Ⅰ. 서 론
최근 기후변화로 인해 이상기온, 집중호우, 그리고 장기적인 가뭄과 같은 농업기상재해의 발생 빈도와 강도가 증가하고 있다 (IPCC, 2021). 전 지구적 기온 상승과 강수 패턴의 불규칙성은 극단적인 기상현상을 빈번하게 발생시키며 이는 농업생산에 직접적인 영향을 미친다 (Kim et al., 2021). 특히, 가뭄의 장기화와 강도의 증가는 농업용수 수요와 공급의 불균형을 발생시키며, 우리나라의 경우 지형적 특성에 따른 강수량의 지역적 편차가 발생하며 국지적 가뭄이 증가하면서 농업 수자원의 안정적 확보를 저해하는 주요 요인으로 작용한다 (KREI, 2016). 우리나라의 경우 2000년 이후 농업가뭄 발생빈도가 증가하였으며, 2014년부터 2018년까지 연속적인 가뭄 발생으로 인해 광범위한 지역에서 피해가 발생하기도 하였다 (Nam et al., 2012; Mun et al., 2021). 2015년에는 충청 및 전라도 지역에서 강수량이 평년 대비 40% 이하로 감소하며 농업용수 부족이 심화되어 이로 인해 벼 수확량이 약 20% 감소하는 등 농작물 피해가 발생하였으며, 2021년에는 가뭄으로 인해 전국적으로 약 12,000 ha의 농경지가 피해를 입으며 경제적 손실은 약 1,500억원에 달한 것으로 추정된다 (RDA, 2016; MAFRA, 2022).
우리나라는 심화되는 가뭄에 대응하기 위해 ‘농어촌 정비법’의 규정에 근거하여 농업용수 관련 제도와 정책을 기반으로 다양한 수자원 개발 및 관리 사업을 추진하고 있다. 그러나 대부분의 사업이 과거부터 논 중심 영농형태의 특성과 경제성을 고려하여 논농업의 생산성을 높이는 데 초점이 맞추어져 있다. 밭농업 지역의 농업용수 공급을 위한 밭기반 정비사업이 진행중이지만 경제성과 파급효과 등을 고려하여 30 ha 이상의 밭포장이 집단화된 지역을 대상으로 시행되고 있어 수리시설로부터 용수공급을 받지 못하는 소규모 밭농업 지역이나 산간지역에 위치한 농업지역에는 사업 적용의 한계가 존재한다 (KREI, 2011). 특히, 우리나라 농업지역의 관개시설 보급률은 논의 경우 약 80~90% 수준인 반면 밭의 경우 10~20% 수준으로 최근 논에서 밭으로 영농형태가 변화하는 추세가 증가함에도 밭농업의 관개시설 보급률은 매우 열악한 상황이며 (KREI, 2014), 이로 인해 농업생산기반시설의 혜택을 받지 못하는 소규모 밭지역과 중산간 지역과 같은 수혜구역 외 농업지역의 농업활동에 더욱 취약한 실정이다 (Jang and Choi, 1998; Choi and Kim, 2017).
이에 농업생산기반시설의 혜택을 받지 못하는 농업지역에 적용하기 위한 대체농업용수 개발에 대한 연구가 국내외에서 다양하게 시도되고 있으며, 추가적인 농업용수 확보를 위한 사업이 확대되고 있다. 이스라엘은 연간 강수량이 200~800 mm에 불과하지만 네게브 사막 지역에서 경사지를 따라 빗물을 모아 저류지로 보내 관개하는 방식의 빗물 집수 기술 (Runoff Agriculture)을 활용해 농업용수를 확보한 바 있다 (Nachshon et al., 2022). 호주에서는 농가별 빗물 저장탱크를 설치하여 관개에 활용함으로써 가뭄 시에도 농업 생산성을 약 15~20% 유지하는 효과를 보였다 (Rahman et al., 2020). 또한, 인도 라자스탄 지역에서는 전통적인 빗물 집수 구조물인 조하드 (Johad)를 활용해 강우 시 빗물을 모아 밭작물 관개에 사용하여 농업생산량을 약 2배 증가시킨 사례가 있다 (Glendenning, 2009). 국내에서도 최근 제주도에서 농업용수 사용량 중 90%를 차지하는 지하수 사용량으로 인한 지하수 고갈 문제와 염수화 문제 해결을 위한 ‘빗물이용 농업용수 시설’ 조성 사업이 시행되고 있다. 또한, 농촌진흥청에서는 노지 밭관개 농업용수 확보를 위해 빗물 집수⋅저장 장치를 이용한 강우-유출수 이용 기술개발 연구를 수행한 바 있다. 농촌진흥청의 연구는 물부족에 대비하여 밭농사 용수공급을 위한 빗물의 집수 및 저장 기술 확보를 목적으로 수행하였으며, 빗물활용 기술에 필요한 구체적인 요건과 기술방향을 수립하기 위하여 현행 밭농사 용수이용과 관련된 실태조사 연구를 수행하였다 (RDA, 2016; RDA, 2020; Choi et al., 2018). 실태조사 결과를 바탕으로 산간지역 경사 노지에 위치한 소규모 밭포장을 중점 대상으로 선정하여 빗물활용 기술개발의 방향을 수립하였다. 이에 빗물 집수장치와 임시저류 장치를 시험 및 제작하여 강우-유출수를 활용한 대체농업용수 시스템을 구축하였으며, 현재 실제 영농현장에 설치되어 현장시험에서 얻어진 데이터를 분석하여 고도화 시키며 개선된 집수효율과 용수공급 성능의 시스템으로 운영중이다. 하지만 시스템 도입으로 인한 물부족 해결에 대한 성과를 뒷받침하기 위한 평가는 이루어지지 않고 있는 실정이다. 이에 대체농업용수 시스템 도입으로 인한 농업수자원 확보, 가뭄해소 등과 같은 효과를 정량적으로 평가할 필요성이 있다.
이에 본 연구에서는 강우-유출수를 활용한 대체농업용수 시스템이 실제로 이수개선에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 현재 중산간 지역 영농현장을 대상으로 운영중인 농촌진흥청의 강우-유출수 활용 대체농업용수 시스템을 대상으로 이수안전도 지표를 적용하여 이수개선 효과를 정량적으로 평가함으로써 향후 새로운 대상지에 농촌진흥청의 대체농업용수 시스템 도입시 각 대상지의 추가 용수 공급 가능량과 규모에 따른 최적의 설계시스템을 구성하는데에 합리적인 근거가 될 것이다. 본 연구결과는 대체농업용수 시스템 적용 확장 측면에서 정량적인 평가와 이수안전도 개선 효과를 분석하여 제시함으로써 신규 시장 발굴 및 관련 정책 수립의 근거자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
Ⅱ. 연구자료 및 방법
1. 강우-유출수 활용 임시저류형 대체농업용수 시스템
농촌진흥청은 물부족에 대비하여 밭농사 용수공급을 위한 빗물 집수 및 저장 기술 확보를 목적으로 강우-유출수를 활용한 임시저류형 대체농업용수 시스템을 개발하였다. 본 시스템은 집수장치, 수처리장치, 저장장치로 구분되며, 집수장치는 상시 혹은 간헐적 흐름의 소류천이나 배수로 등에서 흐르는 물을 동력원 없이 모으는 장치, 수처리 장치는 강우-유출수에 포함된 이물질을 최소화하여 농업용수 수질조건을 충족시키기위한 장치, 저장장치는 집수장치와 수처리장치를 통해 유입된 물을 관개용수로 공급하기 위해 저장하는 장치로 정의된다. 현재 테스트베드는 경상남도 합천군에 위치한 중산간의 소규모 밭작물 농업지역에 설치되어 모니터링 시스템을 운영하고 있으며, 현장시험에서 얻어진 데이터를 분석하여 고도화가 진행중이다.
가. 대체농업용수 시스템 테스트베드
대체농업용수 시스템 테스트베드는 강우-유출수 활용을 위한 농업용수 생산 요소기술 개발과 밭 관개용 취수가능량 산정을 위한 강우-유출 모형 검⋅보정을 위해 일정규모 이상의 전작이 소규모 복합형 밭농업 단지 형태로 이루어지고 수원이 부족하여 안정적 용수공급이 어려운 중산간 농촌 소유역 지역을 대상으로 선정하였다. 2023년 8월 21일부터 경상남도 합천군 율곡면 와리에 대체농업용수 시스템을 설치하고 유출량 산정을 위한 모니터링 환경을 구축하여 운영중이다. 테스트베드의 유역면적은 약 6.3 ha, 유역고도는 48 (Min.)~160 (Max.) m이며, 수혜면적은 약 0.44 ha로 논벼 재배 필지 없이 모든 면적이 밭으로 구성되어 있다. 테스트베드 수혜구역의 재배작물 조사 결과 콩, 들깨 등의 곡류 재배면적 비중이 높은 것으로 나타났으며, 무강우시 하천유출이 전혀 없어 수혜구역의 물부족 스트레스가 높은 특징이 있다. 테스트베드에 설치되어 있는 대체농업용수 시스템은 집수장치를 통해 임시저류되는 5톤 용량의 주 탱크가 설치되어 있으며, 주 탱크 만수시 초과유입되는 용수는 5톤 용량의 보조 탱크에 저류되도록 설계되어 있고, 관개 수혜면적은 주 탱크는 0.2 ha (주 수혜구역), 보조 탱크는 0.24 ha의 수혜구역 (보조 수혜구역)에 관개가 이루어지고 있다 (Fig. 2).
2. 대체농업용수 시스템 이수안전도 평가 모델
이수개선 효과 분석을 위한 정량적인 결과를 산정하기 위해 실제 영농환경과 대체농업용수 시스템 운영을 반영한 ‘대체농업용수 시스템 이수안전도 평가 모델’을 구축하였다. 평가 모델에서는 현재 운영중인 강우-유출수 활용 임시저류형 대체농업용수 시스템의 집수효율, 탱크용량 등과 같이 시스템의 구조를 반영할 수 있으며, 현장조사로 수집된 수혜면적, 재배작물 등의 정보를 적용하여 실제 영농현장을 반영하도록 구축하였다. 평가모델을 통해 수혜구역의 일별 토양수분, 임시저류되는 유입량, 필요수량, 관개량과 관개부족량이 산정되며 결과들을 활용하여 이수안전도 지표에 따라 대체농업용수 시스템 도입의 이수개선 효과를 분석하였다.
가. 이수안전도 평가 모델 개요 및 구성
본 연구에서 구축한 이수안전도 평가 모델은 Fig. 3의 순서도에 따라 각 모듈별 결과를 산정한다. 이수안전도 평가 모델은 작물정보, 기상자료, 수문모형으로 산정된 일 유출량 자료를 기초 입력자료로 사용하여 재배작물, 임시저류 탱크의 개수, 용량과 탱크간 연결 형태 등의 구조를 입력하고, 테스트베드의 수혜구역 면적, 재배작물을 반영하여 실제 운영조건과 영농환경을 반영하도록 구성되어 있다.
평가 모델의 모듈은 저류조 물수지 모듈, 토양수분 모듈, 관개 모듈로 구성되어 각 단계별 결과값 산정과 판단 및 결정 과정을 거쳐 이수안전도를 평가한다. 저류조 물수지 모듈은 강우-유출수가 저류조에 임시저류되는 과정을 모의하며 관개필요시 저류조의 용수를 이용하여 관개를 모의한다. 실제 시스템 운영조건을 반영하기 위해 유입량의 경우 일 유출량에 집수효율을 곱한 유량과 관을 통해 고도차를 이용한 자연유하 방식으로 탱크에 저장이 되는 것을 반영하고자 현장조건의 변수를 고려할 수 있는 Hazen-Williams 공식을 사용한 유량을 산정하여 그 중 최소값이 물탱크에 유입되는 일별 유량으로 정의하였다.
토양수분 모듈은 기상자료와 작물정보를 활용하여 일별 토양수분을 산정하여 관개 필요 유무를 판단한다. 입력되는 기상자료와 작물의 작물계수, 근군역, 포장용수량 자료를 기반으로 일별 증발산량이 계산되며 각 작물의 정보에 따라 일별 토양수분이 산정된다. 이때, 증발산량은 Penman-Monteith 방법으로 계산되고, 작물정보는 농촌진흥청 농사로의 농업기술길잡이 자료를 바탕으로 작물의 특성을 고려하였다. 토양수분 모듈에서 관개시기 결정은 토양수분이 작물의 생장저해수분점 이하로 산정될 경우이며, 관개가 필요할 시 관개 모듈에서 물탱크에 저류된 강우-유출수를 활용해 용수공급을 모의하게 된다. 필요수량은 현재 생장저해수분점 이하의 토양수분에서 토양수분 100% 까지의 용수량으로 정의하였다.
관개 모듈은 토양수분 모듈에서 관개시기가 결정될 경우 물탱크에 저류된 강우-유출수를 활용해 용수공급을 모의한다. 앞서 토양수분 모듈에서 관개의 필요와 시기가 결정되면 관개모듈에서는 필요수량과 현재 물탱크의 저류량을 판단하여 관개를 모의한다. 물탱크 저류량이 필요수량만큼 충분하다면 관개를 모의하게되고, 충분하지 않다면 관개부족량의 값이 산정된다.
초기 입력자료로 사용되는 기상자료와 일 유출량 자료를 기반으로 각 모듈의 계산과 판단과정을 거쳐 결과값이 표출되도록 구성되어 있다. 입력된 자료 분석기간의 일별 토양수분, 필요수량, 관개량과 필요수량 발생시 임시저류 탱크의 저류량이 부족하여 공급되지 않은 관개부족량이 산정되며 이수안전도를 평가할 때 기초자료로 사용된다.
나. 이수안전도 산정 지표
구축된 ‘대체농업용수 이수안전도 평가 모델’에서 산정된 일별 토양수분, 필요수량, 관개량, 관개부족량의 결과를 활용하여 이수개선 효과를 분석하기 위해 본 연구에서는 이수안전도 개념을 적용한 4개의 지표를 선정하여 분석하였다. 기존의 연구에서는 주로 농업용수 공급의 핵심이 되는 농업용 저수지를 대상으로 농업용수 잠재능의 개념을 제안하거나 연회전율, 단위공급량, 연 최대 필요저수량 산정 후 빈도분석을 통해 유효저수량과 비교분석하여 이수안전도를 평가한 바 있다 (Nam et al., 2018; Kim et al., 2016; Yang et al., 2024). 이처럼 기존의 이수안전도 평가는 농업용 저수지 대상의 저수량, 물 부족량, 가뭄 지속 기간 등을 평가하는 방식이 주로 선행되어왔다. 그러나 기존 연구에서 농업용 저수지에 적용된 이수안전도 개념을 소규모 밭농업 지역에서 운영하는 대체농업용수 시스템의 효과 분석에 적용하기에는 시스템의 공급 안정성 향상, 가뭄 완화 효과 등의 요소를 충분히 반영하지 못하는 한계가 있다. 이에 기존 농업용 저수지 대상의 이수안전도 평가 지표인 이수안전율, 공급신뢰율과 더불어 대체농업용수 시스템의 효과를 이수측면에서 합리적으로 평가하기 위해 용수공급을 평가할 수 있는 이수안전도 지표를 고려하여 평가하였다.
이수안전율 (Water Utilization Safety, WUS)은 용수 공급이 수요를 충족하는 정도를 나타내며 Eq.1과 같이 산정된다. 이때, 이수안전율이 100%에 가까울수록 안정적인 공급이 이루어지는 것으로 판단하였다. 공급신뢰율 (Water Supply Reliability, WSR)은 일정 기간 동안 요구되는 물 수요를 충족할 수 있는 비율을 의미하며 Eq. 2와 같이 산정된다. 이때, 값이 높을수록 물 부족 발생 가능성이 낮음을 의미한다.
이수안전율, 공급신뢰율과 같이 기존 농업용 저수지 중심의 평가 지표와 함께 용수공급 중심의 이수안전도 지표를 고려할 필요성이 있다. 강우-유출수를 활용하는 대체농업용수 시스템은 용수공급의 시간적 안정성, 부족량의 완화 효과, 강우 의존도 감소 등의 개선효과가 나타나므로 이러한 특징을 종합적으로 반영할 수 있는 평가 지표가 필요하다. 공급지속율 (Water Supply Sustainability, WSS)은 용수 공급의 일관성을 정량화하기 위해 전체 분석 기간 중 연속된 물 부족 일수의 최댓값을 기준으로 용수 공급이 얼마나 지속적으로 이루어졌는지를 평가하는 지표이다 (Eq. 3). 기존의 공급신뢰율이 단순히 물 부족 발생 빈도만을 고려하는데 비해 연속적인 물 부족의 심각성과 농업 생산에 미치는 영향을 반영할 수 있는점이 시스템 도입 효과 분석에 유의미하게 활용될 수 있다.
공급적정율 (Water Supply Adequacy, WSA)은 전체 분석 기간 동안의 총 공급량과 총 수요량의 비율을 나타내며 시스템 도입으로 인한 농업용수 수요를 어느 정도 만족시켰는지를 정량적으로 평가할 수 있는 지표이다 (Eq. 4).
따라서, 본 연구에서는 이수안전도 평가 모델의 결과값을 기초자료로 활용하여 이수안전율, 공급신뢰율, 공급지속율, 공급적정율 지표를 활용하여 강우-유출수 기반 대체농업용수 시스템 도입의 이수개선 효과를 분석하고자 한다.
Ⅲ. 결과 및 고찰
본 연구에서는 실제 영농현장에서 운영중인 강우-유출수활용 대체농업용수 시스템 도입으로 인한 이수개선 효과를 최인근 ASOS 합천 지점의 기상자료와 수문모델을 통해 산정된 유출량 자료를 본 연구에서 구축한 ‘대체농업용수 시스템 이수안전도 평가 모델’의 입력자료로 활용하여 2014~2023년 영농기 (4~9월)의 대체농업용수 시스템 도입 전후의 추가 용수 공급 가능량 차이와 이수안전도 개선 효과를 분석하였다. 모의시 재배작물은 현장조사를 통해 재배면적 비중이 가장 많은 콩 작물을 입력자료로 사용하여 모의하였다. 테스트베드의 시스템 도입 효과를 정량적으로 분석하기 위해 테스트베드의 2개 임시저류 탱크 결과를 독립적으로 계산하고, 주 수혜구역과 보조 수혜구역의 면적가중치를 적용하여 분석하였다.
1. 이수안전도 평가 모델 기초결과 분석
가. 토양수분 변화 분석
‘대체농업용수 시스템 이수안전도 평가 모델’을 통해 콩 작물 재배 일별 토양수분 변화를 기존 천수전으로 재배한 경우 (Rainfed)와 대체농업용수 시스템 설치 후 (Tank) 토양수분 변화를 각 수혜구역별로 분석하였다 (Fig. 4). 주 수혜구역의 경우 천수전 재배시 평균 토양수분이 72.6%에서 대체농업용수 시스템 설치 시 80.5%로 약 10.8% 증가하였으며, 보조 수혜구역은 77.7%로 약 6.9% 증가하였다. 평가 모델에서 콩 작물의 관개시점은 유효 토양수분율의 50% (생장저해수분점)를 기준으로 판단하였다. 대체농업용수 시스템 도입 전 생장저해수분점 미만일수가 연평균 65일로 나타났으며, 시스템 도입 후 생장저해수분점 미만일수는 주 수혜구역에서 51일, 보조 수혜구역에서 55일로 개선된 것으로 나타났다. 보조 수혜구역의 토양수분 증가율과 생장저해수분점 미만일수의 개선 효과가 주 수혜구역에 비해 낮게 산정된 이유는 주 수혜구역 탱크 만수시 초과유입되는 용수가 보조 수혜구역의 저류탱크에 유입되며 집수장치를 통해 유입되는 양이 적을시 보조 수혜구역의 저류탱크로 저장되지 않아 낮게 나타나는 결과로 판단된다.
나. 관개부족량 변화 분석
Fig. 5는 Fig. 4의 조건과 동일하게 관개부족량을 각 수혜구역별로 비교한 그림이다. 관개부족량은 필요수량 대비 관개시 부족량을 의미하며, 천수전의 경우 필요수량 대비 강우관개 부족량을 나타낸다. 주 수혜구역의 경우 천수전 재배시 연평균 관개부족량이 약 36.8 m3/year 대비 대체농업용수 시스템 설치 후 약 18.7 m3/year으로 약 18.1 m3/year의 관개부족량이 감소하였다. 보조 수혜구역은 약 20.7 m3/year으로 약 16.1 m3/year의 관개부족량이 감소하는 것으로 나타났다. 천수전 재배시 분석기간 중 최대 관개부족량이 약 202.5 m3, 주 수혜구역은 약 197.5 m3, 보조 수혜구역은 199.4 m3으로 모두 장마가 시작하기 전인 6월에 모든 연도에서 관개부족량이 가장 크게 나타나는 것으로 분석되었다 (Fig. 6). 특히, 최근 가뭄피해가 가장 극심한 2017년에는 대체농업용수 시스템이 설치됨에도 강우량이 매우 적어 천수전 재배시와 관개부족량이 유사하게 나타나는 것으로 분석되었다.
2. 천수전 대비 추가 용수 확보량 분석
가. 대체농업용수 시스템 도입으로 인한 추가 용수 공급 가능량 분석
분석기간 (2014~2023)동안 대체농업용수 시스템 도입 전 천수전으로 재배한 경우와 강우-유출수활용 대체농업용수시스템 도입 후 탱크에 저류되어 작물 재배 시 용수 공급 가능량을 연도별로 비교하였으며, 여기서 용수공급 가능량은 구축된 이수안전도 평가 모델에서 작물재배시 필요수량에 따른 공급량을 의미한다 (Fig. 7). 천수전 재배 대비 대체농업용수 시스템 도입으로 인한 추가 용수 공급 가능량은 분석기간 연평균 486.1 m3/year가 추가적으로 확보되는 것으로 나타났다. 특히, 분석기간 중 가장 큰 가뭄피해를 발생시킨 2017년은 627.2 m3의 차이를 보였으며, 연강수량이 제일 많았던 2020년에는 201.0 m3의 차이를 나타내며 가뭄이 발생한 해와 연강수량이 많았던 해의 특성과 연도별 강수량의 패턴이 유사한 대체농업용수 시스템 도입효과를 나타내어 이수안전 평가 모델의 시스템 결과가 합리적으로 모의되고 있음을 시사한다.
나. 추가 용수 공급 가능량과 강우변수, 시스템 운영 변수 간 상관관계 분석
향후 대체농업용수 시스템의 설계 및 적용 시 대상지의 기상 및 수문 특성을 고려한 기준 설정의 필요에 따라 주요 변수들이 시스템 성능에 미치는 영향을 분석하기위해 추가 용수 공급 가능량과 주요 강우 특성 변수, 대체농업용수 시스템 운영 변수 간의 상관관계를 분석하였다 (Fig. 8). 강우 특성의 변수는 연 5 mm 이상 강우일수, 연 최대연속강우일수, 강우강도, 연 강우일수, 연 총강우량을 사용하였으며 시스템 운영 변수는 연 저류탱크 만수일수를 선정하여 추가 용수 공급 가능량과 상관관계를 분석하였다.
Fig. 8
Correlation analysis between potential additional water supply, rainfall variables and system operation parameters
6개의 변수 결과에서 통계적으로 유의한 음의 상관성이 나타났으며, 연 강우일수는 추가 용수 공급 가능량과 –0.760의 가장 높은 음의 상관관계가 나타났다. 이는 연 강우일수가 많을수록 단위 강우강도가 낮아 유출량이 줄어들거나, 집수효율이 저하되어 실제 확보 가능한 수자원량이 감소할 수 있음을 의미한다. 또한, 5 mm 이상 강우일수와의 상관계수는 –0.744로 통계적으로 유의한 음의 상관관계를 나타냈다. 이는 비교적 약한 강우가 자주 발생하더라도 시스템의 집수 한계나 구조적 제약으로 인해 수자원 확보에 실질적인 기여를 하지 못할 수 있음을 의미한다. 연 저류탱크 만수일수 또한 상관계수가 –0.737로 유의한 음의 관계를 보였으며, 저장시설이 장기간 만수상태일 경우 초과 유출로 인해 실질적인 저장과 활용이 어려워지는 구조적 한계를 반영하는 결과로 해석할 수 있다. 연 총강우량 또한 상관계수 –0.647로 통계적으로 유의한 음의 상관성을 보였다. 이는 강우량이 많을수록 항상 용수 공급 가능량이 증가하는 것이 아니라 저장용량을 초과한 유출이나 짧은 간격의 연속 강우로 인해 효율적인 집수가 어려워질 수 있는 것을 의미한다. 상관관계 해석을 통해 시스템이 강우변수나 운영조건 변수에 따라 추가 용수 공급 가능량에 미치는 영향을 해석할 수 있지만 통계적 유의확률은 모든 변수에 대해 유의성이 높지 않은 것으로 나타났다. 이는 짧은 분석기간과 고려될 수 있는 변수의 한계로 판단된다.
3. 대체농업용수 시스템 도입 전후 이수안전도 개선 효과
가. 이수안전도 지표 적용 개선효과 분석
강우-유출수를 활용한 대체농업용수 시스템 도입으로 인한 시범지역의 대체농업용수 확보를 통해 개선되는 이수안전도를 평가하기 위해 앞서 선정한 4가지의 이수안전도 지표를 선정하여 구축된 이수안전 평가 모델의 결과를 활용하여 분석하였다. 이수안전율 (WUS)은 용수공급이 수요를 충족하는 정도를 나타내며, 기존 천수전 재배의 3.87% 대비 대체농업용수 시스템 도입 시 20.82%로 개선된 결과를 나타냈다. 특히, 분석기간 중 가장 극심한 가뭄피해를 보인 2017년에는 천수전 재배시 0.78% 대비 시스템 도입후 19.99%로 가장 많이 개선되는 것으로 분석되었다. 전체 분석기간 동안의 총 공급량과 총 수요량의 비율을 나타내는 공급적정율 (WSA)은 천수전 재배의 경우 4.34% 대비 시스템 도입시 14.27%로 개선되는 것으로 분석되었다. 반면, 일정 기간 동안 요구되는 물 수요를 충족할 수 있는 비율을 나타내는 공급신뢰율 (WSR)은 천수전 재배시 68.91% 대비 시스템 도입후 70.58%로 개선율이 1.67%의 차이로 시스템 도입 전후의 차이가 크게 나타나지 않았으며, 전체 분석 기간 중 연속된 물 부족 일수의 최댓값을 기준으로 용수 공급이 얼마나 지속적으로 이루어졌는지를 평가하는 공급지속율 (WSS) 또한 천수전 재배시 79.84% 대비 시스템 도입시 81.28%로 1.44%의 개선율 차이로 개선효과가 크게 나타나지 않았다 (Fig. 9).
본 결과를 통해 대체농업용수 시스템 도입으로 인한 이수개선 효과는 4가지 이수안전도 지표 모두 개선되는 것으로 분석되었으며, 이수안전율과 공급적정율은 기존 재배방식 대비 개선율이 높게 나타났지만 공급신뢰율과 공급지속율은 미비한 차이의 개선율을 나타냈다. 이는 관개량, 필요량 등 작물재배시 사용되는 용수의 양적인 변화를 고려한 이수안전율과 공급적정율과 대비하여 생장저해수분점 기준의 물부족 일수와 최대연속 물부족일수와 같이 기간의 변화를 고려한 공급신뢰율과 공급지속율은 단순 용수 공급 성능보다는 안정적으로 용수 공급이 되었는지 판단하는 지표로 단기간의 용수 공급이 있더라도 수요 시점과 정확히 일치하지 않으면 개선효과가 크지 않은 것으로 판단된다.
4. 이수개선 효과 분석을 통한 향후 대체농업용수 시스템 설계 제안
가. 정량적 관계 해석을 위한 변수 간 회귀분석
앞서 추가 용수 공급 가능량과 강우변수, 시스템 운영 변수 간 상관관계 분석을 통해 가장 유의미하게 나타난 연 총강우량, 연 강우일수, 연 저류탱크 만수일수를 독립변수로 설정하고, 추가 용수 공급 가능량을 종속변수로 설정하여 다중 선형회귀분석을 수행하였다 (Fig. 10). 본 연구에서 다중 선형회귀분석을 수행한 목적은 강우나 운영 요인의 변화가 추가 용수 공급량 확보 효과에 어떠한 영향을 미치는지를 수치적으로 해석하기 위함이다. 회귀분석 결과 모형의 결정계수는 0.703으로 제시된 독립변수들이 전체 변동성의 약 70.3%를 설명하는 것으로 나타났다. 이는 비교적 적은 수의 독립변수를 활용하고도 추가 용수 공급 가능량의 주요 변화 양상을 효과적으로 설명할 수 있음을 의미한다.
Fig. 10
(Left) Relationship between observed and fitted values of potential additional water supply from multiple linear regression. (Right) Regression coefficients and p-value for three explanatory variables
개별 변수들의 회귀계수(ᵝ) 결과를 살펴보면 연 강우일수는 회귀계수 –20.91로 강우일수가 증가할수록 용수 공급 가능량이 감소하는 경향을 보였다. 연 저류탱크 만수일수 역시 –6.31로 유사한 음의 영향을 나타냈다. 이와 같은 경향은 잦은 강우 또는 장기간 저장 탱크의 포화상태가 유효 수자원의 확보를 제한할 수 있음을 시사하며, 집수효율, 유출조건, 저장용량 한계 등이 복합적으로 작용한 결과로 해석된다. 한편, 연 총강우량은 회귀계수 +0.146으로 소폭의 양의 방향을 보였으며, 이는 단순히 강우량이 많다고 해서 가용 수자원이 증가하는 것이 아니라는 점을 의미한다.
3가지 독립변수의 유의확률이 통계적 유의 수준에 도달하지는 않았지만 전체 모델의 설명력이 높고 변수 간의 경향성이 명확이 도출되었다는 점에서 향후 대상지 설계시 물리적 시스템 구성(탱크용량, 저장위치 등)에 반영할 수 있는 실질적 근거로 활용될 수 있다.
앞서 상관관계 분석과 회귀분석을 통한 통계적 분석 결과는 단순한 강우량 증가나 강우일수의 증가가 확보 가능한 수자원량의 증가로 이어지지 않으며, 오히려 저장 용량의 포화, 과잉유출 등의 문제로 인해 실질적인 확보량은 감소될 수 있음을 시사한다. 따라서 향후 유사한 조건의 새로운 대상지에 대체농업용수 시스템 설계시 단순 기후 평균값이나 총 강수량만을 기준으로 저류탱크의 용량을 결정하는 방식은 한계가 있으며, 다양한 변수를 고려한 설계 접근이 필요하다. 특히, 강우의 빈도, 강도, 연속성과 같은 변수들이 수자원 확보에 실질적인 영향을 미치는 주요 요인으로 분석되었으므로 이러한 요소들을 종합적으로 고려하여 저류탱크의 용량 및 배치 위치를 결정할 필요가 있다. 추가 용수 공급량 확보와 연관된 주요 변수들의 경향을 반영하여 유입량이 집중되는 시기나 만수일수 증가에 따른 유출 손실을 저감할 수 있는 분산 저장 시스템 도입이나 저류조의 배치 방식을 설계하여 기상특성과 시스템의 특성을 함께 반영한 맞춤형 시스템 설계를 통해 본 연구의 테스트베드와 같이 중산간에 위치한 이수취약지역에서도 실질적인 농업용수 확보 효과를 기대할 수 있다.
Ⅳ. 요약 및 결론
본 연구에서는 경상남도 합천군 중산간 밭농업 지역에 설치⋅운영중인 강우-유출수 기반 임시저류형 대체농업용수 시스템으로 확보되는 농업용수로인한 이수개선 효과를 정량적으로 평가하고자 하였다. 이수개선 효과를 분석하기위해 시스템 운영조건과 현장 재배특성을 반영한 ‘대체농업용수 시스템 이수안전도 평가 모델’을 구축하였다. 모델을 활용하여 2014~2023년 영농기 (4~9월)의 콩 재배조건을 모의하여 토양수분, 필요수량, 관개량, 관개부족량을 산정하였으며, 산정된 모델 결과를 바탕으로 이수안전율, 공급신뢰율, 공급지속율, 공급적정율 4가지의 이수안전도 지표를 적용하여 시스템 도입전후의 이수개선 효과를 분석하였다. 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 대체농업용수 시스템 도입에 따른 토양수분 변화 분석 결과, 콩 작물 기준 생장저해수분점 이하의 일수가 시스템 도입 전 연평균 65일에서 주 수혜구역과 보조 수혜구역에서 각각 51일, 55일로 감소하였으며, 평균 토양수분은 약 7~11% 증가하였다. 이는 시스템 도입으로 인해 작물 생육에 유리한 수분환경이 조성되었음을 의미한다. 또한, 관개부족량 분석 결과, 주 수혜구역과 보조 수혜구역 모두에서 연평균 관개부족량이 약 18.1 m3, 16.1 m3 감소하였으며, 모든 연도에서 장마가 시작하기 직전 5월과 6월 사이에서의 관개부족량이 높게 산정되었다. 이는 장마 시 강우에 의한 관개와 필요수량 발생 시 강우로 저장된 용수가 공급되며 대체농업용수 시스템이 강우 부족 시 용수공급의 완충 역할을 하는 것으로 판단된다.
(2) 대체농업용수 시스템 도입에 따른 추가 용수 공급 가능량은 연평균 486.1 m3/year로 산정되었으며, 연도별 확보량은 강수량과 강우패턴에 따라 변동성을 보였다. 특히, 2017년과 같은 극심한 가뭄 해에는 추가 용수 공급 가능량 차이가 크게 나타났다. 추가 용수 공급 가능량과 강우변수, 시스템 운영변수와의 상관관계 분석결과 연 총강우량 보다는 강우일수, 탱크 만수일수와의 유의한 상관성을 보였다. 이는 강우의 양적 변화보다는 패턴의 변화가 대체농업용수 시스템의 추가 용수 공급 가능량에 더 많은 영향을 미치는 것을 의미한다.
(3) 이수안전도 지표를 적용한 개선효과 분석 결과, 시스템 도입 후 이수안전율은 3.87%에서 20.82%, 공급적정율은 4.34%에서 14.27%로 개선되었으며, 공급신뢰율과 공급지속율 또한 각각 1.67%, 1.44% 증가하였다. 이는 용수공급의 부족기간보다는 양적 측면에서의 개선효과가 지배적임을 의미한다.
(4) 추가 용수 공급 가능량의 상관관계 분석결과 유의미한 상관성을 나타낸 연 강우일수, 저류탱크 만수일수, 총강우량의 지표를 통해 강우나 운영 요인의 변화가 추가 용수 공급 가능량 확보 효과에 어떠한 영향을 미치는지를 수치적으로 해석하기 위한 회귀분석 결과, 단순한 강우량 증가나 강우일수의 증가가 확보 가능한 수자원량의 증가로 이어지지 않음을 의미하였으며, 오히려 저장용량의 포화, 과잉유출 등의 문제로 인해 실질적인 확보량은 감소될 수 있음을 시사하였다. 향후 유사한 조건의 새로운 대상지에 대체농업용수 시스템 설계 시 단순 기후 평균값이나 총 강수량만을 기준으로 구축하는 것은 한계가 있으며, 강우의 빈도, 강도, 연속성과 같이 수자원 확보에 실질적인 영향을 미치는 변수들을 고려하여 설계할 필요가 있다.
이와 같이 본 연구는 강우-유출수 기반 임시저류형 대체농업용수 시스템이 중산간 소규모 이수취약 밭농업 지역에서 토양수분 개선, 관개부족량 완화, 추가 용수 공급 가능량, 이수안전도 향상을 통해 실질적인 농업용수 확보에 기여할 수 있음을 정량적으로 나타냈다. 또한, 향후 신규 대상지에 대체농업용수 시스템 적용 시 강우의 특성과 시스템 운영 조건을 함께 고려한 맞춤형 설계의 필요성을 제안하였다. 본 연구결과는 향후 유사 지역에 대체농업용수 시스템 도입 시 대상지 여건에 따른 적정 설계 방안을 마련하는데 유용한 근거자료로 활용될 수 있으며 관련 정책 수립과 기술 보급의 과학적 근거가 될 수 있을 것으로 기대된다.
