[논문]지하수 모델을 이용한 제주도 지하수 유동특성 및 수리전도도 분석

김민철; 양성기

doi:10.5322/jesi.2019.28.12.1157

[국내논문] 지하수 모델을 이용한 제주도 지하수 유동특성 및 수리전도도 분석
Analysis of Groundwater Flow Characterstics and Hydraulic Conductivity in Jeju Island Using Groundwater Model 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.28 no.12, 2019년, pp.1157 - 1169

Abstract ▼ AI-Helper

We used numerical models to reliably analyze the groundwater flow and hydraulic conductivity on Jeju Island. To increase reliability, improvements were made to model application factors such as hydraulic watershed classification, groundwater recharge calculation by precipitation, hydraulic conduction calculation using the pilot point method, and expansion of the observed groundwater level. Analysis of groundwater flow showed that the model-calculated water level was similar to the observed value. However, the Seogwi and West Jeju watersheds showed large differences in groundwater level. These areas need to be analyzed by segmenting the distribution of the hydraulic conductivity. Analyzing the groundwater flow in a sub watershed showed that groundwater flow was similar to values from equipotential lines; therefore, the reliability of the analysis results could be improved. Estimation of hydraulic conductivity distribution according to the results of the groundwater flow simulation for all areas of Jeju Island showed hydraulic conductivity > 100 m/d in the coastal area and 1 - 45 m/d in the upstream area. Notably, hydraulic conductivity was 500 m/d or above in the lowlands of the eastern area, and it was relatively high in some northern and southern areas. Such characteristics were found to be related to distribution of the equipotential lines and type of groundwater occurrence.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

(2016)은 관측지점에 대해서만 검증을 할 경우, 소유역 내 지하수 흐름에 대한 검증은 어려워 지하수 방향에 대한 검증도 필요하다고 제시하였다. 따라서 이 연구에서는 관측수위와 분석 수위간의 잔차와 지하수 흐름방향의 검증을 실시하여 모델 결과의 적정성을 평가하였다.
본 연구에서는 제주도의 지하수 흐름을 보다 현실적으로 도식화하고 유동특성을 분석하기 위하여 지하수 모델에 입력되는 지하수 소유역 경계와 지하수 함양량, 지하수위 관측지점, 수리전도도 적용방법을 개선하여 적용하였다. 또한 모델링 분석 결과를 토대로 제주도 전역의 수리전도도 분포 특성 공간적으로 분석하고, 수리전도도 분포를 지하수위 특성과 비교하여 상호관계를 고찰하였다.
본 연구에서는 제주도의 지하수 흐름을 보다 현실적으로 도식화하고 유동특성을 분석하기 위하여 지하수 모델에 입력되는 지하수 소유역 경계와 지하수 함양량, 지하수위 관측지점, 수리전도도 적용방법을 개선하여 적용하였다. 또한 모델링 분석 결과를 토대로 제주도 전역의 수리전도도 분포 특성 공간적으로 분석하고, 수리전도도 분포를 지하수위 특성과 비교하여 상호관계를 고찰하였다.
제주도를 8개의 소유역으로 구분하여 지하수 유동분석을 실시하였다. 일반적으로 모델분석 결과의 검증은 실제 관측된 지하수위자료와 모델에서 분석된 수위자료를 비교하여 잔차를 산정하고, 수위 차이에 따라 모의된 결과를 평가한다.
제주도의 수직적인 지층을 구성하기 위해 1 layer는 현무암층, 2 layer는 저투수층 2개의 layer로 구분하였으며, 1 layer의 표면은 1:5,000의 수치지형도를 이용하여 생성한 수치표고자료(DEM)를 interpolation하여 소유역별로 실제 수직적인 층을 적용하였다.
제주지역의 지하수 흐름특성을 보다 신뢰성 있게 분석하기 위해 수치모델 적용인자를 개선하여 지하수 유동 특성 및 수리전도도를 분석·검토하고, 모델에서 산정된 수리전도도의 분포 특성을 공간적으로 분석한 결과는 다음과 같다.

대상 데이터

지하수 모델 입력인자 중 유역경계는 지표수 유역으로 구분된 16개의 소유역으로 적용되며(Jejudo, 2003), 지하수 함양량은 2013년 제주특별자치도 수자원관리종합계획에서 물수지 분석을 통해 산정된 20년(1992∼2011년)평균값을 입력하고 있다. 지하수위 자료는 도내 133개소의 지하수위 관측망 자료를 활용하고 있으며, 수리전도도는 지하수 관정 개발당시 산정된 결과를 모델에 입력하고 있다. 그러나 모델에 입력되는 단일 인자들의 적용방법에 대하여 다양한 문제점을 가지고 있다.

데이터처리

Table 7은 본 연구에서 산출된 수리전도도 결과로 동부(표선-성산, 구좌유역), 서부(대정-안덕, 한림-한경유역), 남부(남원, 서귀유역), 북부(동제주, 서제주유역)지역으로 구분하여 2003년에 분석된 수리전도도와 비교하였다.
소유역별 정상류 상태의 지하수 흐름분석 결과에 대하여 관측수위와 계산수위의 잔차, RMSE (Root Mean Square Error)를 분석하였다. 표선-성산유역의 관측수위는 0.
소유역별로 분석된 지하수 유동방향을 앞에서 분석된 지하수 등수위선과 비교하여 모델링 결과를 평가하였다. 표선-성산유역은 동남방향으로 지하수 흐름이 발생되었으며, Y축 기준 등수위선은 약 14°, 분석결과는 약 15°로 유사한 흐름을 보였다.

이론/모형

7∼2,400 m/day로 수리전도도의 편차는 매우 큰 특징을 나타낸다(Jejudo, 2003). 이 연구에서의 수리전도도 적용은 해석모델의 보정 방법 중 Regularization(정규화)라고 불리는 Pilot point 기법을 적용하였다. 정규화방법은 균일한 제한을 통해 interpolation되는 인자의 값에 조밀한 데이터로 적용되어야 하는 객체 함수로부터의 적절한 영향을 보이는 값이 부재한다면, 인근의 Pilot point들로부터 평균값을 제한하도록 하여 모델 자동보정의 과정을 더욱 안정하게 하도록 유도한다.

성능/효과

1) 제주도 지하수 수치모델 결과의 신뢰성을 향상시키기 위해 수리학적 유역구분, 강수특성에 따른 지하수 함양량 산정, Pilot point기법을 적용한 수리전도도 산정, 상세한 모델 검‧보정을 위하여 관측 지하수위 자료 확장 등 모델 적용인자를 개선하였다.
2) 지하수 유동분석 결과, 관측수위와 계산된 수위는 전체적으로 유사하게 나타났으나, 서귀와 서제주유역에서는 국부적으로 잔차가 크게 산정되었다. 해당 지역은 지하지질의 대수층 구조 특성에 따라 상‧하류 지역의 수두차가 크게 나타나는 지역으로 판단되며, 모델 분석 시 수리전도도 분포를 세분화하여 분석되어야 한다.
3) 소유역간의 지하수 흐름 방향성을 검토한 결과, 지하수 등수위선과 유사하게 나타나는 것으로 분석되어 지하수 유동해석의 신뢰도를 향상시킬 수 있었다.
4) 제주도 전역의 지하수 유동모의 결과로부터 수리전도도 분포를 분석한 결과, 해안지역은 100 m/d 이상, 상류지역은 1 ~ 45 m/d로 나타났다. 특히, 동부지역 저지대에서는 500 m/d 이상의 수리전도도를 보였으며, 북부와 남부 일부지역에서는 비교적 높게 나타고 있다.
특히, 동부지역은 해안에서 내륙지역으로 9 ∼ 12 km의 범위의 투수성이 좋은 현무암류가 누층을 이루고 있으며, 해수의 압력에 의해 바닷물이 내륙으로 유입할 수 있는 공극 또는 틈이 잘 발달되어 있는 특성을 보인다(Koh et al, 2006). 수리전도도 산출결과에 의하면, 기저지하수체가 분포하고 있는 동부지역의 경우 타 지역에 비해 비교적 높은 500 m/d 이상의 수리전도도 특성이 광범위하게 나타났다.
제주도의 수리전도도특성과 지하수 부존특성, 등수위선 분포특성을 종합적으로 비교‧검토한 결과, 비교적 높은 수리전도도 산출특성이 광역적으로 분포하는 지역은 완만한 지하수위 분포특성을 보이며, 기저지하수가 광범위하게 분포하는 지역이다. 즉, 지하 대수층의 수리전도도 특성은 지하수위와 지하수 부존형태와의 상호 연계가능성이 나타나는 것으로 판단된다.
표선-성산유역의 평균 수리전도도는 227.67 m/d로 8개 유역 중 가장 크게 산출되었으며, 구좌유역 186.24m/d, 남원유역 112.42 m/d, 동제주유역 110.89 m/d로 동부지역의 평균 수리전도도가 비교적 크게 분포하였다. 서부지역의 서제주유역, 한림-한경유역, 대정-안덕유역,서귀유역은 각각 39.

후속연구

제주지역은 지하수의 체계적인 관리를 위해 지하수 분석‧예측에 관한 연구는 필수적이다. 이 연구는 제주도 지하수 흐름을 보다 신뢰성 있도록 구축‧해석하기 위해 모델적용 인자를 개선하고, 검증한 결과로 향후 지하수의 개발‧이용과 관리정책 등을 수립하는데 유용한 자료로 활용될 수 있다. 특히, 모델결과의 신뢰성을 더욱 향상시키기 위해서는 관측망의 확대‧ 조사와 지하지질구조에 대한 상세한 연구·조사가 필요하며, 지속적으로 조사된 연구결과를 비교· 검토하여 모델 구축을 위한 개선· 연구가 진행되어야 한다.
이 연구는 제주도 지하수 흐름을 보다 신뢰성 있도록 구축‧해석하기 위해 모델적용 인자를 개선하고, 검증한 결과로 향후 지하수의 개발‧이용과 관리정책 등을 수립하는데 유용한 자료로 활용될 수 있다. 특히, 모델결과의 신뢰성을 더욱 향상시키기 위해서는 관측망의 확대‧ 조사와 지하지질구조에 대한 상세한 연구·조사가 필요하며, 지속적으로 조사된 연구결과를 비교· 검토하여 모델 구축을 위한 개선· 연구가 진행되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제주도는 무엇에 의해 형성된 섬인가?	제주도는 화산활동에 의해 형성된 섬으로 지표수를 활용한 수자원 확보는 어렵지만, 지하수 함양량은 수문 총량의 40.6%로 전체 수자원의 90% 이상을 지하수로 이용하고 있다(Jeju Special Self-Governing Province, 2018).
	제주도의 지하수 유역은 어떻게 구분하고 있는가?	제주도의 지하수 유역은 4개의 중유역과 16개의 소유역으로 구분하고 있다. 2003년 제주도와 수자원공사에서는 수문지질학적 특성에 의거하여 지하수 관리유역 구분을 시도하였으나, 지하수 분수령을 세분화하기에는 한계가 있어 1:5,000 수치지형도의 지형, 하천, 지표분수령 등 지표특성을 고려하여 설정된 16개의 소유역을 지하수유역으로 제시하였다(Fig.
	제주지역의 지하수 흐름특성을 보다 신뢰성 있게 분석하기 위해 수치모델 적용인자를 개선하여 지하수 유동 특성 및 수리전도도를 분석·검토하고, 모델에서 산정된 수리전도도의 분포 특성을 공간적으로 분석한 결과는?	1) 제주도 지하수 수치모델 결과의 신뢰성을 향상시키기 위해 수리학적 유역구분, 강수특성에 따른 지하수 함양량 산정, Pilot point기법을 적용한 수리전도도 산정, 상세한 모델 검‧보정을 위하여 관측 지하수위 자료 확장 등 모델 적용인자를 개선하였다. 2) 지하수 유동분석 결과, 관측수위와 계산된 수위는 전체적으로 유사하게 나타났으나, 서귀와 서제주유역에서는 국부적으로 잔차가 크게 산정되었다. 해당 지역은 지하지질의 대수층 구조 특성에 따라 상‧하류 지역의 수두차가 크게 나타나는 지역으로 판단되며, 모델 분석 시 수리전도도 분포를 세분화하여 분석되어야 한다. 3) 소유역간의 지하수 흐름 방향성을 검토한 결과, 지하수 등수위선과 유사하게 나타나는 것으로 분석되어 지하수 유동해석의 신뢰도를 향상시킬 수 있었다. 4) 제주도 전역의 지하수 유동모의 결과로부터 수리전도도 분포를 분석한 결과, 해안지역은 100 m/d 이상, 상류지역은 1 ~ 45 m/d로 나타났다. 특히, 동부지역 저지대에서는 500 m/d 이상의 수리전도도를 보였으며, 북부와 남부 일부지역에서는 비교적 높게 나타고 있다. 이러한 특성은 지하수 등수위선 분포와 부존형태 등과 밀접한 관련성이 있는 것으로 나타났다.

참고문헌 (17)

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저자의 다른 논문 :

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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