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ISSN : 1225-4517(Print)
ISSN : 2287-3503(Online)
Journal of Environmental Science International Vol.24 No.12 pp.1691-1703
DOI : https://doi.org/10.5322/JESI.2015.24.12.1691

Analysis of Groundwater Discharge into the Geumjeong Tunnel and Baseflow Using Groundwater Modeling and Long-term Monitoring

Jae-Yeol Cheong1), Se-Yeong Hamm*, Il-Ryun Yu, Hak-Soo Whang2), Sang-Hyun Kim3), Moon-Su Kim4)
Division of Earth Environmental System, Pusan National University, Busan 46241, Korea
1)Korea Radioactive Waste Agency, Daejeon 34129, Korea
2)Ilshin Engineering, Daejeon 34816, Korea
3)Department of Environmental Engineering, Pusan National University, Busan 46241, Korea
4)Soil and Groundwater Division, National Institute of Environmental Research, Incheon 22689, Korea
Corresponding Author : Se-Yeong Hamm, Division of Earth Environ -mental System, Pusan National University, Busan 46241, Korea Phone: +82-51-510-2252hsy@pusan.ac.kr
October 28, 2015 December 7, 2015 December 11, 2015

Abstract

When constructing tunnels, it is important to understand structural, geological and hydrogeological conditions. Geumgeong tunnel that has been constructed in Mt. Geumjeong for the Gyeongbu express railway induced rapid drawdown of groundwater in the tunnel construction area and surroundings. This study aimed to analyze groundwater flow system and baseflow using long-term monitoring and groundwater flow modeling around Geumgeong tunnel. Field hydraulic tests were carried out in order to estimate hydraulic conductivity, transmissivity, and storativity in the study area. Following the formula of Turc and groundwater flow modeling, the annual evapotranspiration and recharge rate including baseflow were estimated as 48% and 23% compared to annual precipitation, respectively. According to the transient modeling for 12 years after tunnel excavation, baseflow was estimated as 9,796 - 9,402 m3/day with a decreasing tendency.


금정터널내의 지하수 유출량과 기저유출량 변화 분석

정 재열1), 함 세영*, 유 일륜, 황 학수2), 김 상현3), 김 문수4)
부산대학교 지구환경시스템학부
1)한국원자력환경공단
2))일신엔지니어링
3)부산대학교 환경공학과,
4)국립환경과학원 토양지하수과
    Ministry of Education
    NRF-2013R1A1A205818

    1.서론

    금정산은 부산지역에서는 가장 높은 산(801.5 m)으 로서 화강암, 안산암, 퇴적암 등으로 이루어져 있으며, 수 리지질학적으로는 지하수 함양지역으로서 부산지역 지 하수의 주요한 공급원의 역할을 하고 있다. 그러나, 경부 고속전철의 금정터널 공사로 인하여 지하수 유출 문제가 제기되기도 하였으며, 금정터널의 지하수 유출로 인하여 산성마을의 일부 지하수공에서는 지하수위 하강이 발생 하기도 하였다. 금정터널(길이 8.09 km)은 2008년에 완 공되어 현재 경부고속전철이 운행 중에 있으며, 약 4,00 0~5,000 톤/일의 지하수가 터널로 유출되고 있다. 금정 터널의 최대 단면적은 166.14 m2(너비 14.2 m × 높이 11.7 m)이고, 평균 단면적은 약 143 m2(너비 13 m×x 높 이 11 m)이며, 터널의 라이닝과 숏크리트의 총 두께는 약 0.5 m이다.

    금정산 지역의 시추공에 대한 수리지질 특성 연구로 는 Hamm et al.(2007)이 시추공의 절리 빈도, 절리 틈, 절리 방향과 수리전도도의 상관성을 분석한 연구가 있다. Kim et al.(2008)는 금정산 지역의 지하수위와 강수량의 시계열 분석을 통하여 금정산의 암반대수층은 강우의 직 접적인 침투보다는 단열대를 따라서 일어나는 지하수 함 양의 영향을 받고 있음을 제시하였다. Cho(2001)는 지 하수 모델링에 의해서 부산지역의 물수지를 연구한바 있 다. 국내 터널굴착과 관련된 지하수모델링 연구로는 Kang et al.(2002), Lee(2001) 등이 있다.

    국내외 지하수 함양량 산정방법에는 물수지 분석법 (Sunwoo, 1992; Hahn, 1998), 지하수위 변동 곡선법 (Moon and Woo, 2001), 무강우 지속일수 동안의 지하 수위 감수곡선법(K-Water, 1995; Lee and Yoon, 1996; Choi and Ahn, 1998), SCS-CN 법(Bae and Kim, 2006; An et al., 2008; Hamm et al., 2005; Kim et al., 2002), 기저유출 분리법(Meyboom, 1961; Park, 1996), 환경동위원소를 이용하는 방법(Andres and Egger, 1985; Solomon et al., 1993; Koh et al., 2001), 해안지역에서 강수 내에 함유된 Cl- 이온농도와 배경 지 하수위의 Cl- 이온농도비를 이용하는 방법(Sukhija et al., 1996), 수치모형을 이용하는 방법(Arnold et al., 2000) 등이 있다. An et al.(2008)은 울산지역의 중괘천- 보은천 유역에 대해서 물수지 분석과 SCS-CN 방법으로 지하수 함양량을 산정한 바 있으며, Kim et al.(2002)는 서울의 북한산 지역에 대해서 물수지 분석과 SCS-CN 방법으로 지하수 함양량에 관한 연구를 수행한 바 있다.

    본 연구는 지하수 모델링을 통하여 금정터널 완공 이 후의 금정산 일원(Fig. 1)의 지하수 함양량을 산정하고, 터널 유출량에 따른 하천의 기저유출량 변화를 분석하고 자 하였다.

    2.연구방법

    2.1.지하수 함양률 산정

    물수지 평형에 의하면, 지하수 저장량 변화(ΔS)는 강 수량에서 유래하는 함양량(R), 하천으로의 유출량(QD), 증발산량(ET), 타 수역으로 부터의 지하수 유입량(QI), 타 수역으로의 지하수 유출량(QO)의 관계에 의하여

    Δ S = R + QI QO QD ET
    (1)

    와 같다. (1)식에서 지하수계가 불투수경계를 가지고, 타 지하수계로의 지하수 유입과 지하수 유출이 없다면 지하 수 저장량의 변화는

    Δ S = R QD ET
    (2)

    과 같다. (2)식에서 지하수 저장량의 변화를 구하기 위해 서는 지하수 함양량, 하천으로의 유출량, 증발산량을 알 아야 한다. 강수량은 기상관측소의 측정 자료로부터 알 수 있으며, 하천으로의 유출량은 직접 측정에 의해서 알 수 있다. 그러나 증발산량과 지하수 함양량의 직접적인 측정은 용이하지 않다. 따라서, 지하수 함양량 (R)은 증 발산량, 하천유출량, 지하수 저장량의 변화를 합한 값인

    R = Δ S + QD + ET
    (3)

    로 신정하게 된다. 만약 대수층으로부터의 증발산량을 무시할 수 있다고 하면,

    R = Δ S + QD
    (4)

    와 같다. 그리고 지하수 저장량 변화(ΔS)은

    Δ S = Δ h S y A
    (5)

    이다. 그러나, 물수지분석 방법으로는 개략적인 지하수 함양량만을 추정할 수 있기 때문에, 다른 방법과 병행하 여야만 정확한 지하수 함양량을 산정할 수 있다(Koo and Lee, 2002).

    장기적인 지하수위 변화를 이용한 방법은 풍수기에서 다음 풍수기까지 또는 갈수기에서 다음 갈수기까지의 최 고 지하수위와 최저 지하수위의 차이가 바로 그 기간 동 안의 지하수 함양량을 대표한다고 보는 것이다. 무강우 지속일수 동안 지하수위 감수곡선을 이용한 방법은 강우 시 유역의 특성에 따라 강우량 중 일부분이 지하에 함양 된다는 가정 하에 강우량과 함양량의 관계식을 설정하고, 이 관계식으로부터 지하수함양량을 구하게 된다. 기저유 출(baseflow) 분리법에 의하면 홍수기에 지표면을 통해 지하로 침투된 물 중에서 증발산되고 난 나머지는 대수 층에 도달하고 갈수기에는 결국 인근 하천으로 배출되므 로, 지하수 배출량(즉, 기저유출량)이 지하수 함양량과 동일하다고 본다.

    본 연구지역의 물수지 분석을 위해서는 강수량, 지하 수 함양률, 증발산량, 직접유출량, 기저유출량, 금정산성 마을의 지하수 양수량, 동래온천장의 온천수 사용량, 금 정터널내 지하수 유출량을 고려한다.

    2.2.지하수 모델링 개요

    지하수모델링은 복잡한 지하수 유동계의 지하수 유동 계를 단순화시켜 모사한 것으로 대상지역의 대수층에 적 합한 모델을 적용하여 실제 대수층내 지하수 거동을 재 현하며, 장래 발생할 수 있는 지하수계의 변화를 예측하 는 것이다. 따라서 지하수모델링은 지하수 변화를 제어 하고 조절 또는 예측하거나, 지하수자원의 관리, 예측 및 지하수오염 방지에 활용된다.

    지하수 수치모델은 불균질 대수층과 같은 복잡한 지 층 및 지질 구조 처리가능하고, 불규칙한 경계조건 처리 가 가능한 장점을 가지고 있으나, 모델이 복잡하며 근사 해에 따른 오차가 발생한다는 단점을 가진다.

    현재 전세계적으로는 PM, MS-VMS, GMS, GWVISTAS, ARGUS 및 MODFLOW와 같은 유한차분법 모델이 있으며, FEMWATER, FEFLOW, AQUA3D, NAPSAC, NAMMU, FRACMAN 등의 유한요소법 모 델이 있다. MODFLOW(McDonald and Harbough, 1984, 1988)는 다공질 포화매체내에서 지하수흐름을 모 사하기 위한 유한차분법 지하수 유동모델로서 전세계적 으로 가장 많이 알려져 있고, Visual MODFLOW, GMS, PMWIN 등의 상용 소프트웨어에서 원 소스코드 로 활용되고 있다.

    본 연구에서는 터널굴착으로 발생되는 지하수 유출량 에 따른 기저유출량 변화를 파악하고자 Visual MOD -FLOW를 이용하여 불균질한 이방성 다공질 포화매체 내에서 일정 밀도의 부정류상태 지하수흐름을 모사하였 다. 지하수 모델링에서는 지하수위 변화가 선형적이며, 대수층의 영역은 사각형 셀로 근사화하며, 지하수 온도 와 밀도는 일정하다고 가정하였다.

    3.지하수위 변동 및 지하수 유동 분석

    지하수위 변동은 그 지역 대수층의 특성과 함양량의 변화에 따른 저장량의 변화를 나타낸다. 지하수위 변동 에는 강우나 일변화에 따른 단기적 변화와 계절적인 함 양량에 의한 장기적 변화가 있고, 기압과 조석에 의한 변 동, 양수와 상수도 누수 등에 의한 인위적인 변동 그리고 이들에 의한 복합적인 요인에 의해 변동한다. 특히, 기압 에 의한 변동은 자유면대수층보다는 피압대수층에서 더 크게 나타난다.

    연구지역내 19개 시추공(KJ1, KJ2, KJ2-1, K3, KJ4, KJ6, KJ7, KJ8, KJ12, KJ14, KJ15, KJ16, KJ17, KJ18, KJ19, KJ20, KJ21, KJ22, KJ23)에 대하여 1999 년 5월 27일부터 2013년 10월 4일까지의 각 공별 지하 수위 자료를 이용하여 그 변동 특성을 보면, 대체로 10월 경에 지하수위가 가장 높고, 5월경에 지하수위가 가장 낮 다. 홍수기(6, 7, 8, 9월)의 지하수위 상승은 강수량 증가 에 의하며, 지하수 함양의 영향은 홍수기로부터 약 2~3 개월 만에 나타나는 것으로 보인다. 각 공별 지표면하 평 균 지하수위는 0.21~7.27 m이며, 지표면하 전체 평균 지하수위는 3.49 m이다. 또한 각 공별 최대 수위 변화폭 은 0.56~10.6 m이며, 최대 수위 변화폭의 평균값은 2.11 m이다 (Fig. 2).

    금정산지역에서 2002년 6월 5일에 측정된 26개 지하 수공(KJ4, KJ17, KJ18, KJ21, KJ22, KJ1, KJ2, KJ2-1, K3, KJ6, KJ7, KJ8, KJ12, KJ15, KJ16, KJ19, KJ20, KJ23, TB-1, TB-2, TB-3, TB-4, TB-7, TB-9, TB-10, TB-12)의 수위자료를 기반으로 지하수위 분포는 금정산 정상으로부터 각각 동쪽과 서쪽으로 흐르는 것으로 나타 났다(Cheong, 2003). 한편, 산성마을 지역 금정터널 주 변에서는 남북으로 관통하는 주 단층 및 지형의 영향으 로 북쪽에서 남쪽으로 지하수 유동이 일어난다.

    4.지하수 평형

    4.1.지하수 함양량

    19개 시추공(KJ4, KJ14, KJ17, KJ18, KJ21, KJ22, KJ1, KJ2, KJ2-1, K3, KJ6, KJ7, KJ8, KJ12, KJ15, KJ16, KJ19, KJ20, KJ23)의 1999년 5월 27일부터 2002년 11월 3일까지 연평균 지하수위는 0.21~7.27 m 를 나타내었다. 따라서 식 (4)와 (5)를 적용하면 단위 면 적당 연간 지하수 함양량은

    R = Δ h S y + QD = 2 . 11 m/yr × 0 . 1 + 0 . 065 m/yr = 276 mm/yr
    (7)

    이다. 여기서, Δh는 1년 동안의 지하수위 변동에서 최고수위와 최저수위의 차이(Δh = 2.11 m)이다. Sy는 유효공극률 또는 비산출률로서 0.1이며, 이는 시험공에 서 실시한 순간충격시험분석으로 구하였다. 지하수 함양 량은 장기적인 관점에서는 변화할 것으로 판단되나. 본 연구 기간 동안(1999년 5월 27일~2002년 11월 3일) 의 지하수 함양량은 금정터널 굴착 이전의 자연 상태의 지하수 함양량을 구하는데 목적이 있었다.

    한편, 금정산지역에서 무강우시기 동안 하천으로 유출 되는 단위면적당 평균 기저유출량(QD)는 0.18 mm/day 이다. 그러므로, 지하수위 변동법에 의한 본 연구지역의 지하수 함양량(276 mm/yr)은 부산지역의 연평균 강수 량(1,531 mm)의 18%에 해당된다.

    4.2.증발산량

    증발산량은 수면으로부터의 증발량과 식물로부터의 증산량을 합한 값이며, 수분이 기체 상태로 대기에 환원 되는 모든 양을 포함한다. 증발산량은 에너지 균형방법 에 의해 계산될 수 있는데(Hornberger et al., 1998), 순 태 양복사량, 지면으로 전도되는 에너지량, 대기로 방출되 는 에너지량, 단위면적당 지표에 저장되는 열에너지 변 화량, 주어진 온도에 대한 기하잠재열 등을 알아야한다. 그러나 이러한 매개변수들을 쉽게 관측하거나 평가하기 는 어렵다. 또한 증발산계(lysimeter)를 이용하여 직접 증발산량을 측정할 수 있으나 이 방법 역시 용이하지 않 기 때문에 흔히 Thornthwaite(1944), Penman(1948), Blaney and Criddle(1950), Turc(1963), Monteith(1965) 방법 등의 간접적인 방법으로 증발산을 구한다. Turc방 법으로 금정산지역의 연평균 증발산량(ET)은

    ET=P/ 0.9+ P 2 / L 2 12/
    (8)

    와 같다. 여기서, L = 300 + 25T + 0.05T3 또는 L = 300 와 같다. 여기서, L = 300 + 25T + 0.05T3 또는 L = 300 + 25M + 0.05M3 이고 M= i=1 12 T m × P m /P 이다. P는 평균 강수량, T는 연평균 기온, T(m)은 월 평 균기온, P(m)은 월 강수량이다. 1984년부터 2013년까 지 부산지방의 연평균 강수량, 연평균 기온, 일조량은 각 각 1531.2 mm/yr, 14.77°C, 6.4시간을 적용하면, 연평 균 증발산량(ET)은 738.37 mm(연평균 강수량의 약 48.22%)이다.

    4.3.금정산성마을의 지하수 사용량

    금정산성마을에서는 가구마다 개인 관정 또는 마을 공동의 간이 상수도 형태의 지하수로 식수와 생활용수를 사용하고 있으며, 간이 상수도는 주로 민방위 비상급수 용으로 개발된 대구경의 지하수 관정(심도 100 m이상) 이다.그 외 식당이나 가정집에서 음용수 또는 생활용수 로 주로 사용하는 지하수는 1 m3/day 내외로 추정된다. 2014년 현재 산성마을의 주민수는 1233명이며, 가구수 는 495가구이며, 140개소의 영업 업소(주로 식당)가 있 다. 일평균 지하수 사용량(가구당 1 m3/day)을 감안하면, 총 가구의 사용량은 495 m3/day 정도이다. 또한, 민방위 용수 사용량은 총 625 m3/day이다. 따라서, 산성마을에 서 사용되는 총 지하수량은 약 1,100 m3/day으로 추정 된다.

    참고로 2002년 7월 8일 조사 자료에 의하면, 산성마 을의 가구수는 400가구, 주민수는 1352명이었으며, 영 업 업소(주로 식당)수는 150개소였다. 2002년에 산성마 을의 총 지하수 사용량은 약 1,000 m3/day(개인 가구의 총 사용량 400 m3/day (가구당 1 m3/day), 민방위용수 사용랑 총 625 m3/day) 였다(Cheong, 2003).

    4.4.금정터널내 유출량

    금정터널 구간 중, 금정산 정상부로부터 남쪽의 하마 정까지 약 8 km 구간(14-2공구 구간)의 지하수 유출량 을 2009년 2월에서 8월까지 사갱1, 사갱2 및 양정동 하 마정 인근의 집수정 #1의 배출량을 근거로 산정하였다. 사갱1의 터널 유출량은 100~920 m3/day(평균 유출량 은 474 m3/day)이며, 사갱2의 터널 유출량은 403~1465 m3/day(평균 유출량은 1379 m3/day)이고, 집수정 #1의 유출량은 93 m~387 m3/day(평균 유출량은 236 m3/day)이였다. 금정터널 공사완료후 사갱1 및 사갱2에 서의 유출 지하수는 현재 집수정 #1으로 유출되며 평균 유출량은 2,500 m3/day이다.

    4.5.동래온천의 온천수 사용량 및 수위

    동래온천의 온천수는 과거에는 자연 용출하였으나, 현재는 양수에 의해 인위적으로 토출시키고 있다. 온천 수는 비교적 천부의 지하수와는 달리 지하 심부 수 km에 서 상승하므로 일반적으로 지하수 함양과 직접적으로 연 관되지는 않는다. 그러나 장기적인 온천수 양수에 의해 서 천부의 지하수가 온천수에 유입될 수 있으므로 장기 적으로는 지하수 평형에 영향을 미칠 수 있다. 동래온천 의 온천공의 심도는 100~210 m이다.

    동래온천의 온천수위는 하강 추세를 보이고 있으며, 1992년에는 66~87 m였으나(Im et al., 1992), 1998~1999년에는 그보다 20 m 정도 더 하강한 것으로 나타난 다. 이는 1998년 녹천탕의 온천수위가 지표하 98~105 m에 위치하였으며, 1일 수위차는 2~4 m정도였던 것으 로 알 수 있다(Han, 1999). 2000~2001년에는 87~88 m에서 안정되었으며, 이는 이 기간 동안 온천수 사용량 이 거의 일정량을 유지했기 때문으로 판단된다. 그 이후 에 온천수 사용량 증가와 함께 온천수위가 하강하여 2014년 현재에는 120 m까지 하강하였다. 월별 온천수 위 변화를 살펴보면 1, 2월에 온천 수위 변화폭이 가장 크고, 7~9월에 변화폭이 가장 작은 것으로 나타났다. 이 러한 온천수위 변화는 주로 온천수 사용량에 좌우되며, 강수량의 계절적 변화도 작게나마 온천 수위에 영향을 미친다고 보여진다.

    동래온천의 온천수 총 사용량은 1991년(실제로는 1991년 3월부터 1992년 2월까지)에는 1,965 m3/day(시 영공은 958 m3/day, 사유공 1,007 m3/day)이었다(Im et al., 1992). 2014년 현재 온천수 사용량은 약 3,300 m3/day 정도로 추정된다.

    4.6.하천유량

    금정산지역에서는 2004년 4월부터 7월까지 8개 소유 역(SF1~SF8)에서 무강수시에 4차례에 걸쳐서 하천유 량을 측정하였다(Fig. 3). 8지점을 포함하는 수계영역의 총면적은 36.01 km2이며, 평균 유출량은 6481.31 m3/ day, 단위면적당 평균 유출량은 0.18 mm/day로 나타났다.

    강우시에는 하천 유출량의 대부분을 직접유출이 차지 하고, 강우가 그친 이후에는 대부분의 하천 유출량은 기 저유출로부터 공급된다. 따라서 연구지역의 유출량을 크 게 직접유출량과 기저유출량으로 분리하면, 기저유출량 은 3,844,439 m3/yr이고, 직접유출량은 36,673,128 m3/yr(강수량의 40.93%)으로 산정된다. 기저유출량은 SF6 유역(하명동쪽 대천천 계곡부)은 1,774,449 m3/yr, SF1 유역(범어사 계곡부)은 415,683 m3/yr, 그리고 나 머지 6개 소유역의 기저유출량은 7,000~47,000 m3/yr 이었다.

    4.7.지하수 수지

    지하수위 변동법에 의한 지하수 함양량은 276 mm/yr (강수량의 약 18%)이고, 물수지 방법으로 구한 연평균 증발산량은 738.37 mm/yr(강수량의 약 48%), 단위면적 당 평균 유출량은 65.7 mm/yr이다(Table 1). 따라서 연 구지역 면적(58,515,054 m2)에 대해서 총 연강수량은 89,598,251 m3/yr이며, 지하수 함양량은 16,150,155 m3/yr이고, 증발산량은 43,205,760 m3/yr이다. 무강우 지속기간에 계곡의 유출량은 3,844,439 m3/yr이며, 용 천수 용출량은 67,854 m3/yr(강수량의 0.08%)이다 (Cheong, 2003). 한편, 인위적인 지하수 유출량 (2,518,500 m3/yr)은 온천수 사용량 1,204,500 m3/yr, 산성마을의 지하수 사용량 401,500 m3/yr, 터널내로의 유출량은 912,500 m3/yr을 합한 값으로서 강수량의 2.81%가 된다.

    5.지하수 유동 모델링

    5.1.입력변수

    5.1.1.모델 영역 및 경계조건

    모델영역의 전체면적은 107.256 km2 (= 8.20 km × 13.08 km)이며 (Fig. 4), 모델영역의 서측경계는 낙동강 으로서 하천 경계, 북측과 남측 경계는 금정터널을 포함 하는 정상부의 불투수경계, 동측경계는 온천천으로서 하 천경계이다(Fig. 5). 모델영역의 격자수는 5580개(= 60 행 × 31열 × 3층)로 구성된다.

    5.1.2.초기수위

    초기수위는 금정터널 굴착 전인 2002년 6월 5일의 지 하수위를 기준으로 하였다. 그러나, 풍수기와 갈수기에 따른 지하수위 변화는 고려하지 않았다. 이는 본 연구에 서는 금정터널 굴착 직전의 초기 상태 지하수위를 시점 으로 하여 굴착에 따른 장기적인 지하수위 변화와 터널 유출량을 모사하고자 하였기 때문이며, 한편으로는 굴착 전의 지하수위 측정자료가 제한적이었기 때문이다.

    5.1.3.지하수 함양량, 하천 유출량, 양수량, 터널내 유출량

    모델영역의 지하수 함양량은 함양량 분석에서 구한대 로 276 mm/yr(강수량의 18.03%)을 초기 입력값으로 하 였다. 계곡의 총 유출량(기저유출량)은 3,844,439 m3/yr 이며, 하명동쪽 계곡은 1,774,449 m3/yr, 범어사 계곡은 415,683 m3/yr, 그리고 나머지 6군데의 계곡은 약 7,000~47,000 m3/yr을 입력하였다. 금정산성마을의 지하수 사용량은 401,500 m3/yr, 동래온천의 온천수 사용량은 1,204,500 m3/yr을 입력값으로 하였다. 한편 2,500 m3/ day을 금정터널내로의 지하수 유출량으로 입력하였다.

    5.1.4.수리전도도와 저류계수

    양수시험분석(Seong et al., 1999), 수압시험(Seong et al., 1999; Cheong, 2003), 순간충격시험(Cheong, 2003) 자료를 이용하여 구하였다. 양수시험에 의하면 수 리전도도는 1×10-6~1×10-8 m/sec에 있다. 수리전도도 는 구역에 따라 산성마을과 남문부근에 지역에는 4×10-7 m/sec, 금정산 동측 동래온천 지역에는 1×10-7 m/sec 그 리고 나머지 지역에 대해서는 5×10-8 m/sec를 입력하였 다(Fig. 6).

    양수시험 결과에 의하면 저류계수는 1.34×10-5~2.85×10-3이고, 평균값 2.42×10-4을 입력값으로 하였다.

    5.2.정상류 모델링

    경계조건, 지하수 함양량, 수리전도도, 계곡 유출량, 산성마을의 지하수 사용량과 동래온천의 온천수 사용량 을 입력 자료로 하였으며, 2002년 6월 5일의 초기 지하 수위 관측값의 근사값을 얻을 때까지 정상류 모델링을 수행하였으며, 지하수위 자료가 가장 많은 2002년 6월 자료를 기준으로 보정을 실시하였다(Fig. 7). 모델의 보 정에서는 실측값과 계산값의 상관계수를 95%로 유지하 며, 약 10 m의 평균 제곱근 합(RMS)을 도출하여 모델링 의 신뢰성을 획득하였다. 모델의 보정시에는 경계 조건 과 수리전도도, 함양량을 변화시켜 가면서 실시하였으며, 특히 산성마을과 온천장 일대에 대해서는 온천수 사용량 을 변화시키면서 보정하였다. 물수지 분석결과와 모델링 에 의한 물수지(Table 2)의 비교를 통한 보정도 실시하 였다. 정상류 모델링에 의한 지하수위 분포는 Fig. 8과 같다.

    5.3.부정류 모델링

    터널굴착에 따른 지하수위, 터널내 유출량, 기저유출 량 변화를 평가하기 위하여 굴착 시점(2002년 7월)을 고 려하여 부정류 모델링은 2002년 6월부터 2014년 5월까 지 총 12년간에 대해서 실시하였다. 부정류 모델링을 위 해서 금정터널의 배출경계에서 터널 굴착시점부터 시간 에 따른 지하수 유출량을 산정하였다.

    5.3.1.부정류 보정

    부정류 보정은 3단계에 걸쳐서 실시되었다. 1단계 보 정 시점은 굴착 이전의 2002년 6월의 굴착의 영향이 없 는 시점으로서 관측된 지하수위와 모사된 지하수위를 비 교하여 정상류 모델링을 실시하였다. 이를 통해 구해진 지하수위를 초기 지하수위로 설정하였으며, 이후 15일후 의 지하수위를 관측하여 비교하였다. 터널굴착에 따른 영향의 정상류 모델링 결과는 관측된 지하수위 분포와 잘 일치되는 모양을 보인다.

    2단계 보정은 터널 굴착 시작 후 2년이 경과된 2004 년 7월에 측정된 하천유출량과 부정류 모델링을 통해 계 산된 지하수 기저유출량과의 비교를 위해 실시되었다. 2단계 보정시 하천유출량은 5일 무강우 지속기간의 측정 된 하천유출량 값으로서 강우의 영향이 없이 지하수 기 저유출량과 동일한 것으로 간주하였다. 하천유출량은 총 8곳(SF1~SF8)에서 측정되었으며, 8곳 중에서 가장 큰 하천인 대천천(SF6)에서 측정된 기저유출량(7,855 m3/ day)은 계산된 지하수 기저유출량(9,780 m3/day)과 서 로 유사한 결과를 보인다(Fig. 9).

    3단계 보정은 굴착 완료 7년 경과 후로써, 2009년 7월 3일 터널내(사갱1과 사갱2)에서 측정된 지하수 유출량 과 터널 유출경계를 통한 계산된 지하수 유출량을 비교 하였다. 터널내(사갱1과 사갱2)에서 측정된 지하수 유출 량(2,060 m3/day)과 지하수 모델링으로 계산된 지하수 유출량(2,180 m3/day)은 서로 약 6% 정도의 오차를 가지 므로, 모델링 결과가 양호한 것으로 판단된다(Fig. 10). Fig .11

    5.3.2.기저유출량 산정

    금정터널 굴착시점으로부터 12년 후인 2014년 7월을 기준으로 기저유출량을 예측하였다. 예측된 기저유출량 은 터널 굴착 전의 9,796 m3/day로부터 30일 경과 후 9,780 m3/day, 2년 경과 후 9,680 m3/day, 7년 후 9,520 m3/day, 10년 후 9,437 m3/day으로 점차 감소하는 추세 를 보인다.

    이는 금정터널 굴착으로 인하여 지하수위 하강에 따 라 대수층의 지하수 저장량이 감소하고, 이로 인하여 하 천의 기저유출량이 감소함을 지시한다.

    6.결 론

    본 연구는 금정산의 결정질암(화강암) 지역에 대하여 지하수 모델링과 장기적인 지하수위 관측에 의해서 금정 터널내 지하수 유출량과 주변 하천의 기저유출량 변화 분석을 실시한 결과이며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

    1. 지하수위 변동을 이용한 함양량 산정에 의하면, 연 구지역의 지하수 함양량은 부산지역 평균 강수량(1531.2 mm)의 18.03%인 276 mm/yr (16,150,155 m3/yr)으로 나타났다.

    2. 물수지 분석에 의하면, 연구지역 하천의 직접유출 량은 36,673,128 m3/yr(강수량의 40.93%)이고, 기저유 출량은 3,844,439 m3/yr으로 산정되었다.

    3. Turc 방법으로 구한 연평균 증발산량은 738.37 mm(연평균 강수량의 약 48.22%)이었다.

    4. 1999년 5월 27일부터 2013년 10월 4일까지 연구 지역 지하수공의 각 연도별 지하수위 변동은 0.21~7.27 m(평균 2.11 m)이며, 대체로 10월경에 지하수위가 가장 높고, 5월경에 지하수위가 가장 낮다. 또한 강우에 의한 지하수위 상승의 지연시간은 약 2~3개월인 것으로 나 타난다.

    5. 부정류 모델링 결과, 대천천의 기저유출량은 금정 터널 굴착시점에 9,796 m3/day부터 12년 경과 후인 2014년 7월에 9,402 m3/day까지 약 400 m3/day 감소하 였다. 이는 금정터널 굴착으로 인하여 대수층의 지하수 저장량이 감소하고, 이로 인하여 기저유출량이 감소하였 음을 지시한다.

    6. 금정터널이 완공 후 약 6년이 경과한 시점에서 금 정산 지역의 수리지질학적 특성 및 함양량 평가는 이 지 역의 지하수 및 온천수의 장기적인 변화를 규명하는데 도움을 줄 것으로 본다.

    Figure

    JESI-24-1691_F1.gif

    Location of the study area with boundary (dark blue color) and stream (blue color).

    JESI-24-1691_F2.gif

    Groundwater level fluctuation at KJ-2, KJ-7, KJ-15, and KJ-22 wells.

    JESI-24-1691_F3.gif

    Location of the watersheds (SF1-SF8) in the study area.

    JESI-24-1691_F4.gif

    Model area and boundaries.

    JESI-24-1691_F5.gif

    Model grid and boundary conditions.

    JESI-24-1691_F6.gif

    Domains of hydraulic conductivities.

    JESI-24-1691_F7.gif

    Observed groundwater level vs calculated ground -water level by the steady state modeling.

    JESI-24-1691_F8.gif

    Calibrated groundwater level distribution by the steady state modeling.

    JESI-24-1691_F9.gif

    Calibrated baseflow through stream boundary of Daecheon (SF6).

    JESI-24-1691_F10.gif

    Calibrated inflow through drain boundary of tunnel.

    JESI-24-1691_F11.gif

    Trend of estimated baseflow rate for 12 years (2002 -2014).

    Table

    Water balance

    Flow budget

    Reference

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