A Study on Groundwater Characteristics Using Kriging Method and Numerical Modeling at a Coastal Urban Area in Busan, KOREA

Abstract

본 연구에서는 크리깅 기법을 이용하여 연구지역의 지하수 수위 및 수질 분포 특성을 파악하고, 과도한 지하수 사용과 지하철 등에서 발생하는 유출지하수의 영향을 고려한 모델링을 수행하여 부산 해안가 도시지역의 지하수 특성을 파악하고자 한다. 연구지역은 부산광역시 수영구 지역으로서 북서 방향으로 황령산이 위치하고, 동쪽 방향으로는 수영강, 남쪽방향으로는 수영만이 인접해 있다. 연구지역 내 377개의 지하수공이 개발되어 사용되고 있으며, 부산지하철 2호선과 3호선이 운행 중이다. 연구지역에서 지하수 수위 및 수질을 관측한 결과, 지하수 수위는 136개 지점에서 관측하였으며, 지하수위는 -38.32 ∼ 60.37 m의 범위를 나타내며, 평균은 7.38 m를 나타내었다. 지하수질은 135개 지점을 대상으로 하였으며, 수온, pH, Eh, DO, EC 및 salinity에 대하여 관측을 수행한 결과, 수온은 11.0 ∼ 22.0℃의 범위를 나타내며, 평균은 14.6℃로 나타났다. pH는 5.72 ∼ 8.50의 범위에서 평균은 6.68로 나타나며, Eh는 -226.5 ∼ 591.2 mV의 범위에서 평균은 138.5 mV로 나타났고, DO는 1.8 ∼ 13.8 mg/L의 범위에서 평균은 6.5 mg/L로 나타났다. EC는 150.5 ∼ 17,870.0 μS/cm의 범위에서 평균은 849.0 μS/cm로 나타나며, salinity는 0.0 ∼ 12.7 ppt의 범위에서 평균은 0.29 ppt로 나타났다. 지하수 수위 및 수질 분포 특성을 파악하기 위해 크리깅 기법을 적용한 결과, 지하수위 분포도에서 지하수 유동방향은 해안가에 위치한 양수지역 및 지하철 노선을 따라 유동함을 알 수 있었다. 이는 과도한 지하수 양수와 지하철에서 발생하는 유출지하수에 의해 지하수위 하강이 발생함을 나타내었다. 지하수질 분포도에서 EC는 해안가 지역인 민락동, 수영동 및 광안동 지역에서 800.0 ∼ 17,870.0 μS/cm로 높게 나타났으며, salinity 또한 해안가 지역에서 0.6 ∼ 12.7 ppt의 범위로 높게 나타났다. 이는 지하수위 하강에 따른 해수침투의 영향으로 판단된다. 연구지역 내 지하수 함양율을 산정하기 위해 물수지 분석을 실시한 결과, 지하수 함양율은 산림지역에서는 연간 강수량의 45.13%에 해당하는 721.51 mm/year, 도시지역에서는 연간 강수량의 16.85%에 해당하는 263.31 mm/year로 산정되었다. 연구지역 내 해수침투현상을 모사하기 위하여 수치모델링이 수행되었다. 대수층의 모델영역은 분수령을 따라 결정하였으며, 수영구의 행정구역 경계와 유사하게 설정되었다. 전체 대상면적은 5,700 m × 6,300 m이며, 격자의 수는 X, Y 방향으로 56 × 62개로 설정하였으며, 대수층의 유형은 자유면 대수층으로 설정하였다. 향후 10년간의 수치모델링을 수행한 결과, 지하수위는 계속 하강하여 해수침투가 가속화 되는 것으로 나타났다. 또한 정류상태에서의 수치모델링 결과, 지하수위는 -62.96 ∼ 43.12 m에 형성되었으며, 관측된 지하수위(-38.32 ∼ 60.37 m)에서 17.25 ∼ 24.64 m 정도 하강될 것으로 예측되었다. 하지만 본 연구의 수치모델링에서는 수영강과 수영만의 경계지역을 고정수두로 설정하여 지표수와 지하수의 상호 작용이 고려되지 않았다. 이는 염수화된 수영강과 수영만을 통한 해수침입을 고려하지 않은 결과이므로, 지하수위 하강에 의해 해수가 대수층 내로 유입될 것으로 판단된다. 본 연구를 통해 연구지역 내 해수침입은 더욱 가속화 될 것으로 판단되며, 따라서 해수침입을 방지하기 위한 대책 마련이 필요하다.

In this study, the characteristics of groundwater level and groundwater quality using kriging method and numerical modeling were studied to delineate groundwater characteristics at a coastal urban area. The study area is located at a coastal urban area of Suyeong-gu in Busan. Mt. Guemnyeon is located at the northwest of the study area. The Suyeong rever is located at the east, and the Suyeong bay is located at the south of the study area. There are 337 wells in this area, and Line 2 and Line 3 of the Busan subway runs through the study area. Groundwater levels were monitored at 136 wells. Groundwater levels ranged from -38.32 to 60.37 m, and 7.83 m in average. Water temperature, pH, Eh, DO, EC and salinity at 135 wells, groundwater qualities, were 14.6℃ (11.0 ∼ 22.0℃), 6.68 (5.72 ∼ 8.50), 138.5 mV (-226.5 ∼ 591.2 mV), 6.5 mg/L (1.8 ∼ 13.8 mg/L), 849.0 μS/cm (150.5 ∼ 17,870.0 μS/cm), and 0.29 ppt (0.0 ∼ 12.7 ppt), respectively. Distribution maps of groundwater level and groundwater quality were drawn using kriging method. Groundwater flow direction was formed toward densely pumping area and subway line. That was shown that drawdown was occured by pumping in the densely pumping area and flowing-out groundwater in subway lines. The EC and salinity were as high as 800.0 ∼ 17,870.0 μS/cm and 0.6 ∼ 12.7 ppt, respectively at the coastal area; Millak-dong, Suyeong-dong, and Gwangan-dong. It was considered effect of seawater intrusion according to groundwater drawdown. Water balance analysis was conducted to estimate of groundwater recharge rate. The groundwater recharge rate was 721.51 mm/year (45.13% of the average annual precipitation) at woodland over an elevation of 100 m, 263.31 mm/year (16.85% of the average annual precipitation) at the urban area under an elevation of 100 m. The model boundary was specified in accordance with watershed that was similar to an administrative district of Suyeong-gu. By the result of numerical modeling for ten years from now, seawater intrusion has been going to increase as elapsed time. In a steady state, groundwater level is going to fall from -38.32 ∼ 60.37 m to -62.96 ∼ 43.12 m, approximately 17.25 ∼ 24.64 m. However, this modeling was not considered the connection between surfacewater and groundwater. Therefore, much more saline water is going to flow into aquifer as much as the groundwater drawdown in actuality. In consequence, seawater intrusion is getting serious at a coastal urban area, therefore countermeasures of seawater intrusion should be urgently discussed.