1. 서 론
국내에서 수막재배는 늦가을부터 초봄까지 야간에 운영되고 있으며, 지하수를 이용하여 시설농업 지역 내 비닐하우스의 보온 효과를 유지하여 작물을 재배하는 기술에 해당한다(Chang and Chung, 2015). 하천 주변에 대규모로 운영되는 수막재배 지역에서 지속적인 지하수 양수로 인해 하천수의 수위와 수질에도 영향을 미치고 있다(Hiscock and Grischek, 2002; Ray et al., 2002; Kim et al., 2012).
우리나라 시설농업 지역의 지하수 모니터링은 수막재배로 인한 지하수 사용량과 지하수 수위 변화를 관측하고 분석하기 위해 수행되었다. 수막재배 지역의 지하수 사용량은 직접 측정이 불가하므로, 대표적인 양수정을 선정하거나 배수로 유량을 측정하는 등의 방식으로 지하수 사용량을 산정하고 있다(Cho et al., 2012; Moon et al., 2012; Lee et al., 2015). 지하수 수위는 관측정에서 일정한 시간 간격으로 직접 측정하였으며, 수막재배가 운영되는 시기 동안 관측된 지하수 수위 자료의 통계분석을 수행하여 지하수 수위 변화의 시계열 분석 및 수위 하강의 영향성을 분석하였다(Cho et al., 2012; Baek and Kim, 2022). 또한, Baek and Kim (2023)는 밀양시 시설농업 지역에서 지하수 수위와 수온, 전기전도도의 장기적인 관측 자료의 시계열 분석을 수행하였으며, 이를 통해 수막재배가 운영되는 시기와 수막재배가 운영되지 않은 시기, 관측정의 위치(하천 인근, 평야, 산지) 등을 고려한 지하수 수위와 수온, 전기전도도의 시공간적인 변동 특성을 분석하였다.
시설농업 지역은 대부분 하천 주변에 위치하므로, 수막재배가 운영되는 시기와 수막재배가 운영되지 않은 시기 동안 지하수와 하천수 사이의 상호반응에 관한 연구도 수행되었다(Chang and Chung, 2015; Moon et al., 2016; Chang et al., 2016; Kang et al., 2017). Moon et al. (2016)는 수막재배 지역에서 지하수와 하천수의 산소ㆍ수소 안정동위원소 조성비를 이용하여 지하수와 하천수 사이의 상호 영향력(영향 거리)을 분석하였다. Chang and Chung (2015)는 MODFLOW와 SWAT 모형을 연계하여 수막재배에 의한 지하수와 하천수의 다양한 상호작용을 모의하였으며, 연구부지 내의 누적 물수지분석을 통해 지하수와 지표수의 계절변화를 분석하여 지하수 고갈과 회복량을 정량화하였다. Chang et al. (2016)에서도 MODFLOW와 SWAT 모형을 연계한 실증지역의 정밀 지하수 모델링을 수행하였으며, 실증지역 전체의 통합적인 물수지분석을 통해 지하수 고갈 및 수막재배의 지속 가능성을 평가하였다. Kang et al. (2017)는 지하수-지표수 통합 모델인 HGS (HydroGeoSphere)를 이용하여 시설농업 지역의 지하수와 지표수 상호반응과 모델 영역의 물수지분석을 통해 지하수 함양량을 산정하였다.
기존의 연구들은 수막재배 지역의 지하수 수위와 수질 모니터링, 지하수-지표수 연계 모형을 이용한 물수지분석을 통한 지하수 유동 및 함양량을 정량적으로 분석하였으며, 이를 통해 수막재배 지역의 지하수 고갈 문제 및 수막용수의 지속 가능한 운영에 관한 대처방안을 제시하였다. 수막재배가 운영되는 시기와 수막재배가 운영되지 않은 시기 동안의 지하수 수위와 수온의 변동 및 그 영향성에 관한 연구는 미흡하고, 장기적인 관측 자료를 이용한 수막재배 시기의 지하수 양수로 인한 대수층 하부 지하수의 반복적인 상승으로 인한 수온 변화에 관한 정량적인 해석은 수행되지 못하였다.
본 연구에서는 밀양시 상남들에 위치한 충적 관정에서 2013~2022년 동안 장기 관측된 지하수 수위와 수온 자료를 이용하여 수막재배가 운영되는 시기(이하 “수막재배 시기”로 표기)와 수막재배가 운영되지 않은 시기(이하 “수막재배 비시기”로 표기)의 지하수 수위와 수온 변동 및 요인을 분석하였다. 또한, 수막재배 시기와 수막재배 비시기의 연도별 경과 시간에 따른 지하수 수위와 수온의 회귀함수 및 전체 자료(10년)를 이용한 지하수 수위에 따른 지하수 수온의 회귀함수를 추정하여 변동 특성을 정량적으로 분석하였다.
2. 연구 방법
본 연구는 경상남도 밀양시 상남면의 대표적인 시설농업 지역(예림지구, 기산지구)이 조성된 상남들에서 수행되었다(Fig. 1). 시설농업 지역의 면적은 약 300 ha 정도로서 다양한 작물(딸기, 고추, 깻잎, 오이, 토마토 등)을 재배하고 있다. 작물 재배에 이용되는 농업용수를 공급하기 위해 총 545개소의 지하수 관정(충적 관정 372개소, 암반 관정 174개소)을 이용하고 있으며, 시설농업 지역 내 지하수 이용량은 38,150 m3/day 정도로서 동절기에는 수막용수가 부족한 실정이다(MAFRA, 2015).
시설농업 지역 주변의 지형은 종남산(662.4 m), 팔봉산(390.5 m), 자씨산(213.9 m), 청용산(362.8 m), 음달산(187.7 m) 등의 산계가 형성되어 있으며, 동쪽으로는 밀양강이 흐르고 밀양강은 낙동강으로 합류한다. 시설농업 지역의 기반암은 밀양안산암이 분포하며, 충적층 심도는 30 m 정도이다.
강우량 및 기온 자료는 밀양시 종관기상관측소(ASOS)에서 관측한 2013~2022년 동안의 일 자료를 수집하여 정리하였다. 지하수 수위와 수온은 시설농업 지역의 충적층에 설치된 지하수 관측정에서 측정하였으며, 관측정의 고도는 해발 9 m, 심도는 지표면 하 20 m 정도이다. 관측정의 지표면 하 17 m 지점에 지하수 수위와 수온을 측정하기 위한 센서가 설치되어 있으며, 1일 단위로 측정하였다. 관측 기간은 2013~2022년 동안이었으며, 수막재배 시기뿐만 아니라 수막재배 비시기에도 지속적으로 관측하였다.
본 연구에서 관측된 자료의 분석을 위해 수막재배 시기와 수막재배 비시기의 관측 기간에 해당하는 관측 번호를 지정하였다(Table 1). 수막재배 시기는 11월부터 그다음 해 2월까지이고, 수막재배 비시기는 동일 연도의 4월부터 9월까지로 구분하였다. 수막재배 기간은 양수정별로 수막재배 운영 시기가 다르기에 10월과 3월은 제외하고 수막재배 시기와 수막재배 비시기로 구분하였다. 수막재배 시기와 수막재배 비시기에 해당하는 관측 번호는 연도순으로 정하였으며 회귀함수 분석에 적용하였다.
Table 1.
Monitoring ID of the operation period of water curtain cultivation the non-operation period of water curtain cultivation
3. 결과 및 고찰
3.1 관측 결과
밀양시 종관기상관측소(밀양시 288)에서 지난 10년(2013~2022년) 동안의 강우량 자료를 수집하고 정리하였으며, 월 누적 강우량과 월 강우 빈도에 관한 10년 평균값을 산정하여 막대그래프를 작성하였다(Fig. 2). 본 연구 지역에서는 수막재배 시기인 11월부터 2월에는 강우량과 강우 빈도가 낮았으며, 수막재배 비시기인 4~9월에는 강우량과 강우 빈도가 높았다. 월 누적 강우량은 수막재배 시기보다 수막재배 비시기에 5배 이상 높았으며, 월 강우 빈도는 수막재배 시기보다 비시기에 2배 이상 많았다.
지하수 수위 및 수온 자료의 시계열 그래프를 작성하고, 동일시기에 관측된 강우량과 기온을 비교하였다(Fig. 3). 지하수 수위는 강우량이 많은 여름에 상승하고 강우량이 적은 겨울에는 하강하며, 지하수 수온은 여름에 감소하고 겨울에 증가하는 경향을 보였다. 지하수 수위의 상승과 하강은 매년 반복적으로 발생하고 있으며, 지하수 수온의 감소와 증가도 매년 반복적으로 발생하고 있다. 지하수 수위는 최고치와 최저치가 매년 유사하지만, 지하수 수온은 최고치와 최소치가 전반적으로 증가하는 경향을 보였다.
시설농업 지역에서 10년 동안 관측된 자료의 월평균 값을 산정하여 지하수 수위 및 수온의 상자수염그림을 작성하였다(Fig. 4). 월평균 지하수 수위는 4월부터 상승하고 11월부터 하강하는 경향을 보였으며, 12월부터 3월까지는 수막재배 시기의 양수로 인해 지하수 수위가 0 m 이하로 형성되었다(Baek and Kim, 2022). 월평균 지하수 수온은 여름에 낮고 겨울에 높은 경향을 보였으며, 이는 수막재배 시기에 양수에 의한 대수층 하부의 지하수가 상승하여 관측 지점의 지하수 수온이 상승한 것으로 판단된다(Baek and Kim, 2023). 본 연구 지역에서의 지하수 수위와 수온은 계절적인 특성(우기와 건기)과 수막재배 시기의 양수에 의한 영향성이 복합적으로 나타나고 있음을 알 수 있다.
3.2 수막재배 시기와 수막재배 비시기의 지하수 수위와 수온 변동분석
월 누적 강우량, 월평균 지하수 수위와 수온 자료를 수막재배 시기와 수막재배 비시기로 구분하여 상관계수를 산정하였다(Table 2). 강우량과 지하수 수위의 상관계수는 수막재배 시기에 0.324, 수막재배 비시기에 0.441로서 수막재배 시기보다 수막재배 비시기에 높았다. 이는 지하수 수위의 변동에 대한 강우의 영향성은 수막재배 시기보다 수막재배 비시기에 높았음을 의미한다. 지하수 수위와 수온의 상관계수는 수막재배 시기에 -0.589, 수막재배 비시기에 -0.420으로서 수막재배 시기가 비시기보다 높았다. 이는 지하수 수온의 변동에 대한 지하수 수위의 영향성은 수막재배 시기가 수막재배 비시기보다 높았음을 의미한다. 관측정 내 수위와 수온 측정 센서는 충적층(지표면하 17 m)에 설치되어 있으므로 강우와 양수에 의한 영향성이 높게 나타난다. 관측하는 동안 전체적으로 지하수 수위가 상승 혹은 하강할수록 지하수 수온은 감소 혹은 증가하는 경향이 나타난다. 수막재배 시기에는 양수에 의한 지하수위 하강 및 하부층 지하수의 상부 유입으로 인해 지하수 수온이 증가한 것으로, 수막재배 비시기에는 강우가 불포화대를 통해 대수층에 유입되면서 지하수 수위는 상승하고 지하수 수온은 감소한 것으로 판단된다(Baek and Kim, 2022; 2023).
Table 2.
Correlation coefficients between monthly cumulative rainfall and monthly average groundwater level and groundwater temperature
수막재배 시기와 수막재배 비시기의 경과 시간에 따른 지하수 수위 변동 회귀함수를 관측 기간별로 추정하였다(Table 3). 수막재배 시기와 수막재배 비시기의 모든 관측 기간에 추정된 경과 시간에 따른 지하수 수위 함수는 로그 함수가 가장 적합하였으며, 추정 함수의 결정계수도 0.74 이상으로 높았다. 관측 번호가 비어있는 시기는 자료의 부족 혹은 오류로 인해 회귀함수가 추정되지 못하였다. 수막재배 시기에는 음의 로그함수로 수막재배 비시기에는 양의 로그함수가 적합한 것으로 나타났으며, 이는 경과 시간에 따른 지하수 수위는 수막재배 시기에는 지수적으로 감소하고 수막재배 비시기에는 지수적으로 상승함을 의미한다. 수막재배 시기에는 지속적인 양수(일일 8시간 이상)로 인해 지하수 수위가 하강하고, 수막재배 비시기에는 강우로 인해 지하수 수위가 상승하였기 때문이다(KIGAM, 2013; Chang and Chung, 2014; Chung and Chang, 2016; Baek and Kim, 2022). 추정된 로그함수의 결정계수는 수막재배 시기에는 0.7745~0.8464, 수막재배 비시기에는 0.7407~0.9510 정도로서 두 시기 모두 높게 나타났다.
Table 3.
Groundwater level (L) function according to the elapsed time (t) of the operation period of water curtain cultivation and the non-operation period of water curtain cultivation
수막재배 시기와 수막재배 비시기 동안의 경과 시간에 따른 지하수 수온 변동 회귀함수를 관측 기간별로 추정하였다(Table 4). 수막재배 시기와 수막재배 비시기의 모든 관측 기간에 추정된 경과 시간에 따른 지하수 수온 함수는 로그 함수가 가장 적합하였으며, 추정 함수의 결정계수도 0.65 이상으로 높았다. 관측 번호가 비어있는 시기는 자료의 부족 혹은 오류로 인해 회귀함수가 추정되지 못하였다. 수막재배 시기에는 양의 로그함수로 수막재배 비시기에는 음의 로그함수가 적합한 것으로 나타났으며, 이는 경과 시간별 지하수 수온은 수막재배 시기에는 지수적으로 증가하고 수막재배 비시기에는 지수적으로 감소함을 의미한다. 수막재배 시기에는 지속적인 양수로 인해 대수층 하부에 부존된 지하수가 상승하면서 관측 지점의 지하수 수온이 증가하고, 수막재배 비시기에는 강우의 유입으로 인해 지하수 수온이 감소하였기 때문이다(Baek and Kim, 2023). 추정된 로그함수의 결정계수는 수막재배 시기에는 0.6537~0.7539, 수막재배 비시기에는 0.683 ~0.9530 정도로서 수막재배 비시기에 더 높았다.
Table 4.
Groundwater temperature (T) function according to the elapsed time (t) of the operation period of water curtain cultivation and the non-operation period of water curtain cultivation
시설농업 지역의 관측정에서 10년 동안 측정된 모든 자료를 이용하여 수막재배 시기와 수막재배 비시기의 지하수 수위(GWL)에 따른 지하수 수온(WT)의 회귀함수를 추정하였다(Fig. 5). 수막재배 시기에는 지하수 수위가 하강할수록 수온이 증가하는 이차함수가 적합하였으며, 결정계수는 0.9705로서 매우 높았다. 지하수 수위가 0 m 이상에서는 지하수 수온의 감소가 미미하였으며, 지하수 수위가 0 m 이하로 감소하면서 지하수 수온이 급격하게 감소하였다. 이는 수막재배 초기에는 양수정 내로의 지하수 공급이 주변 대수층에서 발생하고, 양수가 지속될수록 대수층 하부의 지하수가 양수정으로 공급되면서 지하수 수온이 급격하게 증가하였기 때문이다. 해안대수층에서 양수로 인한 지하수 수위의 상승으로 지하수 수온 등치선도의 변동을 연구한 사례가 보고되었으며, 대수층 하부의 지하수가 상승하면서 상부 지하수의 수온이 증가함을 제시하였다(Blanco-Coronas et al., 2021). 수막재배 비시기에는 지하수 수위가 상승할수록 지하수 수온이 감소하는 선형함수가 적합하였으며, 결정계수는 0.9583으로서 매우 높았다. 지하수 수위가 상승할수록 지하수 수온은 선형적으로 감소하였으며, 이는 강우에 의한 빗물의 지하수 유입으로 인한 것이다. 수막재배 비시기에는 지하수 수온보다 낮은 온도의 빗물이 유입되면서 지하수 수온이 감소한 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 시설재배 지역에서 충적 관정의 장기 관측 자료를 이용하여 수막재배 시기와 수막재배 비시기 동안의 지하수 수위와 수온의 변동 특성을 분석하였으며, 본 연구의 결론은 다음과 같다.
월 누적 강우량과 월평균 지하수 수위의 상관계수는 수막재배 시기(0.324)보다 수막재배 비시기(0.441)에 높았으며, 이는 수막재배 시기에 비해 수막재배 비시기 동안의 지하수 수위에 대한 강우의 영향성이 높았음을 의미한다. 지하수 수위와 수온의 상관계수는 수막재배 시기(-0.589)가 수막재배 비시기(-0.420)보다 높았으며, 지하수 수위와 지하수 수온은 충적층(지표면하 17 m)에서 측정되어 강우와 양수에 의한 영향성이 높게 나타났다. 전체적으로 지하수 수위가 상승 혹은 하강할수록 지하수 수온은 감소 혹은 증가하는 경향으로 나타났다.
경과 시간에 따른 지하수 수위 회귀함수는 수막재배 시기에는 음의 로그 함수가 수막재배 비시기에는 양의 로그 함수가, 경과 시간에 따른 지하수 수온 회귀함수는 수막재배 시기에는 양의 로그 함수가 수막재배 비시기에는 음의 로그 함수가 적합하였다. 추정된 회귀함수를 통해 수막재배 시기에는 지하수 수위는 지수적으로 하강하고 지하수 수온은 지수적으로 증가하였으며, 수막재배 비시기에는 지하수 수위는 지수적으로 상승하고 지하수 수온은 지수적으로 감소하였음을 알 수 있었다.
수막재배 시기에는 지하수 수위가 하강할수록 지하수 수온이 증가하는 이차함수가 적합하였으며, 수막재배 시기에는 지속적인 양수로 인해 대수층 하부의 지하수가 상부로 유입되면서 지하수 수온이 증가하였음을 알 수 있었다. 수막재배 비시기에는 지하수 수위가 상승할수록 지하수 수온이 감소하는 선형함수가 적합하였으며, 수막재배 비시기에는 지하수 수온보다 낮은 온도의 빗물이 유입되면서 지하수 수온이 감소한 것으로 판단된다.
