연구개발의 과학기술, 사회경제적으로 중요

연구개발 실적, 국내외 학자들에 의해 활발

 

▲부경대학교 환경지질과학과 정상용 교수

최근 들어 우리나라의 지하수 이용량은 지표수에 비해 상대적으로 계속 증가하고 있다. 경제성장에 따른 생활용수, 공업용수 등의 사용량 증가뿐만 아니라, 농업용수에도 지하수가 많이 이용되고 있다. 지하수의 이용량이 급증함과 동시에, 여러 가지 원인(비료ㆍ농약ㆍ생활하수ㆍ자동차 배기가스ㆍ공장폐수ㆍ주유소 지하저장탱크의 유출ㆍ폐기물 매립장의 침출수 등)에 의한 지하수 오염도 계속 증가되고 있는 실정이다.

 

정밀한 지하수 유동분석은 조사지역의 수리지질학적 연구(예: 지하수함양 및 배출지역의 결정, 지하수 유속 및 유향의 결정, 지하수 개발 유망지역 선정, 지하수 오염가능성 평가 등)에 매우 중요하다. 유선망(flow net)에서 등압선(equipotential line)을 이루는 지하수위 등고선도는 지하수 유동분석에 필수적으로 요구되어지며, 이 지하수위 등고선도는 보통 지하수 수치 모델링(numerical modeling)에 의해 결정되어 지고 있다. 그러나 지하수 수치 모델링은 지형 및 지질의 변화가 적고, 대수층의 조건이 매우 이상적(균질ㆍ․등방성)일 때 그 신뢰성이 보장된다.

 

우리나라 대부분의 지층은 수리지질학적으로 불균질ㆍ이방성 대수층을 구성하며, 또 지형적으로도 기복이 심해 수치모델링에 의한 정밀한 지하수위 등고선도를 만들어내는 것은 어려운 실정이다. 더욱이 지하수 유동분석의 범위가 단순한 충적층만이 아니고 암반층까지 포함하고 또, 지형적인 변화가 큰 경우에는 수치모델링에 의한 등고선도는 많은 오차를 갖거나 때로는 분석 자체가 불가능한 경우가 많다. 지 등고학의 핵심인 크리깅(Kriging)은 불균질ㆍ이방성 대수층 지역에서 신뢰성을 갖는 지하수위 등고선도를 생산할 수 있다.

 

또한 지하수 오염의 지역적인 현황과 특성을 파악하기 위해서는, 각 오염성분의 농도분포도(isopleth map of concentration)의 작성이 필수적이다. 그런데 조사지역이 광역적이고 자료가 적은 경우에는 수작업에 의한 농도분포도 작성은 매우 어렵고, 또한 정밀성도 결여된다. 지하수 수질 자료와 같이 공간상에 무작위로 분포하는 확률변수들의 효과적인 분석을 위해서는 지구통계학적인 기법이 필요하다.

 

지구통계학적 기법은 공간상의 확률변수 자료들에 대해 신뢰성 있는 분포도를 생산할 수 있기 때문에, 선진 외국에서 많이 이용하고 있다. Matheron(1969)에 의해서 개발된 크리깅은 최선의 불편추정자(best linear unbiased estimator)로서 불편의 조건(unbiased condition)과 최소의 분산조건(minimum estimation variance)을 갖는 강력한 통계학적 추정방법이다. 크리깅은 원래 광상의 효과적인 개발을 위해 만들어졌으나, 오늘날에는 공간상에 분포하는 거의 모든 자료에 이용되고 있다. 특히 지하수 연구(지하수 수위 및 수질 분포도 작성, 대수층상수 추정 등)에서 크리깅은 매우 중요한 역할을 하고 있다.

 

우리가 이용하는 지하수 자료는 정상확률함수(stationary random functions)를 이루는 경우도 있고, 비정상확률함수(nonstationary random functions)를 이루는 경우도 있다. 정상확률함수를 이루는 자료에 대하여는 정규크리깅(Ordinary Kriging)으로 정밀한 분포도를 만들 수 있으나, 비정상확률함수를 이루는 자료에 대하여는 만능크리깅(Universal Kriging)이 더 효과적이다.

 

또한 지형의 표고와 지하수 수위(또는 지하수 수질의 전기전도도와 총고용물질 함량)와 같이 자료 간의 상관성이 큰 경우에는 지하수 수위 분포도를 만들 때, 이들의 상관성을 이용하는 코크리깅(Cokriging)을 이용하면 효율적이다. 자료 분포의 변화가 아주 심할 경우에는 크리깅 기법은 큰 오차를 갖게 되며, 조건모사(Conditional Simulation)를 이용하면 실제와 유사한 분포를 재생시킬 수 있다. 대수층상수인 수리전도도는 조건모사에 의해 좋은 분포가 만들어질 수 있다.

 

국내에서 지구통계학을 이용한 지하수 연구는 필자를 비롯해 조웅헌, 이강근, 장연수, 심병완 박사와 국토해양부, 한국수자원공사 등이 있다. 외국에서도 지구통계학을 이용한 연구가 오래 전부터 활발히 이용되고 있다.

 

지하수 유동 및 수질 특성 분석을 위해서는 고품질의 지하수 수위 및 수질 자료의 획득이 필요하다. 또한 특정 지역의 지하수 관리계획의 수립을 위해 고품질의 지하수 수위 및 수질 자료, 대수층상수 자료(유효공극율, 수리전도도, 저류계수), 수리분산 자료(분산지수, 확산계수) 등이 필요하며, 이들 자료는 현장 우물조사와 각종 시험(양수시험, 추적자 시험, 수리분산 시험 등)을 통해 획득될 수 있다. 정밀한 고품질의 자료를 이용해야지만 정밀한 지하수 수위분포, 수질분포, 오염물질 확산 상태, 해수와 담수 간의 경계 등을 정확하게 파악할 수 있다.

 

부산 수영구 현장 적용사례를 살펴보자. 지구통계기법을 이용해 부산시 수영구 내 동별 현장 간이수질은 광안동 66개, 망미동 27개, 남천동 23개, 민락동 10개 그리고 수영동 9개 지점을 포함해 총 135개 지점에서 측정했다. 수온, pH(수소이온농도), Eh(산화-환원전위), EC(전기전도도), Salinity(염도) 및 DO(용존산소)의 수질항목들이 측정됐다. 일평균 지하수 이용량의 분포도에 의하면, 중심부에서 해안가와 인접한 지역인 광안동, 남쪽 지역인 남천동, 북쪽 지역인 망미동에서 이용량이 많게 나타났다.

 

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