투과매질 모델 기반 수치수조를 이용한 연안침수에 따른 해안지하수 염분화 분석
Analysis of Coastal Groundwater Salinization Induced by Coastal Inundation Using Numerical Wave Tank Based on Porous Body Model
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Abstract
Coastal inundation caused by seawater overtopping/overflow due to sea level rise and extreme coastal disaster events poses a significant threat to coastal groundwater resources. Seawater intrusion into coastal aquifers accelerates salinization, disrupting the natural freshwater balance and limiting sustainable water supply for drinking and agriculture. This study uses numerical simulations based on a porous body model to investigate the vertical seawater intrusion process triggered by coastal inundation. The inundation height, distance, and hydraulic gradient effects on salinization and recovery dynamics in coastal aquifers were analyzed. The results indicate that longer inundation distances cause more extensive salinization, whereas higher inundation heights accelerate vertical intrusion. Additionally, lower hydraulic gradients lead to prolonged retention of saline water, delaying recovery. In contrast, higher hydraulic gradients facilitate rapid discharge of intruded seawater, accelerating salinization recovery. The recovery process follows a logarithmic trend, initially rapid but slowing. These findings emphasize the importance of understanding the interplay between coastal inundation conditions and groundwater flow dynamics to effectively manage and protect coastal freshwater resources.
1. 서 론
기후변화로 인한 해수면 상승과 폭풍 해일의 빈도 및 강도 증가는 연안 지역의 침수 위험을 심화시키고 있다. 이러한 변화는 저지대 연안 지역에서의 홍수 발생을 증가시켜 해안 인프라 및 건물에 대한 물리적 위협, 해안 침식 가속화, 담수원의 염수 침입으로 인한 오염, 농업 생산성 감소 등의 다양한 문제를 초래한다. 2024년 World Economic Forum에 따르면, 해수면 상승은 맹그로브, 산호초, 염습지와 같은 해안 생태계에도 심각한 영향을 미치며, 이는 주요 서식지의 손실로 이어져 생물다양성 위기를 초래할 수 있다(World Economic Forum, 2024).
연안침수는 단기적인 현상에 그치지 않고, 해수가 지표를 통해 해안대수층으로 침투하여 지하수 염분화를 유발하는 복잡한 과정을 포함한다. 해수면 상승은 해안대수층과 해양 간의 압력 균형을 붕괴시키며, 이로 인해 해수-담수 경계면이 육지로 이동하여 지하수의 염분 농도가 증가한다. 동시에 가뭄으로 인한 지하수위 하강은 해수침투를 가속화하며, 이러한 현상은 압력 차이에 의해 발생하는 복잡한 수리학적 메커니즘과 밀접하게 연관된다. 해수침투로 인한 지하수 염분화는 일단 발생하면 자연적으로 복구되기 어려운 비가역적인 과정으로(Ferguson and Gleeson, 2012; Werner et al., 2013), 오염된 지하수 자원의 지속적 활용을 어렵게 한다. 그럼에도 불구하고, 연안 지역의 침수 영향에 대한 정량적 분석 연구는 여전히 부족한 실정이다. 따라서 침수의 메커니즘과 그로 인한 해수침투 과정을 명확히 이해하고, 체계적이고 종합적인 대응 방안을 마련하는 것이 시급하다. 특히, 해수침투 및 염분화 문제를 해결하기 위한 과학적이고 실질적인 접근이 요구된다.
연안침수는 짧게는 수 시간에서 길게는 수일 내에 해안대수층으로의 수직적 해수침투를 유발할 수 있으며, 이는 기존 연구에서 간과된 현상이다. 이러한 현상은 해안대수층뿐만 아니라, 지표 토양의 염분화를 초래하여 환경적, 생태적 위험을 야기할 수 있다(Cantelon, 2022). 연안 지역의 인구 밀도가 증가하고, 침수 빈도와 강도가 지속적으로 상승함에 따라(IPCC, 2021; Neumann et al., 2015), 해안대수층의 수직적 해수침투에 대한 취약성이 더욱 증가할 가능성이 있다. 기존 연구들은 주로 해수면 상승이나 과도한 지하수 양수로 인한 수평적 해수침투에 초점을 맞추고 있다(Ferguson and Gleeson, 2012; Klassen and Allen, 2017). 그러나 최근 연구에서는 침수로 인한 수직적 해수침투가 담수 대수층에 심각한 위협이 될 수 있음을 경고하고 있다 (Xiao and Tang, 2019; Paldor and Michael, 2021). Frederiks et al.(2024)은 연안침수로 인한 수직적 해수침투가 해안대수층 전체를 염분화시킬 수 있는 반면, 해수면 상승의 경우 담수 렌즈의 최대 80%에 영향을 미치는 것으로 예측하였다. 이는 침수로 인한 수직적 해수침투가 더 즉각적이고 광범위한 영향을 미칠 수 있음을 시사한다. 또한, 폭풍 해일, 지진 해일, 해수면 상승으로 인한 연안침수는 해안대수층에 급격한 수직적 염분 유입을 초래하여, 장기적인 수자원 오염과 생태계 변화를 유발할 수 있다(Yu et al., 2022). Jeong et al.(2021)은 해수범람에 따른 수직적 해수침투 및 염분화 회복 속도에 대한 지하수의 동수경사 영향을 수치수조에서 조사한 바 있다.
우리나라에서도 다양한 원인으로 인해 매년 연안침수가 발생하고 있으나, 해안대수층의 수직적 해수침투에 대한 연구는 거의 수행되지 않았다. 수직적 해수침투를 모의하기 위해서는 Lee et al.(2015)과 같은 직접 수치해석 방법이 필요하다. Lee et al.(2015)은 투과매질 모델(PBM; Porous Body Model)을 도입한 Navier-Stokes (N-S) Solver를 해안 지하수의 동적 거동을 직접 해석할 수 있게 개량하였다. 이후 Lee et al.(2017)은 파랑 작용이 해안대수층의 해수침투에 미치는 영향을 수치적으로 조사하였다. 이러한 연구적 토대가 마련되었음에도 불구하고, 연안침수로 인한 수직적 해수침투에 대한 연구는 여전히 부족한 상황이다.
본 연구의 목적은 급작스러운 연안침수가 해안대수층의 수직적 해수침투로 인한 지하수의 염분화에 미치는 영향을 규명하는 것이다. 이를 위해 PBM 기반의 수치수조(NWT; Numerical Water Tank)를 활용하여 연안침수로 인한 투과성 해안대수층의 염분화 과정을 면밀히 분석한다. 나아가, 다양한 침수 시나리오에 따른 해안대수층의 염분화 회복 과정에 영향을 미치는 요인을 조사하며, 궁극적으로 효과적인 해안대수층 수자원 보호 및 관리 전략을 제시하고자 한다.
2. 투과매질 모델 기반의 수치수조
본 연구에서는 연안 지역에서 해수 범람으로 인한 연안침수가 해안대수층의 염분화에 미치는 영향을 분석하기 위해, PBM을 기반으로 개발된 NWT를 이용하여 해수침투 실험을 수행한다(Lee et al., 2019a; 2019b). NWT는 해안대수층의 특성(입경, 공극률, 형상 등)에 따른 지하수 유동뿐만 아니라, 염분 및 온도 차이에 따른 밀도 유동 해석도 수행할 수 있다. Lee et al.(2015, 2019a)는 NWT의 검증을 통해 해수침투 모의의 타당성과 유효성을 확인하였으며, Lee et al.(2018)의 모래수조 실험에서 얻어진 해수-담수 경계면뿐만 아니라 불투과성 호안 배후의 지하수위 분포까지 높은 정확도로 재현하였다.
2.1 지배방정식
NWT의 지배방정식은 비압축성⋅점성 유체에서 안정적으로 유량을 공급할 수 있도록 원천(Source) 항이 추가된 연속방정식 (1)과, PBM을 기반으로 수정된 N-S 운동량 방정식 (2)으로 구성된다.
여기서vi는, x, y, z 방향의 유속, q*는 원천의 유량밀도, γv는 투과매질의 체적 공극률, γi는, x, y, z 방향의 투과매질의 면적 투과율, t는 계산시간; ρ는 물의 밀도, p는 압력, νT는 물의 동점성계수(ν)와 와동점성계수(νt)의 합을 각각 의미한다. 그리고
VOF 함수는 각 격자에서 물이 차지하는 체적 비율을 나타내며, 연속 방정식 (1)에서 비압축성 유체에 대한 가정과 PBM 기반의 VOF 함수를 고려하여 유체를 보존 형식으로 나타내면 식 (3)과 같다.
여기서F는 각 격자에서 유체의 체적 비율이며, F=1는 물로 가득 찬 격자, F=0는 공기로 가득 찬 격자, 0<F<1는 물과 공기가 공존하는 자유수면 격자를 각각 의미한다.
2.2 투과매질의 유체저항
PBM에서 투과매질의 입경, 공극률, 형상 등에 따른Ri은 다음과 같이 층류저항(Liu and Masliyah, 1999), 난류저항(Ergun, 1952), 관성저항(Sakakiyama and Kajima, 1992)으로 구분된다.
여기서CL, CT, CI는 각각 층류저항, 난류저항, 관성저항의 계수이며, d50는 투과매질의 평균입경을 나타낸다.
2.3 이류-확산 방정식
N-S 운동량 방정식에 대입되는 밀도(ρ)와 동점성계수(ν)를 정확하게 추정하기 위해서는 염분과 온도 등 유체의 특성을 정량적으로 평가하는 것이 중요하다. 따라서 염분 및 온도에 대한 이류-확산 방정식이 필요하며, 이는 다음과 같이 표현된다.
여기서C는 염분 또는 온도, CAi는 이류 항(=γiviC), CDi 는 확산 항
수평적 확산계수는 난류모델(Smagorinsky, 1963)에서 구해진 와동 점성계수(νt)을 사용하고, 수직적 확산계수는 Prandtl/Schmidt 값(σc)을 고려하여 적용한다. 본 연구에서는 수치계산의 효율성과 안정성(Mellor and Yamada, 1982), 관측 기반 검증(Gregg et al., 1986; Peters et al., 1988)을 종합적으로 고려한 균형 접근법으로, 특히 대규모 해양 모델링에서 타당성이 입증된 Prandtl/Schmidt 수를 적용한다.
2.4 상태방정식
해안대수층의 밀도류 거동을 정확하게 해석하기 위해서는 염분 및 온도 변화에 따른 밀도(ρ), 점성 계수(μ), 동점성 계수(ν)를 정밀하게 산정하는 것이 필수적이다. 또한, 본 연구에서는 얕은 해안대수층을 대상인 관계로 상태방정식에서 압력 항을 고려하지 않는다.
2.4.1 밀도
N-S 운동량 방정식 (2)에 대입할ρ는 경험식(Gill, 1982)을 이용하여 계산하며, 이는 다음과 같이 표현된다.
여기서ρ0는 4℃에서의 물의 밀도, ΔρS와ΔρT는 염분과 온도에 따른 밀도 변화량으로 식 (8) 및 (9)와 같이 주어진다.
여기서 S와 T는 각각 염분(psu)과 온도(℃)이며, 밀도 산정식에 사용되는 경험 상수는 Table 1에 제시한다.
Coefficients used for density estimation in the numerical model
2.4.2 점성계수와 동점성계수
식 (7)에서 계산된 ρ를 이용하여 ν를 다음과 같이 계산한 후, N-S 운동량 방정식 (2)에 대입한다.
μ는 Riley and Skirrow(1965)의 경험식을 이용하여 산정한다.
여기서 μ0는 4℃에서의 물의 점성계수이며, ΔμS와 ΔμT는 각각 염분과 온도에 따른 변화량을 나타낸다. 식 (12) 및 (13)에 대입하는 경험 상수는 Table 2에 제시된다.
Coefficients used for viscosity estimation in the numerical model
2.5 NWT의 구성
해수 범람으로 인한 연안침수에 따른 해안대수층의 수직적 해수침투 현상을 수치적으로 분석하기 위해 Fig. 1과 같은 NWT를 사용한다. NWT에서는 투과성 매질(모래)로 이루어진 해안대수층을 고려하여, 평균 입경을0.1mm, 공극률을0.4로 설정한다. 해석 영역의 수심은10m이며, 바다와 육지로 구분되며, 각각의 길이는 150m와500m이다.
Schematic diagram of the numerical water tank designed to analyze vertical seawater intrusion into coastal aquifers due to coastal inundation.
본 연구에서 사용된 NWT는 수평 방향으로1m, 수직 방향으로0.2m크기로 등분하여 직각 격자로 구성되었다. 경계 조건으로는 바닥에 non-slip 조건, 천장과 측면에 slip 조건을 적용하였으며, 수조의 양쪽 끝에는 방사 조건을 고려하였다. 초기 계산시간 간격(Δt)은 DTL(Diffusive-Time-Limit) 조건을 고려하여 1초로 설정되며, 매계산 스텝마다 CFL (Courant-Friedrichs-Lewy) 조건을 만족하도록Δt가 자동 조정된다. 총 계산시간은 연안침수가 발생한 시점부터 약 3개월(90일) 동안 진행된다.
2.6 수치계산 조건
연안침수에 따른 수직적 해수침투 모의에는 Table 3에 제시된 입사 조건을 적용한다. 바다와 지하수의 수심 또는 수위 차(Δh)를0.5m, 1m, 1.5m, 2m, 2.5m, 3m로 설정하면, 이에 따른 지하수의 동수경사(I)는 0.001-0.006의 범위를 갖는다. 해수와 담수의 염분은 각각 35psu및 0psu로 설정되며, 이에 따라 해수-담수 염분 차(ΔS)는 35psu로 설정된다. 해수와 지하수의 온도는 동일한 20°C로 가정하며, 이에 따라 해수-담수 밀도 차(Δρ)는 0.029g/cm3가 된다.
Incident conditions of seawater and groundwater (freshwater) used in the numerical simulations
연안침수는 각 동수경사 조건에서 해안대수층 내 수평적 압력 평형 상태가 형성된 정상상태에서 발생하도록 설정된다. 해수 범람에 따른 연안침수의 시나리오는 Table 4에 제시되어 있다.
Coastal inundation scenarios considered in the numerical Simulations
3. 해수침투 모의 결과
3.1 해안대수층의 수리학적 정상상태
해수 범람으로 인한 연안침수가 발생하지 않는 조건에서, 해안대수층의 압력 평형 상태에서의 염분 및 유속 분포를 Fig. 2에 나타냈다.I가 작을수록 해수침투 거리는 증가하고, 담수층의 크기는 감소하는 반면, I가 클수록 지하수 유속이 뚜렷하게 증가하는 경향을 보인다.
Spatial distribution of velocity and salinity in a coastal aquifer under different hydraulic gradient conditions without coastal inundation
이러한 결과로 인해, 정선(x=0m) 방향으로 갈수록 담수층의 단면적이 점차 감소하며, 해수의 상층부를 통해 바다로 배출되는 흐름이 크게 발달하는 양상을 나타낸다. 특히, I≥0.004조건에서는 정선 부근에서 해수가 바다 쪽으로 밀려나면서 해수-담수 경계면의 경사가 상대적으로 급격히 증가하는 현상이 관찰된다. 또한, I가 클수록 정선 지하수면 부근에서 바다 쪽으로 빠져나가는 담수층의 두께가 증가하는 경향을 보인다. 이는 I가 증가할수록 지하수 유속뿐만 아니라 바다로 빠져나가는 유량도 함께 증가하기 때문이다.
이와 같이, 해안대수층은 일정한 밀도 차, 수위 차, 그리고 지하수 유동에 의해 압력 평형 상태를 유지하는 특성을 갖는다.
3.2 연안침수의 높이가 미치는 영향
Fig. 3은 해안대수층의 동수경사I=0.004조건에서 연안침수의 높이(IH) 에 따른 해안대수층의 염분화 과정을 비교하여 나타낸다. 대표적으로IH=0.5m와 IH=3m에 대해 논의하며, 연안침수의 거리는 ID=100m로 동일하다. 해수 범람으로 인해 연안침수가 발생하면 수직적 해수침투가 유발되며, 1일, 30일, 90일 경과 후의 해안대수층 내 수리학적 변화를 발생한다.
Temporal evolution of salinity and flow distributions in a coastal aquifer under different coastal inundation heights (IH) with a hydraulic gradient of I=0.004: (a) IH=0.5m, (b) IH=3m
Fig. 3에서 확인할 수 있듯이, IH가 증가할수록 수직적 해수침투가 더욱 빠르게 진행되어, 하부의 해수-담수 경계면에 도달하는 시간이 단축된다. 다시 말해, IH가 클수록 해안대수층 전 층에 걸쳐 염분화가 더 빠르게 진행되며, 염분 농도 또한 높아지는 경향을 보인다. 침투한 해수는 정선 부근의 담수층을 통해 바다로 빠져나가며, 수직적 침투류와 동수경사에 의해 바다로 배출되는 흐름이 상호 간섭하여 복잡한 유동장이 형성된다. 이 과정에서, 지표로부터 침투한 해수는 기존의 쐐기 형태(wedge-shaped)의 해수를 바다 방향으로 밀어내며, IH가 클수록 이러한 현상이 더욱 강하게 나타난다. 이는 침투한 해수의 밀도가 기존 담수보다 크기 때문에 더 강한 부력 및 중력 효과가 작용하기 때문이다(즉, 중력의 영향으로 지하수 표층의 해수는 아래로 침투하고, 부력 영향으로 담수는 표층으로 상승한다). 이러한 연안침수로 인한 동적 변화(수두 변화, 수직적 해수침투)는 해안대수층의 압력 평형 상태를 교란하며, 기존 해수-담수 경계면의 이동을 유발한다.
이에 따라, 해안대수층의 압력장은 해저면 정수압(=ρsghs)을 기준으로 무차원화하여 Fig. 4에서 비교⋅분석한다. 연안침수가 발생한 초기에는 기존의 쐐기 형태의 해수-담수 경계면이 존재하는 영역의 바닥에서 수평적 압력 평형이 유지된다. 그러나 시간이 경과함에 따라 침투한 해수가 아래로 확산되면서 해안대수층 전체의 밀도가 증가하고, 지하수면 분포에 변화가 없더라도 바닥의 수평적 압력 기울기가 증가하는 현상이 나타난다. 이로 인해, 기존 압력 평형 상태에서 형성된 해수-담수 경계면이 바다 쪽으로 이동하며, IH가 클수록 이러한 변화가 더욱 뚜렷하게 나타난다.
Non-dimensional pressure fields during the seawater intrusion process in a coastal aquifer with I=0.004, under coastal inundation conditions with (a) IH=0.5m and (b) IH=3m
3.3 연안침수의 거리가 미치는 영향
Fig. 5는 해안대수층의 수리학적 정상상태에서 연안침수의 거리(ID)에 따른 수직적 해수침투 과정을 나타낸다. Fig. 5의 두 경우에서 IH는2m로 동일하며, (a)와 (b)는 각각 ID=50m와 ID=300m에 해당한다.
Temporal evolution of salinity and flow distributions in a coastal aquifer under different coastal inundation distances with a hydraulic gradient of I=0.004: (a) ID=50m, (b) ID=300m
연안침수의 거리가 짧은 Fig. 5(a)에서는 수직적 해수침투가 발생하더라도 기존 해수-담수 경계면까지 염분화가 도달하지 않으며, 침투한 해수가 빠르게 바다로 배출되는 현상이 발생한다. 하지만, Fig. 5(b)에서는 침투한 해수가 바다로 원활하게 배출되지 않고 해안대수층 내에 장기간 정체되는 현상이 관찰되며, 이로 인해 전 층에 걸쳐 염분화가 진행되는 것이 확인된다. 이러한 정체 현상은 해안대수층의 염분화 회복에 상당한 시간이 소요될 것임을 시사한다. 한편, Fig. 5(a)에서는 연안침수로 인한 해수 대부분이 바다로 빠져나가지만, 지하수면 부근에서는 유속이 상대적으로 작아 염분 확산 속도가 더딘 경향을 보인다.
연안침수의 거리가 해안대수층의 수평적 압력 평형 상태에 미치는 영향을 분석하기 위해 Fig. 6을 제시하였다. 여기서 IH=2m로 동일한 조건이고, (a)는 ID=50m, (b)는 ID=300m의 연안침수의 시나리오를 각각 적용한 것이다.
Non-dimensional pressure fields during the seawater intrusion process in a coastal aquifer with I=0.004, under coastal inundation conditions with (a) ID=50m and (b) ID=300m
Fig. 6(b)에 따르면, 연안침수로 인해 수직적 해수 침투가 발생하면 해안대수층 바닥의 압력 경사가 급격히 증가한다. 침투한 해수로 인해 해안대수층 전체의 밀도가 증가하며, 이에 따라 바다 측과의 수평적 압력 차가 커지는 현상이 나타난다. 반면, 연안침수의 거리가 짧은 Fig. 6(a)에서는 침투한 해수가 빠르게 해안대수층을 빠져나가기 때문에 압력 변화가 상대적으로 크지 않다.
3.4 지하수의 동수경사가 미치는 영향
Fig. 7은 IH=1m, ID=100m의 연안침수의 시나리오에서 지하수의 동수경사에 따른 해안대수층의 염분 분포 및 유동장을 나타낸 것이다. 연안침수가 발생으로부터 1일, 30일, 90일 경과 시점의 결과를 각각 나타내며, (a) I=0.001, (b) I=0.004의 동수경사 조건에 대해 비교⋅분석한다.
Temporal evolution of salinity and flow distributions in a coastal aquifer under different hydraulic gradients with coastal inundation conditions of IH=1m and ID=100m: (a) I=0.001and (b) I=0.006
연안침수로 인해 해안대수층에서는 밀도가 높은 해수가 지하수면 근처에서 담수층을 뚫고 아래로 확산되는 현상이 발생한다. I가 가장 작은 Fig. 7(a)에서는 해안대수층의 해수-담수 경계면이 지표면 부근에 형성되면서 빠르게 전 층에서 염분화가 진행된다. 시간이 경과함에 따라 염분 확산 범위는 점차 줄어들지만, I가 작아 바다로 빠져나가는 유속이 느려 염분 감소 속도 또한 매우 느리다. 그 결과, 기존 해수-담수 경계면 위의 담수층에서 염분화가 넓게 진행되며, 염분화의 지속 시간도 길어진다. 반면에 I가 커서 바다로 빠져나가는 지하수 유속이 큰 Fig. 7(b)에서는 연안침수로 인한 지하수면 부근의 염분 확산이 Fig. 7(a)보다 덜 활발하게 나타난다. 시간이 지남에 따라 바다로 유출되는 흐름에 의해 연안침수로 인한 해안대수층의 염분화 범위가 빠르게 감소하는 경향을 보인다.
동수경사가 수직적 해수침투에 따른 해안대수층의 수평적 압력 평형 상태에 미치는 영향을 분석하기 위해 Fig. 8을 제시한다. Fig. 8의 연연 침수 조건은 IH=1m, ID=100m이고, 해안대수층의 동수경사는 (a) I=0.001, (b) I=0.004이다.
Non-dimensional pressure fields during the seawater intrusion process in a coastal aquifer with coastal inundation conditions of ID=100m and IH=1m: (a) I=0.001and (b) I=0.006
I가 클 경우, 바다 측으로 지하수가 충분히 배출되지 않아 정선 부근의 지하수위가 상승하고, 이에 따라 바닥층의 압력 경사가 완만해지는 현상이 Fig. 8(a)에서 확인된다. 그러나 I가 작은 Fig. 8(b)에서는 연안침수로 인해 수직적 해수침투가 발생하였음에도 불구하고, 바닥의 수평적 압력 평형 상태가 유지되는 것으로 나타난다. 이는 연안침수로 인해 수직적 해수침투가 발생함에도 불구하고, 연안침수의 거리가 해수-담수 공존장의 분포 길이에 비해 상대적으로 작다. 이 때문에, 해수-담수 공존장 내에서는 수평적 압력 평형이 크게 훼손되지 않는 것으로 해석된다. 다시 말해, 연안침수 범위가 해수-담수 공존장의 분포 길이의 1/3에도 미치지 않으므로, 수평적 압력 기울기에 미치는 영향이 제한적임을 의미한다.
4. 토 의
해수 범람으로 인한 연안침수는 해안대수층 전 층에 걸쳐 수직적 해수침투를 유발하며, 이로 인해 염분화가 진행된다. 해안대수층의 수리학적 정상상태에서 수평적 압력 평형이 유지되는 조건에서, 연안침수의 높이가 증가하면 수직적 해수침투량이 증가하여 염분화가 가속화된다. 이러한 영향으로 인해 해안대수층의 염분화 회복에는 더 많은 시간이 소요된다.
연안침수의 거리가 길수록 해안대수층 전역에 걸쳐 염분화가 진행되지만, 연안침수의 거리가 짧은 경우 침투한 해수가 바다로 빠르게 배출되기 때문에 염분화 범위가 상대적으로 작아지고 회복 시간도 단축된다. 따라서 연안침수의 거리는 해안대수층의 염분화 및 회복 과정에 가장 큰 영향을 미치는 주요 요인 중 하나로 파악된다.
또한, 동수경사가 작을수록 해수-담수 경계면 위의 담수층이 얕고, 바다로 빠져나가는 유속이 느려진다. 반면, 동수경사가 클수록 담수층의 단면적이 급격히 감소하며, 바다로 빠져나가는 유속이 증가한다. 이로 인해 동수경사가 큰 경우에는 연안침수로 인해 해수가 담수층을 뚫고 아래로 확산되기 어려워, 해안대수층의 염분화 회복이 비교적 빠르게 이루어진다. 반면, 동수경사가 작은 경우에는 해안대수층 전 층에서 염분화가 발생하며, 수직적으로 침투한 해수가 담수층에 오랜 시간 잔류하여 회복 시간이 더욱 길어진다.
해안대수층 내 지하수 유동이 활발할수록 연안침수로 인한 수직적 해수침투의 염분화 회복 속도도 빨라질 가능성이 크다. 이를 위해 염분화 회복 과정에서 해안대수층의 동수경사를 증가시키는 방법을 고려할 수 있다. 예를 들어 담수 주입, 지하수 댐 설치, 차수벽 구축 등을 통해 지하수위를 높이면 해안대수층의 염분화 회복을 효과적으로 촉진할 수 있을 것으로 판단된다.
한편, 본 연구에는 몇 가지 한계점이 존재한다. 수치수조에서는 균질한 대수층 조건을 가정하였으나, 실제 자연 환경에서는 불균질한 대수층과 복잡한 지하수 유동 조건이 존재할 수 있다. 이를 극복하기 위해서는 본 연구와 같은 3차원 수치모델을 이용하여 다양한 지층의 물리적 특성을 반영한 지하수 유동 모의를 수행할 필요가 있다. 또한, 수치수조의 경우 계산 부하가 크기 때문에 장시간 계산을 수행하기 어려워, 해안대수층의 염분화가 완전히 회복되는 시점까지 분석하지 못하였다는 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 고성능 병렬 연산 기법을 적용하거나, 머신러닝 기반의 예측 모델을 활용하여 장기적인 염분 변화와 회복 과정을 보다 효율적으로 모의할 필요가 있다.
5. 결 론
기후변화로 인한 해수면 상승과 극한 기상 현상의 빈도 증가는 연안침수의 위험을 가중시키며, 해안 지역의 지하수 자원에 심각한 위협을 초래하고 있다. 해수면 상승뿐만 아니라 고조위, 폭풍 해일, 태풍과 같은 복합 외력은 해안대수층의 압력 평형을 교란하여 해수가 지하수층으로 침투하게 만들며, 이로 인해 지하수의 염분화가 가속화된다. 특히, 한 번 염분화된 해안대수층은 자연적으로 복구에 많은 시간이 소요됨으로 장기적으로 안전한 담수 자원으로 활용하기 힘들어진다. 이러한 현상은 연안 지역의 식수 공급과 농업용수 확보에 심각한 영향을 미치며, 궁극적으로 연안 지역의 지속 가능한 발전에 걸림돌로 작용할 수 있다.
본 연구에서는 이러한 해안 지하수 자원의 위기 해결을 위한 방안으로 PBM 기반의 수치수조 모의를 통해 연안침수로 인한 해안대수층의 수직적 해수침투 및 염분화 과정을 조사하였다. 실험적 분석과 수치 모의를 상호 보완적으로 수행하였으며, 그 결과를 다음과 같이 정리할 수 있다.
• 수직적 해수침투 특성
- 연안침수는 해안대수층의 기존 수평적 압력 평형을 교란하며, 이로 인해 수직적 해수침투가 유발됨을 확인하였다.
- 연안침수의 높이가 클수록 해수가 더 빠르게 해안대수층 상부의 담수층으로 침투하며, 연안침수의 거리가 길수록 광범위한 염분화가 발생하였다.
- 연안침수의 거리가 짧은 경우, 침투한 해수가 빠르게 바다로 배출되면서 해수-담수 경계면의 변화가 제한적으로 나타났다.
• 해안대수층의 염분화 과정
- 연안침수의 높이보다 거리가 염분화에 더 큰 영향을 미치는 요인으로 나타났다.
- 지하수의 동수경사가 작을수록 해수가 해안대수층의 담수층에 오래 머물며 염분화 범위가 확대되었다.
- 반면, 동수경사가 클수록 침투한 해수가 바다로 빠르게 배출되면서 해안대수층의 염분화 범위가 제한적으로 형성되었다.
• 해안대수층의 염분화 회복 속도 및 영향 요인
- 해안대수층의 염분화 회복 속도는 연안침수의 거리와 동수경사에 의해 지배되며, 침수 거리가 짧고 동수경사가 클수록 회복 속도가 빨라지는 경향을 보였다.
- 해안대수층의 염분화 회복 과정에서 초기에는 빠르게 진행되다가, 시간이 지남에 따라 회복 속도가 크게 감소하였다.
본 연구의 결과는 연안 지역의 지하수 자원이 기후변화 및 연안침수로 인해 지속적으로 위협받고 있음을 경고하며, 이를 방지하거나 회복하기 위한 다각적인 대응책 마련의 시급성을 강조한다. 이는 연안 지역의 물 자원 관리 및 인프라 보호뿐만 아니라, 나아가 연안 생태계 보전과 같은 지속 가능성 전략의 핵심 요소로 자리 잡아야 할 필요가 있음을 시사한다.
향후 연구에서는 불균질한 대수층 조건과 비정상적인 지하수 유동을 반영한 추가적인 해수침투 모의를 수행하여 현실성을 더욱 강화할 필요가 있다. 또한, 해안대수층의 염분화 회복 시간까지 정량적으로 추정할 수 있도록 장기간 해수침투를 모의할 수 있는 수치 해석 기술 개발이 요구된다.
추가적으로, 폭풍 해일(Seo et al., 2024; Jin et al., 2024), 지진 해일(Lee et al., 2022a; Lee et al., 2022b), 고파랑 및 폭풍파(Hwang et al., 2024; Shin et al., 2024), 해수면 상승 및 고조위(Jung et al., 2024) 등의 극한 재해 상황에서 해수 범람에 기인한 수직적 해수침투를 보다 심층적으로 연구할 필요가 있다. 이를 통해 연안 지역의 극단적 침수에 대응할 수 있는 실질적인 방안을 마련해야 한다.
Notes
감사의 글
이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(RS-2022-00144263, RS-2024-00356327).