Estimation of Groundwater Availability by Using the SWAT-K Model in Yeoncheon District, South Korea

SWAT-K 모형을 이용한 연천지역의 지하수 개발가능량 추정

Abstract

The availability of groundwater in the Yeoncheon area, South Korea, was estimated using the distributed hydrological model SWAT-K to calculate recharge rates based on land use and soil distribution. Model calibration and validation results were consistent between observed and simulated streamflows, with coefficients of determination of 0.75~0.97. Calculated groundwater recharge rates varied temporospatially, with lower rates in winter and spring than in summer. Estimated recharge rates were compared with the baseflow index of natural streamflow to assess the validity of estimated recharge amounts. Groundwater development potential was determined by calculating the recharge amount for a 10-year period by statistical frequency analysis, confirming it to be 11.5% of annual precipitation.

본 연구에서는 연천지역의 개발 가능한 지하수의 양을 추정하기 위해 분포형 수문모형 SWAT-K를 이용하여 토지이용, 토양분포 특성에 따른 함양량을 산정하였다. 모형의 검보정 결과 관측유량과 모의유량의 결정계수가 0.75~0.97로 양호하게 나타났으며 계산된 지하수 함양량은 겨울과 봄에 걸쳐 낮은 함양률을, 여름철에는 높은 함양률을 나타내는 시공간적 특성을 보였다. 계산된 연평균 함양률을 자연유량의 기저유출률과 비교하여 추정된 함양량의 타당성을 검토하였다. 지하수 개발가능량은 통계학적 빈도해석 기법을 이용한 10년 빈도 갈수시의 함양량으로 산정하여 연강수량의 11.5%인 것을 확인할 수 있었다.

서론

우리나라의 지하수 개발가능량은 총 128.2억 m³/년으로 추정하고 있다(MOLIT, 2017). 하지만 최근 산업화, 도시화에 따른 각종 오염원의 증가로 인해 수질 오염에 노출되어 있어 지하수의 보전 ‧ 관리가 매우 중요하다. 또한 우리나라 각 지역별 지하수에 대한 기초 정보의 부족으로 체계적인 보전 ‧ 관리와 개발방안이 진행되지 못하고 있다.

본 연구의 대상 지역인 연천지역은 비교적 풍부한 수량을 보유하고 있는 지역이나 대체 수자원인 지하수의 부존 및 산출특성 파악은 미흡했다(ME, 2022). 이에 본 연구에서는 연천지역의 지속가능한 지하수 공급을 위한 개발가능량을 추정하고자 한다. 현재 우리나라의 지하수 개발가능량은 10년 빈도 갈수시의 함양량으로 정하고 있다(Chung et al., 2019). 지하수 조사 지침에 따르면 함양량 산정 방법으로 수문학적 물수지 방법, 지하수위 변동법, 분포형 수문모형을 이용한 방법, 기저유출 분리법 등을 제시하고 있다(ME, 2020).

본 연구에서는 청원지역(Chung et al., 2010), 장성지역(MLTM, 2014), 의왕 ‧ 과천 ‧ 성남지역(ME, 2018), 진주지역(ME, 2020) 등의 지하수 함양량 산정에 적용된 바 있는 SWAT-K 모형(Kim et al., 2008, 2009)을 이용하여 분포형 지하수 함양량을 산정한 후 이를 관측기반 자연유량의 기저유출량 결과와 비교하여 타당성을 검토하였다. 또한 10년 빈도 가뭄시 강수량에 산정된 함양률을 적용하여 지하수 개발가능량을 제시하였다.

SWAT-K 모형의 구축

SWAT-K 모형은 미국 농무성 농업연구소(USDA Agricultural Research Service, ARS)의 Arnold et al.(1993, 1995)에 의해 개발된 유역모형인 SWAT(soil and water assessment tool)을 우리나라의 유역에 맞도록 개선한 프로그램으로 지표수와 지하수의 통합모의를 위해 MODFLOW(McDonald and Harbaugh, 1988)를 완전연동방식으로 결합하였고, 우리나라의 토양통 DB를 새롭게 구축하여 탑재하였으며, 댐운영 모듈의 개선 및 우리나라 관개조건에 맞는 모듈을 구성한 바 있다(Kim et al., 2008, 2009). 모형의 기본 물수지 방정식은 다음과 같다.

\(\begin{align}S W_{t}=S W_{0}+\sum_{i=1}^{t}\left(R_{d a y}-Q_{s u r f}-E_{a}-w_{\text {seep }}-Q_{g w}\right)\end{align}\)       (1)

여기서, SW_t는 시간 t 일의 토양수분량(mm), SW₀는 초기토양수분량(mm), R_day는 일강수량(mm), O_surf는 지표유출량(mm), E_a는 증발산량(mm), w_seep는 토양층의 특성을 반영한 침루량(mm), Q_gw는 하천으로의 회귀수량(mm)이다.

SWAT-K 모형은 동일 기상조건, 토지이용, 토양으로 구성된 수문응답단위(hydrologic response unit, HRU)가 기본 계산단위로서 NRCS-CN 방법을 이용한 직접유출량 산정, Penman-Monteith식을 이용한 증발산량 계산, 다양한 토지이용과 토양의 특성을 반영한 토양수분량과 지하수 함양량을 계산할 수 있으며, 함양량의 지체와 기저유출의 감수를 고려한 지하수 유출을 해석할 수 있다. 이러한 전반적인 수문성분 순환에 대한 개념은 Fig. 1과 같다.

Fig. 1. Schematic representation of the hydrological cycle (Neitsch et al., 2011).

연천지역에 대한 SWAT-K 모형의 적용

연천군의 지하수 함양량과 개발가능량을 산정하기 위해 SWAT-K 모형의 기본 자료 구축을 수행하였다. 행정구역상의 연천군이 모두 포함되도록 수자원단위지도의 임진강상류, 한탄강, 임진강하류 중권역에 속해 있는 역곡천(102107), 군남 홍수조절지(102108), 한탄강합류후(102109), 한탄강댐(102205), 영평천하류(102210), 신천상류(102211), 청담천(102212), 신천하류(102213), 차탄천(102214), 한탄강하류(102215), 적성수위표(102301), 사미천(102302), 늘노천합류후(102303) 표준유역(코드)을 SWAT-K 구동을 위한 공간적인 모의범위로 설정하여 20개의 소유역으로 구분하였다(Fig. 2).

Fig. 2. Map of sub-basins including Yeoncheon district.

기상 및 수문자료

SWAT-K 모형을 구동하기 위해서는 기상 및 수문자료를 구축해야 한다. 먼저 강우량을 비롯하여 최대/최저 기온, 풍속, 상대습도, 일사량 등의 기상자료가 요구된다. 본 연구에서는 대상유역 내외에 위치한 기상청 관할의 철원, 동두천, 파주 기상대와 환경부 관할의 양주시(봉암초교), 연천군(고문분교), 연천군(상리초교), 연천군(임진교), 철원군(오덕초교), 파주시(용연초교), 파주시(적암초교), 포천시(송우초교), 포천시(영송리), 포천시(포천삼정초교) 강우관측소 자료를 이용하여 2011~2022년 10월의 기상 및 강우관측 일자료를 구축하였다. 최근 10년간(2012~2021년)의 연평균 기온은 11.0~12.6°C, 연평균 상대습도는 65.4~71.6%, 연평균 풍속은 1.5~1.6 m/sec, 연평균 일사량은 15.2~15.4 MJ/m²로 나타났다. 대상유역에 영향을 미치는 기상 및 강우관측소는 13개이며, 각 관측소에 대한 위치는 Fig. 3과 같다.

Fig. 3. Locations of weather and rainfall monitoring stations.

SWAT-K 모형에서의 유출량 보정과 검증을 위해 신뢰성 있는 하천유량자료에 대한 장기간의 연속 관측자료가 필요하다. 대상유역에는 7개의 지표수관측소(연천군(필승교), 연천군(임진교), 연천군(차탄교), 연천군(신천교), 연천군(사랑교), 포천시(신백의교), 파주시(비룡대교))가 위치하고 있다(Fig. 4). 다수의 지표수 유량관측지점을 유출량의 검 ‧ 보정에 활용하였다.

Fig. 4. Locations of surface-water observations.

공간 특성자료

SWAT-K 모형은 유역의 형상을 나타내는 DEM, 토지이용 상황을 나타내는 토지이용도, 그리고 토양특성을 나타내는 토양도 등의 수치주제도를 필요로 한다. 본 연구에서는 모형의 계산시간, 모형결과의 정확도 등을 판단하여 30 m 공간해상도를 가지는 DEM을 100 m 공간해상도로 리샘플링하여 적용하였다. 토지이용도는 다양한 토지이용상태를 반영할 수 있도록 환경부의 중분류 토지피복도를 사용하였다. 토양도는 국립농업과학원에서 구축한 토양통 분류의 정밀토양도를 사용하였다(Figs. 5~7). 토지이용도와 토양도 특성의 조합을 통해 수문응답단위인 HRU가 결정된다.

Fig. 5. Digital elevation model of the watershed.

Fig. 6. Land-use map of the watershed.

Fig. 7. Soil map of the watershed.

모형의 검보정 및 수문성분 분석

연천지역의 지하수 함양량을 산정하기 위하여 2011년부터 2022년 10월까지 총 11여년의 일단위 수문량을 SWAT-K 모형을 통해 모의하였다. 그러나, 2011년의 경우에는 모델링 안정화가 진행되는 기간(warming up period)으로 간주하여 결과분석에서 제외하였다. 대상유역의 최종출구점에 위치한 파주시(비룡대교) 관측소의 2012년~2022년 10월의 기간을 검 ‧ 보정 기간으로 설정하였다. 파주시(비룡대교)의 하천유량에 대한 관측값과 모의값을 비교한 수문곡선을 도시한 결과는 Fig. 8과 같고, 결정계수(R²)는 모의기간 전체에 걸쳐 0.97로 나타났다. 또한 검보정이 완료된 모형을 연천군(임진교), 연천군(차탄교), 연천군(사랑교), 연천군(신천교), 동두천시(송천교) 수위관측소 지점의 하천유량 관측값와 SWAT-K 모형의 유출 모의결과를 함께 도시하였으며(Figs. 9~13), 이 지점들에서도 모의기간 전체에 대해 결정계수(R²)는 0.75~0.97로 양호하게 나타났다.

Fig. 8. Model calibration and validation at Pajusi (Biryongdaegyo) station.

Fig. 9. Model calibration and validation at Yeoncheongun (Imjingyo) station.

Fig. 10. Model calibration and validation at Yeoncheongun (Chatangyo) station.

Fig. 11. Model calibration and validation at Yeoncheongun (Saranggyo) station.

Fig. 12. Model calibration and validation at Yeoncheongun (Sincheongyo) station.

Fig. 13. Model calibration and validation at Dongducheonsi (Songcheongyo) station.

SWAT-K를 이용하여 연천군를 포함하는 모의 전체유역에 대해 지표수-지하수 통합 물수지 분석 결과(2012~2021년) 연평균 강수량 대비 유출률은 54.8%, 증발산률은 43.8%, 함양률은 21.0%로 나타났다. 지표수 유출과정과 지하수위 변동을 동시에 고려하여 산정한 소유역별 연간 함양량 결과를 Table 1에 제시하였다.

Table 1. Groundwater recharge rate in the studied watersheds

SWAT-K에 의하여 산정된 연천지역의 지하수 함양량은 180.7백만 m³/년으로 수자원총량 876.3백만 m³/년의 20.6%에 해당한다. 표준유역별로는 한탄강하류(102215) 유역이 함양률 13.0%로 가장 낮고, 사미천(102302) 유역이 함양률 32.3%로 가장 높게 분석되었다(Table 2). 표준유역별 함양률의 차이는 유역경사 및 토지이용, 토양 분포특성에 따른 것으로 판단된다.

Table 2. Estimated groundwater recharge in standard watersheds of Yeoncheon district

지하수 함양량의 시공간적 변동성

SWAT-K 모형은 함양량의 시간적 변동성과 함께 HRU(수문응답단위)별 함양량의 공간적 변동성도 고려할 수 있다. 이에 따라 연천군 유역에 대해 2012~2022년의 연평균 함양량의 공간분포를 Fig. 14에 나타냈다. 또한 월별 공간분포의 변동성을 확인하기 위해 월평균 함양량의 분포를 Fig. 15에 나타냈다. 월별 함양량의 경우에는 여름철(7, 8월)의 강우 집중 현상과 유역의 토지이용 및 토양특성, 경사 등에 따라 다르게 분포하는 것을 확인할 수 있다. 특히 동쪽에 위치한 연천군의 경우는 산지 지형으로 함양량이 상대적으로 적게 나타나는 것을 알 수 있었다. 이처럼 지하수 함양량은 기상학적 요소와 토양 및 토지이용 특성에 따라 불균질하게 분포한다.

Fig. 14. Map of annual average groundwater recharge.

Fig. 15. Maps of monthly average groundwater recharge.

기저유출 분리법을 이용한 지하수 함양량 추정

본 연구에서는 SWAT-K 모형에 의해 산정된 연평균 지하수 함양량의 비교 검토를 위해 기저유출 분리법에 의한 함양량을 산정하였다. 이는 자연상태에서 장기간의 자연유량으로부터 분리된 기저유출량은 그 기간의 지하수 함양량과 같다는 가정을 전제로 한다. 기저유출 분리법은 여러 가지가 있으나 본 연구에서는 디지털 필터기법을 이용하였는데, 이 방법은 수문곡선 상에서 고주파 신호인 직접유출성분과 저주파 신호인 기저유출성분을 필터를 통해서 분리하는 방법이다. 다음 식들은 각각 유출성분을 분리하는 필터 방정식과 총 유출량에서 고주파 성분을 분리하고 남은 유량식을 나타낸것이다(Nathan and McMahon, 1990).

q_t = βq_t-1 + (1 + β)/2 × (Q_t - Q_t-1)       (2)

b_t = Q_t - q_t       (3)

여기서, q_t는 필터링된 직접유출성분, b_t는 기저유출성분, Q_t는 총 유출량, β는 필터 매개변수이다.

자연유량을 획득하기 위해 2021년 1월부터 2021년 12월까지 차탄교 관측지점에서 유량조사를 수행하였다. 이 지점에서 획득한 유출수문곡선에 대해서 기저유출분리법을 이용하여 직접유출과 기저유출을 분리하였다. 관측기간 중 기저유출분리법에 총 기저유출량은 259.7 mm로 계산되었다. 따라서 기간 중 총강수량 979.1 mm 대비 함양량, 즉 기저유출분리법에 의한 추정 함양률은 약 26.5%로 산정되었다. 기저유출분리를 위한 필터 매개변수는 0.925를 적용하였고 해당기간의 기저유출 분리 양상을 Fig. 16에 나타냈다. 기저유출분리법에 의해 산정된 함양량은 SWAT-K 모델링에 의한 함양량 결과 보다는 다소 크게 추정되었다. 이는 분포형 수문모형의 경우 셀별로 함양량을 구하지만 기저유출분리법은 한 유역 전체에 대한 집중형 개념으로 분리되므로 보다 과다하게 산정된 것으로 판단된다.

Fig. 16. Estimation of baseflow by the digital filter method.

빈도해석에 의한 지하수 개발가능량의 추정

우리나라의 수자원 특성과 이수안전도를 고려한 지하수관리 기본계획(MOLIT, 2017)의 지하수 개발가능량 산정 가이드라인에 따라 10년 빈도 갈수시 지하수 함양량을 지하수 개발가능량으로 적용하기로 하고, 이를 위해 빈도해석을 수행하였다. 10년 빈도 갈수 상황은 10년 빈도 가뭄시 강수량이 발생할 때로 상정하였다. 10년 빈도 가뭄시 강수량을 산정하기 위해 지역빈도분석을 수행하였으며, 확률분포형으로는 통상 가뭄시에 많이 사용되는 Extreme-Type III 분포를 이용하였으며, 매개변수 추정방법으로는 Hosking(1990)의 L-moment 방법을 이용하였다(Lee et al., 2008). 지역빈도분석에 있어서 자료의 검침과 유역의 동질성에 대한 검토가 수행되어야 하며, 이를 위해 지역내 지점자료를 하나의 그룹으로 간주하는 기준으로 불일치 척도(Di ≦ (N－1) / 3), 수문학적인 동질성을 평가하기 위한 기준으로 이질성 척도(H < 2)를 검토하였고 모두 적정 범위안에 드는 것으로 확인하였다.

지역빈도분석을 통해 구한 10년 빈도 가뭄시 강수량에 SWAT-K 모델링으로 산정한 함양률(=함양량/강수량)을 곱해 개발가능량을 산정하였다. 모의 영역에 포함되는 11개의 표준유역에 해당하는 격자별 개발가능량의 값을 합산하여 표준 유역별 개발가능량을 산정하였다.

이상의 분석 성과를 종합한 조사지역의 수자원총량 및 지하수 함양량과 지하수 개발가능량은 Fig. 17에 도시하였다. 연천지역의 수자원총량은 876.3백만 m³/년, 지하수 함양량은 수자원총량 대비 20.6%인 180.7백만 m³/년, 이 중 지하수 개발가능량은 101.0백만 m³/년으로 수자원총량 대비 11.5%로 산정되었다(Table 3).

Fig. 17. Amount available for development by standard watershed.

Table 3. Estimated groundwater recharge and exploitable groundwater amount

결론

본 연구는 통합수문해석 모형인 SWAT-K 모형을 이용하여 연천지역의 분포형 지하수 함양량과 개발가능량을 산정한 것으로 연구 내용의 핵심은 다음과 같다.

(1) 통합수문모형의 검보정은 워밍업 기간을 제외한 모의 전 기간에 대해 수행되었으며, 하천유량의 관측값과 모의값의 결정계수가 0.75~0.97로 양호하게 나타났다.

(2) 계산된 지하수 함양량은 시공간적 분포를 나타내며 겨울과 봄에 걸쳐낮은 함양량을 나타내나 여름과 가을에는 강수량의 패턴에 따라 함양량이 증가하는 것을 알 수 있었다.

(3) 계산된 연평균 함양량은 독립적으로 추정된 다른 방법과 비교 ‧ 검토해야 하는데 본 연구에서는 관측된 자연유량에 대해 기저유출 분리법을 이용한 결과와 비교하였으며 편차는 6% 내로 적게 나타나 추정된 함양량의 타당성을 확인할 수 있었다.

(4) 지하수 개발가능량은 10년 빈도 갈수시의 함양량으로 규정하고 있어 본 연구에서는 통계학적 빈도해석 기법을 이용하여 10년 빈도 갈수시 함양량을 산정한 결과 연 강수량의 11.5%가 개발가능한 양으로 나타났다.