한라산 아고산 초지대 소유역의 물수지

안중기(Junggi An),김태호(Taeho Kim) 대한지리학회 2006 대한지리학회지 Vol.41 No.4

한라산 만세동산의 표고 1,595~1,645m에 위치한 1차수 실험유역에서 관측한 수문자료와 인근 관측소의 기상자료를 토대로 물수지를 분석하여 한라산 아고산대의 수문순환 특성을 규명하였다. 실험유역은 주로 조면현무암으로 이루어진 면적 1.34㏊의 소유역이며, 지표식생은 제주조릿대와 초본 군락이 우점하고 있다. 물수지 분석에는 2004년 4월 15일부터 9월 19일까지 157일에 걸쳐 20분 간격으로 관측한 강수량과 유량을 이용하였다. 실험유역은 해안 및 중산간지대의 저지보다 1.6~3배 많은 3,074㎜의 강수량을 기록하였으며, 강수량의 27.6%에 해당하는 850㎜가 유역 하류로 흘러나갔다. 증발산량은 강수량의 14.2%를 차지하는 437㎜에 지나지 않으며, 나머지 58.2%에 해당하는 1,790㎜는 기반암을 통과하여 지하로 이동하였다. 실험유역은 지형성 강수가 자주 발생하는 아고산대에 위치하므로 강수량이 많고 강수강도가 크나 유출량은 강수량의 30%를 넘지 못한다. 반면에 침루량은 유출량의 2배에 달하는 강수량의 60% 정도를 차지하고 있다. 따라서 한반도의 화강암이나 편마암 유역과는 달리 물수지 요소 가운데 침루 비율이 높게 나타나는데, 이것은 토양 공극율이 높고 토층 하부에 투수성이 큰 현무암질 용암이 분포하는 제주도의 지질 특성과 관계가 있는 것으로 생각된다. In order to clarify some characteristics of hydrological cycle in the subalpine zone of Mt. Halla, water balance has been analysed using hydrological data of a first-order drainage basin around Mansedongsan and meterological data of Odeung AWS. The experimental basin extends from 1,595 m to 1,645 m in altitude and has an catchment area of 1.34 ㏊. It is largely underlain by trachybasalt and covered with sasa bamboo and sedges. Hydrological observations were carried out every 20 minutes from April 15 to September 19, 2004. The basin shows the total precipitation of 3,074 ㎜ that is 1.6 to 3 times of those in coastal and intermontane regions. Surface runoff amounts to 850 ㎜ that is equivalent to 27.6% of the precipitation. By contrast, evapotranspiration only accounts for 14.2% of the precipitation, and the remnant of 1,790 ㎜ penetrates underground through a basement. The basin is located in the subalpine zone, and then it has a high rainfall intensity as well as a large rainfall due to frequent orographic precipitation. But surface runoff usually dose not exceed 30% of the rainfall while percolation demonstrates about 2 times of the runoff. Compared with granite or gneiss basins in Korea Peninsula, the experimental basin is characterized by a higher portion of percolation in water balance. And it is probably related to the highly permeable basaltic lavas in Jeju Island which are also overlain by porous volcanic soils.

농촌지하수자원관리사업 자료를 이용한 지하수 모델링 사례

안중기 ( Junggi An ),송성호 ( Sung-ho Song ),박순진 ( Soojin Park ),양동철 ( Dong Chul Yang ) 한국농공학회 2015 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2015 No.-

현재 지하수 유동 모델링은 지하수영향조사, 수자원개발·관리계획 수립, 기후 변화에 따른 지하수 자원 민감도 분석, 지반 침하 분석 등에 이용되고 있다. 모델 구축에는 대수층의 수리상수, 지하수 함양량, 지하수 이용량, 수리지질구조 등과 같은 많은 매개변수 및 입력 자료가 필요하며, 특히 정밀한 모델 구축을 위해서는 시·공간적인 자료가 요구된다. 농림식품부에서 시행하는 농촌 지하수자원 관리사업은 농어촌지역의 지하수 오염, 수위 저하 등 문제점을 파악하고 관리대책을 수립하는 사업으로 사업수행과정에서 지하수모델 구축과 관련된 자료를 생산하고 있다. 본 연구에서는 이 사업을 통해 생산된 자료를 이용하여 지하수 모델을 구축하고 자료의 문제점과 활용도를 검토하고자 하였다. 이를 위하여 겨울철 수막용 지하수를 다량 사용하는 지하수 유역을 대상으로 광역적인 지하수 유동을 모의하고 유역 내에 위치한 지하수 인공 함양 시범지구를 대상으로 함양 효과를 분석하였다. 3차원 유한차분 지하수 유동 모델인 MODFLOW를 이용하여 먼저 유역 전체의 정상류 상태 모델을 구축한 후 인공함양 시범지구의 1개월 동안 지하수위 모니터링 자료로 시범지구와 인근의 수리전도도와 저류계수를 보정하여 부정류 상태의 모델을 구축하였다. 이 모델로 인공함양을 하는 경우와 함양을 하지 않은 경우의 지하수위를 모의하여 인공함양 효과를 분석하였다. 모델은 동쪽 산지 능선과 주위 하천을 유동 경계로 지정하고 수리지질특성에 따라 2층 구조로 설정하고 충적층과 풍화대를 자유면 대수층으로 그 하부 암반층을 피압 대수층으로 정의하였다. 연구지역을 조사한 곡고지구 지하수자원관리사업 보고서에 수록된 수리상수, 지하수 함양량, 기설 관정 위치 등 자료를 이용하였는데, 시설채소재배단지의 지하수 이용량은 기존 이용량 자료에 겨울철 3개월 동안의 수막용 이용량을 추가하였다. 수막용 이용량은 3개 관측지점의 지하수위 자료를 이용하여 시행착오법으로 결정하였다. 관정을 1일 14시간 가동할 때의 이용량을 적용한 결과 모델이 지하수위 관측값과 가장 유사하게 모의되었다. 모의된 지하수위 분포는 사업보고서의 자료로 작성한 지하수위 등고선도와 유사한 경향을 보여 모델이 실제 지하수위를 적정하게 모의된 것으로 판단된다. 사업보고서에 시계열적인 지하수위 관측 자료가 없는 관계로 유역 전체에 대한 부정류 상태의 모델 보정 및 검증은 불가능하였다. 시범지구에서 1개월 동안 관측한 지하수위자료로 수리전도도와 저류계수를 보정하고 인공함양효과를 분석한 결과, 인공함양정을 중심으로 수위가 크게 상승하여 시범지구 외곽으로 지하수가 확산되는 것으로 나타났다. 인공함양에 의해 시범지구 지하수위는 약 10∼20 m 적게 하강하였다. 본 연구 결과 농촌 지하수자원 관리사업의 조사 자료는 지하수 유동 모델 구축에 활용될 수 있으며, 구축된 모델에 의해 인공함양 효과 분석이 가능하였다. 농촌지하수자원관리사업 조사항목에 지하수위 모니터링이 추가될 경우 지하수 유역 전체에 대한 부정류 상태 모델링이 가능하여 정밀도가 높아 질 것이다.

제주도 밭 용수량 산정 프로그램 개발 및 적용

안중기 ( Junggi An ),송성호 ( Sung-ho Song ),최광준 ( Kwangjun Choi ),서구원 ( Guwon Seo ) 한국농공학회 2015 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2015 No.-

제주도는 수자원의 대부분을 지하수에 의존하여 수자원 시설용량의 약 84%가 지하수 관정의 시설용량이다. 이중에서 농업용 지하수 관정의 시설용량이 전체 시설용량의 68% 정도로 감귤과 마늘, 양배추, 양파, 당파 등과 같은 밭작물에 용수를 공급하고 있다. 본 연구에서는 과수원과 밭작물에 용수를 공급하는 농업용 관정의 개발량 결정, 급수구역 설정 등 농업용수 개발 및 공급 계획 수립에 활용 가능한 프로그램을 개발하였다. 작물 재배 기간의 지하수 이용량 평가를 위해 경작자의 관개 관행을 고려한 실제 이용량과 최적 재배를 위한 필요수량을 산정하는 “제주도 농업용 지하수 이용량 프로그램”을 개발하였다. 또한 관정에서 지속적으로 양수 가능한 개발량과 최대 급수 가능 면적을 설계하기 위해서 10년 빈도 가뭄 시 최대 수요량을 산정하는 “제주도 농업용 지하수수요량 프로그램”을 개발하였다. 농업용 지하수 이용량 프로그램은 FAO Irrigation and Drainage paper No.56의 실제 증발산량 및 토양 물수지 계산절차를 이용하고, SCS 방법으로 지표유출량을 산정하여 일정 토양수분 상태가 되면 1회 관개량이 급수되도록 하였다. 제주도는 9월과 10월에 마늘 발아 촉진을 위해 다량의 용수를 사용하고 노지감귤 과수원의 경우 소독방제 용수의 비중이 크므로 이런 다목적 용수량을 고려할 수 있도록 하였다. 제주도는 지하수가 지하 깊은 곳에 부존하므로 모관수 상승에 의한 수분 공급량은 고려하지 않았다. 본 프로그램의 실제 이용량 산정 기능은 1개월에 2∼3회 간격으로 3년 동안 필지단위로 지하수 이용량을 조사한 자료로 개발 및 검증을 하였다. 작물계수, 토양수분 보유특성 외에도 경작자의 관개 시기, 1회 관개수량, 비닐멀칭 여부를 입력 하여 농업현장의 실제 이용량을 산정하게 하였다. 이 기능은 필지단위의 지하수 이용량 관측 자료로 작물계수를 검증하는데 활용할 수 있다. 총이용가능수분량 (TAW)이 44.5∼34 8mm 되는 3개 감귤 과수원의 최근 3년간 실제 이용량 산정 결과 평균 368 m³/ha/년을 이용하였으며, TAW가 44.5mm인 과수원은 837 m³/ha/년, TAW가 348 mm인 과수원은 64 m³/ha/년을 사용하여 TAW에 따라 이용량은 큰 차이가 나타났다. 필요수량 산정 기능은 이런 계산 절차를 일부 변경하여 토양수분량이 “작물이 수분 스트레스를 받지 않은 수분감소율” 이상이 되면 TAW까지 관개되도록 하였으며, 최대 15개 작물을 재배하는 4개 급수구역의 필요수량을 동시에 계산하여 상호 비교가 가능하도록 GUI를 개발하였다. 수요량 산정 프로그램은 기존 프로그램을 기반으로 개발하여 연별 최대 증발산량으로부터 10년 빈도 작물증발산량을 산정한 후 관개효율을 적용하여 작물별 원단위 수요량, 급수구역 수요량을 산정할 수 있도록 하였다. 본 프로그램은 최대 15개 작물을 재배하는 4개 급수구역의 수요량을 동시에 산정할 수 있도록 GUI를 개발하였으며, 4개 급수구역의 월별 최대 수요량을 산정하기 때문에 급수구역 간의 수요량을 비교 가능하도록 하였다. 2020년 제주도의 감귤, 채소, 감자의 농업용수 수요량은 1,622,342 m³/day으로 분석되었다.

한라산 구린굴의 천장 함몰로 인한 병문천의 유로 변경

김태호(Taeho Kim),안중기(Junggi An) 대한지리학회 2008 대한지리학회지 Vol.43 No.4

한라산 북사면에 소재하는 구린굴의 천장이 함몰되고, 동굴 지상을 흐르던 병문천이 동굴 안으로 유입되면서 442m 길이의 구린굴 가운데 73m 구간이 하천 유로로 바뀌었다. 구린굴 유로의 폭과 높이는 각각 447㎝ 및 501㎝이며, 벽면은 용암선반이 발달한 전형적인 용암동굴의 모습을 보이나 바닥에는 기반암 하도 특유의 마식지형이 나타난다. 거북등 모양의 절리가 발달한 동굴 천장의 암반 두께는 30~60㎝에 불과하며, 이런 장소에서는 천장이 함몰하기 쉬워 유로 구간에는 전부 4개 지점에 윈도우가 발달한다. 구린굴 유로가 출현하기 이전의 지상 유로는 병문천의 지류로서 제4함몰 윈도우 지점을 지나 표고 653m 지점에서 구린굴 동쪽 유역으로부터 흘러나오는 본류에 합류하였다. 그러나 구린굴 지상 유로의 하상에 윈도우가 형성되면서 지상 유로는 구린굴 유로로 대체되고, 새로운 유로는 표고 660m 지점에서 본류에 합류하게 되었다. 이후 구린굴 상류 쪽으로 병문천 유역이 확대되면서 구린굴을 통과하는 유로가 본류로 바뀌었다. 그러나 홍수류가 발생하면 구린굴 지상 유로에도 유수가 발생하므로 병문천은 제4함몰 윈도우 지점에서 일시적으로 분기 하천의 형태를 이룬다. 제주도 용암동굴의 천장에서는 낙반 현상이 지속적으로 일어나고 있으므로 제주도의 수계발달에 미치는 용암동굴의 영향은 현재 진행형이라고 할 수 있다. Gurin Cave, 442 m long, is a lava tube developed on the northern slope of Mount Halla. Seventy-three meters of its lower reach became a river channel since Byeongmun River flowed into a window after roof collapse took place. The subterranean channel has a width of 447 ㎝ and a height of 501 ㎝, respectively. Its banks show welldeveloped lava shelves of a typical lava tube, while its floor has sculpted forms which characterize a bed of a bedrock stream. The reach is likely to be collapsed and then has four collapsed windows since its roof has the densely developed testudinal joints and consists of thin lavas with a thickness of 30 to 60 ㎝. Before the subterranean channel appeared, a ground channel flowed over the cave and joined into a main channel of Byeongmun River at 653 m in altitude. However, the subterranean channel substituted the ground channel since a bed of the ground channel collapsed into the cave. The new channel, flowing through the cave, joined into a main channel at 660 m in altitude. As the drainage area of Byeongmun River expanded upstream the cave, the new channel changed into a main channel. Since floodwater flows down the ground channel as well as the subterranean channel, a distributary stream has temporarily appeared at the collapsed window. Lava tubes are likely to have an affect on the development of river system in Jeju Island, in that the caves have constantly shown roof-fall.

2015년 가뭄에 따른 강화도 지하수위 변동 특성 분석

김진성 ( Jinsung Kim ),안중기 ( Junggi An ),송성호 ( Sung-ho Song ) 한국농공학회 2015 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2015 No.-

우리나라의 해안지역에서는 지하수 개발이 증가하면서 담수고갈과 해수침투 현상이 점점 증가하고 있다. 이에 농림축산식품부에서는 도서·해안지역 농어촌 지하수에 대한 해수침투 관측망을 설치하고 자료를 분석하여 농작물의 염해 피해 예방 및 합리적인 지하수 개발·이용과 관리 방안을 제시하고 있다. 해수침투 관측망은 1998년부터 시작하여 2014년 12월 현재 육지부에 145개소가 설치되어 운영 중이며, 2021년까지 총 388개소를 설치할 계획이다. 각 관측소에서는 관정 내에 센서를 설치하여 지하수 수위, 수온, 전기전도도를 1회/시 관측하고 있다. 이러한 관측자료 중 금년에 가뭄이 극심하였던 강화군 숭뇌지구의 지하수위 변동 특성을 분석하였다. 강화도의 총 면적 411㎢ 중 간척지 면적은 총 면적의 약 32%인 약 130 ㎢이고, 농경지 면적은 164㎢이며, 이 중 논 면적은 76%이다. 강화지역은 2014년 강수량이 605.4 mm로 30년 평균값(1981~2010)의 45%에 지나지 않아 2014년에 극심한 가뭄을 경험하였으며, 2015년에도 8월까지 월별 강수량이 30년 평균값 대비 2.0~275.6 mm가 적어 가뭄이 반복되고 있다. 특히 풍수기인 8월에도 강수량이 51.0 mm로 30년 평균 강수량인 326.6 mm에 비해 275.6 mm가 적은 것으로 나타났다. 숭뇌지구에 위치한 3공의 관측공은 1998~2004년 기간 중에 해안선을 기준으로 550 m(숭뇌2), 830 m(숭뇌1), 1,180 m(숭뇌3)의 거리를 두고 개발되었다. 2015년도에 관측된 지하수위 자료 분석 결과, 지하수위는 예년 월평균 관측자료 대비 약 3.2~7.2 m가 하강되었다. 특히 예년대비 강수량이 적은 3월부터 지하수위가 상대적으로 더욱 낮아져 지하수를 이용한 농업용수 공급에 어려움을 겪었다. 결과적으로 가뭄에 따른 지하수위 하강은 가용할 수 있는 용수량의 감소를 의미하므로, 강화도와 같은 섬 지역의 경우 향후 지하수위 변화를 분석하여 가뭄을 대비한 추가 용수량 확보에 대비할 필요가 있을 것으로 판단된다.