Issue
365일 효율적인 물사용과 보전을 위한 01
하천유량 관리 기술 고도화
1. 머리말
최근 미래 물관리 불확실성에 대응하고 안정적인 용수공급을 위한 효율적인 물관리가 하천관리의 중
요한 키워드로 대두되고 있다. 우리나라에서 발생하 는 극한가뭄의 발생주기가 매년 줄어들고 있으며, 강도는 증가하여 용수공급에 차질이 발생할 뿐만 아 니라 하천의 건천화 현상을 유발시켜 수질을 악화시 키는 등 국가의 산업, 환경, 경제, 사회 전반에 심각 한 피해를 주고 있는 실정이다. 수자원을 지속적으 로 유지 관리하기 위해서는 위기에 직면하였을 때 다시 원상태로 복원될 수 있는 능력, 즉 탄력성을 갖 추는 것이 필수적이다.
미래의 물 관리에 효율적이고 능동적으로 대처하 기 위해 기존의 단편적인 대응방식에서 벗어나 새로 운 방식의 수자원관리가 요구되고 있다. 특히 물문 제와 관련한 국제사회의 인식은 단순히 기후변화 대 응을 위한 수준을 벗어나 국가의 안보와도 관련 있 다는 인식으로 발전되어 물안보의 개념이 확장되고 있다. 이를 위해 외부의 변화나 충격에도 불구하고 용수공급, 물환경 관리 등 기본기능을 유지하고 안 정적 상태로 빠르게 복원되는 수자원의 탄력성과, 물과 둘러싼 이해관계자와의 거버넌스 구축이 중요 시되고 있다.
‘첨단기술 기반 하천운영 및 관리 선진화연구단’의 4세부과제는 ‘물안보 확보를 위한 하천의 탄력적 물 관리 기술 개발’이라는 주제로 현재 총 4개의 기관 이 참여하며, 외부환경 변화에 대응한 물순환 복원 기술 개발, 하천 유량 관리 고도화 개발, 그리고 유 역특성을 고려한 다양한 물확보 방안의 개발을 위해 이 을 래
K-water융합연구원 수석연구원 [email protected]
박 정 은
국립재난안전연구원 시설연구사
맹 승 진
충북대학교 지역건설공학과 교수
황 주 하
충북대학교 지역건설공학과 박사과정
노력해왔으며, 마지막 6차년도에는 개발된 기술의 통합 및 실용화, 그리고 정책제안에 주력하고 있다.
본 세부과제의 주요 성과로는 외부환경에 따른 낙동 강 표준유역의 물순환 정량화 DB 및 SWMM 매개 변수 추정지원 시스템 개발, 물순환 복원기술 평가 시스템 개발, 지류 중소하천의 물관리 탄력성 지수 개발, 댐 및 저수지 운영률 개발, 시·공간적 유량변 화를 고려한 탄력적 하천관리 기준유량 산정 개발, 탄력적 하천수량 확보 가이드라인 개발, 물수급 평 가를 위한 간편 분석 툴 개발 등이 있으며, 유역내 추가적인 수량확보를 위한 구조적 수량확보방안 선 정 기술 및 농업용저수지 운영률을 개발하고 최적 수량확보방안을 선정하기 위한 가이드라인을 개발 하였다.
본 기사에서는 4세부과제의 주요 연구성과 중 하 천 유량 관리 기술의 고도화 방안과 탄력적 하천수 량 확보를 위한 가이드라인, 그리고 물수급 평가를 위한 간편 분석 툴에 대한 개념을 소개하고자 한다.
2. 하천유량관리 기술 고도화
기후변화에 따른 미래 물수급의 불확실성에 대응 하기 위한 365일 안정적인 용수공급 및 유지유량을 만족하기 위하여 시·공간적 유량변화를 고려하고 권역별 가용유량 산정을 통해 탄력적 하천유량관리 기술 개발이 필요하다. 이수기 탄력적 하천운영관리 기술은 지역적 물 불균형 해소 및 물안보 확보를 할 수 있는 방안이 될 수 있다.
탄력적 물관리를 위해서는 현재의 물관리가 어떤 상태에 놓여 있는지에 대한 판단하는 물관리 탄력성 지수와 물부족 대응을 위해 댐 하류지역에서 하천유 지용수의 부족량을 파악을 통한 이를 확보할 수 있 는 저수지 운영률 개발 그리고 시·공간적 유량변화 를 고려한 탄력적 하천관리 기준유량 산정 방법 개 발 등이 있을 수 있다.
2.1 물관리 탄력성 지수 개발
현재 물관리는 국가하천 본류 중심으로 관리되고 있으며, 대부분 인프라들도 본류에 집중되어 있다.
따라서 본류와 지류의 물관리 불균형은 크게 심화되 었으며 지역적으로 편차가 크다. 또한 수계별로 유 역을 이루는 하천환경 및 토지이용 특성, 용수수급 에 따른 물이용 패턴 등이 다르기 때문에 각 유역별 로 내·외부환경에 따라 발생할 수 있는 제약사항 이 분야별 또는 시기에 따라 다르게 발생할 수 있다.
이에 내·외부 환경변화로 발생할 수 있는 물관리의 제약사항인 기후변화 및 지역 개발에 따른 토지이용 변화 등에 대응하는 한편, 과거와 같이 인프라 건설 중심의 물관리가 어려운 여건 하에서 미래 물관리 방향이 될 수 있는 지류 중소하천의 물관리 탄력성 을 평가하고 각 지류유역별 정책 방향을 도출하는데 필요한 물관리 탄력성 지수(Water Management Resilience Index, WMRI)를 개발하였다. 물관리 탄력성 지수는 유역에서 발생할 수 있는 제약사항에 대해 지표를 바탕으로 정규화기법을 통하여 각 부지 수(Sub-index)별로 통합함으로써 정량화된 값으로 평가할 수 있다. 대상은 전국 115개 중권역을 대상 으로 시기와 상태에 따라 취약성(Vulnerability), 견 고성(Robustness), 다양성(Redundancy)의 3가지 부지수로 구분하고 이에 이수, 치수, 하천환경 분야 로 구성하였다. 물관리 탄력성 지수를 위한 지표 및 중권역 범주별 구분은 그림 1에 나타나있다.
그림 2에서 보는 바와 같이, 중권역별 물관리 탄 력성 지수가 산정되었으며, 이때 상위 20%, 40%, 60%, 80%, 80%초과의 5단계로 나누어 탄력성 지 수의 분포를 구분하여 나타내었다. 탄력성 지수를 구성하는 취약성, 견고성, 다양성 부지수 결과도 그 림 2에 함께 제시하였다. 물관리 탄력성 지수는 견 고성이나 다양성 측면에서 다소 특수한 경우인 제주 도를 제외하고는 수도권이 위치하고 있는 한강권역 의 지수가 타 권역에 비해 상대적으로 크게 산정되 어 지금까지의 물관리 투자와 다양성 확보를 위한
노력이 집중되어 왔음을 확인할 수 있다. 그 다음으 로 낙동강, 금강, 섬진강 그리고 다소 큰 차이로 영
산강의 순으로 산정되었다.
그림 2. 물관리 탄력성지수의 결과
(a) 탄력성 지수 (b) 취약성 부지수 (c) 견고성 부지수 (d) 다양성 부지수
그림 1. 물관리 탄력성 지수를 위한 지표 및 중권역 범주별 구분
2.2 댐 및 저수지 운영률 개발
미래의 잠재적 물수요 증가와 국지적 가뭄 피해에 대응하기 위해서는 댐에 보유한 한정된 수자원을 효 율적이고 탄력적으로 운영해야 한다. 이를 위해 각 유역에 위치한 댐의 실정을 고려하면서도 방법적인
측면에서는 댐 관리자의 이해도와 실용성을 향상시 킬 수 있는 일관된 댐 운영률 개발이 저수지 운영 방 안 측면을 위해서 수행되어야 한다. 그림 3은 금호 강유역에 위치한 영천댐을 대상으로 수행한 댐 운영 률 개발 모식도이다.
표 1에서 제시한 바와 같이, 범주 1은 발원지와 상 관없이 다목적댐 하류유역을 본류로 가정하였으며 범주 2는 지류 유역 중 상류에 댐이 없는 경우, 그리 고 범주 3은 댐이 있는 경우로 구분하였다. 표 1에서 나타난 바와 같이, 범주 1의 물관리 탄력성이 범주 2 또는 3에 비해 월등히 높게 산정되었다. 취약성 및 견고성에 있어서 그다지 큰 차이를 나타내지 않았으 나, 다양성 부지수에 있어서는 본류 유역인 범주 1 이 범주 3 및 범주 2에 비해 월등히 높은 값을 갖는
것으로 나타났다. 이에 지류 중소하천은 본류에 비 해 물관리 탄력성이 떨어지는 것으로 평가되었다.
그러므로 물관리 탄력성이 낮은 것으로 평가된 서해 와 남해의 도서지역 지류 및 지류 하천에 대해서는 하천 본류와 연계하여 안정적인 물공급 대책을 마련 하거나 보조 수자원을 개발함으로써 물위기 대응을 위한 사전대응능력을 향상시키는 노력이 필요할 것 으로 사료된다.
그림 3. 영천댐 저수지 수위구간별 운영영역 및 개발 흐름도 표 1. 중권역 범주별 비교 결과
지수
범주별 탄력성 취약성 견고성 다양성
1 58.3 39.6 49.3 54.3
2 47.3 41.0 46.5 32.8
3 52.3 41.5 45.0 45.3
댐 운영률 개발을 위해 U.S. Army Corps of Engineers에 의해 제시된 수위 구간별 저수지 운 영률(zone-based operation rule)과 수위 구간의 구분을 위해 Duan이 개발한 전역최적화 알고리즘 인 집합체 혼합진화(shuffled complex evolution- University of Arizona; SCE-UA) 알고리즘을 이 용하였다. 수위 구간별 운영률 결정을 위해 아래 그 림 3과 같이 저수지를 7개의 수위와 8개의 운영 영 역으로 구분하였다. Zone (1)과 Zone (8)을 각각 댐 마다 설정되어 있는 상시만수위와 저수위로 설정 하였으며, 두 수위 사이의 공간을 상위(upper), 중 간(middle), 하위1(lower1), 하위2(lower2), 하위 3(lower3) 수위로 구분 후, 상·중·하위 수위에 따 라 운영 영역 Zone (2) ~ (7)을 결정하였다. 설정
한 Zone (1) ~ (8)의 제한 공급 정도에 따라 저수 지 운영의 결과가 달라질 수 있는데 이는 댐 운영자 의 목적에 맞게 조정이 가능한 인자이다. 저수지 질 량 보존식과 수위구간별 운영률을 이용하여 저수지 운영 모형을 개발하였다. 모형은 Compaq Visual Fortran으로 작성하였으며, 초기 저수위, 저수지의 제원, 댐의 유입량과 월별 계획 용수공급량을 초기 입력자료로 산정하였다. 수위 구간별 운영률이 고 려된 저수지 운영 모형은 영천댐에 대하여 과거 유 입량 자료를 이용하여 순단위로 구성했다. 2005년 부터 2014년까지 모의운영을 수행 개발한 운영률에 의한 결과, 표 2에서와 같이 연평균 14.8 MCM을 유 지용수로 추가 방류하여 금호강의 유지유량 부족량 에 기여 가능한 것으로 분석된다.
표 2. 영천댐 운영률 적용 전·후 결과
연도 실적 방류량(MCM) 적용 후 방류량(MCM) 증감량(MCM)
2005 104.7 90.8 -14.0
2006 111.5 106.9 -4.6
2007 66.7 109.1 42.4
2008 79.1 93.8 14.7
2009 33.3 56.1 22.8
2010 68.1 76.1 8.1
2011 76.7 101.2 24.4
2012 93.5 109.7 16.2
2013 87.8 101.4 13.6
2014 74.4 98.9 24.5
평균 79.6 94.4 14.8
2.3 시·공간적 유량변화를 고려한 탄력적 하천관 리 기준유량 산정 개발
우리나라에서는 타인의 권리나 공익을 침범하지 않는 범위 내에서 하천수를 사용할 수 있도록 하천
유지유량을 고려한 기준갈수량을 기준으로 가용여 부를 판단하고, 부족할 경우 상류 수원의 용수계약 을 통해 안정적인 용수공급이 이루어지도록 관리하 고 있다. 이를 위하여 하천수 사용허가의 기준이 되 는 유량은 연중 하천에 안정적으로 흐를 것으로 기
대되는 유량인 자연상태의 기준갈수량에서 하천유 지유량을 제외한 값으로 설정하여 관리하고 있다.
이는 용수공급에 차질이 생기지 않도록 운영하는 관 리방식이지만 본 연구과제에서는 시기별로 기준유 량을 차등화할 수 있는 방안을 제시하였다.
본 연구에서는 기존의 하천수 사용허가 관리방식 에서 적용되는 논리를 그대로 적용하되, 홍수기/이 수기, 관개기/비관개기 등을 고려하여 4개의 시기 (1월 1일~3월 31일(이수기-비관개기), 4월 1일~6 월 20일(이수기-관개기), 6월 21일˜9월 20일(홍수
기-관개기), 9월 21일˜12월 31일(이수기-비관개 기))로 구분하고, 각 시기동안 안정적으로 흐르는 유 량에서 하천유지유량을 제외한 값을 하천수 사용허 가 기준유량으로 설정하였다. 예를 들어 6월 21일
~9월 20일(홍수기-관개기)의 유량이 항상 평수량 (Q185)을 만족한다면 해당 기간의 하천수 사용허가 기준유량은 평수량에서 유지유량을 제외한 값으로 설정될 수 있을 것이다. 그러므로 사용허가 기준유 량에서 기존의 하천수 사용허가량을 제외하면 시기 별 가용유량을 산정할 수 있게 된다.
그림 4. 탄력적 하천유량관리를 위한 시기 구분
그림 5에 현재의 하천유량 관리와 본 과제에서 제 시된 탄력적인 관리방안을 비교하여 개념적으로 도 시하였다. 금호강에 대한 적용 결과, 현재와 같이 연 중 일정한 허가기준유량을 적용하였을 경우에 비해 시기를 고려한 탄력적인 기준으로 개선하였을 경우 추가적인 하천시설 건설없이 10.6 백만m3/년의 유 량을 확보할 수 있는 것으로 나타났다. 현재 하천수 사용허가 관리방식과 비교하였을 때, 기준갈수량 산 정방법과 자연유량 모의기간 등에 차이가 있어 가용 유량 값은 차이가 날 수 있으나 시·공간적 유량 조 건을 고려한 융통성있고 효율적인 하천수 관리 방안
을 제시하였다는 데 그 의의가 있을 것으로 생각된 다. 따라서 기술 개선을 통해 불확실성을 낮추고 효 율적인 수자원 활용이 이루어질 수 있도록 제도적인 뒷받침이 마련된다면 탄력적인 하천유량관리의 기 초를 닦을 수 있을 것으로 생각된다. 탄력적 기준유 량 설정 방법을 통해 확보된 수량은 신규 수원 확보 사업의 추진 및 이를 위한 예산 확보 등의 정책적 어 려움을 개선할 수 있는 동시에 용수공급 안정도를 유지하면서 하천수의 효율적인 활용에도 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
(a) 현재 (b) 연구 제안 그림 5. 효율적인 하천수 사용을 위한 탄력적 하천유량관리 운영
3. 지역특성을 고려한 물부족 평가 도구 개 발 및 실용화
지역특성을 고려한 하천 건천화를 방지하고 지속 가능한 장단기 물 수급 계획 수립을 위해 탄력적이 고 효율적인 물 관리 가이드라인(이하 가이드라인이 라 함)을 2016년 6월에 제시하였다. 기왕의 물 수급 계획은 하천유역의 미래 물 수요(생활, 공업, 농업 용수 및 하천유지용수 등)를 예측한 후 유역 내 공급 가능한 수자원(하천수, 댐 및 저수지 저류수, 지하 수 등)과의 균형 분석을 수행하는 과정이다. 제시된 가이드라인에서는 지역특성을 반영하기 위해 행정 구역단위로 예측된 용수 수요와 공급 가능한 수자원 을 바탕으로 물수지 분석을 수행하여 목표연도에 대 한 물 부족 여부를 판단하고 물 부족이 발생할 것으 로 예상될 경우 이에 효과적으로 대처하기 위한 관 련 계획을 제시하는데 초점을 두었다.
가이드라인에서는 장래 물 수급 평가 및 전망을 효율적으로 수행하기 위해 하천 현황과 물 이용 현 황을 고려하여 유역을 세분화 한 후 물 수급 전망을 수행하는 것이 효과적이기에, 지역별로 물이용 특성 이 다르고, 기후 및 지형학적인 특성이 다르기 때문 에 이러한 편차를 고려할 수 있도록 수급 전망을 위 한 단위유역을 설정하여 분석할 것을 제시하였다.
가이드라인에 제시된 분석 방법으로 금호강, 충남 서부지역, 내성천 유역을 대상으로 적용하였다. 적 용지역의 물수지 분석 결과를 통해 농번기인 5〜8월
에 물부족이 발생하는 것으로 분석하였다. 금호강의 경우 영천시에서, 내성천의 경우 농업용수는 봉화시, 생공용수는 영주시에서 물 부족이 발생하는 것으로 나타났다. 이러한 물부족은 해당 행정구역에 위치한 유역 내 수량확보 지점 및 가용수자원을 활용하여 물 부족을 해결할 수 있을 것으로 판단되었다.
가이드라인에서 제시한 물수지 분석 결과 물부족 시기와 부족량은 행정구역의 해당 유역 또는 인근 유역의 수원에서 해결하여야 한다. 우리나라 수자원 공급의 대부분은 지표수가 차지하고 있어서 댐의 저 류 또는 하천으로부터 직접 취수하고 있으나, 최근 댐 개발 적지의 감소, 보상비 상승, 수몰지역 주민의 반대, 환경·사회적인 문제 등에 의해 댐 건설은 많 은 어려움을 겪고 있다. 또한 지하수의 과도한 개발 은 지반 침하, 연안지방의 해수침투, 지하수 오염 등 의 부작용을 초래할 수 있다. 그렇지만 장래 물 부 족 상황을 물의 공급확대를 통해서만 해결하기는 어 려운 실정이므로 물 사용을 줄일 수 있는 수요관리 에 대한 노력도 병행하여야 한다. 수요관리를 위한 수단으로서는 유수율 제고, 하수처리수재이용, 빗물 이용, 절수형 용수 기기 보급의 확대 및 국민의식 전 환을 위한 물 절약 운동의 강화 등이 포함될 수 있을 것이다.
여기에서 기술적인 측면으로 가이드라인에 의해 지천에 대한 물 순환 정량화를 실시하면, 매년 겪는 봄철 가뭄 피해를 최소화할 수 있고 국가 예산의 많 은 부분을 절감할 수 있을 것으로 전망된다. 기존의
하천별 용수체계는 생활용수와 공업용수 중심의 물 순환 체계였다. 우리나라 용수사용량의 약 45%를 차지하는 농업용수의 수요와 관리가 명확하지 않아 물 수급 대책을 마련하는데 어려운 상황이다. 유역 내 및 유역 외의 용수 이동을 정밀하게 조사/분석하 여 물 순환 정량화 지표를 개발하고 평가함으로서 수자원 공급과 배분의 과학화 및 물 관리 체계를 확 립할 필요가 있다. 과거의 물 문제가 양적인 물 문제 였다면, 오늘날의 물 문제는 양과 질 모두의 문제에 봉착해 있다고 할 수 있다.
따라서 효율적인 물사용과 보전을 위한 하천유량 관리 기술들을 융·통합하여 기술 적용을 위한 자료 관리 및 분석 툴 개발이 필요하여 현재 개발 중에 있 다. 이는 실용화를 위한 자료관리 및 분석모형의 합 리적 운영방안을 제시함으로서 산관학 연계를 통한 운영자 중심의 최적의 물관리 분석에 사용될 것으로 사료된다.
4. 맺음말
2000년 헤이그에서 열린 제2차 세계물포럼 각
료 선언문에서 처음으로 언급된 ‘물안보(water security)’의 개념은 이제는 너무도 당연시 여기는 개념이 되었다. 물안보는 인간의 필수적인 요구를 충족시키고 생태계를 유지할 뿐만 아니라 경제성장 과 사회안정에 이르기까지 다방면에 영향을 미치는 물의 중요성을 강조하는 개념으로, 이는 단순히 기 후변화에 대한 대응책을 넘어선다. 오늘날 직면한
‘물 공급 위기’는 이제까지와는 다른, 물관리 방향의 변화를 요구하고 있다. 미래 물관리에 대응하기 위 하여 ‘물안보 확보를 위한 하천의 탄력적 물관리 기 술개발’이라는 주제 하에서 5년 6개월 동안 다양한 연구과제가 진행되었고 마무리 단계에 접어들었다.
미약하지만 본 세부과제에서 수행한 연구가 물관리 현업에 활용되거나 향후 대규모 연구사업으로 확장 될 수 있기를 기대해본다.
우리를 둘러싼 기술과 환경은 큰 변화를 맞고 있 다. 물관리 연구기술은 인간 삶의 기본적인 요구사 항을 만족시켜주기 위한 필수적인 연구이다. 기술 및 환경 변화가 일어나는 오늘날, 지속적인 연구 투 자를 통해 하천관리기술이 계속해서 고도화됨으로 써 국민의 삶의 질 향상에 기여할 수 있는 연구분야 로 도약하기를 기대해본다.
a) 금호강 유역 (b) 내성천 유역
그림 6. 가이드라인에 의한 물수지 분석 네트워크 구성
감사의 글
본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비지원(11기술혁신C06)에 의해 수행되었습니다.
참고문헌
박정은, 이을래, 임광섭(2016), “지류 중소하천의 물관리 탄력성 평가지수 개발 및 평가”, 한 국수자원학회논문집, Vol.49, No.2, pp.95-106.
강신욱, 강태욱, 이상호(2014), “저수지 수위 구간별 운영률의 구간 경계도출을 위한 집합체 혼합진화 알고리즘의 적용”, 한국수자원학회논문집, Vol.47, No.10, pp.921-934
박정은, 김한나, 류경식, 이을래(2016), “시·공간적 유량 변화를 고려한 탄력적 하천관리 기 준유량 산정 및 평가”, 한국수자원학회논문집 Vol.49, No.8, pp.673-683
맹승진(2016). 탄력성평가에 의한 하천수량 확보 가이드라인, ARCROM연구단 기술보고서.
전경수(2016). 행정구역별 물수급 평가를 위한 물수지 분석, 충북대학교 대학원 석사학위논문.
