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1. 서 론

국내에서는 1970년대 연평균 강수량의 편차가 증가함에 따라 5~7년 주기로 극심한 가뭄이 발생하고 있으며, 특히 2013년부터는 5년 연속으로 가뭄이 지속되고 있고 가뭄 발생이 증가하고 심화함에 따라 최근 농작물의 피해와 생활⋅공업용수의 운반⋅제한 급수 등 가뭄 피해 또한 지속적으로 증가하는 추세이다(ME, 2021). 또한 맑고 안정적인 용수에 대한 국민의 요구가 증대함에 따라 한정적인 용수를 통한 공급에 어려움을 겪고 있으며 지역 간 물 관련 분쟁이 자주 발생하고 있어 수자원 확보를 위한 노력이 절실한 상황이다.

최근 들어 여러 가지 이유로 인해 양적인 물 공급의 확대는 점점 한계를 보여 소비 측면에서의 확보, 즉 수요관리를 통한 수자원 확보를 위해 노력하고 있다. 국외의 경우 오래전부터 물 절약시책(Water Conservation Program)을 제도적으로 시행하고 있으며 이를 반영한 수요예측을 통해 수자원 계획 수립에 힘쓰고 있다. 국내 수자원 계획에서도 수요관리를 반영하여 수요량을 예측하고는 있지만 정책적으로 제시한 수요관리 목표치만을 반영할 뿐 수요관리에 대한 명확한 해석은 부족한 실정이다.

수요관리에 관한 연구는 주로 에너지, 교통, 전력 분야에서 많이 수행되고 있으나 수자원 분야에서의 수요관리 연구는 아직 미비하다. Song and Joo (2021)는 광주광역시에 대해 설문조사를 통해 물 사용 실태와 절수 인식을 분석하였으며 가장 많은 물 낭비가 발생하는 것은 샤워 및 빨래라고 제시하였다. 또한 설문자의 68.4%가 물 절약을 하고 있으며 실천하지 않는 이유도 조사하여 제시한 바 있다. Seo et al. (2011)은 금강권역을 대상으로 수요관리 추진 결과를 분석하고 이에 따른 절감량을 산정하였다. 또한 수요관리 절감량이 하천유량 변화 및 지하수와 저수지 저수량 증가에 영향을 미친다는 것을 물수지 분석을 통해 제시하였다. Kang et al. (2015)은 SWMM을 이용하여 효과적인 수자원 관리와 추가적인 수원 확보 차원에서 빗물 재이용의 효과를 정량적으로 분석하였다. KRIHS (2006)는 물 수요관리 평가 기반을 구축함으로써 물 수요관리 평가의 이론적 기초를 제공한 바 있다. Kim and Oh (2017)는 수요관리의 방안으로 절수기기를 설치할 경우를 분석하여 절약할 수 있는 수자원량과 이산화탄소 감축량을 산출하여 제시하고, 이에 따른 경제적 파급효과를 분석하였다. Maggioni (2015)는 과거 수도 관련 자료를 분석하여 물 효율 설비, 수도 요금 또는 관련 조례에 대한 보상이 효과적인지 분석하여 제시하였다. Kenney et al. (2008)은 가정의 물 수요는 수도 시설에 영향을 많이 받으나 기후 및 날씨 등에 영향을 적게 받는다고 언급하였다. 또한 가정용 수요에 영향을 미치는 요인으로 수요관리 방안인 가격책정, 물 사용 제한 정책, 물 소비에 대한 실시간 정보 제공 등을 제시하고 이들이 가뭄 기간에 어떤 영향을 미치는지 분석하였다. 이 외에도 국외 여러 연구자에 의해 수요관리의 효과 및 영향에 관해 연구한 바 있다(Baki et al., 2018; Tortajada et al., 2019; Wang et al., 2020).

본 연구에서는 섬진강 유역에 대한 보다 현실적인 물수지 분석을 통해 지역별 물 이용 효율을 산정하고 수요관리 효과를 정량적으로 평가하여 제시하고자 하였다.

2. 대상유역에 대한 물 수급 네트워크 구축

연구 대상유역으로 섬진강 유역을 선정하였다. 섬진강 유역은 최근 다압취수장 이전, 증설등 여러 요인에 의해 하류지역 재첩 서식지 파괴 등 피해가 발생하고 있어 안정적인 용수 공급애 대한 요구가 증가하고 있다. 또한 유역 내에 다목적댐, 용수전용댐, 수력발전댐, 농업용저수지 등 다양한 수자원공급시설물이 존재하나 추가공급 여유량이 많지 않아 수자원 확보의 방안으로 수요관리가 필요한 지역이다.

섬진강 유역의 물 이용 특성 및 수요관리 효과를 분석하기 위해 섬진강 유역의 다양한 수자원 시설물을 반영한 물수지 분석이 필요하다. 섬진강 유역에 위치한 행정구역으로는 20개 시군이 있으며 시군별 취수장, 정수장, 하수처리장 등을 조사하여 물 수급 네트워크에 반영하였다. Fig. 1은 순천시의 생활용수 관련 물 수급 네트워크를 제시한 것이다. 그림과 같이 물 수급 네트워크는 복잡한 과정을 거치게 되며 이를 반영함으로써 보다 현실적이고 합리적인 물수지 분석이 가능할 것으로 판단된다. 공업용수의 경우 하천수사용관리시스템에서 제공하는 하천수 사용실적자료를 기반으로 표준유역별 자료를 구축하였으며 농업용수에 대해서는 하천수 사용실적자료와 국가수자원관리종합정보시스템에서 제공되는 과거 농업용수 수요량 자료를 반영하였다.

Fig. 1

Domestic Water Supply and Demand Network in Suncheon-si

생활용수 관련 자료의 경우 상수도통계를 통해 연 총량 자료만을 제공하고 있어서 인근 생활용수 관련 하천수 허가시설물의 하천수 사용실적자료를 이용하여 일별 취수율을 분석하고 이를 반영하여 연 총량 자료를 일별 자료로 변환하였다(Fig. 2). 또한 하천수 허가시설물에 대해서 허가 기간에 미보고 취수실적 자료의 경우 인근 동일 용도(농업, 생활, 공업, 발전, 환경 및 기타)의 하천수 취수실적 자료(취수일 수, 허가량 대비 취수율)를 반영하여 하천수 일별 취수량 자료를 보완하였다(Fig. 3).

Fig. 2

Daily Data Conversion of Annual Data on Domestic Water

Fig. 3

Supplementation of River Water Use Performance Data

농업용수에 대해서는 섬진강 유역을 농촌용수구역별로 구분하여 구역별로 과거 농업용수를 일별로 산정하였다. 우선 국가수자원관리종합정보시스템에서 제공되고 있는 과거 섬진강 유역의 중권역별 용도별(수리안전답, 수리불안전답, 관개전, 비관개전 및 축산용수) 수요량을 조사하고 티센망 기반 농촌용수구역별 기상관측소 지점을 선정하였다. 한국농어촌공사에서 제공하는 수리⋅수문설계시스템(K-HAS)을 활용하여 농촌용수구역별 일별 용수수요량 비율을 산정하고 이를 중권역별 과거 수요량 자료에 적용함으로써 섬진강 유역의 농촌용수구역별 일별 수요량 자료로 변환하였다.

하수처리시설에 대해서는 환경부 국립환경과학원에서 제공하는 전국오염원조사 자료를 활용하였으며 하수처리시설로 유입되는 우수의 영향을 배제하기 위해 동일 연도의 1~4월, 10~12월 하수처리시설의 최대 방류량을 넘지 않도록 강우기(5~9월)의 하수처리수 방류량을 조정하여 물 수급 네트워크에 반영하였다. 이는 강우-유출 모형을 통해 산정되는 자연유출량에 우수에 의한 유출량이 포함되어 있어 하수처리시설로 유입 및 처리되어 방류되는 우수의 중복 고려를 피하기 위함이다.

섬진강 유역에는 1,834개의 농업용저수지가 건설되어 운영 중이며 이를 모두 물 수급 네트워크에 반영하기에는 무리가 있다. 본 연구에서는 표준유역별 농업용저수지의 유역면적, 총저수량 및 유효저수량을 합산한 하나의 대표저수지 개념으로 고려하였으며 다른 용도로 사용되는 와룡수원지, 염곡제, 산동제 등은 개별로 반영하여 물 수급 네트워크를 구축하였다.

지하수 관련 자료는 지하수조사연보에서 제공되는 지역별 용도별 지하수 이용량을 활용하였으며 섬진강댐, 주암댐, 동복댐, 보성강댐, 수어댐, 다압취수장 등의 수자원공급시설물 운영자료는 물포털, 지자체, 한국수력원자력 등의 자료를 이용하여 과거 운영자료로 활용하였다.

섬진강 유역의 자연유출량 관련 자료는 현재 진행 중인 가뭄대응 물관리 혁신기술개발사업에서 DWAT (Dynamic Water resources Assessment Tool)을 통해 산정한 일별 표준유역별 하천유출량 자료를 이용하였다.

조사⋅산정된 관련 자료와 물 공급 네트워크를 활용하고 물수지 분석 모형인 K-WEAP을 이용하여 구성된 섬진강 유역의 물 수급 네트워크는 Fig. 4와 같다.

Fig. 4

Water Supply and Demand Network of Seomjin River Basin

3. 물 이용 특성 및 수요관리 효과 분석

3.1 물 이용 특성 분석

구축된 섬진강 유역의 물 수급 네트워크를 활용하여 2013~2019년에 대한 물수지 분석을 수행하였다. 분석 기간은 제공되는 관련 자료의 기간을 고려하여 설정하였으며 조사⋅분석된 자료가 일별이지만 사용된 용수가 당일 회귀 된다는 보장이 없고 관련 자료의 한계가 있을 수 있으며, 순별 이상의 경우에는 기간이 길어 정확성이 떨어질 수 있어 반순별 분석을 수행하였다. 반순별 분석은 MLIT (2016)의 수자원장기종합계획 등 국내 수자원 관련 계획 및 평가에서 물수지 분석의 시간 단위로 주로 활용되고 있다. 분석을 위한 공간 단위로는 생활용수와 공업용수 분석을 위한 행정구역별, 자연유출량 및 하천수 사용실적 자료를 활용한 표준유역별, 농업용수 분석을 위한 농촌용수구역별로 세분화하였다.

물수지 분석 결과를 활용하여 행정구역별 물 이용 효율(Water Use Efficiency, WUE)을 산정하였다. 물 이용 효율 산정을 위해서는 손실량을 고려해야 하며 손실량은 취수, 정수 및 송배수 과정에서 운송손실, 정수장 사용량, 수요처에서의 누수량 등이 포함된다.

(1)WUE(%)=∑Ui∑Iij*100

여기서, U_i 는 최종수요처 i 에서 실제 사용한 양, I_ij 는 수원 j 로부터 수요처 i 로 공급하기 위해 취수한 양을 의미한다. 국내의 경우 생활용수 관련 실제 사용량을 상수도통계를 통해 제공하고 있지만 공업용수 및 농업용수의 경우 사용량 집계가 어려워 물 이용 효율 산정에 한계가 있다. 물수지 분석 결과를 활용하여 행정구역별 생활용수에 대한 물 이용 효율을 산정하여 Table 1에 제시하였다. 또한 섬진강 유역의 여러 시군 중 순천시에 대한 연간 물 이용 효율 변화를 Fig. 5에 나타내었다.

Table 1

Water Use Efficiency on Domestic Water

Fig. 5

Annual Change in Water Use Efficiency in Suncheon-si

광주광역시의 경우 섬진강에 포함되어 있지는 않지만 동복댐, 주암댐을 통해 많은 양의 용수를 공급받기 때문에 분석에 포함하였다. 섬진강 유역의 대부분 행정구역에 대한 물 이용 효율은 낮게 산정되었다. 남원시와 광양시를 제외한 나머지 지역은 물 이용 효율이 80%보다 낮으며 특히 고흥군의 경우 41.78%로 분석되어 취수된 양의 절반 이상이 손실되는 것으로 나타났다. Fig. 5에 제시된 순천시의 경우 최근 들어 물 이용 효율이 다소 증가하는 것으로 나타났으나 다른 지역의 경우는 어떤 경향을 나타내고 있지 않으며 최근 들어, 오히려 물 이용 효율이 낮아지는 지역도 많은 것으로 분석되었다.

3.2 수요관리 효과 정량화 분석

수요관리는 물 절약형 절수기기 보급 확대, 중수도 설치, 유수율 제고, 절수유도형 수도 요금 제도 등 다양한 정책 및 방안이 있으며 각 지역에서는 수요관리를 위해 큰 노력을 기울이고 있다. 본 연구에서는 지역마다 다른 수요관리 정책을 제시하고 있어 상대적인 비교가 쉽지 않기 때문에 유수율 제고만을 고려하여 분석을 수행하고자 하였다. 지역마다 유수율 제고를 통해 손실률 10%를 줄일 경우에 대해 물수지 분석을 수행하였으며 다양한 수원이 존재하면 모든 수원에서 수요처까지 같은 비율로 손실량을 감소시킨다고 가정하였다. 물수지 분석 결과를 활용하여 지역별 유수율 제고를 통해 확보할 수 있는 양과 공급 가능한 지역 등을 분석하였다.

Table 2는 섬진강 유역에 있는 순천시의 유수율 제고를 통한 수요관리 효과를 제시한 결과이다. 순천시의 경우 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 다양한 수원으로부터 생활용수를 공급받고 있다. 유수율 10%가 증가한다면 보성강에서는 연간 69,497 m³/년을 확보할 수 있으며 이는 구례군과 하동군의 생활용수, 다압취수장을 통한 여수시, 광양시의 공업용수, 보성강에 위치한 주암취수장 하류의 많은 표준유역의 농업용수 및 보성강과 섬진강 본류의 하천유지유량 공급이 가능하다. 상사댐(주암조절지댐)은 연간 679,888 m³/년의 저수량을 추가로 확보할 수 있으며 이는 여수시, 순천시와 보성군의 생활용수로 공급할 수 있다. 유수율 제고를 통해 확보된 물은 확보지역에 따라 그 사용이 다를 수 있다. 보성강에서 확보된 물은 보성강 및 섬진강으로 흘러 수요관리 효과가 발생한 시간(분석모의시간단위인 반순별)만 활용이 가능하지만, 상사댐과 와룡저수지의 경우 수요관리를 통해 확보된 물은 저수하였다가 필요시에 공급할 수 있으므로 그 효과가 더 크다고 할 수 있다.

Table 2

Demand Management (Improving Revenue Water Ratio) Effect in Suncheon-si

Table 3은 섬진강 유역에 있는 행정구역과 광주광역시에 대한 유수율 제고를 통한 수요관리 효과를 물수지 분석을 통해 산정하여 제시한 결과이다. 수요관리 방안 중 유수율 10% 제고를 통해 확보할 수 있는 양은 지역별로 상이하나 수요량이 매우 큰 광주광역시의 경우 유수율 제고를 통해 확보된 양은 광양시가 일 년간 생활용수를 위해 취수하는 양과 비슷하므로 효과가 매우 크다고 할 수 있다. 효과 분석에 있어 확보된 물의 양과 함께 수요관리(유수율 제고) 가능성을 제시하였다. 이는 Table 1에서 제시한 물 이용 효율을 통해 산정할 수 있으며 고흥군의 경우 물 이용 효율이 전체 기간에 41.78%로 분석되었기 때문에 수요관리(유수율 제고) 가능성은 58.22%로 제시하였다. 또한 유수율 제고를 통해 확보된 물이 공급할 수 있는 지역을 분석하여 제시하였으며 섬진강 상류에 위치한 순창군, 진안군, 임실군 등이 다양한 지역으로 용수를 공급할 수 있는 것으로 나타났다. 수요관리(유수율 제고) 효과 분석에 있어 하천에서 확보된 물과 저수지에서 확보된 물의 효과가 달라서 지역별 유수율 제고를 통해 확보된 물을 저수할 수 있는 시설물을 파악하여 함께 나타내었다.

Table 3

Demand Management (Improving Revenue Water Ratio) Effect in Seomjin River Basin

수요관리(유수율 제고) 효과를 총 4가지 부분에 대해 분석하여 제시하였으며 각 부분의 중요도는 같다고 가정한 후 수요관리(유수율 제고) 효과의 우선순위를 산정하였다. 각 부분에 대해 지역별 산정 결과를 간단한 순위법을 적용하여 분석하였으며 수자원 확보 부분에서는 광주광역시는 1, 두 번째로 확보량이 큰 여수시는 2, 가장 적게 확보 가능한 장수군의 경우는 15를 부여하였다. 수요관리(유수율 제고) 가능성 부분에서는 고흥군에 대해 1, 광주광역시의 경우는 15를 부여하였다. 즉 유수율 제고를 통해 손실량을 감소시킬 여력이 많은 지역에 더 낮은 점수를 할당하였다. 공급 가능지역 수에 대해서는 수자원 확보 부분과 동일하게 더 많은 지역에 공급이 가능한 행정구역일수록 더 낮은 점수를 가지도록 하였다. 저수시설 부분에서는 다목적댐의 경우 발전, 다양한 지역으로의 물 공급 등 관련 효과가 제일 클 것으로 판단되어 낮은 점수를, 용수전용댐 및 발전용댐의 경우 인근 여러 지역으로의 용수공급과 발전을 주요 목적이기 때문에 다목적댐보다는 더 큰 점수를 부여하였다. 지자체로 용수를 공급하는 저수지들에 대해서는 확보된 물을 해당 지자체로만 공급할 수 있으므로 가장 큰 점수를 부여하였다. 부분별 순위법을 통해 산정하여 종합한 결과는 Fig. 6에 나타내었다. 분석 결과 전라남도 보성군이 가장 효과가 큰 것으로 분석되었다. 보성군의 경우 수자원 확보는 크지 않지만 물 이용 효율이 52.95%로 수요관리(유수율 제고) 가능성이 크며 공급 가능지역 수가 많고, 주암댐, 상사댐, 보성강댐과 동률제의 저수량을 증가시키는 효과가 있어서 이와 같은 결과가 도출되었다. 반면에 전라북도 장수군과 전라남도 광양시의 경우 수요관리 효과가 작은 것으로 분석되었다. 장수군의 경우 수자원 확보량이 가장 적으며 78.80%의 높은 물 이용 효율을 나타내고 있고 동화댐의 저수량 증가에만 효과가 있기 때문이며, 광양시의 경우 82.83%의 높은 물 이용 효율, 섬진강 하류에 위치하고 있어 유수율 제고를 통해 확보된 물을 활용한 지역이 적으며, 용수전용댐인 수어댐의 저수량 증가 효과만을 나타내기 때문에 이와 같은 결과가 도출되었다.

Fig. 6

Overall Evaluation by Region

4. 결 론

본 연구에서는 최근 여러 요인으로 인해 물 공급의 양적인 증가가 어려운 실정에서 가장 대표적인 수자원 확보 방안으로 제시되고 있는 수요관리의 효과를 정량적으로 분석하기 위해 섬진강 유역에 대한 물 수급 네트워크를 구축하고 이를 활용한 물수지 분석을 수행함으로써 지역별 물 이용 효율을 산정하고 수요관리 방안 중 유수율 제고가 이루어졌을 경우 나타나는 여러 가지 효과를 분석하여 제시하였다. 분석을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

수요관리는 분명히 수자원 확보 차원에서 효과가 있다. 하지만 어느 지역에 어느 정도의 효과가 있는지 사전에 정량적으로 분석하여 관련 정보를 제공함으로써 현실적인 수자원 계획을 지원할 필요가 있다. 본 연구에서는 수요관리 효과를 몇몇 부분에 대해 분석하였지만, 효과뿐만 아니라 이에 따른 비용 부분도 함께 고려할 필요가 있다. 향후 비용 관련 연구를 추가함으로써 수요관리에 대한 최적 대안 선정에 노력해야 할 것으로 판단된다.

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