갈수기 하천수 관리를 위한 물 스트레스 지표의 응용 및 수자원 개발지표의 평가
Application of Water Stress Indicator and Evaluation of Water Resource Development Indicator for Stream Flow Management in Dry Season
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Abstract
UN의 물 스트레스 지표는 환경유량을 제외한 가용 수량에 대한 취수율을 나타내는 것으로 한 국가의 대략적인 물관리 상황을 알 수 있도록 만들어졌다. 이 지표를 실제 물문제가 발생할 수 있는 갈수기에 활용할 수 있도록 갈수량, 환경유량 및 하천수 사용량으로 항목을 조정하여 다양한 공간적 범위의 유역에 적용하였다. 여기에는 우리나라 하천수 사용허가제도 및 하천유지유량 제도를 반영하고 있어 실무적인 활용이 가능하다. 또한, 갈수기 하천수는 저수지보다 수원으로 사용하기에 더 취약하므로 이를 판별하기 위한 수자원개발 지표를 새롭게 도입하였다. 이 수자원개발 지표를 물 스트레스 지표와 함께 검토한 결과 영산강수계는 갈수기 물부족을 겪을 가능성이 가장 큰 것으로 나타났다. 이 두가지 지표는 비교적 적은 종류의 자료를 활용하여 갈수시 취약지역을 손쉽게 판별할 수 있는 장점이 있다.
Trans Abstract
The water stress indicator represents the water withdrawal rate with respect to the available water excluding the environmental flow and is designed to provide an overview of a country’s water management. To use this indicator in various regions during the dry season when water problems may arise, items are modified and applied with a low flow, an environmental flow, and stream water use. This method conforms to Korea’s water use permit and instream flow system thus, it can be used practically. In addition, since stream water during the dry season is more vulnerable to use than water from reservoirs, a water resource development indicator is introduced. Based on this water resource development indicator and the water stress indicator, the Yeongsangang River area is the most susceptible to water shortage during the dry season. These two indicators are effective because only a few data types are needed to identify areas that are vulnerable during the dry season.
1. 서 론
우리는 지표를 활용해 각기 다른 지역의 특정항목을 동일한 기준으로 비교할 수 있다. 가용한 수자원량과 사용 현황을 판단하는 대표적인 지표에는 1인당 이용 가능한 수자원량, 취수율, 물 빈곤지수 등이 있다. 수자원장기종합계획(MLTM, 2011)에 따르면 1인당 이용 가능한 수자원량은 손실을 제외한 유출량을 인구수로 나눈 값으로 1인당 이용 가능한 수량이 1,700 m3보다 부족하면 물 스트레스를 경험하게 되며, 500 m3 이하인 경우 절대적 물 부족을 겪는다고 평가한다. 우리나라는 약 1,500 m3로 물 압박 국가군에 속하며 이는 최근 분석 자료인 1,507 m3 (ME, 2021)와도 큰 차이는 없다. 그러나 처음 1인당 이용 가능한 수자원량을 제시한 PAI (Population Action International, 1993)는 인구에 대한 영향을 연구하는 정책연구소이며, 1인당 이용 가능한 수자원량을 근거로 평가하면 국토가 좁고 인구가 많은 우리나라는 아무리 물을 아껴 쓴다고 해도 UN이 인용하는 물 부족국가를 벗어날 수 없다(Kim, 2004). 물빈곤지수(Water Poverty Index)는 물 관련 자원과 접근성, 국가 다분야의 발전 정도(수준) 및 물 사용 정도, 환경관련 사항을 종합적으로 판단하여 합계를 내는 방식으로 산출하며 2011년 기준 우리나라는 62.4, OECD 평균은 66.7로 전체 147개국 중 43위 수준이다(MLTM, 2011). 한편 우리나라에서 1인당 이용 가능 수자원량 자체에 대한 연구는 Kim et al. (2003)이 수자원단위지도 중 대권역 및 중권역 기준으로 산정한 결과 정도로 적으며 물 부족과 관련하여 가뭄지수 등을 활용한 가뭄평가에 대한 연구는 활발한 편이다. Ryu et al. (2002)은 문헌을 통해 가뭄의 종류별 정의를 살펴보고 PDSI, SWSI 및 SPI를 낙동강 유역에 적용하여 각각의 지수가 가뭄을 효과적으로 표현하는데 있어 가지는 장단점을 제시하였다. Im et al. (2005)은 한강유역에서 물 빈곤지수를 산정하고 소유역별 수자원 현황을 평가한 바 있다. Lee et al. (2006)은 저수지 물공급 능력을 표현할 수 있는 WSCI를 새롭게 개발하여 주요 다목적댐을 대상으로 적용, 용수공급능력에 대한 안정성을 평가하였다. Sung and Jung (2014)은 하천수 가뭄지수를 소개하고 섬진강댐 유입량에 적용하여 기왕 가뭄의 수준을 분석하였다. Lee et al. (2021)은 물로천 유역의 수문학적 가뭄을 분석하기 위해 SPEI, SDI 및 WBDI를 적용하여 최근 발생한 가뭄의 정도를 해석하였다.
FAO and UN Water (2021)에 따르면 전체 수자원량 대비 사용 비율인 취수율(%)로 표기되는 물 스트레스 지표(Water Stress Indicator)는 1999년 정의된 새천년개발목표에 이미 포함되어 있었다. 이 새천년개발목표 기한이 2015년 만료됨에 따라 2015년 UN 총회에서 새롭게 제시한 지속가능발전목표의 물 스트레스(Water Stress)는 기존의 방법에 환경유량 필요유량을 감안하여 가용 수자원 총량을 예측하고 이 값에 대한 취수량을 비율로 나타내도록 개선되었다. 기존의 지표가 환경유량을 포함하지 않는다는 점에서 사람 위주의 평가 방법이었다면 새롭게 도입된 지표는 환경유량을 감안하여, 환경유량을 설정하고 관리하는 국가의 경우 물 스트레스 지표가 크게 증가할 수 있다는 점이 다르다. 물 스트레스 지표는 자연 상태의 담수자원 중 어느 정도가 사용되고 있는지와 효율적인 물 공급, 수요 및 관리 정책의 중요성을 보여준다. 너무 높은 수치는 지속가능성 측면에서 바람직하지 못하며, 너무 낮은 수치로 나타나고 있는 국가에서는 수자원을 적절히 사용하지 못함을 나타낸다(FAO and UN Water, 2021).
본 연구에서는 국가 단위로 집계되는 물 스트레스 지표를 실제 물관리에 활용할 수 있도록 개념을 응용하고, 수자원단위지도의 표준유역 단위로 적용하여 활용성을 평가하였다. 또한 갈수에 취약한 지역을 손쉽게 판별할 수 있도록 수자원개발지표를 새롭게 도입하고 활용 가능성을 평가하였다.
2. 물 스트레스 현황 및 응용
UN-Water (2021)에 따르면 2018년 자료를 기반으로 평가한 물 스트레스 지표는 전 세계 평균이 18%로 나타나고 있으며 50%가 넘는 지역은 중앙아시아, 남아시아, 서아시아 및 북부 아프리카 지역으로 이 지역 평균은 70%를 넘는 것으로 나타난다. 가장 적은 수치를 기록하고 있는 지역은 오세아니아 지역으로 3% 수준이다. 우리나라는 85%로 매우 높은 수치를 보인다. 제1차 국가물관리기본계획(ME, 2021)의 자료를 토대로 Eq. (1)의 식을 활용하여 물 스트레스 지표를 산정하면 Table 1과 같다.
Water Stress of Korea
Eq. (1)과 TFWW (Total freshwater withdrawal)는 하천과 저수지 및 대수층 등 수원으로부터 용수공급을 위해 취수되는 수량이다. TRWR (Total renewable freshwater resources)는 국가의 내외부로부터 유입되는 수자원 총량이다. EFR은 현재 고시된 하천유지유량 중 하천 최하류부의 고시값을 연간 총량으로 환산하여 나타낸 수치이다.
Table 1에서 북한에서 유입되는 수량인 연간 40억 m3의 가용수량을 제외하고 계산하면 물 스트레스 지표가 84%의 수치로 도출된다.
이와같이 계산되는 물 스트레스 지표는 자연환경을 고려한 국가 단위의 대략적인 물 사용현황을 파악할 수 있으나 물관리 분야에 세밀하게 적용하기에는 다음과 같은 어려움이 있다.
⋅ 물부족으로 인한 어려움은 갈수기에 발생하며, 환경유량 역시 평상시에는 부족하지 않으므로 전체 가용수량 대비 취수량 비율을 실제 하천수 관리에 활용하는 것은 한계가 있다.
⋅ 모든 하천에 대해 환경유량이 고시 혹은 산정된 것이 아니므로 공간적인 격차가 발생한다.
⋅ 댐 및 저수지 등 물 공급시설물에서 공급되는 수량은 가뭄 발생시의 상황이 아닌 저수량이 관건이 되며, 별도의 계약량을 공급하는 것으로 비교적 예측과 대응이 가능하다. 그러나 하천을 수원으로 하는 경우 갈수의 영향을 직접 받게 되므로 사람에 의한 물이용과 하천환경 측면에서 선제적인 관리가 어렵다.
⋅ 국가단위의 취수량 혹은 이용량이 아닌 소유역 단위의 단순 취수량을 고려할 경우 회귀량을 고려하지 않아 취수율이 과도하게 나타날 수 있다.
⋅ 물이용이 고도화되어 있고, 자연환경 보전을 위한 환경유량이 크게 설정된 나라 혹은 지역에서는 물 스트레스 지표가 크게 나타나 인식의 왜곡이 발생할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 국가 내에서 갈수기 하천수 관리를 위해 수자원단위지도의 대권역, 중권역 및 표준유역 단위로 물 스트레스 지표를 응용하여 산정하였다. 먼저 갈수기 유량이 흐르는 상황을 재현하여 적정한 수준의 하천수가 취수되고 있는지를 분석하였다. 이때 댐과 저수지에 의한 공급량, 취수량은 제외하여 이들 시설물이 없는 경우인 하천 자체의 지속가능성을 판단하였다. 환경유량은 해당 하천에 자연 상태에서 흘렀던 최소유량을 적용하였다. 이는 하천환경에 가장 바람직한 상태가 자연상태라는 가정에서 출발한 것이다. 한편 회귀량을 직접 고려하는 것은 회귀수의 회귀 시점과 지역을 특정하기 어려우므로 순물소모량을 분석 대상으로 삼아 중복계산 되는 것을 방지하였다. Fig. 1은 가용수량과 물사용량 및 이들 자료를 바탕으로 적용, 개발한 각 지표 산정의 순서이다.
Research Flow
3. 갈수기 유량 산정
가용수량과 취수량을 비교하여 비율을 산정하기 위해서는 각각의 대푯값을 설정해야 한다. 여기서 가용수량은 갈수기에도 안정적으로 유지되어야 하므로 일정기간 비가 오지 않아도 하천에서 꾸준히 흐를 수 있는 갈수량으로 결정하였다. Tasker (1987)에 따르면 갈수량 특성은 물공급 계획 및 설계, 환경과 경제적 영향분석, 수질 모델링, 각종 규제와 자연 상태와 조절 하천 시스템에 대한 이해의 수준을 향상시키는데 사용된다.
한 지점에서의 갈수량은 갈수량 지수로 특징지을 수 있는데 미국에서 가장 널리 사용되는 지수는 1년 중 7일 연속일의 평균값 중 최저값을 빈도해석하여 10년 빈도에 해당하는 값인 10년 빈도 7일 연속 갈수량이다(Riggs, 1980).
우리나라의 경우 10년 빈도의 갈수량 값인 기준갈수량이 제도적으로 활용된다. 댐설계기준(MOLIT, 2019) 중 댐설계계획에 따르면 댐의 하천유지용수로 기준갈수량 혹은 평균갈수량을 설정할 수 있으며, 하천수 사용허가 세부기준(ME, 2019)에서는 이 기준갈수량에서 하천유지유량을 뺀 값을 하천수 사용허가 기준유량으로 정하고 있다. 이때 갈수량은 1년 중 355일 이상 흐르는 유량으로 연간 발생한 일유량을 내림차순으로 나열한 후 355번째로 큰 유량으로 결정한다. 과거에는 하천유지유량이 기준갈수량 혹은 갈수량 값들의 평균값인 평균갈수량으로 설정되었다. 그러나 지금은 사람이 사용하는 물과 하천유지유량을 합친 유량이 기준갈수량 이하로 관리하는 것을 정책목표로 하고 있음을 하천수 사용허가 세부기준을 통해 알 수 있다.
MLTM (2009)은 금강권역의 하천유지유량을 산정하면서 13개 하천 33개 지점의 자연상태 갈수량을 산정한 바 있는데 평균갈수량, 기준갈수량 및 10년빈도 7일연속 갈수량의 순서로 크게 산정되었으며 기준갈수량과 10년빈도 7일연속 갈수량은 큰 차이를 보이지 않는다.
본 연구에서도 자연상태의 갈수기 가용수량을 기준갈수량으로 설정하였다. 자연상태 유량은 다양한 모델링 기법으로 산정하고 있으나 하천수 사용허가 제도에서 사용하는 국가의 수자원계획에서 사용된 탱크모형으로 모의한 유량을 선택해 물관리에 일관성 있게 활용할 수 있도록 하였다. 수자원장기종합계획(MLIT, 2016)의 모의 자연유량을 표준유역 단위로 변환하고 연도별 갈수량계열을 추출하였다. 다양한 확률밀도함수를 활용하여 빈도해석을 하고 하천유지유량, 하천수 사용허가 기준 마련시 적용했던 방법인 일반화된 극치분포(GEV)의 결과를 최종 선택하였다.
4. 하천수 사용량 및 수자원개발 지표
4.1 하천수 사용량 분석
하천수에 대해 일정 사용량 이상을 허가받은 사람이 매월 계획과 실적을 관할 홍수통제소에 신고하게 되어 있어 이 자료의 활용이 가능하다. 다만, 통보 대상이 아닌 경우가 있는 점, 농업용수는 이용 특성상 정확한 계량이 어려운 점, 피허가자가 허가량만큼의 수량을 취수할 수 있는 점을 감안하여 하천수 사용량은 실사용량이 아닌 허가량과 사용 허가 건별로 보고된 회귀율을 적용하여 순물소모량으로 분석하였다.
4.2 환경유량 설정
FAO (2022)는 Elearning Academy를 통해 지속가능지표의 산정방법에 대한 교육자료를 제공하고 있는데 이 자료에 따르면 환경유량은 수문학적 방법, 수리학적 방법, 서식처모의기법 및 전체론적인 방법을 소개하고 있다. 가장 간단한 방법으로 Tennant 방법인 연평균유량의 일정 비율을 추천하고 있으며 30~60%를 추천하고 있다. 다만 환경유량을 산정하는 방법은 국가, 지역 및 시기별로 매우 다양하며, Tharme (2003)은 44개 국가에서 최소 207가지의 방법으로 환경유량을 산정하고 있다는 말로 다양성을 표현하기도 하였다. 우리나라는 하천법과 하천유지유량 산정 요령에 의해 정해진 7가지의 필요유량 항목을 감안하여 하천유지유량을 산정한다. 본 연구에서는 고시된 지점이 한정되어 있는 점, 갈수기라는 특수한 상황을 고려하여 해당 표준유역의 자연상태에서 흘렀을 것으로 추정되는 최소유량을 하천유지유량으로 설정하였다. 그 결과 Table 2와 같이 기준갈수량의 약 40%가 하천유지유량, 본 연구의 환경유량으로 산정되었다.
Characteristics of Water Abstraction and WRDI by Large Area
Fig. 2는 대권역별 기준갈수량, 가용수량 및 하천수 취수량을 비교한 것으로 우리나라 전체에서 어느 권역에서 하천수 사용이 집중되고 있는지를 알아볼 수 있다. 가용수량은 기준갈수량에서 환경유량을 제외한 값이다. 그 결과 우리나라 주요 5대강(한강, 낙동강, 금강, 섬진강 및 영산강) 본류구간은 모두 갈수기 가용수량을 초과하고 있으며 특히 낙동강과 영산강, 만경강 및 동진강 수계의 하천수 사용은 가뭄시 취약함을 알 수 있다.
Comparison of Water Intake and Available Water of Each Area
4.3 수자원개발 지표 산정 및 평가
수자원개발 지표(Water Resources Development Indicator, WRDI)는 Eq. (2)와 같이 전체 하천수 사용량 대비 시설물을 수원으로 하는 수량의 비율로 정의하였다.
지표 값이 작을수록 자연 유하하는 하천에서 취수하는 비율이 높은 것이며, 100%는 사용하는 모든 물의 수원이 저수지 혹은 댐임을 의미한다.
분석 결과 광역상수도를 하천을 통해 공급받는 지역과 대형 저수지를 통해 농업용수를 공급받는 지역인 서울, 수도권 및 대도시와 삽교천 및 내성천 등에서 수자원개발 지표가 높게 나타난다. 이들 지역은 기상학적 가뭄이 발생해도 상대적으로 물부족으로 인한 위험도는 낮은 지역이라 할 수 있다. 반면 Fig. 3에서 알 수 있듯이 하천수 사용을 하천의 유하량에 전적으로 의존해야 하는 회야강, 수영강, 태화강 지역의 하천수 취수자는 기상학적 가뭄에 취약할 수 있다.
WRDI of Each Area
Table 2는 수자원단위지도의 대권역별 취수특성 및 수자원개발 지표를 나타낸 것으로 우리나라 전체에 걸쳐 갈수기에 흐르는 유량 즉 가용한 수자원 총량은 274.49 m3/s이며, 환경유량으로 약 40%인 107.46 m3/s를 하천에 남겨두면 물 스트레스는 200%를 넘게 된다. 이는 연 평균유량이 아닌 갈수기를 감안한 분석 결과이며, 환경유량을 고려치 않은 단순 취수율의 전국 평균은 136.85%이다.
이 취수율을 근거로 판단할 때, 10년빈도의 갈수시 하천환경을 위해 남겨둘 수 있는 물은 없으며, 사람에 의한 물 사용도 10년 1회, 10일 정도는 위협받을 수 있음을 알 수 있다. Table 2 마지막 줄의 갈수량과 환경유량은 전체 합계값이며, 다른 항목은 전국 평균치이다.
FAO and UN Water (2021)는 물 스트레스 지표를 Fig. 4의 범례와 같이 총 다섯 구간으로 구분하였다.
Water Stress of Each Area
물 스트레스의 정도는 25% 이하 ‘없음’, 50% 이하 ‘낮음’, 75% 이하 ‘중간’, 100% 이하 ‘높음’ 및 100% 초과 ‘심각’이다. 수자원개발 지표는 20% 이하 ‘매우 낮음’, 40% 이하 ‘낮음’, 60% 이하 ‘중간’, 80% 이하 ‘높음’ 및 80% 이상 ‘매우 높음’으로 구분하였으며 최대 100%이고 낮을수록 갈수시 물 확보의 측면에서 취약함을 나타낸다.
Fig. 4를 살펴보면 표준유역 834개 유역을 기준으로 갈수기 물 스트레스 지표가 100%를 넘는 ‘심각’ 지역은 311개 유역으로 나타난다.
주로 대도시 지역 및 농업용수 사용이 많은 지역으로 나타나고 있다. 갈수기 환경유량을 감안하지 않는다면 Fig. 5를 통해 243개 유역에서 물부족으로 인한 문제가 발생할 가능성이 있다는 것을 알 수 있다. 수자원 개발지수는 남한강 유역, 충청남도, 충청북도 및 경상북도 지역에서 높아 그 외 지역에서 하천수 부족이 발생할 가능성이 크게 나타난다. Figs. 4와 6을 바탕으로 판단할 때 갈수기 영산강 유역 및 낙동강 본류의 물부족에 대응하기 위한 준비가 필요하다.
Intake Rate of Each Area
Water Resosurces Development Indicator of Each Area
5. 결 론
본 연구에서는 평상시가 아닌 갈수시 물부족 발생 가능성을 판단하기 위해 물 스트레스 지표를 변형, 적용하였다. 수자원개발 지표를 새롭게 개발하여 적용함으로써 시설에 의한 물 공급보다 상대적으로 더 취약할 수 있는 하천을 수원으로 하는 지역을 판별할 수 있었다. 얻게된 결론을 요약하면 다음과 같다.
⋅갈수기 하천수 관리를 위한 의사결정을 지원하는데 핵심 항목으로 갈수량, 환경유량 및 하천수 사용허가량을 활용할 수 있다.
⋅본 연구에서 사용한 하천수 사용허가량은 시설에 의한 공급분을 제외한 것으로 기상학적 가뭄에 취약한 지역의 판단이 가능하다.
⋅새롭게 도입한 수자원개발지수는 수원을 시설물과 하천으로 구분하여 갈수시 상대적으로 더 취약한 지역을 쉽게 판별할 수 있다.
⋅우리나라 전역의 갈수시 예상되는 상황을 분석한 결과 영산강 권역은 물 스트레스 지표 ‘심각’, 수자원개발 지표 ‘매우낮음’으로 가장 취약함을 알 수 있다.
본 연구를 통해 갈수시 취약지역을 쉽게 판별할 수 있는 지표의 사용방법을 제시하였으며, 취약한 지역은 수원 분산과 하천수 사용의 조정 등 대책 마련이 필요하다. 이들 지역은 하천환경 역시 환경유량 부족으로 취약할 것으로 판단되며 자연적 갈수에 따른 물부족시 하천내 대응책의 적용 방법 개발도 병행할 필요가 있다. 향후 우리나라 하천유지유량 산정과 고시가 중소하천 및 지점들로 확대될 경우 이를 환경유량으로 고려하여 지표에 적용한다면 갈수기 하천수 관리에 유효하게 사용될 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 과학기술정보통신부 한국건설기술연구원 연구운영비지원(주요사업)사업으로 수행되었습니다(과제번호 20220178-001, 디지털뉴딜 기반 통합물관리 기술 융합 플랫폼(IWRM-K) 개발).