이와 같은 두 가지 방법으로 구한 함양부피는 차이가 많았다.

대상 데이터

The monitoring stations for precipitation are 1 Gwaneumsa, 2 Sinjeju, 3 Odeungdong, 4 Jeju, 5 Jejusi, 6 Gujwa, 7 Daeheul, 8 Bonggae, 9 Jocheon, 10 Gyorae, 11 Sungsan, 12 Sungsangosung, 13 Sungup-1, 14 Sungup-2, 15 Sungpanak, 16 Songdang, 17 Susan-1, 18 Sinpyeong, 19 Tosan-1, 20 Pyosun, 21 Namweon, 22 Donnaeko, 23 Sumang, 24 Harye, 25 Hyodon, 26 Daecheon, 27 Beophwan, 28 Seogwuipo, 29 Gueok, 30 Daejung, 31 Sangcheon, 32 Saekdal, 33 Hwasun, 34 Gosan, 35 Gosan-2, 36 Geumak, 37 Donggwang, 38 Sindo, 39 Sinchang, 40 Eoeum, 41 Jeoji, 42 Cheonbakgoji, 43 Cheongsu, 44 Hanlim, 45 Nohyong, 46 Aewol, 47 Eoseungsang, 48 Hangpaduri.
강수량 관측소 및 지하수위 관측정의 고도를 파악하기 위해서 미국 NGA의 DTED(2004) Level 1 자료를 이용하였다.
강수량 관측은 기상청관할 4개 기상관측소와 최근 설치된 중산간 지역의 AWS, 제주특별자치도 소방방재본부에서 운영하는 관측들이 있으며 강수량이 관측된 총 69개 지점 중 1992-2009년 동안 꾸준히 관측된 48개 지점의 강수량 자료만 선택하여 사용하였고(Fig. 1), 지하수위가 관측된 총 126개 관측정 중 기준면(3.2절 참조)을 산정할 때는 102개소자료를 사용하였고 다른 분석에는 관측기간이 짧거나 지하수위의 변동이 이해하기 힘든 관측정을 제외한 84개를 선택하여 사용하였다(Fig. 2).
연구에 사용된 강수량 자료는 1992년부터 2009년7월까지의 자료이며 지하수위 자료는 자동관측 시스템이 구축된 2001년 1월 1일부터 2009년 7월 31일까지의 자료이다. 강수량 관측은 기상청관할 4개 기상관측소와 최근 설치된 중산간 지역의 AWS, 제주특별자치도 소방방재본부에서 운영하는 관측들이 있으며 강수량이 관측된 총 69개 지점 중 1992-2009년 동안 꾸준히 관측된 48개 지점의 강수량 자료만 선택하여 사용하였고(Fig.
강수량 관측소 및 지하수위 관측정의 고도를 파악하기 위해서 미국 NGA의 DTED(2004) Level 1 자료를 이용하였다. 이자료는 2000년 위성고도계로부터 얻은 자료를 이용하여 평균해면을 수직 기준면으로 정하고 WGS84 경위도 좌표로 나타낸 30초간격의 육상 표고 자료이다. 분석 편의상 제주도를 Fig.

성능/효과

이들 값들은 임의의 값으로서 절대적인 값에는 의미가 없으며 상대적인 의미를 갖는다. 계산 결과 강수에 대한 지하수위의 상승 반응이나 지하수위의 하강 변화 모두 서쪽 지역이 동쪽 지역에 비해 크다.
4는 1992년 1월 1일부터 2009년 7월 31일까지48개 강수량 관측소의 일강수량을 평균하여 얻은 평균 일강수량(A), 48개 관측소의 강수량을 제주도 전체에 걸쳐 공간적으로 내삽한 후에 평균하여 얻은 평균 일강수량(B), (B)에서 (A)를 뺀 값(C), 그리고 년강수량(D)을 나타낸 것이다. 단순 평균과 내삽 평균으로산정된 두 일평균 강수량의 차이는 평균 약 10 mm로서, 내삽하여 구한 강수량이 더 많게 산정되었다(Fig. 4(C)).
기간은 태풍 “나리”가 오기 90일 전부터 태풍이 지나간 후 260일까지 총 340일(2007년 6월15일 부터 2008년 5월 31일까지) 동안이다. 우선, 제주도 전역에서 강수량과 지하수위의 평균 상관관계는 0.47로 계산되었다. 지하수위의 변화에 가장 큰 영향을 미치는 것이 강수량이기 때문에 상관관계가 클 것으로 예상되었으나 기대만큼 크지는 않았다.
그러므로 여기서 말하는 유효공극률은 지질의 공극률이 자체가 아니라 지하수로 채워진 공극률을 말하는 것이다. 이상의 결과를 보면 제주도의평균 유효공극률은 비가 온 직후에는 약 5%이다가 시간이 지나며 점점 높아져 약 17%까지 높아지는 것으로 판단할 수 있다. 이와 같이 구한 제주도 평균 유효공극률에는 많은 오차들이 포함되어 있으나 평균 유효공극률의 범위를 제공함으로써 지하수위의 변동으로부터 지하수 함양량을 대략적으로 추정할 수 있는 방법을 제공해 주는 것으로 의의를 찾을 수 있다.
이상의 결과를 종합해 보면 강수에 의한 지하수위 상승은 동쪽 지역이 작으며 빠르고 서쪽 지역이 높고 느린데 비해 비가 오지 않을 경우 지하수위의 하강 반응은 반대로 동쪽 지역이 느리고 서쪽 지역이 빠르게 나타났다. 이것은 동쪽 지역의 투수성이 좋아 강수에의한 지하수 함양 속도는 빠르나 지하수위가 낮게 형성되기 때문에 하강속도는 느리게 반응하는 것으로 해석할 수 있다(이 등(2006)).
강수량이 많을 때의 관계가 중요하기 때문이다. 지하수위의 변화가 강수에 반응하는 정도를 지역별로 분석한 결과 강수에 의한 지하수위 상승은 동쪽 지역이 작으며 빠르고 서쪽 지역이 높고 느린데 비해 비가 오지 않을 경우 지하수위의 하강 반응은 반대로 동쪽 지역이 느리고 서쪽 지역이 빠르게 나타났다. 이것은 동쪽 지역의 투수성이 좋아 강수에 의한 지하수 함양 속도는 빠르나 지하수위가 낮게 형성되기 때문에 하강속도는 느리게 반응하는 것으로 판단된다.

후속연구

이러한 값들은 강수기의 지하수위의 변동과 무강우 기간에 따른 지하수위의 변동을 추정하는 데 사용될 수 있으며 특히 가뭄의 장기화 또는 지하수의 과다한 사용으로 인한 급격한 수위 강하 등의 문제가 발생할 경우 사용량을 관리할 수 있는 지하수위를 파악하는 데에도 사용할 수 있을 것이다. 관리가 필요한 지하수위는 앞으로 더 연구되어야 할 과제지만 우선은 제주도의 지하수위 기준면을 활용 수 있을 것으로 생각한다.
이렇게 구한 함양부피로부터 바로 함양량을 구할 수는 없지만 함양부피를 비교함으로서 상대적인 함양량을 추정할 수 있으며 지역별 지하수 분포 상태를 판단할 수 있다. 또한 지하수위 기준면은 함양부피를 구하는 데뿐만 아니라 장기간 가뭄 시 지하수 사용량 관리에도 필요한 기준이 될 수 있을 것이다.
이러한 값들은 강수기의 지하수위의 변동과 무강우 기간에 따른 지하수위의 변동을 추정하는 데 사용될 수 있으며 특히 가뭄의 장기화 또는 지하수의 과다한 사용으로 인한 급격한 수위 강하 등의 문제가 발생할 경우 사용량을 관리할 수 있는 지하수위를 파악하는 데에도 사용할 수 있을 것이다.
지역별 함양부피는 강수량에 따른 지하수위의 상승 정도와 가뭄 시 지하수위의 하강 정도에 관계가 있기 때문에 이 연구에서는 강수와 무강수 시 지하수위의 반응을 지역별로 분석해 보았다. 이러한 결과들은 강수량에 따른 지하수위의 변화와 지속적인 가뭄에 의한 지하수위의 변화 등을 예측하게 해 주기 때문에, 지하수 이용 및 개발, 효율적 수자원관리 방안을 도출하는 데 기초자료로 사용될 수 있을 것이다.
특히 한라산이 있는 고지대 지역에는 관측정이 없어 한라산 주변의 기준수위로 내삽되었기 때문에 지하수위 기준면이 한라산 서쪽에 비해 낮게 구해졌으며 오차를 수반할 수도 있을 것으로 판단된다. 이러한 문제에도 불구하고 Fig. 7은 제주도 지하수의 기준수위 분포를 개략적으로 가름하게 해 주며, 향후 중산간 지역과 고지대의 자료가 축적 되는대로 보완해야 할 것이다.
제주도는 제주워터를 글로벌 브랜드로 육성하여 2017년에는 연 1조원 매출 달성을 목표로 하고 있으며 장차 물산업이 제주도 경제에서 감귤산업을 능가하는 산업으로 기대하고 있다. 이와 같은 규모로 물산업을 육성할 경우 지하수의 수요가 급증하게 됨으로써 지하수의 안정적인 공급을 위해 보다 과학적이고 체계적인 관리가 필요할 것이다. 본 연구의 목표는 제주도 지하수의 공급원인 강수량과 지하수위의 관계를 분석하여 제주도 지하수를 효율적로 이용하는 데 필요한 정보를 제공하는 데 있다.
지금까지 제주도내 지하수의 함양량은 강수량으로부터 계산된 수자원 총량에서 증발산량과 하천 유출량 등을 뺀 값으로 계산되고 있다. 하지만 그동안 지하수위의 관측정이 도 전역에 설치되어 관측이 이루어지고 있기 때문에 이 연구에서와 같이 지하수위 변동을 이용한 방법을 차용하여 비교 검토하는 것도 좋을 것으로 제안한다. 이 방법에도 절대적인 함양량 계산에는 불확실성에 따른 오차가 있지만, 상대적인 함양량에 대한 정보를 제공해 주며 앞으로 정확한 공극률의 산정과 지하수위 관측으로부터 지하수위로부터 직접 함양량을 구할 수 있는 가능성을 제시한 것에 의의를 찾을 수 있다.
이 절에서는 함양부피를 활용하여 함양량을 구할 수 있는 방법을 제시해 보았다. 함양부피로부터 함양량을 구하려면 공극률이 필요하지만 이에 대한 연구가 제대로 이루어지지 않았다. 한 등(1994)은 공극률과 비슷한 개념인 저유계수(specific yield)를 도입하여 산정하였는데, 제주도의 평균 저유계수를 12%로 보고하였다.

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