가뭄이 농업유역의 하천 유량에 미치는 영향 분석: 준분포형 유역모델 STREAM의 논산천 유역 적용 사례

2.1 연구대상유역

연구대상유역은 우리나라 중부지방에 위치한 금강 유역 중 금강호로 유입하는 지류 중의 하나인 논산천 유역이며, 행정구역 상 논산시, 완주군, 공주시에 포함되어 있다(Fig. 1). 논산천 유역의 면적은 53,514 ha이며, 금강하구의 직접영향권인 백제보 하류의 유역 중 24.9%이다. 논산천 유역은 논산평야, 강경평야 등이 포함되어 있는 우리나라 대표적인 곡창지대로, 논(16,023 ha), 밭(6,120 ha) 등 유역의 중하류 지역의 농업지역의 면적이 전체 유역 면적의 41.4%를 차지하며, 상류 지역에 주로 분포하는 산림 지역은 전체 유역 면적의 50.0%를 차지한다.

Fig. 1.

Study Area : the Nonsan-cheon Watershed.

논 중심 농업유역인 논산천 유역은 넓은 농경지에 농업용수를 공급하기 위해 관개시스템이 구축되어 운영되고 있다. 유역 내에는 탑정, 경천, 계룡 등 농업용 저수지가 다수 분포하고 있으며, 각 저수지는 관개용수 구역도에 따라 지정된 농경지로 관개수로를 통해 물을 공급한다. 또한, 하천에는 보가 설치되어 하천수를 저류하고, 취수장을 통해 인근의 농경지에 농업용수를 공급한다. 논산천 유역은 유역 내 분포하는 농경지에 농업용수를 공급하기 위한 관개시스템을 갖춘 대표적인 논 중심 농업유역으로, 유역 내 물순환의 경우 자연적인 수문흐름과 함께 인위적인 흐름변경이 이루어지는 특징을 갖고 있어 가뭄에 따른 농업유역에서의 유출량 분석에 적합한 대상지역으로 판단된다.

2.2 유역모델 STREAM

농경지의 비율이 높은 논 중심 농업유역인 논산천 유역을 대상으로 강우, 유출 등의 수문현상을 모의하기 위해서는 농업지역의 관개시스템을 구현하고 논의 유출기작을 모의할 수 있는 유역모델을 선정해야 한다. 본 연구에서는 논 중심 농업유역이 다수 분포하는 국내 유역환경에 적합한 모의구조를 가지고 있으며, 중대규모 유역을 모의할 수 있는 유역모델인 STREAM (Spatio-Temporal River-basin Eco-hydrology Analysis Model)을 적용하였다. STREAM은 정방형 격자 기반의 복합형 유역모델로서 분포형 모델이 갖는 공간적 이질성의 표현능력과 준분포형 모델이 갖는 빠른 계산속도를 함께 적용할 수 있는 특징을 지닌다(Cho et al.[2015]). STREAM은 분포형 모델의 개별격자 연산에 따른 속도저하문제를 개선하기 위해 개별격자를 공간적 속성(토지이용, 토성, 경사도, 강우, 기상, 관망특성)에 따라 유사한 그룹으로 구분하여, 그룹별 1회 연산 후 동일한 값을 부여한다. 모의대상유역을 Cell이라고 정의된 정방형 격자기둥으로 분할하고, 격자가 모여 구성된 다수의 소유역(sub-catchment)은 상하류 위계관계가 형성되며, 노드(node)와 링크(link)의 형태로 표현된다(Fig. 2). 격자 수준의 수문과정은 강우, 강우차단, 증발산, 토양침투, 지표면유출, 중간류유출, 지하수충전, 지하수유출 등으로 구성되며 각 과정은 물리식을 기반으로 계산된다. 소유역 수준의 수문과정은 지표수, 중간류, 지하수의 3개 저장소로 표현되며, 각 저장소에는 해당 소유역 내 격자에서 계산된 유출량을 저장한다. 노드-링크 수준의 수문과정에서 하천흐름은 Muskingum-Cunge 방식으로 해석되며, 저수지·보·배수문 등의 하천의 수리시설에 의한 물질 이동을 모의한다.

Fig. 2.

Representation of a watershed using square grid cells and link-node structures in STREAM (Cho et al. 2015).

국내 농업지역은 하천, 저수지, 지하수 등에서 용수를 공급하는 관개시스템에 의해 유역 내 물순환이 인위적으로 변경된다. STREAM은 농업용수리시설을 통한 물질이동을 모의하고 영농시기별 농업활동을 반영할 수 있기 때문에 논 중심 농업유역의 수문모의에 적합한 구조를 가지고 있다. 관개 및 배수 등 영농활동과 관련된 매개변수는 격자별 또는 토지피복별로 입력할 수 있어 관개용수 구역도와 같은 지역 특이성을 반영할 수 있다. 농업유역의 수문과정에서 중요한 기작인 관개는 영농시기별 논의 권장담수심과 밭의 적정토양수분함량을 사용자가 입력하여 논의 담수심과 밭의 토양수분함량이 권장담수심과 적정토양수분함량보다 낮으면 자동적으로 이루어지며, 이를 통해 해당 지역의 관개용수 공급량을 계산한다. 관개용수 공급원은 하천, 저수지, 지하수, 관개수로 중 사용자가 지정할 수 있으며, 공급원이 불명확할 경우 인근은 하천에서 공급받는 것으로 설정할 수 있다. 또한, 둑(dyke)이 있는 논과 같은 농경지의 배수량은 영농시기별로 사용자가 입력한 물꼬높이보다 담수심의 높이가 높으면 유출이 발생하는 것으로 계산된다. 둑의 높이, 너비 등 농경지의 속성값과 관개와 배수에 관련된 매개변수는 격자별 또는 토지피복별 시계열 형식으로 입력되며, 보·배수문·저수지 등 농업용수리시설의 제원정보과 조작 프로세스는 사용자가 입력할 수 있다. 저수지의 저수율은 상류하천의 유입량과 관개량, 증발량, 저수지방류량과 같은 유출량으로 계산된 저수량을 저수지의 총저수용량으로 나눈 값으로 계산한다.

2.3 모델 입력자료 구축

STREAM의 모델 입력자료는 지형·토지피복·토성 등의 공간자료, 기상·점오염원 등의 시계열자료, 농업용수리시설, 관개용수구역도 등의 유역환경자료로 구성된다.

공간자료 중 지형자료에는 지표면의 고도, 경사도, 유향(flow direction) 및 누적흐름(flow accumulation) 등이 있으며, 국토지리정보원의 10 m 수치고도모델(DEM)을 이용하여 구축하였다. 토지피복자료는 2012년 기준 환경부의 중분류 토지피복도를 이용하여 논, 밭, 산림 등 총 12개의 분류군으로 구분하였다(Table 1). 토성자료는 국립농업과학원의 1:25,000 정밀토양도를 이용하여 Loam, Sandy oam 등 총 8개의 분류군으로 구분하였다.

Table 1.

Land use within the study area

시계열 자료 중 기상자료는 강수량, 기온, 상대습도, 풍속, 현지기압, 일사량 자료로 구성되며, 기상청에서 제공하는 1시간 단위 관측자료를 이용하였다. 강수량은 부여 기상대와 연무·논산 자동기상관측장비(AWS)에서 제공하는 자료를 이용하였으며, 강수량 외 기상자료는 부여 기상대에서 제공하는 자료를 이용하였다. 점오염원 자료는 처리 점오염원인 환경기초시설배출량과 미처리 점오염원인 동리별배출량으로 구성되며, 환경부의 전국오염원조사자료에서 제공하는 자료를 이용하였다.

유역환경자료 중 농업용수리시설은 한국수자원관리종합정보시스템(WAMIS)에서 제공하는 유역 내 위치한 저수지와 보의 위치정보와 각 시설의 속성값을 모델 입력자료로 이영하였다. 저수지 자료는 총저수용량이 50만 m³이상인 시설을 선정하였으며, 탑정, 경천, 계룡 등 4개의 저수지를 모델에 반영하였다. 보는 설치된 지점의 상류 유역면적이 500 ha 이상인 시설을 선정하였으며, 지경, 한전, 까치, 숙진 등 총 16개의 보를 모델에 반영하였다. 관개용수구역도는 한국농어촌공사에서 제공하는 자료를 이용하였으며, 유역 내 농경지는 각 구역별 관개용수 공급원을 지정하고 구역도에 표현되지 않은 농경지는 인근 하천에서 관개용수를 공급받는 것으로 가정하였다. 관개용수 공급량을 산정하기 위해 필요한 논의 적정담수심은 농어촌연구원에서 제공하는 영농시기별 물관리방법 자료를 이용하여 이앙재배 기준으로 이앙기, 활착기, 분얼성기 등 벼의 생육시기별 적정담수심을 입력하였다(Table 2).

Table 2.

The recommended water depth for paddy fields.

논산천 유역의 소유역은 지형자료를 기반으로 하천도와 관개용수구역도를 반영하였으며, 100 m × 100 m 크기의 정방형 격자 53,514개로 구성된 소유역 72개로 구분되었다. 모형의 모의 시간간격은 15분이며, 입출력 시간간격은 1시간이다. 총 모의기간은 2010년 1월 1일부터 2017년 12월 31일까지 선정하였다. 논산천 인근에 위치한 부여기상대의 최근 40년(1978-2017년) 강우량 자료를 분석한 결과, 연평균 강우량은 1,342.2 mm/yr이며, 최소·최대 강우량은 각각 752.6 mm/yr, 2,137.5 mm/yr로 나타났다(Fig. 3). 모의기간 중 2010년 강우량은 1,378.3 mm/yr로 평년과 유사한 경향을 보였으며, 2011년 강우량은 2,014.7 mm/yr로 40년간 강우량 자료 중 2번째로 많은 강우를 보였다. 또한, 2013년 이후 5년간 평년보다 낮은 강우량이 지속되었으며, 2015년은 3번째로 낮은 강우량을 보여 가뭄에 의한 영향분석에 적합할 것으로 판단된다.

Fig. 3.

Annual rainfall at Buyuo station for 1978-2017.

3.1 모델 보정 및 검정

모델 보정(calibration) 및 검정(validation)은 특정 시간과 장소에서 관측된 결과와 모델링을 통해 도출된 결과를 비교하여 모델의 재현성을 평가하고, 모델의 매개변수를 조정하여 모의값을 실측값에 일치시키는 일련의 과정이다. 논산천 유역에 대한 모델 보검정 과정에서 보정기간은 2010년 1월 1일부터 2013년 12월 31일, 검정기간은 2014년 1월 1일부터 2017년 12월 31일까지이며 각 4년간이다. 모델 보검정 지점은 논산천 유역 내 2개의 유량 관측지점(양촌, 논산)과 3개의 저수지 저수율 관측지점(탑정, 경천, 계룡)이다(Fig. 4). 유량 관측지점 중 양촌 지점은 유역 중상류에 위치하여 관개와 배수와 같은 인위적인 수문조작의 영향이 비교적 적은 지점이며, 논산 지점은 유역 말단부에 위치하여 최종유출유량의 정확도를 평가할 수 있는 지점이다. 3개의 저수지 저수율 관측지점은 농업유역의 주요 내부 프로세스인 관개량 산정의 정확도를 평가할 수 있는 지점이다. 유역모델의 수문모의를 위한 보검정 시 유역 출구지점에서 관측된 하천유량 자료만을 이용하는 것이 일반적이나 본 연구에서는 하천 상하류 관측지점과 주요 농업용수리시설의 관측지점에 대한 모델 보검정을 수행함으로써 농업유역의 수문흐름에 대한 모의 정확도를 높이고자 하였다. 유량 관측값은 한국수자원관리종합정보시스템(WAMIS), 저수지 저수량 자료는 농촌용수종합정보시스템(RAWRIS)에서 제공하는 자료를 이용하였다.

Fig. 4.

Monitoring stations for river/reservoir stage.

모델 보검정 과정에서 모델의 재현성을 평가하는 통계적 방법으로 PBIAS (Percent Bias), NSE (Nash-Sutcliffe Efficiency index), RSR (RMSE-observation standard deviation ratio), R² (coefficient of determination) 등의 지표를 사용하였다. PBIAS는 관측값과 모의값의 총량을 비교하는 기초적인 통계지표이다. NSE는 관측값 간의 차이에 대비하여 관측값과 모의값의 차이를 비교하여 정규화한 통계지표이며, -∞ ~ 1 사이의 값을 가진다. RSR은 지점간 오차를 비교하기 위하여 관측값의 표준편차를 이용하여 RMSE(Root Mean Square Error)를 표준화한 통계지표이다. R²는 관측값과 모의값의 상관관계를 나타내는 통계지표로서 0~1 사이의 값을 갖는다. 각 지표의 모의결과 평가는 매우 좋음(very good), 좋음(good), 만족(satisfactory), 불만족(unsatisfactory)으로 구분되며, 평가지표의 적정범위는(Moriasi et al.[2007])에서 제시한 값을 참고하였다(Table 3).

Table 3.

General performance ratings for recommended statistics for a monthly time step (Moriasi et al. 2007)

먼저, 모델 보정과 검정 기간에 대한 유량 모의값의 관측값과 비교를 통한 재현성을 평가하였다. 논산천 상류에 위치한 양촌 지점의 유량 관측값과 모의값을 비교한 결과, 전체적으로 유사한 경향성을 보이고 있으나, 시기에 따라 첨두유량에서 과소 평가되는 것으로 나타났다(Fig. 5). 모델 재현성 평가 지수는 전 항목에서 보정 기간과 검정 기간 모두 적정범위 내에 있는 것으로 평가되었다(Table 4). 관측값과 모의값 비교 시 2013년 10~12월 기간에 모의값이 관측값보다 평균 0.795 m³/sec 높은 값을 보이는데, 이는 이 기간의 유량 관측값의 평균값이 모의기간인 10~12월의 관측 유량과 비교하여 평균의 22.2% 수준으로 낮은 것으로 나타나 관개 이외의 미확인 취수, 관측값 오류 등 모델에서 재현할 수 없는 수문현상이 나타난 것으로 판단된다. 논산천 하류에 위치한 논산 지점의 유량 관측값과 모의값을 비교한 결과, 전체적으로 유사한 경향성을 보이고 있는 것으로 나타났다(Fig. 6). 모델 재현성 지수도 전 항목에서 보정 기간과 검정 기간 모두 적정 범위 내에 있는 것으로 평가되었다(Table 4). 관측값과 모의값 비교 시 2015년 12~2016년 2월 기간에 모의값이 관측값보다 평균 0.664 m³/sec 높은 값을 보이는데, 이는 이 기간의 유량 관측값의 평균값이 전 모의기간 12~2월의 유량 관측값의 평균의 16.1% 수준으로 낮은 것으로 나타나 양촌 지점과 동일일하게 관개 이외의 미확인 취수, 관측값 오류 등 모델에서 재현할 수 없는 수문현상이 나타난 것으로 판단된다.

Fig. 5.

Hydrographs and scatter plots of the observed and the simulated daily flow rates at the Yangchon Station.

Table 4.

Model performance indexes evaluated for daily river flows at the monitoring stations for calibration and validation periods

Fig. 6.

Hydrographs and scatter plots of the observed and the simulated daily flow rates at the Nonsan Station.

논산천 중류에 위치한 탑정저수지와 노성천 상류에 위치한 경천저수지와 계룡저수지의 저수율 관측값과 모의값을 비교한 결과, 모의값이 전체적으로 관측값과 유사한 경향성을 보였다(Fig. 7~Fig. 9). 모델 재현성 지수는 3지점 모두 전항목에서 매우 좋음 수준을 보이는 것으로 평가되었다(Table 5). 저수지의 수문 프로세스는 유입, 증발, 관개, 유출로 구성되는데, 이 중 관개는 각 저수지의 해당 용수구역 내 논의 담수심의 높이와 사용자가 입력한 권장담수심의 차이인 관개필요수량만큼 저수지에서 자동적으로 관개가 일어나도록 구현되어 있다. 경천저수지의 2010년과 2016년 모의기간의 저수지 저수율에서 과대 또는 과소 평가된 것을 제외하고 전체적으로 유사한 경향을 보이는 바, 농업유역의 관개량에 대한 정량적인 평가에 적합한 매개변수 보정이 이루어진 것으로 판단된다.

Fig. 7.

Reservoir storage ratio time-series graph and scatter plots of the observed and simulated daily water storages a the Topjung Reservoir Station.

Fig. 8.

Reservoir storage ratio time-series graph and scatter plots of the observed and simulated daily water storages a the Gyongcheon Reservoir Station.

Fig. 9.

Reservoir storage ratio time-series graph and scatter plots of the observed and simulated daily water storages a the Gyoryong Reservoir Station.

Table 5.

Model performance indexes evaluated for daily reservoir water storage ratio at the reservoir monitoring stations

모델 보검정 과정에서 사용된 수문 관련 주요 매개변수의 값은 Table 6과 같다.

Table 6.

Selected model parameters and their calibrated values for stream flow

3.2 연강우량 감소가 하천유량에 미치는 영향

논산천 유역에 대한 물수지 모의결과를 이용하여 연강우량 감소가 하천유량에 미치는 영향을 분석하였다(Table 7). 논산천 유역의 모의기간 중 연도별 평균 총강우량은 1,239.6 mm/yr이며, 이 중 45.3%인 590.1 mm/yr의 유량이 유역 말단에서 금강호로 유입하는 것으로 나타났다. 최대강우량(1,822.5 mm/yr)이 발생한 2011년의 강우량은 최소강우량(775.3 mm/yr)이 발생한 2015년보다 2.4배 높은 것으로 나타났다. 유역말단의 유출유량은 최대강우 해인 2011년은 1,154.9 mm/yr, 최소강우 해인 2015년은 202.5 mm/yr로, 2015년 대비 2011년의 하천유출량은 5.7배 높은 것으로 나타났다. 이는 연간 증발산량이 평균값의 7% 이내로 강우량과 상관없이 일정 범위 내에서 유지되는 것으로 볼 때 강우량 감소에 따른 농업용수 부족량을 관개를 통해 공급받으며, 이로 인해 강우량의 증감이 하천유출량에 반영되는 것으로 판단된다. 최대강우 해인 2011년의 강우량 대비 하천유입유량(discharge to stream)의 비율은 69.5%이고, 강우량 대비 유역말단 유출유량(discharge to outlet)의 비율은 63.4%로 큰 차이를 보이지 않았다. 그러나 최소강우 해인 2015년의 강우량 대비 하천유입유량의 비율은 42.4%인 반면, 강우량 대비 유역말단 유출유량의 비율은 26.1%로 감소하여 하천에서의 감소폭이 증가하였다(Fig. 10). 유역 내 하천 유입유량과 유역말단 유출유량의 차이는 유역 내 하천에서 손실되는 양인 하천증발량과 관개용수 취수량으로 구성된다. 유역 내 하천유입유량과 유역말단 유출유량 사이의 차이는 유역 내 하천에서 손실되는 양으로서 이는 하천증발량과 관개용수 취수량으로 구성된다. 농업지역 면적으로 환산한 관개용수 취수량은 2011년 432.9 mm/yr, 2015년 620.8 mm/yr로, 2011년 대비 2015년의 관개용수 취수량이 43.4% 증가하였다. 이는 강우량 감소로 인해 농경지의 관개용수 필요수량이 증가하여 하천유량의 감소폭이 증가한 것으로 판단된다. 그리고 연도별 관개용수 취수량을 분석해 보면, 2015년 가뭄 이후 2016년도의 강우량이 1,259.2 mm/yr로 2010년과 유사한 평년 수준으로 증가하였음에도 불구하고 관개용수 취수량이 169.6 mm/yr에서 191.0 mm/yr로 증가하였으며(Fig. 11), 이로 인해 유역말단의 유출유량이 2010년에 비해 10.8% 감소하는 것으로 나타났다. 이는 농업지역의 용수관리 특수성에 의한 것으로, 영농기 농업용수 확보를 위해 저수지 또는 관개수로에 비영농기에 저류를 하는데, 2015년 가뭄에 의해 저류량을 부족하여 2016년의 관개용수 취수량이 증가한 것으로 판단된다.

Table 7.

Water balance of the Nonsan-cheon Watershed for 2010-2017

Fig. 10.

Annual runoff ratios at stream inlets with the watershed and at the watershed outlet (2010-2017).

Fig. 11.

Annual irrigation intake and annual rainfall (2010-2017).

3.3 연강우량 감소가 하천의 관개용수 취수량에 미치는 영향

농업유역의 하천에는 관개용수를 취수하기 위한 목적으로 다수의 농업용수리시설이 위치하고 있으며, 하천유량의 변화에 중요한 인자로 작용한다. 보와 저수지와 같은 농업용수리시설 내 수문 흐름은 상류에서 들어온 유입수 중 일부는 수면증발로 대기 중으로 이동하고, 일부는 양수시설을 통해 관개용수로 취수되며, 나머지 저류량은 수위 상승에 따른 월류 또는 수문개방에 따른 방류를 통해 하류로 유출된다. 일반 하천과 달리 농업용수리시설이 위치한 하천에서는 관개용수 취수량이 유출량을 결정하는데 중요한 인자로 작용한다.

논산천 유역에는 농업용수 확보를 위한 다수의 보와 저수지가 분포하고 있으며, 본 연구에서는 16개의 보와 4개의 저수지를 반영하였다. 논산천 유역의 하천에서 취수되는 관개용수는 2010~2017년 평균 75.8 × 10⁶ m³/yr이며, 강우량의 11.4% 수준인 것으로 분석되었다. 또한, 최대강우 해인 2011년 대비 최소강우 해인 2015년의 관개용수 취수량은 1.4배인 것으로 나타났으며, 강우량 대비 관개용수 취수량의 비율이 2011년은 6.7%인데 반해 2015년은 21.9%까지 증가하는 것으로 분석되었다.

연강수량 감소가 하천의 관개용수 취수량에 미치는 영향을 분석하기 위해 모델 구축 시 반영한 농업용수리시설 중 6개의 주요 시설(무테보, 지경보, 한전보, 탑정저수지, 경천저수지, 계룡저수지)에 대한 유입량, 유출량, 증발량, 관개용수 취수량, 유입량 대비 관개용수 취수량의 비율 등 연도별 수문흐름을 분석하였다(Fig. 12). 전체적인 경향을 보면, 강우량이 감소함에 따라 유입량이 감소한 반면, 관개량은 증가하는 추세를 보여, 최소강우 해인 2015년의 경우 유입량 대비 관개량의 비율이 70% 이상으로 증가하는 것으로 나타났다. 무테보의 연평균 관개용수 취수량은 2.4 × 10⁶ m³/yr로 유역 총취수량의 3.2%이며, 최소강우 해인 2015년의 유입량 대비 관개용수 취수량의 비율이 69.9%로 증가하였으나, 취수량은 오히려 38.0% 감소한 것으로 나타났다. 이는 노성천의 지류인 월암천에 위치한 무테보는 보 상류에 계룡저수지가 위치하고 있어 유입량 평균 대비 78.0% 감소하였기 때문으로 판단되며, 이로 인해 유출량은 0.6 × 10⁶ m³/yr로 91.3% 감소한 것으로 분석되었다. 노성천의 지류인 주천과 연산천에 위치한 지경보와 한천보의 연평균 관개용수 취수량은 각각 6.0 × 10⁶ m³/yr, 8.9 × 10⁶ m³/yr로 유역 총취수량의 각각 7.8%, 11.8%이며, 2015년의 유입량 대비 관개용수 취수량의 비율이 각각 73.7%, 73.3% 증가하고 이로 인해 유출량은 각각 82.4%, 82.9% 감소한 것으로 분석되었다. 논산천 본류의 중류에 위치한 탑정저수지의 연평균 관개용수 취수량은 34.4 × 10⁶ m³/yr로 유역 총취수량의 45.4%이며, 2015년 유입량 대비 관개용수 취수량의 비율이 85.5% 증가하고 이로 인해 유출량은 87.0% 감소한 것으로 분석되었다. 노성천 상류에 위치한 경천저수지와 계룡저수지의 연평균 관개용수 취수량은 각각 1.3 × 10⁶ m³/yr, 3.1 × 10⁶ m³/yr로 유역 총취수량의 각각 1.8%, 4.1%이며, 2015년의 유입량 대비 관개용수 취수량의 비율이 각각 132.5%, 108.8% 증가하고 이로 인해 유출량은 각각 93.2%, 89.9% 감소한 것으로 분석되었다. 논산천 유역의 관개용수 취수량은 탑정저수지, 지경보, 한전보와 같은 주요 농업용수리시설이 총취수량의 65.0%를 차지하고 있어 가뭄 예상 시 이 시설에 대한 용수확보 등의 사전관리가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 12.

Estimated inflow, outflow, evaporation, irrigation intake and irrigation intake ratio to inflow at 3 weirs and 3 reservoirs.

2015년과 같은 가뭄 시기에 관개용수 취수량이 증가한 것은 강우량 감소로 인해 관개용수 필요수량이 증가하였기 때문이다. 영농시기인 4월부터 9월까지 농경지 개별 필지단위의 월별 강수량과 관개량을 산정결과를 통해 관개용수 필요수량을 분석하였다. 논산천 유역 내 논의 영농시기의 평균 강우량과 관개량은 각각 970.4 mm, 458.4 mm이며, 총유입량 1,428.8 mm 중 관개량의 비율이 32.1%로 나타났다(Fig. 13). 논의 영농시기 월별 총유입량을 보면, 7월과 8월이 328.7 mm와 341.6 mm로 가장 높고, 그 다음으로 5월이 254.5 mm를 차지하였으나, 총유입량 중 관개량이 차지하는 비율은 5월과 6월이 각각 67.8%, 43.6%로 가장 높았다. 이는 이앙기, 활착기와 같은 영농시기에 농업용수의 수요가 높음에도 강우량이 부족하여 관개를 통해 이를 보완하는 우리나라의 농업환경을 반영하는 것으로 판단된다.

Fig. 13.

Monthly rainfall, irrigation, and their sum at paddy fields in the Nonsan-cheon Watershed.

3.4 연강우량 감소가 논의 유출유량에 미치는 영향

영농시기 논의 유입수는 강우와 관개로 구성된다. 논의 필요수량은 일차적으로 강우에 의해 이루어지며, 부족한 수량을 농업용수리시설을 이용한 인위적인 수단을 통해 채워진다. 이렇게 공급된 논의 유입수는 수면증발, 토양침투 후 증산 등 증발산 과정을 거친 후 지표유출, 중간류유출, 지하수유출을 통해 다시 하천으로 회귀한다. 모의기간 중 영농시기의 평균 유입수 중 50.0%인 713.9 mm가 증발산을 통해 대기 중으로 이동하고, 49.1%인 701 mm가 하천으로 이동하는 것으로 분석되었다(Table 8). 최소강우 해인 2015년의 경우 유입수가 평년 대비 29.0% 감소하였고, 하천유출량은 52.3% 감소하는 것으로 나타났다. 특히, 하천유출량의 구성성분 중 지표유출이 444.2 mm에서 91.5 mm로 79.4%가 감소하였는데 이는 논의 담수심이 물꼬높이 이상으로 올라가는 경우가 감소하였기 때문이며, 증발산이 평년 대비 3.1% 감소하여 큰 변화가 없음으로 논의 담수심이 수표면의 증발과 토양층의 식생증산으로 인해 낮아지는 것으로 판단된다.

Table 8.

Annual water balance for the paddy fields of the drought year 2015 compared with that of the 8-year average (2010-2017)