사회-수문시스템 모델링을 이용한 하수재이용 유역의 수문특성 분석

Abstract

본 연구에서는 유역 수문·수질 해석을 통해 하수재이용에 따른 관개용수에의 영향을 분석하고, 농업생산성과 환경성을 고려한 재이용수 관개 논의 적정 질소시비방법을 제안하고자 하였다. 또한, 시스템 다이내믹스를 이용한 사회-수문시스템 모델링과 과정 사회수문학의 인식틀을 통해 하수재이용에 따른 소규모 사회-수문시스템의 변화과정을 모의 및 분석하였다. SWAT 모형을 이용한 간접재이용에 따른 유역의 수문·수질 응답반응을 실측 수문 및 수질자료를 통해 보정 및 검정한 결과, 구축한 모형이 대상유역에서의 간접재이용 영향을 잘 해석할 수 있는 것으로 평가되었다. 검정된 모형을 이용하여 하수처리장의 유무에 따른 관개용수 취수지점에서의 하천유황 및 관개수질영향을 분석하였다. 하천유황은 하수처리장 방류수를 반영하여 증가하였으며, 갈수량으로 갈수록 하수처리장 방류수의 영향이 큰 것으로 분석되었다. 또한, 허용 가능한 총질소 농도와 농업용수 수질기준의 초과확률이 각각 60%와 40% 이상 증가하는 것으로 분석되어 하수처리장 방류수의 관개용수 수질에의 영향이 상당히 큰 것으로 평가되었다. DSSAT 모형을 이용한 하수재이용에 따른 질소시비방법 모의체계를 구축하였으며, 구축한 모형은 보정 및 검정기간 동안 실측 논벼 수확량을 잘 모의하는 것으로 나타났다. 적정 질소시비량을 관개수 총질소 농도 수준별로 모의한 결과 표준시비량 대비 20~50% 저감된 질소시비량에서도 목표 논벼 수확량을 생산할 수 있는 것으로 분석되었다. 질소시비방법에 대한 논벼 수확량의 민감도를 분석한 결과, 밑거름보다 새끼칠거름과 이삭거름에 더 민감한 것으로 나타났으며, 분시율을 조정함으로써 10~20 kg ha-1 정도의 추가적인 질소시비량 저감이 가능한 것으로 모의되었다. 수문시스템의 물리적 현상을 수식화한 결정론적 총괄형 수문시스템 부모형과 인구, 토지이용, 경제성, 그리고 기술 및 정책수준 등을 수식화한 사회시스템 부모형을 시스템 다이내믹스를 이용하여 하나의 사회-수문시스템 모형으로 구축하였다. 민감도 분석과 극한조건 시험, 그리고 SWAT 모형의 모의결과 및 실측 수문자료와의 비교를 통해 구축한 모형이 구조 건전성과 거동 객관성을 가진 것으로 평가되었다. 인구증가는 하수처리장 방류수를 통해 하천유량과 지하수위, 그리고 하수재이용량을 증가시키는 것으로 모의되었다. 농경지의 도시용지로의 토지이용 변화는 침투량과 농업용수 수요량을 감소시키고, 지하수 관개량의 감소로 지하수위를 상승시킬 수 있는 것으로 분석되었다. 목표 수리답률을 달성하기 위해 지하수 관개 비중을 높일 경우 지속가능하지 않은 지하수 이용이 발생할 수 있으며, 재처리수 관개량을 늘릴수록 목표 수리답률을 보다 빨리, 그리고 안정적으로 달성할 수 있는 것으로 모의되었다. 재처리수 관개시설에 대한 경제성 분석결과, 시설 규모가 작을수록 단위자본비의 영향이 증가하였으며, 재처리수 관개의 경제성에 단위자본비가 단위운영비보다 더 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 또한, 하천유지유량을 통한 하천수 취수 제한은 하천유량의 보전뿐만 아니라 보상적 지하수 관개 및 기저유출에 따른 상대적 하천유량의 감소와 사회적 기회비용 또한 야기할 수 있는 것으로 분석되었다. 하수처리장 방류수의 관개용수에의 영향과 대안적 질소시비 방법으로부터 지속가능한 대체수자원으로서의 하수처리수의 농업용수재이용을 위한 합리적인 관리방안을 마련할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 사회-수문시스템 모델링은 수자원 정책결정에 중요한 도구로 활용할 수 있으며, 소규모 사회-수문시스템의 인과관계에 대한 보다 상세한 통찰을 통해 과정 사회수문학의 방법론으로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.