• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.283-283
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• 2021

혼합대는 지표수와 지하수의 수리적 교환이 일어나는 경계부로써 1) 수문학적 관점에서는 하도와 하상간의 물교환이 이루어지는 공간으로 다양한 물리적·화학적 작용이 발생, 2) 생지화학적인 관점에서는 하상 간극수 흐름에 의한 전이대(ecotone)를 형성하여 용존산소·영양물질·용존유기탄소의 이동뿐만이 아니라 지하수로부터 열에너지·무기염류의 공급을 유도하면서 높은 생지화학적 활동과 변환을 야기하는 산화·환원 반응구역, 3) 생태적인 관점에서는 저서생물과 지하 유기체종을 특징으로 하는 서식지이나 잠재적인 레퓨지움(refugium) 등의 관점에서 해석될 수 있다. 국내 하천환경의 생태학적 지속가능성을 위한 지표수-지하수 혼합대 관리에 대한 중요성이 점차 증대되고 있지만 우리나라는 여전히 지하수의 이용 및 보전과 지하수의 안정적인 수량·수질 확보를 목표로 관리를 추진하고 있다. 따라서, 실질적인 지표수-지하수 혼합대에서 발생하는 다양한 현상의 이해나 관리방안에 관한 연구는 아직 미비한 상황이다. 지표수-지하수 혼합대에 관한 보고서, 논문 등을 종합하여 혼합대의 영향인자를 살펴보면 1) 수리수문 특성에는 수리전도도·하천 수위·하천 유속·하천수 수온, 2) 수질 특성에는 유기오염물질·영양염류, 3) 수생태 특성에는 대형무척추동물 등으로 분류할 수 있다. 지금까지 단일 연구분야의 접근방법으로 다양한 현장측정기법 및 모델링을 통한 혼합대 연구가 수행되고 있지만, 혼합대가 가지는 환경적 중요성에 대한 이해와 인식이 부족하고, 혼합대 내부에서 발생하는 복합적인 프로세스로 인해 전문가들조차 연구에 어려움을 가질 것이다. 지표수-지하수 혼합대의 효율적인 관리를 위해서는 수리수문·수질·수생태 등 다양한 시각에서 접근하여 학제간 융합연구를 통해 기초 데이터를 상호교환하고, 기존의 혼합대 조사에 부족한 부분을 해결할 필요가 있다. 향후 하천 기저유출 및 혼합대 기초자료 구축, 혼합대 흐름 정량화, 하천복원사업에 의한 혼합대 영향 규명 등의 연구를 수행함으로써 혼합대를 체계적으로 관리할 수 있는 기술 방안을 제시할 필요가 있다.

• Journal of Wetlands Research
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• v.11 no.1
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• pp.123-130
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• 2009

Hyporheic zone is an area where hydraulic exchanges occur between surface water and ground water. Such transient area is anticipated to facilitate diverse biogeochemical reactions by providing habitats for various microorganism. However, only a few data are available about microbial properties in hyporheic zone, which would be important in better understanding of biogeochemical reactions in whole streams. The study site is Naesung stream, located in the north Kyoung-Sang Province, of which sediment is sandy with little anthropogenic impacts. Soil samples were collected from a transect placed perpendicular to stream flow. The transect includes upland fringe area dominated by Phragmites japonica, bare soil, and soil adjacent to water. In addition, soil samples were also collected from downwelling and upwelling areas in hyporheic zone within the main channel. Soils were collected from 3 depth in each area, and water content, pH, and DOC were measured. Various microbial properties including extracellular enzyme activities ($\beta$-glucosidase, N-acetylglucosaminidase, phosphatase and arylsulfatase), and microbial community structure using T-RFLP were also determined. The results exhibited a positive correlation between water content and DOC, and between extracellular enzyme activities and DOC. Distinctive patterns were observed in soils adjacent to water and hyporheic zone compared with other soils. Overall results of study provided basic information about microbial properties of hyporheic zone, which appeared to be discernable from other locations in the stream corridor.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2008.05a
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• pp.1919-1923
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• 2008

지하수와 지표수의 상호작용은 혼합대(hyporheic zone)와 홍수터 물수지에도 영향을 끼치며 특히 생물학적인 측면에서 중요한 역할을 하는 혼합대의 경우 유역 전반에 걸쳐 불균일한 분포를 나타낸다. 그런데 기존하천-대수층 상호작용에 대한 연구는 하천변에 근접한 지역의 대한 연구로 국한되어 있다. 따라서 단순히 하천-대수층간 상호작용의 영향을 하천변에 국한시키는 것이 아니라 유역규모로 확장하여 유역단위 지표수-지하수 상호작용에 대한 심도 있는 해석을 해야만 보다 정확한 지표수-지하수의 연계운영이 가능하다. 본 연구에서는 유역단위 지표수-지하수 상호작용을 해석하기 위해 완전연동형 SWAT-MODFLOW를 이용하여 하천과 대수층의 상호작용의 강도를 하천 구간별로 찾아내고 그 교환의 공간적 범위도 추정함으로써 혼합대연구를 위한 실증을 수행하고자 한다. 유역 단위의 지표수-지하수 상호작용을 해석하기 위하여 SWAT-MODFLOW모형을 안양천 중상류 유역에 적용시킨 결과 하천과 대수층간에 상호작용의 영향범위와 영향강도 등을 파악할 수 있었다. 하천-대수층 상호작용의 정밀분석을 통한 영향권 산정 및 혼합대의 발생범위 예측은 향후 하천복원 사업시 수생생태계 건강성 지표와 관련된 연구에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

• Journal of Wetlands Research
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• v.14 no.1
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• pp.75-87
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• 2012

Hyporheic zone is a region beneath and alongside a stream, river, or lake bed, where there is mixing of shallow groundwater and surfacewater. Hyporheic exchange controls a variety of physical, biogeochemical and thermal processes, and provides unique ecotones in a aquatic ecosystem. Field and experimental observations, and modeling studies indicate that hyporheic exchange is mainly in response to pressure gradients driven by the geomorphological features of stream beds. In the reach scale of a stream, pool-riffle structures dominate the exchange patterns. Flow over a pool-riffle sequence develops recirculation zones and stagnation points, and this flow structures make irregular pressure gradient which is driving force of the hyporheic exchange. In this study, 3 D hydro-dynamic model solves the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations for the surface water and Darcy's Law and the continuity equation for ground water. The two sets of equations are coupled via the pressure distribution along the interface. Simulation results show that recirculation zones and stagnation points in the pool-riffle structures dominantly control the upwelling and downwelling patterns. With decrease of recirculation zones, length of donwelling zone formed in front of riffles is reduced and position of maximum downwelling point moves downward. The numerical simulation could successfully predict the behavior of hyporheic exchange and contribute the field study, river management and restoration.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2009.05a
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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.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.55 no.1
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• pp.23-32
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• 2022

This paper performs two-dimensional numerical simulation of surface water-groundwater coupled flow and solute transport to investigate the effect of the hyporheic exchange at the sediment-water interface (SWI) on surface solute transport. For the impermeable bed case in the absence of hyporheic flow, the trapping effect of flow recirculation associated with the ripple bed controls the shape of breakthrough curves (BTCs). However, the permeable bed case with hyporheic flow stimulates the extended tailing of the BTCs more significantly due to the elevated concentration of the BTC tailing resulting from slow hyporheic velocity. Also, the increased bottom pressure at the SWI with an increase in surface velocity shortens the BTC tailing because of increasing hyporheic velocity. These results infer that hyporhiec flow is critically important in predicting solute residence times in surface water.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2022.05a
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• pp.78-78
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• 2022

농가인구의 감소 및 고령화, 고소득 작물 재배, 기후변화 등으로 인해 영농형태가 논농사에서 밭농사로 전환되고 지역별 증감의 차이가 있기는 하나 밭 면적이 증가하는 추세를 보인다. 한편, 밭작물은 논에 비해 기반시설이 부족하고 고소득의 밭작물을 생산하기 위한 시설재배가 늘어나면서 대부분 사계절 확보가 용이하고 수질이 양호한 지하수를 사용하고 있다. 지하수 수요 증가는 지하수위 저하와 지하수 고갈의 우려를 초래하고 있다. 본 연구에서는 농업용 지하수 이용 실태를 분석하고 지하수이용 및 관리 제도 현황을 검토하여 지속가능한 밭용수 공급을 위한 지하수 관리전략을 제안하였다. 진주시를 대상으로 경지유형에 따른 지하수 이용 특성 분석하여 지하수의 수요 특성을 살펴보았는데, 하천 주변 저지대에 큰규모의 밭이나 집단화된 시설재배 지역이 분포하고 있고 지하수 관정도 밀집하고 있었다. 하천에서 떨어진 산간지역에는 지하수 관정이 산발적으로 분포하고 있었다. 지하수 수요는 공간적 위치 외에도 고품질 농업용수에 대한 요구도 원인인 것으로 조사되었다. 밭기반 용수공급 관련 사업과 지하수 자원확보 관련 법제도 등을 고찰하여 밭의 위치, 규모, 용수공급의 수요 특성 등을 고려하여 밭용수 공급을 위한 세 가지 지하수 관리전략을 제안하였다. 우선, 농업용 지하수 이용량 실측 및 정보의 다각화를 통한 정보의 고도화가 필요하다. 둘째, 지하수 이용의 공간적 특성을 고려하여 지표수와 연계한 지하수 이용기반이 구축되어야 한다. 지표수 공급이 가능한 지역은 지표수를 우선 공급하거나 지하수와 혼합 또는 교차하여 공급하고 물공급 취약지역에서는 지하수 공급 기반시설을 구축하는 것이다. 세 번째 전략은 농업용 지하수 시설의 공공관리 강화 및 관리 효율화이다. 특히 지하수이용이 밀집한 지역에서는 지하수 인허가 기준을 강화하고 용도별 관리체계 구축이 필요하다. 밭용수 공급은 농가 소득과 밀접한 연관이 있기 때문에 물이용의 지속가능성과 함께 농가 소득증대를 고려하는 공편인적 관점에서의 관리가 필요할 것으로 생각된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2018.05a
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• pp.274-274
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• 2018

최근 지표수-지하수 혼합대 흐름은 하천의 지형학적 및 생태학적으로 그 중요성이 인지되고 있으며, 이에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 혼합대 흐름 특성에 영향을 미치는 다양한 요소들 중 하상형태 변화는 혼합대 흐름의 체류시간 및 이동경로에 가장 큰 영향을 미친다. 따라서 하상형태는 혼합대 흐름 특성 분석을 위한 수리학적 변수로 활용 될 수 있다. 일반적으로 다양한 지형측량 장비를 활용하여 종횡단으로 하상형태를 확인할 수 있으며, 최근 온도 센서를 활용하여 장기간 하상형태를 모니터링 하는 방법이 제시된 바 있다. 온도 센서를 이용하여 하상변화를 예측하는 방법은 하상변화 측정의 지속성 및 효율성을 고려한 적절한 측정 방법 중 하나이다. 온도 센서를 활용한 하상변화 예측 방법은 하상에 온도 분포 센서를 설치한 후 하상 온도 및 수온을 일정한 간격으로 장기간 측정하여 기존에 제시된 공식을 통해 시간에 따른 하상 변동고를 산정하는 방식이다. 이러한 온도 분포 센싱을 활용한 계측방법은 하천에서 발생하는 침식 및 퇴적의 시간적 변화를 모니터링 하는데 매우 경제적이며 효과적인 것으로 알려져 있다. 따라서, 온도 분포 센서를 활용하여 시간에 따른 하상형태 변화를 계측하고, 측정 결과는 하상형태에 따른 혼합대 흐름체류시간 및 이동성 분석을 할 수 있는 기초자료로 활용할 수 있다. 이에 본 연구에서는 온도 센서를 활용하여 하상형태 예측 및 하상 변동고를 산정하기 위해 한국건설기술연구원 안동하천실험센터 급경사수로에 온도 센서를 설치하여 하상 온도와 수온을 약 72시간 측정하였고 유량을 공급하기 전과 후에 Total Station으로 지형 측량을 수행하였다. 온도센서로부터 측정된 결과로 하상 변동고를 산정하였고 이를 Total Station으로 측량한 결과와 비교분석하였다. 또한, 하상 온도와 수온의 시간에 따른 변화 패턴을 확인하였다.

• Economic and Environmental Geology
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• v.55 no.6
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• pp.671-687
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• 2022

It has been reported that about 47% of groundwater wells within 10 km from the coastline in the western/southern coastal areas of Korea were affected by seawater. It has been interpreted that the cause of groundwater salinization is seawater intrusion. The Gilsan stream in the Seocheon area was a tidal stream until the Geumgang estuary dam was constructed and operated. Therefore, it is likely that the Gilsan stream catchment was deposited with sediments containing high-saline formation water prior to the use of landfill farmland at this catchment area. The groundwater in this study area showed EC values ranging from 111 to 21,000 µS/cm, and the water quality types were diverse including Ca(or Na)-HCO₃, Ca(or Na)-HCO₃(Cl), Na-Cl(HCO₃), Na-Cl types. It is believed that this diversity of water quality is due to the mixing of seawater and fresh groundwater generated by infiltration of precipitation and surface water through soil and weathered part. In this study, we discussed whether this water quality diversity and the presence of saline groundwater are due to present seawater intrusion or to remnant high-saline pore water in sediments during flushing out process. For this, rain water, surface water, seawater, and groundwater were compared regarding the water quality characteristics, tritium content, oxygen/hydrogen stable isotopic composition, and ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratio. The oxygen/hydrogen stable isotopic compositions indicated that water composition of saline groundwaters with large EC values are composed of a mixture of those of fresh groundwater and surface water. Also, the young groundwater estimated by tritium content has generally higher NO₃ content. All these characteristics showed that fresh groundwater and surface water have continued to affect the high-saline groundwater quality in the study area. In addition, considering the deviation pattern in the diagrams of Na/Cl ratio versus Cl content and SAR (sodium adsorption ratio) versus Cl content, in which two end members of fresh surface-ground water and seawater are assumed, it is interpreted that the groundwater in the study area is not experiencing present seawater intrusion, but flush out and retreating from ancient saline formation water.

• Journal of Soil and Groundwater Environment
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• v.10 no.6
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• pp.45-55
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• 2005

The geothermal research has been carried out on the Heunghae, Pohang geothermal area know as having geo-heat-flow area in the Korean peninsula. This study results so far indicate that geothermal water in the area is in peripheral waters of hydrothermal area and is not in equilibrium with the reservoir rock. The average oxygen and hydrogen stable isotope values are as follows: deep groundwater $(average:\;{\delta}^{18}O=-10.1\%_{\circ},\;{\delta}D=-65.8\%_{\circ})$, intermediate groundwater (average: $(average:\;{\delta}^{18}O=-8.9\%_{\circ},\;{\delta}D=-59.6\%_{\circ})$, shallow groundwater $(average:\;{\delta}^{18}O=-8.0\%_{\circ},\;{\delta}D=-53.6\%_{\circ})$, surface water $(average:\;{\delta}^{18}O=-7.9\%_{\circ},\;{\delta}D=-53.3\%_{\circ})$ respectively. Deep groundwaters was originated from a local meteoric water recharged from distant, topographically high mountain region and not affected by the sea water. High temperature zone inferred from water geothermometers is around D-1, D-5, D-6, 1-04 well zones. The estimated enthalpy from Silica-enthalpy mixing model is near 410 kJ/kg, which corresponds to the temperature of $98^{\circ}C$, and in consistent with the result of Na-K and K-Mg geothermometer.