[논문]계절양수가 하천건천화에 미치는 영향

이현주; 구민호; 임진실; 유병호; 김용철

doi:10.7857/jsge.2016.21.1.061

문제 정의

국내의 하천건천화는 주로 지하수의 무분별한 사용에 의해 발생할 것으로 예상되지만, 지하수 사용이 하천건천화에 미치는 영향을 정량적으로 평가한 연구는 아직 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 지하수 모델링 기법을 이용하여 국내 수변지역 충적 대수층에서의 하천-대수층 상호작용을 살펴보았으며, 수막재배와 같이 특정 계절에 지하수 이용이 집중되는 계절 양수가 하천 건천화에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다.
하지만 국토의 대부분이 산악지대인 국내의 경우, 대수층의 규모가 제한적이며 충적층과 암반층으로 구성된 이층구조로 되어 있어 보고된 SDR 변화를 적용하기에 어려움이 있다. 따라서 실제 국내 하천변 대수층을 고려하여 개발한 위의 개념 모델에서 하천과 우물 사이 거리에 따른 SDR 변화를 살펴보았다. 충적층의 비산출률과 수리 전도도는 각각 0.
즉, 하상 퇴적물은 하천과 대수층의 수리적 연결성에 영향을 주며, 이에 따라 양수 시 하천 건천화 정도가 달라진다. 따라서 양수시 하상 퇴적물이 하천건천화에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 하상 퇴적물의 전도계수에 따른 SDR을 비교하였다. 이를 위해하천은 하천경계조건으로 설정하고 구례지역의 시계열 자료를 입력하였으며, 하상 퇴적물의 전도계수는 0.
이는 모델의 초기조건이 갖는 불확실성을 줄이기 위해 모사 과정에서 주기성을 갖는 함양률의 시계열 자료를 수년 동안 되풀이하여 지하수위 변동이 1년 주기로 동일하게 반복되도록 하는 방법이다(Koo and Lee, 2002).본 연구에서는 10 년 동안의 지하수 흐름을 모사하여 동적인 평형 상태에 도달하도록 하였으며, 이때 계산된 지하수 유출량 변화와 하천수 유입량 변화를 살펴보았다.

가설 설정

격자의 크기는 10m×10m 이며, 격자망은 200행, 200열, 2층으로 총 80, 000개의 격자로 구성하였다. 2개의 층으로 구성된 균질, 등방성의 자유면 대수층을 가정하였으며, 하천은 상부층 모델 영역의 동쪽 끝단에 위치하며 ₋2m의 수위를 갖는 일정수두경계 (constant head boundary)로 설정하였다. 충적대수층의 경우, 실제 국내 하천변대수층을 고려하여 하천 부근에는 두껍게 발달하고, 하천에서 멀어질수록 선형적으로 얇아지는 것으로 가정하였다.
2개의 층으로 구성된 균질, 등방성의 자유면 대수층을 가정하였으며, 하천은 상부층 모델 영역의 동쪽 끝단에 위치하며 ₋2m의 수위를 갖는 일정수두경계 (constant head boundary)로 설정하였다. 충적대수층의 경우, 실제 국내 하천변대수층을 고려하여 하천 부근에는 두껍게 발달하고, 하천에서 멀어질수록 선형적으로 얇아지는 것으로 가정하였다. 또한 산악지대가 많은 국내의 지형을 고려하여 하천에서 1km 이상 떨어진 곳과 하부층은 암반층으로 설정하였다.
한편, 강수에 의한 지하수 함양률의 시간적 변화는 비포화대의 매질 특성, 지하수면의심도, 지표면의 기복 등에 의해 다양한 양상을 보일 수 있으나, 강수량의 일정 비율(10%)이 함양되는 것으로 가정하여 함양 모델을 단순화하였다(Koo and Lee, 2002).이 때 강수량의 계절적 변화를 모델에 반영하기 위하여 섬진강 일대 구례 2 관측소에서 2010년에 관측된 강수량 자료를 사용하였다.

제안 방법

6은 계절양수 시 SDF가 SDR에 미치는 영향을 보여주는 그림이다. 10년 동안의 지하수 흐름 모의 결과로부터 계산된 지하수 유출량 감소분과 하천수 유입량 증가분을 이용하여 SDR을 계산하였다. 양수기간 내 SDR 변화를 살펴보면, SDF가 작은 경우에 계절양수의 영향이 하천에 빠르게 반영되었으며, 이때 최댓값은 약 0.
계절 양수가 하천-대수층 상호작용에 미치는 영향을 알아보기 위해 Visual MODFLOW를 이용하여 국내 하천변 충적대수층을 단순화한 모델을 개발하였다. Fig.
우물을 하천으로부터 200, 800m 떨어진 곳에 각각 설치하였으며, 이를 통해 계산된 SDF 는 각각 100, 1600days이다. 관개회귀 수량은 양수동안만 적용하였으며, 관개 회귀율은 0, 10, 30, 50, 70%로 변화시켰다.
SDRe 양수로 인해 발생하는 하천 수량의 감소를 수치적으로 나타내지만, 하나의 값으로 제시되기 때문에 계절 양수가 하천-대수층 상호작용에 미치는 영향을 각 요소별로 설명하기에는 미흡하다. 따라서 SDR을 두 성분으로 구분하여 분석하였다. Fig.
, 2015). 따라서 관개회귀 수량이 SDR에 미치는 영향을 분석하였다. 우물을 하천으로부터 200, 800m 떨어진 곳에 각각 설치하였으며, 이를 통해 계산된 SDF 는 각각 100, 1600days이다.
4개월 동안 지속적으로 양수할 경우와 12시간 단위로 양수, 중단을 반복할 경우의 SDR을 비교한 결과, SDR의 연변화는 동일하게 나타났다. 따라서 모델의 단순화를 위하여 중단 없이 120일 동안 지속적으로 양수하는 것으로 설정하였다.
이때 지하수 함양은 지하수 유출과 함께 대수층의 평형 상태를 유지시켜주는 중요한 과정 중 하나로서, 계절 양수에 의한 하천수유량 변화를 분석할 때 둘 사이의 관계는 중요하다. 따라서 양수 전 하천-대수층 상호작용을 모사하여 강수에 의한 지하수 함양 및 하천 수위 변동에 따른 지하수 유출량 및 지하수저유량 변화를 분석하였다. 하천수위는 구례 2 관측소에서 2010년에 관측된 수위자료를 사용하였다.
이에 따라암반층에서의 지하수양수가 하천 건천화에 미치는 영향에 대한 연구가 필요하지만 아직 미흡한 상황이다. 따라서 양수정 스크린이 암반층에 설치된 경우 암반층의 수리 전도도에 따른 SDR을 비교하였다. 또한 암반층과 충적층 사이의 연결성이 SDR에 미치는 영향도 평가하였다.
따라서 양수정 스크린이 암반층에 설치된 경우 암반층의 수리 전도도에 따른 SDR을 비교하였다. 또한 암반층과 충적층 사이의 연결성이 SDR에 미치는 영향도 평가하였다.
지속적인 수자원 확보를 위해하천-대수층 상호작용에 대한 연구가 활발히 수행되고 있지만, 지하수 사용이 하천 건천화에 미치는 영향을 정량적으로 평가한 연구는 아직 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 지하수 모델링 기법을 이용하여 계절 양수가 하천-대수층 상호작용에 미치는 영향을 분석하였으며, 도출된 결과를 요약하면 다음과 같다.
따라서 관개회귀 수량이 SDR에 미치는 영향을 분석하였다. 우물을 하천으로부터 200, 800m 떨어진 곳에 각각 설치하였으며, 이를 통해 계산된 SDF 는 각각 100, 1600days이다. 관개회귀 수량은 양수동안만 적용하였으며, 관개 회귀율은 0, 10, 30, 50, 70%로 변화시켰다.
존재한다. 이러한 연유로 본 연구에서는 양수에 의한 수위 강하가 거의 발생하지 않는 하천 인근 지점의 포화대 두께를 이용하여 SDF를 근사적으로 계산하였다.
따라서 양수시 하상 퇴적물이 하천건천화에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 하상 퇴적물의 전도계수에 따른 SDR을 비교하였다. 이를 위해하천은 하천경계조건으로 설정하고 구례지역의 시계열 자료를 입력하였으며, 하상 퇴적물의 전도계수는 0.1, 1, 10 m2/day로 바꾸어 각각의 경우를 모의하였다.
2월 사이 약 4개월 동안 집중된다. 이와 같은 지하수 이용량의 계절적 집중성이 하천 건천화에 미치는 영향을 평가하기 위하여 동절기 120일 동안에는 양수를 시행하였으며, 나머지 245일 동안에는 양수를 중단하였다. 양수정은 하천으로부터 200m 떨어진 곳에 설치하였으며, 양수량은 100m³/day로 설정하였다.
01의 기울기를 갖도록 설정하였다. 충적층과 암반층의 수리 전도도는 5, 0.5m/day를 기본 값으로 설정하였으며, 각 층의 비산출률은 0.1과 0.01, 비저유계수는 0.0001m⁻¹로 동일하게 설정하였다.
따라서 실제 국내 하천변 대수층을 고려하여 개발한 위의 개념 모델에서 하천과 우물 사이 거리에 따른 SDR 변화를 살펴보았다. 충적층의 비산출률과 수리 전도도는 각각 0.1과 5m/day로 설정하였다. 강수에 의한 지하수 함양은 SDR의 연 변화에 크게 영향을 주지 않아 모델의 단순화를 위해 설정하지 않았다.
따라서 투수성이 상대적으로 낮은 층에서 양수할 경우, 그 층의 수리전도도가 SDR 변화에 미치는 영향은 매우 미미한 것으로 분석되었다. 한편, 암반층과 충적층 사이의 연결성이 SDR에 미치는 영향을 살펴보기 위하여, 수직방향의 수리전도도를 0.0005, 0.05m/day로 설정하여 SDR을 비교하였다 (Fig. 10b).그 결과, 수직 방향의 수리전도도에 따라 SDR 변화폭이 크게 달라지는 것으로 나타났다.

대상 데이터

모델 영역은 2km×2km의 정사각형 모양으로 설정하였다. 격자의 크기는 10m×10m 이며, 격자망은 200행, 200열, 2층으로 총 80, 000개의 격자로 구성하였다. 2개의 층으로 구성된 균질, 등방성의 자유면 대수층을 가정하였으며, 하천은 상부층 모델 영역의 동쪽 끝단에 위치하며 ₋2m의 수위를 갖는 일정수두경계 (constant head boundary)로 설정하였다.
3은 수변 지역 충적층에서의 지하수 흐름계를 모의하기 위해 설정한 가상의 개념 모델이다. 모델 영역은 2km×2km의 정사각형 모양으로 설정하였다. 격자의 크기는 10m×10m 이며, 격자망은 200행, 200열, 2층으로 총 80, 000개의 격자로 구성하였다.
and Lee, 2002).이 때 강수량의 계절적 변화를 모델에 반영하기 위하여 섬진강 일대 구례 2 관측소에서 2010년에 관측된 강수량 자료를 사용하였다.
강수에 의한 지하수 함양은 SDR의 연 변화에 크게 영향을 주지 않아 모델의 단순화를 위해 설정하지 않았다. 하천 수위 변동에 의한 하천-대수층 상호작용을 살펴보기 위하여 구례 2 관측소에서 2010년에 관측된 하천 수위 자료를 모델에서 사용하였다. 우물은 하천으로부터 각각 50, 400m 지점에 설치하였으며, 이때 계산된 SDF는 6.
따라서 양수 전 하천-대수층 상호작용을 모사하여 강수에 의한 지하수 함양 및 하천 수위 변동에 따른 지하수 유출량 및 지하수저유량 변화를 분석하였다. 하천수위는 구례 2 관측소에서 2010년에 관측된 수위자료를 사용하였다.

성능/효과

1) 하천수위 변동 및 강수량의 계절 집중성에 의하여 지하수 유출량과 저유량의 변동성이 크게 나타나 국내 수변 지역 대수층은 하천과 끊임없이 상호작용하는 것으로 확인되었다. 주로 여름철 하천 수위 변동과 강수에 의해 많은 양의 지하수가 함양되었으며, 풍수기를 제외한 대부분의 기간 동안 이득하천의 양상을 보였다.
2) 계절 양수를 반영한 지하수 흐름 모델의 모의 결과는 SDF 및 하상 퇴적물의 전도계수에 따라 SDR과 지하수 저유량의 변화 양상이 크게 달라질 수 있음을 보여주었다. 또한 충적 및 암반층과 같이 다층의 대수층 구조를 갖는 경우, 양수정의 스크린 위치에 관계없이 투수성이 높은 층의 SDF와 층 사이의 연결성이 SDR에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다.
3) 양수정과 동일한 SDF를 갖는 곳에서 인공 함양할 경우, 양수를 할 경우와 동일한 SDR 및 지하수 저 유량 변화를 보일 것으로 예상된다. 지하수 주입시 SDF가 클수록 평형 상태에 도달하는데 오랜 시간이 걸리지만, 주입된 물이 바로 하천으로 유출되지 않아서 지하수 저유량은 보다 많이 증가할 것이다.
4) 국내 시설 재배지에서 양수량의 50% 이상이 하천으로 되돌아가는 것을 고려하면 계절 양수는 오히려 건기에 하천 유량을 증가시킬 수 있는 것으로 분석되었다. 하지만 SDF가 작으면 SDR의 변화가 커서 양수 초기에 일시적으로 하천유량이 증가하고, 시간이 경과하면서 점차 하천 유량이 감소하는 것으로 나타났다.
새벽까지 약 12시간 동안 지하수를 양수하고 낮에는 양수를 중단한다. 4개월 동안 지속적으로 양수할 경우와 12시간 단위로 양수, 중단을 반복할 경우의 SDR을 비교한 결과, SDR의 연변화는 동일하게 나타났다. 따라서 모델의 단순화를 위하여 중단 없이 120일 동안 지속적으로 양수하는 것으로 설정하였다.
양수가 중단된 후 SDR 변화를 살펴보면, SDF가 작은 경우에 지하수 유출량이 양수전으로 빠르게 회복되어 낮은 SDR 을 보였다. SDF가 크면 계절 양수의 잔류 영향으로 지하수유출이 서서히 감소하여 SDF가 작은 경우에 비해 비교적 높은 SDR을 보였다. 또한 SDF가 크면 시간 지연이 발생하여 양수 중단 후에도 일정 기간 SDR이 상승하였다.
또한 수직 방향의 수리 전도도가 작을수록 동적 평형 상태에 천천히 도달하는 것으로 나타났다. 결론적으로 암반층에서 양수를 하더라도 암반층의 수리 전도도보다는 충적층의 SDF와 암반층과 충적층 사이의 연결성이 중요한 것으로 판단된다.
관개 회귀율이 커질수록 양수동안 SDRe 감소하며, 양수가 중단된 후 SDRe 관개회귀수량을 적용하기 전과 같은 값을 보인다. 관개 회귀율이 50%일 때를 살펴보면 SDF가 작을 경우 (Fig. 11a), 양수기간 동안 SDR 변화가 커서 양수 초반에는 오히려 하천유량이 증가하였지만, 점차 양수의 영향이 커지면서 하천유량이 감소하는 것으로 나타났다. 한편, SDF가 클 경우(Fig.
10b).그 결과, 수직 방향의 수리전도도에 따라 SDR 변화폭이 크게 달라지는 것으로 나타났다. 암반층과 충적층 사이의 연결성이 낮을 경우, 하천과 암반층 사이의 물교환이 원활하지 못하여 SDR이 민감하게 반응하지 않았으며, 시간 지연도 발생하지 않았다.
이는 우물이 하천에서 멀어지면 양수시 지하수 유출량 감소 및 하천수 유입에 의한 물의 공급이 느려져서 우물 주변의 지하수를 주로 사용하기 때문에 발생한 결과이다. 따라서 SDF가 큰 곳, 즉 하천으로부터 이격거리가 큰 지역에서의 우물 양수는 대수층의 지하수 저유량을 크게 감소시키며, 결과적으로 지하수 고갈을 초래할 가능성이 높다.
이는 하천이 주로 투수성이 높은 충적층과 연결되어 상호작용하기 때문에 발생한 결과로써, 투수성이 높은 층의 수리상수가 SDR에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다. 따라서 투수성이 상대적으로 낮은 층에서 양수할 경우, 그 층의 수리전도도가 SDR 변화에 미치는 영향은 매우 미미한 것으로 분석되었다. 한편, 암반층과 충적층 사이의 연결성이 SDR에 미치는 영향을 살펴보기 위하여, 수직방향의 수리전도도를 0.
지하수 저 유량 변화는 하 천수위 변동보다 강수 함양에 더 큰 영향을 받았지만, 하천수위 변동에 의해서도 비교적 많은 양의 물을 공급받는 것으로 분석되었다. 또한 대수층은 주로 풍수기 때 하천 수위 변동과 강수 함양을 통해 많은 양의 물을 공급받는 것으로 나타났다.
암반층과 충적층 사이의 연결성이 낮을 경우, 하천과 암반층 사이의 물교환이 원활하지 못하여 SDR이 민감하게 반응하지 않았으며, 시간 지연도 발생하지 않았다. 또한 수직 방향의 수리 전도도가 작을수록 동적 평형 상태에 천천히 도달하는 것으로 나타났다. 결론적으로 암반층에서 양수를 하더라도 암반층의 수리 전도도보다는 충적층의 SDF와 암반층과 충적층 사이의 연결성이 중요한 것으로 판단된다.
8a 처럼 빠른 회복을 보이지 않았다. 또한 양수에 의해 유도된 하천수 유입은 없었지만, 하천 수위가 크게 상승하면 하천수가 유입되면서 지하수 유출이 차단되었다. 이때 양수로 인 해 지하수위가 크게 하강하여 SDF가 작은 경우보다 수두 구배가 더 커지기 때문에 하천 수위 변동에 의해 더 많은 양의 하천수가 유입되었다.
또한 충적 및 암반층과 같이 다층의 대수층 구조를 갖는 경우, 양수정의 스크린 위치에 관계없이 투수성이 높은 층의 SDF와 층 사이의 연결성이 SDR에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다. 충적층의 SDF가 클수록, 하상 퇴적물의 전도계수 및 층 사이 연결성이 낮을수록 양수 동안 비교적 낮은 SDR을 보였다.
10은 암반층의 수리전도도(K_h) 및 수직 방향 수리전도도(Kv)에 따른 SDR 변화를 보여주는 그림이다. 암반층에서 양수할 경우 SDR 변화를 살펴본 결과, SDRe 암반층의 수리전도도에 영향을 거의 받지 않았으며, 충적층에서 양수할 때보다 시간 지연도 조금 발생하였다(Fig. 10a). 이는 하천이 주로 투수성이 높은 충적층과 연결되어 상호작용하기 때문에 발생한 결과로써, 투수성이 높은 층의 수리상수가 SDR에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다.
일반적으로 SDF가 큰 곳에서 4개월 양수할 경우, 비교적 연중일정한 SDR 을 보여계절양수 동안 지하수 유출량은 총 양수량의 1/ 3(4개월/12개월) 만큼 감소한다 (Bredehoeft, 2011). 양수가 중단된 후 SDR 변화를 살펴보면, SDF가 작은 경우에 지하수 유출량이 양수전으로 빠르게 회복되어 낮은 SDR 을 보였다. SDF가 크면 계절 양수의 잔류 영향으로 지하수유출이 서서히 감소하여 SDF가 작은 경우에 비해 비교적 높은 SDR을 보였다.
10년 동안의 지하수 흐름 모의 결과로부터 계산된 지하수 유출량 감소분과 하천수 유입량 증가분을 이용하여 SDR을 계산하였다. 양수기간 내 SDR 변화를 살펴보면, SDF가 작은 경우에 계절양수의 영향이 하천에 빠르게 반영되었으며, 이때 최댓값은 약 0.9로 비교적 높은 값을 보여 지하수 유출량 변화가 큰 것으로 분석되었다. 한편, SDF가 크면 양수의 영향이 하천까지 도달하는데 오랜 시간이 걸리기 때문에 SDR의 최댓값은 약 0.
계절양수가 중단된 후에는 지하수 유출량이 비교적 빠르게 초기값으로 회복되었지만 양수의 영향이 조금 남은 상태로 평형을 이루었다. 양수기간에 관계없이 하천 수위가 상승하면 하천수가 유입되면서 지하수 유출이 차단되었으며, 이로 인해 하천수 유입의 급격한 증가와 함께 지하수 유출량 감소분은 급격히 감소하여 0에 가까운 값을 보였다.
하천과 우물 사이의 거리가 멀어 양수시 지하수 유출량은 비교적 서서히 감소하였다. 양수의 영향이 하천까지 미치지 않아 하천수는 유입되지 않았으며, 이로 인해 SDF가 작을 경우와 다르게 지하수 유출량과 하천수 유입량 변화는 불규칙한 변동을 보이지 않았다. 양수가 중단된 이후 지하수 유출량이 점차 회복되었지만, 다음 양수를 시작하기 전까지도 양수의 잔류 영향이 남아 Fig.
5b), 갈수기 지하수저유량은 시간에 따라 전반적으로 감소하였으나, 집중 강우 이후 크게 증가되는 모습을 보였다. 지하수 저 유량 변화는 하 천수위 변동보다 강수 함양에 더 큰 영향을 받았지만, 하천수위 변동에 의해서도 비교적 많은 양의 물을 공급받는 것으로 분석되었다. 또한 대수층은 주로 풍수기 때 하천 수위 변동과 강수 함양을 통해 많은 양의 물을 공급받는 것으로 나타났다.
4a), 하천 수위 변동에 따라 유출량이 변하면서 종종 지하수 흐름 방향까지도 바뀌는 것으로 나타났다. 집중 강우 시 하천 수위가 크게 상승하면 하천수가 대수층으로 유입되었으며, 이후 하천 수위가 다시 하강하면 지하수 유출이 증가하는 양상을 보였다.
또한 충적 및 암반층과 같이 다층의 대수층 구조를 갖는 경우, 양수정의 스크린 위치에 관계없이 투수성이 높은 층의 SDF와 층 사이의 연결성이 SDR에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다. 충적층의 SDF가 클수록, 하상 퇴적물의 전도계수 및 층 사이 연결성이 낮을수록 양수 동안 비교적 낮은 SDR을 보였다. 하지만 양수 중단 후에도 지하수 유출량이 감소하여 높은 SDR을 보였으며, 평형상태에 늦게 도달하여 더 오랜 기간 하천 유량을 감소시키는 것으로 나타났다.
하지만 SDF가 작으면 SDR의 변화가 커서 양수 초기에 일시적으로 하천유량이 증가하고, 시간이 경과하면서 점차 하천 유량이 감소하는 것으로 나타났다. 실제로 동절기 시설재배지 인근 하천에서는 관개회귀 수량에 의해 하천 유량의 일주기 변화가 관측되며, 일부 지역에서는 하천 유량이 동절기에 오히려 증가하는 것으로 보고되고 있다.
충적층의 SDF가 클수록, 하상 퇴적물의 전도계수 및 층 사이 연결성이 낮을수록 양수 동안 비교적 낮은 SDR을 보였다. 하지만 양수 중단 후에도 지하수 유출량이 감소하여 높은 SDR을 보였으며, 평형상태에 늦게 도달하여 더 오랜 기간 하천 유량을 감소시키는 것으로 나타났다. 따라서 수변지역에서 계절양수 시 양수의 영향을 최소화시키기 위해서는 대수층의 수리상수, 하천-대수층 연결성 및 우물위치 등에 대한 종합적인 분석이 요구된다.
11a), 양수기간 동안 SDR 변화가 커서 양수 초반에는 오히려 하천유량이 증가하였지만, 점차 양수의 영향이 커지면서 하천유량이 감소하는 것으로 나타났다. 한편, SDF가 클 경우(Fig. 11b), 양수기간에 관계 없이 연중 유사한 SDR을 보여 50% 이상의 관개회귀율을 적용하면 양수기간 동안 오히려 하천 유량이 증가하고, 양수가 중단된 후 하천유량이 감소하는 것으로 나타났다.

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