Aims & Scope

최근 국내에서는 연중 일정한 온도의 지하수를 이용하여 난방비를 절약하는 수막재배와 시설재배의 면적이 증가하고 있으며, 이로 인해 농업용 지하수의 이용량 또한 증가하는 추세이다. 수막재배의 경우 지하수 이용이 겨울철에 집중되어 있어 배후지 지하수 고갈문제를 초래하며, 인근 하천유량의 감소를 유발시키고 있다. 실제로 다수의 시설농가에서 지하수 고갈로 인해 수막재배를 하는데 어려움을 겪고 있으며, 지하수 양수량을 늘리기 위해 심부 신규 관정을 개발하거나 수막재배를 포기하는 현상이 발생하고 있다(Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, 2009). 전 세계적으로 지하수 과잉취수로 인한 지하수 고갈 문제가 대두되고 있는 상황이며(Kinzelbach et al., 2003), 이러한 문제를 예방하고자 지하수 개발가능량 산정에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다(Chung and Lee, 2013).

하천변 충적대수층에서의 과도한 지하수 사용은 지하수 흐름계를 변화시켜 하천-대수층 상호작용에도 영향을 미칠 수 있어 하천-대수층 상호작용에 대한 연구의 필요성이 강조되고 있다(Constanz, 1998). Kim et al. (2012)은 비닐하우스 밀집지역의 하천수량 변화를 계측하여 지하수 양수에 따른 지하수위 변화와 하천-대수층간의 상호 유동량 변화를 정량적으로 분석하였다. 또한 Lee et al. (2016)는 지하수 모델링 기법을 이용하여 국내 수변지역에서의 하천-대수층 상호작용을 살펴보았으며, 수막재배로 인한 계절양수가 하천건천화에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. Jenkins (1968)는 하천과의 이격거리와 대수층의 수리상수로 구성된 함수를 제시하여 양수가 하천유량에 미치는 영향을 평가하였다. 하천고갈인자(stream depletion factor, SDF)는 하천과 우물사이 거리의 제곱을 수리확산계수로 나눈 값이다. 수리확산계수는 투수량계수와 저유계수의 비를 나타내며, 지하수 함양과 같이 대수층에 가해진 수리적 스트레스가 해소되는데 걸리는 시간을 결정한다(Koo and Lee, 2002). 즉, SDF에 따라 양수 후 지하수위가 평형상태에 도달하는데 걸리는 대수층 반응시간(hydraulic response time)이 결정된다(Alley et al., 2002). SDF가 증가할수록 대수층 반응시간은 길어지며, 이는 양수 후 지하수위가 새로운 평형상태에 도달하기까지 오랜 시간이 걸리는 것을 의미한다(Lee et al., 2016).

최근 지속가능한 수자원 확보방법들이 주목받으면서 이와 관련된 연구들이 활발히 수행되고 있다. 인공함양 기법은 가장 적극적인 수자원 확보 방안으로 풍수기에 잠재 수자원을 대수층에 주입하여 수자원을 확보하는 기술로 미래에 그 활용이 더욱 확대될 것으로 예상된다(Bouwer, 2002). 또한 인공함양은 불포화대 및 충적층의 정화능력을 이용하여 지하수 수질개선에 이용될 뿐만 아니라 과도한 지하수 개발로 저하된 지하수위를 복원하고 갈수기 하천 건천화를 예방하는 등 다양한 용도로 활용될 수 있다(Kim and Kim, 2009, 2010). Seo et al. (2011)는 지리 정보시스템(Geographic Information System)을 사용하여 인공함양 개발 유망지역을 분석하였으며, Oh et al. (2011)은 지하수 인공함양에 따른 지하수계 변화를 모의하는 지하수 모델을 개발하여 지하수위 변동 및 대수층의 물수지 변화를 예측하였다. Lee et al. (2014)는 주입정 위치에 따른 기존 양수정의 양수량 변화를 모의하여 최적의 주입정 위치를 분석하였다. 또한 Kim et al. (2012)는 인공함양의 국내외 특허 기술동향을 분석하여 공백 기술 분야를 파악하였고, Park et al. (2015)는 균열암반 대수층에 수돗물 주입 시 수온 및 전기전도도 변화를 분석하여 인공함양의 영향을 평가하였다.

이처럼 인공함양기법을 실제 현장에 적용하거나 모델링을 통하여 지하수계 변화를 분석한 연구는 활발히 수행되었지만, 효율적으로 지하수위를 회복시키는 인공함양 시기 및 위치를 평가한 연구는 아직 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 지하수 모델링 기법을 이용하여 계절양수 시 최적의 인공함양 시기 및 위치를 평가하였으며, SDF에 따른 효율적인 인공함양 전략을 제시하였다.

시설재배 지역의 지하수위 회복에 유리한 인공함양 위치 및 시기를 평가하기 위해 Visual Modflow(McDonald and Harbaugh, 1988)를 이용하여 국내 하천변 충적대수층을 단순화한 모델을 개발하였다(그림 1). 모델 영역은 4 km × 4 km의 정사각형 모양으로 설정하였으며, 35 m 두께의 1개 층으로 구성된 균질, 등방성의 자유면대수층을 가정하였다. 격자의 크기는 10 m × 10 m이며, 격자망은 400행, 400열로 총 160,000개의 격자로 구성하였다. 하천은 모델 영역의 남쪽과 동쪽 끝단에 일정수두경계(constant head boundary)로 설정하였으며, 북쪽과 서쪽은 불투수경계(no flow boundary)로 설정하였다. 곡류하천을 가정하기 위해 남서쪽 끝 점에 20.5 m의 수위를 주고 1/8000의 하천 경사를 주어 동북쪽 끝 점이 19.5 m의 수위가 되도록 임의로 설정하였다. 투수성이 좋은 수변지역 충적 대수층을 표현하기 위하여 수리전도도는 10 m/day를 기본 값으로 설정하였으며, 비산출률은 0.1로 설정하였다. 관측정은 하천으로부터 1 km, 2 km, 3 km 떨어진 곳에 설치하였다.

Fig. 1. 
Conceptual model showing the model domain, the boundary condition and the location of observation wells.

강수가 여름철에 집중되는 국내의 계절 특성을 반영하기 위해 1년 중 200일에서 300일 사이를 풍수기로 가정하여 100일 동안 강수에 의해 지하수가 함양되는 것으로 설정하였다(그림 2). 강수에 의한 지하수 함양률의 시간적 변화는 지하수면의 심도 및 대수층을 구성하는 매질의 특성에 의해 다양한 양상을 보일 수 있다(Koo and Lee, 2002). 하지만 모델의 단순화를 위해 우리나라 연평균 강수량의 일정비율(10%)이 함양되는 것으로 가정하여 함양량은 200 mm/yr로 설정하였다.

Fig. 2. 
Period of seasonal pumping, precipitation recharge and artificial injection.

한편, 국내 시설재배를 위한 지하수 이용은 주로 겨울철에 집중되어 있다. 이를 모델에 반영하기 위하여 1년 중 초기 100일을 동절기로 가정하여 이 기간 동안 양수를 실시하였으며, 나머지 236일 동안에는 양수를 중단하였다(그림 2). 대규모 시설재배단지의 경우, 비닐하우스가 밀집하고 있어 인접한 다수의 양수정이 군집을 형성하고 있다. 따라서 양수정을 설치하는 대신 음(-)의 값을 갖는 함양패키지(recharge package)를 설정하여 모델 영역의 전 지역에서 고르게 양수되는 것으로 가정하였다. 실제 시설재배는 기온이 낮은 저녁부터 새벽까지 약 12시간 동안 지하수를 사용하지만, 24시간 양수하였을 경우와 비교했을 때 양수로 인해 발생한 지하수 유출량 변화 양상은 동일하였다(Lee et al., 2016). 따라서 본 모델에서는 24시간 양수 하는 것으로 설정하였다.

한편, 인공함양에 따른 지하수위 변동과 하천-대수층 상호작용을 평가하기 위해 양수량의 25%가 인공함양 되도록 설정하였다. 인공함양지는 각 하천경계로부터 3500 m 떨어진 곳에 위치하며, 총길이와 폭은 2 km와 20 m로 설정하였다(그림 1). 인공함양의 시기는 그림 1과 같이 시설재배 계절양수와 동일한 시기(P₁), 시설재배 이후(P₂), 그리고 하천수량이 풍부한 풍수기(P₃)로 구분하여 인공함양의 효율성을 비교하였다.

자연 상태에서 대수층의 저유량은 지속적으로 변하는 비평형 상태에 있으나, 장기적으로 볼 때 주기적으로 반복되는 강우 특성에 의해 지하수 함양과 기저 유출의 균형을 통하여 동적인 평형상태가 된다(Koo and Lee, 2002). 이를 모델에 반영할 경우 지하수위 변동은 동적순환초기조건(dynamic cyclic initial conditions)을 이용하여 모사를 수행한다(Anderson and Woussner, 1992). 본 연구에서는 20년 동안 지하수 흐름을 모사하여 동적인 평형상태에 도달하도록 하였으며, 이때 계산된 지하수위를 부정류 모델의 초기조건으로 설정하였다.

지하수 모델링 기법을 이용하여 과도한 계절양수로 지하수 고갈이 발생한 지역에서의 지하수 인공함양을 모의하였으며, 인공함양 시기 및 위치에 대한 다양한 시나리오 분석을 통하여 효율적인 인공함양 방안을 제시하였다. 양수 또는 인공함양에 의해 대수층에 가해진 수리적 스트레스는 하천-대수층 상호작용을 통하여 해소되는데, 대수층의 규모와 수리적 특성에 의해 결정되는 수리인자인 SDF의 크기에 따라 스트레스가 해소되는데 걸리는 시간과 대수층의 반응이 크게 달라진다. 따라서 SDF에 따라 효율적인 인공함양 전략이 달라질 수 있다.

먼저 SDF가 큰 지역, 즉 충적층의 분포 면적이 크거나, 수리전도도가 작아 SDF가 수 1000 days 정도의 큰 값을 보이는 지역에 대한 모사 결과, 계절양수에 의한 지하수위 강하가 수년에서 수십 년 동안 매우 서서히 발생하였다. 하천에서 가까운 관정은 동적인 평형상태에 빠르게 도달하였으며, 하천에서 멀어질수록 수위강하가 지속적으로 진행되어 결국 배후지 지역에서부터 지하수 고갈 문제가 발생하였다. 하천에서 멀리 떨어진 배후지는 양수에 대한 대수층의 수리적 반응시간이 매우 커서 지속적인 지하수위 강하가 발생하지만, 동시에 인공함양에 대해서도 동일한 반응을 보이므로 인공함양 효과가 장기간 지속되면서 뚜렷한 지하수위 회복을 나타내는 인공함양의 최적지라 할 수 있다.

SDF가 큰 지역의 경우 인공함양 시기를 다르게 하더라도 지하수위 회복 측면에서 인공함양의 효과는 크게 달라지지 않았다. 시설재배 기간인 동절기와 강수량이 많은 하절기는 약 200일 정도의 시간 차이가 있으나, SDF의 1/10에 불과하므로 두 시기의 인공함양에 대한 대수층의 수리적 반응은 장기적인 관점에서 크게 다르지 않기 때문인 것으로 해석된다. 따라서 동절기에 주입수의 확보가 용이하지 않은 지역의 경우 풍수기에 인공함양을 실시하여 계절양수 시기 이전에 미리 지하수 저유량을 증가시키는 것도 전략적으로 유효한 방법이라 할 수 있다. 연중 주입수 확보가 가능한 지역의 경우 계절양수 시기에 관계없이 연중 상시적으로 인공함양을 실시하는 것이 바람직하다.

한편, SDF가 작은 지역, 즉 충적층의 분포 면적이 작거나, 수리전도도가 커서 SDF가 수 100 days 정도의 값을 보이는 지역의 경우, 계절양수에 의해 대수층에 가해진 수리적 스트레스가 수 년 이내에 빠르게 해소되면서 새로운 동적 평형상태에 도달하였다. 인공함양에 대한 대수층의 반응도 양수에 대한 반응과 마찬가지로 매우 빠르게 나타났다. 즉, 인공함양에 의해 발생한 지하수위 상승은 하천-대수층 상호작용을 통하여 빠르게 해소되어 인공함양 효과가 지속되는 시간이 SDF가 큰 지역에 비하여 상대적으로 짧게 나타났다. 따라서 하절기에 인공함양을 실시할 경우 계절양수 시기인 동절기에는 하절기 인공함양의 효과가 크게 소멸되므로 결과적으로 인공함양에 의한 장기적인 지하수위 상승을 기대할 수 없다. 따라서 SDF가 작은 지역의 경우 계절양수와 동일한 시기에 인공함양을 실시하여 인공함양에 의해 주입된 지하수가 양수에 의해 바로 배출되도록 하는 것이 효율적인 인공함양 전략이라 할 수 있다.