Estimation of Groundwater Recharge by Considering Runoff Process and Groundwater Level Variation in Watershed

In Korea, there have been various methods of estimating groundwater recharge which generally can be subdivided into three types: baseflow separation method by means of groundwater recession curve, water budget analysis based on lumped conceptual model in watershed, and water table fluctuation method (WTF) by using the data from groundwater monitoring wells. However, groundwater recharge rate shows the spatial-temporal variability due to climatic condition, land use and hydrogeological heterogeneity, so these methods have various limits to deal with these characteristics. To overcome these limitations, we present a new method of estimating recharge based on water balance components from the SWAT-MODFLOW which is an integrated surface-ground water model. Groundwater levels in the interest area close to the stream have dynamics similar to stream flow, whereas levels further upslope respond to precipitation with a delay. As these behaviours are related to the physical process of recharge, it is needed to account for the time delay in aquifer recharge once the water exits the soil profile to represent these features. In SWAT, a single linear reservoir storage module with an exponential decay weighting function is used to compute the recharge from soil to aquifer on a given day. However, this module has some limitations expressing recharge variation when the delay time is too long and transient recharge trend does not match to the groundwater table time series, the multi-reservoir storage routing module which represents more realistic time delay through vadose zone is newly suggested in this study. In this module, the parameter related to the delay time should be optimized by checking the correlation between simulated recharge and observed groundwater levels. The final step of this procedure is to compare simulated groundwater table with observed one as well as to compare simulated watershed runoff with observed one. This method is applied to Mihocheon watershed in Korea for the purpose of testing the procedure of proper estimation of spatio-temporal groundwater recharge distribution. As the newly suggested method of estimating recharge has the advantages of effectiveness of watershed model as well as the accuracy of WTF method, the estimated daily recharge rate would be an advanced quantity reflecting the heterogeneity of hydrogeology, climatic condition, land use as well as physical behaviour of water in soil layers and aquifers.

유역 유출과정과 지하수위 변동을 고려한 분포형 지하수 함양량 산정방안

우리나라에서 대표적으로 사용되어 온 지하수 함양량 산정방법은 지하수 감수곡선에 의한 기저유출분리법, 유역내의 집중형 개념모형에 의한 물수지 분석, 그리고 지하수위 변동곡선법으로 대별된다. 지하수 함양량은 기후조건, 토지이용 그리고 수문지질학적 불균질성에 따르는 시공간적인 변동성을 나타내므로 전술한 방법들은 이같은 특성을 다루기에는 많은 제약을 가진다. 이 같은 단점을 극복하기 위해 본 연구에서는 통합 지표수-지하수 모형인 SWAT-MODFLOW로부터 얻어진 물수지 성분을 기초로 한 새로운 함양량 추정방법을 제시하고자 한다. 하천변에 위치한 지하수위는 하천흐름과 유사한 동적변화를 나타내는 반면 보다 상류부에 위치한 지하수위는 강수에 대하여 일정한 지체현상을 나타낸다. 이와 같은 지하수위 변동의 특징은 함양의 물리적 특성과 관련되므로 이 같은 현상을 설명하기 위해서는 토양층을 통과한 물이 대수층 함양에 도달하는데 걸리는 시간적 지체를 설명하는 것이 필요하다. SWAT 모형에서는 주어진 날에 대해 물이 토양층을 통과하여 대수층으로 함양되는 과정을 설명하기 위해 지수형태의 감쇠가중함수를 가진 단일 저수지 저류 모듈을 사용한다. 그런데 이 모듈은 지체시간이 긴 경우나 추정된 함양의 시계열이 지하수위 시계열과 잘 맞지 않는 제한 사항을 가지므로, 본 연구에서는 비포화대를 통과하는 시간 지체를 보다 현실적으로 반영할 수 있는 다단 저수지 저류 추적 모듈을 개발하여 SWAT모형에 탑재하였으며, 이 모듈내의 시간지체와 관련된 매개변수는 관측지하수위와 모의 함양량의 상관관계를 검토함으로써 최적화가 이루어지도록 하였다. 본 연구방법의 최종 단계는 모의 지하수위와 관측 지하수위, 그리고 관측 유역유출량과 모의 유출량을 검증함으로써 종결된다. 새롭게 제안된 방법을 우리나라 미호천 유역에 적용하여 지하수 함양량의 시공간적 분포를 추정하였는데 제시된 방법이 유역 모형의 효율성과 지하수위 변동법의 정확성이라는 장점을 모두 가진 방법이어서 추정된 일 함양량은 수리지질학적 불균질성, 기후조건, 토지이용과 토양층과 대수층의 거동까지 반영한 매우 개선된 값으로 판단된다.