낙동강 하류지역 주변 충적층 지역내 설치 운영중인 27개의 지하수 관측정의 시계열 자료를 활용하여 지표수와 지하수의 연계 특성 평가를 위한 통계적 분석을 수행하였다. 지하수위의 변화는 하천수위의 변화와 교차상관계수가 0.601로서 연관성이 높은 것으로 분석되었으며, 이는 강우와의 교차상관계수 0.125보다 매우 높다. 지하수위 시계열 자료에 대한 주성분 분석 결과, 연구지역내 지하수위는 2개의 그룹으로 분류된다. 이중에서 그룹 A에 속하는 하천에 인접한 관측정에서의 수위 변화는 하천수와 유사한 변동을 보이며 호우시의 지하수위 상승량도 상대적으로 크게 나타났다. 홍수 발생에 대한 지하수 기여에 대한 추가적 이해를 위해서는 지하수위 변동 특성을 기반으로 지구화학 분석 및 온도 계측 등이 추가적으로 수행될 필요가 있다.
낙동강 하류지역 주변 충적층 지역내 설치 운영중인 27개의 지하수 관측정의 시계열 자료를 활용하여 지표수와 지하수의 연계 특성 평가를 위한 통계적 분석을 수행하였다. 지하수위의 변화는 하천수위의 변화와 교차상관계수가 0.601로서 연관성이 높은 것으로 분석되었으며, 이는 강우와의 교차상관계수 0.125보다 매우 높다. 지하수위 시계열 자료에 대한 주성분 분석 결과, 연구지역내 지하수위는 2개의 그룹으로 분류된다. 이중에서 그룹 A에 속하는 하천에 인접한 관측정에서의 수위 변화는 하천수와 유사한 변동을 보이며 호우시의 지하수위 상승량도 상대적으로 크게 나타났다. 홍수 발생에 대한 지하수 기여에 대한 추가적 이해를 위해서는 지하수위 변동 특성을 기반으로 지구화학 분석 및 온도 계측 등이 추가적으로 수행될 필요가 있다.
A statistical analysis of time series of water level at 27 groundwater monitoring wells was conducted to analyze the surface water-groundwater connectivity in the wide alluvial plains surrounding the Nakdong River, Korea. Change in groundwater level is strongly related to river water level, yielding...
A statistical analysis of time series of water level at 27 groundwater monitoring wells was conducted to analyze the surface water-groundwater connectivity in the wide alluvial plains surrounding the Nakdong River, Korea. Change in groundwater level is strongly related to river water level, yielding an average cross-correlation coefficient of 0.601, which is much higher than that between rainfall and groundwater level (0.125). Principal component analysis of groundwater level indicates that wells in the study area can be classified into two groups: wells in Group A are located close to a river, have water levels closely related to river level, and generally show a large increase in groundwater level during heavy rainfall. On the other hand, wells in Group B located far from a river are relatively less related to river level. Including hydrologic and statistical analyses, geochemical analysis and temperature monitoring are additionally required to reveal the relationship between surface water level and groundwater level, and to assess the possibility of groundwater flooding.
A statistical analysis of time series of water level at 27 groundwater monitoring wells was conducted to analyze the surface water-groundwater connectivity in the wide alluvial plains surrounding the Nakdong River, Korea. Change in groundwater level is strongly related to river water level, yielding an average cross-correlation coefficient of 0.601, which is much higher than that between rainfall and groundwater level (0.125). Principal component analysis of groundwater level indicates that wells in the study area can be classified into two groups: wells in Group A are located close to a river, have water levels closely related to river level, and generally show a large increase in groundwater level during heavy rainfall. On the other hand, wells in Group B located far from a river are relatively less related to river level. Including hydrologic and statistical analyses, geochemical analysis and temperature monitoring are additionally required to reveal the relationship between surface water level and groundwater level, and to assess the possibility of groundwater flooding.
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문제 정의
2011년 7월 9일부터 10일까지 2일간의 시간당 10~45 mm(총 308 mm)의 강우에 의하여 하천 및 지하 수위 변동이 발생하였는데, 호우기 동안의 지하수위 상승량을 평가하기 위하여 본 강우 이벤트 전후의 지하수위 변화를 파악하였다(Table 3). 낙동강 수위는 강우 이전에 평균 2.
본 연구에서는 지하수-지표수 상호 관계에 대한 통계적 분석을 통하여 공간적인 특성을 평가하였으며, 이로부터 호우시의 지하수위 상승과 홍수에 대한 새로운 접근을 시도하고자 하였다. 그 동안 지하수위 관측은 국가지하수관측망 등이 전국을 대상으로 광역적으로 설치 운영되어 왔으나, 본 연구에서는 단일 소유역내 충적층에 다수의 지하수 관측정을 설치하여 지하수위의 시공간적 특성을 분석하고자 하였다. 낙동강 중하류 주변에 넓게 발달한 충적층에서의 지하수위 변동은 강우보다는 하천 수위의 변화와 상관성이 높은 것으로 분석되었으며, 7월 집중 호우기간 동안에는 일부 지점에서 지하수위가지표 부근 또는 지표상으로 유출되는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 낙동강 하류 주변지역에 설치 운영 중인 지하수 관측정의 지하수위 관측자료와 하천수위 및 강우 자료 등 계측자료에 기반하여 지표수 또는 강우와 연계되는 지하수위 변동의 시공간적 특성을 파악하고자 하였다.
본 연구에서는 지하수-지표수 상호 관계에 대한 통계적 분석을 통하여 공간적인 특성을 평가하였으며, 이로부터 호우시의 지하수위 상승과 홍수에 대한 새로운 접근을 시도하고자 하였다. 그 동안 지하수위 관측은 국가지하수관측망 등이 전국을 대상으로 광역적으로 설치 운영되어 왔으나, 본 연구에서는 단일 소유역내 충적층에 다수의 지하수 관측정을 설치하여 지하수위의 시공간적 특성을 분석하고자 하였다.
제안 방법
5 m 정도로서 대부분이 농경지에 위치하고 있다. 관측정은 내경 100 mm, 외경 150 mm로 구성되며, 충적층 관측정은 암반을 1~3 m 정도 관통하도록 하였다. 심도별 지하수 시료 채취가 가능하도록 수 m 간격으로 스크린을 설치하고, 스크린의 슬롯은 0.
관측정은 내경 100 mm, 외경 150 mm로 구성되며, 충적층 관측정은 암반을 1~3 m 정도 관통하도록 하였다. 심도별 지하수 시료 채취가 가능하도록 수 m 간격으로 스크린을 설치하고, 스크린의 슬롯은 0.5 mm 이하로 하여 세립질의 유입을 최소화 하였다.
연구지역 지하수-지표수 연계 특성의 공간적 분포를 파악하기 위해서는 신뢰성 높은 수위 시계열 자료의 확보가 요구되는데, 연구지역 지하수 관측정은 관측 기간이 약 5개월에 불과하여 안정화되지 않은 관계로 일부 관측정에서 오결측이 존재하고 있어 추가적인 분석을 위하여 결측을 보완하였다. 주요 결측이 발생한 관측정은 W-4, W-19, W-71 등으로서 회귀 분석을 통하여 결측 자료를 생성하였다(Table 2).
지하수 변동 유형의 평가 대하천 주변 충적층내에서의 지하수위 시계열의 공간적 분포 특성을 파악하기 위하여 주성분 분석을 통한 시계열 자료의 분류를 수행하였다. 주성분 분석은 변수 들의 상관행렬 또는 공분산 행렬의 고유값과 고유벡터를 이용한 스펙트럴 분해(Spectral decomposition)를 이용하여 주성분이라는 새로운 변수를 생성하는 방법이다.
대상 데이터
95의 범위를 보여 비교적 설명력이 높은 것으로 해석되었다. 본 결측 보완된 지하수위 시계열 자료는 지하수위 상승량 평가 및 지표수-지하수 연계성 평가를 위한 기초자료로 활용되었다.
연구지역은 경상남도 창녕군, 함안군 및 의령군 일대로서 낙동강 및 남강 주변의 충적 평야지대에 해당하며, 지류 하천으로는 계성천, 영산천, 광려천, 봉곡천, 대산천, 대사천, 함안천, 칠곡천 등이 대표적이다. 연구지역 일대 지질은 남지 도폭(최승오와 여상철, 1972), 영산도폭(김남장과 이홍규, 1964) 및 의령 도폭(최유구와 김태열, 1963)에 해당하며, 백악기 중기 퇴적암류인 하양 층군의 함안층과 진동층 그리고 백악기 후기 유천층군의 화산암류인 주산안산암이 발달하고 있으며, 이들을 불국사 화성암류인 섬록암, 흑운모 화강암, 화강섬록암 및 화강반암, 그리고 여러 암맥들이 관입하고 있다. 함안층은 주로 회색사질셰일과 자색사질셰일이 호층을 이루며, 진동층은 주로 회색 셰일과 사질 셰일 그리고 사암으로 구성된다.
연구지역은 경상남도 창녕군, 함안군 및 의령군 일대로서 낙동강 및 남강 주변의 충적 평야지대에 해당하며, 지류 하천으로는 계성천, 영산천, 광려천, 봉곡천, 대산천, 대사천, 함안천, 칠곡천 등이 대표적이다. 연구지역 일대 지질은 남지 도폭(최승오와 여상철, 1972), 영산도폭(김남장과 이홍규, 1964) 및 의령 도폭(최유구와 김태열, 1963)에 해당하며, 백악기 중기 퇴적암류인 하양 층군의 함안층과 진동층 그리고 백악기 후기 유천층군의 화산암류인 주산안산암이 발달하고 있으며, 이들을 불국사 화성암류인 섬록암, 흑운모 화강암, 화강섬록암 및 화강반암, 그리고 여러 암맥들이 관입하고 있다.
연구지역 지하수-지표수 연계 특성의 공간적 분포를 파악하기 위해서는 신뢰성 높은 수위 시계열 자료의 확보가 요구되는데, 연구지역 지하수 관측정은 관측 기간이 약 5개월에 불과하여 안정화되지 않은 관계로 일부 관측정에서 오결측이 존재하고 있어 추가적인 분석을 위하여 결측을 보완하였다. 주요 결측이 발생한 관측정은 W-4, W-19, W-71 등으로서 회귀 분석을 통하여 결측 자료를 생성하였다(Table 2). 회귀 분석의 입력 인자로 고려된 것은 하천수위(x1)와 강우량(x2)이며 두 개의 인자 중에서 각 관측정별로 유의한 인자를 추출하여 회귀 식을 구성하였다.
현장에 설치된 지하수 관측정은 총 23개 지점에 27개소로서 2011년 5월부터 관측되어 운영 중에 있다(Fig. 1, Table 1). 지하수 관측정은 기본적으로 충적층을 대상으로 굴착되어 있으나, 4개소는 암반지하수의 특성을 파악하기 위하여 충적층을 관통한 후 암반을 약 30 m 추가로 굴착하였다.
이론/모형
Table 2. Multi-regression models used to estimate missing values of water level at the three monitoring wells.
성능/효과
27개소 지하수위 관측 자료를 대상으로 주성분 분석을 실시한 결과 2개의 주성분이 전체 자료의 약 87.4%를 설명하는 대표 성분으로 나타났다(Table 5). 주성분 1에 의하여 전체 자료의 약 71.
회귀 분석의 입력 인자로 고려된 것은 하천수위(x1)와 강우량(x2)이며 두 개의 인자 중에서 각 관측정별로 유의한 인자를 추출하여 회귀 식을 구성하였다. W-4 관측정의 경우는 강우를 제외한 하천 수위에 의한 회귀식이 두 인자를 함께 고려한 것보다 유의성이 높은 것으로 나타났으며, W-19 및 W-71은 강우와 하천 수위에 의한 다중 회귀식이 유의한 것으로 나타났다. 또한, 3개 관측정 공히 하천수위의 영향력이 강우보다 훨씬 큰 것으로 나타났고, 각 관측정에서의 회귀식에 의한 R2은 약 0.
그 동안 지하수위 관측은 국가지하수관측망 등이 전국을 대상으로 광역적으로 설치 운영되어 왔으나, 본 연구에서는 단일 소유역내 충적층에 다수의 지하수 관측정을 설치하여 지하수위의 시공간적 특성을 분석하고자 하였다. 낙동강 중하류 주변에 넓게 발달한 충적층에서의 지하수위 변동은 강우보다는 하천 수위의 변화와 상관성이 높은 것으로 분석되었으며, 7월 집중 호우기간 동안에는 일부 지점에서 지하수위가지표 부근 또는 지표상으로 유출되는 것으로 나타났다. 또한, 지하수위 시계열 자료에 대한 주성분분석 결과 2개의 그룹으로 대분되었으며, 하천 인근에 위치한 관측정들이 하나의 그룹을 형성하는 것으로 나타나 하천수위의 영향이 지하수위 변동에 부분적인 영향을 미치는 것으로 파악되었다.
W-4 관측정의 경우는 강우를 제외한 하천 수위에 의한 회귀식이 두 인자를 함께 고려한 것보다 유의성이 높은 것으로 나타났으며, W-19 및 W-71은 강우와 하천 수위에 의한 다중 회귀식이 유의한 것으로 나타났다. 또한, 3개 관측정 공히 하천수위의 영향력이 강우보다 훨씬 큰 것으로 나타났고, 각 관측정에서의 회귀식에 의한 R2은 약 0.71~0.95의 범위를 보여 비교적 설명력이 높은 것으로 해석되었다. 본 결측 보완된 지하수위 시계열 자료는 지하수위 상승량 평가 및 지표수-지하수 연계성 평가를 위한 기초자료로 활용되었다.
낙동강 중하류 주변에 넓게 발달한 충적층에서의 지하수위 변동은 강우보다는 하천 수위의 변화와 상관성이 높은 것으로 분석되었으며, 7월 집중 호우기간 동안에는 일부 지점에서 지하수위가지표 부근 또는 지표상으로 유출되는 것으로 나타났다. 또한, 지하수위 시계열 자료에 대한 주성분분석 결과 2개의 그룹으로 대분되었으며, 하천 인근에 위치한 관측정들이 하나의 그룹을 형성하는 것으로 나타나 하천수위의 영향이 지하수위 변동에 부분적인 영향을 미치는 것으로 파악되었다.
Table 2의 회귀식에서 알 수 있듯이 호우시 지하수위 상승은 강우와 지표 유출(하천수위)의 증가에 의하여 영향을 받게 된다. 연구지역내 지하수위 상승과 두 인자간의 상관성을 파악하기 위하여 교차상관 분석을 실시한 결과, 하천 수위와 지하수위와의 관계는 교차상관계수가 평균 0.601, 반응 시차는 평균 3.1일 정도로 분석되었으며 강우와의 관계는 교차상관계수가 평균 0.125, 반응 시차는 평균 4.7일로 나타났다(Table 4). 이와 같은 현상은 지하수위 변동이 하천 수위의 영향에 더 민감하고 잘 반응함을 보여준다.
10 m의 상승이 발생하였다. 즉, 호우이전의 지하수위 심도(평균 5.20 m)의 약 57%에 해당하는 높이 만큼 지하수위 상승이 발생된 것으로 나타났다. 이는 강우 이벤트에 의한 누적강우량의 약 6.
지하수위와 강우와의 관계에서도 하천으로부터 멀어질수록 강우와 지하수위의 교차상관계수 및 반응시차도 점점 작아지는 것으로 나타났다(Fig. 8(c), Fig.
호우 직전의 지하수위 심도는 지표하 평균 5.2 m로서 일부 관측정(W-7, W-92r, W-92s)에서만 1 m 전후의 얕은 심도를 보이고 있으나, 호우 직후에는 평균 3.1m로 얕아졌고 3개 관측정(W-7, W-13, W-81)에서는 지표 부근까지 지하수위가 상승하였으며, 특히 4개 관측정(W71, W-72, W-92r, W-92s)에서는 지표면 상부로 지하수위가 유출되는 특징을 보였다. W-7은 낙동강에 최인접한 관측정으로서 하천 수위의 영향을 직접 받는 경우이며, W-13은 영산천 중류에 위치하나 지형이 낮아 지표수의 배출이 불량한 지역에 해당하는 특징을 보인다.
후속연구
연구는 지하수-지표수 연계 평가와 지하수 홍수 취약성 연구를 위한 기초 분석 결과로서, 향후 지화학 분석, 온도 계측 및 동위원소 분석 등을 통한 지하수-지표수 상호작용 평가가 필요할 것이다. 또한, 지점별 지하수의 지표 유출 특성 및 매질 특성 등을 고려하여 홍수에 대한 정확한 정의와 평가가 수행되어야 할 것이다.
연구는 지하수-지표수 연계 평가와 지하수 홍수 취약성 연구를 위한 기초 분석 결과로서, 향후 지화학 분석, 온도 계측 및 동위원소 분석 등을 통한 지하수-지표수 상호작용 평가가 필요할 것이다. 또한, 지점별 지하수의 지표 유출 특성 및 매질 특성 등을 고려하여 홍수에 대한 정확한 정의와 평가가 수행되어야 할 것이다.
이상 본 연구에서 도출된 지하수-지표수의 연계성 평가는 수위를 중심으로 수행되었는데, 충적층내에서도 지질 매질의 특성에 의한 이방성이 존재하여 지하수위의 공간적 분포에 차이가 있을 뿐 아니라 지하수위 반응이 선행 강우 등에 의해서도 영향을 받을 수 있기 때문에 분석에 한계가 존재할 수 있으며, 추후 이에 대한 보완 연구도 필요할 것이다. 그동안 우리나라는 수변지역에서의 여름 호우시 주로 발생하는 홍수에 대한 개념을 하천 범람 차원으로 접근해 왔으나, 지표수와 지하수는 단일 수자원인 점을 감안하고 호우시 지하수의 지표 방출이 발생할 수 있다는 점을 고려할 때 보다 정확한 홍수 예측 및 평가를 위해서는 호우시 지하수위 상승과 그 기여도에 대한 검토가 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
주성분 분석이란 무엇인가?
지하수 변동 유형의 평가 대하천 주변 충적층내에서의 지하수위 시계열의 공간적 분포 특성을 파악하기 위하여 주성분 분석을 통한 시계열 자료의 분류를 수행하였다. 주성분 분석은 변수 들의 상관행렬 또는 공분산 행렬의 고유값과 고유벡터를 이용한 스펙트럴 분해(Spectral decomposition)를 이용하여 주성분이라는 새로운 변수를 생성하는 방법이다. 이 방법을 이용하여 다수의 관측정에 대하여 서로 상관관계가 없는 몇 가지의 핵심 변수를 도출함으로써 관측 정을 그룹으로 분류하고 지하수위 변동 패턴을 정의할 수 있다(Hannah et al.
주성분 분석을 이용하여 무엇이 가능한가?
주성분 분석은 변수 들의 상관행렬 또는 공분산 행렬의 고유값과 고유벡터를 이용한 스펙트럴 분해(Spectral decomposition)를 이용하여 주성분이라는 새로운 변수를 생성하는 방법이다. 이 방법을 이용하여 다수의 관측정에 대하여 서로 상관관계가 없는 몇 가지의 핵심 변수를 도출함으로써 관측 정을 그룹으로 분류하고 지하수위 변동 패턴을 정의할 수 있다(Hannah et al., 2000; Winter et al.
국내에서 정의한 지하수-지표수 연계 개념은 무엇인가?
기존의 수자원관리는 지표수 또는 지하수 각각에 대하여 별도의 정책으로 추진되어 왔으나, 두 수자원이 단일 수자원이라는 관점에서 고려되어야 한다. 국내에서는 “수자원 개발이 한계에 도달하거나 시공간적으로 수자원의 수요, 공급의 불균형이 심한 지역에서 유역 내 지표수와 지하수를 단일 체계로 통합하여 계획적으로 운영함으로써 수자원의 가용량 증대와 용수공급의 안정성을 확보하는 방법”이라고 지하수-지표수 연계 개념을 정의하고 있다(이상일 외, 2004). 즉, 지하수-지표수 연계의 궁극적인 목적은 용수 확보와 수자원 관리에 있으나, 이를 위해서는 수문학적인 접근이 전제되어야 하고 지하수-지표수 상호간의 관계를 정량적으로 정의하고 해석하는 것이 필요하다.
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