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ISSN : 1225-4517(Print)
ISSN : 2287-3503(Online)
Journal of Environmental Science International Vol.28 No.12 pp.1157-1169
DOI : https://doi.org/10.5322/JESI.2019.28.12.1157

Analysis of Groundwater Flow Characterstics and Hydraulic Conductivity in Jeju Island Using Groundwater Model

Min-Chul Kim, Sung-Kee Yang1)*
Jeju Research Institute, Jeju 63147, Korea
1)Department of Civil Engineering, Jeju National University, Jeju 63243, Korea

본 논문은 2018년도 제주대학교의 박사 학위논문의 축약본(일부)입니다.


Corresponding author: Sung-Kee Yang, Department of Civil Engineering, Jeju National University, Jeju 63243, Korea Phone : +82-64-754-3451 E-mail : skyang@jejunu.ac.kr
08/10/2019 30/10/2019 02/12/2019

Abstract


We used numerical models to reliably analyze the groundwater flow and hydraulic conductivity on Jeju Island. To increase reliability, improvements were made to model application factors such as hydraulic watershed classification, groundwater recharge calculation by precipitation, hydraulic conduction calculation using the pilot point method, and expansion of the observed groundwater level. Analysis of groundwater flow showed that the model-calculated water level was similar to the observed value. However, the Seogwi and West Jeju watersheds showed large differences in groundwater level. These areas need to be analyzed by segmenting the distribution of the hydraulic conductivity. Analyzing the groundwater flow in a sub watershed showed that groundwater flow was similar to values from equipotential lines; therefore, the reliability of the analysis results could be improved. Estimation of hydraulic conductivity distribution according to the results of the groundwater flow simulation for all areas of Jeju Island showed hydraulic conductivity > 100 m/d in the coastal area and - 1 45 m/d in the upstream area. Notably, hydraulic conductivity was 500 m/d or above in the lowlands of the eastern area, and it was relatively high in some northern and southern areas. Such characteristics were found to be related to distribution of the equipotential lines and type of groundwater occurrence.



지하수 모델을 이용한 제주도 지하수 유동특성 및 수리전도도 분석

김 민철, 양 성기1)*
제주연구원
1)제주대학교 토목공학과
    Jeju National University

    1. 서 론

    제주도는 화산활동에 의해 형성된 섬으로 지표수를 활용한 수자원 확보는 어렵지만, 지하수 함양량은 수문 총량의 40.6%로 전체 수자원의 90% 이상을 지하수로 이용하고 있다(Jeju Special Self-Governing Province, 2018). 최근 제주도는 인구와 관광객 급증, 특용작물 및 시 설하우스 증가 등으로 인해 상수도 및 농업용수 수요량이 급격하게 증가하고 있어 안정적 용수공급을 위한 지하수 개발이 지속적으로 이루어지고 있다. 신규 지하수를 개 발하기 위해서는 제주특별자치도 지하수 관리 조례에 따 라 현장관측 자료와 함께 수치모델을 기반으로 한 지하 수 개발에 따른 영향분석을 실시하도록 하고 있다. 특히, 지하수 개발에 의한 수위변동 및 유동특성 분석 등의 부 정류(Transient)해석을 위해서는 우선 정상상태의 개념 모델이 신뢰할 수 있도록 구축되어야만 한다. 개념모델 구축을 위해 모델에 입력되는 주요 인자는 유역경계, 지 층구조, 지하수 함양량, 지하수위 관측정, 수리전도도 등 이며, 모의된 분석결과가 지하수위 관측자료와 부합하도 록 매개변수를 보정하여 모델을 구축하고 있다(Ko, 2016).

    지하수 모델 입력인자 중 유역경계는 지표수 유역으 로 구분된 16개의 소유역으로 적용되며(Jejudo, 2003), 지하수 함양량은 2013년 제주특별자치도 수자원관리종 합계획에서 물수지 분석을 통해 산정된 20년(1992∼ 2011년)평균값을 입력하고 있다. 지하수위 자료는 도내 133개소의 지하수위 관측망 자료를 활용하고 있으며, 수 리전도도는 지하수 관정 개발당시 산정된 결과를 모델에 입력하고 있다. 그러나 모델에 입력되는 단일 인자들의 적용방법에 대하여 다양한 문제점을 가지고 있다. 제주 지역은 지역별 표고와 지하수위간의 일정한 관계를 찾기 어려울 정도로 대수층의 수리적 차이가 크게 발생하고 (Choi, 1999), 전역 적으로 표고와 지하수위의 상관관계 가 낮아 지표수 유역을 지하수 유역으로 적용하기에는 어려움이 있다(Kim and Yang, 2019). 지하수 함양량은 과거 물수지 분석을 통해 산정된 1992∼2011년의 평균 값을 모델에 입력하고 있지만 모델의 검‧보정을 위한 지 하수위 자료는 물수지 분석 이후의 관측된 자료로 활용 되고 있어 분석방법에 문제점이 내재되어 있다. 지하수 위 관측정은 도내 133개소가 설치되었으나, 16개의 소 유역 중 10개소 미만의 관측정이 설치된 유역이 11개로 모델 분석결과를 검‧보정하기 위한 관측정 수가 적어 모 델결과의 신뢰성을 판단하기가 매우 어렵다. 또한 수리 전도도는 공간적으로 비균질적인(heterogeneity) 특성 이 나타나므로 수리전도도를 예측하기가 매우 어렵다. 실무에서는 분석결과의 신뢰성을 확보하기 위해 양수시 험을 통해 산출된 결과를 이용하지만, 소수의 자료를 연 구지역 전체에 대푯값으로 적용하고 있어 모델링 분석결 과에 대한 신뢰성은 낮아질 수밖에 없는 실정이다.

    본 연구에서는 제주도의 지하수 흐름을 보다 현실적 으로 도식화하고 유동특성을 분석하기 위하여 지하수 모 델에 입력되는 지하수 소유역 경계와 지하수 함양량, 지 하수위 관측지점, 수리전도도 적용방법을 개선하여 적용 하였다. 또한 모델링 분석 결과를 토대로 제주도 전역의 수리전도도 분포 특성 공간적으로 분석하고, 수리전도도 분포를 지하수위 특성과 비교하여 상호관계를 고찰하였 다.

    2. 지하수 모델 입력자료 구축

    2.1. 소유역경계

    제주도의 지하수 유역은 4개의 중유역과 16개의 소유 역으로 구분하고 있다. 2003년 제주도와 수자원공사에 서는 수문지질학적 특성에 의거하여 지하수 관리유역 구 분을 시도하였으나, 지하수 분수령을 세분화하기에는 한 계가 있어 1:5,000 수치지형도의 지형, 하천, 지표분수령 등 지표특성을 고려하여 설정된 16개의 소유역을 지하수 유역으로 제시하였다(Fig. 1).

    그러나 Na et al.(2007)은 제주도의 지하수 해석을 위 해 적용되는 유역설정은 지표유역을 기준으로 분석되고 있어, 지하수 모델분석의 검‧보정 과정과 결과에 대해 면 밀한 검토가 필요하다고 제시하였다. Kim et al.(2015) 과 Park et ak.(2016)은 지표유역을 기준으로 모델링 분 석시 관측수위와 계산수위를 유사하게 분석할 수 있지만, 유동방향에 대한 결과가 실제 지하수 흐름과 상이하게 분석되므로 지하수 흐름에 대해서도 검‧보정이 필요하다 고 제시하였다. 또한, Ko(2016)에 의하면 제주지역의 독 특한 지하수위 특성으로 인해 동일유역 내에서도 표고와 지하수위가 상반된 결과가 나타나고 있어 지하수 유동해 석의 검‧보정에는 한계가 있다고 제시하였다. 특히, 지하 수 유동 해석을 위해서는 3차원 수치해석 모형이 적용되 는데 수치해석 모형에서의 활성화 경계(Boundary)는 지 하수 유역을 기준으로 설정되며, 지하수 유역구분은 지 하수 모델 분야에서 가장 중요한 요소로 강조되고 있다 (Feanke et al., 1987;Franke and Reily, 1987).

    따라서 이 연구에서는 지하수위 등수위선을 기준으로 지하수 경계를 설정하여 소유역을 구분하였다(Kim and Yang, 2019). 지하수위 데이터는 125개소의 지하수위 관측정에서 2012년부터 2016년까지 관측된 자료를 이 용하였으며, 지하수위 등수위선은 Kriging 기법을 적용 하여 작성하였다(Fig. 2). 지하수 경계는 지하수 흐름방 향과 장‧단경, 소유역 내 지하수위 관측소 위치를 고려하 여 8개의 소유역으로 구분하였다(Fig. 3)

    2.2. 지하수 함양량

    지하수 함양량을 추정하는 방법으로는 물수지, 토양 수분수지, 기저유출분리, 지하수위 변동, 지하수위 감수 곡선 등 다양한 방법이 있으며, 각각의 지하수 함량량 산 정방법은 연구자, 또는 연구의 개념에 따라 상대적인 오 차와 장단점이 있다(Yun et al, 2009). 본 연구에서는 강 수분석을 수행한 후 제주특별자치도 수자원종합계획 2013-2022(2013)에서 물수지 방법으로 산정된 함양율 44.5%를 적용하여 유역별 함양량을 산정하였다.

    도내에는 2016년 기준 총 91개소의 강우관측소가 있 으며, 이 연구에서는 지하수위의 관측 자료와 동일시기 로 적용하기 위해 2012년부터 2016년까지 측정된 강우 관측소 71개소의 자료를 활용하였다(Fig. 4.). 제주도의 강수특성은 고도에 의해 편차가 크게 나타나므로 등우선 법을 적용하였다(Jung, 2013).

    강우관측소의 지점별 데이터를 기반으로 Fig. 4과 같 이 등우선을 구축한 후 각각의 소유역 면적과 등우선 간 격에 따라 4∼5개의 함양경계를 설정하고, 경계지역의 면적을 고려하여 면적강우량을 산정하였다. 산정된 면적 강우량에 제주도의 평균 함양율 44.5%를 적용하여 소유 역별 지하수 함양량을 산정하였다(Table 1).

    2.3. 지층구조

    제주도는 수십회의 용암분출로 형성된 화산섬으로 용 암분출 시기에 따라 용암류의 특성이 다르고, 지층구조는 용암류의 특성에 따라 다층의 지질구조를 보이며, 지역 적으로 상이하고 다양한 지질구조 특성을 보인다. 그러 나 실제 수치해석 모형에서는 복잡한 지하지질구조를 표 현하는데 어려움이 발생되기 때문에 이 연구에서는 현무 암층과 저투수층 등 2개의 Layer로 단순화하여 설정하 였다.

    제주도의 수직적인 지층을 구성하기 위해 1 layer는 현무암층, 2 layer는 저투수층 2개의 layer로 구분하였으 며, 1 layer의 표면은 1:5,000의 수치지형도를 이용하여 생성한 수치표고자료(DEM)를 interpolation하여 소유 역별로 실제 수직적인 층을 적용하였다.

    Fig. 5는 하부의 저투수층(low permeable) 구조로 Kim et al.(2015)이 지하수위 관측정 및 기설관정의 지 질주상도로부터 저투수성 퇴적층인 서귀포층, 응회암, 고토양층의 포착심도를 고려하여 작성된 결과이며, 현무 암층의 하부는 저투수층을 기준으로 구성하였다. 다만, 서귀유역의 하류 지역인 해안가 부근에는 일정수두경계 면(Constant Head Boundary)으로 설정한 해안경계선 의 지하수위(EL. 0.0 m)보다 하부의 Top elevation이 상부에 위치하여 해안가 인근의 Cell에서 Mark flooded cells 현상이 발생되기 때문에 해안가 인근 하부 현무암 층 셀의 바닥 Elevation을 해수면 이하로 낮추어 분석하 였다. 이는 MODFLOW의 층위가 연속성을 보이는 구 조화된 Grid를 사용하기 때문에 서귀유역의 하류지역과 같이 현무암층이 단절 즉, pinchout과 같이 일반적인 현 상을 명확히 표현하는데 제한되므로 유한 차분 격자들의 고도 값들을 재설정하여 분석하였다. 각 유역별 layer에 적용된 Top과 Bottom은 Table 2와 같다.

    2.4. 지하수위 자료

    도내 지하수위 관측정은 2016년 기준 총 133개소가 설치‧운영 중에 있다. 그러나 지하수위 관측정은 대부분 표고 600 m 이하에 위치하고 있으며, 중산간지역인 표 고 600 m 이상 지역에는 총 3개소만 위치하고 있어 상류 지역에 대한 모델링 결과 검증에 대한 한계가 있다. 이러 한 문제점을 보완하기 위하여 Park et al.(2016)과 Kim et al.(2016)은 지하수 등수위선 자료를 활용하여 미계 측지역의 수위를 예측한 후 모델 검증방안으로 제시한 바 있으며, 이 연구에서는 지하수 유역설정을 위해 구축 된 지하수위 등수위선을 TIN (Triangulated Irregular Network)형태로 생성하고, DEM자료로 구축하여 미계 측지역의 지하수위를 추출한 후 모델의 검증자료로 활용 하였다. 수치고도자료의 DEM (Digital Elevation Model) 방식은 지형 고도자료를 처리하는 방법 중 최적 의 방법으로 동일한 크기와 밀도를 가지는 격자망을 사 용하여 지점별로 고도값을 추출한다. 지하수위의 산정 지점은 기존의 지하수위 관측정의 위치를 포함하였으며, 미계측지역인 경우 유역별 면적과 산출지점간의 거리를 고려하여 유역별로 23∼39개소의 지하수위를 산출하였 다(Fig. 6).

    2.5. 수리전도도

    수리전도도를 적용하기 위해서는 지층 및 대수층의 특성 등 다양한 수리학적 요소를 고려하여 적용해야 하 지만 지하지질의 형태를 명확히 판단하기 어렵고, 매우 복잡한 구조로 형성되었기 때문에 정확한 값을 입력하기 에는 한계가 있다(Kim, 1999).

    제주도의 수리전도도 범위는 8.7∼2,400 m/day로 수 리전도도의 편차는 매우 큰 특징을 나타낸다(Jejudo, 2003). 이 연구에서의 수리전도도 적용은 해석모델의 보 정 방법 중 Regularization(정규화)라고 불리는 Pilot point 기법을 적용하였다. 정규화방법은 균일한 제한을 통해 interpolation되는 인자의 값에 조밀한 데이터로 적 용되어야 하는 객체 함수로부터의 적절한 영향을 보이는 값이 부재한다면, 인근의 Pilot point들로부터 평균값을 제한하도록 하여 모델 자동보정의 과정을 더욱 안정하게 하도록 유도한다. 정규화를 이용한 Pilot point 기법을 이 용하면, 관측정의 지하수위의 잔차를 현저하게 줄일 수 있는 복잡한 투수계수 분배를 정의 할 수 있다(Aquaveo, 2015).

    제주도와 같이 수리전도도 값이 지역별로 차이가 크 고 동일 유역 내에도 다른 지질구조를 보이는 등 동일 매 질에서 동일 투수성을 보이지 않는 다양함으로 인해 실 측값들을 적용하기에 어려운 곳에서 정규화라는 보정방 법은 지하수 유동해석을 함에 있어 최적화된 방법이다 (Ko, 2016). 통상적으로 40∼50개 또는 그 이상의 지점 을 사용하는 것이 적절하며, 이 연구에서는 Fig. 7과 같이 소유역별 면적을 고려하여 49∼59개 지점을 유역 내에 분산화 하여 수리전도도 값을 설정하였다.

    2.6. 격자망 구성

    격자망을 구성하는 과정에서 각각의 연구유역과 인접 한 유역의 경계면은 지하수 흐름에 의한 영향이 없는 NO-FLOW로 설정하고, 비활성화 셀(Inactive cells)로 설정하여 모델분석의 효율성을 높였으며 각각의 분석유 역은 Active cell로 구성하였다.

    각각의 소유역별 격자망을 구성하기 위해서는 유역경 계 Coverage에서 Max size와 Base size를 적용하여 소 유역별로 격자망을 200m × 200m로 설정하고, 연구대 상유역 이외의 지역은 비활성화 셀로 설정하였다. 표선- 성산유역 내 활성화셀(active cells)은 2개의 layer를 포 함하여 13,070개의 셀 격자망으로 구성되었으며, 구좌 유역은 11,456개, 대정-안덕유역은 11,528개, 한림-한경 유역은 10,782개, 남원유역은 9,664개, 서귀유역은 10,546개, 동제주유역은 13,062개, 서제주유역은 15,302 개로 구성되었다(Table 3).

    3. 지하수 유동 해석 결과

    제주도를 8개의 소유역으로 구분하여 지하수 유동분 석을 실시하였다. 일반적으로 모델분석 결과의 검증은 실제 관측된 지하수위자료와 모델에서 분석된 수위자료 를 비교하여 잔차를 산정하고, 수위 차이에 따라 모의된 결과를 평가한다. 그러나 Park et al.(2016)은 관측지점 에 대해서만 검증을 할 경우, 소유역 내 지하수 흐름에 대 한 검증은 어려워 지하수 방향에 대한 검증도 필요하다 고 제시하였다. 따라서 이 연구에서는 관측수위와 분석 수위간의 잔차와 지하수 흐름방향의 검증을 실시하여 모 델 결과의 적정성을 평가하였다.

    지하수 흐름은 지하수가 가장 높게 형성된 상류지역 에서 하류(해안)지역으로 낮아지는 형태로 분석되었다. 특히, 동부 표선-성산유역과 구좌유역의 경우 상류지역 에서 하류지역까지 지하수위가 가장 완만한 특성을 보이 고, 남부 남원유역과 서귀유역은 가장 급하게 지하수위 가 형성되었다. 이는 현무암층 하부의 저투수층이 동부 지역은 –140.2 ~ 96.0 m에 분포하는 반면, 남부지역은 –75.3 ~ 180.0 m에 분포하고, 해안에서부터 거리는 동부 약 46 km인 반면, 남부지역은 약 17 km로 지형적 영향 에 따라 지하수위의 경사차이가 발생되는 것으로 판단된 다(fig, 8).

    소유역별 정상류 상태의 지하수 흐름분석 결과에 대 하여 관측수위와 계산수위의 잔차, RMSE (Root Mean Square Error)를 분석하였다. 표선-성산유역의 관측수위 는 0.26 ∼ 131.66 m이며, 계산수위는 0.29 ∼ 131.68 m로 관측수위와 계산수위간의 잔차는 0.03 ∼ 3.11 m로 확인되었다. 구좌유역의 관측수위는 0.47 ∼ 181.03 m, 모델분석 결과는 0.5 ∼ 176.45 m로 잔차는 –4.57 ∼ 2.54 m로 분석되었으며, 대정-안덕유역은 관측수위 0.39 ∼ 215.96 m, 계산수위 0.06 ~ 211.64 m로 잔차는 –4.32 ~ 4.72 m로 분석되었다. 한림-한경유역은 관측수 위 1.08 ~ 286.05 m, 계산수위 0.19 ~ 283.77 m로 잔차 는 –15.69 ~ 10.14 m로 분석되었으며, 남원유역은 관측 수위 0.43 ~ 290.43 m, 계산수위 0.29 ~ 287.43 m로 잔 차는 15.11 ~ 5.01m로 분석되었다. 서귀유역의 관측수 위는 1.25 ~ 365.05 m, 계산수위는 3.59 ~ 362.75 m로 잔차는 –19.87 ~ 18.13 m로 분석되었으며, 동제주유역 은 관측수위 0.2 ~ 295.39 m, 계산수위 0.2 ~ 295.99 m, 잔차는 –1.06 ~ 1.54 m로 분석되었다. 서제주유역의 관 측수위는 0.95 ~ 341.76 m, 계산수위는 0.42 ~ 339.81 m로 잔차는 –20.82 ~ 14.48 m로 분석되었다. 특히, 서 귀유역과 서제주유역에서 관측수위와 계산수위간의 잔 차가 가장 큰 것으로 확인되었다. 서귀유역은 서쪽 상류 관측정과 중앙의 관측정에서 잔차가 크게 나타나는데, 두 지점간의 거리는 약 2.1 ㎞의 짧은 거리인 반면 지하 수위는 276.93 m로 크게 발생되어 상류지역 수위는 관 측수위 대비 비교적 낮은 수위가 산출되고, 중앙의 관측 정은 비교적 높은 수위가 산정되었다(fig. 9(f)) 서제주유 역은 서쪽 중앙에 위치한 관측정에서 지하수 잔차가 크 게 나타나는데, 서귀유역과 마찬가지로 두 관측지점간의 거리는 2.9 ㎞이지만, 지하수위의 차이는 170.76 m로 수 두차이가 크게 나타나 이상적인 지하수위 값을 도출하기 가 어려웠다(fig. 9(h)). 이러한 지역은 지하지질의 대수 층 구조 특성에 따라 국부적으로 상‧하류간 수두차이가 크게 나타나는 것으로 판단되며, 모델분석 시 수리전도 도 분포를 세분화하여 분석되어야 할 것으로 판단된다.

    RMSE 분석 결과 표선-성산유역은 1.616, 구좌유역 은 1.864, 대정-안덕유역은 1.941, 한림-한경유역은 3.41, 남원유역은 2.943, 서귀유역은 6.177, 동제주유역 은 0.544, 서제주유역은 6.005로 수두잔차가 크게 분석 된 서귀유역과 서제주유역을 제외하고 낮은 결과를 도출 할 수 있었다(fig. 10).

    소유역별로 분석된 지하수 유동방향을 앞에서 분석된 지하수 등수위선과 비교하여 모델링 결과를 평가하였다. 표선-성산유역은 동남방향으로 지하수 흐름이 발생되었 으며, Y축 기준 등수위선은 약 14°, 분석결과는 약 15° 로 유사한 흐름을 보였다. 구좌유역은 북동방향으로 지 하수 흐름이 발생되고, 등수위선은 X축 기준 약 35°, 분 석결과는 X축 기준 약 35°의 흐름을 보였으며, 대정-안 덕유역은 남서방향으로 흐름이 발생되고, X축 기준 등수 위선은 약 27°, 분석결과는 약 26°로 분석되었다. 한림- 한경유역은 북서방향으로 지하수 흐름을 보이고, Y축 기 준 등수위선은 19°, 분석결과는 19°로 분석되었다. 남원 유역은 동남방향으로 지하수 흐름을 보이고, Y축 기준 등수위선은 47°, 분석결과는 47°이며, 서귀유역은 남쪽 방향으로 지하수 흐름이 발생되고, X축 기준 등수위선은 3°, 분석결과는 3°이다. 동제주유역은 북쪽방향의 지하수 흐름으로 Y축 기준 등수위선은 94°, 분석결과는 94°이 며, 서제주유역은 북서방향으로 흐름이 발생되고, Y축 기준 등수위선은 75°, 분석결과는 73°로 분석되었다. 총 8개의 소유역 지하수 흐름방향은 등수위선 구축결과와 유사한 흐름을 보이고 있어 분석 결과의 신뢰도를 향상 시킬 수 있었다. Table 4

    4. 지하수 수리전도도 특성

    4.1. 모델링 분석을 통한 수리전도도 분포 특성

    Fig. 11은 제주도 8개 유역을 대상으로 모델분석을 통 해 산출된 수리전도도 결과이다. 전반적으로 해안지역은 100 m/d 이상의 수리전도도 특성을 보이며, 중 상류지역 은 1 ∼ 45 m/d의 수리전도도 결과가 산출되었다.

    동제주유역, 구좌유역, 표선-성산유역, 남원유역의 하 류지역은 수리전도도가 500 m/d 이상 크게 분포하고 있 는 반면, 표고 약 200 m 이상 지역과 대정-안덕지역의 경 우 500 m/d의 이하의 결과가 산출되었다. 특히, 동부지 역의 경우 해안에서 내륙으로 약 12 km까지 수리전도도 가 500 m/d 이상 분포하는 것으로 분석되었다.

    표선-성산유역의 평균 수리전도도는 227.67 m/d로 8 개 유역 중 가장 크게 산출되었으며, 구좌유역 186.24 m/d, 남원유역 112.42 m/d, 동제주유역 110.89 m/d로 동부지역의 평균 수리전도도가 비교적 크게 분포하였다. 서부지역의 서제주유역, 한림-한경유역, 대정-안덕유역, 서귀유역은 각각 39.37 m/d, 78.85 m/d, 26.79 m/d, 60.92 m/d로 동부지역에 비해 비교적 작게 분포하였다. 수리전도도의 범위가 가장 큰 유역은 남원유역으로 동부 해안지역에서 가장 큰 수리전도도(2,770.84 m/d)가 산 출되었다. 표선-성산유역은 2,707.61 m/d, 구좌유역은 2,625 m/d, 동제주유역은 2,205.77 m/d, 한림-한경유역 1,533.35 m/d, 서귀유역 1,525.48 m/d, 서제주유역 874.30 m/d, 대정-안덕유역 444.41 m/d로 분석되었다 (Table 5).

    4.2. 모델분석에 따른 수리전도도와 지하수 유동특성 비 교‧검토

    Fig. 12(a)는 제주도의 지하수 부존형태로서 동부지 역에 기저지하수체가 광범위하게 분포하며, Fig. 12(b) 는 지하수 등수위선으로 동부지역에는 해안선 12 km까 지 10 m 이내의 지하수위를 나타내고 있다.

    제주도의 지하수 부존형태는 G-H원리와 현무암층 하 부의 저투수층 구조에 따라 기저지하수, 준기저지하수, 상위지하수로 구분되는데, 동부지역과 서부해안지역에 서는 담수지하수 하부에 염지하수가 부존하고 있어 기저 지하수로 분류된다. 특히, 동부지역은 해안에서 내륙지 역으로 9 ∼ 12 km의 범위의 투수성이 좋은 현무암류가 누층을 이루고 있으며, 해수의 압력에 의해 바닷물이 내 륙으로 유입할 수 있는 공극 또는 틈이 잘 발달되어 있는 특성을 보인다(Koh et al, 2006). 수리전도도 산출결과 에 의하면, 기저지하수체가 분포하고 있는 동부지역의 경우 타 지역에 비해 비교적 높은 500 m/d 이상의 수리 전도도 특성이 광범위하게 나타났다.

    제주도의 지하수위는 제주도 중심에서부터 해안지역 으로 진행될수록 낮아지는 경향을 보인다. 특히, 동부지 역은 전반적으로 완만한 수두경사특성을 보이고, 북서부 와 남부 일부지역의 상류부에서는 급격한 수위특성을 보 이다가 하류부에서는 완만한 수두경사특성을 보이고 있 다. 수리전도도는 대수층 내의 지하수가 단위면적의 면 을 통과할 수 있는 척도로서 균일한 층의 단면적과 길이 가 동일하다고 할 때 지하수의 이동속도는 수두차(수두 경사)와 수리전도도에 의해 결정된다(Park, 2016). 즉, 이 연구에서 수리전도도 결과가 높게 나타난 서북부와 남부지역과 같은 경우 상류부의 급격한 수위경사특성에 반해 갑작스럽게 완만해진 수위에 영향으로 국소적으로 수리전도도가 500 ∼ 1,500 m/d로 산출되었다.

    제주도의 수리전도도특성과 지하수 부존특성, 등수위 선 분포특성을 종합적으로 비교‧검토한 결과, 비교적 높 은 수리전도도 산출특성이 광역적으로 분포하는 지역은 완만한 지하수위 분포특성을 보이며, 기저지하수가 광범 위하게 분포하는 지역이다. 즉, 지하 대수층의 수리전도 도 특성은 지하수위와 지하수 부존형태와의 상호 연계가 능성이 나타나는 것으로 판단된다.

    4.3. 수리전도도의 지하수 양수시험 결과와 비교‧검토

    Table 6은 제주도 동부, 서부, 남부, 북부지역에 위치 한 광역상수도 취수정 84공과 해수침투 감시 관측정 4공 의 양수시험을 통해 산정된 수리전도도 결과이다 (Jejudo, 2003). 동부지역의 27개공 대상 수리전도도는 평균 839.0 m/d, 최대 2,266.2 m/d이며, 서부지역은 4개 공 대상 평균 199.20 m/d, 최대 385.00 m/d, 남부지역은 21개공 대상 평균 637.50 m/d, 최대 2,400.00 m/d, 북부 지역은 36개공 대상 평균 358.40 m/d, 최대 1,650.10 m/d이다.

    Table 7은 본 연구에서 산출된 수리전도도 결과로 동 부(표선-성산, 구좌유역), 서부(대정-안덕, 한림-한경유 역), 남부(남원, 서귀유역), 북부(동제주, 서제주유역)지 역으로 구분하여 2003년에 분석된 수리전도도와 비교하 였다.

    동부지역의 평균 수리전도도는 206.36 m/d, 최대 2,707.61 m/d이며, 서부지역의 평균 수리전도도는 51.91 m/d, 최대 1,534.35 m/d이다. 남부지역의 평균 수 리전도도는 86.67 m/d, 최대 2,771.84 m/d, 북부지역의 평균 수리전도도는 72.85 m/d, 최대 2,205.77 m/d로 분 석되었다. 전반적으로 2003년에 분석된 지역별 평균 수 리전도도가 본 연구의 평균 수리전도도에 비해 3.8배 ∼ 7.4배 크게 나타난다. 2003년에는 실제 굴착된 지하수 및 관측정에 한하여 조사된 결과로 상류지역(표고 600 m이상)의 자료는 부재하고, 하류지역의 표본을 대상으 로 하고 있어 비교적 높은 수리전도도가 산출되었으며, 본 연구에서는 유역전체를 바탕으로 수리전도도를 산출 하였기 때문에 비교적 낮게 산출된 것으로 판단된다. 그 러나 수리전도도의 최대값은 본 연구에서 산출된 결과가 1.15 배 ∼ 3.98배 크게 나타났으며, 2003년의 경우 양 수시험 표본수가 4개공 ∼ 36개공에 반해 본 연구에서는 94지점 ∼ 114지점으로 일정간격으로 광범위하게 조사 하였기 때문에 수리전도도의 범위는 비교적 크게 산출된 것으로 판단된다.

    5. 결 론

    제주지역의 지하수 흐름특성을 보다 신뢰성 있게 분 석하기 위해 수치모델 적용인자를 개선하여 지하수 유동 특성 및 수리전도도를 분석·검토하고, 모델에서 산정된 수리전도도의 분포 특성을 공간적으로 분석한 결과는 다 음과 같다.

    • 1) 제주도 지하수 수치모델 결과의 신뢰성을 향상시 키기 위해 수리학적 유역구분, 강수특성에 따른 지하수 함양량 산정, Pilot point기법을 적용한 수리전도도 산정, 상세한 모델 검‧보정을 위하여 관측 지하수위 자료 확장 등 모델 적용인자를 개선하였다.

    • 2) 지하수 유동분석 결과, 관측수위와 계산된 수위는 전체적으로 유사하게 나타났으나, 서귀와 서제주유역에 서는 국부적으로 잔차가 크게 산정되었다. 해당 지역은 지하지질의 대수층 구조 특성에 따라 상‧하류 지역의 수 두차가 크게 나타나는 지역으로 판단되며, 모델 분석 시 수리전도도 분포를 세분화하여 분석되어야 한다.

    • 3) 소유역간의 지하수 흐름 방향성을 검토한 결과, 지 하수 등수위선과 유사하게 나타나는 것으로 분석되어 지 하수 유동해석의 신뢰도를 향상시킬 수 있었다.

    • 4) 제주도 전역의 지하수 유동모의 결과로부터 수리 전도도 분포를 분석한 결과, 해안지역은 100 m/d 이상, 상류지역은 1 ~ 45 m/d로 나타났다. 특히, 동부지역 저 지대에서는 500 m/d 이상의 수리전도도를 보였으며, 북 부와 남부 일부지역에서는 비교적 높게 나타고 있다. 이 러한 특성은 지하수 등수위선 분포와 부존형태 등과 밀 접한 관련성이 있는 것으로 나타났다.

    제주지역은 지하수의 체계적인 관리를 위해 지하수 분석‧예측에 관한 연구는 필수적이다. 이 연구는 제주도 지하수 흐름을 보다 신뢰성 있도록 구축‧해석하기 위해 모델적용 인자를 개선하고, 검증한 결과로 향후 지하수 의 개발‧이용과 관리정책 등을 수립하는데 유용한 자료로 활용될 수 있다. 특히, 모델결과의 신뢰성을 더욱 향상시 키기 위해서는 관측망의 확대 ‧ 조사와 지하지질구조에 대한 상세한 연구·조사가 필요하며, 지속적으로 조사된 연구결과를 비교 · 검토하여 모델 구축을 위한 개선 · 연 구가 진행되어야 한다.

    감사의 글

    이 논문은 2019학년도 제주대학교 교원성과지원사업 에 의하여 연구되었습니다.

    Figure

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    Watershed and Groundwater Observations of Jejudo (2003).

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    Groundwater contour map in Jejudo.

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    8watershed of Jejudo.

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    observation station and Isohyetal map of Jejudo.

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    Plan view of low permeability layer depth.

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    Random points for groundwater level.

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    Pilot point for hydraulic conductivity.

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    Groundwater level slope by region.

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    Groundwater flow analysis results.

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    Computed vs. Observed Values.

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    Hydraulic conductivity distribution map of Jejudo.

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    Groundwater Occurrence and Groundwater table contour map in Jejudo.

    Table

    Groundwater recharge by subwatershed unit : cm/s

    Elevation analysis of basaltic and low permeability layer unit : El. m

    Grid network configuration

    Groundwater Flow Direction

    Hydraulic conductivity results by subwatershed unit : m/d

    Hydraulic conductivity results by pumping test unit : m/d

    Hydraulic conductivity results by modeling unit : m/d

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