1서 론

자연해빈의 지하수위는 해양과 대기기상의 영향을 동시 에 받으며 유동성 있는 지반(모래)의 이동이나 그 상부에 서 식하는 식생의 성장에 영향을 주어 해빈의 생태적, 환경적, 수문학적인 부분에서 필수적인 요소라고 할 수 있다. 즉, 지 하수위는 기후와 지형, 지질특성, 식생 등의 요인과 밀접한 관련이 있으며, 이러한 지하수위의 물리·화학적 특성은 기압 변화, 조석, 증발산 등에 의한 주기적 특성과 파랑, 강수량 등에 의한 비주기적 특성이 혼합되어 나타나게 된다(Kang et al., 1997).

특히 Fig. 1의 낙동강 하구역에 분포하는 사주섬의 경우에 서도 마찬가지로 지하수위가 해양파랑과 조석의 영향을 동 시에 받는 해빈 영역이, 상대적으로 파랑 작용은 없고 조석 영향만을 받는 배후 영역보다 파랑 상태에 따라 0.5~0.9 m 정도 높게 나타난다(Kang et al., 1997). 이러한 외력조건하에 서의 지하수위의 수리학적 변동은 사주섬의 식생 생장, 지 형 변화와 밀접한 관련이 있다.

기존 연안역 지하수위 변동과 관련한 연구로서 지하수위 와 조석 및 파랑의 연구(Kang et al., 1997), 투과성 방파제의 내부수위 변동에 관한 수리실험 연구(Jeon et al., 2002), 하구 역 지하수의 시·공간적 거동 연구(Stieglitz et al., 2008; Taniguchi et al., 2008) 등을 살펴볼 수 있다.

사주섬의 지하수위 흐름체계에 대한 연구는 최근 관심을 두고 연구되고 있는 중요한 메커니즘이며, 이것을 규명하는 것은 사주섬의 식생 생장, 지형 변화의 복합적인 해안 수리 현상을 파악하는데 있어 대단히 중요한 부분이다(Yoon et al., 2007; Je et al., 2011).

본 연구에서는 낙동강 하구역의 대표적인 연안 사주섬인 진우도를 대상으로 해빈 영역에 실험구(Fig. 2)를 설정한 후 자연해빈에서의 지하수위 거동 현장 모니터링을 수행하였 다(Fig. 3). 아울러 동일 기간의 인근 관측소의 조위 및 대기기 상, 파랑 및 강수 등과의 시계열 분석을 통하여 자연해빈인 진우도 지하수위 변동에 영향을 미치는 수문학적인 외력인자 를 파악하고, Pearson 상관계수를 도출하였다. 또한 태풍에 동 반되는 고파랑 내습(Storm event)시 지하수위의 공간적인 변동 을 파악하여 실험구내의 해수 영향 범위를 조사하였다.

2재료 및 방법

2.1진우도 자연해빈

낙동강 하구역(34°55′~35°10′N, 128°50~129°00′ E) 은 하구 전면에는 하상에서 유입되는 토사와 조석 및 파랑 작용에 의해서 다양한 크기의 사주섬들(진우도, 신자도, 도 요등 등)이 동-서 방향으로 발달되어 있다(Fig. 2).

연구 지역인 진우도는 낙동강 하구역 삼각주의 가장 서측 에 위치하고 있으며 배후로는 서낙동강 및 하구둑 하천수의 영향을, 전면으로는 동남해역의 조석 영향 및 해양파랑 조 건에 의해서 지형 변동 및 식생환경이 불규칙하게 변화하고 있다. 진우도 전면은 사질토 지반으로 이루어져 있고 사질 토 내에는 담수 성분의 지하수위가 존재하며 다양한 외력조 건하에서도 지반이 안정화 되어 있어, 염생식물, 갈대군락 등의 식생들이 생장과 소멸을 반복하고 있으며, 그 배후면 에는 염습지가 발달해 있다(Yoon et al., 2013).

2.2지하수위 현장조사

지하수위를 계측하기 위하여 진우도 남측 중앙부 해빈 영 역에 Fig. 2와 같이 물가선에 법선방향으로 총 5개 정점에서 실험을 수행하였다. 선정된 실험구는 진우도내에서 파랑의 입사 및 지형변화가 활발한 곳이며 소규모 사구(Sand dune) 가 존재하고 식생의 외해 방향으로 전진 발달이 일어나는 지역적 특성을 보인다.

실험구내 5개 관측 정점에는 CTD계(CTD-Diver 50 m, Eijkelkamp)를 매설하여 수온, 전기전도도 및 압력값을 계측 하였다. 물가선에 가장 인접한 St. 4는 사질지반의 소상대에 위치하고, St. 3은 사구(Sand dune)의 전면에, St. 2와 St. 1은 식생대(Vegetation area)에 위치하고 있다. 또한 St. 5는 St. 3과 20 m 이격하여 배후 사구가 없는 사질지반에 설치하여 식생 유무에 따른 지하수위 변화를 관찰하고자 하였다. 즉, Fig. 3 에 CTD계 설치시 각 정점의 지형단면도를 나타내었는데 각 정점마다 다른 식생 분포를 보인다. 내측에 위치한 St. 1, St. 2는 염생 식물군이 분포하였고, St. 3에서는 갈대군락, St. 4 와 St. 5에서는 식생이 존재하지 않았다.

각 관측 정점간의 거리는 40~42 m이며, 각 CTD계의 수직 깊이를 보정하기 위하여 관측점의 E.L.값을 레벨기로 측정 하였다(Fig. 3). 관측에 사용된 장비인 CTD계는 1×3 cm의 직 사각형의 작은 구멍들을 뚫은 PVC 파이프(D=12 cm, L=80 cm, t=0.5 cm) 내부에 철사wire로 연결하여 관입하였으며, 지면하 약 65~75 cm 깊이에 설치하였다. 조사기간은 2012년 3월 1 일부터 2013년 1월 15일까지의 약 11개월이며, 10분 간격으 로 데이타를 수집하였다.

2.3해양외력 및 대기기상 자료

실험구내 지하수위의 수리특성에 영향을 미치는 외부 환 경인자를 살펴보기 위해서 CTD 관측 기간 동안 인근 관측 소의 1시간 단위의 외력조건을 취득하였다. Fig. 4에서 나타 낸 바와 같이 진우도에서 가장 인근에 위치하고 있는 가덕 도 검조소의 조석, 수온 및 대기기상(기압, 기온) 자료를, 낙 동강 하구둑 관리소의 하구둑 시간당 방류량을, 거제도 해 상 buoy의 해양파랑(파고, 주기)과 부산기상청의 일강수량을 취득하여 시계열로 나타내었다(Fig. 5).

진우도 해역의 평균해면은 95.3 cm이며, 수온 및 대기온도 는 계절적인 변화를 보이고 있다. 낙동강 하구둑 방류량은 관측기간 동안 하루 평균 925.60 m³/sec, 태풍 Kahnun이 내습 한 시점인 2012년 9월 18일에 일최대 방류량 572,691.03 m³/sec로 조사되었다. 부산 기상청 강수량은 하루 평균 13.12 mm이며, 일최대강수량은 2012년 7월 15일에 231 mm 발생하 였다. 방류량과 강수량은 홍수기와 태풍시에 집중되는 계절 적인 특성을 보인다. 해양파랑은 유의파고(H) 0.2~9.8 m, 주 기(T) 2.1 12.8 sec의 분포를 보였으며 2012년 9월 17일 태풍 Sanba 내습시 파고 10 m, 주기 12.8 sec로서 최대치를 보였다.

2.4지하수위와 환경인자간 상관성 분석

지하수위의 수온, 전기전도도, 압력의 시간적 변동 및 그 외부 환경요인을 파악하기 위하여 시계열 분석 및 각 환경 인자들간의 상관분석을 실시하였다. 관측 정점의 수온, 전기 전도도, 압력 관측값과 기압, 조석, 해양파랑, 강수량, 대기기 상 등 인근 관측소 계측값간의 각각의 피어슨(Pearson) 이변 량 상관계수를 도출하였다. 이는 -1에서 1의 값을 가지며 1 인 경우 완전한 선형관계(즉, x가 증가할수록 y도 비례해서 증가하는 관계)를, -1인 경우 반대인 관계(즉, x가 증가할수 록 y는 반대로 비례해서 감소하는 관계)를, 0인 경우에는 서 로 관계가 없음을 의미하며(Table 1), 다음 식과 같이 계산한 다. X, Y는 각 인자의 개별 성분값이다.

3결과 및 고찰

3.1지하수위 시계열 변동 특성

진우도 지하수위의 수온 변동은 전 관측점에서 계절적인 특성을 나타내고 있다(Fig. 6). 사구 전면 및 그 내측에 위치 한 St. 1~St. 3, St. 5는 전 관측기간동안 10 25°C, 소상대에 위치한 St. 4에서는 0~ 25°C의 범위를 나타내었다. St. 4의 경우 해수의 영향을 상대적으로 강하게 받았거나 식생 피복 이 없는 지역으로서 사질지반을 통해 대기로부터의 열교환 이 강하게 일어난 것으로 생각된다. 가덕도 검조소의 수온 및 기온과의 상관 분석결과에 따르면 상관계수가 0.73~0.98 로서 강한 양의 선형관계를 가진다(Table 2).

지하수위의 전기전도도 변화는 전 관측점에서 다소 차이 를 나타내고 있다(Fig. 6). 내측에 위치한 St. 1, St. 2의 경우 관측시기에 큰 변동 없이 0.1 0.3 ms/cm 범위로 거의 0에 가 까운 전기전도도 값을 보였다. 소상대에 설치된 St. 4는 3~52 ms/cm로 큰 폭의 범위로 변동하였으며, 조위와의 시계열 분석을 통해 조위변화에 따라 전기전도도 변화가 발생함을 알 수 있다. St. 3, St. 5번은 대부분의 관측 시기동안 담수인 상태로 존재하며 6~10월에 큰폭으로 변동이 발생하였는데 강우가 집중되는 장마철과 태풍 내습 시점에 영향을 받는 것으로 나타났다(Table 3).

전기전도도는 모든 외력 및 외부 환경인자와는 약하거나 무시할 수 있는 정도의 선형관계를 가진다. 이는 정점별로 해수와 담수의 혼합이 발생하며, 실험구에는 담수층이 두껍 게 형성되어 있을 뿐만 아니라 해양의 외력이 작용할 경우 해수의 침투작용이 발생하고 있음을 의미한다.

또한 한국농어촌공사(2006)에서 제시한 전기전도도와 식 물생육의 관계(Table 4)와 연구지역 각 정점의 평균 전기전 도도에 따른 식물군을 비교해보면 기 조사된 식물군 분포 (Fig. 3)와 일치하는 것을 확인할 수 있는데 이는 연구 지역 지하수위의 전기전도도의 평균값이 식물생장과 밀접한 연 관이 있는 것으로 사료된다.

지하수위의 압력은 관정내의 압력값으로 계측이 된다. 그 러므로 기계 설치점의 대기압 및 표고를 보정 후 실제 지하 수위(지하수위의 높이=관측점의 압력(cm) - 대기압(cm) + 표 고(E.L.)) 값으로 환산하였다(Fig. 6). 소상대에 위치하는 St. 4 를 제외하고 모든 정점에서 하계에 상승하는 경향을, 모든 정점에서 불규칙적인 변화를 보이나 전체적으로 변화 패턴 이 일치하는 경향을 나타내었다. St. 4는 큰 폭으로 변화를 보이나 일정한 규칙성을 나타내었는데, 조석과의 상관계수 가 0.58로서 다른 정점보다 뚜렷한 양의 선형관계를 가진다 (Table 5).

Kang et al.(1997)에 의해 제시된 해양쪽이 내륙쪽(해협쪽) 보다 파랑 상태에 따라 0.5~0.9 m 정도 지하수위가 높게 나 타난다고 보고한 된 바와 비교했을 때 본 연구에서는 Kang et al.(1997)보다 0.1~0.5 m 정도 더 크게 나타났다. 대기압과 의 상관성은 모든 관측점에서 뚜렷한 음의 선형관계를 가지 는데 이는 대기압 상승 및 하강은 지하수위의 하강 및 상승 에 직접적인 영향을 미친다고 할 수 있다.

3.2고파랑시 지하수위 변동

공간적인 지하수위 거동을 살펴보기 위하여, 고파랑 내습 (Storm event)시 각 관측점별 지하수위와 전기전도도 값을 비교 하였다. 2012년에 내습한 태풍 Khanun과 Sanba를 대상으로 하 였으며 내습 후 영향을 미쳤던 시기(Kahnun: 18~19/July/2012, Sanba: 17/Sep./2012)에 고조, 중조, 저조시 지하수위와 전기전 도도를 횡단면으로 도시화하여 나타내었다(Fig. 7, Fig. 8).

두 내습 태풍의 기본 수준면은 각 시점에 해당하는 평균 해면(M.S.L.)을 이용하였다(국립해양조사원). 태풍 내습시 평 균해면 수치는 비슷하였으나(Kahnun: 118.0 cm, Sanba: 120.9 cm), 해양파랑은 태풍 Sanba시(H=2.6~5.3 m, T=6.4~10.7 sec)가 태풍 Kahnun시(H=1.2~1.3 m, T=3.6~4.9 sec)에 비해 파고(H), 주 기(T)가 약 2배 정도 크게 나타났고 그에 따라 지하수위 및 전기전도도 또한 태풍 Sanba시 상대적으로 더 크게 나타났 다. 지하수위는 모든 관측점에서 중조 및 저조시 21.8~37.9 cm, 고조시 53.2~94.6 cm로 나타났으며, 전기전도도는 정점 별로 약간의 차이를 보이나 내측 정점인 St. 1, St. 2에서는 거의 1 ms/cm 미만의 차이를 보였고, 해안선 인근 정점인 St. 3, St. 4는 태풍 Sanba 내습시에 6.09~10.56 ms/cm 더 크게 나 타났다.

결과적으로, 고파랑 내습(Storm event)시 파랑조건에 따라 영향을 받는 정도가 다름을 알 수 있고, 공간적으로 소상대 및 모래지반 영역(St. 3, St. 4)의 경우 지하수위 및 전기전도 도의 변위가 내측(St. 1, St. 2)에 비해 대단히 크게 발생함을 알 수 있었다. 또한 사구(Sand dune) 및 식생(Vegetation)이 분 포하는 지점 전후로 지하수위의 변위가 감소하고, 전기전도 도 또한 큰 폭으로 감소함을 볼 수가 있는데 사구(Sand dune) 영역에서 담수층과 해수층의 천이영역(Transition zone)이 존재 하는 것으로 판단할 수 있다. 이는 진우도의 남측 부분 해안 선을 기준으로 50~70 m 지점에 위치하며, 아울러 접점 지역 은 식생대(Vegetation zone)의 시작 부분과 거의 일치하였다.

4결 론

본 연구에서는 낙동강 하구역 연안 사주섬인 진우도를 대 상으로 지하수위 거동 현장 모니터링을 수행하였고, 지하수 위 변동에 영향을 미칠 것으로 판단되는 해양 외력 및 환경 인자와의 상관성을 분석하였다. 더불어 해양 고파랑 내습 (Storm event)시 지하수위의 공간적인 변동을 파악하여 진우 도 자연해빈에서의 해수 침투 현상 및 담수층과의 천이영역 (Transition zone)을 조사하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.