서 론
실험 방법
물수지 모형
Penman-Monteith 증발산량 모형
침투량 산정 모형
하천유량 산정 모형
연구지역
결과 및 고찰
물수지 분석 기반 회귀율 산정
논 하천수회귀수가 하천유량에 미치는 영향 평가
결 론
서 론
최근 급격한 기후변화로 인한 기후위기가 가속화되며 효율적인 물관리 요구가 증가하고 있다. 이러한 시대적 요구에 부응하여 통합물관리 정책기조와 시대적 요구와 함께 국가 물관리 운영체계가 환경부로 일원화되어 통합물관리가 시행되고 있다. 통합물관리 시행과 함께 수자원의 효율적 이용이 강조되고 있으며, 특히 우리나라 전체 수자원의 41%(MOE, 2020)를 차지하는 농업용수의 효율적인 관리방안 필요성이 요구되고 있다. 또한 최근 농업용수의 다원적 기능에 대한 높은 관심과 함께 과거 작물생육을 위한 용수로 인식되어왔던 농업용수의 개념이 다양한 환경･생태용수로의 포괄적 개념으로 전환되고 있다. 농업용수는 식량생산 기능 외에도 대기순환, 지하수 함양, 하천유지용수 제공 및 어메니티･생태계 보전 등 사회･문화적 기능을 제공하며, 특히 논에서 배수되는 회귀량은 인근 하천(신속회귀수) 및 지하수(지연회귀수)로 유입되어 하천생태계 유지에 기여하며 농촌 유역 환경에서 다원적 기능을 수행한다. 그러나 제1차 국가물관리기본계획 수립시 농업용수 회귀율 35%(MLTMA, 2011) 일괄적용으로 인해 농업용수 공급량중 상당량이 하천에 기여하는 특성이 제대로 반영되지 못하는 실정이다. 그러나 농업용수는 지역환경, 작물재배, 물관리관행 등에 의해 회귀량(27－84%)의 차이가 크게 발생한다(Choi and Choi, 2002; Choo, 2004; Chung and Park, 2004; Chung and Son, 2001; Kim et al., 2010; Kim et al., 2021; Shin et al., 2023).
회귀율 산정 모형을 이용하여 논 농업용수의 회귀율 산정에 관한 다양한 연구가 수행되었다. 국외에서 Adahi et al.(2001)은 일본 Kokai 강 유역의 321 ha를 대상으로 하는 Okazeki 관개 프로젝트에 현장 조사를 기반으로 하여 회귀율을 분석하였으며, Jafari et al.(2012)는 이란의 회귀율 분석은 경험식을 기반으로 산정하기 때문에 회귀율을 정확하게 측정하기 위하여 라이시미터(Lysimeter)를 활용하였다. Chien and Fang(2012)은 회귀수량을 추정하기 위하여 물수지모형을 구축하여 증발산, 지하수 대수층으로의 침투, 복귀 흐름을 추정하였다. 국내에서는 Im and Park(2000)은 1998년도부터 2년간 농업유역의 논 관개회귀수량 추정 모형 REFLOW(irrigation REturn FLOW) 개발을 통해 경기도 화성군에 위치한 발안지구 및 기천지구의 회귀율을 추정하였으며, Song et al.(2015)은 2011 및 2012년도 용인시 이동저수지로부터 농업용수를 공급받는 10.3 ha 크기의 광역 논을 대상지구로 선정하여 현장 계측된 물수지 분석결과와 농업용수 공급량 부모형, 논 광역 배수량 부모형, 시설재배지 유출량 부모형으로 구성되는 배수량 모의 모형을 이용하여 관개회귀수량을 추정하였다. Park and Kim(2016)는 관개회귀수량 및 농업용수 회귀율을 추정할 수 있는 수문 모델을 개발하고자 덕유산 구량천 유역의 답사결과를 기반으로 설계된 BROOK90-K를 개발하였으나, 논으로부터의 월류에 의해 발생하는 신속 회귀수량은 모델의 한계로 반영되지 않았다. An et al.(2020)은 충남 잠홍저수지와 성암저수지의 관개지구를 대상으로 선정하여 현장관측 없이 회귀율을 추정하는 방법론을 제시하였다. 수정 3단 TANK 모델을 사용하여 저수지 유입량 산정 후 물수지와 저수율자료에 기반하여 공급량을 추정하고, Penman-Monteith식을 이용하여 산정된 잠재증발산량을 기반으로 회귀율을 산정하였다. Kim et al.(2021)은 SWMM(Storm Water Management Model, Oh et al., 2010) 모형을 이용하여 안성시 마둔저수지를 대상(2010－2019년)으로 저수지 유역단위의 회귀율을 산정하였다. TANK 모형을 통해 공급량을 산정하고 Penman Monteith식을 사용하여 증발산량을 추정하였으며, 저수율 자료와 기상자료를 SWMM 모형에 적용하여 물수지 분석을 수행하였다. 그러나 국내외의 연구에서 물리적 특성을 고려하는 모형의 경우 다양한 입력자료와 검증을 위한 실측 자료가 필요하며, 특히 17,000여 개 이상의 많은 저수지에 적용하는 것은 현실적으로 불가능하다. 농업용수의 하류 하천에 대한 적정 기여도 평가를 위해서는 각 유역별 기상 및 논 영농 특성을 반영한 농업용수 회귀율 산정이 필요하며, 특히 유역 특성별 농업용수 전주기 과정을 반영한 회귀율 산정 모형이 필요하다.
따라서 본 연구에서는 다양한 저수지에 적용가능한 물수지 기법을 이용하여 논에서 배출되는 회귀량이 하천유량에 미치는 영향을 평가하였다. 연구 목적은 1) 물수지 기법을 이용한 논 회귀량 산정 기법 개발 및 2) 논에서 배출되는 회귀량이 하천유량에 미치는 영향을 평가･분석 하는 것이다.
실험 방법
본 연구에서는 물수지 분석 기법을 이용하여 논에서 하천으로 회귀하는 농업용수 회귀량이 하천유량에 미치는 영향을 평가하였다(Fig. 1). 물수지 기법의 구성요소인 증발산량은 FAO Penman-Monteith(Allen et al., 1998) 공식을 이용하여 산정하였으며, 침투량은 Puckett et al.(1985)이 제시한 포화된 상태의 침투량 산정 공식을 선정하였다. 하천유량은 저수지 유입량으로 정의하여 탱크(Tank, Sugawara and Fuyuki, 1956; Sugawara et al., 1984)모형을 이용하여 산정하였으며, 논 수혜지역 말단부 지점을 기준으로 하천수회귀량수의 하천유량기여도를 산정하였다. 하천유량기여도는 하천유량(100%)에 대한 하천수회귀량의 비율로 정의하였으며, 식 (1)과 같다.
물수지 모형
논의 회귀량은 무강우(5 mm/day 이하) 기간 물관리가 안정된 시기의 신속회귀량과 지연회귀량의 합으로 정의하며, 회귀율은 총 공급량에 대한 회귀량의 비율로 계산된다. 식 (2)는 논의 물수지 공식을 나타낸다. 무강우 기간의 안정된 논의 감수심(d1-d2)은 증발산량(et)와 침투량(i = g2-g1)의 합과 같다. 안정된 논 지역의 증발산량의 변화는 크지 않으므로 그 지역의 물수지는 침투량(i)에 영향을 받는다.
여기서, r: 강우량(mm), et: 증발산량(mm), g1 및 g2: 지하수의 유입량과 유출량(mm), d1 및 d2: 지표수의 유입량(공급량)과 유출량(mm) 및 Δs: 저류량의 변화(mm)를 나타낸다.
그러나 저수지 수혜지역의 유역단위 물수지를 구성하는 수문인자는 관개용수 공급량(Irrigation Water Supply, IWS), 증발산량(Evapotranspiration, ET), 침투량(Infiltration, I), 신속회귀량(Rapidly Return Flow, RRF), 배분관리용수량(Distribution Management Water, DMW) 및 수로손실수량(Channel Loss, CL)로 구성된다(Fig. 1). 침투량(I)은 기저유출(복류수) 형태로 하천으로 유입되는 기저회귀량(Base Return Flow, BRF)과 지하수로 유입되는 지연회귀량(Delayed Return Flow, DRF)으로 구분되며, 신속회귀량, 기저회귀량 및 배분관리용수량(수혜지역 말단부까지 농업용수 공급을 위한 용수량)을 실제 하천으로 유입되는 하천수회귀량(Stream Return Flow, SRF)으로 정의하였다. 따라서 공급량(100%)를 기준으로 논 수혜지역에서 소비되는 증발산량 및 지연회귀량을 제외하면 하천수회귀량을 산정할 수 있다. 수로손실수량은 농업용수설계기준(MAFRA, 2018)을 고려하여 공급량의 10%로 하였다.
농업용수가 공급되는 논 수혜지역 전체 유역의 경우 침투량(I)의 일부는 복류수 형태로 하천으로 유입되기 때문에 하천으로 유입되는 기저회귀량(BRF)을 제외한 지하수로 유입되는 지연회귀량(DRF)가 유역 단위의 실제 심층침투량이 된다. 또한 수혜지역 유역단위에서 공급된 용수를 유역 말단부까지 안정적으로 공급하기 위해서는 배분관리용수량(DMW)과 수로손실(CL, CL의 50%는 하천으로 회귀하는 하천수회귀량으로 정의)을 고려해야 한다. 따라서 수혜지역에서 전체 유역단위의 물수지 구성은 식 (3)과 같이 관개용수 공급량(IWS), 증발산량(ET), 신속회귀량(RRF), 기저회귀량(BRF: I의 50%), 지연회귀량(DRF: I의 50%), 배분관리용수량(DMW), 수로손실(CL) 및 저류량(ΔS)으로 구성할 수 있다.
하천수회귀량과 지연회귀량의 회귀율은 다음의 식 (4)－(5)를 이용하여 산정할 수 있다. 현장에서 실제 지연회귀량과 기저회귀량의 구분은 현실적으로 불가능하며, 본 연구에서는 논 하부층으로 유입된 침투량(수로손실 포함) 중에서 지연회귀량(DRF)과 기저회귀량(BRF)이 동일한 것으로 가정하였다.
Penman-Monteith 증발산량 모형
증발산량 산정을 위한 다양한 공식이 개발되어 사용되고 있으며, 작물 재배품종, 영농방법, 생육시기 등에 따라 적합한 공식 선정이 필요하다. 유엔식량농업기구(Food and Agriculture Organization of the United Nations)에서는 다양한 증발산량 공식들을 평가하여 공식적으로 FAO Penman-Monteith(PM) 공식 사용을 제안하였다. 따라서 본 연구에서는 FAO PM 공식을 이용하여 논의 잠재증발산량을 산정하였으며, 식 (6)과 같다.
여기서, 은 순일사량(MJ m-2 day-1), 는 지중열류량(MJ m-2 day-1), 𝛾은 건습계상수(kPa°C-1), 는 일평균기온(°C), 는 평균풍속(m s-1), 는 포화수증기압(kPa), 는 실제수증기압(kPa) 및 는 포화수증기압의 온도에 따른 기울기를 나타낸다.
실제증발산량은 잠재증발산량을 산정하여 작물계수(Kc)를 적용하여 추정하기 때문에 재배품종, 영농방법, 생육시기 등에 따라 정확한 작물계수 적용이 중요하다. 농촌진흥청에서는 기상특성 및 작물특성을 반영하여 벼 생육단계별 작물계수(Han et al., 2018)를 산정하였다. 본 연구에서는 농촌진흥청에서 제시하는 작물생육단계별 작물계수(Table 1)를 이용하여 실제증발산량을 산정하였다.
Table 1.
Crop coefficients (Kc) based on rice crop growth
침투량 산정 모형
토양의 침투량은 지역별 토양특성에 따라 매우 다양하기 때문에 전국단위로 실측을 통한 침투량 산정은 현실적으로 불가능하다. 따라서 국･내외에서 개발된 다양한 포화상태에서의 침투량 산정 공식을 평가하여 국내 특성에 적합한 침투량 산정공식 선정을 통한 침투량 산정이 필요하다. 국내･외의 선행연구에 따르면 다양한 포화상태의 침투량 산정공식이 제안되었으며, 그중에서 Campbell(1985), Jabro(1992), Puckett et al.(1985), Saxton et al.(1986), Smettem and Bristow(1999) 포화수리전도도(침투량) 공식 등이 개발되어 사용되고 있다. 이러한 침투량 산정 공식은 토양의 물리적특성(모래, 이토, 점토, %)을 이용하여 포화상태의 침투량을 산정할 수 있으며 농촌진흥청 흙토람(https://soil.rda.go.kr/soil/index.jsp)에서 제공하는 토양특성과 연계하여 전국단위 논･밭 재배지역의 침투량을 산정할 수 있다. 이러한 공식들은 다양한 토양특성에 적용 가능하도록 개발되었으나, 논 토양의 특성은 반영되지 않았기 때문에 국내의 논 토양에 적용시 불확실성이 발생하게 된다. 따라서 우리나라의 논에서 실측된 침투량을 이용하여 침투량 산정공식 수정이 필요하다. Puckett이 제시한 침투량 산정 공식(식 (7))은 점토 토양의 함유율(%)만을 이용하여 포화상태의 침투량 산정이 가능하기 때문에, 상대적으로 실측값과 비교하여 공식 수정이 가능하다.
여기서, Ksat : 포화된 상태의 수리전도도(mm/day) 및 clay : 점토함량(%)를 나타낸다.
하천유량 산정 모형
본 연구에서는 탱크(Sugawara et al., 1984)모형을 이용하여 하천유량을 산정하였다. 탱크모형은 집수유역을 여러단계의 저류형 탱크로 가상하여 강우-유출과정을 모형화하는 개념적 수문모형이며, 입력자료와 매개변수가 단순하여 미계측 유역의 유출량 산정을 위해 많이 활용되고 있다. 강우가 지표면에 떨어지면 지표면 저류, 침투, 및 증발로 인하여 초기 손실이 발생하며, 1단 탱크 바닥면으로부터 일정 높이에 위치하는 아래쪽 유출구는 이러한 초기 손실을 나타낸다(Fig. 2). 강우가 지속적으로 발생하면 지표면 유출이 점점 증가하는 1단탱크 위쪽의 유출공에서의 유출을 의미하며, 이러한 1단탱크의 유출을 지표면 유출(Qs = Qs1 + Qs2)로 정의한다. 강우의 일부가 지표하로 침투하며, 1단탱크의 바닥면의 침투공으로 배출된다. 지표하 침투수의 일부는 다시 지표면으로 유출되는 중간유출(Qi)이 발생하며 2단탱크 측면의 유출공을 나타낸다. 중간유출을 제외한 나머지 침투수는 토양층 깊이 침루하여 안정한 지하수유출로 갈수시에 하천으로 유출되며, 3단･4단탱크의 측면 유출공의 지하수유출을 의미한다. 여기서 3단탱크는 비피압하천 유출량은 여러 단계의 저류형 탱크 유출량의 합으로 산정된다.
연구지역
시험유역은 유역의 농업특성을 잘 나타낼 수 있는 지구, 경지정리, 정비된 용수로 및 배수로 그리고 외부 유역으로부터의 지표수 유입이나 지하수 용출이 없는 지구를 선정하였다. 또한 회귀율은 지역별 기상･기후특성, 토지이용도(논･밭 비율), 농업관행, 수혜면적, 가용가능한 수자원량 등에 크게 영향을 받는다. 따라서 유효저수량, 유역배율, 유역면적 및 토지이용도를 고려하여 공급량 계측자료가 있는 강원도 원주시 흥업면 흥업저수지(R-Site1: Hungup reservoir), 경상남도 밀양군 소태저수지(R-Site2: Sotae reservoir) 및 전라북도 순창군 월정저수지(R-Site3: Woljeong reservoir)를 선정하였으며(Fig. 3), 선정된 저수지 제원은 Table 2와 같다. 또한 Puckett 침투량 산정공식 수정을 위하여 선행연구(Choi and Choi, 2002; Chung and Park, 2004)에서 관측된 침투량 자료(I-Site1: 청도 각남면, I-Site2: 원주 흥업면, I-Site3: 춘천 방지리1, I-Site4: 춘천 방지리2, I-Site5: 춘천 신동면, I-Site6: 춘천 천전면1, I-Site7: 춘천 천전면2)를 사용하였다. Fig. 3은 시험유역 저수지 및 실측 침투량 자료가 사용된 지점을 나타낸다.
Table 2.
Information on the test-bed reservoirs
시험유역 저수지의 농업용수 공급량은 한국농어촌공사에서 운영하는 농촌용수종합정보시스템에서 제공하는 공급 시점부 수로에서 계측된 실측 공급량 자료(2021년)를 사용하였다. 시험유역 인근에 위치하는 기상청(원주, 밀양 및 정읍) 관측자료(강우량, 최고 및 최저 온도, 평균풍속, 일조량 및 상대습도)를 이용하여 일별 잠재증발산량 및 하천유량을 산정하였으며, 농촌진흥청에서 제공하는 작물계수(Table 1)를 적용하여 논 벼의 실제증발산량을 산정하였다.
논은 하부 토양층에 위치하는 경반(불투수층)을 통해 담수재배가 가능하다. 논 수혜지구의 물수지 분석시 경반 특성을 고려하기 위하여 흙토람에서 제공하는 토양층별 토양특성(모래, 이토, 점토, %)자료중에서 침투량이 가장 낮은 층을 경반으로 가정하여 침투량을 산정하였다(Fig. 4). 탱크모형 기반 유입량(하천유량) 산정을 위한 저수지 상류유역의 토지이용특성은 Table 3과 같다.
Table 3.
Land-use characteristics of the upstream watersheds of reservoirs
| Landuse | R-Site1 (ha) | R-Site2 (ha) | R-Site3 (ha) |
| Forest | 1,447 | 142 | 273 |
| Paddy | 85 | 26 | 0.1 |
| Upland | 205 | 144 | 9 |
| Others | 120 | 8 | 15 |
농업용수 회귀량 산정을 위한 물수지 모형의 검증을 위하여 선행연구 지역중에서 2003년 경상북도 청도 각남면(Gaknam-Myeon) 녹명지구에서 수행되었던 시험지구(I-Site1)의 실측자료(Chung and Park, 2004)를 이용하여 물수지 모형을 검증하였다(Fig. 3). 녹명지구는 경지가 잘 정리되고 용수로와 배수로 조직이 단순하여 관개량과 배수량의 안정적으로 계측이 가능하며, 또한 외부 유역으로부터의 지표수 유입이나 지하수 용출이 없다. 각남면 녹명리 시험포의 면적은 0.3 ha이며, 벼 단일작으로 토양특성은 식양토(Clay Loam)이다. Chung and Park(2004)의 연구에서 강우 발생일은 회귀율산정에서 제외하였으므로, 검증과정에서 강우 발생일은 제외하였다. 강우자료는 가장 인근에 위치하고 있는 대구기상청 기상자료를 이용하였다.
결과 및 고찰
물수지 분석 기반 회귀율 산정
논 침투량 산정
Puckett et al.(1985)이 제시한 포화침투량 산정공식을 국내의 논 토양에 적용하기 위하여 실측 침투량(Choi and Choi, 2002; Chung and Park, 2004)과 비교하여 수정()하였다. Fig. 5는 실측 침투량과 수정된 Puckett 공식 기반의 모의 침투량을 나타낸다. 기존의 Puckett 포화침투량 산정공식(R: 0.754 및 RMSE: 77.426)의 경우 Site3을 제외한 나머지 지점들에서 과대산정되는 경향을 보였으나, 수정된 Puckett 포화침투량 산정공식(R: 0.788 및 RMSE: 7.220)을 이용한 경우 전체적으로 실측값과 유사하게 나타났다. 따라서 수정된 Puckett 포화침투량 산정공식을 이용하여 시험유역의 물수지 분석을 위한 침투량을 산정하였다.
수정된 Puckett 공식을 이용하여 산정된 시험유역(흥업저수지, 소태저수지 및 월정저수지) 논 수혜지역의 경반층 침투량은 Fig. 6에 나타내었다. 흥업저수지 수혜지역의 침투량(평균 27.2 mm/day)이 상대적으로 높게 나타났으며, 소태저수지(평균 6.8 mm/day) 및 월정저수지(평균 0.3 mm/day)의 경우 침투율이 상대적으로 낮게 나타났다. 특히 흥업저수지의 경우 현장 조사를 통해 논의 침투량을 측정한 결과 수혜지역 상류지점의 침투량이 평균 35.0 mm/day로 나타나 수정된 Puckett 공식과 유사하게 높은 침투율을 보였다. 일반적으로 농업용수설계기준에서 논의 침투율을 2－3 mm/day로 가정하는 것과 비교하여 논의 침투율은 필지별로 상이한 것으로 나타났다. 따라서 효율적인 농업용수 공급을 위해서는 용수공급시 필지별 침투율을 고려한 농업용수 공급이 필요한 것으로 판단되었다.
Penman-Monteith 기반 증발산량 산정
시험유역 저수지(흥업저수지, 소태저수지 및 월정저수지) 수혜지역의 증발산량은 Penman-Monteith 공식을 이용하여 산정하였으며, 기상자료는 원주기상청, 밀양기상청 및 정읍기상청 자료를 수집하였다. 증발산량 산정기간은 벼 재배기간인 5월 1일－9월 21일까지의 일별 증발산량을 산정하였다(Fig. 7). 전체적으로 흥업저수지, 소태저수지 및 월정저수지의 일평균 실제증발산은 4.0－4.2 mm/day로 유사하게 나타났다. 벼 재배기간중에서 무강우기간(5 mm/day 이하)의 총 실제증발산량은 소태저수지에서 476.0 mm로 가장 높고 흥업저수지(468.0 mm) 및 월정저수지(452.0 mm) 순서로 높게 나타났으나, 지역별로 큰 차이는 발생하지 않는 것으로 나타났다.
물수지 모형 검증
본 연구에서 제시하는 물수지 모형을 검증하기 위하여 선행연구(Chung and Park, 2004)에서 제시된 경상북도 각남면 논 시험포의 회귀량 결과(I-Site1)를 사용하였다(Table 4). 각남면 시험포의 재배 벼 품종은 대안과 일품이며, 영농관리는 5월 상순에 못자리를 만들고 6월 상순에 이앙 및 9월 중순에 용수공급이 중지되었다. 청도 각남면 인근에 위치한 대구기상청의 2003년 작물재배기간(5월 1일－9월 21일)의 강수량은 1,425.4 mm가 발생하였으며, 일평균 증발산량은 4.4 mm/day 및 침투량은 3.0 mm/day로 관측(현장 실측)되었다. 대구기상청의 기상자료를 이용하여 Penman-Monteith 기반으로 증발산량을 산정하였으며, 침투량은 관측값 3.0 mm/day를 물수지 모형에 적용하였다. 시험유역의 일평균 증발산량 모의값은 3.8 mm/day으로 선행연구의 실측값과 유사하게 나타났으며, 지연회귀율은 모의값이 24.5%로 실측값(23.5%)과 매우 유사하게 나타났다. 물수지 모형 적용시 동일한 실측 침투량을 사용하였으나, 선행연구(무강우 일수 기준 없음)와 본 연구에서 가정한 무강우 일수(5 mm/day 이하)에서 다소 차이가 발생하기 때문에 지연회귀율에서 다소 차이가 발생한 것으로 판단되었다. 물수지 분석 기반으로 산정된 신속회귀율(42.5%)은 실측값(30.2%)과 비교하여 12.3% 정도 높게 나타났다. 동일한 농업용수 공급량(600.1 mm)를 사용하여 논 필지내에서 발생하는 물손실인 증발산량과 지연회귀수(침투량)의 모의값과 실측값이 차이가 크지 않은 것을 고려할 때, 신속회귀율의 차이는 논 필지내의 횡침투에서 기인하는 것으로 판단되었다. 횡침투의 관측은 현실적으로 매우 어렵지만, 횡침투 역시 지연회귀수와 기저회귀수로 형태로 지하수 및 하천으로 유입되는 것을 고려할 때 실제 하천으로 유입되는 회귀율은 실측값 30.2%보다 높을 것으로 판단된다.
Table 4.
Validation of the water balance model at I-Site1 (Gaknam-myeon site) in Cheongdo (Gyeongsangbuk-do)
시험유역 회귀율 산정
시험유역을 대상으로 무강우기간 물수지 모형 기반의 회귀율을 산정하였다(Fig. 8). 논 재배기간동안 수혜지역으로 공급된 농업용수는 총 5,312,111 m3이 공급되었으며, 시험유역의 증발산량, 침투량 및 수로손실량은 각각 777,504 m3, 2,510,234 m3 및 132,803 m3이 발생하였다. 흥업저수지 유역의 강우량은 월별 편차가 낮게 나타났으며, 이러한 강우특성으로 인하여 농업용수 공급량 역시 소태저수지 및 월정저수지와 비교하여 월별 차이가 상대적으로 낮게 나타났다. 흥업저수지 수혜지역의 경우 침투량이 증발산량과 수로손실량과 비교하여 매우 높게 나타났다. 이는 논 수혜지역의 높은 침투량(평균 27.2 mm/day)으로 인하여 침투량이 상대적으로 높은 것으로 판단된다. 소태저수지의 총 공급량은 1,352,747 m3의 농업용수가 공급되었으며, 증발산량, 침투량 및 수로손실량은 각각 403,758 m3, 143,906 m3 및 33,819 m3이 발생하였다. 소태저수지 유역의 강우량은 5월 및 6월에 각각 107.9 mm 및 68.9 mm가 발생하였으며, 상대적으로 낮은 강우가 발생한 6월에 공급량이 크게 증가하는 것으로 나타났다. 7월 및 8월의 경우 308.2 mm 및 302.3 mm의 많은 강우가 발생하였으며, 공급량 역시 상대적으로 높게 나타났다. 이는 농업용 저수지의 경우 호우기간에 많은 강우가 발생할 경우 저수율을 낮추기 위하여 인위적으로 배수하기 때문에 공급량이 상대적으로 높게 나타난 것으로 판단되었다. 소태저수지의 증발산량, 침투량 및 수로손실량 순서로 회귀량이 높게 발생하였다. 월정저수지의 총 공급량은 1,674,022 m3의 농업용수가 공급되었으며, 증발산량, 침투량 및 수로손실량은 각각 587,041 m3, 22,230 m3 및 41,851 m3이 발생하였다. 5월 및 6월의 강우량이 상대적으로 낮게 발생하여 공급량이 높게 나타났으며, 이후 7월부터는 공급량이 다소 감소하는 것으로 나타났다. 월정저수지 역시 소태저수지와 유사하게 증발산량이 가장 높게 나타났으며, 이후 수로손실량 및 침투량 순서로 나타났다. 전체적으로 월별 공급량은 지역별 강우량의 크기에 반비례하는 경향을 보였으나, 증발산량, 침투량 및 수로손실은 상대적으로 일정하게 발생하는 것으로 나타났다.
흥업저수지의 하천수회귀율 및 지연회귀율은 각각 35.9% 및 49.9%로 총 공급량의 85.7%가 하천 및 지하수로 회귀되는 것으로 나타났다(Table 5). 특히 상대적으로 높은 침투량으로 인하여 지하수로 회귀하는 양이 매우 높게 나타났다. 월정저수지의 하천수회귀율 및 지연회귀율은 각각 61.1% 및 3.9%로 총 공급량의 64.9%가 하천 및 지하수로 회귀되었으며, 소태저수지의 경우 하천수회귀율 및 지연회귀율은 각각 51.2% 및 15.7%로 총 공급량의 66.9%가 하천 및 지하수로 회귀되었다. 전체적으로 침투율이 높은 흥업저수지 수혜지역의 전체 회귀량이 높게 나타났으며, 소태저수지 및 월정저수지의 회귀율은 유사하게 나타났다. 흥업저수지, 소태저수지 및 월정저수지의 증발산량의 차이가 크지 않은것을 고려하면, 수혜지역의 침투량이 회귀율에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한 지역적으로는 유역배율이 가장 낮은 월정저수지(2.3)의 회귀율이 가장 낮은 것으로 판단된다.
Table 5.
Rates of land surface runoff and delayed return flow from the paddy areas in 2021
논 하천수회귀수가 하천유량에 미치는 영향 평가
흥업저수지, 소태저수지 및 월정저수지 논 수혜지역에서 하천으로 회귀하는 하천수회귀수가 하천유량에 미치는 영향(기여도)을 분석하였다. Table 6은 시험유역의 월별 회귀수가 하천유량에 미치는 기여도를 나타낸다. 논 재배기간의 흥업저수지, 소태저수지 및 월정저수지의 하천수회귀수의 하천기여도는 각각 28.1%, 49.6% 및 76.3%로 나타나 전체적으로 하천에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 월별 하천기여도는 강우량과 반비례하는 경향이 나타났다. 하천기여도는 5월 및 6월에 상대적으로 높게 나타났으며, 호우기간인 7월 및 8월에 낮아지는 경향을 보였다. 이는 강우량이 적은 봄철(5월 및 6월)에는 농업용수가 가장 많이 필요한 시기이기 때문에 천수(자연 강우)만으로는 물이 부족하여 저수지에 저수된 용수가 공급되기 때문에 하천유량 이상의 농업용수 공급으로 인한 하천수회귀량이 크게 증가한 것으로 판단되었다. 그러나 7월 및 8월의 경우 많은 양의 강우가 발생하기 때문에 상대적으로 하천수회귀수의 하천기여도가 낮게 나타났다. 또한 소태저수지의 경우 9월에도 하천기여도가 188.5%로 높게 나타났으며, 이는 7월 및 8월 많은 양의 강우 발생으로 인한 인위적인 배수가 9월의 하천기여도에 영향을 미친 것으로 판단되었다. 이렇듯 하천수회귀수의 하천기여도는 시간에 따른 강우량, 작물생육 단계별 필요수량, 인위적 물관리 등에 따라 상대적으로 크게 변화하는 것으로 판단되었으며, 이에 관한 추가적인 연구가 필요한 것으로 사료된다.
Table 6.
Contribution of land surface runoff to stream flow
결 론
본 연구에서는 물수지 분석 기법을 이용하여 논에서 하천으로 회귀하는 농업용수 하천수회귀수가 하천유량에 미치는 영향을 평가하였다. 저수지에서 공급되는 농업용수 공급량(100%)을 기준으로 논 수혜지역에서 소비되는 증발산량과 지연회귀량을 제외하여 실제 하천으로 유입되는 하천수회귀량(신속회귀량, 기저회귀량 및 배분관리용수량)을 산정하였다. 자연하천유량은 탱크모형을 이용하여 산정하였으며, 논 수혜지역 말단부 지점을 기준으로 하천수회귀수가 하천유량에 미치는 기여도를 산정하였다. 하천수회귀율 산정을 위하여 강원도 원주시 흥업저수지(R-Site1), 경상남도 밀양군 소태저수지(R-Site2) 및 전라북도 순청군 월정저수지(R-Site3)을 선정하였다. 논의 증발산량과 침투량은 FAO Penman-Monteith 및 수정된 Puckett 공식을 이용하여 산정하였다. 논 토양의 침투량 산정을 위하여 실측 침투량(I-Site1－I-Site7)자료를 이용하여 Puckett 공식을 수정하였으며, 전체적으로 수정된 Puckett 공식 기반 침투량 모의값이 실측값과 유사하게 나타났다. 논 재배기간의 흥업저수지, 소태저수지 및 월정저수지의 하천수회귀수의 하천기여도는 각각 28.1%, 49.6% 및 76.3%로 나타나 전체적으로 하천에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 하천수회귀량의 월별 하천기여도는 강우량과 반비례하는 것으로 나타났다. 특히, 봄가뭄이 발생하는 5－6월에 높게 나타났으나, 많은 강우가 발생하는 7월 부터는 하천기여도가 상대적으로 낮게 나타났다. 봄가뭄이 주로 발생하는 5－6월에는 농업용수가 가장 많이 필요한 시기이기 때문에 천수(자연 강우)만으로는 물이 부족하여 저수지에 저수된 용수가 함께 공급된다. 따라서 5－6월의 하천기여도가 100% 이상으로 매우 높게 나타났으나, 많은 강우가 발새하는 7월 이후에는 상대적으로 하천수회귀수의 하천기여도가 낮은 것으로 판단되었다. 이렇듯 하천수회귀수의 하천기여도는 시간에 따른 강우량, 작물생육 단계별 필요수량, 인위적 물관리 등에 따라 상대적으로 크게 변화하는 것으로 나타났다. 이렇듯 농업용수는 실제 수혜지역에 공급되는 공급량의 상당부분이 하천 및 지하수로 회귀하기 때문에 농촌환경 및 수생태 건강성에 기여하고 있다. 본 연구에서 사용한 흙토람에서 제공하는 논 지역의 침투량 산정결과 논 필지별 침투율이 상이한 것으로 나타났으며, 일반적으로 농업용수설계기준에서 논의 침투율을 단일 침투율로 가정하는 것을 고려할 때 향후 다양한 지역의 저수지 수혜지역의 회귀수 산정을 위해서는 필지별 침투율 산정 대한 추가적인 연구를 통하여 수정된 Puckett 공식의 검증이 필요할 것으로 판단되었다. 또한 본 연구에서는 논 침투량에서 지연회귀량과 기저회귀량을 동일한 것으로 가정하였기 때문에 하천수회귀량 산정시 불확실성이 발생하는 제약이 있을 것으로 판단된다. 향후 이에 관한 추가적인 연구를 통하여 현실적인 하천수회귀량 제시가 필요하며, 이를 통하여 농업용수의 식량안보 기능 외에도 다양한 공익적･다원적 기능에 관한 추가적인 연구가 필요하다.
