기후변화에 따른 해수면 상승으로 인하여 해안지역의 지하수계에 해수침투가 가중된다. 지하수의 염분농도가 증가하면 지하수면 상부의 불포화 토양에서도 염분 농도가 증가할 수 있으며, 이는 농경지에서 작물피해를 일으킬 수 있다. 해수면이 상승함에 따라 내륙의 지하수위도 함께 상승한다. 이는 불포화 토양층의 두께를 감소시켜 해안 저지대의 경작에 피해를 끼칠 수 있다. 본 연구에서 지하수 해수침투는 3차원 모델, 토양 염류화 평가는 연직 1차원 모델을 합성 적용하여 해안 농경지에 대한 해수면 상승 피해를 평가하는 방법을 개발하였다. 3차원 해수침투 모델에서 지하수면의 수위와 농도분포를 계산하고 최상부 절점 중에서 염분 농도가 기준 값 이상인 절점에서 지하수면과 지표면 사이의 토양층에서 연직 1차원 모델링으로 토양층의 염분 농도와 불포화대 두께를 계산하였다. 농경지의 토양 염류화는 작물의 뿌리 심도에서 보통 작물의 생육한계 염분농도를 기준으로 판단하였다. 개발된 모델링 방법을 가상의 간척농경지에 적용하였다. 해수면 상승자료로 IPCC의 RCP 4.5와 8.5 시나리오를 사용하였다. 평가 결과는 2050년과 2100년에 대하여 제시하였다. 연구결과 대상지역에서 기후변화 시나리오 RCP 8.5에서 2100년에는 지하수 염류화 피해 면적은 간척지 육지면적 대비 7.8%, 염류화 토양 면적은 6.0%, 불포화층의 두께가 뿌리심도보다 적은 지역의 면적은 1.6% 증가하는 것으로 분석되었다.
기후변화에 따른 해수면 상승으로 인하여 해안지역의 지하수계에 해수침투가 가중된다. 지하수의 염분농도가 증가하면 지하수면 상부의 불포화 토양에서도 염분 농도가 증가할 수 있으며, 이는 농경지에서 작물피해를 일으킬 수 있다. 해수면이 상승함에 따라 내륙의 지하수위도 함께 상승한다. 이는 불포화 토양층의 두께를 감소시켜 해안 저지대의 경작에 피해를 끼칠 수 있다. 본 연구에서 지하수 해수침투는 3차원 모델, 토양 염류화 평가는 연직 1차원 모델을 합성 적용하여 해안 농경지에 대한 해수면 상승 피해를 평가하는 방법을 개발하였다. 3차원 해수침투 모델에서 지하수면의 수위와 농도분포를 계산하고 최상부 절점 중에서 염분 농도가 기준 값 이상인 절점에서 지하수면과 지표면 사이의 토양층에서 연직 1차원 모델링으로 토양층의 염분 농도와 불포화대 두께를 계산하였다. 농경지의 토양 염류화는 작물의 뿌리 심도에서 보통 작물의 생육한계 염분농도를 기준으로 판단하였다. 개발된 모델링 방법을 가상의 간척농경지에 적용하였다. 해수면 상승자료로 IPCC의 RCP 4.5와 8.5 시나리오를 사용하였다. 평가 결과는 2050년과 2100년에 대하여 제시하였다. 연구결과 대상지역에서 기후변화 시나리오 RCP 8.5에서 2100년에는 지하수 염류화 피해 면적은 간척지 육지면적 대비 7.8%, 염류화 토양 면적은 6.0%, 불포화층의 두께가 뿌리심도보다 적은 지역의 면적은 1.6% 증가하는 것으로 분석되었다.
Sea level rise, accompanied by climate change, is expected to exacerbate seawater intrusion in the coastal groundwater system. As the salinity of saturated groundwater increases, salinity can increase even in the unsaturated soil above the groundwater surface, which may cause crop damage in the agri...
Sea level rise, accompanied by climate change, is expected to exacerbate seawater intrusion in the coastal groundwater system. As the salinity of saturated groundwater increases, salinity can increase even in the unsaturated soil above the groundwater surface, which may cause crop damage in the agricultural land. The other adverse impact of sea level rise is reduced unsaturated soil thicknesses. In this study, a composite model to assess impacts of sea level rise in coastal agricultural land is proposed. The composite model is based on the combined applications of a three dimensional model for simulating saltwater intrusion into the groundwater and a vertical one dimensional model for simulating unsaturated zone flow and transport. The water level and salinity distribution of groundwater are calculated using the three dimensional seawater intrusion model. At some uppermost nodes, where salinity are higher than the reference value, of the 3D mesh one dimensional unsaturated zone modeling is conducted along the soil layer between the ground water surface and the ground surface. A particular location is judged salinized when the concentration at the root-zone depth exceeds the tolerable salinity for ordinary crops. The developed model is applied to a hypothetical agricultural reclamation land. IPCC RCP 4.5 and 8.5 scenarios were used as sea level rise data. Results are presented for 2050 and 2100. As a result of the study, it is predicted that by 2100 in the climate change scenario RCP 8.5, there will be 7.8% increase in groundwater saltwater-intruded area, 6.0% increase of salinized soil area, and 1.6% in increase in water-logging area.
Sea level rise, accompanied by climate change, is expected to exacerbate seawater intrusion in the coastal groundwater system. As the salinity of saturated groundwater increases, salinity can increase even in the unsaturated soil above the groundwater surface, which may cause crop damage in the agricultural land. The other adverse impact of sea level rise is reduced unsaturated soil thicknesses. In this study, a composite model to assess impacts of sea level rise in coastal agricultural land is proposed. The composite model is based on the combined applications of a three dimensional model for simulating saltwater intrusion into the groundwater and a vertical one dimensional model for simulating unsaturated zone flow and transport. The water level and salinity distribution of groundwater are calculated using the three dimensional seawater intrusion model. At some uppermost nodes, where salinity are higher than the reference value, of the 3D mesh one dimensional unsaturated zone modeling is conducted along the soil layer between the ground water surface and the ground surface. A particular location is judged salinized when the concentration at the root-zone depth exceeds the tolerable salinity for ordinary crops. The developed model is applied to a hypothetical agricultural reclamation land. IPCC RCP 4.5 and 8.5 scenarios were used as sea level rise data. Results are presented for 2050 and 2100. As a result of the study, it is predicted that by 2100 in the climate change scenario RCP 8.5, there will be 7.8% increase in groundwater saltwater-intruded area, 6.0% increase of salinized soil area, and 1.6% in increase in water-logging area.
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문제 정의
본 연구에서는 2100년까지 기후변화 시나리오 별로 예상되는 해수면 상승 예측 자료를 경계조건으로 취급하여 농경지에 미치는 영향을 평가하였다. 그러나 상승하는 해수위 경계조건에 지하수계가 반응하는 데 상당한 시간이 걸리므로 2100년 시점에 대한 예측 결과에 2100년까지의 해수면 상승량이 완전하게 반영된 것이 아니라는 점은 언급될 필요가 있다.
가설 설정
3차원 SUTRA 유한요소망에서 최상부면의 절점 중 염분농도가 기준값을 초과하는 경우 해당 절점과 지표면 사이의 토양층에 대하여 연직 1차원 불포화 흐름 모델링을 수행하였다. 대상 농경지의 불포화 토양층의 두께가 작아 불포화 흐름은 정상상태로 가정하였다. 토양층은 총 40개 요소, 41개 절점으로 이산화하였다.
7%), 담수의 밀도는 1,000kg/m3, 해수의 밀도는 1,024kg/m3를 적용하였다. 대수층의 두께는 80m로, 투수계수는 10.7m/d, 유효공극률은 0.3, 종분산지수는 10m, 횡분산지수는 1 m로 가정하였다. 담수호의 관리 수위는 -0.
담수호에 속한 절점에는 담수호 수위를 일정 수두로 지정하였다. 지하수 함양량과 담수호 수위는 모의기간 동안 일정하게 유지되는 것으로 가정하였다.
제안 방법
초기상태 1996년 대비 해수면 상승에 따라 해수침투가 심화되는 것으로 나타난다. 1996년 지하수염류화 결과를 기준으로 농어촌공사에서 제공하는 해수침투보고서(Korea Rural Community Corporation, 2015b)에 수록되어있는 간척지 중 유사한 지역에서 지하수위 및 해수침투를 비교를 통해, 적용한 매개변수의 타당성을 검토하였다.
3차원 SUTRA 유한요소망에서 최상부면의 절점 중 염분농도가 기준값을 초과하는 경우 해당 절점과 지표면 사이의 토양층에 대하여 연직 1차원 불포화 흐름 모델링을 수행하였다. 대상 농경지의 불포화 토양층의 두께가 작아 불포화 흐름은 정상상태로 가정하였다.
토양층은 총 40개 요소, 41개 절점으로 이산화하였다. SUTRA에서 결과된 지하수압과 염분농도를 토양층의 바닥 절점에, 지하수 함양율(담수)을 토양층의 상부 절점에 경계조건으로 지정하였다. 토양 염류화 판단을 위하여 작물의 뿌리심도에서 보통 작물의 적정 생육한계 염농도를 사용하였다.
합성 수치모델을 이용하면 다수의 해안 농경지에 대한 해수면 상승이 지하수와 불포화 토양의 염분도 그리고 불포화 토양의 두께에 미치는 영향을 정량적으로 평가하여 영농 정책 수립의 근거 자료가 될 것으로 기대한다. 개발된 합성모델의 적용성을 제시하기 위하여 가상의 간척 농경지에 적용하였다.
절점간의 수평 간격은 40~60m의 범위이며 층의 두께는 최소 5m에서 최대 10 m로 불균일하다. 담수 지하수가 유출되는 대수층 상부에 최소 두께의 층을 배치하고 하부 방향으로 층의 두께를 증가시켰다.
합성 모델의 절차는 먼저 3차원 지하수 해수침투 문제에 대한 SUTRA 모델링을 수행하고 그 결과를 분석하여 토양 염류화 평가가 필요한 최상부 절점들에 대한 연직 1차원 불포화 모델링을 VADOFT를 수행하는 순서로 진행된다. 두 모델을 수행하고, 지하수 해수침투, 작물 뿌리 심도에서의 토양 염류화, 불포화층의 두께 등을 평가하는 프로그램을 작성하여 적용하였다.
개발된 합성모델은 지하수 해수침투 면적, 토양의 염류화 면적 그리고 불포화 토양 두께 감소를 정량적으로 평가할 수 있다. 모델의 적용성을 보이기 위하여 가상의 간척 농경지에 대하여 RCP 4.5와 8.5 기후변화 시나리오에서 2100년까지 예상되는 해수면 상승 자료를 적용하고 농경지의 예상 변화량을 도출하였다. 기준 시점 대비 지하수 해수침투 면적은 39.
농업분야의 기후변화 적응대책 정책 수립을 위해서는 해수면 상승으로 인한 해안 경작지에서 예상되는 피해 범위를 정량적으로 산정하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 다수의 해안 경작지에 대한 해수면 상승의 영향을, 과도하지 않은 계산량으로, 평가하기 위한 합성 수치모델링 방법을 적용하였다. 합성 수치모델은 포화대의 지하수 해수침투 평가에는 3차원 모델을, 지하수면 위의 불포화 토양층에 대해서는 연직 1차원 모델을 적용한다.
본 연구에서는 포화흐름과 불포화흐름을 구분하여 모의하는 합성 모델링 방법으로 지하수 해수침투 현상과 토양 염류화 현상을 모의하였다. Fig.
본 연구의 가상의 해안 농경지에는 간척지에서 나타나는 일반적인 수리지질 특성을 적용하였다. 지하수 함양율은 227mm/year (연 평균 강수량 1,356mm의 16.
본 연구의 가상의 해안 농경지에는 간척지에서 나타나는 일반적인 수리지질 특성을 적용하였다. 지하수 함양율은 227mm/year (연 평균 강수량 1,356mm의 16.7%), 담수의 밀도는 1,000kg/m3, 해수의 밀도는 1,024kg/m3를 적용하였다. 대수층의 두께는 80m로, 투수계수는 10.
2050년까지는 해수면 상승 경향에 큰 차이가 없어 2050년까지는 시나리오 구분없이 동일한 부정류 해수위 경계조건을 적용하였다. 지하수 함양율을 담수호에 속한 절점을 제외한 모든 절점에 227mm/yr로 연중 균일하게 적용하였다. 담수호에 속한 절점에는 담수호 수위를 일정 수두로 지정하였다.
3차원 SUTRA 유한요소망에서 최상부면에 속한 절점은 3,606개이다. 초기 상태(1996년)에서는 960개의 절점에서, 2050년에는 1,103개, RCP 4.5 2100년에는 1,228개, RCP 8.5 2100년에는 1,247개의 절점에서 염분농도가 담수보다 높게 나타났으며, 해당 절점에 대하여 1차원 불포화 모델링을 수행하고, 지표면 아래 1m 지점의 염분 농도를 계산하였다. 불포화 토양의 두께가 1m 미만인 경우에는 지하수면의 염분농도로 염류화를 판단하였다.
기후변화로 인한 해수면 상승은 해안 농경지의 지하수 해수침투, 토양의 염류화 및 지하수위 상승 피해 우려를 가중시키고 있다. 피해 규모를, 과도하지 않은 수준의 계산량으로, 정량적으로 평가하기 위해서 3차원 포화 지하수 해수침투 모델링과 연직 1차원 불포화 지하수 흐름 모델링을 연계하여 적용하는 합성모델링 방법을 적용하였다. 해수침투 3차원 모델링에는 USGS의 SUTRA 모델을, 연직 1차원 불포화 모델링에는 미 환경청이 개발한 VADOFT 모델을 선정하고, 두 개의 수치모델을 연동시키는 합성 모델을 개발하였다.
본 연구에서는 포화 지하수 해수침투 해석을 위한 3차원 모델링에 SUTRA를, 토양층의 연직 1차원 모델링을 위하여 미국 환경청(EPA)에서 개발한 VADOFT 모델을 선정하였다(Huyakorn and Buckley, 1987). 합성 모델의 절차는 먼저 3차원 지하수 해수침투 문제에 대한 SUTRA 모델링을 수행하고 그 결과를 분석하여 토양 염류화 평가가 필요한 최상부 절점들에 대한 연직 1차원 불포화 모델링을 VADOFT를 수행하는 순서로 진행된다. 두 모델을 수행하고, 지하수 해수침투, 작물 뿌리 심도에서의 토양 염류화, 불포화층의 두께 등을 평가하는 프로그램을 작성하여 적용하였다.
해수면 상승 기간에 대한 부정류 모델링의 초기조건으로 해수위 0m의 경계조건에 대한 정상상태 결과를 사용하였다. 해수면 상승 시나리오에서는 해수위의 시간 변화를 time-dependent 경계조건으로 적용하였다. RCP 4.
피해 규모를, 과도하지 않은 수준의 계산량으로, 정량적으로 평가하기 위해서 3차원 포화 지하수 해수침투 모델링과 연직 1차원 불포화 지하수 흐름 모델링을 연계하여 적용하는 합성모델링 방법을 적용하였다. 해수침투 3차원 모델링에는 USGS의 SUTRA 모델을, 연직 1차원 불포화 모델링에는 미 환경청이 개발한 VADOFT 모델을 선정하고, 두 개의 수치모델을 연동시키는 합성 모델을 개발하였다. 개발된 합성모델은 지하수 해수침투 면적, 토양의 염류화 면적 그리고 불포화 토양 두께 감소를 정량적으로 평가할 수 있다.
대상 데이터
대상 지역의 지하수 해수침투 모의를 위한 SUTRA 모델은 절점 개수는 40,436개, 비정형육면체 유한요소는 34,890개, 모델의 대수층은 10개 층으로 구분하였다. 유한요소망은 총 11개의 곡면으로 구성되고 포화 지하수 흐름 격자망의 최상부 곡면에는 3,676개의 절점이 존재한다.
유한요소망은 총 11개의 곡면으로 구성되고 포화 지하수 흐름 격자망의 최상부 곡면에는 3,676개의 절점이 존재한다. 따라서 토양 염류화 평가 대상 후보 절점의 수는 3,676개이다. 절점간의 수평 간격은 40~60m의 범위이며 층의 두께는 최소 5m에서 최대 10 m로 불균일하다.
합성 모델의 시범 적용을 위하여 육지부 497ha와 담수호 12ha로 총 면적은 509ha로 구성된 가상의 간척 농경지를 선정하였다. 간척지의 지표 표고는 0m(해안선)에서 10m의 분포를 보이며 평균 표고는 2.
이론/모형
해수면 상승 시나리오에서는 해수위의 시간 변화를 time-dependent 경계조건으로 적용하였다. RCP 4.5와 8.5 시나리오에서 1560개의 time step을 사용하여 2100년까지 모의하였고, 각각의 time step에서 수렴하기 위한 연산방법은 ORTHOMIN method (Vinsome, 1976)를 사용하였다. 2050년까지는 해수면 상승 경향에 큰 차이가 없어 2050년까지는 시나리오 구분없이 동일한 부정류 해수위 경계조건을 적용하였다.
본 연구에서는 포화 지하수 해수침투 해석을 위한 3차원 모델링에 SUTRA를, 토양층의 연직 1차원 모델링을 위하여 미국 환경청(EPA)에서 개발한 VADOFT 모델을 선정하였다(Huyakorn and Buckley, 1987). 합성 모델의 절차는 먼저 3차원 지하수 해수침투 문제에 대한 SUTRA 모델링을 수행하고 그 결과를 분석하여 토양 염류화 평가가 필요한 최상부 절점들에 대한 연직 1차원 불포화 모델링을 VADOFT를 수행하는 순서로 진행된다.
성능/효과
해수침투 3차원 모델링에는 USGS의 SUTRA 모델을, 연직 1차원 불포화 모델링에는 미 환경청이 개발한 VADOFT 모델을 선정하고, 두 개의 수치모델을 연동시키는 합성 모델을 개발하였다. 개발된 합성모델은 지하수 해수침투 면적, 토양의 염류화 면적 그리고 불포화 토양 두께 감소를 정량적으로 평가할 수 있다. 모델의 적용성을 보이기 위하여 가상의 간척 농경지에 대하여 RCP 4.
5 기후변화 시나리오에서 2100년까지 예상되는 해수면 상승 자료를 적용하고 농경지의 예상 변화량을 도출하였다. 기준 시점 대비 지하수 해수침투 면적은 39.7ha, 염류화 토양 면적은 29.9 ha 그리고 불포화층의 두께가 1m (뿌리심도) 이하인 지역의 면적은 7.8ha 증가할 것으로 예상되나 해당 농경지의 경우는 높은 지하수위가 영농에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
4에 도시하였다. 대상 지역의 해수침투에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 담수호인 것으로 나타난다. 담수호의 관리 수위가 해수면보다 낮기 때문에 지하수가 담수호로 유출되고 있으며 그에 따라 해수침투가 촉진되고 있다.
8ha 증가할 것으로 예상된다. 위 결과를 도출하는 데 소요된 컴퓨터 시간은 3차원 지하수 해수침투 모델링에 약 2시간, 연직 1차원 불포화대 모델링에는 수 분 정도가 소요되었다.
후속연구
2100년 시점의 해수위를 일정수위조건으로 적용하고 2200년까지 추가 모델링을 수행하는 경우에도 해수침투 면적 등이 지속적으로 증가하는 것으로 나타나 해수면 상승의 실제 영향은 훨씬 더 오랫동안 지속되고 가중된다는 점을 고려하면 해수면 상승에 대한 적절한 적응 대책이 시급함을 알 수 있다. 본 연구에서 개발된 합성 모델은 우리나라 서남해안에 산재한 많은 농경지에 대한 기후변화 대책 수립에 필요한 근거자료를 산출하는 데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
합성 수치모델은 포화대의 지하수 해수침투 평가에는 3차원 모델을, 지하수면 위의 불포화 토양층에 대해서는 연직 1차원 모델을 적용한다. 합성 수치모델을 이용하면 다수의 해안 농경지에 대한 해수면 상승이 지하수와 불포화 토양의 염분도 그리고 불포화 토양의 두께에 미치는 영향을 정량적으로 평가하여 영농 정책 수립의 근거 자료가 될 것으로 기대한다. 개발된 합성모델의 적용성을 제시하기 위하여 가상의 간척 농경지에 적용하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지하수의 염분농도가 증가하면 어떤 문제점이 발생할 수 있는가?
기후변화에 따른 해수면 상승으로 인하여 해안지역의 지하수계에 해수침투가 가중된다. 지하수의 염분농도가 증가하면 지하수면 상부의 불포화 토양에서도 염분 농도가 증가할 수 있으며, 이는 농경지에서 작물피해를 일으킬 수 있다. 해수면이 상승함에 따라 내륙의 지하수위도 함께 상승한다.
해안지역의 지하수계에 해수침투가 가중되는 이유는?
기후변화에 따른 해수면 상승으로 인하여 해안지역의 지하수계에 해수침투가 가중된다. 지하수의 염분농도가 증가하면 지하수면 상부의 불포화 토양에서도 염분 농도가 증가할 수 있으며, 이는 농경지에서 작물피해를 일으킬 수 있다.
어떤 점이 불포화 토양층의 두께를 감소시켜 해안 저지대의 경작에 피해를 끼칠 수 있는가?
지하수의 염분농도가 증가하면 지하수면 상부의 불포화 토양에서도 염분 농도가 증가할 수 있으며, 이는 농경지에서 작물피해를 일으킬 수 있다. 해수면이 상승함에 따라 내륙의 지하수위도 함께 상승한다. 이는 불포화 토양층의 두께를 감소시켜 해안 저지대의 경작에 피해를 끼칠 수 있다.
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