수막재배지역에서 일최저기온과 지하수 이용량의 상관관계를 이용한 지하수위 변화 분석

Analysis of Groundwater Variations using the Relationship Between Groundwater use and Daily Minimum Temperature in a Water Curtain Cultivation Site

Abstract

대규모 수막재배 시설은 동절기 수막재배 기간 동안 군집 취수정의 영향으로 지하수위가 하강하고 이로 인해 지하수 취수량 확보에 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 동절기 수막재배지역에서의 집중취수에 따른 정밀한 지하수위 변화 분석을 수행하고자 한다. 대상지역인 청원군의 수막재배지역을 포함한 소유역의 지하수 유동을 모의하기 위해 3차원 유한차분모형인 MODFLOW를 구축하였으며, 중요한 입력자료인 지하수 함양량 시계열 자료는 유역수문모형 SWAT모형을 이용하여 구하였다. 여기에 수막재배지의 일최저기온과 취수가동시간과의 관계를 통해 지하수 이용량을 추정한 선행 연구(Moon et al., 2012)를 참고하여 취수계획을 수립, 지하수 모델링에 반영하였다. 부정류 모델링의 적합도를 평가하기 위해 동절기의 모의된 지하수위 강하 패턴을 관측지하수위 자료와 비교하였다. 모델링 기간은 수막재배가 본격적으로 이루어지는 2012년 11월부터 2013년 3월까지의 107일간으로 정하였다. 모의결과 동절기 지하수위 관측값과 비교적 유사한 지하수 하강을 재현할 수 있었고, 일최저기온을 이용한 취수계획방식이 다른 수막재배지역의 지하수 유동해석에도 적용가능할 것으로 판단되었다.

Water curtain cultivation (WCC) systems in Korea have depleted water resources in shallow aquifers through massive pumping of groundwater. The goal of this study is to simulate the groundwater variations observed from massive groundwater pumping at a site in Cheongweon. MODFLOW was used to simulate three-dimensional regional groundwater flow, and the SWAT (Soil and Water Assessment Tool) watershed hydrologic model was employed to introduce temporal changes in groundwater recharge into the MODFLOW model input. Additionally, the estimation method for groundwater discharge in WCC areas (Moon et al., 2012) was incorporated into a groundwater pumping schedule as a MODFLOW input. We compared simulated data and field measurements to determine the degree to which winter season groundwater drawdown is effectively modeled. A simulation time of 107 days was selected to match the observed groundwater drawdown from November, 2012 to March, 2013. We obtained good agreement between the simulated drawdown and observed groundwater levels. Thus, the estimation method using daily minimum temperatures, may be applicable to other cultivation areas and can serve as a guideline in simulating the regional flow of riverside groundwater aquifers.

서 론

수막 재배는 겨울철 온실 난방에 지하수를 사용하는 동절기 시설 재배방식으로 현재 우리나라의 많은 농경지에서 채택하고 있다. 수막재배단지는 주로 하천 주변에 대규모 단지의 형태로 집중되어 있어 제한된 영역에서의 수막용수 과다사용은 지하수위의 고갈을 초래하며 이에 따라 지속적인 수막용수 확보에 어려움을 겪고 있다(Kim et al., 2013). 해외에서는 과다한 지하수 용수 이용을 하천수량 감소의 주요 원인으로 인식하고 대규모 집수정이 있는 부지에서 대수층 고갈에 따른 지하수위 변화에 대한 조사와 함께 다양한 방식의 예측이 이루어진 바 있다(Kollet and Zlotnik, 2003; Nyholm et al., 2002; Barlow and Leake, 2012).

본 연구의 대상지역인 청원군 가덕면 상대리는 무심천 중상류에 위치하며 논농사지역과 최근 비닐하우스로 대표되는 시설재배지역이 혼합된 영농지역이다. 한편, 무심천의 구간별로 크기가 다양한 보가 위치함으로써 대부분의 구간에서 하천 수위가 일정하게 유지되고 있다. 모터가 설치된 관정이 재배지역에 산재하여 있으며, 겨울철 사용 후 비닐하우스 사이의 고랑과 수로를 거쳐 직접 하천 하류로 유출되고 있다(Fig. 1). 이 지역의 시설재배지는 다른 수막시설재배지와 마찬가지로 지하수위 하강으로 인한 지하수 취수량 감소가 우려되는 상황으로 안정적인 지하수자원 확보를 위해서는 주변 수리 지질학적 환경 및 수문기상을 고려한 수막 재배지 내 적정 취수량 평가가 필요한 실정이다. 현재 청원 부지 및 타 실증부지를 대상으로 한 연구에서 수막재배에 의한 동절기 지하수위 변화를 보고한 바 있는데(Cho et al., 2012; KIGAM, 2013) 논산시 왕전리 수막재배지역의 경우는 연간 최대 지하수위 변동이 10 m까지 일어나고 있다고 보고된 바 있다. 또한 지하수위 고갈을 방지하기 위해 하천변 지하수 개발 시 최소 하천유출량을 고려한 지하수 개발가능량 산정방안(Chung and Lee, 2013)과 같은 방식도 제안되고 있다. 기존에 수행한 청원 실증부지 내 연구 중 Moon et al. (2012)은 수막재배용 지하수 사용량 분석을 위해 일 최저기온과 지하수 사용량과의 상관관계 추정 방법을 소개하였다. 일 최저기온을 이용한 지하수 사용량 추정 방식은 비닐하우스의 전기사용량을 이용한 기존 추정 방식과 비교하였을 때 데이터 획득의 용이성 및 추정 방식의 단순함 등 여러 장점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 Moon et al. (2012)이 제시한 지하수 사용량 추정방식을 기반으로 3차원 지하수 유동모형인 MODFLOW (McDonald and Harbaugh, 1988)와 유역수문모형 SWAT (Arnold and Fohrer, 2005)을 연계한 실증지역 지하수 모델링을 수행하고자 하였다. 이에 따라 수막재배 기간인 11월에서 3월까지를 모의 기간으로 선정하여 지하수위 강하를 모의함으로서 현장자료를 설득력있게 재현하고 취수량 추정방식의 타당함을 검증하고자 한다.

Fig. 1.Location of the Cheongweon water curtain cultivation (WCC) areas (left map) and the greenhouses using these WCC systems (right picture).

 

모형의 구축 및 개요

모의 기간은 2012년 11월 21일부터 2013년 3월 8일 까지 107일 동안의 수막재배기간을 대상으로 하였다. 이 기간은 KIGAM (2013)에서 보고한 연구지역의 수막재배기간과도 동일하며, 3월 8일 이후부터는 수막재배를 위한 취수량이 급격하게 감소하므로 수막시설의 영향을 파악하기엔 적절한 기간선정으로 판단되었다.

Fig. 2는 모의 영역의 경계 조건을 나타낸 것으로 실증 부지의 분수령을 따라 모의영역을 1200 × 1800 m로 설정하였다. 수렴 시험(convergence test)을 통해 5 × 5m 크기의 격자크기로 360개의 열과 240개의 행으로 구성하였으며, 모델의 지층은 기 보고된 대수층의 지질학적 특징(KIGAM, 2013)에 따라 4개의 층으로 나누었다. Fig. 2에서 좌측에 푸른색으로 표시된 영역은 무심천을 나타내며 모의 영역 내에 세 개의 보가 위치함으로 인해 실증 부지를 지나는 하천 구간은 4개 영역으로 나뉜다. 보에 의해 모의기간 동안 일정한 하천수위가 유지되며 유속도 매우 느려 MODFLOW의 하천패키지(river package)를 이용하여 경계조건을 설정하였다. 모의 영역 바깥은 무흐름(no-flow) 경계조건으로 설정하였다.

Fig. 2.Plan view of the boundary conditions in the model domain (blue color: river boundary; gray line: drain boundary; red cross: pumping well; green circle with cross: monitoring well).

Fig. 2에서 붉은색으로 표시된 점들은 모터가 가동중인 지하수 취수정을 나타내며 모의 기간동안 56개소가 가동되었다. 녹색으로 표시된 관측정들은 주로 모의 영역 중앙부 중 서측과 북측에 위치하고 있다. Fig. 2의 좌표축은 원점으로부터의 거리를 m 단위로 나타낸 값이다. 관측정들이 집중되어 있는 관측 영역을 확대하여 보았을 때, 무심천을 따라 남북으로 길게 위치해 있는 관측정들은 OB-4에서 OB-11으로, 수막재배 영역에 위치한 관측정들은 각각 CWW-04에서 CWW-11로 표기하였다 (KIGAM, 2013). 본 연구에서는 수막 재배 영역 안에 위치한 CWW-04 에서 CWW-11까지의 6개 관정의 관측값을 주 논의 대상으로 하였다. KIGAM (2013) 이 관측값을 생산하지 않은 관측정들은 제외하였다. 또한 관측정이 밀집해 있는 곳이 모델 중심부에 편중되어있기 때문에 추가 현장 답사를 통하여 모델 북쪽, 동쪽, 남쪽 경계에서의 지하수위를 조사하였다. 무심천 오른쪽 옆에 위치한 회색 선은 농수로를 표현한 것으로 모델에서는 배수(Drain) 경계 조건으로 설정하였다. 모델에서 활용한 수리지질학적 매개변수 자료들의 입력값을 Table 1에 나타냈다. Table 1에 나타난 입력값들은 KIGAM (2013)에서 측정한 관측값을 기준으로 시행착오 방식을 거쳐 일부 수정하여 사용하였다.

Table 1.MODFLOW input data for a four-layer model.

국지적 지하수 유동에서는 지하수위가 강우에 의한 함양량에 의해 큰 변화폭을 보이는 만큼 대수층에 침투하는 지하수의 정확한 함양량 추정은 국지적 지하수 흐름 모의에 큰 영향을 미친다(Fetter, 1994). 본 연구에서는 미국 농무성 농업연구소(USDA Agricultural Research Service, ARS)에서 개발한 SWAT 모형(Arnorld and Fohrer, 2005)을 이용해 모델 적용 기간 동안의 청원지역 지하수 함양량을 산정하였다. 모형의 입력자료인 강수량, 기온, 풍속, 일사량, 상대습도 등의 기상자료는 무심천 유역 내에 위치한 청주기상대의 자료를 이용하였고, 수문자료로서 하천유출량 자료는 청주수위표의 자료를 이용하였다. 수막재배를 하지 않는 여름에 해당하는 7월부터 11월 초까지를 비교 대상 기간으로 설정하여 CWW-5 관측지점의 지하수위 시계열 자료와 모의된 함양 자료의 시계열을 비교한 결과 Fig. 3과 같이 양호한 결과를 도출하였다. 타 관측정의 지하수 시계열 자료와의 비교 역시 적절한 모의 양상을 보여주고 있다. 본 연구의 실증부지는 소유역이므로 지하수 흐름 모형 내에서 지하수 함양량의 공간 분포는 고려하지 않았다.

Fig. 3.Comparison of the simulated recharge rates (red line) and observed groundwater level (blue line).

 

수막 재배 기간의 물사용 특성

Fig. 4는 청원군 수막재배지의 지하수 배출 지점 및 관정들의 공간분포를 나타내었으며 본 연구에서도 같은 영역을 모델의 연구범위로 채택하였다. 그림에서 보이는 영역 중 Moon et al. (2012)은 그림의 파란색 원으로 표시되는 배출지점 S2 상류의 4 ha의 면적에 해당하는 관측 지역 내 지하수 이용량을 산출하였다. 이를 위해 먼저 대표 관정들을 대상으로 관정당 일 배출량을 구했으며, 배수로 중 대표 배출구를 선정하여 수막 재배에 의해 배출되는 1일 지하수량의 변화를 관측, 지하수 배출량 평균값을 산정하였으며, 배출량과 일 최저온도와의 상관관계를 도출하였다. 본 연구의 수치 모의에서는 Moon et al. (2012)이 제시한 조사부지 내 평균 관정 배출 능력 일 최저온도에 따른 수막재배용 지하수 취수방식 및 취수일정을 바탕으로 모델 입력값을 구축하였다. 이 과정에서 도출된 모터의 1일 평균 지하수 토출량 68.4 m3에 근접한 값을 모델링에 맞추어 조정한 값인 65m3/day를 개별 관정의 일일 토출량으로 가정하고, 모터 취수율 100 m3/day 기준 15.6시간(0.65 day) 취수 일정을 모델 입력값으로 하였다. 단, 군집 취수정을 두 그룹으로 나누었다. 첫 번째 그룹은 최저 기온이 영하 0℃ 이하로 내려가면 가동을 시작하고, 두 번째 그룹에서는 영하 5℃ 이하로 기온이 내려갔을 때에 추가로 가동을 시작하는 것을 설정하였다. 그림에서 영하 0℃ 이하에서 계속 가동하는 그룹은 붉은색 작은원으로, 영하 5℃ 이하에서 추가로 가동되는 그룹은 오렌지색 원형으로 표시했다.

Fig. 4.Location of extraction wells and discharging water flow in the Cheongweon water curtain cultivation area. S2 indicated by a blue circle: collecting point of discharging water; red circles: wells equipped with a pumping system operating at temperature below 0℃; orange circles: wells equipped with a pumping system operating at temperature below −5℃; (modified from Moon et al., 2012).

Fig. 5는 본 연구에 적용하는 모의 기간 동안 청원부지의 기온 변화와 이에 따른 지하수 취수량의 변화를 나타낸 그래프이다. 그림에서 원형의 점은 모델 영역 중 Moon et al. (2012)가 언급한 배출지점 S2 상류에 해당하는 모터의 배출량 총합이며 MODFLOW 수치모델에서 모의되는 전체 배출 지하수량은 Fig. 5에 의해 보여지는 배출량에 하류 배출량 부분을 더한 값이 된다. 모의 시작일의 최저기온은 영하 3.6℃로 이 때는 일부 모터만이 가동되며 모의 시작 5일째부터 56개의 관정 모두 가동된다. 최저 기온에 따라 배출량이 영향을 받으며 모의 시작 29일부터 61일까지 일일 최저기간이 지속적으로 영하 5℃보다 낮아 이 기간동안 두 그룹 의 모터를 모두 가동한다. 모의 기간 107일 동안 모든 모터가 가동하지 않은 일수는 3일 정도이다.

Fig. 5.Total groundwater extraction (yellow circles) by the water curtain cultivation (WCC) system, compared with the daily maximum temperature (red line), the average temperature (blue line), and the minimum temperature (gray line).

또한, Moon et al. (2012)이 제공한 연구결과에서 기온이 낮아질수록 가동시간이 늘고, 기온이 올라갈수록 가동시간이 줄어드는 추세를 보여주고 있다. 이에 따라 본 연구에서도 영하 5℃를 기준으로 한 모터 점멸 방식 이외에 기온에 따른 가동 시간의 변화 역시 고려하였다. 평균적으로, 두 그룹의 모터가 모두 가동될 때 배출량은 2,480 m3을 기준으로 정하였다. 이 값은 Moon et al. (2012)의 배출량 자료 중 본 연구의 모의 기간과 유사한 기온 분포를 보이는 데이터들의 평균값에 근접한다. 본 연구의 기준 변수는 최저 기온이나, 최고 기온 또한 영하 5℃ 이하로 내려가는 극한 기간의 경우 두 그룹의 모터는 최대 가동시간 동안 운영하게 되며 이 때 S2 지점에서의 최고 1일 배출량은 2,800 m3에 달한다. 모의 종료 직전 기간에 해당하는 2월 중순 이후의 최저 기온이 여전히 영하임에도 불구하고 최고 기온이 영상 10℃에 머무르는 등 일 최고온도와 최저온도의 기온차가 매우 큰 경우임을 볼 수 있다. 이 기간 동안은 최저 온도에 머무는 지속시간이 줄어들어서 모터의 가동 시간이 평균 시간보다 줄어든 것으로 추측하였고 이에 따라 모터 가동시간을 점차 줄여갔다.

 

결과 분석

Fig. 6는 수막재배 전의 정류 상태 지하수위 분포도 및 수막재배 시작 후 107일 후의 지하수위 분포를 나타내고 있다. 정류상태 지하수 흐름은 남에서 북으로 갈수록 점차 낮아지는 양상을 보인다. 민감도 분석을 실시한 결과 무심천의 하천 수위 및 수리전도도가 정류상태 지하수위 분포에 큰 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 부정류 상태의 지하수 흐름은 취수정의 위치와 이용량에 크게 영향을 받는다. Fig. 5는 수막재배 전의 정류 상태 지하수위 분포도 및 수막재배 시작 후 107일 후의 지하 수위 분포이며 취수정이 밀집되어 있는 영역 위주로 지하수 하강 현상이 명확해짐을 알 수 있었다. 정류상태에서는 El. 63 ~ 68 m의 분포를 보이던 지하수위가 취수정 가동 후에는 최저 El. 60 m까지 하강하는 것으로 나타났다. 특히 취수정 가동 107일 후 수위분포도에서는 대부분의 관측정이 위치해있는 실증부지 중, 하류 구간의 넓은 면적에서 수위가 64 ~ 67 m 에서 64 m 이하로 낮아진 것을 관측할 수 있다. 지하수의 유동을 살펴보면 남쪽에서 북쪽으로 지하수가 흐르고, 무심천에 위치한 보로 인해 보 주위는 지하수위의 급격한 변화가 관찰된다. 물수지 분석 결과 본격적인 수막재배 기간 전인 11월 초까지 무심천 상류는 손실하천의 특성을 나타내며 북쪽의 하류는 이득하천의 형태를 보였다. 그러나 수막재배 전에 지하수가 무심천 하류로 배출되는 것과는 달리 동절기에는 대규모 취수로 인해 무심천의 전구간이 손실 하천으로 작용하는 것으로 나타났다.

Fig. 6.Spatial distribution of groundwater head simulated by MODFLOW: (a) initial steady state, and (b) 107 days after pumping begins.

Fig. 7은 실증영역 내 중심부에 해당하는 지역 대수층 단면에서 수위강하를 시간별로 나타낸 그래프이다. 모델의 단면의 위치는 Fig. 2에 붉은색 선으로 표시되어 있으며 모델 격자로는 177열에 해당하는 직선거리이다. 그림의 단면 모식도에는 좌측으로 무심천을 나타내는 하천경계와 농수로를 나타내는 배수경계 영역이 위치해 있으며, 가로 단면을 따라 취수정 4개가 위치하고 있다. 붉은색으로 표시된 그룹은 최저기온이 영하 0℃ 이하일 때 약 15.6시간에 걸쳐 운전하는 취수정에 해당한다. 오렌지색으로 표시된 취수정은 영하 5℃ 이하에서 하루 평균 12시간 동안 가동하는 취수정이며 때때로 기온이 많이 떨어질 때 붉은 색 그룹과 마찬가지로 일 최대 운전시간인 15.6시간 동안 가동한다. 단면의 최대 수위 강하 지역은 예상대로 붉은색으로 표시된 취수정이 밀집해 있는 곳이며, 오렌지색 그룹이 위치한 곳 역시 수위 강하에 일조하고 있는 형태이다. 좌측에 위치한 무심천 경계영역에서의 지하수위 역시 하강하고 있는 것을 볼 수 있다. 물론 이는 실제 무심천의 수위가 하강한다는 의미는 아니다. 단면 좌측은 El. 67 m로 하천 수위가 유지되고 있는 보의 하류 지역으로 실제 하천수위는 El. 65 m로 유지되고 있는 영역이다. 그러나 보 상하류에서 2m에 달하는 낙차가 발생함으로 인해 지하수위 분포 역시 조밀하게 형성되어 있다. 따라서 보 근처의 지하수위는 주변 지하수와 하천 수위에 영향을 받아 지하수위 변동이 일어나는 것임을 알 수 있었다. 취수정 가동시간으로 설정한 107일 동안의 지하수위 하강 형태는 초기 열흘 정도는 무심천 유역에 영향을 미치지 않고 취수정 주변에서만 지하수위 변화가 발생하나 점차 주변 영향 반경이 넓어지기 시작한다. 그러나 본 실증 유역은 동서 방향으로 하천과 산지로 가로막힌 좁은 유역으로 비교적 빠른 속도로 전체적인 지하수위 하강을 목격할 수 있었다.

Fig. 7.Schematic diagram of the crosscut at row 177 in the model domain, with four extraction wells indicated by orange and red color. Red colored rectangles indicate wells equipped with a pumping system operating at temperature below 0℃; orange colored rectangles indicate wells equipped with a pumping system operating at temperature below .5℃.

Fig. 8은 지하수 가동시간으로 설정한 107일 동안 각 관측정에서 관측한 지하수 수위 하강 곡선 자료를 이용해서 작성한 그래프이다. 대부분의 관측값은 지하수위 하강 양상은 초반에 급격한 기울기를 보이며 낮아지면서 점차 하강세가 둔감해지는 양상을 나타낸다. 지하수위 관측값 및 모의경향을 살펴보면 약 60일 이전까지의 지속적인 지하수 하강 패턴은 앞서 밝힌 60일까지 최저기온이 영하 5℃를 밑돌기 때문에 모든 취수정 모터가 가동 중인 상황과 관련이 있다. 또한 관측된 양상에서 60 ~ 80일 사이에 급격한 기온변화에 따라 두 그룹의 모터의 점멸이 빈번했는데 본 연구에서도 지하수 변화에서 일시적인 지하수위 상승 및 하강을 수치모델로 유사하게 모사할 수 있었다. 연구에 사용된 수치모델에서 대수층의 두께 및 투수계수, 저류 계수 등의 모델 입력 변수들을 모두 평균값을 채택하였다. 실제 지질학적 변수 및 취수 스케쥴이 국지적으로 평균값에서 벗어날 수 있는 오차를 감안하면 위의 모의 결과는 대체로 현장 관측자료를 유사하게 재현했다고 할 수 있다.

Fig. 8.Temporal trends in the difference between the observed and simulated groundwater levels (in meters).

 

요약 및 결론

Moon et al. (2012)은 일별 최저 기온 및 저온 지속시간과 수막 재배지역 모터가동시간이 상호 밀접한 관련이 있어 최저 기온이 낮고 저온 지속시간이 길어질수록 일별 모터가동시간이 늘어나며 이 때문에 1일 지하수 배출량 역시 증가됨을 보고하였다. 이와 같은 보고를 바탕으로 최저 기온과 지속 시간 등을 고려한 경험식 또는 최적화로 도출하는 산식을 고려한다면 더욱 정밀하게 수막재배 사용 지하수량을 정확히 모사할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서 적용한 기온에 따른 단순하고 기계적인 점멸(on/off) 방식은 추론 과정이 간단하고 타 지역에서도 비교적 적용이 가능한 범용적인 추정방식으로 판단되어 추론 방식을 검증하기 위해 3차원 국지적 지하수 유동 모의를 실시하였다. 본 연구는 지하수 추정 방식의 최소 적용 기준을 판단하기 위한 연구 수행이었으므로 최저 기온과의 상관성을 엄격하게 적용하였으며, 이와 같은 기계적 취수 추정 방식으로도 관측치에 비교적 근접한 지하수위 하강을 재현할 수 있었다. 그러나 기온과 지하수 이용량간의 관계식을 보다 정확히 연계할 수 있는 산식을 도출하기 위해서는 매개변수의 최적화와 같은 보다 심도있는 접근이 필요하며, 청원군에 대한 정밀 산식이 타 지역 수막재배 부지에 적용 할 수 있는지에 대해서는 추가적인 적용 연구가 제시되어야 할 것이다.