Evaluation of Practical Application of the Remote Monitoring System for Water Salinity in Estuary Lake During Farming Season
Kyung-Do Lee*, Suk-Young Hong, Yi-Hyun Kim, Sang-il Na, and Young-Jin Oh
1Climate Change and Agroecology Division, National Academy of Agricultural Science, RDA, Wanju 565-851, Korea
1
Department of rice and winter cereal crop, National Institute of Crop Science, RDA, Iksan 570-080, Korea
(Received: October 6 2014, Revised: October 24 2014, Accepted: October 24 2014)
The remote monitoring system of water salinity was assessed in Wando reclaimed land lake during a farming season in 2009. Increasing of water salinity in this lake used to bring about salt damage on rice plant occasionally. At the early stage of the rice growing period, rice growth was not damaged due to enough rainfall with more than 120 mm from the mid-May to the first ten days of June. Data collection using on-site water salinity measuring sensors every 2 hours and real-time transmission in system were carried out for the experiment. We compared the transmitted values from the sensor system with water sample values collected and analyzed by a local technical office. Salt concentrations measured by sensor in real-time monitoring system were available data. The regression equation between rainfall and water salinity was presented as (water salinity after rainfall) = 0.621×(water salinity before rainfall)×exp(-0.0139×rainfall), (r
2=0.579, p<0.01). It is suggested that the system is useful for stable farming in the area where farmer use water in reclaimed lakes as an irrigation source.
Key words: Water salinity, Remote monitoring, Reclaimed land lake
The comparison of salinity changes between remote monitoring system and samples evaluated from KRCC
†in research area during farming season in 2009 (
†KRCC: Korea Rural Community Corporation).
1)
*Corresponding author : Phone: +82632382512, Fax: +82632383823, E-mail: [email protected]
§
Acknowledgement: This study was carried out with the support of “Research Program for Agricultural Science & Technology
Development (PJ00936702)”, National Academy of Agricultural Science, Rural Development Administration, Republic of Korea.
Fig. 1. Layout of the study area and the the monitoring site.
는 지리적 특성으로 인해 담수호 내 염분 상승으로 인한 농 작물 염 피해 사례가 종종 발생하고 있어 농작물의 안정 생 산이 위협받고 있다 (Kang, 1993; KRCC, 2005).
2007년 봄 가뭄 시 7개 군 12개 지구에 간척지가 조성됐 거나 매립공사가 진행 중인 전라남도의 경우 5곳의 간척지 담수호 염농도가 벼 생육 한계농도로 알려진 0.3%를 초과 하여 어린 모의 고사 및 생육불량 등으로 피해를 보았다. 간 척지 경작 농민들은 가뭄이 반복 될 때마다 모내기를 수 차 례 반복하는 등의 피해를 겪어 왔으며, 간척지 담수호 조작 과 관리에 대해 민원을 제기하고 있는 실정이다 (KRCC, 2005).
최근의 간척지 담수호에 대한 연구는 조류 유통 차단에 따른 부영양화 발생 및 확산 방지를 위해 영양염류 모니터 링 및 모델링 연구가 주를 이루고 있으며 (Kwun et. al, 1990; Lim and Kim, 2001; Yoon et al., 2001; Hwang et al., 2003; Lee et al., 2009) 일부 신규 조성 간척지 담수호 의 초기 염농도 모니터링 (Shin et al., 2006) 및 염농도 증 가 원인 분석 (Sung, 2010)에 대한 연구가 수행된바 있으나 담수호 염농도에 대한 지속적 모니터링을 통해 염분변동 특 성을 구명하고자 하는 연구는 부족한 실정이다.
행하였다.
Materials and Methods
담수호 염농도 실시간 원격 모니터링 장비는 완도군 완도 읍에 위치한 완도지구 간척지에 설치하였다 (34°18′30.28″N, 126°41′34.16″E). 완도지구 간척지는 1989년 착공하여 1999 년 완공되었으며, 방조제 1,115 m, 내부 방수제 2,070 m 건 설을 통하여 농지 185 ha와 담수호 158 ha가 조성되었다.
간척지는 주로 논으로 활용되고 있으며 5월 15일부터 10월 15일까지 아침 6시부터 저녁 6시까지 취수장을 통하여 담수 호 물을 취수하여 상류 농경지에 공급하였으며, 공급된 관 개용수는 담수호 상류 농경지를 거쳐 배수로를 통해서 다시 담수호로 들어왔다 (Fig. 1). 간척지 조성 후 10년이 지나 대 부분의 농경지에서 제염이 진행되었으나 봄 가뭄 시 담수호 의 염농도가 주기적으로 상승하여 염 피해를 겪고 있다.
염농도 측정 설비는 담수호 상류 농경지로 담수호 물을 취수하여 보내는 펌프장 입구에 설치하였다 (Fig. 1). 5월 20일 18:00부터 2시간 간격으로 9월 20일 18:00시까지 4개 월 간수질 측정 장비인 MS5 (Stevens, USA)를 활용하여 이
Fig. 2. Remote monitoring system on water salinity in reclaimed land lake, Wando.
Table 1. Rainfall distribution in reclaimed land lakd during farming season(‘09).
Date 5/20-21 6/9-10 6/20-22 6/29 6/30 7/6-7 7/10 7/11 7/14
Rainfall (mm) 95 25 33 35 27 44 8 59 1
Date 7/15-16 7/21 7/24 7/28-29 8/7 8/11 8/21 8/27 8/31
Rainfall (mm) 122 12 44 87 8 30 15 4 6
온전극법으로 온도, pH, EC, Salinity를 측정하였으며, 측 정된 자료는 자료수집장치인 DuoSens (OTT, Germany)에 기록 후 CDMA 모뎀 (EMII-800K, Korea)을 통하여 전북 익 산에 위치한 국립식량과학원 벼맥류부 연구실로 송신토록 하였다 (Fig. 2). 측정 수심은 수면으로부터 0.7 m 깊이로써 설치 당시 수심 1.5 m인 설치 지점의 중간 깊이로 하였으며 강우 직후에는 표층과 심층의 염농도 차이가 1 dS m-1 이상 나타나기도 했으나 영농기의 지속적인 취수장 펌프 가동으 로 인해 표층과 심층의 염농도 차이는 크지 않았다. 본 연구 장비의 경우 장기간 수중에서 측정되는 만큼 염분 측정값의 정확도를 비교하기 위하여 동일지점에서 담수호 수리시설을 관리하는 한국농어촌공사 (KRCC: Korea Rural Community Corporation)의 협조를 받아 얻은 현장 염도계 (YSI30, USA) 측정값을 본 연구의 결과와 비교하였다. 담수호 염농도 변 화 요인 분석을 위한 기상자료는 모니터링 지점과 약 1 km 정도 거리에 있는 기상청 AWS (전남 완도군 완도읍 정도리 소재)자료를 이용하여 수집하였다. 또한, 담수호의 수위 변 화를 측정하기 위하여 압력식 수위계인 Diver (Eijkelkamp, Netherlands)를 설치하여 6월 9일 15시부터 한 시간 간격으 로 강우 및 배수문 조작에 따른 수위 변동을 분석하였다. 염 농도 원격모니터링 측정치와 현장 염도계 측정치의 상관 및
회귀분석은 Microsoft Office Excel 2007을 이용하였다.
Results and Discussion
간척지 담수호 수질 원격모니터링
담수호 염농도 변 화에 직접 영향을 주는 강수는 시험기간인 2009년 5월 20일 부터 9월 20일까지 총 655 mm가 내렸다 (Table 1). 7월 15 일에서 16일 사이 가장 많은 122 mm의 강우가 온 것을 비롯 해 총 18회의 강우사상이 기록되었다. 이앙기인 5월 20~21 일 95 mm의 강우가 오고 약 20일 동안 무강우 기간이 계속 되었으나 이후 6월 중하순부터 강우가 집중되어 7월 말까지 지속되었다.측정 지점의 담수호 수위는 강우가 집중되었던 6월말에 서 7월까지 급격한 상승과 하강을 반복하였다 (Fig. 3). 담 수호를 관리하는 농어촌공사에서는 강우 시 담수호 수위가 급격히 상승하면 방조제 및 시설물의 안전을 위하여 배수갑 문 외측 수위가 낮아지는 시점에 1~2시간 정도 배수갑문을 열어 수위를 조절하였다. 강우가 없을 경우에는 표면 증발 및 상류 농경지 관개 등으로 수위가 점차 줄어드는 경향을 보였다. 배수갑문 조작의 경우 해수 유입으로 담수호 염분 상승 우려도 있는 만큼 (KRCC, 2005) 담수호 염농도도 실
Fig. 5. Changes of pH in subjected lake during farming season.
Fig. 6. The comparison of salinity changes between remote monitoring system and samples evaluated from KRCC
†in research area during farming season in 2009 (
†KRCC: Korea Rural Community Corporation).
시간 점검하여 관리에 반영할 필요가 있을 것으로 판단된다.
담수호의 성층화, 용존산소 분포, 수중 생태계 변화 및 염분 변화에 영향을 주는 환경 요인 중 하나인 수온은 (Newton and Mudge, 2003; Shin et al., 2006; Thornton et al., 1990) 5월 하순에 들어서면서 20℃를 초과하여 점차 상승하 는 경향을 보였다 (Fig. 4). 강우 등 외부 유량 유입 시 수온 이 감소하기도 하였으나 8월 말까지는 지속적으로 증가하 는 경향을 보였으며 강우 시를 제외하고는 일교차도 5°C 내 외로 변동폭이 크지 않았다.
pH의 경우 강우 시 7에 가까운 값을 보였으나 무강우 시 에는 급격한 변화를 보여 일간 7～9 사이 값을 반복하였다 (Fig. 5). 이는 소규모 담수호로서 영농기 동안 20°C를 넘는 높은 수온과 함께 강우 시를 제외하고는 물이 정체되어 있 어 조류가 쉽게 확산되고, 확산된 조류의 광합성에 의해 물 속의 pH가 증가되었기 때문으로 판단된다 (Thornton et al., 1990; Lee at el, 2009).
완도 간척지 담수 중 상류 농경지로 관개되는 관개수의 염농도 변화는 Fig. 6과 같았다. 영농기 동안 결측된 부분 없이 안정적인 염농도 측정 및 전송이 이루어 졌으며, 전반 적으로 벼 생육 초기인 5월 하순에서 6월에 높은 값을 보이 다 장마기간 이후 낮아지는 경향을 보였다. 세부적인 담수 호 염농도 변화를 살펴보면, 5월 하순 담수호의 염농도는 0.3%에 육박하였으나 5월 21일 95 mm의 강우로 인해 0.1%
이하까지 떨어졌다. 이후 5월 중하순 상류농경지 관개를 위 해 취수장 펌프가 가동되면서 하루 0.03%의 기울기로 급격 히 증가하다 염농도 0.2% 이상부터는 점진적인 증가 경향 을 보였다. 이앙기인 5월 말에서 6월초까지 무강우 기간 동 안 염농도가 계속 상승하여 0.28%까지 올라갔으나 6월 9일 25 mm, 6월 20일 33 mm 강우로 벼 생육의 한계 염농도로 알려진 0.3%를 초과하지 않아 벼 이앙 및 초기 생육에 큰 지장은 없었다. 이후 4～10일 간격의 강우로 인해 염농도가 지속적으로 감소하였고, 7월 15일 122 mm 강우 후에는 0.05% 이하로 낮아졌다. 6, 7월 동안의 많은 강우로 인해 담수 중의 염분이 희석되었으나, 7월 하순부터는 강우가 줄
면서 다시금 담수 중의 염농도가 점진적으로 증가하는 경향 을 보였다.
벼 생육초기부터 6월말까지 담수호의 염농도가 0.2% 내 외까지는 0.03%/일로 급격히 증가하다 0.2%이상에서는 염 농도 증가율이 0.003%/일로 줄어드는 경향을 보였는데 이 는 완도 간척지 담수호의 고유한 수문 및 염분 유입, 유출 변동 특성에 기인한 것으로 이에 대한 해석은 추가적인 연 구가 필요할 것으로 생각된다.
Fig. 7. Comparison of salinity measurement methods between remote monitoring system and samples evaluated from KRCC
†in research area during farming season in 2009 (
†KRCC:
Korea Rural Community Corporation).
Fig. 8. Regression analysis between rainfall and water salinity in reclaimed lake (
‡WS0: water salinity before rainfall, WS1: water salinity after rainfall).
Fig. 9. Comparison between measured and calculated salinity after rainfall.
간척지 담수호의 염농도가 주기적으로 여름철 장마 기간 동안 낮아졌다가 이후 점차 증가하는 현상은 지형, 기상, 담 수유입량, 염분유입량 등의 다양한 환경 조건에 영향을 받 는데 (Kang, 1993; Lee et al.,2009; Shin et al., 2006;
Sung, 2010), 지속적인 염분 변동 모니터링을 통해 담수호 수자원의 활용이 어려울 정도로 상승되는 것이 확인된다면 염분 상승의 원인이 되는 해수 침입 등 (Lim and Kwun, 1989; Sung et al., 2010)에 대한 구조적 대책 수립이 필요 할 것으로 판단된다.
본 연구기간 동안에는 벼 생육초기 담수호 염분 상승에 의한 염해가 발생하지 않았으나 봄철 기상 변화에 따라 염 해 발생 가능성은 상존 (Kang, 1993; Lim and Kwun, 1989;
KRCC, 2005)하고 있음으로 안정적인 벼 재배를 위해서는 체계적인 담수호 염농도 모니터링이 지속되어야 할 것으로 생각된다.
담수호 염농도 원격모니터링 측정값 적용성 평가
모니터링 시스템의 측정 정확도를 평가하기 위해 담수호 염 농도에 대한 원격모니터링 측정값과 한국농어촌공사에서 현장 염도계로 측정하여 야장에 기록해 보관하고 있는 염농 도 값을 비교하였다 (Fig. 6, Fig. 7). 그 결과 전 시험기간 동안 염농도 원격모니터링 측정값은 현장 염도계 측정 값과 시계열적 변동 경향이 잘 일치하였다. 염농도가 급격히 증 가하는 0.1~0.2% 구간에서는 한국농어촌공사의 측정치가 약간 높은 것으로 나타났으나 전체적으로 두 측정치 (n = 45)가 상관계수 0.95 (p<0.01), RMSE 0.026로 유사한 값을 보였다. 이는 본 시스템이 담수호 염농도 관리를 위한 주기 적인 염농도 측정의 노력과 시간을 절약해 줄 수 있을 뿐 아니라, 급격한 담수호 염농도 변화를 신속하게 파악하여 전 파하는데 활용될 수 있을 것임을 시사한다.
간척지 담수호의 염농도 상승에 따른 선제적 영농활동 및 수문 운용 계획 수립을 위해서는 실시간 모니터링과 함 께 모니터링 데이터를 기반으로 한 변동 예측도 필요하다.
간척지 담수호의 염농도 변동 예측을 위해서는 염농도 변화 에 정량적 영향을 줄 수 있는 유출입 유량과 염분농도의 측 정이 필요하나 (Lim and Kwun, 1989; Kang, 1993; Sung, 2010) 이는 매우 많은 시간과 노력을 필요로 한다. 따라서, 본 연구에서는 지속적인 모니터링 결과를 바탕으로 해당 간 척지 담수호의 염농도 변동을 예측할 수 있는 경험식을 구축 하고자 수문학적 유출이 일어날 수 있는 10 mm 이상의 강우 사상에 대해서 염농도 변화에 가장 큰 영향을 미치는 강우
Conclusions
간척지 담수호로 관개하는 완도군 완도간척지구의 염피 해 경감을 위한 염농도 실시간전파 및 예측 시스템을 구축 하기 위해 영농기 염농도 원격 모니터링 시스템을 설치하고 현장 적용성을 평가하였다. 그 결과, 영농기간 동안 지속적 이고 안정적인 염농도 측정값을 송신하였으며 한국농어촌공 사의 현장 실측 값과 비교하였을 때 상관계수 0.95 (p<0.01), RMSE 0.026로 유사한 값을 보여 정확성을 입증할 수 있었 다. 주기적인 담수호 염농도 상승으로 염피해를 겪었던 완 도지구의 경우 2009년 영농기에는 5월 중순부터 6월 초순 까지 이앙기 동안 120 mm 이상의 강우로 인해 담수중의 염 농도가 0.3%를 초과하지 않아 이앙 및 초기 벼 생육에 큰 지장은 없었다. 염농도 변화에 가장 큰 영향을 미치는 강우 량과 강우 전후의 담수호 염농도 간에는 [강우 후 농도(%)]
= 0.621×[강우 전 농도(%)]×exp[-0.0139×강우량(mm)], (r2= 0.579, p<0.01)의 회귀식을 유도할 수 있었다. 이 식을 가지 고 계산한 강우 후 염농도 값과 실제 측정치 간에는 기울기 1.16으로 높은 유사성을 보여 강우에 따른 담수호 염농도 변 화 설명 및 예측에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
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