[아카데미아]
지구환경과학과 박사학위 논문

김지욱
(한국수자원공사 지하수지반사업팀)



국가지하수 관측망 지하수의 수위 변동 및 수리지구화학 특성: 지구통계학적 분석을 통한 지하수 관리정책 제안


인간이 삶을 영위하는데 있어서 물이 얼마나 중요한지는 따로 설명하지 않아도 몸으로 느낄 수 있다. 바로 우리 인체의 75%가 물로 구성되어 있고, 이 중 10%만 부족해져도 생존의 위험을 받기 때문이다. 지진이나 산사태 등으로 사람이 매몰되었을 때 물만 공급된다면 보름 또는 20일 이상 지나도 구조되는 경우가 있으나, 물이 없는 상황에서는 3일을 넘기기 어렵다. 이렇듯 물은 바로 생명이라고 할 수 있다. 또한 물은 대체재가 없다는 특징이 있다. 쌀이 없으면 보리, 밀, 옥수수 등으로 식량을 대체할 수 있고, 석유가 없으면 석탄, 목재, 원자력 등으로 에너지를 대체할 수 있지만 물이 없으면 과연 무엇으로 대체할 수 있을까? 지구에서 물이 없는 생명은 존재할 수 없다. 지구 물의 총량은 약 14억 ㎦ 인 것으로 알려져 있다. 그러나 대부분은 우리가 직접 사용할 수 없는 바닷물이고 겨우 2.5%만이 담수이다. 하지만 담수 중에서도 약 69.6%는 현재 기술로 사용할 수 없는 빙하, 만년설 등이며, 나머지 30.4% 만이 지하수(groundwater)와 하천, 호수 등의 형태로 존재하고 있다. 인류는 그동안 대부분의 물을 하천이나 호수 등 지표수를 통해 확보하여 왔다. 그런데 전 세계적으로 현재 물 사용량의 20% 이상을 지하수에서 끌어오고 있으며, 깨끗한 물에 대한 욕구 증대로 지하수 이용량은 점점 늘어날 것으로 전망되고 있다. 지하수는 연중 수온(水溫)이 큰 변화 없이 일정하고 수질이 지표수에 비해 양호하다는 장점이 있으나, 땅속에 부존하기 때문에 이동 속도가 느려 한번 오염되거나 수량이 고갈되면 회복하는데 많은 시간이 소요된다. 이 때문에 지속가능한 이용을 위해서는 무엇보다 철저한 관리가 매우 중요하다. 이에 정부에서는 지하수의 변동상황을 지속적으로 관찰하기 위해 전국 주요 지점에 320개의 지하수 관측소를 설치하여 지하수 수위를 1시간 간격으로 자동 측정하며, 년 간 2회의 수질분석을 실시함으로써 수원의 고갈과 수질오염을 감시하고 있다.

우리나라의 경우 지하수 분야에 대한 본격적인 연구가 시작된 것은 그리 오래되지 않았으며, 그나마도 국지적인 지역에 한정된 연구가 대부분이었다. 본 연구에서는 지하수 관측망의 관측자료를 가지고 전국을 대상으로 하여 우리나라 지하수가 현재 어떤 상황에 처해 있으며, 어떤 특징을 가지고 있는지 규명함으로써 체계적인 지하수관리를 위한 기초 정보를 제공하고자 하였다. 본 연구는 수량부분을 다룬 1부와 수질특성을 규명한 2부로 구성되어 있다. 1부에서는 5년 이상 장기 관측된 자료를 바탕으로 기본적인 통계분석을 통해 현재 우리나라 지하수의 전반적인 수위변동 상황을 파악했다. 그래서 그 결과 우리나라의 지하수 수위는 대부분 지표 아래 2~10 m에 형성되어 있으며, 연간 6 m 범위 내에서 큰 변동없이 안정된 상태를 유지하고 있는 것을 알아냈다. 한편, 시계열 분석을 통해 수위변동 양상을 분석하여 24가지 수위변동 유형을 제시하였는데, 전체 관측정의 66.8%가 계절에 따라 주기적으로 수위가 변동하는 계절형이며, 72.5%가 강우에 민감하게 반응하는 것으로 분석되었다. 또한, 선형회귀분석을 통한 변동추세 분석과 백분위수 상자도식 등을 이용해서 수위 변동에 이상 징후를 보이는 지점을 선별하여 제시하기도 했다. 이를 바탕으로 이상 징후에 대한 원인 분석과 대책을 마련토록 하였으며, 향후에도 지속적인 관측을 통해 이와 같은 수위 변동으로 인한 우려지점을 선별하는 프로세스를 정립하였다.

2부에서는 수질분석 자료를 토대로 우리나라 지하수의 전반적인 수질특성을 분석하고, 효율적인 수질관리를 위한 오염취약성 평가방안을 제시하고자 했다. 지하수의 수질은 인위적인 오염뿐 아니라 지하 지질에 의해 영향을 받게 되는데, 그 때문에 지하수 수질에 영향을 주는 요인을 파악하고, 이를 바탕으로 수질유형에 따라 맞춤형 관리를 하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 우선 Stiff diagram과 Durov diagram을 통해 지하수를 수질에 따라 인위적인 오염 여부, 물-암석 반응, 해수침투, 공극수 영향 등에 따라 6가지 유형으로 구분할 수 있었다. 한편, 천부 지하수와 심부 지하수의 수질의 차이를 검토하기 위해 Kruskal –Wallis test에 의한 가설검증을 실시하여 지하수 수질은 심도에 따라 큰 차이는 나타나지 않으며, 이는 심부 지하수와 천부 지하수가 섞여 수질이 결정되는 것으로 해석하였다. 또한 이 연구에서는 다변량 통계분석을 시행했는데 이는 복잡한 자료를 정보의 손실없이 단순화하고 정량적으로 표현하며, 시각적으로 이해하기 쉬운 도식으로 표현된다는 장점이 있다. 이 글은 군집분석(Cluster Analysis)을 통해 국내 지하수를 수리지구화학적 유형에 따라 5개 군집으로 구분하였으며, 주성분 분석(PCA)을 통해 지하수의 수질형성에 관여하는 다양한 기작을 해석하였다.

그 외에도 자기조직화 지도(SOM)를 사용하여 지하수 분류를 시도하기도 했다. 자기조직화 지도는 자율학습 알고리즘을 이용한 인공 신경망(neural network)의 일종으로 군집에 대한 사전 정보없이 자료를 군집화하는 기법인데, 주로 생물학, 스포츠과학, 기상학 등에서 방대한 양의 데이터를 정리하는데 유용하게 활용되는 최신 기법이다. 본 연구는 이를 국내 최초로 지하수 분야에 적용하였다. 마지막으로 지하수의 대표적이 오염항목인 질산염 이온을 대상으로 가설검정과 Box-plot을 통해 대수층의 심도, 토지이용형태, 지형고도 등이 질산염 오염에 영향을 미치는 것으로 분석되었으며, 이를 통해 향후 효율적인 수질관리를 위해 GIS 분석과 연계한 오염 취약성 평가의 가능성을 제시하였다.



목      차

제1부 국가지하수관측망 지하수의 수위변동 특성

1. 개  요
  1.1. 지하수 현황
  1.2. 지하수 관측망 개요
  1.3. 국가지하수관측망 현황
  1.4. 관측자료 활용 연구분야

2. 지하수위 장기 관측자료 분석
  2.1. 배경 및 목적
  2.2. 수위 관측자료의 기본 통계분석
  2.3. 수위변동 유형분류
  2.4. 경향성 분석
  2.5. 백분위수 분석
  2.6. 지하수위 변동량
  2.7. 정밀조사 대상지점 선정기준

3. 결론 및 토의


제2부 국가지하수관측망 지하수의 수리지구화학 특성

1. 개  요
  1.1. 배경 및 목적
  1.2. 시료채취 및 분석

2. 지하수 수질자료의 분석
  2.1. 수리지구화학적 특성
  2.2. 다변량 통계분석
  2.3. 자기조직화 지도
  2.4. 질산염 이온을 이용한 오염 취약성 평가

3. 결론 및 토의

출처 : 고려대학교 고파스 2024-04-28 07:55:56: