사업성과

제주 표선유역 지하수의 강수-수위-수질 상호 연계 분석을 통한 시 공간적 유동특성 연구

구분 : 조사연구 연구책임자 : 문수형 소속 : 제주특별자치도개발공사
연구기간 : 2015. 04. 16. ~ 2015. 12. 31. (8.5개월) 연구비 : 30 연구년도 : 2015

연구목적

 

1. 연구의 목적

표선유역의 수리지질학적 특성 분석을 위해 강수량, 수위변화, 수질변화의 상호 연계 분석

환경추적자를 이용한 지하수의 이동속도, 오염물질 이동경로 등 시공간적 유동특성 분석

 

2. 연구의 필요성

제주 지하수의 효율적인 보전 및 이용은 타지역에 비해 보다 강화된 규정에 의해 관리되고 있지만, 지역별/고도별 강수량, 지하수 수위 변동, 이에 따른 수질 변화 등 수리지질학적 특성에 근거한 효율적인 관리는 이루어지고 있지 않음.

제주 표선유역은 강수량이 풍부할 뿐만 아니라 가장 넓은 면적을 포함하고 있는 유역으로 알려져 있지만, 고도별/지역별 강수에 따른 시공간적인 지하수 수위 변화, 그리고 이에 따른 수질변화에 근거한 학술연구는 거의 없는 실정임.

따라서, 표선유역 내 지하수자원의 지하수 유동속도 및 이동형태, 오염물질의 이동 등 지하수 순환시스템 해석을 위해 수리지구화학적 해석기법으로 환경추적자 기법(동위원소 분석기법)을 도입하여 지하수 평균체류시간(연대측정) 측정하고자 함.

종합적으로, 제주삼다수 취수정이 위치한 표선유역에서 강수량-수위-수질 변화 의 시공간적 유동특성 분석을 통해 지하수 수질진화과정 및 지하수 순환 특성을 보다 정밀하게 해석하고 이해하여 제주도의 지하수자원을 보다 효율적이고 체계적으로 보전관리 위한 학술적 근거자료를 마련함과 아울러, 효율적인 지하수 보전관리방안을 제시하고자 함 

 

주요연구내용

 

세부 연구내용

연구개발 범위

기초 자료 수집 및 대상 선정

AWS(기상관측시스템) 강수 데이터 자료 수집

표선유역 지하수 시료 채수 대상 관정 선정

수위 측정망 운영 및 수위 측정 센서 설치

지하수위 변동 및 수질변화 특성 분석

표선유역에 대한 수리지구화학적 분석

주성분, 계층분석을 통한 지구통계학적 분석

동위원소 분석을 통한 지하수 함양지역 및 기원 해석

표고별 강수 및 지하수 동위원소 분석을 통한 지하수 주함양지역 해석

지하수 평균체류시간 측정 및 해석

CFCs, 3H/3He 등 다중환경추적자를 이용한 지하수 연령 및 체류시간 측정 및 해석

논문발표 및 투고

연구결과에 대한 국내·외 학술 발표

연구결과

 

표선유역 지하수 수질변화 특성

- 표선유역 지하수를 대상으로 20142~ 201510월까지 채수한 지하수를 대상으로한 수질 모니터링 결과, 양이온 조성은 나트륨(Na+) > 칼슘(Ca2+) > 마그네슘(Mg2+) > 칼륨(K+) 순으로 나타났으며, 음이온 조성은 중탄산염(HCO3-) > 염소(Cl-) > 질산염(NO3-) > 황산염(SO42-)의 순으로 나타났다. 지하수 오염 여부를 판단하는 대표적인 지표인 질산성질소(NO3-N)와 황산염(SO42-)의 평균 농도를 분석한 결과, 표선유역 지하수의 경우 매우 낮은 수준 (질산성질소(NO3-N) = 1.7 mg/L, 황산염(SO42-) = 1.6 mg/L)을 유지하고 있는 것으로 조사됨.

- /음이온의 파이퍼 다이어그램 상에서 표선유역 지하수의 전체 수질을 형성하는 이온간의 유형을 분석한 결과, Na+K-HCO3 유형을 보여주고 있으며, 우기와 건기때의 수질유형도 유사하게 나타나지만, 우기 때는 건기에 비해 Cl+NO3 유형이 일부 특징적으로 부화하는 것으로 나타남. , 수질유형의 기원은 양이온은 강수 및 투수성 지질구조의 영향이며, 음이온은 농업활동의 인위적 기인으로 판단됨.

- 2014~2015년 계절별 수질변화는 여름에 pH 감소시 NO3가 증가, 겨울에는 반대의 경향성이 뚜렷이 나타남. 특히 2014년에 비해 2015년에 다소 낮은 농도를 나타내 오염영향의 감소를 의미함. 그 외 Ca, K, Mg, HCO3의 경우도 적은 폭이지만 일정한 증감경향을 나타냄.

- 2015년 표선유역의 수질오염 인자(질산성 질소, 염소)에 대한 시기별 공간분포 비교결과, 표선유역 150m 이하의 남서남동쪽 지역에서 4, 7월과 10월에 오염인자의 농도가 비교적 높게 나타나 해수유입 및 농업활동의 영향을 받고 있었고, 300m 이상의 지하수는 시기별공간별로 수질변동이 매우 적어 청정성을 잘 유지하고 있음.

- 표선유역 지하수의 강수-수위-질산 이온 농도변화를 고도별로 분석한 결과, 100m이하의 관정에서는 강우로부터 질산이온의 농도가 대수층으로 유입되고, 200m 관정에서는 대수층 내에서 혼합되어 증가된 질산이온이 강우의 함얌으로 희석되는 효과를 나타내고 있는 것으로 조사됨.

- 지구통계기법 중 주성분(PCA) 분석을 통해 시기별로 수질형성을 좌우하는 변인을 분석한 결과, 20152월에는 주로 물-암석반응의 영향을 주로 받고, 4, 7월과 10월에는 물-암석반응과 농업활동 등 복합적인 요인에 의한 영향을 주로 받는 것으로 조사됨.

강수 및 지하수 산소-수소 동위원소를 활용한 함양기원 추정

- 연구지역의 강우는 고도가 높을수록 동위원소값이 낮아지는 고도효과가 주로 나타나며, 고도효과가 나타나지 않은 시기는 주로 강수량이 순간적으로 많이 발생하는 8~ 10월로 이 때는 주로 우량효과가 영향을 미치는 것으로 나타남.

- 2013년부터 20159월까지 강우의 중수소과잉값 변화를 살펴보면 2014년은 2013년에 비해 높은 값을 보이는 것으로 보아, 급격한 증발작용이 활발히 일어났음을 의미함. , 매년 동일한 시기일지라고 수증기의 발생기원의 다를 수 있으며, 그 결과 안정동위원소의 조성이 다르게 나타남.

- 표선유역 지하수의 산소 동위원소값은 고도효과가 잘 나타나는데, 이는 제주도 지하수의 기원인 고도효과를 나타내는 강우의 함양기원임을 반영하고 있음.

- 강우에 대한 표고별 산소-수소 동위원소 조성변화는 산소의 경우 0.11/100m, 수소의 경우 1.1/100m 감소하는 경향을 나타냄.

표선유역 지하수 연령 및 유동 특성

- 표선유역 지하수의 연령은 고도가 높아짐에 따라 연령이 증가하는 경향을 나타냄.

- CFC-11의 연령 중 하류에서만 오차값을 유발하는데 NO3 농도와 밀접한 관련성을 나타냄.

- 보존성 추적자인 CFC-12에 대한 계절별 공간변화를 비교한 결과, 표고 400m이하의 지하수는 강수가 많아지는 계절 변화에 따라 연령이 낮아지는 경향을 나타냈고, 400m이상에서는 거의 변화가 없는 안정적인 상태를 보임.

- 지하수 연령 결정을 위해 비포화대 두께에 따른 오차발생 유무를 파악하기 위해 3H/3He의 연령산정 결과, CFC-12로 산정된 연령에 대한 비포화대의 영향은 거의 없었음.

- 연령 및 주함양고도를 이용하여 지하수의 유동속도를 추정한 결과 119~498 m/yr(평균 281m/yr)의 범위였으며, 저지대로 갈수록 유동속도는 빠르게 나타남.

- 고도별 지하수 유속 차이는 저지대에서 강수-수위-수질성분이 빠르게 반응이 나타나는 반면 고지대에서는 다소 반응이 지연되는 현상에 영향을 미치는 주요한 요인으로 보여짐. 

 

연구결과 활용계획

 

표선유역 지하수 강수량 및 수위 변동 특성 연구

- 표선유역 지하수 함양은 강수에 의한 것으로서 강수량과 수위 변동을 파악하게 되면 지하수의 체계적인 관리 방안을 제시할 수 있음.

산소-수소 동위원소 분석을 통한 표선유역 지하수의 주함양지역 해석

- 지역 및 고도에 따른 강수 특성에 대한 모니터링과 이에 대한 산소-수소 동위 원소 분석을 통하여 표선 유역의 지하수 함양에 대한 지역별/고도별 특성 분석 및 이를 통한 표선 유역 지하수의 적정 이용, 관리, 보전 대책 마련에 활용

지하수 연대 측정을 위한 삼중수소, 헬륨, CFCs 동위원소 분석

- 지하수의 연대 측정은 지하수 함양율, 지하수 이동속도, 이동형태 등을 평가하여 지하수 개발 및 관리에 활용

학술적 연구 활용

- 제주도 지하수 수질 및 동위원소의 다양한 연구결과를 국내·외 심포지엄, 국내·외 논문투고 및 학술대회 발표

지하수의 함양지역 분석자료를 활용한 표선유역 지하수의 보전사업 추진

- 목적 : 제주삼다수 등 제주지하수 공공자원 취수원 보호

- 사업내용 : 한라산 국립공원 및 삼다수 취수원 상류지역의 무방류 순환 수세식 화장실 개보수

- 사업기간 : 2015.10~2016.11(제주특별자치도개발공사, 제주도)

- 기대효과 : 환경개선 효과

제주지하수 함양지역인 상수원 보호

한라산 국립공원 탐방여건 개선 및 청정이미지 제고  

  

연구결과 활용실적
연구결과 활용실적 내용

 

 

 

 

top