[논문]갈수기 지하수 물 사용량 저감 및 기저유출 수질 개선 방안 연구

강태성; 양동석; 유나영; 신민환; 임경재; 김종건

doi:10.5389/ksae.2022.64.2.027

갈수기 지하수 물 사용량 저감 및 기저유출 수질 개선 방안 연구
A Study on How to Reduce the Amount of Groundwater Used in the Dry Season and Improve the Water Quality of the Base Runoff 원문보기

한국농공학회논문집 = Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, v.64 no.2, 2022년, pp.27 - 35

강태성 (EM Research Institute) , 양동석 (Department of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University) , 유나영 (EM Research Institute) , 신민환 (EM Research Institute) , 임경재 (Department of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University) , 김종건 (Department of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Based on the current status of groundwater usage in the dry season through field surveys, this study tried to suggest countermeasures to reduce groundwater usage and to improve the water quality of baseflow from agricultural fields. For this purposes, basins with water curtain cultivation preceded were targeted where decreases of groundwater due to continuous use of groundwater in spring and winter annually observed. From monitoring groudwater usage of the study watershed, 130,058, 130,105 m3/day of water was pumped in during the water curtain cultivation period (October-February) in the Shindun, Seokwon watershed respectively. And the pilot application of the smart automated sensor-based water curtain cultivation system (smart WC system) developed in this study to reduce groundwater consumption has been conducted. As a result, the efficiency of the smart WC system when threshold temperature is set as 6.3 ℃ was 21.1% compared to conventional cultivation and efficiency increased as threshold temperature gets lower. Lastly, in this study, culvert drainage and Bio-filters were installed and rainfall monitoring was performed 15 times in order to analyze the baseflow securement and pollutant loads behavior. As a result, the test-bed with culvert drainage and Bio-filter installed together generated 61.4% more baseflow (4.974 m3) than the test-bed with only culvert drainage was installed (3.056 m3). However, the total pollutant load of all water quality contents (BOD, COD, T-N, TOC) except for the SS and T-P was found to be greater in the culvert drain and Bio-filter installed than in the culvert drain test-bed.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 Location of study area
그림 Fig. 2 Schematic diagram of the water curtain system
그림 Fig. 3 Groundwater usage monitoring points for water curtain cultivation facilities
그림 Fig. 4 Installation of meters for water curtain cultivation facility
그림 Fig. 5 Comparison before and after smart water curtain cultivation system construction
그림 Fig. 6 Smart water curtain cultivation automatic control system front (left), rear (right)
표 Table 1 Smart water curtain cultivation system finance
그림 Fig. 7 View of the Bio-filter/culvert test-bed
그림 Fig. 8 Groundwater usage and drainage at water curtain cultivation facility
그림 Fig. 9 Reduction efficiency of groundwater usage depending on the threshold temperature using the automated system
그림 Fig. 10 Comparison of runoff reduction efficiency (1st~15th)
표 Table 2 Reduction efficiency of pollution load in runoff (1st-15th)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이는 기온이 상승하여 수막이 필요하지 않은 상황에서도 저렴한 전기료로 인해 지속적으로 지하수를 사용하게 된다. 따라서, 본 연구에서는 기온 상승시 자동으로 펌프를 멈추고 기온이 영하로 떨어졌을 경우에만 작동하여 지하수 물 사용량을 절감하기 위한 스마트 자동화센서 기반 수막재배 시스템을 개발하고 이에 대한 적용성을 평가하고자 하였다 (Fig. 5).
본 연구에서는 수막재배 시설단지의 수막재배시기에 지속적인 지하수 사용으로 인한 지하수 감소가 우려되는 지역을 대상으로 지하수 물 사용량 저감 방안을 모색하고, 농경지의 유공관과 바이오필터 적용을 통한 기저유량 확보와 수질 개선 효과를 분석하였다.
본 연구에서는 연구 대상 유역 내 현장 전수조사를 통해 수막재배 시설 현황 DB를 구축하고, 2019년 11월 15일부터 2020년 2월 24일까지 겨울철 수막재배 물수지 모니터링 조사결과를 바탕으로 연구유역에서의 수막용 지하수 사용량을 정량화하고자 하였다.
이에 본 연구에서는 갈수기인 봄과 겨울 지속적인 지하수 이용으로 인한 지하수 감소가 우려되는 수막재배 유역을 대상으로 1) 지하수 물 사용량 현황파악과 저감 방안 모색,2) 그리고 농경지 기저 유출 수질개선 방안에 대해 연구하고자 하였다.

제안 방법

개발한 시스템은 산업용 제어보드, 수량제어용 솔레노이드, 유량계, 그리고 온도 제어장치를 활용하여 기존의 지하수 펌프를 동작시키는 시스템을 개량하였으며, 수막재배 하우스 내⋅외부 온도에 따라 펌프 모터 작동이 자동적으로 작동할 수 있도록 구현되었다
시험포에는 관행농법을 재현하기 위해 참깨를 재배하였으며, 강우에 의해 시험포 밭의 표면에서 발생하는 직접유출수는 시험포 하단에 설치한 Flume을 통해 유입되고, 토양으로 침투 한 뒤 토양내에서 발생하는 기저유출수는 유공관을 통해 침사지 통으로 유입되도록 하였다. 침사지 통으로 유입된 유출수의 직접/기저 유출수의 유량과 수질농도를 측정하여 오염부하를 산정하였다.
암거배수와 바이오필터의 기저유량 확보 능력을 평가하기 위해 직접유출량과 기저유출량을 비교 분석하였다. 시험포가 조성된 이후인 2020년 5월부터 9월까지 총 15차례의 강우사상을 관측하였으며, 직접유출의 경우 대조구에서 발생한 직접유출은 총 5.
5). 지하수 사용량과 펌프의 작동시간, 그리고 필요시간 등을 고려하여 시스템을 적용 할 경우 절감할 수 있는 지하수 사용량을 도출하였다.
침사지 통으로 유입된 유출수의 직접/기저 유출수의 유량과 수질농도를 측정하여 오염부하를 산정하였다. 직접/기저 유출수 산정된 오염부하를 이용하여 대조구 대비 암거배수와 바이오필터+암거배수의 수질개선 효율을 분석하였다.
시험포에는 관행농법을 재현하기 위해 참깨를 재배하였으며, 강우에 의해 시험포 밭의 표면에서 발생하는 직접유출수는 시험포 하단에 설치한 Flume을 통해 유입되고, 토양으로 침투 한 뒤 토양내에서 발생하는 기저유출수는 유공관을 통해 침사지 통으로 유입되도록 하였다. 침사지 통으로 유입된 유출수의 직접/기저 유출수의 유량과 수질농도를 측정하여 오염부하를 산정하였다. 직접/기저 유출수 산정된 오염부하를 이용하여 대조구 대비 암거배수와 바이오필터+암거배수의 수질개선 효율을 분석하였다.

대상 데이터

대조구를 포함하여 총 3개의 시험포를 조성하였으며, 대조구는 폭 3 m와 길이 10 m의 농경지이며, 암거배수 시험포는 동일한 경작지에 시중에서 판매되는 유공관 (400 mm)을 사용하여 토양의 표면에서 0.3 m 깊이에 10 m의 길이로 유공관 상부가 위치하도록 설치하였다. 바이오필터+암거배수 시험포는 바이오필터 기능을 위해 골판지, 짚, 옥수수 속 및 녹색 폐기물을 포함한 많은 유형의 소재가 사용될 수 있으나, 본 연구에서는 일반적으로 널리 사용되고, 상대적으로 저렴한 우드칩을 사용하였다.

성능/효과

9％로 유사하게 나타났다. 기저유출의 경우 암거배수 시험포는 15회의 모니터링 중 6회의 모니터링에서 총 3.056 ㎥의 기저유출이 발생하였으며, 바이오필터 시험포는 15회의 모니터링에서 총 4.974 ㎥의 기저유출이 발생하였다. 모니터링 결과 암거배수로 인해 직접유출을 저감할 수 있는 것으로 나타났으며, 암거배수와 함께 바이오필터를 설치할 경우 기저유량 확보 능력이 높아진 것으로 나타났다.
기저유출의 경우 총 오염부하는 SS 항목과 T-P 항목을 제외한 모든 수질 항목의 총 오염부하가 암거배수 시험포 보다 바이오필터 시험포에서 더 높게 나타났다.
974 ㎥의 기저유출이 발생하였다. 모니터링 결과 암거배수로 인해 직접유출을 저감할 수 있는 것으로 나타났으며, 암거배수와 함께 바이오필터를 설치할 경우 기저유량 확보 능력이 높아진 것으로 나타났다.
암거배수와 바이오필터의 기저유량 확보 능력을 평가하기 위해 직접유출량과 기저유출량을 비교 분석하였다. 시험포가 조성된 이후인 2020년 5월부터 9월까지 총 15차례의 강우사상을 관측하였으며, 직접유출의 경우 대조구에서 발생한 직접유출은 총 5.191 ㎥로 나타났다. 암거배수 시험포와 암거배수+바이오필터 시험포에서는 총 2.
191 ㎥로 나타났다. 암거배수 시험포와 암거배수+바이오필터 시험포에서는 총 2.190 ㎥과 2.186㎥의 직접유출이 발생하여, 대조구 대비 총 직접유출량 저감효과는 57.8％와 57.9％로 유사하게 나타났다. 기저유출의 경우 암거배수 시험포는 15회의 모니터링 중 6회의 모니터링에서 총 3.
연구결과와 같이 많은 양의 지하수가 겨울철 수막재배를 위해 양수되고 있는 것으로 분석되었으나, 본 결과는 우심유역 내 위치한 모든 수막재배 하우스에서 수막재배용 펌프가 동일한 조건에서 가동되었다는 것을 가정하여 도출되었으며, 실제 수막재배용 하우스마다 펌프 용량과 작동 시기, 재배작물 등 다양한 조건에 따라 지하수 사용량은 차이가 발생 할 수 있다.
오염부하 값을 비교한 결과 암거배수와 바이오필터로 인한 직접유출수의 오염부하 저감효과는 대조구 대비 75.2∼83.4(평균 78.6)%와 30.3∼81.1 (평균 61.0)%의 저감효과가 있는 것으로 나타났다
이처럼 2개의 유역 내 7,944개의 총 재배시설 하우스 중 약 3,212개동 (40%)에서 수막재배가 이루어지고 있는 것으로 조사되어 겨울부터 이른 봄 (10월∼2월 말)까지 수막용 지하수 사용이 유역 내 하천 기저유량 변동에 상당한 영향을 미치고 있을 것으로 판단하였다.

후속연구

따라서 바이오필터의 안정화 기간을 고려한 지속적인 모니터링을 통한 기저유량 확보 및 수질개선 효과 분석이 필요하며, 이를 통해 갈수기 지하수와 기저유량 확보 및 수질 개선을 위한 적절 방안으로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 3 m 폭의 경작지에 유공관 한 개를 매설하였으나 일정 간격으로 다수의 유공관을 매립할 경우 높은 기저유량 확보 효과를 기대 할 수 있을 것으로 판단된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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