[논문]낙동강 하구 지하수 관정 주변 대수층의 리질리언스 평가

유순영; 김호림; 최은경; 김성욱; 류동우; 김용철

doi:10.7857/jsge.2023.28.3.012

낙동강 하구 지하수 관정 주변 대수층의 리질리언스 평가
Resilience Assessment for Aquifers close to Groundwater Wells in the Nakdong River Estuary 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.28 no.3, 2023년, pp.12 - 28

유순영 (한국지질자원연구원) , 김호림 (한국지질자원연구원) , 최은경 ((주)지아이 지반정보연구소) , 김성욱 ((주)지아이 지반정보연구소) , 류동우 (한국지질자원연구원) , 김용철 (한국지질자원연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Each national groundwater monitoring well showed distinct change patterns in groundwater levels and electrical conductivity (EC) in the Nakdong River Estuary, implying different external forces (EFs) on each well. According to the annual average data in 1997-2020, seawater was invaded into Well C. The desalination rate of -1,062 µS/cm/year represents the adaptive capacity of the well to seawater intrusion. The water levels and EC in Well E responded to precipitation, indicating the low absorptive capacity to climate changes. Meanwhile, Well B showed constant increases in water levels, suggesting that problems by rising groundwater should be considered in the study area where confined aquifers are overlaid by clay aquitards. The other wells showed consistent water levels and EC, indicating resilience to EFs. Here, resilience is the capacity of a well to resist changes by EFs, including the absorptive and adaptive capacity. The resilience of Wells E and F to climate changes was quantitatively compared using a resilience cost (RC). The RC showed Well F was more resilient than Well E, and the bedrock aquifer was more resilient than the alluvium aquifer, supporting the usefulness of RC. The resilience assessment against EFs (e.g., changes in land use and climate) helps sustainable groundwater management.

주제어

표/그림 (13)

표 Table 1. Components for resilience assessment in various research fields
그림 Fig. 1. Locations of monitoring wells (national (A to F), supplementary (n=28), rural (I, II) groundwater, and seawater intrusion (III)) and monitoring stations for tidal levels (Busan, Busan (New port), Gadeokdo), surface water levels (Gupodaegyo, Sinpyeongdong), and weather (Busan): (a) Shaded relief map, (b) Topographic map. ➀ indicates the Yangsan fault, while ➁ indicates the Nakdong River. In (b), the location of Nakdong Estuary Barrage is displayed, while a, b, and c represent three supplementary groundwater monitoring wells close to Well B.
그림 Fig. 2. Morphological changes near the Nakdong Estuary Barrage.
그림 Fig. 3. Geology: (a) Geology map, (b) Geologic column for the 60 m depth below ground surface in BH-1~5 in (a).
그림 Fig. 4. Morphological changes in the study area: (a) 1918-1926, (b) 1964, (c) 1976, (d) 1993, (e) 2016, (f) Temporal changes in coastline and river boundary.
표 Table 2. National groundwater monitoring wells within the study area
그림 Fig. 5. Daily variations of tidal heights at a tide monitoring station (Busan), surface water levels at Gupodaegyo and Sinpyeongdong, and precipitation at a weather station (Busan) in 1995-2022. See Fig. 1 for the locations of monitoring stations.
그림 Fig. 6. Annual average of groundwater levels and annual precipitation. Note that the range of water levels at Well D is denoted on the right axis due to different ranges.
그림 Fig. 7. Annual average of electrical conductivity (EC) and temperature. Note that the range of EC at Well C is denoted on the right axis due to high values.
그림 Fig. 8. Hydrochemical characteristics. The comparison of Cl with Na/Cl (a), SO₄/Cl (b), Cl/HCO₃ (c), and NO₃-N (d). In (c), the sample obtained from Well C on November 2015 whose Cl was 201 mg/L was not shown due to no HCO₃ data. The number of data in (d) almost doubles that in (a) to (c) since the water quality including NO₃-N was analyzed twice a year while the major ions were once a year.
그림 Fig. 9. Daily variations of EC and groundwater levels at Well B until December 31, 2022.
그림 Fig. 10. Temporal variation of EC and Cl at Well C. The Cl concentrations were from the water quality data analyzed twice a year. The red dotted line is linear regression using the EC data in 2005-2020.
표 Table 3. Resilience cost (RC) of groundwater wells to external forces

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 아직 국내에서 지하수 환경의 리질리언스를 평가한 사례는 전무하다. 따라서 이 연구에서는 국가지하수 관리측정망 자료를 이용하여 지하수 리질리언스를 평가하고, 정량적 평가 방법으로써 리질리언스 비용(RC)의 유용성을 살펴본 후, 앞으로 연구되어야 할 요소들을 논의하였다. 리질리언스는 시스템(예: 지하수 환경)의 ‘능력’으로 구체적으로 정의하기 쉽지 않고, 시스템의 다차원적인 특성으로 인하여 정량적 평가는 더욱 어렵다.

제안 방법

강수량의 변화가 연구지역 내 관측정에 동일하게 영향을 미친다는 것을 고려하여, 강수량의 변화를 외부력으로 보고, 관측정 E와 F의 리질리언스 비용(RC)을 평가한 후 관정 주변 대수층의 리질리언스를 비교해 보았다. 모니터링을 목적으로 운영되는 국가지하수관리측정망의 특성상, 복구력은 고려하지 않았다.
이에 낙동강 조간대 대수층의 경우, 관정 주변의 대수층 리질리언스를 따로 평가할 필요가 있을 것으로 보인다. 관측정 주변의 대수층 리질리언스를 평가하기 위해 지하수위 및 EC의 변화량이 상대적으로 큰 관측정(B, C, E)의 지하수위 및 EC 변화량을 분석하고, 이를 통해 변화요인(외부력)을 판단해 보았다.
앞서 언급한 외부력 중 강수량의 변화(기후변화)는 연구지역 내 모든 관정에 영향을 미쳤다고 볼 수 있다. 따라서 강수량의 변화를 외부력으로 보고, 관측정 E와 F의 리질리언스를 비교해 보았다. 이 연구에서는 외부자원 투입의 영향, 즉 복구력은 평가에서 제외하였으므로, 식 (1) 대신 식 (2)를 활용하였다.
낙동강 조간대의 경우, 도시개발이 활발하고, 해수 및 강수에 의해서도 지하수위 또는 EC가 변화할 수 있는 지역이다. 따라서 연구지역의 토지이용, 지질정보, 개발이력, 및 지형변화 이력을 구축하여 변화 원인(외부력)을 해석하고, 외부력에 의한 영향 및 자연적인 회복 속도를 평가해 보았다. 연구 결과, 관측정 C에서는 관정 굴착과 함께 해수 유입이 일어나고 이후 자연회복(담수화; 회복 속도 –1,062 μS/cm/yr)되는 것으로 판단되며, 관측정 E는 다른 관측정들과 달리 강수에 크게 영향을 받는 것으로 보인다.
여기서 RE는 복구 노력(recovery effort)의 규모로 복구력을 대변하며, α는 단위 환산 계수로서 가중치로도 활용될 수 있다. 또한, 초기 상태(시스템의 규모)가 서로 다른 시스템들의 리질리언스를 비교하기 위해, SI와 RE의 합을 목표치(TSP)로 나누어 평가한다. RC가 작을수록 더 리질리언스 한(즉, 외부력의 변화 압력에도 불구하고 변화가 없거나 변화하더라도 빠르게 회복하는) 시스템으로 평가된다.
이외에도 암반지하수(F-b)에서는 비교적 높은 EC가 일정하게 관찰되나(426 ± 35 μS/cm), 충적지하수(F-b)에서는 EC가 눈에 띄는 증감을 보이고 있다(325 ± 48 μS/cm). 이들 EC 변화를 이용하여 지표오염물질에 대한 두 관측정의 리질리언스를 비교해 보았다(Table 3). 식 (2)에서 SP는 연평균 EC를 활용하고, 관정별 목표치(TSP)는 관측기간 중 관찰된 가장 낮은 EC를 임의로 택한 결과, 암반지하수의 RC가 더 낮아 지표오염물질에 더 리질리언스한 것으로 평가되었다.
지하수 리질리언스의 정량적 평가 사례를 구축하기 위해 낙동강 조간대 국가지하수관리측정망의 지하수위 및 EC 변화를 살펴보았다. 그 결과, 관측정마다 수위와 EC의 변화 양상이 서로 달랐으며, 수질 및 수위 변화에 영향을 미치는 주요 요인(외부력)이 상이해 보였다.

대상 데이터

4). 과거 지형은 광복 이전, 1964년, 1976년, 1993년, 2016년 발간된 1/5만 지형도를 이용하여 Global mapper로 정사 보정 후 비교하였으며, 현재 지형을 확인하기 위하여 2022년 촬영된 위성영상을 이용하였다. 광복 이전의 지형도에는 낙동강 조간대 지역의 지도가 구축되어 있지 않으나(Fig.
9). 관측정 B 주변의 보조관측망 자료 및 농어촌지하수관측망 자료를 이용하여(Fig. 1), 유사 현상을 확인하려 하였으나, 보조관측망의 경우 2013년 이전에 관측된 자료가 없고, 농어촌지하수관측망의 경우 최근 2년 자료만 확인 가능하여, 지하수 상승이 관측정 B 주변에서 일어나는 일반적인 현상인지를 확인할 수 없었다.
시스템의 성능(SP)은 연구지역 주변에 위치한 7개 국가 지하수관리측정망의 지하수위 및 EC 자료로 측정하였다(Table 2). 측정망별로 설치년도가 달라 2005-2020년 관찰된 연평균 자료를 기본으로 하고, 그 이외 기간 자료는 자료 해석에 추가 활용하였다.
측정망별로 설치년도가 달라 2005-2020년 관찰된 연평균 자료를 기본으로 하고, 그 이외 기간 자료는 자료 해석에 추가 활용하였다. 이외에도 국가지하수관리 측정망의 수온 자료와 보조지하수관측망 28개소의 온도, 지하수위, EC 자료 및 농어촌지하수관측망 3개소의 지하수위 및 EC 자료를 참고하였다(Fig. 1).
여기서 SP는 연평균 수위를 활용하였으며, 관정별 목표치(TSP)는 관측기간 중 관찰된 가장 높은 수위로 임의로 택하였다. 평가 기간은 관측 자료가 모두 존재하는 2005-2020년으로 하였다. 관측정 B와 C의 경우, 기후변화 이외에도 토지이용 변화, 해수침투 등 다른 외부력의 영향을 크게 받는 것으로 판단되어 RC 평가에서 제외하였다.

성능/효과

관측정 B 주변의 보조관측망 자료 및 농어촌지하수관측망 자료를 이용하여(Fig. 1), 유사 현상을 확인하려 하였으나, 보조관측망의 경우 2013년 이전에 관측된 자료가 없고, 농어촌지하수관측망의 경우 최근 2년 자료만 확인 가능하여, 지하수 상승이 관측정 B 주변에서 일어나는 일반적인 현상인지를 확인할 수 없었다.
비록 관측정 F의 암반지하수(F-b)와 충적지하수(F-a)는 모두 비교적 일정한 지하수위를 보여주나(Fig. 6), 암반지하수(F-b)가 충적지하수(F-b)보다 더 낮은 RC를 보여, 강수량 변화에 대하여 상대적으로 더 리질리언스한 것으로 나타났다. 이외에도 암반지하수(F-b)에서는 비교적 높은 EC가 일정하게 관찰되나(426 ± 35 μS/cm), 충적지하수(F-b)에서는 EC가 눈에 띄는 증감을 보이고 있다(325 ± 48 μS/cm).
관측정 F의 지하수위는 비교적 일정한 패턴을 보이고 있어(Fig. 6), 어떠한 외부력에도 리질리언스한(변화가 적거나 변화하더라도 빠르게 회복하는) 것으로 평가된 바 있는데, RC가 이를 정량적으로 확인해 준 것으로 판단된다.
모니터링을 목적으로 운영되는 국가지하수관리측정망의 특성상, 복구력은 고려하지 않았다. RC 평가 결과에 따르면, 강수량의 변화에 민감하게 반응하는 관측정 E의 RC가 관측정 F에 비해 크게 평가되어, 리질리언스 확보가 필요한 관정임을 확인할 수 있었다. 한편, 관측정 F의 암반지하수가 관측정 F의 충적지하수보다 기후변화 및 지표오염에 더 리질리언스한 관정으로 평가되었는데, 이는 RC가 리질리언스 평가에 유용한 지표로 활용될 수 있음을 시사한다.
관측정 E의 지하수위는 증감을 반복하며 2008년 이후 전반적으로 상승하는 경향을 보이고 있다. 수위 변화가 강수량의 변화와 높은 상관성을 가지고 있는 것으로 보아(Fig.
지하수 리질리언스의 정량적 평가 사례를 구축하기 위해 낙동강 조간대 국가지하수관리측정망의 지하수위 및 EC 변화를 살펴보았다. 그 결과, 관측정마다 수위와 EC의 변화 양상이 서로 달랐으며, 수질 및 수위 변화에 영향을 미치는 주요 요인(외부력)이 상이해 보였다. 낙동강 조간대의 경우, 도시개발이 활발하고, 해수 및 강수에 의해서도 지하수위 또는 EC가 변화할 수 있는 지역이다.
연구 결과, 관측정 C에서는 관정 굴착과 함께 해수 유입이 일어나고 이후 자연회복(담수화; 회복 속도 –1,062 μS/cm/yr)되는 것으로 판단되며, 관측정 E는 다른 관측정들과 달리 강수에 크게 영향을 받는 것으로 보인다
평가 결과, 관측정 E가 더 큰 RC를 보여 기후변화와 관련하여 리질리언스 확보가 필요한 관정으로 확인되었다(Table 3). 관측정 F의 지하수위는 비교적 일정한 패턴을 보이고 있어(Fig.
RC 평가 결과에 따르면, 강수량의 변화에 민감하게 반응하는 관측정 E의 RC가 관측정 F에 비해 크게 평가되어, 리질리언스 확보가 필요한 관정임을 확인할 수 있었다. 한편, 관측정 F의 암반지하수가 관측정 F의 충적지하수보다 기후변화 및 지표오염에 더 리질리언스한 관정으로 평가되었는데, 이는 RC가 리질리언스 평가에 유용한 지표로 활용될 수 있음을 시사한다. 추후 월별 자료 분석 및 교차 상관분석 등을 통해 Well E 주변 대수층이 기후변화에 대하여 낮은 리질리언스를 보이는 이유를 평가하고 리질리언스 확보 방안을 마련할 필요가 있다.

후속연구

이외에도 지하수 리질리언스의 정량적 평가 기술은 토양과 같은 다른 지질환경의 리질리언스 또는 지질재해(지진, 산사태 등의 외부력)에 대한 국가 리질리언스를 평가하는데도 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 기후변화위기에 대응하여 수자원 시스템의 리질리언스를 확보하는 데 있어 지하수 자원을 활용하는 방안을 마련하는 데도 도움이 될 수 있다.
6 and 7), 연구지역에는 해수침투, 기후변화, 도시 개발 등 여러 가지 외부력이 지하수 환경에 영향을 미칠 수 있다는 것을 고려할 때, 관정별로 여러 가지 외부력들이 서로 다른 비중을 가지고 영향을 미치는 것으로 판단된다. 이에 낙동강 조간대 대수층의 경우, 관정 주변의 대수층 리질리언스를 따로 평가할 필요가 있을 것으로 보인다. 관측정 주변의 대수층 리질리언스를 평가하기 위해 지하수위 및 EC의 변화량이 상대적으로 큰 관측정(B, C, E)의 지하수위 및 EC 변화량을 분석하고, 이를 통해 변화요인(외부력)을 판단해 보았다.
특히 지하수 리질리언스의 정량적 평가는 지하수 시스템에 대한 이해를 돕고 리질리언스를 확보하는 데 기여할 수 있다. 이외에도 지하수 리질리언스의 정량적 평가 기술은 토양과 같은 다른 지질환경의 리질리언스 또는 지질재해(지진, 산사태 등의 외부력)에 대한 국가 리질리언스를 평가하는데도 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 기후변화위기에 대응하여 수자원 시스템의 리질리언스를 확보하는 데 있어 지하수 자원을 활용하는 방안을 마련하는 데도 도움이 될 수 있다.
한편, 관측정 F의 암반지하수가 관측정 F의 충적지하수보다 기후변화 및 지표오염에 더 리질리언스한 관정으로 평가되었는데, 이는 RC가 리질리언스 평가에 유용한 지표로 활용될 수 있음을 시사한다. 추후 월별 자료 분석 및 교차 상관분석 등을 통해 Well E 주변 대수층이 기후변화에 대하여 낮은 리질리언스를 보이는 이유를 평가하고 리질리언스 확보 방안을 마련할 필요가 있다. 이외에도 연구지역의 지하수는 보 개방, 낙동강의 수위 변화, 농업 활동 등의 영향을 받을 수 있다는 것을 고려할 때, 이들 외부력에 대한 리질리언스도 평가해 볼 필요가 있다.

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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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