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ISSN : 1225-4517(Print)
ISSN : 2287-3503(Online)
Journal of Environmental Science International Vol.24 No.4 pp.449-459
DOI : https://doi.org/10.5322/JESI.2015.24.4.449

Analysis on Groundwater Flow According to Low Permeable Layer Structure over Seongsan Watershed of Jeju Island

Min-Chul Kim, Sung-Kee Yang*, Seung-Tae Oh
Department of Civil Engineering, Jeju National University, Jeju-Do 690-756, Korea
Corresponding author: Sung-Kee Yang, Department of Civil Engineering, Jeju National University, Jeju 690-756, Korea Phone: +82-64-754-3451 skyang@jejunu.ac.kr
December 19, 2014 April 1, 2015 April 1, 2015

Abstract

The depth of low permeable layer in Jeju Island was analyzed using the geologic columnar section data. The highest low permeable layer was found in center of Mt. Halla and the deepest area was in eastern part of Jeju Island. The study area, Seongsan watershed, is located in the eastern part of Jeju where the low permeable layer showing deep in a northward direction.

Based on this analysis, the MODFLOW modeling was performed for groundwater flow of Seongsan watershed. The boundary of Seongsan watershed was set up as a no-flow and the modeling result showed the difference -0.26~0.62 m compared to the observed groundwater level. Meanwhile, MODFLOW model results considering low permeable layer showed -0.26~0.36 m differences compared to groundwater level and indicated more accurate than no-flow method result. Therefore, to interpret the groundwater flow over Seongsan watershed, comprehensive consideration including the low permeable layer distribution below the basalt layer is needed.


제주도 성산유역의 저투수층 구조에 따른 지하수 흐름 분석

김 민철, 양 성기*, 오 승태
제주대학교 토목공학과
    Ministry of Land, Infrastructure and Transport

    1.서 론

    화산암으로 형성된 제주도는 기공, 절리, 클링커 등이 발달되어 투수성이 좋은 지질특성을 갖추고 있다(Park 과 Ha, 2007). 제주도의 연평균 강수량은 2,061 mm 로 내 륙지역에 비해 풍부하지만, 하천 유출은 평시의 건천에 서 특정 강우강도 이상 시에만 유출이 발생되는 특징이 있다(Jung과 Yang, 2009). 이러한 수문환경 특성으로 인해 전체 수자원의 83.9% 이상을 지하수로 이용하고 있는 제주도의 경우, 지하수 의존도는 계속 증가하는 양 상이다(Jeju Special Self-Governing Province, 2013).

    제주도는 여러 차례 화산활동에 의해 생성된 다층구 조로 매우 복잡한 지질구조와 특성을 가지고 있어, 지표 면의 토양환경과 지하의 지질분포는 지하수 함양과 부존 특성에 밀접한 관련이 있다(Park과 Ha, 2007). 따라서 효율적인 지하수 개발 이용을 위해서는 지질구조와 지 하수의 흐름특성을 파악하는 것은 매우 중요하다.

    최근 지하수 흐름분석을 위해 3차원 수치해석모형이 적용되고 있다. 이 중 Lee(2009)Seok(2009)은 제주 지역의 지하수 흐름에 대해 소유역별로 물수지 분석을 통하여 지하수의 함양량에 따른 지하수의 유동특성을 제 시한 바 있으며, Kim 등(2009, 2013)은 지표수와 지하 수를 결합한 통합 수문모형을 이용하여 하천유역의 지표 수 유출과 지하수 유동을 동시에 해석한 바 있다. 이때 지 하수 수치해석 모형에는 지형 및 지질, 함양, 수리전도도 등 다양한 입력인자를 활용하였으며, 유역은 지형 및 분 수령 등으로 구분된 지표유역을 대상으로 현무암층과 서 귀포층으로 단순화 하여 적용하고 있다. 그러나 제주도 의 지하수 흐름은 지역에 따라 지표의 지형구조와 상이 한 특성을 보이기 때문에 정확한 지하수 흐름 모의를 실 시하기 위해서 현무암층 하부에 위치한 응회암, 역암, 성 산층, 서귀포층 등 저투수성 퇴적층을 파악한 후, 지역적 특성을 고려한 지하수 흐름분석 방법이 필요하다.

    이 연구에서는 제주도 동부지역에 위치한 성산유역을 대상으로 지질주상도 자료를 이용한 제주지역 현무암층 하부의 저투수층 구조를 파악하였으며, 표고와 지하수위 관계를 기초로 저투수층의 분포에 따른 유역 경계면을 대상으로 정상상태의 지하수 흐름특성을 분석하였다.

    2.연구방법

    2.1.제주도 저투수층

    제주도의 대표적인 저투수성 퇴적층은 응회암, 역암, 서귀포층, 성산층, 고토양 등으로, 투수성이 불량하고 유 효 공극률이 매우 낮은 암층으로 구성되어 있다(Jeju Special Self-Governing Province, 2013). 저투수층 출 현심도는 지하수위 관측공(68개소)과 기설관정(73개소) 으로부터 획득한 지질주상도로부터 확인하였다(Fig. 1).

    2.2.연구대상유역

    연구 대상지역은 ‘제주도 수문지질 및 지하수 자원 종 합조사III(Jejudo, 2003)’에서 지형, 하천, 지표 분수령 등을 기준으로 분류한 16개유역중 성산유역에 해당된다 (Fig. 2).

    성산유역은 제주도의 동부지역에 위치하고 있으며, 점성이 낮은 파호이호이 용암과 화산 쇄설물이 누층을 이루고, 200 m 이하의 해안저지대지역이 95%, 경사도 0 ~4° 구간이 83%로 완만한 대지상의 지형을 이루고 있 다. 또한 다른 유역에 비해 비포화대가 얇은 특성으로 인 해 함양에 따른 지하수위 변동은 빠르게 나타나며(Jeju Development Institute, 2012), 유역 내에는 지하수위 관측공 1개소(JW-GS), 해수침투 관측공 7개소(JD-SS1 ~SS4, JD-SD1~SD3) 등 총 8개소의 관측공이 위치하고 있어 유역 내 지하수위 파악이 가능하다.

    2.3.지하수 해석모형 구축

    지하수 흐름특성을 해석하기 위하여 MODFLOW모형 을 사용하였으며, 성산유역의 상부구간은 1:25,000 수치 지형도를 이용하여 생성한 수치고도자료(digital elevation model. DEM)를 보간(interpolation)하여 실제 수직층 을 재현하였다(Fig. 3).

    각 층별로 입력 자료는 지층, 관측공, 함양량, 수리전 도도 등을 기초로 1층은 투수성이 매우 양호한 화산암층, 2층은 투수성과 공극률이 낮은 저투수층으로 단순화하 였다.

    유역 내 격자 구성은 50 × 50 m로 설정하였고, 대상 유역을 제외한 지역은 비활성화셀(inactive cells)로 구 분하였다. 이때, 활성화 셀(active cells)은 2개의 층을 포함하여 총 93,236개의 셀 격자망으로 구성되었다. 또 한 유역과 인접한 유역경계면과 해안경계는 각각 지하 수 흐름이 없는 비흐름 경계(no-flow)와 일정수두경계 (constant head boundary)로 설정하였다.

    지하수 함양량은 제주특별자치도 수자원관리종합계 획(Jeju Special Self-Governing Province, 2013) 중 성 산유역 물수지 분석을 실시하여 산정된 함양량을 이용하 였으며, 수리전도도는 제주도 수문지질 및 지하수자원 종합조사III(Jejudo, 2003) 중 제주도 광역상수도 및 해 수침투 감시관측정 자료의 동부유역 평균 수리전도도에 제시된 자료를 이용하여 분석하였다. 또한 공극률은 화 산분출암의 공극률 14~40% 범위 내에서 적용하였다 (Fetter, 1994)(Table 1).

    지하수 수위는 제주특별자치도 수자원본부의 자료를 이용하여 2013년 전체 평균수위를 산출하여 비교·분석 하였다.

    3.결과 및 고찰

    3.1.제주도 저투수층 구조

    제주도의 저투수층은 한라산 중심부가 가장 높은 분 포특성을 가지고, 동북지역으로 진행될수록 매우 낮게 분포하고 있다. 출현심도는 해수면기준 180~-140 m로 조사되었고, 대부분 서귀포층, 응회암, 점토층으로 확인 되었다(Fig. 4, Table 2).

    수치해석 모형 적용 대상 지역인 성산유역은 제주도 동부지역에 위치하여 저투수층이 비교적 낮은 -43.8~ -117.5 m로서 유역의 북쪽일수록 급격하게 깊어지는 특 징이 있다.

    3.2.지하수 흐름분석

    정류상태의 흐름 모의를 위해 유역의 수리전도도를 보정 (calibration)하여 관측 수위에 최대한 근접하도록 분석 하였으며, 적용된 1층의 수리전도도는 제주도 수문 지질 및 지하수자원 종합조사III(Jejudo, 2003)에 제시된 값인 2.003×10-3~2.622×10-2 m/sec 범위 내에서 산출된 4.63 ×10-3 m/sec을 적용하였다. 모델링 수행결과 관측수위와 계산수위 오차는 -0.62~0.26 m로 나타나고(Table 3, Fig. 5), R2는 0.773, RMSE는 0.352로 각각 나타났다.

    성산유역의 전반적인 지하수 흐름은 한라산을 중심 으로 동남쪽 방향으로 발달하는데(Fig. 6), 이러한 흐름 방향은 DEM을 이용하여 분석한 지형구배와 유사한 것 으로 나타났다(Fig. 7). 그러나 실제 성산유역 지하수 흐름은 한라산을 중심으로 동쪽 방향으로 발달하며, 모 형 결과가 실제 흐름과 상이하게 나타나는 특성이 나타 났다.

    3.3.성산유역의 표고와 지하수위 비교

    성산유역의 표고 분포에 따른 지하수위의 관계를 파 악하기 위하여 각 관측공의 표고와 지하수위를 비교 분 석하였다.

    유역 내 관측공 JD-SS1~JD-SS4과 JD-SD1~JDSD3는 표고상승 방향의 직선 형태로 분포하고 있어 지 형이 높아짐에 따라 지하수위가 상승하는 것으로 확인되 었다(Fig. 8). 그러나 JD-SS2과 JD-SD1, JD-SS3와 JD-SD2, JD-SS4과 JD-SD3의 비교결과 표고와 지하수 위는 서로 상이한 특성이 나타났으며, 북쪽방향에 위치 한 JD-SS1~JD-SS4의 지하수위가 유역 남쪽방향에 위 치한 JD-SD1~JD-SD3의 수위에 비해 낮게 분포되는 것으로 나타났다(Fig. 9).

    특히, JD-SS4 관측공(표고 176.6 m, 지하수위 2.18 m)은 JD-SD3 관측공(표고 126.1 m, 지하수위 2.44 m) 에 비해 50 m 이상 높은 곳에 위치하고 있으나, 지하수 위는 낮게 형성되는 특성을 나타냈다.

    3.4.보정후의 지하수 흐름해석

    성산유역의 실제 지하수흐름은 표고분포와 상이하고, 지하수위는 유역의 북쪽방향으로 낮게 형성됨에 따라, 저투수층 특성을 토대로 수치모의를 실시하였다.

    초기모델에서는 성산유역과 인접한 유 역의 경계면은 지하수 흐름이 없는 비흐름 경계로 설정 하였지만, 성산 유역의 저투수층 분포가 북쪽방면으로 급격하게 낮아짐 에 따라 흐름조건을 설정하여 모의하였다(Fig. 10).

    모의 결과 관측수위와 계산수위의 오차는 -0.36~ 0.29 m로 보정 전에 비해 감소되었으며(Table 4, Fig 11), R2와 RMSE는 각각 0.903과 0.195로 상대적으로 높은 결과가 나타났다. 지하수의 흐름 또한 한라산 기준 동쪽방향으로 진행되는 것으로 확인됨에 따라, 흐름조건 을 설정한 모의 결과가 상대적으로 높은 상관도가 있는 것으로 판단된다(Fig. 12).

    4.결론

    제주도 기설관정과 관측공의 지질주상도 자료를 이용 하여 제주지역 화산암층 하부의 저투수층 구조를 분석하 였으며, 이를 기초로 수치해석모형을 이용한 제주도 성 산유역의 지하수 흐름 모델링을 수행하였다.

    제주도의 저투수층 심도는 180~-140 m로 한라산 중 심부가 가장 높고, 동부지역이 가장 깊은 것으로 나타났 다. 특히 동부지역에 위치한 성산유역의 저투수층 심도 는 -43~-117 m로 유역의 북쪽 방향으로 매우 깊은 것으 로 나타났다. 성산유역의 주변 유역을 비흐름 조건으로 설정하여 지하수 흐름 모의 결과 관측수위와 계산수위의 오차는 -0.62~0.26 m, R2와 RMSE는 각각 0.773, 0.352로 분석되었으며, 지하수의 흐름은 DEM을 이용하 여 분석한 지형구배와 유사한 것으로 나타났다. 그러나 유역의 실제 지하수 흐름은 표고분포와 상이하고, 유역 의 관측 지하수위는 북쪽방향으로 낮게 형성되는 특성이 나타났다. 따라서 저투수층 분포를 토대로 성산유역의 북쪽경계를 흐름조건으로 설정한 후 모의를 실시하였다. 모의 결과 수위의 계산오차는 -0.36~0.29 m로 보정전에 비해 차이가 작아졌으며, R2와 RMSE는 각각 0.903와 0.195로 감소되었다. 또한 모의 결과가 실제 지하수 흐 름과 유사하게 나타남에 따라, 성산유역의 저투수층 분 포 특성이 실제 지하수 흐름에 영향을 미치는 것으로 분 석되었다.

    따라서 향후 성산유역을 포함한 제주도의 지하수 흐 름을 판단하기 위해서는 현무암층 하부의 저투수층 분포 특성에 대한 종합적인 고려가 필요한 것으로 판단된다.

    Figure

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    Groundwater wells for identifying low permeable layers over Jeju Island.

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    Classification of 16 watersheds including Seongsan watershed in Jeju Island.

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    Vertical layers over Seongsan watershed(3D Grid View).

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    Plan view of low permeability distribution over Seongsan watershed.

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    Graphical comparison between observation and computed water level before calibration.

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    Groundwater levels under steady-state condition from MODFLOW before calibration.

    JESI-24-449_F7.gif

    Topographical features from DEM over Seongsan watershed.

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    Groundwater monitoring wells over Seongsan watershed.

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    Elevation and groundwater Level.

    JESI-24-449_F10.gif

    Boundary condition over Seongsan watershed after calibration.

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    Graphical comparison between observation and computed water level after calibration.

    JESI-24-449_F12.gif

    Groundwater levels under steady-state condition from MODFLOW after calibration.

    Table

    Input parameters for groundwater flow modeling

    Depth of low permeable layer and groundwater wells for observation

    *자료참고: 제주도 화산암층의 수리지질학적 특성연구(Kim, 2011)

    Comparison results between observation and computed water level before calibration

    Comparison results between observation and computed water level after calibration

    Reference

    1. Fetter C W (1994) Applied Hydrogeology, Macamillan College Publishing Company,
    2. Jejudo (2003) Comperhensive Survey of Hydrogeology and groundwater resources in Jeju Island(III), pp.173- 179
    3. Jeju Development Institute (2012) Jeju water, Vol.50; pp.99- 106
    4. Jeju Special Self-Governing Province (2013) Water resources management master plan, pp.47-87
    5. Jung W Y , Yang S K (2009) Simulation on runoff of rivers in Jeju Island using SWAT model , Journal of the Environmental Sciences, Vol.18 (9) ; pp.1045-1055
    6. Kim B S (2011) Study on hydrogeological characteristics of volcanic rocks in Jeju Island, Ph. D. Dissertation, Pusan National University,
    7. Kim N W , Chung I M , Yoo S Y , Lee J W , Yang S K (2009) Integrated Surface-groundwater analysis in Jeju Island , Journal of the Environmental Sciences, Vol.18 (9) ; pp.1017-1026
    8. Kim N W , Na H N , Chung I M (2013) Simulation of groundwater variation characteristics of Hancheon watershed in Jeju Island using integrated hydrologic modeling , Journal of the Environmental Sciences, Vol.22 (5) ; pp.515-522
    9. Lee B C (2009) Analysis of groundwater movement in volcano island basins using numerical model, Ph. D. Dissertation, Kyungil University,
    10. Park K H , Ha K C (2007) Distribution of low permeable rock that dominates the island ground -water flow , Fall Joint Annual Conference of the Geological Societies Korea,
    11. Seok D K (2009) Study on the movement system of surface and ground water in Island basins, Ph. D. Dissertation, Kyungil University,