본 연구는 건기에 1일 50ton 규모의 지하수 양수를 목적으로 하는 소규모 인공함양(Artificial Recharge) 지하저수지 설치를 위한 적지선정 기법을 모색한다. 먼저 수리모델 실험결과 다양한 인자에 부응하는 적지 후보지 형상을 정의하고, 주입과 양수모델링 실험을 수행하여 적합한 양수효율을 산정하였다. 다음으로는 최적 후보지 선정을 위하여 각종 지형공간정보를 처리하여 GIS(Geographic Information System) DB를 구축하였다. 구체적으로 설명하면, 5m 격자의 DEM(Digital Elevation Model)으로부터 유역분할 영상을 생성하여 적지의 최소단위로 정의하며 경사도를 이용하여 일정기간의 대수층저류 기간을 확보하기 위한 적정 수두구배를 결정한다. 최종적으로 유역 분할 영상과 경사도, 정사영상 및 DEM 자료 등을 종합 이용하여 최적 형상에 준하는 영역을 인공함양의 최종 후보지로 선정한다.
본 연구는 건기에 1일 50ton 규모의 지하수 양수를 목적으로 하는 소규모 인공함양(Artificial Recharge) 지하저수지 설치를 위한 적지선정 기법을 모색한다. 먼저 수리모델 실험결과 다양한 인자에 부응하는 적지 후보지 형상을 정의하고, 주입과 양수모델링 실험을 수행하여 적합한 양수효율을 산정하였다. 다음으로는 최적 후보지 선정을 위하여 각종 지형공간정보를 처리하여 GIS(Geographic Information System) DB를 구축하였다. 구체적으로 설명하면, 5m 격자의 DEM(Digital Elevation Model)으로부터 유역분할 영상을 생성하여 적지의 최소단위로 정의하며 경사도를 이용하여 일정기간의 대수층 저류 기간을 확보하기 위한 적정 수두구배를 결정한다. 최종적으로 유역 분할 영상과 경사도, 정사영상 및 DEM 자료 등을 종합 이용하여 최적 형상에 준하는 영역을 인공함양의 최종 후보지로 선정한다.
This study aims to select an optimal site for the development of small-scaled artificial ground water recharge system with the purpose of 50ton/day pumping in dry season. First of all, the topography shape satisfying the numerous factors of a hydraulic model experiment is defined and an appropriate ...
This study aims to select an optimal site for the development of small-scaled artificial ground water recharge system with the purpose of 50ton/day pumping in dry season. First of all, the topography shape satisfying the numerous factors of a hydraulic model experiment is defined and an appropriate pumping efficiency is calculated through the model experiment of injection and pumping scenario. In next step, GIS(Geographic Information System) database are constructed by processing several geospatial data to explore the optimal site. In detail, watershed images are generated from DEM(Digital Elevation Model) with 5m cell size, which is set for the minimum area of the optimal site selection. Slope maps are made from DEM to determine the optimal hydraulic gradient to procure the proper aquifer undercurrent period. Finally, the suitable site for artificial recharge system is selected using an integration of overall data, such as an alluvial map, DEM, orthoimages, slope map, and watershed images.
This study aims to select an optimal site for the development of small-scaled artificial ground water recharge system with the purpose of 50ton/day pumping in dry season. First of all, the topography shape satisfying the numerous factors of a hydraulic model experiment is defined and an appropriate pumping efficiency is calculated through the model experiment of injection and pumping scenario. In next step, GIS(Geographic Information System) database are constructed by processing several geospatial data to explore the optimal site. In detail, watershed images are generated from DEM(Digital Elevation Model) with 5m cell size, which is set for the minimum area of the optimal site selection. Slope maps are made from DEM to determine the optimal hydraulic gradient to procure the proper aquifer undercurrent period. Finally, the suitable site for artificial recharge system is selected using an integration of overall data, such as an alluvial map, DEM, orthoimages, slope map, and watershed images.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
또한 현재 전 세계적으로도 광범위한 지역을 대상으로 세밀한 지형자료를 구축하여 자동화기법으로 적지를 선정하는 기술이 존재하지 않는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 대상지역을 비교적 소규모 지역인 경남 고성군으로 제한하여 적지선정 기법을 적용하고자 한다. 연구대상 지역인 고성군은 Fig.
따라서 세 지역 중 급수 현황이 가장 낮은 지역을 인공함양의 우선지역으로 선별하기 위해 고성군 상수도 보급 현황과 인구 통계 자료를 기반으로 1인당 급수 현황을 조사하였다. Fig.
본 연구에서는 다수의 수리 수문 인자와 GIS 자료를 이용하여 지하수 인공함양에 유리한 지역을 선정하는 것을 목적으로 하였다. 우선 인공함양 수리모형을 토대로 지형학적으로 인공함양에 유리한 형상을 정의하였다.
가설 설정
상류와 하류의 지하수면 차이가 크면, 지하저수지에 저장되어야할 지하수가 상대적으로 빠른 유동속도로 인해 하류방향으로 흘러 지하저수지에 저장될 가능성이 낮아지게 된다. 따라서 지하수 저수지는 상·하류간의 지하수면 차가 작을수록 유리하므로 지하수면과 유사하게 분포하는 지면경사 또한 작을수록 지하저수지 적지가 될 수 있다고 가정하였다. 일반적으로 지하수면의 경사는 지형경사보다 작으므로, 고성지역의 지형경사와 지질도에 기재된 충적층간의 관계를 살펴본 결과, 지형경사 2° 이상인 경우는 구릉지나 산지에 해당되어 지하저수지 적지에 대한 지형경사 조건은 2° 이하로 설정하였다.
제안 방법
우선 정의된 인공함양 수리 모델을 기반으로 유역 폭과 길이, 수두구배 및 대수층 두께를 변경하여 최적의 유역 형상을 정의하였다. 그 후 P0을 자연 상태의 양수량으로, P1을 주입을 통한 양수량으로 설정하여 주입과 양수 실험을 반복 수행하였다. 그 결과 폭이 좁고 길이 긴 유역 (W=40m, a-a’=3, 000m)에 대해 Fig.
우선 인공함양 수리모형을 토대로 지형학적으로 인공함양에 유리한 형상을 정의하였다. 수리모형 실험을 통해 삼면이 닫힌 형상이고 길이가 길며 폭이 좁은 지형이 인공함양에 적합하다는 결과를 도출할 수 있었으며, 충적층 분포도, DEM, Watershed 분할 영상, 경사도 및 토양도를 이용하여 이에 준하는 영역을 탐색하였다. 충적층의 경우 폭이 좁고 길이가 긴 지역을 선별하여 1차 후보지역으로 분류하였으며 경사도를 이용, 수두구배가 2° 이하인 영역을 중첩하여 재분류하였다.
4와 같이 주입을 시행한 경우에 양수의 효율을 산정하였다. 우선 정의된 인공함양 수리 모델을 기반으로 유역 폭과 길이, 수두구배 및 대수층 두께를 변경하여 최적의 유역 형상을 정의하였다. 그 후 P0을 자연 상태의 양수량으로, P1을 주입을 통한 양수량으로 설정하여 주입과 양수 실험을 반복 수행하였다.
일반적으로 지하수면의 경사는 지형경사보다 작으므로, 고성지역의 지형경사와 지질도에 기재된 충적층간의 관계를 살펴본 결과, 지형경사 2° 이상인 경우는 구릉지나 산지에 해당되어 지하저수지 적지에 대한 지형경사 조건은 2° 이하로 설정하였다. 이를 위해 DEM 으로부터 2° 이하의 지면 경사를 가지는 영역을 탐색하기 위해 경사도를 생성하였다. 경사도는 aspect map으로도 불리며, 일반적으로 특정 영역에 대한 높이 변화율을 나타내는 것으로 포인트 대신 특정 영역에 대해 일정한 경사 값을 부여한다.
충적층의 경우 폭이 좁고 길이가 긴 지역을 선별하여 1차 후보지역으로 분류하였으며 경사도를 이용, 수두구배가 2° 이하인 영역을 중첩하여 재분류하였다. 이후 DEM을 이용하여 해당 지역의 지형정보를 확인할 수 있었으며, 토양도는 삼면이 닫힌 형상을 확인하는데 이용하였다. Watershed 분할 영상은 인공함양 후보지를 결정하는 최소 지역 단위로 활용되며, Watershed 분할 영상, DEM, 충적 분포도를 중첩하여 인공함양에 유리한 영역을 시각적으로 표현하였다.
14는 해당 지역에 대한 정사영상이다. 인공함양은 지형학적으로 충적층 기반의 지형에서 이루어져야 하므로 수리모형 실험 결과와 일치하는 조건을 가진 영역을 고성군 충적분포도로부터 확인하고 다수의 후보지를 선정하여 그 길이와 폭 등을 정량적으로 계산하였다. 충적층은 주로 논, 밭으로 활용되며 주로 계곡을 따라 발달하였으므로 DEM 및 Watershed 분할 영상을 중첩하여 이를 표시하였다.
즉 지하수 흐름이 발생하는 경로의 길이와 폭, 대수층 두께를 기본 인자로 하여 인공함양 설비가 설치될 유역의 지형 형상을 정의하고, 다음 단계에서는 이를 토대로 주입과 양수를 위한 모의실험을 수행하였다. 인공함양의 효과는 주입이 없는 일반적인 상태의 양수량에 비해 인공적인 함양이 이루어진 이후의 양수량의 증가로 표현될 수 있으며 이러한 효율을 결정짓는 요소를 판별하기 위해 상기 인자 중 지하수 전달능력을 결정하는 대수층의 수리전도도 및 형상과 관련된 폭을 변화시키며 모의실험을 수행하였다. 이때 사용된 수리지질 인자들의 기본 값은 고성지역지하수기초조사(Jeong et al.
2와 같은 조건으로 수행하였다. 즉 지하수 흐름이 발생하는 경로의 길이와 폭, 대수층 두께를 기본 인자로 하여 인공함양 설비가 설치될 유역의 지형 형상을 정의하고, 다음 단계에서는 이를 토대로 주입과 양수를 위한 모의실험을 수행하였다. 인공함양의 효과는 주입이 없는 일반적인 상태의 양수량에 비해 인공적인 함양이 이루어진 이후의 양수량의 증가로 표현될 수 있으며 이러한 효율을 결정짓는 요소를 판별하기 위해 상기 인자 중 지하수 전달능력을 결정하는 대수층의 수리전도도 및 형상과 관련된 폭을 변화시키며 모의실험을 수행하였다.
인공함양은 지형학적으로 충적층 기반의 지형에서 이루어져야 하므로 수리모형 실험 결과와 일치하는 조건을 가진 영역을 고성군 충적분포도로부터 확인하고 다수의 후보지를 선정하여 그 길이와 폭 등을 정량적으로 계산하였다. 충적층은 주로 논, 밭으로 활용되며 주로 계곡을 따라 발달하였으므로 DEM 및 Watershed 분할 영상을 중첩하여 이를 표시하였다.
수리모형 실험을 통해 삼면이 닫힌 형상이고 길이가 길며 폭이 좁은 지형이 인공함양에 적합하다는 결과를 도출할 수 있었으며, 충적층 분포도, DEM, Watershed 분할 영상, 경사도 및 토양도를 이용하여 이에 준하는 영역을 탐색하였다. 충적층의 경우 폭이 좁고 길이가 긴 지역을 선별하여 1차 후보지역으로 분류하였으며 경사도를 이용, 수두구배가 2° 이하인 영역을 중첩하여 재분류하였다. 이후 DEM을 이용하여 해당 지역의 지형정보를 확인할 수 있었으며, 토양도는 삼면이 닫힌 형상을 확인하는데 이용하였다.
폭이 좁고 길이가 길며 삼면이 닫힌 형상을 가지는 영역을 대상으로 충적층 분포도, Watershed 분할영상, 경사도 및 토양도 등을 이용하여 수리모형과 지형학적 조건을 모두 만족하는 지역을 탐색하였다. 이를 통해 Fig.
대상 데이터
분할 파라미터는 고성군 또는 리 단위 행정 경계에 접하는 결과를 최적치로 산정하였다. 우선 고성군 1:5000 수치지형도 111 도엽에 대해 Fig. 8과 같이 DEM을 추출하였다. 추출된 DEM 으로부터 Fig.
등을 이용하여 수리모형과 지형학적 조건을 모두 만족하는 지역을 탐색하였다. 이를 통해 Fig. 15와 같이 고성군 개천면 북평리, 영현면 봉발리 및 하이면 와룡리의 3개 후보지를 선정하였다. 이들 후보지들에 대한 지형적 특성을 요약하여 설명하면 Table 2와 같다.
Watershed 분할을 통해 강우 및 지표의 수원이 모이는 최소 단위인 유역을 설정하고 분할된 유역을 기준으로 충적층이 계곡을 따라 발달한 지역을 인공함양 후보지 우선순위로 정의하였다. 이후 고성군 일대 해당 조건을 만족하는 지형을 탐색하였으며, 다수의 후보지를 선정하였다. 한편 고성군의 1인당 급수현황을 토대로 선정된 후보지 중 급수현황이 가장 나쁜 지역을 최종 후보지로 결정하였으며, 향후 과제로 선정된 후보지에 대해 현장 조사를 통한 시료 채취를 통해 주입 대비 양수 시나리오의 실험 결과에 준하는 실제 인공함양 양수 실험을 수행하여 최종적인 인공함양 적지선정 절차의 검증이 필요하다.
데이터처리
경사도는 aspect map으로도 불리며, 일반적으로 특정 영역에 대한 높이 변화율을 나타내는 것으로 포인트 대신 특정 영역에 대해 일정한 경사 값을 부여한다. DEM상의 각 cell과 이웃하는 화소간의 최대 변화율을 산정하여 경사를 구하는 원리를 적용하는 ArcGIS의 3D Analyst 의 slope 함수를 이용하여 생성하였고, 결과는 Fig. 11과 같다.
성능/효과
그 후 P0을 자연 상태의 양수량으로, P1을 주입을 통한 양수량으로 설정하여 주입과 양수 실험을 반복 수행하였다. 그 결과 폭이 좁고 길이 긴 유역 (W=40m, a-a’=3, 000m)에 대해 Fig. 5와 같이 최대 30% 정도의 양수량이 증가한 것으로 확인 되었다.
주입과 양수 모델링을 수행한 결과 특정 지형조건에서 주입 대비 양수량이 최대로 나타남을 알 수 있었다. 이러한 지형적 조건은 Fig.
6와 같이 길이가 길고 폭이 좁으며 삼면이 막혀 있는 닫힌 형상의 구조를 가질 경우 인공함양 시 양수량이 최대가 되어 인공함양 설비구축 시 우선적으로 고려되어야 할 사항이다. 즉, 일정 유역이 형성되고 능선과 계곡 사이의 삼면은 암반으로 둘러 싸여 있으며, 계곡을 따라 지하수 흐름 경로가 있을 경우 그 사이 인공함양 설비가 설치되면 주입 대비 양수의 효율이 최대가 됨을 수리 모델링 결과를 통해 확인할 수 있었다.
후속연구
이와 별도로 연구대상지인 고성군의 1인당 급수 현황을 조사하여 수원의 공급이 원활하지 않는 지역을 나타내었으며, GIS 자료를 이용하여 선정한 세 후보지중 한 곳을 선정할 수 있었다. 결론적으로 다수의 GIS 자료를 활용하여 지하수 인공함양에 유리한 지역을 선정할 수 있었으며 향후 인공함양 설비의 설치에 앞서 인공함양에 유리한 지역을 도면상에서 확인할 수 있을 것으로 기대한다.
이상의 연구는 주로 위성영상을 이용한 광역지역에 대한 지하수 개발과 부존지역 탐색을 위주로 하고 있어 소규모 지하 저수지 인공함양 적지 기법과는 다소 차이가 있다. 따라서 본 연구에서는 인공함양에 유리한 조건을 가지는 지역을 가능한 지형 조건과 GIS 자료를 이용하여 선정하는 방법을 모색하며 향후 인공함양 설비 구축 시 후보지 선정 방안으로 활용될 것으로 기대한다.
이후 고성군 일대 해당 조건을 만족하는 지형을 탐색하였으며, 다수의 후보지를 선정하였다. 한편 고성군의 1인당 급수현황을 토대로 선정된 후보지 중 급수현황이 가장 나쁜 지역을 최종 후보지로 결정하였으며, 향후 과제로 선정된 후보지에 대해 현장 조사를 통한 시료 채취를 통해 주입 대비 양수 시나리오의 실험 결과에 준하는 실제 인공함양 양수 실험을 수행하여 최종적인 인공함양 적지선정 절차의 검증이 필요하다.
12에 나타내었다. 한편, 고성군의 토양도에서 확인한 암석 지역은 수리모형 실험 결과에 준하는 삼면이 닫힌 형상과 일치하는 영역은 연구대상지인 고성군에서는 확인하지 못하였으나 대상지역을 변경할 경우 해당 조건에 부응하는 지역의 존재 유무에 대한 확인이 필요하다.
참고문헌 (14)
Burnett, D. (2011), Use of remote sensing for groundwater mapping in Haiti, Earthzine, New Jersey, http://earthzine.org/2011/11/22/use-of-remote-sensing-for-groundwater-mapping-in-haiti (last date accessed: 15 September 2015).
Bu, S., Song, S., Lee, G., Kim, J., and Kim, H. (2005), A Study on Prevent Seawater Intrusion and Artificial Groundwater Recharge, Research Report, Rural Research Institute, Korea Agriculture and Rural Infrastructure Corporation, Ansan, South Korea, pp. 39-42. (in Korean)
Chaudhary, B. and Kumar, M. (1996), Applications of remote sensing and geographic information systems in ground water investigations in Sohna Block, Gurgaon District, Haryna (India), International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. XXXI, Part B6, pp. 19-22.
Dillon, P. (2005), Future management of aquifer recharge, Hydrogeology Journal, Vol. 13, pp. 313-316.
Djokic, D. (2012), Hydrologic and hydraulic modeling with ArcGIS, ESRI, San Diego, California, http://proceedings.esri.com/library/userconf/proc14/tech-workshops/tw_195.pdf (last date accessed: 15 September 2015).
Jeong, H., Kim, Y., Kim, N., Ahn, Y., Lee, J., Lee, M., Cha, J., Ju, J., Kim, C., Kim, N., Kim, H., Jeong, H., Kim, J., and Kang, W. (2013), Groundwater Basic Investigation in Go-seong Province, Government publications No. 11-1613000-000141-01, Korea Water Resources Corporation, Dae-jun, South Korea, pp. 3-64.
Kim, Y. and Kim, Y. (2009), Groundnwater artificial recharge technique corresponding to climate change, Magazine of Korea Water Resources Association, Vol. 42, No. 5, pp. 58-65. (in Korean)
Kim, Y. and Kim, Y. (2010), A review on the state of the art in the management of aquifer recharge, Journal of the Geological Society of Korea, Vol. 46, No. 5, pp. 521-533. (in Korean with English abstract)
Kim, Y., Kim, Y., Ko, G., and Moon, D. (2008), Jeju-friendly Aquifer Recharge Technology, Presentation Materials at the 7th Jeju Groundwater Symposium, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, 1 April, Jeju, Korea.
Lee, S., Kim, Y., and Won, J. (2006), Groundwater resources potential mapping and its verification using GIS and remote sensing in Pohang city, The Journal of GIS Association of Korea, Vol. 14, No .1, pp. 115-128. (in Korean with English abstract)
Lee, J., Seo, M., and Han, C. (2015), The method of site selection for small-scaled groundwater development using topography factor, Proceedings of 2015 KSGPC Annual Conference, KSGPC, 23-24 April, Masan, South Korea, pp. 277-280.
Park, N. (2012), Aquifer Storage and Water Quality Enhancement, Research Report, Dong-A University, Busan, South Korea, pp. 17-28.
Seo, J., Kim, Y., and Kim, J. (2011), Site prioritization for artificial recharge in Korea using GIS mapping, Journal of Soil and Groundwater Environment, Vol. 16, No. 6, pp. 66-78. (in Korean with English abstract)
Taheri, A. (2008), Site selection for artificial recharging of groundwater by application of geoelectrical method-a case study, Bulletin of the Geological Society of Malaysia, Vol. 54, pp. 63-69.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.