경제협력개발기구

(Organization for Economic Cooperation and Development, OECD)의 2050 환경전망에 따르면 우리나 라는 OECD 가입국가 중에서 물 스트레스가 심한 국가가 될 것으로 발표하였고, 우리나라는 2020년 물 부족 국가에 진입한 다고 하였다(KEI, 2012). 특히 우리나라는 지역별, 계절별 강수 량 차이가 크기 때문에 수자원 관리에 매우 불리하며(Kim and Yang, 2004), 기후 변화에 따른 강우특성 변화로 수량과 함께 수질도 매우 중요한 관리인자로 인식되고 있다(ME, 2012). 우 리나라의 수자원 총량 중 생활, 공업, 농업용수로 이용되는 수 량은 255억 톤이며, 이중 농업용수의 비중이 159억 톤(62%)을 차지하고 있다(MOLIT, 2011). 수자원 이용 중 가장 큰 비중을 차지하는 농업용수의 수요절감은 공업용수와 생활용수를 저감 하는 방법보다 우리나라의 물 부족 문제를 해결하는데 더욱 효 과적일 것으로 예상되나, 농업용수의 재이용 또는 저감 방법에 관한 연구는 거의 이루어지고 있지 않다. 특히 농업용수의 약 90%가 논에서 이용되고 있으며, 농촌지역의 비점오염 발생 비 중의 약 54%가 논에서 발생하기 때문에 논의 관개용수 절약 과 수질 오염 물질의 저감이 반드시 필요하지만 우리나라에서 논과 관련된 연구는 일부 연구자들에 의해 산발적으로 수행되 고 있다(Kim et al., 2012; Park et al., 2011; Jeon et al., 2005; Jung et al., 2004; Cho et al., 2006).

일반적으로 논에서는 물꼬 관리를 통하여 취수와 배수를 조 절하기 때문에 취수와 배수 시스템의 개선을 통한 용수 절약 과 수질 오염 물질을 저감하는 방법이 가장 쉽고 간단하게 접 근할 수 있는 방법 중의 하나이다. 하지만 우리나라에서는 논 배출수의 수질 특성을 분석하는 연구가 주로 수행되었고, 논의 물꼬 개발 및 개발된 물꼬를 이용한 물 절약 및 오염 물질 저 감과 관련된 연구 사례는 찾기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 용수 절약을 위해 개발된 자동취수 물꼬와 오염 물질 저감을 위해 개발된 토사유출저감 물꼬를 영농현장에 적용하여 물수 지 분석과 벼의 생육 시기별 배출수 농도 그리고 생산량을 비 교하여 개발된 물꼬 시스템의 현장 적용성을 평가하였다. 본 연구의 결과는 논의 효과적인 물꼬 관리에 관한 기초를 마련 하고, 논의 수질 오염 물질을 저감하기 위한 관리방안의 일환 으로 활용할 수 있을 것이다.

재료 및 방법

연구대상 지역

물꼬 시스템의 현장 적용성을 평가하기 위한 논 시험포 지 역은 수리조건 및 재배관리방법이 동일하며, 용수와 배수 관 리의 편의성 등을 고려하여 산정하였다. 연구대상지점은 경기도 평택시 고덕면 동청리의 논 2필지이며, 북위 (N) 37°02′11″, 동경 (E) 127°00′12″에 위치하여 있다(Fig. 1). 자 동취수물꼬와 토사유출저감물꼬를 설치하여 개선된 물꼬 시스 템을 사용하는 논(Improved inlet/outlet paddy, IP)의 배수면 적은 0.36 ha (36 × 100 m, W × L)이며, 관행방법으로 물꼬를 관리하는 논(Conventional inlet/outlet paddy, CP)의 배수면적 은 0.45 ha (45 × 100 m, W× L)로 조사되었다(Fig. 2). 논의 물꼬 시스템을 제외한 다른 영농방법은 IP와 CP에서 동일하 게 적용하였고, 추청벼(Oryza sativa)를 재배하였다.

자동취수 물꼬와 토사유출저감 물꼬

본 연구에서 적용된 물꼬 시스템은 자동취수 물꼬와 토사유 출저감 물꼬를 사용하였다(Fig. 3). 자동취수 물꼬는 담수위 감 지센서를 이용하여 논의 담수위가 일정수준 이하 또는 이상으 로 변화하였을 때 자동으로 취수물꼬를 개폐하는 기능을 가진 수문이다(Korea Patent: RDA, 20-0436680, 2007). 자동취수 물꼬는 동력시스템으로 작동하기 때문에 태양열 전지를 이용 하여 동력을 공급하였다. 토사유출저감 물꼬는 S자형으로 설 계되어 논 배출수의 유로길이와 배출시간을 증가시키는 구조 이며, 배수물꼬 내부에 활성탄 여과층을 설치해 부유물질과 오 염물질을 여과하고 흡착하는 기능을 가지고 있다(Korea Patent: RDA, 20-2012-0004591, 2012). 활성탄을 이용한 수질 개선연 구는 여러 분야에서 여러 가지 활성탄에 의한 연구가 수행되 고 있으며, 활성탄을 사용하는 경우 수질 개선에 효과적이라 고 하였다(Song and Rhee, 2012; Oh et al., 2010; Lim et al., 2012). 토사유출저감 물꼬는 50 × 50 × 20 cm (W× L × H) 의 크기로 설치와 운반이 쉽고 녹이 슬지 않는 스테인리스로 제작하였다.

모니터링 및 분석 방법

2012년과 2013년 벼 재배기간(5월 ~ 9월, 연간 5개월)동안 논의 취수량과 배출량 등 물수지 분석을 통해 자동취수 물꼬 의 사용에 따른 용수절약효과를 분석하였다. 그리고 논 용수 관리 변환기에 논에서 배출되는 수질을 조사하여, 토사배출저 감 물꼬의 효과를 확인하였다.

취수량은 송수로에서 논으로 유입되는 부분에 Parshall flume (3 inch)을 설치하였으며, 배수량은 논에서 배수로로 유 입되는 부분에 삼각위어(90°)를 설치하였다. Parshall flume과 삼각위어의 수위는 초음파 수위계를 이용하여 측정하였고, 측 정된 수위를 유량으로 환산하였다. 강우량은 농촌진흥청 농업 기상정보 서비스(weather.rda.go.kr)를 이용하여 연구지점에서 약 3.3 km에 위치한 평택농업기술센터의 강우 관측 자료를 사 용하였다.

논에서 유효우량(Available Rainfall, AR)은 재배에 필요한 용수량으로 강우로부터 직접 공급되고 이용되는 수량을 의미 하며, 유효우량은 논의 취수량과 배출량을 결정하는 가장 중 요한 요인으로 평가 할 수 있다. 일강우량이 5 mm 이하일 경 우에는 유효우량을 0 mm로 계산하였으며, 일강우량이 5 mm 이상일 경우에는 배출수량 중 강우량이 차지하는 비중(무효우 량)을 산정한 후 일 강우량에서 무효우량을 차감하여 유효우 량을 산정하였다(Eq. 1). 여기서, R은 일강우량(mm), Q_i는 취 수량(mm), Q_o는 배출량(mm)이다.

논 시험포의 배출수는 벼의 주요 생육시기(이앙기, 중간낙수 기, 최종낙수기)에 현장에서 3점을 직접 채수하였으며, 수질시 험공정법에 따라 SS, COD, TN, TP를 분석하였다(ME, 2004). 생육시기(이앙기, 중간낙수기, 최종낙수기)에 따른 CP 와 IP 유출수의 수질을 비교하여 토사유출저감 물꼬의 효과를 확인하였다. 수확 시기에는 벼의 초장과 간장, 천립중과 정조 중을 조사하여, 물꼬 관리 방법에 따른 벼의 생육과 생산량을 비교하였다.

결과 및 고찰

관개용수 사용량 및 물수지분석

우리나라의 관행적인 벼농사에 있어 필요한 관개수량은 Table 1과 같으며, 증발산(Evapotranspiration)량과 침투(Percolation) 량을 합한 1,525 mm가 우리나라의 벼농사에 필요한 총 관개수량이다. 총 관개수량에서 유효우량을 제외한 1,100 mm 가 실제로 필요한 관개수량에 해당된다. 관개수량은 강우발생 빈도 및 강우량의 영향을 받아 변동성이 크며(Shin and Kwun, 1990), 기상조건, 토양투수조건, 작물재배방식 및 관개 수량이 지역별로 다르기 때문에 논에서의 물수지 분석이 지역 에 따라 다르다(Choi et al., 2001). 본 연구에서 평균취수량 은 자동취수 물꼬를 설치한 논에서 922 mm, 자동취수물꼬가 설치되지 않은 논에서 1,634 mm의 취수가 이루어졌으며, 자 동취수물꼬를 설치한 논의 취수량이 43.6% 저감되는 것으로 나타났다(Table 2). 특히 2012년의 취수량이 매우 많았는데 이 는 시험기간인 2012년 5월부터 6월까지의 강우량이 적어 필 요한 관개수량이 증가하였기 때문인 것으로 판단된다. Hwang et al.(2004)의 연구에서 영농인의 수문 조작이 논에서 사용되 는 관개수량에 미치는 영향이 크다고 보고하였다. 따라서, 본 연구와 같이 논의 취수구에 자동취수 물꼬를 설치하는 것은 연간 소요되는 농업용수를 절약할 수 있는 것을 의미하며, 불 필요한 용수 공급을 억제 할 수 있는 좋은 방법으로 판단된다. 또한 인력에 의한 물꼬의 개폐가 아니기 때문에 노동력 절감 도 기대 할 수 있다고 사료된다.

2012년과 2013년의 벼 재배기간 동안 발생한 총 강우량은 1,934.5 mm이며, CP와 IP의 연구기간동안 유효우량은 각각 1,571.8 mm와 1,571.0 mm로 산정되었다. 총 연구기간동안의 강우 유효화율은 CP와 IP에서 각각 81.3%와 81.2%로 나타났 으며, 강우일수가 가장 작았던 2012년 6월의 강우 유효화율이 CP와 IP에서 각각 50.9%와 55.9%로 최솟값을 기록하였다. 그 리고 2012년 8월에 518.0 mm의 강우가 발생하여 CP와 IP에 서 346.4 mm와 363.5 mm의 유효우량이 측정되어 무효우량이 가장 많은 기간으로 산정되었다. 연구기간동안의 총 유효우량 은 CP와 IP에서 큰 차이를 보이지는 않았지만 배출물꼬 관리 에 따라 0 ~ 26.8 mm/month의 차이가 나타났다(Fig. 4). 이러 한 결과들은 가뭄과 장마철에 유효우량 편차가 심하고, 강우 빈도와 강우량이 적절하게 발생하지 않으면 논에서 발생하는 손실우량이 많다는 것을 의미한다. 우리나라는 주로 여름철에 강우가 편중되어 있기 때문에 농사에 이용할 수 있는 강우량 이 비교적 적다. 따라서 본 연구와 같이 개선된 관개 시스템 의 도입을 통한 농업용수의 적절한 관개가 반드시 필요할 것 으로 판단된다.

CP와 IP에서 2년 동안 발생한 배출수량은 각각 1,524 mm 와 936 mm로 자동취수 물꼬를 사용하는 경우 38.6% 저감되 는 것으로 나타났다(Table 3). Hwang et al. (2004)의 연구에 서는 필요 이상의 관개용수가 사용될 때 배수량이 증가하므로 관개수량의 절약을 위해서는 적절한 관개시기 및 방법의 적 용, 기상상태와 관개시기와의 연계 등이 고려되어야 한다고 하였다. 그리고 논에서 강우에 의한 유출량은 선행 담수심, 유 출수문 조건 등과 같은 논의 물 관리 형태가 다르기 때문에 유의한 직선관계가 나타나지 않는다고 하였다(Choi et al., 2001). 이는 논에서 강우에 의해 발생하는 유출량을 조절하는 것이 어렵다는 것을 의미한다. 따라서 논의 배수량 저감을 위 해서는 필요 이상의 관개용수가 사용되는 것을 차단하는 방법 이 가장 효과적이다. 본 연구에서 사용한 자동취수 물꼬는 필 요 이상의 관개용수 사용을 억제하기 때문에 논의 배수량 저 감에도 기인하는 것으로 판단된다.

생육시기별 논 오염물질 배출 특성

벼의 생육시기(이앙기, 중간낙수, 최종낙수)에 따라 논에서 발생하는 배출수의 수질을 측정하였다(Fig. 5, 6). 벼의 생육시 기에 따라서는 초기에 가장 높은 오염 물질 농도가 관측되었 으며, 시간이 지남에 따라 오염 물질 농도가 점차 감소하는 경향이 나타났다. 이러한 경향은 5월초 시비에 의한 질소와 인 의 함량이 크게 증가하였기 때문인 것으로 판단되며, Kim et al., (2005)과 NIER (2005)의 연구 결과와 유사하였다. 토사유 출저감 물꼬를 설치한 논에서 관행 물꼬 관리 논보다 오염 물 질 농도가 대부분 낮게 나타났다. SS는 22.8 ~ 75.0%, COD 는 9.7 ~ 45.5%, TN은 0 ~ 64.5%, TP는 0 ~ 42.5%의 오염물 질 저감효과가 있는 것으로 나타났다. 오염물질 저감효과는 수 질 항목과 측정 시기에 따라 많은 차이가 나타났다. SS와 COD 그리고 TP 항목은 이앙기의 저감효과가 크게 나타났으 며, 측정 시기에 따라 비슷한 경향의 저감효과가 관측되었다. 이는 토사유출저감 물꼬의 여과기능에 의하여 토사와 유기물 그리고 토사에 흡착된 인이 토사유출저감 물꼬에 퇴적되기 때 문인 것으로 판단된다.

벼의 생육 및 생산량 분석

자동취수 물꼬를 설치하여 취수량이 변화하였을 때 벼의 생 육과 생산량에 미치는 영향을 분석하기 위하여 벼의 초장, 간 장, 천립중 그리고 정조중을 조사하여 비교하였다(Fig. 7, 8). 추청벼의 일반생육특성은 간장 84 cm, 이삭길이 18 cm, 천립 중 19.9 g이며, 수량성은 453 kg/10a로 보고되었다(RDA, 2008). 연구지역에서 조사된 간장은 5 ~ 10 cm가 작은 것으로 나타났 으나 초장에서는 큰 차이가 나타나지 않았다. 천립중과 정 조중은 CP에서 18.7 g과 433.0 kg/10a, IP에서 19.1 g과 456.1 kg/10a로 조사되었으며, 일반적인 추청벼의 생산량과 큰 차이가 나타나지 않았다. 자동취수 물꼬를 설치하지 않은 논 에 비하여 자동취수물꼬를 설치한 논의 평균 초장과 간장이 2.5% 낮은 경향이 나타났으나, 천립중과 정조중은 자동취수물 꼬를 설치한 논에서 1.1%와 3.5% 증가하는 경향이 나타났다. 하지만 초장, 간장, 천립중 그리고 정조중은 자동취수 물꼬의 설치여부에 따라 통계적으로 유의한 차이가 나타나지는 않았 다. 이러한 결과는 자동취수 물꼬를 사용하여 취수량이 감소 하여도 벼의 생육과 생산량에 큰 영향을 주지 않는 것으로 판 단 할 수 있다.

적 요

자동취수 물꼬와 토사유출저감 물꼬의 현장 적용성을 평가 하기 위하여 2012년부터 2013년까지 2년 동안 취수량, 배출 수량, 수질농도변화 그리고 생육 및 생산성을 조사하여 얻은 결과는 다음과 같다.

이러한 연구결과로 볼 때 자동취수 물꼬와 토사유출저감 물 꼬를 이용한 논의 물꼬 관리 시스템 개선은 생산량을 유지하 며 수자원 및 물 환경을 보전하기 위한 좋은 시설로 판단된다.