Assessing the impact of anthropogenic source on the estimation of mean transit time of surface water using time series stable water isotopes

정윤영; 최승현; 신우진; 양민준

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자료유형: 학술저널

저자정보: 정윤영 (국립부경대학교) 최승현 (아이엔에이코리아) 신우진 (한국기초과학지원연구원) 양민준 (국립부경대학교)

저널정보: 대한지질학회 지질학회지 지질학회지 제60권 제4호

발행연도: 2024.12

수록면: 455 - 467 (13page)

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본 연구는 주요 용존이온과 다중 동위원소를 사용하여 하천수에 영향을 주는 주요 수문 인자를 규명하고 시계열 동위원소 조성의 변동성을 기반으로 평균체류시간 산정 가능성을 평가하고자 하였다. 연구지역의 하천수와 지하수에서는 SiO₂와 Cl 농도가 하천 주변 토지이용 특성에 따라 계절적으로 다르게 나타났다. 자연지역이 우세한 최상류 하천에서는 풍수기에 SiO₂ 농도가 증가하는 반면, Cl 농도는 변화가 없어 기저유출을 통한 하천 내 공급이 증가되는 것으로 나타났다. 갈수기에는 논 경작지가 많은 하천의 중류 및 하류에서 SiO₂ 농도는 감소하고 Cl 농도는 증가하는 경향을 보였다. 해당시기 하천수의 산소와 수소 동위원소 조성은 증발의 영향을 받은 것으로 나타났으며, 하천의 화학적 특성은 논 경작지의 관개수 유입에 의해 영향을 받는 것으로 나타났다. 중 수소과잉값(d-excess)의 정현파적 변화를 기반으로 산정된 주요 지점별 하천수의 평균체류시간은 1.2년에서 1.81년으로 추정되었다. 이때 인위적 토지이용의 분포가 증가하는 하천의 중류와 하류를 기점으로 관개수의 유입은 중수소과잉값의 정현파적 변화에서 이상치로 나타났다. 이를 제거한 결과, RMSE와 NSE를 기준으로 모델의 신뢰성이 향상되었다. 주변의 토지이용이 자연지역으로 구성된 하천 상류지점에서는 가장 긴 평균체류시간을 갖는 것으로 나타났다. 반면, 하천의 평균 체류시간은 인위적으로 조성된 저수지와 농경지를 통과함에 따라 점차 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 결과들은 인위적 기반시설의 존재가 지표유출을 통한 하천 내 공급을 증가시켰음을 지시한다. 더불어, 수자원 이용측면에서 인위적 기반시설은 기후변화에 따른 하천수의 대응력 및 적응력을 낮출 수 있음을 시사한다.

This study aimed to identify the main hydrological factors influencing stream water using major dissolved ions and multiple isotopes, and to evaluate the potential for estimating mean transit time based on the variability of isotopic compositions in time series. The concentrations of SiO₂ and Cl in stream water and groundwater in the study area showed seasonal variations depending on the land use characteristics around the stream. In the upper reaches of the stream, dominated by natural areas, the SiO₂ concentration increased duringthe rainy season, while the Cl concentration remained stable, indicating that the stream supply significantly increased through baseflow during the rainy season. In contrast, in the mid to lower reaches, where the presence of paddy fields is more prominent during the dry season, the SiO₂ concentration decreased and the Cl concentration increased. During this period, the isotopic compositions of oxygen and hydrogen in these reaches showed an evaporation signature, indicating that the irrigation water significantly influenced the chemical properties of the stream water. The mean transit times were estimated to be 1.2 - 1.81 years for stream water. In the mid to lower reaches of the stream, where artificial land use increased, the influx of irrigation water appeared as an outlier in the sinusoidal variation of the d-excess in stream water. Removing this outlier improved the reliability of the model, as evidenced by improvements in RMSE and NSE values. The upper reaches of the stream, where the surrounding land use was predominantly natural, showed the longest mean transit time. Conversely, the mean transit time of the stream water gradually decreased as it passed through areas with artificial reservoir and agricultural land use. These results indicate that the presence of artificial infrastructure has led to an increase in surface runoff into the stream. In addition, in terms of water resource use, artificial infrastructure may decrease the resilience and adaptive capacity of stream water resources to climate change.

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