1. 서 론

우리나라는 지표수 중심의 수자원 개발이 이뤄짐에 따라 지하수는 주로 보전의 대상으로 간주되어 왔으나 최근 일부지역에서 지하수 개발가능량을 초과하는 이용량, 하천 인근의 지하수 이용에 따른 하천수 감소문제 등의 현안이 새롭게 대두되면서 보다 합리적인 지하수 관리 방안에 대한 요구가 늘어나고 있다. 우리나라 지하수관리의 기본 방향은 지속가능한 수자원으로서 지하수의 확보와 청정수자원의 보전이라는 목표를 지향하며, 최근 수자원법에서 공표된 바와 같이 지표수와 지하수를 별개가 아닌 통합관리 되어야 할 하나의 수자원으로 인식하고 있다(MOCT, 2002). 이러한 통합관리를 위해 우선적인 것은 지표수와 지하수 유출을 통합적으로 모의‧해석할 수 있는 장기유출모형의 구축이 필수적이라 하겠다.

기존에 국외에서 개발된 지표수와 지하수를 해석할 수 있는 대표적인 분포형 장기유출모형으로는 미국에서 개발된 SWAT (Arnold et al. 1993; Neitsch et al., 2001), ISGW (SDI, 1997), 덴마크에서 개발된 MIKE SHE (DHI, 1999) 등이 있다. 본 연구에서는 유역수문모형 SWAT에 범용적인 지하수 해석모델인 MODFLOW (McDonald와 Harbaugh, 1988)의 결합시킨 SWAT-MODFLOW모형(Kim et al., 2008)을 이용하였다. 이 모형은 청원지역 지하수 함양량 산정에 적용된 바 있다(Chung et al., 2010). 본 연구에서는 이 결합모형을 장성지역이 속해 있는 황룡강 중권역과 주변 영산강 및 고막원천 상류유역에 대하여 지표수와 지하수를 통합적으로 모의하고 실질적인 검증을 수행함으로써 이 지역의 지하수 기초조사의 일환으로 지하수 함양량을 정량적으로 평가하고자 하였다. 이를 위해 토지이용 및 토양조건, 기후조건 등을 고려한 일단위 수문성분을 모의하고, 지하수함양량, 지하수유출량 등 수문성문의 시공간적 분포특성을 제시함으로써 향후 이지역의 지하수 개발에 있어 지자체 담당자들의 가이드라인을 제시하고자 하였다.

2. SWAT-MODFLOW 결합모형

SWAT (Soil and Water Assessment Tool)모형(Arnold et al., 1995)은 미국 농무성에서 개발된 것으로 다양한 토양, 토지이용 등을 반영하여 물순환이나, 토사 및 화학물질 이동을 해석할 수 있는 준분포형 장기유출모형이다. SWAT에서는 식물의 뿌리깊이까지의 영역인 토양수대, 비포화대, 포화대로 구분하여 다음 Eq. (1)과 같이 토양수를 기준으로 표현된 물수지 식을 기본 개념으로 사용하고 있다.

     (1)

여기서, SW_t는 시간 t일의 토양수분량, SW₀는 초기토양수분량, R_day는 일강수량을 나타내고 있으며, Q_surf는 지표면 유출량, E_a는 증발산량, w_seep는 토양층의 특성을 반영한 침루량, Q_gw는 하천으로의 회귀수이다. SWAT에는 개념적인 지하수 모형이 탑재되어 있으나 지하수의 동적 거동을 반영할 수 없어 양수에 의한 유동을 모의하는데 어려움이 있다. SWAT-MODFLOW 모형(Kim et al., 2008)은 각각의 모형이 가지는 장점은 그대로 유지하면서 단점을 상호 보완한 유역단위의 지표수-지하수 통합모형이다. Fig. 1은 모형의 수문순환 개념도를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 SWAT의 지하수 해석부분을 MODFLOW가 담당하고 있다.

통합모형은 MODFLOW가 SWAT내에서 호출되는 형식으로 결합되었으며, 일별 함양량의 공간적 분포를 SWAT으로부터 추출하여 MODFLOW에 자동적으로 입력시켜 지하수 흐름을 모의하고, 하천과 대수층간의 수위차에 비례하는 순 유출입량으로부터 지하수유출량을 계산하여 다시 SWAT으로 전달함으로써 두 모형간의 연계가 매시간단계별로 이루어지게 된다(Kim et al., 2008). 또한 대수층내 우물의 함양과 배출, 지하수의 증발산으로 인한 손실 등도 상호 연동되도록 결합하였다. SWAT으로부터 HRU (Hydrologic Response Unit)별로 계산된 함양량을 MODFLOW의 셀값에 입력하기 위해서 HRU-CELL 변환 툴을 만들어 활용하였다. MODFLOW의 RIVER PACKAGE를 이용하여 하천셀별로 하천-대수층간의 순 유출입량을 계산후 합산하여 SWAT의 하도로 유입되도록 구성하였다.

3. 장성지역에 대한 SWAT-MODFLOW 통합모형의 적용

SWAT-MODFLOW 통합모형을 황룡강 중권역과 주변 영산강 및 고막원천상류에 위치한 장성지역에 대해 2000년부터 2014년 8월까지 약 15년간의 시험적용을 수행하였다. 입력자료로서 기온, 풍속, 일사량, 강수량 등의 기상자료는 광주와 정읍기상대 자료를 이용하였고, 모사지역 상류에 위치한 장성댐의 저수지 방류량과 공급량을 분석하여 공급량은 모두 유역외로 나가는 것으로 가정하고 방류량을 하도에 반영하였다(Figs. 2 and 3).

유역형상은 Fig. 4과 같이 북측에서 산지가 병풍처럼 둘러있고, 하천이 지형을따라 남측으로 뻗어간다. 장성지역을 포함하는 전체 유역면적은 약 656.1km², 주하도연장은 약 184.2km이며, 대상유역은 13개의 소유역으로 구분하였다.

토양의 물성치는 농업과학기술원과, 농업토양정보시스템 등의 자료를 이용하였다(http://soil.rda.go.kr). 지하수 유동해석을 위해서 격자크기를 300m로 하여 152×117개의 셀을 생성하였고, 상부에 함양플럭스, 하천에 해당되는 셀에는 시간종속수두, 유역외는 No-flow 조건을 부여하였다. 또한 SWAT으로부터 모의된 일별 함양량과 하천수위는 일별로 자동 입력되도록 하였다. Fig. 5는 사용한 토지이용도로서 16개의 토지이용현황으로 구분되었고, 산지가 56.9%, 농경지가 34.7%, 도시화지역이 4.9%, 기타 하천 및 수변용지 3.5%로 분포되어 있다. Table 1에 토지이용별 면적을 기록하였다.

Fig. 6는 정밀토양도로서 86개의 토양통으로 구분되었다. 토지이용도와 토양도를 중첩시켜 HRU 분포도를 작성하고, 개개의 HRU별로 각각의 수문성분량이 계산된 후 소유역에 대하여 지체, 합산된다. 이렇게 합산된 각 수문성분량이 소유역의 주수로에 유입되어 하도추적이 이루어지게 된다. 86개의 토양통 중 주된 토양통의 분포면적과 CN값을 Table 2에 나타내었다.

86개의 토양통 중 주된 토양통은 무등으로 전체 면적의 16.1%를 차지하고 있고 그 다음으로는 삼각 13.6%, 외산 6.3% 등이다. 토지이용도와 토양도를 중첩시켜 작성된 HRU도에서 전체면적대비 분포비율이 1%이상인 주된 HRU값은 Table 3과 같다. HRU값 중 무등토양통의 분포비가 가장 높으며 그 중에서도 소유역 7번에 해당하는 활엽수림이 차지하는 비율이 높게 나타난다. 여기서 CN값은 91.3, AWC는 41.31mm로 나타난다.

충적층 및 암반층의 심도와 수리지질인자의 공간적인 분포는 해당 유역내 포함되는 국가지하수 관측공, 지자체 지하수 관측공, 해당 지역내 농어촌지하수넷의 시추 및 착정 조사자료, 지하수영향조사자료 등을 이용하여 크리깅 기법을 이용하여 공간적으로 분포시켰다(https://www.groundwater.or.kr).

모의 결과의 타당성을 검증하기 위해서 지표수의 유출량과 지하수위 변화를 관측소값과 비교하여 보았으며 최종적으로 시행착오를 통해 현장에서 확인된 지하수위 분포 자료와 상관성이 잘 나타나도록 입력값들을 보정하였다. 지표수 유출량은 선암과 장성수위관측소에서의 관측유량과 유역출구점에서 유량측정된 값을 모의유량과 비교하였으며 지하수위 분포는 2014년 조사지역의 지하수기초조사시 관측한 자료를 바탕으로 2014년 4월의 지하수위를 공간분포로 구성하여 같은 시점의 모델 계산값과 비교하였다. 그 결과 최종 보정된 모델 입력 값과 1층에서의 수리전도도 분포현황은 Table 4, Fig. 7과 같다.

Figs. 8 and 9는 조사지역이 포함된 집수유역의 종단부인 선암 수위관측소와 유역의 중앙부에 위치한 장성 수위관측소에서 2000~ 2014년까지 모사기간 중 워밍업 기간을 제외한 2005~2013년까지 실측치와 모의치의 비교결과를 월평균으로 나타낸 것이며 Figs. 10~13은 조사지역 지하수기초조사 기간동안 수위관측소외 지류에서의 유량측정과 수위 자동 측정값을 모의값과 비교한 것이다.

지표수 유량 보정 결과 선암, 장성 수위관측소와 STR01~STR04 유량측정구간에서 실측치와 모의치간의 결정계수가 각각 0.89, 0.96, 0.74, 0.98, 0.88, 0.92로서 모의치가 양호한 것으로 판단되며 강우의 시간적 분포에 따라 유출량이 잘 모의되었고 Fig. 14와 Table 5와 같이 지하수위의 공간분포에 대한 결정계수 값도 0.85로 나타나 모의된 지표수유량과 지하수위는 워밍업기간을 제외한 모사 전 기간에서 실측치의 경향을 잘 반영하는 것으로 확인되었다.

통합수문모형의 구축이 이루어짐에 따라 시공간적인 함양량의 변화를 산정하였다. 시간적인 함양량의 변화는 일별 함양량 값을 월평균으로 산정하여 계절별 함양률의 변화를 관찰하였으며 Fig. 15와 같이 풍수기인 7, 8, 9월의 함양률이 연중 가장 높게 나타났다. 각 월별 평균 함양량값은 Table 6과 같다.

Table 6을 보면, 2월과 11월 평균 함양량의 값은 비슷하지만 Fig. 16과 같이 공간분포상 함양량은 서로 다르게 나타나 2월에는 황룡강을 중심으로 3, 4번 소유역을 포함한 전체 유역의 상류지점에 24mm이상 함양이 이루어지지만 11월에는 3, 4번 소유역의 함양은 전체적으로 24mm이하로 낮아지고, 1, 2번 소유역에서 24mm이상 함양이 이루어져 토양 및 지형분포에 따른 공간적인 변동성이 같이 고려되어야 하는 것을 알 수 있었다.

Fig. 17을 보면, 유역별로 면적별 가중치를 두어 산술평균하여 균질하게 분포하는 함양 분포양상이 불균질한 함양의 분포양상을 어느 정도 타당하게 반영하는 것으로 판단되므로 이를 조사지역 안에 포함되는 행정구역별로 산정하여 Table 8과 Fig. 18과 같이 제시하였다.

따라서 2005~2013년 동안 수문기상자료를 바탕으로 SWAT- MODFLOW를 이용하여 장성지역을 포함한 유역 전체에 대해 지표수-지하수 통한 물수지 분석 결과 연평균 강수량 대비 유출률은 62.98%, 증발산률은 34.64%, 함양률은 19.52%로 나타났으며 이를 장성지역 읍, 면, 동 행정구역의 면적 가중으로 산술평균하여 나타내면 장성지역 내 북하면, 남면이 142~161mm/yr로 가장 낮고 북일면, 서삼면이 377~405mm/yr로 가장 높게 나타난다. 장성지역의 읍, 면, 동 행정구역별 함양량은 연 평균 최대 약 405mm 범위 내에서 토지이용, 토양특성, 지형 등의 영향에 따라 다르게 분포하는 것을 알 수 있다.

4. 결 론

본 연구는 지표수-지하수 통합모형인 SWAT-MODFLOW 모형을 장성지역을 포함한 황룡강과 주변 유역에 적용한 것으로 결론을 요약하면 다음과 같다.

(1)구축된 모델의 검보정은 워밍업 기간을 제외한 모델 전 기간에 대해 수위관측소와 유량 측정지점의 관측치와 모의치의 결정계수가 0.74~0.98이고 지하수 기초조사를 통한 2014년 4월 지하수의 공간 분포에 대해서도 결정계수가 0.85로서 지표수-지하수 통합모형의 적합도가 양호한 것으로 평가되었다.

(2)지표수-지하수 통한 모형을 통해 모사한 결과 강수대비 유출률, 증발산률, 지하수 함양률과 2005~2013년 월평균 지하수 함양량의 시공간적인 분포 특성 등을 제시하였다.

(3)토지이용 및 토양조건의 이질성으로 인하여 연평균 함양량은 지역적으로 공간적인 편차가 발생하는 것으로 나타나 지형 및 토지이용, 토양특성에 크게 지배되는 것을 알 수 있었다.

(4)지하수 함양량의 시공간 분포는 소유역 혹은 행정구역의 세부 구획별 면적가중 평균으로 변환시켜 활용할 때 지역의 개발가능량 값을 제시하는데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.