Aims & Scope

지하수와 지표수는 하나의 수자원으로서, 지하수와 하천수의 상호 작용은 두 시스템간의 연결성을 이해함으로써 파악할 수 있다. 지하수위의 상승은 기저유출을 통한 하천수위의 상승을 유발하고 지하수의 오염은 하천수의 수질 악화에 기여하게 된다. 지하수 사용의 증가는 하천수를 이득하천에서 손실하천으로 변화시키고 사용 가능한 하천수의 감소를 가져올 수 있다. 지표수와 지하수의 연계에 대한 연구는 지난 수십년간 다양하게 수행되어 왔는데, 최근에는 다양한 추적자를 활용한 지표수-지하수 혼합대에서의 물과 오염원의 이동 기작에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다(Schmidt et al., 2006; Boulton, 2007; Engelhardt et al., 2011; Lautz, 2012; Lautz and Ledford, 2013). 오염원의 상호 작용에 대한 연구로서, 이득하천의 경우 지하수내의 질산성질소나 염도가 하천 수질에 영향을 미치고(Slade and Buszka, 1994; Paine, 2003; McFadden et al., 2013; Peterson and Benning, 2013), 역으로 지표수의 수질이 주변 지하수에 영향을 미치는 사례 연구도 있다(Scanlon and Goldsmith, 1997; Fryar et al., 2000; Rogers et al., 2004). 국내의 경우에도, 하상의 인공구조물(보)에 의한 하천수-지하수 시스템의 변화에 따른 수위/유량 변화와 주요 이온농도의 변화에 대한 연구(Oh et al., 2007), 하천변의 관정내 질산성질소의 고농도가 하천으로 유출되는 특성에 대한 연구(Hyun et al., 2011), 하천변의 비닐하우스 재배지역에서의 지하수 양수에 의한 지표수-지하수 수위의 상호작용 변화에 대한 연구(Kim et al., 2012) 등이 수행되었다.

퇴적환경과 지하수 수문 및 수질의 관계에 대한 연구로는, 소규모 퇴적분지내에서의 지하수의 국지적 및 광역적 흐름 유형에 대한 연구(Tóth, 1963), 충적 분지의 형태와 지하수 수문의 관계에 대한 연구(Larkin and Sharp Jr., 1992), 분지에서의 지하수 유입과 유출에 대한 연구(Tiedeman et al., 1998) 등이 수행된 바 있다. 아울러, 퇴적환경에 따른 지하수 수질 변화에 대해서는 브라질 상파울로 지역의 퇴적환경과 지하수의 이화학 특성 관계에 대한 연구(Hirata et al., 2011), 나이지리아의 5개 퇴적분지에서의 지하수 수질에 대한 광역적 특성 연구(Edet et al., 2011), 분지내 퇴적 조건에 따른 지하수내 질산성질소의 다양성에 대한 연구(Robertson and Sharp Jr., 2013) 등이 수행되었다. 이와 같이 퇴적환경 및 분지의 유형 등은 지하수와 하천수의 상호 작용 및 지하수 수량 수질 등에 영향을 미칠 수 있으며, 지표의 토지 이용 또는 농작물 재배 유형 등의 변화도 초래할 수 있다.

본 연구에서는 낙동강 중류에 설치된 보의 상류지역 담수에 따른 하천수-지하수의 상호 작용 및 지하수의 수위 및 수질 변화가 지류 분지의 퇴적환경 및 수리적 특성에 따라 어떠한 차이를 보이는지 현장 조사 자료를 기반으로 평가하는데 목적을 두었다.

연구지역인 신천-백천 유역은 낙동강 중류의 경상북도 성주군 용암면 기산리와 문명리 일대에 위치한 지류 분지로서 출구부가 좁은(약 700 m) 폐쇄된 형상을 하고 있으며, 강정고령보로부터 상류 약 7 km 지점에 위치한다(그림 1).

Fig. 1. 
Location of the study area.

신천-백천 유역은 서북쪽 및 남쪽에 150 ~ 200 El.m의 산지가 위치하며 서쪽으로부터 남측 경계를 따라 신천, 북쪽에서부터 동측 경계를 따라 백천이 흘러 낙동강 본류와 만난다. 두 지류에 의하여 둘러싸인 중앙의 퇴적분지는 약 20 ~ 25 El.m 정도의 지표 표고를 보이는 평지에 해당한다. 토지의 90% 이상은 참외 재배를 위한 비닐하우스가 설치되어 12월부터 6월까지 경작이 이루어지고 있다. 본 지역의 지질은 하부로부터 선캠브리아시대 편마암류, 트라이아스기-쥬라기 화강암류, 백악기의 낙동층, 하산동층, 진주층, 칠곡층, 신라역암 그리고 이들을 부정합으로 덮고 있는 제4기 충적층으로 구성되어 있다(Min and Chung, 1985).

정기적인 지하수위 및 수질 조사를 위하여 기존 관정 및 신규 굴착 관측정을 모니터링공으로 지정하여 운영하였으며(표 1; 그림 2, 3), 보 담수 이전 및 이후로 구분하여 지하수위 측정 및 수시료 채취가 수행되었다. 조사대상 관정은 대부분 심도 30 m 미만의 농업용 관정이며, 지하수 관측정은 심도 20 m 미만 충적층 관측정이다. 지하수위 수동 측정은 총 5회(2010년 3월, 2011년 6월, 2011년 10월, 2012년 4월, 2012년 9월)에 걸쳐 기존 우물 및 관측정에서 이루어졌으며, 자동 관측은 6개의 관측정에서 1시간 간격으로 측정되었다. 현장 수질 조사 및 수시료 채취는 총 2회(1차 조사: 2011년 6월, 2차 조사: 2012년 9월)에 걸쳐 실시되었다.

Fig. 2. 
Location of groundwater level measurements.

Fig. 3. 
Location of groundwater sampling.

현장 지하수 수질 측정은 수온(T), 수소이온농도(pH) 및 전기전도도(EC), 용존산소(DO), 산화환원전위(ORP)에 대하여 Horiba pH meter (D-25, D-54)를 이용하여 수행되었으며, 알칼리도는 산중화적정법으로 현장에서 측정되었다. 양이온 및 음이온 분석을 위하여 셀룰로스 질산염 막필터를 이용하여 0.45 μm 이하로 여과하여 부유물을 제거하였으며, 이 중 양이온 분석 시료는 유기작용과 금속 이온들의 침전이나 용기 내 흡착을 막기 위해 농질산을 첨가하여 pH를 2 이하로 유지하였다. 채취된 시료는 4℃로 수온을 유지하여 실험실로 운반하여 IC (이온크로마토그래피)와 ICP-AES (유도결합 플라즈마 원자흡광 분석기)로 음이온과 양이온을 분석하였다.

연구 지역의 분지는 퇴적환경, 입자의 구성, 지형적 특성 등을 토대로 연구지역 중앙부의 남북으로 흐르는 무명천을 중심으로 하류인 동측(A 지역)과 상류인 서측(B 지역)으로 나눌 수 있다(그림 1; 표 2). A 지역은 낙동강과 인접한 지역으로서 신천, 백천이 만나는 분지로서 낙동강 본류의 과거 홍수 범람 지역에 해당되며 출구부가 좁은 특성을 보인다. B 지역은 낙동강 본류와 이격되어 있으며 신천을 따라 이동된 퇴적물이 쌓이는 선상지 특성을 갖는다. 지표 토양 특성을 보면, A 지역은 Silty loam이 주를 이루고 B 지역은 Silty loam 내지 Sandy loam까지 다양한 구성을 갖는다. A 지역의 8개 시추 자료를 분석한 결과, 충적층의 평균 두께가 17.7 m, 표준편차 4.6 m이며, B 지역은 30개의 시추자료를 분석한 결과 평균 두께가 4.7 m, 표준편차 2.4 m로서, A 지역의 충적층 두께가 상대적으로 두꺼운 편이다(KRC, 1991, 1996a, 1996b; K-water, 2009). 하천 및 그 주변에서의 충적층의 구성은 신천 상류에서부터 십 여 cm에 이르는 굵은 자갈부터 세립질의 점토질까지 연속적인 분포 특성을 보이며, A와 B 지역의 경계부터 낙동강과 만나는 지역까지는 실트 내지 점토가 분포하고 있다. 연구지역내 충적층의 수리전도도는 1.33×10^-6 m/s ~ 1.47×10^-4 m/s의 범위를 보이나, A 지역 충적층의 평균 수리전도도는 4.41×10^-6 m/s, B 지역은 4.45×10^-5 m/s으로 굵은 입자로 구성된 B 지역이 큰 편이다.

하천 담수에 따른 하천수와 지하수의 상호 작용을 파악하기 위하여 담수 이전 상태인 2011년 3월의 수문 조건을 정류모델로 설정하여 Modflow를 활용한 수치 모델을 수행하였다(그림 9). 모델의 격자망은 충적 분지와 산지 등을 구분하여 25 m 내지 33 m 단위로 설정하고, 레이어는 충적층과 암반층 2개로 구성하였으며, 충적층은 입도 분포를 고려하여 사력층과 점토-모래 혼합층으로 분류하였다. 낙동강, 신천, 백천 등은 하천경계(River boundary)로 설정하였으며, 지하수 함양량은 고령교 낙동강 중권역인 고령교 인근 지하수 함양율 12.47%를 적용하여 연평균 강우량 1,025.0 mm 중 128.0 mm/year로 설정하였다(MLTM, 2007). 모델에서 예측된 지하수위와 실제 계측 수위는 약 0.982의 높은 상관관계를 보였으며, 지하수위가 낮은 지역에서의 상관관계가 상대적으로 낮은 편이다. 이들 지역은 주로 A 지역으로서 저투수성 지층에서 지하수 양수에 의한 잦은 수위 변동이 장주기 시간 간격의 수치 모델에 정밀하게 반영되지 못하는 한계점이 존재되는 것으로 보인다.

Fig. 9. 
(a) Model composition, (b) layer composition, and (c) comparison of calculated and observed groundwater levels in a steady-state model.

하천 담수 이후의 변화를 예측하기 위하여 강정고령보의 담수 후 운영 수위인 19.5 El.m로 하천 수위를 상승시킨 조건으로 분기 단위의 부정류 모델을 수행하였으며, 향후 10년간의 물수지 변화를 파악해 보았다(그림 10). 수치 모델에 의한 향후 10년 동안의 물수지 인자들의 변화를 보면, 담수 후 초기 수년 동안 하천으로부터 주변 대수층으로의 유입과 유출의 증가폭이 상대적으로 크게 나타나고 있어 하천 담수로 인한 지하수 저류량의 증가를 잘 보여준다. 담수 후 수 년이 경과하면서 하천수와 지하수의 상호 작용이 안정화되어 물수지에서의 영년 변화는 현저히 줄게 된다. 금회 지하수 조사는 담수 이전과 담수 이후 약 반 년이 경과한 시점에서 이루어 진 것으로서 담수 초기의 분지내 유입되는 수자원 증가 및 지하수 유동의 현저한 변화가 지하수위 및 수질에 영향을 미치는 것으로 보인다. 전 절에서 언급한 A 지역과 B 지역에서의 지하수위 및 수질의 담수 전후의 변동 차이는 이와 같은 물수지의 현저한 변화에 의한 물의 흐름에 의한 영향으로 판단된다. 이와 같은 현상은 기 언급한 바와 같이 낙동강 본류에 인접한 A 지역에서의 담수 이후 지하수위 상승과 Cl^- 및 SO₄^2- 이온의 증가로 반영되었으며 하천수의 혼합 가능성을 의미한다.

Fig. 10. 
Changes of water budget factors estimated by a numerical model.

이상 연구지역의 지하수위 및 수질 분포와 변동 특성을 종합적으로 기술하면, 본 연구지역은 분지의 출구부가 낙동강과 직접 접하고 있으나 낙동강과 지류로 둘러 싸여 출구부가 좁은 폐쇄형 분지 형태로서 지하수 배출이 용이하지 않은 특성을 보이며, 낙동강 본류 수위 상승 효과가 분지내의 지형, 토양, 수문 조건 등에 따라 지점별로 차이를 보이는데 이와 같은 특성은 지하수위 및 수질에 영향을 미치고 있다. 주로 신천을 따라 분포하는 B 지역은 낮은 배수성의 토양이 발달하고 있으나, 신천에 설치된 3개 소규모 보의 존재가 낙동강 본류 수위가 지류에 미치는 영향을 차단시키는 역할을 하고 있어 낙동강 수위 상승이 분지내 지하수위에 큰 영향을 미치지 못하고 있다. 이는 지하수위 관측 자료와 하천 수위간의 교차상관계수가 매우 낮은 것에서도 알 수 있다. 반면에, 주로 백천을 따라 분포하는 A 지역은 B 지역에 비하여 낙동강과 인접하여 있고 보가 설치되어 있지 않기 때문에 낙동강 본류 수위의 상승 작용이 신천을 따라 직접 영향을 미치게 된다. 따라서, 낙동강 본류 수위의 변화는 A 지역내 지하수위 변동과 수질의 변화를 야기하고 있다. 한편, W-2 지점 지하수 관측정의 지하수위와 낙동강 본류 수위간의 교차상관계수가 낮은 것은 이 지역의 낮은 수리전도도와 양수에 의한 단기간의 급격한 지하수위 변동 때문으로 판단되며 이와 같은 현상이 하천 수위와 지하수위 변동간의 교차상관관계를 저해하는 요인으로 작용하고 있다.