본 연구에서는 유역 물수지 방법을 기반으로 제주도 지역에 적합한 용수량 산정방법을 제안하고, 이를 기반으로 4개 하천유역에 대해 지역 및 고도에 따른 증발산량, 용수량 특성을 평가하였다. SWAT-K 유역모형을 적용하여 1992~2013년 기간에 대해 잠재증발산량과 실제증발산량을 산정하고, 이로부터 유역의 순물소모량을 추정하였다. 고도증가에 따라 잠재증발산량은 선형으로 감소하는 반면, 실제증발산량은 강수량에 의한 토양내 가용수분의 증가로 인해 약 400m 고도까지는 증가하다가 이후 고도에서는 식생, 가용수분의 감소, 저온현상 등으로 인해 감소하는 것으로 나타났다. 고도에 따른 순물소모량은 강정천유역을 제외한 3개 유역에서 고도증가에 따라 순물소모량이 선형적으로 감소하는 것으로 나타났으며, 고도 200m 이하 작물경작지에서의 순물소모량은 연간 559~680m로 분석되었다. 추정된 용수량을 실제 관정 이용량과 비교한 결과, 여름철(6~8월) 양수량은 급수관행으로 인해 크게 증가하는데 비해, 작물경작에 따른 순물소모량은 오히려 감소하는 것으로 나타났다. 이에 대해서는 향후 더 많은 관정 이용량과 추가적인 대상지역을 반영하여 분석이 필요할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 유역 물수지 방법을 기반으로 제주도 지역에 적합한 용수량 산정방법을 제안하고, 이를 기반으로 4개 하천유역에 대해 지역 및 고도에 따른 증발산량, 용수량 특성을 평가하였다. SWAT-K 유역모형을 적용하여 1992~2013년 기간에 대해 잠재증발산량과 실제증발산량을 산정하고, 이로부터 유역의 순물소모량을 추정하였다. 고도증가에 따라 잠재증발산량은 선형으로 감소하는 반면, 실제증발산량은 강수량에 의한 토양내 가용수분의 증가로 인해 약 400m 고도까지는 증가하다가 이후 고도에서는 식생, 가용수분의 감소, 저온현상 등으로 인해 감소하는 것으로 나타났다. 고도에 따른 순물소모량은 강정천유역을 제외한 3개 유역에서 고도증가에 따라 순물소모량이 선형적으로 감소하는 것으로 나타났으며, 고도 200m 이하 작물경작지에서의 순물소모량은 연간 559~680m로 분석되었다. 추정된 용수량을 실제 관정 이용량과 비교한 결과, 여름철(6~8월) 양수량은 급수관행으로 인해 크게 증가하는데 비해, 작물경작에 따른 순물소모량은 오히려 감소하는 것으로 나타났다. 이에 대해서는 향후 더 많은 관정 이용량과 추가적인 대상지역을 반영하여 분석이 필요할 것으로 판단된다.
A method of estimating irrigation water need based on water balance and net water consumption concept is proposed, and applied to four watersheds in order to assess the regional and altitudinal characteristics of evapotranspiration and water need for upland crops in Jeju Island. Potential and actual...
A method of estimating irrigation water need based on water balance and net water consumption concept is proposed, and applied to four watersheds in order to assess the regional and altitudinal characteristics of evapotranspiration and water need for upland crops in Jeju Island. Potential and actual evapotranspiration, and net water need were calculated during the period 1992 to 2013 using SWAT-K watershed model. The annual potential evapotranspiration decreased linearly with increasing elevation, while actual evapotranspiration showed increase with elevation to 400 m around and gradual decrease at higher elevation due to vegetation species, water availability, and cold limitation. Altitudinal pattern of net water need showed linear decrease with increasing elevation for three watersheds (Han-cheon, Cheonmi-cheon, and Oedo-cheon), and annual values of net water need for upland areas (below 200 m in elevation) were 559~680mm/yr. The comparison between actual pumping rate from wells and net water need for irrigation area showed that the amount of pumping water significantly increased during summer season (June to August), while net water need for crop cultivation relatively decreased during this period. To ensure these results, more water use data from pumping wells and additional watersheds should be investigated in the next study.
A method of estimating irrigation water need based on water balance and net water consumption concept is proposed, and applied to four watersheds in order to assess the regional and altitudinal characteristics of evapotranspiration and water need for upland crops in Jeju Island. Potential and actual evapotranspiration, and net water need were calculated during the period 1992 to 2013 using SWAT-K watershed model. The annual potential evapotranspiration decreased linearly with increasing elevation, while actual evapotranspiration showed increase with elevation to 400 m around and gradual decrease at higher elevation due to vegetation species, water availability, and cold limitation. Altitudinal pattern of net water need showed linear decrease with increasing elevation for three watersheds (Han-cheon, Cheonmi-cheon, and Oedo-cheon), and annual values of net water need for upland areas (below 200 m in elevation) were 559~680mm/yr. The comparison between actual pumping rate from wells and net water need for irrigation area showed that the amount of pumping water significantly increased during summer season (June to August), while net water need for crop cultivation relatively decreased during this period. To ensure these results, more water use data from pumping wells and additional watersheds should be investigated in the next study.
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문제 정의
본 연구에서는 수자원 관리 및 계획의 입장에서 연간 물 사용량이 가장 많은 작물을 가정하여 용수량을 산정하였기 때문에, 이 조건과 유사한 시설재배(하우스감귤) 급수를 위한 관정을 선정하여 비교하였다.
본 연구에서는 유역 물수지 방법을 기반으로 제주도 지역에 적합한 순물소모량 개념의 농업용수 수요량 추정방법을 제안하였으며, 수요량 추정에 있어 가장 핵심적인 수문요소인 증발산량의 지역적 특성을 함께 분석하였다.
본 연구에서는 제주도 지역에 적합한 용수량 산정방법을 제안하고, 이를 기반으로 지역 및 고도에 따른 증발산량, 용수량 특성을 평가하고자 한다.
가설 설정
순물소모량을 산정하는 Eq. (5)에서 자연상태의 실제증발산량은 초원을 가정하기도 하는데(MOC, 1977), 본 연구에서는 잔디를 가정하여 적용하였다. 소비수량 및 순물소모량 산정을 위한 대표작물로서는 2010년을 기준(JSSGP, 2013b)으로 제주도 내 약 36%의 재배면적을 차지하고 있는 감귤을 선정하였다.
본 연구에서 제시하는 용수량은 실제 경작지에서의 물 사용량을 산정한 것이 아니라, 수자원 관리 및 계획의 관점에서 연간 물소모량이 가장 많은 작물을 가정하여 산정한 것이다. 또한, 기존 필요수량 개념의 수요량처럼 관개시설의 용량이나 규모를 결정하기 위한 최대치 개념도 아니다.
제안 방법
본 연구로부터 산정된 용수량이 경작지에서의 용수이용 특성을 잘 반영할 수 있는지 여부를 판단하기 위하여 실제 관정이용량 자료를 활용하여 해당지역의 용수량과 비교하였다.
대상 데이터
각 대상유역별 하천형태 및 고도에 따른 지형적 특성을 고려하여 한천 37개, 천미천 39개, 강정천 40개, 외도천 28개의 소유역으로 구분하여 모델링을 수행하였다.
모델링을 통한 분석기간은 Kim et al. (2012)에서 활용한 1992∼2010년의 기간에 최근의 3년을 추가하여 전체 22년(1992∼2013년)을 대상으로 하였다.
본 연구에서는 SWAT-K 적용성이 검토된 한천, 외도 천, 강정천, 천미천을 대상으로 모형을 구축하였다(Fig. 2). 모형 내 각 매개변수는 기존 연구(Chung et al.
(5)에서 자연상태의 실제증발산량은 초원을 가정하기도 하는데(MOC, 1977), 본 연구에서는 잔디를 가정하여 적용하였다. 소비수량 및 순물소모량 산정을 위한 대표작물로서는 2010년을 기준(JSSGP, 2013b)으로 제주도 내 약 36%의 재배면적을 차지하고 있는 감귤을 선정하였다. 단, 대표작물로 선정된 감귤은 연중 물 사용량이 가장 많은 작물을 가정한 것으로 수자원 관리 및 계획의 입장에서 경작지에서의 최대의 물소모를 의미한다.
잠재증발산량은 모형 내에 포함된 FAO 56에서 제시하는 Penman-Monteith 방법을 이용하였다. 제주도 4개 기상대의 일 관측자료(기온, 풍속, 상대습도)를 활용하였으며, 기온은 기존의 Choi(2011)의 연구결과를 참조하여 고도에 따른 기온감률 -0.6℃/100 m를 적용하였다. 또한, 잠재증발산량 산정을 위해 필요한 태양복사량은 관측 일조시간으로부터 Angstrom 공식(Allen et al.
이론/모형
6℃/100 m를 적용하였다. 또한, 잠재증발산량 산정을 위해 필요한 태양복사량은 관측 일조시간으로부터 Angstrom 공식(Allen et al., 1998)을 이용하여 환산하여 적용하였다. 모델링에 필요한 강수자료는 Kim et al.
, 1998)을 이용하여 환산하여 적용하였다. 모델링에 필요한 강수자료는 Kim et al. (2012)이 적용한 PRISM 기법에 의해 생산된 격자별 강수량을 대상유역의 소유역 구분에 따라 소유역 별로 평균 강수량을 재생산하여 적용하였다.
2). 모형 내 각 매개변수는 기존 연구(Chung et al., 2011; KICT, 2011; Kim et al., 2013)에서 제시하고 있는 각 유역별 보정된 값을 적용하였으며, GIS 자료를 통해 분석한 각 유역의 면적 및 토지이용, 고도, 평균경사 등의 현황은 Table 1과 같다.
실제증발산량은 작물의 생육과정, 기상조건, 토양의 수분상태 등에 따라 달라지기 때문에 이에 대한 정확한 산정을 위하여 SWAT-K 유역모형(KICT, 2007)을 적용하였다. SWAT-K 모형은 미국 USDA-ARS에서 개발한 유역모형인 SWAT(Soil and Water Assessment Tool)(Arnold et al.
잠재증발산량은 모형 내에 포함된 FAO 56에서 제시하는 Penman-Monteith 방법을 이용하였다. 제주도 4개 기상대의 일 관측자료(기온, 풍속, 상대습도)를 활용하였으며, 기온은 기존의 Choi(2011)의 연구결과를 참조하여 고도에 따른 기온감률 -0.
성능/효과
각 유역별 고도에 따른 순물소모량 감소율은 한천유역 -0.45 mm/m, 천미천유역 -0.49 mm/m, 외도천유역 -0.52 mm/m이며, 작물경작이 주로 이루어지는 고도 200 m 이하 지역에서의 순물소모량은 연간 559∼680 mm로 나타났다.
대표작물을 가정하여 산정한 순물소모량은 연평균 강수량이 적은 외도천유역이 가장 많은 것으로 분석되었으며, 상대적으로 강수량이 많은 천미천유역의 순물소모량이 가장 적게 나타났다. 고도에 따른 순물소모량을 분석한 결과, 4개 대상유역 모두 고도가 증가할수록 순물소모량이 감소하는 것으로 나타났으며, 특히 강정천유역을 제외한 3개 하천유역은 순물소모량이 고도와 선형으로 반비례하는 것으로 분석되었다. 각 유역별 고도에 따른 순물소모량 감소율은 한천유역 -0.
고도에 따른 증발산량의 변화를 분석한 결과, 고도증가에 따라 잠재증발산량은 선형으로 감소하는 경향을 보이는 반면, 실제증발산량은 강수량에 의한 토양내 가용수분의 증가로 인해 약 200∼400 m 고도까지는 증가하다가 이후 고도에서는 식생, 가용수분의 감소, 저온현상 등으로 인해 감소하는 것으로 나타났다.
고도증가에 따라 강수량이 급격하게 증가하는 반면, 잠재증발산량은 선형으로 감소하는 경향을 보이고 있으며, Table 2와 같이 강수량의 증가율은 +1.02∼+1.75 mm/m(평균 +1.43mm/m), 잠재증발산량의 감소율은 -0.32∼-0.28 mm/m(평균 -0.30 mm/m)로 나타났다.
대표작물을 가정하여 산정한 순물소모량은 연평균 강수량이 적은 외도천유역이 가장 많은 것으로 분석되었으며, 상대적으로 강수량이 많은 천미천유역의 순물소모량이 가장 적게 나타났다. 고도에 따른 순물소모량을 분석한 결과, 4개 대상유역 모두 고도가 증가할수록 순물소모량이 감소하는 것으로 나타났으며, 특히 강정천유역을 제외한 3개 하천유역은 순물소모량이 고도와 선형으로 반비례하는 것으로 분석되었다.
1992∼2013년 기간에 대해 분석한 각 유역별 자연상태 증발산량, 최대소비수량, 연평균 순물소모량은 Table 3과 같다. 상대적으로 연평균 강수량이 적은 외도천유역의 순물소모량이 큰 것으로 분석되었으며, 반면에 강수량이 많은 천미천유역의 순물소모량이 가장 작게 나타났다. 이는 Fig.
실제증발산량은 강수량에 의한 토양수분 증가로 인해 잠재증발산량과는 반대로 약 200∼400 m 고도까지는 증가하는 경향을 보이고, 이후 고도에서는 식생, 가용수분의 감소, 기상조건에 의한 잠재증발산량의 영향 등으로 감소하는 것으로 나타났다.
추정된 용수량을 실제 관정 이용량과 비교한 결과, 여름철 양수량은 급수관행으로 인해 크게 증가하는데 비해, 작물경작에 따른 순물소모량은 오히려 감소하는 것으로 나타났다. 이에 대해서는 향후 더 많은 관정 이용량과 추가적인 대상지역을 반영하여 분석이 필요할 것으로 보인다.
후속연구
또한, 기존 필요수량 개념의 수요량처럼 관개시설의 용량이나 규모를 결정하기 위한 최대치 개념도 아니다. 따라서, 거시적으로는 과거-현재-미래에 대한 지역별 계절별 수요량을 산정함으로써, 수자원의 과부족 평가, 수자원의 추가확보 및 합리적인 배분계획 수립 등에 활용될 수 있으며, 미시적 관점에서는 추정된 용수량과의 비교를 통해 현장에서 관행적으로 이루어지는 추가 급수량을 반영하거나, 또는 반대로 불필요한 급수 관행을 절제함으로써 농업용수 사용량을 절감할 수 있는 판단 기준으로 활용될 수 있을 것이다.
이러한 원인으로는 관행상 현장에서 양수시에 작물이 필요한 수량 외에 추가적인 급수를 실시하는 경우가 많기 때문인 것으로 판단된다. 따라서, 실제 용수량 계획시에 과도하게 급수되는 양을 추가적으로 고려하거나 또는 반대로 무분별한 급수나 불필요한 급수를 절제함으로써 물 사용량을 절감할 수 있는 기준으로 활용될 수도 있을 것이다.
추정된 용수량을 실제 관정 이용량과 비교한 결과, 여름철 양수량은 급수관행으로 인해 크게 증가하는데 비해, 작물경작에 따른 순물소모량은 오히려 감소하는 것으로 나타났다. 이에 대해서는 향후 더 많은 관정 이용량과 추가적인 대상지역을 반영하여 분석이 필요할 것으로 보인다.
(2012)의 연구결과와 달리 잠재증발산량과 증발계 증발량이 높은 상관성이 있지만, 반드시 실제증발산량과 비례적 관계에 있지 않음을 알 수 있다. 작물생장이 이루어지는 경작지에서의 실제증발산량은 토양의 가용수분, 즉 강수량의 영향을 지배적으로 받기 때문에, 제주도와 같이 고도에 따라 강수량의 차이가 크거나 식생의 영향이 지배적인 경우에는 지역별 고도별 식생 및 강수량의 영향에 대한 정확한 평가가 함께 수반되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해안지역에 위치한 4개 기상대의 연평균 강수량은?
제주도는 중심에 위치한 한라산(해발고도 1,950 m)의 영향으로 지역별·고도별 다양한 식생형태 및 기후특성을 가지고 있다. 해안지역에 위치한 4개 기상대(제주, 서귀포, 성산, 고산)의 연평균 강수량은 1,143 mm(고산)∼1,967mm(성산)의 범위를 보이며, 연평균 강수량을 기준으로 동부지역이 서부지역보다 1.7배 많고, 고도에 따라서도 표고 100 m 당 69∼235 mm씩 크게 증가하는 특성을 보이고 있다(JSSGP, 2013b).
농업용수 수요량 추정에 사용되는 방법은?
농업용수 수요량을 산정하는 방법으로서는 사용수량을 직접 계측하는 방법, 대표작물의 단위수량으로 추정하는 방법, 증발산 이론을 이용하여 추정하는 방법 등이 있다. 우리나라에서는 현실적으로 농업지역에서의 계측자료가 충분하지 못하고, 자연조건에 따라 크게 좌우되는 농업용수의 특성상 증발산 이론에 의한 수요량 추정기법이 주로 적용되고 있으며, 그 중에서도 필요수량 개념의 접근법이 과거로부터 많이 활용되어 왔다(KOWACO and KRC, 2009).
제주도가 지역별·고도별 다양한 식생형태 및 기후특성을 가지고 있는 것은 무엇의 영향 때문인가?
제주도는 중심에 위치한 한라산(해발고도 1,950 m)의 영향으로 지역별·고도별 다양한 식생형태 및 기후특성을 가지고 있다. 해안지역에 위치한 4개 기상대(제주, 서귀포, 성산, 고산)의 연평균 강수량은 1,143 mm(고산)∼1,967mm(성산)의 범위를 보이며, 연평균 강수량을 기준으로 동부지역이 서부지역보다 1.
참고문헌 (22)
Allen, R.G., Pereira, L.S., Raes, D., and Smith, M. (1998). Crop evapotranspiration: Guidelines for computing crop water requirements (FAO Irrigation and Drainage Paper 56). Food and Agriculture, Organization of the United Nations, Rome, Italy.
Arnold, J.G., Allen, P.M., and Bernhardt, G. (1993). "A comprehensive surface-groundwater flow model." Journal of Hydrology, Vol. 142, pp. 47-69.
Choi, G. (2011). "Variability of temperature lapse rate with height and aspect over Halla mountain." Journal of Climate Research, Vol. 6, No. 3, pp. 171-186.
Chung, I.M., Lee, J., Kim, J.T., Na, H., and Kim, N.W. (2011). "Development of threshold runoff simulation method for runoff analysis of Jeju Island." Journal of the Environmental Sciences, Vol. 20, No. 10, pp. 1347-1355.
Goulden, M.L., Anderson, R.G., Bales, R.C., Kelly, A.E., Meadows, M., and Winston, G.C. (2012). "Evapotranspiration along an elevation gradient in California's Sierra Nevada." Journal of Geophysical Research, Vol. 117, G03028, doi:10.1029/2012JG002027.
Jeju Special Self-Governing Province (JSSGP) (2011). The 51st Jeju statistical yearbook.
Jeju Special Self-Governing Province (JSSGP) (2013a). The agricultural water management plan for Jeju Special Self-Governing Province (2013-2022).
Jeju Special Self-Governing Province (JSSGP) (2013b). The water management comprehensive plan for Jeju Special Self-Governing Province (2013-2022).
Kim, N.W., Chung, I.M., and Na, H. (2013). "A method of simulating ephemeral stream runoff characteristics in Cheonmi-cheon watershed, Jeju Island." Journal of Environmental Science International, Vol. 22, No. 5, pp. 523-531.
Kim, N.W., Um, M.J., Chung, I.M., and Heo, J.H. (2012). "Estimating the total precipitation amount with simulated precipitation for ungauged stations in Jeju Island." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 45, No. 9, pp. 875-885.
Korea Institute of Construction Technology (KICT) (2007). Development of analysing system for sustainable water hydrological components. Sustainable Water Resources Research Program of 21st Century Frontier R&D Program, Ministry of Science and Technology.
Korea Institute of Construction Technology (KICT) (2011). Jeju Water Circulation Interpretation and Water Resource Management Infrastructure Establishment: Development of the integrated surface-groundwater hydrologic analysis technique in Jeju Island. Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, Korea Institute of Construction and Transportation Technology Evaluation and Planning.
Korea Water Resources Corporation (KOWACO) (1990). The long-term comprehensive plan for water resources (1991-2000).
Korea Water Resources Corporation (KOWACO) (1993). Outlook for 21st century water resources.
Korea Water Resources Corporation (KOWACO), and Korea Rural Community Corporation (KRC) (2009). Report on estimation of agricultural water demand and assessment of water supply.
Lee, B.Y., Yang, S.K., Kwon, K.H., and Kim, J.B. (2012). "The effect of evapotranspiration by altitude and observation of lysimeter." Journal of the Environmental Sciences, Vol. 21, No. 6, pp. 749-755.
Ministry of Construction (MOC) (1977). Technical report on the Nakdong-gang estuary.
Ministry of Construction Transportation (MOCT), and Korea Water Resources Corporation (KOWACO) (1996). Basic survey on the exploitable place and regional distribution plan of water resources.
National Institute of Meteorological Research (NIMR), and Jeju Regional Meteorological Administration(JRMA) (2010). Understanding climate change VI: Climate change of Jeju.
Park, W.B., Ko, G.W., Kim, B.S., and Moon, D.C. (2007). "Calculation of pumping rate from agricultural wells and characteristics of groundwater abstraction." Proceedings of the 12th Academic Seminar for World Water Day, pp. 87-118.
Pidwirny, M. (2006). Actual and potential evapotranspiration. Fundamentals of Physical Geography, 2nd Edition, Date Viewed, http://www.physicalgeography.net/fundamentals/8j.html
Zhang, Y., Liu, C., Tang, Y., and Yang, Y. (2007). "Trends in pan evaporation and reference and actual evapotranspiration across the Tibetan Plateau." Journal of Geophysical Research, Vol. 112, D12110, doi:10.1029/2006JD008161.
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