Issue
기후변화 대응 수자원시설물의 물공급 03
예비율 기술 개발
1. 서론
IPCC 5차 보고서(2014)에 따르면 기후변화로 인 한 기온상승, 강수량 패턴 변화, 증발산량 증가 등 수자원 변동성이 더욱 심해질 것으로 전망된다. 우
리나라의 강수량은 대부분 여름철에 집중되어 발생 하는 대륙성 기후 특성을 가지고 있다. 이러한 현상 으로 수자원 관리에 많은 어려움이 있으며 여름철 강우를 제외한 비우기에는 수자원이 부족하여 5~7 년 주기로 가뭄을 겪고 있다. 가뭄의 특징은 시작되 는 시점을 파악하기 어렵고 피해가 발생할 때까지 오랜 시간이 필요하며, 파급효과가 수개월 또는 수 년 동안 지속될 수 있다. 현재 소양강댐의 저수위는 예년에 비해 11.3m나 낮은 실정(2015년 4월 2일 기 준)으로 올해에도 작년과 같은 마른장마가 되풀이 된다면 수도권에 용수를 제한 공급해야 하는 심각한 상황이 발생할 가능성이 있다.
하지만 어떠한 수자원 관리 계획이든 용수수요를 항시 만족시킬 수 없다. 따라서 용수부족으로 인한 사회적·경제적 피해를 최소화 하는 전략이 필요하 다. 국내 수자원 관리 시 안정적인 용수공급을 도모 하기 위하여 댐 건설, 하천 및 제방 정비와 같은 구 조적인 방법과 저수지 운영체제개선, 관련 법규 및 규칙 개정 등의 비구조적인 방법을 이용하고 있다.
구조적 방법 중 신규 댐 건설의 경우 제한된 입지, 댐 상·하류 지역 간의 입장 차이, 환경 및 생태계에 미치는 영향 등 여러 어려움이 있다. 최근 이러한 문 제로 기존 댐의 합리적 운영과 같은 비구조적 방안 을 통한 수자원 확보 대책에 관심이 집중되고 있다.
수자원 장기종합계획(2011)에서 기후변화에 의한 물 황 만 하 ●●●
(협동연구책임자) K-water 연구원 수석연구원 E-mail : [email protected]
이 재 응 ●●●
(위탁연구책임자) 아주대학교 교수 E-mail : [email protected]
이 상 호 ●●●
(위탁연구책임자) 부경대학교 교수
E-mail : [email protected]
장 수 형 ●●●
K-water 연구원 책임연구원 E-mail : [email protected]
공급 취약성이 증가하고 있으며 미래의 안정적인 생 활 및 공업용수 공급과 같은 사회 시스템을 유지하 기 위하여 비상용수를 활용한 용수공급 예비율 개 념의 도입이 필요하다고 언급한 바 있다(그림 1). 또 한, 다목적댐의 경우 댐별 운영기준이 일원화되어 있지 않고 가뭄 시 단계별 용수공급 제한계획은 문 장으로 기술한 규칙에 입각하여 단일 댐의 물 공급
을 제한하고 있는 수준으로 이를 실현할 기술개발을 통해 기후변화에 따른 안정적 용수공급을 지원하기 위한 표준화된 저수지 운영기술이 절실한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 기후변화 대비 물 공급 예비 율을 고려한 저수지 운영기준을 정립하여 안정적인 용수공급능력을 확보할 수 있는 수자원 관리기술 개 발하고 가이드라인을 제시하고자 한다.
그림 1. 댐 수위 및 용량 배분
2. 연구동향
예비율 개념에서 석유도 수자원과 비슷하게 한정 된 자원으로, 특정지역에 편중되어 있어 공급안정성 이 매우 낮은 자원이다. 석유수출국기구(OPEC)가 석유를 무기화하여 산유량을 감축시킴으로써 대규 모 석유공급 위기에 대응하기 위하여 석유비축의 필 요성을 감지하고 1974년 국제에너지기구(IEA)를 설 립하여 공급정책에 대처하는 수단으로 회원국들에 게 석유 수입량의 90일분 이상의 석유비축을 유지 하도록 의무화 했다. 또 한 사회적 이슈가 되고 있는 전력 에너지는 전력공급에 충분한 양을 확보하기 위 하여 예비전력을 산정하고 국가차원의 대응방안을 마련하여 준비, 관심, 주의, 경계, 심각의 경보태세
를 운영하여 통상 전력 예비율이 10%(400만Kw)아 래로 내려가게 되면 비상상황으로 간주하여 전력시 장운영규칙 제 5.1.4조(전력공급 부족시 조치)에 의 거 전력부족 시 조치 기준을 따르게 되어 있다.
수자원 추가 확보에 관한 국외 연구동향 중 호주 와 말레이시아는 예비율 개념의 물 관리 기술 개발 및 실제 적용을 위한 시도가 진행 되고 있으며 미국 의 경우도 New York, California, Tennessee 등의 주에서 자체 가뭄 관리계획을 개발하여 비구조적 방 안을 강구하고 있다. 국내 비구조적 관련 연구는 일 부 진행 되었으나 예비율과 같은 전략적인 대책 마 련과 관련된 연구는 미비한 실정이다. 다목적댐의 댐별 설정된 월별 용수공급계획량을 근거로 물 공급 능력지수를 활용하여 댐의 물 공급 능력을 검토하고
비상용수 공급량을 추가로 고려하였을 때 용수공급 능력이 개선효과를 보였다(문장원 등, 2009). 예비 율 개념 도입은 극심한 가뭄 발생 등의 비상상황에 서 수자원 관리의 효과적인 대응 방안이 될 수 있다.
대부분의 다목적댐은 비상용량이 산정되어 있으나 산정 기준이나 사용에 관한 기준이 명확하지 않다.
또한, 다목적댐의 물 공급 예비율 개념을 도입하 여 추가적인 이수용량 확보와 함께 가뭄의 심화로 인한 피해를 완화시키기 위한 저수지 운영기준 및 기술 개발이 절실하나 국내의 경우 가뭄심화 단계 에 따른 선제적 대처가 아닌 사후적 개념의 가뭄을 대응하고 있는 실정이다. 즉, 국내 가뭄 시 다목적 댐 운영은 댐의 기본계획 공급량을 기준으로 홍수기
전까지 용수공급 가능량을 검토하여 4개의 단계(관 심, 주의, 경계, 심각)를 구분하고 가뭄 단계별 용수 제한공급 비율을 문구로 지정(K-water, 2013)하고 있어 비상가뭄 단계별 대책을 사전에 객관적으로 추 진하는데 어려움이 있다(표 1). 또한, 가뭄심화를 완 화할 수 있는 용수제한공급 실행 저수량이 정의되어 있지 않기 때문에 가뭄심화를 완화시키는 데는 한계 가 있다. 반면, 미국 텍사스 주 GBRA(Guadalupe- Blanco River Authority, 2014)는 가뭄단계별 위기 경보 발령 시기 및 종료 시기를 명확히 명시하고 단 계별로 공급자 및 수요자에게 상세 행동규칙과 제약 조건을 제시하고 있다(표 2).
위기경보 단계 댐의 기본계획 공급량 기준 단계별 용수공급 조정계획
관심 (Blue)
댐 기본계획 공급량의 80~90% 공급
생·공용수 실수요량+농업용수+하천유지용수 공급
⇒ 생·공용수 여유량 감량 주의
(Yellow)
댐 기본계획 공급량의 60~80% 공급
생·공용수 실수요량+농업용수 ⇒ 생·공용수 여유량·하천유지용수 감량, 필요시 농업용수 감량
경계 (Orange)
댐 기본계획 공급량의 50~60% 공급
생·공용수 실수요량 공급 ⇒ 생·공용수
여유량·하천유지용수·농업용수 감량, 필요시 생·공용수 실수요량 감량
심각 (Red)
댐 기본계획 공급량의 50% 이하 공급
댐의 비상용수 공급량 활용 공급
⇒ 하천유지용수, 농업용수, 생·공용수 실수요량 감량
위기경보 단계 위기경보 발령 시기 위기경보 종료 시기
관심 (Stage I)
현 저수위895 feet msl 미만
(72.5%저수량) 30일 연속 저수량 72.5%이상
주의 (Stage II)
현 저수위890 feet msl 미만 (64%저수량)
30일 연속 저수량 64%이상 ⇒ Stage I 단계로 전환 심각
(Stage III)
현 저수위885 feet msl 미만 (56%저수량)
30일 연속 저수량 50%이상 ⇒ Stage II 단계로 전환
비상 (Stage IV)
아래 3가지 조건 동시 만족 시
1) 24개월 이상 운영수위(909msl) 이하 가뭄지속 2) 최소 5%이상 누가 유입부족량 6개월 지속 3) 현 저수위 885 feet msl 미만(56%저수량)
아래 2가지 조건 동시 만족 시
1) 5%미만의 누가 유입부족량 6개월 지속 2) 현 저수위890 feet msl 초과 (64%저수량) 표 1. 국내 다목적댐 가뭄 단계별 운영계획(K-water, 2013)
표 2. 미국 GBRA 가뭄 단계별 운영 계획(GBRA, 2014)
또한 가뭄심도를 완화시킬 수 있는 용수제한공급 (hedging) 기법으로 미공병단(U.S. Army Corps of Engineers, 1996)에서는 저수지 운영률로서 표준운 영률(standard operation policy: SOP), 용수 제한 공급 기법(hedging rule) 등을 소개하고 있다. 표준 운영률은 방류량을 결정하는 단순한 운영률로서, 가
용수량(현재 저수량+예상유입량)과 목표 방류량의 많고 적음에 따라 그림 2와 같이 방류량을 결정하는 운영률이다. 용수 제한공급 기법은 예상되는 물 부 족에 대비하여 그림 3과 같이 사전에 목표 방류량에 대하여 제한공급을 실시하는 것이다.
그림. 2. 표준운영률 (U.S. Army Corps of Engineers, 1996)
그림. 3. 용수 제한공급 운영률 (U.S. Army Corps of Engineers, 1996)
용수 제한공급 기법을 사용한 가뭄 시 저수지 운 영 방안에 관한 연구 사례로 Shih 와 Revelle(1995) 는 이산화 용수 제한공급 기법을 개발하였다. 이산화 용수 제한공급 기법은 단계별 용수 제한공급 실행 저 수량(trigger volume)을 결정하여 단계에 상응하는 방류량을 방류하는 가뭄 시 저수지 운영 기법이다.
Neelakantan 등(1999)은 용수공급을 목적으로 단 계별 용수 제한공급 기법을 저수지군에 적용하였다.
국내에서는 박명기 등(2002)이 대청댐에 대하여 용 수 제한공급 기법을 적용하였으며, 류관형 등(2009) 은 한강 수계에 있는 댐 군에 대하여 용수 제한공급 기법을 적용하였다. 김정엽 등(2014)은 한강 수계 댐 중 주요 댐 5개 지점(소양강, 화천댐, 청평댐, 충주 댐, 팔당댐)을 대상으로 갈수대응을 고려한 한강수계 저수지군 최적 운영시스템을 정식화하였다.
3. 연구 목표 및 내용
홍수조절과 용수공급 기능을 복합적으로 포함하고
있는 다목적댐과 같은 수자원 시설물에서 빈번해진 홍수에 대비하기 위해 홍수조절 능력이 상향 조절됨 에 따라 상대적으로 용수공급 능력은 감소된다. 인명 피해 및 재산피해가 정략적 수치로 집계되는 홍수에 대한 대비는 상대적으로 많은 연구가 진행되고 있지 만, 가뭄에 대한 종합적인 대책은 부족한 상황이다.
자연재해의 증가가 기후변화 때문이라고 단정할 수 없지만, 최근 관측자료 및 기후변화 연구 결과에 따 르면 기후변화는 현실화되고 있다. 기후변화에 따른 수문기상학적 재해 역시 증가할 것으로 전망되고 있 다. 안정적인 수자원 확보 및 용수공급은 국민 삶의 질 향상 및 국가 경제 성장에 필수적인 기술이다.
따라서 2-3 과제에서는 다목적댐 예비율을 고려 한 저수지 운영기술 개발을 최종 목표로 설정하고 다목적댐 물 공급 예비율 적용 모형 정립 기술 개발, 저수지 운영 표준화 기술 및 가뭄 단계별 다목적댐 의 용수 제한공급 규칙 개발(그림 4)을 통해 기후변 화에 유연히 대처하고 효율적이고 안정적인 용수공 급 방안을 제시하고자 한다.
최종목표 달성을 위해 1단계(3년)에서는 기후변 화 대응 댐 예비율 및 저수지 운영기술 개발을 목표 로 1차년도는 국내외 기술동향을 분석하여 각 기술 별 state-of-the-art 보고서 작성하며, 2차년도는 관측 자료를 토대로 현행 운영기준 및 기술에 대한 적합성을 검토한 후 문제점을 개선할 수 있도록 핵 심기술에 대한 개념을 정립하고자 한다. 3차년도는 2-1세부에서 산정된 AR5 기후/수문 시나리오 자
료 및 미래용수수요량을 바탕으로 기후변화에 대응 할 수 있는 핵심기술을 개발하고 시험유역에 적용하 여 활용성을 평가하고자 한다. 2단계는 개발된 기술 의 실용화 및 현업화를 목표로 4차년도는 시험유역 에서 평가된 기술을 확장하여 핵심기술을 고도화 및 객관화하며, 5차년도는 기술별 지침서 및 가이드라 인을 제시하고자 한다(그림 5).
그림 4. 과제 최종목표
그림 5. 단계별 연구추진 전략
4. 연구 예상성과 및 활용방안
가뭄에 의한 사회·경제적 피해를 최소화할 수 있 는 비상용수 확보 방안에 대한 적극적인 노력과 수 자원 개발 및 관리 정책의 필요성이 대두되고 있다.
이상가뭄 발생 시 대처할 수 있는 기술력이 낮아 타 SOC사업과 같이 예비율 개념을 도입하여 비상 시 방어대책을 마련하여 안정적인 운영을 도모하고, 수 자원 확보의 불확실성이 증가함에 따라 지역별 물 부족 특성을 고려한 해당 지역에 적합한 물 확보 전 략수립이 필요하며, 또한, 일원화되어 있지 않는 저 수지 운영 기준에 대한 표준화와 함께 가뭄 심화로 인한 피해를 완화시키기 위한 저수지 운영기술 개발 이 필요하다. 그동안 언론 보도를 통해 전달된 기후 변화에 대한 기사나 연구결과들은 일반 국민들의 관 심을 얻는 데는 성공했지만 이와 함께 자연재해의 막연한 불안감을 심어주었다. 또한 명확한 대응책을 제시하지 못함으로써 여전히 불안감을 해소시키지 못하고 있다.
본 연구의 예상성과는 다목적댐 물 공급 예비율을 고려한 저수지 운영기술로 기후변화로 인해 용수공 급능력이 취약할 것으로 예상 되는 유역의 물 공급 안전도를 평가하여 유역의 비상용수 예비율 산정기 술을 개발하고 저수지 운영 기준 표준화, 용수제한 공급을 위한 실행 저수량 및 제한 공급량을 산정함 으로써 다목적댐의 용수공급 안전도 향상과 함께 안 정적 용수공급을 위한 현 시설물의 운영 방법 개선 등이 이에 대한 해결책을 제시하는데 큰 도움이 될 것이라 예상된다.
또한, 본 연구과제에서 개발된 기술을 확보하게 되면 비상 가뭄 시 제한적 물 공급의 실현 방안을 보 유하게 되며, 이를 통해 물 공급 부족의 심도를 약 화시켜 사회·경제적 피해저감 및 미래의 비상 가뭄 시 저수지군 운영의 활용 기술을 확보 할 수 있을 것 으로 기대된다. 본 연구 성과의 협업화 및 실용화를 위해 개발된 기술에 대한 지침서 및 가이드라인을 작성하고, 세미나 및 간담회 등을 통해 제도 및 정책
에 반영될 수 있도록 추진할 계획이며, 연구성과는 국토교통부나 각 지자체 및 물관련 전문기관과의 적 극적인 협조체제를 구축할 계획이다.
5. 결론
타 SOC 자원의 대표적인 2가지 예로 석유 예비 량과 전력 예비율 있으며 이 두 자원은 수자원과 마 찬가지로 부족량이 발생하게 되면 사회적, 경제적 으로 큰 피해를 초래할 수 있다. 석유 예비량은 국 제에너지기구(IEA)를 설립, 비상상황에 대처하기 위하여 순수입량의 90일분 이상의 석유비축을 의 무화 하였으며 전기예비력은 10%(400만kw)이하 로 내려가게 되면 비상상황으로 간주하여 전력시장 운영규칙에 의거 단계별 조치사항을 실행하게 된 다. 수자원 분야도 IPCC 5차 보고서(2014)에서 기 후변화로 인한 기온상승, 강수량 패턴 변화 등으로 인한 물부족이 심화 될 것이라고 전망됨에 따라 국 외에서는 예비율 개념의 예비 저장방법을 이용하고 있다. 국내에서도 기존에 건설되어 있는 수자원 시 설물을 활용하여 용수공급능력 제고를 위한 방법을 모색하고, 물 공급예비율의 도입사례와 연구추이를 분석, 최적방안을 수립하고 기존 댐 비상용수 개념 과 연계방안을 검토하여 효율적인 수자원 관리방법 을 제시할 필요가 있다고 판단된다. 또한, 다목적댐 저수지의 운영기준 및 기술을 표준화하고 가뭄대비 비상대응체제를 정량화 하여 비상가뭄 단계별 대책 을 사전에 객관적으로 추진하고 저수지 운영효율을 극대화할 필요가 있다.
본 연구는 2세부과제인 “기후변화 적응 안정적 용 수수급 기술 개발”의 단위과제로 2세부 타 과제인
“AR5 RCP 기반 MME 기후 및 고해상도 중장기 수 문 시나리오 생산 및 평가기술 개발”, “기후변화에 따른 권역별 수자원시설 용수공급능력 평가기술 개 발” “유역 및 권역별 극한 물 부족 Emergency Plan 수립” 연구와 유기적인 협조체제를 구축하여 2세부
의 최종 목표인 국가의 중장기 수자원 계획수립, 다 목적댐 효율적 운영 및 극한가뭄 극복체계 구축에 실질적으로 기여하고자 한다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 물관리사업의 연구비지 원(14AWMP-B082564-01)에 의해 수행되었습 니다.
국토해양부 (2011), 수자원장기종합계획(2011-2020).
김정엽, 박명기, 이기하, 정관수 (2014). “한강수계 저수지군의 갈수대응 운영을 위한 hedging rule의 개발과 적용성 평가.” 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, 제47권 제 10호, pp. 891-906.
류관형, 정건희, 이정호, 김중훈 (2009) “Hedging Rule을 이용한 댐 연계 운영 최적화: 한 강수계 사례연구.” 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, 제 42권, 제8호, pp. 643-657.
박명기, 김재한, 정관수 (2002). “단일 저수지의 위험도 평가기준을 고려한 가뭄대비 hedging rule 개발.” 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, 제35권, 제5호, pp. 501- 510.
GBRA (2014). “Drought contingency plan for Guadalupe-Blanco River Authority”
Neelakantan, T.R., and Pundarikanthan, N.V. (1999). “Hedging rule optimisation for water supply reservoirs system.” Water Resources Management, Vol. 13, pp.
409-426.
K-water (2013). “국가안전관리 세부집행계획”
Shih, J., and ReVelle, C. (1995). “Water supply operations during drought: a discrete hedging rule.” European Journal of Operational Research, Vol. 82, pp.
163-175
U.S. Army Corps of Engineers (1996). Developing seasonal and long-term reservoir system operation plans using HEC-PRM. Resources Development, Vol. 7, Hydrologic Engineering Center, Davis, CA.
참고문헌
