혼합대에서 수리적, 수화학적, 열적 및 수치적 방법을 이용한 지하수-하천수 상호작용의 시ㆍ공간적 변화 평가 :Evaluation of temporal and spatial variations in groundwater-stream water interaction in the hyporheic zone using hydrological, hydrochemical, thermal and numerical methods

전우현

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자료유형: 학위논문

저자정보: 전우현 (강원대학교, 강원대학교 대학원)

지도교수: 이진용

발행연도: 2019

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2019

혼합대에서 수리적, 수화학적, 열적 및 수치적 방법을 이용한 지하수-하천수 상호작용의 시ㆍ공간적 변화 평가

전우현 지질학과 2019.01 학위논문

2018

인북천 하이퍼릭존에서 생물학적인 방법을 이용한 지하수-하천수 상호작용 평가

전우현 , 박신애 , 이진용 외 2명 대한지질학회 학술대회 2018.10 학술대회자료

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이 연구는 혼합대에서 수리적, 수화학적, 열적 및 수치적 방법을 이용한 지하수-하천수 상호작용의 시ㆍ공간적 변화를 정량적ㆍ정성적으로 평가하였다. 인제군 서화면에 위치한 인북천에서 2013년부터 2016년까지 현장조사 및 모니터링을 수행하였다. 하천을 가로지르며 10미터 간격으로 7개의 피에조미터를 설치하였다. 피에조미터와 하천수 관측장비에서 수위와 온도를 1시간 간격으로 측정하였다. 또한 연구기간 동안 각 피에조미터, 하천수(IYSW1) 및 농업용 지하수 관정(IYAW1)에서 시료채취를 통해 현장수질측정(pH, DO, ORP, EC, Temp.), 양ㆍ음이온 분석 및 산소ㆍ수소 동위원소 분석을 수행하였다. 한편 각 피에조미터에서 상류방향으로 1미터 떨어진 지점에 깊이별(0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 m) 토양온도 로거를 설치하였으며 2시간 간격으로 측정하였다.
수리적 방법을 이용한 해석을 위해 강수량 및 강우일수를 고려하여 각 피에조미터에서 측정된 수위와 하천수에서 측정된 수위 차이를 시계열 자료로 나타내었으며 업웰링 또는 다운웰링 상태인지 평가하였다. 또한 IYHW4와 IYAW1에서 측정된 수위자료를 이용하여 플럭스를 계산하였다. 수화학적 방법을 이용한 해석 중 양ㆍ음이온 분석 결과 Ca와 HCO3가 가장 우세하게 나타났으며 파이퍼 다이어그램 도시 결과 연구지역의 지하수, 하천수 및 혼합대수는 천부지하수 및 신선한 물로 Ca-HCO3-Cl 유형에 나타났다. 우기에 손실하천이 발생하면 대체적으로 하천 바깥에 위치한 피에조미터의 Ca, HCO3, 및 EC 값이 높게 나타났다. 한편 지하수 및 하천수의 산소ㆍ수소 동위원소 앤드맴버를 이용하여 혼합비율을 계산하였으며 2013년 9월에는 IYAW1에서 IYSW1 방향으로 갈수록 지하수 혼합비율이 낮아졌고 2013년 11월에는 IYSW에서 IYAW1 방향으로 하천수 혼합비율이 높아졌다.
열적 방법을 이용한 해석결과 지하수 온도는 10-12oC로 일정하였으며 하천수 온도는 대기온도 변화에 영향을 받아 변화폭이 크게 나타났다. 혼합대수가 업웰링 상태일 때는 지하수의 영향을 받아 온도 변화가 크지 않았지만 다운웰링 상태일 때는 하천수의 영향을 더 우세하게 받아 온도 변화 폭이 크게 나타났다. 또한 VFLUX를 이용한 수직 플럭스 계산 결과 깊이가 증가함에 따라 플럭스 크기가 작아졌다. 수리적, 수화학적, 열적 및 수치적 방법을 이용한 결과 연구지역은 2013년 10월 10일을 기준으로 이전에는 다운웰링 상태였지만 이후부터 업웰링 상태가 우세하게 나타났다. 2014년에는 총 강수량이 698.5 mm로 최근 10년간 평균 강수량 1188.4 mm의 58.8% 수준에 불과했다. 일반적으로 우기에는 업웰링 상태를 보였고 건기에는 다운웰링 상태를 보였다.

We evaluated groundwater-stream water interaction in the Inbuk stream, Korea, using various approaches including hydrological, hydrochemical, thermal and numerical methods. For this purpose, we installed seven piezometers (IYHW1-7) in the streambed at 10 m intervals across the stream. We monitored water levels and water temperatures every hour using automatic transducers at the piezometers and in the stream (IYSW1) from September 2013 to April 2016. We also analyzed chemical and isotopic compositions for the hyporheic waters, stream water, and nearby groundwater. Soil temperature loggers were installed at seven locations (IYST1?IYST7) at depths 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 m in the streambed across a stream every 10 m. The soil temperatures were recorded every two hours.
The water levels and hydraulic gradients revealed that piezometers experienced upwelling conditions for most of the monitoring period, except for the earliest short period (considered to be the wet season). Observed temperatures of groundwater, stream water and hyporheic waters also revealed that stream water was downwelling in the early monitoring period (wet season), whereas the groundwater was generally upwelling in most of the resting period, which is consistent with the water level interpretation. Chemical composition analysis indicated that most of the waters were Ca-HCO3-Cl type. This lack of any substantial seasonal variation in the chemical composition of water suggested a lack of correlation between chemical compositions and flow conditions. The mixing ratios computed from oxygen and hydrogen isotopic compositions indicated that downwelling conditions were dominant in the wet season, whereas upwelling conditions prevailed in the dry season.
Vertical water flux was calculated using VFLUX program. The results of flux calculation the in the stream showed that vertical flux rate all locations were indeed strongly upwelling condition in the dry season. Also, the largest vertical flux rates showed at the shallowest depths. Total annual precipitation was 698.5 mm in 2014, which accounted for 58.8% of mean annual precipitation (1188.4 mm) from 2007 to 2016. Generally, stream water downwelling in the wet season, the considerably elevated stream levels cause stream water infiltration into the streambed (sediments), thus recharging groundwater, whereas the groundwater was upwelling in the dry season. The interpretations of stream water and groundwater interactions based on these different methods are relatively consistent for this study area, indicating that such combined methods will be very useful in enhancing understanding of groundwater and stream water interaction.

#혼합대 #지하수-하천수 #상호작용 #수리적 #수화학적 #수치적 #열적

목 차
Ⅰ. 서 론 ---------------------------------------------- 1
Ⅱ. 연 구 방 법 ------------------------------------------ 6
2.1 연구지역 ------------------------------------------- 6
2.1.1 일반현황 --------------------------------------------- 6
2.1.2 일반지질 --------------------------------------------- 7
2.2 관측 장비 설치 및 운영 ------------------------------ 10
2.2.1 혼합대수와 하천수 관측 장비 설치 ------------------------ 10
2.2.2 혼합대수와 하천수 데이터 로거 설정 --------------------- 15
2.2.3 깊이별 온도 측정 로드(rod) 설치 및 데이터 로거 설정 ------- 17
2.2.4 하천 폭, 하천 깊이 및 하천 유량 측정 --------------------- 20
2.2.5 수준 측량 -------------------------------------------- 20
2.3 현장자료 수집 및 분석 ------------------------------- 24
2.3.1 토양시료 채취 및 입도분석 ------------------------------ 24
2.3.2 현장수질측정, 양ㆍ음이온 분석 및 산소ㆍ수소 동위원소 분석 -- 27
2.3.3 순간수위변화시험 및 지하수 유동 방정식 ------------------ 31
2.4 시계열 분석 ---------------------------------------- 33
2.5 VFLUX를 이용한 플럭스 계산 ------------------------- 34
Ⅲ. 결과 및 토의 ---------------------------------------- 37
3.1 현장토양특성 및 수리전도도 추정 ----------------------- 37
3.2 수리적 해석 ---------------------------------------- 42
3.2.1 하천수위와 혼합대수위 변화 ----------------------------- 42
3.2.2 수치 계산을 이용한 유동방향 추정 ------------------------ 54
3.2.3 하천수 및 혼합대수의 수위 시계열 분석 ------------------- 57
3.3 수화학적 해석 -------------------------------------- 61
3.3.1 일반 수리화학적 특성 ---------------------------------- 61
3.3.2 산소ㆍ수소 안정 동위원소의 시ㆍ공간적 분포 특성 ----------- 72
3.4 열적 시그널 ---------------------------------------- 79
3.4.1 지하수, 하천수 및 혼합대수에서의 수온 변화 --------------- 79
3.4.2 하천수 및 혼합대수의 수온 시계열 ------------------------ 83
3.4.3 혼합대 토양온도 분포 특성 ------------------------------ 87
3.5 시ㆍ공간에 따른 플럭스 변화 -------------------------- 90
Ⅳ. 결 론 --------------------------------------------- 95
Ⅴ. 참고문헌 ------------------------------------------- 99
표 목 차
표 1. 피에조미터, 하천수 관측 장비 및 농업용 관정 제원 ----------- 14
표 2. 혼합대수, 하천수, 대기압 및 기상 관측기간 ------------------ 16
표 3. 깊이별 토양온도 관측지점 및 기간 ------------------------- 19
표 4. 하천 폭, 하천 깊이 및 하천 유량 측정 ---------------------- 22
표 5. 시료채취 항목 및 기간 ---------------------------------- 30
표 6. 토양입도분석 결과 -------------------------------------- 39
표 7. 토양입도분석 결과를 통해 경험식을 이용한 수리전도도 추정 ---- 41
표 8. 지하수(IYAW1), 하천수(IYSW1) 및 혼합대(IYHW1, IYHW2, IYHW3, IYHW4)에서의 현장수질측정 결과 ------------------------- 63
표 9. 지하수(IYAW1), 하천수(IYSW1) 및 혼합대(IYHW1, IYHW2, IYHW3, IYHW4)에서의 양ㆍ음이온 분석 결과 ---------------------- 65
표 10. 지하수(IYAW1), 하천수(IYSW1) 및 혼합대(IYHW1, IYHW2, IYHW3, IYHW4)에서의 산소ㆍ수소 안정 동위원소 분석 결과(unit: ‰) ----------------------------------------------------------- 74
표 11. VFLUX 프로그램을 통해 계산된 플럭스의 월별 통계 --------- 93
표 12. 수리적, 수화학적, 열적 및 수치적 방법을 이용한 지하수-하천수 상호작용 평가 시 장ㆍ단점 비교 ---------------------------- 98
그 림 목 차
그림 1. 지하수와 하천수의 경계구간인 혼합대(hyporheic zone) 개념도(Modified from Winter et al., 1998) ----------------------- 3
그림 2. 지하수-하천수 상호작용 과정에서 이득하천 및 손실하천 개념도(Modified from Winter et al., 1998) ----------------------- 5
그림 3. 연구지역인 강원도 인제군 서화면 인북천 일대의 항공사진 및 현장 관측 장비 설치 지점, 국가지하수관측소(National Groundwater Monitoring Station, NGMS)인 인제-서화, 농업용 관정 위치 ---- 8
그림 4. 인제-서화 무인기상관측소(211)에서 관측된 2007년부터 2016년까지의 강수량 및 연평균 기온 ------------------------------- 9
그림 5. (a) 해머를 이용해 타격식으로 피에조미터를 설치하는 모습, (b) 설치된 IYHW3 피에조미터, (c) 전체 피에조미터 설치 전경, (d) 겨울에 피에조미터 보온 처리 ------------------------------- 11
그림 6. 혼합대에서 깊이별 온도를 측정하기 위한 스테인리스 스틸 로드(rod), (b) 스틸 로드에 장착된 온도센서(Model 8K Pendant, HOBO), (c) 피에조미터에서 상류 방향으로 1 m 지점에 설치중인 깊이별 토양온도 측정 스틸 로드, (d) 설치 완료된 깊이별 토양온도 측정 스틸 로드---------------------------------------- 18
그림 7. (a) IYHW1과 IYHW2 사이 부근 얕은 깊이에서 플로우 프로브(Flow Probe)를 이용한 하천유량 측정, (b) IYHW5와 IYHW6 사이 부근 깊은 깊이에서의 하천유량 측정, (c, d) 수준 측량 ------ 21
그림 8. 하천을 가로지르며 10 m 간격으로 설치된 현장 관측 장비 설치 단면도(피에조미터 위치 및 설치심도, 하상에서의 깊이별 온도측정 로드 및 센서 위치, 하천수위 측정 장비 등) 및 수위 ----------- 23
그림 9. (a) 토양시료 채취, (b) 건조기를 이용한 토양시료 건조, (c) 시브(sieve)를 이용한 체분석, (d) 입자크기에 따른 무게 측정 및 기록 ---------------------------------------------------- 26
그림 10. (a) 연동펌프를 이용한 피에조미터에서 시료채취, (b) 현장수질측정(pH, DO, ORP, EC, Temp.), (c) 필터링 세트를 이용하여 0.45 μm 이하로 여과 (d) 분석항목에 따라 시료병에 담음 ------------ 28
그림 11. 하상에 설치된 깊이별 토양온도 센서 및 온도 자료를 이용한 플럭스 계산 모식도(modified from Gordon et al., 2012) ---------- 36
그림 12. 토양입도분석 결과 (a) 정규분포곡선, (b) 누적분포곡선, (c) 토양 조직 삼각도(soil texture triangle) ------------------------ 40
그림 13. 하천수위(IYSW1), 혼합대수위(IYHW1, IYHW2, IYHW3, IYHW4, IYHW5, IYHW6, IYHW7) 및 시간당 강수자료(2013년 9월 11일부터 2015년 1월 4일) -------------------------------------- 43
그림 14. 하천수위(IYSW1)와 혼합대수위(IYHW1, IYHW2, IYHW3, IYHW4, IYHW5, IYHW6, IYHW7)의 차이를 나타낸 시계열 자료 ---------------------------------------------------- 46
그림 15. IYSW1과 IYHW1에서 측정된 수위의 차이 값을 통한 시간에 따른 업웰링 또는 다운웰링 상태 변화 ------------------------- 48
그림 16. 하천수위(IYSW1) 및 혼합대수위(IYHW1, IYHW2, IYHW3, IYHW4, IYHW5, IYHW6, IYHW7)를 이용한 박스플롯(2013년 9월 11일부터 2015년 1월 4일) ------------------------------ 50
그림 17. 하천수(IYSW1)와 혼합대수(IYHW1, IYHW2, IYHW3, IYHW4, IYHW5, IYHW6, IYHW7)의 수두차이를 이용한 박스플롯 ----- 52
그림 18. 2013년 9월부터 2014년 11월까지 IYSW1와 IYHW1의 수두차이를 월별로 나타낸 박스플롯 -------------------------------- 53
그림 19. IYHW4와 IYAW1의 수위자료를 이용한 플럭스(flux) 계산 --- 55
그림 20. 지하수 및 하천수 유동 방향 모식도 --------------------- 56
그림 21. 하천수위(IYSW1)와 혼합대수위(IYHW1, IYHW2, IYHW3, IYHW4, IYHW5, IYHW6, IYHW7)의 (a) 자기상관분석 및 (b) 스펙트럼밀도분석 ----------------------------------------- 59
그림 22. 하천수위(IYSW1)와 혼합대수위(IYHW1, IYHW2, IYHW3, IYHW4, IYHW5, IYHW6, IYHW7)의 교차상관분석(입력값: 하천수위, 출력값: 혼합대 수위) ------------------------------- 60
그림 23. 지하수(IYAW1), 하천수(IYSW1) 및 혼합대(IYHW1, IYHW2, IYHW3, IYHW4, IYHW6, IYHW6, IYHW7)의 파이퍼다이어그램(GW: groundwater, SW: stream water, HW: hyporheic water) ---------------------------------------------------- 68
그림 24. 지하수(IYAW1), 하천수(IYSW1) 및 혼합대(IYHW1, IYHW2, IYHW3, IYHW4, IYHW6, IYHW6, IYHW7)에서의 스팁다이어그램 ---------------------------------------------------- 69
그림 25. 깁스 다이어그램(Gibbs diagram)을 이용한 지하수, 하천수 및 혼합대수에서의 증발, 물-암석 교환 및 증발에 대한 수리화학적 과정 이해 ------------------------------------------------- 71
그림 26. 지하수(IYAW1), 하천수(IYSW1) 및 혼합대(IYHW1, IYHW2, IYHW3, IYHW4, IYHW6, IYHW6, IYHW7)에서의 산소ㆍ수소 동위원소 조성(GMWL: Global Meteoric Water Line, GW: groundwater, SW: stream water, HW: hyporheic water) ----------------- 75
그림 27. 지하수와 하천수에서 산소ㆍ수소 동위원소의 엔드멤버를 이용한 혼합비율(mixing ratio) --------------------------------- 78
그림 28. 지하수(IYAW1), 하천수(IYSW1) 및 혼합대(IYHW1, IYHW2, IYHW3, IYHW4, IYHW6, IYHW6, IYHW7)에서의 수온변화와 강수량 ------------------------------------------------- 81
그림 29. 2013년 9월 11일부터 2015년 1월 4일까지 하천수(IYSW1) 온도 및 혼합대수(IYHW1, IYHW2, IYHW3, IYHW4, IYHW5, IYHW6, IYHW7) 온도에 대한 박스플롯 -------------------------- 82
그림 30. 하천수(IYSW1) 온도와 혼합대수(IYHW1, IYHW2, IYHW3, IYHW4, IYHW5, IYHW6, IYHW7) 온도의 (a) 자기상관분석, (b) 스펙트럼밀도분석 --------------------------------------- 84
그림 31. 하천수(IYSW1) 온도와 혼합대수(IYHW1, IYHW2, IYHW3, IYHW4, IYHW5, IYHW6, IYHW7) 온도와의 교차상관분석(입력값: 하천수 온도, 출력값: 혼합대수 온도) ---------------------- 86
그림 32. 혼합대에서의 깊이별(0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 m) 토양온도 측정 - 88
그림 33. 지하수, 혼합대수 및 하천수 온도자료를 이용한 연구지역의 계절에 따른 온도분포 단면도 ---------------------------------- 89
그림 34. VFLUX 프로그램을 이용하여 IST1, IST2, IST5 및 IST6의 1차원 수직 플럭스를 계산 ----------------------------------- 91
그림 35. 깊이에 따른 IST1, IST2, IST5 및 IST6의 플럭스 변화 ----- 94

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