낙동강 하류 내 하중도에서의 지하수-지표수 상호교환량 산정 연구 = Quantification of Groundwater-Surface Water Exchange at a River Island in the Lower Nakdong River

국문 초록 (Abstract)

지하수-지표수 상호교환은 하천의 수질 및 생태계 유지에 핵심적인 수문학적 과정이다. 특히 하중도는 이러한 교환이 집중적으로 일어나는 구역이지만, 신뢰성 있는 상호교환량 정량화와 방법론적 불확실성에 대한 연구는 여전히 미흡하다. 본 연구는 이러한 연구 공백을 해소하고자, 대한민국 낙동강 하류 서낙동강의 중사도라는 하중도를 대상으로 시피지미터를 이용한 직접 측정법과 Darcy 법칙 기반 간접 산정법을 동일 시공간에서 비교하였다. 주요 목적은 방법론적 불확실성을 정량적으로 평가하고, 기존 연구에서 간과된 시피지미터 측정 시 측정 지속시간의 영향, 퇴적물 입도 분석, 정밀 지형 분석을 통합하여 연구지역의 상호작용 메커니즘에 대한 신뢰성 높은 이해를 확보하는 것이다. 이를 위해 하중도 내 수변지대 인근 하상에 하천의 상류와 만나는 지점(SP-6)과 하류와 만나는 지점(SP-3)을 선정하여 측정하였다. SP-6과 SP-3을 각각 조사한 결과, 수리전도도는 SP-3에서 2.22 × 10-4 m/hr, SP-6에서 9.32 × 10-3 m/hr로 산정되었다. SP-3이 SP-6보다 약 42배 낮은 값이 나타나 공간적 이질성을 확인하였다. 또한, 입도분석 결과 역시 유사한 수리지질학적 특성이 나타나 이러한 결과를 뒷받침하였다. 투수성이 매우 낮은(K = 2.22 × 10-4 m/hr) SP-3에서는 Darcy 법칙 기반 지하수-지표수 상호교환량()이 -2.14 × 10-5~6.79 × 10-6 m/hr 범위로 거의 0에 가까운 값을 보여 흐름 방향의 신뢰성을 확보하지 못했으나, 시피지미터로 측정한 상호교환량()은 -8.46 × 10-4~-1.94 × 10-4 m/hr 범위로 일관되게 지표수의 하중도 대수층으로의 유입을 지시하였다. 이는 저투수성 환경에서 Darcy 법칙이 상호교환량을 과소평가할 가능성을 나타낸다. 반면, 투수성이 높은(K = 9.32 × 10-3 m/hr) SP-6에서는 는 -3.02 × 10-4~-2.79 × 10-4 m/hr, 는 -4.50 × 10-3~4.31 × 10-4 m/hr의 범위로 단시간 측정 시에는 일시적으로 지하수가 지표수로 유출되는 흐름이 관측되었으나, 장시간 측정 시 모든 측정에서 지표수의 하중도 대수층으로의 유입을 지시했다. 특히, 다양한 측정 지속시간으로 시피지미터 측정을 수행한 결과, 측정 지속시간에 따라 산출된 시간당 상호교환량이 유의미하게 달라짐을 확인하였다. 이는 지하수-지표수 상호교환량 산정 시 측정 지속시간이 교환량 변동성을 포착하는 중요한 시간적 요소임을 시사한다. 고해상도 지형 분석과 수두 데이터 역시 하상에서 하중도 내 대수층으로의 잠재적인 지표수 유입 가능성을 뒷받침한다.
결론적으로, 본 연구는 하중도의 대조적인 두 지점에서 두 가지 주요 상호교환량 산정 방법을 비교하고 시·공간적 불확실성의 근원에 대한 중요한 통찰을 제공한다. 수문지질학적 공간적 이질성을 교환량 변화를 유발하는 핵심 메커니즘으로 제시하며, 관찰된 지하수-지표수 상호교환량의 공간적 가변성이 단일 하중도 내에서도 물질 순환과 생태 기능이 현저히 다를 수 있음을 보여주는 실증적 근거가 된다. 따라서, 높은 이질성을 가진 하천 시스템에서 신뢰성 있는 수문학적 이해를 위해서는 직접 측정, 간접 산정, 퇴적물 및 지형 분석과 같은 통합적 접근법이 필수적이다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 연구지역 4
• 1. 연구지역의 특성 4
• 2. 연구지역의 기후 및 환경 6
• Ⅲ. 연구방법 8
• 1. 시피지미터 제작 및 설치 8
• 2. 피조미터 설치 및 수위 측정 9
• 3. 시피지미터, Darcy 법칙 비교 11
• 4. 드론 LiDAR를 활용한 지형 분석 15
• 5. 퇴적물 입도분석 17
• Ⅳ. 연구결과 19
• 1. 시피지미터 기반 상호교환량(qs) 산정 19
• 2. 수리전도도(k) 산정 및 Darcy 법칙 기반 상호교환량(qd) 산정 22
• 3. 드론 LiDAR를 활용한 DEM 구축 27
• 4. 입도분석 결과 및 경험식 기반 수리전도도(k) 산정 30
• Ⅴ. 토의 33
• Ⅵ. 결론 36
• 참고문헌 38