SWAT 모형을 이용한 보령댐 도수로 운영 방안 및 정책 연구
박범수1⋅윤효직2a⋅홍용석2b⋅김성표2c,†
1한국수자원공사 감사실⋅2고려대학교 환경시스템공학과
A Study on the Optimal Operation and Policy of the Boryeong Dam Diverion Pipe Line Using the SWAT Model
Bumsoo Park1⋅Hyo Jik Yoon2a⋅Yong Seok Hong2b⋅Sung Pyo Kim2c,†
1Audit & Insepcetion Department, K-water⋅2Department of Environmental system engineering, Korea University (Received 07 September 2020, Revised 25 November 2020, Accepted 26 November 2020)
Abstract
While industrialization has provided in abundance, the pollution it creates has caused untold damage to the environment, increasing the frequency and severity of natural disasters through changes in global climate patterns.
The World Risk Forum’s (WEF) World Risk Report presented the results of a survey of experts from around the world detailing the most influential risk factors over the next decade. Notably, the failure to respond to climate change ranked first and the global water crisis third. The extreme drought in the western Chungnam province was unexpected in 2016. At the time, the water level of Boryeong Dam was drastically decreased due to receiving less than half the average recorded rainfall in the region that year. The Boryeong Dam diversion pipeline has the capacity to solve the water shortage problem between these two regions by providing water from Geumgang to the western part of Chungnam, including Boryeong City. Current weather trends suggest drought is likely to continue in western Chungnam, which uses the Boryeong Dam as an intake source. This makes it necessary to operate Boryeong Dam diversion pipeline in an efficient and effective manner. SWAT is a watershed scale model developed to predict the impact of land management practices on water. The SWAT model was used in this study to evaluate the adequacy of the Boryeong Dam diversion pipeline operational plan by comparing it to present Boryeong Dam diversion pipeline operation. By investigating the number of days required to reach each reservoir stage, we determined that the number of days required to reach the boundary stage was less than that of the current operation. This determination accounts for the caveats that the Boryeong Dam waterway was not operated and only one pump will be operated from October to May of next year. As our results suggest, the most stable operation scenario is to operate two pumps at all times.
This can be accomplished by operating two pumps from the caution stage to increase the number of pumps whenever the stage is raised. In addition to the stable operation of the Boryeong Dam pipeline, policy considerations are required with regard to imposing a water use charge on users of the Boryeong Dam region.
Key words : Boryeong-Dam diversion pipe line, Drought, Operation, Policy, SWAT
1 차장(Senior Manager), [email protected], https://orcid.org/0000-0002-1958-8399
2a 박사과정 (Ph.D. Student), [email protected], https://orcid.org/0000-0002-2267-4036
2b 교수 (Professor), [email protected], https://orcid.org/0000-0001-5944-6515
2c,†Corresponding author, 교수 (Professor), [email protected], https://orcid.org/0000-0002-6648-2984
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1. Introduction
현대에서의 물 사용량은 사회적 발전 정도에 큰 영향을 받 고 있다. 최근 기상이변으로 인한 물 부족의 심화는 더욱 가 속화되고 있으며, 세계 각국은 물 확보를 위해 여러 가지의 대안을 강구 중이다(Lee, 2012). 또한, 기후변화로 인한 평균 기온의 증가로 용수수요 및 증발산량의 증가, 연강수량 변동 을 초래하고 있으며 강수량 및 유출량의 계절적 패턴의 변화 심화로 인해 수자원에 대한 불확실성이 증가하고 있다(Korea research institute for human settlements, 2011).
이에 국내에서도 댐 건설 비용 대비 얻을 수 있는 효과에 대한 의문이 제기되면서, 댐의 건설을 지양하고, 물 부족의 문제성을 물 안보의 측면에서 새롭게 접근하고 있다. 물 안 보에 대한 접근은 크게 하수 재이용 같은 대체수자원의 개발 이나, 기존의 댐이나 하천에서 확보한 물을 더욱더 능동적이 며 효과적으로 사용할 수 있는 시스템의 개발로 요약할 수 있다(Yi, 2014).
2015년 가뭄으로 인해 2015년 1월부터 8월까지 충청남도 의 농업용 저수지 저수율은 크게 감소하였으며, 농업용수의 부족으로 충청남도 서산시, 당진시, 서천군, 홍성군, 태안군 에서는 간척지의 염분농도 증가에 따라 농작물 피해가 발생 하였다(Office for government policy coordination and Korea meteorological administration, 2016)
본 연구의 대상지역으로 선정한 보령댐도 2015년 가뭄으 로 인해 역대 최소 저수량을 기록 중이었으며, 지속적인 가 뭄이 지속할 경우 2016년 3월 고갈이 예상되어 2015년 8월 부터 하천 유지용수 감축을 시작으로 하여 9월에는 생활 및 공업용수 일 2만 톤을 추가로 감축하여 용수관리 중이었다.
이에 보령댐 급수지역의 가뭄 피해를 줄이기 위하여 2015년 9월 24일 국가정책 조정회의에서 보령댐 도수로 설치를 결 정하였고, 2015년 11월에 공사를 시작하여 2016년 2월에 통 수를 시행하였다.
은 보령댐 유역을 대상으로 SWAT 모델 적용을 통해 기후 변화 시나리오와 다중 회귀분석으로 산정한 미래 방류량을 활용하여 극한 기후변화 사상이 반영된 보령댐의 물 부족을 평가하였다(Kim et al., 2018). 모델에 적용 할 물 수지 분석 을 위해 보령댐 유역을 대상으로 기상자료와 운영 자료를 수 집하였으며, 신뢰성 있는 유출량 보정을 위해 보령댐의 실측 방류량을 이용하여 댐 운영 모의를 고려하였고 유입량 및 방류량 자료를 활용하였다. 물 부족 평가 결과에 따르면 2037∼2046년 기간에서 5∼10년 빈도의 심도를 가지는 물 부족이 기준기간 (2007∼2016)보다 2회 더 발생하였으며, 2037∼2046년에는 물 부족 계획 수립이 필요하다고 판단하 였다. 이는 보령댐을 취수원으로 하는 충남 서부권 지역의 가뭄은 앞으로도 지속적으로 발생할 가능성이 많다는 것을 의미한다.
보령댐 도수로 운영 효과를 분석하기 위해 1998년부터 2015년까지 보령댐의 실측 유입량 자료를 토대로 보령댐 저 수지 모의운영을 했고 그 결과 도수로를 상시 운영하는 경우 보령댐의 기본계획 공급량을 충족하지만 도수로를 운영하지
않는 경우보다 무효방류량이 약 2배가량 증가하는 것으로 분석되었다(Choi, 2017). 도수로를 경계 단계에서 심각 단계 까지 운영하는 경우(임시운영Ⅰ)와 심각 단계에서 주의 단계 까지 운영하는 경우(임시운영Ⅱ)에는 도수로를 운영하지 않 을 때 비해, 용수공급 효과는 증가하지만, 여수로로 방류되 는 물의 양은 유사한 것으로 분석되었다. 임시운영 Ⅱ로 적 용한다면 용수공급 증대 효과는 감소하지만, 보령댐 도수로 를 운영하는 측면에서는 효율적인 운영이라고 제시하였다.
보령댐 도수로는 지역 간의 물 부족 문제를 효율적으로 해 소하기 위해 금강의 하천수를 보령시를 비롯한 충남 서부권 지역에 보급하는 시설로서 가뭄 발생으로 인해 수계 간 용수 전환을 시행한 국내 최초의 사례이다. 이러한 도수로 설치는 국내외적으로 사례를 찾기 힘들다 보니 도수로의 운영방안 과 관련된 연구사례 또한 위에서 기술한 논문 외에는 찾아보 기 힘든 실정이다. 따라서 도수로를 여러 정책적인 측면에서 어떻게 운영해야 하는지에 대한 연구가 필요하며, 이에 본 연구에서는 향후 보령댐 도수로 운영방안에 대한 방법론 및 정책적 대안을 찾고자 하였다.
2. Materials and Methods
본 연구에서는 우리나라 최초로 유역 간 용수공급을 시도 한 보령댐 도수로가 설치된 보령댐 유역을 연구 대상으로 선 정하였으며, 도수로의 설치 위치는 Fig. 1과 같다. 전술한 것 처럼 본 연구의 목적은 향후 가뭄이 지속해서 발생하면 보령 댐의 기존 저수율 유지를 위해 필요한 보령댐 도수로를 가동 하는 최적의 시기가 언제인지와 얼마의 물량을 보내는 것이 적정한지를 도출하는 것이다. 이를 위해 보령댐 유역의 특성 및 유역에서 다소 멀리 떨어진 지점에 있는 보령댐 도수로 유입량을 반영하기 위해 적정한 강우-유출 모형의 선정이 필 요하였다.
일반적으로 저수지 유출량 산정을 위해 강우-유출 모형을 이용하며, 정확한 유출량을 계산하기 위해서는 적절한 수문 학적 순환 특성자료, 수리학적 입력 자료 등이 중요하다. 그 리고 정확한 유출해석을 위해서는 유출에 영향을 미치는 매 개변수들의 결정 또는 추정이 필요하다. 대부분 매개변수는 기상학적, 지형학적, 지질학적 특성 인자들로 구분되며, 이러 한 인자들에 대한 공간적 변화의 고려 여부에 따라 집중형 모형과 분포형 모형으로 구분할 수 있다.
과거에는 간편성으로 인해 유역을 대표하는 매개변수의 평 균값을 입력하여 유출량을 산정하는 집중형 모형을 사용하 였으나, 고성능 컴퓨터 및 지리정보시스템(GIS)의 개발로 다 양한 공간자료를 수집, 가공할 수 있게 되었다. 이에 여러 유 역 기상학적, 지형학적 특성 인자와 수문 관련 매개변수의 공간적 변화를 고려한 수문학적인 모형화가 더 효율적으로 가능해짐에 따라 기존의 집중형 모형의 단점을 보완하여 다 양한 분포형 모형의 개발 및 적용과 관련된 연구가 활발하게 진행되고 있다 (Choi, 2013).
분포형 강우-유출 모형인 Soil and Water Assessment Tool (SWAT)은 크고 복잡한 유역에서 장기간에 걸친 모형화 수
행을 목적으로 다양한 종류의 토양과 토지이용 및 토지관리 방법의 영향을 종합적으로 예측하기 위해 개발된 모델로서 기존에 수행한 연구에서 적용한 모델보다 보령댐과 보령댐 도수로 현황을 더욱 실제와 유사하게 반영할 수 있을 것으로 판단하여 본 연구에 적용하였다.
SWAT은 미국 농무부 산하 농업연구소(USDA Agricultural Research Service, ARS)에서 개발한 유역모델로서 SWRRB (Simulator for Water Resources in Rural Basins)의 직접적인 파생물로서 수백 ㎢의 유역에서도 사용할 수 있었다. 그러나
SWRRB에서 소유역은 10개로 제한됨에 따라, 해당 문제점
을 개선한 Routing Outputs to Outlet (ROTO) 모델을 개발하 였다. ROTO 모델은 수차례 모의가 가능하고, 저수지 및 물 길에서의 흐름 추적으로부터 결과를 얻을 수 있는 장점을 가 지고 있다(Neitsch et al., 2011).
ROTO는 소유역 유역만 모의가 가능한 SWRRB의 제한성 을 극복하였으나, SWRRB의 실행은 ROTO와 별개로 수행해 야 하고 물길과 저수지 추적을 위해 별도로 ROTO에 입력하 여야 했다. 이러한 불편함을 해결하기 위해 SWRRB와
ROTO를 합쳐 하나의 모형 SWAT이 탄생하게 되었다. 이로
써 크고 복잡한 유역에 대한 수문학적 모의가 가능하게 되었 으며, SWAT는 SWRRB와 ROTO의 장점을 흡수하여 현재까 지 지속해서 기능이 확장되고 있다(Arnold and Williams, 1995).
SWAT 모형은 물수지 방정식을 기본으로 하며, 토지 부분
의 수문 순환을 정확하게 예측하기 위하여 각 수문반응단위
(HRU)별로 강수량, 증발산, 유출, 지하수 등에 대한 모의를
진행한다. 이런 요소들은 Hydrologic Model (HYMO)와 유사 한 구조를 사용해 수계망을 통하여 추적된다(Williams and Hann, 1972).
SWAT은 운송 손실을 추정하기 위하여 SCS 수문핸드북
(SCS, 1983)의 Lane방법을 사용하며, 수문 모델은 각 소유역
에서 유출 체적과 첨두유출량을 제공하고 이것은 유출 침식 에너지 변수를 산정하는 데 이용된다(Wischmeier and Smith,
1978). 또한, SWAT은 일 또는 시간 단위의 강수량을 이용해
서 각 HRU에서의 지표 유출량과 첨두 유출량을 모의하며, 지표 유출 체적은 SCS 유출 곡선 방법의 수정 방법 혹은 Green and Ampt (1911)가 고안한 침투방법을 사용하여 계산 된다.
SWAT은 다양한 토지 피복내 물수지를 모의하기 위해 식 물 성장 모델을 사용하는데 일별 식물의 질소와 인의 필요량 은 식물 구성 분자의 실제 농도와 최적 농도의 차이로부터 계산되며, 구성 분자의 최적 농도는 성장 단계에 따라 변한 다(Jones, 1983). 또한, 증발산은 하천, 호수, 식물 표면으로 부터의 증발과 식물 잎으로부터의 증산, 얼음 및 눈의 표면 으로부터 승화 등 모든 과정을 포함하며, Ritchie (1972)에 의 해 제안된 식을 통하여 토양과 식물로부터의 증발이 계산된다.
보령댐 도수로 운영방안에 대한 보다 실제적인 연구를 위 해 먼저 해당 유역의 GIS 자료를 이용하여 보령댐 유역의 수치 지형모델(Digital Elevation Model, DEM)을 구축하였고
Fig. 2와 같이 보령댐 유역을 38개 소유역으로 구분하였다.
그리고 유역 유출부인 27번 소유역에 보령댐을 위치시켜 저 수 면적, 총 저수 용량 등 제원을 입력하였고 보령댐 도수로 방류지점 위치인 23번 소유역에 포인트 소스를 입력하였다.
구축한 DEM 자료에 환경 공간정보 서비스(https://egis.
me.go.kr)에서 제공하는 해당 유역의 중분류 토지이용도를 입력하였으며, 흙토람(http://soil.rda.go.kr/soil/index.jsp)으로 불리는 토양환경정보시스템을 통하여 405개로 분류된 토양 도 자료를 확보하여 입력하였다(Fig. 3).
구축한 SWAT 모델에 2009년에서 2018년까지의 강우량, 상대습도, 최고⋅최저기온, 풍속 자료를 Fig. 4와 같이 기상 청으로부터 수집하여 입력하였고 일사량 자료는 SWAT 내 에서 자동 생성하여 모형을 구축하였다.
댐의 설계유입량은 저수지 용량 결정 등에 이용되며 준공 이후 안정적인 댐 운영에도 큰 영향을 미치게 되므로 설계 시 매우 중요하므로 댐 지점에서 실측된 장기간의 유량 자료 를 이용하여 산정 하는 것이 원칙이다(Ministry of land, 서해
금강서해
삽교천
금강
µ
대권역 경계 보령댐 유역
하천 도수로
취수장 방류지점
DEM High : 1604
Low : -22
Waterway Discharge
Point
Pumping Center Geumgang
West Sea
Sapgyo cheon
Geumgang
Boundary
BoryeongDam bain
River diverion pipe line
Fig. 1. Location of Boryeong Dam basin and diversion pipeline.
DEMHigh : 656
Low : 34
Fig. 2. DEM based small watershed classification and inflow point of lake and waterway.
SoilClass ANRYONG ASAN BAEGSAN BANCHEON BANSAN BONGGYE BONRYANG CHEONGSAN CHILGOG GAGHWA GALJEON GANGDONG GEUMGOG GWACHEON HAMO HANRIM HOGYE HWANGRYONG IMGOG WATER JISAN MAEGOG MANSEONG MUDEUNG NAMGYE OESAN OGCHEON SEOGGYE SEOGTO SONGJEONG TOGYE UGOG YONGGYE YONGJI CHEONGRYONG HONGCHEON Rocky Land RC RCS
Fig. 3. Status of soil type in Boryeong Dam basin.
Fig. 4. Weather data for the last 10 years in the Boryeong Dam basin (2009-2018).
transport and maritime affairs, 2011). 보령댐이 위치한 웅천 천은 보령댐 설계 당시 수위 및 유량 관측소가 존재하지 않 아 인근에 있는 보령댐 설계 당시 결측년수가 없는 장기간의 유량 자료를 보유하고 있었던 용담 수위관측소의 자료를 이 용하였다(Ministry of Works, 1990).
보령댐은 이러한 용담 수위관측소의 유량 자료를 토대로 설계되었으며, 일반적으로 댐은 댐의 저수위 및 방류량을 측 정하여 유입량을 역추정하는 방법으로 유입량 자료를 구축 한다. 보령댐은1998년에 준공된 이후 현재까지 실측 수문 자 료가 구축되어 있으며, 본 연구에서는 2009년부터 2018년 까지 총 10년간의 보령댐의 실측 유입량을 수집하여 적용 하였다.
국토교통부는 가뭄 시 댐의 용수공급량 조정을 통해 선제 적으로 용수비축을 하여 국가 재난 예방을 위한 댐의 적정 용수공급능력 확보를 위해 ｢댐 용수공급 조정기준｣을 수립 하였다. 보령댐도 ｢댐 용수공급 조정기준｣에 따라 Table 1.
과 같이 단계별 기준 저수량에 도달하게 되면 댐의 용수공급 량 중 생활용수, 하천 유지용수, 농업용수의 일정량을 조정 하여 용수 부족이 발생하지 않도록 운영한다. 또한, 경계 단 계에서 보령댐 도수로를 가동하고 보령댐 저수량이 관심 단 계 기준 저수량에 도달하면 가동을 종료하게 되어있다 (Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2019).
본 연구에서는 보령댐 도수로의 적정 운영방안을 모색하기 위해 Table 2.와 같이 도수로 운영기준을 미운영, 연중 상시 운영, 10월∼이듬해 5월 운영, 10월∼이듬해 3월 운영, 기준 저류량에 도달 시 탄력적으로 운영하는 총 5가지 방안으로 시나리오를 세워 운영하여 모의를 시행하였다.
시나리오별 운영기준을 구축한 SWAT 모델에 적용하여 3 년(2016∼2018)의 보령댐 저수량을 산정하였고 이를 실제 보령댐 도수로 운영 시 보령댐 저수량과 비교하였다. 그리고 시나리오별 운영방안 간 비교 분석을 위해 댐 용수공급 조정 기준별 도달일수를 활용하였다.
보령댐 저수량이 댐 용수공급 조정기준 수량에 도달하면 필요 감축량만큼의 용수를 감축시켜 공급하게 된다. 관심 단 계에 도달한 일수는 생⋅공용수의 여유량을 감축시켜 공급 한 일수를 의미하며, 주의 단계에 도달한 일수는 하천 유지 용수를 100% 감축시켜 공급한 일수, 경계 단계에 도달한 횟 수는 농업용수를 감축시켜 공급한 일수, 심각 단계에 도달한 횟수는 생⋅공용수 계약량의 20%를 감축시킨 일수를 의미 한다. 따라서 보령댐 저수량이 각 단계에 도달한 일수를 산 정함에 따라 용도 별 용수 감축일수를 파악할 수 있다.
이에 본 연구에서는 보령댐 도수로 운영 시나리오에 따라 시나리오별 보령댐 저수량이 용수공급 조정기준별 각 단계 에 도달한 일수를 산정하고 기존 보령댐 도수로 운영방식에 따른 단계별 도달일수와 비교 분석하여 어떤 운영방안이 최 적인지를 도출코자 하였다.
그리고 실제로 보령댐 도수로 운영 시에는 가압장별 펌프 를 점진적으로 가동하며 가압장 2개소 모두 1대 운영을 시작 으로 최종적으로는 총 4대까지 가동하며 각 펌프 용량은
28,800㎥/일로 같은 것으로 가정하였다. 따라서 1대 운영 시
에는 28,800㎥/일, 2대 운영 시에는 57,600㎥/일 공급이 가능 하며. 최대로 펌프 4대 운영을 통해, 115,000㎥/일까지 보낼 수 있다.
또한, 보령댐 도수로를 취수하는 백제교 수위관측소의 유 량 자료를 확인한 결과 평균 유량이 약 100㎥/s이며, 최소유 량이 20㎥/s 이상인 것으로 나타난다. 보령댐 도수로 운영시
펌프 4대 전체를 가동하더라도 취수물량이 115,000㎥/일
(1.33 ㎥/s)로서 최소유량보다 미만이므로 상시운영에는 문
제가 없을 것으로 판단된다.
3. Results and Discussion
해당 모형에서 최적의 목적함수 값을 나타내는 매개변수들 을 구하기 위해 Fig. 5와 같이 2016년 1월 1일부터 2017년 6
Required reduction volume of water supply
Notice Supply of demand (living, industrial, agricultural and stream maintenance water)
Caution Reduce the stream maintenance water (up to 100%)
and Supply of demand (living, industrial, agricultural)
Warning Additional Reduce the agricultural water :
20% (April to June) and 30% (July to September) Danger Additional Reduce the living and industrial water : 20%
Table 1. Standard for adjustment of water supply by stage
Condition for operation of Boryeong Dam diverion pipe line
Scenario 1 No operation
Scenario 2 Always operation
Scenario 3 Operation (October to May)
Scenario 4 Operation (October to March)
Scenario 5 Operation according to the standard water storage volume Table 2. Selection of the operation plan for Boryeong Dam
월 30일까지 보정(Calibration)을 수행하였으며, 보정된 매개 변수 값은 2017년 7월 1일부터 2018년 12월 8일까지 검정을 시행하였다. 검보정에 활용된 Parameter와 선택값은 Table 3 과 같다.
SWAT 모형의 보령댐 유입량과 저수량 모듈 적용성 평가
에 사용한 목적함수는 수문모형평가의 지표로써 널리 사용 되고 있는 Nash-Sutcliffe Model Efficiency Coefficient (NSE)값을 이용하였다(Palla and Gnecco, 2018).
보령댐 유입량에 대하여 검보정을 시행한 결과 Fig. 6과 같이 보정 기간의 경우 실제로 측정된 보령댐 유입량과 모의 Fig. 5. Calibration of Boryeong Dam inflow.
Parameter Description Min Max Selected Value
Basin input file *.bsn
SFTMP Snowfall temperature [C] -5 5 1
SMTMP Snowmelt base temperature [C] -5 5 0.5
SMFMX Maximum snow melt rate [mm/C*day] 0 10 3.7
SMFMN Minimum snow melt rate [mm/C*day] 0 10 2
TIMP Snow pack temperature lag factor [-] 0 1 1
SURLAG Surface runoff lag coefficient [days] 1 24 2.5
ESCO Soil evaporation compensation factor [-] 0.01 1 0.5
EPCO Plant uptake compensation factor [-] 0.01 1 1
IPET
Potential evapotranspiration (PET) method.
There are four options for potential ET calculations:
0 Priestley-Taylor method 1 Penman/Monteith method 2 Hargreaves method 3 read in potential ET values
- - 0
ICN
Daily curve number calculation method
0 calculate daily CN value as a function of soil moisture 1 calculate daily CN value as a function of plant evapotranspiration
2 use traditional SWAT method which bases CN on soil moisture but retention is adjusted for mildly-sloped tileddrained watersheds
- - 2
CNCOEF Plant ET curve number coefficient. 0.5 2.0 0.3
Groundwater input file *.gw
GW_DELAY Groundwater delay time [days] 0 500 31
ALPHA_BF Baseflow alpha factor [days] 0 1 0.01
GW_REVAP Groundwater revap coefficient [-] 0.02 0.2 0.02
RCHRG_DP Deep aquifer percolation fraction [-] 0 1 0.01
GWQMN Threshold depth of water in shallow aquifer for return flow [mm] 0 - 1700 Reservoir input file *.res
RES_K Hydraulic conductivity of the reservoir bottom [mm/hr] 0 - 1.5
EVRSV Lake evaporation coefficient 0 1 1
Table 3. Standard for adjustment of water supply by stage
값 사이의 결정계수(R2)는 0.958, Nash-Sutcliffe 모델효율
(NSE)은 0.948로 나타났으며, 검정 기간의 실측치와 모의값
사이의 결정계수(R2)는 Fig. 7과 같이 0.930, NSE는 0.906로 나타났다.
또한, 보령댐 저수량에 대해서도 같은 기간 동안 검보정을 실시한 결과 보정 기간의 경우 Fig. 8과 같이 결정계수(R2)는 0.958, Nash-Sutcliffe 모델효율(NSE)은 0.948로 나타났으며, Fig. 9 과 같이 검정 기간의 결정계수(R2)는 0.930, NSE는
0.906로 나타나 구축한 SWAT 모형의 예측결과가 실제와 유
사한 것으로 나타났다.
검보정을 완료한 SWAT모델을 이용하여 시나리오별로 모 의를 시행하였으며, 실제 보령댐 도수로 운영방식과 유사하 게 모의하기 위해 시나리오별로 펌프 1대를 시작으로 순차 적으로 펌프운영 대수를 증가시키는 방향으로 시행하였다.
그리고 펌프 대수를 늘리면 유지관리비가 올라가므로 각 시 나리오에서 보령댐 저수량이 기존 운영방식과 근접하게 모 의 되는 경우 펌프 대수를 더 늘리지 않고 다음 시나리오로 넘어가는 방식으로 수행하였다.
또한, 시나리오별로 운영방안 간 비교 분석을 위해 앞서 언급한 국토교통부 댐 용수공급 조정기준별 도달일수를 활 용하였다. 단계별 도달한 일수는 단계별 기준에 따라 생활용 수, 공업용수, 하천 유지용수, 농업용수를 감축하는 일수를 의미한다. 따라서 같은 조건이라면 기존 보령댐 도수로 운영 방식보다 경계 단계에 도달한 일수의 비율이 낮으면, 비교적 안정적인 운영방식이라 평가할 수 있으므로 본 연구에서는
보령댐 도수로 운영방안 평가 기준을 단계별 도달일수의 비 율로 판단하였다.
보령댐의 용수공급 조정기준에 따른 각 단계별 저수량을 표시하고 각 시나리오별로 모의한 보령댐 저수량과 기존 운 영 방식에 따른 보령댐 저수량을 도식화하였다. 또한, 각 저 수량이 단계별 저수량에 도달한 일수를 총 운영일수의 비율 로 표현하여 시나리오에 따른 운영시와 기존 운영시를 추가 로 비교 분석하였다.
3.1 시나리오 1 : 보령댐 도수로 미운영
먼저 보령댐 도수로가 운영되지 않았을 경우 어떤 결과가 나타났을지 예측하기 위해 구축된 모형에서 보령댐 도수로 입력값을 제외하고 모의를 시행하였다. 모의 결과 Fig. 10과 같이 댐 용수공급 조정기준 상심각 수준으로 내려가는 경우 가 발생하였다. 이는 전체 모의 기간의 8.7%에 해당하는 기 간으로서 보령댐 도수로를 운영하지 않았다면 보령댐 저수 량이 상당한 기간 동안 심각 수준으로 내려갈 수 있었음을 보여준다.
3.2 시나리오 2 : 보령댐 도수로 상시 운영
두 번째로는 보령댐 도수로를 상시로 운영하는 방안을 모 의하였으며, 펌프 1대만 가동했을 경우를 모의하고 점진적으 로 가동 펌프를 늘려주는 방식으로 모의하였다. 모의 결과 상시로 펌프 2대를 운영할 경우 기존 운영 방식보다 댐 저수 량이 안정적으로 유지되어 펌프 3대 이상 가동하는 경우에 Fig. 6. Calibration results of Boryeong Dam inflow. Fig. 7. Validation results of Boryeong Dam inflow.
Fig. 8. Calibration results of Boryeong Dam water storage. Fig. 9. Validation results of Boryeong Dam water storage.
대해서는 모의를 진행하지 않았다.
도수로 펌프를 상시 1대를 운영할 경우 기존 운영방식에서 의 최저 저수량보다 적어지지는 않으나, 일정 기간 경계 단 계 기준 저수량 미만으로 내려가는 것으로 나타났으며 (Fig.
11a), 2대를 운영하는 경우 심각 단계 기준 저수량뿐만 아니 라 경계 단계 미만으로 내려가는 경우도 발생하지 않았으며, 모의한 기간 내내 주의 단계 기준 저수량 이상을 유지하는 것으로 나타났다(Fig. 11b).
3.3 시나리오 3 : 10월∼익년 5월 운영
보령댐 도수로 상시 운영시 펌프 전력비, 약품비 등 유지 관리비 측면에서 불리하므로 현실적인 보령댐 도수로 운영 방안을 검토하기 위해 운영기간을 한정하는 것은 필수불가 결하다. 이에 먼저 여름철 집중호우 및 태풍 발생에 따른 댐 저류량이 급격히 증가하는 시기인 6∼9월을 제외한 10월에 서 익년 5월까지 8개월간 보령댐 도수로를 운영하는 방안으 로 모의하였다.
10월에서 이듬해 5월까지 8개월간 도수로 운영 시, 펌프 1
대만 운영할 경우에는 심각 단계 기준 저수량 미만으로 내려 가지는 않지만 경계 단계 기준 저수량 미만으로 유지되는 기 간은 기존 보령댐 도수로 운영 시와 기간 상으로는 유사한 것으로 모의 되었으며 (Fig. 12a), 같은 기간 동안 펌프 2대 를 운영하는 경우 기존 보령댐 도수로 운영 시와 비교하더라
도 보령댐 저수량이 2017년 9월 이후 기간을 제외하고는 기 존 운영 실적보다 높은 수준으로 유지되는 것으로 나타났다 (Fig. 12b).
3.4 시나리오 4 : 10월∼익년 3월 운영
보령댐 도수로 운영 기간이 짧아질수록 전력비, 약품비 등 운영관리비는 감소함에 따라 유지관리에 유리하므로 8개월 간 운영하는 시나리오에 추가적으로 10월에서 익년 3월까지 6개월간 보령댐 도수로를 운영하는 방안을 추가로 모의하 였다.
10월에서 이듬해 3월까지 6개월간 도수로 운영 시 펌프 1 대만 운영할 때는 심각 단계 기준 저수량 미만으로 내려가는 기간이 발생하였으며(Fig. 13a), 같은 기간 동안 펌프 2대를 운영하는 경우 경계 단계 기준 저수량 미만으로 유지되는 기 간은 기존 보령댐 도수로 운영 시와 기간 상으로는 유사하나 저수량이 주의 단계 기준 저수량으로 유지되는 기간이 다소 짧게 모의 되었다 (Fig. 13b).
3.5 시나리오 5 : 단계별 조정 운영
마지막 시나리오는 댐 저수량 기준에 따른 단계별 운영을 위해 주의, 경계 단계 등 특정 단계별 도수로 운영물량을 설 정하고 기준 저수량 이하로 떨어지면 다음 달부터 보령댐 도 수로를 설정 물량으로 운영하는 방식이다. 현재 댐 용수공급
Fig. 11a. Operation with one pump (Always, scenario 2). Fig. 11b. Operation with two pumps (Always, scenario 2).
Fig. 10. Simulation results of water storage in accordance with scenario 1.
조정기준에서는 보령댐 저수량이 경계 단계에 진입하면 보 령댐 도수로를 운영하게 되어 있으나, 본 연구에서는 가뭄 발생에 따른 주민 피해를 최소화하기 위해 보령댐 도수로 운 영을 주의 단계에 진입하면 가동을 시작하는 방식으로 전환 하여 모의를 시행하였다.
마찬가지로 펌프 1대 가동을 시작으로 단계별로 가동대수 를 늘려나가는 방식으로 모의하였고, Fig. 14a는 보령댐 저수 량이 주의 단계에 진입하면 펌프 1대를 가동하고 경계 단계 에 진입하면 2대, 심각 단계에 진입하면 3대를 운영하는 방 식일 경우 펌프 운영패턴이고, Fig. 14b는 주의 단계에 진입 Fig. 12a. Operation with one pump (October∼May, scenario 3). Fig. 12b. Operation with two pumps (October∼May, scenario 3).
Fig. 13a. Operation with one pump (October∼March, scenario 4). Fig. 13b. Operation with two pumps (October∼March, scenario 4).
Fig. 14a. Pattern of one pump operation.
Fig. 14b. Pattern of 2 pump operation.
하면 펌프 2대를 가동하고 순차적으로 1대씩 늘려나가면서 운영할 때의 펌프운영 패턴이다. 기존 도수로 운영방식과 비 교를 위해 기존 펌프 운영패턴도 함께 표시하였다.
주의 단계에서 펌프1대로 운영을 단계적으로 시작하는 운 영할 때는 심각 단계 기준 저수량 미만으로 내려가는 경우는 발생하지 않았고 일부 구간을 제외하고는 기존 운영방식보 다 저수량이 적거나 유사하게 유지되었으며(Fig. 15a), 주의 단계에서 펌프 2대로 운영을 시작으로 해서 단계적으로 펌 프 가동대수를 증가시켜 운영하는 경우 보령댐 저수량은 심 각 단계 기준뿐만 아니라 경계 단계 기준 저수량 미만으로 내려가는 경우도 발생하지 않았다(Fig. 15b).
4. Conclusion
본 연구에서는 보령댐 유역의 유입-유출 SWAT 모델 구축 을 위하여 해당 유역의 GIS 자료, 토지 현황자료, 토양도 와 2009년에서 2018년까지의 기상자료(강우량, 상대습도, 최고⋅최저기온, 풍속)를 수집하였다. 일 강수량, 최고/최저 온도, 일사량, 풍속 및 상대습도 등 기상자료들을 입력하여
SWAT 모형을 구축하였고 검보정을 시행하여 정확도를 향
상시키는 과정을 거쳤다.
또한, 구축된 SWAT 모형을 통해 보령댐 도수로의 합리적 인 운영방안을 모색하기 위해 운영기준을 미운영, 연중 상시 운영, 10월∼이듬해 5월 운영, 10월∼이듬해 3월 운영, 기준
저수량에 도달 시 탄력적으로 운영하는 총 5가지 방안으로 시나리오를 구분하고 시나리오별로 펌프를 순차적으로 1대 씩 증가시키면서 모의를 시행하였다. 시나리오별로 보령댐 저수량이 용수공급 조정기준별 단계에 도달한 일수를 산정 하고 기존 보령댐 도수로 운영방식에 따른 용수공급 조정기 준별 단계 도달일수와 비교 분석하였다.
분석 결과 Table 4와 같이 펌프 2대를 상시 운영하는 “시
나리오 2-2”에서 보령댐 저수위가 경계 단계이하로 내려가지
않고 주의 단계 도달일수가 최소로 발생하므로 가장 안정적 인 보령댐 도수로 운영방안이라고 할 수 있다. 또한, 관심단 계까지는 보령댐 도수로를 운영하지 않고 주의 단계부터 펌 프 2대를 운영하여 단계가 상향될 때마다 펌프 대수를 늘리 는 “시나리오 5-2”도 경계 단계 이하로 보령댐 저수량이 내 려가지 않았으며 두 번째로 주의 단계 도달일수가 적게 발생 하여 비교적 안정적인 운영이 가능한 것으로 판단된다.
보령댐 도수로 운영에 있어서 안정적인 운영도 중요하지 만, 보령댐 수계 사용자에 대한 물이용 부담금 부과, 유지관 리비, 환경생태유량 등 정책적으로 고려해야 할 요소가 있으 므로 각종 정책적인 사항을 고려할 때 보령댐 도수로를 어떻 게 운영하는 것이 바람직한지에 대해 검토하였다.
4.1 물이용부담금
보령댐 도수로는 금강을 취수원으로 하므로 보령댐 수계에 서 용수를 사용하는 주민이나 수용가는 톤당 170원의 물이
Scenario Separation Percentage of reach days by step
Danger Warning Caution Notice Normal
Present operation 0.0% 18.8% 39.8% 7.1% 34.3%
Scenario 1 No operation 8.7% 33.3% 29.8% 6.7% 21.5%
Scenario 2 (Always operation)
2-1 1 Pump 0.0% 8.1% 51.1% 9.5% 31.3%
2-2 2 Pumps 0.0% 0.0% 15.5% 42.2% 42.2%
Scenario 3 (Oct∼May operation)
3-1 1 Pump 0.0% 17.7% 44.6% 8.3% 29.4%
3-2 2 Pumps 0.0% 0.1% 51.6% 14.1% 34.1%
Scenario 4 (Oct∼March operation)
4-1 1 Pump 0.3% 19.8% 43.4% 10.3% 26.2%
4-2 2 Pumps 0.0% 16.1% 47.7% 7.3% 28.8%
Scenario 5 (Caution-Warning-Danger)
5-1 1→2→3 Pumps 0.0% 7.6% 52.9% 9.7% 29.8%
5-2 2→3→4 Pumps 0.0% 0.0% 54.8% 12.1% 33.0%
Table 4. Selection of the operation plan for the Boryeong Dam diversion pipeline
Fig. 15a. Operation of 1 to 3 pumps (step by step, scenario 5). Fig. 15b. Operation of 2 to 4 pumps (step by step, scenario 5).
용 부담금을 추가로 부담해야 한다. 이는 기존 보령댐 수계 에서 용수를 사용하는 주민이나 수용가 입장에서는 천재지 변인 가뭄 발생으로 인한 상황으로 인해 개인들의 재산상 손 실일 초래한다는 측면에서 문제의 소지가 있다.
따라서 물이용 부담금 문제를 고려하면 보령댐 도수로 운 영물량을 되도록 줄이는 방향이 유리하기 때문에 모의한 시 나리오 중 보령댐 도수로를 통해 보령호로 공급된 물량이 최
소인 10월에서 이듬해 5월까지 운영하는 Table 5와 같이 “시
나리오 3-2”가 가장 적합한 것으로 보인다.
4.2 유지관리비
보령댐 도수로를 운영하게 되면 취수장, 가압장 펌프 설비 운영을 위한 전력비와 전처리시설 운영을 위한 약품비가 소 요되므로 가압장 펌프 가동대수가 적고 보령댐 도수로의 운 영기간을 줄어드는 경우가 유리하다.
즉, 유지관리비 측면에서 봤을 때 운영물량과 더불어 운영 시간을 줄이는 방향이 유리하기 때문에 이에 모의한 시나리 오 중 Table 5와 같이 도수로를 통해 보령호로 공급된 물량 과 운영 기간이 상대적으로 적은 단계별 운영방안 중 주의 단계부터 펌프 1대를 운영하여 순차적으로 펌프 가동을 늘 리는 “시나리오 5-1”이 가장 효율적인 운영일 것으로 판단 된다.
4.3 환경생태유량
하천에서의 생태 유량 확보는 변화된 하천관리 패러다임의 한 축으로서 미국, 호주, 스위스 등 많은 해외 국가에서는 관 련법을 제정하여 운영하고 있다. 이러한 시대적 흐름과 국내 하천관리 변화 움직임을 고려하여, 특정 하천의 적정 생태 유량을 산정하여 공급방안 마련 및 생태 유량 확보가 필요 하다.
보령댐의 저수량이 주의 단계 기준 저수량 미만으로 줄어 들면 하천 유지용수 배분량은 최대 100%까지 감량하고, 농 업용수와 생활⋅공업용수는 실사용량만큼만 공급하므로 환 경생태유량 측면에서 봤을 때 하천유지용수 감량이 시행되 는 주의 단계 이상 도달일수가 가장 적은 경우가 유리하므로
Table 5와 같이 펌프 2대를 상시 운영하는 “시나리오 2-2”가 적합하다고 할 수 있다.
전술한 바와 같이 보령댐 저수량이 안정적인 수준에서 유 지되기 위해서는 보령댐 도수로를 상시 운영이 유리하나, 물 이용부담금 증가에 따른 지역 주민 반발, 특고압 설비 가동 을 위한 전기료 등 유지관리비 증가 문제가 있다. 또한, 보령 댐 도수로 운영시 잦은 펌프 운영 대수 변경은 도수로 시설 및 펌프 설비의 내구성을 떨어뜨리는 요인으로 작용할 가능 성이 높다.
따라서 위 사항을 종합적으로 볼 때 기존 운영방식보다 경 계 단계로 내려가는 도달일수가 적어 보다 안정적인 운영이 가능하고 도수로 운영물량이 최소로서 물이용 부담금 및 유 지관리비가 적게 발생하며, 펌프 1대를 10월부터 다음해 5월 까지 8개월간 지속적으로 운영하여 시설물 내구성에도 유리 한 “시나리오 3-2”가 합리적인 대안인 것으로 판단된다.
Acknowledgement
본 연구는 환경부의 재원으로 한국환경산업기술원의 글로 벌탑환경기술개발사업의 지원을 받아 연구되었습니다. (2016 002120003)
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Scenario Separation Volume
(×1,000㎥) Day Percentage of reach days by step
Policy Danger Warning Caution Notice Normal
Present operation 11,827 134 0.0% 18.8% 39.8% 7.1% 34.3%
Scenario 1 No operation 8.7% 33.3% 29.8% 6.7% 21.5%
Scenario 2 (Always operation)
2-1 1 Pump 10,512 365 0.0% 8.1% 51.1% 9.5% 31.3%
2-2 2 Pumps 21,024 365 0.0% 0.0% 15.5% 42.2% 42.2% Environment ecology Scenario 3
(Oct∼May operation)
3-1 1 Pump 6,998 243 0.0% 17.7% 44.6% 8.3% 29.4% Water use charge 3-2 2 Pumps 13,997 243 0.0% 0.1% 51.6% 14.1% 34.1%
Scenario 4 (Oct∼March operation)
4-1 1 Pump 5,242 182 0.3% 19.8% 43.4% 10.3% 26.2%
4-2 2 Pumps 10,483 182 0.0% 16.1% 47.7% 7.3% 28.8%
Scenario 5 (Caution-Warning-Danger)
5-1 1→2→3 7,546 202 0.0% 7.6% 52.9% 9.7% 29.8% Maintain cost
5-2 2→3→4 11,616 202 0.0% 0.0% 54.8% 12.1% 33.0%
Table 5. Selection of the operation plan for the Boryeong Dam diversion pipeline with water use charge
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