2.1 대상지구 개요 및 모니터링 체제

본 연구의 대상지는 경상남도 밀양시 상남면 일대의 시설재배 단지를 대상으로 수행되었다. 해당 지역은 국내에서도 수막재배 면적이 넓은 대표적 지역으로, 지하수 확보가 용이하며 하천변 농경지가 밀집되어 있어 동절기 수막재배가 집중적으로 이루어지고 있다. 또한, 해당 시설재배 단지의 주요 재배작물은 딸기, 고추, 깻잎, 봄감자 등으로, 모두 동절기에도 수막재배를 통해 안정적인 생육환경을 유지할 필요가 있는 작물들이다. 이들 작물은 저온에 민감하거나 상품성을 유지하기 위해 일정 수준 이상의 생육온도가 요구되므로, 겨울철 외기온 하강 시 수막재배를 통한 온도 조절이 필수적이다. 이에 따라, 본 연구에서는 수막재배 밀집지구인 상남면 일대를 시험지구로 선정하고, 수막용수의 유입 및 배출 특성 파악을 위해 모니터링 장비를 설치하여 주기적인 현장조사를 실시하였다. 모니터링은 경남 밀양시 상남면에 위치한 총 4개소에서 수행되었으며, 각 지점의 위치는 Fig. 1에 도시되어 있다. 구체적으로, 지점 #1은 명례리 2137에, 지점 #2는 외산리 1431에, 지점 #3과 #4는 외산리 1514에 위치하고 있다.

각 지점은 하우스형 온실이 밀집된 지역 내에 위치하며, 지하수 관정을 통해 수막용수가 공급되고, 배출수는 전용 배수로를 따라 자연 유하 되는 구조를 갖는다. 하우스별로 유입 및 배출 경로가 명확히 분리되어 있어, 수막용수의 회귀수량 정량화 및 수질 변화 모니터링이 가능한 구조적 특성을 갖추고 있다. 시험지구는 배수로를 기준으로 두 개의 구역으로 나뉘며, #1 및 #2가 포함된 구역은 약 11.49 ha, #3 및 #4가 포함된 구역은 약 10.73 ha의 면적을 가진다. 단지 내에서 사용된 수막용수는 온실 내부 배수로를 따라 유하한 후, 밀양강과 낙동강이 합류하는 하천으로 최종 유입된다. 이러한 지형적 및 구조적 특성은 수막용수의 유출 특성과 수문환경에 미치는 영향을 분석하기에 적합하다.

Fig. 1. Monitoring sites and drainage boundaries in greenhouse complexes using water curtain water.

한편, 본 연구에서는 수막용수 사용 이후의 회귀수량 및 수질영향을 정량적으로 분석하기 위해 현장 기반의 통합 모니터링 체계를 구축하였다. 모니터링은 2024년 11월 19일부터 2025년 3월 19일까지 약 4개월간 수행되었으며, 밀양시 상남면 시설재배단지 내 배수로 4개 지점(# 1∼4)에 수위계, 타임랩스 카메라, 유속계, 수질시료 채수장치를 설치하여 연속 수문자료와 수질자료를 획득하였다. 수위 측정은 OTT사의 유압식 수위계인 Thalimedes를 사용하여 10분 간격으로 자동 기록되었으며, 수위자료는 SD 메모리와 내부 저장소에 동시 저장되도록 설정하였다^{(OTT Hydromet, 2023)}. 또한, 수막용수 작동 시점 확인을 위해 타임랩스 카메라(Go Series G430)를 설치하였다. 현장 유량 계측은 휴대형 전자유속계(OTT Z400, SEBA Z6)를 활용하여 다양한 수위 단계별 유속을 측정하였다. 수질 분석을 위한 시료는 연구기간 동안 총 4회(1월 23일, 2월 5일, 2월 19일, 3월 3일)에 걸쳐 각 지점의 대표 유출부에서 채수하였다. 주요 분석 항목은 생물학적 산소요구량(BOD), 화학적 산소요구량(COD), 총유기탄소(TOC), 부유물질량(SS), 총질소(T-N), 총인(T-P), 질산성질소(NO₃-N)이며, 모든 항목은 환경부의 수질오염공정시험기준에 따라 분석되었다.

2.2 수위–유량 회귀모형 기반 배출수량 산정

본 연구에서는 수막재배에 사용된 용수가 하천으로 유입되는 양을 정량적으로 산정하기 위해, 경남 밀양시의 모니터링 #2지점을 대상으로 수위–유량 회귀모형을 구축하고 이를 기반으로 배출수량을 산출하였다. 수위 자료는 자동 수위계를 이용하여 10분 간격으로 연속 측정하였으며, 수위계 부자(Floater)의 위치 불안정성 및 기계적 오차 가능성이 존재하기 때문에 자료의 신뢰도 확보를 위하여 교차 검증 절차를 병행하였다. 이를 위해 현장에 설치된 타임랩스 카메라로 촬영된 표척 영상을 주기적으로 분석하고, 영상 판독을 통해 확인한 실제 수위를 수위계 기록값과 비교하였다. 두 수위 간의 편차를 보정계수(ΔH)로 환산하여 시간대별로 보정 하였으며, 이를 통해 최종 보정 수위(H')는 다음의 식(1)과 같이 정의된다.

여기서 H_raw는 자동 수위계로 측정된 원자료이며, 평균 보정값은 약 0.056 m로 산정되었다. 보정된 수위자료를 기반으로 현장 유량 계측을 수행하였다. 유속 측정은 독일 SEBA Hydrometrie GmbH사의 Z6 회전형 유속계와 OTT사의 전자식 유속계(Z400)를 활용하여 다양한 수위 단계에서 반복적으로 실시하였으며^{(OTT Hydromet, 2023; SEBA Hydrometrie GmbH, 2022)}, 각 수위 조건에서 배수로 단면적을 현장 계측을 통해 산정한 후 유속과 곱하여 수위-유량 관계식을 산출하였다(Fig. 2). 수위(h)와 유량(Q)의 쌍을 이용하여 회귀분석을 수행한 결과, 단순 선형 회귀모형이 가장 적합한 것으로 나타났으며, 회귀식은 다음의 식(2)과 같다.

Fig. 2. Stage–discharge relationship based on field measurements at monitoring site #2

여기서 Q는 유량(m³/s), h는 수위(m)이며, 결정계수 R²는 0.9834로 매우 높은 상관관계를 보였다. 도출된 회귀식을 보정 수위 시계열 자료에 적용하여 유량 시계열을 산정하였고, 이를 600초(10분) 간격으로 적분하여 일별 총 유량(m³/day)을 도출하였다. 이후 일별 총 유량은 해당 배수로 유역에 분포한 106개 동의 하우스를 기준으로 평균화하여, 단위 하우스당 배출수량으로 환산하였다.

3.1 수막용수 사용에 따른 배수로의 수위 일변동 특성 분석

본 연구에서는 2024년 11월 19일부터 2025년 3월 19일까지 약 4개월간 동절기 수막재배가 이루어진 기간을 대상으로, 경남 밀양시 소재 시설재배단지에 설치한 계측지점 중 #2지점을 대상으로 현장유속을 측정하여 수위-유량 관계를 작성하여 수막용수가 회귀하는 배수로에서의 수위와 유량의 변화를 분석하였다. 수막 난방이 집중적으로 가동되는 해당 기간은 외기온 변화에 따라 수막용수의 사용량 및 배출량이 민감하게 변동하는 시기로, 배수로 수위 변동성에 대한 세밀한 관측이 요구된다. 수막용수는 하우스 내부 온도 유지를 위해 야간 시간대에 집중적으로 분사되며, 이는 배수로 수위의 일변동성에 직접적인 영향을 미친다. 수위 모니터링 결과, 수위는 야간에 상승하고 주간에 하강하는 반복적인 변동 패턴을 나타냈다. 타임랩스 카메라를 통해 촬영된 배수로 수위변화의 영상을 분석하였으며, Fig. 3에는 그중 하루 동안의 대표적인 시각(오후 5시, 9시, 11시, 오전 2시, 5시, 8시, 11시, 오후 1시)에 촬영된 영상을 발췌하여 제시하였다. 분석 결과, 야간 수막 가동 시점에 수위가 상승하고, 수막 가동을 멈추는 오전에 수위가 감소하는 패턴이 반복적으로 관찰되었으며, 이는 자동 수위계의 계측 결과와 일치하였다.

Fig. 3. Time-lapse images at site #2 showing daily water level variation during nighttime water curtain operation (17:30–08:00).

자동 수위계 자료는 부자 위치 오차 등 장비 특성에 따른 오류를 보정하기 위해 타임랩스 영상을 통해 수동으로 표척 수위를 판독하였다. 실측값과 영상 판독값을 비교함으로써 수위 자료의 정확도를 높였고, 데이터의 신뢰성을 확보하였다(Fig. 4). 관측된 수위의 일변동성은 야간 수막용수 분사에 기인한 패턴으로, 수막 시스템의 가동 주기와 외기온 변화에 밀접하게 반응하였다. 이러한 반복적 수위 변화는 수막 운영 여부를 간접적으로 파악할 수 있는 정량적 지표로 활용될 수 있다.

Fig. 4. Comparison of staff gauge readings and water level sensor values at site #2 (2024.12.06 – 2024.12.24.).

수막용수 사용기간동안의 #2 지점 배수로에서의 수위변화를 살펴본 결과는 Fig. 5와 같다. 외기온이 급격히 하강한 12월 중순부터 1월 사이에는 수막용수 사용량이 증가하고 이로 인해 #2지점에서 수위가 상대적으로 높은 값을 보이며, 2월 이후 기온 상승에 따라 수막용수 사용량이 감소하면서 수위도 상대적으로 낮은 값을 보였다.

Fig. 5. Time series of water level observations at monitoring site #2 during water curtain operation.

3.2 일별 수막용수 회귀수량 산정

수막재배 시 사용된 용수의 회귀수량을 정량화하기 위해, #2 지점의 수위 자료(Fig. 5)를 기반으로 수위-유량 회귀식을 도출하고 이를 일별 수위 시계열에 적용하였다. 수위 자료는 수위계에서 계측된 값을 영상 기반 판독값으로 보정한 후 활용하였으며, 유량은 회귀식에 따라 산정하고 적산함으로써 비닐하우스 한동당 일별 회귀수량을 도출하였다(Fig. 6). 산정 결과, 2024년 11월 19일부터 2025년 3월 19일까지 약 4개월간의 하우스 1동당 평균 회귀수량은 15.72 m³/day로 나타났으며, 최소 9.33 m³/day, 최대 20.97 m³/day의 범위를 보였다. 12월 중순부터 1월 사이에는 수막 시스템의 집중 가동으로 인해 회귀수량이 눈에 띄게 증가하였다. 반면 기온이 점차 상승한 2월 이후에는 수막 운영이 완화되어 회귀수량도 감소하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 외기온 변화에 따라 수막재배 시스템의 운영 강도가 달라지고, 이에 따라 실제 배출되는 회귀수량도 뚜렷하게 변동함을 보여준다.

Fig. 6. Daily total discharge per greenhouse unit at site #2 based on water curtain water return flow.

3.3 수질 분석 결과

수막재배 운영에 따른 배출수의 수질 특성을 파악하기 위해 모니터링 지점 #1부터 #4까지 총 4개 지점을 대상으로 2025년 1월 23일, 2월 5일, 2월 19일, 3월 3일 총 4회에 걸쳐 수질 조사를 실시하였다. 수질분석은 생물학적 산소요구량(BOD), 화학적 산소요구량(COD), 총유기탄소(TOC), 총질소(T-N), 총인(T-P), 부유물질(SS), 질산성질소(NO₃-N)에 대하여 실시하였다. 수질분석 결과, 부유물질(SS) 농도는 뚜렷한 지점 간 차이가 확인되었으며, 특히 2월 19일 조사에서는 #3지점이 29.9 mg/L로 가장 높은 SS 농도를 기록하였다. 이처럼 전반적으로 조사 지점별 차이가 크게 나타난 것은 SS가 위치와 시기에 따라 단기적으로 변동성이 큰 항목임을 보여주며, 배출수의 공간적 특성을 민감하게 반영하는 지표임을 시사한다. #1 지점 역시 같은 날 24.5 mg/L를 나타내며 전반적으로 상류 지점에서의 일시적인 SS 증가 경향이 나타났다. COD, TOC, T-N, NO₃-N 항목에서는 #4지점의 오염도가 가장 두드러졌다. 특히 3월 3일 조사에서 #4의 COD는 22.3 mg/L, TOC는 10.6 mg/L, T-N은 2.3 mg/L로, 다른 지점에 비해 상대적으로 높은 값을 보였다(Fig. 7). 이는 #4지점이 배수로 하류부에 위치하고 있어 상류에서 유입된 오염물질이 집중되었거나, 주변 지역의 추가적인 비점오염원 영향을 받았을 가능성을 시사한다. NO₃-N의 경우 1월 23일 조사에서 #3지점이 1.5 mg/L로 가장 높은 수치를 보였으며, 2월 5일 조사에서는 전반적으로 0.3∼0.7 mg/L 수준으로 낮아졌다. 2월 19일 조사에서는 다시 #3지점이 1.1 mg/L로 상대적으로 높게 나타났으며, 3월 3일 조사에서는 #4지점이 2.6 mg/L로 가장 높은 값을 기록하여 지점별 변동성이 큰 양상을 보였다. 이는 수막용수가 토양이나 비료 성분과 반응하여 시기별⋅지점별로 NO₃-N을 포함한 형태로 배출되고 있음을 의미한다. 한편, 본 대상지의 T-P 농도는 0.01∼0.05 mg/L 범위로 나타났다. 이는 하천 생활환경기준 ‘좋음(Ib)’ 등급(0.04 mg/L)과 유사하였으나, 이를 소폭 상회하여 인에 의한 기여가 완전히 무시될 수는 없는 수준임을 보여주며, 조사 기간 동안 큰 변동성을 나타내지 않았다.

Fig. 7. Temporal variation and site-wise comparison of major water quality parameter concentrations (BOD, COD, TOC, T-N, T-P, SS, NO₃-N) at four monitoring sites during water curtain operation.

3.4 배출 부하량 산정 결과

본 연구에서는 수막재배 시설에서 배출되는 수질오염물질의 부하량을 정량적으로 분석하기 위해, 2024년 12월부터 2025년 3월까지 4개월간의 수질 자료 및 배출유량을 활용하여 단위면적 당 일평균 부하량(kg/km²⋅day)을 산정하였다. 본 연구에서 제시한 배출 부하량 산정은 2024년 12월부터 2025년 3월까지 총 4회의 수질 측정 결과를 이용하여 월평균 농도로 환산한 것으로, 측정 빈도의 한계로 인해 작물별 재배 특성, 시비 시기 및 토양 관리 등 단기적 요인이 충분히 반영되지 못했을 가능성이 있다. 그러나 동절기 수막재배는 일반적인 노지 재배와 달리 재배 환경과 관리 방식이 비교적 정형화되어 있으며, 작물의 생육 특성상 시비량이 제한적이라는 점이 여러 선행연구에서 보고된 바 있다^{(Chang and Chung, 2014; RDA, 2018)}. 또한, 낙동강수계관리위원회의 연구에 의하면 진주시 수곡면의 시설재배단지의 경우 겨울철 지하수 취수량 중 수막용수 사용량이 수막용수 사용량이 96.4%, 농업용수 사용량이 3.6%로 대부분의 지하수를 수막용수로 사용하고 있어 농업용수 사용량은 미미한 것으로 조사된 바 있다^{(Nakdong River Basin Management Committee, 2025)}. 이러한 점을 고려할 때, 본 연구에서 적용한 월평균 농도는 절대적인 대표성을 확보하는 데 한계가 있으나, 동절기 수막재배지의 부하 특성을 설명하고 배출 규모를 산정하는 데에 있어 결과 해석을 왜곡할 만큼 심각한 제약은 없는 것으로 판단된다.

분석 항목은 BOD, COD, TOC, TN, TP, SS, NO₃-N 등 총 7개 항목이며, 각 항목별 월평균 농도와 일평균 유량(116,512 m² 기준)을 바탕으로 계산을 수행하였다. 부하량 산정은 다음의 계산식을 따랐다.

여기서, L은 부하량(kg/day)을 나타내며, Q_day는 일평균 유량(m³/day), C는 농도(mg/L)를 의미한다. 또한 0.001은 단위 환산계수로서, 농도 단위인 mg/L를 질량 단위인 kg/m³로 변환하기 위해 사용된다. 이후 월별 부하량에 해당 월의 일수를 곱하여 총 부하량을 구하고, 전체 기간 (12월∼3월, 총 121일) 동안의 평균 부하량을 산정하였다. 그 결과, 항목별 단위면적 당 일평균 부하량은 Table 1 및 Fig 8과 같다. 특히, SS와 COD 항목에서 높은 부하량이 확인되었으며, 이는 유기물 및 부유물질이 수막용수 배출을 통해 수계로 상당량 유입되고 있음을 시사한다. 질소계 항목(TN, NO₃-N) 또한 비교적 높은 부하 수준을 나타내며, 재순환되는 지하수 및 비점오염의 영향을 반영한 결과로 해석된다. 한편, TP는 전반적으로 낮은 수준을 보여 인에 의한 오염 기여도는 비교적 미미한 것으로 나타났다. 수막재배후 배수로를 통해 배출되는 부하량은 배출되는 유량과 지하수 원수의 수질에 영향을 받으며, 타 연구에서 진행한 해당지역의 지하수 원수의 수질조사 결과 2024년 말부터 2025년 초까지 측정한 지하수 원수의 수질은 평균 0.9mg/L (0.2-2.2mg/L)의 범위를 보였다^{(Nakdong River Basin Management Committee, 2025)}.

Fig. 8. Monthly changes in pollutant load per unit area (kg/km²/day) by effluent concentration from December 2024 to March 2025.