Ⅰ. 서 론

최근 기후변화로 인하여 전 세계적으로 홍수 및 가뭄 발생 빈도가 증가하고 있으며, 우리나라 역시 강수일수는 감소하고 강수량은 시간적⋅지역적으로 편중되는 경향으로 변화하고 있다 (MAFRA, 2018). 특히 농업은 다른 산업과 달리 기후조건과 환경변화에 민감한 분야로 안정적이고 지속적인 농작물 생산을 위한 농업수자원 관리에 다양한 노력이 필요하다 (Yoo, 2009; Lee and Noh, 2015; Kim, 2018). 이러한 기후변화에 따른 가뭄, 이상기후 등의 재해 위험 증가와 수리시설의 노후화, 취약성 증대, 홍수조절 능력의 부재, 관리인의 고령화에 따른 유지관리 등 관리의 한계점이 제기 (Kim et al., 2004; Lee et al., 2006; Kim et al., 2011)되고 농업용수 부족현상이 빈번하게 발생, 농업용수의 안정적 공급과 관리의 어려움이 예상된다 (Nam et al., 2015; Kim et al., 2017).

1970년대 이후 급격한 도시화, 산업화로 인해 농지면적은 2백30만 ha를 정점으로 매년 조금씩 감소하여 2018년에는 1백59만 ha로 감소하였다 (MAFRA, 2019). 또한, 기후변화와 함께 영농상황 (수혜면적 변화, 영농패턴 변화)이 급격히 변화하는 추세로 농업용수 관리에 있어 수문현상, 용수수요, 유역환경을 면밀히 분석하여 용수공급체계의 이수안전도 재평가가 요구된다 (Nam et al., 2017). 저수지 운영에 있어 기존 설계 시 간선별, 지역별 용수배분량에 따른 실제공급량과 변화된 영농상황과 물관리 여건에 따른 시뮬레이션을 통한 적정 용수공급을 비교하여 효율적 물관리 정립이 필요하며 (Lee, 2005), 설계한발빈도 및 설계기준과 연계하여 용수공급 부족기간, 내한능력, 취약도 등 농업용수 공급능력에 대한 평가가 필요하다 (Nam et al., 2018).

최적의 용수관리는 수리시설물을 이용하여 시간적, 공간적 측면에서 적정한 양의 용수를 효율적으로 균등하게 공급하는 것이다 (Chung and Son, 2001; Shim et al., 1995). 현재 우리나라 농업용 저수지의 경우 급수 시작일과 종료 시기의 동일 여부 조사결과 약 80%가 동일하지 않고, 취수시기 결정방법 또한 관리지침에 의존하기 보다는 주민의 요구나 관리자의 경험에 의하여 운영되고 있다 (Nam et al., 2011). 관행적 물관리는 필지별, 용수로별 공급해야 할 수량과는 관계없이 수요자가 만족할 때까지 용수를 공급하거나 배수물꼬 관리의 부실, 수로의 수위를 기준으로 공급하는 등 용수의 과다손실과 균등분배의 문제점이 발생하고 있다 (Kim, 2018). 효율적 용수공급을 위해 Hong et al. (2014)은 관개시스템의 용수공급 계획량과 실제 용수배분량을 이용하여 실시간 수위⋅유량 데이터와 비교, 지선별 용수공급의 불균형 및 분배의 효율성을 평가하거나 수혜면적의 변화, 용수수요의 다양화 등 수자원 환경의 변화로 합리적인 관개방식을 위한 공급량과 필요수량의 관계로부터 물관리 효율을 평가하였다 (Nam et al. 2013).

EPA-SWMM (Environmental Protection Agency-Storm Water Management Model)은 도시유역의 홍수유출 해석뿐만 아니라 유출 특성을 고려한 전원유역에 대한 적용 (Kang and Lee, 2012)이 가능하며 농업용저수지 수로네트워크 요소의 제어를 통한 시⋅공간적인 변화 모의로 노선별 용수손실을 최소화하면서 적기에 적량의 관개용수 산정이 가능하다 (Kang, 2015; Park, 2017). SWMM 모의를 통한 농업용수의 효율적 관리를 위한 연구로 Bang (2019)은 용수공급 분배 이수관리 모형을 제시하고 시공간적 흐름에 따른 용수공급현황을 파악하였다. Shin et al. (2020)은 적절한 용수공급 배분을 위한 필지의 목표 담수심의 만족도 분석과 간선별 필지면적 관개량과 공급량 비율을 산정하여 관개효율을 평가하였다. 하지만, 기존 연구는 단일수원공과 수혜면적이 200~400 ha 지구로, 주수원공과 보조수원공이 복잡하게 얽혀 있는 복합적 관리지구에 적용된 연구로서는 부족하다. 또한 농업용수는 수혜구역의 위치, 수로의 길이, 경사에 따라 용수공급의 시간차이가 발생하므로, 농업인 영농편의 개선과 안정적인 영농활동을 도모하기 위해서는, 수원공에서 포장에 이르기까지의 도달시간 예측이 필요하다 (Nam, 2020).

본 연구에서는 나주호를 대상으로 관개효율을 평가하기 위해 주수원공과 보조수원공 및 간선별 수혜면적을 파악하였으며, 광주전남 혁신도시의 개발로 수혜면적이 감소한 금천간선의 농업용수 공급량을 재산정하였다. 산정된 간선별 농업용수 공급량을 바탕으로 SWMM 모형을 활용하여 공급량 재분배에 따른 간선별 포장공급률 변화를 평가하고, 도달시간을 예측해 최적 재분배 방안을 검토하였다.

Ⅱ. 재료 및 방법

1. 대상저수지

나주호는 유역면적이 8,460 ha, 유효저수량은 둑높이기 사업 이후 10,654만 m³ 이다. 또한, 나주호는 저수량 확보를 위해 탐진강 상류인 영암군 금정면에 보를 설치하여 간접유역 2,010 ha에 해당하는 유출량을 비관개기 및 홍수기에 도수터널을 통해 공급받고 있다. 또한, 나주호는 농업용수 공급을 위해 총 7개 간선 (봉황, 금천, 신천, 산정, 운곡, 공산, 신북)으로 이루어져 있으며, “나주호 용수부족 원인분석 및 과학적 대응방안 마련 연구 용역” 사업의 일환으로 각 간선별 분기점과 시점 및 말단에 초음파 수위계를 설치하여 간선별로 유량을 관측하고 있다 (Fig. 1).

Fig. 1

Main irrigation canals and locations of water level gauges in beneficiary area of Naju reservoir

2. 연구의 흐름

본 연구에서는 나주시 혁신도시 개발로 나주호 관개구역의 영농환경여건과 수혜면적의 변화에 따른 제한된 농업수자원의 합리적인 운용을 위하여 한국농어촌공사 RIMS (Rural Infrastructure Management System)와 토지이용현황 자료를 활용하여 나주호 관개구역에서 직접 수혜면적을 구분하였다. 수혜면적별 농업용수 적정공급량 배분 산정을 위해 수혜면적 변화폭이 가장 큰 금천간선을 대상으로 최적의 물 배분율을 재계산하고 개선된 물 배분율을 나주호 전체 관개구역에 적용하여 간선별 용수공급량과 포장공급률의 최적의 물 배분율을 산정하고 수원공에서 수로 말단부까지의 도달시간을 분석하였다 (Fig. 2).

Fig. 2

Flow chart of the process for evaluating re-distribution rate by SWMM

Table 1

Specifications of the main irrigation canals of Naju reservoir

Main irrigation canal	Length of canal (m)	Gradient of canal	Specification of canal (m)
Bonghwang	17,912	1/530	4.0×2.5
Geumcheon	12,379	1/1,172	2.0×1.5
Sincheon	8,439	1/773	2.0×1.4
Sanjung	8,836	1/914	2.4×1.4
Eungok	6,780	1/956	1.5×1.5
Gongsan	21,731	1/1,626	3.0×2.0
Sinbook	16,636	1/340	2.5×2.0

3. 수혜구역 관개조직 구축

가. 나주호 수혜면적 분리

각 저수지별 수혜면적은 필요수량 산정 및 관개효율 평가에 영향을 미치고 있으며 현재 나주호에서 공급하는 수혜면적은 용수계통도의 부재와 주수원공 및 보조수원공의 수혜면적 기준이 명확하지 않아 나주호만의 정확한 수혜면적 파악에 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 나주호 직접 공급면적 파악을 위해 환경공간정보서비스에서 제공하는 토지이용도와 한국농어촌공사 RIMS에 나타나 있는 나주호 간선 및 지선 자료를 참고해 물공급 방식을 총 5개의 급수방식으로 분류하여 실제 나주호에서 공급하는 면적을 추정하였다 (Figs. 3~4). 수혜면적으로 포함시킨 공급방식으로는 (1) 나주호 직접급수 수혜면적, (2) 나주호로부터 공급받는 보조수원공 저수지의 수혜면적이 있다. 수혜면적에 포함시키지 않은 공급방식으로는 (3) 하천이나 배수로에서의 회귀수량을 이용한 보조수원공 및 양수장의 수혜면적, (4) 독립수원공 저수지의 수혜면적, (5) 나주호 공급과 관계없는 영산강에 설치된 양수장의 수혜면적이 있다.

Fig. 3

Overall procedure to delineate the direct beneficiary area of Naju reservoir

Fig. 4

Classification of water supply types to define direct beneficiary area of Naju reservoir

나. SWMM을 이용한 관개조직 구축

SWMM 모형은 강우로 발생하는 유역의 지표면 유출, 지하수 및 증발 등 수문학적 특성을 분석하고 개수로, 관수로, 분수문 등 수로관개모의를 통해 용수손실을 최소화하면서 적기에 적량의 관개용수를 공급할 수 있는 농업용수 관리시스템으로 활용이 가능하다 (Park, 2017; Rossman, 2010). 본 연구에서는 한국농어촌공사 RIMS 자료를 활용하여 각 간선 및 지선의 규격과 저수지의 내용적, 최대용수량 자료를 반영하여 모형을 구축하였다. 나주호의 모든 관개수로는 개수로 형태로 구성하였으며, 위에 조사된 실제 나주호 농업용수를 공급받는 답 지역을 따로 추출하여 관개구역을 구성하였다. SWMM 모형에 적용된 필지의 개수는 총 789개, 간선 및 지선의 node는 총 1,101개로 구성되었다. 모형에 사용되는 매개변수는 침투량, 증발산량, 저수지 공급량, 최소담수심, 최대담수심 등이 있으며, Node 별 표고는 DEM 자료를 참고하여 적용되었다 (Table 2). 관개조직 구축 후, SWMM 모형의 적용성을 평가하기 위해 각 간선별 시점과 말단의 실제 유량과 SWMM에서 모의된 유량을 비교하였다. 실제 유량은 한국농어촌공사에서 자동수위계 및 유량계 데이터를 관리하고 있는 RAWRIS (Rural Agricultural Water Resource Information System)에 업로드 되어 있는 나주호 관개수로별 유량을 활용하였으며, SWMM에서 모의된 유량의 경우 node의 유량값을 이용하였다. 나주호의 경우 2017~2020년 기간 동안 농업용수를 최소 3일, 최대 28일 통수하였으며, 본 연구에서는 나주호 말단부에 물이 가장 부족한 3일 통수를 기준으로 SWMM 모형을 구동하였다.

Table 2

Input data of SWMM for Naju reservoir and beneficiary area

Parameters	Value
Simulated date	3 days (2020/06/22~2020/06/24)
Infiltration rate of beneficiary area	5.5 mm/day
Evaporation rate of beneficiary area	5 mm/day
Amount of water supply of Naju reservoir	9 m3/s
Designed rate of water supply in each main irrigation canal	Geumcheon: 16%, Sincheon: 13%, Sanjung: 14%, Eungok: 11%, Gongsan 23%, Sinbook: 23%
Conveyance loss in main canal	15%
Ponding depth of beneficiary area	Minimum: 20 mm, Maximum: 80 mm

Fig. 5

Example of constructing each node in SWMM model

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 나주호 수혜면적 분리 결과

농업용수 공급 방식에 따른 나주호 수혜면적 분리 결과, 봉황간선은 1,056 ha, 금천간선 642 ha, 신천간선 438 ha, 산정간선 436 ha, 운곡간선 207 ha, 공산간선 1,311 ha, 신북간선 1,010 ha로 총 5,100 ha가 실제 나주호에서 공급하고 있는 면적으로 조사되었다. KORICO (2002)에서 1972~1974년도 기간 동안 조사된 나주호 용수계통도 간선별 수혜면적과는 145~ 1,807 ha 범위의 차이를 보였다 (Table 3). 이와 같은 결과는 강 또는 하천 주변의 양수장 혹은 독립수원공이 나주호 직접공급 수혜면적에서 제외되어 나타난 결과이며, 특히 금천간선의 경우 나주 혁신도시 건설 등 도시화로 인해 용수계통도 수혜면적 대비 가장 큰 차이를 보였다.

Table 3

Beneficiary area of each main irrigation canal after delination

Main irrigation canal	Beneficiary area (ha) (1972~1974)	Beneficiary area (ha) (delineated in this study)
Bonghwang	2,015	1,056
Geumcheon	2,449	642
Sincheon	1,142	438
Sanjung	1,379	436
Eungok	971	207
Gongsan	2,089	1,311
Sinbook	1,155	1,010
Total	11,200	5,100

Fig. 6

Comparison of total and direct Naju beneficiary areas

2. SWMM을 이용한 나주호 농업용수 공급 모델링 결과

SWMM 모형 적용성 평가를 위하여 모형 구동기간 (2020/06/22~2020/06/24) 중 3일째 되는 날의 오후 1시를 기준으로 나주호 관개수로별 시점 및 말단 유량과 SWMM에서 모의된 관개수로별 시점 및 말단 node의 유량값을 비교하였다. 실측값과 모의값의 R²와 NSE 값이 모두 0.50 이상으로 분석된 경우 모델의 결과가 타당하다고 판단하였다 (Van Liew et al., 2003; Santhi et al., 2007; Moriasi et al., 2007). 나주호의 실제 유량 데이터와 SWMM 모형으로 모의된 데이터를 비교한 결과, R²=0.90, NSE=0.88, P-value=<0.001으로 분석되어 구축된 SWMM 모형이 실제 나주호 관개조직을 잘 반영하고 있는 것으로 나타났다 (Figs. 7~8). 하지만, 산정간선 시점, 운곡간선 및 신북간선 종점의 경우 실제 유량 데이터와 모의된 유량값이 다른 지점보다 약간의 차이를 보이는 것으로 나타났다.

Fig. 7

Comparison of observed and simulated discharges in each main canal

Fig. 8

Comparison between observed and simulated discharge

Table 4

Comparison between observed and simulated irrigation amounts in each gauging station

Location	Discharge (m3/s)
	Observed	Simulated
Geumcheon (starting point)	0.38	0.40
Geumcheon (end point)	0.27	0.20
Sincheon (starting point)	1.18	1.21
Sincheon (end point)	0.43	0.42
Sanjung (starting point)	1.01	0.45
Sanjung (end point)	0.21	0.26
Eungok (starting point)	0.36	0.33
Eungok (end point)	0.18	0.06
Gongsan (starting point)	1.08	1.00
Gongsan (end point)	0.25	0.22
Sinbook (starting point)	1.78	1.79
Sinbook (end point)	0.29	0.13

3. 수혜면적 변화에 따른 농업용수 재배분

나주 혁신도시 건설 등으로 인해 타 간선에 비해 수혜면적 변화가 가장 큰 금천간선을 대상으로 수혜면적 변화에 따른 수로 네트워크를 재구축하였다. 또한, 금천간선의 용수공급량 재산정을 위해 공급량별 포장공급률을 계산해본 결과, 공급량을 0.80 m³/s 까지 줄일 경우 금천간선 말단부에 물이 공급되지 않아 85.6%의 낮은 포장공급률을 보였다 (Table 5). 본 연구에서는 금천간선 설계기준 공급량 1.44 m³/s를 0.90 m³/s으로 감소시켰을 때 94.7%의 포장공급률을 나타냈으며, 과거 금천간선 포장공급률 95.2%와 가장 유사한 포장공급률을 나타내었다 (Fig. 9). 그 결과, 금천간선의 공급량을 1.44 m³/s에서 0.90 m³/s로 감소시킨 후 감소된 공급량 0.54 m³/s을 SWMM 모형에 반영하여 간선별 공급량을 재배분 하였다 (Table 6).

Table 5

Comparison of the ratio of fully supplied beneficiary areas of Geumchoen canal due to reduced water supply

Water supply (m3/s)	Supply rate (%)	Remark
1.44	100.0	Similar with historical supplied rate
1.10	98.4
1.00	96.4
0.90	94.7
0.80	85.6	Fail to supply to the end of canal

Table 6

Comparison of supply rate to the each main irrigation canal by designed distribution and re-distributed rates

Scenario	Distribution rate of each main irrigation canal (changed rate, %)
	Geumcheon	Sincheon	Sanjung	Eungok	Gongsan	Sinbook
Designed	16	13	14	11	23	23
Re-distributed	10 (-6)	13 (+0)	15 (+1)	13 (+2)	25 (+2)	24 (+1)

Fig. 9

Comparison of water supply simluation results on past and present Geumcheon beneficiary areas due to redistribution of irrigation rate

4. 농업용수 물관리에 따른 간선별 도달시간 및 포장공급률 모의

가. 도달시간 분석 결과

간선별 물 배분 시나리오에 따른 간선별 말단의 농업용수 도달시간은 SWMM 모형에서 말단에 위치한 노드의 유량이 상승하는 데에 걸리는 시간으로 정의하였다. Table 7은 시나리오에 따른 간선 말단의 농업용수 도달시간을 나타낸다. 현행 물배분의 경우 금천간선, 산정, 신천, 운곡, 신북, 그리고 공산간선 순으로 농업용수 도달시간이 짧았으며, 금천간선, 산정간선을 제외한 나머지 간선의 경우 모두 24시간이 지난 후에 농업용수가 말단에 도달하였다.

Table 7

Comparsion of travel time to the end of each main irrigation canal by designed distribution and re-distributed rates

Scenario	Travel time to end of each main irrigation canal (hours)
	Geumcheon	Sincheon	Sanjung	Eungok	Gongsan	Sinbook
Designed	8	24	18	25	34	26
Re-distributed	10 (+2)	23 (-1)	17 (-1)	23 (-2)	31 (-3)	24 (-2)

농업용수를 재배분하여 구동해본 결과, 배분율을 감소시킨 금천간선의 경우 유량이 감소함에 따라 말단 도달시간은 2시간 증가하였다. 하지만, 공급유량이 증가된 산정, 운곡, 공산, 신북간선의 경우 도달시간이 감소하였으며, 운곡, 공산, 신북간선에서 도달시간이 2시간 이상 감소하였다. 이는 공급량이 증가할수록 도달시간 감소에 영향을 미치는 것으로 판단되며, 신천간선의 경우 공급유량에 변화가 없었음에도 불구하고 봉황간선의 유량을 증가됨에 따라 신천간선에 물이 과거에 비해 빨리 도달한 것으로 판단된다.

나. 포장공급률 분석 결과

각 간선의 포장공급률 변화를 살펴보기 위해 현행 물배분과 농업용수 재배분에 따른 SWMM 모형을 구동하였다 (Fig. 10). 목표담수심인 80 mm에 도달하지 못하였을 경우 각 필지에 빨간색, 목표담수심에 도달하였을 경우 파란색으로 표시하였다. 또한, 각 간선별 포장공급률과 농업용수 재배분에 따른 개선율을 Table 8에 나타내었다. 현행 물배분의 경우 대부분의 간선에서 말단부에 목표 담수심에 도달하지 못하는 필지가 나타났으며, 공산간선의 경우 약 34%에 해당하는 필지가 목표담수심에 도달하지 못하는 것으로 나타났다.

Table 8

Comparison of the ratio of beneficiary area of each main irrigation canal which reached to the target ponding depth by designed distribution and re-distributed rates

Scenario	Supply rate of each main irrigation canal (improvement ratio, %)
	Geumcheon	Sincheon	Sanjung	Eungok	Gongsan	Sinbook
Designed	97	94	88	82	66	89
Re-distributed	95 (-2)	95 (+1)	89 (+1)	89 (+7)	83 (+17)	93 (+4)

Fig. 10

Comparison of irrigated beneficiary areas due to the change of distribution rates

하지만, 농업용수 재배분에 따른 포장공급률을 계산해본 결과, 모든 간선에서 -2~17%에 해당하는 포장공급률이 변화되는 결과를 나타냈다. 금천간선의 경우 공급량이 감소함에 따라 포장공급률이 2% 감소하였다. 하지만, 금천간선을 제외한 타 간선의 경우 말단부에 도달하지 못했던 농업용수가 말단부까지 도달하면서 모두 개선되는 결과를 보였으며, 특히 공산 간선의 경우 17%에 해당하는 필지가 과거에 비해 목표담수심을 만족시키는 것으로 나타났다. 또한, 농업용수 재배분에 따른 포장공급률과 도달시간을 비교해본 결과, 말단부에 위치하고 있는 운곡, 공산, 신북간선에서 포장공급률과 도달시간 모두 현행 물배분 대비 크게 개선된 것으로 나타났다 (Fig. 11)

Fig. 11

Comparison the result of supply rate and travel time following to designed and re-distributed rate scenarios

Ⅳ. 결 론

본 연구는 물관리에 어려움을 겪고 있는 나주호 유역의 대상으로 관개효율을 평가하기 위해 주수원공과 보조수원공 및 간선별 수혜면적을 파악하였으며, 수혜면적 변화율이 가장 큰 간선의 농업용수 공급량을 재산정하여 농업용수 재배분을 통해 SWMM 모형을 활용하여 간선별 포장공급률 변화를 평가하고 농업인의 영농편의를 위한 도달시간을 예측하였다.

나주호 직접 급수면적 파악을 위해 위성지도와 한국농어촌공사 RIMS에 나타나 있는 나주호 간선 및 지선 자료를 참고해 물공급 방식을 총 5개의 급수방식으로 분류하였으며, 나주호 직접 공급면적 추정 결과. 봉황간선은 1,056 ha, 금천간선 642 ha, 신천간선 438 ha, 산정간선 436 ha, 운곡간선 207 ha, 공산간선 1,311 ha, 신북간선 1,010 ha로 총 5,100 ha가 실제 나주호에서 공급하고 있는 면적으로 조사되었다.

7개의 간선 중 혁신도시 개발로 인해 수혜면적이 타 간선 대비 가장 크게 감소된 금천간선의 공급량을 1.44 m³/s에서 0.90 m³/s로 감소시켰으며, 감소된 수량을 나머지 간선으로 공급하여 도달시간과 포장공급률을 모의하였다. 그 결과, 공급량을 감소시킨 금천간선을 제외하고 모든 간선 말단부의 도달시간이 1~3시간 감소하였으며, 포장공급률의 경우 나주호 수혜구역의 말단부에 위치하고 있는 공산, 운곡, 신북간선에서 포장공급률은 4~17% 증가하였다.

본 연구의 수혜면적 변화에 대응한 농업용수 재배분에 따른 도달시간 및 포장공급률 평가는 향후 농업용수 부족지역의 공급대책 중 하나로 효율적인 농업용수 관리에 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 하지만, 다른 농업용수 공급대책인 관수로화, 양수장 증설 등 용수모의를 통해 타 대책과의 효율을 비교하는 연구가 지속적으로 필요하다.