313
https://doi.org/10.9720/kseg.2017.3.313
시설농업단지에서 HydroGeoSphere 모델을 이용한 지하수 유동 및 물수지 분석
강동환
1
·소윤환1
·김일규2
·오세봉3
·김수홍3
·김병우4
*1
부경대학교 환경연구소,
2부경대학교 환경공학과
3
한국농어촌공사 경남지역본부,
4K-water융합연구원 물환경연구소
Groundwater Flow and Water Budget Analyses using HydroGeoSphere Model at the Facility Agricultural Complex
Dong-hwan Kang
1
, Yoon Hwan So1
, Il Kyu Kim2
, Se-bong Oh3
, Suhong Kim3
, and Byung-Woo Kim4
*1
Environmental Research Institute, Pukyong National University, Busan 48513, Korea
2
Department of Environmental Engineering, Pukyong National University, Busan 48513, Korea
3
Gyeongnam Regional Headquarter, Korea Rural Community Corporation, Changwon 51430, Korea
4
K-water Convergence Institute, Korea Water Resources Corporation, Daejeon 30045, Korea Received 28 August 2017; received in revised form 21 September 2017; accepted 24 September 2017
본 연구의 목적은 지표수-지하수 통합 모델을 통해 모델 영역과 시설농업단지(밀양들)의 지표수/지하수 유동을 모의하고 모 델 영역의 물수지 분석을 통해 지하수 함양량을 산정하는 것이다. 지표수 유동 모델 결과에서는 밀양강 상류(북동쪽)에서 하류
( 남동쪽)로 약 1~5 m의 수심으로 지표수가 유동하고 있으며, 모델지역 상류의 M01 지점에서는 지표수 유량 관측값과 모델값이
일치하고, 모델지역 하류의 M02 지점에서의 지표수 유량은 1% 정도의 차이를 보인다. 지하수 유동 모델에서는 지하수 심도가 하천에서는 표고와 유사하며 산림 지역으로 갈수록 높아지고, 지하수 양수를 고려한 지하수 심도는 모델값이 관측값보다 1.5 m 이내의 범위로 높게 나타난다. 지표수-지하수 통합모델에서는 지하수의 함양 면적이 모델 면적의 90% 정도이고, 지하수 함양 량은 1.92 × 10
5m
3/day 인 것으로 나타난다. 연평균 물수지 분석에서는 단위 면적당 지하수 함양량이 503.9 mm/year로서 연평 균 강우량의 39% 정도로 추정된다.
주요어: 시설농업단지, HydroGeoSphere 모델, 지하수 유동, 물수지 분석
The purpose of this study is to estimate the surface and subsurface flows through the modelling of the model area and facility agricultural complex, and to calculate the groundwater recharge rate through water budget analysis. From results of surface flow modeling, the surface water is flowed to a depth of about 1 to 5 meters from the upper region (northeast) to the lower region (southeast) of the Miryang River. At the M01 point (upper), the observed surface water flux and the model surface water flux are consistent. At the M02 points (lower), the observed surface water flux and the model surface water flux are a difference of 1%.
From results of subsurface flow modeling, the depth of groundwater is similar to elevation in the river and higher to the forest area. Ground water depth considering groundwater pumping is that the model values appears higher than the observed values to be within 1.5 m. From results of surface-subsurface integrated modeling, the groundwater recharge area is estimated about 90% of the model area, and the groundwater recharge rate is estimated 1.92 × 10
5m
3/day. From results of annual water budget analysis, the groundwater recharge rate per unit area is estimated to be 503.9 mm/year, and average annual rainfall is estimated at around 39%.
Key words : Artificial recharge, HydroGeoSphere model, Groundwater flow, Water budget analysis
*Corresponding author: [email protected]
ⓒ 2017, The Korean Society of Engineering Geology
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서 론
국내에서 지표수-지하수 통합 모델을 이용한 연구로는 SWAT-MODFLOW 모형을 이용한 연구들이 다수 수행되었 으며, 그 내용으로는 유역 단위 별로 농업지역의 하천 유출 모의, 도시하천 및 제주도 지역의 하천을 대상으로 한 유출 모의, 지하댐 건설에 따른 유역 내 지하수위 변화 특성 해 석, 지하수 함양량의 시공간적 변동 특성 및 물수지 분석 등이 연구되었다(Kim et al., 2004a; Kim et al., 2006;
Kim et al., 2009; Chung et al., 2011; Kim et al., 2015). 또한 MIKE SHE 모형을 이용하여 경안천 유역에 대한 지표수-지하수 통합 모델링이 수행되었다(Kim et al., 2005).
본 연구에서 적용하고자 하는 지표수-지하수 통합 모델인 HydroGeoSphere (HGS) 를 이용한 국내 연구로는 지중 온도 분포에 따른 수직적인 지하수 플럭스 효과 모의(Shin and Lee, 2006), 지열펌프 구동에 의한 지중 온도 분포 변화 모 델링(Shin et al., 2006), 경남 창녕군 증산리 일대 방사집수 정을 활용한 강변 여과수 개발량 평가(Lee et al., 2010), 금호강 수계 내 4-Nitrophenol의 거동 모의 및 잠재 오염원 의 영향 분석(Park et al., 2017) 등이 있다. 국외에서는 HGS 모델을 적용하여 다양한 분야에서 많은 연구가 수행 되었으며(Graf and Therrien, 2009; Cornelissen et al., 2013; Hwang et al., 2014), 대표적으로 Kollet and Maxwell (2006) 의 자유면 흐름의 지표수와 지하수의 경계 조건모델에 대한 통합 HGS 모델 적용 연구, Hwang et al.
(2015) 의 증발산량 추정을 위한 통합 지표수-지하수 흐름모 델이 적용된 단순반복법 연구 등이 있다.
국내 시설농업단지에서 지하수 유동 및 물수지 분석에 대 한 연구는 경기도 이천시 신둔천의 비닐하우스 지역에서 지 하수 양수에 따른 지하수-하천수 상호 유동 변화 분석(Kim et al., 2012), 충청북도 청원군 수막재배지역에서 일 최저기 온과 지하수 이용량의 상관관계를 이용한 지하수위 변화 분 석(Chang and Chung, 2014) 및 동일 지역에 대한 물수지 특성 분석(Chang and Chung, 2015) 등이 수행되었다. 국 내에서 시설농업단지를 포함한 수계 영역에서 지표수-지하 수 통합 모델을 이용한 지하수 유동 분석 연구는 수행된 바 가 없으며, 국내의 시설농업단지 인근에는 하천이 존재하므 로 지표수-지하수 통합 모델을 적용한 모의가 필요하다.
본 연구에서는 밀양시 상남면 예림리의 시설농업단지에서 수리지질 및 지표 조사 자료를 정리하고, 미기상 인자를 이 용하여 실제 증발산량을 산정하고, 이러한 자료들을 이용한 지표수-지하수 통합모델링(HydroGeoSphere modeling)을 수 행하였다. 본 연구의 목적은 지표수-지하수 통합 모델을 통 해 시설농업단지에서 지표수와 지하수 유동을 모의하여 분 석하고, 또한 모델 영역의 물수지 분석을 통해 지하수 함양
량을 추정하는 것이다.
연구 자료 및 방법
연구지역
본 연구가 수행된 지역은 경상남도 밀양시 상남면 예림 리 일원이며, 추화산(243 m), 산성산(380 m), 가래봉(502 m), 만어산(670 m), 구천산(620 m), 종남산(664 m), 덕대산(634 m), 팔봉산 등의 산계에 둘러싸인 넓은 농경작지에 위치한다. 조 사지역 인근의 수계는 북쪽의 산계에서 발원한 밀양강에 단 장천과 제대천이 합류한 후, 조사지역 동쪽을 지나 남쪽으 로 유하하여 최종적으로 낙동강에 유입되고 있다. 본 조사 지역의 지층 구성 상태는 일부 지점에서 확인되는 매립층 ( 실트질점토)을 제외하면 전반적으로 퇴적층(실트질점토, 모래, 모래질자갈), 풍화대층(풍화토, 풍화암), 기반암층(퇴 적암) 순으로 분포하고 있다. 퇴적층의 입도 구성은 매우 폭넓게 분포하고 있고, 지형 및 퇴적 환경 변화에 따라 퇴적층의 구성 상태 및 분포 심도가 많은 차이를 보이고 있다. 퇴적층 중 가장 폭넓게 분포하고 있는 퇴적층은 최 하부 지층인 모래질 자갈층으로서 층 두께는 약 20 m 이 상으로 두껍고, 자갈 및 호박돌 등이 다량 함유되어 있다 (Kim and Hwang, 1988).
연구자료
조사지역의 지하수위는 수동수위측정(93개공)과 자동수위 측정(4개공)에서 관측되었다(KRCC, 2014). 수동수위측정 자 료는 2014년 9월 10일부터 2015년 3월 30일까지 1일 1회 씩 총 13회에 걸쳐 측정된 수위자료이며, 자동수위측정 자 료는 2012년 10월 29일부터 2013년 11월 26일까지 1년 2 개월 동안 1일 24회씩 자동수위측정 장치에 의해 장기 관 측된 자료이다. 자동수위측정 자료는 1일 24회 측정된 자료 를 일평균으로 환산하여 월평균, 우기(7~9월) 평균, 건기 평 균을 산출하여 모델링에 이용하였다.
모델 영역 내에 위치한 밀양들의 인접 지역에는 밀양강 이 모델 영역의 북쪽에서 남쪽으로 흐르며 최종적으로 낙동 강과 합류한다. 모델 영역 내 지표수 유량은 밀양1 지점(이 하 “M01”)과 밀양2 지점(이하 “M02”)에서 관측되었으며 (Table 2 와 Fig. 9 참조), 환경부에서 관리하는 물환경정보시 스템을 통해 제공받았다. 지표수 모델링 결과는 5년(2010년 1 월 ~ 2014년 12월) 동안 관측된 지표수 유량 자료를 이용 하여 검증하였다.
증발산량 산정에는 세계적으로 많이 쓰이는 방법인 FAO Penman Monteith 산정식(Allen et al., 1998)이 적용되었다.
모델 영역의 증발산량 산정에 쓰이는 미기상 자료는 기상청
기상자료개방포털에서 구하였다. 기상청에서 구할 수 없는
순복사 자료는 FAO (Food and Agriculture Organization)
에서 사용하는 순복사 산정방법으로 산정하였다. FAO 산정 방법을 FORTRAN 전산 프로그램에서 코딩하고, 미기상인 자들을 입력하여 순복사 값을 산정하였다. 산정된 증발산량 은 월 증발산량으로 정리하여 분석하였고, 연평균과 건기평 균, 우기평균으로 구분하여 HGS 모델링에 적용하였다.
HydroGeoSphere 모델
HydroGeoSphere (HGS) 는 3차원 지표수/지하수 연계 모 델링이 가능한 수치모델로서 지하수 및 지표수 흐름뿐만 아 니라 오염물질의 거동을 안정적으로 계산하는 프로그램이 다. 지표수 및 지하수 연계 시뮬레이션은 일반적으로 지표 수 모델에 불포화대 모델을 수치적으로 결합시킴으로서 수 행이 가능하다. 캐나다 University of Waterloo에서 개발된 HydroGeoSphere 는 3차원 지하수 영역, 2차원 지표수 영역, 그리고 0차원 대기영역을 통합시킨 수리 수문 모델로서 한 국을 포함한 아시아, 유럽 그리고 미 대륙에서 널리 사용되 고 있는 모델이다. 포화대와 불포화대에서 지하수 유동은 식 (1) 과 같은 리차드 방정식(Richards' equation)으로 표현된다.
(1) 여기서 K는 포화투수텐서, k
r는 상대투수도, h는 수두(=ψ + z: ψ는 압력수두, z는 위치수두), Q는 양수 또는 주입량, 는 지표와 지하의 유체 이동, θ
s는 포화함수도, S
w는 포화 도, S
s는 저류계수를 나타낸다. 지표수 심도에 대하여 적분 된 지표수 유동 방정식의 확산 파동 근사식(diffusion wave approximation) 은 식 (2)와 같다.
(2) 여기서 d
v는 체적심도(volume depth), d
o는 유동심도, h
o는 지표수 수두, K
ox와 K
oy는 지표수 전도도이다. 지표수계와 지하수계의 상호작용은 지배식 (1)과 (2)에서 유체 교환 항 을 통하여 표현되며 지표수두와 지하수두의 차에 따른 유체 이동은 식 (3)과 같이 정의할 수 있다.
(3) 여기서 , , 는 각각 유체 교환을 위한 상 대투수도, 전도도, 연동길이를 나타낸다. 지표수 및 지하수 방정식과 그 상호작용을 동시에 명시적으로 해석할 수 있는 모형을 완전연동모형으로 정의할 수 있다. 불포화대에서 에 너지 이동을 기술하는 지배방정식은 포화대 에너지 이동 방 정식과 유사하나 포화도와 체적 특성을 고려하여야 한다. 따 라서 포화대와 불포화대 사이에서 에너지 이동은 식 (4)와 같다.
(4) 여기서 ρ는 밀도, c는 열용량, T는 체적 다공질 매질의 온 도, t는 시간, q는 지하수 유동률, k
b는 체적 열조도도, D는 체적 열확산계수, Q
T는 열원으로부터의 유입, Ω
o는 지표수 계와의 상호 열교환을 나타내며 아래첨자 b와 w는 각각 체 적 특성과 액상 특성을 나타낸다. 식 (4)에서 지하수 유동률 q와 포화도는 Richards 지배식의 해로서 주어지며 따라서 지하수 유동식의 풀이가 선행됨이 가정되고 있다.
HydroGeoSphere 모델링
모델 영역
연구지역의 위치는 위도 35.427
o~35.467
o, 경도 1298.754
o~128.786
o사이에 위치하며, 행정구역으로는 경상남도 밀양 시 상남면 예림리, 기산리, 연금리를 포함하고 있다. 시설농 업단지(Fig. 1의 점선 영역)는 밀양강의 범람에 의해 형성된 약 8 km
2의 퇴적 범람원으로서 해발 5~10 m 정도의 농경지 로 형성되어 있다. 시설농업단지 우측으로 밀양강이 북서에 서 남동 방향으로 흐르고 있으며, 좌측으로는 해발 200~
500 m 정도의 산림 지형이 형성되어 있다(Fig. 1). 지형고도 를 근거로 연구 지역 내 지표수와 지하수는 시설농업단지를 중심으로 좌측의 산림지대에서 시설농업단지를 통과하여 밀 양강으로 유입되는 구조이다. 본 연구에서는 지하수-지표수 통합모델링을 수행하였고, 통합모델링에 필요한 적절한 수
∇ K k ⋅ ( ⋅
r∇h ) + Q Γ + ∂
∂t ---- ( θ
sS
w)
=
Γ
∂d
v--- ∂t ∂
∂x --- d
oK
ox∂h
o--- ∂x
⎝ ⎠
⎛ ⎞ ∂
∂y --- d
oK
oy∂h
o--- ∂y
⎝ ⎠
⎛ ⎞ d –
oΓ
oQ
o+ +
=
d
oΓ
o= – Γ = ( ) kr
exchK
exch( h h –
o) l ⁄
exch( ) kr
exchK
exchl
exch∂ρ
bc
bT
--- ∂t = – ∇ [ qρ
wc
wT – ( k
b+ c
bρ
bD )∇T ] Q ±
T+ Ω
oFig. 1. Location of the surface and subsurface integrated model
area (solid line) and the facility agricultural complex (dotted line).
계를 주변 고도에 근거하여 설정하였다(Fig. 1의 실선 영역).
모의 영역은 약 76.45 km
2로서 밀양강이 모의 영역의 북동 쪽 경계에서 유입되어 남동쪽으로 유출되는 구조로 형성되 었다. 시설농업단지는 밀양강을 중심으로 좌측에 위치하고 있으며, 모델링 영역 내에서 남서쪽에 위치하고 있다(Fig. 1).
모델 입력 자료
강우량과 잠재 증발산량
모델 영역에서 5년(2010~2014년) 동안 관측된 강우량 자 료(밀양자동기상관측소)를 이용한 계절별 강우량은 우기(7~9 월)에 평균 2832.3 mm/year, 건기(10~12월, 1~6월)에 평균 756.5 mm/year, 연평균 강우량은 1279.4 mm/year 정도인 것 으로 나타났다(Table 1). 우기의 강우량은 건기에 비해 약 4 배 정도 많은 것으로 나타났으며, 모의 영역의 연강우량은 대한민국 남부지방의 평균 강우량인 1000~1800 mm/year의 범위 이내이었다. 건기의 평균 강우량은 연강우량의 60%
정도인 것으로 나타났다. 잠재 증발산량의 경우, FAO 모델 을 이용하여 계산한 결과 우기에는 평균 742.2 mm/year, 건 기에는 평균 526.4 mm/year, 연평균 잠재 증발산량은 580.3 mm/year 정도인 것으로 나타났다(Table 1).
지표수 유량
조사지역 주변으로 밀양강이 흐르고 있으며, 조사지역의 상류부에는 M01이 있고 하류부에는 M02가 있다(Table 2).
조사지역에서 5년(2010~2014년) 동안 연평균 지표수 유량 을 분석한 결과, M01에서는 27.8 m
3/s 이었고 M02에서는 29.6 m
3/s 로 나타났다. 모의 영역에서 최하류에 있는 M02의 연평균 유량은 M01에 비해 높게 나타났다. 모델 영역에서 2010~2014 년 기간 동안 관측한 밀양강 유량 자료를 이용하 여 계절에 따른 특성을 분석하였다. M01과 M02에서 측정 된 유량은 건기의 평균은 17.5 m
3/s 와 10.4 m
3/s 로 각각 나 타났으며, 우기의 평균은 65.2 m
3/s 와 88.9 m
3/s 로 각각 나타 났다(Table 2). 우기 평균과 연평균 유량의 경우 밀양강 하 류인 M02가 M01에 비해 상대적으로 높게 나타났지만, 건 기 평균에서는 상대적으로 낮게 나타났다. 건기에는 밀양강 주변 농경지에서 지하수를 이용하기 위해 지하수 관정을 통 한 다량의 양수가 발생하였기 때문이다. 밀양강 주변의 지 하수위가 상대적으로 낮아져서 밀양강에서 주변 농경지 방 향으로 하천수 유출이 발생하는 손실하천(losing stream)이
형성되었기 때문에 M02에서는 상대적으로 낮은 유량이 관 측된 것이다.
지하수 심도
본 연구에 이용된 지하수 심도는 2012년 10월부터 2013 년 10월까지 약 1년 동안 시설농업단지 내 4개 지점(Fig.
2 의 1~4번 지점)에서 관측된 장기지하수 심도 자동관측 자 료를 이용하였다. 건기(10~6월)와 우기(7~9월), 연평균 지하 수 심도를 산출하여 지하수 심도 모델 보정에 이용하였다.
관측 지점에서 상대적인 위치는 예림리 730-1(1번)이 사업 지구에서 가장 북쪽에 위치하며, 예림리 589-3(2번), 예림리 595-5(3 번), 기산리 173-1(4번) 순으로 남쪽에 위치한다. 시 설농업단지 내에서 측정된 지하수 심도 장기관측 자료를 통 해 산출된 시기별 평균 지하수 심도는 Table 3에 정리하였 다. 건기 평균 지하수 심도는 9.0~12.0 m, 우기 평균 지하 수 심도는 3.0~4.2 m, 연평균 지하수 심도는 4.7~8.0 m 정 도로 나타났다. 모델 영역의 지하수 심도는 건기가 우기에 비해 6.0~8.0 m 정도 낮은 것으로 나타났다.
지표수-지하수 통합모델 구성 지표수 모델 구성
모델 구성에 필요한 고해상도의 고도자료는 기상청 국가 기후데이터센터에서 제공하는 위성사진(TIF type)을 사용하 Table 1. Average rainfall and potential evapotranspiration for the
model area in 2010~2014 (unit : mm/year).
Meteorological factor
Dry season
Rainy season
Yearly average
Rainfall 756.5 2832.3 1279.4
Potential
evapotranspiration 526.4 742.2 580.3
Table 2. Average surface water flux for the model area in 2010~2014 (unit : m
3/s).
Measured point
Dry season
Rainy season
Yearly average
M01 17.5 65.2 27.8
M02 10.4 88.9 29.6
Fig. 2. Location map of groundwater observation wells
monitored depth to groundwater table for model verification.
였다. 모델링 지역이 포함된 위성사진을 ArcGIS 프로그램 을 사용하여 UTM zoned 51N으로 좌표 변환하여 모델 영 역의 범위에 맞게 편집하고, 최종적으로 Raster (ASCII Grid) 파일 형식으로 변환하였다. 지표수 모델 격자는 100 × 100 m 간격의 지형도를 이용하였고, 정사각형 형태의 격자 를 구성하여 모델 영역을 나누었다. 모델 영역의 2차원 지 표면 격자망에서 꼭짓점(node) 개수는 7914개이며, 꼭짓점으 로 형성된 격자 요소(element)의 개수는 7645개로 구성하였 다. 요소의 해상도는 지형도의 해상도와 동일한 100 × 100 m 로 설정하였고 지표 영역의 면적은 76.45 km
2이었다(Fig. 3).
모델 영역에 적용된 토지 피복 상태는 수자원관리종합정 보시스템(WAMIS)에서 제공하는 자료를 이용하였으며, 이 는 인공위성(Landsat7, ETM) 영상을 이용하여 분석된 토지 피복도이며, 토지피복 상태는 8개의 유형으로 분류하였다.
본 연구의 모델 영역에 적용된 토지 피복 상태는 6가지로 분류하여 적용하였으며, 분류된 토지 피복 상태를 모델 영 역의 특성에 맞게 재정리하였다(Fig. 4). 토지 피복 분류에 서 1번은 도심지, 2번은 나지, 3번은 산림, 4번은 논, 5번은 밭, 그리고 6번은 수역으로 구성하였다(Table 4). 산림 지역 이 전체 모델 영역의 41.2%를 차지하여 가장 넓게 분포하 고 있었으며, 논 지역은 모델 영역의 33.2%로서 두 번째로 넓게 분포하고 있었다.
지하수 모델 구성
모델 영역의 지하수 영역과 수리상수는 2014년 밀양들 지질조사 보고서(KRCC, 2014)의 결과를 근거로 구성하였 다. 시설농업단지 지역은 상부의 4기 충적층과 하부의 백악 기 밀양 안산암층(기반암)으로 구성되어 있으며, 충적층은 실트질 점토층과 모래층, 모래질 자갈층으로 구성되어 있고, 기반암층은 안산암질 응회암과 응회암이 호층을 이루며 나 타난다. 지하수 유동 모델에서는 지층을 2개로 분류하였으 며, 수리전도도와 실제 조사된 층의 두께를 단순화하여 충 적층과 기반암층으로 구성하였다(Fig. 5).
밀양들의 충적층은 양수시험을 통해 산정된 수리전도도의 범위가 100배 정도의 차이를 보였지만, 각 층별 평균 두께 가 실트질 점토층 3.9 m, 모래층 4.8 m, 모래질 자갈층 28.0 m 정도로서 모래질 자갈층이 매우 우세하게 나타났다.
지하수 유동 모델에서는 실트질 점토층과 모래층의 역할은 상대적으로 미미하므로 모래질 자갈층의 수리전도도를 적용 하였다. 밀양들의 기반암층은 충적층 하부로 51 m 두께로 설정하였다. 지하수 모델의 평면 격자는 지표수 모델 영역 과 동일하며, 수직 격자 층은 지하수 모의를 원활히 수행하 Table 3. Average depth to groundwater table in the facility
agricultural complex in 2012~2013 (unit : GL-, m).
No. Dry season Rainy season Yearly average
1 9.0 3.0 4.7
2 9.8 4.0 6.0
3 11.2 3.5 6.0
4 12.0 4.2 8.0
Fig. 3. Node set for the surface domain in model area.
Fig. 4. Classified map of land use for the surface domain in the model area.
Table 4. Classification and area of land use for the surface domain in model area.
No. Land use Area (km
2)
1 Urban 3.2
2 Bare land 1.7
3 Forest 31.5
4 Rice paddy 25.4
5 Field 9.6
6 Waters 5.1
기 위해 7개로 세분화하였다. 수직 격자 층의 상부 5개 층 은 충적층으로서 상부에서 각각 1.0 m, 2.9 m, 0.9 m, 11.6 m, 11.6 m 의 두께로, 하부 2개 층은 기반암 층을 각각 25.5 m 의 두께로 세분화하였다(Fig. 6). 지하수 유동 모델에 필요한 수리전도도와 공극률, 비저류계수는 Table 5에 정리 하였다. 수리전도도는 충적층이 기반암층보다 1000배 정도 높게, 공극률은 충적층이 기반암층보다 1.5배 정도 크게, 비 저류계수는 충적층이 기반암층보다 100배 정도 크게 설정 하였다.
통합모델의 초기 및 경계 조건
지표수-지하수 통합모델에서 초기 조건은 지표수와 지하 수 모델 각각에 대한 초기 조건 설정이 필요하다. 지표수 모델의 경우, 초기 조건은 지표수 모델링 전 영역에서 지표 수 심도는 10
−4m 정도로 설정하였다. 지하수 모델링의 경 우, 초기 조건은 지하수 심도는 지표면과 동일한 조건으로 설정하였다.
본 연구에서 지표수 모델의 경계조건은 3가지로 설정하였 다. 첫째, 지표수 모델의 북동쪽 경계로부터 유입되는 밀양 강의 유량을 고정흐름(constant flux) 2차 경계 조건으로 설 정하였다. 둘째, 모델의 남쪽 경계로부터 밀양강이 유출되는 지점에서는 임계심도(critical depth) 경계 조건으로 설정하였 다. 마지막으로 모델링 영역 전 지역에 대해 강우(rainfall)의 2 차 경계 조건을 설정하였으며, 시기별로 강우량을 조절할 수 있도록 설정하였다. 모델 보정을 위해 모델 영역 내에 존 재하는 지표수 유량 관측소 2개 지점을 설정하였다(Fig. 7).
모델 보정에 사용된 지표수 유량 관측소는 M01과 M02 지 점으로서, M01은 모델 영역으로 유입되는 밀양강의 고정흐 름(constant flux) 경계 조건으로부터 약 500 m 이격된 지 점에 위치하고, M02는 M01의 하류 지점으로서 시설농업단 지로부터 약 300 m 이격된 지점에 위치하고 있다.
시설농업단지에서의 지하수 모델의 경계 조건은 양수정을 고려하여 설정하였으며, 지하수 양수정은 건기와 우기 모두 지속적으로 양수하고 있는 조사되었다. 지하수 모델에서는 93 개의 양수정에 대해 고정흐름(constant flux) 경계 조건으 Table 5. Hydraulic conductivity, porosity and specific storage coefficient used subsurface flow modeling.
Stratum Hydraulic conductivity (m/s) Porosity (%) Specific storage coefficient (1/m)
Alluvial 1.04 × 10
−435 10
−4Bed rock 1.00 × 10
−720 10
−6Fig. 5. Stratigraphic classification map in the subsurface flow modeling.
Fig. 6. Subsurface model composition and vertical node in the facility agricultural complex.
Fig. 7. Boundary condition and gauge station for surface flow
modeling.
로 설정하였으며, 각 시기에 따른 양수량 변화를 적용할 수 있도록 설정하였다(Fig. 8).
HydroGeoSphere 모델링에 의한 지하수 유동 및 물수지 분석
경계 조건 설정
지표수-지하수 통합모델링을 수행하기 위해, 모델 영역의 기후인자(강우와 증발산)와 지표수 유량, 지하수위를 고려한 경계조건을 설정하였다. 지표수 모델의 강우(rainfall or flux) 경계 조건으로 연평균 강우량(1279.4 mm/year)에서 잠 재 증발산량(580.3 mm/year)을 뺀 순강우량(net rainfall) 1023.5 mm/year 로 추정하였다. 실제 증발산량을 255.9 mm/
year 로 추정하였으며, 이는 잠재 증발산량의 44% 정도가 실 제 증발산량으로 이루어졌다는 것으로 가정한 것이다. 지표 수 모델의 고정흐름(constant flux) 경계 조건은 모델 영역 의 연평균 지표수 유량을 고려하여 2.77 × 10
−3m
3/s 로 설정 하였다. 지하수 모델의 고정흐름(constant flux) 경계 조건은 밀양들 사업지구 내에서 운영되고 있는 지하수 양수를 고려 한 것으로서, 양수정은 모두 93개이고 각 관정에서 지하수 양수는 충적층과 기반암 경계의 상부 약 10 m 지점(지표면 아래 18 m)에서 이루어진다고 가정하였다. 93개 관정의 양 수량은 14개 그룹으로 나누어서, 4개 지점에서 측정된 지하 수 심도를 이용하여 보정하면서 전체 양수량을 설정하였다.
지표수 유동 모델 결과
지표수 유동 모델의 결과는 M01과 M02에서 관측된 지 표수 유량을 고려한 보정을 수행한 것이다. 연평균 총 강우 량을 고려한 지표수 유동 모델 결과는 모의 영역을 중심으
로 북동쪽에서 남동쪽으로 강우와 지형에 의해 밀양강이 형 성되었으며, 밀양강 상류(북동)에서 하류(남동)로 약 1~5 m 의 수심을 유지하면서 지표수가 유동하고 있음을 보여준다 (Fig. 9). M01 과 M02에서 관측된 지표수 유량을 모델 결과 유량을 검증한 결과, 상류에 위치한 M01 지점에서는 지표 수 유량의 모델값과 관측값이 거의 일치하였고, 하류에 위 치한 M02 지점에서는 지표수 유량의 모델값과 관측값의 차 이는 약 1% 정도인 것으로 나타났다.
지하수 유동 모델 결과
지하수 유동 모델을 수행하기 위해 모델 영역과 시설농 업단지 내 지하수 양수를 고려하여 경계 조건으로 설정한 결과는 Fig. 10에 나타내었다. 모델 영역에서의 지하수위는 3 가지 특성을 보여주고 있다. 하천 지역에서는 하천수의 유 입으로 인해 하천 주변의 지하수 심도가 지표 고도와 유사 하고, 하천 주변 평지에서는 약 0~10 m 정도의 공간적인 변화가 나타나고, 고도가 높은 주변 산림 지대는 약 20 m 이상의 지하수 심도를 나타내고 있다. 밀양들 사업지구 내 지하수 양수를 고려한 지하수 유동 모델 결과에서는 지하수 양수에 의한 영향으로 인해 지하수 심도가 전반적으로 지표 면 하부 2~8 m 정도로 유지되고 있음을 보여준다. 산림 지 역에 가깝고 밀양강에서 멀어질수록 지하수 심도가 상대적 으로 높게 나타나기 때문에 지하수 흐름 방향은 밀양들 사 업지구로 지하수가 유입되는 특성을 보인다. 밀양강은 전형 적인 손실하천이며, 밀양강에서 시설농업단지로 하천수와 지 하수가 유입되는 구조를 보이고 있다. 장기지하수 심도 관 측정에서 관측된 연평균 지하수 심도와 모델 결과에 의한 지하수 심도를 검증한 결과, 실제 관측값에 비해 모의 결과 가 상대적으로 높았고 그 차이가 1.5 m 이내이었다.
Fig. 8. Boundary condition and groundwater pumping well for
subsurface flow modeling. Fig. 9. Surface water level simulated by surface flow modeling.
지표수-지하수 통합모델의 물수지 분석
연평균 강우를 고려한 경우, 모델 영역에서의 물수지 분 석은 지하수 함양과 지표수 유출로 구분하여 모델을 수행하 였다. 연평균 강우에 의한 정류 상태의 지표수-지하수 통합 모델을 수행한 결과는 Fig. 11에 도시되어 있으며, 지하수 함양 지역(파란색)과 지표수 유출 지역(빨간색)을 구분하여 표시하였다. 모델 영역의 전체 면적은 76.45 km
2, 지하수가 함양되는 면적은 모델 면적의 90% 정도이고 지표수가 유출 되는 면적은 전체 면적의 10% 정도인 것으로 추정되었다.
모델 영역에서 단위 면적당 연평균 물수지 분석 결과는 Table 6 에 정리하였으며, 단위 면적당 지하수 함양량은 503.9 mm/year, 지하수 유출량은 519.6 mm/year로서 각각
강우량 대비 39%와 41% 정도인 것으로 추정되었다. 모델 영역에서는 지하수에서 지표수로의 유출이 평균적으로 우세 하고(Table 6) 하천 주변에서 지하수 유출량이 크게 나타나 므로(Fig. 11), 모델 영역 내에서는 이득하천(gaining stream) 이 발달되어 있음을 알 수 있다.
결 론
본 연구에서는 밀양시 상남면 예림리의 시설농업단지에서 지표수-지하수 통합모델링을 수행하여 시설농업단지의 지표 수와 지하수 유동 및 모델 영역의 물수지 분석을 통해 다 음과 같은 결론을 도출하였다.
시설농업단지 내 지표수 유동 모델 결과에서는 모의 영 역을 중심으로 북동쪽에서 남동쪽으로 강우와 지형에 의해 밀양강이 형성되고, 밀양강 상류(북동)에서 하류(남동)로 약 1~5 m 의 수심을 유지하면서 지표수가 유동하고 있다. M01 과 M02에서 관측된 지표수 유량의 관측값과 모델값은 M01 지점(하천 상류부)에서는 일치하고, M02 지점(하천 하 류부)에서는 약 1% 정도의 차이를 보인다.
지하수 유동 모델에 의한 모델 영역에서의 지하수위는 3 가지 특성을 보인다. 하천에서는 지하수 심도가 거의 지표 고도와 유사하고, 하천 주변에서 산지 사이의 평지에서는 약 0~10 m 정도의 지하수 심도를 보이고, 산림 지대에서 고도 가 높은 지점들은 20 m 이상의 지하수 심도를 나타낸다. 밀 양들 사업지구 내 지하수 양수를 고려한 지하수 유동 모델 결과에서는 지하수 심도가 지표면 하부 2~8 m 정도로 나타 난다. 장기지하수 심도 관측정에서 관측된 연평균 지하수 심 도와 모델 결과에 의한 지하수 심도를 비교한 결과, 관측값 보다 모델값이 1.5 m 이내의 범위에서 높게 나타난다.
연평균 강우에 의한 정류 상태의 지표수-지하수 통합모델 을 수행한 결과, 지하수가 함양되는 면적은 모델 면적(76.45 km
2) 의 90% 정도이고 지표수가 유출되는 면적은 전체 면 적의 10% 정도인 것으로 추정된다. 모델 영역에 내린 순강 우량은 2.14 × 10
5m
3/day 이었으며, 지하수 함양량은 1.92 × 10
5m
3/day, 지표수 유출량은 2.19 × 10
4m
3/day 인 것으로 나타난다. 연평균 물수지 분석에 의하면 단위 면적당 지하 수 함양량은 503.9 mm/year로서 연평균 강우량의 39% 정 도가 지하수로 함양됨을 알 수 있다.
Fig. 10. Depth to groundwater table estimated by the subsur- face flow modeling.
Fig. 11. Recharge and discharge fluxes estimated by the surface-subsurface integrated modeling.
Table 6. Water quantity per unit area of hydrological factors estimated by the surface-subsurface integrated modeling.
Hydrological factor Water quantity (mm/year)
Rainfall 1279.4
Evapotranspiration 255.9
Net rainfall 1023.5
Groundwater recharge 503.9
Groundwater discharge 519.6
감사의 글
이 논문은 2016년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재 단의 기초연구사업 지원을 받아 수행된 것임(NRF-2016 R1A6A3A11932747).
References
