1. 서 론
우리나라는 여름철에 연중 강수량의 절반 이상이 집중되어 수자원 확보 기간이 시기적으로 편중될 뿐만 아니라 전역으로 산지가 분포해 있어 지역적인 강수 편차도 커서 시⋅공간적인 수자원 관리에 어려움을 겪고 있다(Choi et al., 2018). 기후 및 지정학적 특징으로 인한 수자원 불균형 및 물 부족 발생은 장래 기후변화로 그 강도가 더 증폭될 것으로 예상되며 우리나라는 이런 어려움을 해소하는 방안으로 주요 하천 수계에서 수도를 활용한 물 분배를 수행하거나 홍수기에 집중적으로 발생한 강우를 갈수기에 공급할 수 있는 수자원 시스템을 마련하고 있다.
수자원을 저류 및 공급하는 시설물 중 다목적댐은 가뭄과 홍수 등 물 관련 재해에 대응할 수 있는 대표 시설물로 국내 주요 행정구역의 용수공급을 책임지고 있다. 다목적댐은 사회⋅경제적 조건을 고려하여 운영방식 및 계획공급량을 결정하며 용수배분의 우선순위를 두고 용수를 공급하고 있다. 이를 효과적으로 운영하는 방안을 수자원 관리의 어려움과 기후변화로 인한 미래 용수공급 불확실성을 해결할 수 있는 요인으로 분류하고 운영방식에 따른 용수공급능력을 정량적으로 평가하여 가뭄 피해를 최소화하는 대책 마련 및 수자원 시스템 설계지침으로 활용할 수 있다.
용수공급능력은 수자원을 공급하는 시설물 혹은 시스템이 수요량을 실패하지 않고 공급하는 이수안전도를 의미하며, 수자원 시스템의 용수공급능력을 정량적으로 평가한 연구는 꾸준히 수행되어 왔다. Hashimoto et al. (1982)과 Moy et al. (1986)은 수자원 시스템에서 이수안전도를 평가하기 위한 도구로 신뢰도, 회복도, 취약도를 제시하고 저수지 운영규칙을 정량적으로 평가하는 방안을 제시하였다. 또한, 공급량과 신뢰도의 관계성 분석, 회복도 및 신뢰도에 따른 공급능력 평가 등의 연구가 다수 이루어졌으며(Lee et al., 2014; Lee, 2014; Zhang et al., 2017; Kim et al., 2018), 이 외에도 장기적인 다목적댐의 이수안전도 평가 및 용수공급능력 산정 등 다양한 연구가 다수 이루어졌다(Ahn et al., 2016; Jin et al., 2016; Gierszewski et al., 2020; Saab et al., 2022).
본 연구에서는 기존 많은 연구에서 이수안전도를 평가한 방법인 단일 댐의 독립적인 운영에 따른 용수공급능력이 아닌 섬진강 유역 전체를 대상으로 운영방식과 공급 체계 변화에 따른 통합적인 물수지 분석을 수행하고 그에 따른 생활용수 공급능력을 평가하고자 하였으며, 이수안전도를 다양한 관점에서 분석하고자, 산술적인 분석 결과와 확률밀도함수를 적용한 통계적인 분석을 구분하여 물 부족 특성을 해석하였다.
2. 연구 방법
2.1 대상유역
섬진강 유역은 우리나라 주요 하천 중 하나인 섬진강이 흐르고 있으며, 큰 규모의 수리시설물을 유역 내 건설하여 용수를 공급하고 있다(Fig. 1). 유역 내 수리시설물 중 댐은 다목적댐, 생⋅공용수 전용댐, 수력발전용댐, 다목적 농업용댐이 있으며, 다목적댐은 주암댐, 섬진강댐, 생⋅공용수 전용댐은 수어댐, 동복댐, 수력발전용댐은 보성강댐, 다목적 농업용댐은 동화댐이 있다. 섬진강 유역 내 댐은 지역적인 수자원 불균형을 해결하기 위해 많은 물 이동을 시행하고 있으며, 특히 섬진강, 동복댐, 주암댐의 경우에는 섬진강 유역 외로 생활용수와 농업용수를 공급하고 있어, 가뭄 발생 시에 유역 간의 물 갈등이 언제든 발생할 수 있다. 이 외에도 주암조절지댐과 수어댐은 주암댐과 다압취수장으로부터 용수를 도수 받아 섬진강 남해권의 생활 및 공업용수를 공급하고 있어 유역 내 물 이용자들 간의 갈등도 많이 발생하고 있다. 이렇듯 유역 내 물 부족을 해소하고자 수자원공급시설물을 다수 확보하였으나 복잡한 물 이동과 연계운영으로 가뭄에 취약한 섬진강 유역은 신뢰성 있는 수자원 관리 방안이 필요한 실정이다.
2.2 물 수급 네트워크
본 연구에서는 댐 운영 및 수자원 시스템을 다양한 형태로 구성하고 최적화할 수 있는 Korea Water Resources Evaluation and Planning System (K-WEAP)을 활용하여 섬진강 유역의 물 수급 네트워크를 구축하였으며, 시간 해상도는 국가 수자원 계획 및 평가에서 일반적으로 사용하는 방법론에 맞추어 반순 간격으로 설정하였다. 상수도통계, 전국오염원자료조사 등 용수에 대한 취수부터 회귀까지 과정 정보를 취합하여 수요 및 공급 네트워크를 구축하였으며, 유역 내 수리시설물 정보는 유관기관으로부터 제원을 확인하여 입력하였다(Kim et al., 2024). 이 외에도 섬진강댐, 주암댐, 동복댐, 동화댐, 주암조절지댐, 수어댐 등 수리시설물에서 섬진강 유역 내⋅외로 용수를 공급하는 복잡한 수자원 시스템을 반영하여 물수지 분석의 신뢰성을 높였다.
장래 용수공급능력을 평가하기 위한 물 수급 네트워크 구성을 위해 하천유역수자원관리계획에서 목표연도 2030년을 기준으로 산정한 장래 수요량을 반영하였으며, 기후변화 시나리오를 선정하기 위하여 Expert Team on Climate Change Detection and Indices (ETCCDI) 지수 26개 중 강우와 관련된 11개의 극한 강우지수를 활용하여 Coupled Model Intercomparison Project 6 (CMIP6)의 기후모델을 평가하고 Dry, Moderate, Wet을 대표하는 모델을 3개씩 결정하여 미래 기후변화 시나리오를 반영하였다. 또한, Soil and Water Assessment Tool (SWAT)을 활용하여 대표 기후변화 시나리오에 따른 자연유출량을 산정하고 물 수급 네트워크에 적용하였다(Kim et al., 2024).
물 수급 네트워크에서 하천유지유량도 반영하였으며, 대상 유역에 하천유지유량이 고시된 총 13개 지점(순창군(운암교), 임실군(일중리), 순창군(평남리), 순창군(현포리), 순창군(유적교), 남원시(동림교), 남원시(신덕리), 곡성군(고달교), 곡성군(예성교), 곡성군(태안교), 구례군(구례교), 구례군(송정리), 보성군(가장교))을 대상으로 필요유량을 반영하여 물 수급 분석에 반영하였다(Kim et al., 2024).
2.3 공급 시나리오
댐 운영방식은 댐별로 설정된 계획공급량을 일정하게 공급하는 방식인 일정량 공급 방식(Firm supply)과 시설물 하류의 부족량을 시설물이 모두 공급하는 부족분 공급 방식(Deficit supply)이 있으며, 본 연구에서는 두 가지 방식을 모두 적용하여 수자원 공급 시나리오를 설정하였다.
공급 체계는 두 가지 방식으로 구분하여 분석을 수행하였다. 현재 우리나라는 가뭄 대응 단계별로 생활용수 > 공업용수 > 농업용수 > 환경용수 및 하천유지유량 순으로 공급에 우선순위를 두고 있다. 그러나 단일 운영방식은 급격히 변화하는 가뭄의 강도와 빈도에 한계가 있으며, 다양한 관점에서 실용적인 공급 체계를 분석할 필요가 있다고 판단하여 공급 우선순위를 현재 체계를 유지하는 것과 모든 용수 공급의 우선순위를 동일시하는 방안을 추가하여 분석하였다. 따라서 이번 연구에서는 Table 1과 같이 네 가지 Case를 적용하여 섬진강 유역의 물수지 분석을 수행하였다.
2.4 이수안전도
Hashimoto et al. (1982)은 수자원 시스템의 맥락에서 Reliability-Resilience-Vulnerability (RRV) 개념을 소개하였다. 신뢰도(Reliability) 지표는 시스템이 만족스러운 상태에 있는 확률을 의미하며, 수요가 충족된 시간을 전체 시간으로 나눈 값으로 정의한다. 회복도(Resilience)는 시스템이 실패한 후 만족 상태로 회복하는 능력을 정량화한 지표로, 불만족 상태에서 만족 상태로의 전환 확률 비율로 정의된다. 취약도(Vulnerability)는 시스템이 수요를 충족하지 못하였을 때의 실패 강도를 측정하고 결함의 심각성을 나타내며, 세 지표는 아래와 같이 같이 계산된다.
여기서 M은 물 부족 이벤트의 총 횟수, T는 전체 기간의 분석시간(반순) 수, d(j)는 물 부족 이벤트 j의 기간(반순), v(j)는 물 부족 이벤트의 양(m3)이다.
연속적인 기간에 발생한 단일 물 부족 이벤트를 정량적으로 평가하는 세 가지 지표는 물 수급에 있어 중요한 정보를 제공하지만, 개별 지표를 기초적인 통계 결과에 의존하여 표현하고 이를 수자원 계획에 활용하면 물 부족을 왜곡하여 해석할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 댐의 운영방식에 따른 생활용수 공급능력을 평가하기 위해 행정구역 단위로 발생한 물 부족에서 이수안전도를 산정하고 이를 확률밀도함수로 산정하여 분석하였다.
확률밀도함수는 일반적으로 가뭄 또는 물 부족을 분석하기 위해 사용되는 Weibull, log-normal, Gamma, Generalized Extreme Value (GEV) 분포를 활용하여 적합하였으며(Agwata et al., 2014; Tu et al., 2016), K-S 검정(Kolmogorov-Smirnov test)을 시행하여 적합도 검정을 수행하여 가장 적합한 분포를 선정하였다.
3. 공급능력 평가
본 연구에서는 댐 운영방식과 공급 우선순위에 따른 이수안전도를 행정구역별로 평가하였으며, 상대적으로 이수안전도가 낮은 취약지역(곡성군, 남원시, 임실군)을 대상으로 전체 분석 기간에 대한 신뢰도, 회복도, 취약도를 평가하였다.
Fig. 2는 수요처에서 발생한 물 부족을 고려한 평균적인 신뢰도, 회복도, 취약도를 나타낸 결과이다. 지역별로 살펴보면, 곡성군은 97.91~98.52%의 신뢰도, 0.32~0.38의 회복도, 9,293~11,894 m3의 취약도를 보였다. 곡성군은 물 공급 체계가 회복 속도는 느리지만 물 부족 상황에서 일관되게 수요를 충족시키며 물 공급 부족의 영향이 적을 가능성이 크다.
Fig. 2
Averaged Value of Reliability, Resilience, and Vulnerability Across Three Districts with Low Water Supply Reliability
남원시는 97.91~98.52%의 신뢰도, 0.32~0.38의 회복도, 36,644~77,244 m3의 취약도를 보였다. 남원시는 물 공급 체계가 물 부족 발생 시 회복에 어려움을 겪을 수 있으나 신뢰도가 비교적 높아 물 공급의 안정성을 확인할 수 있지만 취약성 지표가 크게 나타나 강도 높은 물 부족을 경험할 가능성이 있다.
임실군은 96.75~99.57%의 신뢰도, 0.61~0.65의 회복도, 4,953~9,061 m3의 취약도를 보였으며, 댐 운영 방식에 따라 신뢰도의 변화가 큰 것을 확인하였다. 하지만 회복도은 다른 지역보다 상대적으로 높아 물 부족 발생 시 회복이 조금 더 빠르게 이루어질 수 있으며, 취약도도 크지 않아 물 부족 상황에서도 큰 규모의 공급 부족이 발생하지 않을 가능성을 시사한다.
위 결과를 댐 운영방식의 관점에서 살펴보았을 때, Firm supply 방식은 물 공급의 안정성을 우선하면서도 전체 물 가용량이 줄어들 때 시설물의 공급 경직성을 보였다. 또한 지역별로 공평한 물 공급 체계를 제공하지만 적응력이 낮은 단점이 있다. 반면 Deficit supply 방식은 임실군에서는 신뢰도가 더 높아져 운영방식이 효과적임을 보인다. 그러나 이 접근법은 곡성군과 남원시에서 신뢰도와 회복도의 감소를 보이며 각 수요처에 용수를 공급하는 시설물의 공급능력에 따라 지역 간 불균형을 일으킬 수 있는 것으로 분석되었다.
지역별로 발생하는 물 부족 특성을 통계적으로 분석하기 위하여 연도별로 발생한 물 부족에 대해서 신뢰도, 회복도, 취약도로 구분하여 확률밀도함수를 산정하였다(Table 2). 또한, 확률밀도함수의 중앙값(Median), 최빈값(Mode), 왜도(Skewness), 첨도(Kurtosis)를 산정하여 물 부족의 집중도와 극단값 발생 가능성을 확인하였고, 운영방식과 공급 우선순위에 따른 분포를 시각화하여 정리하였다. Tables 3~5는 확률밀도함수를 설명하는 지표를 정리한 결과이며, Fig. 3은 지표와 분포에 따라 확률밀도함수를 나타낸 결과이다.
Table 2
Determination of Probability Density Function for Each RRV Indices
Table 3
Statistical Components of Probability Distribution Function Against Reliability
Table 4
Statistical Components of Probability Distribution Function Against Resilience
Table 5
Statistical Components of Probability Distribution Function Against Vulnerability
곡성군은 평균적인 신뢰도와 회복도가 상대적으로 낮지만, 확률밀도함수에서 신뢰도와 회복도 분포가 특정 구간에 집중되어 있어, 물 부족 발생 시 비교적 예측이 가능한 대응 패턴을 보일 가능성이 크다. 특히, 곡성군의 취약도 분포는 낮은 첨도와 왜도를 보이며, 물 부족의 영향을 다소 안정적으로 관리할 수 있는 구조임을 나타낸다.
남원시는 신뢰도와 회복도가 곡성군과 같은 경향성을 보이지만, 취약도에서 첨도가 높은 분포와 강도 높은 물 부족을 보이며 극단적인 물 부족 상황에 취약함을 보여준다. 이는 특정 상황에서 물 부족이 크게 발생할 수 있음을 의미하며, 남원시가 동화댐으로부터 광역상수도를 통해 물을 공급받거나 동화댐 하류에 위치하는 월락정수장에서 생활용수를 취수하는 두 가지 경우가 생활용수를 공급받는 주된 방법이므로 가뭄으로 동화댐의 용수공급능력이 낮아지면 다른 지역보다 이수안전도가 취약해지는 결과를 보이는 것으로 해석된다.
임실군은 신뢰도가 평균적으로 높으며, 왜도와 첨도가 높은 신뢰도 분포를 가지고 있어 물 수급 안정성이 비교적 일정하게 유지될 가능성을 보인다. 회복도 또한 다른 지역과 비교하여 높으며, 첨도가 낮아 극단값이 자주 발생하지 않는 경향을 보인다. 임실군의 취약도 분포는 전반적으로 오른쪽으로 꼬리가 긴 안정적인 분포를 보이며, 물 부족 상황에서 다소 완만하게 대응할 수 있는 구조임을 확인할 수 있다.
4. 결 론
본 연구는 물 부족에 취약한 지역을 대상으로 댐 운영방식과 공급 우선순위에 따른 용수공급능력을 평가하고자 신뢰도, 회복도, 취약도를 분석하여 물 부족 특성을 평가하였다. 이수안전도 지표를 분석한 결과를 통해 전반적인 물 공급 안정성을 파악했으며, 확률밀도함수 적합을 통한 통계적 분석으로 각 지역에서 발생하는 물 부족을 심층적으로 이해할 수 있었다.
댐 운영방식에 따라 물 공급 안정성은 다소 차이를 보였다. Firm supply 방식은 물 공급의 일관성을 중시하여 지역 간 신뢰도가 고르게 나타나는 경향이 있지만, 가뭄 기간에 발생하는 물 부족 상황에서는 회복도와 취약도 면에서 경직되어 극단값이 많이 발생하는 결과를 보였다. 반면, Deficit supply 방식은 적정량의 강우가 발생하여 저수율을 꾸준히 회복할 수 있는 상황에서 물 공급을 더 유연하게 조정할 수 있어, 상대적으로 높은 신뢰도와 회복도를 보여준다. 그러나 이 방식은 특정 시설물의 영향을 받는 지역에서 공급이 불안정할 때 물 부족의 영향을 더 크게 받아 지역 간의 이수안전도 간극이 커지는 결과를 초래하는 경향을 보였다. 따라서 각 지역의 전반적인 특성뿐만 아니라 극한 사상에서의 물 수급 대응 패턴을 함께 고려하는 접근이 필요하다. 결과적으로, 취약도가 큰 남원시는 안정성 강화를 위한 정책적 조치가 필요하며, 신뢰도와 회복도가 낮은 곡성군과 임실군은 예측가능한 물 부족을 유지하는 유연한 공급 구조가 유효함을 볼 수 있어, 지역별로 차별화된 수자원 관리 전략의 필요성을 확인할 수 있다.
종합적으로 살펴보면, 단일 정책으로 모든 지표와 지역에서 최적의 결과를 달성하기는 어렵지만, Firm supply 방식과 Deficit supply 방식의 요소를 결합한 균형 잡힌 접근 방식이 지역 간 불균형을 완화할 가능성이 있으며, 이러한 혼합 접근법은 실시간 수요를 기반으로 유연하게 수자원을 할당하면서, 취약 지역에 최소한의 신뢰도를 보장할 수 있을 것이다. 결과적으로 본 연구는 향후 수자원 정책 결정에 대한 가치 있는 기초를 제공하며, 시⋅공간적으로 변화하는 수요를 충족하기 위해 적응적이고 지역별 민감성을 고려한 접근 방식의 중요성을 강조한다.
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