Quantifying effects of river stage control on groundwater system by cluster analysis and groundwater-level modeling

정병주; 김동훈; 문희선; 김용철

doi:10.14770/jgsk.2021.57.1.79

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저자정보: 정병주 (한국지질자원연구원) 김동훈 (한국지질자원연구원) 문희선 (한국지질자원연구원) 김용철 (한국지질자원연구원)

저널정보: 대한지질학회 지질학회지 지질학회지 제57권 제1호

발행연도: 2021.2

수록면: 79 - 97 (19page)

DOI: 10.14770/jgsk.2021.57.1.79

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하천 정비 사업을 통한 보 건설 등으로 하천수위를 인위적으로 제어할 수 있게 됨으로써, 이로 인해 발생하는 지하수계의 변화가 유역의 자연환경과 농업 활동에 어떠한 영향을 미치는가에 대하여 보다 자세한 이해가 필요하게 되었다. 이러한 이해를 위해서는 하천 유역에서 지하수의 수량과 수질에 영향을 미칠 수 있는 지표수 - 지하수 상호 작용에 대한 통찰을 바탕으로, 지하수위 변화의 다양한 원인을 정량적으로 분석하는 것이 우선시 되어야 하며, 이를 바탕으로 적절히 관련 정책 등에 반영할 필요가 있다. 따라서, 본 연구에서는 하천수위 변화에 따른 인근 지하수 수위를 군집 분석을 통해 연구 지역 내 지하수를 변화 패턴의 유사성에 따라 분류하고, 지하수위 모델을 이용해 지하수위 변동을 일으키는 자연적/ 인공적 요인의 기여도를 개별적으로 정량화하고자 하였다. 또한 다양한 모델 시나리오를 통해 하천수위 조절 혹은 양수와 같은 인위적인 요소가 지하수위 변화에 미치는 영향을 분석하였다. 연구에 사용한 모델링 기법은 지하수위 변화를 다중 요인에 의해서 일어나는 변화의 합으로 가정하고, 이를 요소별 물리적 모형을 이용해 구한 합성 지하수위를 실측 지하수위와 비교하여 모델 파라메터를 추정하였다. 이렇게 최적화된 모델을 이용하여 지하수위 총 변화량 중에서 강우량, 하천수위, 양수량 등 각각의 요인이 미치는 영향을 개별적으로 정량화하였다. 군집 분석 결과, 연구 지역의 지하수는 상호 유사성이 높은 두개의 그룹으로 나눌 수 있고, 이러한 차이는 주로 하천과의 지리적인 거리에 기인한 것으로 나타났다. 한편, 지하수위 모델을 통한 분석 결과 하천 수위 조절 기간 중 지표수 수위 하강이 지하수위 하강에 기여하는 비율은 시간에 따라 약 50% ~ 90%로 나타나고, 하천수위 조절에 의한 지하수위 하강은 최대 2.0 m, 양수에 의해서는 최대 0.5 m의 추가적인 지하수위 하강이 발생한 것으로 분석되었다. 향후 이러한 연구 결과는 하천 환경을 유지하면서도 농업 활동을 위축시키지 않는 최적의 하천 관리 방안을 수립하는데 활용할 수 있을 것이다.

As a weir construction enables to control on the river stage level, there is increasing demand to understand its effects on the adjacent groundwater system more clearly, on which agricultural productivity may depend. To adequately address this question, it is essential to obtain detailed knowledge on surface watergroundwater interaction that can affect groundwater quality and quantity by applying quantitative analytical approaches to various factors inducing groundwater changes. We first introduce a cluster analysis utilizing Pearson’s correlation to classify wells to compare the degree of interaction with the river, and then quantify individual contributions of natural and anthropogenic factors which may induce temporal groundwater level changes. Finally, we predict groundwater level under presumed modeling scenarios to clarify the effects of controlling the river stage and increasing irrigation. The cluster analysis classifies wells in the study area into two distinct groups by the patterns of groundwater level changes, which are mainly resulted from the geographical distance from the river. The groundwater-level model assumes total groundwater fluctuation as a sum of changes brought by individual model components based on physically-derived governing equations and finds the best estimation of the parameters by comparing the observation and modeled groundwater levels. Using the calibrated model, it is possible to quantify each controlling factors’ effects on groundwater system under different case scenarios. According to the modeling results, the river stage change accounts for approximately 50% ~ 90% of declining groundwater level during the first and the second weir opening periods. The model also indicates that scheduled river stage drop can lower the groundwater level by 2.0 m at maximum, and additional irrigation can exacerbate depletion by 0.5 m at maximum.

#지표수-지하수 상호 작용 #군집 분석 #지하수위 모델 #surface water - groundwater interaction #cluster analysis #groundwater-level model

참고문헌 (30)

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