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문제 정의
- 본 연구에서는 기후변화를 고려한 제주지역 농업용수의 효율적 활용을 위한 방안 제시를 목적으로, 기후변화에 따른 수문요소 변동성, 권역별 농업형태 및 용수 이용량 등을 종합적으로 분석하였다. 이때 구분된 4곳의 권역은 기존의 수계에 따른 권역과 달리 행정적인 통계자료와의 상관성 분석을 위하여 행정구역에 따라 구분하였다.
- 본 연구에서는 이러한 다양한 기후변화의 영향이 제주 지역의 수문계(여기서는 강수량, 지하수위)에 미칠 수 있는 영향을 분석하고, 특히 제주지역 지하수 관정의 약 66% 이상을 차지하는 농업용수의 수요 · 공급에 미칠 수있는 다양한 영향들을 검토하였다.
- 이러한 수문분석 결과를 토대로 수리 · 수문 조건이 유사한 뉴질랜드 사례를 기초로 제주지역 농업용수의 권역별 효율적 활용방안 제시 및 향후 전망에 대하여 검토하였다.
제안 방법
- 그러나 강수량의 경우는 앞서 언급한 바와 같이 계절별 편차발생 가능성이 있기 때문에, 현재의 강수량 기준으로 풍수기(6월~9월) 기간에 대하여 4곳에서 관측된 강수량과 4개의 권역별로 구분하여 예측된 강수량 분포에 대하여 분석하였다(Fig. 4). 풍수기 동안 총강수량의 변동은 2100년까지 15~20년 주기의 최대값이 나타나는데(Fig.
- 그러나 평균해수면 상승이 전지구적인 변화와 유사한 상승폭(1.2 ± 2.4 mm/년)으로 나타남에도 불구하고 지역적인 편차가 크고 국부적으로 하강함에 따라, 비모수적 (non-parametric) 경향성 분석 방법을 이용하여 해수면 변화에 따른 지하수위 변화를 분석하였다.
- 이러한 농작물 재배 형태의 변화는 용수이용 측면에서 지하수자원의 효율적인 수요·공급 방식의 변화가 수반되어야 한다. 따라서 지하수자원의 수요와 공급 형태의 변화 가능성을 고려하기 위하여, 제주지역 전체와 4개의 권역별로 농작물 재배 형태별 면적변화 추세를 분석하였다. 이를 위하여 농작물 재배 형태를 식량작물 (grain: 미곡, 맥류, 잡곡, 두류, 서류), 시설재배작물 (market garden: 수박, 참외, 토마토, 오이, 호박, 참외, 시금치 등), 화훼작물(horticulture: 절화류, 분화류, 난류, 관상수류 등) 및 과일류(fruit: 감귤, 파인애플, 단감, 키위 등)로 구분하였다.
- 또한 본 원고에서는 이러한 필요성을 기초로 2100년까지 예측된 일별 기상요소 예측치를 이용하여 제주지역 지하수 관정의 약 66% 이상을 차지하는 농업용수의 수요·공급에 미칠 수 있는 다양한 가능성을 분석하였으며, 또한 4곳의 기상관측지점(제주, 서귀포, 고산, 성산)의 과거의 관측치를 이용하였다.
- 2). 본 연구에서 사용된 권역구분은 통계연보에서 제공되는 농업통계와의 상관성 분석을 위하여, 기존의 수계에 따른 분류와 달리 행정구역별로 구분하였다. 또한 본 원고에서는 이러한 필요성을 기초로 2100년까지 예측된 일별 기상요소 예측치를 이용하여 제주지역 지하수 관정의 약 66% 이상을 차지하는 농업용수의 수요·공급에 미칠 수 있는 다양한 가능성을 분석하였으며, 또한 4곳의 기상관측지점(제주, 서귀포, 고산, 성산)의 과거의 관측치를 이용하였다.
- 본 연구에서는 SRES 온실가스 배출 시나리오 중 특정한 에너지원에 지나치게 의존하지 않고 모든 에너지원을 균형적으로 사용한다는 가정에 따른 A1B 자료에 대하여, 통계적 상세화에 의해 제공된 10 km × 10 km 격자망에 대한 2100년까지 일별 기상요소 예측치(강수량, 최고기온, 최저기온, 평균기온, 상대습도)를 이용하였다.
- 본 연구에서는 SRES 온실가스 배출 시나리오 중 특정한 에너지원에 지나치게 의존하지 않고 모든 에너지원을 균형적으로 사용한다는 가정에 따른 A1B 자료에 대하여, 통계적 상세화에 의해 제공된 10 km × 10 km 격자망에 대한 2100년까지 일별 기상요소 예측치(강수량, 최고기온, 최저기온, 평균기온, 상대습도)를 이용하였다. 이때 분석 자료는 각 격자의 중심점에 해당하는 지점에 대한 기상요소로, 본 연구에서는 총 20개의 격자망에 대해 예측된 일별 기상요소에 대하여 자료 분석을 실시하였다(Fig. 2). 본 연구에서 사용된 권역구분은 통계연보에서 제공되는 농업통계와의 상관성 분석을 위하여, 기존의 수계에 따른 분류와 달리 행정구역별로 구분하였다.
- 따라서 지하수자원의 수요와 공급 형태의 변화 가능성을 고려하기 위하여, 제주지역 전체와 4개의 권역별로 농작물 재배 형태별 면적변화 추세를 분석하였다. 이를 위하여 농작물 재배 형태를 식량작물 (grain: 미곡, 맥류, 잡곡, 두류, 서류), 시설재배작물 (market garden: 수박, 참외, 토마토, 오이, 호박, 참외, 시금치 등), 화훼작물(horticulture: 절화류, 분화류, 난류, 관상수류 등) 및 과일류(fruit: 감귤, 파인애플, 단감, 키위 등)로 구분하였다.
- 제주지역 지하수계에 대한 기후변화의 영향을 분석하기 위한 예비단계로, 수문자료가 풍부하고 수리지질 조건이 유사한 뉴질랜드 해안유역에 대한 분석 결과를 정리하였다. 뉴질랜드는 북북동-남남서 방향의 산맥이 발달된 지형적인 영향으로 동서지역의 기후가 매우 다르며, 지역 기후특성은 남반구의 특성 상 국토 전체적으로는 전지구적인 규모인 엘리뇨와 남방진동(El Nino and southern oscillation, ENSO)과 10년 주기의 태평양 진동(interdecadal pacific oscillation, IPO)의 영향을 지속적으로 받고 있다(Mullan et al.
대상 데이터
- 본 연구에서는 이러한 다양한 기후변화의 영향이 제주 지역의 수문계(여기서는 강수량, 지하수위)에 미칠 수 있는 영향을 분석하고, 특히 제주지역 지하수 관정의 약 66% 이상을 차지하는 농업용수의 수요 · 공급에 미칠 수있는 다양한 영향들을 검토하였다. 이를 위하여 기상청의 기후변화정보센터(climate change information center, CCIC)에서 제공하는 2100년 까지의 일별 기상요소 예측치와 4곳의 기상관측지점에서의 과거 관측치를 이용하였다. 이러한 수문분석 결과를 토대로 수리 · 수문 조건이 유사한 뉴질랜드 사례를 기초로 제주지역 농업용수의 권역별 효율적 활용방안 제시 및 향후 전망에 대하여 검토하였다.
데이터처리
- A1B 시나리오에 따른 예측치 분석을 위하여 Fig. 2에서 제시한 20곳의 격자망을 4개의 권역별로 평균값을 계산하였으며, 이를 이용하여 연평균 강수량과 기온자료에 대한 비모수적 통계분석을 실시하였다. 분석 결과 강수량과 기온의 연간 변화는 전체적으로 각각 2.
이론/모형
- 이러한 기후변화에 따른 수자원의 영향을 객관적으로 평가하기 위해서는 과거의 수문변화 분석과 더불어 미래의 수문변동에 대한 합리적인 예측이 필요하다. 이러한 예측은 기후변화에 대한 다양한 시나리오를 가정한 기후변화 모델을 이용하는데, 기후변화 모델은 전지구적인 기후모델(general circulation models, GCM)을 각국의 지역 기후모델(regional climate models, RCM)에 맞게 축소모사(downscale modeling)한 기법을 이용한다(Bates et al., 2008). 국가간 기후변화 패널(intergovernmental panel on climate change, IPCC, 2007)은 전세계적으로 1980~1999(20년간) 기간을 기준으로 2090~2099 기간 동안의 기온 상승을 B1, A1B 및 A2 시나리오별로 각각 1.
성능/효과
- 4가지 주요한 농작물 재배 형태에 따른 토지이용 면적은 10,484~13,324 ha로 권역별로 비교적 고르게 분포하는 것으로 나타났다(Table 3). 그러나 용수 수요량이 상대적으로 높은 시설재배작물의 분포 면적은 동부와 서부지역의 경우 각각 5,248 ha와 4,937 ha로 전체면적의 42%와 38%로 나타남에 따라, 북부와 남부지역의 각각 2,854 ha와 417 ha인 전체면적의 27%와 3%에 비해 매우 높은 것으로 나타났다(Fig.
- 4가지 주요한 농작물 재배 형태에 따른 토지이용 면적은 10,484~13,324 ha로 권역별로 비교적 고르게 분포하는 것으로 나타났다(Table 3). 그러나 용수 수요량이 상대적으로 높은 시설재배작물의 분포 면적은 동부와 서부지역의 경우 각각 5,248 ha와 4,937 ha로 전체면적의 42%와 38%로 나타남에 따라, 북부와 남부지역의 각각 2,854 ha와 417 ha인 전체면적의 27%와 3%에 비해 매우 높은 것으로 나타났다(Fig. 5).
- 8). 그러나 중간값의 경우에는 북부지역이 821,841 m3/월로 서부지역의 702,043 m3/월 보다 높게 나타나고, 서부지역의 경우는 월별 이용량이 강수량이 상대적으로 적은 기간 중에 집중적으로 증가되는 것으로 나타났다. 비모수적 통계기법을 이용하여 계산된 4곳의 권역별 월별 이용량 증가율은 북부와 서부지역이 각각 93,622 m3/월과 73,347 m3/월로, 동부 지역의 30,254 m3/월에 비해 매우 높은 것으로 나타났다(Table 6).
- 농업용수 이용의 측면에서 지하수 관정의 분포는 남부와 서부지역에 주로 집중적으로 분포하지만 공공관정의경우 서부지역이 가장 많은 것으로 나타났다. 이용량 자료가 확보된 공공관정을 이용하여 분석된 이용량은 서부와 북부지역이 많은 것으로 분석되었는데, 특히 서부지역의 경우에는 갈수기에 집중적으로 지하수를 사용하는 것으로 나타났다.
- 농업형태의 경우 제주지역 전체적으로 용수 수요량이 상대적으로 높은 시설재배작물 재배 면적이 다른 작물재배 면적에 비해 급격하게 증가하는 것으로 나타났다. 재배면적의 권역별 분포면적은 강수량이 가장 적은 서부지역의 경우 용수 수요량이 높은 시설재배작물 위주인 반면 강수량이 상대적으로 풍부한 남부지역의 경우 용수 수요량이 상대적으로 낮은 감귤 위주의 과실류 재배 면적이 상대적으로 넓은 분포를 차지하고 있다.
- 이러한 권역별 용수 이용량을 제주지역 전체적으로 분석하면 Table 4에서 제시한 바와 같이 용수 수요량이 상대적으로 많은 시설재배작물의 급격한 증가와 더불어 용수 수요량이 상대적으로 적은 과실류의 감소현상과 일치하는 것으로 분석된다. 또한 관측된 월평균 강수량과 농업형태별 농작물 재배 면적의 분포에서 분석된 바와 같이, 서부지역의 경우 용수 수요량이 많은 시설재배 작물의 재배 면적이 북부와 남부지역에 비해 상대적으로 높은 것도 앞서의 분석 결과를 뒷받침하는 것으로 판단된다.
- 4(b)). 또한 월평균 강수량 관측자료 중 최대값과 최소값을 나타내는 서귀포와 고산관측소의 경우 각각 963.5 mm와 615.8 mm(차이 347.7 mm)로 나타나지만, 2100년까지 예측된 남부와 서부지역의 월평균 강수량은 각각 1,130.1 mm와 654.0 mm(차이 476.1 mm)로 향후 강수량의 편차가 더 커지는 것으로 분석되었다.
- 5 mm/년의 상승속도에 비해 빠른 것으로 나타났다(김경호 외, 2009). 또한 한반도를 중심으로 동해안에 비해 남해안의 상승속도가 상대적으로 빠르며 특히 제주도 인근 지역의 상승이 가장 큰 것으로 제시하였다.
- 본 연구에서 분석된 해안유역은 뉴질랜드 남섬 북부에 위치한 와이미아 평원(Waimea Plains) 지역으로 특정한 에너지원에 지나치게 의존하지 않고 모든 에너지원을 균형적으로 사용한다고 가정한 A1B 시나리오를 기준으로, 기온의 경우 1990~2040 기간과 1990~2090 기간 중에 각각 0.2~2.0℃(평균 0.9℃)와 0.6~5.0℃(평균 2.0℃)로 상승하며, 같은 기간 중에 강수량은 각각 −3~9%(평균 2%)와 −3~14%(평균 4%)로 시간 경과에 따라 상승폭이 증가하는 것으로 분석되었다(Zemansky et al., 2010).
- 2에서 제시한 20곳의 격자망을 4개의 권역별로 평균값을 계산하였으며, 이를 이용하여 연평균 강수량과 기온자료에 대한 비모수적 통계분석을 실시하였다. 분석 결과 강수량과 기온의 연간 변화는 전체적으로 각각 2.03~2.43 mm/년과 0.04℃/년 상승하는 것으로 분석됨에 따라 현재와 비교하여 2100년에 각각 약 200 mm와 4℃ 증가하는 것으로 예측되었다(Table 2).
- 분석 결과 자유면 대수층의 경우 지하수위의 상승현상이 나타나는 반면, 피압 대수층의 경우에는 하강하는 것으로 나타났으며 변화폭은 −11.1 ± 12.3 mm/년으로 평가되었다.
- 그러나 중간값의 경우에는 북부지역이 821,841 m3/월로 서부지역의 702,043 m3/월 보다 높게 나타나고, 서부지역의 경우는 월별 이용량이 강수량이 상대적으로 적은 기간 중에 집중적으로 증가되는 것으로 나타났다. 비모수적 통계기법을 이용하여 계산된 4곳의 권역별 월별 이용량 증가율은 북부와 서부지역이 각각 93,622 m3/월과 73,347 m3/월로, 동부 지역의 30,254 m3/월에 비해 매우 높은 것으로 나타났다(Table 6). 이러한 권역별 용수 이용량을 제주지역 전체적으로 분석하면 Table 4에서 제시한 바와 같이 용수 수요량이 상대적으로 많은 시설재배작물의 급격한 증가와 더불어 용수 수요량이 상대적으로 적은 과실류의 감소현상과 일치하는 것으로 분석된다.
- 1 mm로 크게 증가하며 상대적으로 편차도 줄어드는 것으로 나타났다. 이에 비해 고산과 성산 관측소의 경우 과거 관측값에 대한 중앙값은 각각 615.8 mm와 1,022.6 mm로, 예측값으로 계산된 중앙값인 각각 654 mm와 1,015.6 mm에 비해 큰 변화가 없는 것으로 나타났다(Fig. 4(b)).
- 이에 비해 용수 이용량이 상대적으로 적은 과실류의 경우 북부와 남부지역의 경우 각각 5,555 ha와 11,034 ha로 전체 재배면적의 53%와 83%를 차지하는 반면, 동부와 서부지역의 경우에는 각각 2,544 ha와 2,154 ha로 전체의 20%와 17%에 비해 상대적으로 매우 높은 것으로 나타났다. 따라서, 과실류의 경우 용수 이용량이 매우 적은 감귤이 차지하는 비율이 약 98%인 것을 고려하면(제주발전연구원, 2009), 북부와 남부지역의 용수 수요량이 동부와 서부지역에 비해 상대적으로 낮을 것으로 판단된다.
- 이용량 자료가 상대적으로 정확한 공공관정을 대상으로 지난 12년 동안 계산된 월별 평균이용량은, 서부지역이 1,046,089 m3/월로 가장 높은 반면 동부지역은 332,072 m3/월로 가장 낮은 것으로 나타났다(Fig. 8). 그러나 중간값의 경우에는 북부지역이 821,841 m3/월로 서부지역의 702,043 m3/월 보다 높게 나타나고, 서부지역의 경우는 월별 이용량이 강수량이 상대적으로 적은 기간 중에 집중적으로 증가되는 것으로 나타났다.
- 농업용수 이용의 측면에서 지하수 관정의 분포는 남부와 서부지역에 주로 집중적으로 분포하지만 공공관정의경우 서부지역이 가장 많은 것으로 나타났다. 이용량 자료가 확보된 공공관정을 이용하여 분석된 이용량은 서부와 북부지역이 많은 것으로 분석되었는데, 특히 서부지역의 경우에는 갈수기에 집중적으로 지하수를 사용하는 것으로 나타났다. 이러한 집중적인 지하수 이용은 지하수위 강하와 직접적으로 연결되는데, 이는 기존 연구에서 제시된 지하수 하강 현상이 서부와 북부지역에 집중되는 결과와 일치된다.
- 제주지역 4곳의 기상관측지점에 대한 월평균 강수량, 상대습도 및 기온자료를 이용하여 비모수적 통계분석을 실시한 결과, 강수량의 연간 변화는 관측기간이 짧은 성산지역(2007~2011, 4년간)을 제외하면 0.03~0.71 mm/년 상승하지만 통계적으로 무의미한 것으로 분석되었다(Table 1). 월평균 상대습도의 경우에는 성산지역을 제외하고 −0.
- 지하수 수문계에 직접적으로 영향을 미치는 월평균 강수량의 경우 풍수기에 남부와 서부지역에서 각각 관측된 최대와 최소값의 차이가 시간이 경과함에 따라 더욱 커지는 것으로 분석되었다. 특히 예측된 강수량의 경우 북부와 남부지역에서 절대값이 증가하는 반면 서부지역의 경우 변화가 거의 없는 것으로 나타났다.
- 지하수 수문계에 직접적으로 영향을 미치는 월평균 강수량의 경우 풍수기에 남부와 서부지역에서 각각 관측된 최대와 최소값의 차이가 시간이 경과함에 따라 더욱 커지는 것으로 분석되었다. 특히 예측된 강수량의 경우 북부와 남부지역에서 절대값이 증가하는 반면 서부지역의 경우 변화가 거의 없는 것으로 나타났다.
- 또한 최근들어 AO 변동성이 증가됨에 따라 수반되는 다양한 기후변화의 변동성은 제주지역의 권역별 수자원 변동성에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 풍수기에 대한 권역별 예측치와 과거자료를 이용한 분석 결과 제주와 서귀포 관측소의 경우 과거 자료로 분석된 중앙값(median value)은 각각 836 mm와 963.5 mm인데 비하여, 예측값을 이용하여 분석된 북쪽과 남쪽권역의 중앙값은 각각 1,119.2 mm와 1,130.1 mm로 크게 증가하며 상대적으로 편차도 줄어드는 것으로 나타났다. 이에 비해 고산과 성산 관측소의 경우 과거 관측값에 대한 중앙값은 각각 615.
후속연구
- 결과적으로 단위 재배면적에 대한 소득을 고려하는 경우 향후 시설재배작물 면적은 지속적으로 상승할 것으로 예측되며, 이러한 농작물 재배 형태 변화는 용수 이용량의 변화가 반드시 수반될 것으로 판단된다.
- 결과적으로 수문계 변화에 민감한 농업활동의 경우 앞서 뉴질랜드의 사례에서 제시한 바와 같이 기후변화 시나리오에 따른 지하수 수문계의 변동성의 예측이 매우 중요하며, 특히 지하수자원에 의존성이 매우 큰 제주지역의 경우 기존의 농업현황 분석을 토대로 기후변화에 따른 사회경제적 변동 가능성에 근거하여 작물 생산량 변화, 경지 면적 증가, 재배작물별 상관관계 및 용수 이용량 등을 종합적으로 분석하는 것이 필요하다.
- 결국 이러한 이용량의 분포 양상은 북부와 서부지역의 지하수위 하강이 동부와 남부지역에 비해 상대적으로 높은 것으로 제시된 기존의 결과를 고려할 때(Lee et al., 2007), 향후 지하수 함양과 관련한 강수량의 변동 등 지하수자원과 관련한 정책적인 고려가 필요할 것으로 판단된다.
- 3 mm/년으로 평가되었다. 또한 지하수위 변화가 하천유량 변화에 매우 밀접한 상관성이 나타나고 하천유량이 약 25% 감소되는 것으로 나타남에 따라, 기후변화에 의한 지하수위 변화에 대한 대책 수립이 필요한 것으로 밝혀졌다.
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