1. 서 론
하수는 강우 패턴의 변화, 가뭄 등과 같이 수자원과 직접적 연관이 있는 이상 기후 현상으로부터 지하수 함양 및 유출에 치명적 영향을 미친다. 따라서, 지하수 이용 및 관리 계획 수립 시, 기후변화가 필수적으로 고려되어야 하는 요소임은 분명하다. 또한, 지하수를 관정을 통해 단순히 추출해서 이용하는 것이 아니라, 다양한 관점에서 지하수의 이용 가능 여부가 판단되어야 한다. 양적인 관점에서 볼 때, 이용가능량을 초과한 과도한 추출은 지반 침하 및 지하수 고갈 문제를 발생시킬 수 있다. 실례로, 미국 네바다 주의 급격한 도시 개발과 농업 활동을로 인한 용수 수요량의 증가로 과잉 양수를 실시하여 지반이 13년간 약 2 m 침하하였고, 이란의 테헤란에서도 도시 개발과 농업활동으로 인한 과잉양수로 28년간 11.65 m의 지하수위가 감소하였으며, 200 mm/year을 초과하는 지반침하율이 나타나 도로 및 주거지 등에 피해가 발생하였다(Tzampoglou et al., 2023).
지하수질 관점에서 볼 때, 기후변화로 인한 지면 온도의 변화로 인한 미생물 군집의 변화는 생물학적, 지구화학적 자연 현상을 통해 지하수 함양, 유출 과정에서 지하수질에 영향을 준다. 그러나, 인위적 행동에 의한 지하수질 악화가 지하수 오염의 주원인으로 지목되고 있으며, 지하 저장탱크 유출, 화학 폐기물 불법 투기, 해충제, 비료 사용 등으로 인한 지하수 오염 문제가 지속적으로 발생하고 있다(Dao et al., 2024; Sultana and Sultana, 2024). 특히, 질소 비료 사용으로 인한 지하수 내 질산성질소 오염 증가 문제는 농업 활동으로부터 기인한 것으로, 지하수 관리에 있어 전 세계적으로 문제가 제기되어 왔다(Mas-Pla and Mencio, 2018). 높은 농도의 질산성질소가 함유된 지하수가 음용수로 사용될 경우 methemoglobinemia, 혹은 blue-baby syndrome를 유발하여 심각한 건강 문제를 발생시킨다(Rosenstock et al., 2014).
Kim et al. (2008)은 다중 회귀 분석을 이용하여 논산 북부 지역 지하수의 질산성질소를 예측하였으나, 기후변화와 지형에 따른 지하수질 거동 특성이 고려되지 않았다. Jutglar et al. (2021)은 독일 남부 지역을 대상으로 가뭄 발생이 질산성질소 농도에 미치는 영향을 분석하였으며, 가뭄 이후의 강우가 nitrate flush 현상으로 인해 질산성질소가 증가할 수 있음을 분석함으로써, 기후변화로 인한 질산성질소 변동성이 커질 수 있음을 시사하였고, Kawagoshi et al. (2019)은 일본 지역의 우물을 조사하여 강우에 의한 지하수위 변동이 질산성질소 농도에 미치는 영향을 분석하였고, 강우에 의한 지하수위 변동 응답이 빠를수록, 질산성질소 유입이 증가하여 농도 증가에도 영향을 미치는 것을 제시하였다. 그러나, 지하수위 예측과 지하수질 평가를 동시에 수행한 사례는 없으며, 국내에서는 기후변화 시나리오를 적용하여 지하수질을 예측한 연구가 필요한 실정이다.
본 연구는 수치 해석 기법을 이용하여 질산성질소가 용수 이용기준을 지속적으로 초과하는 지역을 대상으로 기후변화에 따른 질산성질소의 공간적 분포 및 농도 변화를 제시하고자 한다. 강우와 지하수위 측정자료를 이용한 Water Table Fluctuation (WTF) 방법을 이용하여 지하수위 함양률을 산정하고, 기후변화 시나리오 기반 강우량을 이용한 지하수위 변동을 반영하고자 한다. 시나리오별 지하수위를 질산성질소 모의를 위한 경계조건으로 이용하고, 질산성질소에 대한 OpenGeoSys 모의 결과를 시계열 농도 및 공간 분포 변화로 분석함으로써 농도의 기후변화가 질산성질소 오염에 미치는 영향을 분석하고자 한다.
2. 이론적 배경
2.1 기후변화 시나리오
기후변화는 Broecker (1975)에 의해 처음 제시되었으며, 지구의 자연적 요인과 인간 행위에 의한 인위적 요인에 의해 지구 온난화의 문턱에 서 있다고 표현하였다. 그러나 이산화탄소(CO2) 배출이 자연적 요인을 넘어서는 주요한 인위적 요인이 되어 지구 온난화를 초래할 것이라고 지적하였다. 이후, Hansen et al. (1981)은 화석연료의 사용으로 인해 대기 중 이산화탄소가 100년간 280 parts per million (ppm)에서 335 ppm까지 증가하였음을 제시하였으며, 이는 지구 온난화의 주원인임을 지적하였다. 또한, 이러한 인위적 행위에 의한 이산화탄소 농도의 증가는 21세기에 강우 패턴의 변화, 가뭄 발생과 같은 기후 변동이 발생할 수 있음을 경고하였다.
인간 활동(Human activities)에 의한 기온 상승과 그에 따른 환경적, 사회적 영향을 예측하기 위해 IPCC는 기후변화 시나리오를 제작하여 잠재적 미래 상황을 제시하였다. 현재까지 총 6번의 보고서를 발간하였고, 2000년에 도입된 온실가스 배출 경로와 그에 따른 기후변화를 예측하기 위한 Special Report on Emissions Scenarios (SRES), 2014년에 도입된 기후 변화 예측과 온실가스 배출 경로를 제시하기 위한 Representative Concentration Pathways (RCP), 2023년에 도입된 사회경제적 발전 경로와 기후변화 대응 정책을 결합하여 사회⋅경제적(socioeconomic) 시나리오를 제시하는 Shared Socioeconomic Pathways (SSP)가 제시되었다. 본 연구에서는 the U.K. Earth System Model1 (UKESM1) 모델 기반 SSP 시나리오를 이용하여 시나리오별 강수량을 기후변화 고려 인자로 사용하고자 한다(KMA, 2023).
2.2 지하수 흐름
지하수는 지표면 아래에 있는 땅속의 공간이나 암석의 균열, 틈 사이에 저장된 물을 말하며, 중력수와 침출수로 분류될 수 있다. 중력수는 중력의 영향으로 배수될 수 있는 물을 말한다. 사람이 생활, 농업, 공업 목적 등으로 관정으로부터 지하수를 추출하여 사용하는 물이 중력수에 해당한다(Sethi and Molfetta, 2019) 침출수는 토양 입자에 붙어있는 수분으로 중력에 의한 영향을 거의 받지 않는 물을 말한다. 이 물은 주로 미세한 틈이나 작은 공극에 남아 있다. 이 물은 대수층 안에 저장되어 있으며, 대수층을 분류하는 기준은 지리적 위치, 투수성, 피압 수준 등이 있다. 대수층에 저장되어 있는 물은 대수층 길이(L)에 따른 수두 감소 비율(∆h)인 동수 경사(hydraulic gradient,i)에 따라 수두가 낮은 쪽으로 흐름이 발생한다. Darcy는 유량 Q, 다공성 매체의 단면적 A, 수리전도도 K, 동수 경사 i와의 관계를 정립하였다(Eq. (1)).
2.3 질산성질소 오염
지하수 오염은 생활, 농업, 공업용수 공급 목적을 위한 지하수가 수질 기준을 초과할 때를 가리킨다. 지하수 오염은 인간 활동과 자연 과정에서 모두 발생할 수 있으며, 오염은 다양한 경로로부터 발생할 수 있다. 퇴적암과 화산암의 풍화, 화석연료의 흡착, 산화-환원 등으로 인한 중금속 오염이 자연 현상에 의한 지하수 오염에 해당되며, 인구 증가로 인한 산업활동의 증가, 농업 활동에 의한 비료 사용량의 증가 등이 인간 활동에 의한 지하수 오염 경로이다(Pradhan et al., 2023).
이 중, 본 연구의 목적인 질산성질소는 농업 활동에 의한 비점원오염으로 질소 비료가 관개용수를 통해 지하로 침투하여 발생하는 것이 주원인이다. 작물 수확량을 늘리기 위해 사용되는 질소 비료 사용은 토양 내 질소 비료 변환 과정을 통해 뿌리 영역을 통해 지하수로 침출된다(Zhou, 2015). 질산염의 침출은 서론에서 기술한 바와 같이 강우 형태에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 기후변화로 인한 강우의 변동이 지하수 변동에 미치는 영향을 파악하고 이에 따른 질산염 농도 및 공간적 분포 파악이 필요하다.
3. 연구 방법
3.1 OpenGeoSys (OGS)
OpenGeoSys (OGS)는 Kolditz et al. (2012)가 제작한 Object Oriented Finite Element Method (OO-FEM) 기반 C++ 언어 오픈 소스 수치 해석 모형이다. OGS는 다공성 매체 내에서 다양한 지구과학적 문제를 해결하는 도구로써, Thermo-Hydro-Mechanical/Chemical (THM/C) 현상을 모의할 수 있다. 주 활용 분야는 지하수 흐름 해석, 지하수 오염, 지열 에너지, 핵폐기물 처리 시설 관리 등이 있다. 운동량 보존, 질량 보존과 같은 물리적 관계를 기반으로 구성되어 있다.
OGS를 이용하여 지하수 흐름을 해석하기 위해서는 질량 보존과 운동량 보존 원칙을 기반으로 해석된다. 비압축성 유체에 대해 다공성 매체 내에서 fluid mass balance는 Eq. (2)와 같이 표현될 수 있다. 여기서, ρ[ML-3]는 물의 밀도, t[T]는 시간, Qρ[L3T-1]는 source-sink term of groundwater이다.
지하수 오염을 해석하기 위해 Adevection-Dispersion Equation (ADE)을 적용한 시간에 따른 오염물질 거동과 확산이 반영되어야 하며, Eq. (3)과 같이 표현된다. 여기서n[-]은 공극률, C[-]는 물질의 농도, D ^
3.2 OGS#Iphreeqc
OGS를 사용한 지하수 오염물질의 반응수송 모의를 수행하기 위해 PHREEQC와 통합된 모듈을 이용하였다. PHREEQC는 지하수의 화학적 거동을 시뮬레이션하는 모델로, 용해-침전 반응, 산화-환원 과정, 이온 교환 등을 포함한다. 이를 통해 지하수 내 오염물질의 이동과 화학적 변화를 평가할 수 있으며, 물-암석 상호작용 분석 및 오염 방지 대책 수립에 기여한다(He et al., 2015). OGS는 과거 자체 화학 반응 시뮬레이션 모듈인 ‘KinReact’를 보유하고 있었으나, 현재는 ‘OGS#IPhreeqc’ 모듈로 대체되어 이전 모듈은 더 이상 사용되지 않는다. 반면, 1999년에 처음 개발된 PHREEQC는 지속적인 업데이트를 통해 높은 활용성과 방대한 데이터베이스를 제공하고 있다. 또한, OGS#IPhreeqc는 Message Passing Interface (MPI)를 활용한 병렬 계산을 지원하여, OGS의 물리적 프로세스와 IPhreeqc의 화학적 프로세스를 독립적으로 처리하여 최적화된 계산을 가능하게 한다.
따라서 본 연구에서는 기후 변화 시나리오에 따른 질산성질소 거동 변화를 모의하기 위해 OGS#IPhreeqc를 수치 모델로 선정하였다(Fig. 1).
3.3 Water Table Fluctuation (WTF)
기후변화에 따른 질산성질소 거동 변화를 예측하기 위해 강우에 따른 지하수 함양이 평가되어야 한다. 지하수 함양은 수문학적 과정의 하나로, 강우가 지표 하부의 지하수체로 유입되는 과정이다. 측정망에 기록되는 지하수위는 지하수 함양에 의해 상승되거나 혹은 하천으로 배출되는 지하수 유출에 의해 감소한다.
지하수 함양 평가는 강우에 의한 지하수위 변동법(Water Table Fluctuation, WTF), 지하수위와 직접유출을 이용한 물수지 분석 방법(Natural Resources Conservation Service-Curve Number, NRCS-CN) 등이 있다. 본 연구에서는 대상 지역들의 하천 유량 측정소의 이용이 제한되어 WTF 방법을 이용하였다. WTF 방법은 Eq. (4)와 같이 지하수의 함양 비율인 R[LT-1]을 비산출률 Sy[-]와 일단위 지하수위 변동량 ∆H[LT-1]를 곱하여 산정된다.
4. 모의 및 결과 분석
질산성질소의 확산 및 지하수 오염을 파악하기 위해 지하수법 시행규칙의 질산성질소 생활용수 기준인 20 mg/L를 초과하는 지역을 대상으로 선정되었다. 오염물질의 도달은 지형의 특성에 따라 지하수위의 변동 범위 등에 의해 차이가 발생한다(Xu et al., 2024). 이로 인한, 차이를 고려하기 위해 충청남도 태안군 인근을 평지(Plain, PN), 강원특별자치도 평창군 인근을 산지(Mountain, MT)으로 구분하였다. 지역벌 지하수 기초조사 보고서에 의하면, 태안군은 47.0%가 지형경사 5° 이하, 평창군은 35.8%가 20°~30° 수준으로 명확한 차이가 발생한다(K-Water, 2009; K-Water, 2014). PN에서 질산성질소가 초과하는 대상 측정망은 ‘태안인평(N 36° 46′ 25.46″ E 126° 20′ 41.59″, IP)’이며, MT는 ‘평창유천(N 37° 40′ 15.22″ E 128° 36′ 6.52″, YC)’이다. IP는 평균 37.16 mg/L, YC는 46.28 mg/L로 질산성질소 오염이 지속적으로 관찰되었다. 지형별 지하수위 및 수질에 대한 국가관리측정망(National GroundObservation network, NGON)과 인근 강우관측소는 분포는 Fig. 2와 같으며, 10년간 지하수위가 측정된 지점은 Table 1과 같다.
Table 1
Selected NGONs and Rainfall Stations
Fig. 2
Study Areas and Monitoring Points (a) Satellite Image of Korea Peninsula, (b) PN, (c) MT (Vworld, 2025)
4.1 SSP Scenario Rainfall and Groundwater Level
기후 변화 시나리오를 고려한 지하수위 모의를 위해 2021~2100년의 SSP 시나리오 강우 데이터를 활용하여 지하수 상승량을 재검토하였다. 강우 데이터는 기상청 API를 통해 수집하였다(Table 2).
Table 2
Comparison of Rainfall Data
지하수위는 강우에 따른 지하수위 상승을 평가하는 지하수위 변동법(Water Table Fluctuation, WTF)을 이용하여 평가하였다. 기후변화에 의한 지하수위는 최댓값 기준 PN에서 + 0.21 m, MT에서 + 0.79 m 상승되었다(Table 3). 강우에 의해 상승된 일단위 지하수위와 기후변화 시나리오별 강우량은 지역별 지하수 기초조사보고서 내 함양률(%)을 적용하여 질산성질소 오염 수치 모의 수행을 위한 경계조건으로 이용되었다.
Table 3
Comparison of Maximum Groundwater Level
4.2 Model Configuration and Validation
기후변화를 고려한 질산성질소 확산 오염을 모의하기 위해 OGS를 활용하여 3차원 지형을 생성, 지형별 3개의 지층을 구성하였다(Fig. 3). 질산성질소 오염 유입원을 반영하기 위해 농촌진흥청에서 제공한 농경지 및 재배작물을 추가하였다. PN은 2,376개의 재배지 중, 벼와 고추가 주요 작물이며, MT는 2,287개 재배지 중 감자, 고추, 배추, 무가 주로 재배되었다.
Fig. 3
. 3-D Domains for Study Area; (a) PN, (b) MT, (c) Detailed View of 3-D Domain for PN, (d) Detailed View of 3-D Domain for MT
토양 및 지하층 특성 흐름 조건이 반영된 지하수질 오염 모의를 수행하기 위해 지하수위(GWL) 및 질산성질소 관측자료를 이용하여 모형의 보정 및 검정을 수행하였다. 검증을 통해 획득한 매개변수는 대상지에 적용하여 모의에 활용 가능한 것으로 평가되었다(Table 4).
Table 4
Validated Results for Each Areas
기후변화를 고려한 질산성질소 변동을 예측하기 위해 평지(PN)와 산지(MT) 지형에 대해 6개의 모의 시나리오를 구성하였다. 모의 기간은 SSP 시나리오를 고려하여 80년으로 설정하였다. 시나리오의 구분은 이용된 강우 자료를 기준으로 구분되었으며, 질산성질소 사용량은 농촌진흥청에서 제공한 작물별 표준 질소 비료 처방량을 부여함으로써 반영하였다(Table 5).
4.3 Analysis with Nitrate Dilution and Accumulation Effect in Plain Area
평지 지형에서 질산성질소 오염에 미치는 영향을 분석하기 위해, 농경지별 질산성질소의 침투량과 지하수 흐름률을 고려하여 희석과 축적을 분석하였다(Fig. 4).
Fig. 4
Location of Farms and Vertical Distribution for Nitrate in PN; (a) Paddy Rice, (b) Red Pepper
작물에 따른 질산성질소 농도 침투 결과, 80년 후, 벼는 13.671 mg/L, 고추는 25.525 mg/L 범위로 분포하였다. 심도가 증가할수록 질산성질소 농도는 두 재배지 모두 감소하는 경향을 나타냈으나, 천층에서 기후변화에 따른 질산성질소의 농도는 증가하였다(Table 6).
Table 6
Nitrate Concentration Results for PN
기후변화에 따라 질산성질소 오염이 지배적으로 작용하는 현상을 파악하기 위해 재배지별 시나리오-심도에 따른 지하수 흐름률을 추출하여 검토하였다. 검토 결과, 기후변화에 따라 지하수 흐름률이 감소하였다(Table 7). 감소한 지하수 흐름은 질소 비료로부터 유입되는 질산성질소의 축적을 가속화 하였고, 평지 지형에서의 기후변화는 질산성질소의 축적이 지배적으로 작용하는 것이 확인되었다.
Table 7
Groundwater Flux Results for PN
4.4 Analysis with Nitrate Dilution and Accumulation Effect in Mountain Area
산지 지형 또한, 농경지별 질산성질소의 침투량과 지하수 흐름률을 고려하여 희석과 축적을 분석하였다(Fig. 5). 모의 결과, 지하수 흐름률의 변동 폭은 크지 않았으나, 산지에서의 흐름률은 1.120 10-2 m/day으로 평지 대비 약 2배 높은 값을 보였다. 이러한 지형적 차이가 질산 거동에 영향을 미친 것으로 확인된다(Table 8).
Fig. 5
Selected Fields for Analysis; (a) Potato (PO), (b) Red Pepper (PE), (c) Cabbage (CA), (d) Radish (RA)
Table 8
Groundwater Flux Results
| Flux (10-2m/day) | PN | ||
|---|---|---|---|
| PN1 | PN2 | PN3 | |
| Mean | 0.690 | 0.683 | 0.684 |
| Flux (10-2m/day) | MT | ||
| PN1 | PN2 | PN3 | |
| Mean | 1.120 | 1.120 | 1.120 |
농경지별 기후변화에 따른 질산성질소 검토 결과 천층에서 지하수 흐름의 증가로 인해 질산성질소가 희석되는 양상이 나타나는 반면, 중간층 이후부터 심부층까지는 질산성질소 농도가 증가함으로써 축적되는 양상이 나타났다(Table 9).
Table 9
Nitrate Concentration Results for MT
4.5 Nitrate Diffusion from Crop Lands
질산성질소는 농경지 외부로의 확산도 발생시켰는데, 벼는 재배지로부터 최대 374 m까지 확산되었고, 고추는 530 m까지 확산되었다(Figs. 6, 7). 지하수 이용기준인 20 mg/L를 초과하는 거리는 고추에서 발생했으며 약 91 m까지 침투하였다. 음용수 이용 기준인 10 mg/L를 초과하는 거리는 벼에서 약 112 m, 고추에서 약 298 m 수준까지 도달하였다. 기후변화에 의해 천층에서의 지하수 흐름이 증가함에 따라, 현 수준보다 질산성질소의 확산 수준 또한 증가하였으며, 고추에서 10 mg/L 기준 247 m로부터 약 20.6% 수준 증가하였다.
산지 또한 농경지 외부로의 확산이 발생하였다. 다만, 재배지 끝점에서의 질산성질소 농도가 10 mg/L로 음용수 이용기준은 초과하지 않으나, 평지 대비 높은 지하수 흐름률에 의해 확산 거리가 증가하여 최대 1 km까지 확산되었다.
5. 결 론
본 연구는 기후변화로 인한 강우 패턴 변화와 지하수위 변동이 지하수 내 질산성질소 거동에 미치는 영향을 분석하기 위해 OpenGeoSys를 활용하여 수행되었다. 평지(PN)와 산지(MT)를 대상으로 SSP 기후변화 시나리오에 따른 강우 데이터를 적용하여 3차원 도메인을 구축하고, 질산성질소의 축적 및 확산 거동을 모의하였다. 이를 통해 지형적 특성과 기후변화가 질산성질소 농도와 분포에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다.
연구 결과, 평지에서는 낮은 지하수 흐름률로 인해 질산성질소가 주로 축적되는 경향이 나타났으며, 기후변화로 인해 이러한 축적 현상이 가속화되었다. 특히, 고추 재배지는 벼 재배지에 비해 더 높은 질산성질소 농도를 보였으며, 확산 거리 또한 더 길었다. SSP 시나리오별로 분석한 결과, 벼 재배지에서는 질산성질소가 최대 374 m까지 확산되었고, 고추 재배지에서는 530 m까지 확산되었다. 이로 인해 벼 재배지에서는 지하수 이용 기준(20 mg/L)을 초과하는 범위가 최대 91 m에 이르렀으며, 고추 재배지에서는 음용수 이용 기준(10 mg/L)을 초과하는 범위가 298 m까지 도달하였다. 이러한 결과는 기후변화로 인해 평지에서 질산성질소 확산 수준이 증가할 수 있음을 보여준다.
반면 산지에서는 높은 지하수 흐름률로 인해 질산성질소가 희석 및 확산되는 경향이 뚜렷하게 나타났으나, 경작지 인근에서는 일부 축적 현상도 관찰되었다. 산지의 경우, 지하수 흐름률이 평지보다 높아 확산 거리가 증가하였으며, 최대 1 km까지 확산이 확인되었다. 다만, 산지의 확산 범위에서는 음용수 이용 기준(10 mg/L)을 초과하지 않아 상대적으로 평지보다 영향이 적은 것으로 나타났다.
본 연구는 기후변화 시나리오에 따른 질산성질소의 농도와 공간적 분포 변화를 체계적으로 분석함으로써, 기후변화가 지하수 오염 거동에 미치는 영향을 종합적으로 평가하였다. 이러한 결과는 기후변화에 대응한 지하수 관리 및 오염 저감 전략 수립을 위한 중요한 기초 자료를 제공할 것으로 기대된다.
본 연구는 질산성 질소 거동 분석에서 단순화된 농업 활동과 질소 비료를 주요 오염원으로 다루었으나, 실제 다양한 작물 재배 조건과 축산 폐기물, 대기 질소 침적 등 복합적인 오염원을 반영한 추가 연구가 필요하다. 또한, 지하수위와 수질 변동을 보다 정확히 분석하기 위해 관측 지점을 확대하고, 지표수와의 상호작용을 정량적으로 분석하여 모형에 반영함으로써, 기후변화와 농업 활동이 결합된 상황에서 정교한 지하수 관리 방안을 마련할 필요가 있다. 이는 향후 지속가능한 지하수 이용과 오염 저감 전략 수립에 기여할 것이다.
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