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  1. 한국건설기술연구원 (Korea Institute of Civil and Building Technology)


해수침투, SEAWAT, 제주도, 가뭄, 적정양수량
Saltwater intrusion, SEAWAT, Jeju Island, Optimal groundwater development

  • 1. 서 론

  • 2. 연구방법

  •   2.1 제주 서부지역 정밀 3차원 모델 구축

  •   2.2 염수 쐐기 모의를 위한 개념 모델 구축

  •   2.3 지하수 개발량 분석

  •   2.4 SWAT 기반 월평균 함양량 산정

  • 3. 연구결과

  •   3.1 SEAWAT에 기반한 지하수위 모의 결과 검보정

  •   3.2 SEAWAT에 기반한 고산지역 해수침투 모의 결과

  •   3.3 Upconing (역상승에 의한 염수쐐기) 모의 결과

  •   3.4 고산 지역의 해수침투 방지를 위한 적정 지하수 이용량 산정

  • 4. 요약 및 결론

1. 서 론

염소이온의 국내 지하수 수질기준은 생활용수, 농어업용수, 먹는 물 기준으로 250mg/l이다. 염소이온의 농도가 수질기준을 초과하는 경우, 농작물과 토양간의 삼투압 기작을 변화시키고 수분 흡수를 방해하여, 결과적으로 농작물에 치명적인 영향을 미치게 된다(Lee et al., 2007). 고농도의 염소 이온이 지하수 수질을 오염시키는 장해의 한 형태로 존재하는 해수침투는 최근 제주 서부 지역에서 가뭄이 발생하는 기간 동안 빈번히 발생하고 있으며 이로 인해 농작물에 피해가 발생하고 있어 가뭄 대책의 한 일환으로 대응이 시급한 실정이다.

본 연구는 한국의 대표적인 화산섬 실증부지인 제주도에서 농어업용 지하수 관정 개발이 집중된 서부지역을 수치모의하기 위해 SEAWAT (Guo and Langevin, 2002) 기반 3차원 정밀 모델을 구축하였다. 또한 지하수 함양량을 유역수문모형인 SWAT (Arnold and Fohrer, 2005)으로 계산하였다. SWAT과 SEAWAT을 이용한 도서지역 해수침투 모델링은 이미 선행연구들에서 진행된 바 있다. 대표적으로 Chang et al. (2016)은 미국 알라바마에 있는 작은 장벽 섬인 Dauphin Island를 대상으로 연구를 진행하였는데, SWAT 계산결과로 은 미래의 토지 이용 및 기후 변화 시나리오에서 도출한 지하수 함양량 감소 시나리오를 구성하였고, 지하수 함양량 외에 인구 증가에 의한 지하수 개발 증가가 해수침투 및 해안 지하수 담수량에 미치는 영향을 SEAWAT으로 모의하여 해수침투의 악화를 예상한 바 있다. 또한 국내에서도 제주에 SWAT을 적용한 사례들이 있으며 예를 들어, Kim et al. (2009)은 제주 표선 유역에 지표수-지하수 통합수문해석 모형인 SWAT-MODFLOW모형 (Kim et al., 2008)을 시험 적용한 바 있다. 본 연구에서 구축하는 3차원 모델은 비교적 정밀한 지형구조 및 용수 이용량 자료를 확보하여 모델에 반영한 것을 특징으로 한다. 해수 침투 영향 인자는 대수층의 수두구배, 양수시 관정의 수위강하량을 제한하는 관정의 최소허용수위, 관정의 해안선으로부터 이격거리 등이 있는데 최소 허용수위의 개념은 이미 제주특별자치도에는 극단적인 가뭄이 발생할 경우에 해수침투와 같은 지하수 장해에 대비한 국내 최초의 수역별 지하수 관리 수위에 반영되어 설정한 바 있다 (Jeju Special Self-Governing Province, 2013) 이에 따라 본 연구에서는 서부 지역에서 대표적으로 해수침투에 의한 농작물 피해가 발생하는 고산 지역을 대상으로 해수 쐐기를 발생시키지 않는 적정 양수량 계산을 수역별 지하수 관리 수위 방안과 연계하여 시나리오를 구상하고 각 시나리오별 계산을 실시하였다.

2. 연구방법

2.1 제주 서부지역 정밀 3차원 모델 구축

제주도 전체면적 1850km2 중에서 모델 영역은 제주의 16개의 표준유역 중 서부 세 표준유역에 해당하는 348.3km2를 모델링 영역으로 선정하였다. 보다 실제에 가까운 지하수위를 모사하고, 해수침투의 동역학적 변화를 구현하기 위해 기존 MODFLOW 기반 SEAWAT 모의에 시변성 지하수 함양분포를 계산할 수 있는 유역수문해석 기법을 더하였다. 구축한 모델 결과를 바탕으로 제주 해안대수층에 미치는 해수침투의 영향을 정량적으로 평가하고 용수 이용 및 지하수 함양 변화가 미치는 영향을 평가하고자 하였다.

모델의 격자 크기는 가로 100m, 세로 100m (△x=△y=100m)로 하여 동서방향으로 311개, 남북방향으로 270개의 cell로 구성하였고, 수직방향으로 9개의 layer로 구분하였다. 9개의 layer 중 상층부의 7개는 투수성이 좋은 현무암층을 대표하며 하부의 2개 층은 비교적 투수성이 낮은 서귀포층을 대표한다. 마지막 모델 하부의 2개 층은 U층을 나타내며 불투수층에 가까운 낮은 수리전도도값을 부여한다. 섬의 중심부에 해당하는 모델 동쪽으로 갈수록 고도가 높아져 최고 100m에 이른다. 모델 바닥면에 해당하는 서귀포층 바닥 높이는 서쪽에서 해발 –115m에서 동쪽으로 약 –60m 로 완만하게 상승한다.

Fig. 1은 모델 경계조건을 표현하였다. 그림의 푸른색은 제주 서부의 바다를 나타내며 대정, 한경, 한림 유역을 모델 영역으로 포함하였다. 유역 경계를 따라 모델 경계를 설정하였고 모델 북쪽의 일부 건천을 따라 배수영역으로 설정하였다. 경계조건은 해안선을 따라 설정하였고 수위는 해수면 수위에 해당하는 0m 값으로 수두경계를 설정하였다. 해수의 농도는 30kg/m3으로 설정하였고, 이 때 밀도는 1,021kg/m3이다. 섬의 내륙에 해당하는 나머지 경계는 무흐름경계로 설정하였다. 제주도 전역에 걸쳐 상시하천은 존재하지 않으나, 모델 북서지역에 위치한 간헐 하천은 지하배수경계로 설정하여 지표층에 위치시켰다. 종분산지수(Logitudinal dispervisity) 및 횡분산지수(Transverse dispersivity)는 각각 20m, 2m로 설정하였다.

Figure_KSCE_38_4_03_F1.jpg
Fig. 1.

Model Boundary Condition

Fig. 2에서 보이는 붉은 점들은 모델 경계 내의 지하수 개발관정의 위치를 표기한 것들이다. 지하수 개발 관정은 생활, 농업, 어업 관정으로 구분된다. 어업용 염지하수 관정은 주로 해안에 위치하며 농업용 관정은 해안에서 중산간에 걸쳐 위치한다. 해마다 중산간 이상의 개발 관정이 늘어나는 추세이다. 다량의 양수시험을 통한 자료를 이용하여 수리전도도 자료를 확인한 결과 수리전도도가 일부 지역에서는 100m/day 정도로 비교적 큰 값을 보였다. 제주도 수리지질도를 참고하여 조면현무암류가 위치한 지역으로 일부 수리전도도가 낮도록 조정하였으며 나머지 중서부 이하의 지역은 수리전도도 분포를 내삽 방식으로 모델에 반영하였다. Fig. 3에서 표층 수리전도도의 공간분포를 컬러로 표기하였는데 0.1에서 100m/day까지 다양하며 주로 해안 및 모델 북부에 해당하는 한림 유역에서 높은 수리전도도를 보이고 있다. 하부 서귀포층의 수직 및 수평 수리전도도값은 균일하게 10m/day, U층 0.1m/day 값을 모델의 모든 격자에 균일하게 입력하였다. 표층의 비산출율(Sy) 값은 0.1이며 비저류계수(Ss) 값은 지표층에 0.0001, 서귀포층에 0.0001m-1값을 할당하였다. 공극률은 모든 층에 걸쳐 0.1의 값을 할당하였다. 또한 분산지수를 비교적 적은 값을 채택해 해석해와 결과 차이가 크지 않도록 조정하였다. 모델의 주요 수지지질학적 인자에 할당한 값은 Table 1에 정리되어 있다.

Figure_KSCE_38_4_03_F2.jpg
Fig. 2.

Hydraulic Conductivity Distribution

Figure_KSCE_38_4_03_F3.jpg
Fig. 3.

Conceptual Diagram for Up-Coning Simulation of Gosan Area

Table 1. Model Properties

Figure_KSCE_38_4_03_T1.jpg

2.2 염수 쐐기 모의를 위한 개념 모델 구축

Fig. 3은 고산 지역 중심의 모의한 제주 서부지역의 고산 지역을 개념화한 단면 모델이다. 본 모델은 기본적으로 해안지하수 담염수 경계 근처에서 발생하는 해수 쐐기(up-coning)현상을 모의하기 위하여 구축하였다. 시나리오 구성에서는 제주특별자치도에서 국내최초로 설정한 수역별 지하수 관리수위와 관련하여 단계별 해수침투 발생 현황을 규명하고 적정 지하수 이용량을 제안하고자 하였다. 이 와 관련하여 수역별 대표 지하수위 관측정 지정 및 관리수위 설정은 2004년 당시 설치·운영 중인 지하수위 관측망(57개소) 중 수역별 대표성과 지하수 부존 특성등을 감안, 20개 소를 대표 수위관측정으로 지정하여 지정된 대표 수위 관측정 각각에 대해 단계별 기준수위를 설정하였다(1단계 주의보 → 2단계 경보 → 3단계 비상상황) (Jeju Special Self-Governing Province, 2016). 이에 따라 본 연구에서는 고산2 기준수위 지역의 평균 수위 및 1단계 주의보에 해당하는 수위에서의 적정 지하수 허용량을 계산하였다.

모델의 수리지질학적 매개변수값은 제주서부 3차원 모델과 같다. 모델 좌측의 경계 조건은 해안이며 오른쪽의 경계 조건은 고산 지역의 관측망 위치(고산 2)의 평균 수두값을 부여하였다. 좌측 경계 조건으로 자리잡은 해수의 밀도는 1021kg/m3이며 농도는 30kg/m3이다. 담수 지하수는 우측 경계조건으로 해안쪽으로 유출되는데 담수 경계 수위는 약 4m를 기본값으로 하며 시나리오에 따라 우측 경계조건을 달리한다. 좌측 해안지역 수두는 0m로 놓았다. 모델의 격자 크기는 가로 16m, 세로 10m (△x=△y=100m)로 하여 동서방향으로 101개, 남북방향으로 11개의 cell로 구성하였고, 수직방향으로 25개의 layer로 구분하였다. 25개의 layer 중 상층부의 7개는 투수성이 좋은 현무암층을 대표하며 아래 8개의 층은 서귀포층, 나머지 하부의 10개 층은 U층을 나타내며 불투수층에 가깝다. 각층의 깊이는 제주서부 3차원 지층 높이를 참고하였다. 양수 시험 전에 대수층내 염수-담수 경계면의 초기 상태를 얻기 위해서는 염수와 담수의 경계면이 평형상태에 도달하기까지 충분히 긴 시간동안 경계 조건의 변화없이 모의한 후 해수침투 경계면이 평형에 도달하는 시점을 양수 적용 시나리오의 초기 상태로 간주한다. 이에 따라 총 SEAWAT 모의 기간은 경계면이 평형에 도달하기 까지 걸리는 시간과 양수 시나리오 적용 시간을 합한 시간이 된다.

해안에서 기준수위 관측망(고산 2) 사이의 해안대수층을 모사하기 위하여 3차원 해수침투 모델을 구성하고 결과를 2차원적으로 해석하였다. 계절별 양수에 의한 3개월 동안의 양수 후 9개월 동안의 휴지기를 갖는 시나리오를 구성하여 고산 지역 해수침투 방지를 위한 적정 지하수 이용량을 산정하고자 하였다.

2.3 지하수 개발량 분석

2002년부터 2010년까지의 대정, 한경, 한림 지역 광역상수도 개발량 추이를 살펴보면 2003년 약 0.56 백만톤/월을 개발하면서 약간의 증가세를 보였으며 2010년까지 0.64백만톤/월 가량을 유지하였다. 농업용 지하수 개발량은 2002년 1월 기준으로 약 0.22 톤으로 측정되었으며 계절적으로 지하수 소모량의 등락이 보여진다. 일반적으로 10월과 11월이 농업활동으로 인한 농업용수 사용량이 가장 많은 기간에 해당하며 2002년 10월에는 1.6백만톤/월에서 2010 10월에는 2.8백만톤/월의 수치를 나타내어 9년동안 농업용수 사용량의 증가세를 보여주었다. 2005년에는 4.5백만톤/월의 최고수치를 나타내었다. 어업용 용수는 앞서 설명한 광역상수도 및 농업용 상수도에 비해 가파른 증가세를 보였다. 2002년부터 2006년까지 약 2백만톤/월의 개발량을 꾸준히 보여온 이후 2007년부터 지속적인 개발로 인해 2010년에는 6백만톤/월로 증가했다.

Fig. 4은 모델 영역 내 농업용 지하수 개발 관정의 위치 및 개발량을 버블 그래프로 2002년부터 2010년까지의 연간 사용량을 연도별로 도식화한 것이다. 2002년과 2010년의 사용량을 비교하면 해안지역부터 중산간지역에 걸쳐 전체적으로 개발량이 증가한 것을 볼 수 있다.

Figure_KSCE_38_4_03_F4.jpg
Fig. 4.

Public Agricultural Groundwater Development Increasement from 2002 to 2010

2.4 SWAT 기반 월평균 함양량 산정

Fig. 5는 월별 지하수 함양량 변화를 시화한 것이다. 모델 내의 지하수 함양량은 소유역별로 각기 다른 값을 가질 수 있어 시간, 공간적인 비균질성을 도모해 더욱 정밀한 모델링 결과를 얻을 수 있다. 제주 전체에 해당하는 표준유역은 162개의 소유역으로 구분하였으며 지하수 함양량을 입력하였다. 지하수 함양량의 계절적, 공간적 변동을 모델에 반영함으로서 지하수위 및 지하수자원의 변동을 더욱 정밀히 모사하고자 하였다. 본 연구에서는 SWAT을 이용하여 소유역별 월평균 지하수 함양량을 산출하였으며, 평균적으로 연평균 강수량 대비 함양률은 약 34.5%로 나타났다.

Figure_KSCE_38_4_03_F5.jpg
Fig. 5.

Monthly Groundwater Recharge Variation of Subbasins from 2002-2010

월 함양량의 공간분포는 유역 내의 강수량, 토지이용, 토양특성, 경사 등에 따라 매우 비균질하게 분포하며 7월과 8월에 비교적 많은 지하수가 제주 서부에 함양되는 것으로 나타났다. 2002년에서 2010년까지의 평균 지하수 함양량을 살펴보면 2004년에서 2005년 초기까지 상대적으로 지하수 함양량이 적었다.

3. 연구결과

3.1 SEAWAT에 기반한 지하수위 모의 결과 검보정

제주지역에는 4개의 국가지하수 관측망이 존재하며 이중에 모델 영역 내에 한 개의 지하수 관측망이 해발 140m 높이에 400m 깊이로 설치되어 제주 중산간에 운영되고 있다. 이 관측정에서 얻어지고 있는 지하수위 자료는 계절별 변동폭이 약 30m 정도에 이르기 때문에 본 연구의 SEAWAT 모델에서 얻어지는 모델링 자료의 보정을 수행할 수 있는 관정자료로 채택하였다. 반면 주로 해안 지방에 위치하여 운영되고 있기 때문에 그 관정들로부터 얻어지는 지하수위는 10m 내외에서 위치하면서 변동폭이 비교적 작기 때문에 지하수위 보정에는 사용하지 않았다. 또한 해수침투 관측망에서 얻을 수 있는 EC 시계열 자료를 모델링 결과와 비교하기 위해서는 EC 자료를 취득한 깊이 또한 확보해야 하는데 현재 데이터 획득 자료에서는 EC 자료를 채집한 깊이를 알 수 없었기 때문에 모델링의 염도 자료와 비교하는 보정과정을 생략하였다.

모델 영역 내의 한경 국가지하수 관측망은 2006년부터 설치, 운영 되었기 때문에 전체 모델의 시뮬레이션 기간인 2002-2010년 중에서 2006년에서 2010년까지의 기간동안 취득한 지하수위 관측자료와 비교하여 SEAWAT 모델에서 획득한 지하수위 시계열 자료와 비교하고자 하였다. Fig. 6는 제주 서부 중산간 지방의 한경 국가지하수관측망 자료를 이용하여 모델을 보정하고 결과를 해석한 그래프이다. 실선이 관측값이며 점들이 SEAWAT 모의 결과에 해당한다. 주로 겨울에서 봄에 이르는 시기에 지하수 함양 감소에 의한 지하수위 하강을 관측할 수 있다. 그림에서 살펴보듯이 SEAWAT에서 도출한 지하수위의 시계열 자료는 실제 자료와 거의 유사한 패턴을 보여주며 모델 결과가 관측값을 잘 모사할 수 있음을 보여주고 있다. 연중 최고수위 및 최저수위와 비교적 해마다 비슷하게 반복되지만 지하수 함양량에 따라 해마다 일부 짧거나 긴 지하수위 상승, 하강 패턴이 발생한다.

Figure_KSCE_38_4_03_F6.jpg
Fig. 6.

Comparison between Observed Data and Simulated Data by SEAWAT

계절적 변동을 분석한 결과, 겨울철과 초봄에 지하수 함양 저하에 따른 지하수 하강이 발생하는 것을 알 수 있었다. 반면 가을철에 농업용수 과다활용에 의해 해안지역에서 발생하는 국지적 지하수위 하강에 의한 영향은 본 결과에서는 볼 수 없었다. 이와 같은 결과로부터 국가지하수 관측망의 지하수위 변동은 주로 지하수함양량 변동과 같은 자연적인 시변성 매개변수의 영향을 주로 반영하는 것을 알 수 있다

3.2 SEAWAT에 기반한 고산지역 해수침투 모의 결과

고산은 해수침투에 의한 농작물 피해가 발생하는 주요 지역이다. 2002년부터 2010년까지의 지하수 개발량 및 지하수 함양량 산정결과를 바탕으로 해수침투를 모의한 결과 얻어진 담-염수 경계면을 Fig. 7에 표현하였다. 2002년은 비교적 농업용 및 어업용 지하수 개발량이 적은 시기이며 광역 상수도 개발은 시작하기 이전 시점이다. 담염수 경계면은 해수 농도의 각각 2, 10, 50%를 기준으로 구분하였다. 2% 해수농도를 해수침투로 인지할 수 있는 농도로 규정하였으며, 50% 농도 라인은 모델에서 임으로 지정하는 분산지수 및 격자의 크기 등의 영향을 비교적 적게 받아 실제와 유사한 위치를 추정할 수 있는 대표적인 해수침투 지표이다. 그림에서 알 수 있듯이 2002년에서 2010년 동안 약 50m 정도 경계면이 내륙쪽으로 이동하였으며 해마다 지하수 함양 및 개발에 의한 담염수 경계면의 위치가 가장 많이 변화를 보이는 곳은 서귀포 층으로 볼 수 있다. 고산 지역에서 2010년 수준의 농업용수, 생활용수 및 어업용 지하수 개발이 지속적으로 진행되었을 때의 담염수 경계면은 깊은 곳에서는 점점 내륙 방향으로 이동을 하나 지표면 근처에서는 오히려 해안쪽으로 후퇴하여 정상상태를 이루게 된다. 현재 자주 발생하는 고산 지역의 해수침투는 해안지하수의 담염수 경계면의 이동에 의한 현상이라기보다는 염수쐐기 현상에 의한 염수 농도 증가로 보고 이에 관한 보충 연구를 진행하였다.

Figure_KSCE_38_4_03_F7.jpg
Fig. 7.

The Location of Saltwater-Freshwater Interface Simulated by SEAWAT for Gosa Area

3.3 Upconing (역상승에 의한 염수쐐기) 모의 결과

고산 지역을 대상으로 모의한 해수침투 모의에서 염분이 관정 방향으로 상승하는 염수쐐기 현상에 의한 단면의 염분농도 분포를 Fig. 8과 같이 보일 수 있다. 취수정이 위치한 600m의 위치에서 수직으로 취수정 방향으로 계면이 움직이는 것을 확인할 수 있다. 50% 농도의 해수-담수 경계면은 아직 취수정까지 닿지 않은 상황이나, 10%의 계면은 거의 취수정에 근접해있으며, 이 시점에서 주목할 점은 10%에서 90%에 이르는 해수-담수 혼합대가 초기 상태, 즉 취수 이전에 비해 혼합대가 넓어졌다는 점을 들 수 있다. 단면의 담염수 경계면이 크게 위치를 변화하지 않고도 쐐기 현상에 의해 해마다 양수정 위치에서의 지하수 내 염도 농도가 증가하는 것을 추정할 수 있다.

Figure_KSCE_38_4_03_F8.jpg
Fig. 8.

Simulation Result by SEAWAT with Pumping (Red > 20%; Yellow 20-14%; Green 14-8%; and Turquoise 8-1%; Blue < 1%)

3.4 고산 지역의 해수침투 방지를 위한 적정 지하수 이용량 산정

고산 2의 평균 수위 수준에서 적정 지하수 이용량을 Fig. 9에서 나타내었다. 평균 수위를 모델의 base case로 가정하고 각각의 관정 깊이와 해안으로부터의 거리에 따른 허용양수량을 표기하였다. 이때 허용양수량 또는 적정양수량이란 모델 내 관정에서 염수쐐기에 의한 염분이 검출되기 직전의 최대 양수 가능량으로 정의한다. 범례에서의 d는 지하수 개발 깊이를 나타내며 25m에서 55m까지 각각 4가지 경우의 다른 깊이에 관정이 위치한 경우를 시나리오에 반영하였다. 그래프의 실선으로 해수쐐기를 유발하지 않는 최대 허용양수량을 표기하였다. 또한 해안으로부터 200m 이내의 거리 또는 양수량 1400m3/day 이상의 경우 붉은색 박스로 표기한 영역에서 양수를 시행하는 경우는 담-염수 경계면이 육지쪽으로 이동을 시작하게 되어 염분이 관정으로 상승하는 방식에 의한 관정 오염 뿐만 아니라 내륙 해수침투 이동으로 막대한 지하수 손실을 야기하기 때문에 양수 깊이에 상관없이 양수를 제한해야 한다. 또한 그림에서 붉은 박스를 벗어난 경우에도 해안에서 200~250m 사이의 영역에서는 양수량이 약간이라도 증가할 경우 해수침투가 급작스럽게 일어날 수 있는 민감구역에 해당한다. 이 외 해안으로부터의 거리가 250m 이상이고 양수량이 1400m3/day 이하인 경우는 해안으로부터의 거리가 멀어질수록 적정 이용량이 증가 추세를 보이며 다음과 같은 식으로부터 적정 지하수 이용량을 산정할 수 있다. 아래에서 보이는 Eqs. (1)~(4)와 같이 대부분 2차식으로 양수량을 표현하였으며 일부 경우에서는 1차식 표현도 가능할 것으로 예상할 수 있다. 이때 지하수 개발의 깊이에 따라 적정 지하수 이용량이 달라지며 양수 위치가 깊어질수록 담-염수 경계면에 가까워지기 때문에 산정 양수량이 줄어드는 것을 알 수 있다.

Figure_KSCE_38_4_03_F9.jpg
Fig. 9.

Estimated Optimal Groundwater Development for Base Case Scenario

Table 2. Managed Water Level of Gosan Monitoring Well at Three Alaramed Stages (Modified from Jeju Special Self-Governing Province, 2013)

Figure_KSCE_38_4_03_T2.jpg

- 양수 위치가 해수면 아래 25m인 경우

Figure_KSCE_38_4_03_M1.gif     (1)

이 때 x = 해안으로부터 양수정까지의 거리(m)

- 양수 위치가 해수면 아래 35m인 경우

Figure_KSCE_38_4_03_M2.gif     (2)

이 때 x = 해안으로부터 양수정까지의 거리(m)

- 양수 위치가 해수면 아래 45m인 경우

Figure_KSCE_38_4_03_M3-1.gif     (3-1)

또는

Figure_KSCE_38_4_03_M3-2.gif     (3-2)

이 때 x = 해안으로부터 양수정까지의 거리(m)

- 양수 위치가 해수면 아래 55m인 경우

Figure_KSCE_38_4_03_M4.gif     (4)

이 때 x = 해안으로부터 양수정까지의 거리(m)

고산 2의 관측정에서 1단계 기준수위(1.31m)를 보일 때 수준에서 적정 지하수 이용량을 Fig. 10에서 나타내었다. 계절별 양수 구간 중에 약 1개월 동안 1단계 기준수위로 지하수위가 떨어지는 경우를 시나리오에 반영하였다. 2005년에 고산 2에서 최장 26일동안 지하수위가 기준수위 1단계이하로 내려간 적이 있다. 그림의 결과를 앞서 평균 수위의 경우와 비교할 경우 양수 제한 영역이 넓어진 것을 확인할 수 있다. 앞선 경우 해안으로부터 200m 이내의 거리 또는 양수량 1400m3/day 이상의 경우에서 양수를 제한해야 한 반면, 기준수위가 1단계 이하로 떨어지는 경우는 해안으로부터 200m 이내의 거리 또는 양수량 1100m3/day 이상의 경우에서 양수를 제한해야 함을 밝혀내었다. 그래프에서의 기울기는 평균 수위의 시나리오와 달라진다. 기준수위 1단계인 경우의 적정 지하수 이용량을 아래의 Eqs. (5)~(8)까지와 같이 제안하였다.

Figure_KSCE_38_4_03_F10.jpg
Fig. 10.

Estimated Optimal Groundwater Development for 1st Alarmed Stage

- 양수 위치가 해수면 아래 25m인 경우

Figure_KSCE_38_4_03_M5.gif     (5)

이 때 x = 해안으로부터 양수정까지의 거리(m)

- 양수 위치가 해수면 아래 35m인 경우

Figure_KSCE_38_4_03_M6.gif     (6)

이 때 x = 해안으로부터 양수정까지의 거리(m)

- 양수 위치가 해수면 아래 45m인 경우

Figure_KSCE_38_4_03_M7-1.gif     (7-1)

또는

Figure_KSCE_38_4_03_M7-2.gif     (7-2)

이 때 x = 해안으로부터 양수정까지의 거리(m)

- 양수 위치가 해수면 아래 55m인 경우

Figure_KSCE_38_4_03_M8.gif     (8)

이 때 x = 해안으로부터 양수정까지의 거리(m)

4. 요약 및 결론

본 연구는 제주 서부 고산 지역의 적정 지하수 이용량 산정 방식을 제안하였다. 해수침투 모델링 기반 적정 지하수 이용량 산정 방식은 제주특별자치도 기준수위를 해수침투 모델링 시나리오에 이용한 국내 최초의 연구사례이다. 본 연구에서 제시한 이용량 산정 방식의 방법론은 향후 여러 지역에서 수리지질학적 불균질성을 더욱 반영하여 적정 지하수 이용량 산정 연구가 진행 될 경우 실제 활용될 수 있을 것으로 예상된다. 본 연구에서는 대부분 2차원 함수식의 형태로 산정식을 제안하였고 그 계수만 가뭄의 정도에 따라 달라졌으나 부지별로 수리지질학적, 수문학적 특색에 따라 더욱 다양한 형태의 경험식을 제안할 수 있다. 또한 본 연구에서는 구축한 서부 3개 유역을 포함한 3차원 정밀 모델을 관측값의 검보정을 위해서 사용하고 추가적인 소규모 3차원 모델인 고산 모델로 적정 지하수 이용량 산정에 활용하였는데, 일반적으로 유역 단위 3차원 분석 방식은 모델 구축에 드는 시간과 노력에 비해 매우 단순하고 단지 시각적으로 구현하는 방식으로만 국한되어 있어 앞으로는 해수침투 정밀 모델의 다양한 분석방식에 대한 노력이 필요하다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통부 건설교통기술지역특성화사업 제주권 건설교통기술 지역거점센터의 “해수침투 취약성 평가기술 및 담-염수 경계예측기술 개발(과제번호 : 18RDRP-B120935-05)”의 일환으로 수행되었습니다.

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