Development of a Numerical Model AIRISS for Simulation of the Agriculture Irrigation Process

평야부 관개시스템 수리해석모형 AIRISS 개발

Abstract

As abnormal weather conditions escalate, water disasters such as droughts and floods occur more frequently. These natural disasters are fatal to agricultural reservoirs, where the operation techniques vary greatly depending on the season and weather conditions, and response through intake works is limited. In response, governments like the Korea Rural Community Corporation have researched efficient water supply methods through irrigation channels. Therefore, previous studies analyzed the irrigation process using numerical models to determine an efficient irrigation system. However, SWMM and EPANET used in previous studies are limited in quantitative agricultural irrigation process analysis. Therefore, this study developed AIRISS to simulate and analyze agricultural irrigation. Specifically, we simulated the irrigation process in the Ssangbong area of South Korea and simulated the irrigation process to verify the performance of the numerical model. AIRISS, developed in this study, is specialized in simulating the agricultural irrigation process. It can check the supply to each paddy and the condition of each paddy.

Ⅰ. 서론

산업화, 공업화로 인해 탄소배출이 가속화됨에 때라 지구 온난화로 인한 이상기후 현상이 심화되고 있다 (Parry et al., 2007). 이에 국내⋅외적으로 탄소배출 저감을 위한 탄소중립 정책이 시행되고 있으며, 대한민국의 여러 분야에서 탄소배출 저감을 위한 다양한 연구가 수행되어지고 있다 (Lee et al., 2021; Park et al., 2023). 일반적으로 탄소배출이 저감되기 위해선 연료 등의 에너지 사용의 효율화가 이루어져야 하며, 특히 농업 분야에서 탄소중립은 주로 효율적인 용수 공급 및 사용을 기반으로 다양한 정책과 연구들이 진행되고 있다 (Zou et al., 2015; Tang et al., 2021). 하지만 이러한 이상기후가 매해 발생하는 상황에서 효율적인 용수 공급 체계를 마련하는 것은 매우 어려운 과제이다. 특히, 2020년엔 49일 동안 장마기간이 지속되어 다수의 댐과 저수지에선 많은 양의 용수를 방류하여 하류지역의 농작물에 큰 피해를 야기한 바 있으며, 2022년의 경우 초여름엔 가뭄이 발생하고 늦여름에 홍수가 발생하여 양극화된 기상 현상에서 댐과 저수지의 효율적인 운영은 제한적이었다. 또한 2023년 역시 극심한 가뭄을 겪고 있는 실정이다. 이러한 극단적인 기상 현상은 농업에 이례적인 피해를 야기하고 있으며, 이를 극복하고자 저수지와 하천 등의 집수 구역에서 대안 방안을 수립하고 대응하는 것은 불가능에 가깝다. 따라서 용수확보 시설이 아닌 용수 공급 과정에서 효율화가 이루어지고 효율적인 용수 사용 방안이 필수적으로 제시되어야 한다. 특히, 논으로 공급되는 용수는 밭작물과 달리 관개 기간이라는 일정 시기동안 많은 양의 용수를 요구하기 때문에 저장 용량이 한정적인 집수구역에서의 대안책은 제한적이다. 따라서 논에서의 용수 공급 효율화 방향성 제시는 더욱 필요한 시점이다 (Park et al., 2010).

이를 위해 한국농어촌공사에서는 기존의 노후화된 개수로를 정비하거나 정비되지 않은 수로를 새롭게 설계하고 기존의 개수로를 관수로로 변경하여 효율적이고 안정적인 용수공급 체계 구축을 위한 사업들을 수행하고 있으며, 농업인 시점에서 효율적인 용수사용과 편의성을 위해 자동물꼬와 같은 IoT (Internet of Things)와 ICT (Information and Communications Technologies) 기술 도입을 제안하고 있다 (Korea Rural Community Corporation, 2022). 하지만 IoT와 ICT 기술의 경우 구조상 개수로 혹은 정비되지 않은 수로에서는 원활하게 설치되어 운영하기 어려우며, 이를 극복하기 위해 최근 개수로를 관수로로 변경하여 IoT와 ICT 기술을 도입하는 방안이 한국농어촌공사 (2022)에서 검토 및 추진되고 있다. 하지만 대부분의 국내 용수로는 개수로로 이루어져 있으며, 기존에 설계된 관수로의 경우 설계 당시 미흡한 설계기준을 기반으로 설치된 지역이 많아 압력으로 인한 관파손, 누수 등의 문제가 지속적으로 발생하고 있는 실정이다 (Korea Rural Community Corporation, 2021).

이러한 문제점을 보완하고 관수로 설치 체계를 효과적으로 구축하기 위해 계측 또는 수치모형을 통한 분석이 활용될 수 있다. 국내외에서 관개수로에 대하여 용수 공급 과정을 모의하고 해석하기 위해 다양한 연구가 수행되었다 (Meselhe et al., 1997; Abbasi et al., 2003; Zhang et al., 2012; Lee et al., 2022; Mavkov et al., 2022). Kang (2015), Kim et al. (2016), Shin et al. (2020) 그리고 Kim et al. (2022)의 연구에서는 SWMM과 EPANET 등의 프로그램을 통하여 용수 공급 과정을 모의하였으며, Ahn (1995), Ahn and Park (1995), Kim et al. (1996), Chung et al. (2012) 그리고 Kim et al. (2017)에서는 이와 같은 수치모형을 활용하여 안정적이고 효율적인 용수로 설계 방법을 분석하고 제안한 바 있다. Nédéled and Gay(2008)에서는 개수로와 관수로에서의 용수 공급 과정을 분석하기 위하여 실험을 수행하였다.

앞선 선행연구들에서 농업용수 공급 과정을 모의하기 위하여 EPANET 또는 SWMM 모형이 활용되었다. EPANET의 경우 상수도를 설계하기 위해 개발된 모형으로 관수로를 설계할 시 물을 공급하는 과정에서 발생하는 수압과 수격압을 계산한다. 해당 모형은 100% 관수로로 이루어진 관망을 해석하기 위해 개발된 프로그램이기에 농업 용수로와 같이 개수로와 관수로가 혼용되고 있는 농업용수 관개 시스템에 대해선 해석이 제한적이다. 또한 정상류에 대해서만 해석이 가능하기 때문에, 설계 이외에 운영 또는 관개법 효과분석 등에는 활용할 수 없다. SWMM은 도시홍수의 배수시스템을 계산하기 위해 개발된 프로그램으로 도시유역에서의 유출과정을 모의하는 용도에는 적합하다. 하지만 관개수로 해석에 적용하기 위해서는 제어, 유출, 담수심 모의 등에서 변칙적인 활용법이 필요하며, 이러한 다양한 요인을 SWMM에서 고려하고 적용하는 것은 기술적으로 제한적이기에 SWMM을 활용한 관개수로 해석은 많은 한계점이 지적되고 있다. 특히 논에서의 복잡한 물수지 기작 및 필지 담수심에 따른 수문개도 조정을 표현하기 위해서 컨트롤 기능을 과도하게 사용하게 되며 그로 인하여 물수지 오차 또는 과다한 계산시간이 필요하게 된다.

따라서 본 연구에서는 개수로와 관수로가 혼합된 용수로 체계를 분석할 수 있고, 용수 공급과 기상현상으로 인해 변화하는 필지의 담수심을 해석할 수 있는 농업용수 관개 시스템 수리해석 프로그램 AIRISS (Agriculture Irrigation Simulation Software)를 개발하였다. 개발한 프로그램의 성능을 평가하고자 실제 용수계통을 입력자료로 구축하여 용수 공급 과정을 모의하였다. 이러한 분석을 위해 본 연구에선 군산시에 위치하고 한국농어촌공사를 통해 운영되고 있는 쌍봉지구를 대상으로 모의분석 하였으며, 용수 공급 과정을 모의하고 한국농어촌공사의 자료를 기반으로 모의결과의 정확성을 정량적으로 평가하고자 하였다.

Ⅱ. 재료 및 방법

1. AIRISS의 기본 개념

본 연구에서 개발한 AIRISS는 농업용수 공급 과정을 모의하기 위해 관개수로의 요소들을 Fig. 1과 같이 점 (Node)요소과 선(Link)요소로 구분하여 모델링 하였다. 여기서 점요소는 저수지, 양수장, 관망의 합류부 혹은 분기점, 필지, 유말 요소가 있으며, 선요소는 관망, 부스터 펌프, 분수문, 제수문 요소가 있다. 기본적으로 점요소에서는 물을 저류하게 되며, 선요소는 두 점요소들간에 정의되어 점요소 사이에서 유량을 계산하는 역할을 수행하여 물의 공급 및 이동과정을 계산한다. 이러한 개념을 바탕으로 수원공에서 필지까지 용수가 공급되는 전체적인 과정을 모의하고 분석하고자 하였다. 본 연구에서 개발한 모형은 용수 공급 과정에 집중하여 모의할 수 있도록 개발되어 필지에서 배수로를 통해 배수되는 과정은 모의하지 않았으며, 필지에서 최대담수심을 넘어가는 용수는 가상의 배수로를 통하여 배출되게 모델링 된다. 본 연구에서 개발한 AIRISS와 상용모형 EPANET, SWMM 특징 및 한계점은 Table 1과 같이 정리 된다.

Fig. 1 Composition of irrigation channel network

Table 1 Comparison of EPANET, SWMM, and AIRISS model

2. 용수로 지배방정식

전문의 체계를 바탕으로 농업용수가 이동하고 공급하는 과정을 모의하기 위해선 Fig. 1에 나타나있는 수로 내 물의 이동과 유량을 계산하는 것이 매우 중요하다. 농업용수 공급에 활용되는 수로는 크게 개수로와 관수로로 구분되며, AIRISS에선 두 형상의 수로를 모두 고려할 수 있도록 구축하였다. 일반적으로 관수로 내의 용수 이동을 모의하는 것이 개수로의 체계보다 복잡한 것으로 알려져 있다. 왜냐하면 관수로 내부의 물은 유동 과정에서 자유 수면을 가질 수도 있으며, 부분적으로 가압되어 유동할 수도 있고, 전체적으로 가압되어 유동할 수도 있기 때문에 다양한 환경에 대한 고려가 필요하다. AIRISS에선 이러한 복잡한 체계를 해석하고자 1차원 Saint-Venant 방정식 기반의 Preissmann Slot 모형을 활용하였다. 여기서 Preissmann Slot 모형은 복잡한 상태에서 유체의 흐름을 성공적으로 모의하고 분석한 바 있으며 (An et al., 2018; Wang et al., 2019; Hodges, 2020; Luo et al., 2022), 해당 방정식의 연속방정식과 운동량 방정식은 다음과 같다:

\(\begin{aligned}\frac{\partial A}{\partial t}+\frac{\partial Q}{\partial x}=S\end{aligned}\)       (1)

\(\begin{aligned}\frac{\partial Q}{\partial t}+\frac{\partial\left(Q^{2} / A\right)}{\partial x}+g A \frac{\partial(h+z)}{\partial x}+\frac{g n^{2} Q^{2}}{R^{4 / 3} A}=0\end{aligned}\)       (2)

여기서 t는 시간, x는 Cartesian 좌표계 (m), Q는 x방향으로의 유량 (m³/s), A는 x방향으로의 유동 수위에 따라 변동되는 유동 단면 (m²), g는 중력 가속도 (m/s²), h는 유동 수위, z는 수로의 고도 (m), n은 Manning 계수(-), R은 경심(Hydraulic radius) (m), S는 분석하고자 하는 시스템에서 물이 공급되거나 소멸되는 상황을 고려하기 위한 항이다.

식 (1), (2)는 종래에 널리 사용되는 1차원 Saint-Venant 방정식으로 AIRISS에서는 계산의 효율성과 안정성을 위해 Bates et al. (2010)가 제안한 Inertial formulation을 활용하였다. Hunter et al. (2007)과 Bates et al. (2010)에 따르면 식 (2) 좌측의 두 번째 항은 관성력을 표현하는 항으로 흐름에 미치는 영향력에 제한적이며, 따라서 이를 무시한 다음과 같은 Inertial formulation을 제안하였다.

\(\begin{aligned}\frac{\partial Q}{\partial t}+g A \frac{\partial(h+z)}{\partial x}+\frac{g n^{2} Q^{2}}{R^{4 / 3} A}=0\end{aligned}\)       (3)

식 (3)과 식 (2)를 비교해 보면 관성력 항을 제외한 항은 동일한 것을 알 수 있다. 위의 식을 기반으로 시간의 흐름에 따른 유량은 다음과 같이 계산된다 (Bates et al., 2010).

\(\begin{aligned}Q^{t+\Delta t}=Q^{t}-g A \Delta t\left(\frac{h+z}{\Delta x}+\frac{n^{2} u|u|}{R^{4 / 3}}\right)\end{aligned}\)       (4)

여기서 Q^t는 특정 x 좌표 위의 지점에서 t 시간에 관측된 유량, ∆x는 물리적 계산 범위, u는 평균 유동 속도 (= Q/A)(m/s), ∆t는 수치모형에서 설정한 계산시간 단위이다. 식 (4)의 계산에서 적용하고 있는 계산법은 양해법으로, 안정적인 수치계산을 위해서 계산시간간격 ∆t는 다음과 같은 CFL(Courant-Friedrichs-Lewy) 조건을 만족하여야 한다 (Courant et al., 1928).

∆t = C∆x/u       (5)

여기서, C는 0과 1사이의 값을 가져야 하며, 계산의 비선형성 및 안정성을 고려하여 경험적으로 결정하게 되며, 본 연구에서는 C를 0.5로 결정하였다.

3. 필지 지배방정식

본 연구에서 개발한 AIRISS는 필지에서 발생하는 기후현상 중 강우, 침투, 증발산을 고려하였으며, 해당 현상에 대한 자료는 기상청 자료를 활용하여 구축하였다. 따라서 기상현상을 고려한 필지에서의 담수심 변화량은 다음의 알고리즘을 바탕으로 계산된다:

Δh_paddy = Rain(mm/day) - ET(mm/day)- I(mm/day) + ∫_dayQ^t/A - RPW       (6)

여기서 ET는 Allen et al. (1998)에서 제안된 Penman-Monteith 방정식을 통해 산정되는 증발산량, I는 침투량, A는 각 필지의 면적, RPW는 현장에서 작물 생육 과정에 수행되는 경작 방법인 이앙용수를 모의하기 위한 항이다. 이앙용수는 모내기 전의 논갈이에 필요한 용수와 경기한 논에 물을 대어서 써래질 작업을 용이하게 하는 용수량을 말한다. 그리고 ET는 다음 식을 통해 계산하였다:

ET = ET₀ × K       (7)

여기서 ET₀는 Penman-Monteith 잠재증발산량 (mm/day), K는 작물계수이다. ET₀는 다음의 식을 통해 계산되며, 작물계수는 국내 논 지역을 대상으로 산정된 Yoo et al. (2006)에서 제안하는 값을 활용하였다 (Table 2).

\(\begin{aligned}E T_{0}=\frac{0.408 \lambda\left(R_{n}-G\right)+\frac{900}{T+273} \gamma u_{2} \delta_{e}}{\lambda+\gamma\left(1+0.34 u_{2}\right)}\end{aligned}\)       (8)

Table 2 Estimated crop coefficients of flood-direct seeded paddy (Yoo et al. 2006)

여기서 λ는 중기압 곡선 경사 (kPa/℃), u₂는 2 m 높이에서의 풍속 (m/s), R_n은 순 조도 (MJ/m²/day), G는 토양 열 유속밀도 (MJ/m²/day), T는 섭씨온도 (℃), γ는 건습계 상수(≈kPa/℃), δ_e는 증기압 부족량 (kPa)을 의미한다.

식 (5)에서 침투량은 지역특성에 따라 값이 달라지며, 이 값을 계측하고 반영하는 것은 매우 지역적이고 제한적이다. 이에 본 연구에선 침투량을 산정하고자 대한민국을 대상으로 이루어진 선행연구들을 참고하였으며, 이를 정리한 자료는 Table 3과 같다 (Kang, 2019). Table 3에서 정리된 연중 침투량의 평균값은 220 mm로 나타났으며, 본 연구에선 평균 연중 침투량 220 mm를 관개기간으로 나누어 일정한 양이 관개기간동안 침투하는 것으로 가정하고 모의하였다.

Table 3 Amount of infiltration for irrigation period in South Korea (Kang, 2019)

* a and b are the measured values in different regions in the same year

* c and d are the measured values in different regions in the same year

본 연구에서 개발한 AIRISS는 침투와 증발산으로 인해 필지에서 담수심이 0 mm 이하로 떨어지는 비 물리적인 현상을 제한하였으며, 각 필지에서 담수심에 따른 상태량은 Table 4와 같이 정리된다. Table 4는 최소 담수심과 최대 담수심을 각각 30 mm와 80 mm로 설정하고 목표 담수심은 60 mm로 설정했을 때의 담수심에 따른 상태량을 의미한다. 그리고 AIRISS에선 Table 4를 기준으로 특정 필지의 담수심이 “sufficient” 상태를 만족할 경우 해당 필지로의 용수 공급을 중단하는 것으로 설정하였으나, 일반적으로 IoT 혹은 ICT 기술이 접목되어 원격으로 분수문을 제어하지 않는 이상 담수심이 “sufficient” 상태에 이르렀을 때 즉시 분수문을 조작하는 것은 제한적이다. 따라서 AIRISS에선 이러한 상황을 고려하고 모의하고자 분수문 조작 시간을 설정하여 담수심이 “sufficient”를 만족하고 특정 시간이 지났을 때 분수문을 조작하는 것으로 모형의 알고리즘을 구축하였다. 따라서 분수문 조작 시간을 길게 설정할 경우 담수심이 80 mm가 넘어 필지에서 물이 넘치는 상황이 발생할 수 있다. 하지만 분수문 조작시간의 경우 불확실성이 매우 강한 인자이기 때문에 일반화할 수 없으며, 이에 대한 연구사례는 미흡한 실정이다. 이에 본 연구에선 담수심이 목표 담수심에 도달하고 3시간이 지났을 때 분수문을 조작하는 것으로 가정하였다.

Table 4 Conditions of the paddy according to a submerged depth

4. 분수문 및 가압시설 지배방정식

AIRISS에서의 관개 과정은 위에서의 방법론을 통해 충분히 모의될 수 있다. 하지만 농업용수의 공급과정을 정밀하게 파악하고 분석하기 위해선 용수로에서 필지로 공급되는 상황을 모의하고 가압시설 등의 부가적인 시설물의 역할을 모의해야 한다. 이에 본 연구에서 구축한 AIRISS에선 분수문의 알고리즘을 구현하기 위해 HEC-RAS에서 제안하고 있는 Orifice 방정식을 활용하였으며, 이는 다음과 같다 (Bradley, 1978):

\(\begin{aligned}Q=\left\{\begin{array}{ll}C_{d} W H O \sqrt{2 g h} & \text { if }) 0<r<0.67 \\ (0.8-r) C_{d} W H O \sqrt{2 g h}+(r-0.67) C_{o} W H O \sqrt{2 g h} & \text { if }) 0.67<r<0.8 \\ C_{o} W H O \sqrt{2 g h} & \text { if }) r>0.8\end{array}\right.\end{aligned}\)       (9)

여기서 W는 분수문의 너비, H는 분수문의 높이, O는 분수문의 개도율 (0 – 1.0), C_d는 분수문의 유출 계수 (0.5 – 0.7), C_o는 Orifice 계수, r은 h_up/h_down으로 계산되며, 여기서 h_up은 분수문 상류에 위치한 지점에서의 유동 높이, h_down은 분수문 하류에 위치한 지점에서의 유동 높이를 의미한다. 그리고 가압시설에서의 알고리즘은 다음과 같다:

Q = max(0, min(Q_pump, Q_max))       (10)

여기서 Q_pump는 가압시설의 설계 용량, Q_max는 가압시설로 유입되는 최대 유량을 의미한다. 따라서 식 (9)에 따르면 가압시설은 시설의 설계 용량보다 더 많은 양의 물을 공급하지 못하며, 기존에 설계된 방향의 반대로도 공급하지 못하도록 체계를 구축하여 현실과 유사한 기능을 발휘하도록 설정하였다.

이러한 지배방정식을 기반으로 농업용수의 관개과정을 모의할 수 있는 수치해석 모형 AIRISS를 개발하였으며, 개발된 모형의 성능을 검증하고자 대한민국에 위치한 논 지구를 대상으로 용수계통도를 구축하고 이에 따른 용수 공급 과정을 모의하였다.

5. 대상지구

본 연구에선 AIRISS의 성능을 검증하고자 전라북도 군산시 옥산면 쌍봉리, 개정면, 나포리에 위치한 쌍봉지구를 대상으로 모의분석을 수행하고자 하였다. 쌍봉지구는 2006.12.∼ 2010.12.의 기간 동안 수리시설 개보수사업으로 관수로가 설치된 지구로 용수계통도는 Fig. 2와 같다. 관수로의 관종은 강관으로 설계되어져 있으며, 관경은 양수장에서부터 말단부로 갈수록 작아지는 형상을 띄고 있다 (D800-150 mm). Fig. 2에서 나타난 것과 같이 해당 지구는 남개정 양수장을 수원공으로 하는 지구이며, 관수로를 통해 필지까지 직접적으로 용수 공급이 이루어지는 특징이 있다. 각 수로의 말단부에 유말이 존재하여 이물질을 제거할 수 있도록 설계되어져 있으나, 현장조사에 따르면 유말을 운영하지 않고 항시 폐쇄하고 있는 것으로 조사되었다. 따라서 관개기간 동안 유말이 폐쇄되어져 있는 상황에 대해 모의하였다. 해당 지구의 수혜면적은 129 ha로 전부 논 작물로 구성되어져 있다. 해당 지구 일대는 평탄한 지역이기 때문에 공기밸브나 관수로 이음부에서의 문제는 발생한 바 없으며, 지난 10년의 운영 및 공급 기간 동안 특별한 개보수 이력은 없었다.

Fig. 2 Study area: the Ssangbong area at Gunsan in South Korea

한국농어촌공사에서 운영하는 남개정 양수장에 대한 2016년부터 2021년까지의 용수 공급 자료를 바탕으로 분석한 자료는 Fig. 3과 같다. 여기서 그래프 상단에 위치한 검정색 실선은 일별 강우량 (mm)을 나타내며, 파란색 실선은 쌍봉지구 지구로 공급된 용수 공급량 (mm)을 의미한다. 그래프 분석은 강우량 및 공급량 확인에 용이하도록 4월부터 9월까지의 자료만 나타냈으며, 일반적으로 5월부터 8월까지 필지에 용수를 공급하고 있었다. 그리고 연간 강우량과 공급량을 정리한 자료는 Fig. 4와 같다. 2016년부터 2021년까지 쌍봉지구의 남개정 양수장에선 평균 866 mm 용수를 필지로 공급한 것으로 분석되었으며, 2019년의 쌍봉지구가 가장 평균적인 용수 공급임이 나타났다. 이를 기반으로 쌍봉지구의 용수 공급을 모의하되 가장 평균에 근사한 2019년도를 대상으로 모의분석을 수행하였다.

Fig. 3 Daily rainfall and water supply in the Ssangbong area from 2016 to 2021

Fig. 4 Annual rainfall and water supply in the Ssangbong area from 2016 to 2021

용수 공급 모의과정을 실제 현장과 유사하게 분석하고자 하였으며, 일반적으로 강우가 많이 발생한 날엔 용수 공급이 이루어지지 않기 때문에 이에 대한 상관관계를 추가적으로 분석하였다. Fig. 3에 따르면 쌍봉지구 또한 일정 이상 강우가 발생 할 경우 용수 공급이 이루어지지 않는 것으로 나타났다. 이에 5 mm/10 mm를 특정 강우로 가정 강우로 가정하여 해당 강우강도 이상의 강우 사상이 발생할 경우 용수 공급을 진행하지 않는 것으로 가정하였으며, 이러한 가정을 검증하고자 Pearson 카이제곱 검증을 수행하였다. Pearson 카이제곱 분석결과는 Tables 4, 5와 같다.

Table 5 Result of chi-square test with water supply according to rainfall of 5 mm or more

a. 0 cells (0.0%) have expected count less than 5. The minimum expected count is 9.21

b. Computed only for a 2 by 2 table

Table 5와 같이 5 mm 강우와 용수 공급간의 Pearson 카이제곱 값은 11.491로 산출되었으며, 최소 기대빈도는 9.21로 나타나 5보다 높아 5 mm 이상의 강우가 내렸을 때 용수 공급을 수행하지 않는다는 가정은 타당한 것으로 나타났다. 10 mm 강우에 대한 Pearson 카이제곱 값은 Table 6의 분석결과에 나타난 것과 같이 12.078로 산출되었으며, 최소 기대빈도는 6.28로 나타나 5보다 높아 10 mm 이상의 강우가 내렸을 때 용수 공급을 수행하지 않는다는 가정 역시 앞선 가정과 동일하게 타당한 것으로 나타났다. 하지만 10 mm 이상의 강우와 용수 공급간의 최소 기대빈도는 6.28로 5 mm 이상의 강우와 용수 공급간의 분석에서 나타난 9.21에 비해 낮기 때문에 본 연구에선 Pearson 카이제곱 검증에서 보다 우수한 지표로 나타난 5 mm 이상의 강우에 따른 용수 공급 관계를 바탕으로 용수 공급 과정을 가정하고 모의분석을 수행하였다. 그리고 해당 지역에서 발생하는 침투와 증발산 현상을 모의하기 위해 기상청(군산)에서 관측한 2019년도 자료를 활용하였다.

Table 6 Result of chi-square test with water supply according to rainfall of 10 mm or more​​​​​​​

a. 0 cells (0.0%) have expected count less than 5. The minimum expected count is 6.28

b. Computed only for a 2 by 2 table

Ⅲ. 모의결과 및 고찰

본 연구에선 AIRISS의 성능을 검증하기 위해 양수장에서 용수로로 일정한 양의 물이 공급된다고 가정하고 앞선 분석들을 통해 도출된 용수 공급 체계를 반영하여 실제 쌍봉지구의 용수계통도에 적용했을 때, 수치모형이 실제 현상을 잘 모의되는지 평가하고자 하였다. 모의결과의 정확도는 한국농어촌공사에서 기록하고 있는 양수장 가동일지를 기반으로 평가하였다.

월별 용수 공급량은 Fig. 5와 같이 모의되었으며, 용수 공급 모의분석은 대부분의 용수가 공급된 것으로 나타난 5월부터 8월까지를 관개기로 설정하였다. 이 기간에 관측된 용수 공급량은 연간 공급량 864 mm 중 855 mm인 것으로 나타났으며, 모의분석에선 이를 0.94%의 오차인 863 mm으로 모의하였다. 그리고 863 mm의 용수 공급을 위해 남개정 양수장에선 0.19 m³/s의 용수 공급이 이루어져야 하는 것으로 추정되었으며, 이는 한국농어촌공사의 양수장 설계 기준(최대 공급량)인 K-HAS에서 분석된 양수장 설계 공급량(0.313 m³/s) 보다 낮기에 타당한 것으로 나타났다. Fig. 5에 나타난 것과 같이 5월엔 가장 많은 349 mm가 공급된 것으로 관측되었으며, 모의분석 또한 이와 유사한 340 mm의 용수가 공급된 것으로 모의하였다. 6월의 경우 308 mm의 용수가 공급된 것으로 관측되었으며, 모의결과 역시 이와 유사한 283 mm가 공급된 것으로 분석하였다. 그리고 7월 중순부터 말까지 지속적인 강우가 발생하여 연중 가장 적은 55 mm의 용수가 공급된 것으로 관측되었으며, 수치분석에선 이를 84 mm로 모의하였다. 마지막으로 8월엔 143 mm를 공급한 것으로 관측되었으며, 모의분석의 경우 관측값과 유사한 156 mm가 공급된 것으로 모의되었다. AIRISS에선 이러한 월별 용수 공급량을 평균 7.84%의 오차로 모의하였다.

Fig. 5 Monthly water supply in the southern Ssangbong area in 2019​​​​​​​

Fig. 5의 모의결과를 관개 과정으로 도식화한 자료는 Fig. 6과 같다. Fig. 6에서처럼 남개정 양수장에서 관수로로 863 mm의 용수를 관개기간동안 공급하였으며, 이중 10%는 공급과정에서 손실되고 (수로손실) 나머지 774 mm는 필지로 공급되는 것으로 분석되었다. 그리고 강우를 통해 422 mm의 용수가 필지로 공급되며, 침투와 증발산으로 인해 각각 492 mm와 223 mm의 용수가 손실되는 것으로 분석되었다. 하지만 담수심이 0 mm이 상태에선 침투와 증발산이 발생하지 않는다고 가정하였기 때문에 실질적으로 침투와 증발산을 통해 손실된 담수는 총 667 mm으로 나타났다. 그리고 필지에서 배수되는 용수는 연간 404 mm인 것으로 나타났다. 그리고 Table 4를 기반으로 평가한 쌍봉지구의 연간 평균 필지별 용수 공급 상태는 Fig. 7과 같이 분석되었다.

Fig. 6 Diagram of the irrigation process in the Ssangbong area

Fig. 7 Average condition of paddy in the southern Ssangbong area in 2019

Fig. 7과 같이 쌍봉지구의 모든 필지(129 ha)에 충분한 용수가 공급된 것으로 분석되었으며, 이는 현장조사를 통해 수집된 정보와 유사했다. 이와 같이 AIRISS는 Figs. 5∼7의 모의결과와 같이 평야부에서 관수로를 통해 용수 공급이 이루어지는 쌍봉지구의 용수 공급 과정을 성공적으로 모의하였다.

쌍봉지구는 국내에 보기 드믄 관수로를 통해 논으로 용수공급이 이루어지는 지구이며, 유말을 통해 손실되는 용수가 없다는 특징은 관수로의 가장 큰 장점 중 하나이다. 일반적으로 개수로의 경우 용수로를 통해 필지로 용수가 공급되고 유말을 통해 하천으로 토출되게 설계되며, 이러한 설계는 강우나 이물질 유입에 취약한 개수로의 특징으로 인해 용수로의 물이 범람하는 것을 막기 위함이다. 이 때문에 유말의 존재는 침수와 같은 피해는 저감할 수 있으나, 효과적인 용수 공급은 제한적인 것으로 분석되어지고 있다. 하지만 관수로의 경우 구조적인 특성상 외부의 영향을 거의 받지 않기 때문에 유말이 존재하지 않고 관 내 항시 물이 채워져 있는 구조이다. 이러한 특징으로 인해 효율적이고 안정적, 안전한 용수 공급이 가능한 것으로 알려져 있다. 하지만 개수로와 관수로에 대한 고찰은 추가적인 분석이 필요한 실정이다.

Ⅳ. 결론

본 연구에선 관개기간 동안 농업용수의 공급 과정을 모의하고 분석하기 위한 1차원 Saint-Venant 방정식 기반의 수치모형 AIRISS를 개발하였으며, 해당 모형은 기존 국내에서 농업용수 공급 과정을 분석하기 위해 사용되는 SWMM과 EPANET의 단점을 극복하고 농업용수 분석에 최적화된 알고리즘을 구축하고자 하였다. AIRISS는 유체역학 기반으로 용수로 내 물의 이동과정을 물리적으로 분석하며, 분수문과 가압시설을 고려할 수 있는 알고리즘을 탑재하였다. 필지에선 관개기간 동안 발생하는 침투와 증발산을 고려하여 담수심을 계산하고 있으며, 최소 담수심, 최대 담수심 그리고 목표 담수심을 설정하고 분수분 조작 시간과 같은 현장 여건을 반영할 수 있는 여러 변수를 고려하여 농업용수 분석에 적합하다는 특징이 있다. 이러한 수치모형의 성능을 검토하고 평가하고자 전라북도 군산시 평야부에 위치한 쌍봉지구를 대상으로 용수계통도를 구축하고 용수 공급 과정을 모의하였다.

모의분석은 용수 공급량이 2016∼2021년 (6개년) 평균에 가장 근접한 2019년도를 대상으로 진행하였다. 관개기간 동안의 용수 공급 과정을 모의한 결과 총 공급량 측면에선 1% 내외의 근소한 오차를 보였으며, 월별 공급량 또한 한국농어촌공사의 관측자료와 비교했을 때 7.84%의 오차를 보여 월별 용수 공급 추세 또한 유사하게 모의된 것으로 나타났다. 필지별 담수심 상태량 또한 현장 조사와 유사하게 나타났기에 AIRISS의 성능이 종합적으로 검증되었다.

본 연구에서 구축한 AIRISS는 기존에 설계되어있는 용수체계를 모의하고 분석할 수 있을 뿐만 아니라 추후 설계 과정에 최종적인 검토 방법으로써 사용될 수 있을 것으로 기대한다. 하지만 해당 모형을 활용한 농업용수 공급 과정 분석 사례가 부족하기 때문에 추가적인 분석과 검증이 필요할 것으로 판단된다. 현재 개발된 모형은 유역단위가 아닌 수원공 단위의 적용을 위한 모형으로 다양한 작물계수 및 토양특성을 반영한 침투가 고려되어 있지 않으며, 향후 연구에서 이를 고려한 추가적인 연구가 필요하다. 또한 본 연구의 적용지역은 관수로 지구로 향후 관수로/개수로 혼용지구 및 개수로 지구에 대한 추가적인 적용성 검토가 필요할 것이다.

감사의 글

본 연구는 농림축산식품부의 재원 농림식품기술기획평가원의 농업기반 및 재해대응기술 개발사업(과제번호: 321071-3)과 한국농어촌공사에서 시행한 농업용수 효율화 관수로 설치 가이드라인 마련 연구용역에 의해 수행되었음.