1. 서 론

최근 이상기후에 따른 강우 패턴의 변화로 인해 가뭄 및 홍수 피해 발생 빈도가 증가하고 있으며, 안정적인 용수 공급방안 마련의 필요성이 증가하고 있다. 이러한 기후변화로 인한 용수공급의 불균형은 다원화된 수자원을 활용하여 안정적인 공급체계로 개선되어야 할 것이다.

우리나라 농업용수 공급은 대부분 저수지를 통한 용수공급 방법을 채택하고 있으나 송산그린시티 대송지구는 간척지 개발지구로 해수면의 높이보다 낮거나 약간 높은 저지대로서 배수가 불량하여 침수 피해가 자주 발생하며, 토양의 염분 농도가 높아 오랜 기간 제염 과정을 거치지 않으면 재배할 수 있는 작물이 제한적이다. 또한, 저수지에 염분을 함유하고 있어 직접적인 농업용수 공급에 어려움이 있다. 계획 초기 추진된 화성호의 담수화 및 시우도수로를 통한 농업용수 공급방안은 수질오염 예상에 따른 주민과 환경단체의 반발 및 상류 지역의 도시화에 따른 담수호의 수질 문제가 사회적 쟁점으로 대두되어 사회 갈등에 따른 합리적 대안을 찾지 못하여 대송지구 수원공급 방안으로서 적용이 곤란하다.

이에 송산그린시티 대송지구에서 활용 가능한 대체 수자원인 빗물과 하수재이용수를 통해 평상시 지표 및 지하수에 대한 농업용수 의존도를 경감시키고 안정적인 농업용수 공급에 기여하며, 한정된 수자원을 효율적으로 활용하고자 한다. 먼저 그린하우스 지붕에 떨어지는 빗물을 오염도가 높은 초기 우수를 배제하고 저류하여 농업용수를 공급하는 방안과 KSMBR (Kowaco Ssangyong Membrane Bio-Reactor)공법을 적용해 높은 부유물질 제거효율과 대장균 완벽제거 등 안정적인 수질을 확보할 수 있는 송산그린시티 하수처리장의 재이용수를 활용하는 방안을 고려할 수 있다.

따라서, 본 연구에서는 대체 수자원을 이용하여 안정적인 농업용수 공급방안을 마련하고 최적의 저류 용량을 결정하고자 한다. 또한, 실제 빗물을 활용하여 농업용수를 공급하고 있는 농장의 현장 모니터링을 통하여 빗물 활용에 대한 정량적 분석을 통해 최종적으로 결정된 빗물 저류지의 용량을 실제 모니터링 자료를 통해 검증하고자 하였다.

2. 연구방법

2.1 연구대상지

송산그린시티는 서측과 동측지구에 개발된 친수도시를 비롯해 남측의 산업단지 지구 및 대송지구를 포함한다. 이중 대송지구는 경기도 안산시 단원구 대부동동에 위치하여 친환경 농업 단지가 연계된 미래지향적이고 체계적인 대규모 주거·산업·농업지구로 계획되고 있다. ^{Korea Rural Economic Institute(2012)}의 간척지의 농업적 이용을 위한 종합계획 수립방안에 따르면 대송지구(시화시구)는 서해안고속도로에서 약 20 km, 평택항과는 약 35 km 떨어져 있으며, 영종도 국제공항은 북서쪽으로 약 25 km 정도에 위치하고 김포공항은 북동쪽으로 약 35 km에 위치한다. 또한, 목포-인천-신의주를 잇는 환서해 축의 중앙에 위치하며, 대 소비지인 서울 및 수도권에 가까워 농산물의 수출에 유리한 지리적 요건을 갖추고 있다(Fig. 1).

2.2 농업용수 원단위 산정

대송지구는 절반 이상의 면적이 논농사 지역으로 계획되어 있으며, 인근은 대표적인 포도 재배지역으로 조미채소류 재배가 활발하고, 화성시가 화훼협동조합을 결성하여 화훼재배를 장려하고 있다. 또한, 토양격리재배·수경재배·양액재배 등 토지의 염분농도에 구애받지 않는 재배 방법으로 유리온실 등 첨단시설의 활용이 필요하다. 이에 첨단수출원예단지, 일반원예단지, 채종단지 및 복합곡물단지의 단지별로 적합한 작물을 선정하여 용수원단위를 산정하였다.

첨단수출원예단지는 포도와 같은 과실류이고 대표적인 하우스재배 작물인 딸기를 선정하였다. ^{Korea Rural Community Corporation (2010)}의 용수수요량 산정기준(Table 1)에 따라 고온기(5-9월)와 저온기(10-4월)에 해당하는 용수수요량(고온기: 30∼40°C, 저온기: 15∼20°C)의 평균값을 적용하여 용수수요량을 산정하였다. 재염화방지용수는 첨단수출원예단지의 경우 원지반을 사용하지 않는 재배방식이기 때문에 고려되지 않았다.

일반원예단지는 노지재배나 하우스재배 두 가지 재배방식 모두 가능하며 수요량 산정 시 강수량에 따른 유효우량으로 차이가 발생한다. 노지를 이용한 시설이 없는 경우 유효우량이 있지만, 하우스의 경우 유효강우가 없어 이를 전량 공급하기 때문에 하우스재배가 노지재배보다 용수수요량은 크게 산정된다. 하지만 노지재배의 경우 강우 발생 시 빗물이 직접적으로 사용되고 과잉되는 부분은 유출되지만, 하우스재배의 경우 하우스 지붕에 내리는 빗물을 모두 집수하고 저류하여 안정적이고 효율적인 용수공급이 가능하다. 따라서 본 연구에서는 농업용수 대체 수자원인 빗물 활용에 대한 효율을 검증하고자 일반원예단지 전체를 하우스 재배지역으로 재배작물은 대표적인 조미채소류인 고추로 설정하였다.

송산그린시티에서 가까운 인천지역의 대기의 증발 요구량 및 시설재배 고추의 생육 시기별 작물계수 그리고 토양수분계수와 물수지 방정식에 근거한 시설재배 고추의 적정 관개 지침(Table 2)을 활용하여 1년 2회 재배를 가정하였고, 재염화방지용수의 경우 원지반을 사용하는 재배방식이기 때문에 필요수량의 10 %를 적용하였다.

채종단지의 경우 시설재배(온실, 하우스 등), 노지재배 모두 가능하지만 빗물 활용성을 높이기 위해 노지재배는 배제하였고, 시설재배 화훼인 국화와 시설재배 고추를 5:5 비율로 재배하는 것으로 용수원단위를 산정하였다.

복합곡물단지는 벼를 재배하여 논으로 사용될 경우와 노지 과수를 재배할 경우인 밭으로 사용될 경우의 용수수요량을 각각 산정하였다. 논의 필요수량은 수정-Penman 식을 이용하여 증발산량을 산정 후 1967년에서부터 2014년까지 48개년 인천관측소 기상자료를 사용하여 일별담수심추적법을 적용하여 필요수량을 구하였다(^{Gyeonggi Green & Agriculture Foundation, 2016}). 재염화방지용수량의 경우 ^{Rural Development Administration(2007)}의 간척지 세사양토 중엽갑에서 벼 생육초기 적정 환수 간격에 따라 5월부터 6월 중순까지 3일 간격으로 30 mm를 환수급수 시행하여 총 15회 450 mm의 재염화방지 용수를 공급하는 것으로 적용하였다. 밭의 필요수량은 ^{Gyeonggi Green & Agriculture Foundation (2016)}에서 제시한 노지재배(과수)의 필요수량을 사용하였고, 다목적 용수량은 ^{Korea Water Resources Corporation(2009)}에서 제시한 67 mm를 적용하였다. 재염화방지용수량은 필요수량의 10 %를 공급하는 것으로 산정하였다. 대송지구의 토지이용 별 농업용수 원단위 산정결과 Table 3과 같이 분석되었다.

2.3 대체 용수 공급 방안

대송지구는 부지 내의 용수량을 포함해 인접한 농어촌공사의 개발지구 용수지원 등 필요수량이 많지만 처음 계획된 화성호와 탄도호의 담수화하여 도수로로 연결하는 농업용수 공급안이 수질 및 환경오염 우려로 반대가 심하여 대체 수자원을 활용한 수자원의 다원화된 관리 및 공급방안을 제안하기 위해 빗물과 송산그린시티 하수처리장의 재이용수를 활용하여 농업용수를 공급하는 방안을 검토하고자 한다. 첫 번째 대체 수원인 빗물의 경우 농업용수 공급에 활용하기에 가장 접근성이 높은 방법은 그린하우스를 활용하는 방안이다. 하우스의 경우 지붕이 집수면적으로 활용되어 초기배제 우수를 제외한 대부분의 빗물을 차집 할 수 있으며 비교적 양호한 수질의 용수확보가 가능하다. 따라서 대송지구 내 하우스를 활용하여 빗물을 저류하여 농업용수에 공급에 활용하고자 하였다. 두 번째 대체 수원인 하수재이용수의 경우 송산그린시티 하수처리장에서 나오는 하수처리수를 활용하여 공급하는 방안을 적용하였다. 송산그린시티 동측지구 조성과 함께 1일 21,000 m³ 규모로 운영 중인 하수처리수를 농업용수 공급에 활용하고자 하였다.

2.4 용수공급 시나리오 구성

본 연구에서 활용된 기상자료는 1981년부터 2018년까지 총 38년의 강우량자료를 활용하였고, 지배 기상관측소는 송산 대송지구와 가장 인접한 인천관측소 자료를 사용하였다. 인천기상대 38년간 내린 비의 양은 총 45,827 mm으로 연평균 1,206 mm의 강우가 발생하였고, 이 중 초기 우수에 해당하는 2 mm 이하의 강우를 배제하였다. 대송지구의 집수면적은 그린하우스의 지붕 면적을 활용하지만 정확한 그린하우스의 설치 면적을 정의할 수 없으므로 송산그린시티 동측지구의 에코팜타운 화훼단지의 건폐율 약 20 %이하(^{Kang et al., 2015})를 적용하여 하우스재배 단지 면적의 약 80 %를 그린하우스 지붕 면적으로 추정하였다. 또한, 안전율 개념으로 지붕에서의 유출계수를 하수도시설기준(^{Ministry of Environment, 2011})의 토지이용 별 기초 유출계수의 표준값에서 제시된 중간값인 0.9를 적용하였다. 대송지구의 추가 용수공급 방안인 송산그린시티 하수처리장의 하수처리수는 1일 21,000 m³ 공급하는 것으로 적용하였다.

대송지구의 단지별 대표작물의 경작면적에 따라 정부고시안을 포함한 네 가지 시나리오를 구성하였다. 첫 번째는 정부 고시안으로 79 %의 벼농사를 중점으로 첨단 및 일반 원예, 채종을 각 12 %, 5 %, 4 %로 구성하였다. 두 번째 1안은 정부고시안에서 논으로 구성된 복합곡물단지 면적을 밭으로 변경하여 고정된 집수구역 대비 용수수요량을 줄여 더 많은 용수공급이 이루어질 수 있도록 하였다. 세 번째 2안은 복합곡물단지의 67 % 면적을 하우스 면적(첨단, 일반, 채종 단지)으로 전환하였고, 마지막 3안은 복합곡물단지 전체 면적을 하우스 면적으로 전환하여 가장 큰 집수구역을 통한 최대 빗물 활용을 고려하였다(Table 4). 이렇게 구성된 네 가지 시나리오에 따른 작물별 필요수량, 재염화방지용수, 다목적용수 수량을 합산한 농업용수 수요량을 정량적으로 분석하였다(Table 5).

2.5 용수공급 검토 방법

대송지구의 정부고시안 및 토지이용 별로 구성한 네 가지 시나리오의 용수수요량을 빗물과 하수재이용수를 병행하여 공급하였을 경우를 적용 사상에 대하여 저류지의 용량이 충분하다고 가정하고 각 수요량에 대한 물부족 산정을 위한 물수급 분석은 MODSIM을 활용하여 실시하였다(Fig. 2). MODSIM은 1978년 콜로라도 주립대학교(^{Shafer and Labadie, 1978})에서 처음 고안한 일반적인 하천 유역 관리 결정 지원 시스템으로, 현재 사용 가능한 하천 유역 관리 소프트웨어 패키지 중 가장 오래 유지되고 있다. MODSIM 8.1 최신 버전은 Microsoft .NET Framework로 개발되었고 MS Visual C++ 코드로 작성되었다(^{Labadie, 2005}).

MODSIM은 단기 물 관리, 장기 운영 계획, 가뭄 비상 계획, 물 권리 분석 및 도시, 농업 그리고 환경 문제들 사이의 갈등 해결을 위한 향상된 유역 및 지역 전략을 개발하기 위한 컴퓨터 지원 도구로 설계된 일반화된 하천 유역 관리 의사결정 지원 시스템(DSS)으로 설계되었고 ^{Sprague and Carlson(1982)}은 “의사결정자가 데이터와 모델을 활용하여 비정형 문제를 해결할 수 있도록 도와주는 대화형 컴퓨터 기반 지원 시스템”으로 정의하였다. 따라서 금회 대송지구에 대한 다양한 시나리오 운영조건을 고려한 용수공급 가능 여부 진단을 위해 MODSIM을 활용하였다.

2.6 현장 모니터링

현장 모니터링을 시행한 김해공항 인근의 국화재배 농장은 면적 약 1,580평으로 약 100 ton의 빗물 저류조를 사용하고 있다(Fig. 3). 빗물을 먼저 사용하고 있지만, 저류조 용량 대비 용수량이 많아서 빗물과 지하수를 같이 사용하고 있다. 또한, 동절기에도 운영하고 있으며 수확 이후의 공백을 제외하고 사계절 연속 운영되고 있다. 가을~겨울에 재배하는 국화의 경우 초기 주 30 ton, 이후 20 ton의 용수를 사용하고, 봄~여름에 재배하는 국화의 경우 초기 주 20 ton, 이후 10~15 ton의 용수를 사용하여 용수공급이 부족한 봄~여름 시기에 용수량이 적은 국화수종을 선정하여 재배하고 있다.

빗물 저류조의 빗물 저장량과 이용량 모니터링을 위해 Hobo사의 자체 로깅 압력식 수위계를 설치하였다. 수위계 성능은 실내 간이 실험을 통해 검증하였고, 0.1 cm 단위로 수위 데이터가 입력되도록 설정하였다. 빗물 저류조의 수위가 바닥인 경우는 용수수요량 대비 집수면적이 작아 활용할 수 있는 빗물이 부족한 것이고 저류조가 가득 찬 경우는 집수구역 대비 저류 용량이 부족한 것으로 판단된다. 이에 모니터링을 통해 측정된 저류조 수위 자료를 가까운 기상관측소의 강우 자료와의 비교분석을 통해 실제 강우량과 저류조 용량과의 상관관계를 규명하고자 하였고, 이를 통해 집수구역 대비 최적의 빗물 저류조 용량을 결정하고자 하였다. 빗물공급량을 분석하기 위해 약 4.5 km 떨어진 김해기상관측소의 기상자료를 활용하였다. 2018년 9월 13일부터 2019년 7월 11일까지 총 305일 동안 시간 단위의 강우 사상이 405건 발생하였으며, 총 강우량은 919 mm로 나타났다. 초기배제 우수를 제외한 총 누적 강우량은 844.3 mm로 나타났다. 기상자료의 경우 모니터링 지점에서 측정되는 것이 아닌 기상관측소 자료를 활용하였기 때문에 모니터링 지점과 기상관측소 지점과의 거리 차이에 따른 데이터 보정이 필수적으로 이루어져야 한다. 이에 저류지에 유입되는 빗물과 실제 기상관측소에 측정된 강우량에 대하여 대조 분석을 시행하였다. 강우는 발생하였지만, 유입량이 없는 부분, 유입량은 증가하였지만, 강우가 발생한 부분 등을 검토하여 실제 강우량 대비 저류지에 유입되는 빗물을 분석하였다. 또한, 저류지가 가득 차 추가 유입되지 못하고 유출되는 양도 고려하였다. 최종적으로 초기배제 우수 0.2 mm를 제외한 총 강우량은 815 mm로 나타났다.

3. 연구 결과

3.1 시나리오 분석 결과

빗물과 송산 하수처리장의 재이용수를 병행하여 공급하는 조건에서 모든 빗물 저류지의 용량은 천만 톤으로 충분하다고 가정하고 1981년부터 2018년까지의 각 수요량에 대한 물수급 분석을 시나리오별로 실시한 결과 정부고시안의 경우 약 835,535,000 ton의 물부족이 발생하여 추가용수를 사용하여도 수요량을 충족할 수 없는 것으로 나타났다. 1안은 고시안의 논면적을 밭으로 변경하여 수요량을 낮추었지만 약 272,948,000 ton의 물부족이 발생하여 수요량을 충족시키지 못하는 것으로 분석되었다. 2안은 고시안 논면적의 약 66 %를 하우스 면적으로 변경한 조건으로 약 290,777,000 ton의 물부족이 발생하여 수요량을 충족시키지 못하는 것으로 분석되었다. 3안은 고시안 논면적의 100 %를 하우스 면적으로 변경한 조건으로 물부족이 발생하지 않았고 안정적인 물공급이 이루어지는 것으로 나타났다. 이에 최적의 용수공급조건은 3안으로 빗물을 최대로 활용하여 농업용수를 공급하는 조건에서 물수급이 만족하는 것으로 분석되었다(Fig. 4).

3.2 모니터링 분석 결과

빗물 저류조에 설치한 수위계를 통해 저류조에 유입 및 사용되는 빗물 저류량을 분석하였다. 2018년 10월에서 2019년 2월까지는 용수수요량이 적은 국화수종을 재배하여 유입량과 사용량이 비슷한 수준으로 나타나 운영에 영향을 주지 않았지만, 3월 이후 사용량이 급격하게 증가하여 4월 3일에서 8일까지 빗물이 고갈되었다. 이후, 유입이 증가하지만 큰 수요량에 4월 27일에서 5월 18일까지 또 고갈되어 저류량이 부족한 경우가 빈번하게 발생하였다(Fig. 5). 그때마다 지하수를 이용하여 농업용수를 공급하였고 실제 사용량에 대한 정량적인 평가가 어려운 것으로 나타났다.

빗물 유입량은 총 강우량 815 mm에서 집수면적과 유출계수를 적용하여 분석하였다. 집수면적의 경우 그린하우스 절반의 면적에서 강우를 집수하기 때문에 2,000 m²을 집수면적으로 적용하였고, 유출계수의 경우 0.9를 적용하였다. 그 결과 약 1,467 ton이 저류될 것으로 분석되었다. 하지만 실제 저류량은 667 ton으로 나타났고 이를 통해 예상 저류량을 분석한 결과 실제 집수면적은 약 909 m²로 분석되었다. 빗물사용량의 경우 지하수를 제외한 실제 빗물 사용량은 651.8 ton으로 분석되었다. 모니터링 기간인 305일 동안 저류조가 가득 차거나 바닥인 경우가 총 46일(부족:29일, 초과:17일)로 빈번하게 발생하였고, 이는 용수수용량 대비 집수면적과 저류조 용량 모두 부족한 것으로 판단된다(Fig. 6).

집수구역은 동일하게 적용하고 용량이 초과하여 유출되는 강우량(210 mm)을 보완하기 위해 강우량과 저류조 용량과의 관계를 분석하여 저류조의 적정용량을 분석하였다. 그 결과 강우 1 mm가 내릴 시 저류 용량이 약 0.82 ton이 증가하는 것으로 나타났고, 이에 적정 저류조 용량은 현재 저류조 100 ton에서 약 2.2배 증가한 224.4 ton으로 분석되었다. 모니터링 대상지의 원활한 용수공급을 위해 더 넓은 집수구역의 확보가 필요한 것으로 판단된다.

3.3 최적 빗물 저류 용량 분석

대송지구 용수공급 방안 대체 수자원 분석에서 MODSIM을 통해 결정한 빗물 저류조 용량과 실제 모니터링 데이터를 통해 결정한 빗물 저류조 용량을 비교해보았다. 모델링을 통한 분석의 경우 최적 용수공급 방안으로 선정된 시나리오 3안에서 국화를 재배하는 첨단원예, 채종단지를 선정하였고, 모니터링을 통한 분석의 경우 같은 국화를 재배하는 김해 시범지역을 비교 대상 단지로 선정하였다. 모델링을 통해 결정한 최적 저류 용량은 각각 첨단원예단지 2,268,000 ton, 채종단지 899,000 ton이며, 모니터링을 통해 결정한 최적 저류 용량은 같은 집수면적 대비 각각 2,359,824 ton, 925,719 ton으로 분석되었다. 그 결과 단위 집수면적당 저류 용량 비율이 모델링의 경우 약 30~31 %로 나타났고 실제 모니터링의 경우 약 32 %로 나타나 모델링과 모니터링을 통해 결정한 최적 저류 용량이 유사하게 분석된 것을 알 수 있었다(Table 6).

4. 결 론

본 연구는 송산그린시티 대송지구에 초기 계획된 농업용수 공급방안의 갈등을 해소하고자 활용 가능한 대체 수원인 빗물과 하수 재이용수를 활용한 최적의 농업용수 공급방안을 분석하고 최적의 빗물 저류 용량을 결정하여 새로운 대안을 제시하고자 하였고 아래와 같은 결과를 도출하였다.

(1) 빗물과 송산 하수처리장의 재이용수를 동시에 공급하는 조건에서 물수급 분석을 시행한 결과 고시안 논 면적의 100 %를 하우스 면적으로 변경하여 빗물을 활용할 경우 물부족이 발생하지 않았고 안정적인 물공급이 이루어졌다. 이에 송산 대송지구 최적의 농업용수 공급조건은 가장 큰 집수면적으로 빗물을 최대로 활용하는 3안으로 나타났다.

(2) 빗물 저류조에 설치한 수위계를 통해 저류조에 유입 및 사용되는 저류량을 분석한 결과 모니터링 기간(305일) 동안 유입량은 667 ton으로 나타났고 사용량은 651.8 ton으로 분석되었다. 저류조 용량이 초과하여 유출되는 강우량을 보완하기 위해 강우량과 저류 용량과의 관계를 분석하여 저류조의 적정용량을 분석하였고, 강우 1 mm가 내릴 시 저류 용량이 약 0.82 ton이 증가하는 것으로 나타났다. 이에 적정 저류조 용량은 현재 저류조 100 ton에서 약 2.2배 증가한 224.4 ton으로 분석되었다.

(3) 대송지구 용수공급 방안 대체 수자원 분석에서 MODSIM을 통해 결정한 빗물 저류조 용량과 실제 모니터링 데이터를 통해 결정한 빗물 저류조 용량을 비교 분석한 결과 단위 집수면적당 저류 용량 비율이 모델링의 경우 약 30.4~30.7 %로 나타났고 실제 모니터링의 경우 약 31.6 %로 나타나 모델링과 모니터링을 통해 결정한 각각의 최적 저류 용량이 유사하게 분석되었으며, 이를 통해 최적의 빗물 저류 용량은 단위 집수면적당 약 30~32 %로 결정하는 것이 타당한 것으로 판단된다.

송산그린시티 대송지구의 경우 고시안으로 계획된 논농사 위주의 토지이용에서는 빗물과 하수재이용수을 통한 안정적인 용수공급이 불가능하였고 논농사로 계획된 단지를 하우스 재배단지로 변환하여 집수면적을 증가시킨다면 빗물 활용량이 늘어나 원활한 용수공급이 가능하였다. 이때, 필요한 빗물 이용시설의 최적 용량은 약 5,796,000 ton~6,182,400 ton으로 분석되었다. 본 연구에서 제시한 결과는 토지이용과 재배작물의 변화에 따라 달라질 수 있으며 명확한 간척지의 농업용수 수요량 산정기준 정립 및 하우스 지붕 집수면적에 대한 적용 비율 등의 추가 연구를 통해 보완이 필요하다. 또한, 송산그린시티 하수처리장의 경우 남측과 서측지구 조성과 연계하여 2025년까지 1일 63,000 m³의 시설을 추가 설치하여 총 84,000 m³의 규모로 운영이 계획되어 있어 차후 이를 반영한 연구가 수행되어야 한다.