Isotopic Hydrograph Separation in Dorim-Cheon Watershed in Seoul, Korea

Abstract

For water resources security, many studies for investigating flow paths from rainfall to subsurface have been conducted. To understand how water derived from atmosphere moves to subsurface and from subsurface to stream, analyses of precipitation and stream water using water isotopes in a small granitic watershed, Dorim-cheon, were carried out for 3 distinct rain events in October, 2014, March, 2015, and July, 2015. At Dorim-cheon watershed, many of stream water and rain water samples were obtained over time in each rain events. Each of water samples was analyzed by Isotope Ratio Infrared Spectroscopy (IRIS) and a few samples for October rain event were analyzed with Ion Chromatography (IC). To get discharge of stream for rain events, with stage values obtained from automatic stage logger, the continuous values of discharge were calculated. Stream water, collected in advance of rain event, was assumed as an old water component according to its dry condition and isotopic values compared with the values of different time period. For the rain water component, weighted mean of rainfall was used for the rain event in October, 2014, and all values of each rain water point with 6 hours of lag time were used for the event of July, 2015. Using a two-component mixing model, hydrograph separation of the stream water in Dorim-cheon was conducted based on rain water and old water component. As a result of using water isotope, contribution of old water was dominant during the study period with values of 74% and 73% for 8 days in October, 2014, and 98% and 97% for 10 days in July, 2015. This shows that even in the watershed, which is covered with thin soil layer in granite mountain region, the stream water is considerably influenced by old water inflow. A significant difference for the amount of old water contribution from using chloride as a tracer was identified on the rain event in October, 2014. This might be caused by the large variation of chloride concentration during the rain event and the determination of the end member. Regular and continuous sampling during and after the rain event should be conducted with the various tracers.;강우 성분이 지하 시스템으로 어떤 경로로 함양되는가에 대한 연구가 수자원 확보의 측면에서 많이 이루어 지고 있다. 대기로부터 기원한 물이 지표와 지하로 어떻게 움직이는가에 대하여 알기 위해, 화강암질로 이루어진 관악산에서 기원하는 도림천 수계에서 하천과 강우의 물 안정동위원소에 대한 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 3번의 강우 이벤트에서 강우, 하천 시료들을 채취하여 물 안정동위원소를 분석하였고, 일부 시료의 경우는 Cl- 함량도 분석하였다. 시료들의 분석은 한국지질자원연구원에 있는 동위원소비 적외선 분광기와 이온 크로마토그래피를 이용하였다. 또한 강우 기간 동안의 하천 유출량을 연속적으로 알기 위해, 자동 수위 측정기를 이용하여 지속적으로 수위를 측정할 수 있도록 하였고, 추후 수위-유량 보정을 이용하여 유량 값을 계산하였다. 강우 이벤트가 일어나기 전에 채취한 하천 샘플은 오래된 물, 즉 기저유출의 값으로 가정할 수 있다. 강우의 영향을 받지 않은 물이라는 것을 가정하기 위해서, 하천 샘플을 채취했을 당시에 이전 강우가 종료된 지 충분히 오래 되었는 지와 다른 기간에 채취한 기저유출 샘플과 비교하였다. 10월 강우의 새로운 물 성분으로는 강우의 가중 평균 값이 이용되었고, 7월 강우의 새로운 물 성분으로는 각각의 강우 성분들을 각각의 새로운 물 성분으로 이용하였다. 질량방정식을 이용한 이성분계 수문분리법을 이용하여 하천에 기여하는 기저유출 성분과 강우 성분을 계산하였다. 2번의 수문분리에서, 기저유출의 기여도는 10월 강우에서는 추적자를 δ18O와 δD를 이용했을 때, 각각 74%와 73%로 계산되었고, 7월 강우에서는 97.7%와 97.2%로 계산되었다. 토양 층이 얇은 화강암질 지역임에도 불구하고 기저유출의 양이 지배적이라는 것을 알 수 있다. Cl-를 추적자로 이용한 경우에는 동위원소를 추적자로 이용한 경우에 비하여 확연히 다른 결과를 보였다. 이것은 기저유출 값이 일정하게 유지되지 않거나, 기저 유출과 강우 성분이 아닌 세 번째 성분이 존재할 수 있다는 것으로 설명할 수 있다. 이를 밝히기 위해서 지속적으로 하천과 강우의 시료를 동시에 채취하여 물 안정동위원소뿐만 아니라 다양한 다른 추적자의 연구도 필요해 보인다.