물수지 분석법을 이용한 제주도 권역별 미래 농업용 지하수 공급 가능량 추정

Estimation of Regional Future Agricultural Available Groundwater Supply in Jeju Island Using Water Balance Method

Abstract

To evaluate the available groundwater supply to the agricultural water demand in the future with the climate change scenarios for 40 sub-regions in Jeju Island, groundwater recharge and the available groundwater supply were estimated using water balance analysis method. Groundwater recharge was calculated by subtracting the actual evapotranspiration and direct runoff from the total amount of water resources and available groundwater supply was set at 43.6% from the ratio of the sustainable groundwater capacity to the groundwater recharge. According to the RCP 4.5 scenario, the available groundwater supply to the agricultural water demand is estimated to be insufficient in 2020 and 2025, especially in the western and eastern regions of the island. However, such a water shortage problem is alleviated in 2030. When applying the RCP 8.5 scenario, available groundwater supply can't meet the water demand over the entire decade.

1. 서 론

일반적으로 농작물의 재배 면적 변화는 기후변화에 따른 수문환경 변화, 농산물의 수요·공급 변화, 소비자의 생활수준 변화와 함께 국가의 농업정책 변화 등의 요인들에 의해 복합적인 영향을 받는다. 이러한 영향에 따라 최근쌀 생산 과잉 억제를 위한 국가 차원의 논 면적 축소 정책과 함께 생산성이 상대적으로 높은 밭 농업이 확대되는 추세로 농업환경이 변화하고 있다.

우리나라의 전체 농지면적은 2014년 169.1만 ha로 1990년의 210.9만 ha에 비해 연평균 2.8만 ha씩 감소하고 있으며, 이 중 논과 밭의 면적 비율은 1990년 6.4 대 3.6에서 2014년 5.5 대 4.5로 밭 면적의 비중이 상대적으로 증가하는 추세이다(KOSIS, 2019). 또한 농업 생산성이 상대적으로 높은 시설원예의 경우 1990년 원예시설 현대화사업 이후 농업 생산액이 1990년의 8,000억원에서 2013년 5.7조원으로 약 7배 증가함에 따라, 재배면적도 약 44,613 ha에서 약 86,795 ha로 급격하게 증가한 것으로 나타났다(KOSIS, 2019).

이러한 농업환경 변화는 농지면적의 재편과 더불어 용수 이용 측면에서의 변화를 수반하게 되는데, 농업용수의 경우 기존의 논 농업 위주의 지표수 중심에서 밭 농업에 필요한 지하수의 효율적인 공급 방식으로의 변화가 필요하다.

이러한 측면에서의 농업용수의 수요에 따른 지하수 공급 형태의 변화를 평가하기 위하여, Song and Choi(2012)은 농업용수 중 지하수 비중이 약 98%를 차지하고 있는 제주도를 대상으로 농작물 재배 형태별 면적변화 추세를 분석한 후 농작물 재배 형태별로 농업용수 이용량 변화를 분석한 바 있다. 또한 Song et al.(2012)은 농작물 재배형태에 따른 토지이용 면적 변화 분석을 통하여, 시설재배 면적의 지속적인 증가 원인으로 단위재배 면적에 대한 용수 이용량 감소 및 상대적인 고소득 발생을 제시한 바 있다. 따라서 단위 재배면적에 대한 소득을 고려하는 경우 향후 시설재배작물 면적은 지속적으로 상승할 것으로 예측되며, 이러한 농작물 재배 형태 변화는 용수 이용량의 변화가 반드시 수반될 것으로 판단된다.

이 연구대상 지역인 제주도는 농업용수 공급 측면에서 수자원의 98% 이상을 지하수에 의존함에 따라 다양한 기후변화 인자의 변동성에 매우 취약한 특징이 있다(Song and Choi, 2012). 따라서 지하수 함양량 변동폭이 증가됨에 따른 지하수 이용에 취약성이 커짐에 따라, 가뭄 발생시 최대 취수 가능량을 이용한 적절한 공급 방안 수립이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 제주도의 40개 세부권역을 대상으로 수립한 기후변화 시나리오 자료로 수문 분석에서 추정된 지하수 함양량 변동 분석 결과를 기초로, Song et al.(2018)이 각 세부권역별로 제시한 2030년의 권역별 농업용수 수요량 추정치와 비교를 통한 적정 지하수 공급 가능량 평가를 수행하였다.

2. 분석 방법

이 연구에서의 수문 분석은 물수지 분석 방법(water balance method)을 이용하였으며, 수문총량에서 실제 증발산량과 직접 유출량을 뺀 값으로 지하수 함양량을 산출하였다. Song et al.(2017)은 가뭄이 발생되는 일시적인 기간(3~4개월)에 공급 가능한 최대 취수 가능량으로 지하수공급 가능량을 정의한 바 있으나 별도의 분석 결과가 제시되지 않음에 따라, 이 연구에서는 제주도 수자원관리종합계획(JSSGP, 2013)에서 제시된 함양량 대비 지속이용가능량 비율인 43.6%를 적용하여 지하수 공급 가능량으로 이용하였다.

지하수 함양량은 중분류 토지피복도가 발간된 2007년, 2014년, 2016년을 대상으로(MOE EGIS, 2017) 40개 세부권역에 대하여 물수지 방법을 이용하여 계산하였으며, 각 연도별 계산 결과는 기존 제주특별자치도 수자원관리종합계획(JSSGP, 2013)의 평균값과 비교하였다. 다음 단계에서는 미래(2020년, 2025년, 2030년) 기후변화 시나리오(RCP 4.5와 RCP 8.5) 자료를 토대로 세부권역별 지하수 함양량과 이를 이용한 지하수 공급 가능량를 추정하였다. 이때 기후변화 시나리오의 기상요소는 강수량 및 기온(최대, 최소, 평균)으로, 이를 이용하여 12개 행정구역별로 계산된 순별 잠재 증발산량값을 각 세부권역별 면적비로 조정하여 40개 세부권역에 대한 수문 분석을 수행하였다. 최종적으로는 Song et al.(2018)이 제시한 40개 세부권역별로 미래 기후변화 시나리오에 따른 농업용수 수요량에 대하여 지하수 공급 가능량의 확보 여부를 평가하여, 현재 각 세부권역별로 수행되고 있는 제주도 농업용수 통합 광역화 사업의 기본설계 자료로 활용토록 결과를 제시하였다(Fig. 1).

Fig. 1. Procedure of the estimation of available groundwater supply for 2020, 2025, and 2030.

2.1. 수문총량

수문 총량의 계산은 대상지역의 전체면적 중 각 강수량 측정 지점이 포함된 지역의 면적 비율을 계산하는 Thiessen망(Thiessen polygon) 방식(Thiessen, 1911)을 이용하였는데, 이 연구에서는 과거 기간의 경우 총 34곳의 기상관측 지점을 대상으로 Thiessen망을 구축한 후 40개 세부권역을 구성하는 각 AWS별로 Thiessen 면적비(Thiessen 계수)와 각 관측지점의 강수량으로 계산한 면적 강수량과 각 세부권역별 면적을 곱하는 방식으로 산출하였다(Fig. 2). 미래 기후변화 시나리오에 따른 수문 총량은 RCP 4.5와 RCP 8.5에 대한 1×1km 격자망에 대한 일 강수량을 이용하여, 40개 세부권역별 면적 강수량과 면적을 곱하여 산정하였다.

Fig. 2. Thiessen polygons over Jeju Island.

2.2. 실제 증발산량

일반적으로 실제 증발산량은 식생의 서식 밀도, 엽면적지수 등 식생 자체의 성질 뿐만 아니라 분포 지역의 기온 및 토양 특성 등에 따라 영향을 받기 때문에, 물리적 개념으로 이들 인자들의 복합적인 작용으로 발생되는 실제 증발산량 산정은 어렵다(Choudhury and Blanchard, 1983). 그러나 실제 증발산량에 영향을 미치는 인자들은 잠재 증발산량 추정에 영향을 미치지 않기 때문에, 경험적인 방법에 따라 잠재 증발산량과 실제 증발산량과의 관계식들이 다양하게 제시되고 있다.

대표적인 실제 증발산량 산정식은 Penman-Monteith가 제안한 방법으로, 식 (1)과 같이 잠재 증발산량과 작물의 수분 스트레스 지수를 이용하여 계산한다(Allen et al., 1998).

\(\begin{equation} A E T_{i}=K_{S} \cdot P E T_{i} \end{equation}\)       (1)

여기서 AET_i는 실제 증발산량(mm), K_S는 작물의 수분 스트레스 지수, PET_i는 i일의 잠재 증발산량(mm)이다.

이 연구에서 이용된 작물계수(crop coefficient)는 토지피복 특성을 6가지로 유형화한 월별 작물계수로 적용하였으며(Table 1), 수분 스트레스 지수 산정에 필요한 신속토양수분 이용랑(readily available water, RAW), 토양수분 보유능(total available water, TAW), 작물의 뿌리 깊이(Z_r), 토양수분 감소율(depletion fraction, p), 임시 토양수분 함량(SW_im) 등을 계산하기 위하여 FAO-56에서 제시한 값을 이용하였다(Table 2).

Table 1. Monthly crop coefficients for each soil characteristic Month Farmland Orchard Grassland Forest River and reservoir The rest

Table 2. Root depth and depletion fraction for each representative crop

실제 증발산량 산정을 위한 입력자료 중 TAW는 미국 농무부(USDA) 토양분류기준에 의한 대표 토양별 포장 용수량(field capacity)과 영구 위조점(wilting point)의 수분함량 차(Θ_FC − Θ_WTP)의 중간값과 6가지 토지피복 특성별(경작지, 과수원, 초지, 산림, 하천 및 저수지, 기타)로 최대 뿌리 깊이의 중앙값(Z_r)의 곱으로 계산하였다(Table 3).

Table 3. Total available water (TAW) with soil characteristics for representative soil types (unit: m)

대표 토양별 포장 용수량과 영구 위조점의 수분함량 차가 같은 3가지 값(0.16, 0.13, 0.09)과 토지피복 특성 6가지를 조합하면 총 14개 유형으로 분류된다. 여기서 각 유형별로 실제 증발량 계산을 위한 유형별 면적비 계산을 위하여, 14개 토지피복 유형별로 TAW와 토양수분 감소율(p)을 정리하였다(Table 4).

Table 4. Total available water (TAW) and depletion fraction (p) with soil

이때 TAW와 RAW는 식 (2)와 같이 토양의 수분 스트레스가 없는 상태의 수분 감소율(p)과 관계가 있다.

RAW = p· TAW = p·Z_r (Θ_FC − Θ_WTP)       (2)

여기서, Θ_FC는 포장용수량에서의 수분함량(V/V), Θ_WTP는위조점에서의 수분함량 (V/V), Z_r은 최대 뿌리 깊이의 중앙값(mm) 이다.

2.3. 직접 유출량

이 연구에서 직접 유출량은 NRCS-CN 방식을 이용하여 계산하였는데, 이 방법은 1일 단위의 강수량과 유출량을 평가할 수 있는 대표적인 경험식이다(USDA/NRC, 1986). 이때 토양도와 토지 피복도를 이용하면 강수 시 차단, 지표 저류 및 토양 저류 등에 의한 유출곡선 지수(curve number, CN)를 계산할 수 있으므로, 토지 피복도의 중분류기준 토지이용 특성별로 토양분류 기준(A, B, C, D)에 따른 면적을 이용하였다.

세부권역별 평균 CN을 구하기 위하여 우선적으로 GIS 를 이용하여 40개 세부권역에 대하여 각각 중분류기준의 토지이용 특성별로 토양분류 기준(A, B, C, D)에 따른 면적을 분석하였다. 이 후 제주특별자치도의 수자원관리종합계획(JSSGP, 2013)에서 행정구역별로 제시한 토지이용 특성별 CN 대표값을, 각 세부권역별 토지이용 특성면적에 대입하여 총 92개의 CN을 이용하였다(Table 5).

Table 5. Curve number with land use (code of soil cover) based on middle category

3. 연구결과

3.1. 수문 총량

 

Table 6. Total amount of water resources and areal precipitation for 40 subregions using Thiessen networks

수문 총량은 4곳의 기상대(제주, 고산, 성산, 서귀포)와30개소의 AWS 위치를 이용하여 세부권역별 Thiessen망의 면적비(Thiessen 계수)를 구한 후, 세부권역별로 계산된 면적 강수량을 40개 세부권역별 면적에 곱하여 계산하였다. 계산 결과 2007년, 2014년, 2016년의 연도별 수문총량은 각각 4,554백만 m³/년, 4,448백만 m³/년 및 4,271백만 m³/년으로 분석되었다(Table 6). 이는 제주특별자치도의 수자원관리종합계획(JSSGP, 2013)에서 제시된 연평균 수문 총량 3,769백만 m³/년에 대해 13~21% 증가한 결과로, 앞선 3개년의 면적 강수량 산정을 위한 Thiessen망 구성 시 2002년 진달래밭(해발고도 1,489.37 m)과 윗새오름(해발고도 1,668.26 m) 및 2015년 영실(해발고도 1,260.20 m), 사제비(해발고도 1,434.00 m), 삼각봉(해발고도 1,528.00 m) 등 수자원장기종합계획 수립 시 고려되지 않았던 해발고도가 높은 지점의 강수량이 반영되어 나타난 결과로 판단된다.

미래 기간(2020, 2025, 2030년)의 수문 총량은 제주도의 총 12개 행정구역별로 RCP 4.5와 RCP 8.5 기후변화시나리오에서 제공되는 일별 강수량을 대상으로, 각 행정구역에 해당되는 세부권역별 면적비를 고려하여 계산하였다(Table 7). RCP 4.5 시나리오에 의한 연도별 수문 총량은 각각 3,485백만 m³/년, 3,375백만 m³/년 및 4,399백만 m³/년으로 분석되었다. 이 중 2020년과 2025년의 수문 총량은 앞서 계산된 과거 2016년에 비해 약 79~82%로 감소된 결과가 나타남에 따라 제주도 전체적으로 가뭄의 영향이 나타나는 것으로 분석되었다.

Table 7. Total amount of water resources for 40 sub-regions under climate change scenarios(RCP 4.5 and RCP 8.5) (unit: 10⁶ m³/year)

RCP 8.5 시나리오에 의한 연도별 수문 총량은 각각 3,265백만 m³/년, 3,092백만 m³/년 및 3,515백만 m³/년으로 미래 모든 기간에 대해 예측된 강수총량이 2016년의 수문총량에 비해 약 72~82%로 감소된 결과가 나타남에 따라, RCP 8.5 시나리오에 의한 예측 결과와 비교하여 도제주도 전체적으로 가뭄의 영향이 극심하게 나타나는 것으로 분석되었다.

3.2. 실제 증발산량

실제 증발산량은 Allen et al.(1998)이 제시한 바와 같이 작물의 수분 스트레스 지수와 잠재 증발산량의 곱으로 계산되는데, 이때 수분 스트레스 지수(K_S)는 시간에 따라 변화하는 토양수분 함량(soil water content, SW)과 신속토양수분 이용량의 관계에 따라 식 (3)과 같이 계산된다.

SWti RAW 이면 K_S =1,

\(\begin{equation} \mathrm{SWt}_{i}<\mathrm{RAW} \end{equation}\)이면 \(\begin{equation} K_{S}=\frac{S W t i}{(T A W-R A W)} \end{equation} \)       (3)

SWti 수분 스트레스가 없는 상태의 수분 감소율(p)은 FAO-56에 제시된 값(Allen et al., 1998)을 이용하였는데, 농경지의 경우는 작은 채소류(small vegetables)의 대푯값을 사용하였다. 포장 용수량과 위조점의 토양수분 함량은 FAO-56에 제시된 토양 특성별 수분함량의 중앙값을 이용하였으며, 작물의 유효 뿌리깊이는 최대뿌리 깊이의 중앙값을 사용하였다. 14개 토지피복 유형별로 초기 토양수분함량(SWti, mm)은 식 (4)를 이용하여 계산하였는데, 이때 실제 증발량(ETti, mm)은 앞서 Table 4에서 제시된 TAW 와 (1-p)의 곱으로 적용하였다(Table 8).

SWt_i =ETt_i +(TAW − ETt_i) × 0.25       (4)

Table 8. Calculated values of initial soil water contents with soil characteristics Classification

잠재 증발산량(ETo)은 우선적으로 세부권역별로 중분류기준 토지피복도가 발간된 2007년, 2014년, 2016년에 대하여, 일별 기온(최고, 최저, 평균), 상대습도, 이슬점 온도, 평균 풍속 자료가 있는 4개 기상대의 관측자료를 대상으로 식 (5)를 이용하여 계산하였다. 이때 토지피복 유형별 작물 잠재 증발산량의 계산은 4곳 기상대가 속해있는 지역의 과거 일별 기상자료와 작물계수(Table 1 참조)를 이용하였다.

\(\begin{equation} E T_{o}=\frac{0.408 \Delta\left(R_{n}-G\right)+\gamma \frac{900}{T+273} u_{2}\left(e_{s}-e_{a}\right)}{\Delta+\gamma\left(1+0.34 u_{2}\right)} \end{equation}\)       (5)

여기서, ET_o 는 잠재 증발산량(mm/일), R_n은 작물 표면의순 일사량(MJ/m²/일), G는 토양 열속 밀도(MJ/m²/일), T는 지표 상부 2m 높이 일평균기온(°C), u₂는 지표 상부2m 높이의 풍속(m/초), e_s는 포화수증기압(kPa), e_a는 실제 수증기압(kPa), Δ는 수증기압 곡선 기울기(kPa/°C), & gamma;는습도상수(kPa/° C)이다.

이를 토대로 앞서 계산된 4가지 지역의 14개 토지피복유형별 초기 토양수분 함량(SWti), 신속 토양수분 이용랑(RAW), 토양수분 보유능(TAW)을 식 (3)에 적용한 결과와 식 (5)를 이용하여 계산된 일별 잠재 증발산량을 식 (1)에 대입하여 세부권역별 토지피복 유형별로 연간 실제증발산량을 계산하였다. 이때 세부권역별 실제 증발산량을 계산하기 위하여, 각각 14개 토지피복 유형별 면적비를 계산한 후, 토지피복 유형별 실제 증발산량과 면적비를 곱하여 과거 기간(2007, 2014, 2016년)에 대하여 40개 세부권역별로 년간 실제 증발산량(mm/년)을 계산하였다(Table 9).

Table 9. Calculated actual evapotranspiration for sub-regions during the past  

미래 잠재 증발산량(ET_o)은 2020년, 2025년, 2030년에 대하여 기후변화 시나리오(RCP 4.5와 RCP 8.5)에서 제공되는 일단위 일별 기온(최고, 최저, 평균) 자료를 대상으로, Penman-Monteith 식을 이용하여 12개 행정구역에 해당되는 격자망 자료의 평균값을 계산한 후 각 시나리오별로 순단위로 계산하였다. 이때 계산과정은 RCP 4.5와 RCP 8.5에 대해 과거 기간에 적용한 방법과 동일하게 세부권역별 년평균 실제 증발산량(mm/년)을 계산하였다(Table 10).

Table 10. Calculated actual evapotranspiration for sub-regions for the future

3.3. 직접 유출량

직접 유출량 계산을 위한 유출곡선 지수(CN)는 토지이용 특성에 따라 (Table 5)에서 산출된 92개 CN을 이용하여, 세부권역별 토지피복 코드별 면적을 구한 후 해당코드의 CN을 면적에 곱하였다. 최종적으로 이 결과를 세부권역의 면적으로 나누어 각 세부권역에 대한 평균 CN 으로 결정하였다(Table 11).

Table 11. Annual mean curve numbers for sub-regions

세부권역별로 최대 저류량(S)을 계산하기 위하여, 세부권역별 토지이용 특성에 대하여 식 (6)을 이용하여 각각의 토양형(A, B, C, D)에 해당하는 S를 산출하였다.

\(\begin{equation} S=\frac{25,400}{C N}-254(\mathrm{mm}) \end{equation}\)       (6)

\(\begin{equation} S=\frac{25,400}{C N}-254(\mathrm{mm}) \end{equation}\)       (6)

이때 최대 저류량(S) 값은 일별로 선행 강수량이 ≥ 53인 경우에는 \(\begin{equation} \frac{25,400}{C N 3}-254 \end{equation}\), 선행 강수량이 ≤35인 경우에는\(\begin{equation} \frac{25,400}{C N 1}-254 \end{equation}\), 그렇지 않으면 \(\begin{equation} \frac{25,400}{C N}-254 \end{equation}\)으로 각각 계산하였다.

결과적으로 앞서 세부권역별로 계산된 일별 직접 유출량 자료를 기초로, 과거 기간(2007, 2014, 2016년)에 대하여 년간 직접 유출량(mm/년)을 계산하였다(Table 12).

Table 12. Estimated direct runoff for sub-regions in the past 

미래 직접 유출량은 2020년, 2025년, 2030년에 대하여 기후변화 시나리오(RCP 4.5와 RCP 8.5)의 일단위 일별 강수량 자료를 대상으로, 12개 행정구역에 해당되는 격자망 자료의 평균값을 계산한 후 각 시나리오별로 순단위로 계산하였다. 이 후 2020년, 2025년, 2030년에 대하여 RCP 4.5와 RCP 8.5 시나리오별로 과거 기간에 적용한 방법과 동일하게 세부권역별 년간 직접 유출량(mm/년)을 계산하였다(Table 13).

Table 13. Calculated direct runoff for sub-regions for the future (unit: mm/year)

3.4. 지하수 함양량

앞서 계산된 세부권역별 년간 수문 총량, 실제 증발산량 및 직접 유출량을 해당 세부권역별 면적으로 각각 곱한 후, 수문 총량에서 실제 증발산량과 직접 유출량을 뺀값으로 과거 기간의 세부권역별 지하수 함양량을 산출하였다(Table 14). 또한 동일한 방법을 이용하여 RCP 4.5와 RCP 8.5 시나리오를 이용한 미래 기간에 대하여 세부권역별 지하수 함양량을 산출하였다.

Table 14. Estimated recharge rate for sub-regions using water balance method from historic period to the future

2007년의 경우 지하수 함양율은 32.9%로 제주도의 평균값(JSSGP, 2013)인 44.5%에 비해 11.6%가 적은 매우 낮은 결과가 나타났으며, 특히 서부지역의 대정읍, 한경면, 한림읍, 안덕면과 동부지역의 구좌읍, 성산면이 평균보다 낮은 15.9~28.0%로 분석되었다. 한편 이들 지역의 실제증발산량 비율은 51.0~64.3%로 평균값인 37.5%에 비해 매우 높은 것으로 분석됨에 따라, 대표적인 농업지역인 이들 지역에서의 높은 실제 증발산량 비율이 함양율 감소에 영향을 준 것으로 판단된다. 2016년의 경우에는 지하수 함양율이 47.3%로 분석 기간 중 가장 높은 것으로 나타났지만, 서부지역의 대정읍, 한경면, 한림읍과 동부지역의 성산면이 평균보다 낮은 것으로 분석되었다. 이러한 지역적인 편차의 원인은 2007년에 비해 상대적으로 영향은 작지만 실제 증발산량 비율이 45.7~60.8%(평균 35.7%) 범위에서 상대적으로 높기 때문으로 판단된다.

RCP 4.5와 RCP 8.5 시나리오에 따른 세부권역별 2020년, 2025년, 2030년에 대한 수문 총량, 실제 증발산량, 직접 유출량, 지하수 함양량 및 함양율 계산 결과, RCP 4.5 시나리오에 따른 2020년과 2025년의 경우 지하수 함양율은 각각 40.7%와 39.1%로 제주도 평균값44.5%에 비해 낮은 결과가 나타났으며, 특히 서부지역 대정읍, 한경면, 한림읍과 동부지역 구좌읍, 성산면이 평균보다 낮게 분석되었다. 반면 2030년의 경우에는 지하수 함양율이 46.9%로 제주도 평균값 44.5%에 비해 2.4%높은 결과가 나타났으며, 앞서 평균 보다 낮은 지역의 경우 여전히 동일하지만 편차가 상대적으로 적어지는 결과로 분석되었다. 

RCP 8.5 시나리오 분석 결과 2020년의 지하수 함양율은 40.3%로 제주도 평균값 44.5%에 비해 4.2% 낮은 결과가 나타났으며, RCP 4.5 시나리오의 결과와 마찬가지로 서부지역의 대정읍, 한경면, 한림읍과 동부지역의 구좌읍, 성산면이 평균보다 낮게 분석되었다. 특히 한림읍과한경면의 경우에는 약 25% 전후의 매우 낮은 함양율이예측됨에 따라 이에 대한 대책 수립이 필요하다. 2025년의 경우에는 지하수 함양율이 39.3%로 제주도 평균값44.5%에 비해 5.2% 낮은 것으로 나타났으며, 서부지역의 대정읍, 한경면, 한림읍과 동부지역의 구좌읍, 성산면과 더불어 북부지역의 제주동지역 전체적으로 평균보다 낮게 분석되었다. 다만 전체 평균 대비 낮은 지역의 함양율의편차는 2020년에 비해 상대적으로 적어지는 것으로 분석되었다. 2030년의 경우에는 지하수 함양율이 34.4%로 제주도 평균값 44.5%에 비해 10.1%의 매우 낮게 나타났으며, RCP 4.5 시나리오의 결과와 마찬가지로 서부지역의 대정읍, 한경면, 한림읍과 동부지역의 구좌읍, 성산면이 평균보다 낮게 분석되었다. 특히 2025년에 폭넓게 낮은 분포를 나타낸 제주동지역의 경우 평균값에 가깝게 회복되는 것으로 분석되었다.

4. 농업용수 수요량 대비 지하수 공급 가능량 평가

지하수 공급 가능량은 일시적인 가뭄 발생 기간(3~4개월)에 공급 가능한 최대 취수 가능량으로(Song et al., 2017), 이 연구에서는 제주도 수자원관리종합계획(JSSGP, 2013)에서 제시된 지하수 함양량 대비 지속이용 가능량비율인 43.6%를 적용하였다. 또한 지하수 공급 가능량 산정 결과의 평가를 위한 농업용수 수요량은, Song et al.(2018)이 제주도의 40개 세부권역별로 평가한 결과를 이용하였다.

RCP 4.5 시나리오를 이용하여 평가된 제주도 전체적으로 농업용수 수요량 674,523,687 m³/년(1,848,010 m³/일)대비 미래 기간의 지하수 공급 가능량은 2020년과 2025년의 경우 -15,344,244 ~ -51,747,320 m³/년 정도 부족한 것으로 분석되었으며, 특히 서부지역인 대정읍, 한경면, 한림읍, 안덕면과 동부지역인 구좌읍, 성산면, 조천 및 표선읍의 일부권역에서 부족한 것으로 나타났다. 다만 2030년의 경우 전반적으로 농업용수 수요량 대비 지하수 함양량및 지하수 공급 가능량은 상대적으로 여유가 있는 것으로 분석되었다(Table 15)(Fig. 3).

Fig. 3. Distribution map of available groundwater supply versus water demand for sub-regions with RCP 4.5: 2020 (a), 2025 (b), 2030 (c).

Table 15. Estimation of available groundwater supply versus water demand for sub-regions with RCP 4.5 and 8.5 scenarios (unit: 10⁶ m³/year)

RCP 8.5 시나리오의 경우 농업용수 수요량 대비 미래기간의 지하수 공급 가능량은 -50,456,902 ~ -110,040,376 m³/년 정도 부족한 것으로 분석되었으며, 특히 서부지역인 대정읍, 한경면, 한림읍, 안덕면, 애월읍 일부권역과 동부지역인 구좌읍, 성산면, 조천 및 표선읍의 일부권역, 북쪽과 남쪽지역인 제주시와 서귀포시의 일부권역에서 부족한 것으로 나타났다. 따라서 RCP 8.5 시나리오의 경우 제주도 전체적으로 농업용수 수요량 대비 지하수 함양량 및 지하수 공급 가능량은 부족한 것으로 분석되었다(Fig. 4).

Fig. 4. Distribution map of available groundwater supply versus water demand for sub-regions with RCP 8.5: 2020 (a), 2025 (b), 2030 (c).

5. 결 론

이 연구에서는 제주도의 세부권역별로 물수지 분석 방법을 이용하여 지하수 함양량을 산출한 후, 지하수 함양량 대비 지속이용 가능량 비율 43.6%를 적용하여 일시적인 가뭄 발생 기간에 공급 가능한 최대 취수 가능량으로 지하수 공급 가능량을 평가하였다. 이 결과를 토대로 세부권역별 기후변화 시나리오(RCP 4.5와 RCP 8.5)에 따라 Song et al.(2018)이 제시한 농업용수 수요량 평가 결과와 비교하여, 세부권역별로 미래 농업용수 수요·공급의 적절성을 비교하였다.

지하수 함양량 산정은 세부권역별로 수문 총량에서 실제 증발산량과 직접 유출량을 뺀 값으로 계산하였으며, 과거 기간과 RCP 4.5와 RCP 8.5 시나리오를 이용한 미래기간에 대하여 각각 산출하였다. 2007년의 경우 지하수 함양율은 29.9%로 제주도 평균값인 44.5%에 비해 14.6%가 적은 매우 낮은 결과가 나타났으며, 특히 서부지역의 대정읍, 한경면, 한림읍, 안덕면과 동부지역의 구좌물수지 분석법을 이용한 제주도 권역별 미래 농업용 지하수 공급 가능량 추정 35J. Soil Groundwater Environ. Vol. 24(2), p. 23~37, 2019읍, 성산면이 평균보다 낮은 것으로 분석되었다. 반면 2014년의 경우에는 지하수 함양율이 45.7%로 분석 기간 중 가장 높은 것으로 나타났지만, 서부지역의 대정읍, 한경면, 한림읍과 동부지역의 성산면이 평균보다 낮은 것으로 분석되었다. 2016년의 경우에는 지하수 함양율이 40.1%로 높아졌지만, 서부지역의 한경면, 한림읍은 지속적으로 평균보다 낮은 것으로 분석되었다. RCP 4.5 시나리오에 따른 2020년과 2025년의 경우 지하수 함양율은 각각 40.7%와 39.1%로 제주도 평균값44.5%에 비해 낮은 결과가 나타났으며, 특히 서부지역의 대정읍, 한경면, 한림읍과 동부지역의 구좌읍, 성산면이 평균보다 낮게 분석되었다. 반면 2030년의 경우에는 지하수 함양율이 46.9%로 기존의 평균값 44.5%에 비해 2.4%높은 결과가 나타났으며, 앞서 평균 보다 낮은 지역의 경우 여전히 동일하지만 편차가 상대적으로 적어지는 결과로 분석되었다.

RCP 8.5 시나리오 분석 결과 2020년의 지하수 함양율은 40.3%로 기존의 평균값 44.5%에 비해 4.2% 낮은 결과가 나타났으며, RCP 4.5 시나리오의 결과와 마찬가지로 서부지역의 대정읍, 한경면, 한림읍과 동부지역의 구좌읍, 성산면이 평균보다 낮게 분석되었다. 특히 한림읍과한경면의 경우에는 약 25% 전후의 매우 낮은 함양율이예측됨에 따라 이에 대한 대책 수립이 필요하다. 2025년의 경우에는 지하수 함양율이 39.3%로, 서부지역의 대정읍, 한경면, 한림읍과 동부지역의 구좌읍, 성산면과 더불어 북부지역의 제주동지역 전체적으로 평균보다 낮게 분석되었다. 2030년의 경우에는 지하수 함양율이 34.4%로 가장 낮게 나타났으며, RCP 4.5 시나리오의 결과와 마찬가지로 서부지역의 대정읍, 한경면, 한림읍과 동부지역의 구좌읍, 성산면이 평균보다 낮게 분석되었다.

RCP 4.5 시나리오를 대상으로 연구 결과에 따른 농업용수 수요량 674,523,687 m³/년(1,848,010 m³/일) 대비 미래 기간(2020, 2025, 2030년)의 지하수 공급 가능량은 2020년과 2025년의 경우 -51,747,320 ~ -15,344,244 m³/년정도 부족한 것으로 분석되었으며, 특히 서부지역인 대정읍, 한경면, 한림읍, 안덕면과 동부지역인 구좌읍, 성산면, 조천 및 표선읍의 일부권역에서 부족한 것으로 나타났다. 이에 비해 2030년은 전반적으로 농업용수 수요량 대비 지하수 공급 가능량은 상대적으로 여유가 있는 것으로 분석되었다.

RCP 8.5 시나리오를 대상으로 연구 결과에 따른 농업용수 수요량 대비 미래 기간의 지하수 공급 가능량은 -110,040,376 ~ -50,456,902 m³/년 정도 부족한 것으로 나타났으며, 특히 서부지역인 대정읍, 한경면, 한림읍, 안덕면, 애월읍 일부권역과 동부지역인 구좌읍, 성산면, 조천및 표선읍의 일부권역, 북쪽과 남쪽지역인 제주시와 서귀포시의 일부권역에서 부족한 것으로 나타났다. 따라서 RCP 8.5 시나리오의 경우 제주도 전체적으로 농업용수 수요량 대비 지하수 공급 가능량은 부족한 것으로 분석되었다.