Research Article

The Journal of Engineering Geology. September 2020. 303-314
https://doi.org/10.9720/kseg.2020.3.303


ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 연구지역

  • 기저유출 분리

  • 기저유출 분리 결과

  • 산소 ‧ 수소 동위원소 분석

  • 산소 ‧ 수소 동위원소 분석 결과

  • 결 론

서 론

2010년부터 2018년까지 국내 먹는샘물 제조업체는 67개소에서 61개소로 감소하였으나 총 취수 허가량은 26,939 m3/day에서 45,837 m3/day로 170% 증가하였고, 허가 받은 취수정은 185개에서 204개까지 늘었다가 197개 내외를 유지하고 있다(Son et al., 2019). 현재 먹는샘물 제조업체에서는 탄산수(2014.11.28. 시행)에 이어 별도 생산설비를 이용해 음료류(2018.1.16. 시행)의 제조까지 허용되어 샘물(지하수 원수)의 사용범위가 확대되었다(MOE, 2020). 우리나라 지하수관리 기본계획은 보전 ‧ 관리 중심에서 지하수 보전과 활용의 조화 및 산업 육성으로의 전환을 위한 기조로 수정되었고, 그 중 먹는샘물은 프리미엄시장 확대, DMZ 샘물개발 등 고급화 및 다원화를 통한 부가가치 창출을 추진하고 있다(MOLIT, 2017).

먹는샘물 제조를 위한 지하수의 지속 가능한 이용 및 관리를 위해 먹는물 관리법에서는 샘물 보전 구역의 지정을 위한 법령을 제정(2012.6.1.)하는 등 지속적으로 보완하고 있으며, 먹는물관련 영업의 시설기준(취수정 설치 등, 먹는물 관리법 시행규칙 [별표3])은 물론, 샘물개발을 위한 환경영향조사 시 “먹는물관리법 시행규칙 [별표1]”과 “샘물 개발 환경영향조사서 작성지침(2013.10.30.)”에 따라 조사 및 보고서가 작성되도록 하고 있다. 주요 관심 사항은 지하수위 강하, 원수의 수질, 지하수의 산출특성 등이다. 2017년 기준 샘물 개발 허가량은 43,371 m3/day (총 195공)으로 우리나라 지하수함양량 대비 약 0.0079%에 해당하나 전국의 60개 제조업체가 소규모 집수유역에서 많은 양의 지하수를 취수한다는 점에서 환경영향조사 심의 시 물수지 분석이 주안점으로 또한 논의된다(MOLIT, 2017; Son et al., 2019). 먹는샘물 제조업체의 경우 주기적인 환경영향조사, 일취수량 제한(제주특별자치도는 월취수량) 그리고 취수량 및 수위, 수질(pH, EC, 온도)을 1시간 간격으로 계측하여 매월 보고하고, 정기 수질검사 등을 통해 엄격히 관리(위반 시 행정처분)하고 있어 과잉 취수로 인한 지하수위 강하와 같은 문제가 발생하는 사례가 적으나 제조업체 주변 지하수관련 민원의 원인 제공자로 각인되고 있는 실정이다. 따라서 환경영향조사의 물수지 분석 시 수문분야 전문가들의 평가에 부합하고, 비전문가에게도 쉽게 접근할 수 있는 기법의 연구 및 제시가 필요하다고 판단된다.

우리나라에서는 평년 기준의 강수량을 적용하여 지하수 함양률을 산정하고, 이 값에 이수안전도 측면을 고려하여 10년 빈도 갈수 시 강수량을 곱해 산정한 지하수 함양량을 지하수 개발가능량으로 정의하였다. 여기서 지하수 함양량은 지표위에 내린 강수의 일부가 침투하여 토양대를 포함한 비포화대를 거쳐 포화대수층의 지하수면에 도달한 물의 양이며, 함양률은 이를 강수량으로 나눈 백분율의 값이다(Chung et al., 2014). 지하수법 제5조 및 지하수관리 기본계획에 의거하여 수행되고 있는 2005~2007년의 지하수 기초조사에서 사용되는 지하수 함양량 및 개발가능량 산정방법을 분석한 결과에 의하면 지하수위 변동법이 모든 보고서에 채택되었으며, 기저유출 분리법, 물수지 분석법, 분포형 수문모형 분석법, 동위원소 추적자법, 지하수위 상승량 ‧ 강수량 변화율 분석법 등이 함께 채택되어 사용되었다(Chung et al., 2015). 본 연구지역은 샘물 취수정이 위치한 소유역으로 인위적인 양수에 의한 영향을 받지 않는 지하수위 계측자료를 확보하기 어려운 곳이므로 직접 하천수위 및 유출량을 측정하여 기저유출을 분리하였고, 산소, 수소 동위원소 분석을 통해 강수, 지표수, 지하수의 상관관계를 규명하였다.

연구지역

경상남도 밀양시 남동측 경계에 위치한 연구지역은 중생대 백악기의 운문사 유문암질암류와 이를 관입한 불국사 관입암류가 기반암을 형성하고 있으며, 신생대 제4기 충적층이 이를 부정합으로 피복하고 있다(Hwang et al., 1998). 대상 취수정은 구경 200 mm의 대형 관정이고 심도가 약 260 m로 집수유역의 남서측 끝단에 위치하고 있다. 구천산(△640.1 m), 금오산(△766.1 m), 천태산(△630.9 m)으로 이어지는 능선이 산계를 형성하고 있으며, 가장 높은 금오산 정상 북서측 골짜기에서 발원하여 여여정사, 행촌마을, 구남마을을 거쳐 안태호로 유입되는 안태천이 주요 수계로 발달해 있다. 특히 안태호는 1986년 준공한 삼랑진 양수발전소의 하부저수지이고 조사를 위한 시료 채취 및 하천유량 측정 등은 안태천 출구부에서 이루어졌다. 안태호로 유입되는 수계는 천태산 인근에서 발원한 안촌천도 존재하고 있으나, 취수정의 유역으로 판단되는 주요 수계는 안태천이다. 유역은 수치지형도로부터 추출한 DEM을 이용하여 지형고도 분석을 실시해 설정하였으며, 면적은 4,789,494 m2이다.

연구지역 인근의 지표지질조사를 통한 절리의 방향은 대체로 동서방향이 우세한 것으로 나타나고 있으며, 유역 상류의 J-4와 J-5지점은 각각 북서-남동과 동서방향의 절리가 우세하게 나타났고, 취수정이 위치한 하류의 J-3지점은 북서-남동방향이 우세하게 조사되었다(Figs. 1, 2). 취수정은 지표하 약 58 m까지 케이싱을 설치하였고, 공내영상촬영에서는 N12°W/81°SW의 불연속면이 주방향으로 나타났으며, N47°E/76°NW, N47°W/81°SW가 부방향으로 나타났다.

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Fig. 1.

그림제목

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Fig. 2.

그림제목

기저유출 분리

국내 많은 연구자들은 지하수 함양량 산정을 위하여 물수지 분석법을 비롯하여 다양한 방법을 제시 ‧ 평가하고 있으며 이는 단일 취수정 개발에 따른 수위강하 및 수량 감소 등 장해 발생을 방지하기 위한 것에서부터 국가 차원의 지하수 보전과 활용을 위한 정책 마련에 이르기까지 가장 기본적인 지표이다. 따라서 작게는 지하수 영향조사(지하수법 제7조)에서부터 지하수 기초조사(지하수법 제5조), 지역지하수 관리계획(지하수법 제6조의2), 지하수관리 기본계획(지하수법 제6조)까지 조사범위에 부합하는 함양량 산정이 요구된다.

본 연구에서 사용한 기저유출 분리법은 유출수문곡선으로부터 기저유출을 분리하여 함양량을 추정하는 방법으로 유출수문곡선은 어떤 특정 유역의 강수와 유출 관계를 지배하는 기후 및 지형적 특성을 종합적으로 표현한 경험적인 곡선으로 특정 측정지점의 유역 특성의 복잡성을 나타내며 유량의 시간적 분포를 보여준다(Lee and Yoon, 1996). Park(1996a)은 갈수기뿐만 아니라 함양기간의 수문곡선으로부터 지하수 유출을 분리하여 지하수 함양량을 산정하였고, 우리나라 5대강 유역에 대한 지하수 함양량을 추정하였다(Park, 1996b). 수문분석을 위해 직접유출로부터 기저유출을 분리할 때 발생하는 임의성과 장기 수문자료가 요구되는 문제를 해결하기 위해 “디지털 필터링”을 이용한 방법이 사용자 친화적으로 개발되어 이용되고 있다. Web GIS 기반의 수문분석 툴인 WHAT(Web GIS-based Hydrograph Analysis Tool)은 Local Minimum Method, BFLOW filter를 이용하는 방법 그리고 BFLOW filter를 수정하여 대수층 특성을 고려할 수 있는 Eckhardt filter를 이용하는 세 가지 기저유출 분리 모듈을 탑재하고 있다. Eckhardt는 필터 매개변수(α)와 총 유출량(Qt)에 대한 기저유출의 장기적인 비의 최대값(BFImax)을 고려한 일반화된 공식을 다음과 같이 제시하였다. bt는 t시간의 기저유출량이고 BFImax는 유역특성에 따른 변수값으로 상시 하천일 경우 BFImax=0.80, 다공질 대수층에서 일시적인 흐름이 있는 간헐 하천인 경우 BFImax=0.50, 암반대수층에서 상시 하천일 경우 BFImax=0.25이다(Lim et al., 2005; Lim, 2006).

$$b_t=\frac{(1-BFI_{max})\times\alpha\times b_{t-1}+(1-\alpha)\times BFI_{max}\times Q_t}{1-\alpha\times BFI_{max}}$$ (1)

기저유출 분리 결과

연구지역의 하천과 지하수 상관관계를 확인하기 위하여 안태호의 주요 수원인 안태천의 출구부 교각(STR)에 자동수위 측정기(1시간 간격)를 설치하고 2019년 3~10월까지 하천수위를 계측하였으며, 1개월 단위로 하천유량을 측정하였으나 안태호의 수위가 상승하여 전체 담수량이 자동수위측정기에 영향을 미친 6월 중순부터의 자료는 분석에서 제외하였다(Fig. 3).

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Fig. 3.

Measurement of water level and velocity at Antaecheon.

유량측정은 미국 SWOFFER INSTRUMENTS 사의 MODEL 2100-C140 유속계를 가지고 도섭법으로 직접 수행하였다. 측정시간은 USGS의 지침대로 60~80초 간격으로 반복하여 측정하였으며 수심 60 cm 이하의 얕은 수심에서 하상 바닥에 의한 오차를 줄이기 위해 인접 측점에서 유속변화가 급격히 변하는 경우 1점법을 보완하기 위해 2점법을 적용하였다. 측정된 유속은 유속계 검정 상관식을 이용하여 실제 유속으로 보정하였다. Table 1과 같이 측정결과 평균유속은 0.050~0.281 m/sec로 산정되었으며 이를 중간 단면적법을 적용하여 평균 유량으로 환산한 결과 0.012~0.028 m3/sec로 산정되었다.

Table 1.

Flow rate of stream at Antaecheon

Date 02/13 04/10 05/09 06/19
Surface length (m) 1.100 5.300 1.200 1.900
Cross-section area (m2) 0.067 0.555 0.057 0.088
Level (m) 1.110 1.133 1.130 1.100
Average velocity (m/s) 0.252 0.050 0.281 0.133
Average flow rate (m3/s) 0.017 0.028 0.016 0.012

상기 측정된 유량과 교각에 설치된 수위표의 수위와의 상관성을 확인하여 하상변화로 인해 불확실도가 높게 나타난 기간(4월 10일)을 제외하고 수위-유량(h-Q) Rating curve식은 Q=0.032(h-1.050)0.282로 도출되었고, 수위의 적용범위는 1.090h1.232이다.

Fig. 3과 같이 안태천 출구부에서 자동 측정된 수위의 시계열 자료를 강우자료와 비교하여 Fig. 4에 도시하였고, 하천 수위의 최대, 최소값은 각각 1.23 m, 1.09 m이고, 최대 강우 시 하천의 첨두수위에 도달하는데 걸리는 시간은 약 4~5시간이다. h-Q rating curve로부터 산정된 회귀식을 이용해 수위자료를 유량으로 환산하고 시유량을 일평균 유량으로 변환하여 Fig. 5와 같이 분석하였다. 기저유출 분석방법은 WHAT을 이용하여 내장된 Local minimum method, one parameter, Eckhardt 모듈을 모두 이용하였으며, 이와 함께 Eckhardt 식을 코딩한 R 통계 프로그램을 이용하여 시행착오법을 거쳐 기저유출량을 산정하였다.

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Fig. 4.

Waterlevel fluctuation of Antaecheon.

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Fig. 5.

Streamflow fluctuation of Antaecheon.

디지털 필터를 사용한 WHAT을 이용하여 산정한 안태천의 기저유출은 Fig. 6과 같으며, ‘Local minimum method’의 경우 총유출량과 기저유출량 간의 차이가 거의 없었고, ‘one parameter’와 ‘Eckhardt’의 경우 초기 기저유출량에 일부 왜곡이 나타났다. 통계프로그램인 R로 표현한 Eckhardt의 식에 유출량을 입력하여 Filter parameter와 BFImax값에 대한 민감도 분석을 통해 기저유출을 분리한 결과 2019년 3~6월 동안 안태천의 유출량은 최대 0.0181 m3/sec, 최소 0.0137 m3/sec이고, 기저유출량은 최대 0.0166 m3/sec, 최소 0.0135 m3/sec, 평균 0.0150 m3/sec이며, 하천유량에 대한 기저유출이 차지하는 비율(BFI)는 평균 약 0.9375로 나타났다. 이를 월별로 분석한 결과 Table 2와 같이 3월의 기저유출은 943.68 m3/day, 4월은 1,321.47 m3/day, 5월은 1,329.61 m3/day, 6월은 710.88 m3/day로 산정되었다.

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Fig. 6.

Baseflow according to digital filter methods.

Table 2.

Analysis of monthly baseflow in Antaecheon

2019/03 2019/04 2019/05 2019/06
Baseflow (m3/sec) 0.3277 0.4588 0.4617 0.2468
Average BFI 0.9763 0.9669 0.9812 0.9699
Baseflow (m3/month) 28,310.41 39,644.07 39,888.22 21,326.47
Baseflow (m3/day) 943.68 1,321.47 1,329.61 710.88

산소 ‧ 수소 동위원소 분석

물을 구성하는 원소인 산소와 수소의 동위원소농도는 대수층의 물질과 반응해도 변화하지 않으므로 이상적인 물의 트레이서(tracer)라고 할 수 있고, 수문학에 이용되는 안정동위원소로는 H1, H2, C12, C13, , O18, 방사성동위원소로는 H3, C14가 있다. 물시료에 포함된 H2/1HO18/16O의 동위원소비는 표준시료(SMOW)에 대한 천분율(δ-value, ‰)로 다음식 δ()=(R시료/Rstandard-1)×1000과 같이 표현된다(Kim, 1982). 지구상 자연수의 산소, 수소 동위원소비는 Craig(1961)의 지구순환수선(GMWL, δD=8δ18O+10) 상에 표현될 수 있으며, 주로 온도에 따른 위도, 고도, 지형, 계절변화 등의 요인에 의하여 그 조성이 변화한다(Kim and Nakai, 1988).

우리나라 동위원소 조성에 대한 연구는 Kim and Nakai(1988)가 남한 전역의 지하수 및 지표수와 서울의 강수에 대한 산소, 수소 동위원소 조성을 분석하여 위도에 의한 효과보다 태백산맥과 소백산맥 등의 지형적인 영향에 의한 고도효과의 지배를 더 받는 것으로 제시하였다. Lee and Chang(1994)은 대전과 서울지역의 강수에 대한 산소, 수소 동위원소 조성이 여름철 강수는 온도보다 강수량에 더 큰 영향을 받고, 강수량이 적은 계절(봄, 가을, 겨울)은 온도에 의한 영향을 받는 것으로 분석하였다. Lee and Lee(1999)는 남한의 강수와 하천수의 산소, 수소 동위원소 조성을 분석하여 중수소과잉값(d-value)에 대한 계절별 변화에 대하여 논하였고, 한강, 금강, 섬진강과 같은 대규모 하천수의 동위원소 조성은 우리나라 여름 강수의 회귀직선에 도시 되는 것이 댐에 저장되었다가 방류됨에 따른 영향으로 분석하였다. Lee et al.(2001)은 우리나라 포항을 포함하여 동북아시아 강수의 안정동위원소 조성에 영향을 주는 요인들을 분석한 결과 북서 내륙(중국) 지역에서는 기온이 동위원소 조성변화의 가장 큰 요인이고, 포항을 포함한 바다와 가까운 지역에서는 여름철 강우에 우량효과가 크게 나타나 겨울 강수가 여름보다 동위원소 조성이 부화되는 특징을 보이는 것으로 분석하였다. 또한 이러한 동위원소 특징을 계절별 강수의 지하수함양 정도를 평가하는데 이용하되, 해안지역의 경우 산소동위원소 자료가 계절별로 뚜렷이 구분되지 않으므로 d-value의 계절변화를 이용하여 지하수 함양률 평가 및 수문분리에 대한 연구 가능성을 제시하였다. Moon et al.(2007)은 유성구 일대 유성 소유역으로 구분한 지역의 강수, 지하수, 지열수(유성온천지구)의 동위원소 조성변화를 조사하여 장기간 많은 양의 지열수와 지하수 사용이 수위를 저하시키고, 지열수와 지하수가 동위원소적으로 혼합될 수 있음을 추론하였다.

산소 ‧ 수소 동위원소 분석 결과

연구지역의 강수는 취수정이 위치한 곳으로부터 금오산 방향으로 고도별로 메스실린더를 설치하여 시료 채취를 하였으며, 지하수는 취수정, 지표수는 안태천이 안태호로 유입되기 전인 출구부에서 채취하여 밀폐한 후 기초과학지원연구원에 분석 의뢰하였다. 샘물환경영향조사는 약 1년간 조사 기간이 소요됨에 따라 분석은 2019년 2월, 4월, 6월 10월에 실시하였으며, 2월의 경우 고도 250 m와 100 m는 시료가 부족해 제외되었다. 조사지역의 강수, 지하수, 지표수 총 22개의 산소, 수소 동위원소비는 δ18O = -11.47~-3.70‰. δD = -76.35~-20.62‰의 범위로 나타났고, 강수의 경우 δ18O = -11.47~-3.70‰. δD = -76.35~-20.62‰로 전체 분석결과의 최대 및 최소값을 모두 포함하고 있으며, 지하수 및 지표수의 경우 δ18O = -8.22~-7.54‰. δD = -54.44~-48.14‰의 좁은 범위의 조성을 나타내고 있다(Table 3).

Table 3.

Oxygen and hydrogen isotopic composition of precipitation, groundwater, surface water

No. Sample Sampling date Type E.L (m) δ18OVSMOW() δDVSMOW() d-value
1 OH-01 2019/2/27 Rain 680 -10.91 -71.97 15.32
2 OH-02 2019/2/25 Rain 450 -11.47 -76.35 15.45
3 OH-05 2019/2/26 Groundwater 100 -8.22 -54.44 11.30
4 OH-06 2019/2/26 Surface water 98 -7.86 -51.48 11.37
5 OH-01 2019/4/10 Rain 680 -5.61 -28.14 16.72
6 OH-02 2019/4/10 Rain 450 -5.75 -26.65 19.31
7 OH-03 2019/4/10 Rain 250 -5.58 -30.70 13.96
8 OH-04 2019/4/11 Rain 100 -3.81 -20.62 9.85
9 OH-05 2019/4/11 Groundwater 100 -8.21 -53.48 12.18
10 OH-06 2019/4/10 Surface water 98 -7.54 -48.14 12.19
11 OH-01 2019/6/19 Rain 680 -5.71 -32.59 13.10
12 OH-02 2019/6/19 Rain 450 -5.73 -32.07 13.74
13 OH-03 2019/6/19 Rain 250 -5.72 -37.59 8.17
14 OH-04 2019/6/20 Rain 100 -3.70 -32.26 -2.65
15 OH-05 2019/6/20 Groundwater 100 -8.13 -53.66 11.35
16 OH-06 2019/6/19 Surface water 98 -7.62 -50.45 10.48
17 OH-01 2019/10/21 Rain 680 -5.63 -44.56 0.50
18 OH-02 2019/10/21 Rain 450 -5.75 -40.71 5.27
19 OH-03 2019/10/21 Rain 250 -6.15 -45.33 3.89
20 OH-04 2019/10/21 Rain 100 -4.37 -34.21 0.74
21 OH-05 2019/10/21 Groundwater 100 -8.01 -53.47 10.57
22 OH-06 2019/10/21 Surface water 98 -8.00 -52.48 11.49

2019년 2월부터 10월까지 4차례에 걸쳐 분석한 강수의 경우 건기(2월, 4월)와 우기(6월, 10월)로 구분하였을 때 Fig. 7과 같이 건기의 수소 동위원소비가 산소보다 부화되어 Craig(1961)의 지구순환수선(GMWL, δD=8δ18O+10) 왼쪽 상단쪽으로 치우쳐서 도시되고 있다(Lee and Lee, 1999).

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Fig. 7.

Plot of δD versus δ18O in precipitation.

우리나라는 기후적으로 4계절이 뚜렷한 온대기후에 속하며 계절에 따라 영향을 주는 기단의 차이가 크다. 겨울철에는 시베리아 기단의 영향하에 한랭 건조한 날씨가 지속되고, 여름철에는 북태평양에서 발원한 고온 다습한 북태평양 기단이 북쪽으로 세력을 확장하여 무더운 날씨가 지속되며 열대저기압인 태풍의 영향을 크게 받기도 한다(Lee et al., 2001). 우리나라 강수에 대한 산소와 수소 동위원소비는 모두 1월에서 5월까지 서서히 증가하는 경향을 보이다가 6월 초에서 9월 중순까지는 다소 감소하는 경향이 나타나며, 이후 다시 증가하였다가 12월 말까지 다시 서서히 감소하는 경향을 보인다. 다만 우리나라에서 여름철인 6월 초에서 9월 중순까지 내린 강우의 산소와 수소 동위원소비가 봄과 가을의 산소와 수소 동위원소비 보다 비교적 낮은 것이 특징인데 이러한 현상은 산소보다 수소에서 더욱 뚜렷한 경향을 보인다(Lee and Chang, 1994). 대상지역 강수의 동위원소비는 2월에 가장 작고, 4월에 증가하였다가 10월까지 감소하는 경향을 나타내고 있으며, 수소 동위원소비에서 더 뚜렷한 계절변화를 보이고 있다. 특히 산소 동위원소비에 있어서 고도 250 m, 450 m, 680 m에서는 분석결과 유사한 값을 나타내고 있고 가장 낮은 고도인 100 m에서만 큰 차이를 보이고 있다.

수소 동위원소비의 경우 대기의 기온이 높을 때 내린 강수가 기온이 낮을 때 내린 강수보다 동위원소 조성이 무거운 온도효과(Lee et al., 2001)가 더 잘 나타나고 있으나 6월의 경우 우량효과가 더 우세하게 반영되어 다른 분석 시기보다 대체적으로 분산이 작게 나타나고 있다. 지하수와 하천수의 산소와 수소 동위원소비는 분석기간 중 유사한 조성을 보이고 있으며, 2월과 10월에 그 차이가 작게 나타나고 4월과 6월에 상대적으로 크게 나타나고 있다. 이는 강수가 함양된 후 지하수와 혼재되어 연중 큰 변화 없는 수질을 보이는 암반지하수의 전형적인 특성을 나타내고 있는 것으로 판단되며, 대상지역의 지표수 역시 강수에 의한 일부 영향과 함께 기저유출에 의해 상시 하천이 유지되고 있는 것을 조사결과로도 알 수 있다.

중수소 과잉값(deuterium excess value, d=δD-8δ18O)은 기단이 처음 만들어질 때 대기의 상대습도에 의하여 일차적으로 영향을 받고, 대기가 이동하는 중에 일어나는 응축작용에 의해서는 영향을 받지 않는다. 전 세계적으로 볼 때 이차적인 증발작용에 의하여 영향을 받지 않은 강수는 d-value가 약 +10‰이고, 급격한 증발에 의하여 만들어진 기단은 18O2H가 평형상태를 유지하지 못하였기 때문에 d-value가 +10‰ 이상이다. 또한 d-value는 동위원소 자료가 Craig(1961)의 지구순환수선(GMWL)으로부터 벗어난 정도를 의미하며, 지구순환수선 좌측 상단 방향으로 갈수록 d-value는 작아진다.

우리나라의 겨울에 영향을 주는 건조한 시베리아 기단은 남동향하면서 습기를 빠르게 흡수 할 수 있기 때문에 동위원소적으로 비평형상태에 있게 되고, 빠른 증발이 일어날 경우 18O2H보다 분별이 크게 일어나기 때문에 이 과정에서 만들어지는 구름은 수소 동위원소가 산소보다 부화된 특성을 보여 여름철에는 d-value가 +10‰보다 작고 겨울철에는 커지는 계절적 변화를 보인다(Lee and Lee, 1999; Lee et al., 2001). 금번 연구지역에서도 건기의 산소 동위원소 조성은 뚜렷하게 지구순환수선 좌측 상단에 분포하고 있고, d-value는 +10‰을 기준으로 계절적 변화를 잘 나타내고 있다(Fig. 8).

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Fig. 8.

Seasonal variation of δ18O, δD, d-values for precipitation, surface water and groundwater in regional area.

연구지역 지하수와 지표수의 함양고도를 산정하기 위해 산소 동위원소비에 환산강우량을 고려한 평균가중치를 적용하여 고도별 산소 동위원소비 조성의 상관성을 분석한 결과 δ18O()=-0.0060×H(m)-3.8063의 회귀식을 얻게 되었다(Fig. 9). 따라서 회귀식을 이용하여 해발고도(H)가 100 m 상승함에 따라 산소 동위원소비는 0.60‰ 감소하며, 시기별 취수정 및 지표수의 함양고도는 Table 4와 같이 산정하였다. 회귀식에 따라 취수정은 조사기간 중 해발 733~735 m에서 함양되며 지표수는 해발 623~675 m에서부터 강수가 지표로 유출하는 것으로 추정된다. 시기별로는 2월에 흐르는 지표수가 4월에 흐르는 지표수보다 함양고도가 높게 나타나며 지표수와 지하수의 함양고도 차이는 2월이 4월보다 작은 것으로 확인되어 건기로 갈수록 지표수에 대수층으로부터 기저유출 비율이 상대적으로 증가하는 것으로 판단된다.

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Fig. 9.

Distribution of δ18O by altitude.

Table 4.

Estimation of recharge altitude through δ18O of precipitation

Date Type δ18O(‰) Recharge altitude (E.L m)
02/26 Groundwater -8.22 735
02/26 Surface water -7.86 675
04/11 Groundwater -8.19 733
04/10 Surface water -7.53 623

결 론

수문곡선으로부터 기저유출을 분리한 결과 디지털 필터 모듈을 이용하는 WHAT의 경우 기저유출량이 과대평가되거나 자료의 왜곡이 발생하였고, Eckhardt 식을 R-program을 이용하여 표현한 후 하천유출량으로부터 기저유출을 분리한 결과 평균 BFI는 약 0.9375로, 상시하천인 안태천 소유역의 월별 기저유출은 710.88~1,329.61 m3/day로 산정되었다.

안태천 소유역의 강수와 지표수, 지하수의 동위원소 조성을 통해 상관관계를 분석한 결과 지하수의 함양고도는 해발 733~735 m이고, 지표수는 해발 623~675 m에서부터 강수가 지표로 유출되는 것으로 추정하였다.

지하수 함양량을 평가하는데 있어서 지하수위 변동을 직접 측정하여 산정하는 방법이 가장 신뢰할 수 있겠으나 소유역 규모의 지하수 함양량 평가 시 강수에 의한 지하수함양 관계만을 관측할 수 있는 자료의 부재 등 어려움이 항존하므로 보조적인 방법으로 하천유출량 등을 직접 측정하는 방법이 함양량 및 개발가능량 등을 평가하는데 유용할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

이 논문은 안동대학교 기본연구지원사업에 의하여 연구되었음.

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