A Study on How to Reduce the Amount of Groundwater Used in the Dry Season and Improve the Water Quality of the Base Runoff

갈수기 지하수 물 사용량 저감 및 기저유출 수질 개선 방안 연구

Abstract

Based on the current status of groundwater usage in the dry season through field surveys, this study tried to suggest countermeasures to reduce groundwater usage and to improve the water quality of baseflow from agricultural fields. For this purposes, basins with water curtain cultivation preceded were targeted where decreases of groundwater due to continuous use of groundwater in spring and winter annually observed. From monitoring groudwater usage of the study watershed, 130,058, 130,105 m³/day of water was pumped in during the water curtain cultivation period (October-February) in the Shindun, Seokwon watershed respectively. And the pilot application of the smart automated sensor-based water curtain cultivation system (smart WC system) developed in this study to reduce groundwater consumption has been conducted. As a result, the efficiency of the smart WC system when threshold temperature is set as 6.3 ℃ was 21.1% compared to conventional cultivation and efficiency increased as threshold temperature gets lower. Lastly, in this study, culvert drainage and Bio-filters were installed and rainfall monitoring was performed 15 times in order to analyze the baseflow securement and pollutant loads behavior. As a result, the test-bed with culvert drainage and Bio-filter installed together generated 61.4% more baseflow (4.974 m³) than the test-bed with only culvert drainage was installed (3.056 m³). However, the total pollutant load of all water quality contents (BOD, COD, T-N, TOC) except for the SS and T-P was found to be greater in the culvert drain and Bio-filter installed than in the culvert drain test-bed.

Ⅰ. 서론

최근 급격한 기후변화로 인한 기온, 강수량 등의 시⋅공간적 변화는 홍수, 가뭄 등과 같은 자연재해의 빈도와 규모를 증가시키고 있다 (Kang, 2011). 특히 한강수계 주요 하천에서는 급격한 도시화 및 산업화로 인한 물 수요의 증가와 기후변화로 인한 강수량 감소 그리고 하천변 시설에서의 과다한 지하수 이용으로 인해 지하수위 변동이 발생하고 있다. 2018년 국가 지하수관측연보 및 지하수조사연보 (2018년)에 따르면 한강수계에 위치한 569개 관정 중 암반층 관정과 충적층 관정의 최근 5년간 (2013년∼2017년) 지하수위 평균 변동 폭은 각각 3.91 m와 2.73 m로 조사되었으며, 10년 이상 장기관측 자료를 보유한 430개소 관정 중 228개소 관정에서 지하수위가 하강 추세를 보이는 것으로 조사된 바 있다. 이처럼 강우나 하천수위 등 자연적인 원인과 양수, 유출 등 인위적인 원인에 의해 발생하는 지하수위의 하강은 지반 침하의 주요 원인이 되며, 하천 기저유출의 변화에도 큰 영향을 미치고 있다(Jeoung and Park, 2003). 기저유출에 의한 오염부하는 비강우시에도 일정량 이상 꾸준하게 유입되어 하천의 기본수질에 지속적인 영향을 미치기 때문에 건기시 하천 수질관리는 하천 수질과 수생태계 관리에 있어 매우 중요한 요소에 해당된다. 또한 기후변화에 의한 이상가뭄 발생 등을 대비하기 위한 비상용수 또는 대체수자원으로서의 지하수 개발수요가 증가하는 추세에 따라 기저유량 확보 및 수질 개선 방안을 수립하는 것은 지속가능한 수자원 이용 관리 측면에 있어서 매우 중요하다 (KEI, 2005).

1984년 국내에 수막재배가 보급된 이후 재배면적이 급속히 확산되어 2006년에는 10,746 ha의 시설에서 사용되고 있으며, 농업용수로 사용되는 지하수 중 상당량이 수막재배에 사용되고 있는 것으로 추정되고 있다 (Kim et al., 2007). 통계에 따르면 연간 농업용수 및 수막재배에 이용되는 지하수량은 각각 약 17 억 톤 및 15 억 톤으로 (Korea Water Resources Corporation, 2007; Rural Development Administration, 2007), 그 이용이 주로 겨울철에 집중되어 있다. 강수량이 적은 시기에 편중된 지하수 이용형태는 지하수 고갈을 야기할 수 있으며, 하천유지에 필요한 공급원으로서의 지하수 유출량 또한 감소시킬 수 있다.

이에 지하수 사용을 고려한 연구가 최근 활발하게 수행되고 있다. Kim et al. (2012)은 비닐하우스 밀집지역의 하천수량 변화를 계측하여 지하수 양수에 따른 지하수위와 하천-대수 층간의 상호 유동량 변화를 정량적으로 분석하였다. Chung et al. (2016)은 수막재배지역의 수문성분 해석 및 평가를 하였으며, Chung et al. (2011)은 SWAT 모형에 지하수 수치해석모형 MODFLOW 모형 (McDonald and Harbaugh, 1988)을 완전 연동형으로 결합한 지표수-지하수 통합모형 SWAT-MODFLOW(Kim et al., 2008)를 무심천 유역에 적용하여 지하수 양수 시나리오에 따른 대수층 저류량 및 하천유량의 변화를 분석하였다. 국토해양부와 한국건설교통기술평가원 (2007)에서는 무심천 유역에 대하여 실제 관정들의 양수량과 지표수-지하수 상호흐름을 종합적으로 고려하여 지하수 양수에 따른 지하수위의 저하를 SWAT-MODFLOW 모형을 이용하여 모의하였다. Kim et al. (2012)은 신둔천과 죽산천 유역을 대상으로 SWAT-MODFLOW 모형을 이용하여 지하수 이용에 따른 하천수 변화량을 평가하였으며, 신둔천 유역의 경우 지하수 양수로 인해 지하수 이용이 없는 자연상태에 비해 연평균 하천 유량이 10% 넘게 감소하였고, 갈수량은 약 40%만큼 감소하였다고 보고하였다. 이처럼 국내 지하수 사용과 지하수 사용에 따른 하천유량의 변동에 관한 연구는 활발히 진행 되었으나, 실질적으로 적용 가능한 지하수 저감 방안 및 지하수질 개선 방안에 대한 연구는 미비한 실정이다.

이에 본 연구에서는 갈수기인 봄과 겨울 지속적인 지하수 이용으로 인한 지하수 감소가 우려되는 수막재배 유역을 대상으로 1) 지하수 물 사용량 현황파악과 저감 방안 모색,2) 그리고 농경지 기저 유출 수질개선 방안에 대해 연구하고자 하였다.

Ⅱ. 연구방법

1. 연구대상유역 선정

대상유역은 환경부 2018년 지하수조사연보의 한강 상류수계 중권역별 지하수사용량 현황을 분석하여 기저유량 확보 및 수질개선 대책 수립이 필요하다고 판단되는 유역을 선정하고자 하였다. 분석 결과 남한강하류 중권역에서의 지하수 사용량은 연간 150.21 백만 m³으로 한강 상류수계 전체 지하수사용량의 약 34.5%를 차지하는 것으로 분석되었다. 또한, 남한강하류 중권역에 위치한 행정구역별 지하수 개발가능량 대비 지하수사용량을 분석한 결과 지하수 개발밀도가 높은 경기도 이천시에서 개발가능량 대비 지하수사용량이 가장 많은 것으로 조사되었다. 경기도 이천시의 대표적인 하천은 복하천과 청미천이 있으며, 이중 상류의 복하천 유역의 신둔천과 청미천 유역의 석원천을 대상 하천으로 선정하였다.

신둔천은 경기도 이천시 신둔면 용면리에서 발원하여 신둔면과 이천시의 경계를 이루며 복하천 본류로 합류하는 지방 하천으로 유역 면적은 53.6 km²로 복하천 유역 전체 면적의 약 17.5%를 차지하고 있으며, 평균표고 및 경사가 각각 109.3 m 및 18.3%이다. 신둔천 유역 내 토지이용은 도시 11.3%, 산림 34.6%, 논 18.5%, 밭 14.2%, 기타 21.3%로 구성되어 있다. 석원천은 경기도 이천시 율면 신양리에서 발원하여 청미천 본류로 합류하는 지방하천으로 유역 면적은 52.0 km²로 청미천 유역 전체 면적의 약 8.75%를 차지하고 있으며, 평균표고 및 경사가 각각 118.5 m, 14.5%이다. 석원천 유역 내 토지이용은 도시 6.6%, 산림 29.9%, 논 25.6%, 밭 20.0%, 기타 17.9%로 구성되어 있다. 신둔천과 석원천 유역은 토지이용 분석결과와 같이 농업지역이 발달하여 있고, 하천 인근의 비닐하우스 시설재배단지에서 매년 겨울철 지하수가 수막재배용으로 사용되고 있는 것으로 나타났다. 두 유역을 대상으로 시설재배 하우스 현장조사를 수행한 결과 각 유역별 시설재배 하우스는 총 3,475 (신둔천), 4,469개동 (석원천)이 위치해 있고, 이중 하천변을 따라 위치한 1,608개동 (신둔천), 1,604개동 (석원천)에서 수막재배를 하는 것으로 조사되었다.

Fig. 1 Location of study area

이처럼 2개의 유역 내 7,944개의 총 재배시설 하우스 중 약 3,212개동 (40%)에서 수막재배가 이루어지고 있는 것으로 조사되어 겨울부터 이른 봄 (10월∼2월 말)까지 수막용 지하수 사용이 유역 내 하천 기저유량 변동에 상당한 영향을 미치고 있을 것으로 판단하였다.

2. 지하수 물 사용량 저감 방안

가. 수막재배 특성

수막재배는 겨울철 일몰 후 겹겹이 이루어진 비닐하우스 지붕 사이에 지하수를 뿌려 수막을 만들어 낮 동안 데워진 하우스 내부 열의 유출을 막는 시설재배 농법이다 (Fig. 2). 수막의 원리는 15℃ 내외의 온도를 가진 물의 잠열을 이용하는 것으로 물 1 g을 1℃ 올릴 때 필요한 열량이 1 ㎈이고 반대로 온도가 내려가면 열량을 방출하는 원리로 이것을 이용한 것이 수막보온이다. 지하수는 추운 겨울에도 평균 수온이 15℃ 내외를 유지하기 때문에 수막재배에 활용이 가능하다. 그러나 수막재배시설의 살수시간은 보통 하루 14∼15시간 정도로 10 a당 평균 250 L/min 정도의 많은 양의 지하수가 사용된다. 따라서 무분별한 지하수 사용을 막기 위해 적절한 지하수 물 사용량 저감 방안이 필요하다.

Fig. 2 Schematic diagram of the water curtain system

나. 수막재배 하우스 물수지 모니터링

본 연구에서는 연구 대상 유역 내 현장 전수조사를 통해 수막재배 시설 현황 DB를 구축하고, 2019년 11월 15일부터 2020년 2월 24일까지 겨울철 수막재배 물수지 모니터링 조사결과를 바탕으로 연구유역에서의 수막용 지하수 사용량을 정량화하고자 하였다.

수막재배 하우스 물수지 모니터링을 위해 경기도 이천시 율면 신추리에 위치한 10개 동 (총 부지 면적 : 5,913 m²)을 선정하였으며, 관정 펌프에 총 양수되는 물의 양과 농업용수에 사용되는 양, 그리고 배수량을 모니터링 하기 위해 총 12개의 계량기를 설치하였다. 수막재배시설용 관정펌프 계량기는 총 7대 (1∼7번), 농업용수 1대 (8번), 그리고 배수량 계량기 4대 (9∼12번)를 설치하였다 (Fig. 3). 계량기 수치는 일단위로 확인하여 1∼7번 계량기의 합을 양수량 (지하수 사용량), 8번 계량기를 농업용수 (작물재배용수 사용량), 그리고 9∼12번 계량기의 합을 배출량으로 산정하였으며, 해당 하우스에서 사용되는 지하수 사용량과 그 중 작물재배를 위해 사용되는 지하수량, 수막재배용으로 사용된 후 배출되는 배출량을 정량화하여 분석하였다. 또한, 대상 하우스와 가장 가까운 지역별상세관측자료 (장호원 관측소)의 기상 데이터 (일 강우량, 일별 최저온도)를 이용하여 기온과 강우에 따른 지하수 사용량의 변화를 분석하였다.

Fig. 3 Groundwater usage monitoring points for water curtain cultivation facilities

다. 스마트 지하수 물 관리 자동화 시스템

현재 수막재배를 위해 겨울철 사용하는 지하수는 온도에 상관없이 타이머를 활용하여 일정한 시간이 경과함에 따라 모터를 작동시켜 사용한다. 이는 기온이 상승하여 수막이 필요하지 않은 상황에서도 저렴한 전기료로 인해 지속적으로 지하수를 사용하게 된다. 따라서, 본 연구에서는 기온 상승시 자동으로 펌프를 멈추고 기온이 영하로 떨어졌을 경우에만 작동하여 지하수 물 사용량을 절감하기 위한 스마트 자동화센서 기반 수막재배 시스템을 개발하고 이에 대한 적용성을 평가하고자 하였다 (Fig. 5). 지하수 사용량과 펌프의 작동시간, 그리고 필요시간 등을 고려하여 시스템을 적용 할 경우 절감할 수 있는 지하수 사용량을 도출하였다.

Fig. 4 Installation of meters for water curtain cultivation facility

Fig. 5 Comparison before and after smart water curtain cultivation system construction

Fig. 6 Smart water curtain cultivation automatic control system front (left), rear (right)

Table 1 Smart water curtain cultivation system finance

개발한 시스템은 산업용 제어보드, 수량제어용 솔레노이드, 유량계, 그리고 온도 제어장치를 활용하여 기존의 지하수 펌프를 동작시키는 시스템을 개량하였으며, 수막재배 하우스 내⋅외부 온도에 따라 펌프 모터 작동이 자동적으로 작동할 수 있도록 구현되었다. 작물생육에 필요한 최적온도는 시스템 내 설정이 가능하며, 시스템 외부에 펌프 모터 작동 스위치가 설치되어 있어 환경에 따라 농민이 수동으로 수막재배 펌프 작동이 가능하다. 시스템의 전체 구성은 온습도 측정 시스템과 자동제어 시스템, 모터 구동 시스템으로 구성되어있다. 온습도 측정 시스템에서는 일정시간 간격으로 수막재배 하우스 입구 근처에 설치된 3개의 온습도 측정 센서를 통해서 측정되는 데이터를 저장하며, 자동제어 시스템에서는 이를 기준 온도 값 (사용자 입력)과 비교하여 모터 구동 여부를 결정한다. 그리고 모터 구동 시스템은 자동제어 시스템에서 입력 신호를 받아 지하수 펌프 모터의 동작을 제어한다.

3. 기저유출 수질 개선

가. 시험포 조성

농경지에서 기저유량 확보 방안을 모색하기 위해 바이오필터와 암거배수를 이용하여 시험포를 설치하였다. 강우발생시 강우 이벤트에 대한 시험포의 기저유출 확보 효과를 분석하고자 하였다. 시험포의 경우 강우시 접근성이 용이하고 주기적인 시험포 관리가 이루어져야 하기 때문에 강원도 춘천시 서면 방동리에 시험포를 설치하였다. 바이오필터는 미생물을 토양, 이탄재, 고분자폼 및 세라믹 다공체 등의 다양한 미생물 고정화용 담체에 부착 및 생육시켜 미생물의 대사활동에 의해 오염물질이 물과 이산화탄소 그리고 무해한 염으로 분해되는 환경 친화적 경제적 처리공법으로 수질농도 저감에 효과적이다 (Mathis et al., 2016; Laura et al., 2017). 또한, 암거배수의 경우 토양의 공극을 유지할 수 있는 구조물로써 토양의 침투량을 증가시켜 기저유출량을 확보할 수 있을 것으로 기대하였다. 이에 바이오 필터와 암거배수를 설계 및 시공하여 직접/기저유출량 및 수질을 모니터링하였으며, 모니터링 결과를 이용하여 침투량 확보 및 수질 개선효과를 분석하고자 하였다.

대조구를 포함하여 총 3개의 시험포를 조성하였으며, 대조구는 폭 3 m와 길이 10 m의 농경지이며, 암거배수 시험포는 동일한 경작지에 시중에서 판매되는 유공관 (400 mm)을 사용하여 토양의 표면에서 0.3 m 깊이에 10 m의 길이로 유공관 상부가 위치하도록 설치하였다. 바이오필터+암거배수 시험포는 바이오필터 기능을 위해 골판지, 짚, 옥수수 속 및 녹색 폐기물을 포함한 많은 유형의 소재가 사용될 수 있으나, 본 연구에서는 일반적으로 널리 사용되고, 상대적으로 저렴한 우드칩을 사용하였다. 우드칩은 시험포 하단부에 0.3 m 깊이에 길이 2 m, 폭 3 m로 설치하였으며, 유공관 (400 mm)은 암거배수 시험포와 토양의 표면에서 0.3 m 깊이에 길이 8 m로 설치하였다.

시험포에는 관행농법을 재현하기 위해 참깨를 재배하였으며, 강우에 의해 시험포 밭의 표면에서 발생하는 직접유출수는 시험포 하단에 설치한 Flume을 통해 유입되고, 토양으로 침투 한 뒤 토양내에서 발생하는 기저유출수는 유공관을 통해 침사지 통으로 유입되도록 하였다. 침사지 통으로 유입된 유출수의 직접/기저 유출수의 유량과 수질농도를 측정하여 오염부하를 산정하였다. 직접/기저 유출수 산정된 오염부하를 이용하여 대조구 대비 암거배수와 바이오필터+암거배수의 수질개선 효율을 분석하였다.

Fig. 7 View of the Bio-filter/culvert test-bed​​​​​​​

나. 오염부하 산정 및 효율 산정 방안

오염부하는 Flume과 암거배수를 통해 직접/기저 유출수량과 분석된 수질 농도를 이용하여 분석하였다. 모니터링시 채수된 시료는 BOD₅, COD_Mn, SS, T-N, T-P, TOC 등 6개 항목에 대하여 수질공정시험법 (Ministry of Environment, 2020)에 따라 분석하였으며, 항목별 배출특성은 부하량 합산법(Summataion of Loads, SOR)으로 유출수의 유량 및 수질 분석 결과를 활용하였다. 각 시험포에서 오염물질별 부하량 합산법의 처리 효율 산정식 (1)은 다음과 같다.

\(\begin{aligned}Removal \; Efficiency(\%)=\frac{\sum_{t=1}^{t=T} C_{i}(t) Q_{i}(t)-\sum_{t=1}^{t=T} C_{0}(t) Q_{0}(t)}{\sum_{t=1}^{t=T} C_{i}(t) Q_{i}(t)} \times 100\end{aligned}\)       (1)

여기서, Removal Efficiency는 오염물질 제거효율이며, C_i(t)는 시간 t에서 시설내로 유입되는 오염물질의 농도, Q_i(t)는 시간 t에서 단위 시간당 시설내로 유입되는 유량, C₀(t)는 시간 t에서 시설에서 유출되는 오염물질의 농도, Q₀(t)는 시간 t에서 단위 시간당 시설에서 유출되는 유량, Total Runoff Duration은 시설내로 유입되는 총 강우지속 시간이다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 수막재배 용수 확보

가. 수막재배 하우스 물수지 모니터링

수막재배의 물수지 모니터링을 수행한 19년 11월부터 20년 2월까지 지하수 사용량은 일평균 기온이 상승하면 감소하고, 반대로 하강하면 증가하는 반비례 관계에 있는 것으로 나타났다. 기간 내에 양수된 지하수는 총 29,178.9 m³으로 나타났으며, 일평균 양수량은 767.87 m³/day로 나타났다. 또한, 양수된 지하수 중 작물재배용수로 사용된 양은 총 양수된 지하수량의 1.84%에 해당하는 537.0 m³ (일평균 14.1 m³/day)이며, 양수된 지하수 중 약 36.1%에 해당하는 10,539.0 m³/day는 수막재배에 활용되고 남은 수량으로 수로를 통해 배출되는 것으로 조사되었다. 이를 통해 산정된 수막용 지하수 사용량 자료와 앞서 조사된 연구 유역 내 수막재배 하우스의 면적비를 이용하여 유역단위 수막용 지하수 사용량의 총량을 분석한 결과, 신둔천 (유역면적 53.6 km²)과 석원천 (유역면적 52.0 km²) 유역은 평균적으로 각각 130,058 m³/day, 130,105 m³/day의 지하수가 수막용으로 사용되는 것으로 분석되었다.

Fig. 8 Groundwater usage and drainage at water curtain cultivation facility​​​​​​​

연구결과와 같이 많은 양의 지하수가 겨울철 수막재배를 위해 양수되고 있는 것으로 분석되었으나, 본 결과는 우심유역 내 위치한 모든 수막재배 하우스에서 수막재배용 펌프가 동일한 조건에서 가동되었다는 것을 가정하여 도출되었으며, 실제 수막재배용 하우스마다 펌프 용량과 작동 시기, 재배작물 등 다양한 조건에 따라 지하수 사용량은 차이가 발생 할 수 있다.

나. 스마트 지하수 물 관리 자동화 시스템

수막재배 기간 중 2020년 1월 22일∼2020년 2월 5일까지 스마트 지하수 물 관리 자동화 시스템을 시범 적용 (온도 : 6.3 ℃)한 결과 수막가동 시간은 총 9,936 시간, 지하수 사용량은 1,0234.0 m³/ha/day로 분석되었다. 본 시스템이 적용되지 않은 수막재배 (면적 : 3,305.72 m²)의 경우 관행 재배를 할 경우 1,298.7 m³/ha/day의 지하수를 사용하는 것으로 분석되어, 시스템이 적용될 경우 약 21.1%의 지하수 사용량을 절감할 수 있는 것으로 분석되었다. 이는 석원천 유역 내 전체 수막재배 하우스에 스마트 자동화 센서 기반 수막재배 시스템 도입 시 약 83,237.5 m³/ha/day의 지하수 사용량 절감과 함께 하천의 기저유량 확보가 가능함을 의미한다. 이외에도 구축된 DB를 활용하여 다양한 온도에서의 물 사용량을 분석한 결과, 최적온도를 5.5 ℃와 4.5 ℃로 설정할 경우 관행재배의 지하수 사용량에 비해 각각 906.0 m³/ha/day (31.2%), 712.1m³/ha/day (45.2%)의 사용량을 절감할 수 있는 것으로 분석되었다. 작물마다 냉해 및 생장저해 온도가 다르므로 영농인이 작물의 조건에 따라 온도를 조절해야하는 한계점이 있지만, 향후 작물별 최적 생장온도 DB가 구축되어 본 시스템에 도입된다면 작물 생산성 확보뿐만 아니라, 봄철 지하수 및 기저유량 확보를 위한 효율적인 지하수 사용이 가능할 것으로 판단된다.

Fig. 9 Reduction efficiency of groundwater usage depending on the threshold temperature using the automated system​​​​​​​

2. 암거배수와 바이오필터 효과 분석

가. 기저유량 확보 능력 평가

암거배수와 바이오필터의 기저유량 확보 능력을 평가하기 위해 직접유출량과 기저유출량을 비교 분석하였다. 시험포가 조성된 이후인 2020년 5월부터 9월까지 총 15차례의 강우사상을 관측하였으며, 직접유출의 경우 대조구에서 발생한 직접유출은 총 5.191 ㎥로 나타났다. 암거배수 시험포와 암거배수+바이오필터 시험포에서는 총 2.190 ㎥과 2.186㎥의 직접유출이 발생하여, 대조구 대비 총 직접유출량 저감효과는 57.8％와 57.9％로 유사하게 나타났다. 기저유출의 경우 암거배수 시험포는 15회의 모니터링 중 6회의 모니터링에서 총 3.056 ㎥의 기저유출이 발생하였으며, 바이오필터 시험포는 15회의 모니터링에서 총 4.974 ㎥의 기저유출이 발생하였다. 모니터링 결과 암거배수로 인해 직접유출을 저감할 수 있는 것으로 나타났으며, 암거배수와 함께 바이오필터를 설치할 경우 기저유량 확보 능력이 높아진 것으로 나타났다.

본 연구에서는 3 m 폭의 경작지에 유공관 한 개를 매설하였으나 일정 간격으로 다수의 유공관을 매립할 경우 높은 기저유량 확보 효과를 기대 할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 10 Comparison of runoff reduction efficiency (1st∼15th)​​​​​​​

Table 2 Reduction efficiency of pollution load in runoff (1st-15th)​​​​​​​

나. 수질개선 효과 분석

오염부하 값을 비교한 결과 암거배수와 바이오필터로 인한 직접유출수의 오염부하 저감효과는 대조구 대비 75.2∼83.4(평균 78.6)%와 30.3∼81.1 (평균 61.0)%의 저감효과가 있는 것으로 나타났다. T-P 항목을 제외한 모든 수질 항목에서 암거배수 시험포의 저감효과가 바이오필터 시험포에 비해 상대적으로 큰 것으로 나타났으며, 특히 BOD5 항목과 TOC 항목의 경우 바이오필터 시험포 (48.5%와 30.3%)에 비해 암거배수 시험포 (83.4%와 75.2%)의 오염부하 저감효과가 큰 차이를 보이는 것으로 나타났다. T-P 항목의 경우 바이오필터 시험포 (81.1%)가 암거배수 시험포 (75.2%)보다 오염부하 저감 효과가 큰 것으로 나타났다. CODMn 항목의 경우 암거배수 시험포와 바이오필터 시험포에서 각각 82.4％와 63.5％, SS 항목은 78.2％와 73.1％, 그리고 T-N 항목은 77.0％와 69.6％의 오염부하 저감효과가 나타났다.

기저유출의 경우 총 오염부하는 SS 항목과 T-P 항목을 제외한 모든 수질 항목의 총 오염부하가 암거배수 시험포 보다 바이오필터 시험포에서 더 높게 나타났다.

본 연구에서 수행한 모니터링 결과는 Laura et al. (2017)의 연구결과에 비해 수질 개선효과가 높게 나타나지 않았다. 이는 본 연구에서는 국내 농업환경에서의 실제 적용성을 위하여 강우에 의한 수직방향 침투량에 대한 수질개선 효과를 분석하는 등 현장 적용 방법에 따른 차이로 판단된다. 또한, 바이오필터 설치 이후 초기 저감효율이 없거나 (Mathis et al., 2016) 초기 수질 농도가 증가했다가 약 300일 이후부터 저감 효과가 나타난 사례 (Laura et al., 2017), 바이오필터 가동 후 9년차까지의 수질 개선 효과를 분석한 사례 (Moorman et al., 2010)등의 선행연구를 바탕으로 바이오필터 내 우드칩의 안정적인 질소저감 여건을 위해서는 지속적인 안정화 기간이 필요한 것으로 판단된다.

Ⅳ. 요약 및 결론

본 연구에서는 수막재배 시설단지의 수막재배시기에 지속적인 지하수 사용으로 인한 지하수 감소가 우려되는 지역을 대상으로 지하수 물 사용량 저감 방안을 모색하고, 농경지의 유공관과 바이오필터 적용을 통한 기저유량 확보와 수질 개선 효과를 분석하였다.

연구유역 내 수막재배에 사용되는 물 사용량을 정량화 한 결과 신둔천과 석원천 유역은 평균적으로 각각 130,058 m³/day, 130,105 m³/day의 많은 양의 지하수가 수막용으로 사용되는 것으로 분석되었다.

지하수 사용량 저감 방안 중 하나로 스마트 자동화 센서기반 수막재배 시스템을 개발하고 이에 대한 적용성을 평가한 결과, 6.3 ℃의 온도로 설정된 시스템이 적용될 경우 관행 재배 하우스 (1,298.7 m³/ha/day)에 비해 약 21.1%의 지하수 사용량을 절감할 수 있는 것으로 분석되었다. 또한 최적온도를 5.5 ℃로 설정할 경우 906.0 m³/ha/day로 31.2%, 4.5 ℃로 설정할 경우 712.1 m³/ha/day로 45.2%의 물 사용량을 절감할 수 있는 것으로 분석되었다. 향후 작물별 최적 생장온도 데이터베이스가 구축되어 본 시스템에 도입된다면 작물 생산성 확보 뿐만 아니라, 봄철 지하수 및 기저유량 확보가 가능할 것으로 기대된다.

또한, 암거배수와 바이오필터를 농경지에 설치해 침투량 및 수질 개선 효과를 분석한 결과, 바이오필터 시험포 (57.9%)와 암거배수 시험포 (57.8%)의 직접유출수 저감효과가 유사하게 나타났다. 그러나 총 오염부하의 경우 암거배수 시험포(평균 78.6%)가 바이오필터 시험포 (평균 61.0%)보다 저감효과가 더 높은 것으로 나타났다. 기저유출의 경우 암거배수+바이오필터 시험포 (총 4.974 m³)가 암거배수 시험포 (총 3.056m³)보다 약 61.4% 많은 양의 기저유출수가 발생하였으나, 총 오염부하는 SS 항목과 T-P 항목을 제외한 모든 수질 항목에서 암거배수 시험포보다 바이오필터 시험포에서 더 높게 나타났다. 이와 같이 시험포 중간에만 설치한 암거배수보다 암거배수와 함께 바이오필터를 함께 설치할 경우 기저유량 확보에 효과적인 것으로 나타났지만 바이오필터 (우드칩)에서 발생되는 유기물로 인해 일부 수질 항목의 농도가 증가하는 것으로 나타났다. 그러나, 시간이 지남에 따라 바이오필터에 의한 영향이 줄어들어 안정화되는 경향이 나타나, 장기적으로 설치할 경우 바이오필터에 의한 수질개선 효과는 증대할 것으로 기대된다.

따라서 바이오필터의 안정화 기간을 고려한 지속적인 모니터링을 통한 기저유량 확보 및 수질개선 효과 분석이 필요하며, 이를 통해 갈수기 지하수와 기저유량 확보 및 수질 개선을 위한 적절 방안으로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 한강수계관리위원회 환경기초조사사업 연구[기저유량 변동 및 하천 수질영향 특성과 회복방안 연구(2021)] 수행의 일환으로 수행되었습니다. 이에 감사드립니다.