MODSIM을 이용한 농업용 수리시설의 용수공급율 평가 - 금강권역을 중심으로 - Assessment of the Potential Water Supply Rate of Agricultural Irrigation Facilities Using MODSIM - For Geum River Basin -원문보기
농업가뭄에 대한 대책 마련을 위해서는 가뭄기간 동안의 농업용 수리시설에 의한 용수공급 가능량의 파악이 매우 중요하다. 본 연구에서는 네트워크 물수지 모형인 MODSIM을 이용하여 농업용 수리시설을 고려한 물수지 네트워크를 구성하고 36개년(1967-2002) 동안의 물수지 분석을 수행하여 농업용수 공급측면의 가뭄을 평가하였다. 분석 결과, 과거 가뭄발생 기간에 농업용수 부족량이 다른 기간에 비해 많이 발생함을 확인할 수 있었으며, 대표적인 가뭄 년인 1994, 1995, 2001년의 부족량은 745.8백만 m$^3$, 661.1백만 m$^3$, 696.8백만 m$^3$으로 분석되었다. 또한 소유역 평균 용수공급 가능량은 생 공용수의 경우 99.1 %, 농업용수의 경우 84.4 %로 비교적 낮은 공급 가능율을 보였으며, 1994, 1995, 2001년의 농업용수공급 가능량은 74.8 %, 79.2 %, 77.9 %로 소유역 평균보다 낮은 수준으로 분석되었다. 농업용 수리시설물의 기여도 평가를 수행한 결과 양수장과 보의 기여율은 32.5 %, 집수암거와 관정의 기여율은 4.0 %로 분석되었으며, 집수암거와 관정은 양수장과 보에 비해서 상당히 적은 기여율을 갖지만 농업가뭄 해소에 어느 정도 도움을 주는 것으로 분석되었다.
농업가뭄에 대한 대책 마련을 위해서는 가뭄기간 동안의 농업용 수리시설에 의한 용수공급 가능량의 파악이 매우 중요하다. 본 연구에서는 네트워크 물수지 모형인 MODSIM을 이용하여 농업용 수리시설을 고려한 물수지 네트워크를 구성하고 36개년(1967-2002) 동안의 물수지 분석을 수행하여 농업용수 공급측면의 가뭄을 평가하였다. 분석 결과, 과거 가뭄발생 기간에 농업용수 부족량이 다른 기간에 비해 많이 발생함을 확인할 수 있었으며, 대표적인 가뭄 년인 1994, 1995, 2001년의 부족량은 745.8백만 m$^3$, 661.1백만 m$^3$, 696.8백만 m$^3$으로 분석되었다. 또한 소유역 평균 용수공급 가능량은 생 공용수의 경우 99.1 %, 농업용수의 경우 84.4 %로 비교적 낮은 공급 가능율을 보였으며, 1994, 1995, 2001년의 농업용수공급 가능량은 74.8 %, 79.2 %, 77.9 %로 소유역 평균보다 낮은 수준으로 분석되었다. 농업용 수리시설물의 기여도 평가를 수행한 결과 양수장과 보의 기여율은 32.5 %, 집수암거와 관정의 기여율은 4.0 %로 분석되었으며, 집수암거와 관정은 양수장과 보에 비해서 상당히 적은 기여율을 갖지만 농업가뭄 해소에 어느 정도 도움을 주는 것으로 분석되었다.
To prepare for agricultural droughts, the potential discharge to the water supply of irrigation facilities during drought periods is important. Using the MODSIM (Modified SIMYLD) model, water balance networks that consider irrigation facilities were designed for the Geum River Basin, and the potenti...
To prepare for agricultural droughts, the potential discharge to the water supply of irrigation facilities during drought periods is important. Using the MODSIM (Modified SIMYLD) model, water balance networks that consider irrigation facilities were designed for the Geum River Basin, and the potential discharge to the agricultural water supply of irrigation facilities were evaluated by running the model using data for 36 years (1967-2002). It was found that agricultural water deficiencies occurred during the drought years more than in the other years. The agricultural water deficiencies in 1994, 1995, and 2001, the representative drought years, were 745.8 million m$^3$, 661.1 million m$^3$, and 696.8 million m$^3$, respectively. The average potential discharge to the water supply of the sub-basin was 99.1 % in the cases of municipal and industrial water, and 84.4 % in the case of agricultural water. The potential discharge to the water supply in 1994, 1995, and 2001 were 74.8 %, 79.2 %, and 77.9 %, respectively, which are lower than those of the other years' sub-basin average. In the analysis of the contribution of each irrigation facility, the contributions of pumping stations and diversions were calculated as 32.5 %, and of culverts and wells, 4.0 %. During the drought periods, the pumping stations and diversions contributed to a certain level.
To prepare for agricultural droughts, the potential discharge to the water supply of irrigation facilities during drought periods is important. Using the MODSIM (Modified SIMYLD) model, water balance networks that consider irrigation facilities were designed for the Geum River Basin, and the potential discharge to the agricultural water supply of irrigation facilities were evaluated by running the model using data for 36 years (1967-2002). It was found that agricultural water deficiencies occurred during the drought years more than in the other years. The agricultural water deficiencies in 1994, 1995, and 2001, the representative drought years, were 745.8 million m$^3$, 661.1 million m$^3$, and 696.8 million m$^3$, respectively. The average potential discharge to the water supply of the sub-basin was 99.1 % in the cases of municipal and industrial water, and 84.4 % in the case of agricultural water. The potential discharge to the water supply in 1994, 1995, and 2001 were 74.8 %, 79.2 %, and 77.9 %, respectively, which are lower than those of the other years' sub-basin average. In the analysis of the contribution of each irrigation facility, the contributions of pumping stations and diversions were calculated as 32.5 %, and of culverts and wells, 4.0 %. During the drought periods, the pumping stations and diversions contributed to a certain level.
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문제 정의
하지만 소유역별로 하나의 큰 저수지로 가정했기 때문에 농업용 저수지의 운영방식을 고려하여 값을 설정하는데 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 금강유역의 대표적인 저수지를 선정하여 선정된 대표저수지의 운영방식을 입력하였다. 금강유역 총 2,611개 저수지의 유효저수량과 관개면적, 수혜면적을 모두 조사하여 유효저수량과 관개면적, 수혜면적이 큰 순으로 나열한 뒤 저수지 저수량의 시계열 자료의 확보가 용이하며, 금강권역 내에 골고루 분포되는 7개의 저수지 즉, 대아, 예당, 탑정, 경천, 백곡, 미호, 구이저수지를 최종적으로 선정하였다.
본 연구는 MODSIM 모형을 이용하여 농업용수 공급 가능량을 평가하고자 농업용 수리시설을 고려하여 물수지 네트워크를 구성하고, 물수지 분석을 수행하였다. 또한 농업용 수리시설물의 고려 유·무에 따른 농업용수공급 가능량과 기여도를 평가하였다.
본 연구에서는 가뭄 시 권역별 용수공급 가능율을 평가하기 위해서 MODSIM 네트워크 모형을 이용하여 농업용 수리시설을 고려한 네트워크를 구성하고, 농업용수 공급측면에서의 물수지 분석체계를 구축하여 다양한 시나리오에 따른 농업용수공급 가능율을 평가하고자 한다.
본 연구에서는 농업용 수리시설의 용수공급 기여도를 분석하고자 소유역별로 자체 물 공급원인 농업용 저수지를 고려하였다. 금강유역 농업용 저수지는 약 2,611개로 이를 모두 고려하기에는 무리가 있기 때문에 한 개의 소유역에 속해있는 모든 저수지의 유효저수량을 합산하여 이를 하나의 큰 저수지로 가정하여 분석을 수행하였다.
또한 하천유지유량, 회귀율, 광역 물 이동량, 공급 우선순위, 댐 운영자료 등이 필요하다. 본 연구의 목적은 농업용수의 공급 가능량을 평가하는 것으로 다목적 댐 운영자료 외에 농업용 수리시설(저수지, 양수장, 보, 집수암거, 관정 등)을 추가로 고려하여 이들 공급량 및 운영자료 등을 입력 자료로 추가하였다.
가설 설정
2) 농업용 수리시설을 고려한 물수지 네트워크를 구성은 지류와 본류를 구분하고, 금강권역 내 농업용수리시설 각각에 대해서 소유역별 하나의 큰 시설물로 가정하여 구성하였다.
본 연구에서는 농업용 수리시설의 용수공급 기여도를 분석하고자 소유역별로 자체 물 공급원인 농업용 저수지를 고려하였다. 금강유역 농업용 저수지는 약 2,611개로 이를 모두 고려하기에는 무리가 있기 때문에 한 개의 소유역에 속해있는 모든 저수지의 유효저수량을 합산하여 이를 하나의 큰 저수지로 가정하여 분석을 수행하였다. 따라서 유출량 자료도 전체 소유역 유출량에서 농업용 저수지유역의 유출량을 분리하는 작업이 필요하다.
금강유역 내 농업용 저수지는 2,611개소, 양수장은 1,337개소, 보는 2,883개소, 집수암거는 593개소, 관정은 3,120개소로 이들 농업용 수리시설물을 모두 고려하는 것은 무리가 있다. 따라서 해당 소유역 별로 속해있는 모든 수리시설물의 각각의 저수용량, 양수량, 취수량, 채수량 등을 합산하여 소유역 하나당 하나의 수리시설물로 가정하기로 하였다. 농업용 저수지, 양수장, 보는 주로 수리답에 용수를 공급하며, 양수장, 집수암거, 관정은 관개전에 용수를 공급한다.
양수장, 보의 공급량 자료는 하루 10시간, 1년에 120일(5월∼8월) 동안 가동하는 것으로 가정하였으며, 집수암거, 관정은 자료는 1년에 270일(2월∼10월) 동안 가동하는 것으로 가정하여 이들 년 자료를 월 자료로 변환하였다(Tables 3 and 4).
왼쪽의 기여율 그림에서 나타나듯이 월별 기여율 패턴을 보면 양수장과 보(PD)는 5월∼8월에 가장 높은 기여율을 보이고, 집수암거와 관정(CW)은 2월∼10월 동안 공급이 계속 이루어지는 것을 알 수 있는데, 이는 본 연구에서 농업용 수리시설의 공급량자료 구축 시양수장과 보의 공급량은 1년에 120일(5월∼8월) 동안 가동하는 것으로 가정하였고, 집수암거와 관정의 공급량은 1년에 270일(2월∼10월) 동안 가동하는 것으로 가정한 것이 반영되었기 때문으로 판단된다.
제안 방법
본 연구에서 농업용수공급 가능량을 평가하기 위한 물수지 분석으로 네트워크 모형인 MODSIM을 이용하였다. MODSIM 네트워크 모델링을 위한 입력자료 구축을 위해 금강권역을 21개의 중권역 단위로 분할하여 물수지 분석을 수행하였다. 이 중권역 단위 유역은 이수계획을 위해서 수자원장기종합계획(건설교통부, 2006)에서 분할·적용한 중권역과 동일하다.
세 번째 식은 모든 링크 흐름에서의 상한과 하한을 제한하는 물리적인 제한조건이다. MODSIM은 Bertsekas와 Tseng에 의해 개발된 Lagrangian relaxation에 기초한 쌍대절차(dual procedure)를 통합한 효율적인 Primal-Dual 네트워크 최적 알고리즘의 원리를 채택하여 개발되었다. Lagrangian relaxation 알고리즘 해석기법은 기존의 out-of-kilter 알고리즘 보다 훨씬 우세할 뿐만 아니라, Primal에 기초한 네트워크 알고리즘보다도 계산수행 속도 면에서 매우 우수하다(Bertsekas and Tseng, 1988a, b).
본 연구에서 고려한 농업용 수리시설은 저수지(R), 양수장(P), 보(D), 집수암거(C), 관정(W)이다. 가뭄년인 1994년, 1995년, 2001년에 대하여 첫 번째로 농업용 수리시설(저수지, 양수장, 보, 집수암거, 관정)을 모두 운영하는 조건(RPDCW)에서 물수지 계산을 통해 농업용수 부족량을 산정하여 권역내 농업용 수리시설의 기여도를 평가하였다. 두 번째로 저수지, 펌프, 보만 운영하는 조건(RPD)에서 물수지 계산을 통해 첫 번째 경우와 비교하여 집수암거와 관정(지하수)의 공급 가능량을 평가하였다.
따라서 본 연구에서는 금강유역의 대표적인 저수지를 선정하여 선정된 대표저수지의 운영방식을 입력하였다. 금강유역 총 2,611개 저수지의 유효저수량과 관개면적, 수혜면적을 모두 조사하여 유효저수량과 관개면적, 수혜면적이 큰 순으로 나열한 뒤 저수지 저수량의 시계열 자료의 확보가 용이하며, 금강권역 내에 골고루 분포되는 7개의 저수지 즉, 대아, 예당, 탑정, 경천, 백곡, 미호, 구이저수지를 최종적으로 선정하였다. 금강유역 총 2,611개 저수지의 유효저수량과 관개면적, 수혜면적을 모두 조사하여 유효저수량과 관개면적, 수혜면적이 큰 순으로 나열한 뒤 저수지 저수량의 시계열 자료의 확보가 용이하며, 금강권역 내에 골고루 분포되는 7개의 저수지 즉, 대아, 예당, 탑정, 경천, 백곡, 미호, 구이저수지를 최종적으로 선정하였다.
윤석영과 유주환(1999), 유주환(2000a,b,c,d), 유주환(2005)은 전국을 5대강 유역에 대하여 물 공급 안전도를 평가할 수 있는 물수지 분석 시스템을 구축하는데 MODSIM을 도입하였다. 기존 물수지 방법과 비교분석한 결과 수리권에 따른 공급 우선권 고려가 편리하게 변경 가능하였으며, 용수 수요에 대한 댐 공급의 기여도를 분석하였다. 안상진 등(2006)은 네트워크 모형인 MODSIM을 이용하여 충청지역의 행정중심복합도시 건설 전·후의 용수공급에 대해서 분석하였으며, 유입인구가 20만명 정도에 이를 때까지는 용수 수급상 부족이 없었으나, 50만명이 유입되는 경우에는 물 부족이 발생하는 것으로 분석되었다.
용수 수요량은 수자원장기종합계획(건설교통부, 2006) 의 2006년 기준수요량 자료를 이용하였고 목적별로 생·공용수, 농업용수, 하천유지유량으로 구분하여 적용하였다. 농업용수 수요량은 수자원장기종합계획에서 관개전, 비관개전, 수리답, 수리불안전답, 축산용수를 모두 포함하지만 본 연구에서는 농업용 수리시설을 고려한 농업용수공급 가능량 평가가 목적이므로 관개전과 수리답만을 합한 값을 농업용수 수요량으로 적용하였다. Fig.
대표적인 가뭄년인 1994년, 1995년, 2001년을 선정하여 물수지 분석결과에 대한 용수공급 가능량을 평가해 보았다. Table 6에는 농업용수 수요량, 공급량, 공급 가능율, 부족량, 부족비율에 대해 소유역별로 정리하였다.
댐을 목적별로 구분하면 다목적댐, 생·공용수댐, 농업용수댐, 발전댐 등으로 구분이 가능하며, 본 연구에 서는 농업용 저수지를 따로 고려하여 물수지 분석을 수행하므로 댐 운영은 다목적댐인 용담댐과 대청댐을 적용하였다.
또한 용수수요 공급 중에서는 생·공용수, 농업용수, 하천유지유량의 순으로 우선 공급하도록 하였으며 광역상수도에 의한 광역 물 이동은 가장 우선적으로 공급하도록 우선순위를 가장 높게 부여하였다. 댐의 목표저수량 유지보다 농업용 저수지의 용수수요 공급의 우선순위를 높게 하여 자체공급원에서 먼저 수요 공급이 이루어지도록 하였다. 본 연구에서 적용한 용담댐과 대청댐의 우선순위는 수자원의 최적화 연구(Ⅲ)(건설교통부, 1999)의 연구를 토대로 저수량의 회복능력이 큰 댐을 우선 공급하도록 하였다.
가뭄년인 1994년, 1995년, 2001년에 대하여 첫 번째로 농업용 수리시설(저수지, 양수장, 보, 집수암거, 관정)을 모두 운영하는 조건(RPDCW)에서 물수지 계산을 통해 농업용수 부족량을 산정하여 권역내 농업용 수리시설의 기여도를 평가하였다. 두 번째로 저수지, 펌프, 보만 운영하는 조건(RPD)에서 물수지 계산을 통해 첫 번째 경우와 비교하여 집수암거와 관정(지하수)의 공급 가능량을 평가하였다. 세 번째로 농업용 저수지만을 운영하는 조건(R)에서 물수지 계산을 통해 저수지의 공급능력을 파악하고 두 번째 경우와 비교하여 양수장과 보의 공급 가능량을 평가하였다.
또한 농업용 수리시설물의 고려 유·무에 따른 농업용수공급 가능량과 기여도를 평가하였다.
농업용수 수요량 노드(3001_agr)에 농업용수를 공급하는 다른 수리시설물로 양수장 노드(3001_agr_p)와 보 노드(3001_agr_d)는 농업용 저수지 유입량이 하천수로 흘러들어가는 것을 다시 역으로 끌어들여 공급하도록 하였고, 집수암거 노드(3001_agr_c)와 관정 노드(3001_agr_w)는 지하수의 물을 이용하는 것이기 때문에 따로 노드를 연결해주었다. 만약 해당유역에 소유역간 물이동이 있을 경우 추가노드를 통하여 유역간 물이동이 이루어지도록 하였다.
저수지 운영 초기수위의 저수용량의 경우 본 연구에서는 만수위 때 저수용량을 적용하였는데 이 가 정치는 운영기간이 짧을 경우 조작에 큰 영향을 미치지만 본 연구에서처럼 30년간의 장기간 운영의 경우 운영 결과에 별다른 영향을 미치지 않는다. 목표저수량은 저수지 운영 중에 공급 포텐셜을 나타내는 것으로 이수를 위한 최고수위인 상시만수위 또는 홍수기 제한수위의 저수량을 적용하였다. 이는 저수지 운영시에 저수지에서 최대공급을 하되 잉여물량이 있을 경우는 이수용량을 최대한도로 채우게 하기위한 방편인 것이다.
물수지 분석은 36년(1967년～2002년)간의 시계열 자연유출량과 기준년도(2006년)의 용수수요량을 기준으로 월별 모의를 수행하였으며, 앞에서 구성된 금강유역 네트워크에 필요한 자료를 입력하고 MODSIM을 실행하여 1967년부터 2002년까지의 물 부족량을 산정하였다. 물수지 분석결과는 연도별, 소유역별로 수요량, 공급량, 부족량에 대하여 정리하고, 용수공급 가능량을 평가하기 위해 수요량에 대한 부족량의 비율에 대하여 나타내고 이를 용수공급 가능율(용수공급율)이라 정의하였다.
댐의 목표저수량 유지보다 농업용 저수지의 용수수요 공급의 우선순위를 높게 하여 자체공급원에서 먼저 수요 공급이 이루어지도록 하였다. 본 연구에서 적용한 용담댐과 대청댐의 우선순위는 수자원의 최적화 연구(Ⅲ)(건설교통부, 1999)의 연구를 토대로 저수량의 회복능력이 큰 댐을 우선 공급하도록 하였다. 물수지분석 네트워크 출구인 sink는 네트워크 내 수요충족 후 잔여물량이 하구로 유출되도록 우선순위를 가장 낮게 부여하였다.
본 연구에서는 농업용 수리시설의 운영여부에 따라 소유역별 농업용수공급 가능량을 평가하기 위하여 3가지 경우로 나누어 비교분석하였다. 본 연구에서 고려한 농업용 수리시설은 저수지(R), 양수장(P), 보(D), 집수암거(C), 관정(W)이다.
금강유역 MODSIM 네트워크에 입력되는 수요량 공급의 우선도(priority)는 -999∼999까지 적용 가능하며 숫자가 작은 값이 우선권을 갖는다. 본 연구에서는 물수지 분석의 관행이나 다른 선행연구의 계산을 참고하여 하류보다는 상류 우선공급, 본류보다는 지류 우선공급 원칙을 부여하였다. 또한 용수수요 공급 중에서는 생·공용수, 농업용수, 하천유지유량의 순으로 우선 공급하도록 하였으며 광역상수도에 의한 광역 물 이동은 가장 우선적으로 공급하도록 우선순위를 가장 높게 부여하였다.
두 번째로 저수지, 펌프, 보만 운영하는 조건(RPD)에서 물수지 계산을 통해 첫 번째 경우와 비교하여 집수암거와 관정(지하수)의 공급 가능량을 평가하였다. 세 번째로 농업용 저수지만을 운영하는 조건(R)에서 물수지 계산을 통해 저수지의 공급능력을 파악하고 두 번째 경우와 비교하여 양수장과 보의 공급 가능량을 평가하였다.
용수 수요량은 수자원장기종합계획(건설교통부, 2006) 의 2006년 기준수요량 자료를 이용하였고 목적별로 생·공용수, 농업용수, 하천유지유량으로 구분하여 적용하였다.
따라서 유출량 자료도 전체 소유역 유출량에서 농업용 저수지유역의 유출량을 분리하는 작업이 필요하다. 이를 위해 한 개의 소유역 전체 면적에 대한 해당 소유역의 모든 농업용 저수지유역을 비율을 계산하여 월평균 유출량에 적용하여 소유역 유출량과 농업용 저수지유역 유출량을 분리하였다. 재 산정된 유입량의 평균 면적비율은 소유역 유출량이 73 %, 농업용 저수지유역 유출량이 27 %로 산정되었다.
앞서 3가지 경우에 대한 분석을 통해 극심한 가뭄이 발생했던 1994년, 1995년, 2001년에 농업용 수리시설이 농업용수 부족을 완화시켜주는 것을 알 수 있었다. 이후 각 농업용 수리시설이 가뭄 완화에 미치는 영향을 평가하고자 소유역 별로 기여량과 기여도를 분석하였다. 그 결과를 Table 7에 정리하였으며, 양수장과 보에 비해서는 적은 공급량이지만 집수암거와 관정도 농업가뭄 해소에 어느 정도 영향을 주는 것으로 분석되었다.
이들 선정된 7개 저수지 저수량과 2,611개의 저수지들을 행정구역별로 합산한 저수량과 비교해봤을 때 대표저수지 저수량이 해당 행정구역별 저수량의 합계의 72～95 %로 상당부분을 차지하였다. 이후 이들 저수지 중에서 소유역의 유효저수량과 비슷한 저수지를 소유역의 대표저수지로 결정하고 과거 16개년(1991년～2006년)의 최고, 평균, 최저저수율을 이용하여 소유역의 유효저수량과 곱하여 최고, 평균, 최저저수용량을 산정하였다. 단, 과거 16개년(1991년～2006년)의 저수율은 가뭄년인 1994년, 1995년, 2001년은 제외하고 적용하였다.
대상 데이터
1) MODSIM 네트워크 모델링을 위해 금강권역을 21개의 중권역으로 분할하고, 입력 자료로는 유출량, 용수 수요량 및 용수공급시설에 의한 공급량, 하천 유지유량, 광역 물 이동량, 공급 우선순위, 댐 운영자료 등을 준비하였다. 또한 농업용 수리시설(저수지, 양수장, 보, 집수암거, 관정)의 공급량 및 운영 자료를 추가로 고려하였다.
광역 물 이동량은 광역상수도 또는 지방상수도 시설에 의하여 한 소유역에서 취수된 물이 다른 소유역으로 이동되는 것으로 이로 인해 수자원의 유역간 이동이 발생한다. 광역 물 이동량은 수자원장기종합계획(건설교통부, 2006)의 자료를 이용하였다.
이 중에서 양수배장은 금강유역 내 개소 수가 미미하여 제외하고 이중 치수시설인 배수장도 네트워크에서 제외하였다. 농업용 저수지 운영 자료는 한국농촌공사의 농업기반시설관리시스템(RIMS)의 자료와 금강유역조사 보고서(건설교통부, 2006)를 이용하였고, 나머지 양수장, 보, 집수암거, 관정 등의 자료는 금강유역조사 보고서(건설교통부, 2006)의 자료를 이용하였다. 금강유역 내 농업용 저수지는 2,611개소, 양수장은 1,337개소, 보는 2,883개소, 집수암거는 593개소, 관정은 3,120개소로 이들 농업용 수리시설물을 모두 고려하는 것은 무리가 있다.
댐을 목적별로 구분하면 다목적댐, 생·공용수댐, 농업용수댐, 발전댐 등으로 구분이 가능하며, 본 연구에 서는 농업용 저수지를 따로 고려하여 물수지 분석을 수행하므로 댐 운영은 다목적댐인 용담댐과 대청댐을 적용하였다. 댐 운영에 필요한 자료는 최대 저수용량, 최소 저수용량, 저수지 운영 초기수위의 저수용량, 목표저수량(Target Storage) 등이 있으며 댐 설계 및 관리 자료인 다목적댐 운영 실무 편람(한국수자원공사, 1998)을 이용하였다.
본 연구에서는 농업용 수리시설의 운영여부에 따라 소유역별 농업용수공급 가능량을 평가하기 위하여 3가지 경우로 나누어 비교분석하였다. 본 연구에서 고려한 농업용 수리시설은 저수지(R), 양수장(P), 보(D), 집수암거(C), 관정(W)이다. 가뭄년인 1994년, 1995년, 2001년에 대하여 첫 번째로 농업용 수리시설(저수지, 양수장, 보, 집수암거, 관정)을 모두 운영하는 조건(RPDCW)에서 물수지 계산을 통해 농업용수 부족량을 산정하여 권역내 농업용 수리시설의 기여도를 평가하였다.
유출량 자료는 수자원장기종합계획(건설교통부, 2006)에서 강우-유출 모형인 탱크모형을 이용하여 중권역 단위로 산정한 자연유출량자료를 이용하였다. 자연 유출량 산정기간은 1967년부터 2002년까지 36개년이며 월평균 유출량자료를 각 소유역별로 준비하였다.
이론/모형
본 연구에서 농업용수공급 가능량을 평가하기 위한 물수지 분석으로 네트워크 모형인 MODSIM을 이용하였다. MODSIM 네트워크 모델링을 위한 입력자료 구축을 위해 금강권역을 21개의 중권역 단위로 분할하여 물수지 분석을 수행하였다.
유출량 자료는 수자원장기종합계획(건설교통부, 2006)에서 강우-유출 모형인 탱크모형을 이용하여 중권역 단위로 산정한 자연유출량자료를 이용하였다. 자연 유출량 산정기간은 1967년부터 2002년까지 36개년이며 월평균 유출량자료를 각 소유역별로 준비하였다.
MODSIM은 미국 텍사스의 수자원 개발부(1972)가개발했던 네트워크 모형인 SIMYLD를 미 콜로라도 주립대학교 Labadie 교수가 수정하여 개발한 모형이다. 이모형은 일반화된 하천유역 네트워크 모형(river basin network model)으로 네트워크 최적화기법인 Lagrangian relaxation 알고리즘을 사용하여 실수계산 보다는 효율이 매우 좋은 정수계산 방식을 선형네트워크의 해법으로 적용하였으며, 매트릭스 계산은 개량된 simplex method를 확장한 표준선형프로그램을 사용하여 정수계산방식이 필요한 정도의 정확도를 갖는 해를 계산할 수있도록 하였다. 하천유역 관리에 있어서 물리적 수문학적, 제도적인 측면에서 물이 배분될 수 있고, 유역 수자원관리 시실의 전체적인 배치 및 운영조건을 다양하게 반영할 수 있도록 구축되어 있다.
성능/효과
3) 모형의 물수지 분석 결과 1967년부터 2002년까지의 농업용수 부족은 1988년, 1982년, 1973년, 1994년, 1977년, 2001년, 1992년, 1995년, 1976년, 1968년, 1996년 순으로 나타났으며, 1988년에 부족량이 893.5백만 m³, 부족비율이 25.5 %로 최대 부족량이 발생하였다.
4) 농업용 수리시설물 고려 유·무에 따른 기여도를 평가한 결과 양수장과 보의 기여율은 32.5 %, 집수암거와 관정의 기여율은 4.0 %로 분석되었으며, 양수장과 보에 비해서는 적은 공급량이지만 집수 암거와 관정도 농업가뭄 해소에 어느 정도 영향을 주는 것으로 분석되었다.
우리나라의 관개면적 기준 농업용수 부족은 상당히 취약한 편이다. 논 면적을 기준으로 살펴볼 때 전체 논 면적 113만ha 중 안정적인 관개가 가능한 수리답은 88만ha로 전체 77 % 밖에 되지 않으며 23 %인 25만ha는 비에 의존하는 불안전수리답이다. 수리답의 대부분도 소형관정에 의존하여 장기적인 가뭄에 취약한 상황이다.
또한 양수장과 보가 없음으로 인해 금강유역 하류, 삽교천, 만경강, 동진강 유역이 농업용수 부족량이 가장 많이 발생하는 지역으로 분석되었다. 농업용수 공급 능력은 양수장과 보는 27.9 %, 집수암거와 관정은 5.6 %로 분석되었다.
농업용수공급율을 살펴보면 1994년에는 RPDCW (저수지, 양수장, 보, 집수암거, 관정)의 경우 74.8 %, RPD(저수지, 양수장, 보)의 경우 68.2 %, R (저수지)의 경우 38.1 %로 분석되었고, 1995년은 RPDCW (저수지, 양수장, 보, 집수암거, 관정)의 경우 79.3 %, RPD (저수지, 양수장, 보)의 경우 75.2 %, R (저수지)의 경우 50.8 %로 분석되었으며, 2001년은 RPDCW (저수지, 양수장, 보, 집수암거, 관정)의 경우 78.0 %, RPD (저수지, 양수장, 보)의 경우 71.9 %, R (저수지)의 경우 42.6 %로 분석되었다. 1994년, 1995년, 2001년 총 부족량은 RPDCW(저수지, 양수장, 보, 집수암거, 관정)의 경우 각각 611.
또한 소유역 평균 용수공급율은 생·공용수의 경우 99.1 %, 농업용수의 경우 84.4 %로 비교적 낮은 공급능력을 보였으며, 대표적인 가뭄 년인 1994년, 1995년, 2001년의 농업용수공급가능률은 74.8 %, 79.2 %, 77.9 %로 소유역 평균보다 낮은 수준으로 분석되었다.
0 %로 분석되었으며, 양수장과 보에 비해서는 적은 공급량이지만 집수 암거와 관정도 농업가뭄 해소에 어느 정도 영향을 주는 것으로 분석되었다. 또한 양수장과 보가 없음으로 인해 금강유역 하류, 삽교천, 만경강, 동진강 유역이 농업용수 부족량이 가장 많이 발생하는 지역으로 분석되었다. 농업용수 공급 능력은 양수장과 보는 27.
또한 용수수요 공급 중에서는 생·공용수, 농업용수, 하천유지유량의 순으로 우선 공급하도록 하였으며 광역상수도에 의한 광역 물 이동은 가장 우선적으로 공급하도록 우선순위를 가장 높게 부여하였다.
소유역 평균 용수공급율은 생·공용수의 경우 99.1 %의 높은 공급율을 보였고 농업용수의 경우 84.4 %로 비교적 용수공급율이 낮게 분석되 었다.
또한 양수장과 보(PD)를 고려했을 때의 기여율이 집수암거와 관정(CW)을 고려했을 때 보다 훨씬 크다는 것을 알 수 있다. 오른쪽의 공급능력 그림을 보면 1994년, 1995년, 2001년 모두 저수지, 양수장, 보, 집수암거, 관정(RPDCW)을 모두 고려했을 때와 저수지, 양수장, 보 (RPD)만 고려했을 때를 비교해 보면 집수암거와 관정(CW)의 공급 가능율을 알 수 있는데 공급 가능율이 비교적 작은 것을 알 수 있다. 반면 저수지, 양수장, 보(RPD)만 고려했을 때와 저수지(R)만을 고려했을 때를 비교해 보면 양수장과 보(PD)의 공급능력을 알 수 있으며 집수암거와 관정(CW)에 비해 공급 가능율이 훨씬 크다는 것을 알 수 있다.
금강유역 총 2,611개 저수지의 유효저수량과 관개면적, 수혜면적을 모두 조사하여 유효저수량과 관개면적, 수혜면적이 큰 순으로 나열한 뒤 저수지 저수량의 시계열 자료의 확보가 용이하며, 금강권역 내에 골고루 분포되는 7개의 저수지 즉, 대아, 예당, 탑정, 경천, 백곡, 미호, 구이저수지를 최종적으로 선정하였다. 이들 선정된 7개 저수지 저수량과 2,611개의 저수지들을 행정구역별로 합산한 저수량과 비교해봤을 때 대표저수지 저수량이 해당 행정구역별 저수량의 합계의 72～95 %로 상당부분을 차지하였다. 이후 이들 저수지 중에서 소유역의 유효저수량과 비슷한 저수지를 소유역의 대표저수지로 결정하고 과거 16개년(1991년～2006년)의 최고, 평균, 최저저수율을 이용하여 소유역의 유효저수량과 곱하여 최고, 평균, 최저저수용량을 산정하였다.
이를 위해 한 개의 소유역 전체 면적에 대한 해당 소유역의 모든 농업용 저수지유역을 비율을 계산하여 월평균 유출량에 적용하여 소유역 유출량과 농업용 저수지유역 유출량을 분리하였다. 재 산정된 유입량의 평균 면적비율은 소유역 유출량이 73 %, 농업용 저수지유역 유출량이 27 %로 산정되었다. Fig.
8백만 m³으로 분석되었다. 저수지, 양수장, 보를 고려한 경우(RPD)와 저수지만을 고려한 경우(R)를 비교했을 때 부족량이 가장 크게 차이가나는 것으로 분석되어 양수장(P)과 보(D)의 역할이 크다는 것을 알 수 있었다. 앞서 3가지 경우에 대한 분석을 통해 극심한 가뭄이 발생했던 1994년, 1995년, 2001년에 농업용 수리시설이 농업용수 부족을 완화시켜주는 것을 알 수 있었다.
최대 부족량이 발생한 소유역은 1994년, 1995년, 2001년 모두 동일하게 금강공주(3012)로 부족량이 각각 116.6, 86.2, 125.5백만 m³으로 분석되었다.
최대 부족량이 발생한 소유역은 금강공주(3012)로 부족량이 88.4백만 m³, 부족비율이 27.4 %로 분석되었다.
후속연구
정태성 등(2008)은 의사결정지원시스템으로서의 K-Modsim 모형을 개발하고 금강유역의 운영모의를 수행하여 적용성을 검토하였다. 그 결과 K-Modsim은 유역통합 수자원 관리 시 다양한 문제점 해결을 위해 사용할 수 있으며, 댐의 최적 운영율을 반영한 운영 모의도 가능함으로 실제 유역관리시스템에 활용될 수 있을 것이라 제언하였다. 차기욱 등(2007)은 KModSim을 이용하여 지표수-지하수-저수지 연계운영을 모의를 수행하였으며, 그 결과 갈수나 가뭄에서 저수지와 하천수지하수를 적절하게 이용할 경우 물 부족과 댐 하류지역의 하천유지용수 부족을 현저히 줄일 수 있는 것으로 나타났다.
한 농업용 수리시설이 용수공급을 할 수 있는 수혜 지역은 제한이 있다. 본 연구에서와 같이 금강유역 내만 여개의 수리시설물을 소유역별 하나의 큰 수리시설물로 가정하는 것은 실제의 물수지 분석에 있어 수리시설물의 운영과 차이가 생기는 한계점이 있다. 수리시설물별 정확한 수혜구역과 면적, 운영 자료가 제공된다면 좀 더 현실에 가까운 분석이 수행될 것으로 판단된다.
본 연구에서와 같이 금강유역 내만 여개의 수리시설물을 소유역별 하나의 큰 수리시설물로 가정하는 것은 실제의 물수지 분석에 있어 수리시설물의 운영과 차이가 생기는 한계점이 있다. 수리시설물별 정확한 수혜구역과 면적, 운영 자료가 제공된다면 좀 더 현실에 가까운 분석이 수행될 것으로 판단된다.
역시나 R의 경우 양수장(P)과 보(D)가 없음으로 인해 금강공주(3012), 삽교천(3101), 만경강(3301)과 동진강(3302)유역에 대해 6월에 발생한 농업용수 부족이 8월까지 해소되지 않고 계속되는 것으로 나타났다. 이처럼 권역별로 부족량을 분석한 결과 농업용수가 다른 유역에 비해 상대적으로 부족하여 농업가뭄에 취약한 지역을 파악할 수 있었으며, 용수 공급 및 배분계획 수립 시 활용이 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
MODSIM란 무엇입니까?
MODSIM은 미국 텍사스의 수자원 개발부(1972)가개발했던 네트워크 모형인 SIMYLD를 미 콜로라도 주립대학교 Labadie 교수가 수정하여 개발한 모형이다. 이모형은 일반화된 하천유역 네트워크 모형(river basin network model)으로 네트워크 최적화기법인 Lagrangian relaxation 알고리즘을 사용하여 실수계산 보다는 효율이 매우 좋은 정수계산 방식을 선형네트워크의 해법으로 적용하였으며, 매트릭스 계산은 개량된 simplex method를 확장한 표준선형프로그램을 사용하여 정수계산방식이 필요한 정도의 정확도를 갖는 해를 계산할 수있도록 하였다.
농업용수 공급은 무엇을 기준으로 합니까?
우리나라와 같이 물이 절대적으로 필요한 벼농사 위주의 농업에서 가뭄으로 인한 농업용수의 부족은 심각한 사태에 직면하고 있다. 농업용수 공급은 생활용수, 공업용수 등과 같이 일반적으로 그 전체 용량을 기준으로 하지 않고 단위면적 대비 관개량을 기준으로 한다. 즉 전체적으로 물이 풍부하다 하더라도 관개시기인 봄과 여름에 가뭄으로 인해 물을 제대로 공급해주지 못하는 현상이 발생한다.
댐 운영에 필요한 자료중에서 최대 저수용량 및 최소 저수용량이란 무엇입니까?
댐의 최대 저수용량은 댐의 이수측면의 최대용량으로서 상시만수위 때 저수용량이 된다. 최소 저수용량은 댐의 이수측면의 최저수위인 저수위 때 저수용량을 나타낸다. 저수지 운영 초기수위의 저수용량의 경우 본 연구에서는 만수위 때 저수용량을 적용하였는데 이 가 정치는 운영기간이 짧을 경우 조작에 큰 영향을 미치지만 본 연구에서처럼 30년간의 장기간 운영의 경우 운영 결과에 별다른 영향을 미치지 않는다.
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