[논문]토양이용특성에 따른 지하수함양량 추정을 통한 3차원 유동해석

최윤영; 이병철; 고병련; 배상근

문제 정의

기왕 의 연구 결과를 살펴보면, 유역의 유출량 자료가 전무할 경우에 있어 지하수함양량을 산정하기 위한 가장 합리적인 방법 중의 하나는 SCS-CN방법인 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구에서는 SCS-CN법에 의한 실제 함양량을 산정하고 이를 이용하여 MODFLOW모델에 적용하여 관측치와 비교 검토해 봄으로서 토양 이용 특성에 따른 매개변수(함양량)추정에 대한 실무적용 가능성을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 조사지역의 전반적인 지하 수위 분포 및 유동 경향을 구하기 위하여 수리모델링을 수행하였다. 조사지역 일대의 수리 지질학적인 특성을 고려하여 유역을 구분하고 그 유역을 포함하는 격자망을 구성하였다.

제안 방법

침투실험은 토지이용 상태의 종류에 따라 논, 밭, 초지, 산지, 과수원, 나대지 등에서 이루어졌으나 정밀토양도 상의 토양의 종류에 의해 결정되어지는 수문학적 토양군을 적용하기 위해서는 인위적인 토양의 개량이 진행된 지역은 비교 대상으로 적합하지 않은 것으로 판단된다. 그러므로 S값의 비교는 정밀토양도의 토양분류가 반영될 수 있는 산지 지역의 실험 결과가 적합하며, 산지 지역에 대한 실험 결과를 S값의 산정에 적용하였다. 산지에서의 침투실험은 모두 4회를 대상으로 S값을 산정하였다.
침투실험이 실시된 지역에 대하여 침투실험 결과와 정밀토양도상에서의 수문학적 토양군에 의한 CN값을 적용하여 S값을 산정하였으며 침투능곡선의 해석에 의한 방법(CASE-D, 실험 결과에 의한 토양군분류를 적용하여 계산하는 방법(CASE-ID, 정밀토양도에 의한 토 양군분류를 적용하여 계산하는 방법 (CASE-Ⅲ) 등 세 가지 경우에 대한 결과를 표 1에 나타내었다.
연구대상지역을 대상으로 지리정보시스템을 이용하여 SCS-CN방법에 의해 지하수함양량을 산정하였다. CN값 산정을 위해 농업과학기술원에서 제작된 1:25,000 정밀토양도를 사용하여 수문학적 토양 군으로 분류하였다(그림 2, 표 2). 대상 유역은 전체면적 1.
76%에 해당하는 상대적으로 작은 면적으로 나타났다. CN값 산정은 정밀토양도를 이용하여 구하여진 수문학적 토양군의 결과와 토지피복도(그림 3)를 이용하여 구해진 피복 항목에 대하여 각 면적당 CN값을 구하였다. 강우량 자료는 수자원 공사의 자료를 참조하여 확보 가능한 1990 - 2002년의 자료를 이용하였으며 함양량 산정에 있어 대상 지역의 평균 CN값을 사용하지 않고 피 복항목과 수문학적 토양군 각각의 면적에 대하여 함양량을 산정하여 전체면적에 대한 가중치를 적용하여 함양량을 산정하였다.
CN값 산정은 정밀토양도를 이용하여 구하여진 수문학적 토양군의 결과와 토지피복도(그림 3)를 이용하여 구해진 피복 항목에 대하여 각 면적당 CN값을 구하였다. 강우량 자료는 수자원 공사의 자료를 참조하여 확보 가능한 1990 - 2002년의 자료를 이용하였으며 함양량 산정에 있어 대상 지역의 평균 CN값을 사용하지 않고 피 복항목과 수문학적 토양군 각각의 면적에 대하여 함양량을 산정하여 전체면적에 대한 가중치를 적용하여 함양량을 산정하였다.
본 연구에서는 조사지역의 전반적인 지하 수위 분포 및 유동 경향을 구하기 위하여 수리모델링을 수행하였다. 조사지역 일대의 수리 지질학적인 특성을 고려하여 유역을 구분하고 그 유역을 포함하는 격자망을 구성하였다. MODFLOW모델에 의해 산정된 계산치와 관측치의 오차를 비교해 볼 때 본 분석에 의한 모의 발생 결과치는 양촌 유역에 대한 정류상태 하에서의 지하수두 분포를 신뢰도 적정수준에 있어 잘 반영하고 있는 것으로 판단되며 남북방향으로는 완만하고 안정된 수두 경사를 이루는 것으로 분석되었다.

대상 데이터

본 연구 대상 유역은 경북 상주시 양촌동 150번지 일대이며 좌표는 동경 127° 51 ' -128° 13 ' , 북위 36° 25 ' ~36。50 ' 사이에 위치하고 있다. 유역 내 경사는 완만한 구릉지이고 인근에 병성천이 유하하고 있다.
유역 내 경사는 완만한 구릉지이고 인근에 병성천이 유하하고 있다. 연구유역의 대부분이 제4기 충적층으로 구성되어 있으며, 지층구성은 상부로부터 토사층, 풍화토층, 풍화암층 및 연암층 순서로 형성되어 있고 풍화토층 상부로는 퇴적층인 매립층, 또는 전·답토층이 피복하고 있다.
산지에서의 침투실험은 모두 4회를 대상으로 S값을 산정하였다. 침투실험이 진행된 지역은 두 지점으로 모두 침엽수와 활엽수가 혼재되어 있는 혼효림 지역이며 이에 대한 실험 결과는 다음의 그림 1과 같다.

이론/모형

연구대상지역을 대상으로 지리정보시스템을 이용하여 SCS-CN방법에 의해 지하수함양량을 산정하였다. CN값 산정을 위해 농업과학기술원에서 제작된 1:25,000 정밀토양도를 사용하여 수문학적 토양 군으로 분류하였다(그림 2, 표 2).

성능/효과

CN값 산정을 위해 농업과학기술원에서 제작된 1:25,000 정밀토양도를 사용하여 수문학적 토양 군으로 분류하였다(그림 2, 표 2). 대상 유역은 전체면적 1.8361赤 중 수문학적 토양군 A가 0.842而로 45.86%, D가 0.702km로 38.23%의 면적으로 수문학적 토양군 A, D가 대부분을 차지하며 日와 C는 각각 0.131knf로 7.14%, 0.161km■로 8.76%에 해당하는 상대적으로 작은 면적으로 나타났다. CN값 산정은 정밀토양도를 이용하여 구하여진 수문학적 토양군의 결과와 토지피복도(그림 3)를 이용하여 구해진 피복 항목에 대하여 각 면적당 CN값을 구하였다.
조사지역 일대의 수리 지질학적인 특성을 고려하여 유역을 구분하고 그 유역을 포함하는 격자망을 구성하였다. MODFLOW모델에 의해 산정된 계산치와 관측치의 오차를 비교해 볼 때 본 분석에 의한 모의 발생 결과치는 양촌 유역에 대한 정류상태 하에서의 지하수두 분포를 신뢰도 적정수준에 있어 잘 반영하고 있는 것으로 판단되며 남북방향으로는 완만하고 안정된 수두 경사를 이루는 것으로 분석되었다. 다음의 표 3은 부정류 상태 하에서 P 및 P1의 단일양수와 동시 양수일 경우에 대한 인근 관정의 수두 분포를 나타낸 것이다.
침투실험의 결과에 있어, 실험 1의 경우 CASE I과 CASE Ⅱ의 S값이 각각 30.6cm와 28.6cm로 거의 유사한 결과를 나타내고 있는 반면에 CASE Ⅲe 6.8cm로 차이가 있는 것으로 나타났다. 실험 1, 2의 경우 CASE I, Ⅱ의 S값이 CASE Ⅲ의 결과에 비해 큰 S값을 가지는 경향을 보여주고 있는데 이는 CASE Ⅲ의 경우에 정밀토양도상에서 수문학적 토양군을 분류하여 S값을 산정하였으므로 CASE I, II와 같이 특정 지점에 대한 특성을 반영하기보다는 통양군 전체의 특성을 나타내기 때문인 것으로 판단된다.
실험 1, 2의 경우 CASE I, Ⅱ의 S값이 CASE Ⅲ의 결과에 비해 큰 S값을 가지는 경향을 보여주고 있는데 이는 CASE Ⅲ의 경우에 정밀토양도상에서 수문학적 토양군을 분류하여 S값을 산정하였으므로 CASE I, II와 같이 특정 지점에 대한 특성을 반영하기보다는 통양군 전체의 특성을 나타내기 때문인 것으로 판단된다. 실험 3, 4의 경우에는 CASE I, II가 CASE III와 비교적 근사한 S값으로 나타났으며 전체적인 특성을 반영할 수 있는 지점의 실험 결과를 이용하여 비교한 경우에는 정밀토양도 토양통의 수문학적분류에 의한 계산과 유사한 결과를 나타내고 있어 SCS-CN법의 현장 적용성은 우수한 것으로 판단된다. 이를 이용한 지하수함양량을 적용하여 모의 발생을 한 결과, 양촌 유역에 있어 관측치와 계산치에서 가장 작은 변동 폭을 나타낸 관정은 P4지점으로 0.
실험 3, 4의 경우에는 CASE I, II가 CASE III와 비교적 근사한 S값으로 나타났으며 전체적인 특성을 반영할 수 있는 지점의 실험 결과를 이용하여 비교한 경우에는 정밀토양도 토양통의 수문학적분류에 의한 계산과 유사한 결과를 나타내고 있어 SCS-CN법의 현장 적용성은 우수한 것으로 판단된다. 이를 이용한 지하수함양량을 적용하여 모의 발생을 한 결과, 양촌 유역에 있어 관측치와 계산치에서 가장 작은 변동 폭을 나타낸 관정은 P4지점으로 0.03m, 가장 큰 변동 폭을 나타낸 관정은 P지점으로 0.16m로 산정되었다. 본 분석에서 관측치와 계산치의 상대오차는 0.
16m로 산정되었다. 본 분석에서 관측치와 계산치의 상대오차는 0.037~0.195%로 나타나 실측치와 거의 유사한 것으로 산정되었다.

후속연구

이를 위해서는 전국의 중·소유역별 강수함양량이 파악되어 수자원의 개발 및 관리계획에 반영하여 수자원 관리를 해야 할 것이다. 한편, 지하수 개발량 평가에 대한 기준 설정을 위해서는 지하수 함양량의 산정이 반드시 필요하며, 토지이용 특성 및 토양 특성이 지하수함양량에 영향을 미치므로 이를 고려하여 지하수함양량을 평가할 수 있는 기법을 제안하여 적절한 지하수 개발량 평가기술 이루어져야 할 것이다. 기왕 의 연구 결과를 살펴보면, 유역의 유출량 자료가 전무할 경우에 있어 지하수함양량을 산정하기 위한 가장 합리적인 방법 중의 하나는 SCS-CN방법인 것으로 판단된다.

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