효율적인 농업용수 공급을 위한 필지 단위 농업용수 공급 모의 평가와 디지털 트윈 플랫폼 개발 = Field-Scale Evaluation of Agricultural Water Supply and Development of a Digital Twin Platform for Efficient Irrigation Supply

국문 초록 (Abstract)

효율적인 농업용수 관리는 특히 농업용 저수지에 의존하는 논 지배 농업지역에서 지속가능한 수자원 이용을 위해 필수적이다. 본 연구의 목적은 한국농어촌공사 표준시험유역인 백마저수지 수혜지역을 대상으로 필지 단위 Storm Water Management Model(SWMM)을 구축하고, 기존 지선 단위 모형과의 비교를 통해 농업용수 공급 모의의 공간 해상도와 모의 정확도를 평가하는 데 있다. 모형 평가는 계측 수위를 기준으로 결정계수(R²), Nash–Sutcliffe Efficiency(NSE), p-value를 활용하여 모형 성능을 평가하였다. 필지 단위와 지선 단위 모형 모두 상류 구간에서는 대부분의 수위계 지점에서 통계적으로 유의한 수준(p < 0.05)의 재현성을 보였으나, 하류로 갈수록 수문 개도 자료 부재 및 불완전한 하류 경계조건의 영향으로 R²와 NSE가 감소하는 경향을 나타냈다. 그럼에도 불구하고 필지 단위 SWMM은 상·중·하류를 연결하는 관개용수 공급 연속성과 논 담수 상태의 공간적 차이를 보다 정밀하게 모의하여, 지선 단위 모형에 비해 우수한 것으로 나타났다. 특히 농업용수 관리 자동화(Tele-Metering/Tele-Control, TM/TC) 시스템으로 계측된 수문 개도 높이 자료를 필지 단위 SWMM에 반영한 결과, 중·하류 일부 관측지점에서 R²와 NSE가 유의미하게 향상되어 수문 운영 정보의 반영이 하류부 수위 재현성 개선에 효과적임을 확인하였다. 한편 TM/TC 미설치 수문을 대상으로 수문 개도 높이 예측 모델 및 애플리케이션을 개발함으로써, 미계측 수문의 운영정보를 보완할 수 있는 방안을 제시하였다. 아울러 드론 기반 3차원 지형·수로 모델, 필지 단위 SWMM 결과 및 수위 계측 자료를 통합한 디지털 트윈 플랫폼을 구축하여, 관개·배수 및 논 담수심 변화를 시·공간적으로 시각화하고 SWMM 구동을 연계할 수 있는 기반을 제시하였다. 본 연구에서 제안한 필지 단위 SWMM 및 디지털 트윈 기반 분석 체계는 향후 실시간 수문 운영자료와 고해상도 관측망을 추가적으로 연계할 경우, 농업용 저수지 운영 및 용수 배분 최적화를 위한 실무적·정책적 의사결정 지원 도구로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Efficient management of agricultural water is essential for sustainable water use, particularly in paddy-dominated agricultural regions that rely on irrigation reservoirs. This study aims to develop a field-scale Storm Water Management Model (SWMM) for the service area of the Baekma Reservoir, designated as the Korea Rural Community Corporation (KRC) standard test watershed, and to evaluate the spatial resolution and accuracy of irrigation water supply simulations by comparing it with an existing lateral-scale model. Model performance was assessed against observed water levels using the coefficient of determination (R²), Nash–Sutcliffe efficiency (NSE), and associated p-values. Both the field-scale and lateral-scale models showed statistically significant reproducibility (p < 0.05) at most gauging stations in the upstream reaches; however, R² and NSE tended to decrease toward the downstream reaches due to the absence of gate opening data and incomplete downstream boundary conditions. Nevertheless, the field-scale SWMM more precisely simulated the continuity of irrigation water delivery from upstream to downstream and the spatial variability of paddy ponding conditions, outperforming the lateral-scale model. In particular, when gate opening heights measured by the irrigation water management automation system (Tele-Metering/Tele-Control, TM/TC) were incorporated into the field-scale SWMM, R² and NSE improved markedly at several mid- and downstream stations, confirming that explicit inclusion of gate operation information is effective in enhancing downstream water-level reproducibility. For gates without TM/TC, a gate opening height prediction model and application were developed, providing a means to supplement operation information for non-instrumented structures. Furthermore, a digital twin platform was constructed by integrating a drone-based three-dimensional terrain and canal model, field-scale SWMM outputs, and observed water-level data, thereby providing a framework for spatio-temporal visualization of irrigation, drainage, and paddy ponding dynamics and for coupling with SWMM simulations. The proposed field-scale SWMM and digital-twin-based analytical framework is expected to serve as a practical and policy-oriented decision support tool for optimizing irrigation reservoir operation and water allocation, particularly when further linked with real-time gate operation data and high-resolution monitoring networks.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 연구 방법 4
• 2.1 연구대상지역 4
• 2.2 Storm Water Management Model 개요 6
• 2.3 SWMM 구축 7
• 2.4 SWMM 정확도 검증 및 농업용수 관개량 분석 10
• 2.5 수문 개도 높이 측정 애플리케이션 개발 12
• 2.6 디지털 트윈 개요 및 디지털 트윈 플랫폼 개발 14
• Ⅲ. 결과 17
• 3.1 모형 단위에 따른 SWMM 모의 성능 및 관개량 공간분석 17
• 3.1.1 필지 및 지선 단위 SWMM 모의 결과 비교 17
• 3.1.2 상중하류 관개량 산정 및 공간적 분석 결과 22
• 3.2 수문 개도 높이 적용 시 필지 단위 SWMM 모의 분석 결과 26
• 3.3 수문 개도 높이 측정 애플리케이션 개발 결과 33
• 3.4 디지털 트윈 플랫폼 개발 결과 35
• Ⅳ. 고찰 39
• Ⅴ. 결론 42
• 참 고 문 헌 44