KR102549314B1 - 농업가뭄 대응 지하수 최대 취수량 모니터링 방법 - Google Patents

농업가뭄 대응 지하수 최대 취수량 모니터링 방법 Download PDF

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Abstract

농업가뭄 대응 지하수 최대 취수량 모니터링 방법은, 해당 지역에 대한 지하수 최대 취수량 정보를 유지하는 단계, 지하수 최대 취수량을 이용하여 해당 지역의 지하수위 저하 한계치를 정의하는 단계, 해당 지역에 존재하는 적어도 하나의 관측정으로부터 지하수위 정보를 상시 수신하는 단계, 현재로부터 소정의 과거 기간 동안 누적 수신된 지하수위 정보를 이용하여 최근 지하수위 환산값을 산출하는 단계, 및 최근 지하수위 환산값을 지하수위 저하 한계치와 비교하는 단계를 포함한다.

Description

농업가뭄 대응 지하수 최대 취수량 모니터링 방법 {METHOD OF MONITORING MAXIMUM IRRIGATION AMOUNTS OF GROUNDWATER AGAINST AGRICULTURAL DROUGHT}
본 발명은 농업가뭄을 대비하여 지하수의 최대 취수량을 모니터링하는 방법에 관한 것으로서, 농업가뭄 발생 기간 동안 현실적이면서 합리적인 기준의 지하수 이용량을 제안하여 농업가뭄 극복과 농가소득 보전에 도움이 될 수 있는 지하수 최대 취수량 모니터링 방법에 관한 것이다.
가뭄은 강수의 부족이 장기화되어 수자원의 고갈, 이에 따른 동식물의 생육 저해와 인간의 사회경제적 활동에 손실을 유발하는 비정상적인 기상현상을 일컫는다. 가뭄은 정의에 따라 크게 기상학적, 농업적, 수문학적 및 사회경제적 가뭄으로 분류되고, 가뭄 기간이 길어질수록 기상학적 가뭄은 농업적 가뭄을, 농업적 가뭄은 수문학적 가뭄을, 최종적으로 수문학적 가뭄은 사회경제적 가뭄을 유도할 수 있다(Wilhite and Glantz, 1985). 상세하게는, 기상학적 가뭄은 예년에 비해 강수일수가 감소하여 기상학적 수자원이 계절적 평균치에 미달할 경우, 농업적 가뭄은 강수량 부족이 토양유효수분을 감소시켜 농작물 생장에 피해를 줄 경우, 수문학적 가뭄은 강수량의 부족이 댐, 저수지, 하천수, 지하수 등 가용 수자원의 부족을 유발하는 경우, 그리고 사회경제적 가뭄은 강수량 부족이 물에 의존하는 각종 경제적 요소(수력발전, 농축수산물, 먹는샘물 등)의 수요와 공급에 차질을 유발하여 인간의 경제활동에 타격을 입히는 경우를 일컫는다.
이 가운데 농업적 가뭄은 농작물 생장 저해 뿐만 아니라, 작황의 감소, 농가소득 불안정과 민심 불안 초래, 농산물 수급 불균형에 따른 가격 불안정(폭등) 유발 등 농림식품산업 전반에 연쇄적인 타격을 입힐 수 있다. 농업적 가뭄은 벼의 생육관점에서 볼 때 크게 이앙지연형 가뭄(4∼6월, 모판을 형성하고 논에 이앙하는 시기의 가뭄)과 생장지연형 가뭄(7∼8월, 벼가 생장하고 벼꽃을 피울 시기의 가뭄)으로 구분된다(KRC, 2012). 우리나라의 농업적 가뭄은 기후특성상 봄철 이앙지연형 가뭄이 주를 이루며, 강우가 집중되는 여름철에는 생장지연형 가뭄이 거의 발생하지 않는 편이다. 우리나라 가뭄은 규모의 차이는 있지만 2000년 이후 발생 주기가 짧아져 2008년 이후에는 거의 매년 발생하고 있으며, 2013∼2018년까지 5년에 걸친 장기 가뭄은 전국적인 피해를 초래하였다(MOE and NDIAS, 2018).
지형적으로 몽리면적이 좁고, 수원공 시설 설치가 어려운 우리의 농어촌 지역에서는 저수지 둑높이기 사업, 집수정이나 지하댐 등 대용량 지하수 개발사업 등과 같은 대규모 가뭄 대책사업이 어렵기 때문에, 결국 신규 관정 개발과 준설과 같은 대응이 가뭄에 대처하는 가장 현실적인 대안이 되기도 한다.
이처럼 지하수는 준설과 더불어 가뭄 발생 시 용수 공급 문제를 적시에 해결하고, 작물피해를 최소화하며, 농어민의 소중한 재산을 재해로부터 보전하는 주요 수자원의 역할을 할 수 있다. 그러나 지하수 개발 및 이용과 관련하여, 그동안 우리나라에서는 지하수관리기본계획에서 지자체별로 지정한 '지하수 개발가능량’ 이내로 지하수를 이용할 것을 권고해 왔고(MOLIT, 2017), 대부분의 지자체에서는 이를 준수하며 지하수 관정에 대한 허가나 신고 업무를 수행해 왔다. 이 때문에, 물 부족이 심화된 가뭄 시기에도 해당유역 내의 지하수 개발가능량을 초과해서 이용할 수가 없는 한계가 있었다.
지하수 개발가능량은 평상시 모든 지하수 이용자가 준수해야 할 기준임에는 분명하지만, 극심 가뭄이 발생하여 가용 수자원이 부족한 특정 기간에는, 일시적으로 지하수 개발가능량을 상회할 수도 있는, 허용 가능한 최대 취수량을 예외적으로 지정하여 용수 부족 문제를 해결할 필요도 있다.
한국등록특허 제10-1160678호, 한국등록특허 제10-1347864호 등에는 지하수 취수를 위한 장비가 개시되어 있지만, 농업가뭄 기간 동안 전반적인 지하수 최대 취수량을 조절할 수 있는 모니터링 시스템 및 방법에 대해서는 부재한 상태이다.
본 발명은 농업가뭄에 대응하여 현실적으로 허용 가능한 범위에서 과잉 양수 범위를 모니터링 할 수 있는 지하수 최대 취수량 모니터링 방법을 제공한다.
본 발명은 농작물 피해 예방과 농어민의 소득 보전을 위해, 합리적인 범위 내에서 농업가뭄 시기 일시적인 최대 취수량을 사전에 정의하여 정부, 지자체 또는 지하수법에서 지정한 지하수조사전문기관에서 최대 취수량을 관리할 수 있고, 그 결과 농업가뭄 극복과 농가소득 보전에 도움이 될 수 있는 지하수 최대 취수량 모니터링 방법을 제공한다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따르면, 지역별 취수량 모니터링 방법은, 해당 지역에 대한 관정별 전력사용량 분석 기반 지하수 최대 취수량 정보를 유지하는 단계, 최대 취수량을 이용하여 해당 지역의 지하수위 저하 한계치를 정의하는 단계, 해당 지역에 존재하는 적어도 하나의 관측정으로부터 지하수위 정보를 상시 수신하는 단계, 현재로부터 소정의 과거 기간 동안 누적 수신된 지하수위 정보를 기반으로 최근 지하수위 환산값을 산출하는 단계, 및 최근 지하수위 환산값을 지하수위 저하 한계치와 비교하는 단계를 포함한다.
국가 지하수관리기본계획에서 지자체마다 일률적으로 지정한 기존의 지하수 개발가능량에 따르면, 농업가뭄 발생 시 농업용수 부족이 발생할 지라도 지정된 수량 이하로만 지하수를 이용해야 하기 때문에 농업가뭄 극복에 현실적으로 대처하기 어려운 한계가 있다. 따라서 본 발명에서는 합리적인 기준을 수립하여 농업가뭄 발생 시 지하수 개발가능량을 상회하는 지하수 최대 취수량을 설정하고, 그에 따른 지하수위 저하 한계치를 기준으로 지하수의 최대 취수량 모니터링 기준을 제안할 수 있다.
최근 지하수위 환산값을 산출하는 단계에서 소정의 과거 기간은 10~20일 중 하나로 선택할 수 있으며, 일 예로 수신된 지하수위 정보를 최근 10일간의 이동 평균으로 최근 지하수위 환산값을 환산하고, 이를 지하수위 저하 한계치와 비교할 수 있다.
이렇게 최근 지하수위 환산값을 지하수위 저하 한계치와 비교하는 단계에서 최근 지하수위 환산값을 지하수위 저하 한계치에 0.3~1.0 범위 중 선택된 관심 계수(α)를 반영할 수 있으며, 일 예로 최근 지하수위 환산값(Wp)을 관심 계수(α)와 지하수위 저하 한계치(Wlimit)의 곱과 비교할 수 있다.
따라서, 최근 지하수위 환산값(Wp)이 α×Wlimit 을 상회하면 정상이지만, 최근 지하수위 환산값(Wp)이 α×Wlimit 과 교차하거나 하회하면 비정상으로 판단할 수 있다.
지하수위 저하 한계치는 산출된 최대 취수량을 이용할 수 있지만, 경우에 따라서는 해당 지역의 표준강수지수 산출방법을 관측정의 누적 지하수위 값에 적용하여 지하수위 변동폭을 산출하고, 산출된 지하수위 변동폭을 이용하여 지하수위 저하 한계치를 설정할 수 있다. 여기서, 지하수위 변동폭은 표준강수지수 대비 0~5.4% 구간과 75~100% 구간의 지하수위의 평균값 또는 중간값을 비교할 수 있다.
예를 들어, 표준강수지수가 0~5.4%인 구간의 지하수위와 75~100% 구간의 지하수위 차이를 지하수위 변동폭으로 정의하고, 산출된 지하수위 변동폭에 심도 제한 비율 3.0을 곱한 값과 지하수위 저하 한계치를 비교할 수 있다.
일 예에 따르면, 산출된 지하수위 변동폭에 심도 제한 비율 3.0을 곱한 값을 일률적으로 지하수위 저하 한계치로 이용할 수 있고, 최대 취수량으로 산출한 지하수위 저하 한계치와 산출된 지하수위 변동폭에 심도 제한 비율을 곱한 값 중 작은 값을 지하수위 저하 한계치로 정의할 수도 있다.
최대 취수량 정보는 평년 지하수 이용수량의 5.4 ~ 7.0 배로 산출될 수 있으며, 바람직하게는 최대 취수량 정보는 평년 지하수 이용수량의 6.2배로 산출될 수 있다.
평년 지하수 이용수량은 해당 지역에서 관측되는 양수 관정의 전력사용량 기반 전기요금을 이용하여 산출할 수 있다.
본 발명의 농업가뭄 대응 지하수 최대 취수량 모니터링 방법에 따르면, 합리적인 기준에 따라 최대 취수량을 한정하고, 그에 따른 지하수위 저하 한계치를 기준으로 지하수의 취수량 모니터링 기준을 수정 제안할 수 있다. 그 결과 종래의 지하수 개발가능량에 의해서 일률적으로 제한된 기준을 벗어나 농업가뭄 대응 일시적인 과잉 양수를 가능하게 할 수 있다.
본 발명은 농작물 피해 예방과 농어민의 소득 보전을 위해, 합리적인 범위 내에서 농업가뭄 시기 일시적인 지하수 최대 취수량을 사전에 정의하여 정부, 지자체 또는 지하수법에서 지정한 지하수조사전문기관에서 지하수 최대 취수량을 관리할 수 있고, 그 결과 농업가뭄 극복과 농가소득 보전에 도움이 될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지역별 취수량 모니터링을 위한 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 2010~2018년 기간 동안 표준강수지수 분석에 따른 8개 농어촌 광역시도(제주 및 특광역시 제외)의 가뭄 분석 결과를 정리한 표이다.
도 3은 2010~2018년 기간 동안 농어업용 공공관정에서 평년과 가뭄발생 연도의 지하수 이용량의 비율을 비교한 표이다.
도 4는 대표적인 시군구에 해당하는 일부 지역에 대해 최대 취수량을 산출하여 정리한 표이다.
도 5는 전국 지역에 대해 최대 취수량을 산출하여 정리한 표이다.
도 6은 대표적인 시군구에 대해 일정 지역별 지하수위 저하 한계치와 지하수위 변동폭과의 관계를 설명하기 위한 표이다.
도 7은 전국 지하수위 저하 한계치와 지하수위 변동폭과의 관계를 설명하기 위한 표이다.
도 8은 지하수위 저하 한계치와 지하수위 변동폭과의 차이 및 그 비교를 설명하기 위한 그래프이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 상기 규칙하에서 다른 도면에 기재된 내용은 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지역별 취수량 모니터링을 위한 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 특정 지역의 지하수 취수량을 모니터링하기 위한 시스템은 중앙 관계를 위한 서버(10), 특정 지역에서 지하수를 취하는 양수정(30), 지표면(g)으로부터 지하수 (w)의 수위변화를 측정하기 위한 관측정(40) 및 양수정(30)과 관측정(40)으로부터의 정보를 서버(10)로 전달하기 위한 네트워크(20)로 구성될 수 있다.
본 실시예에서는 양수정(30)과 관측정(40)이 하나로 도시되어 있지만, 다른 실시예에서는 2개 이상으로 제공될 수 있으며, 중앙 관제를 위한 서버(10) 역시 하나로 통합되거나 세부 지역에 따라 분리될 수도 있다.
그러한 관점에서 본 발명에서의 지역은 광역시도 또는 시군구와 같은 특정 지자체 또는 전국이 될 수 있으며, 경우에 따라서는 2개 이상의 지역이 지하수법에서 지정한 지하수조사전문기관에 의해서 통합적으로 관리될 수도 있다.
이하, 이런 내용을 바탕으로 지하수 이용량 분석에서부터 발명에 이르기까지의 내용을 구체적으로 설명한다.
농어업용 공공관정 지하수 이용량 분석
최근 기후변화에 따른 연간 강수량의 변화, 강수의 지역 편차 심화, 강수의 여름철 집중 현상 심화 등에 의해 강수량의 불확실성은 날로 커져가고 있음을 확인하였다. 또한, 실질적인 농업적 가뭄 해소를 위해서는 강수량에 근거하여 산출된 지하수 개발가능량을 기준으로 지하수 공급을 논하기보다는, 기설 및 신규 관정(양수정)의 실제 이용량을 기준으로 최대 양수하여 농지에 공급할 수 있는 공급수량이 더 중요할 수도 있다.
농어업용 양수정의 지하수 이용량 분석을 위하여, 한국 내 약 1300~1400 개소의 양수정을 대상으로 지하수 이용량을 산출하였으며, 그 산출을 위해 2018년을 기준으로 과거 약 9여년 동안의 전기요금 납부 기록 등을 참조하였다.
분석에 이용된 약 1300~1400 개소의 양수정 중 약 86%는 암반 관정이었고, 약 14%는 충적 관정이었다. 암반 관정은 수중모터펌프를 이용하여 지하수를 양수하고, 충적 관정은 지상모터펌프를 이용하여 지하수를 양수한다는 점에 착안하여 전기 요금으로부터 전력 사용량을 산출하고, 전력 사용량으로부터 양수 능력을 산출하였다.
물론, 전력사용량에는 펌프를 위한 전력 사용량 이외의 조명, 기타 운영을 위한 전력 사용량이 포함되어 있지만, 전등 등을 위한 전력은 펌프를 위한 전력 사용량에 비해 미비하기 때문에 전량 펌프를 위한 전력 사용량이라고 가정할 수 있다.
또한, 분석에 이용된 양수정에서의 평상 시 지하수 이용량과 가뭄 발생 시 지하수 이용량을 비교 분석하기 위해, 2010년부터 2018년까지 약 9년간 가뭄 발생 연도를 구분하였다. 가뭄발생 연도의 구분은 한국농어촌공사 가뭄백서(KRC, 2012)와 국가가뭄정보센터(MOE and NDIAS, 2018)에서 전국 시군구에 대하여 발표한 표준강수지수를 참조하였다.
가뭄 시 최대 취수량 및 지하수위 저하한계치 설정의 필요성
상기 가뭄에 대한 분류를 통해서, 일 예로 경기, 강원은 2014 ~ 2018년 기간 동안 예외적으로 4년간의 연속가뭄이 발생한 것으로 분류되었으며, 다른 지역에서는 약 3년 이상의 연속가뭄이 발생하지 않았음을 확인하였다.
우선, 2010년부터 2018년까지 약 9년간 평년 지하수 이용량 평균, 가뭄발생 연도의 지하수 이용량 평균을 산출하였다. (a) 평상시 1년간 이용하는 지하수 수량, (b) 최장 가뭄 기간, 예를 들어 약 4년의 가뭄 발생 시 대수층으로부터 꺼내어 쓸 수 있는 지하수 부존량을 산출하고, (a)에 대한 (b)의 비율을 약 4.0배로 설정하여 가뭄 발생 시 최대 취수량을 산출할 수 있다.
참고로, '지하수위 저하 한계치'란 대수층에서 가뭄 시 지하수에 대해 최대 취수량을 모두 양수하여 이용했을 때 관측되는 관측정에서 측정된 지하수위 저하의 한계를 의미할 수 있다. 지하수위 저하 한계치는 관정의 수리적 특성(투수량계수 내지 수리전도도 등)을 이용하여 산출할 수 있다.
하지만, 본 실시예에서는 수리적 특성(수리전도도, 저유계수 등)이 기재된 관정별 지하수영향조사서를 전국적으로 체계적으로 수집하기가 어려운 경우가 많아 자료 축적에 한계가 있을 수 있다. 다만, 단기 극심가뭄에 대하여 관정으로부터 취수량, 지하수 필요농지에 대한 가뭄시기 최대 공급량을 고려한다는 점 및 취수량(양수량)과 투수량계수(또는 수리전도도)는 비례관계가 있다는 점을 고려하여 취수량을 이용한 지하수위 저하 한계치를 다음과 같이 계산할 수 있다.
[수학식 1]
지하수위 저하 한계치 = 가뭄 시 최대 취수량 ÷ (면적 × 공극율)
그런데 각 관측정이 소재한 대수층의 저유계수값(공극율)은 다르기 때문에, 만약 유사한 최대 취수량을 지닌 2개의 지자체가 있다고 하더라도 지하수위 저하 한계치는 차이를 보일 수 있다. [수학식 1]에서 지자체별 면적은 국가표준지도에서 산출하였다. 저유계수는 지하수관리기본계획(MOCT, 2007)에서 제시한 8개 수문지질단위별 공극율을 범위를 기초로 하여 수문지질단위별 저유계수(공극율)(미고결 쇄설성 퇴적층 0.19 내외, 다공질 화산암 0.04 내외, 반고결 쇄설성 퇴적암 0.02 내외, 비다공질 화산암 0.03 내외, 관입화성암 0.04 내외, 쇄설성 퇴적암 0.04 내외, 탄산염암 0.03 내외. 변성암 0.01 내외)를 적용할 수 있다.
이러한 점에서 착안하여, 각 지자체마다 수문지질단위별 면적을 산출하고, 해당 수문지질단위에 저유계수를 적용하고 이를 종합하여 각 지자체별 지하수 대수층의 저유계수를 산출할 수 있다.
평년 및 가뭄 시 지하수 이용 특성
도 2는 2010~2018년 기간 동안 표준강수지수 분석에 따른 8개 농어촌 광역시도(제주 및 특광역시 제외)의 가뭄 분석 결과를 정리한 표이다.
도 2를 참조하면, 2010년과 2011년에는 전국적으로 평년 수준의 강수량을 유지하다가, 2012년 이래로 강수 총량의 부족 또는 강수의 여름철 집중에 따라 가뭄이 빈번하게 발생되었고, 이러한 현상은 2017년까지 지속되었다. 상세하게는, 2012년 경기, 충남, 전북에, 2014년에는 전국적으로 가뭄이 발생하였다. 또한, 2015년에는 전남과 경남 등 남부 지방을 제외한 나머지 지역에 전국적으로 가뭄이 발생하였고, 2016년에는 경기, 강원 등 중부지방에 국한되어 가뭄이 발생하였다. 그리고 2017년에 다시 한번 전국적으로 가뭄이 발생한 후 2018년에는 평년 수준을 회복하였다.
도 3은 2010~2018년 기간 동안 농어업용 공공관정에서 평년과 가뭄발생 연도의 지하수 이용량을 비교한 표이다.
도 3을 참조하면, 전국을 대상으로 평년 대비 가뭄 발생시 농어업용 공공관정의 양수량을 비교한 것이며, 현실적인 양수량을 산출하기 위해서 전력사용량을 이용하였다. 그 결과, 가뭄발생 시에는 하천수, 저수지, 취입보 등 지표수의 부족으로 지하수 이용량이 증가함을 알 수 있었으며, 정량적으로 평년에 비해 약 1.3 배(1.1~1.5 배 범위) 내외로 증가하는 것을 확인하였다.
가뭄 발생 시 지하수 최대 취수량 분석
전국 167개 시군구 가운데 농어업용 공공관정이 설치된 100개 시군구에 대하여, 각 시군구 소재 공공관정의 전력사용량과 지하수조사연보(MOE and K-water, 2019)의 허가신고량을 기준으로 가뭄 시 지하수 최대 취수량을 분석할 수 있다.
일례로, 충남 홍성군을 들어 설명하면, 홍성군 소재 농어업용 공공관정의 전력사용량 분석 결과, 홍성군은 가뭄발생 연도에는 평년에 비해 약 1.1 배수량의 지하수를 이용할 수 있다. 그런데 지하수조사연보의 홍성군 연간 지하수 이용량은 17,703 천㎥/yr에 해당한다. 이에 따라, (i) 평년이용량은 17,703 천㎥/yr (17,703 천㎥/yr × 1.0 × 1년), (ii) 4년의 연속 가뭄 시 이용량은 77,277 천㎥/yr (17,703 천㎥/yr × 1.1 × 4년)에 해당하여, 결과적으로 홍성군 가뭄 시 지하수 최대 취수량은 94,980 천㎥/yr 에 해당할 수 있다.
이는 홍성군 지하수 개발가능량(33,704 천㎥/yr; MOLIT, 2017)의 약 2.8 배 수준이다. 그러나 이는 홍성군 지하수 관정의 평균 개발심도(지표 하 96 m 심도)까지 부존된 지하수 부존량(897,630 천㎥/yr)의 약 11%에 불과하므로(Lee et al., 2018) 일시적인 과잉양수에 따른 대수층 완전고갈의 우려는 적다.
가뭄 시 지하수 과잉양수 관련, Kim et al.(2017)은 극심 가뭄 발생 시 일시적으로 지하수 개발가능량을 상회하는 지하수를 과잉 양수하여 공급하는 경우에도, 대수층은 막대한 지하수 부존량을 지니고 있기 때문에, 양수 초기 급격한 지하수 수위 저하를 제외하면 대수층의 지하수 공급능력은 꾸준히 유지됨을 지하수 모델링을 이용하여 보고한 바 있다.
참고로, 충남 일부 지역에서 가뭄 시기 일시적(약 100일)으로 공급할 수 있는 최대 취수량을 지하수 유동모델(MODFLOW)을 이용하여 평가한 바 있다. 이 결과, 대수층의 지하수 공급능력은 평년(2010년)과 가뭄 시기(2015년)에 거의 동일함을 보였고, 지하수 대수층은 장기 가뭄이 지속되어도 평년과 비슷한 양의 지하수 공급능력이 있음을 보였으며, 양수 중단 후 지하수위가 빠른 속도로 회복되어 지하수계에 큰 영향이 없음을 보인 바 있다.
도 4는 대표적인 시군구에 해당하는 일부 지역에 대해 최대 취수량을 산출하여 정리한 표이다.
도 4를 참조하면, 광역시도별 대표적인 시군구에 대하여 동일한 방법으로 산출한 가뭄 발생 시 지하수 최대 취수량을 정리할 수 있다. 시군구마다 다소 차이는 있지만, 가뭄 시 지하수 최대 취수량은 지하수 개발가능량의 약 1.9 배(1.1~2.6 배 범위) 내외로 산출되었다. 그런데, 여기에서 약 1.9 배의 의미는 평년에 비해 가뭄발생 시 개발, 이용 가능한 지하수량이 풍부해졌다는 의미가 아닐 수 있다.
오히려 가뭄이 발생했을 때에는 이미 강수량에 해당하는 지하수량은 지하수위 저하 내지 이용량 증가에 의해 이미 많이 소실될 수 있으므로, 좀 더 깊은 심도에 부존된 지하수를 최선을 다해 탐사하고 최적 위치를 개발하여 가뭄을 극복할 수 있는 지하수 수량을 찾아 내야할 필요도 있다.
즉, 가뭄이라는 짧은 기간 동안에는 지하수 수문순환에 약간의 악영향을 미치고 대수층이 자연 상태로 회복하는 데에 좀 더 시간이 걸릴지라도, 수문순환에 참여하는 지하수 수량 외에 대수층에 부존된 지하수를 일시적으로 과잉양수를 허용하여, 단기간의 농업가뭄을 해소하는 것이 유의미할 수도 있다.
다만, 장기간의 과잉양수는 대수층 고갈, 지반침하, 해안변 해수침투 증가 등 다양한 지하수 재해의 원인이 될 수 있으므로, 일시적 가뭄이라는 짧은 기간 동안에만 일시적 과잉양수를 허용하는 것이 바람직할 수 있다.
도 5는 전국 지역에 대해 최대 취수량을 산출하여 정리한 표이다.
도 5를 참조하면, 농어촌지역 전국 8개 도에서 평년 및 가뭄 발생 시 지하수 이용량 비율을 이용하여 지하수 최대 취수량을 산출한 것이다. 전국별로 다소 차이는 있지만, 지하수관리기본계획(MOLIT, 2017)에서 제시한 지하수 개발가능량과 비교 분석한 결과, 가뭄 발생 시 지하수 최대 취수량은 지하수 개발가능량의 약 1.3 배(0.6~2.0 배 범위) 내외로 산출되었다.
이는 앞선 일부 지역에서의 취수량 비율(약 1.9 배)에 비해 다소 작지만, 도 5의 결과는 전국을 대상으로 하고 있으므로, 산지와 구릉을 많이 포함하거나, 지표수에 의한 농어업 관개시설이 잘되어 있거나, 상수도 보급률이 높아 지하수 이용량이 낮은 시군구를 모두 포함한다는 점을 반영할 수 있다.
강원도의 경우, 넓은 면적(16,875 ㎢, 남한 면적의 약 16.8%)에 비해 적은 인구(약 156만명, 남한 인구의 약 3%)(GSI, 2021)가 소량의 지하수(186,144 천㎥/yr, 8개 농어촌 광역시도 이용량의 약 7.5%)를 이용한다(MOE and K-water, 2019). 결과적으로 소량의 허가신고량을 기준으로 가뭄 시 지하수 최대 취수량을 산정하다보니, 면적 비율과 지하수 함양율을 이용하여 계산된 강원도 전체 지하수 개발가능량보다 적게 산출된 한계가 있을 수 있다.
또한, 강원도는 해발 1,000 m 이상의 험준한 산지가 많고, 상대적으로 농경지가 협소(1,578 ㎢, 강원도 면적의 약 9.4%)하여(GSI, 2021), 이에 따라 지형적으로도 지하수를 개발, 이용할 수 있는 지역이 지극히 제한적일 수 있다.
다만, 원주(농경지 면적비율 13.5%; GSI, 2021), 횡성(농경지 면적비율 13.4%; GSI, 2021) 등 농지가 상대적으로 넓은 영서지방은 가뭄 발생 시 지하수 최대 취수량이 지하수 개발가능량의 각 1.9, 2.7 배로 산출되기 때문에, 강원도 산지 일부를 제외하면 이 연구에서 적용한 가뭄 발생 시 지하수 최대 취수량은 비교적 타당한 결과를 보이는 것으로 판단될 수 있다.
지하수위 저하 한계치 설정
지하수위는 대수층에 포화된 지하수가 대기압과 평형을 이루고 있는 지점으로, 지하수위의 변화는 강수, 조석, 양수, 이용, 지하수와 연결된 주변 하천수의 수위 변화 등 여러 가지 요인에 의해 발생한다.
가뭄 시 지하수 최대 취수량을 이용한 시군구별 지하수위 저하 한계치 설정에 대하여, 홍성군을 예로 들어 설명하면, 앞서 계산된 홍성군의 가뭄 시 최대 취수량은 약 94,980 천㎥/yr이고, 면적은 446 ㎢(HS, 2021), 공극율은 수문지질도 기반 약 3%로 가정할 수 있다.
[수학식 1]을 이용하여 산출한 홍성군의 지하수위 저하 한계치는 약 7.33 m 로서, 2017년 가뭄 시 농어촌지하수 홍성2 관측정의 지하수위 하강 폭(약 3 m 내외)보다 다소 여유로운 것으로 분석될 수 있다. 이는 가뭄 발생 시 일시적으로 지하수 개발 및 이용 측면에서 홍성군은 약 2배 이상의 추가 지하수 개발 여력이 있음을 의미할 수 있다.
도 6은 일정 지역별 지하수위 저하 한계치와 지하수위 변동폭과의 관계를 설명하기 위한 표이고, 도 7은 전국 지하수위 저하 한계치와 지하수위 변동폭과의 관계를 설명하기 위한 표이다. 또한, 도 8은 지하수위 저하 한계치와 지하수위 변동폭과의 차이 및 그 비교를 설명하기 위한 그래프이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, C는 해당 지역의 농어촌지하수 관측정의 지하수위 저하 한계치를 나타내고, D는 해당 지역의 농어촌지하수 관측정의 연간 누적 관측자료 중, 표준강수지수(SPI) 대응 75~100% 구간의 평균(average)값과 0~5.4%의 구간의 평균값의 차이를 나타낸다. 참고로, 도 8의 그래프는 관측정 개발 이래 일별로 관측된 지하수위를 과거 10일간의 이동 평균값으로 환산하고, 이를 매년 매 관측일마다 누적자료로 도시한 것이다.
E는 75~100% 구간의 중앙(median)값과 0~5.4% 구간의 중앙값의 차이를 나타낸다. C/D는 지하수위 저하 한계치가 관측정의 지하수위 변동 폭(D)에 비해 얼마만큼 아래 심도에 위치하는지를, C/E는 지하수위 저하 한계치가 중앙값(median)으로 계산된 변동폭(E)에 비해 얼마만큼 아래 심도에 위치하는지를 비교하여 보여준 값이 될 수 있다.
도 6을 보면, 대표적인 시군구에 위치한 농어촌지하수 관측정의 가뭄 발생 시 지하수위 저하 한계치는, 평년지하수 변동 폭의 평균값 기준 약 3.5 배(1.4~6.1배 범위) 심도, 중앙값 기준 약 4.1 배(1.8~6.2배 범위) 심도까지 하강할 때까지 일시적으로 과잉 양수할 수 있음을 의미할 수 있다. 각 시군구마다 지하수위 변동폭의 차이가 보이는 이유는, 관측정별로 누적된 고유 지하수위 변동 폭의 차이에 기인할 수 있다.
범용적인 값을 확보하기 위해서는 가급적이면 관측연도가 오래된, 최소 5년 이상 관측자료가 누적되어 관측정 설치 대수층의 특성을 대변할 수 있는 자료를 활용하는 것이 합리적일 수 있으며, 5년 이하의 상대적으로 관측기간이 짧은 관측정은 오류를 발생할 여지가 있으므로 분석에서 제외할 수도 있다.
도 7을 보면, 전국의 농어촌지하수 관측정을 종합하여 8개 광역시도별 가뭄 발생 시 지하수위 저하 한계치는, 평년지하수 변동 폭의 평균값 기준 약 2.8 배(1.3~6.9 배 범위) 심도, 중앙값 기준 약 3.1 배 (1.4~7.8배 범위) 심도까지 하강할 때까지 일시적으로 지하수를 과잉 양수할 수 있음을 보여준다.
그런데, 지하수는 지표수와 마찬가지로 유한자원이기 때문에 무제한 개발하여 이용하기가 불가능하다. 결국 가뭄 시 지하수 최대 취수량에 대한 관리적인 측면에서도 일시적 과잉 양수를 조절할 수 있는 범용적 기준이 분명히 필요하고, 따라서 전국 단위 지하수 관측정의 범용적인 지하수위 저하 한계치를 지정할 필요가 있다.
따라서 본 실시예에서는 가뭄 발생 시 과잉양수에 의한 범용적인 지하수위 저하 한계치를 관측정 평년 지하수위 변동폭에 심도 제한 비율 약 3.0 배 심도로 지정하여 관리할 수 있다. 이에 따라, 가뭄이라는 짧은 기간 동안에는 관측정의 지하수위가 이 심도 제한 비율을 고려하여, 지하수위 저하 한계치를 설정할 수 있다.
본 실시예에서는 해당 지역에 존재하는 적어도 하나의 관측정으로부터 지하수위 정보를 수신하고, 과거 10일간 수신된 지하수위 정보를 이용하여 최근 지하수위 환산값(Wp)을 산출할 수 있다. 그리고 산출된 최근 지하수위 환산값(Wp)과 저장된 지하수위 저하 한계치(Wlimit)와 비교하여, 최근 지하수위 환산값을 지속적으로 모니터링할 수 있다.
최근 지하수위 환산값(Wp)을 지하수위 저하 한계치(Wlimit)와 일대일로 비교할 수 있지만, 경우에 따라서는 0.3~1.0 에서 선택된 관심 계수(α)를 반영하여 최근 지하수위 환산값(Wp)과 비교할 수 있다.
예를 들어, 관심 계수(α)가 0.3인 경우, 최근 지하수위 환산값(Wp)을 지하수위 저하 한계치(Wlimit)의 30% 도달 여부에 따라 미리 도달 여부를 예측하고 경고나 알람, 주의 등을 발생할 수 있다.
지하수위 저하 한계치는 산출된 최대 취수량을 이용할 수 있다. 이 경우, 농어촌 공공관정의 전기요금으로부터 전기사용량을 확인할 수 있으며, 양수를 위한 모터나 펌프의 전기사용량으로부터 해당 연도의 취수량을 산출할 수 있다.
그리고, 가뭄 대비 최대 취수량 정보는 평년 지하수 이용수량의 5.4 ~ 7.0 배로 산출할 수 있다. 바람직하게는 최대 취수량 정보는 평년 지하수 이용수량의 6.2배로 산출될 수 있다.
그리고, 지하수위 저하 한계치는 앞에서 산출된 최대 취수량, 해당 지역의 유효 면적, 공극율 등을 반영하여 상기 [수학식 1]에 따라 산출할 수 있다.
이 외에도, 지하수위 저하 한계치는 해당 지역의 표준강수지수 산출방법을 관측정의 누적 지하수위 값에 적용하여 지하수위 변동폭을 산출하고, 산출된 지하수위 변동폭을 이용하여 지하수위 저하 한계치를 설정할 수 있다. 여기서, 지하수위 변동폭은 표준강수지수 대응 0~5.4% 구간과 75~100% 구간의 지하수위의 평균값 또는 중간값을 비교할 수 있다. 산출된 지하수위 변동폭에 심도 제한 비율 3.0을 곱한 값과 지하수위 저하 한계치를 비교할 수 있다.
산출된 지하수위 변동폭에 심도 제한 비율 3.0을 곱한 값을 일률적으로 지하수위 저하 한계치로 이용할 수 있고, 최대 취수량으로 산출한 지하수위 저하 한계치와 산출된 지하수위 변동폭에 심도 제한 비율을 곱한 값 중 작은 값을 지하수위 저하 한계치로 정의할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 서버 20 : 네트워크
30 : 양수정 40 : 관측정
g : 지표면 w : 지하수

Claims (8)

  1. 농업가뭄 대응 지하수 최대 취수량 모니터링 방법에 있어서,
    해당 지역에 대한 지하수 최대 취수량 정보를 유지하는 단계;
    상기 최대 취수량을 이용하여 해당 지역의 지하수위 저하 한계치를 정의하는 단계;
    해당 지역에 존재하는 적어도 하나의 관측정으로부터 지하수위 정보를 상시 수신하는 단계;
    현재로부터 소정의 과거 기간 동안 누적 수신된 상기 지하수위 정보를 이용하여 최근 지하수위 환산값을 산출하는 단계; 및
    상기 최근 지하수위 환산값을 상기 지하수위 저하 한계치와 비교하는 단계;를 포함하는 농업가뭄 대응 지하수 최대 취수량 모니터링 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 최근 지하수위 환산값을 산출하는 단계에서 상기 소정의 과거 기간은 10~20일 중 하나로 선택하는 것을 특징으로 하는 농업가뭄 대응 지하수 최대 취수량 모니터링 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 최근 지하수위 환산값을 상기 지하수위 저하 한계치와 비교하는 단계에서 상기 최근 지하수위 환산값을 상기 지하수위 저하 한계치에 0.3~1.0 범위 중 선택된 관심 계수를 반영한 결과에 도달했는지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 농업가뭄 대응 지하수 최대 취수량 모니터링 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    해당 지역의 표준강수지수 산출방법을 관측정의 누적 지하수위 값에 적용하여 지하수위 변동폭을 산출하고, 산출된 상기 지하수위 변동폭을 이용하여 상기 지하수위 저하 한계치를 설정하는 것을 특징으로 하는 농업가뭄 대응 지하수 최대 취수량 모니터링 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    산출된 상기 지하수위 변동폭을 이용하여 상기 지하수위 저하 한계치를 설정할 때, 상기 지하수위 저하 한계치를 상기 지하수위 변동폭의 심도 제한 비율 3.0으로 제한하는 것을 특징으로 하는 농업가뭄 대응 지하수 최대 취수량 모니터링 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 최대 취수량 정보는 평년 지하수 이용수량의 5.4 ~ 7.0 배로 산출되는 것은 특징으로 하는 농업가뭄 대응 지하수 최대 취수량 모니터링 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 최대 취수량 정보는 상기 평년 지하수 이용수량의 6.2배로 산출되는 것은 특징으로 하는 농업가뭄 대응 지하수 최대 취수량 모니터링 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 평년 지하수 이용수량은 해당 지역에서 관측되는 양수 관정의 전기요금을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 농업가뭄 대응 지하수 최대 취수량 모니터링 방법.
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