Introduction
현재 정부에서는 수질(환경부) 및 수량(국토부)로 구분된 국가 물관리 운영체계를 환경부로 일원화하여 수량, 수질, 생태 및 문화 등 지역의 이해관계를 고려한 미래 지속적인 물이용 효율이 극대화되도록 통합물관리를 시행하고 있다. 이에 따라 관개용수로만 인식되던 농업용수의 개념이 농촌생활환경개선을 포함하는 다양한 지역용수로의 포괄적 개념으로 전환되고 있으며, 식량생산 이외의 효용을 위한 다원적 기능에 관한 관심이 증가하는 추세이다. 특히, 환경유지용수로서의 기능이 점차 중요시 되고 있으며, 이러한 농업용수의 다용도 활용을 위해서는 농업용수 회귀수량의 정량적인 파악이 선결되어야 한다.
수자원장기종합계획에서는 농업용수 회귀율을 약 35%로 산정하고 있다(MOLTM, 2011). 하지만, 선행연구들에 따르면 농업용수의 회귀율은 관개관행과 관개시설의 조건에 따라 약 32 - 86%로 다양한 분포를 보이고 있어(Song et al., 2015), 회귀율의 일률적인 적용은 결과의 신뢰도를 떨어트릴 수 있다. 회귀율을 산정한 선행연구를 살펴보면 대부분 계측망을 구축하여 논물수지모형에 기초하여 회귀율을 산정하는 방법을 사용하고 있다(Chung and Son, 2001; Choi and Choi, 2002; Kim et al., 2010). 계측자료는 관개용수량, 배수량, 침투량, 담수심 등이며, 논의 물수지 모형에서 논에서 배수물꼬를 통해 배수로로 나가는 수량은 신속회귀수량으로 침투량 등은 지연회귀수량으로 고려하여 전체 회귀수량을 산정하는 경우가 다수이다(Im, 2000; Choo, 2004; Chung and Park, 2004; Kim et al., 2010). 이러한 계측을 바탕으로 한 선행연구방법들은 회귀율 산정의 기본이 되는 공급량과 배수량의 정확한 파악이 가능하여 비교적 신뢰성 높은 회귀율 산정이 가능하다는 장점이 있으나, 계측에 많은 비용과 인력이 필요하다는 단점이 있다. 또한 관개구역의 회귀율은 강우 및 증발산 등의 기상요인, 작부시기 및 수문조작 등의 관개관행, 침투량에 영향을 미치는 지질요인 등에 따라 달라지게 되어, 산정한 회귀율을 타 지역에 적용하는 것은 한계가 있다. 따라서 계측에 많은 인력과 비용을 투입하여 산정한 회귀율의 활용성에는 제약이 존재한다.
본 연구에서는 이러한 한계를 극복하고자 현장관측 없이 공급량 중 관개에 사용되지 않는 양을 회귀수로 정의하고 물수지식을 사용하여 회귀율을 추정하는 방법론을 제시하였다. 농업용저수지로부터의 관개공급량을 저수지 저수율자료에 기반하여 추정하고, 필요수량 이론에 근거하여 회귀율을 간이적으로 산정하였다. 제시한 방법론을 충남 잠홍저수지와 성암저수지의 관개지구에 적용하고 그 결과를 분석하였다.
Materials and Methods
회귀율 산정 모의방법
본 연구에서는 관개지구 단위에서 해당년도 관개기간 동안 관개용수 공급량과 논에서의 소비수량을 간접적으로 추정하여, 관개용수로 사용되지 않은 양을 회귀수량으로 정의하고 연구를 진행하였다. 따라서, 본 연구에서 회귀율은 다음과 같다.
(1)
여기서, RF는 회귀수량(mm), AS는 관개공급량(mm), i는 해당년도이다. 회귀수량은 다음과 같이 산정한다.
(2)
여기서, REQ는 필요수량(mm)이다.
본 연구에서 회귀수량을 산정하는 단계는 다음과 같다. 1) 관개용수 공급량을 저수지 물수지식과 저수율자료를 바탕으로 순별로 산정한다. 2) 필요수량이론을 바탕으로 논의 필요수량과 유효우량을 일별로 산정한 후, 이를 순별로 환산한다. 3) 1) - 2)에서 순별로 산정한 양을 합산하여 연도별로 환산한다. 4) 식(2)을 이용하여 회귀수량을 산정하고, 식(1)을 이용하여 연도별 회귀율을 산정한다. 회귀수량은 년별로 추정한다는 점에 유의하기 바란다. 본 연구에서는 관개지구 전체를 하나의 물수지가 적용되는 대상으로 보고 회귀수량을 산정하고 있기 때문에, 회귀수 유출의 경로와 유출시간에 대한 정보는 산정하기 어려우며 전체 물수지의 순환주기는 비교적 길다. 이러한 불확실성을 완화시키기 위해 기본적으로 연단위로 회귀수량을 산정하였다. 식(2)에서 추정하는 회귀수량은 신속과 지연 회귀수량을 모두 포함하는 양으로 가정하고 있다. 본 연구에서는 이 중 논에서의 침투량을 지연 회귀수량으로 가정하고 수로에서의 침투량과 같은 그 외 지연 회귀수량은 무시하였다. 따라서 신속회귀수량은 식(2)에서 계산한 회귀수량에 침투량을 제한 값으로 산정하였다.
관개공급량 산정방법
본 연구에서는 저수지의 물수지와 저수율자료에 기반하여 농업용수 공급량을 추정하였다. 저수지 물수지모형의 간이식은 다음과 같다(Fig. 1).
(3)
여기서, △S는 저수량 차, I는 유입량, PR은 수면 강수량, OF는 물넘이 월류량, E는 수면 증발량, O는 관개공급량을 나타낸다. 위 식을 관개공급량 O에 대하여 재정리하면 다음식과 같다.
(4)
여기서, △S는 농어촌공사의 계측자료를 활용하였으며, 월류량 OF는 만수위 이상의 유입량을 물넘이 월류량으로 결정하였으며, 직접 저수지 유입량 PR과 저수지 표면 증발량 E은 기상관측으로부터 얻은 값을 사용하였다. 유입량 I는 계측자료 또는 수문모형을 통해 산정할 수 있으나, 현재 대부분의 농업용저수지에서는 유입량 계측을 하지 않고 있다. 따라서 본 과업에서는 미계측유역에 적용이 가능한 일단위 유출모형인 수정 3단 Tank Model을 사용하여 저수지 유입량을 산정하였다. 저수지 유입량과 저수율 변화량의 불확실성을 감소시키기 위하여 관개공급량은 순단위로 산정하였다.
필요수량 산정방법
논에서의 필요수량은 일별로 산정하며 다음식과 같이 계산한다.
(5)
여기서, 아래첨자 t는 해당일을 뜻하며, D는 담수심(mm), ER는 유효우량(mm), U는 소비수량(mm)이다. Dmin는 논에서의 관리담수심(mm)으로 본 연구에서는 40으로 설정하였다. 유효우량은 일강우량으로부터 다음식과 같이 산정한다.
(6)
여기서, Rt는 일강우량(mm), Dmax는 배수물꼬높이(mm)로 본 연구에서는 60으로 설정하였다. 논의 일별담수심은 다음식과 같이 추적한다.
(7)
일반적으로 소비수량은 침투량과 증발산량의 합으로 정의되며, 작부시기에 따라 다르게 산정한다. 보다 상세한 소비수량의 산정방법은 Jeon (2014)를 참고하기 바란다.
잠재증발산량은 실제 증발산량에 근접할 가능성이 있는 Penman-Monteith (FAO-56)식을 이용하였으며, 식은 다음과 같다(Jeon et al., 2019).
(8)
여기서 ET0은 기준감재증발산량(mm·day-1), Rn은 순복사량(M·Km-2·day-2), G는 토양열 유속밀도(M·Km-2·day-2), T는 2 m 높이에서의 일평균기온, u2는 2 m높이에서의 풍속(m/s), (es − ea)는 포화결손량(KPa), 는 증기압곡선의 기울기(KPa·℃-1), 는 건습계상수(KPa·℃-1)이다. 상세한 계산방법은 Kim et al. (2017)을 참고하였다. 증발산량은 잠재증발산량(potential evapotranspiration)이 기상조건에 따라 변하기 때문에 작물의 종류에 따라 실제증발산량과 상이하게 되며, 실제증발산량은 잠재증발산량에 작물계수를 곱하여 산정한다. 본 과업에서는 Table 1과 같은 작물계수를 적용하였다(Yoo et al., 2006).
Table 1. Crop factor of Penman-Monteith equation (Yoo et al., 2006).
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DAT, day after treatment; GR, germination rate; RE, relative; GI, germination index. |
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대상지역 및 분석기간
본 연구에서는 대상지역으로 충남 서산기상관측소 10 km 이내의 두 저수지(잠홍, 성암)의 관개지구를 선정하였다(Fig. 2). 대상지구의 주수원공인 잠홍, 성암 저수지의 제원은 각각 유효저수량이 1,485천 m3와 3,074천 m3이고, 관개면적은 364.4와 624 ha이며, 유역면적은 1,129와 1,936 ha이다. 대상지구들은 모두 서산기상관측소와 가까워, 서산관측소의 강우와, 증발산량 산정을 위한 기상자료를 사용하였다. 분석기간은 2001 - 2015년으로 총 15년간의 기간을 분석대상으로 하였다. 사용한 저수율 자료는 Fig. 3과 같다.
본 연구에서 모형의 불확실성과 데이터의 신뢰성을 고려하여 저수지유입량과 필요수량은 일별로 계산하고 있으며, 공급량은 순단위로 산정하였다. 현재까지 잘 구축되어 있는 방법론을 사용하여 일단위 계산을 하고 불확실성을 줄이기 위하여 이를 순단위로 누적하여 사용하였다. 그리고 회귀율은 이들을 연별로 누적하여 연단위로 산정하고 있다. 회귀수의 용수순환주기는 매우 긴 것을 고려하여 연단위의 산정이 적합한 것으로 판단하였다.
Results and Discussion
위 방법으로 산정한 대상저수지의 연간 관개공급량은 잠홍저수지 1,600 - 6,000천 m3, 성암저수지 6,000 - 13,500천 m3으로 분석되었다(Fig. 4). 성암저수지는 2010년, 2012년에 다른해에 비해 관개용수량이 큰 것으로 나타났으며, 잠홍저수지의 경우 해에 따라 관개공급량이 크게 변동되는 것으로 분석된다. 관개공급량의 편차가 크다는 것이 물관리가 잘못되었다는 의미는 아니며, 연도별로 강우와 저수율의 상황에 맞게 공급량이 조절되었다는 의미도 포함되어 있다. 하지만 장기적으로 보면 가뭄년과 같은 특별한 기준이 없는 한 표준적인 값을 중심으로 크게 편차 없이 용수공급을 하는 것이 안정적인 용수관리에 도움이 될 것이다.
대상저수지의 년도별 회귀율은 Fig. 4, Table 2와 Table 3과 같이 산정되었다. 잠홍저수지의 연도별 회귀율은 지연회귀율 10.1 - 38.7%, 신속회귀율 6.5 - 73.2%, 전체회귀율 40.2 - 89.9%로 분석되었으며, 성암저수지의 연도별 회귀율은 지연회귀율 7.4 - 20.9%, 신속회귀율 51.1 - 88.4%, 전체회귀율 67.8 - 95.8%로 분석되었다. 잠홍저수지에 비해 성암저수지의 신속회귀율이 높게 나타났으며, 특히 신속회귀율이 전반적으로 높은 것으로 나타났다. 이는 관개공급량 중 손실수량의 비율이 상대적으로 성암저수지가 잠홍저수지보다 높은 것을 뜻한다. 회귀율의 변화를 보면 성암저수지의 경우 년도별로 일정한 회귀율을 보이고 있으나, 잠홍저수지의 경우 2001, 2013년도에 다른 해에 비해 낮은 회귀율을 나타내고 있으며 이는 다른 해에 비해 낮은 관개공급량 때문인 것으로 추정된다.
Conclusion
본 연구에서는 광범위한 적용을 목적으로 현장관측 없이 모델링 방법에 기반하여 농업용수의 회귀율을 산정하는 방법을 제시하였다. 본 방법의 특징은 농업용 저수지의 저수율자료에 기반하여 관개공급량을 산정한다는 점이며, 공급량 중 필요수량을 제외한 양은 하천으로 회귀하는 것으로 가정하였다. 제시한 방법론을 충남 서산기상관측소 인근의 잠홍저수지와 성암저수지에 적용하여 회귀율을 분석하였다. 본 연구에서 제시한 방법은 모델링에 근거한 방법으로 계측자료를 이용한 검증이 이루어지지 않은 한계가 있어, 향후 공급수량, 신속회귀수량 등을 모니터링하여 검증할 필요가 있다. 또한 침투량을 선행연구에 기반해서 일괄적으로 적용했다는 점에서 한계가 있을 수 있다. 하지만, 현장관측을 기반으로 한 방법 이외에 농업용수의 회귀율을 산정하기 위한 정량적 방법론이 현재까지 거의 없다는 점을 고려할 때 저수율과 기상데이터를 사용하여 적용이 가능한 본 연구에서의 방법론이 전국단위의 농업용수 회귀수량의 산정에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
Author infomation
Hyunuk An, https://orcid.org/0000-0002-4566-5159
Hansol Kang, Department of Agricultural and Rural Engineering, Chungnam National University, Master
Wonho Nam, https://orcid.org/0000-0002-9671-6569
Kwangya Lee, Agricutural Drought Mitigation Center, Korea Rural Corporation (KRC), Doctor of Philosophy
