[논문]지하수위 변동법에 의한 함양량 산정: 하천-대수층 상호작용의 영향

구민호; 김태근; 김성수; 정성래; 강인옥; 이찬진; 김용철

doi:10.7857/jsge.2013.18.5.065

지하수위 변동법에 의한 함양량 산정: 하천-대수층 상호작용의 영향
Estimating Groundwater Recharge using the Water-Table Fluctuation Method: Effect of Stream-aquifer Interactions 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.18 no.5, 2013년, pp.65 - 76

구민호 (공주대학교 지질환경과학과) , 김태근 (공주대학교 지질환경과학과) , 김성수 (동부엔지니어링) , 정성래 (성지엔지니어링) , 강인옥 (한국수자원공사) , 이찬진 (한국수자원공사) , 김용철 (한국지질자원원구원)

Abstract ▼ AI-Helper

The water-table fluctuation (WTF) method has been often used for estimating groundwater recharge by analysis of waterlevel measurements in observation wells. An important assumption inherent in the method is that the water level rise is solely caused by precipitation recharge. For the observation wells located near a stream, however, the water-level can be highly affected by the stream level fluctuations as well as precipitation recharge. Therefore, in applying the WTF method, there should be consideration regarding the effect of stream-aquifer interactions. Analysis of water-level hydrographs from the National Groundwater Monitoring Wells of Korea showed that they could be classified into three different types depending on their responses to either precipitation recharge or stream level fluctuations. A simple groundwater flow model was used to analyze the errors of the WTF method, which were associated with stream-aquifer interactions. Not surprisingly, the model showed that the WTF method could greatly overestimate recharge, when it was used for the observation wells of which the water-level was affected by streams. Therefore, in Korea, where most groundwater hydrographs are acquired from wells nearby a stream, more caution is demanded in applying the WTF method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

지하수위 변동법을 적용한 최근의 국내 연구 결과는 대부분 하천-대수층 상호작용에 의한 지하수위 변동을 고려하지 않았으며, 결과적으로 대수층의 하천과의 수리적 연결 정도에 따라 다소의 오차를 포함할 것으로 사료된다. 따라서 본 논문에서는 하천-대수층 상호작용이 지하수위 변동법에 의한 함양량 산정 결과에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고자 하였다.
특히 국내의 경우 많은 관정들이 하천 주변부에 위치하고 있어 하천-대수층 상호작용의 영향을 고려하지 않고 지하수위 변동법을 적용할 경우 함양량 산정 과정에서 큰 오차가 수반될수밖에 없다. 본 연구에서는 국내 수문 관측 자료의 분석과 모델링 기법을 통하여 지하수위 변동법이 가지는 이러한 문제점을 고찰하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.

가설 설정

1의 비산출률과 10 m/day의 수리전도도를 가지는 자유면대수층을 가정하였다. 100행, 100열, 1층의 총 10,000개의 셀로 구성된 격자망을 구성하였으며, 모델영역 우측 경계에 하천이 위치하며 하천수위의 구배는 없는 것으로 가정하였다. 한편, 하천수위 및 지하수 함양의 시간적 변화는 실제 국내의 관측 자료를 이용하여 모델에 반영하였다.
모델 영역은 1 km × 1 km이며, 0.1의 비산출률과 10 m/day의 수리전도도를 가지는 자유면대수층을 가정하였다.
한편, 하천수위 및 지하수 함양의 시간적 변화는 실제 국내의 관측 자료를 이용하여 모델에 반영하였다. 하천수위 변동은 2010년 구례교 관측소에서 측정된 자료를 이용하였으며, 함양량은 동일 지역 관측소의 강수량 자료를 이용하여 시계열 자료를 생성하였는데, 강수량의 일정 비율(20%)이 강수와 동일시기에 함양되는 것으로 가정하였다. 하천수위 및 함양량의 시간적 변화는 동일한 관측 자료가 1년 주기로 수 년 동안 되풀이되도록 모델에 입력함으로써 지하수위 변동이 1년 주기로 동일하게 반복되는 동적인 평형 상태에 도달하도록 하였으며 (Koo and Lee, 2002), 마지막 1년의 모사 결과를 분석 자료로 이용하였다.

제안 방법

2012년 7월 6일 집중호우(173 mm) 시 발생한 관측정별 지하수위 상승량을 분석하였다. Fig.
2012년 완료된 태백지역 지하수 기초조사(MLTM and K-water, 2012)의 일환으로 관측된 지하수위 자료를 이용하여 유역 규모에서 지하수위 변동이 어떻게 발생하는지 분석하였다.
K-water 국가지하수관측망의 일부 한강유역 관측소 자료(MLTM and K-water, 2010)를 분석하여 국내 수변지역 관측정에서 지하수위 변동이 어떤 유형으로 발생하는지 탐색하였다. 지하수위 관측 자료만으로는 이러한 구분이 쉽지 않아 관측소 인근의 하천수위 관측자료 및 해당 하천 상류의 댐방류량 자료를 함께 이용하여 변동 유형을 구분하려고 시도하였다.
전술한 바와 같이, 하천수위 변동의 영향을 받는 수변 지역의 지하수위 관측 자료에 지하수위 변동법을 적용할 경우 강수 함양에 의한 지하수위 변동과 하천수위 변동에 의한 지하수위 변동 성분이 중첩되므로 함양량이 과대평가된다. 따라서 본 절에서는 수변지역 대수층에서의 지하수 흐름을 모의하는 수치모델을 이용하여 하천수위 변동의 영향에 의해 발생하는 지하수위 변동법의 오차를 정량적으로 분석하였다.
먼저 모의된 지하수위 시계열 자료 중 강수 함양에 의해 지하수위 상승이 뚜렷하게 발생한 6개의 구간을 선별하였다. 선별된 각각의 지하수위 상승 구간에 대하여 Fig. 14와 같이 강수 전의 지하수위 하강곡선을 첨두 지하수위가 나타나는 시점까지 연장(projection)하는 방법을 이용하여(Delin et al., 2007) 지하수위 상승량을 구하였으며, 이에 비산출률을 곱하여 강수에 의해 발생한 지하수 함양량을 산정하였다.
K-water 국가지하수관측망의 일부 한강유역 관측소 자료(MLTM and K-water, 2010)를 분석하여 국내 수변지역 관측정에서 지하수위 변동이 어떤 유형으로 발생하는지 탐색하였다. 지하수위 관측 자료만으로는 이러한 구분이 쉽지 않아 관측소 인근의 하천수위 관측자료 및 해당 하천 상류의 댐방류량 자료를 함께 이용하여 변동 유형을 구분하려고 시도하였다.
강수에 대한 2가지 유형의 지하수위 상승 반응은 강수에 의한 지하수 함양 기작을 보여주는 좋은 관측 증거이다. 지하수위 상승의 지연 반응을 정량적으로 분석하기 위하여 7월 6일 강수에 대하여 각 관측정 별로 첨두 지하수위가 나타나는 시간을 구하였으며, 이를 하천(외나무골교) 의 첨두 수위 시간과 비교하여 시간지연을 구하였다.
태백지역 전역의 지하수위 변동 특성을 분석하기 위하여 65개의 지하수 관측망을 설정하여(Fig. 2) 1년 동안 장기 모니터링을 실시하였다. 65개 관측정에서 측정된 지하수위 시계열 자료를 분석한 결과, 태백지역의 지하수위 변동은 크게 강우, 양수 및 하천-대수층 상호작용 등 3가지 요인에 의하여 발생하는 것으로 나타났다.
하천 및 지하수 관측정에서 측정된 수위 변동 자료의 시계열적 유사성을 통하여 하천과 대수층의 상호작용 여부를 판단하였다. Fig.
하천-대수층 상호작용과 강수 함양을 동시에 고려한 모델의 지하수위 시계열 자료(Fig. 13의 실선 B)에 지하수위 변동법을 적용하여, 하천-대수층 상호작용이 지하수위 변동법에 미치는 영향을 정량적으로 고찰하였다. 먼저 모의된 지하수위 시계열 자료 중 강수 함양에 의해 지하수위 상승이 뚜렷하게 발생한 6개의 구간을 선별하였다.

대상 데이터

1a는 2010년 춘천우두관측소에서 관측된 지하수위자료를 도시한 것이다. 관측소는 소양강댐 하류에 위치하며 인근 하천(소양강)과의 이격거리는 약 130 m이다. 그림에서 하천수위는 우두관측소 하류 약 2 km 지점에 위치한 춘천관측소(관측소코드 1013637)에서 측정된 자료이며, 회색으로 표시된 그래프는 관측소 상류에 위치한 소양강댐의 방류량 자료이다.
1b는 가평가평관측소에서 측정된 지하수위 변동 자료를 도시한 것이다. 관측소는 의암댐 하류 북한강 지류인 가평천 인근 약 400 m 지점에 위치하며, 하천수위는가평가평관측소 하류에 위치한 가평관측소(관측소코드 1013655)에서 측정된 자료를 이용하였다. 그림에서 의암댐 방류량의 y축 크기는 3,000 m³/sec이다.
1c는 충주가금관측소에서 측정된 지하수위 변동 자료를 도시한 것이다. 관측소는 충주댐 하류 남한강 인근약 200 m 지점에 위치하며, 하천수위는 가금관측소 상류 약 2 km 지점에 위치한 목계관측소(관측소코드 1005640) 에서 측정된 자료를 이용하였다. 그림에서 충주댐 방류량의 y축 크기는 3,000 m³/sec이다.
관측소는 소양강댐 하류에 위치하며 인근 하천(소양강)과의 이격거리는 약 130 m이다. 그림에서 하천수위는 우두관측소 하류 약 2 km 지점에 위치한 춘천관측소(관측소코드 1013637)에서 측정된 자료이며, 회색으로 표시된 그래프는 관측소 상류에 위치한 소양강댐의 방류량 자료이다. 댐방류량의 경우 값의 크기를 y축에 도시하지 못하였는데 방류량이 많았던 6월 초 방류량은 약 180 m³/sec이다.
13의 실선 B)에 지하수위 변동법을 적용하여, 하천-대수층 상호작용이 지하수위 변동법에 미치는 영향을 정량적으로 고찰하였다. 먼저 모의된 지하수위 시계열 자료 중 강수 함양에 의해 지하수위 상승이 뚜렷하게 발생한 6개의 구간을 선별하였다. 선별된 각각의 지하수위 상승 구간에 대하여 Fig.
댐방류량의 경우 값의 크기를 y축에 도시하지 못하였는데 방류량이 많았던 6월 초 방류량은 약 180 m³/sec이다. 하천수위 및 댐방류량 관측 자료는 국가수자원정보관리시스템(WAMIS)에서 제공하는 자료를 이용하였다. Fig.
하천수위 변동은 2010년 구례교 관측소에서 측정된 자료를 이용하였으며, 함양량은 동일 지역 관측소의 강수량 자료를 이용하여 시계열 자료를 생성하였는데, 강수량의 일정 비율(20%)이 강수와 동일시기에 함양되는 것으로 가정하였다. 하천수위 및 함양량의 시간적 변화는 동일한 관측 자료가 1년 주기로 수 년 동안 되풀이되도록 모델에 입력함으로써 지하수위 변동이 1년 주기로 동일하게 반복되는 동적인 평형 상태에 도달하도록 하였으며 (Koo and Lee, 2002), 마지막 1년의 모사 결과를 분석 자료로 이용하였다.

성능/효과

1. 수변지역에서 관측된 지하수위 변동 자료는 하천-대수층 상호작용 관점에서 3가지 유형으로 구분될 수 있다. 하천수위 변동에 의해 발생하는 지하수위 변동성분이 우세한 1유형, 강수 함양에 의한 지하수위 변동 성분이 우세한 2유형, 그리고 두 성분이 동일한 크기 규모로 혼합된 3유형이 이에 해당한다.
7은 7월 6일 강수에 대한 관측소별 시간지연의 공간 분포도를 도시한 것이다. 10시간 이상 시간지연을 보이는 관측소가 황지천 유역에서 가장 많이 나타났으며 광동댐, 낙동강상류 유역에서도 각각 1개소씩 나타났다. Fig.
2. 국내의 많은 관측자료가 강수에 의한 지하수위 상승 반응이 뚜렷하게 나타나 지하수위 변동법을 적용하기에 적합한 것으로 판단될 수 있으나, 대부분의 관측정이 수변지역에 위치하고 있어 3유형에 속하는 자료일 가능성이높다. 수변지역 대수층의 지하수위 변동 유형은 하천으로부터의 수리적 거리에 따라 1유형에서 3유형, 그리고 2유형으로 변하게 될 것으로 추정할 수 있다.
4%의 동일한 비율을 차지한다. 3 m 이상의 높은 수위 상승량을 보이는 관정은 황지천 유역에서 8개소, 낙동강상류 유역에서 1개소, 광동댐 유역에서 1개소가 관찰되어 황지천 유역이 다른 유역에 비해 수위 상승량이 높게 나타났다.
3. 강수 함양과 하천수위 변동이 반영된 지하수 흐름 모델의 모의 결과는 관측정의 수리적 거리에 따라 지하수위 변동법에 의한 함양량 산정 결과가 크게 달라질 수있음을 보여주었다. 댐에 의하여 유량이 조절되지 않는 자연 하천의 하천수위 변동은 일반적으로 개별 강수 사상에 의하여 발생하는 단주기 성분과 계절 변동을 나타내는 장주기 성분으로 구분된다.
2) 1년 동안 장기 모니터링을 실시하였다. 65개 관측정에서 측정된 지하수위 시계열 자료를 분석한 결과, 태백지역의 지하수위 변동은 크게 강우, 양수 및 하천-대수층 상호작용 등 3가지 요인에 의하여 발생하는 것으로 나타났다.
그림에서 충주댐 방류량의 y축 크기는 3,000 m³/sec이다. 본 지역의 경우 그림과같이 강수량(C구간) 및 댐방류량의 변화(D구간)에 의해 하천수위 변화가 발생한 반면, 지하수위는 개별 강수사상 또는 하천수위 변동과 무관하게 완만한 상승과 하강을 보였다. 가금관측소는 하천으로부터의 이격거리가 200 m에불과하지만 관측자료가 보여주는 하천과의 수리적 거리는 매우 크다고 할 수 있으며, 따라서 하천수위 변동에 직접 적인 영향을 받지 않는 유형 2에 속하는 관측소로 분류될수 있다.
셋째, 하천수위 변동에 의한 지하수위 변동과 강수 함양에 의한 지하수위 변동이 중첩된 경우로 하천으로부터 중간 단계의 이격거리에 위치하면서, 동시에 강수에 의한 함양이 잘 발생하는 관정이 이에 해당한다(유형 3).
10b는 기존 관정의 일양 수량을 도시한 것으로 5 m³/day 미만의 양수정은 32개소, 5~25 m³/day의 양수정은 35개소, 25~50 m³/day의 양수정은 10개소, 50 m³/day 이상의 양수정은 13개소로 나타났다. 양수량이 많은 양수정 주변부의 관측정에서 일주기 변동이 잘 나타날 것으로 추정하였으나, 그림과 같이 일주기 변동을 보이는 관측정과 양수량이 많은 기존 관정의 위치를 비교해본 결과 일부 지역을 제외하고 둘 사이의 상관성은 크지 않은 것으로 나타났다.
이상의 연구 결과가 보여주는 바와 같이 하천과 대수층은 수리적으로 연결된 하나의 수체로 끊임없는 상호작용을 통하여 하천수위와 지하수위의 변화가 발생한다. 지하 수위 변동법은 강수의 함양에 의해 발생하는 지하수위 변동 성분만을 고려하여 함양량을 산정해야 하는데, 수변지역 대수층의 경우 강수 함양과 함께 하천-대수층 상호작용이 중첩되어 지하수위 변동으로 나타난다.
첫째, 지하수 함양은 비포화대를 충진시키면서 발생하는 반면, 지하수위 변동법은 배출에 의해 정의되는 비산출률을 이용하므로 둘 사이에 개념적인 불일치가 존재한다. 이에 Koo and Lee(2002)는 비포화 모델에 근거하여 지하수위 상승 시 포화대 및 비포화대에서의 저유량 변화를 계산하는 관계식을 유도하였으며, 이를 이용하여 지하 수면의 깊이 및 대수층을 구성하는 매질의 특성이 지하수위 변동법에 의한 함양량 산정에 미치는 영향을 분석하였다.
첫째, 하천수위 변동에 의해 발생하는 지하수위 변동 성분이 우세한 경우로 하천으로부터의 이격거리가 짧은 관측정이 이에 해당한다(유형 1). 여기서 이격거리란 하천과 관정의 수리적 거리를 의미하며, 하천과 관정사이의 물리적 거리뿐만 아니라 대수층의 수리상수 및 하천의 전도계수(conductance) 등에 의하여 결정된다.

후속연구

둘째, 지하수위 변동법은 관정에서 측정된 자료를 이용하므로 국지적인 규모에서 발생하는 함양량 산정 결과를 보여주며 결과적으로 지반의 불균질성에 의한 함양량의 공간적 변동성을 파악하는데 한계가 있다. 이에 Kim et al.
태백지역 사례와 같이 유역 규모의 지하수위 변동 관측 자료를 보면 하천으로부터 멀리 떨어진 관측정에서도 하천-대수층 상호작용에 의한 지하수위 변동이 잘 나타났는데, 이는 대수층의 수리상수가 지하수위 변동 유형을 결정하는 중요한 요소임을 지시한다. 따라서 관정의 위치 정보만으로 지하수위 변동을 일으키는 두 요인의 중첩성 여부를 판단할 수 없으며, 지하수위, 하천수위, 강수량 및 댐방류량과 같은 수문 요소들에 대한 종합적 분석이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 지하수 관정에서 지하수위 변동법을 통하여 함양량을 산정할 경우 오차 원인은?	한편, 국내의 경우 대부분의 지하수 관정이 수변지역에 위치하고 있어 지하수위 변동법을 통하여 함양량을 산정할 경우 하천-대수층 상호작용에 의해 발생하는 지하수위 변동의 영향으로 오차가 발생할 수 있다. 최근 국내 수리 지질학 분야에서도 하천-대수층 상호작용의 중요성이 부각되면서, 이에 대한 관측 자료가 축적되고 있으며, 상호 작용과 관련된 다양한 연구가 수행되고 있다.
	지하수위 변동법이란?	지하수위 변동법은 강우 시 발생하는 지하수위 상승량과 대수층의 비산출률을 이용하여 지하수 함양량을 산정하는 방법으로, 개념적으로 단순하며 자료획득이 용이하기 때문에 최근 국내에서도 함양량을 추정하는 방법으로 많이 사용되고 있다(Moon et al., 2004; Choi et al.
	하천-대수층 상호작용 관점에서 지하 수위 변동 3가지 유형은?	수변지역에서 관측된 지하수위 변동 자료는 하천-대수층 상호작용 관점에서 3가지 유형으로 구분될 수 있다. 하천수위 변동에 의해 발생하는 지하수위 변동성분이 우세한 1유형, 강수 함양에 의한 지하수위 변동 성분이 우세한 2유형, 그리고 두 성분이 동일한 크기 규모로 혼합된 3유형이 이에 해당한다. 하천-대수층 상호작용과 강수 함양 과정을 단순화시킨 다소 도식적인 구분이기는 하지만 국내 수변지역의 지하수위 변동을 설명하는데 유용하다.

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