[논문]제주도 지하수 유역의 적절성 평가와 수리학적 유역설정

김민철; 양성기

doi:10.5322/jesi.2019.28.4.423

제주도 지하수 유역의 적절성 평가와 수리학적 유역설정
Hydraulic Watershed Classification and Analysis of Flow Characteristics of Groundwater on Jeju Island 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.28 no.4, 2019년, pp.423 - 433

Abstract ▼ AI-Helper

This study was carried out to identify the problems of the underground watersheds on Jeju Island, and to establish the hydraulic groundwater basin to be used as basis for the analysis of the groundwater model. In order to evaluate the adequacy of the groundwater basin on Jeju Island, a correlation analysis between elevation and groundwater level was conducted using data from 125 observation wells. The analysis, conducted with an elevation step of 100 m, exhibited values of R2 in the range 0.1653-0.8011. No clear correlation was observed between elevation and groundwater level. In particular, the eastern and western areas showed an inverse proportionality between elevation and groundwater level. The Kriging technique was used to analyze the underground water level data and to define the equipotential lines for all areas of Jeju Island. Eight groundwater watersheds were delineated by considering the direction of groundwater flow, the positions of the observation wells, and the long and short axes of the watersheds.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 지하수위와 표고와의 상관관계를 분석하여 지표수 유역을 지하수 유역으로 적절한지에 대한 평가와 기존 지하수 유역구분에 대한 문제점을 도출하였다. 또한 지하수 관측정에서 실시간으로 관측되고 있는 지하수위자료를 Kriging 기법에 적용하여 지하수 등수위선을 작성하고, 지하수 모델 해석을 위한 새로운 지하수 유역을 설정하였다.

가설 설정

일반적으로 유역은 지표수 유역과 지하수 유역으로 구분된다. 지표수 유역은 하천, 지형 및 경사, 분수계 등을 통해 작성되고, 지하수 유역은 지하수 수위면의 능선에 해당된다. 지표수 유역은 위성자료와 DEM자료 등을 통해 유역을 세분화 할 수 있지만, 지하수 유역은 지하수면의 분포를 정확하게 알 수 없기 때문에 정확히 세분화하기에는 매우 어렵다(Kim, 2011).

제안 방법

제주도 지하수위 자료와 표고와의 상관관계를 분석하여 기존 지하수 유역으로 적용되고 있는 문제점을 파악하고, 적절성을 평가하였다. 또한 지하수위 자료를 Kriging기법에 적용하여 지하수 등수위선을 작성하고, 등수위선의 지하수면을 기준으로 수리학적인 지하수 유역을 설정한 결과는 다음과 같다.
제주도와 수자원공사(2003)는 수문지질학적 특성에 의거하여 제주도의 지하수 관리 유역 구분을 시도하였다. 지하수 부존형태, 지하수위 및 수질, 수문지질단위 분류, 대수층의 수리특성 등의 조사 분석을 수행하고, 서귀포층과 암맥의 분포에 의한 수문지질 방벽의 존재 가능성을 검토였다. 그러나 수문지질방벽의 분포를 규명하고, 지하수 분수령을 세분화하기에는 한계가 있어 1:5,000 수치지형도의 지형, 하천, 지표분수령 등 지표특성을 고려하여 설정된 16개의 소유역을 지하수 유역으로 구분하였다.

대상 데이터

이 연구에서는 도서지역 관측정과 지하수위가 해수면 이하로 관측되는 관측정, 인공함양조사 목적에 따라 개발된 관측정 등을 제외하여 총 125개소의 5년간 지하수위 자료를 활용하였다.
그리고 기존의 16개 소유역의 경우 지하수 해석 등 검증자료로 활용되는 지하수 관측정 지점의 편차가 소유역별로 매우 큰 것으로 확인되어 이 연구에서는 유역 내 최소 10개의 관측정이 분포될 수 있도록 고려하였다. 지하수 해석 모델에 적용되는 지하수 유역은 서제주, 동제주, 구좌, 표선-성산, 남원, 서귀, 대정-안덕, 한림-한경유역으로 총 8개의 유역으로 구분하였다(Fig. 4.

데이터처리

지하수 등수위선의 정확성 대하여 검증을 위해 교차 타당성 검정과 그래프 검정을 수행하였다. 교차 타당성 검정을 위해 관측지점의 관측 값과 등수위선에서 얻어진 동일지점의 계산 값을 비교하였으며, 감소오차의 평균(Mean Reduced Errors, MRE), 감소오차의 표준편차(Srandard Deviation of Reduced Errors, SDRE) 등을 분석하였다(Jung et al., 2001).
지표수 유역을 지하수 유역으로 적용가능성을 평가하기 위해 표고와 지하수위간의 상관분석(Correlation Analysis)을 수행하였다. 상관분석은 두 변수 간의 관련성을 규명하기 위한 통계적 분석방법으로 변수간의 관련성을 검토하고 유의성을 검증하기 위해 사용되는 방법이다(Park, 2012).
지하수 등수위선의 정확성 대하여 검증을 위해 교차 타당성 검정과 그래프 검정을 수행하였다. 교차 타당성 검정을 위해 관측지점의 관측 값과 등수위선에서 얻어진 동일지점의 계산 값을 비교하였으며, 감소오차의 평균(Mean Reduced Errors, MRE), 감소오차의 표준편차(Srandard Deviation of Reduced Errors, SDRE) 등을 분석하였다(Jung et al.

이론/모형

제주지역의 지하수는 대기압의 영향과 중력에 의해 대수층 사이를 유동하는 자유지하수(Free Groundwater)체로 수리학적 측면에서 지하수면 아래의 지하수는 포화상태로 상류지역에서 하류지역으로 유동한다. 따라서 125개소의 관측 지하수위자료를 Kriging 기법에 적용하여 제주도 등수위선을 작성하고, 지하수의 흐름방향, 유역의 장·단경 등을 고려하여 지하수 유역을 설정하였다.
따라서 본 연구에서는 지하수위와 표고와의 상관관계를 분석하여 지표수 유역을 지하수 유역으로 적절한지에 대한 평가와 기존 지하수 유역구분에 대한 문제점을 도출하였다. 또한 지하수 관측정에서 실시간으로 관측되고 있는 지하수위자료를 Kriging 기법에 적용하여 지하수 등수위선을 작성하고, 지하수 모델 해석을 위한 새로운 지하수 유역을 설정하였다.
제주도 지하수위 자료와 표고와의 상관관계를 분석하여 기존 지하수 유역으로 적용되고 있는 문제점을 파악하고, 적절성을 평가하였다. 또한 지하수위 자료를 Kriging기법에 적용하여 지하수 등수위선을 작성하고, 등수위선의 지하수면을 기준으로 수리학적인 지하수 유역을 설정한 결과는 다음과 같다.
제주도 전역의 등수위선을 구축하기 위하여 공간보간기법을 이용하였다. IDW는 근접 관측치에 가중 값을 주어 선형가중이동평균을 이용하는 방법으로 관측 값과 관측 값의 거리가 짧고, 밀집된 경우에 적절한 방법이며, Spline은 전체 표면의 굴곡을 최소화하는 수학적 연산으로 값을 추정하며, 부드러운 표면을 산출하는 방법으로 기온과 같은 다양한 현상을 부드럽게 표현하기에 적절한 방법이다.

성능/효과

1) 해안거리와 표고의 상관분석결과 R²는 0.7056으로 비교적 높은 상관도를 보이며, 해안거리와 지하수위 상관분석결과 R²는 0.3265로 비교적 낮은 상관도를 보였다. 표고별 100 m 단위로 표고와 지하수위와의 상관관계를 분석한 결과 R²이 0.
2) 제주도 지하수 등수위선 구축결과 동부지역은 해수면기준 10 m의 등수위선이 해안으로부터 약 12 km 내륙에 위치하고, 남부지역은 해안에 가까운 지역에 형성되었다. 최대 수위지점은 한라산 중심부에서 남서 방향으로 8.
3) 지하수위자료를 통해 구축된 등수위선을 7개의 항목의 교차타당성 검정 결과 전체적으로 높은 신뢰도를 얻었으며, 그래프 검정 결과 예측값과 관측값은 기울기가 1인 직선에 거의 중첩된 Y= 0.9772X + 0.8388로 검토되어 크리깅 예측값의 정확성이 입증되었다.
4) 제주도 지하수 유역은 지하수의 흐름방향, 지하수위 관측정 위치, 유역의 장·단경 등을 고려하여 총 8개로 설정하였으며, 서제주유역이 292.8 km²으로 가장 넓고, 표선-성산(257.2 km²), 동제주(252.4 km²), 대정-안덕(220.1 km²), 구좌(218.9 km²), 한림-한경(208.9 km²), 서귀(200.1 km²), 남원(190.2 km²) 유역 순이다.
결과적으로 표고와 지하수위가 제주도 한라산의 중심부로 진행될수록 상승패턴은 나타나지만 동일 표고지점에서 다양한 수위특성을 보이고 있어, 지표의 특성으로 구분한 유역을 지하수 유역으로 적용하기에 적절하지 않은 것으로 분석되었다.
특히, 지하수 유동해석 등에서는 분석유역과 인접유역간의 유출입이 없기 때문에 단경이 짧아질 경우 지하수 흐름방향성에 대한 정확성이 떨어지게 되므로 유역의 장·단경(폭과 길이)의 차이를 고려하였다. 그리고 기존의 16개 소유역의 경우 지하수 해석 등 검증자료로 활용되는 지하수 관측정 지점의 편차가 소유역별로 매우 큰 것으로 확인되어 이 연구에서는 유역 내 최소 10개의 관측정이 분포될 수 있도록 고려하였다. 지하수 해석 모델에 적용되는 지하수 유역은 서제주, 동제주, 구좌, 표선-성산, 남원, 서귀, 대정-안덕, 한림-한경유역으로 총 8개의 유역으로 구분하였다(Fig.
6455로 분석되었다(Table 2). 전반적으로 해안에서부터 거리가 길어짐에 따라 지하수위는 상승하는데, 남부와 북부지역은 비교적 높은 상관도를 나타냈으며, 동부지역과 서부지역은 비교적 낮은 상관도를 보였다(Fig. 3).
제주도 전역을 대상으로 지하수위와 해안거리의 상관분석 결과 r은 0.5714, R²는 0.3265이며, 거리에 따른 표고의 기울기는 약 15.21로 분석되었다. 지역별 해안거리에 따른 지하수위 특성 분석결과 동부지역의 r은 0.
제주도 전역을 대상으로 해안거리(해안에서부터 관측정까지의 거리)와 표고의 상관분석 결과 r은 0.8400, R²는 0.7056이며, 거리에 따른 표고의 기울기는 약 39.29로 분석되었다. 지역별 해안거리-표고 상관분석 결과 동부지역의 r은 0.
29로 분석되었다. 지역별 해안거리-표고 상관분석 결과 동부지역의 r은 0.9662, R²는 0.9336로 해안거리와 표고와의 상관도는 비교적 높은 것으로 확인되었으며, 거리에 따른 표고의 기울기는 약 29.65로 분석되었다. 서부지역의 r은 0.

후속연구

제주지역은 기후변화와 이상기후로 인해 수자원 특성이 급변하고 있어 미래 기후변화에 대비한 지하수 자원의 분석·예측에 관한 연구는 필수적이다. 이 연구는 지하수 유동모델 분석을 위한 기초자료이며, 제주도 지하수의 개발 이용과 관리정책 등을 수립하는데 기초자료로 활용될 수 있다. 특히, 지하수 수리학적인 특성에 따른 지하수 유역설정은 지하수위 관측 결과를 기반으로 하고 있어 보다 넓은 지역으로 관측망의 확대 조사가 필요하며, 지속적·정기적 데이터 구축으로 보다 개선된 연구가 진행되어야 한다.
이 연구는 지하수 유동모델 분석을 위한 기초자료이며, 제주도 지하수의 개발 이용과 관리정책 등을 수립하는데 기초자료로 활용될 수 있다. 특히, 지하수 수리학적인 특성에 따른 지하수 유역설정은 지하수위 관측 결과를 기반으로 하고 있어 보다 넓은 지역으로 관측망의 확대 조사가 필요하며, 지속적·정기적 데이터 구축으로 보다 개선된 연구가 진행되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지하수위 관측정에서 관측되는 데이터는 어떻게 관리되는가?	지하수위 관측정은 관측정 내부에 설치된 자동측정기로부터 1시간 간격으로 지하수위 전기전도도·수온 등을 모니터링하고 있으며, 필요시에는 10분, 30분 간격으로 주기를 조정해 모니터링 하고 있다. 각 관측정에서 관측되는 데이터는 CDMA(코드분할 다중접속 : Code Division Multiple Access)무선통신망에 의해 실시간으로 관측정 관리 전용서버로 전송되어 관리되고 있다(Jeju Special Self-Governing Province, 2014). 제주도내 지하수 관측정은 2001년부터 관측이 시작되어 2016년 12월 기준 총 133개소가 설치되어 운영되고 있으며, 지하수위 관측정, 해수침투 관측정, 광역 감시정 관측정, 인공함양 관측정으로 구분된다.
	제주도의 연평균 강수량 특징은?	제주도의 연평균 강수량은 2,061 mm로서 국내 최다우지역이지만, 대부분의 하천은 건천의 형태로 유지되어 지표수를 활용한 수자원 확보는 매우 어렵다(Jung and Yang, 2009). 그러나 투수성이 높은 지질특성을 가지고 있어 지하수 함양량은 전체 수자원의 44.
	최근 제주도에서 발생한 지하수 문제는?	5%로 주요 수자원은 지하수로 이용된다(Jeju Special Self-Governing Province, 2013). 최근 제주도는 기후·환경 변화로 2017년에는 지하수위가 관측 이래 최저로 내려가고, 2011년과 2013년, 2017년에는 일부지역에서 해수침투가 발생하는 등 지하수 문제가 발생하였다. 이와 더불어 인구와 관광객 급증, 주택건설 및 관광단지 등의 개발사업 증가 등 인문·사회 환경이 급변하고, 특용작물 및 시설하우스 증가 등으로 용수수요량이 증가되고 있다.

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Won, Y. S., 2007, Development of Long Term Rainfall-Runoff Model of Combined Surface and Ground Water, Ph. D. Dissertation, Ajou University, Korea.

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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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