Ⅰ. 서 론
우리나라 봄⋅가을철에는 이동성 고기압의 영향으로 맑고 건조한 날씨가 지속되며, 여름철에는 북태평양 고기압의 영향으로 고온다습한 기후, 겨울철에는 대륙성 고기압의 영향으로 춥고 건조한 기후 특성을 보인다 (Choi, 2015). 이러한 계절적 기후 특성으로 인해 봄, 가을철에 강수량이 적고, 여름철에 강우가 집중되는 경향을 보여 관개기에 농업용수를 안정적으로 확보하는 데 어려움이 있다. 특히, 봄⋅가을철의 가뭄 발생과 무강우일수 증가로 인해 농업용수 확보가 더욱 어려워지고 있으며, 이는 농작물의 생산성에 심각한 위협 요인으로 작용하고 있다 (Lee, 2015; ME, 2021). 이에 따라 지속 가능한 농업⋅농촌 환경 구축을 위하여 기후변화로 인해 빈번해지는 가뭄피해에 대응할 수 있는 농업용수의 안정적 공급 및 효율적 이용에 관한 다양한 대책이 마련되고 있다.
농림축산식품부는 『농업⋅농촌 부문 가뭄대응 종합대책』의 일환으로 기존 수리시설 기능 개선과 물 복지 소외지역인 산간⋅오지의 안정적 용수공급 등 효율적 물 이용을 위한 농업가뭄 대응 대책을 발표하였다 (MAFRA, 2015). 또한, 최근 관계부처합동으로 수립된 『2025년 가뭄 종합대책』을 통해 상습 농업 가뭄피해 우려 지역에 대한 대책을 강화하고, 농업용수 지역 불균형 해소를 위한 여러 대책이 시행되고 있다. 그러나, 전체 논 면적 93만 3천 ha 중 저수지 등 농업용 수리시설의 수혜를 받아 안정적 용수공급이 가능한 수리답은 80.6% (약 75만 3천 ha)에 달하는 반면, 밭 농업지역의 경우 전체 면적 중 18.5%에 불과하여 여전히 농업가뭄에 취약한 실정이다 (KREI, 2016; Jeon et al., 2022). 또한, 논 농업 중심의 농업용 수리시설의 한계를 극복하기 위한 대책인 밭기반 정비사업 역시 30 ha 이상의 밭 농업단지를 대상으로 추진되고 있어, 소규모로 산재되어 있는 우리나라 중산간 밭 농업지역 특성상 여전히 용수공급의 한계가 존재한다. 이러한 중산간 밭 농업지역의 경우 자연조건의 영향을 크게 받는 동시에, 용수공급을 위한 기반시설이 부족하고 뚜렷한 취수원도 부재하여 농업용수 확보에 더욱 취약하다. 이에 이수취약지역인 중산간 소규모 밭 농업지역을 대상으로 강우 유출수 기반 대체농업용수 활용 시스템 개발 및 적용 가능성에 대한 연구가 이루어지고 있다.
농촌진흥청은 소규모 필지단위 밭 농가의 농업용수 부족문제를 해결을 목적으로, 강우에 의한 산간지역 소류천의 유출수를 효율적으로 포집하고 저장할 수 있는 빗물 집수 장치를 개발하고, 집수효율 및 성능을 평가한 바 있다 (RDA, 2016, 2020). 해당 시스템은 중산간 지역의 마을단위 밭작물 재배지를 대상으로 강우 시 발생하는 지표 유출수를 간단한 수처리 과정을 거쳐 임시 저류하고 관개기에 활용할 수 있도록 설계된 농업용수 확보 시스템이다. 최근에는 필지 단위 적용 한계를 극복하고, 비관개기 동안 발생하는 강우 유출수를 임시저류하여 관개기에 활용 가능한 대체농업용수 시스템 개발로 고도화 연구가 진행되고 있다.
그러나 이와 같은 시스템의 개발 및 시험적 연구가 지속되고 있음에도 불구하고, 전국 단위의 적용 가능성을 고려한 용수확보 효과에 대한 평가나 실질적인 사업화 가능성에 대한 검토는 미흡한 실정이다 (Park, 2011). 이에 따라 단순한 기술 개발에서 나아가 전국적 확대적용을 위한 과학적⋅기술적 타당성 확보가 필요하다. Choi et al. (2024)은 강우 유출수 기반 대체농업용수 활용 시스템의 적용 사업 우선순위를 도출하기 위하여 국내 중산간 밭 농업지역을 대상으로 이수취약성 평가인자와 각 기준을 고려하여 대상지역을 추출하는 연구를 수행하였다. 그러나, 해당 연구에서는 농업용수 공급과 밀접한 관련이 있는 수리시설 등의 요소가 충분히 반영되지 않았다는 한계가 있으며, 이를 보완하기 위한 보다 정밀한 대상지 선별 기준 마련이 필요하다. 아울러, 시스템의 확대 적용 가능성을 검토하기 위해서는 선별된 대상지역을 기반으로, 시스템 도입에 따른 추가 확보 가능한 농업용수량에 대한 정량적 분석이 병행되어야 한다. 이를 위해서는 국내 미계측 소유역의 특성에 적합하고 간편하게 적용할 수 있는 유출량 산정 기법의 선정 및 적용이 필수적이다.
미계측 유역의 유출량 추정에는 국내외적으로 가지야마 공식, Tank, SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 등의 모형이 활용되고 있다. Noh (1999)와 Seo et al. (2018)은 가지야마 공식을 일반화하고, 기존 공식의 월별보정 계수 개선을 통해 기후변화 시나리오에 따른 유출량 변화 특성을 분석하고 적용성 평가를 수행한 바 있다. 가지야마 공식은 간단하게 유출량 산정이 가능하지만 소규모 유역의 적용과 일 유출량 추정 연구에는 활용하기 어렵다는 한계가 있다. SWAT은 대규모 유역에 대한 장기 유출 및 순환연구에 활용되고 있는 모형이며, 이를 활용한 다양한 연구들이 진행되고 있으나 많은 입력자료 및 매개변수가 요구되어 모형 운용이 복잡하고 비교적 많은 시간이 소요된다는 단점이 있다 (Jung and Yang, 2008; Park, 2009; Kim and Kim, 2016). 이에 따라 농업 소유역의 경우, 매개변수가 적고 입력자료 구축이 비교적 간단한 Tank 모형을 활용한 연구가 활발히 이루어지고 있다 (Kim et al., 2014). Suryoputro et al. (2017)과 Jaiswal et al. (2020)은 TANK 모형 침투계수의 간편한 추정 방법을 제시하고, 여러 개념적 수문모형의 성능 비교를 통해 해당 모형의 우수 모의 성능을 평가한 바 있다. 국내에서도 관련 연구가 다수 수행되고 있으며, Kang et al. (2013)은 유역특성인자 및 토지이용정보를 활용하여 수정 Tank 모형의 매개변수를 지역화하고, 이에 대한 적용성을 평가하였다. An (2013)은 3단 Tank 모형의 매개변수 추정식을 보완하여 다목적댐 상류 유역과 하천 유역에 대한 적용성을 검토하였다. 특히, 중산간에 위치한 소규모 미계측 유역은 무강우 시 기저유출이 거의 발생하지 않으므로, 기존 매개변수를 그대로 적용할 경우 기저유출이 과대 모의될 우려가 있다. 이에, Koo et al. (2006)은 기저유출을 모의하는 최하단 탱크의 유출공 계수 및 구조의 민감도 분석을 통해 해당 매개변수 설정의 중요성을 제시하였다. 이러한 선행연구는 중산간 미계측 유역의 특성을 반영한 매개변수 추정 및 최적화 기법의 필요성을 시사하며, 이를 통해 기존 모형의 적용성 및 모의 정확도를 제고할 수 있는 기반 마련이 요구된다.
본 연구에서는 Choi et al. (2024)이 제안한 국내 이수취약 농업지역 추출 선행 연구 결과를 기반으로, 수리시설 현황 자료를 추가 반영하여 대상지 선정 기준을 고도화하였다. 선정된 대상지역에 대해서는 수정 3단 TANK 모형의 매개변수를 최적화하여 강우-유출량을 정량적으로 산정하였으며, 이를 토대로 잠재적 농업용수 확보량을 평가하였다. 이를 통해 대체농업용수 시스템의 국내 중산간 이수취약지역에 대한 적용 타당성을 검토하고자 한다.
Ⅱ. 재료 및 방법
본 연구에서는 국내 중산간 이수취약 밭 농업지역을 대상으로 대체농업용수 확보 가능성을 평가하기 위해 Fig. 1과 같은 흐름으로 진행되었다. 먼저, 기존 선행연구의 이수취약 농업지역 기준을 보완하여 대상지역 및 배후유역을 보다 정밀하게 추출하였다. 또한 강우-유출량 산정을 위한 모형을 구축하고 매개변수 회귀식을 최적화하여 국내에서 추가로 확보 가능 잠재적 가용수자원량을 산정하였다.
1. 국내 이수취약 밭 농업지역 추출 방법 고도화
이수취약 밭 농업지역의 선별과 관련하여 Choi et al. (2024)은 수리시설 수혜구역, 하천, 저수지와의 인접성, 기후변화 취약성, 해발고도를 평가인자로 한 대상지역을 도출한 바 있다. 그러나, 선행연구 결과를 바탕으로 현장조사 및 추가적 문헌 검토를 수행한 결과, 기존 연구에서는 관정이나 소하천 등 농업용수 공급과 밀접하게 연관된 인프라 요소가 충분히 고려되지 않았다는 한계가 있다. 이에 따라, 실제로 농업용수 확보가 어려운 이수취약지역을 보다 정밀하게 식별할 필요성이 제기되었으며, 본 연구에서는 해당 요소를 반영하여 이수취약 밭 농업지역 추출 방법의 고도화를 수행하였다.
선행연구에서 고려한 기존 평가요소 외에 1) 농업용 관정과의 인접성, 2) 소하천과의 인접성을 추가적으로 고려한 이수취약 밭 농업지역을 추출하였다. 관정은 지하수 개발유형에 따라 암반관정과 충적관정으로 구분되며, 한국농어촌공사 『농촌지하수관리보고서』에 따르면 농업용으로 분류된 관정의 수혜면적에 대하여 암반관정의 경우 1공당 3 ha (0.03 km2), 충적관정의 경우 1공당 0.5 ha (0.005 km2)를 적용하고 있다. 해당 조건에 따라 관정과 인접한 밭 농업지역을 수혜구역으로 정의하여 암반관정으로부터 98 m, 충적관정으로부터 40 m 이격된 지역을 이수취약 밭 농업지역으로 판별하였다.
또한, Park et al. (2005)은 하천공간정비계획을 위하여 하천구역을 구분하고 하천환경에 대한 평가기준을 제시한 바 있으며, 소하천의 평가단위로는 상세조사구간의 최적간격을 100~500 m로 제안하였다. 이를 반영하여, 소하천의 인접거리 기준을 100 m로 설정하고, 소하천으로부터 100 m 이상 이격된 지역을 대상지역으로 추가 판별하였다 (Table 1).
Table 1
Factors and each criteria for identifying irrigation-vulnerable agricultural areas
| Given criteria (Choi et al., 2024) | Criteria added in the study | |||
| Factor | Criteria | Factor | Criteria | |
| Grouped field | ≥ 2 ha and ＜15 ha | Small stream | ≥ 100 meters from the stream | |
| Irrigated area | ≥ 300 meters from the irrigated area | |||
| Stream | ≥ 300 meters from the stream | |||
| Reservoir | ≥ 300 meters from the reservoir | well | Rock | ≥ 98 meters from the well |
| Climate change | Potential impact of climate change ≥ 0.4 | |||
| Elevation | Not Considered | |||
| Elevation ≥ 100 meters | Alluvial | ≥ 40 meters from the well | ||
| Elevation ≥ 200 meters | ||||
| Elevation ≥ 300 meters | ||||
2. 일단위 강우-유출량 추정을 위한 모형 구축
가. TANK 모형
추출한 이수취약 밭 농업지역에서 추가적으로 확보할 수 있는 강우 유출수를 산정하기 위하여 3단 TANK 모형을 활용하였다. Sugawara (1961)는 임의 유역을 여러 탱크로 가상하여 강우 유출 관계를 선형시스템으로 나타낸 TANK 모형을 제시하였으며, 3단 TANK 모형은 유출지체 시간이 짧고 경사가 급한 국내 소유역의 특성에 맞게 4단 탱크를 생략하여 나타낸 모형이다. Fig 2는 해당 모형의 개념도이며, 1단 탱크는 지표유출, 2단 및 3단 탱크는 중간유출과 기저유출을 나타내며, 총 유출량은 각 탱크 유출의 합과 같다.
해당 모형의 강우-유출 모의를 위해서는 합리적인 매개변수 추정이 필수적이며, 이를 위해 국내 농업용 저수지의 일별 유입량 산정을 위하여 한국농어촌공사에서 개발한 DIROM (Daily Irrigation Reservoir Operation Model)의 매개변수 추정식을 활용하였다. DIROM은 3단 TANK 모형을 기반으로 하며, 미계측 유역의 유출량을 산정할 수 있도록 유역특성인자인 논⋅밭⋅산림 면적 비율과 유역 면적을 고려하여 각 탱크의 유출공 및 침투공 계수를 추정할 수 있도록 설계되었다 (Kim and Park, 1988; Lee et al., 2024). 일반적으로 상단 탱크는 유출공 및 침투공의 계수가 크기 때문에 강우 발생 시 상단 탱크를 통한 유출량이 크게 나타나며, 무강우가 지속될 경우에는 하단 탱크에서 발생하는 기저유출이 전체 유출량을 지배하게 된다 (Kwater, 2006).
그러나, 중산간 소규모 미계측 유역에서는 무강우 시의 유출량이 거의 없거나, 강우 시에만 일시적으로 유출이 발생하는 특성이 뚜렷하게 나타나므로, 기존 DIROM의 기저유출 관련 매개변수인 3단 탱크 침투공 계수 (
)에 대한 추정식은 이러한 특성을 적절히 반영하지 못하는 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 소규모 미계측 유역의 유출 특성에 보다 적합한 매개변수 추정을 위하여, 유전자 알고리즘 (Genetic Algorithm)을 활용하여 
계수에 대한 새로운 회귀식을 도출하였다.
나. 유전자 알고리즘 (Genetic Algorithm)
중산간 이수취약 밭 농업지역에 적합한 3단 TANK 매개변수 
의 회귀식을 도출하기 위하여 유전자 알고리즘을 활용하였다. 유전자 알고리즘은 초기 개체군을 생성한 후 적합도가 높은 개체를 선택하고 교차하여 새로운 세대를 생성하는 과정을 반복 수행함으로써 최적의 해를 도출해내는 방법이다. 탐색 범위가 넓고 해가 명확히 정의되지 않은 복잡한 문제를 해결하는데 적절한 방법으로 여러 최적화 연구에 널리 사용되고 있다 (Lee et al., 2009; An et al., 2015).
유전자 알고리즘을 통한 최적화 과정에서는 목적함수의 선정이 필수적이며, 본 연구에서는 새로운 회귀식의 적합도를 판단하기 위한 목적함수로 RMSE (Root Mean Square Error)를 사용하였다. RMSE는 모의값과 관측값 간의 평균제곱근오차로서, 모의값의 정확도를 직관적으로 정량화할 수 있는 대표적인 통계지표이다. 특히, 본 연구와 같이 유출량의 모의 결과와 관측 유출량 값의 차이를 최소화하는 것이 목표인 경우 오차의 절대적 크기를 반영할 수 있다는 점에서 주요 성능 지표로 활용하기 용이하다고 판단되며, 식 (1)과 같다.
한편, 이를 통해 도출된 매개변수 회귀식의 성능을 종합적으로 해석하기 위해 결과 분석단계에서는 R2, RMSE, NSE (Nash-Sutcliffe Efficiency) 지표를 활용하였다. R2는 관측값과 모의값의 유사성을 나타내는 지표이며, NSE는 관측값을 기준으로 모형의 재현성을 나타낸다. 본 연구에서는 모형의 유출 모의에 대한 정확성 및 적합성을 검증하기 위하여 해당 지표들을 채택하였다.
3. 시범 대상유역 선정 및 자료구축
국내 소규모 이수취약 밭 농업지역을 대상으로 한 유출 모의를 위해 선정한 TANK 모형의 적용 타당성을 평가하고 검증하기 위하여, 국내 밭작물 중심의 이수취약지역 중 유역 특성이 유사한 지역을 시범 대상유역으로 선정하고자 하였다. 이에 현재 농촌진흥청 과제연구의 테스트베드로 활용되고 있는 1) 전라북도 장수군 장계면 대곡리, 2) 경상남도 합천군 율곡면 와리의 두 지역을 대상지로 선정하였다. 두 지역은 지형, 토지이용, 유역 규모 등에서 국내 이수취약 밭 농업지역의 대표성을 지니며, 실측 관측자료 확보가 가능하다는 점에서 모형 적용성과 평가에 적합하다.
첫 번째 시범 대상유역인 장수군은 2023년 5월 27일부터 현재까지 유출량 모니터링을 진행 중에 있으며, 2025년 1월 22일까지의 유출량 관측값 자료를 사용하였다. 두 번째 시범 대상유역인 합천군은 2023년 8월 21일부터 2024년 10월 22일까지 모니터링을 진행하였으며, 해당 기간동안의 유출량 관측값 자료를 사용하여 모형을 구축하였다. 유역면적, 수혜구역 면적 등 시범 대상유역에 대한 기본 정보 현황은 Fig. 3, Table 2에 제시하였다. 선정된 시범유역을 대상으로 기초 수문자료, 강우 및 증발산 자료, 유역 특성자료 등을 구축하고, 이를 기반으로 3단 TANK 모형을 적용하여 유출량을 산정하고 모형의 적절성을 평가하였다.
Ⅲ. 결과 및 고찰
1. 이수취약 밭 농업지역 추출 결과
강우 유출수를 활용한 대체농업용수 확보 시스템의 잠재적 적용 대상지의 보다 정밀한 분석과 이에 따른 이수개선효과를 평가하기 위하여 이수취약 밭 농업지역의 추가적 선정 기준에 따른 대상지역을 추출하였다. 선행연구의 대상지역 평가인자인 수리시설 수혜구역, 하천, 저수지, 기후변화 취약성과 대상지역의 추출 고도화를 위하여 추가적 평가인자로 선정된 소하천, 농업용 관정의 판별기준을 종합적으로 고려하여 국내의 이수취약 밭 농업지역을 추출하였으며, 해당 과정 및 적용 절차를 도식적으로 나타냈다 (Fig. 4).
이러한 과정을 통해 추출된 이수취약 밭 농업지역을 도별로 분류하여 도출하였다 (Fig. 5). 그 결과, 전국단위에서 추출된 이수취약 밭 농업지역의 총 면적은 3,534.4 ha로, 총 939개의 단지단위 밭 농업지역이 포함되는 것으로 나타났다. 이를 도별로 분류한 결과 강원도 지역이 928.5 ha (237개)로 가장 넓은 면적과 대상지를 가지는 것으로 분석되었으며, 그 다음으로 각각 564.1 ha (160개), 542.3 ha (126개)인 경상북도와 전라남도로 나타났다.
Fig. 5
Distribution of area of irrigation- vulnerable fields and the number of village by province, The number inside the circle indicates the areas
이러한 결과를 바탕으로 추출된 대상지역의 고도별 분포를 파악하기 위하여 농업용수로 활용 가능한 수자원 인자인 저수지, 하천의 각 평가기준에 따라 추출한 대상지역과 모든 평가인자를 종합적으로 고려하여 추출한 대상지역의 고도 분포를 비교⋅분석하였다 (Fig. 6).
Fig. 6
Comparison of altitude distribution of agricultural areas with water vulnerability according to evaluation factors
개별 평가인자인 저수지 및 하천 기준에 따라 추출된 대상지역은 대체로 해발고도가 낮은 곳에 퍼져 분포하는 경향을 보이며 특히, 충청남도, 경상북도, 경상남도 등의 지역에서 이러한 특징이 두드러지게 나타났다. 반면, 모든 평가인자를 종합적으로 고려하여 도출한 대상지역의 경우, 저지대에 위치한 농업지역이 상당수 제외되어 고도 분포가 상대적으로 중산간 지역으로 이동하는 양상을 보인다. 이는 주요 평가요소인 저수지 및 하천 인자가 비교적 낮은 고도에 위치함에 따라 해당 수역 주변의 저지대 농업지역은 이수취약성 판단 기준에 충족하기 어려운 것으로 해석된다. 이러한 결과는 대체농업용수 활용 시스템의 효율적 도입을 위한 우선사업 대상지 선정을 위하여, 해발고도에 따른 이수취약 밭 농업지역의 공간적 특성 분석이 필수적임을 시사한다.
이에 따라, 해발고도에 따른 이수취약 밭 농업지역 분석을 위하여 100 m 이상, 200 m 이상, 300 m 이상의 고도기준에 따른 대상지역을 추출하여 분석하고, 해발고도를 고려하지 않은 기존 이수취약 밭 농업지역 추출 결과와 비교하였다 (Table 3, Fig. 7).
Table 3
Area of vulnerable fields and agricultural areas and number of villages by province
Fig. 7
Comparison of the distribution of agricultural areas with irrigation-vulnerable fields and the number of village applying additional altitude standards
각 기준별 대상지역의 총 면적 및 농업단지의 개수는 해발고도 100 m 이상의 경우 2,235.7 ha의 면적을 차지하는 615개의 농업단지를 가지고, 해발고도 200 m 이상에서는 1,768.3 ha (485개), 300 m 이상에서는 1,449.8 ha (387개)로 나타났다. 이는 해발고도 조건을 적용하지 않은 기존 결과 대비 각각 약 –37%, -50%, -59%의 이수취약 농업지역의 면적 감소율을 보이는 것으로, 고도 기준이 높아질수록 대상지역의 면적 및 농업단지의 개수가 점진적으로 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 모든 고도 기준에서 강원도가 가장 많은 이수취약 농업지역을 포함하고 있었으며, 강원도 내 밭 농업단지 면적 및 개수는 고도 기준별로 각각 860.1 ha (218개), 842.7 ha (214개), 830.3 ha (209개)로 나타났다. 이러한 결과는 강원도 지역의 밭 농경지가 전반적으로 높은 이수취약성을 가지며, 해발고도의 기준이 높아짐에도 다수의 대상지역이 분포한다는 점에서 대체농업용수 활용 시스템 도입 시 적용 효과가 클 것으로 판단된다.
2. 유역 유출량 모의 방법 검증
가. 유역 유출량 모의 성능 평가
이수취약 밭 농업지역을 대상으로 확보 가능한 강우 유출수를 산정하기 위하여 수정 3단 TANK 모형을 적용하였다. 해당 모형의 적용 가능성을 평가하기 위하여 장수군 및 합천군의 농업지역을 시범 대상지로 선정하였으며, 매개변수는 DIROM의 회귀식 기반 추정식을 활용하여 일 유출량을 모의하였다.
장수군 대상유역의 경우, 관측 유출량과 모의 결과를 비교⋅분석한 결과, 결정계수 (R2)는 0.77, 평균제곱근오차 (RMSE)는 191.67 m3/day, Nash-Sutcliffe (NSE)는 0.55로 나타나, 본 모형이 해당 유역의 유출 특성을 비교적 잘 재현하고 있음을 확인하였다 (Fig. 8, Fig. 9).
Fig. 9
Correlation analysis between observed and simulated runoff using the 3-TANK model in the Jangsu watershed
한편, 합천군 대상유역에 대한 모의 결과를 비교한 결과, 결정계수 (R2)는 0.51, 평균제곱근오차 (RMSE)는 198.85 m3/day, Nash-Sutcliffe (NSE)는 0.44로 분석되었다 (Fig. 10, Fig. 11). 이는 장수군 유역에 비해 다소 낮은 모의 정확도를 보이나, 전반적으로 비교적 양호한 재현성을 나타내며, DIROM 회귀식을 통해 산정된 매개변수를 적용한 수정 3단 TANK 모형은 합천군 유역에서도 적절한 모의 성능을 보인다고 판단할 수 있다. 따라서, DIROM 매개변수 추정 회귀식을 기반으로 한 수정 3단 TANK 모형을 활용하여, 이수취약 농업지역에서의 강우 유출량을 모의하고자 하였다.
나. 최적화를 통한 모의 성능 개선
중산간 미계측 소유역의 유출 특성상, 무강우 시에는 기저유출이 거의 발생하지 않거나 매우 미미하게 나타나는 경우가 많아, DIROM의 기존 3단 탱크 매개변수 추정식을 그대로 적용하는 데에는 한계가 존재한다. 이에 따라, 기저유출을 과도하게 모의하는 문제를 개선하고, 기저유출에 직접적인 영향을 미치는 마지막 3단 탱크의 유출공 높이 (
) 및 침투공 계수 (
)를 시범 대상유역의 특성에 맞게 조정하여 모의 성능을 향상시킬 필요가 있다.
이를 위해, 해당 매개변수를 시범 대상유역인 장수군, 합천군의 관측 유출 특성에 맞추어 최적화하고자 유전자 알고리즘을 적용하였다. 최적화 과정에서는 유출 모의값과 관측값 간의 차이를 최소화하는 것을 목표로 하였으며, Sugawara (1961)가 제시한 매개변수 값의 적정 범위에 따라 유출공 높이 (
)는 0~30, 침투공 계수 (
)는 0.01~0.005를 기준으로 하여 평균제곱근오차가 최소가 되는 방향으로 설정하였다. 이를 통해 무강우 시 기저유출이 과대 모의되는 기존 추정식의 한계를 보완하고, 모형의 전반적인 적합성 및 예측성을 개선하고자 하였다. 유전자 알고리즘을 통한 최적화 결과 Table 4와 같이 도출되었다.
Table 4
Modification of regression equation for 3rd TANK Parameter ‘H3’ and ‘B3’ in the DIROM using a genetic algorithm for ungauged small watersheds
Table 4의 매개변수 추정식을 적용하는 방식에 따라 두 가지의 유출특성을 고려할 수 있다. 첫 번째는 무강우 시에도 적은 양의 기저유출이 지속적으로 발생하는 유출특성을 반영하여 유출량이 점진적으로 감소하는 방식으로, 장수군과 같이 무강우 기간에도 일정한 기저유출이 관찰되는 유역의 특성을 잘 설명한다. 두 번째는 무강우 시 기저유출이 발생하지 않는 특성을 반영하여 강우 종료 후 유출량이 급격히 감소하는 방식으로, 합천군과 같은 전형적인 이수취약지역의 수문학적 특성을 모사하는 데 적합하다. 본 연구에서는 기저유출이 일정 부분 지속되는 유역에 대한 적용성을 확보함과 동시에, 합천군처럼 무강우 시 기저유출이 발생하지 않는 유역에서도 과대 모의를 억제할 수 있는 첫 번째 방식을 채택하였다.
해당 방식에 따른 수정 3단 TANK의 시범 대상유역 모의 결과, 장수군의 결정계수 (R2), 평균제곱근오차 (RMSE), Nash-Sutcliffe (NSE)는 각각 0.77, 191.22 m3/day, 0.55로 기존결과 대비 RMSE가 0.45 m3/day 감소하였으며, 합천군은 0.51, 198.33 m3/day, 0.44로 기존결과 대비 RMSE가 0.52 m3/day 감소하였다. 기존 추정식 대비 통계적 지표의 개선 폭은 크지 않지만, 기저유출 모의의 현실성 제고 측면에서는 의미 있는 개선 효과가 확인되었다는 점에서 중요한 의의가 있다.
특히, 합천군 유역은 무강우 시 기저유출이 발생하지 않는 특성이 두드러져, 무강우 기간의 모의결과 차이가 뚜렷하게 나타났다. 이에 따라, 기존식과 본 연구에서 제안한 수정식을 각각 적용한 합천군의 무강우 기간 기저유출 모의 결과를 비교하였다 (Fig. 12).
Fig. 12
Comparison and Analysis of baseflow sinulation in the Hapcheon watershed using the original and modified DIROM parameter regression equations
채택한 첫 번째 방식으로 수정 매개변수를 적용한 결과, 해당 기간 평균 기저유출량이 기존 회귀식 적용 대비 하루 약 6 m3/day의 유출량 차이를 보였으며, 이는 유역의 무강우 수문 특성을 반영한 수정된 회귀식이 기저유출의 과대모의를 효과적으로 개선하였음을 의미한다. 더불어 이러한 방식은 무강우 기간에도 일정 기저유출이 지속되는 유역과 기저유출이 발생하지 않는 유역의 상반된 수문 특성을 모두 반영할 수 있어, 다양한 유역조건에 대한 유출량 산정이 가능할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 무강우시 소량의 기저유출이 발생하여 평시 임시저류가 가능한 이수취약 농업지역에 대한 강우 유출수 기반 농업용수 확보 가능량을 추정하고자 한다.
3. 이수취약 중산간 밭농업 지역의 유출량 추정
앞서 다양한 평가인자 기준을 적용하여 전국의 이수취약 농업지역을 추출하였으며, 이 중 중산간 지역이 상대적으로 이수에 더욱 취약하다는 점을 고려하여, 해발고도 100 m 이상을 기준으로 분석 대상지를 설정하였다. 또한, 본 연구에서 제안한 수정 추정식은 소규모 미계측 소유역을 대상으로 한 유출량 산정에 적합하도록 개발되었기 때문에, 유역 면적이 100 ha 이상인 대규모 농업지역은 분석 대상에서 제외하였다. 이에 따라 기준을 충족하는 528개의 소규모 농업지역을 대상으로, 1995년부터 2024년까지 과거 30년간 강우 유출량을 산정하였다. 해당 기간 동안 528개의 농업지역에서 발생한 총 유출량은 약 287,913.3 만 톤으로 추정되며, 평균적으로 하나의 유역에서 연간 약 18 만 톤의 유출수가 발생한 것으로 나타났다.
이러한 추정 결과를 바탕으로, 추출된 대상지역에 대해 각 유역의 총 강수량 대비 유출량의 비율인 유출률, 배후유역의 단위면적당 유출량, 용수를 공급할 수 있는 하류의 밭 관개면적 당 유출량을 산정하였다 (Table 5, Fig. 13).
Table 5
Runoff characteristics analysis by province in irrigation-vulnerable agricultural watersheds
Fig. 13
Comparative analysis of runoff ratios, runoff per unit watershed area, and runoff per unit upland area by province in irrigation-vulnerable agricultural watersheds
가. 도별 대상 농업지역 유출률 비교
유출률은 유역의 수문 반응성과 물 순환 효율성을 나타내는 대표적인 지표로, 해당 유역에서 강우가 실제 유출수로 전환되는 정도를 평가할 수 있다. 일반적으로 유출률이 높을수록 유역 내 강우를 농업용수로 활용할 수 있는 비율이 높은 것으로 해석되며, 이는 대체농업용수 활용 시스템 도입 타당성을 판단하는 데 중요한 기준이 될 수 있다. 이에 따라 이수취약 밭 농업지역을 대상으로 유출률을 산정하고, 지역별 분포 특성과 차이를 비교⋅분석하였다.
분석결과, 국내 이수취약 밭 농업지역의 평균 유출률은 40.4%로 나타났으며, 이 중 경상남도 (43.8%)와 경기도 (42.4%)는 전국 평균 대비 각각 3.4%, 2.0%로 높은 유출률을 보였다. 반면, 경상북도는 38.6%로 가장 낮은 유출률 값을 나타냈으며, 제주도 (39.9%), 전라북도 (40.0%) 또한 전국 평균보다 낮은 수준을 나타냈다 (Table 5). 이는 경상남도, 경기도, 충청남도 지역이 상대적으로 강우 유출 비율이 높고, 강우강도, 유역 경사 및 토양 특성 등에서 유출에 용이한 조건을 갖추고 있음을 시사한다.
나. 도별 대상 농업지역 단위면적 당 유출량
유역의 물 생산 효율성은 지형적 조건이나 토양특성 및 강우 패턴 등 복합적인 요인에 따라 달라지며, 이러한 요소에 따라 강우를 효과적으로 집수할 수 있는 유역은 대체농업용수 활용 시스템의 적용 대상지로서 높은 잠재력을 가진다고 볼 수 있다. 이에 따라 유역면적에 대한 단위면적 당 유출량 산정을 통해 물 생산 효율성을 분석하고자 하였다.
국내 이수취약 밭 농업지역 전체 유역면적에 대한 단위면적 당 유출량은 1,051.7 mm/day로 나타났으며, 이는 평균적으로 유역 단위면적 당 1.99 mm/day의 유출량이 발생하는 것으로 간주할 수 있다. 이를 도별로 구분하여 비교한 결과, 경상남도와 전라남도는 각각 2.39 mm/day, 2.21 mm/day로 전국 평균 비유량 (1.99 mm/day)보다 높은 값을 나타냈으며, 경상북도 (1.78 mm/day)와 충청북도 (1.92 mm/day)는 비교적 낮은 수준을 보였다 (Table 5).
한편, 대체농업용수 활용 시스템의 현장 도입 시에는 단순 유출량뿐만 아니라 실제 공급 효율성과 관개 안정성을 종합적으로 고려할 필요가 있다. 이에 따라, 수혜면적 당 공급 가능량, 즉 대상지역 밭 농업면적의 단위면적 당 유출량을 도별로 비교⋅분석하여 해당 시스템의 실질적 적용 가능성을 평가하였다.
전국 이수취약 밭 농업지역의 예상 관개면적에 대한 단위면적 당 유출량은 총 8,295.1 mm/day로, 구역당 평균적으로 15.71 mm/day의 용수공급이 가능한 것으로 분석되었다. 이는 대부분의 지역에서 유역면적 대비 예상 밭 관개면적이 작아, 농업용수 확보나 공급 측면에서 유리한 구조를 가지고 있음을 시사한다.
앞서 유역면적의 단위면적 당 유출량 값이 전국 평균보다 작은 경상북도와 전라북도는 평균 밭 관개면적의 단위면적 당 유출량 또한 각각 13.22 mm/day, 10.61 mm/day로 낮은 수치를 보였다. 반면, 유역면적의 단위면적 당 유출량이 높게 산정되었던 강원도, 경기도는 각각 19.34 mm/day, 24.04 mm/day의 값을 보여, 총 공급량이 크고 공급 여건 또한 우수한 지역으로 평가된다. 특히, 강원도는 넓은 유역면적에 비해 상대적으로 작은 밭 농업면적을 가지는 구조의 대상지역이 많아, 관개 단위면적 당 유출량이 가장 높게 나타났을 것으로 판단된다. 한편, 유역면적에 대한 단위면적 당 유출량 평균이 가장 높게 산정된 경상남도는 관개 단위면적 당 유출량이 10.15 mm/day로 전국 평균보다 낮게 나타났는데, 이는 평균 유역 면적이 전국에서 가장 작은 수준 (14.26 ha)임에도 예상 밭 관개면적은 상대적으로 넓어 관개용수가 더 넓은 면적에 분산되어 공급될 가능성이 있기 때문일 것으로 판단된다.
이러한 결과를 종합적으로 고려하였을 때, 강원도와 경기도는 유역 단위면적 당 유출량과 관개 단위면적 당 유출량이 모두 높은 값을 가지는 것을 알 수 있다. 이는 두 지역이 유출 발생 가능성과 시스템 도입 시의 유출수 저류 및 공급 효율 측면에서 유리한 조건을 갖추고 있음을 시사하며, 대체농업용수 활용 시스템의 적용성이 높은 대상지로 평가된다.
Ⅳ. 결 론
본 연구는 수리시설의 수혜를 받지 못하는 중산간 밭 농업지역을 대상으로 강우-유출수 기반 대체농업용수 활용 시스템의 적용 가능성을 전국단위로 평가하였다. 분석결과, 총 3,534.4 ha (939개)의 이수취약 밭 농입지역이 추출되었으며, 특히 강원도 지역이 928.5 ha (237개)로 가장 많은 대상지를 가지는 것으로 나타났다. 또한, 고도 기준별 (100 m, 200 m, 300 m 이상) 분석 결과에서도 해발고도 조건을 적용하지 않은 기존 결과 대비 면적 감소율이 작게 나타났다. 이는 강원도 지역에 위치한 밭 농업지역이 높은 이수취약성을 가지며, 대체농업용수 활용 시스템을 도입하였을 때의 적용 효과 측면에서 효율성이 높을 것으로 판단된다.
국내 대상지역의 유역면적에 대한 단위면적 당 평균적으로 1.99 mm/day의 유출량이 발생하는 것으로 분석되었으며, 밭 관개면적 당 유출량은 평균적으로 15.71 mm/day이 발생하는 것으로 나타났다. 도별 분석에서는 강원도, 경기도 등 지역이 두 지표 모두 상대적으로 높은 값을 보인 반면, 전라북도는 모두 낮은 수치를 나타냈다. 이러한 결과는 강우특성이나 유역구조, 수혜구역 면적 등 지역별 특성에 따라 유출량의 크기와 공급 가능성이 달라질 수 있음을 시사한다.
특히, 중산간 미계측 소유역의 특성을 반영한 3단 TANK 모형 매개변수의 최적화는 기존 식의 한계를 개선하고 유출모의 성능을 향상시켰다. 그러나 본 연구에서는 장수군, 합천군 두 유역에 한정되었으며, 유출공 높이 (
) 및 침투공 계수 (
) 매개변수 회귀식 개발 과정에서 2년 미만의 대상지역 관측 자료를 활용하여 최적화를 수행하였다는 한계가 존재한다. 더불어, 기존 TANK 모형의 추정 회귀식은 10 ha 이하의 소유역에 대한 검증 사례가 없어, 본 연구와 같은 소규모 유역의 적용에 있어 제약의 요인이 될 수 있다. 따라서 다양한 유역 특성을 대표할 수 있는 현장 기반 실증 연구를 통해 모형의 적합성 및 예측성 향상을 위한 지속적 연구가 필요하다. 또한, 실제 모든 유출량을 저장 및 활용하는 것은 현실적인 제약이 따르므로, 시스템의 실효성을 높이기 위해 저장용량, 집수효율 등의 요소를 반영한 다양한 시나리오 기반의 정량적 분석을 통해 실제 활용 가능한 농업용수 확보량을 산정하는 심층 연구가 이루어져야 할 것이다. 아울러, 무강우 시 기저유출이 없는 이수취약지역의 유출량 산정 방식에 대한 추가 연구도 필요하며, 이를 통해 다양한 유형의 소규모 농업유역에 합리적으로 적용 가능한 산정 방법론을 고려할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구의 결과는 대체농업용수 활용 시스템의 우선 사업 대상지 선정 및 대체수자원 기술의 고도화 연구개발을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다. 향후 기후변화 시나리오 기반의 미래 가용수자원량 산정을 수행하고, 이를 바탕으로 변화하는 농업환경에 대한 대응 전략 수립과 적용성 평가가 이루어질 수 있을 것이다.
