Issue
05
1. 서론
수자원을 효율적으로 이용하기 위해서는 공급원 의 지속가능성, 물 배분의 형평성, 용수공급의 경 제성 등을 함께 고려해야 하며, 기후변화 등으로 인 해 수자원의 공급 안정성이 위협받고 있는 최근에 는 그 중요성이 더욱 강조된다. 과거에는 안정적인 용수공급을 위해 공급원을 더 확보하기 위한 구조 물적 공급관리 방안이 주로 논의되었으나, 최근에
는 환경문제와 공급가능 수자원의 한계에 직면하면 서 수요관리 및 물 이용효율을 높이기 위한 방안이 주로 모색되고 있다. 본 연구팀은 국제수문개발계획 (International Hydrological Programme, IHP) 제8단계(2차년도~4차년도) 연구의 일환으로 유역 단위의 효율적인 물 관리를 위한 용수배분 메커니즘 을 연구하였으며, 최종적으로 최적 물 배분 모형을 개발하였다. 국내에서 널리 활용 중인 K-WEAP 모 형을 기반으로, 보다 탄력적인 물 배분 모의를 수행 할 수 있도록 최적화 기법을 개선하고, 수자원의 용 도별 경제적 가치를 산정하여 물 배분 시 목적함수 로 활용하였다. 본 기사에서는 국내외 기존 물 배분 모형들의 다양한 특징을 소개하였으며, 개발모형의 개발 과정 및 적용 결과를 통해 물 배분 계획에서 의 사결정도구의 역할과 기능을 강조하였다. 특히, 본 연구는 국제협력연구로서 연구협력국가인 인도네시 아의 관련 연구사례를 소개하고, 개발모형의 활용방 안을 제시하였다.
2. 수자원계획 및 관리기법 소개
2.1 수자원계획과 물 배분 모형
우리나라는 수자원장기종합계획이 국가 수자원 개발, 공급, 관리를 위한 최상위 계획이며, 이중 물 배분은 하위 계획 중 하나인 이수부문으로 구분된 정 건 희
호서대학교 토목공학과 교수 gunhuic@gmail.com
정 기 문
경희대학교 사회기반시스템공학과 석·박사 통합과정
gimoon1118@gmail.com 강 두 선
경희대학교 사회기반시스템공학과 교수 doosunkang@gmail.com
수자원의 효율적 이용을 위한 거버넌스, 계획, 관리, 배분기법 개선
(부제: 유역단위 물 관리를 위한 최적 물 배분 메커니즘 연구)
다. 물 배분 계획이란, 구체적으로 유역 내에서 사용 할 수 있는 공급 가능량과 사용자가 요구하는 수요 량을 산정하고, 공급 환경의 지속가능성, 사용자의 공급 만족도, 용수 공급의 경제성 등 다양한 지표를 고려하여 수자원의 배분량을 결정하는 과정이라고 할 수 있다. 우리나라는 가뭄 제한급수 시 하천유지 용수의 공급 우선순위가 가장 낮으며, 생활·공업용 수의 우선순위가 가장 높다. 최근에는 제한급수 시 수자원의 경제적 가치, 즉 용수 공급량에 따라 발생 하는 경제적 효과를 극대화하기 위한 물 공급 방안 을 검토하고 있다. 수자원계획 시 고려해야 할 요소 가 많아지면서 이를 지원하는 물 배분 모형의 역할 이 점차 확대되고 있다. 아래에는 수자원의 경제적 가치를 고려한 수자원-경제 물 배분 모형(Hydro- economic model)을 포함하여, 몇 가지 대표적인 모 형들을 통해 물 배분 모형의 주요 기능 및 발전과정 을 소개하였다.
2.2 기존 물 배분 모형의 비교
물 배분 모형의 개발 및 적용은 1970년대 후반에 본격적으로 시작되었다. 그러나 초기의 물 배분 모 형들은 이용 가능한 수자원을 다양한 배분 시나리 오에 분배한 후 과부족량을 모의하는 비교적 단순 한 기능만을 제공하였으며, 본격적인 의사결정도구 로서의 활용은 최적화 기법을 연계하여 개발된 최
적 물 배분 모형이 개발된 후부터 시작되었다. 대표 적인 최적 물 배분 모형은 미국에서 개발된 WEAP (Jenkins et al., 2005) 모형이며 (그림 1a), 지표수 와 지하수, 재이용수 등 다양한 물 공급원과 수요처 의 특성을 고려하고, 사용자를 위한 GUI 환경을 제 공하는 등 모형 적용성이 확장되었다. 특히, 우리나 라의 과학기술부와 건설교통부에서는 WEAP 모형 을 국내 여건에 맞게 개선하여 K-WEAP 모형을 개 발하였으며, 2006년부터 현재까지 수자원장기종합 계획 수립을 지원하고 있다.
이후, 용수 공급 안정성뿐만 아니라, 용수배분 에 따른 경제적 편익을 산정하기 위한 모형들이 개 발되었으며, 대표적으로 CALVIN(Newlin et al., 2002)과 AQUARIUS(Diaz and Brown, 1997) 모 형은 용수공급에 따른 경제적 편익과 비용을 모 의할 수 있는 대표적인 수자원-경제통합 모형이 다. 이밖에도 MODSIM(Johnson and LaMarche, 2013), AQUATOOL(Andreu et al., 1991), RIVERWARE(Shafer and Labadie, 1978) 등의 모 형이 개발되어 폭 넓게 활용되고 있다. 조사된 물 배 분 모형들의 특징은 표 1과 같이 정리할 수 있으며, 관련 의사결정도구의 특징 및 활용사례를 분석함으 로써 최적 물 배분 모형의 효과적인 개발방향을 수 립하였다.
(a) WEAP 모형의 User Interface
그림 1. 기존 물 배분 모형들의 물 공급 네트워크 및 User Interface 예시
(b) AQUATOOL 모형의 User Interface
3. 수자원-경제통합 물 배분 모형의 개발
3.1 최적 물 배분 알고리즘의 개선
일반적으로 최적 물 배분 모형에서는 네트워크 전 체의 용수공급 만족도를 최대화하는 것이 물 배분의 목적이며, 공급 우선순위, 수원(水源) 선호도, 공급 제약조건 등을 고려한 선형계획법(LP)이 주로 적용 되어 왔다. 이 때, 대부분의 기존 모형들은 단위 모 의시간 별 최적화를 수행하기 때문에 전체 모의기간 을 동시에 고려한 최적화가 불가능하고, 경제성 분 석을 물 배분 단계에서 고려할 수 없다는 단점을 포 함한다. 따라서, 개발모형에서는 K-WEAP 모형의 기본적인 기능을 유지한 채 이러한 단점을 개선할 수 있는 확장 형태의 모형을 개발하였으며, 구체적 인 차이점은 다음과 같다.
K-WEAP 모형에서는 선형계획법을 이용한 최적 물 배분 시, 단위 모의시간 별로 최적화를 수행한다 (Single-step LP, SSLP). 그림 2(a)에 도시한 바와 같이, 시간상으로 앞선 모의시간부터 최적화를 수 행하며, 댐 저수율 등의 물 배분 결과를 다음 모의 시간의 초기 값으로 적용하여 최적화를 반복 수행한 다. 이러한 모의 방법은 앞선 모의시간의 결과를 수 정할 수 없기 때문에, 모의 후반으로 갈수록 물 부족 이 심화되거나, 댐의 저수율 유지 등 탄력적인 물 배 분을 도출할 수 없는 단점이 있다. 본 연구에서는 이 러한 단점을 개선하여 전체 모의시간을 동시에 고려 한 최적 물 배분을 수행하도록 알고리즘을 개선하였 다(Full-step LP, FSLP). 즉, 그림 2(b)와 같이 전 체 모의시간의 물 배분량을 한 번의 최적화 수행으 로 동시에 결정할 수 있도록 함으로써, 장래에 발생
(a) SSLP 최적화 구조
그림 2. 최적 물 배분 모의방식 비교
(b) FSLP 최적화 구조 표 1. 대표적인 물 배분 모형의 기능 비교
Model Optimization
algorithm Simulation period Objective function Economic analysis GUI
WEAP LP Single Reliability Post-process High
AQUARIUS QP (Sequential) Semi-full Benefit Support Middle
MODSIM LP Single Cost Support High
RIVERWARE LP, Heuristic Semi-full Reliability Not support Middle
AQUATOOL LP Full Reliability Not support Advanced
CALVIN LP (Sequential) Semi-full Benefit Support Not support
가능한 물 부족을 미연에 대비할 수 있는 탄력적인 물 배분 계획 수립이 가능하다.
3.2 수자원의 용도별 경제적 가치 산정
최적 물 배분 모형의 일차적인 역할은 다양한 물 부족 및 분쟁에 대응하기 위한 양적 검토와 형평성 있는 배분방안을 도출하는 것이다. 또한, 적절한 용 수 배분을 통해 경제적 편익을 최대화하는 것도 중 요한 역할이 될 것으로 판단되며, 따라서 물 공급 시 수자원의 경제적 가치 평가가 선행되어야 한다.
수자원의 가치는 용도와 지역에 따라 달라질 수 있 으며, 외부 환경(기후변화, 가뭄 등)에도 영향을 받 으므로 이를 정량화하기 위한 다양한 연구가 수행 되어 왔다. 자원의 가치란, 특정 자원의 유무에 따 라 발생하는 편익 또는 손실을 화폐단위로 표현한 것을 의미한다. 본 연구에서는 국내에서 수행된 바 있는 수자원의 경제적 가치평가 사례를 조사하고 분석하였으며, 이를 최적 물 배분 모형에 적용하였 다. 수자원장기종합계획에서 조사한 국내 용수 사 용량을 기준으로 용수의 용도별 경제적 가치를 추 정한 결과, 생활용수와 농업용수의 경제적 가치는 각각 연간 약 6조원에 해당하며, 공업용수의 경우 약 11조원에 해당하는 것으로 분석되었다. 단위 공 급량에 따른 용수의 가치는 공업용수가 가장 높고, 반면 농업용수가 가장 낮은 것으로 분석되었으며, 이는 생활용수의 공급 우선순위가 가장 높은 기존 물 배분 방식과 병행하여 분석이 수행되어야 할 것 으로 판단된다.
3.3 수자원-경제통합 물 배분 모형의 개발 및 적용 본 연구에서는 최적화 알고리즘 개선과 경제적 가 치 산정을 통해 수자원-경제통합 모형을 개발하였 으며, 최적 물 배분 시 공급안정성과 경제성 등 서로 다른 목적함수를 이용하여 다양한 전략의 물 배분을 수행할 수 있다. 최근 개발되고 있는 모형들은 이용 자의 모형 활용 편의성을 높이기 위해 GUI 환경의 플랫폼을 제공하고 있으며, 이는 자료 입출력의 편 의성과 시뮬레이션 결과의 이해를 높이기 위한 기능 이다. 그러나 물 공급 네트워크가 대규모이거나, 공 급 관계가 복잡하게 연계되어 있는 물 공급 과정을 이해하는 것은 해당 모형 또는 수계의 전문가에게도 많은 시간과 노력을 요구한다. 비전문가를 포함한 이해관계자의 참여 및 소통을 원활하게 하기 위해서 개발모형은 물 공급 계통만을 고려한 단계도 형태로 간소화하였다. 또한, 단일 구성요소별로 연계된 물 공급 요소와의 상세한 공급 관계를 제공하는 객체지 향해석을 통해, 복잡한 물 공급 구조를 이해하지 못 하더라도 모의결과 분석에 손쉽게 참여할 수 있도록 개선하였다(그림 3 참조).
국내 남한강 유역 적용 결과, 저수시설의 인근에 위치한 우선순위가 높은 수요처에서 물 부족이 발 생할 경우, 기존 모형에서는 이전 모의기간에서 이 를 고려하지 못하고 하류의 수요처에서 요구하는 용 수를 모두 공급하는 양상을 보였다. 반대로 개발모 형에서는 이전 모의기간동안 저수시설에서 우선순 위가 낮은 수요처에 용수공급을 제한하는 등 저수량 을 확보함으로써 운선순위가 높은 수요처의 물 부족 피해를 감소시키는 양상을 보였다. 이는 FSLP 방식
그림 3. 개발모형(WAMM)의 사용자 플랫폼 (예시)
을 통해 해당 기간의 물 부족을 사전에 파악하여 여 유 용수를 댐 등에 확보하였기 때문이며, 보다 탄력 적인 물 배분이 가능함을 알 수 있다. 또한, 공급 우 선순위가 아닌 경제적 편익을 목적으로 최적 물 배 분을 수행할 경우, 물 배분 결과는 수자원의 경제적 가치가 더 높게 평가된 수요지의 물 부족을 최소화 하기 위한 물 배분을 시도하였으며, 기존 우선순위 에 따른 배분 결과보다 경제적 편익이 크게 증가하 는 것으로 나타났다.
4. 국제연구협력과 기대효과
본 연구에서는 개발모형의 적용성을 확대하기 위 해, 해외 연구교류를 통해 개발모형을 국외 유역에 적용하고, 관련 기술을 교류함으로써 글로벌 모형 을 개발하고자 계획하였으며, 인도네시아 반둥에 위 치한 UNPAR(Parahyangan Catholic University) 와의 국제연구협력 체계를 갖추었다. 본 연구에서 는 인도네시아 Citarum 강 유역의 일부인 West Tarum Canal (WTC) 유역을 대상으로 수행된 바 있는 물 배분 모형의 적용 사례를 통해, 개발모형의 적용 및 보완 방향을 모색하였다. WTC 유역의 용수 공급 구조는 아래의 그림 4를 통해 파악할 수 있다.
인도네시아는 지속적인 용수 사용량의 증가로 인
해, 2030년까지 WTC를 통한 자카르타의 생·공업 용수 공급량이 절반 가까이 증가할 것으로 전망하였 으며, 이에 대응하기 위해 RIBASIM 모형을 활용한 대응전략 분석연구를 수행한 바 있다. WTC를 통한 생·공업용수 공급량의 증가는 WTC 유역의 농업 용수 공급에 영향을 미치며, 추가적으로 인근에 위 치한 NTC 유역의 농업용수 부족 현상을 가중시키 는 것으로 나타났다. 경제적 측면에서는 농업 생산 량이 감소하여 농업 순이익 또한 크게 감소할 것으 로 분석하였으며, 관련기관에서는 대응전략으로써 용수 공급량을 확대를 위한 기반 시스템의 구축 및 운영 계획을 모의하여 비교, 분석하였다. 이처럼 인 도네시아에서는 물 배분 모형을 활용한 용수공급 계 획 분석 시 용수공급 방안에 따른 경제적 효과를 상 대적으로 비중 있게 분석하고 있는 것으로 조사되었 다. 특히, RIBASIM 모형을 활용한 연구에서는 생·
농·공업용수의 우선순위 및 댐 저수량 분배, 재정 적 문제 등 다양한 물 공급 상황을 고려하기 위해 여 러 단계의 공급 시나리오를 통해 최적의 대응전략 수립에 접근하였다. 따라서, 개발모형을 적용할 경 우, FSLP 방법을 통한 장기간 최적 물 배분이 가능 하고 또한 편익산정이 가능하므로, 이와 같은 탄력 적인 물 분배 문제 해소에 보다 효과적인 정책결정 지원 도구로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
(a) WTC의 유역 구조 (b) WTC의 취수 현황 및 흐름도
그림 4. 인도네시아 West Tarum Canal (WTC) 유역의 용수공급 계통
5. 결론
기후변화와 더불어 수자원을 둘러싼 환경의 변화 가 심화됨에 따라, 물 배분 계획 및 관련 의사결정 도구의 활용도가 점차 증가하고 있다. 대부분의 국 가에서는 물 부족에 효과적으로 대응하고, 효율적 인 용수 배분 방안을 계획하기 위해 물 배분 모형을 개발하여 활용하고 있다. 본 연구에서는 물 배분 시 수자원의 경제적 가치를 함께 고려할 수 있는 수자 원-경제통합 물 배분 모형을 개발하였다. 개발모형 은 K-WEAP 모형을 바탕으로, 최적 물 배분 알고 리즘을 개선하고, 수자원의 경제적 가치를 목적함수 로 추가하였다. 또한, 모형의 네트워크 구조를 간소 화하여 수자원계획 참여자의 이해도를 개선하였다.
국내 남한강 유역의 적용 결과, 개발모형을 활용할 경우 공급 우선순위 또는 경제적 가치가 높은 수요 처를 중심으로 보다 탄력적이고 경제적인 물 배분이 이루어지는 것을 확인하였다. 수자원의 경제적 가치 평가는 국제사회에서도 점차 강조될 것으로 판단되 며, 따라서 개발모형은 국제협력을 통해 적용범위를 점차 확대할 계획이다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부의 2017년 국제수문학프로 그램(IHP) 연구지원 사업에 의해 수행되었습니다.
Andreu, J., Capilla, J., and Sanchis, E. (1991). “AQUATOOL: A computer-assisted support system for water resources research management including conjunctive use”, In Decision Support Systems (pp. 333-355). Springer Berlin Heidelberg.
Diaz, G. E. and Brown, T. C. (1997). “AQUARIUS, a modeling system for river basin water allocation”
Jenkins, Marion W., Guilherme F. Marques, Francis K. Lelo, and Scott N. Miller. (2005)
“WEAP as a participatory tool for shared vision planning in the River Njoro Watershed in Kenya”, World Water and Environmental Resources Congress 2005, Anchorage, ASCE.
Newlin, B. D., Jenkins, M. W., Lund, J. R., and Howitt, R. E. (2002). “Southern California water markets: Potential and limitations.”, Journal of Water Resources Planning and Management, 128(1), 21-32.
Shafer, J., and Labadie, J. (1978). Synthesis and Calibration of a River Basin Water Management Model, Completion Report No. 89. Colorado Water Resources Research Institute, Colorado State University, Ft. Collins, CO.
Johnson, J. and LaMarche. (2013). Water Management Modeling in the Deschutes Basin using MODSIM. Paper presented at the American Water Resources 2013 Annual Water Resources Conference, Nov 5, 2013. Portland, OR.
국토해양부 (2011). 수자원장기종합계획(2011~2020).
정기문, Wicaksono, A., 정건희, 강두선. (2016). "수자원의 효율적 이용을 위한 거버넌 스, 계획, 관리, 배분기법 개선", 물과 미래, 한국수자원학회, 49(4).
참고문헌
