Issue
제주형 지하수자원원단위 산정 및 용수 수요량 예측 프로그램 개발 04
[참여연구원]
안중기 농어촌연구원 책임연구원 김진성 농어촌연구원 주임연구원 최광준 지하수지질처 차장 서구원 제주특별자치도본부 부장 전병칠 제주특별자치도본부 차장 이동림 제주특별자치도본부 과장
1. 연구 배경
제주도는 섬의 중심부에 위치한 해발 1,950 m의 한라산을 중심으로 남북방향으로는 경사가 급한 반 면, 동서방향의 경사는 상대적으로 완만한 특징이 있다. 또한 화산암의 특징인 높은 공극률과 투수성 때문에 강수의 함양이 매우 빠르게 진행되는 특징이 있다. 따라서 대부분의 하천은 남북방향으로 발달하 지만, 상시하천이 거의 없어 약 98% 이상의 수자원 은 지하수에 의존하는 실정이다.
지하수자원 측면에서 2001년부터 12년 간 제주도 에 위치한 115개소의 관측정의 장기관측자료를 분
석한 결과, 지하수위는 동부지역에서 약간 하강하는 반면 나머지 지역에서는 미약한 상승현상이 나타났 다 (송성호 등, 2013).
이러한 제주도의 수문 및 수자원은 집중호우 및 가뭄 등 기후변화에 매우 취약하며, 이로 인한 제주 도 지하수 수문계 (hydrological system)의 이상적 인 변화는 지역별로 광범위하게 관측되고 있다. 최 근 들어 제주 동부와 서부지역에서 발생한 심각한 가뭄은, 수자원의 대부분을 지하수에 의존하는 제주 도에서 물관련 분쟁 등 민감한 사회적인 문제로 발 생된 바 있다. 따라서 제주도의 경우 지하수자원에 대한 보전·관리와 더불어 미래의 수문계 변화에 대 비한 수자원 관련 사회·경제적인 대책 수립이 시급 하다.
본 연구를 담당하는 한국농어촌공사는 1970년 이 래로 제주도의 용수 확보 및 보급을 위하여 지하수 자원 개발 및 보전의 핵심적인 역할을 수행하였으 며, 현재에도 제주지역본부를 중심으로 지하수자원 뿐만 아니라 대체 수자원으로 지표수 및 용천수를 활용한 효율적인 용수 공급에 최선을 다하고 있다.
또한 본 연구의 주관부서인 농어촌연구원은 제주도 에서 인공함양 연구를 수행한 이후 제주도 수자원에 대한 종합적인 평가 관련 연구 및 사업화를 수행하 여 왔다.
송 성 호 ●●●
한국농어촌공사 농어촌연구원 수석연구원 shsong84@hanmail.net
3세부과제
2. 연구 내용
본 연구 목표는 가뭄을 고려한 장·단기 용수 수 요량 예측 프로그램 개발과 기후변화를 대비한 지하 수자원 원단위 산정 및 경제적 가치 평가로, 두 가지 목표는 각각 공정개발과 아이디어 개발에 해당된다.
먼저 「제주지역을 대상으로 가뭄을 고려한 장·
단기 용수 수요량 예측 프로그램 개발 분야」는 지하 수 부존형태와 용수 수요량 상관관계 분석, 수역별/
토지이용 형태별/작물별 용수 이용량 모니터링 자료 분석, 이용량의 시계열적 변화에 대한 상관분석 등 으로 구성된다. 또한 기후변화 시나리오에 따라 향 후 100년간 지역별로 예측된 일별 수문요소 예측치 및 용수 이용자의 수요예측 조사 자료 등을 분석하 여, 용수 수요량 예측 프로그램 개발에 활용한다.
이 연구에서는 가뭄을 고려한 장·단기 용수 수 요량 예측 프로그램 개발을 통하여, 토지이용 변화, 지하수자원 관리구역, 대체 수자원 개발 여건, 인 공함양 효과, 적정개발량 대비 이용량 분석 결과 및 용수 할당 등에 대한 제주형 용수 수요량 판단 기준 을 수립한다. 이를 위하여 지금까지의 연구 결과를 포함하여 기후변화 시나리오에 의한 2100년까지 예측된 수문자료와 용수 이용자의 수요예측 결과를 분석·이용한다. 이러한 분석 결과를 토대로 제주 지역 지하수자원 수요·공급 통합관리 제도 수립을 지원한다.
「기후변화를 대비한 지하수자원 원단위 산정 및 경제적 가치 평가 분야」는 제주지역의 토양별, 지역 별, 용도별 지하수자원 원단위 산정, 수자원 수요/
공급 변화 가능성을 대비한 용도별 지하수자원 경제 적 가치 평가 기준 수립 및 농업용수의 경우에는 관 개용수의 작물별 지하수자원 경제적 가치 평가 기 준 제시 등으로 구성된다. 특히 지하수자원의 원단 위 산정을 통한 경제적 가치 평가 기술은 미래 수자 원의 자본적인 가치를 예측하기 위한 필수 조건이기 때문에, 기후변화에 따른 미래 대비 사회·경제적인 정책 수립에 필수적이다. 따라서 연구결과 산출되는
자료들은 D/B 구축 과정을 거쳐 제주특별자치도의 정책수립의 기초자료로 활용토록 노력하고 있다.
3. 주요 연구 성과
3.1 농업용수 수요량 예측 프로그램 개발
제주도에서는 대부분의 용수를 지하수 관정시설 에서 공급하는데 대부분의 시설은 저수조가 100 m3 규모로 저장용량이 작기 때문에 용수 공급을 위해 시설을 지속적으로 가동하여야 한다. 이런 용 수 공급 특성에 따라 농업용수 최대 수요량을 산정 하는 프로그램을 개발하여 지하수 관정의 개발량을 설계하거나 공급능력 평가에 이용되도록 하였다.
또한 작물 재배기간 중의 실제 이용량을 예측하는 프로그램을 개발하여 지하수 재해 발생여부 평가 및 수자원 관리 계획 수립에 활용되도록 하였다. 본 연구에서 농업용수 최대 수요량은 10년 빈도 가뭄 에 공급해야 하는 최대 용수량으로 정의하였고, 작 물별 원단위에 의해 산정하였다. 작물별 원단위 산 정을 위해 FAO 56 Penman-Monteith 방법으로 작물의 잠재증발산량을 산정한 후 Gumbel-Chow 빈도해석으로 10년 빈도 작물 잠재증발산량 (순용 수량)을 산정하였다. 작물별 원단위는 순용수량에 관개효율을 적용하여 구하였으며 특정 지역의 전채 수요량은 작물재배면적을 곱하여 산정토록 하였다.
권역별로 최대 수요량 산정결과 농업용수가 최대로 필요한 시기가 남부와 북부지역은 8월, 동부와 서 부지역은 각각 10월과 11월로 다른 특징을 보여 제 주도에서 농업용수 관정을 상호 연결하는 광역화에 의해 다른 지역에 용수 공급이 가능한 것으로 판단 된다 (그림 1).
재배기간 중의 이용량 예측 프로그램은 토양 물수 지법으로 유효우량을 고려하여 재배기간에 필요한 용수량을 산정하며, 마늘과 같은 작물의 경우 증발 산에 소요되는 수분보급 용수 외에 발아 촉진을 위
해 사용하는 재배관리용수량도 산정 가능하다 (그림 2). 이 프로그램은 노지 감귤과 마늘에 대하여 3년 이상 동안 농경지 단위로 실제 이용량을 관측한 자
료로 개발 및 검증하였으며, 제주도의 주요 타 작물 에 대해서도 검증할 계획이다.
그림 1. 권역별 월별 최대 일수요량 변화 경향
그림 2. 노지감귤과수원과 마늘 재배지의 실제 이용량 모의결과
3.2 가뭄이 지하수계에 미치는 영향
제주도는 수자원의 98% 이상을 지하수에 의존하 기 때문에 기후변화에 따른 가뭄과 그 영향에 대해 지속적인 관심과 연구가 필요한 지역들 중 하나이다 (송성호와 최광준, 2012). IPCC (2007)과 Bates 등 (2008)에 의하면 수자원의 대부분을 지하수에 의존 하는 지역의 수자원은 기후변화에 특히 취약하다.
따라서 본 연구에서는 먼저 가뭄이 지하수계에 미 치는 영향을 분석하고 미래 가뭄을 예측하였다. 이 를 위하여 제주특별자치도 수자원본부의 관측정 중
에서 강수에 직접적인 영향을 받는 것으로 분류한 4 개 권역별 관측정 (송성호 등, 2013)의 과거 월별 가 뭄지수와 월평균 강수량 변화에 따른 지하수위 변동 특성으로부터 연구기간 중에 발생한 2013년 여름 가뭄이 지하수계에 미치는 영향을 평가하였다. 제주 도의 지하수위는 2013년 여름 강수량 감소에 따른 가뭄의 영향이 지하수계에 직접적인 영향을 미치고 있다 (그림 3). 지하수위가 본격적으로 하강하기 시 작한 7월 이후부터의 변동폭은 동부와 서부지역에 비해 남부와 북부지역이 상대적으로 큰 것으로 나타 났다. 이러한 지하수위 하강으로 남부지역은 여름철
제한급수에 따른 영농활동에 심각한 문제가 발생한 반면, 서부지역은 주로 가을철에 용수수요가 증가되 는 농업 형태에 따라 타 권역에 비해 가뭄의 영향이 상대적으로 적은 것으로 나타났다. 결과적으로 가뭄
의 영향이 권역별 지하수계에 직접적인 영향으로 나 타남에 따라, 미래 제주 수자원의 합리적인 관리 뿐 만 아니라 체계적인 용수 공급정책 수립이 필요할 것으로 판단된다.
8월 6월
9월 7월
그림 3. 월별 과거 월평균 지하수위에 대한 2013년 월평균 지하수위 변동폭
3.3 기후변화에 따른 권역별 미래 가뭄 예측
제주도에서는 수자원이 기후변화에 취약하므로 가뭄의 연쇄적 발생을 방지하기 위해 적절한 적응 계획의 수립이 요구되고 있다. 본 연구에서는 기상 청 기후변화센터 (Climate Change Information Center, 이하 CCIC)에서 배포하는 미래 기후예 측 자료 (4.5 시나리오)를 활용하여 제주도의 미 래 파머가뭄지수 (Palmer drought severity index, PDSI)와 표준강수지수 (standardized precipitation index, SPI)를 산정하는데 필요한 자 료를 구축하고 농어촌연구원에서 기 개발한 『농어촌
용수구역 지하수 가뭄예측 시스템』을 활용하여 미래 가뭄을 평가하였다.
가뭄횟수의 10년 이동평균에 따르면 2020〜
2030년대 가뭄 발생의 빈도가 증가할 것으로 예 상되며, 2040~2050년대 감소되던 가뭄 빈도는 2060~2070년대에 다시 증가되는 것으로 분석되었 다 (그림 4)(그림 5).
2011년부터 2040년까지 유역의 지형고도별 가뭄 발생 횟수를 10년 간격으로 분석한 결과 대체로 제 주도의 동부지역에 분포한 수역에서 상대적으로 많 은 가뭄이 발생할 것으로 예상되며, 구좌와 표선, 남 원 수역의 지형고도 201~400 m 지역에서 가뭄 발
생 횟수가 상대적으로 많을 것으로 분석되었다 (그 림 6)(그림 7).
가뭄심도 분석 결과 2015~2044 기간에는 북부와 서부권역이 남부권역에 비해 현재보다 가뭄이 심해 질 것으로 예측되며, 이 현상은 해발고도 200 m 이 하 지역에서 주로 나타날 것으로 분석되었다. 특히 서부권역의 가뭄이 심해질 수 있으므로 이 지역에서
가뭄에 대비한 적절한 농업용수 활용 계획 수립이 필요하다. 또한 가뭄대책 수립 시에는 가뭄심도의 변화와 더불어 해발고도 200 m 이하 지역을 중심으 로 계획 수립이 필요할 것으로 판단된다. 본 연구 결 과는 제주도 각 지역의 특성을 고려하여 미래 가뭄 에 대비한 수자원 정책을 수립할 때 유용한 정보가 될 것으로 기대된다.
그림 4. 연강수량 (2011~2100년) 그림 5. 연간 가뭄횟수 (2011~2100년)
그림 6. 수역의 지형고도별 가뭄 발생 횟수 (2011~2020년) 그림 7. 수역의 지형고도별 가뭄 발생 횟수 (2021~2030년)
3.4. 제주도 지하수자원의 경제적 가치 평가
제주도에서의 지하수는 매우 중요한 수자원으로, 지하수계는 농업용, 산업용 및 생활용과 같이 담수 를 이용하는 경우 거의 유일한 수자원이다. 또한 지 하수계로부터 배출되는 수자원은 용천수와 하천으 로 유출되는 지점은, 관광산업을 위해 매우 중요한
여가활동 등에 활용이 가능하다.
지하수자원의 가치 (value)는 매우 중요하지만 가 치의 평가 방법을 결정하는 것은 어려운 실정으로 본 연구에서는 제품이나 서비스 등을 사용하는 소비 자에게 직접 의향을 묻는 방식인 진술선호법에 의해 가치를 평가하였다. 이를 위해 뉴질랜드에서 이용 된 지하수자원의 경제적 가치 평가용 설문지를 제주
도 실정에 맞게 변형하여 사용하였다 (White et al., 2001; White, 2011).
현재 농업용수, 산업용수, 가정용수 및 관광용수 에 대한 설문지 응답 결과 분석 중으로, 농업용수 에 대한 예비분석 결과 작물별 단위 지하수 이용량 에 따른 평균 순수익은 딸기, 노지감귤, 참깨, 토마 토, 콜라비 순서로 나타났다. 가정용 부문에서는 지 하수자원과 연결된 환경적인 문제와 여가활동 등을 위해 지불의사 (willingness to pay, WTP)의 최대 치를 평가하였다. 전체 127 가구에 대하여 수자원과 관련된 여가활동에 대한 설문 (복수의 선택 가능) 결 과는, 용천수 이용을 포함한 목욕이 58%로 가장 높 았으며, 용천수 주변의 관광 등이 13 %로 그 다음을 차지함에 따라 제주도의 경우 용천수와 관련된 여가 활동의 비중이 매우 높은 것으로 나타났다
4. 연구 성과의 활용
개발된 농업용수 수요량 예측 프로그램은 제주특
별차지도 수자원관리종합계획 (2013-2022), 농업 용수 관리계획 (2013-2022) 등 법정계획 수립에 이 용되었다. 또한 이 프로그램과 함께 기후변화에 따 른 미래 가뭄 예측결과는 제주도 농업용수 통합 광역 화사업 사전타당성조사, 동부지역 농업용수 통합 광 역화사업 사전타당성조사 등 농업용수 공급 및 관리 계획에 적용되었다. 본 연구를 통해 3개 특허가 등록 되었으며, SCI급 논문을 포함한 다수 논문을 학술지 에 발표하였다. 개발된 프로그램은 금년 상용화 과정 을 거쳐 제주도내 관련 기관과 대학에 보급 및 교육 을 실시할 계획이며, 또한 지하수 자원의 경제적 가 치 평가 기술 등 개발된 기술을 보급할 계획이다.
감사의 글
본 원고 작성은 국토교통부 건설교통기술지역특 성화사업의 연구비 지원 (10지역기술혁신B02, 제주 수자원연구단)에 의해 수행되었습니다.
송성호, 최광준 ,2012, 기후변화와 관련한 제주지역 농업용수의 효율적 활용 방안(Ⅰ), 지하 수토양환경, 17(2), 62-70.
송성호, 최광준, 김진성, 2013, 제주도 지하수위 관측자료 평가를 통한 지역별 영향인자 특 성 분석, 한국환경과학회지, 22(5), 609-623.
IPCC, 2007, Climate Change 2007: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Core Writing Team, R.K Pachauri and A. Reisinger, Eds., IPCC, Geneva, 102 p.
Bates, B.C., Kundzewicz, Z.W., Wu, S., and Palutikof, J.P., 2008, Climate Change and Water. Technical Paper of the Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC Secretariat, Geneva, 200 p.
White, P.A., Sharp, B.M.H., and Kerr, G.N., 2001, Economic valuation of the Waimea Plains groundwater system. J Hydrol(NZ)., 40, 59-76.
White, P.A., 2011, Economic drivers of land use and grondwater use by irrigator, Waimea Plains Nelson, New Zealand, New Zealand Journal of Marine and Freshwater Research, 45, 513-524.
참고문헌
