Estimation of river stage effect on groundwater level, discharge, and bank storage and its field application

하규철,고동찬,염병우,이강근 한국지질과학협의회 2008 Geosciences Journal Vol.12 No.2

This paper presents the hydraulic interaction between aquifer and river related with bank storage. A convolution equation was used to analyze the aquifer response, discharge, and bank storage due to river stage fluctuation. River stages were generated to describe flood peak, asymmetry, and duration. The simulation results suggest that the geometry of flood hydrograph can play an important role in affecting the discharge and bank storage. The presented model was applied to a field data, and the site is a floodplain aquifer of the Mangyeong River. Aquifer responses for the various flood duration and flood peak were observed at the site, which is well matched with the simulated results. A model parameter, the riverbed leakance was determined from calibration with the simulated and observed groundwater levels. After the determination of each parameter, the discharge and bank storage can be calculated. The presented method is a good tool to assess the hydraulic interaction between the aquifer and the river, as arbitrary river stage fluctuations are used. The limitation of the method is that the actual discharge and bank storage can be different from the calculated ones, when significant regional groundwater gradient exists. It also can be a useful tool before applying more complex numerical models.

하천과 대수층의 수리적 상호작용 모델링

하규철,고동찬 대한지질학회 2006 대한지질학회 학술대회 Vol.2006 No.

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

분포형 수문모형(VELAS)을 이용한 홍성 양곡리 일대 지하수 함양량 평가

하규철,박창희,김성현,신에스더,이은희,Ha, Kyoochul,Park, Changhui,Kim, Sunghyun,Shin, Esther,Lee, Eunhee 대한자원환경지질학회 2021 자원환경지질 Vol.54 No.2

본 연구는 과거와 미래의 연 단위보다 상세한 일단위 지하수 함양량을 평가하기 위해, 분포형 수문모형중의 하나인 VELAS를 이용하여 물수지에 근거한 수문요소별 변동을 분석하고자 하였다. 가뭄에 매우 취약한 충남 홍성군 서부면 양곡리 일대 소유역을 대상으로, VELAS의 입력자료인 수치표고모델, 식생도, 경사도 등의 공간특성자료를 구축하였고, 기후자료는 기상청의 일별 대기온도, 강수, 평균풍속, 상대습도 등의 자료를 공간적으로 보간하였다. 연구지역의 과거 2001년부터 2018년까지 18년 동안 일단위 물수지 분석결과, 연간 강수량은 799.1~1750.8 mm로 평균 1210.7 mm이고, 지하수 함양량은 28.8~492.9 mm로 평균 196.9 mm로 분석되었다. 연 강수량 대비 지하수 함양률은 최소 3.6%에서 최대 28.2%로 변동폭이 매우 크고, 평균 함양률은 14.9%였다. 미래 기후변화 RCP 8.5시나리오에 의한 2019년부터 2100년까지의 일단위 물수지 분석결과, 연간 강수량은 572.8~1996.5 mm(평균 1078.4 mm)이고, 지하수함양량은 26.7~432.5 mm, 평균 174.6 mm(평균 강수량의 16.2%)로서 과거보다 다소 증가하였다. 미래 연간 지하수 함양률은 최소 2.8%, 최대 45.1%, 평균 18.2%로 분석되었다. 물수지를 구성하는 요소들은 강수량과의 상관성이 잘 나타나며, 일단위보다는 연단위로 갈수록 그러한 상관성이 뚜렷했다. 다만, 증발산량은 강수량보다는 기온 등 다른 기후요소에 더 영향을 받는 것으로 보인다. 본 연구를 통해 산정된 연단위 보다 상세 시간 단위에서의 지하수함양량은 가뭄 또는 홍수 등 시기별로 강수량 변동이 심한 경우 지하수개발과 관리에 활용될 수 있는 기초자료를 제공할 수 있을 것으로 기대된다. In this study, one of the distributed hydrologic models, VELAS, was used to analyze the variation of hydrologic elements based on water balance analysis to evaluate the groundwater recharge in more detail than the annual time scale for the past and future. The study area is located in Yanggok-ri, Seobu-myeon, Hongseong-gun, Chungnam-do, which is very vulnerable to drought. To implement the VELAS model, spatial characteristic data such as digital elevation model (DEM), vegetation, and slope were established, and GIS data were constructed through spatial interpolation on the daily air temperature, precipitation, average wind speed, and relative humidity of the Korea Meteorological Stations. The results of the analysis showed that annual precipitation was 799.1-1750.8 mm, average 1210.7 mm, groundwater recharge of 28.8-492.9 mm, and average 196.9 mm over the past 18 years from 2001 to 2018 in the study area. Annual groundwater recharge rate compared to annual precipitation was from 3.6 to 28.2% with a very large variation and average 14.9%. By the climate change RCP 8.5 scenario, the annual precipitation from 2019 to 2100 was 572.8-1996.5 mm (average 1078.4 mm) and groundwater recharge of 26.7-432.5 mm (average precipitation 16.2%). The annual groundwater recharge rates in the future were projected from 2.8% to 45.1%, 18.2% on average. The components that make up the water balance were well correlated with precipitation, especially in the annual data rather than the daily data. However, the amount of evapotranspiration seems to be more affected by other climatic factors such as temperature. Groundwater recharge in more detailed time scale rather than annual scale is expected to provide basic data that can be used for groundwater development and management if precipitation are severely varied by time, such as droughts or floods.

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.

하천 유량수문곡선을 통한 지하수 하천 배출량 추정

하규철,김석중,김영식,조민조,염병우 대한지질학회 2002 대한지질학회 학술대회 Vol.2002 No.

현장 침투시험에 의한 지표토양의 투수성 평가

하규철,이상덕 대한지질학회 2008 대한지질학회 학술대회 Vol.2008 No.

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.

가뭄 대응을 위한 관정연계시스템(well network system) 개발

하규철,Ha, Gyu-Cheol 한국수자원학회 2022 물과 미래(한국수자원학회지) Vol.55 No.4

유역 지표토양수분함량의 공간적인 분포

하규철,김태희 대한지질학회 2007 대한지질학회 학술대회 Vol.2007 No.