[논문]K-HAS와 비율보정 계수를 이용한 농업용 저수지의 비상연계 용수공급 가능량 분석

김하영; 이상현; 나라; 주동혁; 유승환

doi:10.5389/ksae.2023.65.2.059

K-HAS와 비율보정 계수를 이용한 농업용 저수지의 비상연계 용수공급 가능량 분석
Analysis of the Emergency Water Supply Capacity in Agricultural Reservoirs Using K-HAS and Ratio Correction Factors 원문보기

한국농공학회논문집 = Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, v.65 no.2, 2023년, pp.59 - 71

김하영 (Department of Rural and Bio-Systems Engineering & BK21 Education and Research Unit for Climate-smart ReclaimedTideland Agriculture, Chonnam National University) , 이상현 (Department of Agricultural and Rural Engineering, Chungbuk National University) , 나라 (Department of Rural and Bio-Systems Engineering & BK21 Education and Research Unit for Climate-smart ReclaimedTideland Agriculture, Chonnam National University) , 주동혁 (Department of Rural and Bio-Systems Engineering & BK21 Education and Research Unit for Climate-smart ReclaimedTideland Agriculture, Chonnam National University) , 유승환 (Department of Rural and Bio-Systems Engineering & BK21 Education and Research Unit for Climate-smart ReclaimedTideland Agriculture, Chonnam National University)

Abstract ▼ AI-Helper

As the frequency of drought increases due to climate change, water scarcity in agriculture would be a main issue. However, it seems difficult to solve the water scarcity by securing alternative water sources. The aim of this study is to analyze optimal water supply capacity of agricultural reservoir for emergency operation connecting reservoirs and dams. First, we simulated the water storage of agricultural reservoir playing the role emergency water supplier to other water facility such as dams and other reservoirs. In particular, the results of simulation of water storage through K-HAS model was calibrated using the optimization process based on ratio correction factors of outflow and inflow. Finally, the optimal amount of water supply securing water supply reliability in emergency interconnection operation was analyzed. The results of this study showed that Janchi reservoir could supply 12.8 thousand m3/day maintaining 90 % water supply reliability. The result of this study could suggest the standard for connecting water facilities as emergency water supply.

주제어

표/그림 (14)

표 Table 1 Characteristics for Jangchi reservoir
그림 Fig. 1 Schematic diagram of DIROM
표 Table 2 Regressed equations of the DIROM parameter
그림 Fig. 2 Simulation of reservoir storage before water balance calibration (Jangchi reservoir)
그림 Fig. 3 Simulation of reservoir storage after water balance calibration (Jangchi reservoir)
그림 Fig. 4 Simulation of reservoir storage before water balance calibration (non Emergency interconnection operation water release)
그림 Fig. 5 Simulation of reservoir storage after water balance calibration (non Emergency interconnection operation water release)
그림 Fig. 6 Simulation of reservoir storage after waver balance calibration (Emergency interconnection operation water: 5.0 Thousand m³/day)
표 Table 3 Analysis of water supply reliability of jangchi reservoir
그림 Fig. 7 Simulation of reservoir storage after waver balance calibration (Emergency interconnection operation water: 10.0 Thousand m³/day)
그림 Fig. 8 Simulation of reservoir storage after waver balance calibration (Emergency interconnection operation water: 12.8 Thousand m³/day)
그림 Fig. 9 Simulation of reservoir storage after waver balance calibration (Emergency interconnection operation water: 15.0 Thousand m³/day)
그림 Fig. 10 Simulation of reservoir storage after waver balance calibration (Emergency interconnection operation water: 20.0Thousand m³/day)
그림 Fig. 11 Reservoir storage during irrigation season after water balance calibration

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 금강⋅영산강⋅섬진강권역의 용수 공급 안정성 확보를 위해 권역 내 위치하고 있는 댐, 저수지, 광역상수도 등 이수관련 시설들의 용수공급능력을 평가하고, 시설간 연계를 통해 보다 효과적인 용수 활용 방안을 제안하고자 한다.
최근 늘어난 가뭄으로 새로운 용수 확보 방안이 필요하나, 신규 수자원 개발은 사회적 갈등 및 적지 감소 등으로 인해 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 새로운 용수공급의 확보 방안으로 댐, 저수지, 광역상수도 등의 수자원 시설 간 연계를 통해 비상시 연계 시설 간 공급 가능한 용수량을 산정하여 가뭄시 안정적인 저수지 운영 방안을 제안하고자한다.
본 연구에서는 저수지 모의 저수량 보정 결과를 근거로 다양한 비상연계 용수 공급량이 저수지의 이수안전도에 미치는 영향을 분석하였다. 이수안전도를 만족하는 상태에서 안정적인 비상연계가 가능한 공급량을 산정하기 위하여 갈수기 (4-6월) 비상용수 공급량을 다양하게 설정하고, 관개시점인 6월 1일의 저수율이 이수안전 기준 저수율 이하에 도달하는 연도수를 분석하여 이수안전도를 분석하였다.

가설 설정

저수량 보정 시 환경용수는 연중 방류하는 상황으로 가정하고, 유입량과 방류량에 대한 비율조정 계수는 강우 및 생육 특징을 반영하여 월별계수로 적용하였다. 최종적으로 일별 저수량 모의결과와 실측결과의 차이를 최소화할 수 있는 월별 비율보정계수를 최적화 기법을 통하여 산출하였다.

제안 방법

DIROM 모형에서의 매개변수 추정방법은 농업용저수지 유역 12개소에서 실측된 유출량자료 (유출공 계수, 유출공의 높이, 침투공 계수 등)과 해당 유역의 수문특성 인자 (논, 밭, 산림비율, 유역면적)으로부터 구한 선형 회귀식을 검증한 후 일반화된 회귀방정식을 제안한다. Table 2은 DRIOM모형의 매개변수 산정 회귀식이다 (Kim and Park, 1988).
이는 관개 용수 공급 및 저수지의 안정적 운영에 심각한 위험성을 초래할수 있다. 그러므로 실제 대상저수지의 과거 저수율 자료를 바탕으로K-HAS 모형의 매개변수 보정 과정을 실시하여, 보다 현실적인 비상연계 용수공급가능량을 산정하였다.
또한 비상연계라는 특성 상 연중 공급보다는 용수가 필요한 특정시기에 집중적인 용수를 공급하는 것이 비상연계의 목적에 부합한다고 판단된다. 따라서 본 연구에서는 비상연계 용수공급을 각 대상저수지에 적용하기 위한 공급량, 공급 시기, 공급기준을 산정하였다.
먼저 대상저수지의 물수지 분석을 통해 저수지의 여유수량을 산정하고 보정 과정을 통해 비상연계 용수공급가능량을 산정하였다. K-HAS를 활용한 물수지 분석을 통해 농업용저수지의 가용수량을 계산할 경우에는 여유수량이 실제보다 과다산정되는 경향을 보였다.
본 연구에서는 효율성과 안정성을 핵심 선정 기준 및 평가 지표로 설정하여 비상연계 대상저수지를 선정하였다. 먼저, 효율성 기준의 평가지표는 효율적인 물공급과 관련된 지표로 댐 (다목적댐, 용수전용댐)과 광역상수도 시설에서 농업용저수지까지의 거리 및 댐 유역 내 위치, 농업용저수지의 유효저수용량을 기준지표로 설정하였다. 안정성 기준의 평가지표는 극한 가뭄 등의 비상시 안정적인 물공급 연계가 가능하도록 하기 위한 지표이며, 수혜면적에 대한 유역면적의 비율인 유역배율,수혜면적에 대한 유효저수용량의 비인 단위저수량, K-HAS 분석을 통한 저수지의 여유수량을 기준지표로 설정하였다.
본 연구에서는 금강⋅영산강⋅섬진강 권역의 용수공급 안정성 확보를 위한 권역내 이수관련 시설들의 용수 활용방안 마련을 위해 먼저, 한국 농어촌공사에서 개발한 수리⋅수문 설계시스템 (K-HAS; KRC Hydraulics & hydrology Analysis System)을 사용하여 농업용저수지의 여유수량을 분석하였다
여기서 RI는 이수안전기준 저수율, St는 모의기간 n년 동안 관개시점의 실측저수율, SI는 이수안전도 (%), LP는 총 모의 년수 (T) 중 관개시점 또는 일부 관개기간 동안의 저수율이 이수안전기준 저수율 (RI)보다 작아지는 연수를 의미한다. 본 연구에서는 장치저수지의 LP 산정 시 관개시점 (6월 1일)의 저수율을 적용하여 이수안전 기준 저수율을 산정하였다. 그 결과 장치저수지의 이수안전기준 저수율은 60.
본 연구에서는 효율성과 안정성을 핵심 선정 기준 및 평가 지표로 설정하여 비상연계 대상저수지를 선정하였다. 먼저, 효율성 기준의 평가지표는 효율적인 물공급과 관련된 지표로 댐 (다목적댐, 용수전용댐)과 광역상수도 시설에서 농업용저수지까지의 거리 및 댐 유역 내 위치, 농업용저수지의 유효저수용량을 기준지표로 설정하였다.
K-HAS 모의 저수량 보정을 위한 저수지의 실측 저수율 자료는 한국농어촌공사의 농업기반시설관리시스템 (Rural Infrastructure Management System, RIMS)의 자료를 활용하였다. 본 연구의 저수율데이터 분석 시기는 RIMS의 저수율 데이터가 유의하게 완비된 시점을 기준으로 수리시설개보수, 지표수보강개발사업, 등 농업생산기반정비사업에 따라 저수지의 재원이 바뀐 최종시점을 감안하여 분석기간을 설정하였다. 둑높이기사업을 수행 한 장치저수지는 환경용수 방류 시점을 고려하여 2015년부터 분석을 시작하였다.
먼저, 효율성 기준의 평가지표는 효율적인 물공급과 관련된 지표로 댐 (다목적댐, 용수전용댐)과 광역상수도 시설에서 농업용저수지까지의 거리 및 댐 유역 내 위치, 농업용저수지의 유효저수용량을 기준지표로 설정하였다. 안정성 기준의 평가지표는 극한 가뭄 등의 비상시 안정적인 물공급 연계가 가능하도록 하기 위한 지표이며, 수혜면적에 대한 유역면적의 비율인 유역배율,수혜면적에 대한 유효저수용량의 비인 단위저수량, K-HAS 분석을 통한 저수지의 여유수량을 기준지표로 설정하였다.
5). 위 결과를 근거로 본 연구에서는 모의 저수율 보정 결과를 바탕으로 장치저수지의 비상연계 용수 공급량에 따른 이수안전도의 변화를 분석였다. Table 3는 장치저수지의 이수안전도 90%를 만족하는 비상연계 공급량을 산정하기 위해 용수공급량에 따른 이수안전도를 분석한 결과이며, Fig.
본 연구에서는 저수지 모의 저수량 보정 결과를 근거로 다양한 비상연계 용수 공급량이 저수지의 이수안전도에 미치는 영향을 분석하였다. 이수안전도를 만족하는 상태에서 안정적인 비상연계가 가능한 공급량을 산정하기 위하여 갈수기 (4-6월) 비상용수 공급량을 다양하게 설정하고, 관개시점인 6월 1일의 저수율이 이수안전 기준 저수율 이하에 도달하는 연도수를 분석하여 이수안전도를 분석하였다. 최종적으로 이수안전도 90%를 만족하는 저수지의 용수공급가능량을 분석하였다.
공급기준은 다양한 내용이 검토될 수 있으나. 저수지의 안정적인 관개 용수 공급을 위해 관개시점인 6월 1일의 저수량이 과거 평년 저수량의 70% 값을 가지는 것을 이수안전을 위한 최소한의 저수량으로 적용하였다. 이때 평년저수량의 70%는 일반적으로 가뭄 관심 단계 시 적용하는 기준이다.
이수안전도를 만족하는 상태에서 안정적인 비상연계가 가능한 공급량을 산정하기 위하여 갈수기 (4-6월) 비상용수 공급량을 다양하게 설정하고, 관개시점인 6월 1일의 저수율이 이수안전 기준 저수율 이하에 도달하는 연도수를 분석하여 이수안전도를 분석하였다. 최종적으로 이수안전도 90%를 만족하는 저수지의 용수공급가능량을 분석하였다. 최적의 용수공급량을 찾기 위하여 임의적으로 5천m3/day 간격으로 적용하여 이수안전도 90%에 근접하는 구간을 먼저 도출하고, 이후 구간 내에서 용수공급량을 0.

대상 데이터

K-HAS 모의 저수량 보정을 위한 저수지의 실측 저수율 자료는 한국농어촌공사의 농업기반시설관리시스템 (Rural Infrastructure Management System, RIMS)의 자료를 활용하였다. 본 연구의 저수율데이터 분석 시기는 RIMS의 저수율 데이터가 유의하게 완비된 시점을 기준으로 수리시설개보수, 지표수보강개발사업, 등 농업생산기반정비사업에 따라 저수지의 재원이 바뀐 최종시점을 감안하여 분석기간을 설정하였다.
본 연구의 저수율데이터 분석 시기는 RIMS의 저수율 데이터가 유의하게 완비된 시점을 기준으로 수리시설개보수, 지표수보강개발사업, 등 농업생산기반정비사업에 따라 저수지의 재원이 바뀐 최종시점을 감안하여 분석기간을 설정하였다. 둑높이기사업을 수행 한 장치저수지는 환경용수 방류 시점을 고려하여 2015년부터 분석을 시작하였다.

이론/모형

본 연구에서는 Lee et al. (2020) 의 RCFs 기법을 활용하여 K-HAS 모의 저수량을 보정하였다. 저수량 보정 알고리즘의 목적함수는 식 (8)과 같다.
따라서 보다 안정적이고, 현실적인 비상연계 용수공급가능량 산정을 위해 Lee et al. (2020) 의 보정기법을 활용하여 모의 저수량 보정을 실시하였다. 보정 시 저수위와 고수위를 구분하는 기준인 가뭄결정계수 k는 0.
0)를 적용하여 저수량 모의 결과를 보정하였다. 또, 현장의 저수지관리 패턴을 고려하여 저수위 a와 고수위 b를 구분하는 기준으로 가뭄결정계수 k를 설정하는 4변수 1차함수의 시행착오법에 의한 무한반복법에 의해 변수를 확정하였다.
최종적으로 일별 저수량 모의결과와 실측결과의 차이를 최소화할 수 있는 월별 비율보정계수를 최적화 기법을 통하여 산출하였다. 본 연구에서는 Lee et al. (2020) 의 RCFs 기법을 활용하여 K-HAS 모의 저수량을 보정하였다.
저수량 보정 시 환경용수는 연중 방류하는 상황으로 가정하고, 유입량과 방류량에 대한 비율조정 계수는 강우 및 생육 특징을 반영하여 월별계수로 적용하였다. 최종적으로 일별 저수량 모의결과와 실측결과의 차이를 최소화할 수 있는 월별 비율보정계수를 최적화 기법을 통하여 산출하였다. 본 연구에서는 Lee et al.

성능/효과

K-HAS 모의 결과를 보정하지 않고 용수공급가능량을 산정하였을 때, 저수지의 비상연계 용수를 10천㎦/일을 공급할 시 이수안전기준 저수율 60.5%에 도달하는 시기는 총 1번 발생하는 것으로 나타났으나 (Fig. 4), 보정 후 이수안전기준 저수율 60.
K-HAS 모의 저수량 산정 결과 대부분의 대상저수지의 용수공급량이 풍부한 것으로 계산되었으나, 이를 바탕으로 비상연계 공급량을 산정할 경우, 상당량의 용수가 공급 가능한 것으로 분석되지만 실제적으로 관개용수 공급 및 안정적인 저수지 운영에 심각한 위험을 초래할 수 있다. 따라서 보다 안정적이고, 현실적인 비상연계 용수공급가능량 산정을 위해 Lee et al.
먼저 대상저수지의 물수지 분석을 통해 저수지의 여유수량을 산정하고 보정 과정을 통해 비상연계 용수공급가능량을 산정하였다. K-HAS를 활용한 물수지 분석을 통해 농업용저수지의 가용수량을 계산할 경우에는 여유수량이 실제보다 과다산정되는 경향을 보였다. 위 결과를 바탕으로 비상연계 용수공급량을 산정할 경우 저수지의 용수공급능력이 과도하게 평가되어 실제로 불이 부족한 경우에도 용수공급이 가능하다고 계산되어 저수지의 안정적 운영에 위험을 초래할 수 있다.
본 연구에서는 장치저수지의 LP 산정 시 관개시점 (6월 1일)의 저수율을 적용하여 이수안전 기준 저수율을 산정하였다. 그 결과 장치저수지의 이수안전기준 저수율은 60.5%인 것으로 분석되었다.
위 결과를 바탕으로 비상연계 용수공급량을 산정할 경우 저수지의 용수공급능력이 과도하게 평가되어 실제로 불이 부족한 경우에도 용수공급이 가능하다고 계산되어 저수지의 안정적 운영에 위험을 초래할 수 있다. 본 연구에서 장치저수지의 경우 모의 저수율과 실측 저수율을 비교한 결과 모의 저수율이 크게 나타났으며, 보정 후 실측치와 유사해졌음을 확인할 수 있었다. 따라서 보다 신뢰성 있는 결과를 위해서 모의 저수율 보정 과정은 필수적이라 할 수 있다.
11에는 물수지 분석 보정 후 비상연계용수에 따른 관개시점 저수율과 이수안전기준 저수율을 나타내었다. 비상연계 용수공급량이 많아 질수록 이수안전 기준 저수율 이하에 도달하는 연도 수가 많아짐을 확인 할 수 있으며, 이를 바탕으로 이수안전도 90%를 만족하는 장치저수지의 비상연계 최대 용수공급가능량을 산정하였다.
K-HAS를 활용한 물수지 분석을 통해 농업용저수지의 가용수량을 계산할 경우에는 여유수량이 실제보다 과다산정되는 경향을 보였다. 위 결과를 바탕으로 비상연계 용수공급량을 산정할 경우 저수지의 용수공급능력이 과도하게 평가되어 실제로 불이 부족한 경우에도 용수공급이 가능하다고 계산되어 저수지의 안정적 운영에 위험을 초래할 수 있다. 본 연구에서 장치저수지의 경우 모의 저수율과 실측 저수율을 비교한 결과 모의 저수율이 크게 나타났으며, 보정 후 실측치와 유사해졌음을 확인할 수 있었다.
장치저수지는 비상연계 용수를 공급하지 않을 시에는 이수 안전도는 98%이며, 비상연계 용수를 20천㎥/일 공급할 경우 이수안전도는 약 73%로 분석되었다. 위 분석 결과를 바탕으로 안정적인 용수공급 기준인 이수안전도 90%를 만족하는 장치저수지의 비상연계 최대 용수공급가능량은 약 12.8천㎥/일로 산정되었다.
장치저수지는 비상연계 용수를 공급하지 않을 시에는 이수 안전도는 98%이며, 비상연계 용수를 20천㎥/일 공급할 경우 이수안전도는 약 73%로 분석되었다. 위 분석 결과를 바탕으로 안정적인 용수공급 기준인 이수안전도 90%를 만족하는 장치저수지의 비상연계 최대 용수공급가능량은 약 12.
장치저수지의 K-HAS 모의 결과를 보정하지 않고 적용하였 때, 비상연계 용수를 공급하지 않을 경우, 저수지의 저수율이 이수안전기준인 60.5%에 도달하는 시기가 모의 기간 중단 1회만 발생한 것으로 나타났다 (Fig. 4).
2는 장치저수지의 모의 저수량과 실측 저수량을 나타낸 그래프이다. 장치저수지의 경우, 대부분의 구간에서 K-HAS 모의 저수량이 실측저수량보다 크게 나타났으나, 보정 후의 모의 저수량 결과는 실측치와 상당량 유사해졌음을 확인할 수 있다 (Fig. 3).
4). 저수량 결과 보정후 분석하였을 때 장치저수지의 비상연계 가능 기간이 상당히 많은 것으로 나타났다 (Fig. 5).

후속연구

기후변화의 영향으로 가뭄의 발생빈도가 증가하여 새로운 용수공급의 안정성 확보 방안이 시급하다. 2014∼2017년에 걸쳐 예년 대비 낮은 강수량으로 2017년에는 보령댐과 평림댐의 저수량 감소로 생활용수 공급까지 제한하는 등의 극심한 가뭄을 겪었으며, 급수체계 조정 및 도수로 건설 등을 통해 극복한 바 있다 (국가가뭄정보통계집, 2021).
또한, 비상연계대상지 선정 기준에 따라 제한적 자료를 토대로 도출된 개략적인 분석결과이며, 분석과정이 정량적으로 분석됨에 따라, 향후 비상 또는 연계방안 세부 중장기적 계획 수립시 실제 해당 지자체의 물사용자 (농민, 시민 등)의 용수 사용에 대한 의사결정 등 의견도 반드시 고려해야 한다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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