Ⅰ. 서 론
하구 담수호는 하구에 방조제를 설치해 만든 인공 저수지로, 배수갑문을 조절하여 유역에 필요한 수자원을 효율적으로 재활용할 수 있어 경제적 가치가 크다 (Kim et al., 2023). 그러나 담수호는 유역의 최하류에 위치해 상류로부터 유입되는 오염원으로 인해 수질이 악화되기 쉽고, 담수화 이후에도 호소 내 염도가 간척지 영농 기준을 초과하는 문제가 지속적으로 발생하고 있다 (Jung et al., 2014; Seong, 2014; Kim et al., 2023). 특히 간척지 주변 농경지는 해안과 맞닿아 염해 발생 가능성이 크며, 배수가 원활하지 않아 작물 재배에 어려움을 겪는다. 이에 따라 간척지에서는 염해와 습해에 강하고, 담수를 통한 탈염 촉진이 가능한 벼를 주로 재배하지만, 벼 역시 일정 염도 이상에서는 수확량이 감소하여 문제가 되고 있다 (Choi, 2003b).
간월호는 충남 서산시 부석면에 위치한 하구 담수호로, 간월호의 수자원은 인근 지역의 농업⋅공업⋅생활용수로 활용되고 있다. 간월호는 1985년에 탈염 작업이 시작되고 1986년에 시험 영농이 시행되었으나, 여전히 호 내 염도가 상승하는 문제가 있으며, 가뭄 시기에는 작물들이 염해를 입기도 한다 (Lee and Kim, 1997). 이에 따라 2010년부터 실질적인 간월호 수질 개선 사업이 진행되고 있으나, 그 효과는 아직 명확히 나타나지 않고 있다 (SCC, 2022). 담수호를 활용하여 작물을 재배하려면 간척 후 최소 10년 이상의 탈염 기간이 필요하지만, 근본적으로 염분을 완전히 제거하기는 어려운 상황이다 (Choung et al., 2002).
하구 담수호 내 염분 농도 증가로 인한 피해 대책을 수립하기 위해서는 호 내 염분 농도에 대한 분석이 선행되어야 한다. 이를 위해 실측자료 수집, 염분수지식 계산, 3차원 수치해석 모형 활용 등이 사용될 수 있다. 그러나 실측자료는 측정 지점이 아닌 다른 위치나 시간에 대해서 자료를 얻는 것에 한계가 있으며, 염도를 예측하는 데 어려움이 존재한다. 염분수지식에 의한 염도 변화를 추적하는 Minami식 역시 목적 염도에 도달하는 데 필요한 제염 기간만을 예측하므로 시공간적 제염 변화 분석에 많은 한계점이 있다 (Kim, 2013b). 한편 Environmental Fluid Dynamics Code (EFDC)와 같은 3차원 수리⋅수질모형은 염도 모의는 물론, 염분의 공간적 분포 모의를 가능하게 하므로 국내외 여러 연구에서 활용되고 있다 (Seong, 2014). EFDC를 활용하여 수행한 국외 연구로는 미국 리틀 매너티 강 (Little Manatee River) 하구의 수위 및 염분 침투 모의와 양쯔강 (Yangtze River) 하구에서의 수층의 성층 안정성 분석 등이 있다 (Huang et al., 2008; Wu et al., 2024). 국내에서는 섬진강의 염분 침투 특성 분석, 낙동강 하구에서 수문 운영에 따른 염수 침입 모의, 그리고 이원 담수호의 염도 모의 연구 수행 등을 위해 활용된 바 있다 (Seong, 2014; Kim, 2020; Lee, 2023).
수문⋅수질을 모의하기 위해서 기상자료, 유입량, 유출량 등 다른 모형으로부터 얻은 결괏값이 경계조건으로 종종 활용된다 (Craig, 2020). Environmental Fluid Dynamics Code Plus (EFDC+) 개발사인 Dynamic Solution International Limited Liability Company (DSI LLC)에서는 Hydrological Simulation Program-Fortran (HSPF)을 활용하여 유역의 유출량과 오염원의 부하를 모의하였고, 텐킬러 호수 (Tenkiller Ferry lake)의 수질을 모의하기 위한 EFDC의 경계조건으로 사용하였다 (Baker Jr et al., 2015). 이후 HSPF-EFDC 연계모형은 국외에서는 홍수 저감 생태계 서비스의 정량화 방법 연구 (Xu et al., 2024), 세인트루이스만 (Bay of St. Louis) 하구의 수리 및 수질 변화 모의 (Huang et al., 2008), 국내에서는 아라뱃길의 수질 및 염도 변화를 모의 (Cho, 2020), 홍수조절댐의 운영패턴 변화에 따른 수질 환경 영향분석 (Lee et al., 2018), 보설치 전⋅후의 수리 및 수질 변화 분석 (Kim, 2013a), 새만금호와 유역의 수리 변화 모의 (Shin et al., 2012), 영주다목적댐 저수지의 수질 예측 (Park et al., 2010) 등에 활용되었다. 2020년부터 DSI는 HSPF-EFDC 연계모형을 모두 실행하여 데이터 처리 단계를 자동화할 수 있는 예시 파이썬 (Python) 코드를 배포하였고 (Craig, 2020), 2021년에는 HSPF의 수질 구성요소를 EFDC에 결합하는 방법을 구체화 하고 (Craig and Lam, 2021), 2022년에 EEMS-BASINS 플러그인을 개발하는 등 (Jung and Cuong, 2022) HSPF-EFDC 연계모형을 꾸준히 발전시켜 왔다. 간월호와 같은 담수호는 상류 유역으로부터의 하천 유량이 줄어들거나 배수갑문의 운영에 따라 수위가 낮아져 이에 따라 염도가 올라가는 현상이 있으나, 간월호의 수위만으로 이를 예측하기 제한적이다. 담수호의 수리동역학적 특징은 하천으로부터의 유입유량, 온도, 수위 등의 영향을 받지만 (Oh et al., 2021) 이를 실측 자료만으로 염도를 예측하기는 제한적이며 유량, 강수량, 일사량 등의 요소에 의해 정확한 염도 예측을 위해서는 모형 구동이 필수적이다.
담수호의 담수화 가능 여부와 제염 시기 등을 고려한 호 내 염도 연구는 여전히 부족한 실정이다 (Choi and Oh, 2012; Oh et al., 2016). 또한 국내에서 농업용수의 염도가 벼 생육 및 수량에 미치는 영향 연구 (Choi et al., 2004), 염도 수준에 따른 벼 생육의 영향 연구 (Choi, 2003b), 벼의 생육 시기에 따른 염수 처리 농도와 기간이 생육 및 수량에 미치는 영향 연구 (Lee et al., 2002) 등이 이루어졌으나, 연구 대부분이 토양 염도에 초점이 맞춰져 있고, 간척지 농업용수의 염도 자료 역시 미비하며 (Park and Choi, 2023), 호소수 및 농업용수 수질환경기준으로 염도가 포함되어 있지 않는 등 담수호 용수의 염도 적합성 평가 역시 충분히 이루어지지 않았다. 이에 담수호의 수자원을 농업용수로 효과적으로 활용하기 위해서는 호 내 염도 분포를 파악하고, 이를 바탕으로 작물별 영농 적합 염도와 비교 분석할 필요가 있다.
따라서 본 연구에서는 간월호를 대상으로 HSPF-EFDC 연계모형을 활용하여 호 내 3차원 염도 분포 특성을 모의하고, 작물별 농업용수 염도 기준에 따라 농업용수의 적합성을 평가하고자 한다.
Ⅱ. 재료 및 방법
1. 대상 지구
간월호는 충청남도 서산시 부석면 일대에 위치한 하구 담수호로, 1982년에 조성되었다. 간월호의 유역면적은 49,240 ha이며, 수면적은 2,647 ha, 그리고 총저수량은 12,364만 m3이며 유역의 경계는 EL. 200~700 m의 비교적 낮은 산지로 형성되어 있다 (KDI, 2005). 전체 유역면적은 논 38.1%, 밭 15.0%, 임야 27.6%, 시가지 7.0%, 초지 3.9%, 나지 1.2%, 수면 7.2%로 구성되며 농경지 면적이 전체 유역면적의 약 53%를 차지하고 있다 (KRC, 2014). 간월호의 유입하천은 기포천, 도당천, 둔당천, 소정천, 야당천, 와룡천, 청지천 등 7개 하천과 4개 하천지류인 화수천을 포함한 19개 지방하천으로 구성된다 (KRC, 2014). 이들은 간월호로 유입되어 호소 하류에 있는 배수갑문을 통하여 천수만으로 배제되고 있다. 유역 내 하천 유량 모니터링 지점과 환경기초시설, 양수장, 배수갑문 등은 Fig. 1에 나타내었는데, 도당 (UM1), 둔당 (UM2), 와룡 (UM3), 청지 (UM4)천이 하천 유량 모니터링 지점으로 활용되었고 2011년부터 2020년까지 한 달에 한 번 일 자료가 수집되었다 (Kim et al., 2023). 간월호 유역 내에 서산분뇨처리장 (LS1), 도당공공처리시설 (PSTW1), 음암공공처리시설 (PSTW2), 서산공공처리시설 (PSTW3) 등 4개의 환경기초시설이 위치한다 (Kim et al., 2022; Kim et al., 2023). 유역 내 수리시설은 관개시설과 배수시설로 구분되며, 관개시설로는 10개의 저수지, 간월 (PS1), 궁리 (PS2), 사기 (PS3), 석포 (PS4), 지산 (PS5) 등 5개의 양수장, 배수시설로는 양⋅배수장겸용 3개소, 6개소의 간이배수장이 용수공급 및 배수, 홍수조절 등의 목적으로 운영되고 있다 (KRC, 2014).
2. HSPF-EFDC 연계모형 구축
가. 연계모형의 개요
담수호의 장기간 상류 유출량은 유역 모형인 HSPF를 활용하여 산정할 수 있다. HSPF는 1980년에 United States Environmental Protection Agency (USEPA)와 United States Geological Survey (USGS)에서 협력하여 개발된 이후, 지속적으로 개선되어 왔으며 장기간에 걸쳐 다양한 규모의 복잡한 수리 및 수질 현상을 모의할 수 있다 (Kim, 2022).
EFDC는 1, 2, 그리고 3차원 동수역학 및 유사수송을 포괄하는 수치모형이다. Virginia Institute of Marine Science (VIMS)에서 개발되었고, 미국 환경청에서 공인한 모형으로, 강, 호수, 저수지, 습지, 하구, 해안 및 해양 지역 등의 수역에 대한 환경 관리 및 규제 평가에 전 세계적으로 활용되고 있다 (DSI LLC, 2023). 본 연구에서는 HSPF를 통해 간월호 상류 유역의 하천 유량을 산정하고, 이를 EFDC의 경계조건으로 하여 수위 및 염도 모의를 진행하고자 연계모형을 활용하였다. 먼저, HSPF를 통해 기상자료, 토지이용도, 토양도, 하수처리장 방류량을 이용하여 담수호로의 유입량을 모의한다 (Kim et al., 2023). 이 과정에서 4개의 모니터링 지점의 관측값이 보정 및 검정 시 활용된다. 다음으로 HSPF에서 모의된 담수호 유입량과 배수갑문 방류량, 양수장 양수량, 서산시 기상자료를 EFDC에 입력하여 호소 수위를 모의하고, 배수갑문 운영일지에 기록된 수위 측정 자료를 활용하여 보정과 검정을 수행하였다 (Kim et al., 2023). 또 EFDC에 유입하천의 수온과 염도, 양수장별 수온과 염도, 제방침윤량, 기상자료 등을 입력하여 담수호의 염도를 모의하였다. 모형의 염도 보정 및 검정은 한국농어촌공사로부터 얻은 양수장별 염도 자료를 활용하여 수행하였다. 마지막으로 작물별 용수필요시기를 구분하여 염도 분석 결과를 바탕으로 간월호 양수장으로부터 양수되는 용수가 농업용수로 적합한지 평가하였다. 본 연구의 흐름도는 Fig. 2와 같다.
나. HSPF를 이용한 유입량 모의
1) 입력자료
본 연구에서 HSPF는 상류 유역의 하천 유량을 모의하기 위해 활용되었으며 모의 기간은 2011년부터 2020년까지이다 (Kim et al., 2023). 간월호의 유입량은 주요 유입하천과 모니터링 지점을 반영하여 32개의 소유역으로 나누어 기상자료, Digital Elevation Model (DEM), 토지이용도 등의 유역특성자료, 그리고 환경기초시설 방류량을 입력 자료로 활용하여 모형을 구축하였으며, HSPF 구축에 따른 소유역 분할도는 Fig. 3으로 나타내었다 (Kim, 2022). 호소 상류 하천 유량은 HSPF를 통해 서산기상대의 기상자료 및 환경부의 토지이용자료를 활용하여 산정하였다 (Kim et al., 2023). 유역 내 환경기초시설에서는 운영일지의 자료를 사용하여 일일 방류량을 모형에 반영했으며, 이후 EFDC의 수리계산을 위해 HSPF의 결과를 호 내 유입유량 경계조건으로 활용하였다 (Kim et al., 2023).
Fig. 3
Spatial distribution of subbasins of the Ganwol estuary reservoir watershed (adapted from Kim, 2022)
2) HSPF의 보⋅검정
HSPF 보정과 검정을 위해 충청남도 연구원이 2011년부터 도당, 둔당, 청지, 와룡 등 4개의 지점에서 월 1회 계측된 하천 유량 자료를 이용하였다 (Kim et al., 2023). HSPF의 보정 (2016년부터 2020년)과 검정 (2011년부터 2015년)은 하천 유량이 관측되는 지점에 대해서 수행되었고, 모형의 매개변수는 시행착오법으로 조정하였다 (Kim et al., 2023). 모형의 평가를 위해 coefficient of determination (R2), Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE), percent bias (PBIAS) 값을 통계변수로 사용하였다 (Kim et al., 2023). 유량의 보⋅검정에 활용된 사용된 매개변수는 Table 1에 제시되어 있다 (Kim et al., 2023).
Table 1
Calibrated parameter for HSPF (Kim et al., 2023)
다. EFDC를 이용한 호 내 염분 농도 분석
1) 계산격자망 형성
EFDC를 활용하기 위해서는 호소 내 계산격자망의 구성을 위한 좌표계 설정이 요구된다. 따라서 본 연구에서는 수평방향으로는 직표좌표계를, 수직방향으로 σ-좌표계를 사용하여 호소 내 계산격자망을 구성하였다 (Kim et al., 2023). 격자망은 총 282개의 격자를 수평적으로 생성하고, 이를 수직적으로 15층으로 나누어 총 4,230개의 격자를 구성하였다 (Kim et al., 2023). 각 층의 높이는 약 1 m로 유지되도록 설정하였다. 또한 격자망 형성 시 호 내 가운데에 위치한 제방 역시 구현하였다 (Kim et al., 2023).
2) 초기조건 및 경계조건 설정
호 내 염도는 우선 호 내로 유입되고 방류되는 유량에 따른 수위 모의가 수행되어야 모의가 가능하다. 모의를 위해 필요한 유입량의 입력 자료는 HSPF에서 모의한 상류 유역 하천 유량 자료를, 양수장과 배수갑문은 각각 운영일지 자료를 활용하여 일별 데이터를 설정하였다 (Kim et al., 2023). 격자별 해저표고를 입력하였고, 이후 염도 모의를 위한 EFDC의 초기조건으로 격자별 수위, 염도를 설정하였다 (Kim et al., 2023). 수위 초기값은 2017년 5월 5일의 평균 수위를 기준으로 EL. -1.76 m로 설정하였으며, 이를 전체 격자망에 동일하게 적용하였다. 수위의 초기값을 위와 같이 적용한 이유는 한국농어촌공사로부터 얻은 양수장별 염도 자료의 관측치가 기록된 가장 빠른 일자이기 때문이다. 염도 초기값은 5개 양수장의 염도 자료를 바탕으로 티센면적가중법 (Seong, 2014)을 활용하여 호소 전체의 평균 염도를 산정하였고, 관측치가 기록된 가장 빠른 일자인 2017년 5월 5일 기준으로 2.80 ppt를 초기조건으로 설정하여 전체 격자망에 적용하였다.
모형 내에서 호소의 염분은 하천과 해수 등으로부터 유입을 구현할 수 있는데, 하천으로부터 유입되는 염도는 유출량을 통해, 해수는 제방침윤량을 고려하여 설정해주었다. 유입하천의 염도는 물환경정보시스템과 서산 (A) 간척지 농업기반시설 재정비사업 자료 (KRC, 2014)를 통해 자료를 확보하였고, 하천들의 평균 염도 (0.2 ppt)를 경계조건으로 설정하였다. 제방침윤량의 염도는 모의기간에 대해서 해양환경공단에서 제공하는 천수만 염도 자료의 평균값 (31.3 ppt)으로 설정하였고, 제방침윤량은 식 (1)을 통해 계산된 값을 적용하였다.
여기서 q는 제방침윤량 (m3/s), k는 제체의 투수계수 (m/s), h1은 방조제 내측수심, h는 외측수심, L은 침투초장 (m), l은 방조제 연장 (m)을 나타내며 (KRC, 1995; Jung et al., 2009), 침윤량의 염도는 해수와 같다고 가정하였다.
연구대상지는 침윤 이외에도 제방으로부터의 누수 연구가 이루어졌고 (Hong et al., 2013), 배수갑문의 누수 역시 암시되는 평가를 받았으며 (KDI, 2005), 호 내에서는 수질개선사업으로 준설이 이루어지고 있다 (KRC, 2014). 이에 EFDC의 염도 모의는 제방이 위치한 격자에 대해서 식 (1)을 활용하여 제방침윤량 값을 먼저 설정하고, 호소 염도가 실측 염도 자료와 근사한 값을 갖도록 제방침윤량을 조정하는 방식을 선택하였다. Fig. 4와 Table 2는 각각 EFDC 염도 모의에 대한 호 내 경계조건 입력지점 및 설명을 보여준다. 이때 Table 2에서 ‘-’는 양수장 및 배수갑문의 유량 (QSER.inp)이 모의 기간 동안 해당 일자의 유량이 빠져나가는 것을 의미하며, 염도 (SSER.inp)는 0으로 입력되었음을 나타낸다. 기상청에서 제공하는 일 단위 기압, 건구온도, 상대습도, 강수량, 증발량, 일사량, 전운량을 기상조건 (ASER.inp)에 입력해주었다. 또한 각각의 하천 (도당, 기포, 소정, 와룡)과 양수장 (석포, 지산, 사기, 간월, 궁리)의 일 단위 수온 자료 (TSER.inp)를 입력해주었다.
Table 2
Boundary conditions of the Ganwol estuarine reservoir
호소에서는 염분에 의하여 성층현상이 일어나는데 이는 수심별 염분의 분포 때문에 발생한다. 이러한 성층현상은 상류 유역으로부터의 하천 유량과 바람에 의한 교란에 의해 염분이 수직혼합하면서 완화된다 (Schroeder et al., 1990; Seong, 2014). 간월호의 최저바닥고는 EL. -16.62 m로, 관리수위 -1.70 m를 고려하면 최대수심은 약 14.90 m, 평균수심은 약 4.30 m로 혼합작용이 원활히 이루어진다고 보기 어렵다고 판단하였다. 이에 양수장 흡입수위의 염분 분포를 상세히 모의하기 위해 최저수심을 기준으로 각각 수층의 높이가 약 1.00 m가 되게 15등분하였고, 수층의 혼합작용을 위해 모형 내 외부 강제력 (external forcing)으로 풍속과 풍향 (WSER.inp)을 입력하였다. 이때 수층은 모형 내 sigma-zed code (SGZ) 기능을 활용하여 나누었고, 풍속 및 풍향은 기상청에서 제공하는 서산기상대의 일 단위 평균풍속과 최다풍향 자료를 활용하였다.
3) EFDC 수위 모의와 염도 보정 및 검정
EFDC에서 호소 내 수위 모의를 위해 2015년부터 2020년까지 기록된 배수갑문 운영일지의 일별 수위 측정 자료를 활용하였다 (Kim et al., 2023). 모의된 수위 값과 실제 수위 값을 시행착오법을 통해 비교하였고, 모형의 평가를 위해 R2, NSE, root mean square error (RMSE) 값을 통계변수로 사용하였다 (Kim et al., 2023).
모형의 염도 보정 및 검정을 위해 한국농어촌공사로부터 얻은 2017년부터 2020년까지의 5개 양수장의 일별 염도 자료를 활용하였다. 모형의 보정기간은 2017년부터 2018년이고, 검정기간은 2019년부터 2020년으로 설정하였다. 염도 추정 시 염분 수송에 관여하는 지배방정식은 식 (2)와 같다.
여기서 
는 시간 (초), 
, 
는 라메 (Lame) 계수로 
, 
방향에 해당하는 수평 좌표 변환 계수 (무차원), 
은 야코비안 (Jacobian) 계량 텐서 (metric tensor)로 (무차원) 
, 
의 곱이며, H는 물기둥의 총 수심 (m), S는 염도 (ppt), 
와 
는 곡면좌표계에서 수평 속도 성분 (m/s), 
와 
는 수평 방향에서 곡면직교좌표 (m), z는 시그마좌표 (무차원), 
는 수직 난류 에디 확산율 (vertical turbulent eddy diffusivity) (
), 
는 외부 유입 배출 등 염도에 대한 소스/링크항 (source and sink items) (
)을 의미한다 (DSI, 2023; Wu et al., 2024). 2017년 5월 5일부터 2018년까지 보정 기간, 2019년부터 2020년까지를 검정기간으로 설정하였으며 모의된 염도값과 관측 염도값을 시행착오법을 통해 보정 및 검정을 수행하였다. 모형의 평가를 위해 R2, NSE, RMSE 값을 통계변수로 사용하였으며, 호 내 염도 보정 및 검정에 활용된 매개변수는 Table 3에 나타내었다.
Table 3
Hydrodynamics parameter value used in the EFDC
3. 농업용수 적합성 평가 방법
국내에서 작물에 대한 염해 피해 연구가 이루어졌으나 연구 대부분이 토양 염도에 초점이 맞춰져 있고, 간척지 농업용수의 염도 자료 역시 미비하다 (Park and Choi, 2023). 또 호소수 및 농업용수 수질환경기준으로 염도가 포함되어 있지 않아 호 내 용수의 염도 적합성 평가 역시 충분히 이루어지지 않는다. Rural Development Administration (RDA) (2007)에 따르면 서산 A 간척지 논토양의 염도는 거의 제염이 되어 벼 재배에 큰 지장을 주지 않을 것으로 보이나 지하수위와 지하수 염도가 약간 높아 부분적 염해에 주의를 요한다고 분석하였다. 그러나 토양 이외에도 호 내 용수의 염도가 급격히 증가하여 쭉정이가 생기거나 염해 피해를 입은 사례가 있어 용수의 염도 적합성 평가 역시 필요하다 (Cho, 2017; Kim, 2017). 본 연구에서는 2017년부터 5월 5일부터 2020년 12월 31일까지 5개 주요 양수장을 대상으로 양수장 흡입수위에서의 용수 (layer 15층 중 layer 14) 염도를 분석하고 농업용수 적합성을 평가하였다. 각 양수장의 제원은 Table 4를 통해 나타내었다.
Table 4
Status of installed pumping stations
용수 염도를 평가할 때는 일반적인 밭작물에 대해 Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO) 기준을 적용하고, 논작물의 경우 Table 5에 제시된 염도별 벼 수확량을 활용하여 평가하였다. 이는 우리나라와 기후 특성이 유사한 동아시아 국가나 미국과 달리 국내 호소수 및 농업용수 수질환경기준에 염도 항목이 포함되지 않기 때문이다. 국내에서도 작물과 염분에 관한 연구는 오래전부터 활발하게 이루어졌으나, 관개용수 수질기준을 설정하기 위한 작물 생육실험의 기초자료는 아직 부족한 실정이다 (Choi, 2003a). 따라서 RDA (2022)에서 주요 작물의 내염성을 FAO 기준에 근거해 제시한 점을 토대로, 본 연구에서도 FAO 기준을 채택하였다. 논과 밭을 구분하여 평가한 이유는 FAO의 기준이 일반적인 밭관개 (스프링클러 방식 등)의 환경을 기본 가정으로 하기 때문에 논과 같이 물을 오래 가두거나, 거의 매일 물이 공급되는 방식의 경우 염분의 집적⋅배출 양상이 전혀 달라 기준이 맞지 않을 수 있기 때문이다 (Ayers and Westcot, 1985). 또한 작물의 수확량이 내염성 설정의 유일한 농업적 기준이 되므로 염도에 따른 벼 수확량을 기준으로 적합성을 평가하고자 하였다 (Mass and Hoffman, 1977). 밭작물의 경우 전 기간에 대해서 염도를 분석하였고, 논작물의 경우 각 해의 5월 1일부터 9월 30일에 대해서 염도 분석을 수행하였다. 논작물 분석 기간이 위와 같이 설정한 이유는 간척지에 적합한 16가지 품종과 삼광, 친들, 황금노들, 향진주, 참드림 등의 품종을 대상으로 가장 이른 이앙 시기부터 가장 늦은 출수기에 35일 더한 기간을 기준으로 설정하였기 때문이다. 용수필요시기 설정에 참고한 표는 Table 6에 나타내었다. 염도 (전기전도도) 단위 변환은 FAO에서 제시한 기준을 참고하였고, 국내외 농업용수의 염도 수질기준은 Table 7에 나타내었다 (Rhoades et al., 1992).
Table 5
Crop tolerance and yield potential of rice influenced by irrigation water salinity (ECw) (Mass and Hoffman, 1977; Ayers and Westcot, 1985)
| Field crops | Yield potential (%) | ECw (dS/m) | ECw (ppt) |
| Rice (Paddy) (Oriza Sativa) | 100 | 2.00 | 1.28 |
| 90 | 2.60 | 1.66 | |
| 75 | 3.40 | 2.18 | |
| 50 | 4.80 | 3.07 | |
| 0 | 7.60 | 6.10 |
Table 6
Transplanting and heading periods based on rice varieties (Choi, 2001; Hong, 2001; Jung, 2001; RDA, 2017; GARES, 2020; Cho, 2022; Park, 2022)
Table 7
Country-specific electrical conductivity for irrigation water (Ayers and Westcot, 1985; Choi, 2003a; FAO and IDEA, 2013)
Ⅲ. 결과 및 고찰
1. HSPF-EFDC 연계모형의 보정 및 검정
가. HSPF의 상류 하천 유입량 보정 및 검정
HSPF의 상류 하천 유량 모의 효율은 Moriasi et al. (2015)가 제시한 기준에 따라 평가하였다 (Kim et al., 2023). 간월호의 하천유량 보정 및 검정 결과는 Table 8에 제시되어 있으며, 둔당의 보정기간과 와룡의 검정기간을 제외한 대부분의 기간에서 R²와 NSE 값이 satisfactory 이상의 결과를 나타냈다 (Kim et al., 2023). 각 지점별 보정기간과 검정기간에 대해서 통계변량에 대한 자세한 평가는 Kim et al (2023)의 선행연구를 통해서 확인할 수 있다.
Table 8
Calibration and validation result of stream runoff (Kim et al., 2023)
나. 호소수위 모의 결과
HSPF를 통해 얻은 유역 상류 하천 유량을 통해 호 내 수위 변화를 모의한 결과는 Fig. 5의 (a)로 나타내었다 (Kim et al., 2023). EFDC와 실측의 수위 비교는 2015년에서 2020년 배수갑문 운영일지의 실측 수위를 활용하여 수행하였고, R2은 0.72로, NSE는 0.74로 높은 재현성을 보여주었다 (Kim et al., 2023). Fig. 5의 (b)는 모형의 수위 모의치와 실측치의 상관관계를 나타낸 것이다 (Kim et al., 2023).
Fig. 5
(a) Precipitation and water level in the Ganwol estuarine reservoir over time and (b) comparison of the observed and simulated water levels of the Ganwol estuarine reservoir (adapted from Kim et al., 2023)
다. EFDC의 호 내 염도 보정 및 검정
EFDC의 염도 보정과 검정은 농어촌공사로부터 구득한 2017년에서 2020년 기간의 염도 실측 자료를 활용하여 수행하였다. 모형의 보정기간은 2017년 5월 5일부터 2018년 12월 31일까지이며, 검정기간은 2019년 1월 1일부터 2020년 12월 31일에 해당한다. EFDC의 호 내 염도 모의 효율은 Moriasi et al. (2015)이 제시한 기준 외에 Lewis (1982)가 제시한 mean absolute percentage error (MAPE) 값을 통한 모형의 예측도 기준을 추가하였으며 이는 Table 9에 나타내었다. Table 10은 5개의 양수장별 양수 깊이 (layer 14)에서의 염도의 모의 결과에 대한 통계적 변량을 보여주고 있다. 석포 양수장은 보정기간에서 R² 값이 0.80, NSE 값이 0.73, MAPE 값이 22.73%로 reasonable forecasting으로 평가되었으며, 검정기간에서도 R² 값이 0.74, NSE 값이 0.72, MAPE 값이 14.28%로 good forecasting 수준을 보였다. 지산 양수장은 보정기간에서 R² 값이 0.90, NSE 값이 0.83, MAPE 값이 19.37%로 good forecasting으로 평가되었으며, 검정기간에서는 R²값이 0.82, NSE 값이 0.72, MAPE 값이 16.82%로 good forecasting 수준을 보였다. 사기 양수장의 경우 보정기간에서 R² 값이 0.93, NSE 값이 0.89, MAPE 값이 9.50%로 highly accurate forecasting으로 평가되었으며, 검정기간에서 R² 값이 0.78, NSE 값이 0.78, MAPE 값이 9.56%로 highly accurate forecasting 수준을 보였다. 간월 양수장은 R² 값이 0.96, NSE 값이 0.69, MAPE 값이 24.47%로 reasonable forecasting으로 평가되었으며, 검정기간에서 R² 값이 0.81, NSE 값이 0.72, MAPE 값이 12.52%로 good forecasting 수준을 보였다. 마지막으로 궁리 양수장의 경우 보정기간에서 R² 값이 0.94, NSE 값이 0.89, MAPE 값이 11.46%로 good forecasting으로 평가되었으며, 검정기간에서 R² 값이 0.87, NSE 값이 0.85, MAPE 값이 8.42%로 highly accurate forecasting 수준을 보였다. R2은 전체 기간에 대해서 지점별로 0.79~0.92의 범위를 보였고, RMSE는 0.23~0.50 ppt, NSE는 0.76~0.92의 범위를 보이며 MAPE는 9.53~19.03% (good forecasting~Highly accurate forecasting) 보임으로써 모형이 관측 염도 자료의 경향을 잘 반영하고 있는 것으로 평가하였다. Fig. 6의 (a)는 간월호 내 궁리 양수장의 염도에 대해 모의치와 실측치를 비교하여 보여주고 있으며 궁리 양수장에서의 수위를 나타내었다. Fig. 6의 (b)는 궁리 양수장의 모의치와 실측치의 산포도를 나타내고 있다.
Table 9
Scale of judgment of forecasting accuracy (Lewis, 1982; Sudhan et al., 2020)
| MAPE | < 10% | 11~20% | 21~50% | ≥ 51% |
| Accuracy | Highly accurate | Good | Reasonable | Inaccurate |
Table 10
Statistical calibration and validation results of simulated water salinity in pumping depth (layer 14) at each pumping station
2. 농업용수 적합성 평가
가. 밭작물 재배를 위한 농업용수 적합성 평가
본 연구에서는 간월호 유역의 다섯 개 주요 양수장을 대상으로 HSPF-EFDC 연계모형을 통해 모의한 염분 농도 분포를 분석하고, 이를 FAO에서 제시한 농업용수의 염도 기준에 따라 평가하였다. 밭작물 농업용수로서의 적합성을 판단하기 위해, 각 양수장의 염도 분포를 상자수염 그래프로 시각화하고, 염도 수준에 따른 농업용수 사용 제한 정도를 ‘사용에 제한이 없음’, ‘약간-중간 정도의 사용 제한’, ‘극단적인 사용 제한’ 세 가지 범주로 분류하였다 (Ayers and Westcot, 1985; Park and Choi, 2023).
Fig. 7은 간월호 내 다섯 개 양수장 (간월, 궁리, 사기, 석포, 지산)의 전 기간 염분 농도 분포를 나타내고 있으며, FAO에서 제시한 농업용수의 사용 제한 기준과 비교하였다. 간월, 궁리, 사기, 석포, 지산양수장의 모의 염도 중앙값은 각각 1.42, 1.51 1.46, 1.19, 1.17 ppt로 모두 약간-중간 정도의 사용 제한 범주에 속하였으나 이들의 최대 이상치들은 각각 3.71, 4.27, 3.62, 2.79, 2.99 ppt로 극단적인 사용제한 범주로 포함되었다.
Fig. 7
Simulated salinity distribution across five pumping stations in the Ganwol estuarine reservoir with reference to FAO guidelines on the degree of restriction for irrigation water use
다섯 개의 양수장에서 발생한 이상치들은 대부분 2017년 5월에서 8월 사이에 집중적으로 관측되었으며, 이는 2017년 충청남도 내 누적 강수량이 평년의 67.5%에 불과하고, 저수율이 40.8%로 급격히 감소한 것과 밀접한 관련이 있다고 사료된다 (Cho, 2017; Kim, 2017). 이러한 경향은 Fig. 6 (a)에 제시된 수위 그래프와 염도 그래프를 통해서도 확인할 수 있으며, 수위가 낮은 시점에서 염도의 증가가 나타남을 알 수 있다. 따라서 호 내 염도조절에는 환경적 요인이 농업용수의 적합성에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있고 이를 통해 간월호의 염분 농도가 밭작물 농업용수로서 일정 기간 동안 사용 제한이 불가피했음을 시사하며, 특히 가뭄과 같은 극한 기후 조건이 발생할 때 이를 대비한 수자원 관리의 필요성이 강조된다.
나. 논작물 재배를 위한 농업용수 적합성 평가
논작물을 대상으로 농업용수를 평가하기 위해서 간월호 유역의 다섯 개 주요 양수장을 대상으로 HSPF-EFDC 연계모형을 활용해 모의된 염도 분포를 분석하고, 4개년도의 용수필요시기 (5월 1일~9월 30일)에 대해서 논작물 농업용수로서의 적합성을 평가하였다. 평가 기준으로는 FAO에서 제시한 염도와 벼 잠재 수확량 (rice yield potential) 간의 관계를 적용하였다.
Fig. 8은 석포, 지산, 사기, 간월, 궁리의 다섯 개 양수장에 대해 벼작물 용수필요시기에 모의된 염분 농도 분포를 상자수염 그래프로 시각화한 결과를 보여준다. 그래프에는 염도 값에 따른 벼 잠재 수확량 변화를 나타내는 기준선도 함께 표시되어 있다. 기준선은 염도가 1.28 ppt 이하일 때 잠재 수확량이 100%로 유지되며, 1.28~1.66 ppt 범위에서는 90~100%, 1.66~2.18 ppt에서는 75~90%, 2.18~3.07 ppt에서는 50~75%, 그리고 3.07~6.10 ppt에서는 0~50%로 감소하는 것을 나타낸다. 이 기준에 따라 각 양수장의 염도 분포를 분석하고, 농업용수로서의 적합성을 평가하였다.
Fig. 8
Simulated salinity at five pumping stations in the Ganwol estuarine reservoir with rice yield potential affected by irrigation water salinity
간월 양수장의 염도 분포를 살펴보면, 중앙값이 1.63 ppt로 나타나 벼 잠재 수확량이 90~100% 범주에 해당한다. 이는 해당 기간 동안 석포에서 채취된 농업용수가 벼 생장에 미치는 염도 영향이 비교적 적음을 시사한다. 그러나 3.64 ppt로 기록된 이상치는 벼 잠재 수확량이 0~50%까지 감소할 수 있음을 의미한다. 궁리의 염도 중앙값은 1.70 ppt로, 75~90%의 잠재 수확량을 나타내지만, 2.88~3.64 ppt로 기록된 이상치는 잠재 수확량이 0~75%로 감소할 가능성을 보여준다. 사기 양수장에서 염도 중앙값은 1.62 ppt를 나타나며, 모두 90~100% 잠재 수확량 범주에 속하지만, 이상치는 각각 2.84~3.67 ppt, 달해 벼 잠재 수확량이 0~75%로 감소할 수 있는 위험이 있다. 석포와 지산 양수장에서는 염도 중앙값이 각각 1.24, 1.26 ppt를 나타내며 모두 100%의 잠재 수확량 범주에 속하였으나 이상치가 존재한 지산의 경우 2.95 ppt를 보여, 벼 잠재 수확량이 50~75%로 감소할 수 있는 위험을 보여주었다. 모의를 통해 나타난 이상치들은 극심한 가뭄과 더불어 간월호 저수율의 급감이 원인으로 작용했을 가능성이 크다 (Cho, 2017; Kim, 2017).
이러한 분석 결과는 농업용수의 염도가 벼 수확량에 미치는 영향을 명확히 보여준다. 그러나 Table 11에 제시된 서산시의 실제 연간 벼 수확량과 비교해 보면, 모의 결과와 일치하지 않는 사례가 확인된다. 예를 들어, 2017년 서산시의 평균 염도는 2.25 ppt로, 벼 잠재 수확량이 50~75% 수준으로 예측되었으나 실제 수확량은 평균 염도 1.54 ppt와 1.04 ppt였던 2019년, 2020년보다 많은 양이 수확됐으며, 2020년에는 4개년중 가장 낮은 평균 염도로 잠재 수확량이 100% 범위에 들었지만 92,602 M/T으로 기간 내 최저 수확량을 기록하였다.
Table 11
Comparison of salinity levels, corresponding rice yield ranges, and annual rice yield in Seosan city from 2017 to 2020
| Year | Salinity (ppt) | Rice yield range by salinity (%) | Annual rice yield of Seosan city (M/T) |
| 2017 | 2.78 | 50~75 | 95,408 |
| 2018 | 1.34 | 90~100 | 100,727 |
| 2019 | 1.62 | 90~100 | 93,509 |
| 2020 | 1.14 | 100 | 92,602 |
FAO에서 제시된 수확량과 실제 수확량 간의 차이는 기후적 요인과 ‘토지 및 토양 요인’ 등 여러 요인으로 설명될 수 있다 (FAO and SAFR, 1998). 첫째, 연도별 염도 외에 온도, 태양 복사선, 일조시간 등 기후적 요인이 벼에 미치는 영향이 고려되지 않았고, 둘째, FAO의 기준이 농업용수의 염도만을 고려하였으므로 간월호 유역 농경지별 상이한 토양의 염도가 반영되지 않았다 (Mass and Hoffman, 1977). FAO 기준을 그대로 적용하는 것만으로는 벼의 정확한 수확량 예측이 어려울 수 있다. 따라서 논작물 농업용수로서 간월호의 염도 관리가 벼 수확에 중요한 요소임을 강조하는 동시에, 보다 정확한 수확량 예측을 위해서는 지역별 토양 특성, 위치별 벼 품종 조사 등을 포함한 종합적인 관리 방안이 필요함을 시사한다. 이외에도 논에서 밭으로의 전환 등의 작부체계 분석이 필요하며, 보령댐과 같은 다른 수자원을 활용하여 용수를 공급하는 방안 역시 파악되어야 한다. 농업 여건과 관련해서는 경지면적 가운데 논의 비율이 전국 (52.5%), 충남 (68.3%)에 비해 현격히 높은 77.7%를 나타내고 있으며 가장 낮은 농경지 면적 감소를 보이고 있어 지하수 사용 의존량에 대한 분석 역시 필요함을 시사한다 (Kim and Lee, 2020).
Ⅳ. 요약 및 결론
본 연구에서는 간월호의 염도 모의 및 밭과 벼 작물 재배를 위한 농업용수로서의 염도 적합성을 평가하기 위하여 HSPF와 EFDC 연계모형을 활용하였다. HSPF를 이용하여 상류 유역의 하천 유량을 산정하였다 (Kim et al., 2023). 이를 EFDC의 입력 자료로 활용하여 호소의 수위와 염분 분포를 모의하였으며, 모형의 보정 및 검정을 수행하였다 (Kim et al., 2023). 이후 FAO에서 제시하는 작물별 염도 한계치 기준을 통해 양수장의 농업용수 적합성을 평가하였다.
HSPF를 통해 2011년부터 2015년까지 도당, 둔당, 청지, 와룡천의 유량을 검정한 결과, R² 값과 NSE 값이 대체로 양호한 통계적 지표를 보였으나, 일부 저유량 구간에서 만족스럽지 않은 결과가 나타났다 (Kim et al., 2023). 그러나 전체적으로 다양한 유량 조건에서 모형의 보정과 검정이 적절히 수행되었다고 평가할 수 있다 (Kim et al., 2023). EFDC를 통해 모의한 호 내 수위는 높은 재현성을 보여주어 간월호에 대해서 모형의 적용성이 있는 것으로 평가하였다 (Kim et al., 2023).
담수호의 염도에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 방조제 침투량과 수문 역유입량으로, 이에 따라 간월호의 방조제나 배수갑문 누수가 염도 상승의 원인으로 지적된다 (KDI, 2005). 그러나 상류로부터 유입되는 하천 유량에 비해 누수량은 극히 미미할 것으로 판단하여 본 연구에서는 하천 유량과 제방침윤량을 통해 염분이 유입되는 것으로 설정하여 모의하였다.
밭작물 재배를 위한 농업용수 적합성 평가는 간월호 유역의 5개 양수장에 대해 HSPF-EFDC 연계모형을 사용하여 전체 기간 동안 염도를 분석함으로써 이루어졌다. 밭작물의 경우 이상치에 해당하는 염도값들이 대부분 극단적인 사용 제한 범주에 속했으며, 간월, 궁리, 사기, 석포, 지산의 염도 중앙값 모두 약간-중간 정도의 사용제한 범주에 속하였다. 염도 이상치는 주로 2017년 5월~8월에 발생하였으며, 이는 충남 지역의 강수량 감소와 저수율 급감에 기인한 것으로 분석된다.
간월의 염도 중앙값은 벼 잠재 수확량이 90~100% 유지되었으나, 이상치에 해당하는 값들은 잠재 수확량을 50% 이하로 감소시킬 가능성이 있다. 또 궁리와 사기의 경우 염도 중앙값이 벼 잠재 수확량의 75~90%를 유지하게 나타났으나 이들의 이상치 역시 잠재 수확량을 50 % 이하로 감소시킬 가능성이 있다. 반면 석포와 지산의 경우 염도 중앙값이 벼 잠재 수확량의 100%로 유지되었고, 지산의 경우 이상치의 해당하는 값들이 잠재 수확량을 50~75% 유지하게 될 가능성을 보였다. 실제 벼 수확량과 모의 결과 간의 차이는 토양 염도, 기후 조건 등 복합적인 요인에 기인하므로, 보다 정확한 예측을 위해 이러한 요인들을 종합적으로 고려한 관리가 필요하다. 또한 배수갑문의 잠재적 누수와 같은 호 내 해수유입 연구 및 유역 내 구체적인 재배 작물 품종 등의 조사가 추가적으로 이루어져야 할 것으로 사료된다. 본 연구의 결과는 담수호의 염도 관리 및 안정성 확보를 위한 기초 자료를 제공하고, 장기적인 염도 개선 대책 마련에 기여할 수 있다. 또한, 농업용수 적합성 평가를 통해 농업 생산성 향상과 호 내 용수의 효율적 활용에 실질적 기여를 할 것으로 기대된다.
