A numerical analysis of the water level fluctuation method for quantifying groundwater recharge

지하수위 변동법에 의한 지하수 함양량 산정의 수치해석적 분석

Koo, Min-Ho;Lee, Dae-Ha
구민호;이대하

  • Published : 2002.09.30

Abstract

The water table fluctuation (WTF) method is a conventional method for quantifying groundwater recharge by multiplying the specific yield to the water level rise. Based on the van Genuchten model, an analytical relationship between groundwater recharge and the water level rise is derived. The equation is used to analyze the effects of the depth to water level and the soil properties on the recharge estimate using the WTF method. The results show that the WTF method is reliable when applied to the aquifers of the fluvial sand provided the water table is below 1m depth. However, if it is applied to the silt loam having the water table depth ranging 4∼10 m, the recharge is overestimated by 30∼80%, and the error increases drastically as the water table is getting shallower. A 2-D unconfined flow model with a time series of the recharge rate is developed. It is used for elucidating the errors of the WTF method which is implicitly based on the tank model where the horizontal flow in the saturated zone is ignored. Simulations show that the recharge estimated by the WTF method is underestimated for the observation well near the discharge boundary. This is due to the fact that the hydraulic stress resulting from the recharge is rapidly dissipating by the horizontal flow near the discharge boundary. Simulations also reveal that the recharge is significantly underestimated with increase in the hydraulic conductivity and the recharge duration, and decrease in the specific yield.

지하수위 변동법은 강우 시 발생하는 지하수위 상승량과 대수층의 비산출률을 이용하여 지하수 함양량을 추정하는 방법이다. 본 연구에서는 van Genuchten 모델에 근거하여 지하수위 상승 시 포화대 및 비포화대에서의 저유량 변화를 계산하는 관계식을 유도하였으며, 이를 이용하여 지하수면의 심도 및 대수층을 구성하는 매질의 특성이 지하수위 변동법에 의한 함양량 산정에 미치는 영향을 분석하였다. 사토와 같은 조립질 매질로 구성된 대수층에서는 지하수 심도가 1 m 이상일 경우 지하수위 변동법이 잘 적용될 수 있는 것으로 나타났다. 반면, 미사질양토와 같은 세립질 매질에서는 지하수 심도가 4∼10 m 일 때 지하수위 변동법에 의한 함양량이 30∼80% 과다하게 산정되며, 4 m 이내에서는 지하수면이 지표면에 가까울수록 산정 오차가 급증하는 것으로 나타났다. 강수량과 유사한 시계열을 나타내는 시간 종속적인 함양률을 고려한 자유면 대수층에서의 2차원 지하수 유동 모델을 이용하여 수조 모델을 가정함으로 발생하는 지하수위 변동법의 오차 요인을 분석하였다. 모사 결과 배출 지역에 가까운 관측정에서는 지하수위 변동법에 의한 함양량 산정 결과가 과소평가되는 경향이 뚜렷하게 나타났다. 배출 지역 주변에서는 지하수 함양에 의하여 발생한 수리적 스트레스가 지하수 흐름에 의하여 빠르게 해소되기 때문인 것으로 해석된다. 또한 지하수위 변동법에 의해 산정된 함양량은 대수층의 수리전도도가 클수록, 비산출률이 작을수록, 함양 기간이 길수록 과소평가되는 것으로 나타났다.

Keywords

References

  1. 지하수 관리조사 보고서. 지하수자원 기본조사(3차), IPD-95-5a 건설교통부;한국수자원공사
  2. 대한지질공학회 춘계 학술발표회 지하수 수위 및 수온의 장기 측정자료 분석 구민호;김형수;안경환
  3. 지하수환경 v.7 대청댐유역의 기저유출분리를 통한 기저유량 산정에 관한 연구 김경수;조기태
  4. 지하수환경 v.7 섬진강 쌍치유역의 기저유출 감수곡선식 개발에 관한 연구 김경수;조기태
  5. 한국지하수토양환경학회지 v.6 누적 강수량과 지하수위 곡선을 이용한 지하수 함양률 추정 기법 문상기;우남칠
  6. 지하수환경 v.6 소유역의 지하수함양율 추정기법 박재성;김경호;전민우;김지수
  7. 지하수환경 v.3 우리나라 지하수 개발가능량 추정: 1. 개념정립과 기법의 개발 박창근
  8. 한국지하수토양환경학회 창립총회 및 춘계학술발표회 낙동강 진동 및 왜관 수문자료를 이용한 기저유출 분리방식 지하수 개발가능량 산정 원이정;김형수;한찬
  9. 대한토목학회 1994년도 학술발표회 v.16 강수량과 지하수 함양량의 관계 이동률;윤용남
  10. 대한토목학회 v.16 우리나라의 지하수 함양량 추정과 분석 이동률;윤용남
  11. 지하수환경 v.5 no.2 지역단위 지하수 자연함양율 산정방법 연구 최병수;안중기
  12. 지하수환경 v.1 no.1 제주도 지하수 자원의 최적개발 가능량 한정상;한규상;김창길;김남종;한찬
  13. Applied groundwater modeling: Simulation of flow and advective transport Anderson, M.P.;Woussner, W.W.
  14. Hydraulic properties of porous media. Hydrol. Papers No. 3 Brooks, R.H.;Corey, A.T.
  15. Transactions of the ASCE v.39 no.3 Groundwater recharge and water table rise under equilibrium condition Chu, S.T.
  16. Journal of Hydrology v.67 The capillary fringe and its effect on water-table response Gillham, R.W. https://doi.org/10.1016/0022-1694(84)90248-8
  17. Hydrogeology Journal v.7 Estimate of shallow groundwater recharge in the Hadejia-Nguru Wetlands, semi-arid northeastern Nigeria Goes, B.J.M. https://doi.org/10.1007/s100400050203
  18. Hydrological Sciences Journal v.28 Some problems relating to groundwater balance Kayane, I. https://doi.org/10.1080/02626668309491147
  19. Hydrogeology Journal v.8 Recharge characteristics of a phreatic aquifer as determined by storage accumulation Ketchum, J.N.;Donovan, J.J.;Avery, W.H. https://doi.org/10.1007/s100400000088
  20. Groundwater Recharge: A Guide to Understanding and Estimating Natural Recharge;IAH International Contributions to Hydrogeology, Vol. 8, A.A. Lerner, D.N.;Issar, A.S.;Simmers, I.
  21. Hydrology for engineers Linsley, R.K.;Kohler, M.A.;Paulhus, J.L.
  22. Relation between ground water and surface water in Brandywine Creek Basin, Pennsylvania. U.S. Geological Survey Professional Paper 417-A Olmsted, F.H.;Hely, A.G.
  23. Preliminary estimate of ground-water recharge rates, related streamflow and water quality in Ohio. Ohio State University Water Resources Center Project Completion Report Number 552 Pettyjohn, W.A.;Henning, R.
  24. International Association of Scientific Hydrology Publication 63 The base-flow recession curve as an indicator of ground water Riggs, H.C.
  25. International Association of Scientific Hydrology Publication 63 Estimating changes in bank storage and ground-water contribution to streamflow Rorabaugh, M.I.
  26. Journal of Hydrology v.174 Analysis of well hydrographs in a karst aquifer: estimates of specific yields and continuum transmissivities Shevenell, L. https://doi.org/10.1016/0022-1694(95)02761-0
  27. Recharge of Phreatic Aquifers in (Semi-) Arid Areas;IAH International Contributions to Hydrogeology, Vol. 19 Simmers, I.
  28. Ground Water v.23 The role of specific yield in ground-water recharge estimations: a numerical study Sophocleous, M. https://doi.org/10.1111/j.1745-6584.1985.tb02779.x
  29. Journal of Hydrology v.124 Combining the soilwater balance and water-level fluctuation methods to estimate natural groundwater recharge: practical aspects Sophocleous, M.A. https://doi.org/10.1016/0022-1694(91)90016-B
  30. Proceedings of International Workshop on Indirect Methods for Estimating the Hydraulic Properties of Unsaturated Soils A comparison of calculated and measured unsaturated hydraulic conductivity of two uniform soils in New Mexico Stephens, D.B.
  31. Transactions American Geophysical Union v.18 Amount of ground-water recharge in the Southern High Planes Theis, C.V. https://doi.org/10.1029/TR018i002p00564
  32. Soil Science Society of America Journal v.44 A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils van Genuchten, M.T. https://doi.org/10.2136/sssaj1980.03615995004400050002x