• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2023년도 학술발표회
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• pp.127-127
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• 2023

지표수와 하상 경계층에서 발생하는 흐름 교환은 하천, 호소, 연안, 해안 등 자연계에 존재하는 수환경시스템에서 일반적으로 나타나는 수리학적 특성으로서, 흐름 교환이 발생하는 경계층 아래 하상층 영역을 혼합대(hyporheic zone)라 부른다. 수질오염사고 등에 의해 외부의 오염물질이 하천 내 유입될 경우, 혼합대 흐름에 의해 하상층으로 침투되고 지표수 대비 유속이 느린 하상 내 공극 흐름에 의해 거동함에 따라 이들의 하천 내 체류시간이 증가하게 된다. 따라서, 본 연구에서는 지표수와 하상 흐름을 연계한 수치해석 방법을 적용하여 혼합대가 지표수 내 용질 체류시간에 미치는 영향을 분석하였다. 먼저 연직 2차원 Reynolds 평균 Navier-Stokes(RANS) 방정식과 Darcy 방정식을 연계하여 지표수와 하상 내 흐름을 해석하였다. 지표수 영역은 RANS 방정식을 이용하여 모의하였고, 지표수 흐름해석에서 얻어진 하상의 압력장을 경계조건으로 하여 Darcy 방정식과 함께 하상 내 흐름을 모의하였다. 여기서 하상의 형태는 자연계 하천에서 일반적으로 관찰되는 사련하상(Ripple bed)으로 모사하였다. 이후, 지표수-하상 연계모의를 통해 얻어진 흐름 결과를 바탕으로 지표수-하상 경계층에서 용질거동을 모의하였다. 흐름 모의결과를 과거 실험자료와 비교한 결과, 지표수 영역 내연직흐름 분포를 정확하게 재현하였고, 동시에 혼합대 흐름 구조에 큰 영향을 미치는 지표수-하상 경계층 압력 분포 역시 관측값과 유사하게 나타났다. 용질거동 해석을 통해 얻어진 용질의 체류시간을 분석한 결과, 혼합대 흐름이 고려된 경우(투수성 하상)와 고려되지 않은 경우(불투수성 하상)를 비교했을 때 전자에서 체류시간 분포의 감수곡선이 길어지고 첨두농도가 감소하는 것으로 나타났다. 아울러, 지표수 영역의 유입부 경계의 평균 유속이 증가함에 따라 최대 체류시간이 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 지표수-하상 경계층에서의 압력 경사가 커져 혼합대 내 유속이 증가함에 기인하는 것으로 분석되었다.

• 한국지하수토양환경학회:학술대회논문집
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• 한국지하수토양환경학회 2004년도 총회 및 춘계학술발표회
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• pp.102-105
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• 2004

희토류원소를 이용하여 전주-완주지역에서의 지표수와 지하수의 연계성을 밝혀내기 위해 8개 지역을 선정한 후, 기반암시료와 더불어 2002년 4월, 2003년 6월, 2003년 8월 그리고 2003년 11월의 4차례에 걸쳐 현장분석과 더불어 지표수와 지하수시료를 채취하였다. PAAS(Post Archean Australian Shale)로 규격화한 희토류원소분포도에 의하면, 갈수기인 2002년 4월과 2003년 11월의 지표수와 지하수는 대체적으로 중희토류가 부화되었고, 아울러 강한 Eu의 정(＋)의 이상과 Ce의 부(-)의 이상이 관찰된다. 그러나 갈수기가 끝난 2003년 6월과 장마가 끝난 직후인 2003년 8월의 시료에서는 대부분의 지표수와 지하수 시료가 Eu의 강한 부(-)의 이상을 보여준다. 그리고 일부 시료에서는 Ce의 부(-)의 이상도 관찰되었다. 이와 같은 희토류원소 분포 및 Ce과 Eu의 변화는 산화-환원작용의 영향을 받은 산화수(즉 Ce$^{3+}$ 와 Ce$^{4+}$ , Eu$^{2+}$와 Eu$^{3+}$ )의 변화에 의한 것으로 해석할 수가 있다. 뿐만 아니라, 본 연구결과에 의하면, 전주-완주 지역에서의 지표수와 지하수는 매우 밀접한 연관성을 갖고 있으며, 그 순환속도 또한 비교적 빠른 편으로 나타났다. 그리고 본 연구결과, 희토류원소는 지표수와 지하수의 연계성을 밝혀내는 데 있으며 매우 유용한 지시자임을 확인하였다.

• 한국지하수토양환경학회:학술대회논문집
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• 한국지하수토양환경학회 2006년도 총회 및 춘계학술발표회
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• pp.266-269
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• 2006

지하수, 해수 혹은 지표수의 희토류원소의 분포도에 있어서 Eu과 Ce은 산화수의 변화에 따라 다른 희토류원소로터 벗어나게 되고, 이로이해 Eu과 Ce의 이상이 발생된다. 지표수와 지하수의 연계성을 밝혀내기 위해 희토류원소를 이용하여 전주-완주지역에서의 지표수와 지하수시료를 2002년부터 2004년까지 6차례에 걸쳐 채취하였다. 이중 2003년 8월까지의 시료는 2개기관에서 각각 희토류원소 함량을 측정하였다. 또한 대수층 구성암석과의 상관성을 밝혀내기 위해 동일한 지역에서 코어시료를 채취하였다. PAAS(Post Archean Australian Shale)로 규격화한 희토류 원소분포도에 의하면, 갈수기인 2002년 4월과 2003년 11월의 지표수와 지하수는 대체적으로 중희토류가 부화되었고, 아울러 강한 Eu의 정(+)의 이상과 Ce의 부(-)의 이상을 보여주었다. 그러나 갈수기가 끝난 2003년 6월과 장마가 끝난 직후인 2003년 8월의 시료에서는 대부분의 지표수와 지하수 시료가 Eu의 강한 부(-)의 이상을 보여주었다. 그리고 일부 시료에서는 Ce의 부(-)의 이상도 관찰되었다. 이와 같은 Ce과 Eu의 변화는 산화-환원작용의 영향을 받은 산화수(즉 Ce3+와 Ce4+, Eu2+와 Eu3+)의 변화에 의한 것으로 해석할 수가 있다. 뿐만 아니라, 본 연구결과에 의하면, 전주-완주 지역에서의 지표수와 지하수는 매우 밀접한 연관성을 갖고 있으며, 그 순환속도 또한 비교적 빠른 편으로 나타났다. 그리고 본 연구결과, 희토류원소는 지표수와 지하수의 연계성을 밝혀내는 데 있으며 매우 유용한 지시자임을 확인하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2018년도 학술발표회
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• pp.275-275
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• 2018

본 연구의 목적은 지표수-지하수 통합 모델을 통해 모델 영역과 시설농업단지(밀양들)의 지표수/지하수 유동을 모의하고 모델 영역의 물수지 분석을 통해 지하수 함양량을 산정하는 것이다. 지표수 유동 모델 결과에서는 밀양강 상류(북동쪽)에서 하류(남동쪽)로 약 1~5 m의 수심으로 지표수가 유동하고 있으며, 모델지역 상류의 M01 지점에서는 지표수 유량 관측값과 모델값이 일치하고, 모델지역 하류의 M02 지점에서의 지표수 유량은 1% 정도의 차이를 보인다. 지하수 유동 모델에서는 지하수 심도가 하천에서는 표고와 유사하며 산림 지역으로 갈수록 높아지고, 지하수 양수를 고려한 지하수 심도는 모델값이 관측값보다 1.5 m 이내의 범위로 높게 나타난다. 지표수지하수 통합모델에서는 지하수의 함양 면적이 모델 면적의 90% 정도이고, 지하수 함양량은 $1.92{\times}105m^3/day$인 것으로 나타난다. 연평균 물수지 분석에서는 단위 면적당 지하수 함양량이 503.9 mm/year로서 연평균 강우량의 39% 정도로 추정된다.

• 한국지하수토양환경학회:학술대회논문집
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• 한국지하수토양환경학회 2002년도 추계학술발표회
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• pp.171-174
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• 2002

지구적 차원의 물부족 현상은 우리에게도 심각한 사회적 문제로 대두되고 있으며, 이에 대처하기 위한 방안의 하나로 지표수-지하수 연계이용이 거론되고 있다. 지표수와 지하수 연계이용은 유역의 지표 및 지하수자원을 수문학적 순환 사이클의 통합적 관점에서 파악하는 것으로부터 시작한다. 본 연구는 국내에서 지금까지 이렇다 할 사례가 없는 지표수-지하수 연계이용의 첫 단계로서 연계이용 가능지역을 선정하기 위한 체계적인 적지분석 방법론에 관한 것이다. 복잡한 의사결정 문제를 계층적으로 나누어 분석하는 기법(AHP)이 채택되었고, 분석에 필요한 의사결정인자가 도출되었다. 각 인자의 상대적 중요도가 정량화 된 후, 이를 바탕으로 특정 지역의 지표수-지하수 연계이용 적합도가 산정될 수 있다. 개발된 방법론을 국내 두 개 지역에 적용하여 그 적용성을 예시하였다 개발된 방법론에 의한 적합도 분석은 중앙정부나 지자체가 특정 지역의 연계이용 사업의 추진과 관련된 의사결정을 내릴 수 있도록 판단근거를 제공할 것이며, 지역 간 연계이용 우선순위를 평가하는데도 활용될 수 있을 것이다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2023년도 학술발표회
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• pp.16-16
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• 2023

기후변화로 인한 가뭄, 홍수, 녹조 등 이상기후 현상들이 본격화함에 따라 안정적인 수자원 관리의 필요성이 증가하고 있다. 특히 급변하는 환경조건 속에서도 안정적인 수자원 확보를 가능하게 하는 지하수 자원의 적극적인 활용은 기후변화대응에 있어 핵심적인 요소이다. 지하수는 하천, 호수 연안지역 등 다양한 지표의 수문환경과 연결되어 천층지권의 수문생태적 특성을 결정하기 때문에, 지속가능한 수자원 활용을 위해서는 지하수와 지표수의 상호작용에 대한 통합적인 검토가 이루어져야 한다. 하지만 긴밀하게 연계된 특성에도 불구하고 지하수와 지표수에 대한 연구는 오랜기간 개별수문환경에 대해 독립적으로 수행되어왔다. 이러한 연구경향은 저류시간이 크게 다른 지하수와 지표수의 수문적 특성뿐 아니라 개별수문환경에서 나타나는 작용들을 통합적으로 다룰 수 있는 모델의 부제에도 기인한다. 최근 비약적인 연산능력의 향상과 함께 지하수-지표수 환경을 연계한 통합수문모델(Integrated Hydrology Model)의 개발 및 활용이 이루어짐에 따라 기후변화 및 수자원 활용에 따른 수문환경변화 대한 통합적인 연구 시도가 이루어지고 있다. 본 발표에서는 최근의 통합수문모델과 다중요소 반응성 운송 모형(Multicomponent Reactive Transport Model)의 연계를 통한 물질순환 연구의 최신 동향을 소개하고(농도-유량 상관관계, 지표수계의 화학적 풍화와 이산화탄소 저감, 녹조 등), 데이터 기반 모형을 통한 통합수문모델의 연산 효율 및 정확성 향상을 위한 방법에 대해 모색하고자 한다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집
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• pp.1332-1336
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• 2009

본 연구에서는 지표수-지하수 상호작용을 모의할 수 있는 SWAT-MODFLOW 모형을 이용하여 수변지역의 토지이용 변화에 따른 혼합대의 수문학적 특성 변화를 분석하였다. 연구를 위해 선정된 시험유역의 불수투지역, 농경지 등 기존 수변 토지이용도가 초지, 갯버들 등의 식생이 식재된 지역으로 변경되는 상황을 가정하여 SWAT-MODFLOW 모형을 적용, 지표수-지하수 상호작용을 중심으로 하는 수문학적 특성 변화를 모의 분석하였다. 수변의 토지이용을 초지로 변경하였을 경우 혼합대의 지표수-지하수 교환량이 다소 증가하는 것으로 모의되었으며, 수변 지역 토양의 토양 수분량 또한 증가하는 것으로 나타났다. 한편, 수변 지역에 갯벌들을 식재하는 경우 초지에 비해 지표수-지하수 교환량 및 토양 수분량의 증가폭이 더욱 증가하는 것으로 나타났다. 이와 같은 분석 결과 SWAT-MODFLOW 모형은 수변 토지 이용의 변화에 따른 수문학적 특성 변화를 모의할 수 있는 것으로 판명되었으며, 향후 실측자료와의 비교 연구 등을 실시하여 정확도가 입증된다면, 각종 수생태 복원사업의 계획 수립 시 토지이용 변화에 따른 효과 분석 모의에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

• 한국지하수토양환경학회:학술대회논문집
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• 한국지하수토양환경학회 2003년도 추계학술발표회
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• pp.597-600
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• 2003

용인시 백암취수장 주변 지역의 지하수에 대해 기초적인 지화학적 조사를 수행하였다. 현장측정자료에서는 취수정의 pH와 EC값이 주변지하수보다 지표수와 유사한 값을 보이며, 취수정의 용존산소(DO) 함량이 천층지하수보다 높은 값을 보인다. 더구나 취수정의 경우 NO$_3$함량이 10.5-12.1 mg/L이며 주변 지하수는 7.2-25.3 mg/L, 지표수는 13.1-14.9 mg/L로서 취수정의 설치심도가 70-180m로서 상대적으로 깊은 암반층에 설치되어 있다 하더라도 주변지하수 및 인접 지표수의 혼입에 의해 영향을 받아 오염이 진행되고 있음을 알 수 있다. 이와 같이 연구 지역은 현재 취수정이 모두 청미천변에 위치하고 있어서, 현재 암반 지하수로 개발하고 있는 취수정 지하수가 주변 천부지하수 및 지표수에 의한 혼입 및 오염가능성이 높기 때문에, 앞으로 장기적인 모니터링 및 지화학적 연구가 지속적으로 이루어 져야 할 것으로 사료된다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제35권4호
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• pp.367-374
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• 2002

본 연구에서는 지표수와 지하수를 최적 연계 운영하여 장차 다가올 물 부족에 대응할 수 있는 용수 공급 방안을 검토하였다. 최적 지표수, 지하수 연계운영 모형은 용수공급으로 인한 순편익을 최대화하도록 이산미분동적계획법을 사용하여 개발하였다. 시범유역으로 양양 남대천을 선정하여 모형을 적용한 결과, 지표수만 사용하여 용수를 공급하는 것에 비하여 용수공급 신뢰도가 뛰어남을 확인할 수 있었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2023년도 학술발표회
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• pp.281-281
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• 2023

최근 급격한 기후변화와 하천수 사용량의 증가로 수문학적 변동성이 증가하면서 지표수와 지하수의 통합 관리 필요성이 증대되고 있다. 이에 따라 SWAT-MODFLOW 모델은 지표수와 지하수 간의 수문학적 상호작용을 고려한 시공간적 지하수함양량의 분포와 하천과 대수층 간의 물 교환량, 장기 유출 및 수질 거동 해석 등에 널리 사용되고 있다. 그러나 이 모델은 국내 농업 유역 내 담수 논에서의 영농활동을 고려한 시단위 유출 및 수질 예측과 지표수-지하수 통합 해석에 어려움이 있다. 우리나라의 경우 전국 농지 면적 중 논이 약 50%를 차지하고 있음에도 불구하고 아직까지 국내 담수 논 특성을 고려하여 지표수-지하수 통합 해석이 가능한 수문 모델이 개발 된 바 없다. 이에 본 연구에서는 고해상도 시강우량에 따른 담수 논에서의 증발, 침투, 관개, 배수 등 모의가 가능한 Hourly SWAT-PADDY 모듈을 개발하고, SWAT-MODFLOW 모델의 수문 프로세스와의 연계를 통해 지표수-지하수 통합 해석이 가능한 Hourly SWAT-MODFLOW-PADDY 모델을 개발하였다. Hourly SWAT-MODFLOW-PADDY 모델은 사용자가 구축한 담수 논의 입력자료(담수, 관개, 낙수 일정 등)를 기준으로 논의 담수 및 비담수 시기에 따른 시단위 물수지 해석과 이를 고려한 유출량, 수질, 지하수함양량, 하천과 대수층 간의 물 교환량 산정이 가능하다. 본 연구에서 개발 된 Hourly SWAT-MODFLOW-PADDY 모델은 국내 농업 유역에서의 지표수-지하수 통합 관리 대책 수립 방향을 제시하기 위한 도구로 활용될 수 있을 것이다. 또한, 향후 논의 관개 용수 공급원 연계를 통한 모델의 고도화 방안과 최적의 논 영농 데이터베이스가 마련된다면 보다 정량적인 물수지 해석 기반의 지표수-지하수 통합 모델링이 가능할 것으로 보인다.