Issue
제주형 물순환 해석 및 수자원 관리 01
기반구축 연구 소개
1. 연구단 소개
자연현상의 최대 화두는 단연 지구온난화로 인 한 이상기후의 위력이 전 지구상의 사회와 산업 전 반에 실로 가공할만한 하여 인류 생존에도 큰 위협
이 될 것으로 예측되고 있다는 것이다. 극한의 물 부족과 수해로 인한 대형 재해는 지구상 생명체들 의 생존과도 직결되어 있다. 기후변화는 지구상의 물 순환과 서로 밀접한 영향을 주고받으면서 상호 의존적인 관계에 있다. 따라서 장래 기후변화에 대 비하는 수자원 예측과 관리대책 수립은 매우 중요 하다.
제주도 하천은 주로 한라산 정상을 중심으로 남·
북사면 방향으로 급한 경사를 이루며 발달하고 있 으며 하천연장은 대부분 15km 내외로 내륙의 하 천에 비해 매우 짧은 특성을 보이고 있다. 또한 제 주도는 국내 최다우 지역으로서 연평균 강우량은 2,067mm에 달하지만 특유의 하천 특성과 높은 투 수성을 가진 지질학적 특성으로 인해 집중호우 시 짧은 기간 동안만 유출이 발생하고 있어 대부분의 하천은 건천상태로 유지되고 있다.
이처럼 내륙과는 매우 상이한 제주도의 수문특성 으로 인해 그동안 국내에서 진행된 수자원 관련 연 구의 결과를 적용하기에는 한계가 있어 제주도 수문 특성에 대한 체계적인 연구가 필요하다는 지적이 있 어왔다. 이에 제주도의 효율적 수자원 관리 기반을 구축하기 위해서는 지하수에 대한 수자원 확보 측면 의 접근과 하천유량에 대한 치수대책 수립 측면의 접근 등 분리된 접근 방법보다는 지표수 유출 특성 에 대한 정확한 분석을 통해 지하수 함양량을 정량 화하고 지하수 개발에 따른 영향에 대한 객관적 평
제주수자원연구단(Jwater)
양 성 기 ●●●
제주수자원연구단장 제주대학교 토목공학과 교수 [email protected]
김 동 수 ●●●
단국대학교 토목환경공학과 조교수 [email protected]
김 남 원 ●●●
한국건설기술연구원 선임연구위원 [email protected]
송 성 호 ●●●
한국농어촌공사 농어촌연구원 수석연구원 [email protected]
그림 1. 제주도 지질구조 분포도
가 기법을 수립하고 지하수-지하수 상호작용을 해 석할 수 있는 기법이 필요하다.
2. 연구단 개요 및 조직도
제주도의 특이한 수리수문 현상을 조사·해석하 고 물 순환 기구를 보다 명확히 규명함으로서 최적 의 제주형 수자원 관리 기반을 구축하기 위해 ‘제주 형 물순환 해석 및 수자원 관리 기반구축’ 연구가 2010년 12월 국토교통과학기술진흥원 건설교통기 술지역특성화 사업으로 선정되어 제주대학교 양성 기 교수를 중심으로 한국건설기술연구원 김남원 선 임연구위원과 한국농어촌공사 농어촌연구원 송성호 수석연구원이 참여하여 지역적 균형 발전과 지역기 술 역량 제고 및 지역에 특화된 건설기술 연구의 일 환으로 5개년 간 수행되었다.
그림 2. 연구단 최종목표 제주 하천 분포도
제주도의 지표수 수문특성과 지하수 이용특성에 대한 분석 및 지표수-지하수 연계해석을 통한 제주 도 물순환 시스템을 정밀하게 분석하며 통합 수자원 관리기반을 체계화하는데 목표를 두었다. 이를 위해 제주수자원연구단은 ‘제주형 하천유출 조사 및 분석
시스템 구축’, ‘제주형 지표수-지하수 통합 수문해 석 기술 개발’, ‘제주형 지하수자원 원단위 산정 및 용수 수요량 예측 프로그램 개발’로 세부과제를 구 성하고 2010년 12월부터 2015년 6월까지 연구를 수 행하였다.
그림 3. 연구단 조직 구성도
3. 과제 구성
“제주형 물순환 해석 및 수자원 관리 기반구축”연 구 과제는 연구 목표 달성을 위하여 3개의 세부과제 로 구성하여 과제 연구를 수행하였다. 제주형 하천 유출 특성 분석, 지표수-지하수 수문 해석 기술, 지 하수자원 원단위 산정 및 용수량 예측 프로그램 개 발 등 3가지 영역에 연구단 총괄과제를 포함하여 4 개의 세부과제로 구성하였다. 또한 각 세부과제별 연구 수행의 전문성을 고려하여 공동과제 1개와 위 탁과제 2개로 구성하였다.
1세부과제는 제주도 주요 하천에 대한 유량관측을 통해 하천유출 특성 분석 및 제주형 하천유출특성의
해석과 최적화 기술을 제시하고, 수자원정보 시스템 구축, 증발량과 융설량의 직접측정 시스템 구축과 측정 등을 통해 물수지 해석의 자료를 한국건설기술 연구원(2세부과제)으로 제공하였다.
제주도는 하상특성이 상류부에서는 모래나 자갈 등으로 구성되어 우수한 투수성을 보이나 해안에 가 까울수록 기반암이 노출되어 투수성이 불량해지며 하류부에서는 인근 도심지역의 불투수층의 증가로 인한 강우의 신속한 유출로 나타나고 있다. 또한 투 수성이 양호한 하상의 상태로 인해 하천표층이 포화 된 후 홍수가 갑작스럽게 일어나는 특징을 보이며, 대공극을 통한 강수의 지하 침투 비율이 매우 높아 대부분의 하천이 평상시에 건천이며, 유출발생은 선
행강우와 직결되고 하류로 갈수록 하폭확대와 대수 층을 통한 지하수가 하류하천으로 유출하는 특징을 보인다.
따라서 1세부과제인 “제주형 하천유출조사 및 분 석 시스템 구축” 연구에서는 제주도 주요 하천에 대 한 유량관측을 통해 기존 제주도 하천 유출량에 대 한 정도를 높이고 하천유출 특성을 분석, 제주도에 최적화된 하천유출 특성 해석 기술을 제시하고 제주 도 주요 유역에 대한 유출 발생 시 실시간으로 유량 을 분석할 수 있는 시스템 구축과 주요 기저유출 하 천에 대한 장기간 동안의 유출량 관측 자료 구축을 주요 연구 목적으로 하였다.
이를 위해 제주지역의 수문조사와 하천유출 관측 현황과 결과에 대해 분석하고 최신 유량관측방법을 적용하기 위하여 유역 전체를 반영할 수 있는 대표 적 관측지점을 선정한 후 ADCP관측, LSPIV 관측, 전자파표면유속 관측 등 다양한 신기술을 적용하였 고 제주도에 최적화된 관측기법을 개발하며 정밀한 유출량 산정과 유출특성 해석 기술을 개발하였다.
2세부과제는 제주도의 독특한 수문특성을 분석할 수 있는 지표수-지하수 연계해석 모형 개발과 함께 1,3세부과제에서 구축된 자료와 분석 결과를 토대로 지하수 함양량에 대한 분석 및 평가 기법을 제시하
였다.
앞서도 언급한 바와 같이 제주지역의 유출률은 강 수대비 21%로 내륙에 비해 매우 낮은 반면 지하수 함양량은 강수대비 54%로 매우 높은 특성을 보이고 있어 지하공극을 통해 대수층으로 유입되고 있는 지 하수 관리의 중요성이 전체 수자원관리에 있어 중요 부문을 차지한다. 이간은 지하수 함양은 수문순환의 복잡한 과정으로 강우의 빈도, 강도, 지속시간 뿐 아 니라 온도, 습도, 풍속과 지하수위 상부에 존재하는 토양과 암반층의 특성과 깊이, 지표의 지형과 식생 분포 및 토지이용과도 관련되어 전체적인 문 순환의 틀에서 검토되어야 한다.
특히 지하수 개발 요구에 따른 지하수 관리 문제 가 대두되고 있는 시점에서 기존의 유역별 대표 함 양량 값만으로는 적절한 대처가 어려워 지표수와 지 하수를 연계한 수문성분 해석을 통해 연 단위 이하 의 공간 분포형 함양량의 산정과 이를 장기적인 계 획에 반영하기 위한 기법개발이 시급하다고 할 수 있다. 더불어 제주도의 효율적 수자원 관리 기반을 구축하기 위해서는 지하수에 대한 수자원 확보 측면 의 접근과 하천유량에 대한 치수대책 수립 측면의 접근 등 분리된 접근 방법 보다는 지표수 유출 특성 에 대한 정확한 분석을 통한 지하수 함양량의 정량 그림 4. 연구과제 구성
화와 지하수 개발에 따른 영향에 대한 객관적 평가 기법을 수립함으로써 지표수-지하수 상호작용을 해 석할 기법이 필요하였다.
3세부과제는 지하수자원 관리 기반 구축에 필수 적 요소인 지하수 이용 현황과 분석, 수요 예측을 위 해 지하수자원의 원단위 산정과 경제적 가치를 평가 하고 용수수요 예측 프로그램을 개발함으로서 제주 형 지하수 이용특성을 분석하는 연구를 진행하였다.
제주도의 지하수자원 측면에서 2001년부터 5년 간 제주도에 위치한 74개소의 관측정의 장기관측 자료를 보면, 지하수위는 도시화가 빠르게 진행된 북쪽 지역에서 상대적으로 하강하는 추세를 보이나 지하수의 전기전도도는 해안선을 따라 분포하는 관 정에서 상대적으로 높다. 제주 수문 및 수자원은 집 중호우와 가뭄 등 기후변화에 민감하며 더불어 이로 인한 지하수 수문계의 이상적 변화가 지역별로 광범 위하게 관측되고 있다.
‘제주형 지하수자원 원단위 산정 및 용수 수요량 예측 프로그램 개발’ 연구에서 지하수 부존형태와
용수 수요량 상관관게 분석, 수역별 토지이용, 형태 별, 작물별 용수 이용량 모니터링 자료 분석 등의 연 구와 함께 기존에 시행됐던 조사 결과를 토대로 현 재까지의 변화량에 대한 상관분석 등의 연구를 진행 하였다. 더불어 기후변화 시나리오에 따라 향후 100 년간 지역별로 예측된 일별 수문요소 예측치와 용수 이용자의 수요예측 조사자료 등을 분석, 용수 수요 량 예측 프로그램 개발에 활용하며 이를 근거로 제 주지역 지하수자원 수요·공급의 통합 관리를 위한 제도 수립 지원 연구도 병행하였다. 또한 해외 수자 원 선진국들의 경우 국가적인 관점에서 수자원뿐만 아니라 소유역 단위의 수자원에 대한 경제적 자본 가치를 부여함에 따라 미래 수자원의 경제적 가치를 예측하고 이를 사회·경제적인 정책 수립에 적극 활 용함에 따라 제주지역의 수자원 수요·공급 변화 가 능성을 대비한 용도별 지하수자원 경제적 가치 평 가 기준을 수립하고 농업용수의 경우 관개용수의 작 물별 지하수자원 경제적 가치 평가 기준을 제시하는 연구를 수행하였다.
연구협약 현황
2011.04.15. 제주발전연구원 2011.04.18. 제주시 건설교통국
2011.04.22. 제주특별자치도 소방방재본부 2011.04.25. 서귀포시 환경도시건설국 2011.07.05. 제주지방기상청
2011.08.25. 제주특별자치도 수자원본부 2012.01.30. ㈜섬엔지니어링
2013.03.20. 제주녹색환경지원센터 2013.04.22. 첨단기술기반하천운영 및
관리선진화연구단
2013.12.19. 제주특별자치도 안전총괄기획관
마지막으로 제주형 물순환 해석 및 수자원 관리 기반구축 연구 총괄과제는 Jwater 제주수자원연구 단의 정성적 및 정량적 연구 성과의 체계적이며 효 율적인 관리를 비롯한 성과 실용화와 이의 확산을 위하여 관련 연구 수행 연구기관과의 긴밀한 협조를 위한 업무협약을 체결하고 해당 연구성과의 지역사 회 환원을 위하여 수자원 관련 유관기관과의 지속적 인 의견을 교환하여 왔다. 더불어 제주도내 수자원 관련 산업체 종사자들과의 의견교환 자리를 별도로 마련하여 현장 실무자들의 애로사항을 청취하고 이 를 수렴하도록 노력함으로서 연구실에서 앉아서 각 종 자료들만을 연구를 수행하지 않고 효과적인 실용 화를 위한 현장의 의견을 반영하도록 노력하였다.
R&D과제의 실용화에 대한 유관기관에서의 인식
을 변화시키기 위하여 연구 주관기관인 제주대학교 내에 부속연구시설로 “제주수자원연구단”을 설립하 여 관련 기관과의 업무협약을 체결하고 기관간의 관 계를 긴밀히 하면서 자료의 제공과 공유를 용이하게 할 수 있었다. 우리 연구단은 제주특별자치도 수자 원본부, 안전총괄기획관 등 도내외 10개 관련기관과 업무협약을 체결하였다. 또한, 공공재이자 무한재 로서의 수자원에 대한 인식을 변화시키고 본 연구의 필요성과 향후 연구성과 실용화를 위한 홍보를 목적 으로 “제주도 수자원 관리 선진화를 위한 워크숍”을 매해 2회씩 제주도 내 수자원과 관련한 전문가, 비 전문가의 대상에 상관없이 경청할 수 있도록 개최하 였으며 현재까지 총 10회 개최하였다.
무엇보다도 각 세부연구과제별 연구 성과의 특성 에 맞는 연구 성과 실용화할 수 있는 기관의 선별과 과제별 주관 연구기관과 해당 기관과의 의견 조율 및 내외부적인 유기적인 연계가 될 수 있도록 교량 적 역할을 충분히 수행하였다. 특히 건설교통기술지 역특성화 연구의 사업성과는 지역사회의 환원을 주 요 목적으로 하고 있으며 우리 제주수자원연구단이 수행한 제주형 물순환 해석 및 수자원 관리 기반구 축 연구는 공공재인 수자원에 대한 연구로서 더더욱 지역사회로의 환원이 이루어져야만 5개년간의 국고 와 노력이 헛되지 않을 수 있기에 제주도 내 수자원 과 관련한 유관기관과의 긴밀한 협조를 이끌어 내며
이를 유지하기 위한 노력은 필수적이었으므로 이를 위하여 과제의 충분한 성과달성을 위한 관리는 물론 해당 유관기관의 인사이동 등으로 인한 실무관이 변 경될 때마다 새로이 과제에 대한 설명과 이해 및 해 당 성과의 반영에 대한 의견이 반영될 수 있도록 방 문과 의견수렴 및 자문의 자리를 지속적으로 마련하 였다.
4. 맺음말
“제주형 물순환 해석 및 수자원 관리 기반구축”연
구 과제는 제주도의 기존 유량 관측 기술 보정식의 개발과 수위-유량관계곡선식을 보정을 통해 개발한 제주형 최적 유량관측기법을 적용하였고 5개년간 의 하천 현장 조사와 유관기관과의 긴밀한 정보협조 를 통하여 습득한 타 기관의 자료들을 정리하여 하 천 정보화 시스템 기초자료의 데이터베이스를 구축 하였다. 더불어 최초로 상시하천 용천수의 용출특성 을 해석하고자 인공위성 사진과 무인 비행선을 이용 하여 시험적 시도를 실시하였다. 1세부과제 주요 성 과는 제주도 하천에 대한 수리·수문조사 자료를 토 대로 신뢰할 수 있는 하천 설계 및 치수 방재를 수립 하고 제주지역의 특성을 반영한 홍수재해예방 대책 수립을 위한 기존 관측기기(Kalesto) 정밀도 향상과 정밀 유량관측 DB 구축하였다. 또한, 기존의 유량 계측 장비가 대부분 고가로 주요 하천 이외에 유량 관측지점의 전반적 확대에는 예산문제 등 실무적 한 계가 있어 저렴하고 안정적이며 실시간 무인 자동유 량 방식인 CCTV 유량관측 기술을 적용하였다.
지표수-지하수 통합 물수지 분석을 통하여 주요 유역의 지하수 함양량을 정밀 추정 및 검정하고 유 출 측정 자료를 활용하여 강수, 증발산, 하천유출, 지하수 유출 성분을 정밀 해석할 수 있는 기술을 제 시하였다. 제주도는 지하수에 절대적으로 의존하는 특수한 조건을 가지기 때문에 지하수 함양량을 정확 하게 산정하는 것이 제주 수자원 관리의 핵심이라 할 수 있다. 제주지역은 강수량의 대부분이 땅 속으 로 침투되어 일부가 하천으로 회귀되고 상당량은 증 발산 및 함양 과정을 통해 다시 대기로 환원되거나 지하수계로 유입된다. 따라서 증발산량의 정확한 산 정이 곧 함양량의 정확도를 결정되는 것임으로 증발 산량 산정 프로세스 교육을 실시하였다.
지하수 용수별 기초 통계 및 예측 자료들의 데이 터 베이스를 구축하고 공공 서비스화의 방안을 제시 하였고 가뭄기간을 고려한 장단기 용수 수요량 예측 프로그램을 개발하였다. 또한 블루오션으로서 경제 적 가치가 주목되고 있는 제주도 지하수자원의 경제 적 가치를 평가하여 결과를 제시하였다. 결과적으로
제주도에서 농업용수 이용량을 절감시키고 수자원 을 보호하기 위해서 제주도의 작물재배특성, 토양특 성, 지형조건에 적하한 고효율의 관수방법에 대하여 개발된 프로그램 GUI가 완료되면 수자원관련 연구 원 대상으로 교육할 계획이다.
이러한 제주형 물순환 해석 및 수자원 관리 기반 구축 연구 과제의 궁극적인 목표의 달성은 독립된 유역과 특이한 수리수문환경을 가지고 있어 내륙의 사례를 적용할 수 없어 수자원 연구의 기초자료가 없는 제주도 수자원 연구 현실에서 5개년간의 지속 적인 연구조사 자료와 더불어 각 기관에 흩어져 있 던 관련자료의 통합한 데이터베이스화를 시도하고 이를 통한 연구결과를 통한 행정적 제언 및 반영을 통하여 제주형 수자원의 통합관리의 필요성과 통합 관리의 방안 모색으로 새로운 패러다임의 통합수자 원관리와 물관리 체계 선진화의 필요성을 제주도에 제시함에 의의가 있다.
급증하는 인구유입, 가속화된 각종 개발사업 등으 로 제주도는 한정된 수자원, 해수침투로 인한 지하 수 염수화의 위험성, 상수도 유수율 제고, 개인 하수 처리 시설로 인한 오염원 관리, 강우패턴 변화로 인 한 폭우와 가뭄 빈도수 증가에 따른 불안정한 용수 공급 등 중장기적 대책 수립이 필요한 수자원 관련 문제들이 산재해 있으나 제주도의 수자원 관련 업무 는 현재 5개 이상의 부서로 분산되어 독립적으로 운 영되고 있어 이에 대한 문제의 제기와 담당 부서의 확인까지도 상당한 시간이 소요되는 등 업무의 연계 성 부족과 낮은 효율성 등으로 민원 해결은 물론 현 장 대처에도 문제점이 드러나고 있다. 이는 매해 여 름마다 찾아오는 태풍과 폭우로 인한 수재해가 발생 시 더욱 두드러지게 나타나고 있는데 이는 지난 5개 년간의 지역특성화 사업 연구 수행을 위하여 각 유 관기관과의 관계를 통하여 판단한 결론은 통합 수행 기관의 부재에서 나타나는 것으로 사료되었다.
따라서 우리 제주수자원연구단은 5개년간 누적된 귀중한 연구자료의 지속적인 누적과 경험이 헛되지 않도록 끝으로 제주도 내 유관기관과 도의회 등에
중요한 제주도 수자원 및 수재해의 과학적 체계적 통합적 연구를 위한 통합관리 기관의 설립을 통하여 지속가능한 청정 수자원 이용과 건전한 물순환이 유 지되고 도민 안전에 위협이 되는 재해·재난에 선제 적으로 대비 및 대응할 수 있도록 강력히 제언하고 있다.
제주지역의 정밀한 물순환 해석, 하천유출특성 규 명, 홍수재해 예방을 위한 정책 수립 등을 위해서는 가장 먼저 정밀한 하천유량자료 확보가 필요하다.
하천유량자료는 물순환 해석, 홍수해석, 유출특성 규명, 방재 등에서 매우 중요한 자료이고, 다양한 강 우-유출 모델의 검·보정, 하천기본계획 검증, 치 수계획 등에서 활발하게 활용되어 지속적인 수문관 측은 매우 중요하며 필요하다.
국토교통부 건설교통기술지역특성화 사업의 지원 을 받아 2010년 12월부터 수행된 본 연구는 수자원 개발 영향 해석 기술 확보, 안정적 수자원 이용 기반
구축, 국내 독자적 기술 확보 측면에서 제주도 수자 원 연구에 획기적인 이정표가 되었으며, 더 나아가 제주도의 물관리 기술을 한 차원 높은 단계로 상승시 킨데 큰 의의를 가진다. 더 나아가 제주수자원연구단 과 같은 수자원 통합관리기관이 분산되어 운영 중인 제주특별자치도 조직에 반영된다면 물이 생명인제주 도의 선진화된 수자원관리 기반이 조성될 수 있을 것 이다. 이는 우리 연구단의 성과가 과대 포장된 것이 아니라 미래 제주 청정 수자원 관리와 도민의 행복을 위해서도 반드시 필요할 것으로 사료된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 건설교통기술지역특성화사 업(10지역기술혁신BO2)의 연구비를 지원받아 수행 되었습니다.
