제주도 토지이용변화에 따른 직접유출량 변화 추정

하규철,박원배,문덕철,Ha, Kyoo-Chul,Park, Won-Bae,Moon, Deok-Cheol 대한자원환경지질학회 2009 자원환경지질 Vol.42 No.4

제주도의 토지이용 변화에 대한 직접유출량의 변화를 알아보기 위하여 SCS 방법에 의한 직접유출량을 산정하였다. 토지이용자료는 국토해양부에서 운영하는 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)에서 제공하는 1975년부터 2000년까지 5년 주기의 위성 영상으로부터 추출 분류된 자료들을 이용하였으며, 토양도, 투수성 지질구조 분포를 토대로 수문학적 토양군을 분류하였다. 제주도의 1975년부터 2000년까지 토지이용은 도시화 및 지역 개발 등에 의한 산림지역의 감소와 시가화 지역과 농지 증가가 뚜렷하게 나타나고 있다. 그에 따라 제주도의 평균 유출곡선지수는 1975년에 65.3이었던 것이 2000년에는 69.6으로 지속적으로 증가되었다. 유출곡선지수의 증가로 인하여, 년간 직접유출량은 1995년도의 강우량을 적용했을 때 299.0 mm에서 351.6 mm로, 직접유출률은 15.1%에서 17.7%로 증가된 것으로 산정되며, 2000년도의 강우량을 적용했을 때에는 직접유출량이 년간 136.9 mm에서 161.5 mm로, 직접유출률은 9.7%에서 11.5%로 증가된 것으로 평가되었다. 이러한 직접유출량의 변화는 지하수 함양량과 지하수 개발 가능량의 변화로 이어지기 때문에, 합리적인 물관리에 있어서 토지이용변화, 지역개발에 의한 물수지 변화 등을 면밀하게 검토할 필요가 있다. SCS method was applied to make the assessments of direct runoff according to land use changes in Jeju island. Land uses were obtained from 5 year-period remote sensing time series data from 1975 to 2000 which are provided by Water Management Information System (WAMIS). Hydrologic soil groups were categorized based on soil series of National Academy of Agricultural Sciences (NAAS), and permeable geologic structures such as Sumgol, Gotzawal and so on. The land uses of Jeju island are obviously characterized by urban-agricultural areas increases, and forest areas decrease. According to land use changes, curve number (CN) for Jeju island was consistently increased from 65.3 in 1975 to 69.6 in 2000. From 1975 to 2000, the amount of direct runoff and ratios increased due to CN changes. When the rainfall data in 1995 was applied to each year, the direct runoff amounts were $299.0{\sim}351.6\;mm$, and runoff ratios were $15.1{\sim}17.7%$. In the case of the application of the rainfall data in 2000, the direct runoff amounts were $136.9{\sim}161.5\;mm$, and runoff ratios were $9.7{\sim}11.5%$. Since direct runoff can be closely related to groundwater recharge and sustainable groundwater yield, the groundwater influence caused by land use changes or district exploitations should be considered for the reasonable water management and development in Jeju island.

시계열 분석을 이용한 하천수위에 따른 다심도 관정의 지하수위 변동해석

하규철,고경석,고동찬,염병우,이강근,Ha Kyoo-Chul,Ko Kyung-Seok,Koh Dong-Chan,Yum Byoung-Woo,Lee Kang-Kun 대한자원환경지질학회 2006 자원환경지질 Vol.39 No.3

지하수위와 하천수위와의 상호반응과 수리적으로 다른 특성을 가지는 각 층별(실트질 모래층, 자갈모래층, 풍화대층) 반응관계를 알아보기 위하여 시계열 분석에서 많이 사용되어 온 방법인 자기상관분석과 교차상관분석방법을 이용하였다. 만경강 하천부지에 각 층을 대표하는 깊이에서 지하수위를 관측한 결과, 지하수위가 강수량보다는 하천수위변동에 민감하게 반응하고 있었다. 연구지역의 하천수위변동은 만경강 제수문의 조절과 조석의 영향을 받아 주기적인 수위변동이 우세하기 때문에 강수량과의 상관성은 낮다. 다심도 관정에서 각층별 하천수위에 대한 지하수위 반응은 시간지연 없이 서로 같이 변동하는 것으로 나타났으며, 반응시간은 하천과 가까운 관정에서 30-60분 이내로 빠르며 하천에서 거리가 멀어지면서 반응시간은 대체로 늦게 나타났다. 그러나 하천과 멀리 떨어져 있는 관정이더라도 하천수위에 대하여 빠른 반응을 보이는 관정이 있으며, 이는 하천과 대수층과의 높은 수리적 연결성을 나타낸다. 지하수위의 하천에 대한 반응양상이 다르게 나타나는 것은 대수층의 수리적 불균질성에 의한 것으로 사료된다. 연구지역의 하천은 대체로 지하수위가 하천수위보다 높게 관측되고 있기 때문에 지하수가 하천으로 유출되는 이득하천의 성격을 가지고 있다고 판단되나, 하천의 급격한 수위상승에 따라 역으로 하천의 물이 지하수로 공급되는 손실하천의 성격도 보여주었다. 하천수위와 대수층이 연결된 시스템에서 시계열분석으로서의 자기 및 교차상관분석은 수리적 상호관계를 파악하기 위한 유용한 도구로 활용될 수 있다. Aquifer responses to the river stage fluctuations were analyzed between the groundwater level and the river stage in an alluvial aquifer. The auto-correlation and cross-correlation as a time series analysis were applied. Study site is a floodplain in the Mangyeong river. Groundwater levels in each depth representing the silt and sand(SS), gravel and sand(GS), and weathered zone(WZ) layer were monitored. The groundwater levels were more sensitive to the river stage fluctuations than rainfall. Since the river stages are influenced by the gate operations downstream and tide, show periodic patterns, and the correlation coefficients with rainfall is low. Cross-correlation function between groundwater level in each depth do not show any delay time, then response time is very short to each depth. Cross-correlation analysis were performed to estimate the response time of groundwater levels to river stage fluctuations. Groundwater levels respond to the river stage within 30 minutes to 1 hour in wells near the stream. Short time lag between groundwater level and river stage indicates the quick response. A different response time imply the hydraulic inhomogeneity of the site, and a probable high permeability zone between river and aquifer can be inferred. Mangyeong-river in study site is a gaining stream normally, and river stage rising by gate operation or floods makes river water flow into groundwater. The auto-correlation and cross-correlation functions as a time series analysis can be a good tool to interpret the aquifer responses to stream stage fluctuation

제주도 외도천유역의 유출특성

하규철,문덕철,고기원,박기화,Ha, Kyoo-Chul,Moon, Deok-Cheol,Koh, Ki-Won,Park, Ki-Hwa 한국지하수토양환경학회 2008 지하수토양환경 Vol.13 No.5

제주도의 물관리나 지하수 함양량 산정에 있어서 직접유출량 평가는 유용하게 사용되어 진다. 외도천 유역의 상류지역인 천아계곡과 하류지점에서의 장기 수위관측자료를 이용하여 유출빈도를 분석한 결과, 년간 발생하는 유출 발생빈도는 천아계곡에서는 약 21회, 외도천 하류에서 약 12회였다. 유출지속시간을 고려하면 년간 유출을 관측할 수 있는 기간이 천아계곡에서는 21일, 외도천 하류에서는 12일 정도인 것으로 나타났다. 교차상관분석에 의하여 강우에 대한 수위반응은 약 4시간인 것으로 분석되었으며, 유출이 발생했을 때 천아계곡으로부터 외도천 하류지점까지 수위 전파시간은 약 2시간이었다. 외도천 하류지점에서 유량측정결과, 상시 유출량은 평균 0.39 $m^3$/sec였으며, 기저유출과(직접) 유출량을 평가하기 위해 수위-유량곡선을 개발하였고, 개발된 수위-유량곡선을 이용하여 수위를 시간에 따른 총유출량으로 산정하였다. 수치필터링기법에 의한 총유출량을 기저유출량과 직접유출량으로 분리 낸 결과, 년간 총 하천유량 중 31.8${\sim}$36.5% 정도를 직접유출이 기여하고 있으며 63.5${\sim}$68.2% 정도는 기저 유출이 기여하는 것을 확인하였다. Runoff characteristics of the Oedocheon in Jeju island were investigated using the long-term stream stage monitoring data. At the Cheonah valley in the upstream area and Oedocheon downstream, annual runoff occurred 21 and 12 times, respectively, and their average runoff periods were 21 days and 12 days, respectively. Stream stage response time to rainfall was 4 hours, and storm-water transfer from the upstream, Cheonah valley, to the Oedocheon downstream took about 2 hours. The stream discharge measurements had been carried out from Feb. 2004 to Jul. 2005, and showed that normal discharge of the Oedocheon was 0.39 $m^3$/sec in average. Stage-discharge curves were developed to estimate base flow (normal discharge) and (direct) surface runoff. The base flow separations by a numerical filtering technique illustrated that annual surface runoff and base flow accounted respectively for 31.8${\sim}$36.5%, 63.5${\sim}$68.2% of the total stream discharge.

논문 : 청원-충주지역 수막재배용 지하수 사용량 및 배출량 분석

문상호 ( Sang Ho Moon ),하규철 ( Kyoo Chul Ha ),김용철 ( Yong Cheol Kim ),윤필선 ( Pil Sun Yoon ) 대한지질공학회 2012 지질공학 Vol.22 No.4

국내 수막재배지는 시설 증대로 인한 지하수 취수량 감소의 어려움을 겪고 있다. 이 연구는 이들 지역 중 청원-충주지역을 대상으로 지하수 이용량 및 배출량을 측정하고, 이를 토대로 국내 수막재배지에서의 지하수 이용량을 추정하였다. 대표 관정들의 모터사양과 1일 지하수 토출 능력과의 관계, 1일 최저 기온0℃ 이하의 기록 일수, 최저 기온 변화에 따른 모터 가동 상황 등을 토대로 하여, 청원지역에서 2011~2012년 겨울철 수막재배에 이용된 지하수 이용량을 추정하면 1ha 당 53,138m3이 된다. 이에 의한 면적 대비 국내 수막재배지 (10,746ha)의 지하수 이용 총량은 약 5.7억 m3이며, 이는 국내 농업용수 지하수 이용량 16.9억 m3 33.7%에 해당된다. 2012년 2월 9일부터 22일까지 면적 4ha의 청원지역 배수로에서 측정한 1일 지하수 배출량은 2,079~2,628 m3범위(평균 2,341 m3)로서, 수막재배 면적 1ha 당 1일 평균 지하수 배출량이 585m3인 것으로 나타났다. 수막재배 일수 94일을 적용하면, 청원지역에서 2011년~2012년 겨울철에 수막재배에 이용된 지하수 이용량은 54,990m3/ha이다. 이에 의한 면적 대비 국내 수막재배지의 지하수 이용 총량은 약 5.9억 m3이며, 이는 전체 농업용수 지하수 이용량의 약 34.9%에 해당된다. 충주지역에서는 수막재배지 1ha 당 1일 지하수 배출량이 805 m3 미만일 것으로 추정되었다. 이 지역에서의 2011년~2012년 겨울철 수막재배 일수 108일을 적용하면, 면적 대비 국내 수막재배지의 지하수 이용량은 전체 농업용수 지하수 이용량의 55% 미만일 것으로 추정된다. Korean agricultural areas that employ water curtain cultivation (WCC) have recently suffered extensive groundwater short-ages due to an increase in the number of facilities. The primary focus of this study is to measure the daily groundwater use and discharge rates in the Cheongweon and Chungju pilot areas, while the second focus is to estimate the total amount of groundwater used in WCC areas nationwide in Korea. Taking inwo consideration several factors, including motor type, out-flow abilities of wells, records of daily minimum temperatures below 0℃, and the number of running wells accrding to weather variations, we estimated that 53,138m3/ha of groundwater had been used in the 4-hectare Cheongweon pilt area during the winter period of late 2011 through early 2012. On a prorated areal basis, we can calculate that the total ground-water used nationwide was 0.57 billion m3 in WCC areas of 10,746m2. This value is equivalent to 33.7% of the total agri-cultural groundwater use (1.69 billion m3) in Korea. During 9-22 February 2012, the daily water discharge rate in the 4-ha Cheongweon pilot area raged from 2,079 to 2,628m3, averaging 2,341m3. Combining this value with meteorological records for 94 days with a daily minimum temperature below 0℃ results in an estimated groundwater volume of 54,990m3/ha for the pilot area during the 2011-2012 winter period. The total amount of groundwater used nationwide in WCC areas would then be 0.59 billion m3, equivalent to 34.9% of the total agricultural groundwater use in Korea. In the Chungju area, the groundwater discharge rate was estimated to be less than 805m3/ha. This value, combined with weather data for 108 days with a daily minimum temperature below 0℃ in this area, can be applied to infer that the total groundwater vol-ume used in WCC areas nationwide is no more than 55% of the total agricultural groundwater use in Korea.

해석 요소법을 이용한 반응벽 시스템의 모델링 및 포획지 분석

하규철(Ha Kyoo CHul),이강근(Lee Kang Kun),전양근(Chun Yang Kun) 대한토목학회 2000 대한토목학회 학술발표회 논문집 Vol.2000 No.3

유성지구 지열수자원의 산출 및 수위변동 특성

문상호,하규철,김영식,조성현,Moon, Sang-Ho,Ha, Kyoo-Chul,Kim, Yung-Sik,Cho, Sung-Hyeon 대한자원환경지질학회 2006 자원환경지질 Vol.39 No.5

유성지구 지열수의 산출 특성 및 수리적 연결성을 파악하기 위하여 2002년 3월부터 2005년 6월까지 장기 수위 관측을 실시하였다. 관측된 수위 자료를 이용하여 수위변동 주기 분석을 실시한 결과, 대부분의 관측공에서 0.5일, 1일, 7일 주기성이 확인되었다. 7일 주기성은 온천지대에서의 독특한 양수 행태로 인해 발생되는 인위적 현상으로서, 연구 지역내 관측공들의 수리적 연결성이 양호한 것을 반영하였다. 수위 영향 관계를 분석한 결과, E-W 방향성과 N-S 방향성의 지질구조가 지열수 저류체의 발달 및 지열수 유동에 중요한 규제 요소로 작용되고 있음이 확인되었다. 전반적으로 지열수의 열원과 대수층의 수리적 연결성과는 상호 연관성이 있을 것으로 해석된다. Water levels of thermal groundwater ($>30^{\circ}C$) were recorded from March 2002 to June 2006 at several monitoring wells within the Yuseong spa area. Using these data, we elucidated the long-term cyclic fluctuations of thermal groundwater levels with 1 year period. We also observed a noticeable water level variation with periods of 0.5, 1 and 7 days in most monitoring wells, which indicates relatively good hydraulic connectivity within the main hotspring area. By comparing water level variations among several wells, we found out that E-W and N-S trending geological structures should be an important control factor for emplacement and flow of thermal groundwater in the study area. It may be also inferred that geothermal source is highly associated with the hydraulic connectivity of aquifers at the Yuseong spa area.

K-1 기지 주변 지질 구조와 지하수위 변동 특성

문상호,김영석,하규철,원종호,이진용,Moon, Sang-Ho,Kim, Young-Seog,Ha, Kyoo-Chul,Won, Chong-Ho,Lee, Jin-Yong 대한자원환경지질학회 2010 자원환경지질 Vol.43 No.2

K-1 유류비축기지는 인위적 지하 공동을 이용하기 때문에 주변 지하수계의 안정이 중요하다. 기지 주변의 지하수계 특성을 이해하기 위해 광역적 지하수 유동특성, 기지내 공간적 지하수위 분포 양상을 파악하였으며, 지하수 유동에 영향을 미치는 지질 요소를 검토하였다. 연구지역에서 지히수 유동에 크게 영향을 미칠 수 있는 지질구조적 특성은 2가지로서, 편마암-화강암 관입경계를 따라 재활성된 부분과 산성 암맥을 따라 발달한 단열 및 단층이다. 기지 내 4개 관측공들의 수위변동 양상을 검토한 결과, 대부분 강우와 지표수 유입 혹은 공동내 주입수에 의해 지하수위 변동이 영향을 받고 있는 것으로 나타났다. 이 연구에서는 기지 남쪽에 위치한 관정으로부터의 양수가 기지의 지하수위 변동에 미치는 영향에 대해 검토하였다. 산성 암맥을 따라 기지로부터 1.2km 남쪽에 위치한 지점에서의 양수작업은 관측 당시에 기지내 지하수위 변동에 영향을 미치지 않았으나, 모델링 결과에 의하면 $250\;m^3$/day 이상의 양수량으로 지속적인 양수작업이 진행되는 경우 지하수 시스템 안정을 위해 주의가 요구된다. The most serious problem in oil stockpiles with artificial underground cavern is maintaining the stability of ground water system. In order to understand the ground water system around K-1 site, we determined the regional flow direction and level distribution of groundwater, and investigated the major geologic factors influencing their flow system. Reactivated surface along the contact between granite and gneiss, and fractures and faults along the long acidic dyke may contribute as important pathways for groundwater flow. Within K-1 site, groundwater level fluctuation is closely related to the rainfall events and injection from surface or influx water. In this project, the effect of groundwater pumping from the southern wells was examined. Based on equations relating water level drawdown to pumping rate at those wells, their pumped outflow of groundwater ranged from $80\;m^3$/day to less than $250\;m^3$/day. The modeling results with MODFLOW imply that the previous groundwater pumping at distance of 1.2 km may not affect the groundwater level variations of the K-1 site. However, continuous pumping work at quantity over $250\;m^3$/day in this area will be able to affect the groundwater system of the K-1 site, particularly along the acidic dyke.

지진에 의한 제주도 지하수위 변동 분석 (2010년 인도네시아 규모 7.7 지진)

이수형,함세영,하규철,김용철,정범근,고경석,고기원,김기표,Lee, Soo-Hyoung,Hamm, Se-Yeong,Ha, Kyoo-Chul,Kim, Yong-Cheol,Cheong, Beom-Keun,Ko, Kyung-Seok,Koh, Gi-Won,Kim, Gee-Pyo 한국지하수토양환경학회 2011 지하수토양환경 Vol.16 No.2

This study was conducted to investigate the relationship between groundwater level change and a large earthquake using the data of groundwater and seawater intrusion monitoring wells in Jeju Island. Groundwater level data from 13 observation wells were analyzed with a large earthquake. The Earthquake occurred at Sumatra, Indonesia (Mw = 7.7) on 13 June 2010, and groundwater level anomalies which seems to be related to the Earthquake were found in 6 monitoring wells. They lasted for approximately 16~27 minutes and the range of groundwater level fluctuations were about 1.4~2.4 cm. Coefficient of determination values for relationship between groundwater level change and transmissivity, and response time were calculated to be $R^2$ = 0.76 and $R^2$ = 0.96, respectively. The study also indicates that the high transmissivity of aquifer showed the high goundwater level changes and longer response time.

만경강 하천변 충적 지하수의 용존 Fe와 Mn 거동에 대한 산화-환원 과정과 용해 평형의 효과

최범규,고동찬,하규철,전수현,Choi, Beom-Kyu,Koh, Dong-Chan,Ha, Kyoo-Chul,Cheon, Su-Hyun 대한자원환경지질학회 2007 자원환경지질 Vol.40 No.1

전라북도 전주시 지역의 만경강 하천변 충적 대수층에 심도 30m까지 설치된 다중 심도 관정을 이용하여 산화-환원 환경과 관련된 지하수의 생물지구화학적 특성을 조사하였다. 대체로 용존 산소(DO)가 1 mg/L이하의 혐기성 환경이 지배적이었으며, 10-20m 구간에서는 높은 농도의 Fe($14{\sim}37mg/L$)와 Mn($1{\sim}4mg/L$)이 나타나고 그 하부에서는 S(-II) 이온이 검출되었다. 용존 Fe와 Mn이 높은 구간에서는 $O_2,\;NO_3$가 거의 없고, 퇴적물내의 Fe와 Mn의 함량은 심도에 따라 큰 차이 없이 분포하고 있어 전자수용체로서 이용된 Fe(III), Mn(IV)의 환원에 의해 지하수내의 용존 Fe와 Mn의 농도가 높아진 것으로 볼 수 있다. 용존 농도에서 Mn이 Fe에 비해 상대적으로 농도가 높게 나타나는 구간이 더 넓다. 환원 과정에서 전자공여체(electron donor)로 이용될 수 있는 유기 탄소(DOC) 농도가 지하수면 부근에서 급격히 감소하는 것으로 보아 지하수내 유기물은 상부에서 유입되는 것으로 보인다. 20m 하부에서는 $SO_4$가 감소하고 S(-II) 이온이 검출되는 것으로 보아 상부 구간보다는 하부구간에서 $SO_4$ 환원작용이 활발함을 지시한다. 여러 산화-환원쌍으로부터 계산된 산화-환원 전위는 Fe를 포함하는 쌍들간을 제외하고는 모두 일치하지 않아 전체적으로 산화-환원적으로 비평형 상태에 있다고 볼 수 있다. 지하수면 부근을 제외하고는 siderite, rhodochrosite 등의 탄산염 광물의 포화지수가 -2에서 +1의 범위를 보여 이들 광물에 의해 각각 Fe(II), Mn(II) 이온의 농도가 지하수내에서 조절될 수 있음을 보여주며, 20m 하부 심도 구간에서 S(-II) 이온이 검출되는 지점에서는 Fe(II)의 경우 FeS 광물에 의해서도 농도가 조절될 수 있다. Biogeochemical characteristics involving redox processes in groundwater from a riverine alluvial aquifer was investigated using multi-level monitoring wells (up to 30m in depth). Anaerobic conditions were predominant and high Fe ($14{\sim}37mg/L$) and Mn ($1{\sim}4mg/L$) concentrations were observed at 10 to 20 m in depth. Below 20 m depth, dissolved sulfide was detected. Presumably, these high Fe and Mn concentrations were derived from the reduction of Fe- and Mn-oxides because dissolved oxygen and nitrate were nearly absent and Fe and Mn contents were considerable in the sediments. The depth range of high Mn concentration is wider than that of high Fe concentration. Dissolved organics may be derived from the upper layers. Sulfate reduction is more active than Fe and Mn reduction below 20 m in depth. Disparity of calculated redox potential from the various redox couples indicates that redox states are in disequilibrium condition in groundwater. Carbonate minerals such as siderite and rhodochrosite may control the dissolved concentrations of Fe(II) and Mn(II), and iron sulfide minerals control for Fe(II) where sulfide is detected because these minerals are near saturation from the calculation of solubility equilibria.

제주도 중산간 지역 지하수내 원소 산출 특성과 지표 암상간의 상관성 분석

고동찬 ( Dong Chan Koh ),하규철 ( Kyoo Chul Ha ) 대한지질공학회 2010 대한지질공학회 학술발표회논문집 Vol.2010 No.1