[논문]지하수위 자료를 이용한 제주도 지하수계의 가뭄 영향 평가

송성호; 이병선; 최광준; 김진성; 김기표

doi:10.5322/jesi.2014.4.637

지하수위 자료를 이용한 제주도 지하수계의 가뭄 영향 평가
Evaluation of Drought Effect on Groundwater System using Groundwater Level Data in Jeju Island 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.23 no.4, 2014년, pp.637 - 647

송성호 (한국농어촌공사 농어촌연구원) , 이병선 (한국농어촌공사 농어촌연구원) , 최광준 (한국농어촌공사 농어촌연구원) , 김진성 (한국농어촌공사 농어촌연구원) , 김기표 (제주특별자치도 수자원본부)

Abstract ▼ AI-Helper

Quantitative assessment of groundwater level change under extreme event is important since groundwater system is directly affected by drought. Substantially, groundwater level fluctuation reveals to be delayed from several hours to few months after raining according to the aquifer characteristics. Groundwater system in Jeju Island would be also affected by drought and almost all regions were suffered from a severe drought during summer season (July to September) in 2013. To estimate the effect of precipitation to groundwater system, monthly mean groundwater levels in 2013 compared to those in the past from 48 monitoring wells belong to be largely affected by rainfall(Dr) over Jeju Island were analyzed. Mean groundwater levels during summer season recorded 100 mm lowered of precipitation compared to the past 30 years became decreased to range from 2.63 m to 5.42 m in southern region compared to the past and continued to December. These decreasing trends are also found in western(from -1.21 m to -4.06 m), eastern(-0.91 m to -3.24 m), and northern region(from 0.58 m to -4.02 m), respectively. Moreover, the response of groundwater level from drought turned out to be -3.80 m in August after delaying about one month. Therefore, severe drought in 2013 played an important role on groundwater system in Jeju Island and the effect of drought for groundwater level fluctuation was higher in southern region than other ones according to the regional difference of precipitation decrease.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 2013년 제주도에 발생한 여름가뭄이 지하수계에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 제주특별자치도 수자원본부에서 운영 중인 115개 관측정 중 강수에 직접적인 영향을 받는 것으로 분류한 4개 권역별 관측정(Song 등, 2013a)의 과거 월별 가뭄지수와 월평균 강수량 변화에 따른 지하수위 변동 특성으로부터 가뭄이 지하수계에 미치는 영향을 평가하였다.
특히 1980년 중반 이후부터는 연간 강수량의 변동폭이 커지는데 이는 극한 강수사상의 증가와 연관되며, 연평균 강수량의 50% 이상이 6∼9월 기간 중 장마 및 태풍과 연관되어 집중되는 특성이 있다. 본 연구에서는 계절적인 강수량 분포 특성을 기초로 2013년 여름가뭄의 영향을 정량적으로 평가하기 위하여, 과거 30년(1981-2010) 기간 중의 월평균 강수량에 대한 2013년 월평균 강수량의 차이를 계산하였다(Table 3).

제안 방법

가뭄 분석을 위하여 활용된 SPI지수는 지속기간이 각 1개월, 3개월 및 6개월인 SPI 1, SPI 3, SPI 6을 이용하였으며, 극심한 가뭄(severe drought)을 지시하는 –1.5 이하가 발생한 경우를 기준으로, 2013년 월별 가뭄의 영향을 과거 30년간의 월별 SPI와 비교하였다(Table 4; Fig. 4).
이 중 주변의 양수에 의한 영향을 동시에 받는 관측정 58개소를 제외하면 순수하게 강수에 의한 영향을 받는 관측정(Dr)은 48개소(동부 7, 서부 7, 남부 11, 북부 22 개소)로 약 42%에 해당된다(Song 등, 2013a). 따라서 가뭄에 의한 지하수위 변동은 강수에 의한 영향을 받는 관측정으로 분류된 48개소(남부 1개소는 설치 후 1년 경과로 분석에서 제외, Table 2)에 대하여, 과거 월평균 지하수위값에 대해 2013년 월평균 지하수위값의 차이를 계산하였다(Fig. 1; Table 5).
4% 수준으로 나타났으며, 특히 남부와 서부지역의 가뭄이 가장 심한 것으로 나타났다. 제주특별자치도에서 운영 중인 115개소 지하수위 관측망 중 양수의 영향이 없이 강수량 변화에 따른 영향만을 받고 있는 48개소에 대한 과거 동일기간의 월평균 지하수위와 2013년 월평균 지하수위를 비교하였다. 가뭄이 가장 심하게 나타난 남부지역의 경우, 강수량의 감소가 100 mm 이상 관측된 2013년 7월부터 월평균 지하수위가 -2.

대상 데이터

특히 분류 결과 동심원 형태로 변동유형이 구분되는데, 해안선과 평행한 해발고도 200 m 이하의 관측정은 전반적으로 양수의 영향을 받고 있다. 따라서 본 연구에서는 순수하게 강수에 의한 영향을 받는 48개소의 관측자료만을 분석에 이용하였다(Fig. 1 참조).
본 연구에서는 30년 이상 기상자료가 축적된 제주도 내 4곳의 기상대(제주, 서귀포, 고산, 성산)의 강수량 일자료를 SPI 산정에 이용하였다(Fig. 1).

성능/효과

4곳의 기상관측소의 2013년 강수량은 2월, 10월 및 11월을 제외하면, 과거 30년 평균 강수량에 비해 약 3~96% 감소되는 것으로 분석되었다. 특히, 서부지역 고산기상대의 경우 2013년 7월의 강수량은 과거 30년 평균 강수량(173.
남부지역인 서귀포기상대의 과거 30년 평균 대비 2013년 강수량은 2월을 제외한 나머지 기간 동안 감소함에 따라, 2013년 지하수위도 역시 과거 동일기간 평균 지하수위에 비해 하강된 것으로 분석되었다. 남부지역의 11개소 관측망도 마찬가지로 큰 폭의 강수량 감소로 인하여, 과거 동일기간 평균 지하수위 대비 2013년 지하수위는 1월부터 하강하는 것으로 나타났다. 특히 강수량의 감소가 100 mm 이상 관측된 2013년 6∼9월 기간 중, 7월부터는 지하수위가 과거 동일 기간 대비 -2.
이러한 강수량의 감소는 지하수위의 하강과 밀접하게 연관된다. 남부지역인 서귀포기상대의 과거 30년 평균 대비 2013년 강수량은 2월을 제외한 나머지 기간 동안 감소함에 따라, 2013년 지하수위도 역시 과거 동일기간 평균 지하수위에 비해 하강된 것으로 분석되었다. 남부지역의 11개소 관측망도 마찬가지로 큰 폭의 강수량 감소로 인하여, 과거 동일기간 평균 지하수위 대비 2013년 지하수위는 1월부터 하강하는 것으로 나타났다.
1 mm로 분석되었다. 따라서 동부와 남부지역에 위치한 성산기상대와 서귀포기상대의 30년 평균 강수량은 서부지역에 위치한 고산기상대에 비해 약 1.7배 높은 것으로 나타났다. 2013년의 제주지역의 강수량은 과거 30년 평균값 대비 약 30~44%의 감소되었으며, 특히 연간 강수량이 가장 높은 성산기상대의 경우 1,355.
SPI는 대상기간 중의 강수 확률분포를 정규분포로 활용할 수 있도록 고안된 표준강수지수로, 토양 수분함량과 달리 장기간의 강수에 영향을 받는 지하수자원의 이용가능성에 대한 가뭄의 영향을 반영할 수 있는 장점이 있다(McKee 등, 1993). 따라서 특정 기간에 대한 평균 SPI는 0이 되며, 가뭄은 연속적인 음수로 -1.0 이하에 도달하면 발생하고 -0.99 이상이 되면 종료된다(Table 1).
Song 등(2013b)은 과거 자료(1981∼2010, 30년간)를 분석하여 서부지역 고산기상대의 경우 SPI 3과 SPI 6 모두 봄과 겨울철에 가뭄이 집중되었으며, 제주지역 전체적으로도 2∼4월에 가뭄이 극심했던 것으로 제시한 바 있다. 또한 기후변화 시나리오 결과를 이용하여 분석한 2100년까지의 SPI 결과도 여름철의 가뭄의 징후가 없는 것으로 제시하였으며, 상대적으로 과거에 비해 가을철과 겨울철의 가뭄이 점차 완화되는 것으로 해석하였다. 따라서 2013년의 여름철의 가뭄은 대단히 이례적인 것으로 판단된다.
또한 제주, 서귀포 및 성산기상대의 경우에도 과거 30년 평균 대비 6∼7% 범위로 매우 적은 강수량이 기록되었다.
월별 지하수위 변화를 살펴보면, 전반적인 지하수위는 가뭄에 따른 강수량 감소폭이 급증하는 6월 이후부터 하강하고 7월 이후에는 평년 평균값보다 낮은 값으로 지속된 후, 12월에 가까워짐에 따라 하강폭이 감소하는 형태로 나타났다. 2013년 8월의 경우, 동부, 서부, 남부, 북부지역 월평균 지하수위는 과거 동일기간 대비 각 -1.
지금까지의 분석결과를 공간적으로 도시한 결과, 2013년 6월부터 동부와 남부지역의 지하수위 하강 현상이 뚜렷하게 나타나며, 특히 8월 이후부터는 지하수위 하강이 모든 지역에서 광범위하게 발생한다(Fig. 6). 지하수위가 본격적으로 하강하기 시작한 7월 이후부터의 변동폭은 동부와 서부지역에 비해 남부와 북부지역이 상대적으로 큰 것으로 도시되며, 연말까지 제주지역 전역으로 광범위하게 하강하는 것으로 나타났다.
6). 지하수위가 본격적으로 하강하기 시작한 7월 이후부터의 변동폭은 동부와 서부지역에 비해 남부와 북부지역이 상대적으로 큰 것으로 도시되며, 연말까지 제주지역 전역으로 광범위하게 하강하는 것으로 나타났다.

후속연구

이러한 지하수위 하강으로 남부지역의 경우 여름철 제한급수에 따른 영농활동에 심각한 문제가 발생한 반면, 서부지역의 경우 주로 가을철에 용수수요가 증가되는 농업 형태에 따라 타 권역에 비해 가뭄의 영향이 상대적으로 적은 것으로 나타났다. 결과적으로 가뭄의 영향이 권역별 지하수계에 직접적인 영향으로 나타남에 따라, 미래 제주 수자원의 합리적인 관리 뿐만 아니라 체계적인 용수 공급정책 수립이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가뭄이란 무엇인가?	가뭄은 기상학적으로 강수량이 평균 이하의 상태를 지속하는 경우로, 가뭄이 지속되는 경우 지하수 수문계는 직접적인 영향을 받게 된다(Song 등, 2013a). 전국적으로 광범위하게 발생된 2012년 봄 가뭄의 경우, 5월과 6월의 전국 62개 기상관측소의 강수량은 30년 월평균 강수량(1971-2000)에 비해 각각 41%와 50% 감소하였다.
	지하수위 변화를 정량적으로 평가하기 위한 방법은?	일반적으로 강수에 의한 지하수위 반응은 수시간에서 수개월까지 복합적으로 작용하기 때문에, 가뭄과 같은 강수량의 급격한 감소에 따른 지하수위 변화를 정량적으로 평가하기 위해서는 표준강수지수(standardized precipitation index, SPI) 또는 파머가뭄 지수(Palmer drought severity index, PDSI) 등 가뭄지수를 활용한 분석이 효과적이다(Kim 등, 2006). 특히 국가지하수관측정을 대상으로 로지스틱 회귀 모형을 이용하여 월평균 지하수위와 SPI 가뭄지수의 상관성을 분석한 결과, 봄철인 3월∼5월의 지하수위 기울기와 SPI 가뭄지수의 상관성이 가장 높은 것으로 나타났으며 지하수위의 심도가 깊을수록 가뭄의 강도가 증가되는 것으로 분석된 바 있다(Kim 등, 2012).
	30년간 제주도에서 파머가뭄 지수를 분석한 결과는?	제주도의 경우 과거 30년간의 평균기온과 강수량을 활용한 SPI와 PDSI로 가뭄을 분석한 결과, SPI는 봄과 겨울철 가뭄이 상대적으로 나타난 반면 PDSI는 9∼11월 기간 중에 낮아 상대적으로 가을철에 가뭄이 극심했던 것으로 제시된 바 있다(Song 등, 2013b). 이는 SPI가 강수량만을 고려하는 반면 PDSI는 온도를 통해 산정되는 증발산량을 고려하고 있어서, 제주지역의 지형적 특성으로 겨울철 강수량이 많아 봄가뭄은 상대적으로 적은 것으로 판단된다.

참고문헌 (14)

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McKee, T. B., Doesken, N. J., Kleist, J., 1993, The relationship of drought frequency and duration of time scales, 8th Conference on Applied Climatology, January, Aneheim, CA, 179-184.
Segye Daily News, 2013, http://www.segye.com/content/html/2013/08/06/20130806003849.html
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Song, S. H., Choi, K. J., Kim, J. S. 2013a, Evaluation of regional characteristics using time-series data of groundwater level in Jeju Island, Journal of Environmental Science International, 22(5), 609-624.

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Song, S. H., Yoo, S. H., Bae, S. J., 2013b, Regional drought assessment considering climate change and relationship with agricultural water in Jeju Island, Journal of Environmental Science International, 22(5), 625-638.

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Song, S. H., Zemansky, G., 2012, Vulnerability of groundwater systems with sea level rise in coastal aquifers, South Korea, Environmental Earth Sciences, 65(6), 1865-1876.

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Todd, D. K., 1980, Groundwater hydrology, second edition. John Wiley & Sons Inc.
Yoo, S. H., 2009, Analyzing agricultural drought affected by climate change. Ph.D. thesis, Seoul National University, Korea.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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