[논문]표준지하수위지수(SGI)를 이용한 농촌지역 지하수계의 가뭄 영향 평가

송성호

doi:10.7857/jsge.2018.23.3.001

표준지하수위지수(SGI)를 이용한 농촌지역 지하수계의 가뭄 영향 평가
Assessment of Drought Effects on Groundwater System in Rural Area using Standardized Groundwater Level Index(SGI) 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.23 no.3, 2018년, pp.1 - 9

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This study is aimed to quantitatively evaluate the effects of drought on groundwater system in rural areas. For this purpose, the standardized groundwater level index (SGI) was used for 68 groundwater monitoring wells. To determine accumulation period (AP) which represents the month with the highest correlation coefficient between SGI and SPI, correlation analysis between the two for 68 wells were peformed. The results indicated the AP values ranged in 1~3 months for most of the well, but it was 7~10 months in some wells. These results can be interpreted such that the total amount of groundwater will not decrease significantly in long-term drought situations unlikely the reservoirs with the high AP values. The nationwide maximum AP values were 4.1 and 4.0 in Chungbuk-do and Gyeongnam-do, while the minimum AP values were 1.8 and 2.0 in Gangwon-do and Chungnam-do, respectively. The maximum and minimum values of correlation coefficient were 0.623 and 0.459 in Gyeongnam-do and Chungnam-do/Chungbuk-do, respectively. Consequently, it could be concluded that the wells with low AP value tend to respond to short-term drought, but it has little effect on groundwater system when the long drought occurs.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 관측공별로 농업 가뭄이 지하수계에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위하여, 현재 가뭄지수로 사용되고 있는 SPI를 기반으로 SGI를 계산하여 적용하였다.이를 위하여 행정구역별 농촌지역 소유역에 위치하고 최소 4년 이상의 관측자료가 축적된 대표 관측공 68개를 대상으로 SGI를 분석하였다.
본 연구에서는 이러한 제한점에도 불구하고 농업 가뭄극복을 위한 다양한 의사결정을 위한 기초자료로, 전국적으로 농촌지역 소유역에 설치된 지하수 관측공을 대상으로 SPI와 SGI 상관분석을 통한 최적의 누적기간(accumu-lation period, AP)을 결정하였다. 이를 통하여 기상학적가뭄이 발생한 경우, 각 행정구역에 대하여 가뭄 발생 기간별로 최적의 지하수 공급 가능량 평가에 활용될 수 있는 기초자료를 제안하였다.
본 연구에서는 이러한 제한점에도 불구하고 농업 가뭄극복을 위한 다양한 의사결정을 위한 기초자료로, 전국적으로 농촌지역 소유역에 설치된 지하수 관측공을 대상으로 SPI와 SGI 상관분석을 통한 최적의 누적기간(accumu-lation period, AP)을 결정하였다. 이를 통하여 기상학적가뭄이 발생한 경우, 각 행정구역에 대하여 가뭄 발생 기간별로 최적의 지하수 공급 가능량 평가에 활용될 수 있는 기초자료를 제안하였다.

제안 방법

이를 위하여 행정구역별 농촌지역 소유역에 위치하고 최소 4년 이상의 관측자료가 축적된 대표 관측공 68개를 대상으로 SGI를 분석하였다. SGI 계산은 전체 관측기간 중 전국적으로 가뭄이 발생된 3년(2014~2016년) 기간 동안의 지하수위를 기준으로 매일 12시 기준의 지하수위를 정규분포로 전환하여 계산하는데, 이때 분석 기준은 SPI정의에서 5개 단계의 구분을 적용하고 확률분포의 평균값과 표준편차를 각각 1과 0으로 설정하였다.
SGI 분석은 행정구역별 농촌지역 소유역에 설치되어 최소 4년 이상의 관측 자료가 축적된 대표 관측공을 대상으로 총 68개소를 선정하였다. SGI는 전체 관측기간 중 전국적으로 가뭄이 발생된 3년(2014~2016년) 기간 동안 매일 12시 기준의 지하수위를 정규분포로 전환하여 계산하는데, 이때 분석 기준은(Table 1)에 제시된 SPI의 6개 단계로 구분하고 확률분포의 평균값과 표준편차를 각각 1과 0으로 설정하였다. Fig.
따라서 이러한 해석 결과를 토대로 전국적으로 농촌지역 소유역에 분포한 68개 관측공별로 상관계수가 가장 높은 AP가 나타난 SPI를 해당 관측공이 속한 행정구역의 지하수계에 대한 농업 가뭄의 영향 지표로 설정하였다(Table 2). 분석 결과 일부 관측공(YJ1, IC1, BE1, JiC1, SuC1, JS1, GC1, GH1, SaC1, CN2)에서의 AP 최대값이 6~10개월로 나타남에 따라, 이 지역 인근 대수층은 장기간의 가뭄에 취약한 것으로 분석되었다.
본 연구에서 이용된 SPI와 SGI는 두 인자 모두 평균과 표준편차가 각각 0과 1인 정규분포 모형을 이용하고 있기 때문에, 관측공별로 계산된 SGI와 1개월 단위로 계산된SPI에 대한 상관분석을 실시하였다. 상관분석 결과는 SGI와 1개월 단위의 SPI(SPI 1, 2, 3, .
본 연구에서 이용된 SPI와 SGI는 두 인자 모두 평균과 표준편차가 각각 0과 1인 정규분포 모형을 이용하고 있기 때문에, 관측공별로 계산된 SGI와 1개월 단위로 계산된SPI에 대한 상관분석을 실시하였다. 상관분석 결과는 SGI와 1개월 단위의 SPI(SPI 1, 2, 3, ...., 11, 12) 사이의 상관계수 중 최대값을 갖는 개월을 관측공별로 누적기간으로 정하였다. Fig.

대상 데이터

SGI 분석은 행정구역별 농촌지역 소유역에 설치되어 최소 4년 이상의 관측 자료가 축적된 대표 관측공을 대상으로 총 68개소를 선정하였다. SGI는 전체 관측기간 중 전국적으로 가뭄이 발생된 3년(2014~2016년) 기간 동안 매일 12시 기준의 지하수위를 정규분포로 전환하여 계산하는데, 이때 분석 기준은(Table 1)에 제시된 SPI의 6개 단계로 구분하고 확률분포의 평균값과 표준편차를 각각 1과 0으로 설정하였다.
본 연구는 관측공별로 농업 가뭄이 지하수계에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위하여, 현재 가뭄지수로 사용되고 있는 SPI를 기반으로 SGI를 계산하여 적용하였다.이를 위하여 행정구역별 농촌지역 소유역에 위치하고 최소 4년 이상의 관측자료가 축적된 대표 관측공 68개를 대상으로 SGI를 분석하였다. SGI 계산은 전체 관측기간 중 전국적으로 가뭄이 발생된 3년(2014~2016년) 기간 동안의 지하수위를 기준으로 매일 12시 기준의 지하수위를 정규분포로 전환하여 계산하는데, 이때 분석 기준은 SPI정의에서 5개 단계의 구분을 적용하고 확률분포의 평균값과 표준편차를 각각 1과 0으로 설정하였다.

성능/효과

SGI와 SPI 사이의 AP는 관측공별로 계산된 SGI와 1개월 단위로 계산된 SPI에 대한 상관분석 결과 상관계수 최대값을 갖는 개월로 결정하였으며, 이 기간이 해당 관측공에서 가뭄의 영향을 최대로 나타나는 것으로 해석하였다. 행정구역별 관측공에 대한 상관분석 결과 AP는 주로 1~3개월로 나타났지만, 일부 관측공은 7~10개월로 분석되었다.
이러한 결과는 저수율은 9개월 기간의 농업 가뭄이 발생하면 영향을 받는 반면, 지하수위는 1개월의 단기간 가뭄에 반응하지만 이 기간 보다 길어지는 경우에는 가뭄이 지하수계(groundwater system)에 미치는 영향이 거의 없는 것으로 해석될 수 있다. 결과적으로 가뭄을 대비하여 농업용수를 확보하는 저수지의 경우에는 장기간의 가뭄에영향을 받기 때문에, 상대적으로 대수층의 지하수 보유 능력이 큰 것으로 나타난 관측공별 AP를 이용하면 관측공주변의 가뭄의 영향을 정량적으로 판단하는 것이 가능할 것으로 판단된다.
결과적으로 강수량이 부족한 경우에는 농업활동에 직접적인 영향을 미치는 토양수분 함량의 급격한 감소가 나타나지만, 유역 내 강수량 부족이 저수지의 저수량 변화에 미치는 영향은 일정한 기간이 소요된다. 따라서 농업 가뭄에 의한 가뭄 심도, 가뭄 발생기간 및 가뭄 빈도는, 다양한 기상학적 변수, 토양수분 변화 및 생육단계별 필요수량 등의 평가를 통하여 결정된다(Song et al.
결과적으로 관측공에서의 짧은 기간의 AP는 단기간의 가뭄에 반응하지만 보다 긴 가뭄이 발생하는 경우에도 가뭄이 지하수계에 미치는 영향이 크지 않은 것으로 해석이가능하다. 따라서 장기간의 AP는 저수지와 같이 장기간의 가뭄에 영향을 받기 때문에 상대적으로 대수층의 지하수 보유 능력이 큰 것으로 나타난 관측공별 AP를 이용하면, 관측공 주변 대수층에 대한 가뭄 영향을 정량적으로평가하는 것이 가능할 것으로 판단된다.
수리지질 특성과 관련하여 퇴적층 또는 변성 퇴적층으로 구성되어 투수성이 상대적으로 양호한 경상남도와 충청북도의 경우에는, SGI와 SPI의 상관분석에 따른 AP가 다른 지역에 비해 상대적으로 높게 나타났다. 반면 대수층이 결정질 암반으로 구성되어 투수성이 상대적으로 불량한 강원도와 충청남도의 경우에는 AP가 상대적으로 낮은 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 지표수를 이용한 저수율의 AP와 마찬가지로 대수층의 투수성이 상대적으로 높은 지역의 경우 AP가 상대적으로 길어, 장기간의 가뭄에 취약성이 높을 것으로 판단된다.
따라서 이러한 해석 결과를 토대로 전국적으로 농촌지역 소유역에 분포한 68개 관측공별로 상관계수가 가장 높은 AP가 나타난 SPI를 해당 관측공이 속한 행정구역의 지하수계에 대한 농업 가뭄의 영향 지표로 설정하였다(Table 2). 분석 결과 일부 관측공(YJ1, IC1, BE1, JiC1, SuC1, JS1, GC1, GH1, SaC1, CN2)에서의 AP 최대값이 6~10개월로 나타남에 따라, 이 지역 인근 대수층은 장기간의 가뭄에 취약한 것으로 분석되었다. 행정구역별 관측공들의 분석 결과를 기초로 전국적으로 계산된 평균AP 최대치는 충청북도와 경상남도가 각각 4.
4는 6곳의 지하수 관측공을 대상으로 1~12개월 기간 동안 매 1개월 단위로 SGI와 SPI의 상관분석을 수행한 결과이다. 상관분석 결과 최대값을 갖는 누적기간은 주로 1~3개월이 주를 이루는 것으로 나타났으며, 상관계수는 0.621~0.856으로 두 인자간의 상관성이 매우 높은 것으로 나타났다(Fig. 4).
수리지질 특성과 관련하여 퇴적층 또는 변성 퇴적층으로 구성되어 투수성이 상대적으로 양호한 경상남도와 충청북도의 경우에는, SGI와 SPI의 상관분석에 따른 AP가 다른 지역에 비해 상대적으로 높게 나타났다. 반면 대수층이 결정질 암반으로 구성되어 투수성이 상대적으로 불량한 강원도와 충청남도의 경우에는 AP가 상대적으로 낮은 것으로 분석되었다.
앞서 제시된 AP는 SGI에 대한 월 단위의 SPI의 상관분석에서 상관계수가 최대값을 나타내는 기간으로, 분석결과 전국적으로 지하수위가 저수율에 비해 상대적으로 짧은 기간으로 나타났다. 이러한 결과는 Fig.
반면 충청남도 20개 저수지에 대한 분석 결과저수율과 SPI는 9~11개월로 나타났다. 이러한 분석 결과는 장기적인 가뭄 상황에서 지표수자원(댐과 저수지)의 저수량은 지속적으로 감소하는 반면, 지하수 부존량은 크게 감소하지 않고 유지되는 것으로 판단할 수 있다.
전국적으로 평균 AP 최대값은 충청북도와 경상남도가각각 4.1과 4.0으로 높게 분석된 반면, 최소값은 강원도와 충청남도 각각 1.8과 2.0로 나타났다. 이때 상관계수의 최대값과 최소값은 경상남도와 충청남도/전라남도가 각각 0.
이러한 결과는 저수지의 규모 및 용수 공급 비율 등의 다양한 요인에도 불구하고 단기간 보다 장기간의 가뭄에 취약한 것으로 해석될 수 있다. 특히 SPI와 저수지 저수율 및 인근 관측공의 지하수위의 AP값을 적용하면, 공주지역의 경우 저수율의 AP가 9개월인데 반해 공주1(GoJ1)관측공 지하수위의 AP는 1개월 나타났다.
분석 결과 일부 관측공(YJ1, IC1, BE1, JiC1, SuC1, JS1, GC1, GH1, SaC1, CN2)에서의 AP 최대값이 6~10개월로 나타남에 따라, 이 지역 인근 대수층은 장기간의 가뭄에 취약한 것으로 분석되었다. 행정구역별 관측공들의 분석 결과를 기초로 전국적으로 계산된 평균AP 최대치는 충청북도와 경상남도가 각각 4.1과 4.0으로 높게 분석된 반면, 최소값은 강원도와 충청남도 각각 1.8과 2.0로 나타났다. 이때 상관계수의 최대치와 최소치는경상남도와 충청남도/충청북도가 각각 0.

후속연구

Fig. 5는 68개소의 지하수 관측망을 포함하는 행정구역별로 SGI와 SPI의 상관분석을 통한 최대 AP값을 갖는기간(월)을 도시한 결과로, 향후 본 도면을 이용하는 경우 행정구역별로 가뭄이 농촌지역의 지하수계에 미치는 취약성을 관리하는 지표로 활용이 가능하다.
결과적으로 관측공에서의 짧은 기간의 AP는 단기간의 가뭄에 반응하지만 보다 긴 가뭄이 발생하는 경우에도 가뭄이 지하수계에 미치는 영향이 크지 않은 것으로 해석이가능하다. 따라서 장기간의 AP는 저수지와 같이 장기간의 가뭄에 영향을 받기 때문에 상대적으로 대수층의 지하수 보유 능력이 큰 것으로 나타난 관측공별 AP를 이용하면, 관측공 주변 대수층에 대한 가뭄 영향을 정량적으로평가하는 것이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	표준강수지수는 농업 가뭄의 중요 요소인 토양수분 함량의 어떤 특성을 이용하여 고안된 것인가?	농업 가뭄의 중요 요소인 토양수분 함량은 강수에 즉각적으로 반응하는 반면 지표수 및 지하수는 상대적으로 장기간의 강수에 영향을 받는다. 따라서 이러한 특성을 이용하여 대상기간 중의 강수 확률분포를 정규분포로 활용할 수 있도록 고안된 표준강수지수(standardized precipi-tation index, SPI)는 다양한 시간 간격에 따른 종류별 수자원의 이용가능성에 대한 가뭄의 영향을 반영할 수 있는 장점이 있다(McKee et al.
	가뭄이란 무엇인가?	가뭄은 특정지역에서 평균 이하의 강수량이 발생되는 현상으로, 가뭄이 시작되는 시점은 일정 기간 동안의 강수량이 평균치와 비교하여 정량적으로 감소되는 기준을 설정하여 적용한다. 일반적으로 강수량이 감소되면 하천수 수위, 저수지 수위, 지하수위 등이 변화하게 되는데,가뭄에 따른 이들의 변화량은 해당 유역의 수문학적 시스템에 따라 서로 다르게 나타난다.
	농업 가뭄의 발생 요인에는 무엇이 있는가?	이러한 수문학적 가뭄은 기상학적 가뭄 및 농업 가뭄에 비해 늦게 발생되는데, 이는 강수량의 부족이 토양수분, 하천수량, 지하수 및 저수지 수위 등과 같은 수문학적 시스템에 작용하는데 시간이 많이 걸리기 때문이다(Wilhite and Glantz, 1985). 반면 농업 가뭄은 강수량의 부족, 실제증발산량과 잠재증발산량의 차이, 토양수분 부족 등에 의해 발생되는데, 이 중토양수분 부족율 결정을 위해서는 일간 강수량값을 증발산율과 비교한 후 작물의 생육단계별 필요수량과의 관계로 제시된다(NDMC, 2018).

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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