Analysis of Flow Duration and Estimation of Increased Groundwater Quantity Due to Groundwater Dam Construction

지하댐 건설로 인한 지하수 증가량 계산 및 유황 분석

Abstract

This paper aims to calculate the increase in groundwater quantity following groundwater dam construction, and to assess its impact on surface water. In the study area of Osib-cheon, Yeongdeok, we estimated groundwater quantity, groundwater level, and effective porosity, and examined surface water fluctuations with respect to the increased groundwater quantity based on the flow duration. The results reveal that the increased groundwater quantity was at most $91,746m^3$ in the total drainage basin of the groundwater dam, and the reduced groundwater quantity was at most $11,259m^3$ in the lower zone of the groundwater dam. Therefore, the total groundwater resources secured was $80,487m^3$ and the decrease in groundwater quantity was just 12.27% of the amount of increase. There were changes in discharge rate by up to $3.00{\times}10^{-2}m^3/s$, as deduced from an analysis offlow duration as a result of groundwater dam construction. The overall difference between before and after construction of the dam was almost insignificant compared with the previous dam. The present results indicate that dammed groundwater can serve as an alternative water resource with sufficient quantity.

본 연구는 지하댐 건설에 의한 지하수 증가량을 계산하고 지표수에 미치는 영향을 검토하는 것이 목적이다. 이를 위해 연구지역 면적과 지하수위, 유효공극률을 이용해 지하수량을 계산하였으며 영덕 오십천의 유황분석을 실시하여 지하수량 증가에 따른 지표수 변화를 검토하였다. 분석 결과 지하수 증가량은 지하댐 유역 기준으로 최대 $91,746m^3$이며 지하댐 하류의 지하수 감소량은 최대 $11,259m^3$인 것으로 계산되었다. 따라서 연구지역의 지하수 확보량은 총 $80,487m^3$이며 지하수 감소량은 지하수 증가량에 비해 12.27%에 불과한 것으로 나타났다. 댐 건설 후 하류지역의 유황곡선을 분석한 결과 댐건설로 인해 유출량의 변화가 최대 $3.00{\times}10^{-2}m^3/s$ 발생하였으나 댐 건설 전과 비교해 전반적인 차이는 거의 없는 것으로 나타났다. 이 연구 결과는 지하댐이 지표수 환경에 영향을 주지 않으며 충분한 대체 수자원이 될 수 있다는 것을 의미한다.

서 론

물 부족 현상이 계속되고 있지만 현재 대체 수자원에 대한 명확한 정의는 없는 상태이며 해수담수화 분야, 강변 여과수 분야, 지하댐, 인공강우 등을 대체 수자원으로 정의내리고 있다(Park, 2011). 또한 수자원 확보를 위한 국내 연구는 홍수관리와 같은 치수사업과 물의 안정적인 공급에 많은 비중을 두고 있다. 또한 정부의 수자원 계획도 1999년 하천법의 개정으로 10년마다 계획을 수립하고 5년마다 계획을 보완하고 있으며 수자원 공급의 인프라 구축뿐만 아니라 수요관리 및 수행 가능성도 강조하고 있다. 특히 Lee and Yoon (2004)은 수자원 계획이 실천을 위한 과정과 합의가 중요하다고 주장하였으며 향후 수자원 정책의 관리 전략 및 보완을 제시하였다. Gyeonggi Research Institute (2008)는 수도권 지역 취수시설의 문제점을 바탕으로 간접취수에 의한 수자원 확보 방안에 대해 연구하여 수자원 확보에 대한 중요성을 주장하였다. Choi et al. (2011)은 대규모 저수지 및 댐을 건설할 수 있는 적지의 감소 및 환경문제 등으로 인해 수자원 확보가 어려우므로 기존 수자원 시설물의 개량 혹은 재개발로 수자원의 일부인 농업용수를 확보하는 경제적인 방안이 활용되어야 한다고 주장하였으며 기존 저수지 하류에 신설댐을 건설하거나 저수지 제체의 확대 등을 비교하여 가장 효율적이며 경제적인 용수 확보 방법을 제시하였다.

현재 수자원 확보에 대한 연구 중 지하수를 이용한 분야는 대체 수자원 중 연구수준이 가장 높다. 특히 Bae (1990)는 충적층, 풍화암, 화성암류, 변성암류, 퇴적암류 등으로 나누어 채수가능 지하수량을 한강을 비롯한 12개 유역에 맞게 산정하였으며 전 세계적으로 지하수 자원의 효율적인 관리와 지하댐을 이용한 수자원 확보에 대한 연구도 수행되고 있다(Kim, 1983; Nilsson, 1985; Hansson and Nilsson, 1986; Giovanni et al., 2008; Kim et al., 2011(b)). 또한 최근에는 소하천 내 모래를 이용해 댐을 건설한 후 수위차를 이용해 물을 저장하는 모래저장댐에 대한 연구도 진행되었으며 지표면을 활용한 다양한 방법들이 제시되고 있다(Whiting and Pomeranets, 1997; Mansell and Hussey, 2005; Laasage et al., 2008; Quilis et al., 2009). 국내 지하댐의 경우 1983년 농업용수 공급을 위해 경북 상주에서 건설이 시작되어 현재 6개소(상주, 포항, 속초, 공주, 정읍 2개소)에서 운영 중이며 국가에서도 지표수댐의 대안으로 현재 지하댐을 고려하고 있다. 특히 정부에서는 경북 영덕군, 경남 통영시 등 용수확보가 어려운 해안지역을 중심으로 2020년까지 단계적으로 지하댐 건설을 추진하고 있으며 하루 최대 1만톤을 목표로 하고 있다. 또한 지하수위 및 수질 관측을 위해 국가지하수관측소를 확대하고 있으며 체계적인 지하수 관리를 위해 지하수 보전구역 지정 활성화 등도 계획하고 있다. 그러나 지하댐을 이용한 연구는 아직 초기단계이며 충적층 내 유효공극률의 차이 및 지하수 흐름 변화가 심하여 정량적인 지하수 확보량을 산정하기가 어려운 실정이다.

유황분석의 경우 지표수 기준의 분석이 대부분을 차지하고 있다. 국내 연구 중 Lee et al. (1993)은 지표수 댐 건설 전과 후의 유황변화를 분석하였으며 Park(1968, 1974)은 갈수량과 홍수량에 대한 유역 특성 인자의 관계를 정리하였다. 또한 Sin (2000)은 기후변화를 가상한 하천유황에 대해 연구하였으며 Park (2003)은 자연하천에서의 인위적인 유량조절의 영향을 무시할 수 있는 무차원 유황곡선을 연구하였다. 이처럼 유량과 관계된 유황곡선의 분석은 많은 연구가 수행되었지만 지하수를 고려한 연구는 부족하며 지하댐 건설에 따른 유황변화에 대한 연구는 수행된 적이 없다. 따라서 본 연구에서는 영덕 오십천 유역을 대상으로 지하댐에 의한 지하수위 변화와 면적 및 유효공극률을 적용하여 지하댐 상류의 지하수 증가량과 하류의 지하수 감소량을 정량적으로 산정하였으며 유황분석을 실시하여 지하댐 건설로 인한 지표수의 유황변화를 비교 분석하였다.

 

개요 및 방법

유역 현황 및 수계

연구지역인 경북 영덕군의 경우 강수량 감소 등 이상기후로 인해 최근 취수에 어려움을 겪고 있으며 하천의 건천화로 인해 은어회귀 장애, 용수공급의 불안정, 건천화로 인한 환경파괴 등의 문제가 발생하고 있다. Table 1은 연구지역의 최근 10년 강수량과 상수도 보급률을 비교한 표로써 전국 평균에 비해 연구지역의 강수량은 적었으며 상수도 공급 인구 역시 매년 증가하고 있지만 2011년 기준 87.3%에 불과하여 전국 평균 97.9%에 비해 낮게 나타났다. 이런 이유로 정부에서는 해안지역 중 영덕군의 물 공급을 가장 중요한 문제로 판단하고 지하댐 건설을 추진하고 있다.

Table 1Statistics on annual precipitation and water supply ratio.

Fig. 1은 지하댐 건설 예정지와 영덕 오십천 유역의 수계를 나타내는 그림으로써 영덕 오십천 수계는 경북 청송군 부동면 내룡리 대서천 상류가 발원지이며 동해로 흘러간다. 수계의 유역면적은 370.00 km2, 하천 개수는 7개, 총 하천연장은 115.26 km이며 지하댐 예정지는 영덕 오십천 본류의 중·상류부에 해당하며 영덕읍 화개리와 천전리에 걸쳐 건설 예정이다.

Fig. 1Location and watershed of the study area.

연구방법

본 연구에서는 지하수 확보량 계산과 유황분석으로 나누어 지하댐 건설에 대한 타당성을 평가하였다. 지하수 확보량의 경우 앞선 연구(Kim et al., 2011(a)) 결과인 지하댐 건설 후 지하수위 변화 자료를 이용하여 댐 상류의 지하수 증가량과 댐 하류 지하수위 하강으로 인한 지하수 감소량을 계산하였다. 해석은 한국형 지표수 및 지하수 통합모형으로 개발된 SWAT-MODFLOW 모형(Kim et al., 2008)을 이용하여 지하댐 건설 전·후의 지하수위 변화를 분석하였다. 분석모형인 SWATMODFLOW는 준분포형 장기유출모형인 SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 모형(Arnold et al., 1993)을 우리나라 실정에 맞게 개선한 완전연동형 지표수-지하수 통합모형으로 입력자료로는 기상자료(기온, 풍속, 상대습도, 일조시간), DEM, 토양도, 토지이용도, 시추자료, 투수계수 등을 사용하였다. SWAT-MODFLOW에 대한 설명과 해석과정 및 지하수위 변화 결과 등은 앞선 연구로 대신한다(Kim et al., 2011(a)).

유황곡선을 이용한 유황분석의 경우 지하댐 건설로 인한 지하수위 변화가 댐 하류 지표수에 미치는 영향을 분석하는 것이 목적으로써 하천유량의 시간적 변동 상태를 파악하여 그 목적에 따라 분석기간과 분석 자료를 결정하게 된다. 일반적으로 유황분석은 매년의 일자료를 크기순으로 나열하고 각각의 순서에 해당하는 유량을 평균하여 그래프로 작성하는 것이지만 분석기간 전체에 대한 자료를 크기순으로 나열하고 유지비율에 따른 유량의 크기를 나타내는 방법도 있다(Lee et al., 1993). 국내 하천의 경우 유량의 계절변화가 심하며 용수의 안정적 공급과 홍수 피해의 저감을 위해 하천 유황에 대한 연구가 다양하게 시도되고 있지만 지하댐 건설에 따른 유황분석은 이루어지지 않았다. 따라서 본 연구에서는 유황곡선을 이용해 지하댐 건설 전·후 하천유량의 변화를 비교하고자 하였다. 이를 위해 지하댐 하류지점에서 SWAT-MODFLOW 모형 해석 결과인 일 유량자료를 이용해서 연구지역의 유황을 분석하였으며 유황계수를 산정하였다. 유황계수의 경우 하천 유량변화의 척도를 나타낼 수 있는 값으로써 식 (1)과 같이 홍수량의 대표치인 지속기간 10일 유량과 갈수량의 대표치인 지속기간 355일 유량의 비를 이용하여 계산하였다.

 

지하수 확보량 및 유황분석

지하수 확보량 산정

연구지역의 지하수 확보량은 지하댐 건설로 인해 상승된 지하수위를 이용한 지하수 증가량과 댐 하류에서 지하수위 하강으로 인한 지하수 감소량을 고려한 후 최종 산정하였다. 지하수량은 셀면적(셀 1개당 100 m × 100 m)과 지하수위 변화를 이용해 계산하였으며 최대유효공극률과 최소유효공극률을 적용하여 산정하였다. 아래의 식 (2)는 1개의 셀에 대한 지하수량을 산정하기 위한 식으로써 R1은 1개 셀에 대한 지하수량을 의미하며 A1은 셀면적, h1은 지하댐 건설로 인해 변화된 셀의 지하수위, EPmax(EPmin)는 최대유효공극률(최소유효공극률)을 의미한다. 유효공극률의 경우 영덕지역 충적층의 특성을 고려한 결과 세립질 모래(Fine sand)~조립질 모래(Coarse sand)로 판단되어 21%~ 27%를 적용하였다(Table 2, Fig. 2). 식 (3)은 연구지역 지하수 확보량에 대한 식으로 총 113개 셀에 대한 지하수량의 합계이다.

Table 2Effective porosity of various materials (Johnson, 1967).

Fig. 2Estimated effective porosity in the Yeongdeok Osib-cheon region.

SWAT-MODFLOW 모형을 이용한 해석결과 지하댐상류의 경우 지하댐 건설 전과 비교해 수위상승이 발생하였으나 지하댐 하류에서는 지하수위의 감소가 나타났는데 각 지역에 대한 수위 변화는 Fig. 3과 같다. 본 연구에서는 지하수위가 상승한 지역 중 기후 및 지형조건 변화에 의한 오차 등을 고려해서 0.20 m 이상 수위가 상승한 지역만 지하수량이 증가한 지역으로 선택하였으며 수위 변화 차이에 따라 A, B, C, D 영역으로 나누어 계산하였다.

Fig. 3Range of increased groundwater level due to groundwater dam construction.

지하수위가 감소한 댐 하류의 경우에는 적은 양의 지하수 감소로도 많은 문제가 발생할 수 있으므로 상류지역에 비해 보수적으로 0.10 m 이상 감소한 지역을 기준으로 적용하였으며 변화 범위가 좁아서 1개의 영역(E 영역)으로 표시하였다.

A 영역의 경우 댐 건설로 인해 지하수위가 1.51 m 이상 상승한 영역을 나타내며 셀 수는 1개이며 B 영역은 1.01 m~1.50 m 지하수위가 상승한 영역이며 셀 수는 2개이다. C 영역은 지하수위가 0.51 m~1.00 m 이상 상승한 영역으로 셀 수는 11개이며 D 영역은 0.20 m~0.50 m 지하수위가 상승한 영역으로 셀 수는 77개로 나타났다.

지하수위가 상승한 각 영역별 셀 수는 총 91개이며 각 셀별 면적과 지하수위 변화를 이용해 부피를 계산한 후 최대 유효공극률을 적용할 경우 91,746m3, 최소 유효공극률을 적용하면 71,358m3으로 계산되었다(Table 3). 지하수위가 감소한 댐 하류지역의 경우 셀 수는 총 22개이며 최대 유효공극률을 적용할 경우 감소량은 -11,259 m3, 최소 유효공극률을 적용하면 -8,757 m3으로 계산되었다. 특히 지하댐 직하류부의 경우 지하수위가 최대 0.45 m 감소한 것으로 나타났다(Table 4).

Table 3Changes in groundwater quantity leading to fluctuations in groundwater level in the upper dam.

Table 4Changes in groundwater quantity leading to fluctuations in groundwater level in the lower dam.

지하수 증가량과 지하수 감소량을 비교한 결과 연구지역의 지하수 감소량은 지하수 증가량의 12.27%였으며 지하수 확보량은 총 80,487 m3로 나타났다. Fig. 4는 각 영역별 면적에 해당하는 지하수량을 나타낸 그래프로써 면적에 따라 지하수량의 차이가 발생하였다. A 영역의 경우 최대 지하수위 변화로 인해 면적 대비 지하수 증가량이 높은 것으로 판단되며 면적 및 지하수 확보량은 D 영역이 가장 큰 것으로 나타났다.

Fig. 4Comparison of the maximum and minimum values of groundwater quantity among the study areas.

유황분석 및 유황계수

지하댐이 건설된 후 댐 하류의 유황을 분석하기 위해 SWAT-MODFLOW 모형을 이용하여 유출량을 산정하고 유황곡선을 작성하였다. Fig. 5는 지하댐 건설 전과 후의 유황곡선으로써 y축은 유량을 의미하며 x축은 365일 기준으로 며칠 동안 유량이 발생하는지를 나타낸다. 연구지역의 유황분석 결과 연중 220일 정도는 0.10 m3/s 이상을 유지 하고 있으며 1년 중 최대 16일 정도는 1.00 m3/s 이상인 것으로 나타났다.

Fig. 5Changes in flow duration resulting from groundwater dam construction in the lower dam.

지하댐 건설전과 후의 유황곡선을 비교한 결과 풍수량(Q95), 평수량(Q185), 저수량(Q275), 갈수량(Q355)이 93.18%~96.17% 수준인 것으로 나타났으며, 유황계수는 초기대비 104.53%였다(Table 5). 지하댐 건설 전·후의 유량 차이는 최대 3.00 × 10−2m3/s였으며 평균 5.79 × 10−3m3/s로 유량변화는 매우 적은 것으로 나타났다(Table 6). Fig. 6은 365일 기준으로 지하댐 건설 전·후의 유량차이를 그래프로 나타낸 그림으로써 평균값인 5.79 × 10−3m3/s의 경우 전체 비율 중 64.65%에 해당하며 이는 365일 중 236일은 평균보다 유량변화가 적다는 것을 의미한다. 유황분석 결과 연구지역인 영덕지역의 경우 지하댐이 건설된 후 댐 하류지역에서 지표수의 변화는 거의 없는 것으로 나타났다.

Table 5Comparison between flow duration analysis and coefficient of flow duration before and after groundwater dam construction.

Table 6Changes in discharge before and after groundwater dam construction.

Fig. 6Changes in discharge difference before and after groundwater dam construction.

 

결 론

지하수의 이용은 지하수위의 저하로 인한 문제들을 발생시킬 수 있지만 지표수와 지하수의 연계 운영을 통해 해결이 가능한 문제이다. 따라서 지표수와 지하수의 연계 해석을 통해 지하수 이용의 문제들을 최소화할 수 있다. 본 연구에서는 지표수 및 지하수 통합 모형인 SWAT-MODFLOW 모형을 이용하여 지하댐 건설로 인한 지하수 증가량 및 감소량을 계산하여 수자원 확보량을 산정하였으며 지하댐 하류에서 유황분석을 실시하여 지하수위 변화와 영덕 오십천 유량의 상관관계를 분석하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

1) 연구지역인 영덕 오십천 유역에 지하댐이 건설되면 상류지역의 경우 최대 91,746 m3의 지하수량이 증가하며 하류지역의 경우 지하수위 감소로 인해 최대 11,259 m3의 지하수량이 감소했다. 따라서 지하수 감소량은 지하수 증가량에 비해 12.27% 정도이며 총 지하수 확보량은 80,487 m3인 것으로 나타났다.

2) 지하댐 건설로 인한 유량변화 분석을 위해 댐 건설 전과 후의 유황분석 결과를 비교하였다. 연구 결과 최대 차이는 3.00 × 10−2m3/s였으며 평균 5.79 × 10−3 m3/s의 유량변화가 발생하였지만 평균값은 전체 비율 중 64.65%에 해당하여 365일 중 236일은 평균보다 유량변화가 적은 것으로 나타났다.

3) 지하댐 직하류부의 경우 지하수위가 최대 –0.45 m 감소하므로 지반침하 및 해안지역 지하수위 감소에 따른 염수침입 가능성을 고려하여 체계적인 지하수위 및 수질 관리가 필요하다. 또한 정부의 물 부족 해결 방안으로 추진되는 지하댐 건설의 타당성 평가를 위한 지속적인 조사 및 모니터링이 요구되며 안정적인 수자원 확보가 가능한 지하수 관리계획이 수립되어야 한다.