The widely accepted recognition of global environmental problems has resulted in a paradigm shift for research in the hydrosciences. Hydrologic model has played important roles in hydroscience and engineering. However, there are some limitations to deal with real world problems. In this paper, comprehensive review on the current status and major issues on hydrologic models. The sources of model uncertainty were classified and discussed. Finally, model calibration and verification issues were discussed in view of Popperian perspective.

This review focuses on the hydrological definition and functions of hyporheic zone which has a feature of interaction between surface water and groundwater in natural stream system. This work also investigated how to measure the amount of flow exchange around this zone. As hyporheic zone shows heterogeneous feature due to groundwater level, river bed thickness, and hydraulic conductivity, spatio-temporal variation of interactions between surface-groundwater hydrologic exchange is to be analyzed. The methods to quantify this flow exchange can be classified according to field scale and status, the proper method should be adopted. Especially, Krause et al. (2007), showed that the flow exchange plays an important role in water balance in watershed and can be quantified by using integrated watershed hydrologic modeling.

The importance of interaction between surface water and groundwater has been increased for the understanding and analyzing hydrological cycle in natural stream system. In this study, the interaction between surface water and groundwater is qualitatively analyzed by using a field measurement of water level and temperature in Guamcheon stream, South Korea. The results show that temperature measurement is necessary to assess the interaction between surface water and ground water not only water level. The interactions between surface water and groundwater in short stream can be analyzed by using this method and the accuracy of stream-groundwater interactions can be enhanced in the concept of hydrological analysis by adding the temperature variation data. Consequently, this method based on field measurement can be expected as a basic procedure for qualitative study on stream-groundwater interactions.

In this study, standard precipitation index- based analysis associated with run theory was performed using 53 years’ (1967– 2019) precipitation data to investigate the meteorological drought in Chuncheon. The duration of the meteorological drought in Chuncheon was 8.06 months, magnitude of the drought was -8.21, and average drought depth was -1.08. The drought in May 2014 lasted 21 months until January 2016; the drought scale and average depth was -34.06 and -1.62, respectively. This was the most severe drought in Chuncheon. As a result of drought frequency analysis, the drought scale of May to December in 2014 was estimated to be -16.16, and the return period was estimated to be 300 years. These results are expected to further increase the magnitude and frequency of weather droughts caused by climate change. Therefore, it is critical to prepare appropriate structural measures.

본 연구에서는 하폭, 하상수리전도도 등의 하천수리특성을 고려할 수 있는 Baalousha (2012)의 해석해를 이용하여 안성천 상류구간 인근에 위치한 관정 17개에 대해 지하수 양수로 인한 하천수 감소량을 산정하고 그 특성을 고찰하였다. 해석해 적용을 위해서 양수시험과 시피지시험을 통해 측정한 대수층과 하상의 수리특성값을 이용하였다. 양수기간 5년 동안 양수량 대비 하천수 감소량은 약 0.23에서 0.89로 관정 위치별로 차이가 크게 나타났으며, 하천고갈인자(Stream Depletion Factor, SDF) 값이 1,000일보다 큰 경우 0.4 미만으로 양수의 영향이 작은 것으로 분석되었다. Baalousha (2012) 해석해 적용 결과를 미소하폭에 대한 Hunt (1999) 해석해 적용 결과와 비교한 결과 연구대상 지역은 상대적으로 간단한 Hunt (1999) 해석해로 지하수 양수 영향을 파악하는데 충분한 것으로 분석되었다. 또한 투수량계수, 저류계수, 하상수리전도도, 하폭, 하천-관정 이격거리, 하폭 등의 수리특성치 조합에 따른 총 3,000가지 조건에 대해 각각의 해석해로 5년 평균 하천수 감소비를 구하여 비교한 결과 하천-관정 이격거리가 하폭 보다 길어야 두 해석해의 차이가 작아 하폭의 영향이 감소하는 것으로 분석되었다.

본 연구에서는 무심천 유역을 대상으로 지표수-지하수 통합해석 모형인 SWAT-MODFLOW를 이용하여 수량이 부족한 하천으로 지하수를 이용한 물공급 방안을 모색하였다. 2011년부터 2015년까지 다양한 모의실험을 수행한 결과 극한가뭄이 도래했던 2015년에 지하수 공급에 의한 월 유출량의 변화는 현 양수시 23%, 최대 양수시에는 68.3%의 증가를 나타냈다. 이를 연간 지하수 함양량으로 산정할 경우 현 이용량을 적용하면 연평균 강수량의 6.2%인 75 mm, 최대 이용량 적용시 연평균 강수량의 24%인 290 mm에 해당하여 연간 안정적인 공급이 가능한 것으로 나타 났다. 본 연구는 가뭄에 취약한 지표수자원과 달리 지하수는 하천수 부족시 물공급의 효과적인 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구에서는 죽산천 주변 지역에 대해 SWAT-MODFLOW 결합모형으로 암반층 지하수 양수에 따른 하천수 감소량을 모의하여 하천-관정 이격거리, 대수층 및 하천바닥층 수리특성 등과의 관계를 파악하고, 양수 위치에 따른 하천수 감소량을 공간적으로 표출하여 그 특징을 분석하였다. 양수정 위치에 따른 하천과의 이격거리, 투수량계수, 저류계수, 하천바닥층 수리전도성 등의 차이로 인해 지하수 양수량 대비 하천수 감소량 비율이 10∼90%의 범위를 나타내었으며, 투수량계수가 10 m2/day 보다 크거나 저류계수가 0.1보다 작은 경우 대부분 관정에서 하천수 감소율이 50%를 초과하는 것으로 분석되었다. 암반층에서 지하수를 양수할 경우 5년 동안 평균적으로 53.6%의 하천수 감소율을 나타내어 충적층 양수에 비해 12.9%만큼 덜 감소하는 것으로 분석되었다. 또한 죽산천 중하류부에서 양수 영향이 비교적 크게 나타나는 것으로 분석되었다.

본 연구에서는 죽산천 주변 지역에 대해 지하수 양수에 따른 하천수 감소 영향을 공간적으로 분석하였다. 하천 주변 500 m 이내에 위치한 지하수 관정 각각에 대해 지표수-지하수 결합모형 SWAT-MODFLOW를 이용하여 양수 후 하천수 감소량을 반복적으로 모의하였다. 모의 결과, 양수량 대비 하천수 감소율이 20～96%의 범위로 큰 차이를 보였으며, 특히, 하천과 관정간 이격거리가 100 m 이내, 수리확산계수가 500 m2/d 초과, 하천바닥층 수리전도성이 25 m/d를 초과한 경우에 양수량 대비 하천수 감소율이 60%를 넘어 양수 영향이 큰 것으로 분석되었다. 지하수 관정의 공간적인 위치에 따른 하천수 감소 영향을 정량적으로 쉽게 파악할 수 있도록 관정 위치별 하천수 감소량을 양수량 대비 퍼센트 값을 가지는 등치선 곡선으로 나타내었다. 죽산천 중하류구간 주변지역이 상류지역에 비해 지하수 양수로 인한 영향이 단기간에 크게 하천에 도달하였으며, 양수기간 5년 동안 평균적으로 약 66.7%의 하천수 감소율이 발생하는 것으로 분석되었다. 하천수량에 미치는 지하수 양수 영향을 공간적으로 표출함으로써 하천변 지하수 허가 관리에 있어 객관적인 정보로 활용할 수 있을 것이다.

Groundwater level hydrographs from observation wells in Jeju island clearly illustrate distinctive features of recharge showing the time-delaying and dispersive process, mainly affected by the thickness and hydrogeologic properties of the unsaturated zone. Most groundwater flow models have limitations on delineating temporal variation of recharge, although it is a major component of the groundwater flow system. Recently, a convolution model was suggested as a mathematical technique to generate time series of recharge that incorporated the time-delaying and dispersive process. A groundwater flow model was developed to simulate transient groundwater level fluctuations in Pyoseon area of Jeju island. The model used the convolution technique to simulate temporal variations of groundwater levels. By making a series of trial-and-error adjustments, transient model calibration was conducted for various input parameters of both the groundwater flow model and the convolution model. The calibrated model could simulate water level fluctuations closely coinciding with measurements from 8 observation wells in the model area. Consequently, it is expected that, in transient groundwater flow models, the convolution technique can be effectively used to generate a time series of recharge.

Hydrologic component analysis was conducted to investigate water budget characteristics the Oedocheon watershed, Jeju Island. For this purpose, integrated SWAT-MODFLOW model was applied to this watershed for continuous surface water-groundwater modeling. Pasture and forest-deciduous are the major land use types and these affect general hydrologic component ratio. The spatio-temporal groundwater recharge can be obtained from SWAT and then distributed groundwater recharge can be reproduced by MODFLOW. The groundwater level variation was simulated with distributed groundwater pumping data. The water budget in this watershed was compared with the previous estimated result by Jeju-Do(2013). As this result considered discharge to the coastal side, the discrepancy was found. However, it was found that the overall tendency of both analyses were similar.

As hydrogeologic parameters such as hydraulic conductivity and specific yield are estimated by aquifer test , these are dependent on specific points at which field test was conducted. To overcome these site-specific limitations, a method of estimating transmissivity of aquifer using distribution features for parameters in Water table fluctuation model is newly suggested. Distribution features in reaction factor, specific yield and transmissivity having the function of pore space in aquifer are used to derive empirical equation for estimating transmissivity. From the result for applying the equation for 10 groundwater stations in Northeast Jeju Island, this equation is available for estimating transmissivity compared to the value estimated by existing equations. The estimated transmissivity ranged from 14.2 to 3,716.9 m2/day, and its average was 821.8 m2/day.

함양 지체시간은 강우로부터 지표면을 지나 지하수면으로 도달하는 침투수의 통로 역할을 하는 비포화대를 통과할 때 발생하는 시간지연을 의미한다. 함양 지체시간을 직접적으로 측정하는 것은 불가능하기 때문에 본 연구는 고도와의 단순회귀분석을 이용하여 지체시간에 대한 경험식을 유도하였다. 이를 위하여 제주도 내에 4개의 유역(한천, 강정천, 외도천, 천미천)을 선정하여 총 18개의 관측지점에 대한 지체시간을 산정하였다. 또한 제안된 회귀식을 검증하기 위하여 선형 저수지 이론으로부터 유도된 방정식을 적용하여 구한 지체시간과 본 연구에서 유도된 경험식으로부터 산정된 지체시간을 이용하여 각각 산정한 지하수 함양량을 비교한 결과 상관성이 높은 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 유도한 경험식을 이용하여 SWAT모형의 지체시간 매개변수에 적용할 경우 지하수 함양의 공간적 지연효과를 잘 반영할 것으로 판단된다.

Temporal variation of groundwater levels in Jeju Island reveals time-delaying and dispersive process of recharge, mainly caused by the hydrogeological feature that thickness of the unsaturated zone is highly variable. Most groundwater flow models have limitations on delineating temporal variation of recharge, although it is a major component of the groundwater flow system. A new mathematical model was developed to generate time series of recharge from precipitation data. The model uses a convolution technique to simulate the time-delaying and dispersive process of recharge. The vertical velocity and the dispersivity are two parameters determining the time series of recharge for a given thickness of the unsaturated zone. The model determines two parameters by correlating the generated recharge time series with measured groundwater levels. The model was applied to observation wells of Jeju Island, and revealed distinctive variations of recharge depending on location of wells. The suggested model demonstrated capability of the convolution method in dealing with recharge undergoing the time-delaying and dispersive process. Therefore, it can be used in many groundwater flow models for generating a time series of recharge.

The groundwater level varies according to the characteristics and composite materials of aquifer. In this study, specific yield and reaction factor which are the major two hydrogeological parameters in the WTF(Water Table Fluctuation) method were estimated and analyzed spatial characteristics. 8 groundwater level stations which have enough measuring period and high correlation with rainfall in the Hancheon watershed were used. The results showed that specific yield was randomly distributed and reaction factor showed inverse trend with altitude. If the enough data were collected, reaction factor according to altitude in ungauged points could be estimated by using these parameter characteristics.

In this work, the delay time for groundwater recharge was estimated by comparing simulated recharges by means of SWAT(Soil and Water Assessment Tool) model and WTF(Water Table Fluctuation) method. The delay time for groundwater recharge means that the time when the water from rainfall travelled through vadose zone just after getting out of soil zone bottom. As measuring this delay time is almost impossible, we used to compare the estimated values from modeling(SWAT) and analytic method(WTF). The test site is Hancheon watershed which has 8 groundwater measurement stations. The results show that the altitude has a linear relationship with the estimated delay time values. To validate these results, we conducted corelation analysis between transformed groundwater levels and observed ones. The results showed that computed groundwater levels have good corelation(R2=0.97, 0.87, respectively). The estimated delay time would be used for the groundwater behaviour characteristics in vadose zone. As recharge rates vary according to the height, the delay time is thought to be an import variable for the proper groundwater recharge estimation.

지하수양수정의위치는대수층내지하수유동과하천-대수층의상호작용에영향을미치므로효과적인지하수개발·이용 및 하천수 관리를 위해서는 개별적인 지하수 관정의 양수 위치에 따른 하천수량 변화를 정량적으로 분석하는 과정이선행되어야한다. 따라서본연구에서는경기도이천에위치한신둔천유역에대해서단일관정으로부터의지하수양수가인근 하천구간에 미치는 영향을 지표수-지하수 통합모형 SWAT-MODFLOW를 이용하여 모의, 분석하였다. 유역내에존재하는지하수관정들중임의로50개를선별하고각각의단일관정의양수로인한인접및하류부하도구간의하천수감소에미치는영향을평가하였고, 특히양수로인한하천영향판별지표로많이사용되고있는하천고갈인자및하천바닥인자의적용성을검토하였다. 각각의단일관정의지하수양수전‧후의하천유량을비교한결과양수량대비하천수감소량은작게는20%미만에서크게는90%가넘는등지역및하천-관정이격거리에따라큰차이를나타내었다. 하천고갈인자와하천바닥인자 모두 하천수감소량과는 상관성이 높지 않아 양수로 인한 하천에 미치는 영향을 판정하는 절대적인 기준이될 수는 없는 것으로 분석되었다. 하지만, 하천-관정 이격거리가 약 500 m 이내인 경우에는 하천바닥인자는 하천 영향정도를 평가하는 지표로 사용이 가능할 것으로 분석되었다.

본 연구에서는 죽산천 유역에 대해 지표수와 지하수의 통합거동을 유역 스케일로 장기간 모의할 수 있고 양수정의 공간분포 및 저수지 운영을 복합적으로 고려할 수 있는 유역단위 통합수문해석모형 SWAT-MODFLOW를 적용하여 지하수 양수 및 농업용 저수지가 하천유량에 미치는 영향을 평가하였다. 지하수 양수 및 농업용 저수지 고려 유무에 따라 4가지 시나리오((1) 현 지하수 이용량 고려, 저수지 고려, (2) 현 지하수 이용량 고려, 저수지 미고려, (3) 지하수 이용량 미고려, 저수지 고려), (4) 지하수 이용량 미고려, 저수지 미고려(자연상태)) 를 구성하고 각 시나리오별로 하천유량의 변화를 모의한 결과, 죽산천 유역 출구부를 기준으로 지하수 양수로 인한 영향이 농업용 저수지에 의한 영향 보다 상대적으로 크게 발생하였으며, 갈수량은 용수이용이 없는 자연 상태(natural flow)에 비해서 지하수 양수만의 영향으로 약 17%, 저수지만의 영향으로 약 11%, 양수 및 저수지의 복합영향으로 인해 약 23% 만큼 감소하는 것으로 분석되었다. 농업용 저수지로부터 떨어진 거리에 따른 하천유량의 변화를 평가하기 위해서 죽산천 본류를 따라 비갈수량을 산정한 결과, 저수지 관개용수의 회귀수 영향으로 하류로 내려갈수록 비갈수량이 증가하였으며, 죽산천 상류에 위치한 덕산 저수지로부터 약 6.5km까지는 저수지의 영향이 상당히 미치는 것으로 분석되었다.

In this study, a method of simulating ephemeral stream runoff characteristics in Jeju watershed is newly suggested. The process based conceptual-physical scheme is established based on the SWAT-K and applied to Cheonmi-cheon watershed which shows the typical pattern of ephemeral stream runoff characteristics. For the proper simulation of this runoff, the intermediate flow and baseflow are controlled to make downward percolation should be dominant. The result showed that surface runoff simulated by using the modified scheme showed good agreement with observed runoff data. In addition, it was found that the estimated runoff directly affected the groundwater recharge rate. This conceptual model should be continuously progressed including rainfall interception, spatially estimated evapotranspiration and so forth for the reasonable simulation of the hydrologic characteristics in Jeju island.

To investigate groundwater variation characteristics in the Hancheon watershed, Jeju Island, an integrated hydrologic component analysis was carried out. For this purpose, SWAT-MODFLOW which is an integrated surface-groundwater model was applied to the watershed for continuous watershed hydrologic analysis as well as groundwater modeling. First, ephemeral stream characteristics of Hancheon watershed can be clearly simulated which is unlikely to be shown by a general watershed hydrologic model. Second, the temporally varied groundwater recharge can be properly obtained from SWAT and then spatially distributed groundwater recharge can be made by MODFLOW. Finally, the groundwater level variation was simulated with distributed groundwater pumping data. Since accurate recharge as well as abstraction can be reflected into the groundwater modeling, more realistic hydrologic component analysis and groundwater modeling could be possible.