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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 함세영
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 부산대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수42
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제주도는 투수성이 좋은 화산암류로 형성이 되어 지하수 함양율이 매우 높고 지표수의 발달이 빈약하므로 수원의 대부분을 지하수에 의존하고 있다. 따라서 지하수로 염수침입이 발생할 경우 매우 심각한 문제에 봉착할 수 있는 취약성을 지녔다. 제주지역의 지하수는 기후변화 인자의 변동성에 매우 취약하므로 대수층으로부터 지하수를 지속적으로 양수하면 지하수위 하강과 함께 염수침입 등 다양한 문제가 발생할 수도 있다. 제주특별자치도 지하수정보관리시스템에서 제주도의 지하수위와 염수침입을 모니터링하기 위해 설치한 53개 다심도 관측정에서 2005년부터 2019년까지 월평균 관측 자료를 이용하여 지하수위, 전기전도도(EC), 수온의 공간적 분포 특성을 분석하였다.
연강수량이 적은 2017년과 연강수량이 많은 2019년 사이의 지하수위, EC, 수온 분포를 비교 및 평가한 결과, 가장 작은 월강수량을 보인 2017년 11월에 대해 지하수위는 2018년 2월까지 전 유역에서 0.32~0.91 m의 지하수위 하강을 보였으며, 가장 많은 월강수량을 보인 2019년 9월에 대해 지하수위는 2019년 10월까지 0.46~2.95 m의 수위 상승을 보였다. 갈수기 및 풍수기의 지하수위 변동 폭은 동부지역 0.79~3.73 m, 서부지역 0.47~6.57 m, 남부지역 0.77~8.59 m, 그리고 북부지역 1.06~12.36 m로 관찰되어 북부(평균 지하수위 변동 5.92 m) 및 남부(평균 3.53 m)지역이 동부(평균 1.82 m) 및 서부(평균 2.55 m)지역에 비해 높게 나타나, 동북부지역을 비롯하여 동남부와 서부지역이 비교적 편차가 크게 나타났다. 심도별 EC의 경우 10,000 μS/cm 이상으로 염수침입의 직접적인 영향을 보이는 최대 범위가 동부는 해안선으로부터 내륙으로 10.2 km, 서부는 4.1 km, 남부는 5.8 km, 북부는 5.7 km로 나타났다. 서부 및 북부지역은 El. ?20~-40 m, 남부 및 동부지역은 El. ?80~-100 m 심도에서 염수침입이 주로 발생하는 것을 확인하였다.
다음으로 강수량, 해수위, 기온 및 지하수 양수량이 지하수위와 수질에 미치는 상대적인 영향을 평가하였다. 지하수위의 자기상관분석 결과, 지역별 지하수위 자기상관함수의 지연시간은 동부지역 0.43개월, 북부지역 0.87개월, 남부지역 10.93개월, 서부지역 17.02개월 순으로 산정되었으며, 이는 서귀포층 출현심도 및 포화대의 두께와 밀접한 관련을 보였다. 자기상관함수의 지연시간이 길게 나타나는 관측정은 대수층 상부에 저투수성의 침상장석감람석현무암과 비반상현무암, 점토 및 이암층이 관찰되어, 상부의 저투수층이 하부의 서귀포층과 함께 가압층의 역할을 하여 강수량 및 기타 외부적인 요인에 의해 장기적인 영향을 받는 것으로 예상된다. 또한, 교차상관분석 결과, 대부분의 교차상관함수가 강수량에 대해 가장 높은 값을 보였으나, 동부지역의 JD-SeHw2, 서부지역의 JD-MR1, JD-SM2, 남부지역의 JD-WP, 북부지역의 JD-HmD2는 인근 양수정의 양수량에 대한 교차상관함수 값이 가장 높게 나타나, 인근 양수정의 양수량이 지하수위 변동에 큰 영향을 미치는 것으로 판단되었다.
마지막으로 지하수위 및 EC, 수온의 시간적 분포 특성을 평가하기 위해 비모수적 경향성 평가 방법인 Mann-Kendall 검정과 Sen’s Slope 방법을 이용하여 지하수 수위, EC, 수온의 시계열적인 경향성을 분석하였다. 2005년부터 2019년까지 15년 동안 지하수위는 상승 7개소(동부 3개소, 서부 1개소, 남부 1개소, 북부 2개소), 하강 15개소(동부 3개소, 서부 8개소, 남부 3개소, 북부 1개소), 추세없음 31개소(동부 14개소, 서부 6개소, 남부 4개소, 북부 7개소), 조석효과를 제거한 수위는 상승 6개소(동부 3개소, 남부 1개소, 북부 2개소), 하강 15개소(동부 4개소, 서부 7개소, 남부 3개소, 북부 1개소), 추세없음 32개소(동부 13개소, 서부 8개소, 남부 4개소, 북부 7개소)로 나타났다. 또한 EC의 경향성 분석 결과, 경향성 정도가 100 μS/cm 이상 증가한 것으로 확인되는 관측정은 동부지역 JD-GN2의 S23, JR-GJ1의 S23~24, JD-HD1의 S23, JD-JD1의 S23~24, JD-JD3의 S23~24, JD-SS3의 S23, JD-SeHw1의 S21, 서부지역의 JW-HJD S21~23, JD-SiD1의 S21~26, JD-HM1의 S21~22, 남부지역 JR-TH1의 S23으로 나타났으며, 동시에 수온의 증가도 함께 관찰되어 해당 지점의 염수유입의 가능성이 확인되었다. 지하수위 시계열 자료에 대하여 ARIMA모형의 적용 결과, 서부지역의 기저지하수 및 하부 준기저지하수, 남부지역의 상위지하수에 위치한 관측정의 지하수위 하강이 크게 나타나, 지하수위 저하가 지속될 것으로 예상된다.
제주도 해안대수층 내 지하수의 수위, EC, 수온의 변동 및 분포는 지하지질구조, 대수층의 발달 심도 및 수리적 특성, 지하수 함양량의 변화, 지하수 이용량, 피압층의 존재 유무 등에 의해 관측정별로 상이하게 나타났다. 특히, 지하수위는 주대수층 상부의 저투수층 존재 유무에 의해 변동 특성을 달리하였으며, 염수침입은 서귀포층 분포심도와 밀접한 연관성을 보였다. 주대수층 상부에 저투수층이 존재하여 가압되는 경우 강수에 대해 지하수위 상승이 느리게 나타나고, 지하수위 하강 발생 시 회복되는데 소요되는 시간이 길다. 또한 서귀포층이 이론적 담-염수 경계면보다 하부에 분포하여 수문지질학적 방벽의 역할을 하지 못하는 경우 염수침입에 취약한 것으로 나타났다. 지하수위의 하강 경향이 크고 전기전도도의 상승 경향이 동반되며, 인근 양수정의 양수량에 의한 영향이 크게 나타나는 관측정들은 주로 서부 및 남부에서 관찰되었다. 특히, 평년 대비 적은 강수량이 기록된 2013년과 2017년에 서부지역의 JD-MR1에서 농업용수를 과다하게 취수하여 지하수위 하강 및 담-염수 경계면의 변동과 함께 염수침입이 발생하는 것을 확인하였다. 그러므로 해안대수층 내 지하수 보존과 염수침입으로 인한 지하수 오염을 방지하기 위해서는 지속적인 지하수위 모니터링 및 관리가 필요한 것으로 판단된다.
연강수량이 적은 2017년과 연강수량이 많은 2019년 사이의 지하수위, EC, 수온 분포를 비교 및 평가한 결과, 가장 작은 월강수량을 보인 2017년 11월에 대해 지하수위는 2018년 2월까지 전 유역에서 0.32~0.91 m의 지하수위 하강을 보였으며, 가장 많은 월강수량을 보인 2019년 9월에 대해 지하수위는 2019년 10월까지 0.46~2.95 m의 수위 상승을 보였다. 갈수기 및 풍수기의 지하수위 변동 폭은 동부지역 0.79~3.73 m, 서부지역 0.47~6.57 m, 남부지역 0.77~8.59 m, 그리고 북부지역 1.06~12.36 m로 관찰되어 북부(평균 지하수위 변동 5.92 m) 및 남부(평균 3.53 m)지역이 동부(평균 1.82 m) 및 서부(평균 2.55 m)지역에 비해 높게 나타나, 동북부지역을 비롯하여 동남부와 서부지역이 비교적 편차가 크게 나타났다. 심도별 EC의 경우 10,000 μS/cm 이상으로 염수침입의 직접적인 영향을 보이는 최대 범위가 동부는 해안선으로부터 내륙으로 10.2 km, 서부는 4.1 km, 남부는 5.8 km, 북부는 5.7 km로 나타났다. 서부 및 북부지역은 El. ?20~-40 m, 남부 및 동부지역은 El. ?80~-100 m 심도에서 염수침입이 주로 발생하는 것을 확인하였다.
다음으로 강수량, 해수위, 기온 및 지하수 양수량이 지하수위와 수질에 미치는 상대적인 영향을 평가하였다. 지하수위의 자기상관분석 결과, 지역별 지하수위 자기상관함수의 지연시간은 동부지역 0.43개월, 북부지역 0.87개월, 남부지역 10.93개월, 서부지역 17.02개월 순으로 산정되었으며, 이는 서귀포층 출현심도 및 포화대의 두께와 밀접한 관련을 보였다. 자기상관함수의 지연시간이 길게 나타나는 관측정은 대수층 상부에 저투수성의 침상장석감람석현무암과 비반상현무암, 점토 및 이암층이 관찰되어, 상부의 저투수층이 하부의 서귀포층과 함께 가압층의 역할을 하여 강수량 및 기타 외부적인 요인에 의해 장기적인 영향을 받는 것으로 예상된다. 또한, 교차상관분석 결과, 대부분의 교차상관함수가 강수량에 대해 가장 높은 값을 보였으나, 동부지역의 JD-SeHw2, 서부지역의 JD-MR1, JD-SM2, 남부지역의 JD-WP, 북부지역의 JD-HmD2는 인근 양수정의 양수량에 대한 교차상관함수 값이 가장 높게 나타나, 인근 양수정의 양수량이 지하수위 변동에 큰 영향을 미치는 것으로 판단되었다.
마지막으로 지하수위 및 EC, 수온의 시간적 분포 특성을 평가하기 위해 비모수적 경향성 평가 방법인 Mann-Kendall 검정과 Sen’s Slope 방법을 이용하여 지하수 수위, EC, 수온의 시계열적인 경향성을 분석하였다. 2005년부터 2019년까지 15년 동안 지하수위는 상승 7개소(동부 3개소, 서부 1개소, 남부 1개소, 북부 2개소), 하강 15개소(동부 3개소, 서부 8개소, 남부 3개소, 북부 1개소), 추세없음 31개소(동부 14개소, 서부 6개소, 남부 4개소, 북부 7개소), 조석효과를 제거한 수위는 상승 6개소(동부 3개소, 남부 1개소, 북부 2개소), 하강 15개소(동부 4개소, 서부 7개소, 남부 3개소, 북부 1개소), 추세없음 32개소(동부 13개소, 서부 8개소, 남부 4개소, 북부 7개소)로 나타났다. 또한 EC의 경향성 분석 결과, 경향성 정도가 100 μS/cm 이상 증가한 것으로 확인되는 관측정은 동부지역 JD-GN2의 S23, JR-GJ1의 S23~24, JD-HD1의 S23, JD-JD1의 S23~24, JD-JD3의 S23~24, JD-SS3의 S23, JD-SeHw1의 S21, 서부지역의 JW-HJD S21~23, JD-SiD1의 S21~26, JD-HM1의 S21~22, 남부지역 JR-TH1의 S23으로 나타났으며, 동시에 수온의 증가도 함께 관찰되어 해당 지점의 염수유입의 가능성이 확인되었다. 지하수위 시계열 자료에 대하여 ARIMA모형의 적용 결과, 서부지역의 기저지하수 및 하부 준기저지하수, 남부지역의 상위지하수에 위치한 관측정의 지하수위 하강이 크게 나타나, 지하수위 저하가 지속될 것으로 예상된다.
제주도 해안대수층 내 지하수의 수위, EC, 수온의 변동 및 분포는 지하지질구조, 대수층의 발달 심도 및 수리적 특성, 지하수 함양량의 변화, 지하수 이용량, 피압층의 존재 유무 등에 의해 관측정별로 상이하게 나타났다. 특히, 지하수위는 주대수층 상부의 저투수층 존재 유무에 의해 변동 특성을 달리하였으며, 염수침입은 서귀포층 분포심도와 밀접한 연관성을 보였다. 주대수층 상부에 저투수층이 존재하여 가압되는 경우 강수에 대해 지하수위 상승이 느리게 나타나고, 지하수위 하강 발생 시 회복되는데 소요되는 시간이 길다. 또한 서귀포층이 이론적 담-염수 경계면보다 하부에 분포하여 수문지질학적 방벽의 역할을 하지 못하는 경우 염수침입에 취약한 것으로 나타났다. 지하수위의 하강 경향이 크고 전기전도도의 상승 경향이 동반되며, 인근 양수정의 양수량에 의한 영향이 크게 나타나는 관측정들은 주로 서부 및 남부에서 관찰되었다. 특히, 평년 대비 적은 강수량이 기록된 2013년과 2017년에 서부지역의 JD-MR1에서 농업용수를 과다하게 취수하여 지하수위 하강 및 담-염수 경계면의 변동과 함께 염수침입이 발생하는 것을 확인하였다. 그러므로 해안대수층 내 지하수 보존과 염수침입으로 인한 지하수 오염을 방지하기 위해서는 지속적인 지하수위 모니터링 및 관리가 필요한 것으로 판단된다.
목차
- I. 서론 11. 연구의 배경 12. 연구의 목적 4II. 연구사 121. 제주도의 수리지질 및 지하수 부존 연구 122. 제주도의 지하수위 및 수질 변동 특성 연구 123. 시계열 자료의 경향성 분석 연구 134. 염수침입 및 염지하수 연구 14III. 지질 및 수문지질 171. 지질 172. 투수성 지질구조 203. 지하수 부존 특성 434. 강수 특성 455. 지하수 이용량 49IV. 연구 방법 531. 시계열 분석 532. 조석변동 분석 543. 상관도 분석 554. 주성분분석 565. 다중회귀분석 576. ARIMA 모형 597. 염수침입 해석 60V. 연구 결과 631. 해안지역 지하수위, 전기전도도, 수온의 공간적 분포 특성 632. 지하수위, 전기전도도, 수온의 연관성 1193. 해안지역 지하수위, 전기전도도, 수온의 장기적인 분포 특성 150VI. 토의 160VII. 종합 결론 171참고문헌 175부록 1. 관측정 제원 187부록 2. 교차상관분석 결과 244부록 3. 주성분 분석 결과 260부록 4. 시계열 분석 결과 306
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