기상환경 분석을 통한 새만금 시설원예단지 적지분석 연구
강동현·이시영·김종구·최홍기·박민정·윤성욱·손진관*
농촌진흥청 국립농업과학원 농업공학부 에너지환경공학과
Suitability Site Selection by Meteorological Factors for the Protected Horticulture Complex in Saemanguem
Dong Hyeon Kang, Si Young Lee, Jong Koo Kim, Hong Ki Choi, Min Jung Park, Sung-Wook Yun, and Jin Kwan Son*
Energy & Environmental Engineering Division, NAAS, RDA, Jeonju 54875, Korea
Abstract. This study was conducted to find the suitability site for the construction of Saemangeum horticulture complex taking into account cost-effective environmental management by analyzing and comparing meteorological conditions. By overlapping the thematic maps, we extracted the regions that scored 50-59 points as suitable sites for the development project. Of these pre-selected sites, we selected the final candidate region for the protected horticul- ture by overlapping the sites selected for agricultural and living environment construction. The results of this study will contribute to generating added values by minimizing the environmental management costs for horticulture and landscaping. The operation of a large-scale protected horticulture and landscaping in the Saemangeum Complex will enhance the agricultural competitiveness of our country in the global market.
Additional key words : Design, Ecosystem Service, Greenhouse, GIS, Overlay
서 론
농업에서 원예산업이 차지하는 비중은 1970년대부터 급증하기 시작하여 1980년 25%수준에서 1990년 28%, 1995년 36%까지 증가하다가 경제위기 이후 안정적으로 유지되어 2010년 이후에는 약 40% 내외 수준을 유지하 고 있다(MAFRA, 2014b). 그 중 시설재배는 농업 작물 생산에서 있어 자연환경의 영향을 받게 되는 시공간적 제약을 극복하기 위한 인간노력의 결과물로 연중 다양한 농산물을 소비자에게 제공 할 수 있게 되었다(Ko et al., 2013; Kang et al., 2015). 시설원예는 고부가가치, 고품 질, 청정농산물 생산을 주목적으로 농산물의 단시간 생 산, 연중 공급 가능, 토지 이용도 제고, 자동화로 인한 노동력 절감 등의 장점이 있다. 이것은 우리농업이 국제 경쟁력을 강화할 수 있는 중요한 기회가 될 수 있다고 평가된다(GDI, 2009).
이러한 이유로 우리나라 시설원예 면적은 중국, 스페 인에 이어 3위에 해당하고 국민 1인당 시설재배면적, 기
술적 측면 모두 네덜란드, 일본 등과 함께 세계 최고 수준 으로 평가된다(Ko et al., 2013). 그러나 농가 경지규모 면 에서는 1ha 이하와 3ha 이상인 농가수가 증가하는 양극화 현상이 나타나고 있으며, 국내 농가당 경지규모는 약 1.4ha 정도로 국제 경쟁력 제고 차원에서 시설원예의 규모 화, 단지화로 개선될 필요가 있다(MAFRA and ARDPC, 2008; Kang et al., 2015). 따라서 단지화 및 규모화에 대 한 구체적 조성방안이 필요하며, 그 대상지로서 간척지가 주목받고 있다(Kim et al., 2007; Pak et al., 2009;
KSBEC, 2009; RDA, 2012; Yun et al., 2013; Choi et al., 2014a, 2014b; Kang et al., 2014; MAFRA, 2014b).
한편, 우리나라는 식량안보와 국토개발을 목적으로 해 방 후부터 간척지사업을 실시하여 1960년대까지 약 24,000ha, 이후 1970년대부터 현재까지 약 1,600여개 지 구에서 약 135,000ha 이상을 완공하거나 개발 중에 있 다(Kang et al., 1992; Park et al., 2009). 그 중 첨단수 출원예 및 일반원예단지가 약 5,000ha 이상 계획되어 있 어 시설원예사업의 국제경쟁력은 한층 더 높아질 것으로 기대하고 있다(Park et al., 2009; RDA, 2012). 새만금의 경우, 개발계획 28,300ha중 농업용지가 약 8,500ha 이상 으로 계획되어 있고, 농업용지 내 첨단 시설원예단지를 조성해 고부가가치 품종개발과 재배, 녹색에너지 기술개
*Corresponding author: son007005@korea.kr
*Received January 29, 2016; Revised March 21, 2016;
*Accepted March 21, 2016
발 및 보급 기반을 구축을 목표로 진행 중에 있다 (MOLIT and MAFRA, 2011).
새만금 간척지에 조성될 첨단수출원예단지는 시설원예 가 중심이 되므로 고품질을 위한 내외부 환경관리는 무엇 보다도 중요할 것으로 판단된다. 시설원예는 광량, 온습도, 비료, 양액, 배지 등 다양한 환경관리가 이루어 져야 하며, 이러한 것들의 유기적 상호작용 결과 고품질의 안정적인 농산물 생산이 이루어 질 수 있다. 이에 따른 최적의 환경 설계 기준에 대한 연구개발이 필요하며, 시설원예 운영 시 환경관리에 대한 비용을 절감할 수 있는 입지 선정이 중 요하다. 우리나라의 경우, 동절기 낮은 온도와 하절기 높 은 온도로 인하여 냉난방에 따른 비용이 높은 것이 현실 이다. 따라서 시설원예가 운영되는 지역의 기후를 파악하 고, 그에 맞는 시설 설계와 운영방안에 대한 연구가 필요 한 실정이다. 이러한 연구는 작물의 생산성 향상과 더불어 농식품의 안전성을 동시에 추구하기 위한 농업적 기반 연 구이며(Kwak et al., 2003), 수출 농업, 대규모 농업, 자연 순환형 친환경 농업의 일환으로 볼 수 있다(RDA, 2012).
기상요인 중 기온이 1 상승하면 한국농가의 농업 총수익 은 ha당 260-400만원이 감소한다는 평가결과가 있다(Kim, 2008). 실제로 시설재배에 있어 냉난방 부하가 비효율적으 로 설정된 농가의 경우, 연료비 비중이 상대적으로 높아 경영부실의 한 원인이 되고 있는 것이 현실이다. 시설원예 는 이따금씩 찾아오는 고유가, 고환율로 인한 에너지 소비 에 큰 부담을 갖고 있으며, 이러한 부담을 극복하기 위해
에너지의 효율적인 관리와 이용이 요구되고 있다(Jeong et al., 2009). 시설원예 경영에서 냉난방이 차지하는 비용은 약 40% 정도로 그 관리는 매우 중요하며, 약 10oC 이하와 30oC 이상일 때 냉난방 부하가 발생하는 것으로 알려져 있다(Nicolas, 2013). 이러한 이유로 선진국의 경우, 연간 지역별 난방부하 결정 및 연료소비량 결정에 대한 보고가 이미 이루어지고 있는 것이 현실이다(Pollet et al., 2000).
이러한 연구는 온실조성 초기 투자비용을 절감하고 작 물 재배 시 각종 환경조절 부하를 낮추어 작물생산에 있어 부가가치를 상승 시킬 수 있다. 이러한 시설원예를 통한 고부가가치 작물생산과 새만금지역을 활용한 단지 화와 규모화는 우리 농업의 국제 경쟁력 상승의 원동력 이 될 수 있다고 판단한다. 따라서 본 연구는 국내 최대 규모의 간척지인 새만금을 중심으로 대규모 시설원예단 지 조성 시 냉난방 부하 등 각종 환경조절에 유리한 적 지를 선정하고자 하였다.
연구방법
1. 연구대상지 및 기상자료
본 연구는 총면적 28,300ha에 조성계획중인 새만금 지역 을 대상으로 하였다. 기상자료는 전주(JJ; Gwanseon, Jeonju;
N127.15.49.144, E 35.82.18.07.812), 정읍(JE; Naejangsan, Jeongeup; N126.86.61.993, E35.56.30.192), 군산(GS1;
Naeheung, Gunsan; N126.76.20.058, E36.00.52. 643), 부안
Fig. 1. Meteorological measurements location.
(BA; Haengan, Buan; N126.71.66.824, E35.72. 96.718), 선 유도(SYi; Sunyoudo, Gunsan; N126.39.80.814, E35.81.18.859), 새만금(BAi; Saemangeum, Gunsan; N126. 45.71.812, E35.73.
54.314), 군산산단(GS2; Naecho, Gunsan; N126.59.03.529, E35.94.99.184), 격포(GP; Byeonsan, Gyeokpo; N126.47.56.277, E35.62.32.139), 진봉(JB; Jinbong, Gimje; N126.78.32.625, E35.84.72.737) 등 총 9곳의 기상청 관측자료와 신시(SS;
Sinsido, Gunsan; N126.48.04.880, E35. 81.36.413), 계화 1(GH1; Gyehwa, Buan; N126.62.10.626, E35.77.09.198), 계화2(GH2; Gyehwa, Buan, N126.67. 01.970, E35.77.
28.868) 등 3곳의 실측자료를 포함한 총 12곳의 기상 자 료를 활용하였다(Fig. 1). 수집 및 계측 기간은 2014년 1 월부터 12월 까지 총 1년간 수집 된 자료를 바탕으로 기 상환경에 관한 주제도 작성에 활용하였다.
2. 적지선정을 위한 평가주제 및 등급
평가주제 및 등급은 Kang et al.(2015)이 발표한 Table 1의 내용을 바탕으로 설정하였다. 평가주제는 총 9개로 이루어져 있으며, 강우량의 경우 일간최고 강우량 (Year-round, 1 day max. rainfall), 최고 10일간의 평균 강우량(Year-round, 10 days max. rainfall)으로 구분하여 총 10개의 주제도로 구분 할 수 있다. 평가등급은 총 10등급으로 구분하여 여름철 최고기온이 낮고, 겨울은 최저기온이 높으며, 국지적 호우발생이 낮고, 풍속은 환
기에 적합하고, 봄철 습도가 높아 습도조절 비용이 낮게 드는 곳을 적지로 선정하고자 하였다.
3. 주제도 작성 및 도면중첩
선정된 주제와 평가기준으로 새만금지역 시설원예단지 적지를 선정하기 위한 주제도 작성은 GIS 프로그램 (Geomania 3.0)을 이용하였다. 본 연구에서는 시설원예 단지 조성 시 고려해야 할 기상환경 조건에 대한 주제 를 총 10가지로 언급하였으나 연구초기 설계미흡으로 연중안개발생 일수에 대한 고려를 하지 못해 본 연구에 서는 이를 제외한 총 9가지 주제도를 작성하였다. 최종 적지 선정은 작성된 9가지의 주제도를 도면중첩 하여 평가결과가 높게 나타난 지역을 중심으로 최종적인 시설 원예단지 적지로 제안하였다.
결과 및 고찰
1. 주제도 작성
제시된 평가지표를 기준으로 주제도를 Fig. 2와 같이 작성하였으며, 작성된 각 주제도를 도면중첩에 활용하여 평가결과가 높게 나타난 지역을 중심으로 최종 조성적지 로 선정하고자 하였다.
여름철 90일간의 평균 기온에 대한 주제도 작성결과 연구대상지인 새만금지역은 25.6oC에서 24.4oC범위로 6개 Table 1. The evaluation grade for the sites selection.
Evaluation themes Grade (point)
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Summer temp. mean
(oC, 90 days) ~ 24.0 24.0
~ 24.2 24.3
~ 24.4 24.5
~ 24.6 24.7
~ 24.8 24.9
~25.0 25.1
~25.2 25.3
~25.4 25.5
~25.6 25.7~
Summer max. temp. mean
(oC, 20 days) ~27.4 27.4
~27.8 27.8
~28.2 28.2
~28.6 28.6
~29.0 29.0
~29.4 29.4
~29.8 29.8
~30.2 30.2
~30.6 31.0~
Winter temp. mean
(oC, 90 days) ~ 1.8 1.7
~-1.5 1.4
~-1.2 1.1
~0.9 0.8
~0.6 0.5
~0.3 0.2
~-0.1 -0.2
~-0.4 -0.5
~-0.7 -0.8~
Winter min. temp. mean
(oC, 20 days) ~ -1.7 -1.8
~-2.1 -2.2
~-2.5 -2.6
~-2.9 -3.0
~-3.3 -3.4
~-3.7 -3.8
~-4.1 -4.2
~-4.5 -4.6
~-4.9 -5.0~
Year-round max. wind velocity
(m/s) ~8.0 8.1
~9.0 9.1
~10.0 10.1
~11.0 11.1
~12.0 12.1
~13.0 13.1
~14.0 14.1
~15.0 15.1
~16.0 16.1~
Year-round wind velocity mean
(m/s) ~ 4.5 4.4
~4.0 3.9
~3.5 3.4
~3.0 2.9
~2.5 2.4
~2.0 1.9
~1.5 1.4
~1.0 0.9
~0.5 0.4~
Winter solar radiation mean
(MJ/d) ~ 8.5 8.4
~8.2 8.1
~7.9 7.8
~7.6 7.5
~7.3 7.2
~7.0 6.9
~6.7 6.6
~6.4 6.3
~6.1 6.0~
Rainfall (mm)
Max./day ~ 70 70
~80 80
~90 90
~100 100
~110 110
~120 120
~130 130
~140 140
~150 150~
Max./10days ~ 33.0 33.0
~34.4 34.4
~35.8 35.8
~37.2 37.2
~38.6 38.6
~40.0 40.0
~41.4 41.4
~42.8 42.8
~44.2 44.2~
Spring humidity mean
(%, 90 days) ~ 75 74
~73 72
~71 70
~69 68
~67 66
~65 64
~63 62
~61 60
~59 58~
등급으로 나뉘어 졌으며, 서남쪽에서 기온이 낮고 동북쪽 에서 높은 것으로 주제도가 작성되었다. 20일간의 최고기 온 분포도는 28.0oC~30.2oC의 분포로 6개 등급으로 작성되
었으며, 마찬가지로 동북쪽 내륙지역보다 서남쪽 해안 지 역이 기온이 낮아 높은 등급으로 표현되었다. RDA(2015) 가 제시한 시설원예단지의 작물생육 적정온도는 21~28oC Fig. 2. Thematic map on evaluation items for site selection.
로 여름 평균온도는 적합한 것으로 분석되지만 최고기온 분포는 28oC 이상으로 작물이 생육을 멈추고 고사할 수 있으므로 작물의 생육과도 밀접한 관계가 있는 여름철 온도관리는 매우 중요하다. 이와 같이 시설운용에 있어 냉방비 절감은 매우 중요한 시설환경관리이며, 여름철 기온이 1도 낮아지면 농가의 총수익은 ha당 260-400만원 가량 이익을 볼 수 있으므로 본 주제도를 활용하여 냉방 부하가 적게 드는 지역을 찾아 볼 필요가 있다(Kim, 2008). 겨울철 90일간의 평균 기온에 대한 주제도 작성결 과 -0.75oC에서 1.75oC로 8개 등급으로 표현되었으며, 겨울 철 20일간의 최저 평균기온은 -5.00oC 이하 에서 -2.50oC 로 7개 등급으로 표현되었다. 겨울철 시설재배에 있어 겨울철 낮은 온도는 작물의 생육을 어렵게 하고 수정벌 의 활동을 저해시킴으로써 작물의 과실결실에 영향을 주 어 수량감소로 이어질 수 있다고 알려져 있다(Yoon et al., 2013). 새만금지역 겨울철 기온분포에 대한 주제도를 살펴보면 서쪽이 동쪽 보다 높은 등급으로 분석되어 겨 울철 시설재배 시에는 해안쪽이 내륙보다 유리하다는 것 을 확인할 수 있었다. 새만금 간척지 내의 최고풍속에 대한 주제도 작성결과 평가기준은 8.05m/s에서 16.05m/s 로 구분하였지만 주제도는 약 10m/s~14m/s로 4등급으로 표현되었다. 작성된 주제도를 살펴보면 북쪽에 비해 남 서쪽에서 강한 바람이 불어오는 것을 확인 할 수 있었 다. 풍속은 온실건축 시 골격자재에 영향을 주며, 유지
관리에도 중요한 고려대상이다(MAFRA, 2014a; NAAS, 2015b). 본 연구에서는 2014년 1년 동안의 기상자료를 분석한 것으로 시설원예단지 조성을 위한 설계에 반영하 는 것은 무리라고 판단되므로 조성, 설계에 반영하기 위 한 최고풍속은 장기간 발생 빈도를 따로 파악해야 할 것으로 판단된다. 연중 평균풍속에 대한 주제도는 약 2.00m/s에서 2.70m/s의 범위로 2개 등급으로 표현되어 연구대상지 내에서 등급이 거의 발생하지 않은 것으로 분석되었다.
겨울철 90일간의 평균 일사량에 대한 주제도 작성결과 약 5.50MJ/d~7.80MJ/d로 7개 등급에 걸쳐 표현되었다.
겨울철 일사량은 기온과 직접적으로 연관되므로 높은 일 사량은 난방비 절감에 도움이 될 수 있다. 일간 누적 일 사량에 대한 주제도작성결과 해안쪽이 내륙쪽보다 낮은 등급으로 표현되었는데 이것은 새만금 지역에서 발생하 는 잦은 안개와 해무의 영향으로 미루어 판단할 수 있 을 것으로 보인다(Lee et al., 2014).
일간 최고 강수량은 약 70mm~120mm의 범위로 6등급 으로 나뉘어 졌고, 최고 강수량 10일간의 평균에 대한 주 제도는 33mm에서 45mm로 9개 등급에 걸쳐 표현되었다.
간척지 특성상 염분이 많고 지반이 약해 침하를 일으킬 우려가 있으므로 계획, 조성, 관리에 있어 주의해야 할 것으로 판단한다(Lee et al., 2015). 또한 시설원예에 있어 물사용은 지하수, 관개수를 사용하는 것이 대부분이며
Fig. 3. Overlay map on evaluation items for site selection.
(Tack, 2013), 국지적 호우로 인해 범람을 일으켜 작물 및 시설에 손상을 유발하므로 30년, 50년 등의 강우빈도 를 파악할 필요가 있다(KBS, 2011; YNA, 2014).
봄철 90일간의 평균습도에 대한 주제도 작성결과 새만 금 구역은 약 63%~72%로 선행연구에서 제시한 적정 생육환경인 60%~80%로 분석되었다(Hochmuth, 1991).
일부 관측소에서 일시적으로 10% 내외의 아주 낮은 범 위를 나타내고 있고 봄철 습도관리는 매우 중요한 것으 로 알려져 있으므로 봄철 평균습도는 높은 곳을 평가기 준이 높은 적지로 선정 할 수 있다(Kim et al., 2001).
주제도 작성 결과 해안이 내륙 보다 습도가 낮게 표현 되었는데 이것은 중국, 몽골 등으로부터 유입되는 건조 한 공기의 영향으로 추측할 수 있다고 판단된다(Kim and Lee, 2013).
2. 도면중첩을 통한 적지선정
작성된 10개의 주제도와 가중치를 적용하여 도면중첩 을 통한 시설원예단지 조성 적지를 선정하였다. 적지는 안개일수의 가중치인 9.05를 제외한 가중치인 90.95를 100점으로 환산하여 계산하였다. 최종 적지는 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 9개 주제도에 대해 100점 기준으로 59점부터 서북쪽에서 선정되었다. 기준점수를 56점, 53 점, 50점으로 낮게 설정하면 적지가 넓어지게 되며, 동 쪽보다는 서쪽해안가와 남쪽보다는 북쪽에서 적지가 확 장됨을 알 수 있다.
3. 새만금 농생명용지 내 적지선정
새만금 지역의 경우 공업, 농업, 상업, 주거 등 다양한 개발계획이 수립 중에 있다. 이 중 새만금 농생명용지 개발구역(Saemanguem Agricultural Planning Areas)을 Fig. 4에 제시하고 Fig. 3에서 제시한 적지점수 50점 이 상구역과 도면 중첩하여 새만금 농생명용지에서 시설원 예단지 조성 적지(Sites Selection in Agricultural Planning Areas)를 최종적으로 선정하였다.
결 론
본 연구는 국내 최고규모 간척지인 새만금을 중심으로 대규모 시설원예단지 조성 시 냉난방 부하 등 각종 환 경조절에 유리한 적지를 선정하고자 하였다. 연구대상지 는 새만금 개발구역을 중심으로 기상환경을 분석하여 주 제도작성 및 도면중첩을 통해 적지를 선정하였다.
기상 자료는 총 12곳의 기상 자료를 2014년 1년간 수 집 된 자료를 바탕으로 정리하여 평가등급 및 주제도 작성에 활용하였다. 주제도 작성은 GIS 프로그램 (Geomania 3.0)을 이용하였으며, 선행연구를 참고해 9가 지의 주제도를 도면중첩 하여 평가결과가 높게 나타난 지역을 중심으로 최종적인 시설원예단지 적지로 제안하 였다.
여름철 평균기온 및 최고기온에 대한 주제도 작성결과 동북쪽 내륙지역보다 서남쪽 해안 지역이 기온이 낮아 높은 등급으로 표현되었으며, 겨울철 평균기온과 최저기 온 분포 또한 동쪽 내륙지역보다 해안쪽이 유리하다는 것을 확인할 수 있었다. 최고풍속에 대한 주제도 작성결 과 4등급으로 표현되었으며, 남서쪽에서 강한 바람이 불 어오는 것을 확인 할 수 있었다. 본 자료는 1년의 분석 자료로서 향후 시설원예단지 조성을 위해서는 장기간 발 생 빈도를 따로 파악 할 것을 제시하였다. 겨울철 일사 량에 대한 주제도는 7개 등급에 걸쳐 표현되었고 새만 금 지역의 해무와 안개의 영향으로 내륙이 보다 높게 평가되었다. 일간 최고 강수량은 6등급, 최고 강수량 10 일간의 평균은 9개 등급에 걸쳐 표현되었으며, 연구대상 지의 특성상 염분이 많고 지반이 약해 침하를 일으킬 우려가 있으므로 계획, 조성, 관리에 있어 주의를 제시 하였다. 봄철 평균습도에 대한 주제도 작성결과 약 63%~72%로 선행연구에서 제시한 적정 생육환경에 해당 하지만 일시적으로 10% 내외의 아주 낮은 범위를 나타 내고 있어 평균이 높은 곳을 적지로 선정하였다.
작성된 10개의 주제도와 가중치를 적용하여 도면중첩 Fig. 4. Sites Selection in Saemanguem Agricultural Planning Areas.
을 통한 시설원예단지 조성 적지를 선정하고자 안개일수 의 가중치를 제외한 100점 기준으로 적지를 도출하여 기준 점수 59점부터 50점까지 적지를 확장하였다. 새만 금 지역의 경우 농생명용지가 계획 중 인 만큼 기준 점 수 50점 이상구역과 농생명용지를 중첩하여 최종적인 시설원예단지 조성 적지로 선정하였다.
본 연구를 통해 시설원예의 초기 투자비용을 저감하고 작물 재배 시 각종 환경조절 부하를 낮추어 작물생산에 있어 부가가치를 상승 시키는 한편, 새만금지역을 활용 한 단지화와 규모화를 통해 우리나라 시설원예 산업의 국제 경쟁력 강화에 이바지 하길 기대한다.
적 요
본 연구에서는 새만금 개발구역에서 환경조절 비용이 적게 들 수 있도록 기상환경을 분석하여 조성 적지를 선정하는 연구를 진행하였다. 작성된 10개의 주제도를 도면중첩하여 50~59점 지역을 적지로 도출하였다. 그 중 농업생명용지 계획지역을 중첩하여 최종적인 시설원예단 지 조성 적지로 선정하였다. 본 연구는 시설원예의 환경 조절 비용을 낮추어 부가가치를 상승 시킬 수 있다. 새 만금에서 시설원예의 대규모를 통해 우리 농업의 국제 경쟁력 도움이 될 수 있다.
추가 주제어 : 계획, 도면중첩, 생태계서비스, 온실. 지리 정보시스템
사 사
본 연구는 2016년도 농촌진흥청 국립농업과학원 연구 개발사업(과제번호: PJ010970)의 지원에 의해 이루어진 것임.
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