농업용수 유역 물수지 분석 모델 개발 및 적용

Development and Application of Water Balance Network Model in Agricultural Watershed

Abstract

To effectively implement the integrated water management policy outlined in the National Water Management Act, it is essential to analyze agricultural water supply and demand at both basin and water district levels. Currently, agricultural water is primarily distributed through open canal systems and controlled by floodgates, yet the utilization-to-supply ratio remains at a mere 48%. In the case of agricultural water, when analyzing water balance through existing national basin water resource models (K-WEAP, K-MODISM), distortion of supply and regression occurs due to calculation of regression rate based on the concept of net water consumption. In addition, by simplifying the complex and diverse agricultural water supply system within the basin into a single virtual reservoir, it is difficult to analyze the surplus or shortage of agricultural water for each field within the basin. There are limitations in reflecting the characteristics and actual sites of rural water areas, such as inconsistencies with river and reservoir supply priority sites. This study focuses on the development of a model aimed at improving the deficiencies of current water balance analysis methods. The developed model aims to provide standardized water balance analysis nationwide, with initial application to the Anseo standard watershed. Utilizing data from 32 facilities within the standard watershed, the study conducted water balance analysis through watershed linkage, highlighting differences and improvements compared to existing methods.

Ⅰ. 서론

전 세계적인 기후변화의 영향으로 온난화 속도와 규모에 따라 홍수 및 가뭄 등 자연재해 발생이 증가할 것으로 예측되고 있다 (Wilhite et al., 2000; Nam et al., 2015b). 우리나라 또한 지역적으로 가뭄과 홍수를 동시에 겪는 수자원 재해의 양극화가 심화되고 있으며, 수자원의 효율적 관리에 대한 중요성은 증대되고 있다 (NIMS, 2020; Oh et al., 2022). 수자원의 효율적 이용과 체계적인 관리를 위해 물관리 일원화 및 수자원법이 제정되었으며, 2021년 제1차 국가물관리기본계획이 수립되었다 (Nam et al., 2023). 제1차 국가물관리기본계획 (Jointly Relevant Ministries, 2021) 보고서에 따르면 국내 수자원 이용량 244억 톤 중 농업용수 이용량은 하천유지 용수량을 포함하여 154억 톤으로 63%를 차지하고 있다. 하지만 농업용수는 농업 여건 및 시설 능력 변화, 관행적 물관리, 체계적인 계측자료 부재 등으로 정량적인 실제 이용량 파악에 어려움이 있으며, 주요 물관리 계획 및 관련 기관에서 제시하는 분석 모델을 통해 간접 추정되고 있는 실정이다 (Maeng, 2006; Kwak, 2021). 이러한 이유로 국가물관리기본계획, 농어촌용수이용합리화계획, 하천유역수자원관리계획 등 주요 물관리 계획 내에서도 분석 방법과 범위, 모델 등의 차이로 정확한 농업용수 물수급 파악에 어려움이 있다.

농업용수 물수지 분석은 물 수요에 대한 대응 능력을 평가하고 대책을 수립하기 위하여 특정 유역에서의 수요 및 공급에 기반한 수문순환 과정을 정확하게 파악하고 수자원을 정량적으로 평가하는 분석 과정이다 (Nam et al., 2012; Choi et al., 2022). 주요 물관리계획에서도 이러한 물수지 분석을 통해 농업용수의 물수급을 분석하고 있으나, 계획 목적 및 분석 방법 등의 차이로 계획 간 상이한 결과를 보이고 있으며, 분석 과정에서 농업용수 특성이 일부 왜곡되고 있다.

국가물관리기본계획의 경우 장래 계획 시 가장 이상적인 물 절약 시나리오 구축을 목표로 계획 내 물수지 모델(Korea-Modified SIMYLD, K-MODSIM)을 활용하여 물수급을 분석한다. 농업용수는 수요처에 따라 저수지 공급과 하천 시설 공급의 구분이 필요하다. 하지만 해당 모델에서는 수요처가 통합되어 있어 물수지 분석 시 하천 용수를 모든 수혜구역에 우선 공급하고 부족량이 발생했을 경우에만 저수지에서 용수를 공급하도록 구성되어 있다. 그 결과, 농업용 저수지의 공급량은 감소하며, 용수구역 내 발생하는 농업용수 부족량은 과소 추정된다. 또한, 농업용 저수지의 회귀율을 35%로 가정하는 순물소모량 개념을 적용하여, 실제 물 이용 특성과 무관하게 모든 저수지에 대해 35% 회귀율을 적용하고 있다(Noh et al., 2010; MOLTM, 2011; Kang et al., 2022; Kim et al., 2022a). 이 경우, 물 부족 시기에는 하천 용수를 과잉 추정하게 되며, 수자원이 충분한 시기에는 과소 추정하게 되는 문제가 발생할 수 있다. 농어촌용수이용합리화계획의 경우 용수구역 내 하천시설에 대한 물수지를 고려하지 않기 때문에 개별 저수지의 물수지만 분석하며, 이 값을 합산하여 용수구역 결과로 표출한다. 이 경우 하천 상하류 연계 및 유역 간 연계가 이루어지지 않아 공급량 과대 추정과 부족량 과소 산정의 오류가 발생할 수 있다.

최근까지 농업용수 유역의 물수지 및 세부 인자 개선을 위해 다양한 연구들이 수행되고 있다. Song (2017)에서는 다중 목적 최적화 기법을 연계한 농업유역의 수문 및 물수지 해석 시스템을 개발하였으며, Kim et al. (2009) 및 Kang and Park (2014)은 기천 저수지 지구를 중심으로 수문 모델을 활용한 물수지 및 회귀수량 분석과 계측 자료 기반 검증을 수행하였다. 또한, 다양한 선행연구에서 저수지 또는 소규모 유역에 대한 물수지 분석 방안을 제시하였으며 (Yoo, 2005; Shin et al., 2007; Kim et al., 2013; Kim et al., 2020; Kim et al., 2021; Jang et al., 2021), 회귀수량 산정 개선 (Song et al., 2015b; Song et al., 2020) 및 농업용수 수요량, 공급량 산정 개선 (Nam et al., 2015a; Song et al., 2015a; Lee et al., 2020; Park et al., 2020; Kim et al., 2022b) 등이 이루어졌다. 선행연구는 대부분 단일 저수지 또는 소규모 유역을 대상으로 저수지와 유역 특성에 맞는 매개변수 추정과 세분화된 물수지 모델링 등을 제시하였으며 결괏값의 높은 정확성과 적용성을 보였다. 하지만, 물관리 계획과 같이 전국의 모든 시설물을 대상으로 동일한 수준의 농업용수 물수지를 분석해야 하는 경우, 이러한 특정 시설물 또는 지역을 대상으로 한 방법은 범용적 적용에 어려움이 발생한다. 또한, 저수지뿐만 아니라 양수장, 취입보를 비롯한 보조 시설물과 하천 내 생공용수 배수량, 하천유지 용수량, 농업용수 회귀량 등 농업용수에 영향을 미치는 다양한 가용수량을 고려하여야 한다.

본 연구에서는 전국 대상의 농업용수 물수지 분석을 위해 용수구역을 대상으로 연계 물수지 분석 모형을 개발 및 적용하였다. 본 연구의 농업용수 유역 물수지 분석 모델은 전국 적용을 위해 개별 시설물의 물수지를 단순화하였으며, 수요량 중심의 물수지 분석으로 회귀량, 부족량 등 개별 분석 없이 물수지 분석의 결괏값으로 산출되도록 하여 유역 내 모든 시설물에 대한 물수지 파악이 가능하도록 하였다. 또한, 소유역을 최소 단위로 하천 중심의 네트워크 구성과 하천용수량 추정으로 기존에 배제되었던 양수장, 취입보 등 하천시설에 대한 물수지를 포함한 유역 내 모든 농업용 수리시설물에 대한 연계 네트워크를 구성하여, 기존 물관리계획 내 농업용수 분석시 발생했던 문제점 및 한계점을 개선하였다.

Ⅱ. 재료 및 방법

1. 연구 대상 지역

본 연구에서는 농업용수 유역 연계 물수지 분석의 검증과 용수구역 단위의 개선된 물수지 분석 결과 제시를 위해 안성천의 평포 및 안서 용수구역을 연구 대상 지역으로 선정하였으며, 위치는 Fig. 1과 같다. 평포 용수구역 내 기천 저수지 지구와 덕우 저수지 지구는 하천을 기준으로 위상관계가 직관적이고 단순하게 연결되어 있다. 하류 지역인 덕우 저수지 지구는 지구 내 5개의 양수장 시설이 존재하여, 하천 연계에 따른 단일 물수지 분석과 유역 물수지 분석의 차이를 비교하는데 적합하다고 판단하였다.

Fig. 1 Location of study area and irrigation facilities in watershed

안서 용수구역은 안성천 상류 표준유역과 동일한 범위의 용수구역으로, 생공용수 취수원이 용수구역 외부에 있어 하천 내 생공용수 취수가 없으며, 하천용수량 중 농업용수 비율이 대부분인 지역으로 농업용수 대상 물수지 분석에 적합하였다. 물환경정보시스템 (Water Environment Information System)에서 제공하는 소유역 자료를 적용하여 안서 용수구역을 20개 소유역으로 구분하였으며, 농어촌용수이용합리화 계획 수립 당시 구축한 시설물 개별 제원 자료를 활용하여 Table 1에 제시한 저수지 11개소, 양수장 8개소, 취입보 13개소를 대상으로 분석하였다.

Table 1 Irrigated area status for each irrigation facilities

2. 물수지 분석 기초자료

가. 기초자료 구축

안서 용수구역 내 기상 자료 구축을 위해 종관기상관측 자료 (Automated Synoptic Observing System, ASOS) 중 이천, 수원 관측소 자료를 사용하였으며, 1971년부터 2020년까지 강우량, 증발량, 기온, 습도, 일조시간, 풍속 등의 자료를 구축하였다. 물수지 분석 대상 시설물의 제원 (한발빈도, 유효저수량, 수혜면적, 유역면적 등)은 한국농어촌공사의 농업기반시설관리시스템 (Rural Infrastructure Management System, RIMS) 및 농업가뭄관리시스템 (Agricultural Drought Management System, ADMS)을 통해 구축하였으며, 공간분포 자료를 기준으로 하천 흐름에 따른 시설물별 위상관계를 정립하였다. 침투량 및 수로 손실량은 농어촌용수이용합리화계획 (2014) 수립 시 조사한 자료를 사용하였다. 안서 용수구역의 일 평균 침투량은 5.6 mm이며, 수로 손실량은 안서 용수구역 평균 손실률인 14%를 일 공급량에 적용하여 일별 손실량으로 산정하였다.

수리시설물 모의조작 시스템 (Hydrological Operation Model for Water Resources System, HOMWRS)의 유입량 모형과 필요수량 모형을 사용하여 일별 유입량, 일별 순용수량을 산정하였다. 각 모형의 입력자료 중 기상자료는 ASOS 관측자료를 사용하였으며, 유입량 모형의 유역면적 및 토지 이용 비율은 저수지 유역을 제외한 면적 및 비율을 적용하였다. 필요수량 모형 내 입력자료 중 논 수혜면적 자료, 재배 방식, 기간, 재배관리 수량 등은 농어촌용수이용합리화계획 자료를 기반으로 하였으며, 그 외 입력값 (60 mm 담수심법, 증발산량 등)은 기존 HOMWRS 내 제시된 값을 적용하였다. 물수지 분석 개선을 위해 추가적으로 활용한 기초자료로는 농업용수 계측 공급량 원단위, 개별 시설물 공급능력 자료 등이 있으며, 한국농어촌공사의 자료를 참고하였다.

나. 수요량 및 공급량 산정

기존 논 용수 수요량은 일반적으로 이앙재배, 직파재배 등 재배 방식에 따른 이론적 필요수량 값 (조용수량)을 계산한 후 수혜면적을 곱하여 산정한다. 공식 기반의 이론적 수요량 산정은 영농 환경 및 시설물 제원 변화 등 시설물 준공 이후 변화한 현장을 반영하는데 한계가 있다. 본 연구에서는 현실적인 논 용수 수요량을 산정하고자 제1차 국가물관리기본계획에 제시된 농업용수 계측 공급량 기반 수요량 산정 방법을 적용하였으며, 수혜면적 자료를 개선하여 반영하였다. 기존 수혜면적 자료의 검토를 위해 현장조사를 수행하였으며, 실제 시설물 존재 유무, 위치 등을 확인하여 자료 누락 및 왜곡을 보완하였다. 기존 수혜면적 중 주수원공과 보조수원공의 수혜면적이 중복된 경우 주수원공 면적을 기준으로 하였으며, 전체 면적의 30% (전국 평균 주수원공 수혜면적 비율)를 주수원공 면적에 반영한 후 나머지를 보조수원공 면적에 반영하였다. 또한, 보조수원공에 대한 기구축된 공간정보 자료는 존재하지만 통계 자료상 보조수원공 수혜면적이 누락된 경우, 공간정보 자료를 기준으로 면적을 할당하여 보정하였다.

개별 시설물의 일별 필요수량을 산정하였으며, 해당 값을 1년 단위로 일별 분포하여 매년 필요수량의 일별 비율을 산정하였다. 일별 필요수량 비율에 계측 기반 공급량 원단위 값을 곱하여 일별 원단위 수요량을 산정하였으며, 해당 원단위 수요량 값에 수혜면적을 곱하여 일별 논 용수 수요량을 산정하였다. 즉, 기존 수요량 산정 방법은 계산한 필요수량 값을 직접 사용하였으나, 본 연구에서는 시계열 분석을 위한 필요수량의 일별 패턴만 추출한 후 계측 공급량을 기준으로 수요량을 산정하였다.

공급량은 저수지 공급량과 하천시설 공급량을 구분하여 적용하였다. 저수지 공급량은 산정한 수요량을 기준으로 저수지 공급능력에 따라 공급하도록 설정하였다. 해당 일자의 저수지 유효저수량이 수요량보다 많을 경우 수요량만큼 공급하며, 유효저수량이 수요량 보다 적을 경우 부족량이 발생하도록 하였다. 이때, 해당 시설물이 보조수원공이라면 주수원공에서 보충 급수를 받도록 하였으며, 보충 급수도 할 수 없는 상황일 경우 부족량이 발생하도록 설정하였다. 하천시설 물수지는 소유역 내 발생하는 하천 용수량을 합하여 소유역 내 상류 시설물부터 하류 시설물 순으로 수요에 따라 공급하도록 하였으며, 공급가능량이 수요량을 충족하지 못 할 경우 부족량이 발생하도록 하였다.

3. 물수지 분석 모듈

국가물관리기본계획의 농업용수 물수지 분석은 용수구역 내 저수지 및 하천시설의 수요처 분리가 반영되지 않아 농업 용수 공급 우선순위 왜곡과 수문 네트워크 구성 오류가 발생하고 있다. 농어촌용수이용합리화계획 내 물수지 분석은 하천용수 미반영으로 인한 하천시설물의 물수지가 배제되었으며, 개별 저수지 부족량을 합산한 결과만 제시하고 있다. 또한, 국가물관리기본계획에서는 순물소모량 개념의 35% 회귀율을 적용하고 있는데, 농업용수는 생공용수와 달리 기상 상황에 따라 매년 수요, 공급의 편차가 크게 달라질 수 있어, 일률적인 회귀율 적용은 공급량 및 회귀량 왜곡으로 이어질 수 있다.

본 연구에서는 이러한 문제점을 개선하고자 Fig. 2와 같이 유역 단위의 물수지 분석 알고리즘에 기반한 모델을 개발하였다. 본 모델에서는 하천 및 시설물 간 연계, 소유역 및 용수 구역 내 수요처 (저수지, 하천시설)별 물수지 분석을 반영하였다. 하천 물수지의 경우 저수지 및 하천시설에서 발생하는 회귀량에 대한 하천 내 회귀지점이 명확하지 않아, 구간별 공급 가능량 파악과 하천 시설물 간 공급 우선순위 결정에 어려움이 있다. 이러한 이유로 소유역 내 저수지 및 하천시설에 대해 각각의 물수지 분석을 수행하였다. Fig. 3에 제시한 것과 같이 1차 저수지 물수지 분석을 통해 유출량, 월류량, 회귀량 등 소유역 내 하천용수량을 산정하였으며, 2차 하천 물수지 분석은 해당 하천용수량을 공급량으로, 상류부터 하류까지 순차적으로 분석하였다. 상류 소유역에서 유출량이 발생할 경우 하류 소유역의 유입량으로 반영하였으며, 각 소유역의 물수지 결과를 취합하여 용수구역 물수지를 파악하였다.

Fig. 2 Algorithm of the water balance analysis model in agricultural district

Fig. 3 Schematic diagram of the water balance analysis model in agricultural district

4. 물수지 분석 검증 및 시나리오

유역 단위 연계 물수지의 차별성 및 필요성을 확인하기 위해 농어촌용수이용합리화 계획에 제시된 기존 물수지 방법인 단일 물수지와 본 연구에서 제시한 유역 물수지를 비교하였다. 물수지 분석 간 차이는 하천 반영 여부, 시설물 간 연계 여부이며 Fig. 4와 같다. 단일 물수지의 경우 하천을 고려하지 않아 하류 지구인 덕우 지구 내 존재하는 양수장 시설들이 배제되었으며, 이에 해당하는 수혜면적은 저수지 수혜면적에 포함하였다. 유역 물수지의 경우 해당 양수장 시설물들을 각각 반영하였으며, 상류 지구인 기천 저수지 물수지 분석을 통해 발생하는 하천 회귀량을 공급량에 포함하여 분석하였다.

Fig. 4 Schematic diagram comparing different water balance analysis methods

용수구역 대상 유역 물수지 분석을 위한 시나리오는 연구 수행에 따라 수혜면적 적용 범위 및 수리시설 공급능력 반영 여부를 기준으로 Table 2와 같이 선정하였다. 안서 용수구역 내 금광 저수지와 마둔 저수지의 경우 시설물은 용수구역 내 위치하지만 수혜면적은 용수구역 밖까지 분포되어 있다. 용수구역 밖 수혜면적을 분석에 포함할 경우 안서 용수구역에 적용한 주 및 보조 수원공 면적 보정, 하천시설 면적 구분 및 반영이 이루어지지 않아 저수지 운영 및 공급량 산정 시 왜곡이 발생할 수 있다. 이러한 조건을 비교하기 위해 시나리오 1에서는 전체 수혜면적에 대해 분석하였으며, 시나리오 2에서는 안서 용수구역 내 수혜면적만 고려하여 분석하였다.

Table 2 Water balance analysis scenarios

저수지 및 하천시설의 공급량은 수요량 대비 공급가능량을 기준으로 적용하였으나 시설물별 일 최대 공급량 제한이 없기 때문에 실제 공급할 수 있는 양보다 과잉 공급하는 경우가 발생할 수 있다. 용수 과잉 공급은 저수지 운영과 하류 지역 하천용수량에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 시설물의 일 최대 공급능력 제한이 분석 결과에 미치는 영향을 비교하기 위해 앞선 시나리오 2와 동일한 조건에서 공급능력만 제한한 시나리오 3을 추가하였다. 시설물의 일별 용수 공급능력은 한국농어촌공사의 통수능 자료를 활용하였으며, 수요량 산정에 사용한 원단위 공급량은 3개 시나리오 모두 전국 평균값인 1,618 mm를 사용하였다.

농업용수 물수지 분석의 경우 결괏값에 대해 현재 명확하게 제시된 검증 방법이 부족한 실정이다. 결과 검증을 위해 실제 계측한 하천 유량 자료와 물수지 분석을 통해 발생하는 하천 내 유출량을 비교하는 것이 가장 바람직하나, 안서 용수구역의 경우 유역 내 양질의 계측자료가 부재하며, 용수구역 유출 지점과 가장 인접한 계측 지점 사이에 타 하천 합류 지점들이 존재하여 직접적인 비교에 어려움이 있다. 따라서, 본 연구에서는 시나리오별 저수지 운영 능력을 평가하여 상대적으로 농업용수 물수지 분석에 적합한 시나리오를 선정하였다. 저수율 비교는 안서 용수구역 내 가장 큰 규모의 저수지인 금광 저수지를 대상으로 하였으며, 본 연구 모델 내 저수율은 분석 시작일인 1971년 1월 1일, 저수율 100%를 입력한 후 실제 기상 변화와 물수지 분석을 통해 발생하는 변화가 저수율에 반영되도록 설정하였다. 이에 따라 초기 입력값의 영향을 가장 적게 받는 2010년부터 2020년까지 비교 대상 기간으로 선정하였다.

Ⅲ. 적용 및 결과

1. 단일 및 유역 물수지 비교 결과

단일 유역과 연계 유역 물수지 결과를 비교하기 위하여 비가뭄 시기인 2013년과 가뭄 시기인 2015년을 대상으로 분석하였다. Table 3은 기천 저수지 지구에 대한 물수지 방법별 결과를 나타낸 표이다. 유역 내 최상류에 위치한 기천 저수지 지구의 경우 저수지 외 시설물이 없으며, 상류 하천의 영향을 받지 않아 단일 및 유역 물수지 분석 시 차이가 발생하지 않았다. Table 4에 제시한 것과 같이 하류에 위치한 덕우 저수지 지구의 경우 하천시설 반영과 상류 하천용수 유입 등으로 유역 물수지 분석 시 단일 물수지 분석보다 공급량, 회귀량은 증가하였으며, 부족량은 감소하는 경향을 보였다. 비가뭄 시기인 2013년의 경우 상류 지역 유출량 반영으로 공급량은 약 19만 톤, 회귀량은 약 18만 톤 증가하였다. 단일 물수지 분석시 약 19만 톤의 부족량이 발생하였으나, 유역 물수지 분석 결과 부족량이 발생하지 않았다. 가뭄 시기인 2015년 분석 결과, 유역 물수지 분석 시 공급량은 약 34만 톤, 회귀량은 약 20만 톤 증가하였으며 부족량은 약 3만 톤이 발생하여 단일 물수지 분석보다 약 34만 톤 감소하였다. 2015년 부족량은 하천시설에서 발생하였으며, 강우량 감소로 인한 하천 용수량 감소가 이유로 판단된다.

Table 3 Comparative analysis of water balance results for the Gicheon reservoir Unit : 1,000 m³

Table 4 Comparative analysis of water balance results for the Deokwoo reservoir Unit : 1,000 m³​​​​​​^​

하천 연계에 따른 분석 결과 차이는 소유역, 용수구역으로 확대 적용할 경우 더 크게 나타날 것으로 판단된다. 따라서, 하천을 중심으로 각 시설물 연계를 반영한 유역 물수지 분석은 기존 단일 물수지 분석과 비교하여 현실적인 네트워크 구성으로 농업용수 물수지 파악에 더 적합할 것으로 판단된다.

2. 시나리오별 비교 분석 및 검증 결과

시나리오별 물수지 분석은 안서 용수구역을 대상으로 하였으며, 각 시나리오에 따른 용수공급 특성, 회귀량, 부족량 등 물수지 분석의 결과물을 비교하였다. Fig. 5는 대상 연도에 따른 시나리오별 물수지 분석 결과 (수요량, 공급량, 회귀량, 부족량)를 나타낸 것이다. 시나리오 1의 경우 대규모 저수지에 대한 용수구역 외 수혜면적까지 고려하여 시나리오 2와 3에 비해 공급량이 크게 나타났으며, 공급능력 반영 여부 차이로 시나리오 3은 시나리오 2에 비해 전체 공급량이 감소하였다. 비가뭄 시기인 2013년 분석 결과, 시설물의 용수공급 능력을 반영한 시나리오 3에서 부족량이 가장 크게 발생하였다. 반면, 가뭄 시기인 2015년 분석 결과, 공급능력을 반영하지 않은 시나리오 1과 2의 경우 6월까지는 2013년과 유사한 경향을 보이지만 7월 이후 부족량이 2013년 대비 급격히 증가하였다. 시나리오 3 또한 부족량이 증가하였지만, 시나리오 1과 2와 비교하였을 때, 증감 폭이 작게 나타났다.

Fig. 5 Water balance analysis results based on scenarios and drought periods

용수구역 상류부 대규모 저수지의 저수량 보정을 반영하지 않은 시나리오 1은 하천 회귀량이 가장 많았으며, 이에 따라 가장 적은 부족량이 발생하였다. 비가뭄 시기임에도 모든 시나리오에서 부족량이 발생한 것은 전국 평균 원단위 공급량 반영의 영향, 하천용수량 산정의 한계, 상류 용수구역 유출량 미반영 등 하천 내 가용수량 과소 추정에 의한 공급량 감소가 이유로 판단된다.

가뭄 시기인 2015년의 경우 7월 강우량 감소로 수리시설물에 대한 수요량이 증가하였다. Table 5에 제시한 것과 같이 시나리오 1과 2는 공급능력을 제한하지 않아 농업용수를 공급 초기인 4∼6월 집중적으로 공급하였으며, 7월부터 공급률이 급격히 감소하는 경향을 보였다. 시나리오 3의 경우 공급 능력 제한 반영으로 6월부터 9월까지 비교적 일정한 공급률을 보였다. 2013년 공급률과 비교하였을 때, 평균적으로 시나리오 1은 25%, 시나리오 2는 11%, 시나리오 3은 1% 감소한 것으로 나타났다. 2013년 대비 2015년의 회귀량 및 부족량 차이를 비교한 결과는 Table 6과 같으며, 시나리오 1과 시나리오 2는 시나리오 3에 비해 7월 이후 증감 폭이 크게 나타나는 경향을 보였다.

Table 5 Analysis results of supply rate relative to demand

Table 6 Comparison results of water shortage and return flow for 2015 year compared to 2013 year

이러한 물수급 패턴 및 경향은 각 시나리오에 따른 결괏값으로, 해당 결과를 통해 특정 시나리오가 농업용수 분석에 적합하다고 판단하기는 어렵다. 따라서, 시나리오별 분석 결과 검증을 위해 저수율 기반 검증을 수행하였다. 계측 저수율과 물수지 분석 기반 시나리오별 저수율의 차이는 Fig. 6과 같다. 실제 저수율과 비교한 결과, 3개 시나리오 모두 시기에 따른 유사한 증감 경향을 보였으나, 시나리오 1과 시나리오 2의 경우 공급능력 미반영으로 계측 최저 저수율인 2%보다 낮은 0%가 되는 시기가 2013년을 제외하고 매년 발생하였다. 반면, 시나리오 3의 경우 전반적인 경향 및 최저 저수율에서 실제 저수율과 가장 유사한 경향을 보였다. Table 7과 같이 실제 값과 모델 값의 차이를 반영하여 유사성을 확인하는 지표인 RMSE, RMSLE 값 또한 시나리오 3이 20.14와 0.19로 가장 낮게 나타나 분석 시나리오 중 실제 저수지 운영과 가장 유사한 경향을 보였다.

Fig. 6 Scenario comparison via reservoir storage ratio

Table 7 Scenario similarity verification based on RMSE and RMSLE for reservoir storage ratio comparison

3. 용수구역 물수지 분석 결과

용수구역 단위 물수지 분석은 시나리오 3을 기준으로 하였다. 기존의 물수지 분석 내 수요처 미분리 및 하천용수 미반영으로 인한 한계점은 본 연구에서 하천 중심의 유역 연계 분석을 기반으로 수요처별 농업용수 분석 네트워크를 구성하여 개선하였다. 그 결과는 Fig. 7과 같으며, 각각 저수지, 하천시설, 용수구역의 물수지 분석 결과를 나타낸다. 저수지 물수지 분석 결과, 2013년의 부족량이 2015년보다 낮게 나타나, 비가뭄 시기인 2013년보다 가뭄 시기인 2015년에 물 부족이 크게 발생한 것을 확인할 수 있었다. 반면, 하천 물수지의 경우 하천용수량 산정 시 생공용수, 하수처리수, 상류 용수구역 유출량 등이 반영되지 않아 실제보다 공급가능량이 과소 추정되었다. 그 결과, 공급량 부족이 크게 발생하였으며, 부족량 또한 크게 나타났다. 따라서, 주요 인자에 대한 개선 필요성이 있으며, 해당 결과는 정확한 농업용수 물수지 결괏값 제시보다는 방법론적 개선을 통한 수요처별 물수지 분석 네트워크 구축 및 반영에 의의가 있다고 판단된다.

Fig. 7 Water balance analysis results according to demand separation

농업용수 회귀율은 현실적인 하천용수량 산정 및 유역 간 연계를 위한 중요 인자이다. 본 모델을 통해 분석한 시기별 회귀율 산정 결과는 Fig. 8과 같다. 일별 분석을 통해 시설물별 일별 회귀율을 산정하였으며, 이를 통합하여 용수구역 회귀율을 산정하였다. 기존 회귀율 개념의 경우 공급량의 35%가 회귀한다고 가정하기 때문에 공급량이 부족한 가뭄 시기에도 35% 회귀량이 확보된다. Fig. 8을 통해 확인할 수 있듯이 2015년의 경우 대표적인 가뭄 시기이나, 기존 회귀율을 반영할 경우 다른 시기보다 오히려 회귀량이 많이 발생하는 경향을 보였다. 반면 본 모델을 통해 분석한 결과, 2015년은 다른 시기에 비해 낮은 회귀율과 회귀량을 보여 해당 시기에 물 부족이 발생하였다는 것을 유추할 수 있다. 또한, Fig. 8의 (b)와 같이 월별 분석을 통해 영농기 내 특정 시기의 가용수량 파악 및 물 부족 특성 등을 확인할 수 있었다.

Fig. 8 Comparison of estimating the return flow rates

Ⅳ. 결론

본 연구에서는 기존 농업용수 물수지 분석 시 발생하는 한계점 개선을 목적으로 하천 중심의 유역 연계 물수지 모델을 제시하였다. 기존 국가물관리기본계획과 농어촌용수이용합리화계획 내 물수지 분석 개념 및 기초자료를 기반으로 수요처 미분리로 인한 농업용수 공급 우선순위 및 수문 네트워크 구성 왜곡, 하천 미연계로 인한 단일 물수지 수행, 일률적 회귀율 적용에 따른 공급량 및 회귀량 왜곡을 개선하고자 하였다. 기본적인 물수지 분석 모듈은 농어촌용수이용합리화계획 내 모델을 기반으로 하였으며, 수요량 산정 및 하천 물수지 개념은 국가물관리기본계획 내 제시된 방법을 보완하였다. 모델 개발을 위해 용수구역 내 개별 시설물 제원을 공간분포하여 하천 흐름에 따른 위상관계를 정립하였으며, 하천 및 시설물 간 연계 네트워크를 구성하였다. 이 과정에서 저수지와 하천시설을 구분하였으며, 각 수요처에 따른 물수지 분석을 수행하였다. 하천 연계에 따른 직관적인 결과 비교가 가능한 평포 용수구역 내 기천 및 덕우 저수지 지구를 대상으로 본 연구에서 제시한 유역 물수지 분석의 차별성 및 필요성을 검증하였다. 안서 용수구역을 대상으로 시나리오별 물수지 분석을 통해 적용성을 확인하였으며, 분석 결과, 저수지 및 하천시설 물수급 특성, 하천 상하류 및 시설물 간 연계 등 현실적인 하천 중심의 물수지 분석이 가능하였다. 이를 통해 기존 물수지 분석의 한계점이었던 용수구역 내 농업용수 수요처 분리 및 물수지 네트워크 구성 오류, 단일 물수지 분석에 의한 왜곡 등을 개선하였다. 또한, 일별 회귀율 산정을 통해 시기별 용수공급 특성 파악 및 가용수자원에 따른 회귀량 추정이 가능하였으며, 이를 통해 기존의 일률적 회귀율 적용에 따른 한계점을 개선하였다.

본 연구의 모델은 전국 적용을 목적으로 개발하였으나, 적용성 검토를 위해 용수구역을 대상으로 우선 적용하였다. 대상 용수구역 내 활용 가능한 계측자료 부재로 모델 검증에 한계가 있었으며, 하천용수량 산정 시 강우에 의한 유역 유출량, 저수지 및 소유역 물수지를 통한 회귀량만 반영하여 하천 용수량이 과소 산정되는 한계가 있었다. 향후 연구에서는 중권역 및 대권역 확대 적용을 통한 검보정 자료 확보 및 모델 검증을 수행하고자 하며, 하천 내 하수처리 방류량, 담수호, 저수지 하천유지용수량, 취입보 저류량 등을 고려하여 보다 현실적인 하천용수량을 반영하고자 한다.

농업용수의 정량적 파악은 기후변화, 사회 및 경제적 여건 변화 등에 효과적으로 대응하고 물관리 일원화 및 통합 물관리 등 미래 물관리 계획을 위한 중점 요소 중 하나이다. 본 연구에서 제시한 유역 물수지 분석 모델은 기존 방법을 개선하여, 보다 현실적이고 정량적인 농업용수 물수급 특성 파악이 가능하였다. 향후 분석 인자 보완을 통한 고도화 및 전국 확대 적용을 통한 추가적인 적용성 검증이 수행된다면 물관리 계획 및 농업용수 관련 연구 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

감사의 글

본 연구는 농림축산식품부의 재원으로 한국농어촌공사의 2023년 용역연구사업의 지원을 받아 연구되었음.