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문제 정의
- 이 연구에서는 제주도 동부지역에 위치한 성산유역을 대상으로 지질주상도 자료를 이용한 제주지역 현무암층하부의 저투수층 구조를 파악하였으며, 표고와 지하수위 관계를 기초로 저투수층의 분포에 따른 유역 경계면을 대상으로 정상상태의 지하수 흐름특성을 분석하였다.
제안 방법
- 각 층별로 입력 자료는 지층, 관측공, 함양량, 수리전도도 등을 기초로 1층은 투수성이 매우 양호한 화산암층, 2층은 투수성과 공극률이 낮은 저투수층으로 단순화하였다.
- 그러나 유역의 실제 지하수 흐름은 표고분포와 상이하고, 유역의 관측 지하수위는 북쪽방향으로 낮게 형성되는 특성이 나타났다. 따라서 저투수층 분포를 토대로 성산유역의 북쪽경계를 흐름조건으로 설정한 후 모의를 실시하였다. 모의 결과 수위의 계산오차는 -0.
- 이때, 활성화 셀(active cells)은 2개의 층을 포함하여 총 93,236개의 셀 격자망으로 구성되었다. 또한 유역과 인접한 유역경계면과 해안경계는 각각 지하수 흐름이 없는 비흐름 경계(no-flow)와 일정수두경계 (constant head boundary)로 설정하였다.
- 성산유역의 실제 지하수흐름은 표고분포와 상이하고, 지하수위는 유역의 북쪽방향으로 낮게 형성됨에 따라 저투수층 특성을 토대로 수치모의를 실시하였다.
- 성산유역의 표고 분포에 따른 지하수위의 관계를 파악하기 위하여 각 관측공의 표고와 지하수위를 비교 분석하였다.
- 정류상태의 흐름 모의를 위해 유역의 수리전도도를 보정 (calibration)하여 관측 수위에 최대한 근접하도록 분석하였으며, 적용된 1층의 수리전도도는 제주도 수문 지질 및 지하수자원 종합조사 (Jejudo, 2003)에 제시된 값인 2.003×10-3~2.622×10-2 m/sec 범위 내에서 산출된 4.63×10-3 m/sec을 적용하였다.
- 제주도 기설관정과 관측공의 지질주상도 자료를 이용하여 제주지역 화산암층 하부의 저투수층 구조를 분석하였으며, 이를 기초로 수치해석모형을 이용한 제주도 성산유역의 지하수 흐름 모델링을 수행하였다.
- 지하수 함양량은 제주특별자치도 수자원관리종합계획(Jeju Special Self-Governing Province, 2013) 중 성산유역 물수지 분석을 실시하여 산정된 함양량을 이용하였으며, 수리전도도는 제주도 수문지질 및 지하수자원 종합조사 (Jejudo, 2003) 중 제주도 광역상수도 및 해수침투 감시관측정 자료의 동부유역 평균 수리전도도에 제시된 자료를 이용하여 분석하였다. 또한 공극률은 화산분출암의 공극률 14~40% 범위 내에서 적용하였다 (Fetter, 1994)(Table 1).
대상 데이터
- 수치해석 모형 적용 대상 지역인 성산유역은 제주도 동부지역에 위치하여 저투수층이 비교적 낮은 -43.8~-117.5 m로서 유역의 북쪽일수록 급격하게 깊어지는 특징이 있다.
- 연구 대상지역은 ‘제주도 수문지질 및 지하수 자원 종합조사 (Jejudo, 2003)’에서 지형, 하천, 지표 분수령 등을 기준으로 분류한 16개유역중 성산유역에 해당된다 (Fig. 2).
- 유역 내 격자 구성은 50 × 50 m로 설정하였고, 대상 유역을 제외한 지역은 비활성화셀(inactive cells)로 구분하였다.
- 제주도의 대표적인 저투수성 퇴적층은 응회암, 역암 서귀포층, 성산층, 고토양 등으로, 투수성이 불량하고 유효 공극률이 매우 낮은 암층으로 구성되어 있다(Jeju Special Self-Governing Province, 2013). 저투수층 출현심도는 지하수위 관측공(68개소)과 기설관정(73개소) 으로부터 획득한 지질주상도로부터 확인하였다(Fig. 1).
데이터처리
- 지하수 수위는 제주특별자치도 수자원본부의 자료를 이용하여 2013년 전체 평균수위를 산출하여 비교·분석하였다.
이론/모형
- 지하수 흐름특성을 해석하기 위하여 MODFLOW모형을 사용하였으며, 성산유역의 상부구간은 1:25,000 수치지형도를 이용하여 생성한 수치고도자료(digital elevation model. DEM)를 보간(interpolation)하여 실제 수직층을 재현하였다(Fig. 3)
성능/효과
- 195로 감소되었다. 또한 모의 결과가 실제 지하수 흐름과 유사하게 나타남에 따라, 성산유역의 저투수층 분포 특성이 실제 지하수 흐름에 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
- 모델링 수행결과 관측수위와 계산수위 오차는 -0.62~0.26 m로 나타나고(Table 3, Fig. 5), R²는 0.773, RMSE는 0.352로 각각 나타났다.
- 모의 결과 관측수위와 계산수위의 오차는 -0.36~0.29 m로 보정 전에 비해 감소되었으며(Table 4, Fig 11), R²와 RMSE는 각각 0.903과 0.195로 상대적으로 높은 결과가 나타났다.
- 모의 결과 수위의 계산오차는 -0.36~0.29 m로 보정전에 비해 차이가 작아졌으며, R²와 RMSE는 각각 0.903와 0.195로 감소되었다.
- 성산유역의 전반적인 지하수 흐름은 한라산을 중심으로 동남쪽 방향으로 발달하는데(Fig. 6), 이러한 흐름 방향은 DEM을 이용하여 분석한 지형구배와 유사한 것으로 나타났다(Fig. 7). 그러나 실제 성산유역 지하수 흐름은 한라산을 중심으로 동쪽 방향으로 발달하며, 모형 결과가 실제 흐름과 상이하게 나타나는 특성이 나타났다
- 성산유역의 주변 유역을 비흐름 조건으로 설정하여 지하수 흐름 모의 결과 관측수위와 계산수위의 오차는 -0.62~0.26 m, R²와 RMSE는 각각 0.773, 0.352로 분석되었으며, 지하수의 흐름은 DEM을 이용하여 분석한 지형구배와 유사한 것으로 나타났다.
- 유역 내 관측공 JD-SS1~JD-SS4과 JD-SD1~JDSD3는 표고상승 방향의 직선 형태로 분포하고 있어 지형이 높아짐에 따라 지하수위가 상승하는 것으로 확인되었다(Fig. 8). 그러나 JD-SS2과 JD-SD1, JD-SS3와 JD-SD2, JD-SS4과 JD-SD3의 비교결과 표고와 지하수위는 서로 상이한 특성이 나타났으며, 북쪽방향에 위치한 JD-SS1 JD-SS4의 지하수위가 유역 남쪽방향에 위치한 JD-SD1 JD-SD3의 수위에 비해 낮게 분포되는 것으로 나타났다(Fig.
- 제주도의 저투수층 심도는 180~-140 m로 한라산 중심부가 가장 높고, 동부지역이 가장 깊은 것으로 나타났다. 특히 동부지역에 위치한 성산유역의 저투수층 심도는 -43~-117 m로 유역의 북쪽 방향으로 매우 깊은 것으로 나타났다.
- 제주도의 저투수층은 한라산 중심부가 가장 높은 분포특성을 가지고, 동북지역으로 진행될수록 매우 낮게 분포하고 있다. 출현심도는 해수면기준 180~-140 m로 조사되었고, 대부분 서귀포층, 응회암, 점토층으로 확인되었다(Fig. 4, Table 2).
후속연구
- 따라서 향후 성산유역을 포함한 제주도의 지하수 흐름을 판단하기 위해서는 현무암층 하부의 저투수층 분포 특성에 대한 종합적인 고려가 필요한 것으로 판단된다.
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