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문제 정의
- 본 연구에서는 복합영농 관개지구 배수량 모의 모형을 이용하여 이동저수지 관개지구의 2011년도 영농기의 물수지를 분석하였다. 상류 논의 배수량이 하류 논의 관개량으로 반복 이용되는 경우는 고려하지 않았다.
- 본 연구에서는 복합영농 관개지구를 대상으로 시험지구를 선정하여 농업용수 공급량, 광역 논 물수지 요소를 모니터링하고, 농업용수 공급량 부모형, 논 광역 배수량 부모형, 시설재배지 유출량 부모형으로 구성되는 관개지구 일별 배수량 모의 모형을 개발하여 적용성을 평가하고자 한다.
- 본 연구에서는 복합영농 관개지구의 배수량을 일별로 추정하는 모형을 개발하였다. 본 모형은 농업용수 공급량 부모형, 논 광역 배수량 부모형, 시설재배지 유출량 부모형으로 구성되어 있으며, 논 포장 배수량, 용수로 배수량, 시설재배지 유출량을 구분하여 일별로 추정한다.
가설 설정
- 포장 배수량은 담수심이 물꼬 높이 이상인 경우 담수심과 물꼬 높이의 차가 전량 배수되는 것으로 가정하여 모의한다.
제안 방법
- 2. 논 광역 배수량 부모형의 적용성을 평가하기 위하여 시험 지구에 대하여 모형의 매개변수를 보정하고, 검정을 실시하였다.
- 본 모형은 농업용수 공급량 부모형, 논 광역 배수량 부모형, 시설재배지 유출량 부모형으로 구성되어 있으며, 논 포장 배수량, 용수로 배수량, 시설재배지 유출량을 구분하여 일별로 추정한다. 또한, 이동저수지 관개지구의 모니터링 자료를 이용하여 모형의 적용성을 평가하였으며, 이로부터 이동저수지 관개지구의 물수지를 분석하여 응용성을 평가하였다.
- 매개변수 보정방법에는 크게 시행착오법과 최적화 기법에 의한 자동보정법, 그리고 이 두 가지를 병행하는 방법이 있는데, 본 연구에서는 시행착오법을 이용하여 모형의 보정을 수행하였다. 모형의 보정에 대한 평가를 위해 평균제곱근오차 (Root Mean Square Error, RMSE), 모형의 효율지수 (Efficiency Index, EI) (Nash and Sutcliffe, 1970), 결정계수 (R2) 등의 통계적인 변량을 사용하였다 (David and Gregory, 1999).
- 매개변수 보정은 2012년의 관측기간에 대해 수행하였으며, 침투량 INF, 송수 손실률 RCL, 물꼬 높이 LH를 조정하였다. Table 5는 대상지구의 배수량에 대한 매개변수의 보정결과이다.
- 상류 논의 배수량이 하류 논의 관개량으로 반복 이용되는 경우는 고려하지 않았다. 모형의 매개변수인 침투량, 송수 손실률 그리고 물꼬 높이는 각각 1.1 mm/day, 5 %, 60 mm로 모형의 보정치를 이용하였으며, 용수로 배수량의 비율 값은 2011년의 실측치인 27.1 %를 이용하였다. 물수지 분석 결과를 순별로 정리하면 Table 9와 같고, Fig.
- 본 모형은 농업용수 공급량 부모형, 논 광역 배수량 부모형, 시설재배지 유출량 부모형으로 구성되어 있으며, 논 포장 배수량, 용수로 배수량, 시설재배지 유출량을 구분하여 일별로 추정한다.
- 본 연구에서 개발한 모형의 광역 논 배수량 관련 주요 매개변수에 대하여 민감도 분석을 수행하였다. 선정된 매개변수는 Table 2와 같이 침투량 (INF), 용수로 배수량의 비율 (RICD), 송수 손실률 (RCL), 물꼬 높이 (LH)이다.
- 농업용수 공급량을 모의하기 위해서는 수리시설물의 시설관리 손실률이 필요하다. 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 농업용수 공급량 모형에서 모의한 필요수량과 실제 농업용수 공급량을 회귀분석 (regression analysis)하여 시설관리 손실률을 추정하고, 회귀분석에 이용되지 않는 자료기간에 대해 시설관리 손실률 추정치를 적용하여 검정을 실시하였다. 회귀분석은 특정 변수 값의 변화와 다른 변수 값의 변화가 가지는 수학적 선형의 함수식을 파악함으로써 상호관계를 추론하는 통계 방법이다.
- 본 연구에서 개발한 모형의 광역 논 배수량 관련 주요 매개변수에 대하여 민감도 분석을 수행하였다. 선정된 매개변수는 Table 2와 같이 침투량 (INF), 용수로 배수량의 비율 (RICD), 송수 손실률 (RCL), 물꼬 높이 (LH)이다. 각 매개변수의 최솟값과 최댓값은 선행연구 자료를 참고하여 결정하였으며, 최댓값과 최솟값을 기준으로 매개변수값을 무차원화하여 구분한 등급에 대하여 모형을 구동하여 민감도를 분석하였다 (Kang et al.
- 시설관리 손실률의 추정에 이용되지 않는 2011년에 대해 시설관리 손실률 추정치를 적용하여 농업용수 공급량을 모의하였고, 실측 저수지 공급량 자료와 비교하여 검정을 수행하였다. Fig.
- 시설재배지 유출량 부모형을 이용하여 2010～2011년의 시설재배지에서의 배수량을 추정하였다. Table 8은 모의 기간에 대해 유출량과 강우량을 보여주고 있다.
- 용수로 배수량의 비율은 계측 지역의 경우 실측 자료를 이용하고, 미계측 지역의 경우 Table 1을 참조하여 수리시설물 종류 및 기상 특성에 맞는 용수로 배수량의 비율을 선정하여, 농업용수 공급량으로부터 용수로 배수량을 추정하도록 구성하였다.
대상 데이터
- 광역 논 시험 지구는 용·배수로가 분리되어 있으며, 용수로는 폭 60 cm의 콘크리트 수로이고 배수로는 2011년까지 흙 수로였으나 2012년부터 폭 90 cm의 콘크리트 수로로 라이닝이 되어있다.
- 모형의 보정 및 검정을 위해 서울대학교 지역시스템공학과에서 모니터링하는 논 지구의 배수량 자료를 이용하였다. 농업용수 공급량은 실측치를 이용하였고, 용수로 배수량의 비율 (RICD)은 시험지구의 실측 자료인 2011년 27.1 %, 2012년 11.9 %를 이용하였다. 중간낙수 시기는 시험지구의 영농 자료를 이용하여2011년은 6/24～7/1로, 2012년은 6/17～6/24을 적용하였다.
- 대상지구는 Fig. 3과 같이 농어촌연구원에서 이동저수지의 농업용수 공급량을 측정하고 있으며, 서울대학교 지역시스템공학과에서 10.3 ha의 광역 논에 대해 기상·수문·수질 모니터링을 실시하고 있다.
- 모형의 검정은 모형의 보정에 이용되지 않은 2011년 자료에 대하여 수행하였다.
- 모형의 보정 및 검정을 위해 서울대학교 지역시스템공학과에서 모니터링하는 논 지구의 배수량 자료를 이용하였다. 농업용수 공급량은 실측치를 이용하였고, 용수로 배수량의 비율 (RICD)은 시험지구의 실측 자료인 2011년 27.
- 본 연구에서는 대상지구로 경기도 용인시와 평택시 일대의 이동저수지 용남관개지구를 선정하였다. 용남관개지구는 이동저수지를 주수원공으로 하여 농업용수를 공급받고 있다.
- 수리시설물 운영의 인위성을 고려하여 일별 자료를 순별로 합하여 회귀 분석을 실시하였다. 영농 자료는 대상 지구의 영농 현황 자료를 이용하였다. 저수지에서 공급을 중단하는 시기는 해마다 조금씩 달랐으며, 강우가 내리지 않으며 농업용수 공급이 5일 이상 중단되는 시기를 당해의 중간낙수 시기로 결정하였다.
- 9 %를 이용하였다. 중간낙수 시기는 시험지구의 영농 자료를 이용하여2011년은 6/24～7/1로, 2012년은 6/17～6/24을 적용하였다.
데이터처리
- 선정된 매개변수는 Table 2와 같이 침투량 (INF), 용수로 배수량의 비율 (RICD), 송수 손실률 (RCL), 물꼬 높이 (LH)이다. 각 매개변수의 최솟값과 최댓값은 선행연구 자료를 참고하여 결정하였으며, 최댓값과 최솟값을 기준으로 매개변수값을 무차원화하여 구분한 등급에 대하여 모형을 구동하여 민감도를 분석하였다 (Kang et al., 2003).
- 매개변수 보정방법에는 크게 시행착오법과 최적화 기법에 의한 자동보정법, 그리고 이 두 가지를 병행하는 방법이 있는데, 본 연구에서는 시행착오법을 이용하여 모형의 보정을 수행하였다. 모형의 보정에 대한 평가를 위해 평균제곱근오차 (Root Mean Square Error, RMSE), 모형의 효율지수 (Efficiency Index, EI) (Nash and Sutcliffe, 1970), 결정계수 (R2) 등의 통계적인 변량을 사용하였다 (David and Gregory, 1999). 각 통계적 변량의 의미 및 계산 절차는 Kang et al.
- 회귀분석은 특정 변수 값의 변화와 다른 변수 값의 변화가 가지는 수학적 선형의 함수식을 파악함으로써 상호관계를 추론하는 통계 방법이다. 수리시설물 운영의 인위성을 고려하여 일별 자료를 순별로 합하여 회귀 분석을 실시하였다. 영농 자료는 대상 지구의 영농 현황 자료를 이용하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 시설재배지에서의 지표면 유출 모의를 위하여 NRCS 유출곡선법 (USDA NRCS, 2004)를 이용하였으며 식 (8)과 같다.
- 영농현황은 KARICO (2005)에서 조사한 자료를 이용하였으며 Table 3과 같다. 논에서 담수는 모내기 시기보다 약 한 달 빠른 4월 13일 정도부터 시작하는 것으로 보고되고 있으며, 중간낙수는 6월 25일～7월 15일에 시행되는 것으로 보고되고 있다.
- 우리나라는 관개지구의 농업용수 공급량을 주로 DIROM (Daily Irrigation Reservoir Operation Model) (Kim, 1998)을 적용하여 추정한다. 하지만 이 방법은 최적의 유지관리 및 물 관리를 가정하고 있기 때문에 실제 공급량과 차이가 발생하는 것으로 보고되고 있다 (Im et al.
- 증발산량은 Penman-Monteith 공식과 Yoo (2006)가 전국 9개 지역에 대해 산정한 작물계수를 이용하여 구하였다. 침투량은 토양의 종류에 따라 다르며 sand는 3～6 mm, sandy loam은 2～3 mm, loam은 1～2 mm로 보고되고 있다 (Im, 2000).
- 필요수량 산정방식은 Ju et al. (2006)이 제시한 방식을 적용하였다. 이 방식은 기존에 비해 담수가 일찍 시작되고 중간낙수 시기에 용수가 공급되지 않도록 구성되어 있다.
성능/효과
- 1. 농업용수 공급량 부모형의 적용성을 평가하기 위하여 회귀 분석에 이용되지 않은 2011년에 대해 검정을 실시하였으며, 그 결과 모의 공급량은 1,142.6 mm, 실측 공급량은 1,218.5 mm으로 나타났으며 0.745의 상관관계가 있는 것으로 분석되었다.
- 3. 시설재배지 유출량 부모형을 2010년도와 2011년도에 대해 적용하였으며, 그 결과 2010년도는 강우량 1,100.4 mm에 대해 유출량 846.0 mm 유출률 0.77로 나타났고, 2011년도는 강우량 1,809.6 mm에 대해 유출량 1,507.4 mm, 유출률 0.83로 나타났다.
- 4. 이동저수지 관개지구의 2011년도 영농기에 대하여 물수지를 분석하였으며, 그 결과 강우량 1,591.4 mm 농업용수 공급량 1,028.2 mm로 총 2,619.6 mm가 관개지구로 유입되는 것으로 나타났고, 배수량 1,890.8 mm, 송수 손실 수량 51.6 mm, 논 침투량 132.0 mm, 증발산량 570.3 mm로 총 2,644.6 mm가 관개지구에서 빠져나가는 것으로 나타났다.
- 11 mm/day이었다. 검정 결과, 실측 배수량은 3,015.5 mm, 모의 배수량은 2,922.2 mm로 R2는 0.65, EI는 0.68 RMSE는 11.62 mm/day이었다.
- 9는 주요 수문인자인 강우량, 공급량, 배수량을 일별로 보여주고 있다. 관개지구로 유입되는 수량은 강우량 1,591.4 mm, 농업용수 공급량 1,028.2 mm로 총 2,691.6 mm인 것으로 나타났다. 논, 시설재배지, 용수로에서 배출되는 총 배수량은 1,890.
- 6 mm인 것으로 나타났다. 논, 시설재배지, 용수로에서 배출되는 총 배수량은 1,890.8 mm, 수로에서 손실되는 수량은 51.6 mm, 논의 침투로 손실되는 수량은 132.0 mm, 증발산량은 570.3 mm로 총 2,644.6 mm가 관개지구에서 빠져나가는 것으로 분석되었다. 농업용수 공급량은 유효우량에 의해 최대담수심 이상으로 관개되는 시기와 중간낙수기에 공급이 되지 않는 것으로 모의되었다.
- 모형의 보정 전과 비교하여 보정 후는 비강우시 관개에 의한 회귀수량 모의가 잘 이루어지는 것으로 나타났으며, 총 배수량의 모의치와 실측치의 차가 줄어드는 것으로 나타났다. 또한, RMSE가 감소하였고, R2와 EI가 증가하여, 보정 전에 비해 모의치가 실측치를 전체적으로 잘 반영하는 것으로 나타났다.
- 5 mm로 나타났다. 모의 공급량은 4월 114.4 mm, 5월 473.5 mm로 실측 자료의 4월 82.2 mm, 5월 425.4 mm와 유사하게 나타났으며, 영농초기에 농업용수가 많이 공급되는 특징을 잘 반영하는 것으로 나타났다. 7월에는 중간낙수가 실시되어 용수 공급이 중단되는 시기가 포함되며, 실측치는 50.
- EI는 0보다 작으면 모형의 추정 결과가 나쁘거나 실측 자료가 일관성이 없음을 의미하며, 0과 1 사이에서 1에 가까울수록 모의치와 관측치가 일치함을 의미한다. 모형의 보정 전과 비교하여 보정 후는 비강우시 관개에 의한 회귀수량 모의가 잘 이루어지는 것으로 나타났으며, 총 배수량의 모의치와 실측치의 차가 줄어드는 것으로 나타났다. 또한, RMSE가 감소하였고, R2와 EI가 증가하여, 보정 전에 비해 모의치가 실측치를 전체적으로 잘 반영하는 것으로 나타났다.
- 이는 －100～20 % 범위에서는 용수로 배수량 비율이 감소함에 따라 증가하는 관개량이 논의 저류, 침투, 증발산으로 소모되지 않고 전량 물꼬를 넘어 배수되기 때문이다. 물꼬 높이와 송수 손실률은 매개변수가 증가함에 따라 배수량이 감소하는 것으로 나타났다. 2011년의 경우 강우량이 많은 해로, 강우량이 적은 경우 물꼬에 의한 논의 저수율이 증가하여 물꼬 매개변수에 의해 배수량이 더 민감하게 변할 것이라 사료된다 (Kim et al.
- 6은 2011년도 기상자료를 이용하여 논 광역 배수량 관련 주요 매개변수의 민감도 분석을 수행한 결과를 보여주고 있다. 민감도 분석 결과, 배수량은 논의 침투량, 송수 손실률, 물꼬 높이, 용수로 배수량의 비율 순으로 큰 변화를 나타내었다. 논 침투량 매개변수는 토양조건이나 토층 구조, 경지의 고저차, 지질 등에 따라 큰 차이가 있으므로 계측에 의해 선정하는 것이 우선이다 (Im, 2000).
- 논 광역 배수량 부모형의 적용성을 평가하기 위하여 시험 지구에 대하여 모형의 매개변수를 보정하고, 검정을 실시하였다. 보정 결과, 실측 배수량은 2,504.8 mm, 모의 배수량은 2,285.4 mm로 R2는 0.75, EI는 0.74 RMSE는 11.11 mm/day이었다. 검정 결과, 실측 배수량은 3,015.
- 용수로 배수량의 비율 매개변수는 －100 ～20 % 범위에서 매개변수가 증가함에 따라 배수량이 변하지 않았으며, 40～100 % 범위에서 매개변수가 증가함에 따라 배수량이 증가하는 것으로 나타났다.
- 4 mm로 나타났다. 전체 모의 기간에 대해 총 강우량은 2,910.0 mm, 모의 총 유출량은 2,353.4 mm였고, 평균 유출률은 0.81으로 나타났다.
- 통계적인 변량은 RMSE가 0.51 mm/day 높게 나타났고, R2가 0.11, EI가 0.06만큼 낮게 나타나 보정 결과가 검정에 비해 더 나은 것으로 나타났다.
- 회귀분석 결과 2001～2009년에 대해 순별 모의 필요수량과순별 실측 공급량은 0.777의 상관관계가 있는 것으로 나타났으며, 공급량의 약 38 %가 용수로 배수량 및 송수 손실 수량으로 소모되는 것으로 나타났다. 따라서 이동저수지의 시설관리 손실률을 약 38 %로 추정할 수 있다.
후속연구
- 본 연구의 결과는 관개지구의 배수량에 대한 이해를 넓히며, 배수량 추정에 유용하게 이용될 수 있을 것이다.
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