The Characteristics of Submarine Groundwater Discharge in the Coastal Area of Nakdong River Basin

낙동강 유역의 연안 해저지하수 유출특성에 관한 연구

Abstract

Submarine groundwater discharge (SGD) in coastal areas is gaining importance as a major transport route that bring nutrients and trace metals into the ocean. This paper describes the analysis of the seasonal changes and spatiotemporal characteristicsthrough the modeling monthly SGD for 35 years from 1986 to 2020 for the Nakdong river basin. In this study, we extracted 210 watersheds and SGD estimation points using the SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) DEM (Digital Elevation Model). The average annual SGD of the Nakdong River basin was estimated to be 466.7 m²/yr from the FLDAS (Famine Early Warning Systems Network Land Data Assimilation System) recharge data of 10 km which is the highest resolution global model applicable to Korea. There was no significant time-series variation of SGD in the Nakdong river basin, but the concentrated period of SGD was expanded from summer to autumn. In addition, it was confirmed that there is a large amount of SGD regardless of the season in coastal area nearby large rivers, and the trend has slightly increased since the 1980s. The characteristics are considered to be related to the change in the major precipitation period in the study area, and spatially it is due to the high baseflow-groundwater in the vicinity of large rivers. This study is a precedentstudy that presents a modeling technique to explore the characteristics of SGD in Korea, and is expected to be useful as foundational information for coastal management and evaluating the impact of SGD to the ocean.

연안지역의 해저지하수 유출(SGD)은 하천과 함께 영양염류와 미량금속 등을 해양으로 유입시키는 주요 수송로 역할로써 중요성이 대두되고 있다. 이에 우리나라 육상의 연안지역인 낙동강 대권역 유역에 대해 1986년부터 2020년까지 35개년의 월별 SGD를 추정하고 계절적 변화와 시공간적 특성을 분석하였다. SGD 산출지점인 낙동강 연안유역은 SRTM(Shuttle Radar Topography Mission) DEM(Digital Elevation Model) 자료를 이용하여 210개의 유역을 추출하였으며, 우리나라에 적용가능한 가장 높은 해상도의 전지구 모델인 FLDAS(Famine Early Warning Systems Network Land Data Assimilation System) 10 km recharge를 통해 추정한 낙동강 연안유역의 연평균 SGD는 466.7 m²/yr 로 나타났다. 낙동강 연안유역 SGD는 시계열적으로 큰 변동성은 없었으나 여름에 집중되던 SGD유출이 가을철로 주요유출 시기가 확대되는 경향을 보였다. 또한 공간적으로는 큰 수계와 인접한 연안지역에서 계절에 관계없이 SGD 유출이 많고 1980년대 이후로 시간적 변화에 따라 다소 증가하고 있는 경향을 확인하였다. 이러한 결과는 낙동강 지역의 강수패턴의 시기가 확대되며, 기저유량이 많은 지역의 집수량이 높은 데에 따른 것으로 사료된다. 본 연구는 우리나라의 SGD 특성을 탐구하기 위한 모델링 기법을 제시한 선행적 연구이며 우리나라 해저지하수 유출이 해양에 미치는 영향과 연안관리를 위한 기초자료로 활용성이 기대된다.

1. 서론

하천은 대륙의 동맥으로 육상으로부터 방류되는 담수 중 90% 이상을 담당하고 있으며(Church, 1996), 나머지 10%는 지하수를 통해 해양으로 방류된다. 지하수는 연안 대수층에서 해안습지, 해변 및 대륙붕을 통해 해양으로 직접 방류되며 이를 해저지하수 유출(submarine groundwater discharge, SGD)이라 정의한다(Burnett et al., 2003). SGD는 육상의 지각내 불투수층 사이의 대수층을 따라 용천수나 누출의 형태로 유입되는 담지하수(Fresh SGD) 뿐만 아니라 육상의 지면으로 스며들어 해수면 변동에 따른 조석펌핑작용으로 누출되는 재순환을 포함한다(Taniguchi et al., 2002; Burnett et al., 2006; Hwang and Koh, 2012). 이러한 연안의 염분 SGD의 비율은 전 세계 하천으로 방류되는 양의 약 300~400%에 이를 수 있다(Kwon et al., 2014). 따라서 하천에 못지않게 영양 염류 및 미량금속 등을 포함하는 용존 화학원소들을 해양으로 유입시키는 SGD의 중요성이 대두되고 있다 (Church, 1996; Burnett et al., 2006; Zhou et al., 2019). 일부 지역에서는 SGD에 의한 질산염 부하가 대기와 하천 공급원을 모두 초과하는 것으로 보고되어 전지구 생지화학을 파악하고 연안 수자원을 관리하기 위해서 SGD 비 율에 대한 정량적 이해가 필수적이라 할 수 있다. 또한 SGD는 해안 대수층의 염분화의 균형을 유지하는 데에도 중요한 역할을 하며 이에 연안의 재충전(recharge)와 Fresh SGD 비율에 대한 해석을 통한 연안 대수층 관리의 필요성이 강조되고 있다(Swayer et al., 2016; Lee, 2017; Zhou et al., 2019).

SGD의 측정방법으로는 seepage meter를 이용하여 지 하수 유출속도를 직접 측정하는 방법(Cable et al., 1997) 이 있으며, 물수지나 수리학적 모델(Zektzer et al., 1973; Oberdorfer et al., 1990)또는 방사능 추적자를 이용한 물질수지 모델(Corbet et al., 1999; Kelly and Moran, 2002; Kim et al., 2005; Hwang et al., 2010) 등을 이용하는 간접적 추정방법들이 있다. 그러나 직접적인 측정방법은 국지적으로 급변하는 SGD를 파악하기에 유리하나 대규모의 유역이나 전지구적 SGD 거동을 파악하기에는 한계 가 있어 최근에는 모델링을 통한 간접적인 추정방법이 이용되고 있다. 물수지나 수리학적 모델링을 통한 SGD 연구는 주로 미국과 같은 대규모 지역(Swayer et al., 2016; Zhou et al., 2019)에 대해 이루어져 왔으며, 최근에는 전 지구적 SGD 비율 추정과 시공간적 특성 연구가 진행된 바 있다(Dai and Trenberth, 2002; Zhou et al., 2019). 그러나 국내의 연구에서는 지하수 부존자원양에 초점을 맞춘 추정 및 예측 연구(Huh and Lee, 2005; Lee, 2017)가 주로 진행되어 왔으며, SGD에 관한 연구는 매우 한정적이다. 일부 국내에서 수행된 SGD 연구도 다공질 암석의 지층으로 해저지하수 유출이 활발한 제주도 지역을 대상으로 한 국지적 관측위주의 연구가 이루어져 왔다 (Hwang and Koh, 2012; Hwang et al., 2010; Song et al., 2018).

본 연구에서는 우리나라의 육상 연안유역을 대상으로 SGD를 추정하고 시공간적으로 어떠한 변화가 있는지 특성을 파악하고자 하였다. 이를 위해 우리나라 대 권역 중 낙동강 유역을 연구지역으로 선정하여 물수지 접근법을 이용한 모델링을 통해 SGD를 추정하고 계절적 변화 및 시공간적 특성을 분석하였다.

2. 연구자료 및 방법

1) SGD 추정방법

이 연구에서는 SGD를 추정하기 위한 방법으로 Sawyer et al. (2016)과 Zhou et al. (2018)가 제안한 물수지 접근법을 이용하였다. 이러한 추정방법은 대수층에 대한 SGD의 기여유역과 재충전유역으로 구분되며, 지하수의 흐름 특성이 육지 흐름과 유사하다는 가정하에 재충전유역은 해안으로 직접 유출수를 제공하는 쐐기모양의 연 안 집수구역(연안유역)이다. 각 연안유역에 대한 연간 SGD의 양(QSGD)은 선형평균한 연간 순 재충전율(r) 또 는 증발산 손실에 대해 보정된 재충전량과 재충전 유역 면적(A)의 곱으로 계산되며 식 (1)과 같다.

\(Q_{S G D}\left(\mathrm{~m}^{3} / \text { year }\right)=\mathrm{r}(\mathrm{m} / \text { year }) \cdot \mathrm{A}\left(\mathrm{m}^{2}\right)\)       (1)

각 연안유역에 대한 SGD 플럭스(qSGD)는 식 (2)와 같이 정의할 수 있으며, 여기서 L은 연안유역의 해안선 길이이다.

\(q_{s G D}\left(\mathrm{~m}^{2} / \text { year }\right)=\mathrm{r}(\mathrm{m} / \text { year }) \cdot \mathrm{A}\left(\mathrm{m}^{2}\right) / \mathrm{L}(\mathrm{m})\)       (2)

이러한 접근법은 균질한 대수층의 SGD 추정에 가장 적합하며(Haitjema and Mitchell-Bruker, 2005), 복잡한 지질을 가진 지역이나 건조한 지역에서는 다소 과소평가 될 수 있다(Sawyer et al., 2016; Zhou et al., 2018).

2) 연구지역 및 자료

본 연구에서는 해저지하수 유출을 연구하기 위한 대상유역으로 낙동강 유역을 선정하였다. 낙동강은 우리 나라에서 유로연장 가장 긴 790 km이며, 유역면적은 23,384 km2로 연속된 해안의 길이가 가장 길다. 또한 수도권으로 흐르는 한강은 내수에 관한 관심이 높고 인위적 영향이 큰 것에 반해 낙동강은 하구역의 연안관리와 같은 환경보전에 관한 이슈들이 많아 본 연구의 SGD 모델링 테스트베드로 설정하였다(Fig. 1(a)).

낙동강 대권역 중 연안과 접한 연안유역은 SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) DEM (Digital Elevation Model) 30 m 자료를 대규모 유역단위의 해석이 가능한 1 km 격자로 변환하여 집수구역을 분석하고 이를 국가 하천망도와의 일치성을 검토하여 총 210개의 연안유역에 대해 SGD 추정지점들을 설정하였다(Fig. 1(b)).

Fig. 1. Study area: (a) Nakdong river basin, (b) coastal catchment area.

유입조건인 재충전량(r)은 NASA GSFC (Goddard Space Fligh Center) 수문학 부서에서 운영하는 LIS (Land Information System)로부터 산출된 FLDAS(Famine Early Warning Systems Network Land Data Assimilation System) 의 recharge 자료를 이용하였다. FLDAS 전지구 자료는 Noah3.6.1 육상모델을 기상자료 MERRA-2 (Modern-Era Retrospective analysisfor Research and Applications version 2)와 강우자료 CHIRPS (Climate Hazards Group InfraRed Precipitationwith Station)을 이용하여 구현되었다(McNally et al., 2017). 본 연구에서 사용한 FLDAS recharge 자료는 기저유량 지하수 유출(Baseflow-groundwater runoff) 자료이며, Noah 모델에서 강우자료와 Penman-Monteith (PM) 방법을 통해 증발산량을 계산하여 산출된다. 전지구 모델자료로 주로 이용되는 GLDAS(Global Land Data Assimilation System)는 공간해상도가 25 km로 우리나라 유역의 수문학적 변동성을 연구하기에는 한계가 있으며, 이에 본 연구에서는 10 km 공간해상도의 FLDAS recharge 자료 중 1985년부터 2020년까지의 35년간의 월평균 값을 이용하였다.

3. 결과 및 토의

1) SGD 시계열 경향

낙동강 대권역의 210개 연안유역에 대해 35년간의 월별 SGD의 시계열을 살펴본 결과, 시계열적으로 큰 차이는 나타나지 않았으나, 연평균 SGD 466.7 m2/yr와 표준편차 ±144.5 m2/yr인데 반해 1998년은 780.7 m2/yr, 1999년은 820.4 m2/yr, 2003년은 852.6 m2/yr로 평년에 비해 상당히 높게 나타났다(Fig. 1(b)). 이는 부울경 (부산, 울산, 경남)지역의 연평균 강수량이 높았던 시기로 기저유량 지하수 유출이 많았기 때문으로 판단된다. 2000년대 이후 연간 SGD 유출의 경향이 다소 증가하는 것에 비해 월별 시계열에서 peak가 높지 않게 나타나는 것은 유입되는 강수량이 여름철에만 집중되는 것이 아니라 봄철에서 가을철까지로 기간의 범위가 넓어져 기저유량 지하수유출이 영향을 받은 것으로 판단된다. 1980년대에서 2020년대까지 전체적으로 두드러진 연간 변화는 나타나지 않았으나 약 5~7년 정도의 기간을 두고 증감하는 주기가 발견되어 향후 기후인자 및 지질학적 자료들을 통한 추가연구가 필요할 것으로 사료된다.

Fig. 2. The time-series of SGD flux for the coast catchment areas of Nakdong river basin: (a) annually and (b) monthly.

Zhou et al. (2019)의 연구에서는 GLDAS LSM(Land Surface Model)인 VIC, NOAH, MOSAIC 세 가지 모델을 통해 전지구 SGD 추정연구를 수행하였으며, 아시아 지역의 연평균 SGD를 124.7~874.8 m2/yr로 제시한 바 있다. 본 연구와 동일한 낙동강 연안유역을 공간범 위로하였을 때 기존연구의 연평균 SGD는 42.8~300.1 m2/yr로 본 연구의 추정치 466.7 m2/yr가 다소 높은 것으로 보인다. 그러나 이러한 차이는 기존연구의 결과에 서도 입력자료로 적용한 recharge가 전지구 모델별로 매우 큰 차이를 나타내며 편차가 상당히 크다고 제시한 바와 같은 맥락으로 판단된다. 다만 본 연구에서는 기존 연구와 달리 10 km의 정밀한 FLDAS recharge 자료를 사용한 점을 고려할 때 보다 정밀한 결과라 사료된다.

2) SGD 계절성

전체기간의 SGD 계절적 유출경향은 우리나라의 강 수패턴과 유사하게 여름철(6~8월)과 가을철(9~11월)에 높게 나타나며, 봄철(3~5월)과 겨울철(12~2월)에 낮은 것으로 추정되었다. 또한 5년 단위의 계절적 특성에서도 시계열 변화경향에서 나타난 것과 같이 2010년대 이후로 오면서 가을과 겨울철의 SGD 유출량이 과거에 비해 더 높아지는 경향을 보였다. 이는 낙동강 유역의 대 표지역 중 부산, 울산, 대구의 기상청 종관기상관측소 (ASOS)의 월평균 강수량과도 유사한 특성을 보였다 (Fig. 3). 이러한 경향은 여름철에 집중되었던 지하수 유 입시기가 가을로 이동하기 때문으로 판단되며, 겨울철은 기후변화로 인해 토양수분의 동결이 줄어들고 지표 수의 유입량이 늘어나고 있는 것으로 해석될 수 있다.

Fig. 3. Characteristics of seasonal SGD and precipitation at an interval of 5-years.

계절적 SGD 유출의 공간분포는 부산과 울산지역을 포함하는 남동부 해안에서 사계절 모두 SGD 유출이 높 은 것으로 나타났으며 경남지역의 남해안 연안유역에서는 계절에 따라 민감하게 변화하는 특성을 보였으며, 동 해안 연안유역의 SGD는 대체로 계절에 상관없이 지속 적으로 낮은 유출특성을 보였다(Fig. 4). 이러한 공간적 SGD 특성을 기반으로 현장관측을 병행한 추가연구를 통해 연안의 해저지하수 유출 거동을 파악하고 연안관 리의 기초자료로 활용할 필요가 있을 것으로 사료된다.

Fig. 4. Distribution of SGD in Nakdong river basin: (a) spring (Mar-May), (b)summer (Jun-Aug), (c) autumn(Sept-Nov), (d) winter (Dec-Feb).

3) SGD 추이분석

35년간 추이를 살펴보면 낙동강 전체 유역의 SGD 연 간 추이는 0.65 m2/yr 증가하는 경향을 보여 큰 변화로 판단되지는 않는다(Fig. 5). 지역적으로는 낙동강 하구, 형산강, 태화강 인근의 연안유역에서는 다소 증가하고 경남 마산 진동항 인근에서 고성군 인근은 다소 감소하는 경향을 보였으며, 그 외의 지역에서는 거의 변화가 없거나 미세하게 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 시공간적 증감의 추이는 연안개발계획과 연안환경의 관리를 위해 지속적으로 모니터링되어야 하며 더불어 Fig. 2(a)의 연간 시계열 변화에서 나타난 5~7년 단위의 증감주기에 대해서도 기후인자와의 상관성 분석을 통해 기후변화에 따른 SGD의 추이를 연구해 나갈 필요가 있다.

Fig. 5. The trend of annual variation of SGD from 1986 to 2020

4. 결론

우리나라에 적용 가능한 전지구 모델 중 가장 정밀한 FLDAS recharge 자료를 통해 물수지 모델링을 통한 낙동강 연안유역의 해저지하수 유출 SGD는 연평균 466.7 m2/yr로 추정된다. 이는 기존연구에서 전지구 모델을 통해 산출된 낙동강유역의 연평균 SGD 추정결과인 300.1 m2/yr에 비해 다소 높지만 이는 입력모델의 차이로 판단된다. 다만 기존연구에서 활용된 모델자료에 비해 10 km 해상도를 가지는 FLDAS의 추정결과가 보다 정밀한 추정결과라 사료된다. 향후 연구에서는 전지구 모델의 지역적 구현한계를 고려하여 국내 강우자료를 고려한 한국형 모델자료인 KLDAS 1 km 자료로부터 더욱 정밀하고 정확한 SGD 산출이 필요하며, 관측실험을 통한 지점단위의 검증이 수행되어야 할 것이다. 낙동강 연안유역의 시계열적 특징은 두드러지지 않았지만 5~7 년 단위로 나타난 작은 주기들에 대해서는 향후 기후인 자와의 상관성 분석이 필요할 것으로 판단된다. 또한 다공질 암석으로 SGD 유출의 이슈가 되는 제주도 연안과 우리나라 육상의 5개 대권역에 대해서도 추가연구를 통해 우리나라 SGD 유출특성을 정밀하게 모델링할 예정이다. 본 연구는 모델링을 통한 우리나라의 SGD 추정의 선행연구로서 육상의 지하수 및 영양염류의 거동 특성과 연안환경 관리를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.