Journal of The Korean Society of Agricultural Engineers (한국농공학회논문집)

The Korean Society of Agricultural Engineers (한국농공학회)
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A Study on the Potential of Agricultural Water and Environmental Flow Supply according to Regulating Lower Control Storage Rate for the Irrigation Reservoir

농업용 저수지의 하한 관리 저수율 설정에 따른 농업용수 및 환경용수 공급 가능성 고찰

  • Jeong, Jiyeon (Department of Rural and Bio-systems Engineering & Education and Research Unit for Climate-Smart Reclaimed-Tideland Agriculture (BK21 four), Chonnam National University) ;
  • Jeung, Minhyuk (Department of Rural and Bio-systems Engineering & Education and Research Unit for Climate-Smart Reclaimed-Tideland Agriculture (BK21 four), Chonnam National University) ;
  • Beom, Jina (Department of Rural and Bio-systems Engineering & Education and Research Unit for Climate-Smart Reclaimed-Tideland Agriculture (BK21 four), Chonnam National University) ;
  • Park, Minkyeong (Department of Rural and Bio-systems Engineering & Education and Research Unit for Climate-Smart Reclaimed-Tideland Agriculture (BK21 four), Chonnam National University) ;
  • Lee, Jaenam (Rural Research Institute, Korea Rural Community Corporation (KRC)) ;
  • Yoo, Seung-Hwan (Department of Rural and Bio-systems Engineering & Education and Research Unit for Climate-Smart Reclaimed-Tideland Agriculture (BK21 four), Chonnam National University) ;
  • Yoon, Kwang-Sik (Department of Rural and Bio-systems Engineering & Education and Research Unit for Climate-Smart Reclaimed-Tideland Agriculture (BK21 four), Chonnam National University)
  • Received : 2022.11.02
  • Accepted : 2023.01.20
  • Published : 2023.03.31
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Abstract

While the main purpose of irrigation reservoirs is to supply agricultural water, the needs of environmental flow and flood control has been expanded. The agricultural reservoirs have been operated in the form of carry-over system until now. Therefore, the supply of agricultural water is difficult when the storage rate is not sufficiently secured after large volume of irrigation. In addition, there are regulation of the upper storage rate for some large reservoirs during the flood season, but lower storage rate is not regulated. Accordingly, this study aims to evaluate the capacity of agricultural water and environmental flow supply by setting the management lower storage rate of reservoir. The changes in the supply of agricultural and environmental flow was simulated according to the three different regulating lower storage rate scenarios. As a result, it was judged effective in terms of water supply managing the lower storage rate up to 30% when the initial storage rate of farming period is above annual average for the Naju reservoir considering existing water management practice. If the lower storage rate would have been controlled above 30%, the supply of agricultural water might be increased and non-effective discharge amount would be decreased compared to other scenarios during dry period of 2016-2018.

Keywords

Ⅰ. 서론

국내 수자원 총량 중 실제 연간 이용량은 366억 m3이며, 용도별로 농업용수 154억 m3, 하천유지용수 122억 m3, 생활용수 74억 m3, 공업용수 16억 m3을 사용하고 있다 (MOE, 2021). 가장 많은 이용량을 차지하고 있는 농업용수를 공급받는 전체 수혜면적의 약 76.2%가 저수지와 담수호 같은 호소이므로 (Kim et al., 2021) 농업용 저수지의 역할과 운영의 중요성은 크다.

한편 2018년부터 “수질 및 수생태계 보전에 관한 법률”을 “물환경보전법”으로 개정하면서 물환경을 수질과 수생태계를 통칭하는 개념으로 정립하고, 환경생태유량은 수생태계 건강성 유지를 위해 필요한 최소한의 유량으로 정의해 국가와 지방하천을 비롯한 소하천, 지류⋅지천 대표지점에 환경생태유량을 고시할 수 있도록 하였다 (MOE, 2018). 또한, “하천법” 제51조에서 하천유지유량은 생활⋅공업⋅농업⋅환경 개선⋅발전⋅주운 등의 하천수 사용을 고려하여 하천의 정상적인 기능 및 상태를 유지하는데 필요한 최소한의 유량으로 정의하고 있으며, 전국 114개 지점에 현재 확보가능량과 향후 필요량을 구분하여 고시하고 있다 (Park et al., 2019). 즉 하천 유지용수에서 개념이 확장된 환경생태유량과 하천유지유량은 하천 수질, 지하수 수위 함양, 동⋅식물의 생태계 보전과 인간의 필요성을 만족시키는 데 필요한 용수이며 (Jo et al., 2021), 이를 통칭하는 환경용수의 수요량이 증가할 경우 현재까지 가장 큰 용수 비중을 차지하고 있는 농업용수를 공급하는 농업용 저수지에서 용수 공급 요구가 커질 전망이다. 하지만, 농업용 저수지는 영농기 이후 확보된 용수가 다음 해 공급량을 결정하는 이월 (Carry over) 형식으로 운영되고 있어 영농기가 시작되기 전의 저수율이 높을 경우에는 충분한 공급이 가능하지만, 저수율이 낮을 경우에는 용수공급의 어려움을 겪는다. 따라서 뚜렷한 저수지의 운영 방식 없이 공급할 경우 간선, 지선 등 말단 수로의 필요수량 공급이 부족한 상황이 발생할 수 있다 (Jeung et al., 2021).

농업용 저수지의 저수율 관리, 물관리에 따른 공급능력, 하천유지용수 공급에 관한 국내 연구를 살펴보면 Yoo et al.(2012)는 비관개기의 초기저수량을 3단계로 구분하고 관개기의 목표 저수량 설정을 통해 둑높이기 농업용 저수지의 농업 용수 공급능력을 유지하면서 하류하천에 환경용수를 공급할 수 있는 운영기준을 설정하였다. Lee et al. (2013)는 낙동강 상류지역에 위치한 둑높이기 농업용 저수지에서 방류되는 환경용수의 비관개기 동안의 방류 가능량과 방류 패턴을 분석하여 지속적인 환경용수의 방류 가능성을 평가하였다. Lee and Noh (2015)는 금호강 유역에 위치한 둑높이기 사업이 완료된 임고저수지를 대상으로 편의 보정된 RCP 시나리오를 적용해 물수지 분석을 수행하였고, 미래 공급이 가능한 적절한 하천유지용수량을 제시하였다. Ryu et al. (2018)은 물관리 시나리오 및 물관리 기법 적용을 위한 수문 모니터링 계측망을 구성해 관개지구 물관리 기법 적용에 따른 관개량 절감 효과와 농업용 저수지의 농업용수 공급능력을 평가하였다. Jeung et al. (2021)은 표준강수지수 (Standardized Precipitation Index, SPI) 개념을 적용하여 가뭄년도와 평년을 구분하여 농업용 저수지의 이수안전도를 평가하였으며, 평년의 저수율 관리에 따라 가뭄 시 농업용수 공급 개선 효과를 확인하였다. Sung et al. (2021)은 농업용수를 공급받는 유역의 관개 효율을 평가하기 위해 SWMM 모형을 활용하여 현재 계획된 공급수준에서 주요간선 수혜구역의 물 배분을 살펴보았으며, 말단 수혜구역에 물 부족 현상이 발생함을 알 수 있었다. 국외에서는 저수지의 다목적 활용화에 대한 관심이 많고, 특히 환경용수 공급 검토에 대한 연구가 주로 수행되고 있다. KhazaiPoul et al. (2019)은 이란 북서부에 위치한 Mahabad 저수지를 대상으로 다목적 최적화 알고리즘을 개발하여 농경지의 농업 소득을 최대화하면서 하류에 환경용수 공급을 충족할 수 있는 운영관리 방안을 분석하였다. Huang et al. (2016)은 현재와 미래의 경제 및 환경용수 수요의 균형을 맞추는 것을 목적으로 두 가지 목적의 저수지 운영을 위한 최적의 헤징 (hedging) 규칙을 도출하여 중국 동부 Huaihe 강 유역에 위치하고 있는 7개 댐에 적용하였다.

현재까지 일부 대규모 농업용 저수지는 홍수기에 대비한 상한 저수율은 규정되어 있는 반면에 농업용수와 환경용수의 안정적인 공급을 위한 하한 저수율의 규정은 없는 상태로 운영되고 있다. 단일목적 시설인 농업용 저수지의 다목적 활용 체계 구축 및 기능 강화의 필요성이 높아지고 있지만 (MOE, 2021), 본래의 운영목적인 농업용수 이용의 지장을 초래하지 않는 범위에서 환경용수 확보가 이루어질 수 있는 운영관리가 필요한 실정이다. 특히, 영산강유역 내 최대 유효저수량을 보유하고 있는 나주호의 경우 2017년 발생한 가뭄으로 인해 저수율이 20%까지 떨어져 다음 해인 2018년까지 용수공급의 어려움을 겪었다. 이에 따라 저수율 저하의 원인 규명과 저수지 운영방안 개선이 요구되었다.

따라서 본 연구에서는 나주호를 대상으로 물수지 분석을 수행하고 기상조건에 따라 나주호 유역으로 유입되는 저수지의 유입량 변화를 검토하였다. 그리고 현재 Carry over 방식으로 운영되는 농업용 저수지 특성을 고려하여 영농기 초기 저수율의 예년 평균 저수율을 기반으로 평상시 하한 저수율 설정 관리에 따른 농업용수와 환경용수의 공급능력 평가와 함께 2017년과 2018년의 가뭄조건에서 용수공급이 개선되는지 검토하고자 한다.

Ⅱ. 재료 및 방법

1. 대상저수지

연구의 대상저수지는 1976년 축조된 영산강 지류인 지석천 지류 대초천에 1976년에 축조된 나주호를 선정하였다. 행정구역상 전라남도 나주시 다도면 판촌리에 위치하고, 유역은 행정구역상 화순군 도암면과 나주시 다도면 일부를 포함하고 있으며 직접 유역면적은 8,460 ha이다. 저수용량에 비해 유역면적이 작은 특징이 있어 영암군 금정면 탐진강 상류에 금정보를 설치해 비관개 및 홍수기에 간접유역 2,010 ha의 유출량을 공급받고 있다. 나주호의 유역면적은 총 10,470 ha이며 수혜면적 9,267 ha, 둑높이기 사업 후 유효저수량은 10,654만 m3이다.

조사 대상 기간은 2008년부터 2020년까지로, 해당 기간의 나주호 저수율 및 용수공급량은 한국농어촌공사에서 품질 관리가 이루어진 농업기반시설관리시스템 (RIMS; Rural Infrastructure Management System)을 통해 공개하고 있는 자료를 이용하였다.

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Fig. 1 Watershed and beneficial area of Naju reservoir

2. 연구의 흐름

본 연구에서는 농업용 저수지의 운영기준에 따른 농업용수와 환경용수 공급능력을 평가하기 위해 Fig. 2와 같이 연구를 진행하였다. 나주호 영농기 초기 저수율 (4월 27일)의 예년 평균 저수율 (2008∼2020) 대비 영농기 초기 저수율이 100% 이상일 때 3가지 시나리오에 따른 하한 저수율을 적용하였다. 나주호의 예년 평균 저수율 100%는 59.6%로 영농기 시작 전 저수량이 여유롭게 확보된 저수율로 해석할 수 있다. 따라서 59.6%의 저수율을 영농기에 안정적인 용수 공급의 기준으로 제시하였다. 시나리오는 초기 저수율이 59.6% 이상일 때 시나리오Ⅰ은 공급 제한 저수율 30%, 시나리오Ⅱ는 공급 제한 저수율 35%, 시나리오Ⅲ는 공급 제한 저수율 40%로 적용하는 것으로 작성하였다. 연구기간 내 나주호의 2017년 연평균 저수율 37.7%(최저)와 2017년 8월 월평균 24.3%(최저)를 고려해 볼 때, 하한 저수율 25%의 설정은 과거 관측 저수율과 흡사한 운영 결과가 도출될 것으로 판단되었다. 또한, 40% 이상의 하한 저수율 설정은 가용수량이 매우 줄어들어 저수지 운영에 있어 현실성이 없다고 판단되어 30%, 35%, 40%로 설정하였다. 한편, 초기 저수율이 59.6% 미만일 때는 가뭄으로 인한 피해를 고려해 제한 저수율의 설정 없이 용수를 공급하되, 저수율이 20% 미만일 때는 용수공급을 중단하였다. 이는 과거 나주호의 운영 현황을 고려한 것이며, 나주호 관리규정(KRC, 2014)에 따라 저수율이 홍수기 (6월 21일∼9월 20일) 예비 방류기준인 78%를 초과하는 경우에는 용수를 방류하는 것으로 설정하였다. 시나리오 적용을 통해 2008년부터 2020년까지의 기간 동안 농업용수와 환경용수 공급량과 저수율의 변화를 함께 비교⋅분석하였다.

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Fig. 2 A flow chart for determining potential operation rule to supply agricultural water and environmental flow simultaneously

농업용수 공급은 실제 공급량과 계획기준 필요수량을 비교하여 필요수량 대비 공급량이 부족했던 해는 필요수량만큼 공급하도록 모의하였다. 환경용수 공급 모의는 농업용 저수지의 둑 높이기 사업 이후 규정된 환경용수 공급 계획량을 기준으로 모든 경우에 계획량만큼 공급하도록 하였다. 다만, 저수율이 예년 평균 저수율의 60%(일별로 다름) 이하일 경우 주의단계에 해당하므로 용수공급 조정기준에 따라 환경부의 대응 조치와 동일하게 환경용수 공급을 제한하며 모의하였다. 이를 통해 시나리오별로 산정된 저수율과 용수공급 결과를 분석하여 안정적으로 농업용수와 환경용수 공급이 가능한 하한 저수율 설정에 따른 운영관리 방안을 고찰하였다.

3. 물수지 분석

운영 시나리오에 따른 저수율 변화를 파악하기 위해 Catchment hydrologic cycle Assessment Tool (CAT) 프로그램 내 4단 TANK 모형을 활용하여 물수지 분석을 실시하였다. CAT은 집중형 수문모형 (개념적 매개변수 기반)과 분포형 수문모형 (물리적 매개변수 기반)의 장점을 최대한 집약하여 개발된 것으로, 유역의 장⋅단기적 유출 특성을 정량적으로 평가하고 저류시설 및 침투시설과 같은 물 순환 개선시설의 평가 및 효과적인 설계를 지원하기 위한 물 순환 해석 모형이다. 또한, 사용자가 입력한 기간별 공급량에 따라 용수를 공급할 수 있어 저수지, 댐과 같은 저류시설의 물수지 분석이 가능한 것이 특징이다 (Jang et al., 2012). 물수지 분석을 수행할 때 저수지 수면의 증발량과 취수량을 고려하고 방류구를 통한 방류량을 반영하며 식 (1)에 의해 계산된다.

St = St-1 + It + Ut + Pt - (Rt + Ot + Et + Gt)       (1)

여기서, St-1는 t-1 일의 저수량, It는 유입량, Ut는 지하수 유입량, Pt는 수면강수량, Rt는 방류량, Ot는 여수토 월류량, Et는 수면증발량, Gt는 지중침투량이다.

CAT 내 유입량 산정을 위한 장기 일유출 모형 중 TANK 모형은 Sugawara (1961)에 의해 제안된 표준 4단 탱크를 가진 유출모형으로 유역면적, 기상자료, 수위-내용적, 초기 저수율 등의 입력이 필요하며 본 연구에서는 매개변수 보정을 위해서 관측 공급량을 적용하였다. 매개변수 보정은 CAT 프로그램에서 제공하는 자동보정 기능을 통해 결정하였다.

4. 농업용수 공급 기준 설정 및 필요수량 산정

우리나라 농업용 저수지의 용수 공급능력은 수혜구역의 논벼 관개용수량을 공급할 수 있는 확실성을 빈도개념으로 나타내므로 농업용수 공급은 수혜구역의 주 용수공급원인 필요 수량과 밀접한 관계가 있다 (Cho et al., 2019). 농업용수 중 67∼87%의 비율을 차지하고 있는 논 용수는 논에서 작물이 생육하며 소비하는 수분량을 의미하며 본 연구에서는 이를 필요수량이라 정의하여 안정적으로 공급하는 농업용수의 양을 계획기준 필요수량으로 설정하였다. 2008년∼2020년의 연도별 나주호 수혜구역의 필요수량 산정은 한국농어촌공사의 수리⋅수문 설계시스템인 K-HAS (KRC Hydraulics & Hydrology Analysis System)를 이용하였다. 필요수량 산정에 필요한 증발산량은 현재 관개계획⋅수문모형에 많이 이용되고 있는 공식인 수정 Penman 공식을 적용하였다 (Doorenbos and Pruitt, 1977). 나주호의 수혜면적은 기존 연구에서 조사된 직접급수 수혜면적에 해당하는 5,100 ha를 적용하였다 (Sung et al., 2021). K-HAS 모형 입력값으로는 기상자료 (강우량, 기온, 습도, 일사량 등), 수혜면적, 삼투량, 송수손실 등의 인자가 필요하다. 송수손실은 나주호 설계 시 적용된 송수손실률 15%를 적용하였으며, Table 1에 본 연구에서 적용한 인자를 나타내었다. 또한, 농업용수 공급 모의과정에서 나주호의 과거 용수공급 패턴을 기준 (20%일 때 공급 중단, 홍수기 78% 이상일 때 예비방류)으로 공급을 실시하고 하한저수율에 대한 시나리오를 적용하였으며, 필요수량보다 공급량이 부족했던 경우에는 필요수량만큼 공급을 진행하는 방식으로 분석을 진행하였다.

Table 1 Input data to calculate irrigation requirements

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a KRC, http://irims.ekr.or.kr

5. 환경용수 공급 기준

나주호의 환경용수 공급 기준은 둑 높이기 사업에서 제시된 기준을 적용하였다. 농업용 저수지의 둑 높이기 사업은 저수량의 추가 확보를 통해 기후변화에 대응하는 치수능력 강화와 안정적인 농업용수 공급과 더불어 환경용수의 공급을 목적으로 하였다. 이를 위해 한국농어촌공사에서는 둑높임 저수지 운영에 따른 환경용수 공급 기준을 설정하였다. 따라서 본 연구에서 환경용수 공급 기준은 4대강 정비 사업에 따른 환경용수 공급계획 (KRC, 2018)과 동일하게 설정하였다. 공급계획을 살펴보면 나주호는 1년에 7,550천 m3으로, 1일 기준 34.0천 m3의 공급이 계획되어 있다 (Table 2). 본 연구에서 환경용수는 동일한 일 공급량을 공급하는 것으로 가정하였다.

Table 2 Plan for supplying environmental flow from the Naju reservoir according to the four major river restoration project (KRC, 2018)

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환경용수 공급 제한 기준은 국내 다목적댐 용수 부족 대비 용수공급 조정기준 (K-water, 2018)을 바탕으로 설정하였다. 댐별 유입특성 및 향후 용수공급 필요량을 고려하여 현재 저수량을 기준으로 4단계 (관심, 주의, 경계, 심각)로 구분하여 대응하고 있으며, 가뭄 단계별 필요 감축량은 Table 3과 같다. 본 연구에서는 행정안전부에서 제시한 주의단계 저수율인 평년 저수율의 60% 미만일 때 단계별 필요 감축량을 고려하여 환경용수 공급을 제한하여 시나리오 모의를 진행하였다.

Table 3 Water supply reductions corresponding to drought stages (K-water, 2018)

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Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 나주호 운영 현황

나주호의 현행 운영관리를 파악하기 위해 2008년부터 2020년까지의 저수율을 살펴보았다. 나주호 연평균 저수율은 52.5%로 나타났고, 2017년에 37.8%의 가장 낮은 연평균 저수율을 보였으며 당해 연도 8월에 24.3%까지 하강된 월평균 저수율이 나타났다. 나주호 유역의 연평균 강수량은 1,397 mm이며, 2017년 793.5 mm로 적은 강수량의 영향을 받은 것으로 판단된다. 또한, 2018년에도 연속적으로 가뭄이 발생함에 따라 연평균 저수율은 38.7%로 나타났으며 이는 2017년의 낮은 저수율이 다음 해 영농기 전까지 회복되지 않아 가뭄이 발생한 것으로 해석된다. 2017년과 2018년을 제외한 해의 관측 저수율을 살펴보면 가뭄 ‘심각 단계’인 40% 이하로 저수율이 하강한 연도는 2008년, 2009년, 2012∼2016년으로 13년 동안 총 7번 발생하였다 (Fig. 3).

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Fig. 3 Observed storage rate of Naju reservoir (2008∼2020)

나주호에서 실제 공급된 농업용수와 추정된 필요수량은 Fig. 4와 같다. 농업용수는 2008년에 62,019천 m3으로 가장 많은 양이 공급되었으며, 평균 44,855천 m3의 양이 공급되었다. 계획 기준 필요수량은 포장까지 용수를 공급하는 과정에서 손실되는 수량인 송수손실량 (15%)을 고려하여 계산하였다. 필요수량은 분석 기간 동안 평균 41,998천 m3이 산정되었으며, 실제 공급량과 비교해 본 결과, 2015년∼2018년 기간 동안 필요수량보다 부족하게 공급된 것으로 나타났다. 실제로 Sung et al. (2021)은 나주호를 대상으로 물 배분 모의를 진행하였으며, 수혜구역의 말단부분인 공산간선과 신북간선에서 물 부족 현상이 나타나는 것으로 제시하였다.

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Fig. 4 Annual amounts of observed rainfall, irrigation amount, estimated irrigation requirements considering conveyance water loss (CWL)

환경용수는 2010년에 16,146천 m3로 공급량이 가장 많았고, 평균 8,138천 m3의 양이 공급되었다. 나주호의 환경용수 1년 공급 계획량은 7,550천 m3으로 실제 공급량과 비교해 본 결과, 2008∼2009년, 2017∼2020년도에 계획량을 만족시키지 못했지만 2010년, 2013년, 2015년은 계획량보다 많은 양이 공급되었다. 환경용수 공급은 공급 계획량 이외에는 다른 공급 규정이 없으며, 2017년부터 2019년까지는 낮은 저수율로 인해 계획량 이하로 공급하고 있는 것으로 해석된다. 2020년은 1,500 mm 이상의 비교적 많은 강수량과 안정적으로 확보된 저수율이 증가하여 홍수기에 대비한 예비방류량이 많아 별도의 환경용수가 적게 공급된 것으로 판단된다 (Fig. 5).

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Fig. 5 Annual amounts of observed rainfall, environmental flow (EF) and planned EF

2. 나주호 유입량 산정

본 연구는 과거 데이터를 기준으로 농업용수 공급량을 조절하여 실제 2008년∼2020년 저수율과 시나리오별 저수율을 비교하는 것에 목적을 두었다. 따라서, 공급량을 조절하기 전에 나주호 유입량을 4단 TANK 모형을 이용하여 계산하였으며, 보⋅검정 기간은 동일하게 2008년 1월 1일∼2020년 12월 31일까지로 적용하였다. TANK 모형을 구성하고 있는 매개변수의 정의, 범위 및 보정결과는 Table 4와 같으며 추정된 유입량을 바탕으로 시나리오별 물수지 분석을 실시하였다. 물수지 분석을 위해 실제 공급량을 입력하였으며, 매개변수를 보정한 후 프로그램에 실제 공급량을 입력하고 유입량을 모의하였다. 검정에는 저수율의 실측값과 TANK 모형에서 모의된 저수율을 비교하여 모델의 적용성을 판단하였다 (Fig. 6). 실측값과 모의값간의 관계는 R2 = 0.9 68, NSE = 0.9 61로 Moriasi et al. (2015)이 통계적 지표로 제시한 유역 모델에 대해 제시한 일 단위 기준 “Very Good”을 모두 만족하는 것으로 나타났다 (Fig. 7).

Table 4 Calibrated value of each input parameter of TANK sub-model in CAT model

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b KICT, 2017

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Fig. 6 Result of observed and simulated storage rate after calibration of CAT model

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Fig. 7 Comparison of observed and simulated storage rate

물수지 분석을 통해 추정된 나주호 유역의 연간 유입량과 연 강수량은 Fig. 8에 나타내었고, Table 5에 강수량, 유입량 및 유출율을 종합적으로 제시하였다. 유출율은 강우량에 대하여 저류량 증가 정도를 정량적으로 제시할 수 있는 수치로써 유역 내 강우량과 모의된 유입량을 통해 산정한 값이다. 실제로 유입량은 강수량이 가장 많은 2012년에 최대값인 88,938천 m3, 극심한 가뭄이 발생했던 2017년에 최솟값인 19,592천 m3로 모의되었고 평균 61,318천 m3의 유입량을 보였다. 나주호의 연간 유출율은 조사 기간 내 평균 41%로 나타났으며, 2017년에 24%로 가장 낮게 산정되었다.

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Fig. 8 Annual rainfall and simulated inflow amount of Naju reservoir watershed

Table 5 Rainfall, simulated inflow and annual runoff ratio of Naju reservoir watershed

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3. 운영관리 시나리오 모의 결과

시나리오 모의에 따른 제한 저수율 (30%, 35%, 40%) 적용시 필지용수량과 송수손실을 고려한 계획기준 필요수량 비교와 나주호의 실제 공급량은 다음과 같다 (Fig. 9). 실제 필요수량을 충족시키지 못한 연도는 2016년부터 2018년까지였다. 시나리오에 따른 농업용수 공급량을 비교한 결과 시나리오Ⅰ(제한 저수율 30%), 시나리오Ⅱ(제한 저수율 35%)는 2016년부터 2018년까지 필요수량만큼의 농업용수 공급이 가능하였다. 실제 공급량과 비교했을 때 제한된 저수율만큼 2008년과 2009년의 모의 공급량이 감소하였다. 모의 공급량이 감소한 만큼 이후의 저수량 확보가 이어짐에 따라 3년 (2016∼2018) 동안 필요수량을 충족시킨 것으로 판단된다. 2008년부터 2020년까지의 기간 동안 실제 농업용수 공급량 (583,465천 m3) 대비 시나리오별 농업용수는 610,274천 m3(시나리오Ⅰ), 609,721천 m3(시나리오Ⅱ), 585,919천 m3(시나리오Ⅲ)이 공급되었고, 제한 저수율이 상승할수록 공급량이 감소하는 것이 확인되었다. 시나리오Ⅲ(제한 저수율 40%)은 2016년∼2018년의 필요수량 충족이 모두 어려웠다. 가뭄이 발생하였던 2017년은 실제보다 모의 공급량이 더 부족함을 확인할 수 있었다. 실제 저수율과 달리 시나리오Ⅲ은 2017년의 4월 27일 예년 평균 저수율 대비 저수율은 100% 이상이었다. 따라서 시나리오 규정에 따라 공급하였지만 다른 시나리오에 비해 제한 저수율, 홍수기 제한수위 (78%)로 인한 무효방류, 2017년의 현저히 적은 유입량 (19,592천 m3)으로 인해 농업용수 공급이 부족하게 모의된 것으로 해석된다.

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Fig. 9 Supply ratio compared to irrigation requirements considering conveyance water loss (CWL) by operational scenarios

시나리오 작성을 통해 환경용수 공급량과 공급 계획량을 비교한 결과는 Fig. 10에 나타내었다. 연 계획량을 매일 일정한 양으로 공급하되 저수율이 평년 저수율 대비 60% 미만일 때 공급을 제한하며 모의한 결과, 총 3개년 (2009, 2017, 2018)에서 계획량 충족이 어려웠다. 시나리오별 총 공급량을 살펴보면 시나리오Ⅰ(89,524 천 m3), 시나리오Ⅱ(89,524 천 m3), 시나리오Ⅲ(89,814 천 m3)로 공급량은 큰 차이가 없었다. 환경용수 공급 모의 결과, 실제 환경용수 공급이 계획량보다 적었던 2009년, 2017년, 2018년과 유사한 결과를 보였으며, 이는 하한 저수율 관리만으로는 가뭄 시 환경용수 공급을 개선하기 어려운 것으로 판단된다.

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Fig. 10 Supply ratio compared to planned environmental flow amount by operational scenarios

Table 6은 연구 기간의 실제 무효방류량과 시나리오 모의시 홍수기 예비방류 기준 (78%)을 초과하는 경우 발생한 무효 방류량을 제시하였다. 시나리오Ⅰ과 시나리오Ⅱ는 실제보다 적은 양이 무효방류되었다. 실제 저수지 운영은 관리자에 의해 방류되므로 홍수기 관리규정인 78%를 지키며 정확하게 방류할 수가 없다. 따라서 실제 방류량과 비교했을 때 시나리오상에서 방류량이 적게 나타나는 것으로 해석된다. 하한 저수율이 높을수록 방류량이 많아짐에 따라 시나리오Ⅲ는 가장 많은 무효방류량 (111,850천 m3)이 발생하였고, 실제 무효방류량 (97,495천 m3)보다 더 많은 양이 모의 되었다.

Table 6 Observed and simulated non-effective discharge amount by scenarios from Naju reservoir

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시나리오별 저수율 변화를 살펴본 결과, 제한 저수율을 설정하고 용수 공급을 모의함에 따라 2009년 이후부터 전반적으로 저수율이 상승하였다. 저수율의 상승과 하강은 비슷한 패턴을 보였으며, 시나리오Ⅰ,Ⅱ의 저수율은 비슷한 추세를 보였다 (Fig. 11). 시나리오별 저수율은 매해 초기 저수율이 59.6%를 초과하는 여부에 따라 변화하는 결과를 보였다. 실제로, 하한 저수율 30%(Ⅰ)와 35%(Ⅱ)는 용수 공급량 차이가 거의 나타나지 않아 매해 초기 저수율이 비슷한 값을 보였다. 이와 반대로, 시나리오Ⅲ은 2016년 하반기 이후부터 독립적인 변화를 보였으며, 이는 제한 저수율 40% 설정에 따라 2017년 영농기 초기 저수율이 59.6% 이상으로 시나리오Ⅰ,Ⅱ와 다르게 하한 저수율 시나리오가 적용되었기 때문으로 판단된다. 나주호의 실제 저수율은 20.9∼83.2%, 시나리오Ⅰ 23.6∼94.3%, 시나리오Ⅱ 23.7∼94.5%, 시나리오Ⅲ 26.6%∼94.6%의 범위를 보였으며 시나리오Ⅰ,Ⅱ는 매우 유사한 저수율 범위로 나타나 추후 추가적인 하한 저수율 설정 연구에서는 30%와 35%를 동일한 저수율 조건으로 설정하여 분석하여도 무방할 것으로 판단된다. 시나리오별 저수율이 가뭄 ‘심각 단계’(40% 이하)로 하강한 연도는 시나리오Ⅰ 4회 (2008년, 2009년, 2017년, 2018년), 시나리오Ⅱ 4회 (2008년, 2009년, 2017년, 2018년), 시나리오Ⅲ 2회 (2008년, 2009년) 발생하였다. 홍수기가 아닌 시기에 저수율이 80% 이상을 보이는 것은 실제 저수율보다 높아진 시나리오의 영농기 종기 저수율이 다음 해 저수량 확보를 가능하게 하는 것으로 해석된다. 이와 함께 가뭄에 의해 유입량이 적었던 2017년의 저수율이 회복되는 모습도 제한 저수율 설정에 따라 감소된 저수율이 회복된 결과라고 판단된다. Kim et al. (2019)은 감소된 저수율이 회복되지 않은 상태로 이월되면 미래 저수율 또한 계속 낮아지는 현상을 보이므로 여름철에서 가을철로 넘어가는 시기의 저수지 운영이 중요하다고 하였다.

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Fig. 11 Observed and simulated storage rate of Naju reservoir by scenarios

따라서 나주호의 운영관리 시나리오 모의 결과, 하한 관리 저수율을 30%로 설정하는 것 (시나리오Ⅰ)이 가장 적절한 것으로 분석되었다. 시나리오Ⅱ와 비교했을 때 실제 필요수량 충족이 어려웠던 2016년부터 2018년까지 필요수량 공급이 가능한 결과는 같지만, 실제 필요수량 충족이 어려웠던 기간 동안 농업용수 공급량이 3개의 시나리오 중 가장 많았다. 또한, 무효방류량은 실제보다 더 적은 양이 모의되어 30%의 제한 저수율로 저수지 운영 시 수자원을 효율적으로 이용할 수 있을 것으로 판단된다. 시나리오Ⅲ은 저수율을 40% 이상으로 유지하여 저수율 유지에 유리하지만, 홍수기에 40∼78% 사이에서 운영되어 가용 공급량이 줄어드는 문제가 발생하였다.

Ⅳ. 결론

본 연구에서는 농업용 저수지의 농업용수와 환경용수 공급 능력을 별도로 평가하였던 기존 연구들에서 확장하여, 국내 최대 농업용 저수지 중 하나인 나주호를 대상으로 하한 저수율 설정을 통해 운영기준에 따른 농업용수와 환경용수의 안정적인 공급 가능성을 평가하고 고찰하였다. 연구를 위해 4단 TANK 모형을 이용하여 유입량 분석을 수행하였으며, 나주호의 농업용수와 환경용수의 공급현황을 살펴보았다. 농업용수는 계획 기준 필요수량으로, 환경용수는 나주호의 환경용수연 공급 계획량을 기준으로 2008년∼2020년의 용수공급 능력을 평가하였다. 나주호는 유입량 모의를 통해 평균 40% 대의 유출율을 보이지만 강수량이 적었던 2017년에는 24%의 낮은 유출율을 보이는 것을 알 수 있었다.

또한, 운영기준에 따른 시나리오 모의를 위해 나주호 영농기 초기의 예년 평균 저수율 (2008년∼2020년)을 기준으로 3가지의 하한 저수율 (30%, 35%, 40%)을 설정하였다. 초기 저수율이 예년 평균의 100% 이상일 때 하한 저수율을 고려하였으며, 이하일 때는 하한 저수율의 고려 없이 용수공급을 모의하였다. 다만, 나주호의 기존 운영기준에 따라 저수율 20% 이상과 홍수기 예비 방류기준인 78% 미만을 유지하는 것을 고려하고 필요수량보다 적게 공급했던 해는 이를 보충하면서 모의하고 분석하였다. 그 결과 초기 저수율이 예년 평균의 100% 이상 시 하한 저수율을 30%로 관리할 때 부족하게 공급되었던 2016년∼2018년동안 가장 많은 필요수량 충족과 환경 용수 공급이 가능했다. 환경용수는 예년 평균 저수율의 60% 미만일 때 공급을 제한하며 시나리오를 모의하였다. 모든 시나리오에서 환경용수 공급 계획량 충족은 어려웠으며 시나리오별 공급 모의량은 차이가 없었다. 이를 통해 하한 저수율의 설정만으로 가뭄 시 환경용수 공급 개선은 어려운 것으로 나타났다.

한편, 이 연구결과는 대상 저수지 설계 당시 고려된 송수손실 15%에 대해서만 고려되었으므로 실제 수혜구역 말단의 현실적인 물 부족을 반영하기 위해서는 송수손실과 함께 추가적으로 배분관리손실, 농업인의 물이용 양상에 의해 야기되는 손실까지 모두 고려한 필요수량 산정이 이루어져야 한다. 또한, 농업용 저수지에서 여수로를 통해 방류되는 무효 방류량을 저감시킬 수 있는 기간별 설정 관리 시나리오 구성 방안을 검토하며 저수지별 최적의 하한 저수율 분석이 필요하다. 본 연구 결과는 농업용 저수지의 다목적 활용화 요구 증가에 따른 효율적인 용수 공급관리 및 가뭄에 대비한 농업용 저수지 운영 연구의 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 한국농어촌공사 농어촌연구원의 지원을 받아 수행된 “광역관개지구 용수공급 실태분석 및 개선방안”의 일환으로 수행되었음.

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