IEG 환경지질연구정보센터

‡Corresponding author: Tel. +82-42-865-3447, E-mail. [email protected]

자연추적자를 이용한 소산림유역에서의 수문분리 예비연구

이광식^1,‡․박영윤¹․김용제²․정재훈³․박승기³․신형선¹․봉연식¹

1한국기초과학지원연구원 동위원소환경연구부

2한국지질자원연구원 지하수지열연구부

3공주대학교 생물산업공학부

요 약

충청남도 예산의 산림 지역 소유역에서 수문분리 연구를 수행하는데 Si, Mg, ¹⁸O와 같은 자연추적자의 적 용 가능성을 조사해 보았다. 2005년 봄과 여름에 내린 4번의 강우를 대상으로 수문분리 연구를 수행하기 위하 여 하천수와 토양수를 채취하였다. 3성분계 혼합모델을 적용하여 토양수와 지하수가 하천수의 유출량에 미치 는 영향을 평가하였다. 연구지역에서 봄철에는 3성분계 모델에 의하여 강우, 지하수, 토양수의 3성분이 서로 잘 구분되었다. 그러나 여름철 우기에는 지하수와 강우의 산소 동위원소 조성이 잘 구분되지 않았으며, 이는

여름 강우의 동위원소 우량효과 때문에 나타나는 현상이다. 따라서 연구지역에서 여름철에는 ¹⁸O를 추적자로

서 이용할 수 없었다. 연구 수계에서 Si와 Mg가 보존적인 추적자임이 관찰되었으며, 이들은 산소 동위원소 추 적자법을 이용하기 어려운 여름철에도 유용한 추적자로 이용할 수 있었다. 연구지역에서 토양수가 하천수 유 출량에 미치는 양은 무시할 수 있을 만큼 적은 것이 관찰되었다.

주요어: 3성분계 수문분리, 화학 및 동위원소 추적자, 지하수, 토양수

Kwang-Sik Lee, Youngyun Park, Yongje Kim, Jae-Hoon Jeong, Seoung-Ki Park, Hyung-Sun Shin and Yeon-Sik Bong, 2006, A preliminary hydrograph separation study in a small forested watershed using natural tracers. Journal of the Geological Society of Korea. v. 42, no. 3, p. 427-437

ABSTRACT: The applicability of natural tracers including Si, Mg and

Key words: Three-component hydrograph separation, Chemical and isotopic tracers, Ground water, Soil water (Kwang-Sik Lee,Youngyun Park, Hyung-Sun Shin and Yeon-Sik Bong, Division of Isotope Geoscience, Korea Basic Science Institute; Yongje Kim, Groundwater & Geothermal Resources Division, Korea Institute of Geoscience

& Mineral Resources; Jae-Hoon Jeong and Seoung-Ki Park, Department of Bio-industry Engineering, Kongju National University)

1. 서 론

어떤 수계에서 강우에 의하여 하천수의 유출량이

증가하는 경우에 하천수를 구성하고 있는 성분들인 강우, 지하수 또는 토양수의 상호 구성비율을 산정하 는 것을 수문분리(hydrograph separation)라 한다.

Fig. 1. Topographic map of the Yesan catchment showing sampling sites.

강우에 의하여 용천수의 용출량이 증가할 때에 용천 수를 구성하고 있는 강우, 지하수, 토양수의 상호 구 성비율을 산정하는 것도 수문분리에 해당된다.

자연추적자 또는 인공추적자를 이용한 수문분리 연구는 1970년대 후반부터 시작되었으며 1990년대 들어서 발표 논문수가 크게 증가하였다. 초창기에 수 행된 수문분리 연구에서는 강우에 의하여 하천수의 유출량이 증가할 때 하천수가 강우(new water)와 지하수(old water)로 구성되어 있다는 2성분계 모델 을 바탕으로 수행되었다. 그러나 1990년대에 들어서 2성분계 모델에 한계가 있음이 알려지게 되었고, 카 르스트 지역에서는 토양수가 무시할 수 없는 또 하나 의 중요한 성분임이 밝혀졌다(Lakey and Krothe, 1996; Clark and Fritz, 1997).

그런데 국내에서는 2000년대 들어서야 수문분리 연구결과가 처음 발표되었을 만큼 수문분리에 대한 연구가 활성화되지 못하였다(Kim et al., 2001a, 2001b;

조성현 외, 2003, 2004). 외국의 카르스트 지역에서 수 문분리 기법으로 얻어진 연구 결과가 최근에 지질학 회지 지면을 통하여 국내 연구자들에게 소개되었을

정도로(이응석, 2004) 국내에서의 수문분리 연구는 초 창기라 할 수 있다. 수문분리 기법을 이용하면 하천수 의 기저유출량 산정, 하천에 영향을 주는 비포화대 토 양수에 대한 정량적 평가, 강우의 지하수 함양 특성 등에 대한 종합적인 정보를 얻을 수 있다. 따라서 국 내에서도 수자원의 보다 종합적이고 체계적인 관리 를 위하여, 강수-토양수-지하수-하천수가 함께 연계 된 수문분리 연구가 시급히 활성화되어야 한다.

이 연구는 충청남도 예산에 위치한 공주대학교 산 업과학대학 캠퍼스 내의 산림이 잘 발달된 소유역에 서 보존성 화학성분과 산소 동위원소와 같은 자연추 적자가 수문분리연구를 수행하는데 적합한지를 알 아보기 위하여 실시한 예비결과를 소개한다.

2. 연구지역

연구지역은 충청남도 예산군 갈신리를 가로질러 예당저수지로 유입되는 탄방천의 최상류 지역으로 공주대학교 산업과학대학 캠퍼스 내에 위치하고 있 다(그림 1). 이 소유역의 집수면적은 32,915 m²이며,

Fig. 2. The amount of precipitation (mm) and stream discharge (m

토지의 사용을 제한하여 산림을 보호하고 있는 지역 이다. 연구지역에 분포하는 식생은 중앙에 흐르는 탄 방천 주변에는 아카시아나무와 밤나무로 구성되어 있으며 서쪽사면에는 소나무와 신갈나무가 군락을 이루고 있다. 동쪽사면에는 참나무류가 우세하며 간 헐적으로 소나무가 존재한다.

2005년에 연구지역에 내린 총강수량의 약 87%가 우기인 6∼9월에 집중되어 내렸다(그림 2). 탄방천의 발원지로부터 약 500 m 지점에 폭이 60 cm인 삼각 웨어를 설치하여 하천수의 수심 및 유출량 자료를 획 득하였다. 2005년 1월부터 9월까지 관찰된 건기의 평 균수심은 25 cm이고, 평균기저유출량은 <0.0004 m³/s 이다. 건기에는 하천수의 유출량이 거의 일정한 값을 유지하다가 강우가 집중되는 7월부터 유출량이 크게 증가하였으며, 8월에 최대값을 보여준다(그림 2).

3. 연구방법

3.1 시료채취 및 분석

비가 와서 하천수의 유출량이 늘어났을 때 추적자 를 이용하여 수문분리 연구를 하기 위해서는 하천수 의 유출량을 정확히 측정하는 것이 가장 중요하다.

이를 위하여 연구지역 하천에 유속계(Valeport사의 BFM 002모델)를 설치하여 10분 간격으로 하천수의

유속을 자동 측정하여 유출량을 계산하였다(강주복, 1998).

비포화대 토양수의 추적자 농도를 알아보기 위하 여 지표면으로부터 15 cm, 30 cm, 60 cm, 90 cm 깊이에 토양수채수기를 설치하였다. 비가 오기 직전에 채취 한 토양수들의 평균값을 토양수의 대표값(end-mem- ber)으로 이용하였다. 연구지역은 지하수로부터 하 천수가 처음 형성되는 것이 관찰되는 최상류 수계이 기 때문에, 갈수기에 흐르는 하천수는 이 소유역의 천부지하수의 평균조성을 대표한다고 할 수 있다. 따 라서 비가 오기 전에 흐르는 하천수를 채취하여 기저 유출수의 대표값으로 이용하였다. 비가 내리기 시작 할 때부터 끝날 때까지 내린 총강우를 채취하여 강우 의 대표값으로 이용하였다.

채취된 모든 시료들은 분석 전까지 냉장 보관하였 다. Si와 Mg 농도는 한국기초과학지원연구원 대전본 원의 ICP-AES(Perkin Elmer사의 Optima 4300DU 모 델)로 분석하였다. 물의 산소 동위원소 조성 분석을 위하여 CO2-H2O 평형법으로 시료를 준비한 후 (Epstein and Mayeda, 1953), 한국기초과학지원연 구원의 안정동위원소 질량분석기(영국 Micromass 사의 Optima 모델)로 동위원소 조성을 분석하였다.

측정된 산소 동위원소 값은 V-SMOW에 표준화한 천분률(‰)로 나타내었으며 분석 정밀도는 각각

±0.1‰이다.

3.2 수문분리를 위한 추적자의 선택

수문분리 연구에서 추적자로 이용되기 위해서는 추적자가 물의 이동과정에서 보존적이어야 하는 것 이 가장 중요한 요소이다. 염소(Cl)는 물에 대한 용해 도가 매우 높고 물에 녹은 후에 침전이나 이온교환 반응과 같은 화학반응에 참여하지 않기 때문에, 물의 흐름을 따라 보존적으로 이동하는 것으로 알려져 있 다. 다만 증발에 의하여 토양층에 염소가 농축되는 반건조/건조지역이나 겨울철에 도로에 제설재를 많 이 뿌리는 지역에서는 Cl을 추적자로 사용하기 곤란 하다. 이러한 보존적인 원소를 제외하면 물에 녹아있 는 원소들의 대부분은 물의 이동과정 중에 물-암석 상 호작용에 참여하거나, 흡착, 침전 또는 용해 등에 의 하여 물에서 제거되거나 증가되기 때문에 물의 이동 과정과 체류시간 등에 대한 정보를 제공하기 어렵다.

산소와 수소 동위원소는 물 분자를 구성하는 원소 이기 때문에 물과 물 사이의 혼합이나 물의 이동을 가장 정확하게 반영하는 것으로 평가되고 있다 (Kendall et al., 1995; Clark and Fritz, 1997;

Genereux and Hooper, 1998). 또한 80℃ 이하의 저 온에서 일어나는 물-암석 반응에 의하여 산소와 수 소 동위원소는 거의 영향을 받지 않기 때문에 증발현 상에 의해 영향을 받는 경우만 제외하면 산소와 수소 동위원소는 천부지권환경에서 매우 보존적이다(Clark and Fritz, 1997). 즉 저온의 천부지권환경에서는 다 른 물과의 혼합에 의해서만 산소와 수소의 동위원소 조성이 달라진다고 할 수 있다. 따라서 산소와 수소 동위원소를 이용하면 하천수나 용천수에 대한 수문 분리 연구를 가장 정확하게 할 수 있다.

어떤 수계에서 물의 산소와 수소 동위원소를 이용 한 수문분리를 하기 위해서는 구성성분인 지하수, 하 천수, 강우의 동위원소 조성이 서로 차이가 나야만 한다. 만일 이들의 산소 동위원소 조성이 별로 차이 가 나지 않는 경우엔 산소와 수소 동위원소를 이용한 수문분리가 불가능하기 때문에 다른 추적자를 이용 하여야 한다.

기존 연구에서 수문분리 연구를 수행하기 위하여 사용된 추적자로서는 전기전도도(EC), 산소와 수소 동위원소(δ¹⁸O, δD) 그리고 용존규소(Si)가 있다 (Ladouche et al., 2001; Shanley et al., 2002;

Uhlenbrook et al., 2002; Huth et al., 2004). 산소 동 위원소는 수소 동위원소 보다 분석이 상대적으로 용 이하기 때문에 수문분리 연구에 더 흔하게 추적자로 이용되고 있다. 일부 연구에서는 Na, Ca, Mg, 또는 SO4가 이용되기도 하였고(Dreiss, 1989; Burns et al, 2001; Katsuyama et al., 2001), 카르스트 지역에서 용존무기탄소(DIC)와 δ¹³CDIC가 이용된 예도 있다 (Lee and Krothe, 2001).

이 연구에서는 δ¹⁸O, Si, Mg를 추적자로 함께 이용 하여 산림이 잘 발달된 예산의 소유역에서 수문분리 를 실시하였다.

3.3 2성분계와 3성분계 수문분리 모델

2성분계 수문분리 모델은 비가 와서 하천수의 유 출량이 증가할 때 하천수가 지하수와 강우, 즉 2가지 성분으로만 구성되어 있다는 가정 하에 만들어진 모 델이며 아래와 같이 2개식으로 구성된다.

Qt = Qgw + Qr (1) Qt․δt =Qgw․δgw + Qr․δr (2)

이 모델에서 하천수의 총유출량(Qt)은 비가 오기 전 에 흐르던 기저유출량(Qgw)과 나중에 강우에 의하여 하천에 더해진 양(Qr)의 합이 된다. 위 식들에서 야외 나 실험실에서 측정이 가능한 것들은 Qt, δt,δgw, δr 이 다. 여기서 δt는 하천수의 동위원소 조성, δgw는 지하 수의 동위원소 조성, 그리고 δr는 강우의 동위원소 조 성을 의미한다. 이 값들을 식1과 식2에 대입하여 풀 면 최종적으로 Qgw/Qt 비와Qr/Qt 비를 구할 수 있 다. 즉 하천수의 총유출량중에서 지하수나 강우가 차 지하는 비율을 산정하게 되는 것이다.

산소 동위원소가 2성분계 수문분리 모델에서 추 적자로 이용되기 위해서는 앞에서 언급한 보존성 문 제 말고도 다음과 같이 5가지 전제 조건을 만족시켜 야한다(Sklash and Farvolden, 1982).

① 수문분리 시에 내린 강우(new water)의 산소 동 위원소 조성이 일정하거나 변화 범위를 알 수 있 어야 한다.

② 수문분리를 실시하는 동안에 지하수(old water) 의 산소 동위원소 조성이 일정하거나 변화 범위 를 알 수 있어야 한다.

③ 강우와 지하수의 산소 동위원소 조성이 서로 상당

Fig. 3. Individual storm events selected for hydrograph separations during the study period. A total of four storm

히 차이가 있어야 한다.

④ 비가 올 때 통기대의 물(vadose water)이 하천수 에 미치는 영향이 미미하거나 영향의 정도를 예 상할 수 있어야 한다.

⑤ 비가 오는 중에 하천수에 영향을 주는 지표저장고 (연못, 늪지 등)의 영향이 무시할 수 있어야 한다.

1990년대 중반에 수문분리를 연구하던 학자들은 일부 지역의 비포화대에 존재하는 토양수가 하천수 에 큰 영향을 미치고 있음을 발견하였다(Kendall et al., 1995; Lakey and Krothe, 1996). 즉 이러한 지역 에서는 하천수가 강우, 지하수, 토양수의 3개 성분으 로 구성되는 것이다. 3성분계 모델은 아래와 같이 2 가지 추적자가 이용된 3개의 식으로 구성된다. 대개 산소 동위원소가 한 추적자로 이용되고 전기전도도 (EC)나 용존규소(Si)와 같은 화학성분이 다른 추적 자로 이용되고 있다.

Qt = Qgw + Qs + Qr (3) Qt․δt = Qgw․δgw + Qs․δs + Qr․δr (4) Qt․Ct = Qgw․Cgw + Qs․Cs + Qr․Cr (5)

여기서 Qt는 총유출량, gw는 지하수, s는 토양수, r 은 강우, δ는 동위원소 조성, C는 보존성 화학성분의 농도를 나타낸다. 측정한 값들을 이용하여 위식들을

풀면, 총유출량 중에 지하수, 강우, 토양수가 차지하 고 있는 상대비율을 산출할 수 있다.

Hinton et al. (1994)은 하천수가 3성분계 모델로 성분분리가 되기 위해서는 아래와 같은 5가지 가정 이 필요하다고 제시하였다.

① 하천수 유출에 영향을 미치는 기원물질(source) 이 오직 3가지여야 한다.

② 추적자들은 서로 보존적으로 혼합되어야 한다.

③ 한개 또는 두개 추적자에 대하여 각 기원물질들의 농도가 다른 기원물질과 뚜렷이 달라야 한다.

④ 두개 추적자에 대하여 3가지 기원물질의 농도가 같은 직선상에 놓이지 말아야 한다.

⑤ 수문분리를 실시하는 중에 각 기원물질의 농도는 일정해야 한다.

4. 본 론

연구지역에서 2005년 4월부터 7월 사이에 내린 강 우 중에서 4번의 개별강우(single event)를 선택하여 수문분리 시료를 채취하였다(그림 3). 이들 각각의 강우에 대한 수문분리 결과를 아래에서 논의하였다.

4.1 첫 번째 강우

첫 번째 수문분리 시료를 채취할 때 내린 강우는

Fig. 4. Result of two-component hydrograph separations using

연구지역에서 수개월 동안 강우가 거의 내리지 않다 가 약 24시간동안 지속해서 내린 총 46.2 mm의 강우 량을 기록한 강우에 해당된다(그림 3). 비가 내리기 시작해서 약 22시간이 지난 후에야 하천의 유출량이 증가하는 특징을 보인다(그림 4a). 즉 비가 오기 시작 해서 22시간이 경과될 때 까지 내린 강우의 대부분은 비포화대로 침투되었거나 증발되어 하천수로 공급 이 거의 이루어지지 않았음을 지시하는 것이다. 하천 수의 유출량이 최고치에 이르렀을 때도 기저유출량 에 비해 약 17% 정도의 증가밖에 이루어지지 않았다 (그림 4a).

강우, 토양수, 기저유출수의 δ¹⁸O값과 Si 농도의 대표값들을 함께 도시하면 Hinton et al. (1994)이 제 시한 3성분계 전제 조건들을 모두 잘 만족시키고 있 다(그림 4b). 또한 수문분리를 위하여 채취한 하천수 시료 모두가 3개성분 내에서 변화되고 있음도 관찰 되며 하천수가 기저유출수와 강우로 주로 구성되었 으며 토양수 성분의 기여도가 매우 적음이 관찰된다 (그림 4b).

하천수에 영향을 거의 주지 않는 토양수를 제외하 고 강우와 기저유출수만을 이용하여 2성분계 수문분 리를 수행한 결과가 그림 4a에 도시되어 있다. 2성분 계 수문분리 결과에 의하면 측정된 하천수의 유출량 이 변화하지 않는 구간에서도 하천수를 구성하고 있 는 기저유출수와 강우의 상호 비가 큰 변화를 보여주

고 있다(그림 4a). 이것은 기저유출량이 워낙 적은데 다가 비가와서 늘어나는 하천수의 유출량 변화도 너 무 적어서 연구에 이용된 장비로 유출량의 증가가 관 찰되지 않았지만, 강우 성분이 하천수에 공급되고 있 음을 의미한다. 하천수의 δ¹⁸O값과 Si 농도가 비가오 는 중에 시간 경과에 따라서 강수의 대표값 쪽으로 이동하는 것이 이러한 점을 뒷받침해준다(그림 4b).

하천수 유출량을 보다 정밀하게 측정할 수 있었다면 강우와 기저유출수의 성분을 분리할 수 있을 것으로 예상되지만 이 연구에서 측정된 유출량 자료로는 수 문분리가 불가능하다.

강우나 기저유출수에 비하여 토양수는 깊이에 따 라서 δ¹⁸O값과 Si 농도가 큰 변화를 보여준다. 토양 수의 Si와 Mg의 농도가 기저유출수보다 약 두 배 이 상 높은 것은 토양층에 존재하는 유기물의 부패에 의 해 생성된 CO2 가스가 토양수에 용해되어 풍화작용 을 촉진시키고, 아울러 점토광물과의 이온교환반응 에 의하여 방출된 화학성분들이 토양수로 공급되었 기 때문으로 판단된다. 그러나 연구지역에서는 토양 수가 하천수에 영향을 주는 정도가 강우와 지하수에 비하여 무시할 수 있을 정도로 작기 때문에, 토양수 에서 이들 성분들의 농도 변화가 깊이에 따라 크게 차이가 나는 것이 연구지역에서 수문분리 결과에 별 영향을 주지 않는다(그림 4b).

Fig. 5. Result of two-component hydrograph separations using

4.2 두 번째 강우

두 번째로 수문분리에 이용한 강우는 첫 번째 강 우가 내리고 난 후 약 40일이 지나서 내린 강우로 강 우량이 22.7 mm이다. 두 번째 강우가 내리기 십여일 전부터 3∼4번의 소량의 강우가 내렸다(그림 3). 두 번째 강우는 약 10시간에 걸쳐서 강우가 내렸는데 강 우가 시작되고 약 8시간이 지나서 하천수의 유출량 이 측정 가능할 정도로 증가하였다. 첫 번째 강우보 다 강우량이 49% 밖에 되지 않았으며 하천수 유출량 증가도 절반밖에 일어나지 않았다(그림 5a). 유출량 증가가 시작되는 반응시간이 빨라진 점은, 강우가 첫 번째 강우보다 짧은 기간 내에 집중되어 내렸고, 두 번째 강우 전에 내린 강우들로 인하여 토양층의 물의 함량이 증가되었음을 시사하는 것이다.

두 번째 수문분리 시료의 경우 강우, 토양수, 기저 유출수의 대표값으로 구성된 3성분계 내에서 일어나 는 하천수의 조성변화 특성은 첫 번째 수문분리 경우 와 매우 유사하다(그림 5b). 강우와 기저유출수만을 이용한 2성분계 수문분리 결과도 첫 번째 수문분리 마찬가지로 수문분리가 잘되지 않는다(그림 5a).

4.3 세 번째 강우

세 번째 강우는 두 번째 강우를 채취하고 전혀 강 우가 오지 않다가 13일 후에 내린 강우량이 38.3 mm 인 강우로서 이 지역에서 본격적인 우기가 시작되는 6월 초에 내렸다. 약 8시간 동안 강우가 지속되었는 데 비가 오기 시작해서 5시간 만에 하천수의 유출량

이 증가하기 시작하였다. 또한 유출량 증가가 시작된 지 약 3시간 만에 유출량이 초기값보다 약 9배 증가 된 최고치를 보여주고 있다(그림 6a).

강우에 대한 하천수의 반응속도가 짧아지고 첫 번 째 강우보다 강우량이 적은데도 불구하고 하천수의 유출량은 첫 번째 강우의 경우보다 약 7배나 증가하 였다. 이것은 세 번째 강우보다 앞서 내린 강우들로 인해서 토양층의 수분함유량이 증가해서 강우가 표 면유출을 통하여 하천으로 직접 유출되는 비율이 크 게 증가하고 있음을 의미한다. 강우, 토양수, 기저유 출수의 대표값도 첫 번째와 두 번째의 경우처럼 서로 뚜렷한 차이를 보여주고 있어서 Hinton et al. (1994) 의 3성분계 수문분리에 필요한 5가지 전제조건을 모 두 만족시키고 있다. 하천수는 3성분 내에서 변화하 고 있으며 토양수의 영향이 매우 적음을 보여준다 (그림 6b). 기저유출수와 강우는 서로 유사한 구성 비율을 보이고 있다.

첫 번째와 두 번째 강우에서는 수문분리가 잘되지 않았지만 세 번째 강우는 수문분리가 잘되고 있다.

이것은 유출량이 크게 증가하여 유출량의 변화를 보 다 정밀하게 측정하는 것이 가능하여졌기 때문이다.

강우와 지하수에 비하여 토양수의 δ¹⁸O, Si, Mg 값 은 변화 범위가 매우 커서 대표값을 결정하는데 어려 움이 있지만, 하천수에 대한 토양수의 기여도가 매우 적기 때문에 연구지역은 지하수와 강우의 2성분계 혼합 모델로 설명해도 크게 문제가 되지 않음을 알 수 있다(그림 6b∼6d).

Table 1. Results of three-component hydrograph sepa-

Tracers Rainfall(%) Baseflow(%) Soil water(%)

δ¹⁸O-Si 47 50 3

δ¹⁸O-Mg 48 50 2

Si-Mg 44 55 1

Fig. 6. Result of three-component hydrograph separations using

하천수의 유출량이 증가하는 초기에는 토양수의 성분이 관찰되지 않다가 하천수의 유출량이 최고치 가까이 이르렀을 때 토양수가 하천으로 유출되는 특 성을 보여준다. 하천수의 유출량이 증가함에 따라 배 출되는 지하수의 양도 크게 증가하는 것이 관찰된다.

이것은 강우가 지하로 함양되면서 지하수를 하천으 로 밀어냈기 때문으로 해석된다(Clark and Fritz, 1997).

δ¹⁸O-Mg 추적자나 Si-Mg 추적자를 이용하여 3성 분을 함께 도시하면(그림 6c, 6d) δ¹⁸O-Si 추적자를 이용하여 도시한 것과 매우 유사하다. 하천수를 구성 하는 강우, 기저유출수 및 토양수의 구성비를 추적자 에 따라 계산하여 보면 δ¹⁸O-Si 추적자와 δ¹⁸O-Mg 추 적자는 오차범위에서 서로 일치되는 값을 보여준다

(표 1). 그런데 Mg-Si 추적자는 다른 추적자에 비하 여 강수 성분이 약 10% 적고 기저유출수 성분이 약 10% 많은 결과를 보여주고 있다(표 1). 연구 기간 중 에 수문분리를 한번 밖에 성공하지 못하였기 때문에, 이번 연구처럼 추적자법에 따라 수문분리 결과에 차 이가 다소 나는 이유를 정확히 알 수 없으므로, 이에

Fig. 7. Result of three-component hydrograph separations using Si and Mg for the 4

대한 추가적인 연구를 수행 중에 있다. 이용된 모든 추적자 법에서 세 번째 강우의 경우 토양수 기여도는 3% 미만으로 매우 적다.

4.4 네 번째 강우

네 번째 수문분리에 이용한 강우는 7월 1일에 약 2 시간의 짧은 시간 동안에 내린 강우량이 24.5 mm인 강우이다. 두 번째 강우와 강우량이 비숫하지만, 유 출량은 무려 25배 정도 더 크다. 또한 세 번째 강우보 다 강우량이 약 64% 밖에 되지 않지만 하천수 유출 량은 약 5배 더 크다(그림 7a). 이것은 강우가 상대적 으로 짧은 기간에 집중되어 내렸고, 아울러 이전에 내린 강우로 인해서 토양수의 함량이 증가하여 강우 가 토양층으로 유입되기 보다는 표면유출을 통하여

곧바로 하천으로 유입되기 때문인 것으로 판단된다.

강우와 기저유출수의 산소 동위원소 조성은 서로 차이를 보이지 않아서 δ¹⁸O-Si법으로 수문분리가 불 가능하였다(그림 7b). 이것은 우리나라 여름철 강우 에서 관찰되는 우량효과 때문에 강우의 동위원소 조 성이 건기에 비해 크게 낮아져 기저유출수와 매우 비 슷한 값을 갖기 때문이다. 하천수도 3개의 성분으로 구성된 삼각형을 벗어나서 도시되고 있다(그림 7b).

네 번째 강우는 Si-Mg법으로는 수문분리가 가능함 을 보여준다(그림 7c). Si-Mg법을 이용하여 3성분계 수문분리를해보면 강우(54%), 기저유출수(41%), 토 양수(5%)의 구성비율을 보여준다(그림 7a).

하천수의 산소 동위원소 조성은 수문분리 기간 동 안에 강우와 기저유출수보다 약간 부화된 특징을 보

인다. 이것은 이전에 내린 강우가 토양층에 남아 있 다가 하천수의 동위원소 조성에 영향을 주어서 일어 나는 현상일수도 있고, 강우의 동위원소 조성이 시간 에 따라 변화해서 일어난 결과일 수도 있기 때문에 현재 자료만으로는 판단하기 곤란하며, 추가적인 연 구를 수행 중에 있다.

5. 결 론

충청남도 예산의 산림이 잘 발달된 소유역에서 δ¹⁸O, Si 그리고 Mg를 자연추적자로 이용하여 수문 분리 연구가 가능한지를 예비 조사하였다. 모두 4번 단일강우에 대하여 수문분리가 수행되었다. 1∼3번 째까지의 강우에 대한 수문분리는 δ¹⁸O-Si, δ¹⁸O-Mg, Si-Mg 추적자로 수문분리가 가능함을 보여주고 있 다. 다만 건조한 봄철에 내린 강우는 비포화대로 함 양되거나 지표증발로 인하여 하천수로 유입되는 비 율이 매우 적어서 하천수의 유출량 증가를 너무 적게 일으키므로 수문분리가 어려웠다. 즉, 3성분이 수문 분리에 적합하게 서로 뚜렷하게 구분되어 도시되었 지만, 하천수 유출량의 증가가 너무 적어서 연구지역 에서 4∼5월에 채취한 강우에서는 수문분리가 불가 능하였다. 그러나 토양수의 수분함량이 높은 경우엔 하천수의 유출량 증가가 매우 빠르게 일어나 유출량 의 변화를 보다 정밀하게 측정하는 것이 가능해져서 6월 초에 내린 3번째 강우에 대해서는 3성분계 수문 분리가 가능하였다. 그런데 본격적인 우기로 접어드 는 7월부터는 강우의 동위원소 우량효과 때문에 강 우와 기저유출수의 산소 동위원소 조성이 서로 유사 해져서 동위원소를 이용한 수문분리가 거의 불가능 하였다. 즉 연구지역에서 본격적인 장마철에는 산소 동위원소가 수문분리를 위한 추적자로 이용하기가 어렵다. 그러나 이런 경우에도 Si-Mg법으로 3성분계 수문분리가 연구지역에서 가능한 것이 관찰되었다.

토양수는 강우와 지하수에 비하여 δ¹⁸O 값과 Si, Mg 농도변화가 매우 크다. 이것은 토양층에 존재하 는 유기물의 부패에 의해 생성된 CO2가 토양수에 용 해되어 물-암석 반응을 촉진할 뿐만아니라 토양층에 다량 존재하는 점토광물과의 이온교환반응에 의하 여 토양수의 Mg 농도가 높아진 것으로 판단되며, 이 에 대한 연구가 현재 진행 중에 있다. 이와 같이 토양 수의 영향이 큰 지역에서 Mg를 추적자로 이용하는

것은 점토광물과 토양수간의 이온교환 문제 때문에 문제의 소지가 있지만, 연구지역의 경우 토양수의 영 향이 5% 이내로 미미하여 수문분리 결과에 큰 영향 을 미치지 않았기 때문에 Mg를 수문분리 추적자로 이용하는데 큰 문제가 없었다. 이 점은 표 1에서 3개 의 각기 다른 추적자를 두개씩 조합하여 계산된 3성 분들의 상호구성 비율이 서로 유사함에서 확인이 된 다. 그러나 토양수의 영향이 무시할 수 없는 성분인 경우엔 Mg를 추적자로 이용하는 것에 주의해야 할 것으로 판단된다.

감사의 글

이 연구는 21세기 프론티어연구개발사업인 수자 원의 지속적 확보기술개발사업단의 연구비 지원(과 제번호 3-2-2)에 의해 수행되었다.

참고문헌

강주복, 1998, 수리학. 구미서관, 796 p.

이응석, 2004, 카르스트 지하수학의 기본개념과 적용성에 대한 검토. 지질학회지, 40, 349-359.

조성현, 문상호, 이광식, 김석중, 2003, 산소동위원소(¹⁸O) 추적자를 이용한 청도지역 소유역에서의 유출수문곡선 분리 연구. 지질학회지, 39, 509-518.

조성현, 문상호, 고동찬, 조민조, 송무영, 2004, 추적자(Cl) 을 이용한 유성지역 소유역에서의 유출수문곡선분리와 기저유출량 산정. 지질학회지, 41, 427-436.

Burns, D.A., McDonnell, J.J., Hooper, R.P., Peters, N.E., Freer, J.E., Kendall, C. and Beven, K., 2001, Quantifying contributions to storm runoff through end-member mixing analysis and hydrologic measure- ments at the Panola Mountain Research Watershed (Georgia, USA). Hydrological Processes, 15, 1903- 1924.

Clark, I.D. and Fritz, P., 1997, Environmental isotopes in hydrogeology. Lewis publisher, Lew York., 328 p.

Dreiss, S.J., 1989, Regional scale transport in a karst aquifer 1. Component separation of spring flow hydrographs.

Water Resources Research, 25, 117-125.

Epstein, S. and Mayeda, T.K., 1953, Variation of ¹⁸O con- tent of waters from natural sources. Geochimica et Cosmochimica Acta, 4, 213-224.

Genereux, D.P. and Hooper, R.P., 1998, Oxygen and hydro- gen isotopes in rainfall-runoff studies. In: Kendall, C.

and McDonnell, J.J.(eds.), Isotope tracers in catchment hydrology. Elsevier, 319-346.

Hinton, M.J., Schiff, S.L. and English, M.C., 1994, Examining the contributions of glacial till water to storm runoff using two- and three-component hydrograph separations. Water Resources Research, 30, 983-993.

Huth, A.K., Leydecker, A., Sickman, J.O. and Bales, R.C., 2004, A two-component hydrograph searation for three high-elevation catchments in the Sierra Nevada, California. Hydrological Processes, 18, 1721-1733.

Katsuyma, M., Ohte, N. and Kobashi, S., 2001, A three- component end-member analysis of streamwater hy- drochemistry in a small Japanese forested headwater catchment. Hydrological Processes, 15, 249-260.

Kendall, C., Sklash, M.G. and Bullen, T.D., 1995, Isotope tracers of water and solute sources in catchments. In:

Trudgill, S.T.(ed.), Solute Modelling in Catchment Systems. John Wiley & Sons Ltd, 261-303.

Kim, D.I., Yun, S.T. and So, C.S., 2001a, Hydrograph sepa- ration using oxygen and hydrogen isotope data for karst springs during one-storm event: Yeongweol area, South Korea. Eos Trans., Fall meeting of AGU (Abstracts), 82(47), San Francisco, Dec. 10-14, F358 p.

Kim, D.I., Yun, S.T. and So, C.S., 2001b, Hydrogeochemical and isotopic characteristics of spring water in a carbonate terrane, Yeongweol area: Time-series variation during a storm event. Fall meeting of the Korean Society of Soil and Groundwater Environment (Abstracts), Jeon-ju Univ., Sep. 21-22, 135-138 p.

Ladouche, B., Probst, A., Viville, D., Idir, S., Baqué, D., Loubet, M., Probst, J.-L. and Bariac, T., 2001, Hydrograph

separation using isotopic, chemical and hydrological approaches (Strengbach catchment, France). Journal of Hydrology, 242, 255-274.

Lakey, B. and Krothe, N.C., 1996, Stable isotopic variation of storm discharge from a perennial karst spring.

Indiana, Water Resources Research, 32, 721-731.

Lee, E.S. and Krothe, N.C., 2001, A four-component mix- ing model for water in a karst terrain in south-central India, USA. Using solute concentration and stable iso- topes as tracers. Chemical Geology, 179, 129-143.

Shanley, J.B., Kendall, C., Smith, T.E., Wolock, D.M. and McDonnell, J.J., 2002, Controls on old and new water contributions to stream flow at some nested catchments in Vermont, USA. Hydrological Processes, 16, 589-609.

Sklash, M.G. and Farvolden, R.N., 1982, The use of envi- ronmental isotopes in the study of high-runoff episodes in streams, In: Perry and Montgomery(eds.), Isotope Studies of Hydrological Processes. Northern Illinois University Press, Dekalb, Illinois, 65-73.

Uhlenbrook, S., Frey, M., Leibundgut, C., and Maloszewski, P., 2002, Hydrograph separations in a mesoscale moun- tainous basin at event and seasonal timescales. Water Resources Research, 38, 10.1029/ 2001WR000938.

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투 고 일 : 2006년 6월 20일 심 사 일 : 2006년 6월 24일 심사완료일 : 2006년 9월 5일