농업용 지하댐을 이용한 우리나라 대용량 지하수 공급 체계 현황

명우호 ( Wooho Myoung ),송성호 ( Sung-ho Song ),용환호 ( Hwan-ho Yong ) 한국농공학회 2019 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2019 No.-

현행 지하수법에 따르면 지하댐은 지하수자원 확보 시설로, 일반적으로 대수층의 하류부에 저투수성의 차수벽을 설치하여 땅 속을 흐르는 지하수를 인위적으로 저장하는 시설이다. 대수층의 최하류부인 해안지역에 설치되는 지하댐의 경우에는 지하수의 저장과 동시에 지하수의 과잉양수로 인해 야기될 수 있는 대수층을 통한 해수침투 영향을 방지할 수 있다. 지하댐은 주로 건조기후 지역이나 도서지역과 같이 수자원확보가 불리한 지역에서 활용되고 있으며, 인접한 중국과 일본의 경우 도서지역의 수자원확보와 해안지역 해수침투 방지를 위하여 각각 7개와 18개의 지하댐이 설치되었다. 국내 농업용 지하댐은 1981년 발생한 극심한 가뭄에 대응하여 수립된 정부의 농업용수 10개년 개발계획(1982-1991)의 일환으로 1983년에 준공된 이안지하댐이 최초로, 1986년 4개의 지하댐이 추가 설치되었다. 이 후 1998년 속초 쌍천 일원에 생활용수 확보를 위한 지하댐이 건설되어 현재 국내에는 총 6개의 지하댐이 운영되고 있다. 이 중 농업용 지하댐의 저류량은 평균 3,002천㎥(1,543∼4,143천㎥)이며, 계획취수량은 평균 24천㎥(16∼28천㎥), 수혜면적은 평균 130.8ha(99∼155 ha)이다. 이안지하댐과 고천지하댐은 주수원으로서 운영 중이며, 남송지하댐과 옥성지하댐은 각각 상류부에 설치된 저수지와 취입보의 보조수원으로서 운영 중이다. 우일지하댐은 주수원에 대한 보강개발이 완료되어 현재 가뭄 시에만 비상가동하는 비상수원으로 운영하고 있다. 2011∼2018년간 각 지하댐별 필요수량 대비 지하수 공급량을 분석한 결과 필요수량의 평균 18.4∼75.2%를 공급하였으며, 주로 가뭄이 발생했던 봄 기간(4∼6월)에는 평균 23.2∼102.9%를 공급하였다. 가뭄 시 주수원의 용수 공급량 대비 지하댐의 공급 효과를 분석하기 위하여 실제 가뭄이 발생했던 옥성지하댐 수혜구역에 대한 2017년 수원공별 용수 공급량을 분석하였다. 본 지구의 연간 농업용수 필요수량은 1,787.7천㎥, 주수원으로부터 공급된 농업용수량은 1,051.8천㎥(필요수량 대비 58.8%), 지하댐으로부터 공급된 농업용수량은 831.6천㎥(필요수량 대비 46.5%)으로 분석되었다. 특히 실제 가뭄이 발생했던 4∼6월 기간 중 필요수량은 총 1,072.5천㎥, 주수원공으로부터 공급된 농업용수는 412.6천㎥(필요수량 대비 38.5%), 보조수원인 지하댐으로부터 공급된 농업용수는 590.2천㎥(필요수량 대비 55.0%)로 나타났다. 따라서 당초 보조수원으로 설치된 지하댐이라 하더라도 가뭄과 같은 특수한 상황에서 충분히 주수원을 대체할 수 있는 수자원으로의 효과가 있다고 판단된다.

물수지 분석법을 이용한 이안지하댐 유역의 지하수 공급 가능량 추정

명우호 ( Wooho Myoung ),송성호 ( Sung-ho Song ) 한국농공학회 2019 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2019 No.-

경북 상주시의 이안지하댐은 1981년에 발생한 극심한 가뭄에 대응하기 위하여 농업용수 10개년 개발계획(1982-1991)의 일환으로 설치된 우리나라 최초의 지하댐이다. 이후 농업용 지하댐은 1986년에 추가로 4곳(남송, 옥성, 고천, 우일)이 준공되어 운영 중으로, 최근 기후변화로 인한 빈번한 가뭄발생과 더불어 농업환경 변화에 따른 지하수 수요 증가에 따라 추가 설치의 필요성이 증가되고 있다. 이 연구에서는 지하댐의 효과와 함께 조사·설계 과정의 표준화 자료 획득을 위하여, 이안지하댐 유역을 대상으로 물수지 분석 방법(water balanced method)을 이용한 수문분석을 실시하였다. 수문분석 자료를 이용한 지하수 함양량은 전체 수문총량에서 실제 증발산량과 직접 유출량을 뺀 값으로 추정하였으며, 지하수 공급 가능량은 국가지하수관리기본계획에서 제시된 함양량 대비 73%인 지하수 개발 가능량을 이용하였다. 수문총량은 이안지하댐 유역 전체 면적(21,521천 ㎡)에 대하여 기상청이 운영하고 있는 종관기상관측소(AWS)를 대상으로 티센망(Thiessen polygon)을 구축한 후, 관측소별 면적비를 각 관측지점의 강수량으로 계산한 면적 강수량을 적용하여 산출하였다. 실제 증발산량과 직접 유출량 산출은 각종 개발과 농업여건 등의 변화를 반영하기 위하여 연도별 토지 피복도와 국립농업과학원에서 제공한 정밀토양도를 분석 과정에 이용하였다. 실제 증발산량은 Penman-Monteith가 제안한 방법으로 잠재 증발산량과 작물의 수분 스트레스 지수를 이용하여 계산하였다. 잠재 증발산량 산출을 위한 작물계수는 토지피복 특성을 6가지로 유형화(경작지, 과수원, 초지, 산림, 하천 및 저수지, 기타)한 월별 작물계수를 적용하였다. 수분 스트레스 지수 산출에 필요한 토양수분 보유능을 계산하기 위하여, 우선적으로 토지피복 특성과 표토토성별 면적을 산출하였다. 직접 유출량은 미국 자연자원보존국에서 개발한 유출곡선지수방법(NRCS-CN)을 이용하여 산출하였다. 이 방법은 침투 및 유출량의 크기에 영향을 미치는 인자로 토지피복상태, 수문학적 토양군, 선행토양함수 조건 등을 고려하였다. 본 연구에서는 유역평균 유출곡선지수(CN)을 산출하기 위하여 중분류 토지이용 특성별로 수문학적 토양군(A, B, C, D)에 따른 면적을 분석하였다. 분석 결과 이안지하댐 유역의 수문총량은 2011년을 기준으로 총 35,855천 ㎥, 실제 증발산량은 14,083천 ㎥으로 각각 산출되었다. 직접 유출량은 중분류 토지피복도와 정밀토양도 분석을 통해 산출된 유역 평균 유출곡선지수는 58.7을 적용한 결과 7,674천 ㎥으로 산출되었다. 따라서 이안지하댐 유역에 대한 지하수 함양량은 14,098천 ㎥으로, 지하수 공급 가능량은 함양량의 73%인 10,292천 ㎥으로 분석되었다. 따라서 명우호 등(2018)이 제시한 이안지하댐 유역의 지하수 이용량 546천 ㎥을 적용하면 전체 지하수 함양량의 5.3%로 약 95%의 지하수 공급 가능량의 여유가 있는 것으로 나타남에 따라, 이 지역의 경우 가뭄 시에도 지하댐 상류부에서 관정 개발을 통한 지하수 추가 공급 여력이 충분할 것으로 판단된다.

농업용 지하댐 조사·설계 표준화 방안

명우호(Wooho Myoung),송성호(Sungho Song),박진현(Jinhyun Park) 대한지질학회 2018 대한지질학회 학술대회 Vol.2018 No.10

통계자료를 이용한 밭용수 수요량 추정

명우호 ( Wooho Myoung ),이병선 ( Byungsun Lee ),이규상 ( Gyusang Lee ),송성호 한국농공학회 2020 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2020 No.-

우리나라 연간 수자원 이용량은 372억 ㎥이며, 이 중 약 41%인 152억 ㎥을 농업용수로 이용하고 있다. 이에 따라 최근 시행된 통합 물관리 정책의 주요 목표인 수요자 중심의 물공급 정책을 달성하기 위하여 연간 수자원 이용량의 상당부분을 차지하는 농업용수의 수요를 잘 예측하는 것이 중요하다. 통계청이 제공하는 농경지 면적 자료에 따르면 우리나라 농경지 면적은 2000년 1,889천 ha에서 2019년 1,581천 ha로 감소 추세에 있으나, 밭면적은 2000년 740천 ha에서 2019년 751천 ha로 점진적인 증가 추세에 있다. 환경부에 따르면 2018년 기준으로 농·어업용 지하수시설은 총 792,321개이다. 이 중 답작용은 443,456개(56.0%)이며 전작용은 237,395개(30.0%)이다. 지하수 이용량은 답작용이 586백만 ㎥/yr이며 전작용은 560백만 ㎥/yr이므로 밭용수가 단위 시설당 지하수 사용량이 논에 비해 높다고 할 수 있다. 밭용수 수요량을 평가하기 위한 가장 중요한 요소는 작부체계를 파악하는 것이다. 우리나라 밭의 경우 일부 주산단지를 제외하면 다품목소량 생산구조가 지배적이며, 매년 재배작물이 일정하지 않아 정확한 작부체계를 파악하는 것이 어렵다. 따라서 본 연구에서는 주산단지를 제외한 지역에서의 미래 밭용수 수요량을 평가하기 위하여 용인시 남사면과 백암면 지역에 대한 통계자료를 이용하여 밭용수 수요량을 평가하는 방안을 제시하고자 한다. 본 연구에서 작물 재배 시설은 크게 밭, 시설재배지, 과수원으로 구분하고, 이에 대한 각각의 면적을 추정하기 위하여 환경부가 1980년부터 2014년에 대해 구축한 연도별 토지피복도를 이용하였다. 중분류 토지피복도를 바탕으로 분류된 시가지, 논, 밭, 시설재배지, 과수원에 대한 연도별 면적변화를 분석하고 최소자승법을 이용하여 각 시설의 2030년 면적을 추정한 결과 남사면은 밭이 260.5 ha, 시설재배지는 101.4 ha, 과수원은 0.5 ha로 나타났다. 백암면의 경우 밭은 483.2 ha, 시설재배지는 74.3 ha, 과수원은 23.3 ha로 추산되었다. 각 행정구역별 작물 재배 면적을 산출하기 위하여 통계청에서 매 5년 단위로 실시하는 농림어업총조사의 작물별 재배면적 자료를 토대로 1980년부터 2015년까지 재배면적 변화를 추세 분석하여 작물별 재배면적의 증감 비율을 산출하였다. 분석 대상 작물은 밭의 경우 콩, 옥수수, 감자, 배추, 무, 고추, 마늘, 고구마, 인삼, 참깨, 들깨, 시설재배지의 경우 오이, 참외·수박, 상추, 고추, 화훼류, 배추, 무, 호박, 과수원의 경우 사과, 배, 복숭아, 포도, 매실이다. 이를 각 행정구역별 2005∼2015년 작물별 평균 면적에 곱하여 2030년 면단위 최종 작물별 재배면적을 산출하였다. 이 때 산출된 각 면단위 경작시설(밭, 시설재배, 과수원)에 따른 작물재배면적 비율을 토지피복도를 통해 산출한 2030년 경작시설별 면적에 곱하여 면단위 작물별 재배면적을 산출하였다. 밭용수 수요량은 10년 빈도 증발산값과 관계효율을 통해 산출하였으며, Penman-Monteith 식을 이용하여 작물의 실제증발산량을 산출하였다. 작물의 실제증발산량 산출을 위한 잠재증발산량 산출을 위한 기상관측자료는 과거자료의 경우 실제 기상관측자료를 적용하였으며, 미래 기상자료는 기후변화 시나리오(RCP 4.5)로부터 추출하였다. 이를 토대로 산출한 2030년 월별 최대 수요량은 8월이 가장 높았으며 남사면이 43.89 ㎥/day/ha, 백암면이 47.29 ㎥/day/ha로 분석되었다. 지구별 밭용수 수요량은 남사면이 16,159.9 ㎥/day/ha, 백암면이 28,019.70 ㎥/day/ha로 분석되었다.

밭농업 지역 관개용수 수요량 평가 및 수문분석 사례

명우호(Wooho Myoung),이병선(Byungsun Lee),이규상(Kyusang Lee) 대한지질학회 2021 대한지질학회 학술대회 Vol.2021 No.10

본 연구는 밭농업지역의 지하수를 이용한 가뭄대책 수립을 위하여 충청북도 괴산군 일원에 대한 2030년 기준 관개용수 수요량 평가와 수문분석을 수행하였다. 평가대상지역은 기존의 농업생산기반시설의 설계한 발빈도를 고려하여 총 5개의 소유역을 선정하였고, 각 지역에 대하여 작물재배면적에 대한 통계자료와 토지 피복도를 이용한 농경지 면적 추세분석을 통하여 관개용수 수요량을 평가하고 물수지 분석(water balance method)법을 적용하여 미래 지하수 개발 가능량을 산출하였다. 본 연구를 위해 적용된 기상자료는 2001년부터 2020년까지는 실측자료를 적용하였으며, 2021년부터 2030년까지는 기후변화시나리오(RCP 8.5)를 적용하였다. 평가대상지역의 2030년 기준 농경지 면적은 총 3,971.1 ha로 분석되었으며, 이 중 논은 1,269.8 ha, 밭은 2,082.4 ha, 시설재배지는 92.0 ha, 과수원은 526.9 ha로 분석되었다. 시설별 주요 재배 작물은 밭의 경우 옥수수, 인삼, 콩으로 분석되었으며, 시설재배지의 경우 오이, 과수원의 경우 사과로 분석되었다. 소유역별 농업용수 수요량은 각각 Basin1(연풍면)이 78,922 m³/day, Basin2(청천면)는 40,400 m³/day, Basin3(청안면)은 55,116 m³/day, Basin4(사리면)는 51,195 m³/day, Basin5는 28,021 m³/day로 분석되었다. 2001년~2030년에 대하여 분석한 평균 연간 지하수 개발 가능량은 Basin1의 경우 38,245 × 103 m³, Basin2의 경우 19,085 × 103 m³, Basin3의 경우 8,103 × 103 m³, Basin4의 경우 7,875 × 103 m³, Basin5의 경우 10,136 × 103 m³로 분석되었다.

장기 지하수위 자료를 이용한 지하수댐 효과 분석

명우호(Wooho Myoung),이병선(Byungsun Lee),이규상(Kyusang Lee),송성호(Sungho Song) 대한지질학회 2022 대한지질학회 학술대회 Vol.2022 No.10

시설농업지역 지하수 인공함양 실증시험 연구

이병선,명우호,오세봉,전성천,박길택,송성호,Lee, Byung Sun,Myoung, Wooho,Oh, Sebong,Jun, Seong-Chun,Piao, Jize,Song, Sung-Ho 한국지하수토양환경학회 2020 지하수토양환경 Vol.25 No.1

This study was conducted to examine an artificial recharge system, which was considered to be an alternative for securing additional groundwater resources in a high-density greenhouse region. An injection well with a depth of 14.0 m was placed in an alluvial plain of the zone. Eight monitoring wells were placed in a shape of dual circles around the injection well. Aquifer tests showed that the aquifer was comprised with high-permeable layer with hydraulic conductivities of 1.5×10^-3~2.4×10^-2 cm/sec and storage coefficients of 0.07~0.10. A step injection test resulted in a specific groundwater-level rising (Sr/Q) values of 0.013~0.018 day/㎡ with 64~92% injection efficiencies. Results of the constant-rate injection test with an optimal injection rate of 100 ㎥/day demonstrated an enormous storage capacity of the alluvial aquifer during ten experimental days. To design an optimal recharge system for an artificial recharge, the high-permeable layer should be isolated by dual packers and suitable pressure should be applied to the injection well in order to store water. An anisotropy ratio of the alluvial aquifer was evaluated to be approximately 1.25 : 1 with an anisotropy angle of 71 degrees, indicating intervals among injection wells are almost the same.

CCTV 이미지와 CNN 딥러닝을 이용한 농업용수로 수위 계측

김귀훈 ( Kwihoon Kim ),명우호 ( Wooho Myoung ),김마가 ( Maga Kim ),윤푸른 ( Pureun Yoon ),방재홍 ( Jehong Bang ),최진용 ( Jin-yong Choi ) 한국농공학회 2021 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2021 No.-

가뭄수요 대응 지능형 지하수 플랫폼 설계

이병선 ( Byung Sun Lee ),명우호 ( Wooho Myoung ),송성호 ( Sung-ho Song ) 한국농공학회 2019 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2019 No.-

지방자체단체별로 농어민에 대한 맞춤형 지하수 공급 서비스 제고를 위하여, 실시간 농어업용 지하수 공급 가능량 정보 제공이 가능한 지능형 지하수 플랫폼 개발 연구가 수행되었다. 지능형 지하수 플랫폼은 크게 3개의 세부 시스템(지하수 정보 시스템, 지하수 공급 가능량 분석 시스템 및 지하수 가뭄 경보 시스템)으로 구성된다. 지하수 정보 시스템은 전국 446개소(2018.12 현재)에 설치된 농어촌지하수 관측망의 관측자료와 약 58만개 시추정보, 그리고 수문지질별 유효 공극율 등을 기반으로 각 지자체별 실시간 지하수 부존량, 함양량 및 개발가능량 등의 정보를 제공한다. 지하수 공급가능량 분석 시스템은 농어촌지하수 관측공의 장기 지하수위 정보를 기반으로 각 관측공의 일별 지하수위가 과거 관측 기록상 최고∼최저 수위 구간 중 어느 지점에 위치하는지를 판단하고, 기계학습기법을 토대로 각 관측공의 수위변동 특성과 이에 따른 산출특성을 분석하여 지자체별 실시간 지하수 공급가능량 정보를 제공한다. 지하수 가뭄 경보 시스템은 각 농어촌지하수 관측공의 누적지하수위 정보를 기반으로 각 지자체별 표준지하수위지수(standardized groundwater level index, SGI) 분석을 통해 지하수계에 나타나는 실시간 가뭄 정보를 제공한다. 지능형 지하수 플랫폼의 적용타당성 분석을 위하여, 경기도 소재 ○○군에 대한 적용성 분석이 실시되었다. ○○군은 크게 3개 용수구역에 걸쳐져 있으며, 총 3개의 농어촌지하수 관측공이 설치되어 있다. 지하수 정보 시스템 적용 결과, ○○군의 지하수 평균 심도는 지표 하부 4.2m, 충적층 평균 심도는 21.2m, 그리고 암반층 평균심도는 97.0m로, 이를 토대로 지하수 부존량은 2.7×10⁹㎥, 지하수 개발가능량은 1.9×10⁵㎥/yr 로 산출되었다. 지하수 공급 가능량 분석 시스템 적용 결과, ○○군 3개소 관측공은 강수에 대해 급격하게 지하수위가 증가하지만 빠르게 지하수위가 회복되는 경향이 나타남에 따라, 강수에 대한 대수층의 완충 능력이 상대적으로 큰 것으로 분석되었다. 그리고 3개 관측공 지하수위 변동특성을 이용하여 공급 가능량을 산출한 결과, 2019. 1월 기준으로 공급 가능량은 1.6×10⁶㎥(지하수 개발가능량의 약 9배), 2019.05월의 공급 가능량은 9.8×10⁵㎥(지하수 개발가능량의 약 5배)으로 산출되는 등 일별 실시간 지하수 공급 가능량 정보를 제공하였다. 지하수 가뭄 경보 시스템 적용 결과, SGI 분석 결과를 토대로 ○○군은 2014년 이래로 봄 가뭄이 반복적으로 발생(SGI 범위 -2∼-1)하여 지하수계에 반영된 것을 확인할 수 있었다. 따라서 ○○군은 봄철 지하수 공급 가능량 분석을 토대로 지하수를 이용한 봄 가뭄 대책 마련이 요구되었다.

가뭄 수요대응 관정연계이용을 위한 지하수 최적 배분 연구

이병선(Byungsun Lee),명우호(Wooho Myoung),정찬덕(Chanduck Jeong),이규상(Gyusang Lee) 대한지질학회 2021 대한지질학회 학술대회 Vol.2021 No.10

상습가뭄지역의 가뭄 수요대응 방안으로, 기설 관정을 연계 이용하여 지하수 공급 극대화를 도모하는 기술이 제안되었다. 기설 관정 연계 이용 시 가장 중요한 사항은 해당 농업가뭄 발생지역의 정확한 수요량에 대한 분석이고, 이에 대응하기 위해 연계 가능한 관정을 수리지질학적 분석을 토대로 지정하는 것이다. 이 연구에서는 충청남도 홍성군의 대표적인 상습 가뭄지역에 대하여 가뭄 수요 대응 상시 지하수 공급체계를 수립하고자 수행되었다. 연구지역은 총 1,164필지(면적 약 289 ha)로 구성되며, 지하수 공공관정에 대한 의존도가 높은(53%) 편이다. 농경지는 537필지(약 46 ha)이며 총면적(약 289 ha)의 약 16% 이고, 논이 약 11%(약 33 ha), 밭이 약 5%(약 13 ha)에 해당한다. 논에 대한 관개용수 수요량의 경우 논(297필지) 면적변화를 기반으로 HOMWRS 프로그램을 이용하여 산정하였다. 밭에 대한 관개용수 수요량은 밭(240개 필지)의 재배작물에 대하여 작물별 증발산량이 밭작물의 관개용수 수요량과 동일하다는 가정 하에 산정하였다. 이 결과, 최근 10년간(2010-2019) 연구지역 관개용수 수요량은 평균 377천 ㎥/년으로 추정되었다. 논은 밭에 비해 약 6배 관개 용수 수요량이 많았고, 상세하게는, 논의 관개용수 수요량은 평균 321천 ㎥/년이었고, 반면 밭의 관개용수 수요량은 평균 56천 ㎥/년으로 산정되었다. 이 후, 양수시험 자료(양수정과 주변 관측공의 수위변동 자료)를 이용하여 상대적으로 지하수가 풍부한 수계와 그렇지 못한 수계의 대수층의 이방성을 확인하였고, 수리전도도의 공간적 분포를 분석하였으며,각 수계별 이방성에 따른 연계대상 관정을 지정하여 상습가뭄 발생지역의 최적 지하수 공급을 도모하였다.