Ⅰ. 서 론
농업활동의 물환경에 대한 일반적인 영향은 경작지 퇴비, 액비, 화학비료, 농약 사용 등에 기인하며 대부분 별도의 정화시설 없이 하천으로 유입됨으로 하천의 수생태계에 미치는 영향이 크다. 이러한 농경지 비점오염은 강우량, 강우강도, 강우지속시간과 토지이용상태, 경사도, 토성, 등에 의해 유출특성이 달라지기 때문에 정량화가 쉽지 않다 (Chung, 1999). 환경부의 제2차 비점오염원 관리 종합대책에 따르면 2010년 비점오염원의 부하율은 68.3%로 2020년 비점오염원의 부하율은 72%로 증가할 것으로 전망하고 있다 (MOE, 2015). 유출특성에 따라 달라지는 비점오염의 합리적인 평가와 예측을 위해서는 다양한 형태의 전작운영에 대한 모니터링을 통해 신뢰할 수 있는 수문⋅수질특성 자료 확보가 선행되어야 할 것이며 이에, 국내 수문⋅수질 모니터링을 통한 유출특성 분석 연구가 다양하게 수행된 바 있다 (So et al., 2018; Lee et al., 2017; Lee et al., 2015; Choi and Jang, 2012).
해당 모니터링 연구사례를 살펴보면, So et al. (2018)은 구축된 시험포에서 관측된 수문⋅수질자료를 통하여 유기농법을 적용한 밭과 관행전작의 비교를 통해 유출특성을 평가하였고 Lee et al. (2017)은 경사가 급한 고랭지 지역에서 장기 모니터링을 통하여 습득한 수문⋅수질자료를 활용하여 비점오염물질 유출특성을 분석하였다. Lee et al. (2015)과 Choi and Jang (2012)은 지표피복 및 초생대 및 침사구 기법을 적용한 전작 유출량과 오염부하 모니터링을 수행한 바 있다.
통계청의 논⋅밭경지면적조사 (KOSIS, 2020)에 따르면, 2000년부터 2018년까지 논 면적의 비율은 약 36% 감소한 반면 밭 면적은 9.47% 증가하였다. 더불어 대규모 농경지 간척사업인 새만금사업의 전작화 기반조성 계획의 경우 당초 계획된 7,317 ha의 수도작 면적을 대폭 감소하고 전작을 1,513 ha에서 8,959 ha로 증가하는 계획 변경이 있었다. 2003년부터 2004년까지 시행된 ‘쌀 생산조정제사업’을 시작으로 2011년부터 2013년 시행된 ‘논 소득기반 다양화사업’과 2017년부터 현재까지 시행되고 있는 ‘논 타작물재배 지원사업’은 당초 논으로 활용되던 농지에 다른 작물 재배를 독려하여 농가에 장려금을 지원하고 있다 (Song and Lee, 2020). 현재 진행되고 있는 논 타작물재배 지원사업의 경우 2018년부터 현재까지 약 64,000 ha의 논면적이 콩, 사료작물, 옥수수 등 다른 작물로 작부를 전환하여 수도작의 전작화 경향이 가속화 되고 있는 실정이다 (Kim and Song, 2019; Jeon et al., 2018).
전작화된 농경지는 수도작에 활용된 용지의 특성상 대부분 경사도 0%에 가까운 평지이므로 경사도 15%이상의 급경사에서 이루어지는 고랭지밭을 비롯하여 경사지에서 관행적으로 이루어지는 전작과 유출특성이 다르게 나타난다. Choi et al.(2009)은 평지전작과 고랭지밭의 비점오염 모니터링을 통해 평지와 경사지전작의 배출특성을 비교한 결과 각 필지에 대한 기상조건, 작부체계, 경사도, 그 외 다양한 인자에 의해 배출특성이 다양하게 나타나는 것을 보인 바 있다. Hyun et al. (2010)은 평균경사도 5.5% 밭에서 모니터링한 토사량을 WEPP모델을 활용하여 경사도 10%, 15%, 20%의 토사량으로 환산한 결과 경사도 5.5%에서 발생하는 토사량 (100%) 기준 각 160%, 227%, 287%로 나타내어나 경사도가 커질수록 높은 토사량이 모의되는 결과를 제시하였다. Joo and Kim (2008)은 고랭지 밭에서 경사도를 분할하여 유출량 및 토사량 관측결과를 분석하는 등 국내 밭 경사지의 유출특성 모니터링 분석을 수행한 바 있다. 그러나 최근 증가하고 있는 전작 형태인 평지에서의 전작운영에 대한 유출특성 연구는 전무한 실정이다. 일반적인 전작 모니터링 연구는 경사지 전작에 대한 적정 표준시비량 및 배출 부하 특성에 대한 모델링 연구가 중점적으로 수행되어왔으나 평지전작 특성에 맞는 전작 모니터링 자료의 부족으로 급변하는 농지 활용의 물환경 영향에 대한 모델링 평가 신뢰성 확보에 한계를 보여왔다 (Hwang, 2019). 평지의 경우 경사지 대비 배수지연 등의 유출기작의 차이로 경사도에 따른 유출량 간의 (비)선형 관계 가정하여 적용하는 것은 한계가 있으며 필지면적 (규모)에 따른 유출특성의 차이도 다를 개연성이 크다.
본 연구는 평지의 전작필지 특성을 반영한 모니터링 시스템을 구축하고 정밀영농운영을 통해 양질의 평지전작 유출특성 자료를 확보하고자 도입되었다. 이를 위해 필지면적과 작부체계 (콩, 옥수수)를 달리한 평지전작의 운영에 따른 유출특성 모니터링 시험포를 구성하고 2019년 영농기간의 유출발생 강우사상에 대한 각 필지별 유출 및 배출부하 특성을 분석하고자 한다. 더불어 기존의 경사지 전작에 대한 선행연구로부터 수집한 자료와 비교하여 경사도에 따른 유출특성을 비교하여 고찰하고자 한다.
Ⅱ. 재료 및 방법
1. 시험포선정
경상남도 진주시 대곡면 소실길 12-116 소재 경상대학교 부속농장 일부 필지에 시험포를 조성하였다. 해당 필지는 연구를 위한 농장지원이 체계적으로 이루어지며 수문⋅수질 모니터링을 위한 시공이 자유롭고 연구지로부터 접근성이 뛰어나 상시적 수문 모니터링 및 수질시료 체취가 용이하다. 한 때 수도작 지역으로 수년간 전작화에 운영되어 현재 평지 전작 실험이 수행되고 있는 농경지이다. 시험포 조성 농지의 토성의 경우 강서통과 가까우며 모래 (46.9%), 미사 (41.9%) 함량이 전국평균 모래 (41.7%), 미사 (41.5%) 함량 (NGII and MOLIT, 2018) 대비 각 5.2%, 0.4% 높게 나타났고 PH의 경우 전국 밭평균 대비 0.3 낮게 나타났으나 일반적 국내 전작 농경지 특성과 유의한 차이는 없는 것으로 조사되었다. 연구대상지역 근거리에 위치한 대곡지점 AWS 관측소와 진주지점 ASOS 관측소가 위치하여 정확도 높은 기상관측 자료 확보가 용이하다 (Fig. 1). AWS 관측소의 경우 금회연구 대상지역이 위치한 경상대학교 부속농장 내 설치되어 있어 자료가 매우 유의하지만 결측치가 많고 자료의 연속성 및 실효성을 고려하여 진주 종관기상관측소 (ASOS)의 강우자료를 적용하였다.
평지전작의 유출특성과 일반적 경사지전작의 유출특성을 비교하기 위해 Choi et al. (2018)의 2018년 농촌진흥청 관내 구축된 시험포에서 옥수수를 작부로 모니터링을 통해 얻은 수문⋅수질 자료를 습득하였다. 해당연구는 국립농업과학원 내 경사가 7%인 시험포에서 모니터링이 시행되었으며 1/100 샘플러를 이용하여 유출량 측정을 하였다. 토성은 상주통과 가까우며 모래 (70.9%), 미사 (22.9%)함량이 전국평균 모래, 미사 대비 29.2%높게, 18.6% 낮게 나타났다. 두 시험포의 비교는 토양 및 기상조건이 다르긴 하나 정밀모니터링을 통해 수집된 자료로서, 강우사상의 특성에 따른 경사지 전작 유출 특성에 대한 기초자료로서 금회 평지전작 모니터링 결과와 간접적으로 비교하는데 활용하였다.
2. 유출량 및 부하량 산정
강우 시 분당 유출수위를 측정할 수 있는 부자식 수위계와 위어 (Triangle Weir) 시스템을 각 시험포별로 설치하고 실시간으로 수위를 측정하여 유량을 산정하였다. 수위-유량 관계에 대한 경험식을 바탕으로 분당 유량을 계산하고 이를 시간단위 및 일단위 유출량으로 산정하였다. 분단위로 수집된 위어수위를 유량 (m3/minute)으로 변경하기 위해 삼각위어 일반식인 Eq. (1)을 적용하였다. 해당 식은 이론방정식으로서 수심에 따라 위어를 통과하는 물의 단면적으로 위어를 통과한 유량을 계산한다. Eq. (2)의 
는 유량계수로 위어수심에 따른 변수로 취하고 
은 유량계수 
와 경험적 상수의 곱으로 산정한다.
Eq. (1)의 
는 삼각위어 사이각 (Angle of triangle weir, °), 
는 위어수심 (Wier hight, m)을 나타내고 Eq. (2)의 
는 중력가속도 (Gravitational acceleration, m3/sec2)를 의미한다. 
과 수위의 관계를 Lee (2007)가 제시한 C1-h의 관계곡선 (Fig. 2(b)의 점)을 확장함으로서 추정하여 적용하였다. 50 mm이상의 수위에 대해 제시된 유량계수 C1-h 관계 회귀곡선 (Fig. 2)을 적용하여 50 mm 이하 수위에 해당하는 분단위 
을 도출하여 유출량을 산정하고 시험포 면적으로 나누어 단위면적당 유출량 (mm)으로 환산하였다.
부하량 산정의 경우 강우사상 발생 시 필지별 배출수 샘플링을 통해 습득한 시료를 인근 환경측정검사센터에 질소 (T-N), 총 인 (T-P), 유사량 (SS)항목에 대한 수질분석을 의뢰하였다. 샘플링 밀도는 환경부 (MOE, 2015)의 단일피복 농경지의 배출수 샘플링 기준 (유출 시작시점부터 2시간까지는 15분 간격, 2시간 이후 1시간간격, 6시간 이후 적정한 간격)을 기초하고 전작 유출의 특성과 금회 연구목적을 고려하여 조정하였다. 금회 연구에서는 전작 유출 발생 30분, 1시간, 2시간, 4시간, 6시간 등 경과시 배출수 샘플링을 실시하였다. 유출은 발생하나 샘플링을 실시하지 못한 시각의 경우 주변 시각의 농도 자료를 보간하여 추정하였다.
3. 모니터링 운영 시스템 구축
면적규모에 따른 평지전작 유출특성 분석을 위해 면적규모를 달리한 시험포를 조성하였다. 전작 시험포 최소 면적규격으로 200 m2의 시험포를 대조구 (field #3)로 하여 해당면적 대비 약 2배 (field #2, 400 m2), 3배 (field #1, 600 m2) 면적을 가지는 시험구를 조성하여 면적의 변화에 따른 수문⋅수질 영향을 분석하고자 하였다. 작부의 경우 향후 대규모 평지 전작지의 적용성을 고려하여 기계화 영농이 가능하고 식용 및 사료용으로 적합하여 수입곡물 대체효과가 클 것으로 판단되는 콩과 옥수수로 선정하였다. 콩과 옥수수는 대표적인 여름작물로서 작부의 생장기와 한반도의 집중호우 기간과 맞물려 생육기간에 따른 유출량 분석이 용이하고 콩의 경우 기계파종부터 범용수확기까지 전과정 기계화가 가능한 작물로서 질소요구량이 타 작물에 비해 매우 낮아 대규모 평지전작지에도 용이한 작물이다. 콩필지의 경우 면적 200 m2의 대조구를 비롯하여 400 m2, 600 m2의 시험구를 구축하였고 옥수수의 경우 200 m2의 대조구 (field #4), 400 m2의 시험포 (field #5)를 구축하였다. Fig. 3은 금회 연구의 시험포장 구성을 도식화한 그림으로 3개 콩 필지와 2개 옥수수 필지의 면적과 위치를 보이고 있다.
4. 정밀영농 시험포 운영
농경지 모니터링의 경우 영농을 농민이 대리하여 수행하는 경우가 있어 정밀한 영농관리 (비료시비, 물관리 등)의 어려움이 있고 이는 모니터링 결과의 신뢰도를 낮추는 경우가 많다. 금회 연구에서는 조성한 실험포장 운영을 연구진이 직접 관리하여 불확실한 영농관리에 따른 오차와 변수를 최소화 하고자 하였다.
기본적인 표준영농을 따라 농촌진흥청 농업기술길라잡이(RDA, 2015; RDA, 2012; RDA 2010) 정보를 바탕으로 영농을 수행하였고 한반도 남부지역 (연구지역)에 일반적으로 이루어지는 관행재배를 실시하고 철저한 일지 관리를 통해 신뢰도 높은 자료를 확보하였다.
콩필지의 경우 대원콩, 태선콩, 풍산나물콩 품종을 6월 초순 파종한 후 제초제를 살포하고 6월 말 병해충 흔적이 발견되어 손제초 작업을 실시하였고 7월 5일 중경배토를 실시하였다. 그 이후 해충발생 유무확인을 위해 수시 예찰하였으며 이를 바탕으로 8월 6일, 8월 12일, 8월 26일에 살충제를 도포하여 방제작업을 실시하였다. 10월 말 콩필지 수확을 완료하고 자연건조시킨 후 탈곡 및 수량조사를 실시하였다. 옥수수 필지의 경우 5월 7일 정지, 기피살포, 이랑조성, 파종 (사일리지용 옥수수)을 실시하였으며 5월 8일 제초제 살포한 후 5월 17일 구획을 field #4, #5로 나누었다. 6월 11일 해충방제를 위해 나방전용살충제인 알타코아를 도포하였으며 6월 17일과 18일 추비 살포 및 중경배토를 실시한 후 덴트형성 및 포엽의 갈변을 확인하고 수확적기를 판단하여 영농운영하였다.
Ⅲ. 결과 및 고찰
1. 유출발생 강우사상 추출
연구기간 중 총 17개 유출발생 강우사상을 수집하였다. Table 1은 수집한 강우사상 별로 진주와 대곡 지점의 관측소에서 측정된 강우시간, 총강우량, 강우강도, 강우지속시간, 최대강우량을 정리하여 나타내었다. 가장 큰 규모의 강우사상은 16번째 강우사상으로 진주지점에서 173.8 mm, 대곡지점에서 139.5 mm로 기록되었으며 규모가 가장 적은 강우사상은 4번째 강우사상으로 진주 2.7 mm 대곡 4.0 mm를 기록하였다. 유출특성은 작부의 종류, 영농일정, 생육과정 등에 따라 달리 나타남으로 유출량 및 부하량 분석 시 작부별 생육특성 조사와 함께 고려하여 분석을 수행하였다.
Table 1
The characteristics of rainfall events during study period
| Period (date) | Total precip. amount (mm) | Intensity (mm/hr) | Event duration (hr) | Max precip. (mm) | ||||||
| Start | End | Jinju* | Daegok† | Jinju* | Daegok† | Jinju* | Daegok† | Jinju* | Daegok† | |
| event #1 | 5.17 | 5.20 | 65.0 | 48.0 | 1.6 | 1.5 | 40 | 33 | 5.9 | 4.5 |
| event #2 | 5.27 | 5.27 | 66.0 | 36.0 | 5.1 | 3.0 | 13 | 12 | 18.4 | 9.5 |
| event #3 | 6.06 | 6.08 | 37.4 | 25.5 | 2.1 | 2.6 | 18 | 10 | 7.5 | 5.0 |
| event #4 | 6.14 | 6.15 | 2.7 | 4.0 | 0.7 | 1.0 | 4 | 4 | 1.8 | 2.0 |
| event #5 | 6.19 | 6.19 | - | 6.0 | - | 6.0 | - | 1 | 0.0 | 6.0 |
| event #6 | 6.22 | 6.23 | 6.8 | 9.0 | 1.7 | 1.5 | 4 | 6 | 6.0 | 4.0 |
| event #7 | 6.26 | 6.27 | 133.7 | 119.0 | 4.8 | 4.6 | 28 | 26 | 13.1 | 11.5 |
| event #8 | 6.29 | 6.29 | 60.9 | 45.0 | 3.8 | 3.2 | 16 | 14 | 10.5 | 10.0 |
| event #9 | 7.1 | 7.11 | 27.1 | 14.0 | 1.7 | 1.3 | 16 | 11 | 6.8 | 2.5 |
| event #10 | 7.15 | 7.16 | 9.9 | 25.0 | 2.5 | 6.3 | 4 | 4 | 5.1 | 16.0 |
| event #11 | 7.17 | 7.18 | 26.8 | 35.0 | 1.9 | 2.7 | 14 | 13 | 8.9 | 13.5 |
| event #12 | 7.19 | 7.21 | 167.8 | 116.0 | 3.6 | 2.7 | 47 | 43 | 12.5 | 10.0 |
| event #13 | 8.20 | 8.22 | 43.3 | 44.0 | 2.2 | 2.4 | 20 | 18 | 7.7 | 10.5 |
| event #14 | 9.01 | 9.04 | 134.6 | 65.0 | 2.9 | 2.2 | 47 | 30 | 51.2 | 12.5 |
| event #15 | 9.06 | 9.07 | 28.8 | 32.5 | 2.1 | 2.3 | 14 | 14 | 11.7 | 7.0 |
| event #16 | 9.21 | 9.23 | 173.8 | 139.5 | 4.0 | 3.4 | 43 | 41 | 10.3 | 9.0 |
| event #17 | 10.01 | 10.03 | 160.2 | 185.0 | 4.1 | 5.4 | 39 | 34 | 29.7 | 25.5 |
2. 강우사상특성 기초분석
Fig. 4는 Table 1 자료를 바탕으로 강우사상별 강우지속시간과 유출지속시간의 관계 및 최대강우량과 강우지속시간의 관계를 추세를 각 필지별로 도식화하고 변수간 관계를 나타낸 그림이다. 자료수집 기간이 짧아 필지와 변수 간의 관계가 명확하지 않으나 2차 함수형 최적 회귀선을 도식한 결과를 보여주고 있다. Fig. 4(a)의 두 인자의 관계는 결정계수 R2 0.25~0.63 범위로 양의 상관성을 가지는 것으로 나타났으며 총강우량 10 mm 이상의 강우사상에 대해 강우지속시간의 59% (field#1)~89% (field #5)에 해당하는 시간동안 유출이 발생한 것으로 나타났다. 동일한 강우조건에서 옥수수필지가 콩필지 대비 유출지속시간이 대체로 길게 나타나는 결과를 확인하였다. Fig. 4(b)의 경우 유출지속시간과 시간단위최대강우량의 관계로 시간단위 최대강우량이 중간범위 (10~40 mm) 강우사상의 경우 유출지속시간이 비교적 크게 나타나는 결과를 보였다. 그러나 일시적 강우 집중이 발생할 경우 배출되는 유출량과 그에 따른 유출률은 증가하는 것으로 분석되었다.
Fig. 4
The relations between duration of discharge and (a) event duration and (b) hourly maximum precipitation
Fig. 5는 사상별 총강우량과 유출률의 관계를 각 필지별로 나타낸 그래프이다. 두 인자간 R2는 0.42~0.54 범위의 양의 상관관계를 보였으며 1일 미만의 지속시간을 가지는 강우사상에 대한 유출시간은 시간당 강우강도, 유출발생조건, 선행강우조건 등에 따라 변동성이 큰 것으로 나타났다. 강우사상의 규모에 따라 유출률은 비선형적으로 증가하는 경향을 확인하였으나 통계적으로 유의한 결과도출을 위해서는 자료기간과 사상의 개수가 축적할 필요가 있는 것으로 판단된다.
Table 1의 자료를 바탕으로 강우사상 특성 (총강우량, 강우강도, 최대시간강우량)에 따른 필지별 유출량 (m3) 및 단위면적당 유출량 (mm)을 비교한 결과 대체적으로 유출량 및 단위면적당 유출량 모두 총강우량, 강우강도, 최대시간강우량에 대해 양의 상관관계를 보였으며 field #5로부터 배출되는 유출량이 가장 크게 나타났으며 field #1, field #4 순으로 유출이 민감하게 반응하는 것으로 분석되었다.
Fig. 6은 콩필지 (field #1, #2, #3)에서의 강우사상 발생에 따른 유출수의 수질자료를 이용하여 사상별 부하량을 산정하고 사상별 강우특성에 따른 부하량 배출특성을 총 질소부하 (T-N), 총 인부하 (T-P), 부유물질 (SS) 항목별로 비교하고 있다. 17개 강우사상에 단위면적당 배출부하량 비교결과 총강우량이 큰 강우사상에 대해 높은 배출부하량을 보였으며 특히 유사량과 관련이 높은 T-P와 SS의 경우 비교적 강한 양의 상관관계를 보이는 것을 확인하였다. 필지 면적에 따른 단위면적당 부하량은 필지 면적이 넓을수록 증가하는 경향을 보이는 사상이 많았으나 event #12 사상에 의한 T-P와 SS의 경우는 반대의 경향을 보였다. 이는 다양한 사상에 대한 추가적 자료 확보를 통한 경향 분석이 필요할 것으로 사료된다. event #7의 경우 필지면적규모가 커질수록 단위면적당 부하량이 증가하는 경향을 보였으나 그 외 대부분의 중규모 이상의 사상에 대한 부하량은 필지면적과 단위면적당 부하량이 반비례하는 경향을 보였다.
3. 전작 배출특성 분석
가. 전작 유출특성
Table 2는 강우사상별 유출지속시간과 단위면적당 유출량과 유출률을 필지별로 나타낸 표이다. 필지별 유출량 (m3)규모는 field #5, #1, #3, #4, #2 순으로 크게 나타났다. field #5는 field #1보다 필지규모가 작으나 대체적으로 유출지속시간이 비슷하거나 길게 나타났다. 이는 옥수수필지에서의 유출이 콩필지보다 크게 발생하는 경향으로 인한 결과로 field #5에서 총유출량 크게 나타난 것으로 판단된다. 단위면적당 유출량 (mm)의 경우 field #5, #4, #2, #1, #3 순으로 크게 신정되었는데 이는 필지규모보다 작부의 종류가 단위면적당 유출에 크게 기여하는 인자로 분석되었다. 강우사상 발생 시 수시점검을 통해 시험포 유출을 관측한 결과 field #3은 field #2, #1보다 잡초 등으로 인한 유출지연이 비교적 크게 발생하였으며 필지별 콩의 품종, 영농활동 등에 의한 차이로 면적-유출 관계에 대한 오차를 유발할 수 있는 요인이 발견되었으며 추후 동일한 유출조건과 환경조성을 위해서 보다 일관적인 영농관리가 필요할 것으로 판단된다. 강우사상 규모별 단위면적당 유출량 (mm)으로 산정한 필지별 유출율은 필지 규모에 따라 field #5, #4, #1, #2, #3순으로 크게 산정되었으며 대체로 콩필지보다 옥수수필지에서, 면적규모에 비례하는 경향을 보였다.
Table 2
The duration, amount, and runoff ratio of discharge for rainfall events
Fig. 7과 Fig. 8은 Table 2의 강우사상별 유출량 및 단위면적당 유출량자료를 바탕으로 콩과 옥수수필지에 대한 면적규모별 유출량 증감 추이를 나타낸 그림이다. 각 그림의 좌측 그래프는 필지규모에 따른 유출량 (m3)으로 나타내었고 오른쪽 그림은 유출량을 각 필지면적으로 나누어 단위면적당 유출량 (mm)을 나타내었다. 자료수의 한계로 통계적 유의성을 판단할 수는 없으나 면적별 유출량 및 필지별 단위면적당 유출량의 증감량이 작부에 따라 다소 다르게 반응하는 경향을 확인하였다. 작부별 유출특성의 경우 강우사상의 유출초기 콩필지가 옥수수필지에 비해 유출이 이르게 발생하는 경향을 보였으며 강우사상의 규모가 커질수록 콩필지에 비해 옥수수필지의 유출량이 크게 증가하는 것으로 나타났다.
콩필지 강우사상별 단위면적당 유출량의 경우 200 m2의 면적규모의 필지보다 400 m2의 필지에서 작게 나타났으며 강우사상의 규모네 따라 면적규모-단위면적당 유출량의 관계가 다르게 나타났다. 해당결과는 강우사상의 규모가 커질수록 각 필지의 피복상태, 영농일정의 차이 등 다양한 인자에 의해 발생한 것으로 사료된다. 이는 추가연구를 통해 해당 결과를 면밀히 분석해야할 필요가 있다.
나. 전작 부하량 배출특성
배출수 부하량의 객관적인 측정을 위해 환경부에서 제시한 샘플링 지침을 기반으로 샘플링을 시행하였다. 강우사상의 특성 및 샘플링 횟수에 따라 30분에서 2시간 간격으로 배출수 샘플링을 실시하였으며 샘플링자료의 보간을 통해 일단위 부하량을 산정하였다. Fig. 9는 특정 사상 (event #7)에 대한 유출수의 부하 농도 변화를 분석한 결과이다. 시간단위 유출수의 농도변화를 관측한 결과 TN의 경우 유출량과 유사한 패턴을 보이며 TP와 SS의 경우 유출 초기의 농도가 높게 나타나는 경향이 있는 것으로 관측되었으며 이는 유출 초기의 표토 씻김 (flushing)에 의한 유사 발생에 기인한 것으로 판단된다.
보간한 농도자료 시계열 자료를 유출량 시계열 자료와 합성하여 부하량을 산정하였으며 총 8개 강우사상에 대한 수질 샘플링을 수행하였다. Table 3는 강우사상별 샘플링 횟수, 일단위 부하량 (kg/ha)을 나타내었으며 필지별 유출량이 달라 각 필지별 샘플링 횟수가 다르게 나타났다. 예를 들면 T-N, event #7에서 샘플링 횟수 ‘7-’는 필지별 샘플링 횟수가 7회 이하임을 의미한다. 대체로 필지면적이 넓을수록 부하농도가 크게 나타났으며 강우 시 콩필지(field #1, #2, #3)가 옥수수필지 (field #4, #5)에 비해 생육초기 농도가 높게 나타나는 경향을 보였는데 이는 생육상태에 따른 작물의 특성 (콩: 1엽기-4엽기, 옥수수: 6엽기-유숙기) 및 영농활동의 차이로 인해 발생한 것으로 사료된다. 옥수수필지의 경우 질소시비에 의해 T-N 부하량이 시기적으로 크게 발생하는 특성을 보였다. SS의 경우 event #7에서 event #12 기간 동안 콩필지에서 크게 발생하였으며 그 이후 강우사상에 대해 두 필지 비교결과 유의한 차이는 분석되지 않았다.
Table 3
Number of samples for water quality monitoring and the pollutant loads for each field and event
Fig. 10은 Table 3의 배출부하농도와 단위면적당 배출부하를 바탕으로 필지의 면적 규모에 따른 배출부하량 증감추이를 나타내었다. 단위면적당 배출부하의 경우 필지 면적이 넓을수록 평균적으로 증가하는 경향을 보이는 사상이 많았으나 event #12에 대한 T-P와 SS의 경우는 반대의 경향을 보였다. event #7의 경우 필지면적에 따른 단위면적당 부하량이 증가하는 경향을 보였으나 중규모 이상의 사상에 대한 부하량은 필지면적과 단위면적당 부하량이 관계가 약한 음의 상관성을 보였다. 모든 수질항목에 대해 평균적으로 일관적인 면적-부하 관계를 보였으며 T-N의 경우 field #1 (콩, 600 m2) field #5 (옥수수, 400 m2)에서 event #7에 대한 부하량이 크게 배출된 것으로 분석되었다. 이는 작물 생육기간에 발생한 유출부하라는 점과 시비 이후 가장 가깝게 유출이 발생한 강우사상으로 부하가 가장 크게 발생한 것으로 사료된다. 옥수수의 경우 질소시비 직후 나타난 씻김현상에 의해 유출수의 질소 배출량이 크게 나타나는 특성을 보였다.
4. 경사지전작 선행 모니터링 결과 비교
경사지 전작 모니터링 선행연구로서 Choi et al. (2018)의 옥수수를 작물에 대한 경사지 전작 모니터링 연구결과와 비교하여 평지전작의 유출특성을 비교⋅검토하였다. Fig. 11은 두 경우의 사상별 유출량과 해당 강우사상 총강우량 및 유출율의 관계를 비교하고 있다. 대체로 인자간 양의 상관성은 유사하게 보이는 한편, 평지전작의 평균 유출율은 0.27로 7% 경사지 유출율 0.61과 비교하여 약 44% 낮게 나타났으며 콩 작물의 경우 0.20으로 더욱 낮게 산정되었다. 유출이 발생한 강우사상별 분석결과 전반적으로 평지전작의 유출률이 경사지에 비해 낮게 나타나는 기작을 확인하였다. 생육기간의 총강우량은 경사지 전작의 경우 693.5 mm, 평지전작은 1144.8 mm로 차이가 있으나 단위 사상 규모에 따른 유출특성은 비교의 의의가 있다고 판단하며 평균적인 사상단위 총강우량 대비 유출량은 경사지의 경우 유의한 수준으로 높게 나타났다.
Ⅳ. 결 론
본 논문은 평지 전작화 농경지의 유출특성을 관측하기 위해 평지 전작 시험포를 설계하여 2019년 콩과 옥수수의 생육기간 모니터링 수행결과를 제시하였다. 17개의 유출발생 강우사상에 대한 유출 자료를 수집하였으며 강우특성에 따른 유출지속시간, 총유출량 (m3), 단위면적당 유출량 (mm), 그리고 부하량 배출량을 분석하였다. 모니터링 결과, 강우강도와 강우지속시간에 따라 비선형적으로 증가하는 유출 경향을 확인하였으며 평지전작의 경우 필지면적에 따라 강우사상의 규모 및 작부에 대한 유출 패턴이 다소 상이하게 나타나는 결과를 확인하였다. 경사지에 대한 선행 모니터링 연구자료를 활용하여 평지전작과 경사지전작의 강우량 대비 유출량을 비교한 결과 평지전작의 유출율이 경사지전작 대비 약 44% 낮게 나타나는 결과를 도출하였다. 더불어 8개 유출사상에 대한 필지별 부하량 배출특성을 비교한 결과 유출량과 배출되는 부하량은 양의 상관성을 보였으며 면적규모와 단위면적당 부하량의 관계는 중규모 이상의 강우사상에서 차이가 나는 것으로 관측되었으나 모니터링 기간과 자료수가 충분하지 않아 통계성 유의성을 검증하기에 한계가 있으므로 유의한 결론을 도출하기 위해 추가적인 자료확보가 필요할 것이다.
작부별 부하량 배출특성의 경우 질소시비가 이루어지는 옥수수필지에서 콩필지에 비해 배출수의 TN 부하량이 일시적으로 다소 크게 발생하는 사상이 있는 한편 SS의 경우 콩과 옥수수의 개화기에 이르는 기간동안 전작 피복특성의 차이로 콩 필지에서 옥수수 필지보다 크게 발생하였고 개화기 이후 비교결과 유의한 차이는 분석되지 않았다.
본 연구는 증가하고 있는 평지전작의 영농형태와 다양한 필지규모에 따른 유출특성 모니터링을 위한 도입단계 연구로서 향후 지속적인 모니터링 운영을 통한 양질의 추가자료 확보로 연구결과의 실효성과 신뢰도를 제고할 필요가 있다. 더불어 노지스마트팜이나 새만금 농생명용지와 같은 대규모 전작화 필지단위 유출량의 합리적인 추정을 위해서는 해당 지역환경과 평지 전작의 배수체계 등을 고려한 실증연구가 이루어져야 한다. 급변하는 농업환경⋅영농에 대한 적응과 합리적인 영향평가를 위해서는 기존의 모니터링⋅모델링 연구방식의 개선이 필요하다.
