기준저수량 산정에 따른 하천유지유량 확보 가능성 평가: 내성천유역을 중심으로
Evaluation of Potential Securing Instream Flow According to Estimating Operation Rule in Naeseongcheon Watershed
Article information
Abstract
본 연구의 목적은 내성천 유역의 영주댐 운영률(기준저수량) 제시와 그 결과 값을 바탕으로 하천유지유량 확보 가능성을 평가하는데 있다. 영주댐 유입량의 모의 발생을 위해서 SAM 2007을 이용하였고 최소의 확보저수량은 시행 착오법으로 계산하여 기준 저수량을 산정하였다. 물수지 분석 모델인 K-MODSIM을 이용하여 2001년부터 2015년까지 내성천유역의 생활·공업·농업용수의 물 수급현황과 월포 지점의 하천유지유량 공급량을 분석하였다. 본 연구 결과, 과거 내성천 유역에서 생활·공업·농업용수가 각각 연평균 약 2.5, 0.87, 3.6 × 106 m3이 부족했으며 월포 지점의 고시유량(8.5 m3/s)은 약 2.35 m3/s가 부족한 것으로 나타났다. 산정된 영주댐 기준저수량을 적용해본 결과 기본계획공급량의 100%를 저수량으로 확보 시 8.42 m3/s로 고시유량대비 최대 99% 이상 확보 가능한 것으로 나타났다.
Trans Abstract
The objective of this study is to propose a new operation policy of Yeongju Dam, and to evaluate its capacity for accommodating instream flow. It was used for the SAMS 2007 model to produce simulated inflow of Yeongju Dam and minimum reservoir storage was estimated to the operation rule through trial and error method. Water supply status was not only analyzed about domestic, industrial and agricultural water corresponding to each unit-catchment but also instream flow of Wolpo-point from 2001 to 2015 using K-MODSIM which was known as water balance model. The result of this study showed that domestic, industrial and agricultural water have shortage of approximately 2.5, 0.87, 3.6×106 m3, respectively. In addition, it is indicated that instream flow of Wolpo-point had shortage of 2.35 m3/s. This result showed that instream flow of Wolpo-point was able to secure 8.42 m3/s (99%) nearly close to 8.5 m3/s when securing planned supply quantity of 100% according to applying the estimated operation rule of Yeoungju Dam.
1. 서론
최근 지구온난화에 따른 기상이변의 결과로 나타나는 잦은 극한 가뭄은 그 피해 양상이 동시다발적이며 피해 강도 역시 과거의 가뭄사례에 비해 전국적인 규모를 보이고 있다. 동시에 국가 산업 발전과 대도시화는 국민의 생활수준 향상이라는 순기능과는 별개로 하천의 건천화 현상을 유발시켜 가뭄과 함께 하천유지유량이 가지는 본연의 역할을 수행하기 어렵게 만들었다. 하천유지유량이 가지는 역할에는 하천의 물 환경을 개선하고 자연적인 수생태계 유지⋅보전을 위한 환경기능, 하천과 주변 관계 공간을 활용한 이수기능, 홍수방어를 위한 치수기능이 있는데, 맑고 안정적으로 하천유지유량을 공급하기 위해서는 이에 대한 종합적인 계획과 함께 하천유지유량을 지속적으로 관리할 필요가 있다(MLTM, 2011).
우리나라는 홍수피해와 같은 치수부분에 대해서는 비교적 민감하게 대응하여 왔으나 가뭄피해와 건천화 현상에 대해서는 상대적으로 대응체계가 미약한 편이다(KEI, 2013). 전체 강우량의 60% 이상이 7~9월 시기에 집중적으로 내리는 우리나라의 강우특성과 더불어 산업발전의 영향에 따른 미래의 잠재적 물수요 증가를 고려한다면, 향후 발생하는 가뭄과 이용가능한 수자원이 점차 고갈되는 현상은 인류를 둘러싸고 있는 사회, 경제, 환경을 직⋅간접적으로 위협하는 심각한 재해가 아닐 수 없다.
지난 2009년부터 착수되어 올해 공사가 완료된 내성천유역의 영주댐은 신규 수자원개발 적지 부족과 사회적 합의를 도출하기 어려운 현실을 딛고 안정적인 물 확보를 위한 구조적 방안을 이뤄냈다는 점에서 긍정적인 결과라고 판단된다. 하지만 현재 내성천유역의 영주댐에는 초기 댐 건설의 목적인 하천유지용수를 정량적으로 얼마나 확보할 수 있을 지와 해당 유역의 생활⋅공업⋅농업용수 공급에 영주댐의 저수량이 얼마나 기여할 수 있을지에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
이를 위해서는 수요와 공급의 네트워크 현황이 복잡한 내성천 표준유역단위의 하천 관계망을 해석하는 것이 필요하다. 현실적 상황에 부합하도록 용수를 공급하기 위해서는 통상적으로 해당유역의 물 수급현황을 파악하는 물수지 분석이 선행된 후 그에 따라 공급의 우선순위를 정하는데, 이는 시⋅공간적 물 부족 평가가 효율적인 물이용 제고 방안에 기여할 수 있으며 표준유역단위의 통합적인 수자원계획 수립을 위해서도 매우 중요하기 때문이다.
물 공급 안전도 혹은 물 부족평가를 위해서 이뤄지는 물수지 분석에 대한 국외 선행 연구로는 Berhe et al.(2013)이 에티오피아의 Aswash 유역을 대상으로 1963년부터 2003년까지 각 상황에 따른 관개 개발 시 조건을 다르게 부여함으로써 유역의 상⋅중⋅하류의 물 공급량 분석과 물수지 분석을 수행하였다. Miller et al.(2003)은 미국 북서부 아이다호 남쪽의 Snake 강 유역을 대상으로 MODSIM을 적용, 대수층과 지표수 사이의 상호작용을 국지적 수준에서 규명하였으되 모델 시뮬레이션기간의 정확성이 연구결과에 상당한 영향을 줄 수 있으므로 이에 대한 검토가 필요하다고 언급하였다. Graham et al.(1986)은 콜로라도의 Rio Grande 유역에서 적절한 수량배분과 산림활동으로부터 증가하는 유출량을 분석하기 위해 MODSIMR을 이용하였다. 다양한 물 사용 시나리오에서 MODSIMR이 합리적으로 물 공급을 결정하는데 효과적인 모델이라는 것을 연구결과는 보여주었다. 또한 Faramarzi et al.(2009)은 SWAT(Soil and Water Assessment Tool)과 MODSIM의 연계를 통해 기후변화상황에서 관개수량과 수력발전에 대한 연구를 수행하였다. 이 밖에도 MODSIM을 활용하여 유역단위에서 공급과 수요량 사이에서의 물 배분에 대한 연구들이 수행되었다(Fredericks et al., 1998; Dai and Labaie, 2001; Shourian et al., 2008).
MODSIM의 국내 적용 연구로는 유주환(2005)이 전국 4대강 권역에 대하여 물수지 분석 체계를 제시하였고 이를 한강권에 적용함으로써 물 공급 안전도의 변화에 유연성을 갖고 기존의 물 수지 계산과 달리 수급 우선권을 다양하게 적용할 수 있는 방안을 연구하였다. 한강 수계 및 경상북도 동항, 남부 지역의 용수공급 능력을 평가한 이광만 등(1998)은 용수공급 체계가 복잡하며, 용수이용도가 높은 지역의 물공급 안전도를 평가를 위해서 물수지 프로그램인 MODSIM이 효과적이라는 것을 확인하였다. 정태성 등(2007)은 K-MODSIM 모형을 이용하여 금강유역에서 의사결정지원시스템을 개발했으며 그에 따른 적용성을 검토하였다. 연구결과 K-MODSIM 모형이 모형확장이 용이하므로 유역통합 수자원관리와 수자원장기 종합계획 시 발생할 수 있는 다양한 문제점 해결에 사용될 수 있으며, 최적 댐 운영율을 반영한 운영모의도 가능하다고 언급하였다. 안소라 등(2013)은 SWAT 모형과 MODSIM-DSS모형을 이용하여 금강유역의 농업용수 공급능력을 분석하였다. 이를 위해 금강유역을 14개의 표준유역으로 분할 후 각 소유역별로 물수지 네트워크를 구성하여 8개년 동안의 물수지 분석을 수행하였다. 연구결과 용수 수요량에 비해 약 80% 정도로 농업용수 공급능력이 떨어지는 것으로 나타났다. 또한 차기욱 등(2007)은 금강 상류지역을 대상으로 최적화기법을 이용하여 지표수와 지하수 연계운영을 연구하였고, 갈수기 때의 용수공급방안에 대해 검토하였다. 지표수-지하수-저수지연계운영을 모의하기 위해 관련계수들을 K-MODSIM에 적용하였으며, 연구 결과 갈수기와 가뭄 시 저수지와 하천수-지하수를 적절히 이용한다면 물 부족과 댐 하류지역에서 하천유지용수의 부족량을 현격히 줄일 수 있다는 것을 나타내었다. 따라서 저수지 운영률과 댐 하류 하천수 및 지하수를 연계⋅관리한다면 효율적인 수자원관리가 가능함을 언급하였다.
이처럼 국내⋅외로 MODSIM을 이용하여 물수지 분석을 수행한 다양한 연구들은 있지만 현재까지 중권역의 신규댐을 대상으로 기준저수량 산정과 그 결과를 활용하여 하천유지유량의 확보량을 분석한 연구는 찾아보기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 신규댐인 영주댐의 기준저수량 산정방법을 제공함은 물론, 내성천유역의 생활⋅공업⋅농업용수와 하천유지용수의 물 부족 정도를 파악함으로써 최종적으로 영주댐이 하천유지유량 확보에 얼마나 기여할 수 있는지 그 효과와 공급능력을 평가하고자 한다.
2. 대상구간 및 적용 모형
2.1 연구 대상지역
내성천은 낙동강 제1지류로서 내성천 하구에서 국가하천과 지방하천 구간을 통과하며 수계는 유역면적이 1,814.71km2, 유로연장이 108.20km이다. 영주댐 지점은 낙동강 합류점으로부터 약 55.6km 상류에 위치하며, 유역면적은 500km2, 유로연장이 52.6km로서 경상북도 최북단에 위치하고 대구와 안동에서 북으로 각각 160km, 55km에 위치한다. 북서쪽으로는 영주시와 약 12km 거리로 인접해 있고, 금천, 한천, 서천, 남원천, 단산천, 낙화암천과 같은 지류로 이루어져 있다. 내성천의 유역분지는 대체로 능선부가 1,000m 이상의 고도를 보이며 분지의 평균 해발고도는 318.2m이다.
영주다목적댐 건설사업 환경영향평가서(한국수자원공사, 2009)에 따르면 영주댐 건설로 인한 총 용수 공급 가능량은 총 203.3 × 106m3으로 생활⋅공업용수 공급계획에 따라 10.7 × 106m3을 공급하고, 농업용수 6.0 × 106m3, 하천유지용수는 186.6 × 106m3으로 계획하였다. 특히, 하천유지용수는 평균 갈수량 35.7 × 106m3(1.13m3/s)과 수질보전유량 150.9 × 106m3(4.79m3/s)을 포함되어 있으며, 수량과 수질이 양호한 풍수기에는 평균 갈수량을 공급하고 나머지 기간은 하류하천의 유황과 수질개선을 고려하여 수질보전유량을 월별로 탄력적으로 공급하는 것으로 계획하였다. Fig. 1은 내성천 유역과 영주댐 위치, 하천유지유량 고시지점인 월포 지점을 보여준다.
Site of the Naeseongcheon Watershed and Study Points
2.2 적용모형(K-MODSIM)
K-MODSIM 모형은 1972년 미국 텍사스의 수자원 개발부가 개발했던 SIMYLD 네트워크 모형을 미 콜로라도 주립대학교 Labadie 교수가 수정하여 개발한 Modified SIMYLD (MODSIM)을 한국수자원공사와 함께 공동으로 개발한 모형이다. 대상유역의 과거, 현재 및 미래의 수자원계획을 종합적으로 평가할 수 있으며 유역관리 및 운영에 필요한 문제 해결 혹은 의사결정지원을 위해 사용 할 수 있는 일반화된 유역네트워크 모델이다. MODSIM과 K-MODSIM사이에는 단위체계에 차이가 있으며, MODSIM에서는 순(10일), 반순(5일)단위의 모의가 불가능하지만, K-MODSIM에서는 모의가 가능하다. 또한 MODSIM이 한글 XP에서 원할히 수행되지 않는데 반해 K-MODSIM은 한글 XP에서 원할히 수행되도록 수정⋅개발되었다(정태성 등 2007). K-MODSIM 모형은 MODSIM 8.1을 사용하여 개발하였고, 모형 내에서 MS. NET 형태의 사용자코드를 생성 및 수행할 수 있다(Labadie, 1995). 강력한 사용자 편의 시스템(GUI)을 갖춘 K-MODSIM은 최적모의 흐름 네트워크와의 동적 연결과 운영에 필요한 데이터베이스 자료와의 연계를 가능하게 하며, 사용자가 원하는 형태의 결과를 출력 가능하게 하고 모형의 소스코드의 변경없이 외부모형과의 결합이 가능하다. 모델을 이용해 유역의 세부적인 사항을 똑같이 재현하는 것은 현실적으로 어려운 작업일 수 있다. 따라서 K-MODSIM은 유역의 물리적 특성을 비교적 모형에 구현하기 쉽도록 하기 위해 노드와 노드를 연결시켜주는 링크와 아크, 자료의 입⋅출력이 가능한 5가지의 노드(수요, 저류, 통과, 비저류 노드, 말단노드)를 제공하고 있다. 여기서 링크의 방향은 한 방향흐름으로서 흐름방향과 일치해야 하며, 물리적으로 흐름을 보여주는 하천, 수로, 용수 공급망을 상징한다. K-MODSIM의 최적화는 각 노드의 우선순위(priority)를 고려함으로써 모델의 네트워크 흐름을 최적화시킴을 의미한다. 이는 식 (1)과 같이 계산시간(t=1,2…,T) 동안 비용을 최소화하는 선형방정식을 풀게 되며 이는 네트워크 유동비용을 최소화하는 목적함수로 정리된다.
이때, 노드의 제약조건은 식 (2), (3)과 같다.
여기서, Cj는 링크 j 에서의 비용, 가중치 혹은 단위유량 당 우선순위, qj는 링크 j 에서의 유량이며, A는 네트워크의 모든 링크 수이다. N은 설치된 모든 노드의 수이다. Oi는 노드 i로부터 시작하는 모든 링크(유출) Ii는 노드 i에서 끝나는 모든 링크(유입)이고, bit는 시간 t일 때 노드 i에서의 유입 혹은 수요, ljt는 시간 일 때 링크 j에서의 하한 값, ujt는 링크 j에서의 상한 값이다. 네트워크 최적화 해의 범위가 Oi, Ii, N와 식 (2) 와 식 (3)에서 나타나는 상수(bit, ljt, ujt)들에 의해 제한된다. K-MODSIM은 최적화 모형으로 모의를 효율적으로 수행하기 위해 최적화기법을 적용하되 최소비용 네트워크 흐름문제는 시간에 따른 일련의 방식을 반복적으로 계산하는 것이므로 완전한 동적 최적화 과정이라고는 할 수 없다. 네트워크 흐름의 질량보전을 유지하는 범위에서 계산 기간에 걸쳐 최소비용 네트워크 흐름 최적화 알고리즘에 의해 식 (1)과 같은 선형 최적화 문제를 풀게 된다. 또한 부여된 우선순위에 따라 물을 배분해 주기 때문에 부여된 우선순위는 cost로 변환이 되며, 궁극적으로 cost를 최소화하는 문제로 변환이 된다. 또한 본 모형은 MODSIM을 기본으로 하여 Bertsekas와 Tseng에 의해 개발된 라그랑지안 완화법(Lagrangian relaxation)에 기초한 쌍대절차(dual procedure)를 통합한 효율적인 Primal-Dual 네트워크 최적 알고리즘의 원리를 채택하여 개발되었다. 라그랑지안 완화 알고리즘 해석기법은 기존의 out-of-kilter알고리즘 보다 훨씬 우세하며, Primal에 기초한 네트워크 알고리즘보다도 계산수행속도 면에서 매우 우수한다(Bertsekas and Tseng, 1988a, b).
Fig. 2는 네트워크의 기본적인 순환구조를 도시화한 것을 나타내며, 노드 1,2,3,4는 실제 유역의 상황을 나타내는 물리적인 시스템노드를 상징한다. 노드 1은 저수지노드, 노드2는 연결노드, 노드 3은 수요노드, 노드4는 하류의 싱크노드이다. 실선으로 표시된 링크는 물리적으로 흐름이 존재하는 하천과 광역용수공급망 혹은 수로를 나타내며, 점선으로 표기된 노드와 링크는 가상적인 노드와 링크를 나타낸다. 즉, 이들은 실제 유역에서 물리적으로 작용하는 시스템의 일부분은 아니지만 전체 시스템에 대해 질량보존의 법칙을 성립하게 한다. D는 수요량 계산노드로 수요량을 충족시키기 위한 공급량을 S는 저류량, SP는 여수로 방류계산노드로 조정이 불가능한 방류량을 계산하며, GW는 기상지하수노드로 지표수와 지하수간의 물 이동을 계산, M은 질량보존노드로서 시스템 전체의 질량이 보존되도록 한다.
Illustration of MODSIM Network Structure with Accounting Nodes and Links (Labadie et al., 1995)
2.3 SAMS 2007
본 연구에서는 영주댐의 유입량을 모의 발생시키기 위해서 수자원의 시계열 자료와 유입량의 매개변수 보정, 자료 생성에 적합한 것으로 알려진 SAMS(Stochastic Analysis, Modeling, and Simulation) 2007(Sveinsson et al., 2007) 프로그램을 이용하였다. 미 콜로라도 주립대학교(CSU)와 USBR (US Bureau of Reclamation)의 공동연구로 개발된 SAMS의 주요 목적은 추계학적 발생기법을 근간으로 하는 인위적인 수문학자료(유출량 혹은 유입량의 통계적 모의)를 생성하는데 있다. SAMS 2007은 다양한 수문학적 시나리오 상에서
수자원운용 계획의 타당성을 평가하거나 저수지의 저수용량에 대한 신뢰성 평가 혹은 초기저수지의 용량을 결정하기 위해 주로 사용되며, 연도별, 분기별, 월별자료의 통계적 분석이 가능하도록 구현되었다. 게다가 복잡한 하천유역의 자료의 표본생성이나 기간의 설정 제한 없이 생성이 가능하다. 모형은 프로그래밍 언어 C, Fortran, C++ 기반으로 구성되었으며, Windows 운영체제 하에서 구동할 수 있도록 설계되었다.
3. 기준저수량 산정 및 네트워크 구축
3.1 저수지의 기준저수량 산정
저수지 운영률 도출에 있어서 댐 유입량은 매우 중요한 수문자료이다. 영주댐 설계 시 사용한 장기유출량 자료는 안동댐의 실적유입량 자료를 전이하여 사용하였다. 안동댐에는 39년간의 유입량 자료가 확보되어 있지만, 신뢰적인 저수지 운영률 도출을 위해서는 보다 장기간의 댐 유입량 자료가 필요하다고 판단하였다. 따라서 본 연구에서는 앞서 언급한 안동댐 유입량의 통계적 특성을 시간적으로 보존하는 추계학적 수문모의 발생 기법(stochastic hydrologic generation technique)을 사용하여 유입량 자료를 확보하였다.
댐 유입량의 모의 발생을 위해 SAMS 2007을 이용하였고, 다계절 ARMA(Autoregressive moving average model) 모형을 이용하여 500년간의 순(10일) 단위 유입량을 모의 발생시켜 저수지 운영률 도출에 활용하였다. Fig. 3은 실제 월별 유입량과 SAMS 2007을 통해 모의 발생시킨 월별 유입량의 통계량을 비교하여 나타낸 그림이다. 모의발생 자료와 원시 시계열 자료의 통계적 비교는 평균, 표준편차, 변동계수, 왜곡도, 최대값, 최소값에 대해 수행하였다. 평균의 경우는 모의발생 자료와 원시 자료의 차이는 작게 나타났다(Fig. 3(a)). 표준편차의 경우 역시 모의발생 자료와 원시 자료의 차이가 적은 것으로 나타났다(Fig. 3(b)). 변동계수와 왜곡도는 표준편차가 포함되어 산정되는 통계 값으로 분석결과 원시자료의 특성을 잘 반영하고 있다(Fig. 3(c)와 3(d)). 최대값의 비교에서는 모의발생시 기후변화 등에 의한 영향을 반영하기 위해 과거 원시자료의 최대값보다 조금 크게 발생되도록 하였다(Fig. 3(e)). 최소값의 경우는 조금 크게 발생된 최대값의 영향으로 과거 원시자료보다 조금 적은 것으로 나타났다(Fig. 3(f)). 이와 같이 분석된 통계학적 수문분석 결과를 근거로 저수지 모의 운영을 수행하였다. 저수지 모의 운영은 기준 저수량을 가정한 후, 이수안전도 95%(500년 중 475년) 이상 각 가뭄 단계별 용수공급이 가능한 최소의 확보저수량을 시행 착오법으로 계산함으로써 영주댐의 기준저수량을 산정하였다(Fig. 4).
Comparison of Statistics Values between Historical and Generated Inflows
Results of the Estimated Planned Supply Quantity in Yeongju Dam
3.2 내성천유역의 K-MODSIM 네트워크 구성
앞 절에서 영주댐의 기준저수량 산정방법과 기본계획공급량에 따른 저수량을 산정하였고, 본 절에서는 K-MODSIM 네트워크 노드에 입력될 유출량 자료를 제시하였다. 우선 내성천 유역의 물수지 분석을 수행하기 위한 노드의 초기입력 자료를 위해 2001년부터 2015년까지 자연하천유출량 모델을 통해 산출된 결과 값을 각 표준유역의 월 단위 유출량 값으로 결정하였다. 영주댐이 포함된 송리원 지점의 경우에 담수구역으로 설정되어 있어 모형을 검정하기 위한 자료취득이 어려웠다. 따라서 유량검정 지점은 내성천 유역의 상류에 위치하고 생활, 공업, 농업용수 취수의 영향이 상대적으로 적으며 자연유량과 유사할 것으로 사료되는 봉화지점을 검정지점으로 택하였다. 검정기간은 2013년부터 2015년까지이며, 상관계수(R)는 0.76으로 모의 결과가 실제유량을 비교적 잘 재현하는 것으로 나타났다(Fig. 5).
Comparison of the Measured and Simulated Discharge in Bonghwa-point
K-MODSIM 모델에서 자료를 입력하는 노드로는 Nonstorage node(비저류노드), Demand node(수요노드), Reservoir node (저수지노드), Flowthru node(통과노드)와 네트워크의 말단에 위치하는 Sink node(말단노드)로 총 5개로 구성되어 있다. 내성천의 자연하천유출량 값을 위해 비저류 노드에 산정된 유출량 값을 입력시킴으로써 각 표준유역으로 공급되도록 하였다.
각 표준유역의 수요량 값은 국가수자원관리시스템(WAMIS)의 생활, 공업, 농업용수 이용량 자료를 활용하였다. 네트워크의 수요 노드의 입력 값으로 과거 2001년부터 2015년 기간 동안 수요량이 일정할 것이라는 가정 하에 수요량의 기초자료를 계산하였다. K-MODSIM 네트워크를 구성할 때 수요 노드를 이용하여 유역의 수요량 원천지를 모두 네트워크에 반영하는 것은 많은 시간이 소요되며 비효율적인 작업으로 판단하여 하나의 표준유역에서 발생하는 생활용수를 합산하여 하나의 수요량으로 가정하여 네트워크를 구성하였다. 공업용수와 농업용수 또한 이와 같은 방법으로 각각의 네트워크를 구성하였다.
생활용수 수요량을 산정하기 위해서 내성천 유역의 총 사용량을 각 해당 표준유역의 면적으로 나누어 줌으로써 해당 표준유역의 생활용수 수요량을 산정하였다. 공업용수의 경우 각 행정구역에 분포해 있는 계획입지 공단사용량과 자유입지 공단사용량의 총 사용량을 면적으로 나누어 줌으로서 공업용수를 산정하였으며, 농업용수는 논과 밭의 편입률을 고려함으로써 비교적 실제 사용량에 가깝도록 계산하였다(Table 1). 생활, 공업용수의 회귀율은 수자원장기종합계획(국토해양부, 2011.12)의 물이용 종합 계획 편을 참고하여 용수수요량의 65%, 농업용수는 35%로 설정함으로써 하천의 합류지점으로 재공급할 수 있도록 수요노드를 구성하였다. 도시와 도시 혹은 표준유역간의 물 이동이 존재했을 시, 네트워크에서 별도의 통과, 말단노드를 사용함으로써 광역간 물 이동이 이루어지도록 하였다.
Water Demand and Area in 17 Tributary, Naeseongcheon
내성천의 하천유지유량은 하천생태계를 기준으로 산정하였으며, 내성천 하류부근의 월포 지점을 대상으로 8.5 m3/s로 고시하였다(수자원장기종합계획, 2011.12). 네트워크의 유량공급 우선순위는 생활용수, 공업용수, 농업용수, 하천유지유량 순으로 각 노드의 우선순위(priority number)를 부여하였다(Table 2). 각 노드의 우선순위는 내성천유역의 상류 및 지류에 해당하는 표준유역의 생활⋅공업⋅농업 수요량을 먼저 공급할 수 있도록 기준을 세웠으며, 이에 따라 하천유지용수에 해당하는 월포 지점의 우선순위는 말단노드와 댐 노드를 제외한 가장 높은 우선순위 값을 부여함으로써 생활, 공업, 농업용수의 수요량을 우선 충족 후 하천유지용수를 공급하도록 설정하였다. 시범운영중인 영주댐의 운영초기수위는 상시 만수위 일 때의 저수용량을 노드의 초기 값으로 결정하였다. Fig. 6(a), (b)는 K-MODSIM을 이용해 구축된 내성천유역의 상류와 하류에 해당하는 네트워크 모식도이다.
Priority Number of Water Supply Applied to K-MODSIM Nodes for Each Unit-catchment
K-MODSIM Network of Naeseongcheon Watershed ((a) upstream, (b) downstream)
4. 결과 및 고찰
4.1 물수지 분석
댐 기준저수량 제시를 통한 내성천유역 하천유지용수의 확보량을 분석하기 이전에 우선적으로 K-MODSIM 네트워크를 토대로 내성천유역의 2001년부터 2015년까지 물 공급량 대비 물 수요 현황을 파악하였다. 15개년간 물 수지 분석결과는 2011년 수요량이 일정할 것이라는 가정하에 생활용수는 연평균 약 2.5 × 106m3, 공업용수 경우는 연평균 약 0.87 × 106 m3도가 부족했던 것으로 나타났다. Fig. 7(a), (b)는 2001년부터 2015년까지 시계열로 나타낸 내성천유역에서 발생했던 생활용수와 공업용수의 물 부족 결과이다.
Shortage of Domestic (a) and Industrial (b) Water of Naeseongcheon Watershed
그림에서 나타나는 것처럼 생활, 공업용수가 가장 부족한 시기는 크게 2001년, 2008년, 2014년으로 해당년도는 2013년 한국 환경⋅정책평가연구원에서 발간한 「가뭄 유형별 기후변화 적응정책연구」 보고서 중 2001년에는 식수난으로 인한 비상공급용수 공급, 2008년에는 제한급수를 수행, 2014년 일부 지역에 단수를 실시했다고 언급했을 만큼 극심한 가뭄이 발생했던 것을 확인할 수 있다. 생활용수가 부족했던 2001, 2002, 2008, 2014년의 공급량은 각각 39.6(98.3%), 39.3(97.6%) 39.8(98.8%), 39.2(97.4%) × 106m3으로 15년 생활용수 공급가능률 평균인 99.48 %에 미치지 못하는 것으로 분석되었다. 공업용수 또한 생활용수와 비슷한 패턴을 보였는데 2001, 2002, 2008, 2014년의 공급량이 각각 13.5 (98.4%), 13.4(97.6%) 13.6(98.8%), 13.4(97.3%) × 106m3 수준을 보였다(Table 3).
Annual Supply and Demand State of Naeseongcheon Watershed from 2001 to 2015
공간적 측면에서 물 수지 분석결과를 살펴보면 내성천의 총 17개 표준유역 중 생활용수와 공업용수가 부족했던 유역은 서천하류유역(유역코드 - 200407)으로 동일하게 나타났다. 이는 본 표준유역이 내성천 유역 내에 위치한 영주시의 시가지로서 인구밀집지역으로 생활용수의 사용량이 타 표준유역보다 많기 때문이며, 공업용수 경우 다수의 자유입지공단과 계획입지공단이 위치함에 따라 공업용수의 사용량 역시 타 표준유역보다 월등하게 많기 때문으로 판단된다. 농업용수 부족량은 2001년부터 2015년까지 월 단위 분석 결과 연평균 약 3.65 × 106 m3 정도가 부족한 것으로 나타났다. Fig. 8과 같이 내성천의 총 17개 표준유역 중 농업용수가 부족한 표준유역은 총 8개로 내성천상류(200402), 토일천(200403), 서천상류(200405), 죽계천(200406), 옥계천(200409), 한천상류(200411), 대하리천(200415), 금천(200416) 유역에서 물 부족이 나타났다. 또한 가장 부족한 표준유역은 옥계천 유역으로 연평균 1.1 × 106m3이 부족한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 타 표준유역보다 넓은 논⋅밭으로 인한 수요량 증가와 하류로 갈수록 유출량감소 때문으로 판단된다. 또한 전국적으로 가뭄이 발생했던 2015년 상반기에도 일부 표준유역에서 농업용수 부족이 발생한 것으로 발견되었다. Fig. 8은 물 부족량을 표준유역별로 도식화한 그림이며, Table 4는 각 표준유역별 연구기간 15년 동안의 총 용수 부족량과 연평균 부족량을 나타낸다.
Water Shortage for Each Unit-catchment from 2001 to 2015
Total Shortage and Annual Average Shortage for Each Unit Catchment
4.2 하천유지유량 분석
앞서 산정한 기준저수량 결과의 적용 효과와 영주댐 저수량에 따른 하천유지용수 확보량을 분석하기 위해 영주댐 운영률 적용 전과 후로 K-MODSIM 입력자료 산정하였다. 영주댐이 시범 운영 중이기 때문에 K-MODSIM 모형에 입력될 노드의 초기 저수량 값을 상시 만수위(163m)일 때의 저수량(168.49 × 106 m3)으로 가정하였다.
영주댐 운영률 적용 전의 경우 과거 2001년부터 2015년까지 하천유지유량 고시지점(8.5 m3/s)인 월포에서 약 2.35 m3/s 가 부족한 것으로 나타났으며, 이는 연간 7.4 × 106m3으로 풍수기(6~9월)에는 고시된 유량을 만족했으나 부족량의 대부분이 이수기에 나타난 것을 발견할 수 있었다. 영주댐 기준저수량 산정결과 값을 이용하여 기본계획공급량의 60%, 70%, 80%, 90%, 100% 총 5가지 타입 별 확보 가능한 하천유지유량을 비교분석한 결과 ① 영주댐 운영률 적용 전에는 하천유지유량 6.15 m3/s으로 월포 지점의 고시유량대비 72.35%, ② 기본계획공급량 60%일 때, 6.71 m3/s로 78.94% ③ 기본계획공급량 70%일 때, 7.48 m3/s로 88.00%, ④ 기본계획공급량 80%일 때, 8.14 m3/s로 95.76%, ⑤ 기본계획공급량 90%일 때, 8.34 m3/s로 98.12%, ⑥ 기본계획공급량 100%일 때, 8.42 m3/s로 고시유량대비 99.06%를 확보가능 한 것으로 나타났다(Fig. 9, Table 5). 기본계획공급량의 100%에 해당하는 저수량을 확보했음에도 월포의 고시유량을 충족시키지 못한 것은 영주댐 운영률(기준저수량 산정)을 산정 시 생⋅농⋅공 수요량 산정과 실제 내성천 유역에서 사용된 생⋅농⋅공 수요량 차이 때문으로 판단된다. 또한 2015년 8월에 하천유지유량이 지속적으로 부족한 이유는 최초에 유출량모델을 이용해 산출된 2015년 자연하천유출량 값이 타 년도보다 적었기 때문이고, K-MODSIM 네트워크를 작성하면서 하천유지유량 노드의 우선순위를 높게 설정하여 타 년도보다 부족한 유출량을 생활, 공업, 농업용수 노드에서 먼저 공급받았기 때문으로 판단된다.
Increases of Securing Instream Flow in Wolpo Point According to Planned Supply Quantity
Water Supply of Instream Flow in Accordance with Planned Supply Quantity in Wolpo
5. 결론
본 연구에서는 K-MODSIM 네트워크를 이용하여 영주댐 기준저수량에 따른 하천유지유량 확보량 및 내성천유역의 물수지 분석을 수행하였다. SAMS 모형을 통해 영주댐의 기준저수량을 제시하였고, 유출량 모델을 이용해 내성천의 자연하천유출량을 산정하였다. 이를 이용해 생활, 공업, 농업용수 확보량 및 부족량을 평가하였고, 영주댐의 기준저수량을 통해 하천유지유량의 잠재적 확보 가능성을 분석하였다. 유출량 모델을 활용해 내성천의 2001년부터 2015년까지의 17개 표준유역별 월 단위 자연하천유출량을 산정하였다. 봉화지점을 검정지점으로 하여 2013년부터 2015년까지 R=0.76으로 비교적 모의 유량이 실제유량을 잘 재현한 것으로 나타났다. 산정된 유출량 K-MODSIM 입력값으로 이용하여 내성천의 상류⋅하류 네트워크를 구축하였고, 각각의 수요량자료는 2011년 WAMIS 자료를 이용하였다. 서천하류에 해당하는 표준유역이 영주시의 시가지로써 수요량이 가장 큰 것으로 분석되었다. 영주댐 운영률 도출을 위해서 추계학적 수문모의 발생 기법을 사용하여 유입량 자료를 확보하였고, 댐 유입량의 모의 발생을 위해 SAMS 2007과 다계절 ARMA모형을 이용하여 500년간의 순(10일) 단위 유입량을 모의 발생시켜 저수지 운영률 도출에 활용하였다. 구성된 K-MODSIM 네트워크를 바탕으로 물수지 분석 결과는 생활, 공업용수의 경우 2001, 2008, 2014년에 물 부족이 나타났으며, 공간적 측면에서는 서천하류유역의 물 부족이 가장 큰 것으로 나타났다. 농업용수는 총 17개 표준유역 중 8개 유역에서 나타났으며, 연평균 약 3.65 m3/s가 부족하였다. 영주댐 기준저수량 산정에 따른 하천유지유량 분석 결과 영주댐 저수량 고려 전 6.15 m3/s에서 최대 기준저수량 100%를 확보했을 시, 월포 지점의 고시유량(8.5 m3/s) 중 약 99%를 공급할 수 있는 것으로 나타났다.
본 연구 결과들을 통해서 아직 시범운영중인 영주댐의 기준저수량을 제시할 수 있었으며 이에 따른 하천유지유량의 잠재적 확보량을 각각 기준저수량에 따라 정량적으로 제시할 수 있었다. 또한 물수지 분석을 통해서 각 용수수요에 따른 물 공급에 취약한 표준유역을 선별할 수 있었다. 이는 K-MODSIM 모델이 복잡할 수 있는 수자원시스템을 단순화시킴으로써 실무에 적용하기 쉽고 적용이 편리하며, 물 배분체계 고려하여 물 공급의 우선순위를 부여함으로써 비교적 합리적으로 물이용 현황을 제시할 수 있다는 결론을 얻었다. 향후 물수지 분석을 위해 필수 입력 값인 각 수요량에 대한 개선된 자료와 유역에 대한 정확한 유출량 자료의 확보는 유역 내에서 발생하는 물 부족에 대한 구조적, 비구조적 대책을 마련하는데 일조 할 수 있으며 동시에 하천유지유량의 건전한 물 공급에 기여 가능 할 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비지원(11기술혁신06)에 의해 수행되었습니다.