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배수개선을 위한 임의지속시간 최대강우량의 시·공간적 변화 분석
신안국 ( Ankook Shin ),김해도 ( Haedo Kim ),이재남 ( Jaenam Lee ) 한국농공학회 2018 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2018 No.-
배수개선사업에서는 홍수량 산정을 위해서 임의지속시간 24시간, 48시간 강우량을 대상으로 설계 빈도년에 해당하는 확률강우량을 산정하고 있다. 하지만 과거 데이터에 의한 확률강우량 산정은 사업 완료 후 있을 수 있는 기후변화에 의한 강우량 증가를 대변하지 못하는 실정이다. 이러한 이유로 배수개선사업이 기후변화에 대해 지속적으로 대처하기 어려운 실정이다. 본 연구에서는 배수개선 설계에서 기준으로 하고 있는 임의지속시간 24시간, 48시간 강우량을 시간적, 공간적으로 어떻게 변화하고 있는지를 분석하고 경향성을 파악하는데 목적이 있다. 강우량의 변화를 살펴보기 위해 전국 기상청 72개 소의 강우량을 대상으로 하였다. 설계홍수량 산정에 이용되는 극치 계열의 연최대치계열을 사용하였으며, 배수로 설계에 활용되는 임의지속시간 24시간 강우량과 배수장 설계 및 침수분석에 적용되는 48시간 강우량을 추출하였다. 각 관측소의 강우량의 크기는 다 다르기 때문에 공통된 기준에서의 변화 분석에 어려움이 있다. 그래서 표준화기법(Z-score법)을 적용하여 각 관측소의 강우를 같은 기준의 값으로 표준화하고 변화 분석을 실시하였다. 전국 기상관측소의 표준화된 값을 활용하여 1961년부터 2017년까지의 시간적 변화 양상을 도출하였다. 또한, 각 관측소별 변화 양상을 통해 공간적 변화 양상을 도출하고 관측소 간의 미계측 구간에 대한 변화는 IDW방법으로 보간하였다. 도출 결과 시간적으로 강우 관측을 시작한 1961년부터 2017년까지 임의지속시간 24시간 최대강우량과 48시간 최대강우량 모두 증가 추세를 보이고 있음을 확인할 수 있었다. 공간적으로는 경기북부, 호남 서남해안, 제주 서부, 강원 남동부를 제외한 대부분의 지역이 증가 경향임을 확인할 수 있었다. 충청 서부 지역은 임의지속시간 48시간 최대강우량에서 증가경향이긴 하나 아주 낮은 수준을 보이나, 24시간 최대강우량의 경우 감소경향이 나타나고 있다. 상승 경향이 큰 지역을 보면 기후변화와 여름철 남동풍의 영향으로 소백산맥, 한라산, 차령산맥 등 높은 산의 남동쪽에서 증가 경향이 크게 나타나고 있는 것으로 판단된다. 기후변화로 인해 극한 강우가 시·공간적으로 증가하고 있음을 확인할 수 있었다. 시간적으로는 최근에 평년 수준을 상회하는 극한 강우의 발생 강도가 커지고 있음을 확인할 수 있었고, 공간적으로도 대부분의 지역에서 커지고 있음을 확인할 수 있었다. 이는 배수개선사업에 있어서 과거 완료된 지구가 극한 강우의 증가 경향을 따라갈 수 없는 취약성이 있음을 보여주고 있으며, 향후에도 배수개선사업 후에 침수를 유발하는 극한 강우가 더 잦은 빈도로 발생할 수 있음을 보여준다. 즉, 배수개선사업의 취약성을 이 연구를 통해 파악할 수 있으며, 향후 배수개선사업을 진행하는데 있어서 극한 강우의 증가 경향을 반영한 사업 추진에 활용될 수 있을 것이다. 또한, 지역별로 배수개선사업을 시행할 때 상승경향이 큰 지역의 경우에는 배수개선 설계 단계부터 홍수량 산정에 면밀한 검토가 이루어져야할 것이다.
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농업 패러다임 변화에 따른 논에서의 쌀-경제작물 관개수량 비교
신안국 ( Ankook Shin ),김해도 ( Haedo Kim ),이재남 ( Jaenam Lee ),강석만 ( Seokman Kang ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-
우리나라의 용수공급시스템은 주로 논농업에 기반하여 발전해왔다. 그러나 최근 들어 쌀에 대한 소비감소와 쌀 재고량의 증가, 경제작물의 농민 소득 기여의 증가 등 대내외 여건 변화로 영농 패러다임의 변화가 일어나고 있다. 농민의 경우 쌀(56만원/10a) 보다 경제작물(시설채소 평균 800만원/10a)의 경제적 이득이 큰 상황이고 쌀의 가격 하락 등의 이유로 자발적 영농 변화를 보이고 있으며, 정부에서도 쌀의 공급 과잉으로 초래된 쌀값 하락에 대한 대안으로 쌀 생산조정제와 같은 정책으로 벼 재배면적을 9만ha를 감축하고 그곳에 경제작물을 재배하도록 하는 농정 계획을 갖고 있는 실정이다. 이러한 변화로 논에서의 경제작물 재배는 꾸준히 증가하고 있으나 현재 구축되어 있는 농업생산기반시설은 논농업을 대상으로만 운영되고 있어 한계점이 존재한다고 하겠다. 한계점을 넘어서기 위해 농업생산기반시설을 리모델링하여 논뿐만 아니라 논에서의 경제작물 재배 지역에도 동시 관개가 가능하다면 시설의 활용성이나 수자원의 관리 측면에서 큰 이점이 있을 것이다. 수자원 측면에서 당초 논 농경지에 대한 물수지 분석을 통해 농업생산기발시설을 구축하였으나 지금은 경제작물 재배 확대 등으로 인해 수혜면적의 감소로 수자원의 효율적 활용성이 많이 떨어져 있다. 농업수자원의 활용성을 높이기 위한 일환으로 논에서의 경제작물에 대한 용수공급을 확대할 필요가 있으며, 이를 위해 쌀과 경제작물의 관개수량에 대한 분석이 선행되어야 한다. 관개수량의 비교는 향후 시설물의 규모나 용수원의 확보여부를 결정하는데 중요한 요소로 작용할 것이다. 관개수량의 비교를 위해 논농지에서 시설재배가 이루어지고 있는 지역 중에서 단작, 이모작, 삼모작이 이루어지고 있는 3지구를 분석지구로 선정하였다. 경지정리 시점에서 쌀농사만 지었을 때의 공급수량과 현재시점에서의 쌀 및 경제작물의 공급수량을 비교분석하였다. 경제작물의 경우 농민들이 개인관정을 통해 개별적으로 관개가 이루어지고 있는 실정으로 종합적으로 관리된 데이터가 없는 한계가 있으므로 작물들에 대한 물발자국DB를 활용하여 공급 수량을 산정하였다. 당초 쌀농업에 따른 생산량에 쌀의 물발자국을 적용하고 현재의 경제작물 생산량 통계자료와 그에 대한 물발자국을 적용하여 공급해야하는 수량의 증감을 살펴보았다. 이를 통해 농업용수 공급량의 증감을 살펴보고 그 결과에 따라 경제작물 용수공급을 위한 용수원 개발과 수로정비의 근거자료로 제시될 수 있을 것이다. 그리고 농업수자원의 효율적인 활용에 기여할 것으로 기대된다.
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신안국 ( Ankook Shin ),김해도 ( Haedo Kim ),이재남 ( Jaenam Lee ),강석만 ( Seokman Kang ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-
배수개선사업은 홍수발생시 침수피해를 겪고 있는 농경지에 배수장, 배수문, 배수로 등 배수시설을 설치하여 농작물 침수피해를 방지하는 목적으로 1975년부터 사업이 시작되었다. 사업대상지구는 2,033개 지구 30.3만ha이며, 2016년까지 854지구 17.6만ha에 대해 배수개선사업이 이루어졌다. 농경지의 침수예방을 위해 꾸준히 배수개선사업을 진행한 결과 예전과 같은 큰 수해의 반복적 발생을 줄이는 데 큰 기여를 하였다. 하지만 최근 지구온난화로 인한 기후변화로 국지성 호우 등 강우 패턴이 변화하면서 설계기준을 초과하는 강우의 발생 빈도가 증가하고 있고 이로 인한 농경지 및 시설물의 피해도 증가하고 있는 실정이다. 이와 더불어 논에서 경제작물의 재배가 증가하면서 농경지의 침수피해 취약성은 더욱 증가하고 있다. 기후변화에 대응하기 위해 2012년에는 배수개선사업에 대한 설계기준을 개정하였다. 설계 강우량 산정에서 20년 빈도 이상으로 상향조정하고 원예작물에 대해서는 30년 빈도를 적용하도록 개정하였고 설계적용 강우량도 고정시간에서 임의시간 최대 강우 48시간을 적용하도록 하였다. 이러한 변화에도 불구하고 배수개선사업 이후에 기후변화로 인해 발생할 수 있는 수해에 대한 대책은 제시되어있지 않은 한계점이 있다. 즉 기후변화는 미래에도 지속적으로 발생할 가능성이 크지만 배수개선사업은 현 시점에서의 구조적 대책에 초점을 맞춰 사업이 이루어지고 있기 때문에 향후에 다시 침수피해가 발생할 가능성을 내재하고 있다고 하겠다. 기후변화의 미래예측이 어렵다는 점에서 구조적 대책으로 접근하기에는 시설 규모를 파악하기 어렵고 투입 비용 또한 기하급수적으로 늘어날 수 있다는 한계가 있다. 그래서 기후변화 예측자료를 활용하여 미래에 발생할 수 있는 수해피해에 대해 비구조적인 대책들을 제시함으로써 배수개선사업 이후 유지관리 측면에서 침수피해 예방에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
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이재남 ( Jaenam Lee ),김해도 ( Haedo Kim ),신형진 ( Hyungjin Shin ),신안국 ( Ankook Shin ),강석만 ( Seokman Kang ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-
양수저류형 저수지는 일반적인 저수지와 달리 자연적으로 유입되는 수량이 적어 인근에 있는 강이나 하천, 또는 배수로 등에서 물을 양수하여 인위적으로 저수량을 확보하는 구조이다. 과거 농업용수를 자연적으로 확보하기 어려운 도서지역을 위주로 설계되었으나, 최근 기후변화에 따른 물 부족이 빈번해짐에 따라 용수공급능력이 부족한 저수지에서 양수저류형태의 용수개발사업이 증가할 것으로 예상된다. 저수지 설계에서 물수지 분석은 필수적인 과정으로 양수저류지 물수지 분석은 기존 저수지의 물수지 분석과정에 양수시설 관련된 사항이 추가적으로 고려된다. 그러나 양수저류지는 지형적 특성에 다라 다양한 양수저류 형태가 존재하고 설계자체가 잦지 않다보니 실무자간 설계기술 전수에 한계가 있어 양수저류지의 물수지 분석에 대한 업무 매뉴얼이 요구되고 있다. 본 연구에서는 양수저류형 저수지의 설계업무에 활용할 수 있는 물수지 분석방법을 표준화하고자 하였다. 실제로 가뭄이 발생하여 양수저류사업이 시행된 지구의 사례분석을 통해 양수저류지의 용수공급체계를 분석하였고 그 대표유형을 선별하였다. 또한 양수저류형 저수지의 물수지 분석 표준화를 위해 저수지 및 양수장 설계를 위한 실무요령을 분석하였고 선별한 대표유형에 대한 물수지 분석 흐름도를 구체화하여 양수저류형 저수지의 설계인자를 고려한 물수지 분석 가이드라인을 작성하였다. 본 연구결과는 도서 및 물부족 지역의 농업용수 확보를 위한 양수저류형 저수지 설계에 필요한 물수지 분석과정을 표준메뉴얼로 실무자에게 제공할 수 있으며, 기존의 저수지 설계프로그램에 표준화된 물수지 분석과정에 대한 알고리즘을 적용함으로써 양수저류지 설계를 위한 추가 기능에 대한 고도화가 가능할 것으로 판단된다.
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이재남 ( Jaenam Lee ),김해도 ( Haedo Kim ),신형진 ( Hyungjin Shin ),신안국 ( Ankook Shin ),강석만 ( Seokman Kang ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-
양수저류지는 자연적으로 용수확보가 어려운 지형적 특성을 지니고 있어 하류 저류지 또는 배수로 등에 저류되는 수량을 반복적으로 이용하는 특징이 있다. 양수저류지로부터 하류 수혜면적으로 공급된 용수는 관개용수로 활용되고, 그 회귀수가 배수로 등에 모이게 되면 양수시설을 이용하여 모인 수량을 다시 저수지에 채우기 된다. 이와 같이 한번 사용된 물을 다시 활용하는 양수저류지의 용수공급 특성상 양수저류지 설계규모를 결정에 관개 재이용수가 고려되어야 하며, 설계 실무자가 물수지 분석시 관개 재이용수를 얼마로 설정하느냐에 따라 양수저류지의 규모는 달라질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 양수저류지 설계를 위한 물수지 분석에서 관개 재이용수의 설정유무와 그 설정 값에 따라 양수저류지 필요저수량의 변화를 분석하고자 하였다. 양수저류지 규모결정을 위한 물수지 분석을 수행을 위해 용수공급능력이 부족한 저수지를 선정하고 유입수량으로 반영되는 양수량은 관개 재이용수만 포함하는 것으로 가정하였다. 관개 재이용수 활용 비율에 따른 10년 빈도에 해당하는 저수지 규모를 산정해 재이용수의 설정 값이 양수저류지 규모결정에 미치는 영향을 분석하였다. 본 연구결과는 양수저류지의 설계자가 물수지 분석과정에 관개 재이용수를 어느 수준으로 설정하는 것이 적합한지를 판단할 수 있는 참고자료로 활용할 수 있다.
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신형진 ( Hyungjin Shin ),김해도 ( Haedo Kim ),이재남 ( Jaenam Lee ),신안국 ( Ankook Shin ),강석만 ( Seokman Kang ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-
IPCC에 따르면 현 추세로 온실가스 배출시 대규모 홍수 및 게릴라성 집중호우 등으로 홍수발생 위험이 증가하고, 가뭄도 2~3년 주기로 빈발하여 물 부족 가능성이 계속 증가할 것으로 예상된다. 국가 수자원 총 이용량의 48%가 농업용수로 이용되고 있으나, 가뭄 대응에는 아직까지 미약한 수준이다. 논 면적(964천ha) 수리안전답은 575천ha에 불과하고, 19.4%(187천ha)는 별도 용수공급시설이 없어 자연강우에 의존하고 있으며, 용수공급시설을 갖춘 관개전은 140천ha로 전국 밭면적의 18.5% 수준('15.7월 행정조사)에 그쳐 논에 비해 열악한 수준이다. 최근 농지이용구조가 변화되면서 밭작물의 지위가 높아지고 있으며 1990년과 2014년을 비교하면 논과 밭의 비중은 6.4 대 3.6 에서 5.5 대 4.5 수준으로 변화하였다. 2013년 재배업 생산액 통계에 따르면 밭작물은 19조 8,000억원, 미곡은 8조 5,000억원으로 이는 밭 농업의 수익성이 쌀보다 2 배 이상으로 월등히 높아 밭작물 생산성 증대로 농가의 수익성을 높일 수 있다. 밭작물은 작물의 생육시기와 기수, 농업환경에 민감하고 토양수분 부족 및 가뭄에 직접적인 영향을 받는다. 가뭄이 지속되면 토양수분 결핍이 발생하고 식생 수분 스트레스가 증가하여 밭작물의 생산성에 많은 영향을 미치고 있다. 따라서 가뭄시 밭작물의 생산성 저하, 농작물 수급 불안 등 직접적 영향 및 손실을 줄일 수 있는 방안 대책이 시급하다. 따라서 가뭄에 대응하기 위한 농업용수의 관리는 논농업 위주로 진행되어 밭농업에 대한 가뭄대응기술 연구는 미흡한 실정이다. 가뭄시 밭농업의 용수공급을 기존의 개별 용수공급 방식 대비 집단화 관개방법을 통한 농업용수 절약 모델을 개발하고자 한다.
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이재주 ( Jaeju Lee ),김해도 ( Haedo Kim ),강석만 ( Seokman Kang ),신안국 ( Ankook Shin ) 한국농공학회 2018 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2018 No.-
수자원의 개발 및 효율적인 운영을 위해 가장 중요한 것 중에 하나는 정확한 수문자료의 제공이다. 최근 ICT기반 계측인프라의 지속적인 추진으로 다량의 자동 수위계측 자료가 축적되고 있으며, IoT기술 도입이 이뤄지고 있는 현재 농업수자원의 특성을 대변할 수 있는 고품질의 수위계측 자료의 수요는 지속적으로 증가할 것으로 예상된다. 이를 위해 WMO, 영국 IH, 일본 건설성, 미국 USGS 등의 각국 대표적 기관 및 우리나라의 홍수통제소, 한국건설기술연구원, 환경부 등 여러 기관들에서도 개별 품질관리 프로세스를 정립하여 이에 따라 자료 관리를 하고 있는 상황이다. 본 연구에서는 정도 높은 수위자료의 생산을 위하여 일반적인 품질관리(이상치 검정)를 위한 통계적 방법을 소개하고, 자동 수위계측기(USN-1000)에서 수신된 10분단위 원시 계측자료를 대상으로 품질관리를 실시하였다. 더불어 수위계측기 오측 및 결측 상황과 유효자료 비율을 동시에 분석하여 품질관리의 필요성을 도출하고자 하였다. 원시 계측자료는 1,675개소의 농업용저수지에서 구득하였으며, Ronser 방법론, Walsh 방법론, 3-sigma rule of thumb, Moving average(이동평균)을 적용하여 품질관리 가능성을 모니터링 하였다. 농업용저수지 수위계측 자료는 환경적 특성과 인간의 조작 (방류 등)에 의한 특성을 동시해 내포하게 되므로 자연 현상을 측정하는 일반적 수문자료 품질관리와는 차별된 방법을 적용할 필요가 있음을 확일할 수 있었다. 향후 연구에서는 원시 수위자료가 아닌 1차 가공된 수위변화 자료를 대상으로 하며, 2차례의 필터링에 의한 순차적인 방법론을 적용하는 품질관리 모듈 개발을 수행할 계획이다.
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