장선우
(Sun Woo Chang)
1iD
우소영
(Soyoung Woo)
2iD
정일문
(Il-Moon Chung)
3†iD
-
종신회원 · 한국건설기술연구원 연구위원
(Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology · chang@kict.re.kr)
-
한국건설기술연구원 박사후연구원YS
(Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology · wsy0209@kict.re.kr)
-
정회원 · 교신저자 · 한국건설기술연구원 선임연구위원
(Corresponding Author · Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology
· imchung@kict.re.kr)
Copyright © 2021 by the Korean Society of Civil Engineers
키워드
질산성질소, 반응성 이동, SWAT, MODFLOW, RT3D
Key words
Nitrate, Reactive transport, SWAT, MODFLOW, RT3D
1. 서 론
우리나라는 물공급을 주로 지표수에 의존하고 있으며 동시에 지표수의 오염, 물소비량의 증가로 인하여 지하수 개발은 계속 증가추세에 있다. 환경부의 2023년도
지하수 조사연보에 따르면 2022년말 기준으로 전국 177만개 지하수 시설에서 연간 30.4억톤의 지하수를 이용하고 있는데 이 수치는 지하수 개발
가능량의 22.5 %에 이르고 있다. 지하수 역시 오염의 위험에 노출되어 있어, 환경부 환경통계포털의 환경통계연감(MOE, 2022)에 따르면, 2021년 기준 전국 1429개 지점 중 80개(5.6 %)에서 지하수 수질 기준을 초과하였고 이중 질산성 질소에 의한 초과지점은 3건으로
파악되었다.
질산성 질소 오염은 주로 농경활동과 생활하수의 유입 등으로 발생하며, 질소 비료의 과다한 사용과 가축분뇨 등은 농경활동 중 가장 큰 비율을 차지하고
있는 오염원이다. 질산성 질소는 흙과의 반응성이 작은 음이온으로서 토양 내 비교적 짧은 시간 내에 침투해 이동하는 특성이 있어 지하수를 광범위하게
오염시킬 수 있다. 질소는 -3, +3, +5가의 형태를 띌 때 환경적으로 가장 큰 영향을 끼치며, 주로 암모니아(NH3), 아질산성 질소(NO2-),
그리고 질산성질소(NO3-)의 형태로 존재한다. 질산성질소는 특히 청색증 등의 유발하는 원인 물질로서 영유아와 임산부에게 치명적인 것으로 알려져있다.
이와 같이 음용수에서 발생할 수 있는 질병을 최소화하기 위해 위해 여러 나라에서 질산성 질소의 수질 기준을 마련해 놓고 있다. 질산성 질소에 대한
한국의 수질기준, 미국의 최대 허용 기준(MCL) 농도는 10 mg/L이며, WHO는 질산염(Nitrate)을 기준으로 50 mg/L으로 규정하고
있다.
Darcy 스케일의 물질 수지에 기초하여 질산성 질소를 포함한 대수층 내 오염물질 거동에 대한 예측하는 방법에는 여러 가지가 있으나, 대표적으로 분포형
모델링 기법을 활용한 오염물질 예측에 방식 중 지하수 유동 모델인 MODFLOW를 기반으로 한 오염물질 모의 툴이 활용될 수 있다. MODFLOW
흐름 모형을 기반한 다종 오염물질의 반응 운반 과정을 모의할 수 있는 모델에는 대표적으로 MT3DMS (Zheng and Wang, 1999), RT3D (Clement, 1997) 등이 있다. Clement(1997)는 MT3DMS를 기반으로 한 반응 운반 코드인 RT3D를 개발했는데, 이는 운동 반응 시나리오를 모의할 수 있고, 그중에는 동력 반응(kinetic)도
포함되어 있다. 이 코드는 1차원 RT3D 모델인 RT1D 코드로 개발되어 (Torlapati and Clement, 2012) EXCEL 플랫폼을 제공하고 사용자가 임의의 종류의 kinetics을 입력할 수 있는 사용자 정의 반응 패키지도 지원하였다. RT3D 초기 연구는
배치와 컬럼 스케일의 실내 실험 결과에 기반하여 검증되었으며 향후 실증 부지에 대해 적용되기 시작하였다. Lee et al.(2006)은 질소화-탈질 반응을 모의하여 지하수 환경에서의 질소 동태를 연구하여 지하수 내 질소화-탈질 반응에 대해 질소화합물, 용존 산소(DO), 용존 유기
탄소(DOC), 및 생물 kinetics를 모사하였다. Bailey et al.(2015)는 UZT-RT3D 코드를 이용해 질산성질소와 암모니아의 반응성 이동을 모의했다.
Sung et al.(2003)는 하천 수질 개선 연구의 일환으로 Darcy 스케일의 물질 수지에 기초하여 유기 오염 물질, 용존 산소, 질산성 질소 제거와 생물막 생장에 대한
Monod 모델을 이용하기 위해 이 모델에 포함된 매개변수들을 실험을 통해 도출하였다. 또한 RT3D 코드는 유역수문 모델인 SWAT과 연계되어 유역
규모의 부지의 질산성 질소 거동 진단에 적용되었다. Wei et al.(2019)는 수문모델인 SWAT, 지하수 흐름 모델인 MODFLOW 및 용질 이송전이 모델인 RT3D와 결합하여 독립적인 단일 모델 코드인 SWAT-MODFLOW-RT3D
모델을 제시하고 오리건주의 스프라구 강 수계(4100 km2)에 대한 질산성 질소의 거동 평가에 적용하였다.
이 연구는 실증 지역을 대상으로 한 지하수 모델에서 지표수와 지하수의 상호작용에 따른 질산성 질소의 반응성 이동을 분석하기 위해 SWAT, MODFLOW,
RT3D 모델을 순차적으로 연계하여 사용하였다. 이 연구는 실증 모델 기반의 오염물질의 반응성 이동에 대한 수치해석적 문제를 파악하여 지표수-지하수
환경 내 오염물질 거동 예측 모델 개선 가능성을 탐색하고자 한다.
2. 대상지역
본 연구의 대상지역은 충북 청원군 가덕면 상대리 일대를 대상으로 하는 천부대수층이다(Fig. 2). 이 지역은 금강권역 미호천의 지류인 무심천 유역 중상류에 위치하며, 논농사와 비닐하우스 시설재배가 혼합된 영농지역으로 주로 딸기와 같은 시설재배
작물이 재배된다. 시설재배 지역과 가까이 하천 구간별로 크기가 다양한 보가 위치해 있어 하천 수위가 일정하게 유지되고 있다. 연구 지역은 11월에서
3월까지의 동절기에 시설재배의 난방을 위한 지하수의 집중 취수로 지하수위가 하강하며 지하수 취수량 확보에 어려움을 겪고 있었다.
지표수-지하수 연계 방식에 대한 통합적 평가 프레임의 실증 연구는 대상 지역에서 활발히 진행되어 왔다. 예를 들어, Chang and Chung (2014; 2015)은 동절기 수막재배지역에서의 집중 취수에 따른 지하수위 변화를 분석하였다. 이 연구에서는 청원군 수막재배지역을 포함하는 유역의 3차원 유한차분 지하수
모델을 구축하였으며, 수막재배지의 일최저 기온과 취수가동 시간 간의 관계를 분석하여 취수계획을 수립하고 이를 지하수 모델링에 반영하였다. 모의된 지하수위
변동 패턴을 관측 지하수위 자료와 비교하여 모델을 검증한 결과 지하수 고갈에 미치는 강수량 및 기온 등의 수문학적 인자의 영향을 확인할 수 있었다.
Chang and Chung (2021)은 지하수 개발, 기후적 요소 및 주변 하천 환경으로 인한 대수층 내 지하수 고갈 및 회복 패턴을 물수지 분석 기반의 정량적인 수치들로 분석하였는데,
지하수 유입/유출 변화를 통해 대수층의 규모에 영향을 받지 않는 정량적 지표를 개발하여 수치적 분석을 수행하고 대수층의 장기적인 수자원 고갈을 예측할
수 있었다.
3. 연구방법
3.1 모델 연계
본 연구에서는 SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 모델을 사용하여 일일 지하수 함양량(daily groundwater
recharge)과 질산염 농도(nitrate concentration)를 산출하였으며, 이 결과를 MODFLOW 및 RT3D 모델의 입력 자료로
활용하였다. Fig. 1에 제시된 바와 같이, SWAT 모델에서 제공된 일일 지하수 함양량은 MODFLOW의 지하수 흐름 모의에 필수적인 함양 입력으로 사용되었으며, RT3D
모델에서는 질산염 농도를 함양에 의해 대수층으로 유입되는 전자수용체 농도로 적용하여 질산염의 반응성 이동을 분석하였다. 이 때 RT3D의 반응식은
Module5의 Double Monod 모델을 채택하였다. 이러한 방법을 통해 지하수 유동과 오염물질의 이동 및 공간적 분포를 보다 정밀하게 모의하고,
수문 및 수질 모델 간의 연계성을 강화하였다.
Fig. 1. Diagram of Integrated SWAT-MODFLOW-RT3D Solution Scheme
3.2 SWAT
Fig. 2는 대상 지역을 포함한 금강권역 미호천의 지류인 무심천 유역이다. SWAT(Soil and Water Assessment Tool)은 물리적 기반의
준분포형 단위 수문-수질 모델로, 수문 순환과 영양물질(질소, 인) 순환을 모의한다(Arnold et al., 1996). SWAT은 대상유역을 하천을 기반으로 사용자 정의에 따라 소유역(subbasin)으로 구분하며, 각 소유역은 토지피복, 토양특성, 경사의 특성을
기반으로 수문반응단위(Hydrologic Response Units, HRUs)로 구분한다. SWAT은 각 HRU에 대하여 물 순환과 질소 순환을
모의하며, 물순환은 물수지방정식을 기반으로 강우에 따른 증발산량, 지표유출, 중간유출, 기저유출, 침루, 회귀 등을 산정한다. 질소 순환은 토양에서의
유기질소 및 무기질소 사이의 형태 변화를 모의하며, 하천에서의 질소 역학은 QUAL2E (Brown and Barnwell, 1987)를 기반으로 하천에 용해된 질소와 퇴적물에 흡착된 영양소를 추적한다. 질소는 비료, 분뇨, 잔류물 적용, 공생 또는 비공생 박테리아에 의한 고정,
강수를 통해 토양에 추가될 수 있으며, 식물 흡수, 침출, 휘발, 탈질소화 및 침식을 통해 토양에서 제거되고, 유출, 상호 흐름 및 침투를 통해 운반됩니다(Neitsch et al., 2001).
Fig. 2. Study area of SWAT Model
본 연구에서는 환경부에서 제공하는 2020년 기준 토지이용도와 농촌진흥청에서 제공하는 정밀토양도를 이용하여 무심천 유역을 대상으로 SWAT을 구축하였다.
기상자료는 기상청에서 제공하는 청주, 보은 종관기상관측망의 일 강수량, 최고 및 최저기온, 평균풍속, 상대습도 그리고 일사량 자료를 이용하였다. Fig. 3은 청주, 보은 관측망의 일자료의 시계열 그래프이다. 분석기간 동안 청주의 연강수량은 1,166 mm, 평균 풍속은 1.5 m/s, 상대습도는 61
%, 일사량은 15.5 W/m2, 최고 및 최저기온은 19.1℃, 9.6℃였고, 보은의 연강수량은 1,273 mm, 평균 풍속은 1.2 m/s, 상대습도는
73 %, 일사량은 14.5 W/m2, 최고 및 최저기온은 18.4℃, 6.2℃였다.
Fig. 3. Data at (a) Cheong-Ju and (b) Bo-Eun Weather Stations
지표수 유량 관측망(흥덕교) 및 수질 관측망(무심천3) 자료를 이용하여 무심천 유역의 유출량과 하천 질소 부하량에 대한 검보정을 수행하였다. Table 1는 SWAT 검보정에 사용된 매개변수를 나타내며, 질소 부하량 검보정 매개변수는 Akhavan et al.(2010)과 Pott and Fohrer(2017) 등의 선행 연구들을 참고하여 조정하였다. 모델의 유출량 모의 성능은 NSE(Nash Sutcliffe Efficiency)(Nash and Sutcliffe, 1970), R2(Coefficient of determination)를 이용하여 평가하였으며, 질소 모의는 R2, PBIAS(Percent bias)를 기준으로
평가하였다.
Table 1. SWAT Parameters Used for Streamflow and Nitrate Loading
|
Parameters
|
Description
|
Value
|
|
CN2
|
SCS curve number for moisture condition
|
-5
|
|
SURLAG
|
Surface runoff lag coefficient
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10
|
|
CH_N(2)
|
Manning’s “n” value for the main channel
|
0.05
|
|
ESCO
|
Soil evaporation compensation coefficient
|
0.98
|
|
LAT_TTIME
|
Lateral flow travel time (days)
|
5
|
|
GW_DELAY
|
Delay time for aquifer recharge (days)
|
100
|
|
CDN
|
Denitrification exponential rate coefficient
|
1.4
|
|
SDNCO
|
Denitrification threshold of water content
|
0.85
|
|
N_UPDIS
|
Nitrogen uptake distribution parameter
|
65
|
3.3 MODFLOW
지하수 유동 모의 오염물질 반응성 이동 모의를 위해 구성한 유한차분 방식의 3차원 격자 모델을 구축하였다. MODFLOW를 활용한 지하수 유동 모델은
관정이 없는 정상상태를 가정하였다. SWAT 모의 기간인 2018년 1월부터 2022년 12월까지의 모의 기간 동안의 평균 지하수 함양량을 입력 자료로
활용하였다. Fig. 4는 모의 영역의 고도와 격자 분포를 나타낸 것으로서 모델의 경계는 주로 모델 서쪽의 하천의 위치와 모델 동쪽의 분수령을 따라 결정하였다. 전체 모의영역을
1200×1800 m을 5×5 m 격자로 구성하였다. 모델의 지층은 4개의 층으로 나누었으며 지층별 두께, 수리전도도, 비양수량 등의 매개변수는 Table 2에 나타내었다.
Fig. 4. MODFLOW Model Domain for Study Site
Fig. 5는 모델의 모의 영역 내에서의 하천 경계조건의 위치를 표기하였다. 그림내에서 모델의 모의 영역은 회색으로 나타나 있으며 푸른색으로 표시된 영역이 모델
내 하천의 영역이다. 모의 영역 내에 크게 세 개의 보가 위치하고 있는데 정밀 현지 조사를 통해 하천의 수위를 측정하여 총 5개의 구간별 하천 수위를
결정하였다. 하천을 가로지르는 보에 의해 대부분의 기간동안 하천수위가 일정하게 유지되며 유속이 느리다. 본 연구에서는 모델의 정류 조건을 모의하였으며
이에 따라 하천의 구간별 수위는 하천패키지(River package)를 이용하여 정상상태의 경계조건을 설정하였고 하절기의 일시적인 하천 수위 증가
현상은 하천 경계 조건에서 고려하지 않았다.
Fig. 5. MODFLOW Model for (a) Active Area and River Boundary Condition, (b) River Stages
Table 2. MODFLOW Input Data for Four Layers. (fromChang and Chung, 2014)
|
Classification
|
Thickness(m)
|
Aquifer type
|
Hydraulic Conductivity (m/day)
|
Specific yield
(Sy)
|
Specific Storage
(Ss, m-1)
|
|
KH
|
KZ
|
|
Layer 1
(surface layer)
|
5.5
|
unconfined
|
4×10-5
|
4×10-6
|
0.12
|
|
|
Layer 2
(weathered soil)
|
10.5
|
convertible
|
4×10-6
|
4×10-6
|
0.12
|
1×10-5
|
|
Layer 3
(weathered rock)
|
11
|
confined
|
1×10-6
|
1×10-6
|
|
1×10-5
|
|
Layer 4
(soft rock)
|
30
|
confined
|
1×10-5
|
1×10-5
|
|
1×10-5
|
3.4 RT3D
식 (1)은 RT3D 매뉴얼에서 제시하는 다차원 포화 다공성 매질 내에서 수용액상 및 고체상 종의 운명과 운반을 묘사하는 범용적 방정식이다(Clement, 1997). 본 연구의 방정식의 표기는 RT3D 매뉴얼 방식을 따른다.
전체 오염물질종의 개수를 나타내는 n이며, 이동상(mobile)인 종의 개수를 나타내는 m이다(따라서 n에서 m을 뺀 값은 고체상 또는 부동상 종의
총수이다). Ck는 k번째 종의 수용액 농도를 나타내며 [ML-3] 단위이다. Cim은 im번째 종의 고체상 농도를 나타내며 [MM-1(다공성 매체
단위 당 오염물질 질량) 또는 ML-3(수용액 체적 당 오염물질 질량) 단위를 사용할 수 있다], Dij는 분산 계수[L2T-1], v는 물의 선형
유속 [LT-1], φ는 공극률, qs는 단위 체적에서의 유량, flux [T-1]이고, Cs는 수원/점의 농도를 나타낸다 [ML-3], rc는 수용액
상에서 발생하는 모든 반응의 속도를 나타내며 [ML3T-1], 그리고 $\widetilde{r_{c}}$은 토양 상에서 발생하는 모든 반응의 속도를
나타내며 [MM-1T-1 또는 ML3T-1 단위를 사용할 수 있다].
부지로 유입되는 유기탄소는 전자 공여체로 작용하고, 산소와 질산성 질소는 전자 수용체로 기능하여 미생물이 이들 물질을 소모하는 기작에 의해, 유기
오염 물질과 질산성 질소를 동시에 제거할 수 있다(Sung, 2003). 이는 다공질 고체상에 부착된 생물막과 액상에 분포된 물질이 각각 성장하고 사멸하며, 그 과정에서 탈착되거나 지하수 흐름에 따라 재분포된다는 가정에
기반한 것이다. 본 연구에서는 위 식 (1)의 $\widetilde{r_{c}}$항에 해당하는 탈질(denitrification) 반응을 RT3D 기작 중 물 흐름에 의한 전자공여체 및 전자수용체의
이송과 생물막의 생장에 의한 농도 변화로 가정하고 각각의 농도변화가 미생물 반응의 기질농도에 대한 의존성에 기인한다는 가정하에 비선형 형태의 Monod
식으로 표현하였다(Clement, 1997). 특히 RT3D에서는 이 네 개의 방정식은 미생물의 성장 속도가 전자 공여체와 전자 수용체에 해당하는 두 가지 농도에 의해 영향을 받는다는 가정에
기반해 double-Monod reaction module로 표현되어 있다. 식 (2)의 첫번째 반응식은 전자 공여체의 시간적 농도 변화를 Double Monod Equation으로 표현한 반응식이며 두번째 식은 전자 수용체의 반응식,
세번째 식은 유동상의 미생물 생장식이며, 마지막 식은 고체상에 부착된 미생물의 생장식이다. 이 때 바이오필름 내부로 물질이 이동하는 속도는 고려하지
않는다.
이때 [D]는 수용액상 전자공여체 농도 [ML-3], [X] 수용액 상의 미생물 농도 [ML-3], $\widetilde{X}$는 고체상에 부착된
생물막 내 미생물 농도 [MM-1]), [A] 수용액상의 전자수용체 농도 [ML-3], RD는 지연계수, KD 전자공여체의 반속도상수 [ML-3],
KA 전자수용체의 반속도상수 [ML-3], and µm는 미생물의 최대비증식속도 [T-1]. Katt 미생물 수착 상수 [T-1], Kdet는 고체상에
부착된 미생물의 탈착되는 반응의 속도 상수 [T-1], Ke는 미생물의 사멸반응상수 [T-1]이다. 본 연구에서는 질산염의 거동에 흡착을 고려하지
않는다. 환경조건에 따라 미생물 반응을 묘사하는 매개 변수들인 µm, KD, KA는 그 값이 달라지는데(Sung, 2003), 본 연구에서는 Tolarpati and Clement (2006)에서 제시한 컬럼실험 매개변수 값을 차용하고 있으며 그 값은 Table 3에 제시하였다.
이 외에, 초기 질산염 농도는 4.0 mg/L, 초기 유동상 미생물 농도는 1.0-5 mg/L이며 하천 경계 조건의 질산염 농도, 유기오염물질은 각각
1.7 mg/L, 1.5 mg/L, 지하수 함양에 의한 대수층 유입 농도는 질산염 농도, 유기오염물질은 각각 4.0 mg/L, 3.6 mg/L로 설정하였다.
Table 3. Model Parameters Used for Reactive Transport
|
Designation
|
Description
|
Value
|
References
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|
μm
|
Specific utilization rate (mg nitrate/mg biomass-day)
|
7.21
|
Torlapati and Clement, 2009
|
|
KD
|
Monod half saturation constant for Acetate
|
1.2
|
Torlapati and Clement, 2009
|
|
KA
|
Monod half saturation constant for Nitrate
|
0.66
|
Torlapati and Clement, 2009
|
|
YX/N
|
Biomass produced per unit mount of nitrate utilized (mg biomass/mg NO3)
|
0.13
|
Torlapati and Clement, 2009
|
|
YA/N
|
Acetate used per unit amount of nitrate utilized (mg acetate/mg NO3)
|
0.84
|
Torlapati and Clement, 2009
|
|
Ke
|
First-order bacterial death or decay rate (day-1)
|
0.06
|
Torlapati and Clement, 2009
|
|
Katt
|
First-order bacterial attachment rate (day-1)
|
288
|
Torlapati and Clement, 2009
|
|
Kdet
|
First-order bacterial detachment rate (day-1)
|
0.32
|
Torlapati and Clement, 2009
|
4. 결 과
4.1 SWAT 검보정 결과
본 연구에서는 2018~2022년을 대상으로 무심천 유역의 유출량과 총질소 부하량에 대하여 모의하였으며, Fig. 6은 관측 결과와 SWAT 모의 결과를 비교한 것이다. 유출량의 모의 기간 평균 NSE는 0.66, 평균 R2는 0.70으로, 관측 유량을 잘 모의하는
것으로 분석되었다. 수질 모의는 하천 수질 관측망의 농도 자료를 이용하여 하천으로 배출되는 총질소 부하량과 비교하였다. 총 질소의 모의 기간 평균
R2, 평균 PBIAS는 각각 0.52, 11.1 %로 하천 부하량에 대한 모의 성능이 우수한 것으로 분석되었다. 질산염 부하량의 평균 R2, PIBIAS는
각각 0.04, 75 %로 관측값과의 편차가 큰 것으로 분석되었다. 질산성 질소 모델링 결과가 관측결과와 차이가 큰 이유는 여름철 증가하는 강우에
따라 발생하는 비점오염원이 하천으로 유입되는 현상을 잘 모의하지 못하였기 때문으로 판단된다. 또한, SWAT에서 총 질소 부하량은 유기질소, 질산염,
암모늄, 이산화 질소 부하량의 합으로 계산되는데 총 질소 부하량은 관측결과와 유사한 반면 질산염 부하량이 여름철 과소 추정되는 것으로 보아, 질소의
무기질화(mineralization) 모의가 잘 이루어지지 않았음을 확인할 수 있다.
Fig. 6. SWAT Calibration Results from 2018 to 2023
무심천 유역은 모의기간 동안 연평균 강수량 1,176 mm의 약 31 %(366 mm)는 지표, 중간 유출을 통해 하천으로 흐르고, 약 46 %(537
mm)는 증발되고, 약 22 %(266 mm)는 대수층으로 함양되는 것으로 분석되었다. 토양에서 손실되는 총 질소 22.21 kg/ha 중 약 52
%(11.64 kg/ha)는 유기질소의 손실이었으며, 약 11 %(2.5 kg/ha)는 지표, 중간 유출을 통해 하천으로 배출되었고, 약 36.2
%(8.04 kg/ha)는 대수층으로 침출되는 것으로 분석되었다.
4.2 지하수위 분포 및 비반응성 오염물질 이동
본 연구의 실증 지역에서 지하수위 분포는 하천의 영향을 받는 것으로 나타났다. Fig. 7(a)는 실증 지역의 지하수위 분포를 나타낸다. 모델 영역에서 올리브그린 색으로 표시된 지역은 하천 수위가 지표층보다 낮아지는 고지대에 위치하며, 이로
인해 ‘dried cell’ 지역이 형성된 영역이다. 하천 수위는 남쪽에서 북쪽 방향으로 감소하며, 지하수위 또한 비슷한 경향을 보여 69 m에서
63 m까지 분포한다. 하천 수위가 66 m인 지점을 기준으로 상류는 손실하천의 특성을 가지며, 하류는 이득하천의 특성을 보인다. 모델 영역 내에서
이득하천과 손실하천의 특성이 동시에 나타나며, 하천이 활 모양으로 곡류하기 때문에 지하수 흐름은 하천의 영향을 받아 북동쪽으로 유출되고 하류에서 북동쪽으로
유입되는 유선형 흐름을 보인다. 보가 위치한 지역에서는 보를 기준으로 급격한 하천 수위 변화가 관찰된다. 상류에서는 보의 규모가 크고 수위 변화 폭이
커서, 보 상하류에서 69 m에서 67.5 m로 약 2 m의 낙차가 발생하며, 이로 인해 지하수위 분포가 밀집하게 형성된다. 하천 중간에서는 중규모
보에서 66.5 m에서 65.5 m로 약 1 m의 낙차가 발생하며, 하류에서는 63.5 m에서 63 m로 약 0.5 m의 낙차가 관찰된다. Fig. 7(b)에서 보여지듯이 보로 가로막힌 하천 유속이 매우 느린 반면, 이 세 군데의 하천 수위 낙차 발생 지점에서는 지하수위의 선형 유속이 상대적으로 크고,
낙차로 인해 보 주변에서 작은 유선형의 국지적 지하수 흐름이 형성되었다. Fig. 7(c)는 모델 영역 내 하천 경계 조건 및 지하수 흐름에 의한 이송과 확산에 따른 질산염의 농도 분포를 보여준다. RT3D 코드 적용 시, 미생물의 초기
농도와 경계 조건의 농도를 0으로 설정하여 미생물 반응을 고려하지 않고, 지하수 흐름에 의한 이송 및 확산에 따른 오염물질의 분포를 평가하였다. 입력
데이터는 SWAT 모델의 출력값을 기반으로 하였다. 하천의 질산염 경계 조건 농도는 1.7 mg/L로 설정되었으며, 지하수 함양에 의해 대수층으로
유입되는 질산염 농도는 4.0 mg/L로 설정되었다. Fig. 7(c)에서 푸른색은 1.7 mg/L, 초록색은 4.0 mg/L로 질산성 질소의 농도 분포를 나타낸다. 모의 결과, 하천의 질산성 질소 농도 1.7 mg/L이
하천 경계를 둘러싼 형태로 형성되어 있으며, 이는 지하수 흐름의 유선형태와 매우 유사하다. 또한, 대수층 내 하천의 영향권이 비교적 명확하게 구분되며,
하천의 영향권 외부에서는 지하수 함양 농도인 4.0 mg/L이 고르게 분포하고 있다.
Fig. 7. Simulated Results for (a) Groundwater Level, (b) Groundwater Veloctiy, (c) Nitrate Concentration
4.3 미생물 생장에 의한 질산성질소 반응성 이동
Fig. 8은 반응성 이동 모델을 적용하였을 때 (a) 질산성질소, (b) 아세테이트로 대표되는 유기탄소 (c) 유동상 미생물 농도 및 (d) 비유동상 미생물
농도 분포를 보여주고 있다. 그림에서 색상표기된 영역에서 각 물질상의 농도가 계산되었으며 오른쪽의 올리브 그린색은 높은 고도로 인해 지하수위가 모델의
top numerical layer 보다 낮아 발생한 dried cell 영역으로 농도 분포에서 고려하지 않는다. Fig. 8(a)에서 제시된 질산염 농도 분포는 Fig. 7(c)의 비반응성 모델의 질산염 농도 분포와 유사한 형태를 보인다. 그러나 농도 범위를 비교했을 때, 반응성 모델의 최저 및 최고 농도는 각각 1.4 mg/L와
3.7 mg/L로 나타났으며, 이는 하천의 경계조건에 따른 농도와 자연함양에 의해 대수층으로 유입되는 농도보다 전체적으로 약 0.3 mg/L 낮은
값을 보인다. Fig. 8(b)는 아세테이트의 농도 분포를 나타내며, 모델 영역 전체에서 약 0.2 mg/L 내외의 낮은 농도를 보이고 있다. 이 농도 범위는 자연함양 농도인 3.6
mg/L에 비해 크게 감소한 수치이다. 또한, Fig. 8(c)의 유동상 미생물 농도 및 Fig. 8(d)의 비유동상 미생물 농도 분포는 유사한 패턴을 보이며, 두 경우 모두 보 주변에서 높은 농도를 나타내고 있다. 이러한 결과는 지표수-지하수 반응에
의한 반응성 질산성 질소의 거동이 보가 위치한 하상 주변에서 높은 농도로 존재할 가능성이 있음을 시사한다.
Fig. 8. RT3D Simulated Results for (a) Nitrate Concentration, (b) Acetate Concentration, (c) Mobile Bacteria Concentration, (d) Immobile Bacteria Concentration
5. 결 론
본 연구는 실증 지역을 기반으로 한 정상 상태 대수층 개념 모델을 이용하여 지하수 유동과 오염물질의 반응성 이동을 모의하였다. 연구의 주요 목표는
지표수와 지하수 간의 교환에 따른
질산성 질소의 공간적 분포를 이해하는 것이며 이를 위해 SWAT 모델과 MODFLOW를 사용하여 수문 순환과 지하수 흐름을 모의하고, RT3D를 통해
미생물 생장에 영향을 받는 질산성 질소의 반응성 이동을 분석하였다. 연구 결과, SWAT, MODFLOW, RT3D의 순차적 병렬 연계 방식은 지하수
모델링과 미생물 생장에 의한 오염물질 저감 및 이동을 세밀하게 모의할 수 있음을 보여주었다. 특히, 지표수-지하수 연계 유동이 큰 대수층에서 하천
지형에 따른 지하수의 정밀 유동 변화와 질산성 질소의 공간적 분포를 수 미터 단위로 분석할 수 있는 방법을 제시하였다.
본 연구는 실증 연구 지역에서 조사된 수문지질 자료를 활용하였으며, 지형 및 지표수의 영향에 따른 오염물질 저감 정도와 미생물이 생장하는데 영향을
미치는 지표수의 역할과 지형적 특징을 파악하였다. 그러나 연구에서는 전자수용체를 질산염으로 단순화하였으며 미생물 생장 매개변수값을 컬럼 실험에서 도출된
결과값을 사용하였기 때문에 오염물질 이동성 반응에 대한 부분은 정밀 오염물질 실증 부지 모델 구축을 위한 예비 모의적 성격이 강하다. 따라서 본 연구를
통해 도출된 결과 중 가장 중요한 발견점은 오염물질 저감 기작에서 급격한 변화가 나타나는 수리적 환경 특성이다. 향후에는 하상 환경과 천부 대수층에의
지화학적인 환경을 더욱 정밀하게 고려할 필요가 있다. 예를 들어 오염물질 저감에 대한 RT3D 지배방정식에 대한 수정, 실제 환경에서의 매개변수 값
확보도 그 중 하나이다. 또한 용존 산소를 고려하여 지중 환경 내에서 질소 산화물이 용존 산소가 완전히 고갈된 이후에 전자수용체로 사용되는 실제 환경적
변화 과정까지 모델에 반영하는 것도 고려해볼 수 있다.
본 연구 결과는 질산성 질소의 동적 거동을 이해하고 환경에 미치는 영향을 평가하는 데 중요한 기초 자료로 활용될 수 있으며, 모델 개선을 통해 지역
맞춤형 수량-수질 연계 관리 전략 개발에 기여할 것으로 기대할 수 있다. 이 연구에서 제안하는 방식은 중장기적인 수문모델에서 도출한 지하수 함양과
오염물질 유입을 예측하여 지하수모델의 지하수리적 경계조건 및 이동성 반응식의 경계조건을 동시에 설정하는 방식의 다중 해상도 모델링이다. 이 방식은
현재 국내 지하수 전문 조사 기관 뿐만 아니라 업체와 학계에서도 널리 쓰이고 있는 SWAT, MODFLOW 관련 코드를 적용하기 때문에 활용이 용이하다.
또한 정책적인 면에서도, 통합적 물관리적인 측면에서 현장의 물순환 및 오염물질의 이동 경로와 농도를 예측하고 오염물질의 이동경로에 따른 적절한 정화방법을
선택하는 데 활용할 수 있을 것이다. 마지막으로 모델 예측의 정확성을 높이기 위해 향후 연구에서는 다수의 지점에서 확보한 정밀 수질 시계열 관측 자료를
바탕으로 모델 검증을 진행하는 것이 가장 고려해야 할 목표가 될 것이다.
Acknowledgements
This work was carried out under the KICT Research Program (Development of IWRM-Korea
Technical Convergence Platform Based on Digital New Deal) funded by the Ministry of
Science and ICT.
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