ISSN (Print) 1226-5268 ISSNS (Online) 2287-7169 The Journal of Engineering Geology, Vol.24, No.2, June, 2014, pp. 217-225 http://dx.doi.org/10.9720/kseg.2014.2.217 수막재배지역에서일최저기온과지하수이용량의상관관계를이용한지하수위변화분석 장선우 1 정일문 1 * 1 한국건설기술연구원수자원연구실 Analysis of Groundwater Variations using the Relationship Between Groundwater use and Daily Minimum Temperature in a Water Curtain Cultivation Site Sunwoo Chang 1 and Il-Moon Chung 1 * 1 Water Resources Research Division, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Goyang, Korea Received 21 April 2014; received in revised form 3 June 2014; accepted 16 June 2014 대규모수막재배시설은동절기수막재배기간동안군집취수정의영향으로지하수위가하강하고이로인해지하수취수량확보에어려움을겪고있다. 본연구에서는동절기수막재배지역에서의집중취수에따른정밀한지하수위변화분석을수행하고자한다. 대상지역인청원군의수막재배지역을포함한소유역의지하수유동을모의하기위해 3차원유한차분모형인 MODFLOW를구축하였으며, 중요한입력자료인지하수함양량시계열자료는유역수문모형 SWAT모형을이용하여구하였다. 여기에수막재배지의일최저기온과취수가동시간과의관계를통해지하수이용량을추정한선행연구 (Moon et al., 2012) 를참고하여취수계획을수립, 지하수모델링에반영하였다. 부정류모델링의적합도를평가하기위해동절기의모의된지하수위강하패턴을관측지하수위자료와비교하였다. 모델링기간은수막재배가본격적으로이루어지는 2012년 11월부터 2013 년 3월까지의 107일간으로정하였다. 모의결과동절기지하수위관측값과비교적유사한지하수하강을재현할수있었고, 일최저기온을이용한취수계획방식이다른수막재배지역의지하수유동해석에도적용가능할것으로판단되었다. 주요어 : 수막재배, MODFLOW, SWAT, 일최저기온 Water curtain cultivation (WCC) systems in Korea have depleted water resources in shallow aquifers through massive pumping of groundwater. The goal of this study is to simulate the groundwater variations observed from massive groundwater pumping at a site in Cheongweon. MODFLOW was used to simulate three-dimensional regional groundwater flow, and the SWAT (Soil and Water Assessment Tool) watershed hydrologic model was employed to introduce temporal changes in groundwater recharge into the MODFLOW model input. Additionally, the estimation method for groundwater discharge in WCC areas (Moon et al., 2012) was incorporated into a groundwater pumping schedule as a MODFLOW input. We compared simulated data and field measurements to determine the degree to which winter season groundwater drawdown is effectively modeled. A simulation time of 107 days was selected to match the observed groundwater drawdown from November, 2012 to March, 2013. We obtained good agreement between the simulated drawdown and observed groundwater levels. Thus, the estimation method using daily minimum temperatures, may be applicable to other cultivation areas and can serve as a guideline in simulating the regional flow of riverside groundwater aquifers. Key words : water curtain cultivation (WCC), MODFLOW, SWAT, daily minimum temperature *Corresponding author: c 2014, The Korean Society of Engineering Geology This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons. org/ licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 217
218 장선우 정일문 서 론 수막재배는겨울철온실난방에지하수를사용하는동절기시설재배방식으로현재우리나라의많은농경지에서채택하고있다. 수막재배단지는주로하천주변에대규모단지의형태로집중되어있어제한된영역에서의수막용수과다사용은지하수위의고갈을초래하며이에따라지속적인수막용수확보에어려움을겪고있다 (Kim et al., 2013). 해외에서는과다한지하수용수이용을하천수량감소의주요원인으로인식하고대규모집수정이있는부지에서대수층고갈에따른지하수위변화에대한조사와함께다양한방식의예측이이루어진바있다 (Kollet and Zlotnik, 2003; Nyholm et al., 2002; Barlow and Leake, 2012). 본연구의대상지역인청원군가덕면상대리는무심천중상류에위치하며논농사지역과최근비닐하우스로대표되는시설재배지역이혼합된영농지역이다. 한편, 무심천의구간별로크기가다양한보가위치함으로써대부분의구간에서하천수위가일정하게유지되고있다. 모터가설치된관정이재배지역에산재하여있으며, 겨울철사용후비닐하우스사이의고랑과수로를거쳐직접하천하류로유출되고있다 (Fig. 1). 이지역의시설재배지는다른수막시설재배지와마찬가지로지하수위하강으로인한지하수취수량감소가우려되는상황으로안정적인지하수자원확보를위해서는주변수리지질학적환경및수문기상을고려한수막재배지내적정취수량평가가필요한실정이다. 현재청원부지및타실증부지를대상으로한연구에서수막재배에의 한동절기지하수위변화를보고한바있는데 (Cho et al., 2012; KIGAM, 2013) 논산시왕전리수막재배지역의경우는연간최대지하수위변동이 10 m까지일어나고있다고보고된바있다. 또한지하수위고갈을방지하기위해하천변지하수개발시최소하천유출량을고려한지하수개발가능량산정방안 (Chung and Lee, 2013) 과같은방식도제안되고있다. 기존에수행한청원실증부지내연구중 Moon et al. (2012) 은수막재배용지하수사용량분석을위해일최저기온과지하수사용량과의상관관계추정방법을소개하였다. 일최저기온을이용한지하수사용량추정방식은비닐하우스의전기사용량을이용한기존추정방식과비교하였을때데이터획득의용이성및추정방식의단순함등여러장점을가지고있다. 따라서본연구에서는 Moon et al. (2012) 이제시한지하수사용량추정방식을기반으로 3차원지하수유동모형인 MODFLOW (McDonald and Harbaugh, 1988) 와유역수문모형 SWAT (Arnold and Fohrer, 2005) 을연계한실증지역지하수모델링을수행하고자하였다. 이에따라수막재배기간인 11월에서 3월까지를모의기간으로선정하여지하수위강하를모의함으로서현장자료를설득력있게재현하고취수량추정방식의타당함을검증하고자한다. 모형의구축및개요모의기간은 2012년 11월 21일부터 2013년 3월 8일까지 107일동안의수막재배기간을대상으로하였다. 이기간은 KIGAM (2013) 에서보고한연구지역의수막재 Fig. 1. Location of the Cheongweon water curtain cultivation (WCC) areas (left map) and the greenhouses using these WCC systems (right picture).
수막재배지역에서일최저기온과지하수이용량의상관관계를이용한지하수위변화분석 219 Fig. 2. Plan view of the boundary conditions in the model domain (blue color: river boundary; gray line: drain boundary; red cross: pumping well; green circle with cross: monitoring well). 배기간과도동일하며, 3월 8일이후부터는수막재배를위한취수량이급격하게감소하므로수막시설의영향을파악하기엔적절한기간선정으로판단되었다. Fig. 2는모의영역의경계조건을나타낸것으로실증부지의분수령을따라모의영역을 1200 1800 m로설정하였다. 수렴시험 (convergence test) 을통해 5 5m 크기의격자크기로 360개의열과 240개의행으로구성하였으며, 모델의지층은기보고된대수층의지질학적특징 (KIGAM, 2013) 에따라 4개의층으로나누었다. Fig. 2에서좌측에푸른색으로표시된영역은무심천을나타내며모의영역내에세개의보가위치함으로인해실증부지를지나는하천구간은 4개영역으로나뉜다. 보에의해모의기간동안일정한하천수위가유지되며유속도매우느려 MODFLOW의하천패키지 (river package) 를이용하여경계조건을설정하였다. 모의영역바깥은무흐름 (no-flow) 경계조건으로설정하였다. Fig. 2에서붉은색으로표시된점들은모터가가동중인지하수취수정을나타내며모의기간동안 56개소가가동되었다. 녹색으로표시된관측정들은주로모의영역중앙부중서측과북측에위치하고있다. Fig. 2의좌표축은원점으로부터의거리를 m 단위로나타낸값이다. 관측정들이집중되어있는관측영역을확대하여 보았을때, 무심천을따라남북으로길게위치해있는관측정들은 OB-4에서 OB-11으로, 수막재배영역에위치한관측정들은각각 CWW-04에서 CWW-11로표기하였다 (KIGAM, 2013). 본연구에서는수막재배영역안에위치한 CWW-04 에서 CWW-11 까지의 6개관정의관측값을주논의대상으로하였다. KIGAM (2013) 이관측값을생산하지않은관측정들은제외하였다. 또한관측정이밀집해있는곳이모델중심부에편중되어있기때문에추가현장답사를통하여모델북쪽, 동쪽, 남쪽경계에서의지하수위를조사하였다. 무심천오른쪽옆에위치한회색선은농수로를표현한것으로모델에서는배수 (Drain) 경계조건으로설정하였다. 모델에서활용한수리지질학적매개변수자료들의입력값을 Table 1에나타냈다. Table 1에나타난입력값들은 KIGAM (2013) 에서측정한관측값을기준으로시행착오방식을거쳐일부수정하여사용하였다. 국지적지하수유동에서는지하수위가강우에의한함양량에의해큰변화폭을보이는만큼대수층에침투하는지하수의정확한함양량추정은국지적지하수흐름모의에큰영향을미친다 (Fetter, 1994). 본연구에서는미국농무성농업연구소 (USDA Agricultural Research Service, ARS) 에서개발한 SWAT 모형 (Arnorld and
장선우 정일문 220 Table 1. MODFLOW input data for a four-layer model. Thickness (m) Aquifer type Layer 1 (surface layer) 5.5 Layer 2 (weathered soil) Classification Hydraulic Conductivity (m/s) Specific yield (Sy) Specific storage (Ss, m 1) KH KZ Unconfined 4 10 5 4 10 6 0.12 10.5 Convertible 4 10 6 4 10 6 0.12 Layer 3 (weathered rock) 11 Confined 1 10 6 1 10 6 Layer 4 (soft rock) 30 Confined Fig. 3. Comparison of the simulated recharge rates (red line) and observed groundwater level (blue line). Fohrer, 2005)을 이용해 모델 적용 기간 동안의 청원지 역 지하수 함양량을 산정하였다. 모형의 입력자료인 강 수량, 기온, 풍속, 일사량, 상대습도 등의 기상자료는 무 심천 유역 내에 위치한 청주기상대의 자료를 이용하였 고, 수문자료로서 하천유출량 자료는 청주수위표의 자료 를 이용하였다. 수막재배를 하지 않는 여름에 해당하는 7월부터 11월 초까지를 비교 대상 기간으로 설정하여 CWW-5 관측지점의 지하수위 시계열 자료와 모의된 함 양 자료의 시계열을 비교한 결과 Fig. 3과 같이 양호한 결과를 도출하였다. 타 관측정의 지하수 시계열 자료와 의 비교 역시 적절한 모의 양상을 보여주고 있다. 본 연구의 실증부지는 소유역이므로 지하수 흐름 모형 내 에서 지하수 함양량의 공간 분포는 고려하지 않았다. 수막 재배 기간의 물사용 특성 Fig. 4. Location of extraction wells and discharging water flow in the Cheongweon water curtain cultivation area. S2 indicated by a blue circle: collecting point of discharging water; red circles: wells equipped with a pumping system operating at temperature below 0oC; orange circles: wells equipped with a pumping system operating at temperature below 5oC; (modified from Moon et al., 2012). Fig. 4는 청원군 수막재배지의 지하수 배출 지점 및 관정들의 공간분포를 나타내었으며 본 연구에서도 같은 영역 중 Moon et al. (2012)은 그림의 파란색 원으로 영역을 모델의 연구범위로 채택하였다. 그림에서 보이는 표시되는 배출지점 S2 상류의 4 ha의 면적에 해당하는
수막재배지역에서일최저기온과지하수이용량의상관관계를이용한지하수위변화분석 221 관측지역내지하수이용량을산출하였다. 이를위해먼저대표관정들을대상으로관정당일배출량을구했으며, 배수로중대표배출구를선정하여수막재배에의해배출되는 1일지하수량의변화를관측, 지하수배출량평균값을산정하였으며, 배출량과일최저온도와의상관관계를도출하였다. 본연구의수치모의에서는 Moon et al. (2012) 이제시한조사부지내평균관정배출능력일최저온도에따른수막재배용지하수취수방식및취수일정을바탕으로모델입력값을구축하였다. 이과정에서도출된모터의 1일평균지하수토출량 68.4 m 3 에근접한값을모델링에맞추어조정한값인 65 m 3 /day를개별관정의일일토출량으로가정하고, 모터취수율 100 m 3 /day 기준 15.6시간 (0.65 day) 취수일정을모델입력값으로하였다. 단, 군집취수정을두그룹으로나누었다. 첫번째그룹은최저기온이영하 0 o C 이하로내려가면가동을시작하고, 두번째그룹에서는영하 5 o C 이하로기온이내려갔을때에추가로가동을시작하는것을설정하였다. 그림에서영하 0 o C 이하에서계속가동하는그룹은붉은색작은원으로, 영하 5 o C 이하에서추가로가동되는그룹은오렌지색원형으로표시했다. Fig. 5는본연구에적용하는모의기간동안청원부지의기온변화와이에따른지하수취수량의변화를나타낸그래프이다. 그림에서원형의점은모델영역중 Moon et al. (2012) 가언급한배출지점 S2 상류에해당하는모터의배출량총합이며 MODFLOW 수치모델에서모의되는전체배출지하수량은 Fig. 5에의해보여지는배출량에하류배출량부분을더한값이된다. 모의시작일의최저기온은영하 3.6 o C로이때는일부모터만이가동되며모의시작 5일째부터 56개의관정모두가동된다. 최저기온에따라배출량이영향을받으며모의시작 29일부터 61일까지일일최저기간이지속적으로영하 5 o C보다낮아이기간동안두그룹의모터를모두가동한다. 모의기간 107일동안모든모터가가동하지않은일수는 3일정도이다. 또한, Moon et al. (2012) 이제공한연구결과에서기온이낮아질수록가동시간이늘고, 기온이올라갈수록가동시간이줄어드는추세를보여주고있다. 이에따라본연구에서도영하 5 o C를기준으로한모터점멸방식이외에기온에따른가동시간의변화역시고려하였다. 평균적으로, 두그룹의모터가모두가동될때배출량은 2,480 m 3 을기준으로정하였다. 이값은 Moon et al. (2012) 의배출량자료중본연구의모의기간과유사 Fig. 5. Total groundwater extraction (yellow circles) by the water curtain cultivation (WCC) system, compared with the daily maximum temperature (red line), the average temperature (blue line), and the minimum temperature (gray line). 한기온분포를보이는데이터들의평균값에근접한다. 본연구의기준변수는최저기온이나, 최고기온또한영하 5 o C 이하로내려가는극한기간의경우두그룹의모터는최대가동시간동안운영하게되며이때 S2 지점에서의최고 1일배출량은 2,800 m 3 에달한다. 모의종료직전기간에해당하는 2월중순이후의최저기온이여전히영하임에도불구하고최고기온이영상 10 o C 에머무르는등일최고온도와최저온도의기온차가매우큰경우임을볼수있다. 이기간동안은최저온도에머무는지속시간이줄어들어서모터의가동시간이평균시간보다줄어든것으로추측하였고이에따라모터가동시간을점차줄여갔다. 결과분석 Fig. 6는수막재배전의정류상태지하수위분포도및수막재배시작후 107일후의지하수위분포를나타내고있다. 정류상태지하수흐름은남에서북으로갈수록점차낮아지는양상을보인다. 민감도분석을실시한결과무심천의하천수위및수리전도도가정류상태지하수위분포에큰영향을미치는것으로밝혀졌다. 부정류상태의지하수흐름은취수정의위치와이용량에크게영향을받는다. Fig. 5는수막재배전의정류상태지하수위분포도및수막재배시작후 107일후의지하수위분포이며취수정이밀집되어있는영역위주로지하수하강현상이명확해짐을알수있었다. 정류상태에서는 El. 63 ~ 68 m의분포를보이던지하수위가취수정가동후에는최저 El. 60 m까지하강하는것으로나타
222 장선우 정일문 Fig. 6. Spatial distribution of groundwater head simulated by MODFLOW: (a) initial steady state, and (b) 107 days after pumping begins. Fig. 7. Schematic diagram of the crosscut at row 177 in the model domain, with four extraction wells indicated by orange and red color. Red colored rectangles indicate wells equipped with a pumping system operating at temperature below 0oC; orange colored rectangles indicate wells equipped with a pumping system operating at temperature below 5oC. 났다. 특히 취수정 가동 107일 후 수위분포도에서는 대 월 초까지 무심천 상류는 손실하천의 특성을 나타내며 부분의 관측정이 위치해있는 실증부지 중, 하류 구간의 북쪽의 하류는 이득하천의 형태를 보였다. 그러나 수막 넓은 면적에서 수위가 64 ~ 67 m 에서 64 m 이하로 낮 재배 전에 지하수가 무심천 하류로 배출되는 것과는 달 아진 것을 관측할 수 있다. 지하수의 유동을 살펴보면 리 동절기에는 대규모 취수로 인해 무심천의 전구간이 남쪽에서 북쪽으로 지하수가 흐르고, 무심천에 위치한 손실 하천으로 작용하는 것으로 나타났다. 보로 인해 보 주위는 지하수위의 급격한 변화가 관찰된 Fig. 7은 실증영역 내 중심부에 해당하는 지역 대수층 다. 물수지 분석 결과 본격적인 수막재배 기간 전인 11 단면에서 수위강하를 시간별로 나타낸 그래프이다. 모델
수막재배지역에서일최저기온과지하수이용량의상관관계를이용한지하수위변화분석 223 의단면의위치는 Fig. 2에붉은색선으로표시되어있으며모델격자로는 177열에해당하는직선거리이다. 그림의단면모식도에는좌측으로무심천을나타내는하천경계와농수로를나타내는배수경계영역이위치해있으며, 가로단면을따라취수정 4개가위치하고있다. 붉은색으로표시된그룹은최저기온이영하 0 o C 이하일때약 15.6시간에걸쳐운전하는취수정에해당한다. 오렌지색으로표시된취수정은영하 5 o C 이하에서하루평균 12시간동안가동하는취수정이며때때로기온이많이떨어질때붉은색그룹과마찬가지로일최대운전시간인 15.6시간동안가동한다. 단면의최대수위강하지역은예상대로붉은색으로표시된취수정이밀집해있는곳이며, 오렌지색그룹이위치한곳역시수위 강하에일조하고있는형태이다. 좌측에위치한무심천경계영역에서의지하수위역시하강하고있는것을볼수있다. 물론이는실제무심천의수위가하강한다는의미는아니다. 단면좌측은 El. 67 m로하천수위가유지되고있는보의하류지역으로실제하천수위는 El. 65 m로유지되고있는영역이다. 그러나보상하류에서 2m에달하는낙차가발생함으로인해지하수위분포역시조밀하게형성되어있다. 따라서보근처의지하수위는주변지하수와하천수위에영향을받아지하수위변동이일어나는것임을알수있었다. 취수정가동시간으로설정한 107일동안의지하수위하강형태는초기열흘정도는무심천유역에영향을미치지않고취수정주변에서만지하수위변화가발생하나점차주변영향 Fig. 8. Temporal trends in the difference between the observed and simulated groundwater levels (in meters).
224 장선우 정일문 반경이넓어지기시작한다. 그러나본실증유역은동서방향으로하천과산지로가로막힌좁은유역으로비교적빠른속도로전체적인지하수위하강을목격할수있었다. Fig. 8은지하수가동시간으로설정한 107일동안각관측정에서관측한지하수수위하강곡선자료를이용해서작성한그래프이다. 대부분의관측값은지하수위하강양상은초반에급격한기울기를보이며낮아지면서점차하강세가둔감해지는양상을나타낸다. 지하수위관측값및모의경향을살펴보면약 60일이전까지의지속적인지하수하강패턴은앞서밝힌 60일까지최저기온이영하 5 o C를밑돌기때문에모든취수정모터가가동중인상황과관련이있다. 또한관측된양상에서 60 ~ 80일사이에급격한기온변화에따라두그룹의모터의점멸이빈번했는데본연구에서도지하수변화에서일시적인지하수위상승및하강을수치모델로유사하게모사할수있었다. 연구에사용된수치모델에서대수층의두께및투수계수, 저류계수등의모델입력변수들을모두평균값을채택하였다. 실제지질학적변수및취수스케쥴이국지적으로평균값에서벗어날수있는오차를감안하면위의모의결과는대체로현장관측자료를유사하게재현했다고할수있다. 요약및결론 Moon et al. (2012) 은일별최저기온및저온지속시간과수막재배지역모터가동시간이상호밀접한관련이있어최저기온이낮고저온지속시간이길어질수록일별모터가동시간이늘어나며이때문에 1일지하수배출량역시증가됨을보고하였다. 이와같은보고를바탕으로최저기온과지속시간등을고려한경험식또는최적화로도출하는산식을고려한다면더욱정밀하게수막재배사용지하수량을정확히모사할수있을것으로판단된다. 본연구에서적용한기온에따른단순하고기계적인점멸 (on/off) 방식은추론과정이간단하고타지역에서도비교적적용이가능한범용적인추정방식으로판단되어추론방식을검증하기위해 3차원국지적지하수유동모의를실시하였다. 본연구는지하수추정방식의최소적용기준을판단하기위한연구수행이었으므로최저기온과의상관성을엄격하게적용하였으며, 이와같은기계적취수추정방식으로도관측치에비교적근접한지하수위하강을재현할수있었다. 그러나기온과지하수이용량간의관계식을보다정확 히연계할수있는산식을도출하기위해서는매개변수의최적화와같은보다심도있는접근이필요하며, 청원군에대한정밀산식이타지역수막재배부지에적용할수있는지에대해서는추가적인적용연구가제시되어야할것이다. 사 사 본연구는국토교통부의물관리연구사업 수변충적층지하수위복원기술 (11기술혁신 C05-2) 의지원으로수행되었습니다. References Arnold, J. G. and Fohrer, N., 2005, SWAT2000: Current capabilities and research opportunities in applied watershed modeling. Hydrological Processes. 19(3): 563-572. Barlow, P. M and Leake, S. A. 2012, Streamflow depletion by wells- understanding and managing the effects of groundwater pumping on streamflow: U. S. Geological Survey Circular 1376, 84p. Cho, B., Yoon, U., Lee, B., and Ko, K., 2012, Hydrogeological characteristics of the Wangjeon-ri PCWC area, Nonsan-city, with an emphasis on water level variations, The J. of Engineering Geology, 22(4), pp. 195-205 (in Korean with English abstract). Chung, I. -M. and Lee, J., 2013, A method of estimating the volume of exploitable groundwater considering minimum desirable streamflow, The J. of Engineering Geology, 23(4), pp. 375-380 (in Korean with English abstract). Fetter, C. W. (1994). Applied hydrogeology, Prentice Hall. KIGAM, 2013, Groundwater restoration technology for riverside area. Report on the advanced technology for groundwater development and application in riversides (Geowater+) in water resources management program, MOLIT, 225p. Kim, N. W., Lee, J., Chung, I. -M., and Kim, C. H., 2013, Change of Groundwater-streamflow interaction according to groundwater abstraction in a green house land, J. of Korean Water Resources Association, 45(10), pp. 1051-1067 (in Korean with English abstract). Kollet, S. J. and Zlotnik, V. A., 2003, Stream depletion predictions using pumping test data from a heterogeneous stream-aquifer system (a case study from the Great Plains, USA), Journal of Hydrology 281, pp.96-114. McDonald, M. G. and Harbaugh, A. W., 1988, A modular three-dimensional finite-difference ground-water flow model, U. S. Geological Survey techniques of waterresources investigations, book 6, chapter A1, 586p. Moon, S., Ha, G., Kim, Y., and Yoon, P., 2012, Analysis of groundwater use and discharge in water curtain cultivation areas: case study of the Cheongweon and
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