도시화를 고려한 도시지역의 MODFLOW 활용 : 지하수위 변동분석

도시화를 고려한 도시지역의 MODFLOW 활용 : 지하수위 변동분석 Utilization of MODFLOW in urban areas considering urbanization : Groundwater level fluctuation analysis 양정석 1), 이정원 2) Jeong-Seok Yang, Jeong-Won Lee... 요 지 도심지는 지하수 이용량이 많으며 터널 및 지하철과 같은 도심지 공사로 인한 지하수 양수와 온천과 같 은 휴양시설의 무분별한 과잉양수로 인해 지하수위가 하강하는 추세이다. 급격한 도시화의 진행으로 불투수 면적이 증가하여 강우로 인한 침투가 활발히 진행되지 않아 지하수계로의 함양량이 감소되는 특성을 활용하 여 연구를 진행하였다. Visual MODFLOW를 통해 불투수 면적 비율에 따른 도심지의 지하수위 분포를 3개 의 Scenario로 작성하여 분석하였다. 연구지역은 도시화가 진행되면서 불투수 면적이 증가하고 유역내의 산 지 및 임야지와 도심지가 있는 목감천 유역으로 선정하였고, 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)에서 제 공하는 1975년도, 2000년도의 토지피복도를 활용하여 2개의 Scenario를 작성하고, 불투수 면적을 투수성포장 재로 대체한 Scenario를 작성하여 3개의 결과 값을 비교하였다. 2000년도 토지피복도를 바탕으로 작성한 Scenario2는 1975년도 토지피복도를 바탕으로 작성된 Scenario1과 비교하여 불투수 면적이 약 204% 증가하 였으며, Scenario3에서는 불투수 면적의 18%를 투수성포장재로 대체하였다. 연구대상 유역을 투수지역(산지 및 임야지)과 불투수 지역(도심지)으로 구분하고 각 지역을 다시 두 지역으로 나누어 총 4개의 지역에 대해 평균지하수위를 분석하였다. Scenario1은 불투수 지역 A에서 1.12m의 지하수위를 나타내고, 불투수 지역 B는 0.63m를 나타냈다. 투수지역의 경우는 높은 표고를 따라서 지하수위가 위치하며 A지역이 20.42m, B지 역이 5.07m로 나타났다. 도시화가 활발히 진행된 Scenario2는 Scenario1과 비교하여 모든 지역에 대해 지하 수위가 하강하였으며 특히, 불투수 지역 A는 4.35m, B지역은 0.13m 하강하였다. 불투수 면적의 18%를 투수 성포장재로 대체한 Scenario3은 Scenario2의 결과보다 약간 상승한 지하수위를 가지며 도심지인 불투수 지역 A, B에서 각각 2.56m, 0.08m 상승하였다. 핵심용어 : Visual MODFLOW, 지하수위, 도심지, 투수성포장재, 불투수면적 1. 서 론 최근 도시화와 더불어 지역적 단지개발로 인해 불투수 면적이 증가하고 있다. 그로인해 높은 강우강도를 가진 강우사상에 대하여 짧은 도달시간으로 인해 도시침수와 같은 피해가 증가하고 있으며, 도심지 공사 및 무분별한 지하수 양수로 인해 지하수위가 하강하여 지반침하 및 수자원 개발과 이용 등에 대한 문제가 발생 하고 있다. 도시화가 지하수에 미치는 영향과 지하수 문제에 대한 연구(이진용 외, 2007)를 진행하였고, 도시 화가 빠르게 진행된 부천시를 대상으로 토지이용 변화에 대한 지하수 수질차이 여부를 비모수통계기법으로 검정(안중기, 2002)하는 등, 도심지를 대상으로 지하수관련 연구가 활발히 진행되는 추세이다. 본 연구는 Visual MODFLOW를 활용하여 도심지와 산지 및 임야지가 혼재되어 있는 목감천 유역을 대상으로 불투수 면적 비율에 따른 Scenario를 3개 작성하여 각 시나리오별 지하수위 변동 양상을 파악하고자 한다. 1) 정회원 국민대학교 공과대학 건선시스템공학과 부교수 E-mail : jyang@kookmin.ac.kr 2) 비회원 국민대학교 공과대학 건선시스템공학과 석사과정 E-mail : wjddnjs1542@naver.com 644

2. 연구 지역 본 연구는 도시화가 진행되면서 도심지와 산지 및 임야지가 혼재되어 있는 목감천 유역을 연구 대상지 역으로 선정하였다. 목감천은 지방 2급 하천으로 경기도 시흥시 목감동에서 발원하여 경기도 광명시를 지 나 지하철 1호선인 구일역 부근에서 안양천으로 합류된다. 대체로 편마암 복합체로 지질이 구성되어 있으 며, 안양천 지류 중 하천연장이 가장 길다. 하천수위관측소는 구로구청 관할의 광화교 하천수위관측소 가 있으며, 지하수위관측소는 국가지하수정보센터(GIMS)에서 관리하는 서울항동, 부천옥길, 광명철산 국가지 하수관측망이 존재하고 있다. 최종적으로 유역내의 도시화가 급격하게 진행되고, 광화교 하천수위관측소가 목감천의 지류인 옥길천이 합류된 지점보다 하류지역에 위치하기 때문에 전체 유역에서 하류지역을 Figure 1 과 같이 연구지역으로 선정하였다. Figure 1 Study Area 3. 연구 방법 3.1 자료 수집 목감천 유역에 존재하는 광화교 하천수위 관측자료는 구로구청에서 2007년부터 2012년 7월까지의 자료를 제공받았고 서울항동, 부천옥길, 광명철산 지하수위 관측자료는 국가지하수정보센터(GIMS)에서 제공하는 자 료를 활용하였다. 서울항동 지하수위관측소는 자료길이가 2006년부터 2010년까지 제공되고 있으며, 부천옥길 과 광명철산 지하수위 관측자료는 2001년부터 2010년까지의 자료를 활용하였다. 강우자료는 기상청(KMA)에 서 관리하는 서울기상관측소의 자료를 사용하였고, 하천 및 지하수위와 자료길이가 동일한 2001년부터 2010 년까지의 자료 중 풍수기인 7,8,9월의 시계열 자료를 사용하여 함양량을 산정하였다. 시나리오 작성을 위한 1975년, 2000년도 토지피복도 자료는 국가수자원관리 종합정보시스템(WAMIS)에서 제공하는 자료를 바탕으로 목감천 유역에 해당되는 서울시 구로구, 경기도 광명시, 시흥시, 부천시의 토지피 복도를 수집하였다. 3.2 분석 방법 도시화로 인한 불투수 면적 비율에 따른 지하수위 변동을 1975년도 토지피복 상태를 고려한 Scenario1과 2000년도 토지피복 상태를 고려한 Scenario2, 마지막으로 2000년도 토지피복을 기준으로 주요도로를 투수성 포장재로 대체한 Scenario3으로 작성하여 비교 분석하였다. 모형의 보정은 하천수위, 지하수위, 강우자료가 모두 동일한 길이를 가지는 2007년부터 2010년까지 4개년도의 자료를 바탕으로 실시하였다. 아래의 Figure 2 ~ 5는 모형의 보정 결과 그래프이다. 645

Figure 2 Calibration - 2007 Figure 3 Calibration - 2008 Figure 4 Calibration - 2000 Figure 5 Calibration - 2010 4. 연구 결과 Figure 6 ~ 7에서 보듯이 Scenario2의 불투수 면적 비율을 살펴보면, 1975년도 토지피복 상태를 기준으로 2000년도까지의 불투수 면적 증가는 약 204%로 2배 이상의 면적이 도시화가 진행되었다. Scenario3은 불투 수 면적의 일부를 투수성 포장재로 대체하면서 불투수 면적 비율이 약 82%로 감소하였고, Figure 8과 같다. Scenario별로 불투수 면적의 비율이 다르게 입력되었으며, Scenario3인 투수성 포장재로 대체한 모형의 투수 성 포장재의 투수계수는 KS 규정에 명시된 최소 투수계수 값인 를 적용하였다. 최종적으로 목감천 유역을 산지 및 임야지인 투수지역과 도심지인 불투수 지역으로 구분하여 각 지역의 평균지하수위를 산출하였다. 그 결과는 아래의 Figure 9 과 Table 1에서 나타난 것과 같이 Scenario2(2000년도)의 투수지역, 불투수 지역 각각 2개의 지역에서의 평균지하수위가 Scenario1(1975년도)의 평균지하수위보다 낮게 나타났으 며, 투수성 포장재로 치환 한 이후의 불투수 면적 비율이 82%인 Scenario3은 대체하기 전의 Scenario2(2000 년도)의 평균지하수위보다 상승한 지하수위를 나타내고 있다. Figure 6 Land Cover (1975) Figure 7 Land Cover (2000) Figure 8 Land Cover (Permeable pavement) 646

Table 1 Average Groundwater Level in Each Scenario (EL.m) Figure 9 Area of Impervious/Pervious Pervious/ Impervious Impervious Area Pervious Area Scenario 1 (1975year) Scenario 2 (2000year) Scenario 3 (Permeable pavement) -0.88m -3.12m -1.80m 12.75m 11.76m 11.97m 5. 결 론 본 연구는 도시화를 고려한 도시지역의 지하수위 변동양상을 비교 및 분석하였다. 도심지와 산지 및 임야 지가 공존하는 목감천 유역을 연구지역으로 선정하여, 1975년도 2000년도의 토지피복 상태를 고려한 2개의 Scenario와 불투수 면적의 일부를 투수성 포장재로 대체한 Scenario 1개를 작성하여 총 3개의 Scenario 결과 를 비교 분석 하였다. Scenario1의 결과를 살펴보면, 불투수 지역의 평균지하수위가 -0.88m로 나타났으며 산 지 및 임야지 지역인 투수지역보다 상대적으로 낮은 고도를 가지고 있어 지하수위가 낮게 나타난 것을 확인 할 수 있다. Scenario2는 도시화가 진행되면서 불투수 면적 비율이 204% 증가한 도심지에서 평균지하수위가 Scenario1과 비교하여 전체적으로 하강한 모습을 확인 할 수 있고, 불투수 지역에서 3.12m로 약 2.24m 하 강하였다. Scenario3은 불투수 면적을 투수성 포장재로 치환하였으며, Scenario2의 결과에 비해 전체적으로 상승한 지하수위를 나타낸다. 불투수 지역에서 1.32m의 지하수위 상승효과가 나타났으며, 산지 및 임야지 지 역에서는 0.21m가 상승하였다. 최종적으로 불투수 면적을 투수성 포장재로 대체하면 지하수위가 상승하는 효 과를 확인 할 수 있지만 이미 진행된 도시화로 인해 개발되기 이전의 지하수위까지 상승시키진 못하는 것을 확인 할 수 있다. 최근 도심지의 지하수위가 하강하면서 수자원 이용 및 개발에 대한 문제가 대두되고 있다. 위와 같은 연 구를 보다 다양한 지역에 수행하면서 저영향개발(LID)기법을 적용한다면 도심지의 지하수위를 회복하고, 그 로인한 도심지 재해를 예방 할 수 있을 것으로 판단된다. 감 사 의 글 이 논문은 2012년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임.(No. 2012-0005348) 이 논문은 정부(국토교통부)의 재원으로 플랜트기술고도화사업의 지원을 받아 수행된 연구임.(07SeaHeroB01-01) 참 고 문 헌 1. 기상청(http://www.kma.go.kr) 2. 국가지하수정보센터(http://www.gims.go.kr) 3. 국가수자원관리종합정보시스템(http://www.wamis.go.kr) 4. 목감천수계 하천정비기본계획(국토교통부, 2000) 5. 한강권역 지하수 기초조사 보고서(국가지하수정보센터, http://www.gims.go.kr) 6. 이진용, 구민호, 2007. 도시화가 지하수에 미치는 영향 및 도시지역 지하수 문제 고찰, 대한지질학회, Vol. 43, No. 4, pp. 517-528 647

7. 안중기, 2002. 도시화가 빠르게 진행된 지역의 토지이용과 지하수 수질과의 관계에 대한 연구, 한국수자원 학회, Vol. 35, No. 1, pp. 97-108 8. 이승현, 배상근, 2010. 도시화에 의한 장기 지하수 함양량 변화, 한국환경과학회지, Vol. 19, No. 6, pp. 779-785 9. 배상근, 이승현, 2011. 도시지역의 지하수 유동 분석, 한국수자원학회 발표회, pp. 235-239 10. 안승섭, 이상일, 2012. 수문기상조건에 따른 지하수함양특성 연구, 한국수자원학회 학술발표회, pp. 428-432 648