KIGAM 한국지질자원연구원

기후변화 속 가뭄, 스마트 지하수 활용

글 하규철 책임연구원 (지하수환경연구센터)

기후변화는 수자원 부문에 지대한 영향을 미칠 것으로 예상된다. 즉, 지구 온난화에 의해 기온 상승과 함께 증발량과 강수량이 많아지고, 집중 호우에 의한 홍수와 가뭄이 빈번해져 물에 대한 스트레스는 커질 것이다. 또한, 폭염과 열파(heat wave)가 증가함에 따라 물 수요가 증가하고, 해수면 상승에 의한 담수 자원이 감소하여 물 부족을 가중시킬 것이다.

우리나라도 과거 100년 기상관측 자료에서 이러한 기후변화 전망을 반영하듯 기온 증가, 강수량 증가, 집중 호우 증가가 잘 나타나고 있다. 특히, 집중 호우는 강우가 홍수의 형태로 유출되어 버리기 때문에 수자원 확보 측면에서는 도움이 되지 않을 뿐만 아니라, 비가 오지 않는 날이 많아져 가뭄이 빈번하게 발생할 수 있다.

우리나라는 그동안 지속적으로 물 부족에 대비하여 대규모 다목적 댐 건설과 농업용 저수지 및 상수도 시설 보급이 이루어졌다. 그러나, 1990년대 이후, 가뭄에 의해 3회 이상의 물 부족을 경험한 상습 가뭄 피해지역이 48개 시군에 이를 만큼 지역적 물 공급의 안정성이 여전히 미흡한 실정이다. 또한, 최근의 가뭄은 지역에 따라 상습적으로 발생하고 있어, 가뭄 대책은 일회성이 아닌 장기적인 관점에서 수자원 계획이 수립될 필요가 있다. 환경부에서 수립한 국가물관리기본계획에 따르면, 기후변화로 인해 미래 물 부족량은 과거 최대 가뭄 시 2.56억m3/년에 비하여 2.2배(RCP 2.6, 5.80억m3/년)에서 2.4배(RCP 8.5, 6.26억m3/년)에 이르는 등 물 부족이 심화할 것으로 전망되었다. 이러한 극한 가뭄 시 물 부족을 극복하기 위해서는 주요 용수원인 지표수만으로는 한계가 있기에, 다양한 방식의 수자원 확보 방안이 필요하다.

지하수는 지표수와 연계하여 가뭄과 기후변화에 대응할 수 있는 귀중한 수자원으로서, 지금 그 어느 때보다도 중요성이 높아지고 있는데, 이를 현명하게 활용할 수 있는 방안이 절실하다.

특히, 가뭄이 발생하게 되면 하천, 저수지가 말라버리는 상황에서 지하수를 사용하는 방법 외에는 대안이 별로 없어, 최대한 기존 관정들을 활용하기 위한 방안이 필요하다. 기존 관정들을 효율적으로 활용하기 위해서는 각 관정에서 공급할 수 있는 지하수량과 가뭄과 같은 극한

상황 발생 시 최대 공급 가능량 등이 파악되어 있어야 한다. 그리고, 개별관정을 상호 연계하게 되면 여러 개의 관정에서 나오는 물을 합하여 총량을 늘릴 수 있기 때문에, 가뭄 등 비상시에 일시적으로 다량의 물을 공급할 수 있다. 평상시에도 적절한 양수량 조절을 통해 지하수 자원의 손실을 막고 수위 저하에 의한 문제를 최소화할 수 있다.

스마트 지하수 활용을 위한 관정연계시스템

2020년 기준 국내의 지하수 시설 수는 1,687천 개소이고, 연간 지하수 이용량은 2,978백만m3으로, 연간 지하수 개발가능량 130억m3 대비 약 10% 정도에 지나지 않는다. 지하수공 1개소당 연간 이용량은 1,765m3/년으로 이를 일로 환산하면 4.84m3/일이고, 단위 면적당 시설 수와 이용량은 각각 16.8개소/km2, 29,168m3/년/km2(81.1m3/일/km2)이다. 또한, 지하수 이용은 농업용수 수요와 맞물려서 특정한 시기에 집중되고, 사용량도 지역별로 매우 다르다. 이처럼 개발된 지하수공이 많고 이용률도 적은데, 그동안 이들 관정을 최대한 효율적으로 이용하기 위한 정책은 미흡했었던 것 같다.

관정연계시스템(Well Network System, WNS)은 기존 관정들을 가상의(virtually) 또는 물리적(physically) 연결을 통하여 지하수 자원의 합리적 배분과 이용의 효율성을 높이는 시스템이라고 정의할 수 있다. 이 시스템은 파이프라인으로 각 관정을 연결하는 물리적 연계만을 의 미하는 것이 아니라, 지하수 모니터링 및 모델링 등 관리 기술을 정보통신기술(ICT, Information and Communication Technology)과 통합하여 최적의 물을 공급하기 위한 가상의 시스템을 포함하는 개념이다. 우리나라는 시공간적으로 강수량의 불균등과 수자원 기반 시설의 차이 때문에 지역별로 물 부족이 지속적으로 발생하고 있다.

이 경우 물이 부족한 지역과 수자원이 풍부한 지역(지하수가 많거나 저수지 등 수자원 기반시설이 충분한 지역)간에 관정연계를 통해 물을 상호 교환하는 시스템이 관정연계시스템의 개념이다. 이 시스템을 적용하기 위해서는 기존 관정들에서 공급 가능한 지하수량과 수리지질학적 정보가 구축되어야 한다. 또한, 양수정에서 양수 시 주변의 다른 지하수공에서 이용에 장해가 없어야 하고, 하천, 습지 등 생태계에도 영향이 미치지 않도록 최적의 관정 연계 시나리오, 그리고, 이들을 평가하고 감시할 수 있는 모니터링 체계, 모델링 기술 등이 필요하다.

한국지질자원연구원에서는 환경부 과제로 2018년부터 2022년까지 관정연계시스템 개발과 적용을 위해 충남 홍성군 서부면 양곡리 일대를 대상으로 연구를 진행하였다. 이곳은 광역상수도가 보급되어 생활용수 공급에는 문제가 없지만, 농업용수는 주로 지하수에 의존하는 지역이다. 또한, 상습적으로 가뭄이 발생하는 지역으로 비가 조금이라도 오지 않으면 지하수 관정을 이용하기 위한 주민들 간 마찰도 자주 발생하기도 하는 곳이다.

연구 지역에 구축된 관정연계시스템 시설은 물 공급 배관, 양수제어 장치, 물탱크, 모니터링 시설 등으로 구성되어 있다. 고도가 낮은 곳에서 높은 곳까지 물 공급 배관(간선)이 설치되었고, 네트워크 관정들로부터 집수된 물은 물탱크를 통해 자연유하식으로 배분되거나, 관로 상 에서 직접 물이 공급될 수 있도록 하였다. 관정연계에 의한 물 공급은 개별 양수정에서 양수량 제어가 가능하도록, 시스템과 제어 모듈이 관정연계시스템 플랫폼에 탑재되었다.

관정연계시스템 플랫폼은 ICT 기술과 지하수관리 기법을 연동하여 지하수 관정들을 연계하고 최적으로 운영할 수 있는 하나의 의사결정 시스템이다. 관정연계시스템 플랫폼은 지하수 관정정보, 관측자료를 표출하는 기존의 지하수정보시스템과는 기능적으로 한 단계 더 진화한 시스템이다. 이 플랫폼에서는 기존의 시스템에서 탑재된 기능 이외에도 지하수 관측망으로부터 실시간으로 자료를 연동하여, 지하수위 추세분석 및 가뭄 예측, 최적의 물공급을 위한 양수정의 양수 제어, 밸브 조작 등 관로 제어, 시기별 수요량과 공급량 분석과 지하수위 강하 모델링, 영향범위 예측 등을 할 수가 있다. 따라서, 관정연계시스템 플랫폼은 스마트 지하수 물 공급을 하기 위한 일종의 통합운영시스템이라고 할 수 있으며, 언제 어디서든 유비쿼터스(Ubiquitous) 운영이 될 수 있도록 웹기반으로 개발되었다.

결론 및 제언

관정연계시스템은 스마트 지하수 활용을 위한 효율적·효과적인 수단이 되며, 개별 관정에 대한 이용률을 높여 새로운 수자원 건설 인프라 구축비용과 신규 관정개발에 드는 비용도 절감할 수 있다. 그러나, 이러한 관정연계시스템 기술 보급을 위해서는 지하수는 함께 이용하는 공공자원이라는 인식개선과 법·제도적인 보완, 지역사회 주민들의 적극적인 협조가 중요하다. 과거 우리 조상들이 우물수리계를 조직하여 마을 공동 우물을 개발하고 이용했듯이, 기후 위기 속을 살아가는 우리는 미래세대를 위해서라도 무분별한 개발과 이용을 지양하고 과학기술의 뒷받침으로 합리적이고 스마트하게 지하수를 활용하여야 한다.