[논문]하천유량에 기여하는 지하수 양수량의 물공급 능력 평가

정일문; 김남원; 이정우; 장선우

doi:10.3741/jkwra.2017.50.12.889

초록
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본 연구에서는 무심천 유역을 대상으로 지표수-지하수 통합해석 모형인 SWAT-MODFLOW를 이용하여 수량이 부족한 하천으로 지하수를 이용한 물공급 방안을 모색하였다. 2011년부터 2015년까지 다양한 모의실험을 수행한 결과 극한가뭄이 도래했던 2015년에 지하수 공급에 의한 월 유출량의 변화는 현 양수시 23%, 최대 양수시에는 68.3%의 증가를 나타냈다. 이를 연간 지하수 함양량으로 산정할 경우 현 이용량을 적용하면 연평균 강수량의 6.2%인 75 mm, 최대 이용량 적용시 연평균 강수량의 24%인 290 mm에 해당하여 연간 안정적인 공급이 가능한 것으로 나타났다. 본 연구는 가뭄에 취약한 지표수자원과 달리 지하수는 하천수 부족시 물공급의 효과적인 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the present study, an integrated SWAT-MODFLOW model was implemented to analyze the method of supplying groundwater abstraction contributing to Musimcheon stream. Various simulations of supply of groundwater to streamflow with current and maximum groundwater abstraction have been explored for 5 ye...

In the present study, an integrated SWAT-MODFLOW model was implemented to analyze the method of supplying groundwater abstraction contributing to Musimcheon stream. Various simulations of supply of groundwater to streamflow with current and maximum groundwater abstraction have been explored for 5 years (2011-2015). In 2015, when the severe drought happened, the monthly discharge change rate due to groundwater supply was ranged from 23% in current abstraction to 68% in maximum abstraction. In terms of annual groundwater recharge, these quantities could be applicable recharges ranged from 75 mm (6.2% of annual mean precipitation) to 290 mm (24% of annual mean precipitation) which could be stable annual supply. Since surface water is vulnerable to drought, the water supply using groundwater could be an effective alternative for stream deficiency.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

극한 가뭄으로 인해 하천에 필요유량이 부족할 경우의 대안으로 지하수를 이용한 하천수의 공급방안의 도입이 필요하다. 가뭄과 홍수에 취약한 지표수자원과 달리 지하수는 대규모 저류가 가능하여 물공급의 완충역할이 가능한 것을 본 연구에서 실증하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 무심천 유역에서 지하수를 양수하였을 때 변화하는 지하수위와 하천수위의 차이에 따라 하천으로 유입되는 지하수 유출량의 변화를 고려하였다. 먼저 사용된 지하수가 전량 소모되었다고 가정한 경우에 대해 모의실험을 수행하였다.
본 연구에서는 무심천 유역을 대상으로 지표수-지하수 통합해석 모형을 기반으로 지하수를 이용한 하천으로의 물공급 방안을 살펴보았다. 극한 가뭄으로 인해 하천에 필요유량이 부족할 경우의 대안으로 지하수를 이용한 하천수의 공급방안의 도입이 필요하다.
본 연구에서는 무심천 유역을 대상으로 지하수의 이용이 하천유량에 미치는 영향을 파악하기 위해 양수된 지하수가 하천으로 공급될 때의 효과를 정량화하는 통합 수문모의를 수행하였다.

제안 방법

따라서 현재의 지하수 이용을 순 소모량으로 가정한 경우와 사용된 지하수가 전량 하천으로 회귀된다는 가정하에 하천으로 기여되는 양의 정량적 분석을 시도하였다.
대상지역의 수리지질은 1개의 충적층 및 2개의 투수성 암반층으로 단순화하였으며, 충적층의 경우에는 자유면대수층으로 암반층은 피압/자유면대수층 변환층으로 모델링을 실시하였다.
또한 Chung and Chang (2016)에서 소개된 바와 같이 2009년도의 환경부 토지피복도를 이용하여 토지이용도를 작성하고, 농업과학원의 토양통자료를 이용하여 토양분포도를 작성하였다.
먼저 사용된 지하수가 전량 소모되었다고 가정한 경우에 대해 모의실험을 수행하였다.
모형의 구축은 수치표고모형을 가공하여 100 m격자로 구성하였으며, 지형고도를 반영하여 총 34개의 소유역으로 구분하였다(Fig. 2).
지하수 유동해석을 위해서 격자크기를 100 m로 하여 MODFLOW의 셀을 생성하였고, 경계조건으로 상부에 함양량, 하천셀에 시간종속수두, 유역외는 무흐름 조건을 부여하였다.

대상 데이터

입력자료로서 기온, 풍속, 일사량, 강수량 등의 기상자료는 청주기상대 자료를 이용하였고, 하천유출량 자료는 청주수위표 지점의 관측유량 자료를 이용하였으며 2001년부터 2015년까지의 수문자료를 활용하여 모형을 구축하였다(Chung and Chang, 2016).

이론/모형

이를 위해 공간적으로 분포된 지하수 양수량 해석과 하천으로의 물이동 해석이 가능한 지표수-지하수 통합 수문모형인 SWAT-MODFLOW (Kim et al., 2008)을 이용하였다.

성능/효과

반면 양수된 지하수가 하천으로 유출될 경우는 그 양이 일정하게 하천으로 공급됨에 따라 현 이용량을 적용하면 연평균 75 mm, 최대 이용량 적용시 연평균 290 mm까지 공급이 가능한 것으로 나타났다.
1) 2011년부터 2015년까지 모의실험을 수행한 결과 현 양수량을 하천으로 공급하는 경우 월유출량 대비 물공급으로 인한 유출량의 변화율은 최소 2.5%에서 최대 34.2%로 나타났으며 특히 강수량이 부족했던2015년에는 평균 23% (최소 13%에서 최대 32%)의 증가를 나타냈다. 최대양수시의 월유출량 대비 물공급으로 인한 유출량의 변화율은 최소 7.
2) 무심천 유역에서 2011년부터 5년간 강수량은 지속적으로 감소하였으며 그에 따라 지하수 함양량도 감소하여 2011년 468.05 mm에 달하는 함양량이 2015년에는 3.5%에 해당하는 64.7 mm로 심각하게 감소한 것을 볼 수 있다.
3) 지표수와 지하수의 연계운영은 전 세계적으로 활발하게 진행되는 반면 국내에서는 아직까지 본격적인 도입이 미미한 실정이므로 보다 지속가능한 수자원 이용을 위해서 는 적극적이고 창의적인 연계방안의 실천이 필요할 것으로 판단된다.
공급량 대비 연간함양량의 비율을 살펴보면 2011년 16%에서 2015년 111%으로 증가하는 것을 알 수 있으며(Fig. 12), 최대 공급시에는 2011년 61.3%에서 2015년에는 453%로 크게 나타나(Fig. 13) 자연 지하수 공급량에 비해 그 효과가 매우 클 것으로 판단되었다.
7 mm로 심각하게 감소한 것을 볼 수 있다. 반면 양수된 지하수가 하천으로 유출될 경우는 그 양이 일정하게 하천으로 공급됨에 따라 현 이용량을 적용하면 연평균 75 mm, 최대 이용량 적용시 연평균 290 mm까지 공급이 가능한 것으로 나타났다.

후속연구

4) 본 연구에서는 양수된 지하수량의 전량 이동을 고려하였으나 실제로는 양수된 지하수의 실제 회귀수량에 대한 평가와 회귀되는 시간 등에 대해서는 후속 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 사용한 SWAT-MODFLOW 모형은 어떤 모형인가?	본 연구에서 사용한 SWAT-MODFLOW 모형(Kim et al., 2008)은 SWAT (Soil and Water Assessment Tool)모형(Arnold and Fohrer, 2005)의 지하수 부분을 3차원 지하수 유동모형인 MODFLOW (McDonald and Harbaugh, 1988)로 대체시키고 지표수 수문성분과 지하수 유동을 연계시킨 유역단위의 지표수-지하수 통합모형이다(Fig. 1).
	지하수-지표수 상호작용은 어떻게 일어날 수 있는가?	가뭄과 홍수에 취약한 지표수자원과 달리 지하수는 대규모 저류가 가능하여 물공급의 완충역할이 가능하다. 또한 평상시 하천수량의 일부를 취수하여 대수층에 함양시키게 되면 보다 장기적인 활용이 가능하며 건기에 높아진 지하수위가 하천으로의 물공급을 지원하는 상호 이익을 도모할 수 있다. 따라서 수자원의 효율적 관리와 지하수의 지속적인 유지를 위해서는 지하수-지표수 상호작용의 기본 원리를 이해하고 지형, 기후 및 지질특성을 고려한 지역적인 지하수-지표수 연계 특성 연구가 필요하다(Moon et al.
	지하수가 지표수자원과 비교하였을 때, 가지는 이점은?	지표수와 지하수는 연결된 수자원이며 지표수-지하수 상호작용은 연속적으로 이루어지기 때문에 지속적인 모니터링과 동적인 분석을 통해 통합관리될 수 있기 때문이다. 가뭄과 홍수에 취약한 지표수자원과 달리 지하수는 대규모 저류가 가능하여 물공급의 완충역할이 가능하다. 또한 평상시 하천수량의 일부를 취수하여 대수층에 함양시키게 되면 보다 장기적인 활용이 가능하며 건기에 높아진 지하수위가 하천으로의 물공급을 지원하는 상호 이익을 도모할 수 있다.

참고문헌 (14)

Arnold, J. G., and Fohrer, N. (2005). "SWAT2000: Current capabilities and research opportunities in applied watershed modeling." Hydrological Processes, Vol. 19, No. 3, pp. 563-572.

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Chung, I. M., and Chang, S. W. (2016). "Analysis and evaluation of hydrological components in a water curtain cultivation site." Journal of Korean Water Resources Association, Vol. 49, No. 9, pp. 731-740 (in Korean with English abstract).
Chungcheong daily (2015). http://m.ccdailynews.com/news/articleView.html?idxno825676.
Kim, H. S., Kim, H. S., Jeon, G. I., and Kang, S. W. (2016). "Evaluation of drought (2014-2015)." Magazine of Korean Water Resources Association, Vol. 49, No. 6, pp. 61-75. (in Korean).

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Kim, N. W., Chung, I. M., Kim, C., Lee, J., and Lee., J. E. (2009). "Development and applications of SWAT-K (Korea)." In: Soil and Water Assessment Tool (SWAT) Global Applications (Eds. J. Arnold et al.), Special Publication No. 4, World Association of Soil and Water Conservation, Bangkok, Thailand.
Kim, N. W., Chung, I. M., Won, Y. S., and Arnold, J. G. (2008). "Development and application of the integrated SWATMODFLOW model." Journal of Hydrology, Vol. 356, pp. 1-16.

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Kim, N. W., Lee, J., Chung, I. M., and Lee, M. H. (2013). "Combined effects of groundwater abstraction and irrigation reservoir on streamflow." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 46, No. 7, pp. 719-733 (in Korean with English abstract).

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Krause, S., Bronstert, A., and Zehe, E. (2007). "Groundwater-surface water interactions in a North German lowland floodplain implications for the river discharge dynamics and riparianwater balance." Journal of Hydrology Vol. 347, No. 34, pp. 404-417.

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Lee, J., Kim, N. W., Chung, I. M., and Cha, J. H. (2015) "Assessment of effects of groundwater pumping from deep aquifer on streamflow depletion." Journal of Korean Water Resources Association, Vol. 48, No. 9, pp. 769-779. (in Korean with English abstract)

원문보기 상세보기
McDonald, M. G., and Harbaugh., A. W. (1988). A modular threedimensional finite-difference ground-water flow model. U.S. Geological Survey Techniques in Water Resources Investigations Report Book 6, Chapter A1, 528.
Moon S., Kim, Y., Jeong, Y., and Hwang, J., 2016. "Groundwaterstream water interaction induced by water curtain cultivation activity in Sangdae-ri area of Cheongju, Korea." Economic and Environmental Geology, Vol. 49, No. 2, pp.105-120 (in Korean with English abstract).

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Rassam, D. W. (2011) "A conceptual framework for incorporating surfaceegroundwater interactions into a river operatione planning model." Environmental Modelling and Software, Vol. 26, pp. 1554-1567

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Won, K. J., and Chung, E. S. (2016). "Drought analysis of Cheongmicheon watershed using meteorological, agricultural and hydrological drought indices." Journal of Korean Water Resources Association, Vol. 49, No. 6, pp. 509-518 (in Korean with English abstract).

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Wu, G., Shu, L. C., Lu, X., Chen, X., Zhang, X., Appiah-Adjei, E. K., and Zhu, J. (2015). "Variations of streambed vertical hydraulic conductivity before and after a flood season." Hydrogeology Journal, Vol. 23, No. 7, pp. 1603-1615.

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