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문제 정의
- 그러나 전국단위의 용수구역을 대상으로 미래에 예상되는 농업용수 수요량 변화를 함께 고려하여 지하수 활용 방안을 제안한 연구는 이루어진 바 없다. 따라서 본 연구에서는 가뭄대비를 위한 안정적 농업용수공급 체계 조성방안 마련을 위해 농어촌용수 구역의 주요 통계자료와 지하수 관측 자료를 활용하여 상관분석 및 군집분석을 수행하고, 전국 511개 지역의 용수구역을 분류하여 지하수 개발이 필요한 지역을 선정하고자 하였다.
- 본 연구는 한국농어촌공사 농어촌연구원의 기후변화 시나리오 자료를 이용한 농어촌용수구역별 가뭄 취약성 분석 연구의 일환으로 수행된 결과임.
- K-mean 방법은 군집의 수를 미리 정하고, 각 개체가 어느 군집에 속하는 지를 분석하는 방법으로 대량의 데이터의 군집분석에 유용하게 이용되고 있다. 본 연구에서는 500여개가 넘는 농어촌용수구역의 기초 자료를 유사한 특성을 가진 집단으로 분류하는 데 활용하였다. 평가지표별 군집분석 결과, 군집이 나뉘어지는 경계값을 용수구역 유형(Types)을 나누는 기준값으로 적용하였다.
제안 방법
- 먼저, 수집한 대상 용수구역의 기초자료의 최댓값, 평균, 최솟값, 표준편차 등 기초통계량을 산정하여 변수별 특성을 살펴보았다. 농어촌용수구역별로 여러 항목의 통계자료가 집계되고 있으므로 이 중 지하수 이용 계획에 활용할 주요 항목을 선정하기 위해 후보 요인들을 선정하고(Table 1), 상관분석 결과, 상관계수가 높게 나타난 변수를 제외하여 군집분석 입력값으로 사용하였다. 상관분석은 연관성분석의 일종으로 연관성분석은 변수들이 서로 독립적인지, 아니면 서로 영향을 주고받는 변수인지를 알기 위한 분석 방법이다(Roh, 2014).
- 5%이하인 용수구역(Type 1)을 농업용수 부족이 가장 우려되는 지역으로 판단하여 지하수 개발 우선순위 1순위로 정하고 밭지역 수리지질조사(Geological and hydraulic characteristics investigation of upland fields)가 가장 먼저 필요한 지역으로 제시하였다. 다음으로 밭용수 수요대비 공급량 비율이 37.5% 이하이나 논용수 수요대비 공급량 비율이 76.5% 초과인 지역(Type 2)은 지표수를 밭용수로 활용가능한지 가능성 여부(Usage of surface water from paddy fields for irrigating upland crops)를 먼저 확인한 후, 지하수 개발을 위한 밭지역 수리지질 조사를 수행하는 것으로 하고 우선순위 3순위로 정하였다. 밭용수 수요대비 공급량 비율이 37.
- 953으로 높게 나타났다. 따라서 이 두 인자를 제외하고 논용수 수요량 대비 공급량 비율(F1), 밭용수 수요량 대비 공급량 비율(F2), 개발가능량 대비 지하수 이용량 비율(G1)을 지하수 개발 관련 용수구역의 유형분류를 위한 군집분석의 인자로 선정하였다.
- 본 연구에서는 지하수 이용량 및 논ㆍ밭 용수 수요·공급량 자료를 활용하여 용수구역별 특징을 분석하고, 상관분석을 통해 평가지표을 선정하였다. 또한, 선정된 평가지표를 대상으로각각 군집분석을 수행하여 군집별로 구분이 되는 기준값을 도출하고 이에 따라 용수구역 유형을 분류하였다. 마지막으로 용수구역 유형별 특징을 고려하여 지하수 개발 우선지역을 제시하고, 논 용수 또는 밭 용수 부족이 예상되는 지역을 분류하였다.
- 마지막으로 ‘논용수 수요 대비 공급량 비율’을 평가지표(Criteria 3)로 하여 총 세 가지 기준의 농업용수 이용 특성에 따라 용수구역을 8가지로 분류하였다.
- 또한, 선정된 평가지표를 대상으로각각 군집분석을 수행하여 군집별로 구분이 되는 기준값을 도출하고 이에 따라 용수구역 유형을 분류하였다. 마지막으로 용수구역 유형별 특징을 고려하여 지하수 개발 우선지역을 제시하고, 논 용수 또는 밭 용수 부족이 예상되는 지역을 분류하였다.
- 본 연구에서는 농촌용수구역의 유형 분류를 위해 분석자료의 기초통계량(Basic statistics) 산정, 상관분석(Correlation analysis), 군집분석(Cluster analysis)을 수행하였다. 먼저, 수집한 대상 용수구역의 기초자료의 최댓값, 평균, 최솟값, 표준편차 등 기초통계량을 산정하여 변수별 특성을 살펴보았다. 농어촌용수구역별로 여러 항목의 통계자료가 집계되고 있으므로 이 중 지하수 이용 계획에 활용할 주요 항목을 선정하기 위해 후보 요인들을 선정하고(Table 1), 상관분석 결과, 상관계수가 높게 나타난 변수를 제외하여 군집분석 입력값으로 사용하였다.
- 또한 농어촌용수 10개년 개발 계획을 통해 2024년의 목표치를 발표하고 있다. 본 연구에서는 이를 바탕으로 용수구역별 논용수 수요대비 공급비율(F1), 밭용수 수요대비 공급비율(F2)을 산정하여 통계분석에 활용하였다.
- 본 연구에서는 지하수 이용량 및 논ㆍ밭 용수 수요·공급량 자료를 활용하여 용수구역별 특징을 분석하고, 상관분석을 통해 평가지표을 선정하였다.
- 용수구역 유형분류를 위해 상관분석을 통해 선정된 평가지표를 Criteria로 활용하였다. 선정된 각 평가지표의 군집분석 수행 결과, 평가지표(Criteria)별 군집의 경계 값을 유형분류를 위한 기준값으로 활용하여 가뭄 대응형 지하수 정책의 적용 우선순위를 결정하였다.
- 지하수 자료의 경우, 본 연구에서는 지하수 연보(MOLIT, 2015)에서 제공하는 117개 수자원단위지도 중권역의 유역별 지하수 함양율과 평균강수량 및 10년 빈도 가뭄시 강수량을 농어촌용수구역에 적용하여 용수구역별 지하수 함양량 및 개발가능량을 산정하였다(KRC, 2016). 이와 함께 지하수함양량 대비 이용량(G1), 지하수개발가능량 대비 지하수이용량(G2), 단위 면적당 지하수이용량(G3) 등을 산정하여 유형분류를 위한 통계분석에 활용하였다.
- 지하수 개발 우선순위 결정을 위한 용수구역 유형분류이므로 첫번째 평가지표(Criteria 1)로 ‘지하수 개발가능량 대비 이용량 비율’을 기준으로 하고, 지하수는 상대적으로 논 지역보다는 밭 지역에서 개발 수요가 높으므로 ‘밭용수 수요 대비 공급량 비율’을 두 번째 평가지표(Criteria 2)로 하였다.
- 지하수 자료의 경우, 본 연구에서는 지하수 연보(MOLIT, 2015)에서 제공하는 117개 수자원단위지도 중권역의 유역별 지하수 함양율과 평균강수량 및 10년 빈도 가뭄시 강수량을 농어촌용수구역에 적용하여 용수구역별 지하수 함양량 및 개발가능량을 산정하였다(KRC, 2016). 이와 함께 지하수함양량 대비 이용량(G1), 지하수개발가능량 대비 지하수이용량(G2), 단위 면적당 지하수이용량(G3) 등을 산정하여 유형분류를 위한 통계분석에 활용하였다.
- 본 연구에서는 500여개가 넘는 농어촌용수구역의 기초 자료를 유사한 특성을 가진 집단으로 분류하는 데 활용하였다. 평가지표별 군집분석 결과, 군집이 나뉘어지는 경계값을 용수구역 유형(Types)을 나누는 기준값으로 적용하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 농림축산식품부에서 2014년 발간한 농어촌용수이용합리화계획과 농촌용수종합정보시스템(Rural Agricultural Water Resource Information System, RAWRIS)에서 제공하는 용수구역별 통계 자료, 국토해양부에서 2012년 발간한 지하수 관리기본계획과 국가지하수정보센터(National Groundwater Information Center, NGIC)에서 제공하는 지하수연보의 지하수 관련 자료를 수집하여 농촌용수구역 유형분류를 위한 분석 자료로 활용하였다. 농어촌용수이용합리화계획은 농어촌정비법 제 15조 및 동법 시행령 제 23조, 제 24조에 따라 농어촌용수의 효율적인 개발ㆍ이용 및 보전을 위하여 수립된 계획으로 이와 관련한 다양한 통계항목을 제시하고 있다.
데이터처리
- 마지막으로 선정된 평가지표를 대상으로 Ward 방법을 적용한 계층적 군집분석을 수행하여 각각 적합한 군집의 수를 결정한 후, 정해진 군집 수에 따라 K-mean 군집분석을 실시하였다. 군집분석은 대상들이 지니고 있는 특성의 유사성을 바탕으로 동질적인 집단으로 묶어주는 방법이다(Roh, 2014).
- 본 연구에서는 농촌용수구역의 유형 분류를 위해 분석자료의 기초통계량(Basic statistics) 산정, 상관분석(Correlation analysis), 군집분석(Cluster analysis)을 수행하였다. 먼저, 수집한 대상 용수구역의 기초자료의 최댓값, 평균, 최솟값, 표준편차 등 기초통계량을 산정하여 변수별 특성을 살펴보았다.
- 본 연구에서는 등간·비율척도에서 기타 변수의 개입 여부를 가정하지 않는 피어슨상관계수를 이용하여 상관분석을 수행하였다.
- 용수구역 유형분류를 위해 상관분석을 통해 선정된 평가지표를 Criteria로 활용하였다. 선정된 각 평가지표의 군집분석 수행 결과, 평가지표(Criteria)별 군집의 경계 값을 유형분류를 위한 기준값으로 활용하여 가뭄 대응형 지하수 정책의 적용 우선순위를 결정하였다.
이론/모형
- 다수의 대상을 몇 개의 동질적인 집단으로 나눔으로써 동일 집단속에 속해 있는 공통된 특성들을 조사하기 위한 목적으로 이용되며, 보통 자료의 크기가 100개를 상회하는 경우, 계층적 군집분석을 통해 군집의 수를 미리 추출하고 다음으로 적절한 군집의 수를 선택하여 비계층적 군집분석을 수행하게 된다(Roh, 2014). 본 연구에서는 각 평가지표별(상관분석을 통해 선정된 평가지표)로 비계층적 군집분석을 수행하여 적합한 군집수를 결정한 후, 비계층적 군집방법인 K-mean 군집방법을 수행하였다. K-mean 방법은 군집의 수를 미리 정하고, 각 개체가 어느 군집에 속하는 지를 분석하는 방법으로 대량의 데이터의 군집분석에 유용하게 이용되고 있다.
성능/효과
- 2024년의 농업용수 수요량 대비 2012년 공급량을 활용하여 수요대비 공급비율을 산정하는 경우, 수요량 값이 0 m³/년 인 곳에서 999%로 NA(Not available) 값이 산출된다. NA값인 지역을 제외하고 산정한 논용수 수요대비 공급비율은 최댓값 125.0%, 평균 109.1%, 최솟값 13.4% 로 나타났으며 밭용수 수요대비 공급비율은 최댓값 100.0%, 평균 68.4%, 최솟값 0.0% 로 산정되었다. 이 중 농업용수 수요량이 0 m³/년인 지역과 도시지역 및 섬지역을 포함한 98개 용수구역을 제외한 413개 용수구역을 대상으로 산정한 논용수 수요대비 공급비율의 평균은 84.
- 즉, 근교농업이 이루어지고 있는 수도권 인근지역에서 논용수 뿐만 아니라 밭용수의 부족이 예상된다. Type 2에 해당하는 용수구역은 총 162개, Type 3은 84개, Type 4는 186개 지역으로 나타나 논용수가 풍부한 지역이 많은 것으로 나타났고, Type 5는 5개, Type 6 19개, Type 7 6개, Type 8 6개 지역으로 지하수 이용이 높은 지역은 총 36개 지역에 불과해 전체 농촌용수구역 대비 10% 미만인 것으로 나타났다.
- 4%로 분석대상지 413개 지역의 평균보다 작은 값을 나타내었다. 개발가능량 대비 이용량도 최댓값은 169.8%로 분석대상지의 131.9%보다 큰 값을 보였으나, 평균값은 27.3%로 전국 평균과 분석대상지 평균보다 작게 나타났다.
- 농촌용수구역 유형분류를 위해 논용수 수요량 대비 공급량 비율(F1), 밭용수 수요량 대비 공급량 비율(F2), 개발가능량 대비 지하수 이용량 비율(G1), 함양량 대비 지하수 이용량비율(G2), 단위 면적당 지하수 이용량비율(G3)을 산정하여 상관분석을 수행한 결과는 Table 4와 같다. 개발가능량 대비 지하수 이용량비율(G1)과 함양량 대비 지하수 이용량비율(G2)의 상관계수가 0.998, 개발가능량 대비 지하수 이용량비율(G1)과 단위 면적당 지하수 이용량비율(G3)의 상관계수가 0.953으로 높게 나타났다. 따라서 이 두 인자를 제외하고 논용수 수요량 대비 공급량 비율(F1), 밭용수 수요량 대비 공급량 비율(F2), 개발가능량 대비 지하수 이용량 비율(G1)을 지하수 개발 관련 용수구역의 유형분류를 위한 군집분석의 인자로 선정하였다.
- 그 결과, 지하수 개발가능량 대비 이용량 비율이 80% 이하이고 밭용수 수요대비 공급량 비율은 37.5%이하, 논용수 수요대비 공급량 비율이 76.5%이하인 용수구역(Type 1)을 농업용수 부족이 가장 우려되는 지역으로 판단하여 지하수 개발 우선순위 1순위로 정하고 밭지역 수리지질조사(Geological and hydraulic characteristics investigation of upland fields)가 가장 먼저 필요한 지역으로 제시하였다. 다음으로 밭용수 수요대비 공급량 비율이 37.
- 용수구역별 용수이용특성에 따라 유형분류를 수행하기 위해 선정된 평가지표들을 대상으로 각각 군집분석 수행한 결과는 Table 5와 같다. 논용수 수요대비 공급량 비율의 군집분석결과, NA 값(Cluster 3)을 제외한 하위그룹(Cluster 1)의 최솟값은 13.4%, 평균은 62.9%, 중앙값은 65.2%, 최댓값은 76.4%로 산정되었고, 상위그룹(Cluster 2)의 최솟값은 76.7%, 평균은 90.5%, 중앙값은 90.6%, 최댓값은 107.7%로 나타났다. 즉, 논용수 수요대비 공급량 비율은 76.
- 도시 및 섬지역과 농업용수 수요량이 0.0 m³/년인 98개 용수구역의 지하수 함양량 대비 이용량 비율은 최댓값의 경우 분석대상지의 최대값 98.0%보다 큰 126.7%로 나타났으나, 평균은 18.4%로 분석대상지 413개 지역의 평균보다 작은 값을 나타내었다.
- 밭용수 수요대비 공급량 비율 경우, NA 값(Cluster 3)을 제외한 하위그룹(Cluster 1)의 최솟값은 0.0%, 평균은 10.5%, 중앙값은 3.3%, 최댓값은 37.4%로 산정되었고, 상위그룹(Cluster 2)의 최솟값은 37.9%, 평균은 64.6%, 중앙값은 64.4%, 최댓값은 100.0%로 나타났다. 즉, 밭용수 수요대비 공급량 비율은 37.
- 논용수 수요량 대비 공급량 비율은 경기도 여주, 이천등과 경상북도 봉화군, 전라남도 신안군에서 60% 이하로 낮게 나타났다. 밭용수 수요량 대비 공급량 비율은 15% 이하인 지역이 전국적으로 분포하는 것으로 나타났으며, 개발가능량 대비 지하수 이용률은 강원도 지역이 전반적으로 낮은 것으로 나타났다.
- 0%로 나타났다. 본 연구에서 대상지로 선정된 413개 유역의 지하수 함양량 대비 이용량의 최댓값은 98.0%, 평균 25.6%, 최소 0.6%이며, 개발가능량 대비 이용량은 최대 131.9%, 평균 36.0%, 최소 0.9%로 나타났다. 도시 및 섬지역과 농업용수 수요량이 0.
- 상관분석과 군집분석 수행 결과, 지하수 개발가능량 대비 이용량 비율 80%, 밭 용수 수요 대비 공급량 비율 37.5%, 논 용수 수요 대비 공급량 비율 76.5가 용수구역 유형 분류를 위한 평가지표의 기준값으로 도출 되었으며, 이에 따라 지하수 개발 1순위인 지역(Type 1) 44개를 추출하였다. 그러나 이 중 남서해안 지역 및 일부 내륙용수구역의 경우, 지하수 오염과 해안 염분침투 등으로 실제 지하수 이용에 한계가 있을 수 있다.
- 511개 용수구역을 대상으로 산정한 지하수 이용량의 유역별 최댓값은 65,930,046 천m³/년, 평균값은 7984423 천m³/년, 최솟값은 0 m³/년이고, 유역전체면적과 강수량을 바탕으로 산정한 지하수 함양량의 최댓값은 287,221,366 천m³/년, 평균값은 36,849,345 천m³/년, 최솟값은 1,037,842 m³/년이다. 이 두 값을 활용하여 산정한 지하수 함양량 대비 이용량 비율의 최댓값은 126.7%, 평균은 24.2%, 최솟값은 0.0%이다. 지하수 개발 가능량 대비 이용량으로 산정한 유역별 최대 비율은 169.
- 이 중 농업용수 수요량이 0 m³/년인 지역과 도시지역 및 섬지역을 포함한 98개 용수구역을 제외한 413개 용수구역을 대상으로 산정한 논용수 수요대비 공급비율의 평균은 84.5%, 밭용수 수요대비 공급비율의 평균은 35.9%로 나타났다.
- 7%로 나타났다. 즉, 논용수 수요대비 공급량 비율은 76.5%값을 기준으로 두 그룹으로 나뉘는 것으로 나타났다.
- 즉, 전국 511개의 농촌용수구역은 논용수 수요대비 공급량 비율 76.5% 기준으로 상대적으로 논용수가 풍부한 346개 지역과 부족한 150개 지역 두 그룹으로 군집화하는 것으로 나타났으며, 밭용수 수요대비 공급량 비율은 37.5%를 기준으로 258개 지역과 236개 지역으로 군집화 되었다. 지하수 개발가능량 대비 이용량 비율 기준은 23.
- 0%이다. 지하수 개발 가능량 대비 이용량으로 산정한 유역별 최대 비율은 169.8%, 평균은 34.4%, 최소는 0.0%로 나타났다. 본 연구에서 대상지로 선정된 413개 유역의 지하수 함양량 대비 이용량의 최댓값은 98.
- 용수구역별 유형분류 결과를 지도에 표시한 결과는 Figure 2와 같다. 지하수 개발 우선순위 1순위 지역(Type 1)는 총 44개 용수구역이 해당하는 것으로 나타났으며, 경기도 지역이 다른 시도에 비해 상대적으로 지하수 개발 필요성이 높은 지역으로 나타났다. 즉, 근교농업이 이루어지고 있는 수도권 인근지역에서 논용수 뿐만 아니라 밭용수의 부족이 예상된다.
- 5%를 기준으로 258개 지역과 236개 지역으로 군집화 되었다. 지하수 개발가능량 대비 이용량 비율 기준은 23.5%와 56%를 기준으로 총 세 개 그룹으로 나뉘는 것으로 나타났으나, 본 연구에서는 지하수 개발로 인한 부작용을 우려하여 기준값을 보수적으로 선정하였다. 그 결과 지하수 이용이 활발한 상위그룹의 중간값인 80%를 기준으로 지하수 개발 우선순위 전략을 Table 6과 같이 제안하였다.
- 지하수 개발가능량 대비 이용량을 기준으로 511개 용수구역은 총 3개의 그룹으로 나눌 수 있으며, 하위그룹(Cluster 1)의 평균값은 11.9%, 중앙값은 12.2%이고, 중간그룹(Cluster 2)의 평균값은 36.8%, 중앙값은 35.1%이고, 상위그룹(Cluster 3)의 평균값은 80.1%, 중앙값은 74.9%로 나타났다.
후속연구
- 향후, 본 연구를 통해 우선순위가 높은 지역으로 선정된 용수구역을 대상으로 가뭄평가지수를 산정하여 용수구역의 가뭄 취약지역을 도출하고 그 대응책을 마련하고자 한다. 이는 기후변화 대응을 위한 지하수 효율적 관리 및 개발 계획 수립 시, 대상지역 선정에 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 그러나 이 중 남서해안 지역 및 일부 내륙용수구역의 경우, 지하수 오염과 해안 염분침투 등으로 실제 지하수 이용에 한계가 있을 수 있다. 이는 본 연구에서 지하수 함량과 이용량, 농업용수 수요 공급량 위주로 지역을 구분하여 나타난 한계이다. 따라서 우선순위가 높은 지역의 경우, 실제 지하수 활용 정책 수립에 앞서 수리지질조사가 선행되어야 할 것이다.
- 향후, 본 연구를 통해 우선순위가 높은 지역으로 선정된 용수구역을 대상으로 가뭄평가지수를 산정하여 용수구역의 가뭄 취약지역을 도출하고 그 대응책을 마련하고자 한다. 이는 기후변화 대응을 위한 지하수 효율적 관리 및 개발 계획 수립 시, 대상지역 선정에 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
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