Ⅰ. 서 론
최근 정부의 물관리 기본법 시행으로 국가 수자원 이용량 중 가장 많은 비율을 차지하는 농업용수에 대한 관심이 매우 높다. 하천의 수질 개선을 위한 수자원 활용 측면에서도 농업용수 사용량의 파악은 중요한 문제이다. 한국농어촌공사에서는 농업용수 관리를 위해 공사관리 저수지 1,756개소와 그 시점부 용수로 1,434개소에 자동수위계측시설을 운영하고 있다. 2018년부터 저수지의 시점부 용수로의 현장 유량조사를 통해 관개용수 공급량의 정량화에 필요한 수위와 유량정보의 관계를 구축하고 있다.
그동안 농업용수 공급량의 파악은 고비용인 계측기기 설치와 현장에서 계측 유량자료 확보의 어려움으로 일부 지역을 대상으로 연구 차원에서 진행되었다. 동진강 유역 김제간선의 2012년 용수지선별 관개용수는 필요수량보다 14%가 적게 공급되었고, 2013년에는 일부 구간을 제외하면 관개용수 공급량이 필요수량보다 10%가 많은 것으로 조사되었다 (Hong et al., 2014). 충청북도 무수저수지의 관개용수 공급량은 필요수량보다 2.4배 많은 것으로 나타났으며 (Kim et al., 2014), 증평저수지의 통관지점에서 조사된 관개용수 공급량은 필요수량보다 15%가 적은 것으로 나타났다 (Choi et al., 2003). 경상북도 경천지구에서는 관개용수 공급량이 필요수량보다 63%가 많은 것으로 보고하였다 (Cho et al., 2020). 실제 관개용수 공급량은 대상지역 또는 조사시점에 따라 정확한 필요수량을 공급하는 것이 아닌 것으로 나타났다.
농업용수를 공급하는 주요 시설물인 저수지는 생육시기별 작물에 필요한 용수를 공급함에 따라 저수지의 수위는 낮아지며, 비가 내리면 단수로 인해 저수지 수위가 상승한다. 비가 그치면 급수와 단수를 반복함으로써 저수지의 시점부 용수로에서 수위는 저수지의 수위와 반비례한다. 이렇게 공급되는 관개용수량은 용수로에서의 수위와 현장에서의 유량조사 결과를 토대로 산정된다. 이때 수위를 관측하는 단면에서의 수위 값과 이에 대응하는 유량 값의 관계를 표현한 식을 수위-유량관계식 (Rating curve)이라 하며, 수자원 분야에서 하천 유량을 파악하거나 지하수 사용량 등을 산정하는데 활용하고 있다 (Chang and Lee, 2005; Kang et al., 2006; Lee and Kwon, 2010; Lee et al., 2015; Lee et al., 2017). 농업 수자원 분야에서는 둑높임 저수지의 환경용수 공급량을 산정하기 위해 주요 용수로의 자동수위계측기 지점에서 수위-유량관계식을 구축하였으며 (KRC, 2012), Park et al. (2012)은 이동지구의 18개소 자동수위계측지점에서 도출된 수위-유량관계식의 신뢰성을 분석한 바 있다.
수문관측 업무규정에서 수위-유량관계곡선식의 작성시 하천에서 갈수위, 저수위, 평수위, 홍수위 등 수위변동에 따라 유량측정을 하도록 명시하고 있으나 (MOLIT, 2009), 농업용 수로부에서 수위-유량관계식 작성에 대한 규정이 명확하지 않은 실정이다. 개수로 흐름에서 유량 산정을 위해 평균유속 공식인 Manning, Chezy 등의 공식을 이용할 수 있으나 (Bjerklie et al. 2005), 농업용 저수지의 수로에서는 취수탑의 방류 낙차와 방류량에 따른 수력, 하류부 필지로의 분수, 하천으로의 방류조건에 따라 용수로의 유량 값이 달라지므로 현장에서의 유량 조사는 필수적인 과정이다.
농업용수 사용량은 국가 수자원계획의 수립과정에서 중요한 정보이다. 그동안 농업용 저수지는 저수위 중심으로 자료가 관리되고 있어 (Jung, 2008), 저수지로부터 공급된 농업용수 사용량을 파악하기에는 한계가 있었다. 미계측 분야였던 농업용수 사용량은 저수지의 용수로 시점부에 자동수위계측기의 운영과 유량조사의 확대로 계측정보를 기반으로 한 공급량 파악이 가능하게 되었다. 통합물관리 정책 시행으로 합리적인 수자원계획을 마련을 위해서는 농업용수로 사용된 수량 정보의 지속적인 생산이 필요하다. 이러한 자료는 국가 물관리기본계획을 수립하는 기초자료로 활용되기 때문에 계측을 통한 관개용수 공급량에 대한 신뢰도 검토도 요구되고 있다. 향후 관개용수 공급량을 산정하기 위해 수로부에서의 유량조사 뿐만 아니라 용수로의 수위와 유량 관계의 도출, 계측 공급량의 신뢰성을 평가하기 위한 절차의 마련이 필요한 실정이다.
본 연구에서는 농업용 저수지의 용수로 시점부의 계측 자료인 수위와 유량 관계로부터 관개용수 공급량을 산정하고, 저수지 물수지를 통해 계측기반 관개용수 공급량의 신뢰도를 수문학적 측면에서 평가하고자 한다.
Ⅱ. 재료 및 방법
1. 대상 저수지
본 연구에서는 한국농어촌공사 관리저수지 중에서 용수관리 목적의 자동수위계측기가 설치되어 있는 예당저수지를 대상으로 하였다. Fig. 1은 예당저수지와 저수지 유역내 강우관측소를 나타낸 것이다. 무한천 하구부에서 약 17 km 상류에 위치한 예당저수지는 삽교천 전체 유역 내에서 유일하게 홍수조절기능을 갖추고 있다. 저수지 유역면적은 374 km2로 무한천 유역면적 472 km2의 약 79%에 해당하며, 유효저수용량이 4,607만 m3에 이르는 대규모 농업용 저수지이다 (Table 1).
Table 1
Specification of Yedang reservoir in the study area
| Watershed area (km2) | Irrigation area (km2) | Total storage capacity (104 m3) | Effective storage capacity (104 m3) | Main irrigation canal | |
| Width (m) | Height (m) | ||||
| 374 | 69 | 4,710 | 4,607 | 20 | 2 |
저수지 취수탑에서 수문을 열면 곧바로 폭 20 m인 1개의 용수간선을 통해 수혜면적 69 km2에 용수가 공급된다. 한번 통수가 되면 말단부까지 급수되는데 7일 정도가 소요되므로 급수 기간이 긴 특징을 지닌다. 그만큼 수혜구역이 넓어 단수와 급수를 할 때는 농민의 의견을 충분히 수렴하는 등 신중한 물관리가 요구되는 지구이다.
2. 수로부의 현장 유량조사
Fig. 2는 예당저수지 시점부의 용수공급체계와 자동수위계측기 위치를 나타낸 것이다. 예당저수지의 주요 용수로인 예당간선은 폭이 20 m, 높이 2 m로 간선수로를 따라 많은 교량이 위치한다. 첫 번째 교량에 용수관리를 위한 초음파식 자동수위계측기 (#WS1)가 설치되어 있으며, 네 번째 교량의 우측제방 상류부 20여 m 지점에서 표면유속의 측정이 가능한 유량계측기 (#WS2)가 운영되고 있다.
예당저수지에서 논으로 공급한 물은 예당간선을 통하게 되므로 수로의 시점부에서 유량조사 결과가 관개용수 공급량의 신뢰도를 좌우한다. #WS2 지점의 유량계는 시험운영 중에 있어 본 연구에서는 #WS1 지점에서 유량조사를 실시하였다. 유량조사 지점의 수위 변화를 파악하기 위해 2017년부터 2019년까지 일단위 수위자료의 빈도분석을 수행하였다. 이 자료를 참고하여 취수탑의 수문을 조절하여 다양한 수위별 유량조사를 수행하였다. 수로의 폭이 넓고 깊은 예당간선에서 조사자의 안전을 고려해 용수로 안에서 들어가 측정할 수 있는 수위인 0.8 m까지는 회전식 유속계 (Velocity meter)를 활용한 도섭법으로 조사하였다. 그 이상의 수위에서는 음향 도플러 유속계 (Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP)를 활용한 비접촉식 방법을 병행하였다. Fig. 3은 현장 유량조사에 사용한 회전식 유속계와 ADCP를 나타낸 것이다. 회전식 유속계는 프로펠러 회전을 펄스로 변환하여 유속을 측정하는 기기이며, ADCP는 물속으로 일정한 주파수의 초음파를 전송하고 부유되는 입자들에 의해 산란되는 음파의 도플러효과를 이용하는 유속 측정기기이다 (Muste et. al., 2004; Kim and Choi, 2009).
3. 저수지 수로부의 수위-유량관계식 도출
농업용 저수지의 정확한 공급량 산정을 위해서는 물이 흐르는 동안 용수로의 수심과 유속을 매번 실측하고 이를 유량으로 산정해야 한다. 그러나 이러한 과정에는 많은 시간과 비용 등이 소요되므로 특정 수위에서 파악된 유량 관계로부터 자동으로 관측된 수위자료를 유량 값으로 환산한다. 일반적인 수위-유량관계식 형태로 지수식은 식 (1)과 같고, 포물선식은 식 (2)와 같이 표현된다. 곡선의 형태는 하천에서 단면과 경사에 따라 달라지며 (MOLIT, 2013), 농업용 수로에서는 토사, 수초, 제수문, 수로 크기 등이 영향을 미친다.
여기서 Q는 유량 (m3/s), H는 수위, a, b, c는 매개변수이다.
수문관측매뉴얼 (MOCT, 2004)에서 수위-유량관계식은 부득이한 경우를 제외하고 지수식 형태의 작성을 명시하고 있다. 그러나 관개용수량을 산정하기 위한 용수로의 수위-유량관계식 작성에는 포물선 형태도 적용된 바 있다 (RRI, 2011; Park et al., 2012). 따라서 본 연구에서는 농업용 저수지의 수로부 현장에 적합한 수위-유량관계곡선의 형태를 검토하기 위해 지수식과 포물선식을 모두 적용하였다. 이를 위해 곡선의 형태에 따른 계산 및 실측 유량의 결정계수를 산정하여 비교하였고 (Aitken, 1973), 현장 적용과정에서 발생할 수 있는 문제점을 제시하였다.
4. 계측 관개용수 공급량 산정 및 신뢰도 평가
관개용수 공급량은 작물의 재배를 위해 저수지, 양수장 등의 수리시설물에서 실제 공급되는 수량이다. 본 연구에서 관개용수 공급량은 예당저수지에서 논 관개를 위해 공급하는 수량으로 예당간선 시점부에서 자동수위계측정보와 현장 유량조사 자료를 바탕으로 앞서 수로부에 적합한 형태의 수위-유량관계식을 적용하였다. 여기서 계측된 관개용수 공급량은 시설관리 용수량의 계측정보 부재로 포장에서 작물이 소비하는 수량인 순용수량 (MIFAFF, 2018)과 비교 분석하였다.
계측 관개용수 공급량의 신뢰성 평가를 위해 물수지 방법을 적용하여 저수지 유입과 유출에 대한 물수지의 균형 여부를 분석하였다. 또한 공급된 수량을 저수지에서 감소된 저수량과 비교 분석하였다. 강우로 인한 저수지 유입량의 영향이 가장 적은 기간을 설정하고 용수공급으로 저수량의 감소가 이뤄지는 시점부터 강우 발생으로 저수율이 상승하기 전까지 기간에 대해 분석하였다.
저수지의 저수량은 저수지 유입량과 수면강우량에 의해 증가하고 수면 증발량과 방류량에 의해 감소하므로 식 (3)과 같이 물수지를 산정하였다. 저수지의 방류는 관개용수, 하천유지용수, 월류량으로 구분할 수 있으나 본 연구에서는 저수지의 수문요소를 단순화하여 식 (4)에 의해 저수지 유입과 공급만을 반영하였다. 저수지 유입량은 TANK모형 (Sugawara, 1967)을 이용하였고, 매개변수는 금강유역조사 (MOLIT, 2006)에서 제시된 값을 적용하였다. 이를 위해 예당저수지 유역 내 위치한 신양리와 은사교 지점의 강우 자료를 이용하였다.
또한 저수량 감소에 따른 공급량은 실무에서 계략적으로 관개용수 공급량을 추정하기 위한 방식이다. 저수지 수로부에 계측된 수량은 저수지에서 감소된 수량과 동일하다는 가정하에 식 (5)와 같이 저수지 저수량의 차를 누계한 값으로 관개용수 공급량을 산정하였다.
여기서 S는 저수지 저수량, SR은 수면강우량, SE는 수면증발량, O는 저수지 방류량, IW1은 계측기반 관개용수 공급량, IW2는 저수량 감소에 따른 공급량, i는 일단위 첨자이다.
Ⅲ. 결 과
1. 저수지 수로부의 수위변화 분석
저수지 시점부에서 공급된 과거 수위 변화를 사전에 파악하여 수로부 유량조사 계획을 수립하였다. Table 2는 최근 3년간 (2017~2019년) 예당간선의 일 수위자료에 대한 빈도분석 결과이다. 수로 높이를 일정 간격 10개 구간으로 구분하여 각 구간별 수위가 유지된 일수를 분석하였다. 예당간선의 최대 수위구간을 살펴보면 2017년과 2019년도에는 각각 수로 높이의 80% 이내, 2018년은 70% 이내에서 수위가 유지되면서 용수공급이 이뤄졌다. 과거 수위자료의 분석결과, 계측 수위는 수로 높이의 80%까지 다양하게 나타났으며 유량조사를 위한 최대 수위를 1.6 m으로 설정하였다.
Table 2
Frequency analysis result of water level in irrigation canal
수위빈도가 가장 많은 구간은 수로 높이의 10%에 해당되는 구간 (수로의 바닥부터 0.2 m까지)으로 해당 일수는 45~47일이다. 이는 강우로 인해 저수지에서 용수공급이 중단되거나 간단관개로 인해 용수로의 수위가 낮아진 기간에 해당된다. 이 구간을 제외하고 2017년 관개기에는 수로 높이의 50~60% 구간에서, 2018년과 2019년에는 수로 높이의 60~70% 구간에서 수위가 집중되었다. 이는 예당저수지에서 말단부까지 관개용수를 공급하기 위해 용수로에서의 수위를 유지해야 하는 구간으로 볼 수 있다. 이러한 용수로에서의 과거 수위자료를 일정 구간별로 수치화한 정보는 원활한 유량조사가 되도록 한정된 시간 내 특정 수위를 유지하는 취수탑 수문조절의 참고지표가 된다.
2. 수로부 수위-유량관계식의 적절성 평가
2019년 예당간선 수로부에서 계측한 회전식 유속계 4회와 ADCP 22회의 총 26회 유량자료를 이용하여 수위-유량관계식을 도출하였다. Fig. 4는 지수식과 포물선 형태의 수위-유량관계식을 비교한 결과이다. 지수식과 포물선 형태는 모두 전체적으로 수위에 따른 유량 관계를 유사하게 나타내고 있으며, 각 형태의 곡선식 적용에 따른 계산 유량과 실측 유량과의 결정계수 (R2)는 0.98로 동일하였다 (Table 3). 하지만 유량 값은 수로 높이 0.25 m 이하의 수위 구간에서 차이를 보였고 지수식 형태의 수위-유량관계식은 수위가 0일 때 유량이 0 m3/s에 수렴하는 결과이다. 이는 비관개기 계측된 수위자료를 검토하여 유량의 흐름이 없는 평균 수위 0.02 m를 반영한 결과이다. 포물선 형태의 경우에는 수위가 0 m 일 때 유량 값은 -1.99 m3/s로 음의 값으로 계산되었고, 유량이 0 m3/s에 해당하는 수위는 0.22 m로 계산되어 현장 상황과 차이를 보였다. 용수로 안에서는 수초, 토사 퇴적 등으로 인해 수로 바닥보다 높은 수위임에도 불구하고 유량이 흐르지 않는 상황을 발생한다. 따라서 본 연구에서는 수로에서 영유량에 대한 반영이 가능한 지수형 형태의 수위-유량관계식이 포물선 형태보다 적합한 것으로 판단하였다. 예당간선에서는 다양한 수위별 유량자료가 확보되어 수위-유량관계식의 도출에 큰 영향이 없었으나 현장의 유량조사가 특정한 수위 구간에 치우치거나 자료가 부족할 경우에는 수위-유량관계식에 의한 계산 및 계측 유량의 차이를 면밀하게 검토하여 적용할 필요가 있다.
3. 계측 관개용수 공급량의 산정결과
Table 4는 예당저수지의 계측 관개용수 공급량을 순용수량과 비교한 결과이다. 수혜면적 69 km2에 공급된 수량은 2017년 8,210만 m3, 2018년 11,164만 m3, 2019년 7,414만 m3으로 산정되었고, 설계기준에 의한 순용수량은 각각 9,179만 m3, 12,310만 m3, 10,299만 m3로 분석되었다. 2017년과 2018년 관개용수는 순용수량보다 각각 10.6%와 9.3%가 적게 공급되었고, 2019년 공급량은 순용수량보다 28.0%가 적은 것으로 분석되었다. 최근 3개년간 예당저수지는 가뭄의 영향으로 실제 공급량이 작물의 필요한 순용수량보다 적게 공급된 것으로 파악된다.
Table 4
Water supply ratio of supplied irrigation water to net irrigation water
| Division | Unit | 2017 | 2018 | 2019 |
| Rainfall | mm | 760.5 | 1,056.5 | 649.5 |
| Supplied irrigation water | 104 m3 | 8,210 | 11,164 | 7,414 |
| Net irrigation water | 104 m3 | 9,179 | 12,310 | 10,299 |
| Water supply ratio (supplied/net irrigation) | % | 89.4 | 90.7 | 72.0 |
Fig. 5는 예당저수지의 관개용수 공급량과 순용수량의 공급패턴을 비교한 결과이다. 강우가 내리면 저수지에서 관개용수의 공급은 중단되는 것으로 나타났고 5월초 이앙기 이후 본답기는 용수의 공급과 중단을 반복하는 간단관개가 실시된 것으로 나타났다. 설계기준에 의한 순용수량은 비가 내리면 농경지에 필요한 수량이 직접 공급되면서 관개용수를 인위적으로 공급하지 않도록 계산된다. 그러나 현장에서 농민들이 용수공급을 요청할 경우 저수지로부터 물을 내려보내야 하는 상황이 발생되므로 실제 관개용수 공급량은 순용수량과 비교하여 용수공급 패턴에 차이를 보인다. 2019년은 관개기에 강우량이 적었으나 본답기에는 강우 발생이 지속 되면서 다른 연도보다 용수공급이 조기에 중단된 것으로 나타났다.
4. 계측 관개용수 공급량의 신뢰성 평가
수로부 시점에서 계측된 관개용수 공급량은 저수지에서 실제 공급한 수량이 되며, 계측 공급량의 신뢰도는 저수지 물수지에 의해 수문학적 측면에서 평가할 수 있다.
Fig. 6은 예당저수지의 실제 관개용수 공급량을 반영해 저수지 저수량을 산정하고 관측값과 비교한 결과이다. Fig. 6(a)는 2017년 5월 6일부터 6월 16일까지 기간으로 저수율은 73.1%에서 9.0%로 감소하였고 강우는 34.0 mm가 발생하였다. 이때 저수량은 3,368만 m3에서 415만 m3로 감소하였고 저수량 감소에 의한 공급량은 2,953만 m3이다. 동일기간 계측기반 공급량은 3,423만 m3로 저수량 감소의 공급수량보다 470만 m3가 많았다. 현재 예당저수지의 유입량에 대한 실측은 이뤄지고 있지 않아 추정 유입량 628만 m3을 반영한 결과 저수지 물수지가 균형을 이루는 것으로 나타나 계측 공급량은 신뢰성이 있는 것으로 평가된다. Fig. 6(b)는 2018년 5월 13일부터 6월 25일까지 기간으로 저수율은 90.4%에서 40.2%로 감소하였고 강우는 36.0 mm가 발생하였다. 이때 저수량은 4,137만 m3에서 185만 m3로 감소하였고 저수량 감소의 공급수량은 229만 m3이다. 동일기간 계측정보 기반 공급량은 519만 m3로 저수량 감소의 공급량보다 290만 m3 많았다. 추정 유입량 1,908만 m3을 반영한 결과 저수지 물수지가 균형을 이루는 것으로 나타나 계측 공급량은 신뢰성이 있는 것으로 평가된다. Fig. 6(c)는 2019년 5월 4일부터 7월 14일까지 기간으로 저수율은 98.5%에서 35.3%로 감소하였고 강우는 88.0 mm가 발생하였다. 이때 저수량은 4,538만 m3에서 1,663만 m3로 저수량 감소의 공급량은 2,875만 m3이다. 동일기간 계측정보 기반 공급량은 4,292만 m3로 저수량 감소의 공급량보다 1,417만 m3 많았다. 추정 유입량 1,076만 m3을 반영한 결과 저수지 물수지가 균형을 이루는 것으로 나타나 계측 공급량은 신뢰성이 있는 것으로 평가된다.
저수지 유입량의 영향이 가장 적은 기간에서 계측 관개용수 공급량을 적용하여 산정한 저수지 저수량은 관측값과 유사한 결과를 보였다. 계측 관개용수 공급량은 수문학적 측면에서 저수지 물수지가 균형을 이뤄 계측정보에 의한 관개용수 공급량의 신뢰성을 확인할 수 있었다. 또한 2017년 계측 관개용수 공급량은 저수량 감소의 공급량보다 1.2배, 2018년에는 2.3배, 2019년에는 1.5배가 많으며, 수로부에서 계측된 공급량은 저수지에서 감소된 저수량보다 큰 값이다. 이러한 수량의 차이는 저수지 유입량의 영향으로 볼 수 있으며, 저수량 감소의 공급량에는 저수지 유입량이 일부 반영되어 있어 수로부에서 계측된 공급량보다 적은 값이 된다.
Ⅳ. 결 론
본 연구에서는 농업용 저수지의 용수로 시점부의 계측 자료인 수위와 유량 관계로부터 관개용수 공급량을 산정하고 저수지 물수지를 통해 계측기반 관개용수 공급량의 신뢰도를 수문학적 측면에서 평가하였다.
예당저수지의 예당간선 시점부의 과거 수위가 수로 높이의 80% 이내에서 계측된 것으로 분석되어 유량조사를 위한 최대 수위를 1.6 m로 설정하였다. 이를 참고하여 취수탑 수문의 방류조작을 실시하고, 회전식 유속계와 ADCP를 활용하여 26회의 다양한 수위별 유량자료를 확보하였다. 계측 유량자료를 바탕으로 지수식과 포물선식 형태의 수위-유량관계식의 활용성을 검토한 결과, 두 곡선식의 결정계수 (R2)는 모두 0.98로 동일한 값을 보였으나 낮은 수위 구간에서는 지수식 형태가 현장에 더 적합한 것으로 나타났다.
예당저수지의 2017년부터 2019년까지 실제 관개용수는 작물이 필요한 수량보다 9.3~28.0%가 적게 공급되었고 이앙기 이후 본답기에는 간단관개가 지속적으로 시행되어 저수지의 물관리가 효율적으로 이뤄진 것으로 나타났다. 저수지 유입의 영향이 가장 적은 기간 동안 저수지 물수지가 균형을 이루는 것으로 나타나 수로부에서 계측된 공급량은 수문학적 측면에서 신뢰성이 있는 것으로 평가된다. 실제 공급량은 저수량 감소의 공급량보다 1.2~2.3배 큰 것으로 나타났고 이는 저수지 유입량의 영향으로 볼 수 있다.
본 연구는 농업용 저수지의 수로에서 계측된 정보를 활용하여 관개용수 공급량의 정량화를 위한 평가계획을 수립하는데 활용할 수 있으며, 향후 저수지 유입량, 수면 증발량 등 계측정보를 반영하여 관개용수 공급량의 신뢰도를 연간 단위로 평가하는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
