2.1 대상유역 및 자료

본 연구의 대상 유역은 북한과 대한민국에 걸쳐있는 임진강 유역이다. 임진강은 북한의 남부와 대한민국 북부에 걸쳐있는 공유하천이자 한강의 제 1지류로서, 총 유역면적은 8,141.9 m²이나, 이 중에서 63%에 달하는 상류유역 5,109 m²이 북한 지역에 위치하고 있다. 임진강 유역은 대한민국의 수도인 서울과 인접하고 있으므로 동두천, 의정부시와 같은 인구 밀집지역이 위치하고 있으며 유역 면적의 23.3%에 달하는 1,893.8 m²의 농경지역도 가지고 있는 등 활발한 경제활동이 이루어지고 있는 유역이다. 24년 6월 기준으로 하여 임진강 유역의 용수사용 허가량은 총 412개소에서 일 6.16백만 m³에 달하며, 임진강의 유역도와 주요 댐, 관측소, 용수사용 위치를 Fig. 1에 도시하였다. 그러나, 2009년에 북측의 무단방류로 인하여 인명피해가 나는 등의 특이성으로 인하여 용수활용을 위한 다목적 또는 용수전용댐은 없으며 홍수조절 목적으로 설치된 저수용량 71.6백만 m³의 군남댐과 저수용량 270.0백만 m³의 한탄강댐만 존재하고 있다. 따라서, 대부분의 용수는 하천수와 농업용저수지에 의존하고 있으며 가뭄이 발생할 경우 그 피해가 더욱 크게 발생하는 특성이 있어, 정확한 용수부족량의 산정과 그 대안의 제시가 반드시 필요한 유역이다.

Fig. 1

Study Area and Material

연구를 위하여 임진강 유역의 하천수사용 및 하천유량 자료가 필요하며, 신뢰성 있는 자료가 수집되기 시작한 2001년 이후의 자료를 수집하였다. 우선 유역의 유량자료는 유역 내에 위치한 21개 수위관측소 중에서 최소 5년 이상의 유량자료가 존재하는 철원군(삼합교), 철원군(장수대교), 포천시(영평교), 포천시(신백의교), 연천군(신천교), 연천군(임진교), 연천군(사랑교), 파주시(비룡대교)의 8개 수위관측소에 대해서 수집하였다(Ministry of Environment, 2010-2023). 임진강 유역 하천수 사용허가는 총 412개소가 있는 것으로 나타났으며, 해당 허가내역을 환경부 하천수 사용 관리시스템(Han River Flood Control Office, 2023)을 통하여 수집하였다. 수집된 모든 자료는 자료 검증을 수행하였으며, 수문조사연보와 비교⋅검증하여 결측인 경우나 수문조사연보와 동일하다고 하더라도 유량시계열 상에서 강수가 없는대도 불구하고 과다하게 크거나 급격하게 작아지는 경우에는 분석에서 제외하였다. 북한 지역에 건설된 댐의 경우에는 직접적인 자료 수집이 어렵기 때문에 각종 기사 및 외신에 보도된 내용을 종합하여 위치 등을 파악하였다. 북측 지역에 건설된 댐은 총 12개소로 파악되었으며 대표적으로 황강댐과 봉래댐을 들 수 있다. 봉래댐의 경우에는 1923년에 건설되었고 약 82 m²의 유역면적과 5천만톤의 저수용량을 가진 것으로 추정되며, 2020년 8월 홍수시 수문이 붕괴되어 하류에 홍수를 발생시킨 바 있다. 황강댐은 수력발전을 목적으로 2002년부터 2007년에 걸쳐 건설된 댐으로, 2,823 m²의 유역면적과 약 3억톤의 저수량을 가진 댐으로 추정되고 있다. 특히, 황강댐의 수력발전은 저수한 물을 임진강 하류로 흘려보내는 것이 아닌 예성강 유역으로 도수하여 발전하므로 수자원확보 측면에서 악영향을 미치고 있다.

2.2 정상유량 산정방법

정상유량(river maintenance flow)은 “하천에서 유수의 정상적인 기능을 유지하기 위하여 필요한 유량”으로 정의되며, 일본의 국토교통성 하천국에서 1992년에 최초로 도입되고 2001년에 “정상유량 산정지침”으로 방법론을 정립하여 제시하였다(Chung and Chun, 2002). 일반적으로 정상유량은 하천유지유량과 용수활용을 위한 이수유량을 합한 값으로 산정되며 이를 하천구간 전체에 대해서 만족하여야 한다. 하천에 유량이 부족할 경우에 필요한 최소한의 유량을 간편하게 추정할 수 있기 때문에 우리나라에서는 하천기본계획 등을 수립할 때 하천관리유량의 기준으로 활용되고 있으며 (Ahn et al., 2002), 최근에도 환경부에서 시행 중인 ‘갈수예보’를 시행할 때 4단계(관심, 주의, 경계, 심각) 기준 수문량을 산정하는 방법으로도 활용되고 있다(Son et al., 2017). 이러한 정상유량의 산정은 Eq. (1)에 따라 추정된다.

여기서, Q_{section (i)}와 Q_{section (i-1)}는 i번째와 i-1번째 하천구간의 정상유량을 나타내며, Q_section(i_temp)는 i번째 하천구간의 임시정상유량, Q_{In ∨ Return(i)}는 i번째 하천구간에서의 지류유입량과 회귀수량을 합한 유량, Q_{Div ∨ Use (i)}는 i번째 하천구간에서의 용수취수량과 지류로 분류되는 양을 합한 유량이며, Q_Ins.flowi는 i번째 하천구간의 하천유지유량, Q_{deficit (i)}는 i번째 하천구간의 과부족량이다. 최종적으로 특정 하천구간 시작 지점(i = 1)에서의 정상유량은 Eq. (2)와 같이 시작 지점에서의 하천유지유량에 하천구간의 과부족량의 합으로 산정할 수 있다.

여기서, Q_Ins.flow1는 하천구간의 첫 번째 지점(i=1)에서 하천유지유량이며 Q_section는 해당 하천구간에서의 정상유량이다. 결과적으로 정상유량은 특정한 하천구간 내에서 하천의 기능 유지와 이수 측면에서도 문제가 없기 위해서 하천구간 시작 지점에서 최소한으로 흘러야 하는 유량으로 이해할 수 있다. 우리나라나 일본과 같이 하천 상⋅중류에 이수 목적으로 건설된 댐이나 저수지가 많은 경우에 하천에 공급하여야 하는 유량을 직관적으로 추정할 수 있는 장점이 있다. 정상유량 산정을 위한 자세한 절차와 고려사항은 기존 연구(Chung and Chun, 2002; Ahn et al., 2002)에 자세히 서술되어 있다.

3.1 임진강 정상유량 산정

임진강의 용수부족량을 산정하기 위해서 임진강 유역에 어느 정도의 용수가 필요한지를 추정하여야 한다. 기존의 하천기본계획 등에서는 용수수요량을 추정하기 위하여 각종 계획에서 제시된 향후 시설물과 도시계획, 인구 등을 이용한 원단위 개념으로 수요량을 추정하나, 이러한 용수는 해당 지역에서 전체적으로 필요한 용수수요량이다. 본 연구에서는 하천에서의 이수가 대상이므로 하천에서 취수하는 이수시설물을 이용하여 임진강의 정상유량을 산정하였다.

임진강에서 하천수를 취수하여 사용하는 이수시설물은 환경부 하천수 사용 관리시스템에서 총 412개로 조사되었으나, 비상용수 취수목적으로 평상시에 사용하지 않는 시설물, 농업용저수지, 공사장 비산먼지나 청소 목적의 일시적인 취수 등을 제외하면 농업용수 214개소, 공업용수 45개소, 환경개선용수 5개소, 생활용수 5개소 등 총 269개소로 정리되었다. 또한, 유역별 이수분석의 기본이 되는 기준갈수량은 환경부 하천수 사용 관리시스템에서 제시하는 기준갈수량을 적용하였다(Han River Flood Control Office, 2023). 상기의 자료를 이용하여 산정된 임진강의 정상유량은 Fig. 2와 같다. 임진강의 정상유량 산정결과를 보면 공통적으로 파주시(비룡대교) 지점에서 하천유지유량 11.84 m³/s를 만족할 경우 임진강 하류에서 약 11.4 m³/s의 유량이 흐르는 것으로 추정되었다. 임진강 유역은 농업지역이 많아 농업용수의 사용량이 높으므로 관개기와 비관개기의 정상유량이 다소 차이가 나며, 특히 농업지역이 밀집된 한탄강댐 상류와 임진강 하류가 정상유량 차이가 심하다. 대한민국 지역에서 주로 유하 하는 한탄강의 경우에는 하류인 연천군(사랑교) 기준으로 6.31 및 6.04 m³/s의 유량이 필요하며, 북한에서 유하하는 임진강 중류의 경우에는 연천군(임진교) 기준으로 11.79 및 7.32 m³/s가 필요 정상유량으로 추정되었다.

Fig. 2

Network Diagram of River Maintenance Flow on the Imjin River: (a) for Agricultural Period (May to Sepetmber), and (b) for Non-agricultural Period (October to April)

3.2 임진강의 정상유량과 유량현황

Fig. 3은 8개 수위관측소에 대하여 산정된 정상유량과 2009년부터 2023년까지의 유량자료를 통계적으로 도시한 것으로 임진강의 1년 동안의 유량현황을 나타낸 도표이다. 유량현황을 보면 공통적으로 연천군(임진교)를 제외한 모든 지점에서 비관개기 정상유량이 유량의 예년 중간값이나 최빈범위보다 아래에 위치하고 있다. 이는 비관개기에는 예년대비 평상수준의 유량에서는 정상유량을 만족하고 용수부족이 발생하지 않음을 의미하며, 농업용수가 가장 큰 수요를 차지하고 있는 것이 원인으로 보인다. 임진강 유역의 전체 용수사용량 6.16백만 m³/일 중에 농업용수가 3.31백만 m³/일에 달하며, 기타 용수사용량 중에도 2.33백만 m³/일은 회귀율 100%로 간주하는 발전용수가 차지하고 있다. 따라서 발전용수를 제외하면 임진강 유역의 용수사용량은 3.83백만 m³/일이며, 농업용수는 전체 용수수요량의 86.4%에 해당하게 된다. 따라서, 비관개기에는 절대적인 용수수요량이 적어 용수부족이 발생하지 않는 것으로 보인다. 그러나, 북한에서 유하하는 임진강 본류에 위치한 연천군(임진교)의 경우에는 예년대비 평상수준의 유량에서도 비관개기 용수부족량이 발생하고 있다. 특히, 2월초부터 3월말까지의 약 2개월 기간은 예년 평균수준의 유량도 정상유량보다 낮아 용수부족이 상시 나타날 수 있는 상황으로 보인다. 관개기에 경우에는 한탄강댐 상류 지역인 철원군(삼합교), 철원군(장수대교)와 임진강 본류인 연천군(임진교) 지역에서 용수부족량이 발생하는 것으로 나타났다. 해당 지역에 농경지가 집중되어 있는 것이 원인으로 추정되며, 특히 농작물의 다수를 차지하는 벼의 모내기철과 본격적으로 생육하는 분얼기에 해당하는 4월부터 7월 중순까지의 기간에 부족량이 발생하고 있어 농업용수 부족이 발생할 경우 농업 피해가 가중될 것으로 판단된다.

Fig. 3

Runoff Graph of 2009 to 2023 Years of the Imjin River With River Maintenance Flow. Blue Line Indicated the Median Runoff, Grey Area Indicated Frequently Occurred (±σ) Boundaries, Black-dot Line Indicated Maximum and Minimum Runoff Value during 2009 to 2023 Years and Red-dot Line Indicated River Maintenance Flow

관개기 및 비관개기의 용수부족량이 발생하는 기간을 가늠하기 위하여 관개기 및 비관개기의 유황곡선과 각 기간별 정상유량을 도시한 결과를 Fig. 4에 도시하였다. 북한에서 유하하는 임진강 본류에 위치하는 연천군(임진교)를 제외한 모든 지점에서 비관개기에 용수부족이 발생하는 기간은 0일 이다. 다만, 연천군(임진교)에서는 연간 55일 가량 정상유량 대비 용수부족일수가 나타난다.

Fig. 4

Flow Duration Curve for Agricultural and Non-agricultural Period. Red Line Indicated Agricultural Period and Blue Line Indicate Non-agricultural Period, and Each Dot Line Indicated River Maintenance Flow for Each Period, and Each Day/Yr Indicated Probable Number of Days Per Year that Occurr Water Shortage

관개기의 경우에는 농업용수 수요로 인하여 용수부족일수가 비관개기보다 높게 나타난다. 한탄강댐 상류지역인 철원군(삼합교)와 철원군(장수대교)에서 각각 연간 41일, 78일의 용수부족일수가 나타났으며, 한탄강의 지류인 영평천에 위치한 포천시(영평교)에서도 연간 13일의 용수부족일수가 나타났다. 임진강 하류인 파주시(비룡대교)에서도 연간 5일 정도의 용수부족일수가 나타나고, 북한 접경지역인 연천군(임진교)에서는 연간 39일의 부족일수가 나타났다. 따라서, 임진강 유역에서 정상유량 대비 용수부족이 주로 발생하는 지역은 한탄강댐 상류유역과 북한에서 유하하는 임진강 중류 및 임진강 하류로 볼 수 있으며, 특히 한탄강댐 상류와 임진강 중류가 용수부족일수가 상대적으로 높은 것으로 나타났다.

4.1 임진강의 용수부족

이전 절에서 임진강 유역의 정상유량을 산정하였으며, 임진강 주요 지점의 유량을 분석하여 한탄강댐 상류와 임진강 중류 및 하류에서 정상유량 대비 용수부족이 나타날 수 있음을 제시하였다. 이러한 용수부족은 기후변화에 따른 수문여건 변화나 각종 이수용량의 증가가 원인으로 제시되기도 하였으나, 북한의 댐 건설도 중요한 요인으로 지적된 바 있으며(Kim et al., 2011; Jang, Lee, Lee et al., 2016; Lee et al., 2017), 이전 절에서 유황 분석시 황강댐이 건설된 2008년 이후의 유량자료를 사용한 이유이기도 하다. 본 절에서는 북한 댐 건설에 따른 유황과 정상유량에 따른 용수부족 현황이 어느정도 발생하였는지 분석하고자 하였다. 세부적으로 황강댐이 건설 완료된 2008년말을 기준으로 북한에서 유하한 임진강이 한탄강과 합류하기 전인 연천군(임진교) 지점과 역시 한탄강이 임진강에 합류하기 직전인 연천군(사랑교) 지점의 2001년부터 2008년까지의 유량과 2009년부터 2023년까지의 유황을 비교하였으며 그 결과를 Fig. 5에 도시하였다.

Fig. 5

Comparison of the Imjin River and Hantan River between 2001 to 2008 and 2009 to 2023 Years. Each Runoff Amount are Correlated With Non-exceedance Probability

Fig. 5(a)의 유량시계열을 보면 황강댐이 건설 완료된 2008년을 기점으로 하여 임진강 중류의 연천군(임진교) 유량이 전체적으로 감소한 것을 알 수 있다. 같은 기간에 한탄강의 연천군(사랑교)의 유량은 크게 변동이 보이지 않았으므로 북한 댐 건설에 따른 영향으로 보는 것이 타당할 것이다. 영향을 세부적으로 확인하기 위하여 Figs. 5(b)~(e)에 2001~2008년과 2009~2023년 사이의 연천군(임진교)와 연천군(사랑교)의 유량을 관개기 및 비관개기로 분리하고 유황곡선을 도시하였으며, 각 유황의 평수량(비초과확률 p = 0.5), 저수량(p = 0.25), 갈수량(p = 0.03) 값을 도시하였다. 우선, 한탄강의 유황을 나타낸 Figs. 5(d)~(e)를 보면 한탄강의 유황은 관개기에 약 10% 정도로 감소한 것으로 나타났으며, 반대로 비관개기에는 약 30% 정도 증가한 것으로 나타났다. 이는 기존의 연구에서 한반도의 강수량이 겨울철과 봄철에 증가하는 것으로 제시된 것과 유사한 결과이다(Her et al., 2019; Kim and Son, 2022). 이에 반하여 Figs. 5(b)~(c)의 연천군(임진교) 유량의 경우에는 관개기 및 비관개기 모두 유량이 약 50% 이상 감소한 경향을 보이고 있다. 특히, 문제가 될 소지가 있는 것은 갈수량이 가장 큰 폭으로 감소하였다는 점이다. 황강댐 건설 이전에는 관개기 갈수량은 20.64 m³/s, 비관개기 갈수량은 15.82 m³/s였으나, 건설 이후에는 기존의 20% 수준인 3.82 m³/s, 3.37 m³/s 수준으로 감소하였다. 갈수량이 크게 감소하였다는 점은 유량이 부족한 갈수기에 북한지역에서 유하하는 유량이 더 급격하게 감소하고 있음을 의미하며, 임진강에 발생하는 갈수의 상당부분이 황강댐의 운영으로 인한 것임을 짐작하게 한다. 실제로 황강댐은 저수량 3억 m³에 달하는 대규모의 댐이며, 저수된 물을 유역 외 지역인 예성강 유역으로 도수하여 발전하는 방식을 취하고 있다. 따라서, 발전방류로 인하여 다량의 저수가 예성강 유역으로 이동하게 되면 임진강 하류로 이동하는 유량은 감소하게 될 수 밖에 없으며, 이것이 임진강 유량 감소의 주요한 원인으로 판단된다. 그러나, 황강댐의 운영 개선 등을 직접적으로 요청하거나 협의할 수 없는 상황이므로 임진강의 유량에 대한 조심스러운 접근과 협력이 필요하다 하겠다.

4.2 임진강의 용수부족량 산정과 고찰

임진강의 용수부족량을 산정하기 위해서는 먼저 대한민국에서 하천수 사용허가의 기준에 대해서 고찰하여야 한다. 대한민국의 하천수 사용허가는 ｢하천법｣ 제50조(하천수의 사용허가 등)에 의거하여 허가되고 있으며(River Act, 2023), ｢하천법 시행령｣ 제56조(하천수의 보전)에 따라서 하천수 사용허가 기준유량 내에서만 허가를 시행하도록 규정하고 있다(Enforcement Decree of The River Act, 2023). 또한, 하천수 사용허가 기준유량은 ｢하천수 사용허가 세부기준｣ 제2조(정의) 제4호에 따르면 10년 재현빈도의 갈수량인 ‘기준갈수량’에서 ‘하천유지유량’을 뺀 값으로 정의된다(Detailed Criteria for Stream Water Use Permits, 2019). 이를 종합하면 대한민국에서 이수 측면의 하천수 사용은 10년에 한 번 정도 발생하는 갈수상황에서도 하천수 사용에 문제가 없도록 보장하는 것을 목표로 두고 있음을 알 수 있다. 이러한 기준을 고려하면 용수부족량도 10년에 한 번 정도 발생하는 유황에서 정상유량보다 부족한 양으로 정의할 수 있을 것이다. 임진강 유역의 용수부족량은 임진강 중류의 연천군(임진교)와 한탄강 하류의 연천군(사랑교)를 대상으로 10년 빈도의 유황곡선을 작성하고 정상유량과의 차이를 이용하여 용수부족량을 산정하였으며 Fig. 6에 도시하였다.

Fig. 6

Water Deficit Amount of the Imjin River. Grey Line Indicated the Flow Duration Curves (FDCs) of Each Years, Red and Blue-thin Line Indicated Averaged FDC of Each Period, Red and Blue-thick Line Indicated FDC With 10 Years Return-period, and Red and Blue Colored Area Indicated the Amount of Deficit at Low Flow Situation With 10 Year Return-period

용수부족량 산정 결과, 한탄강보다는 임진강 본류 측의 부족량이 높게 나타난다. 세부적으로 10년 빈도 갈수가 발생하였을 경우에는 임진강 중류의 연천군(임진교) 기준으로 관개기에 117일/년의 용수부족일수와 총 71.7백만 m³의 부족량이 발생하며, 비관개기에는 121일/년과 34.6백만 m³의 부족량이 발생하여 일년의 65.2%에 달하는 238일의 용수부족일수와 106.3백만 m³의 용수부족량이 발생하게 된다. 한탄강 하류의 연천군(사랑교)의 경우에는 10년 빈도 갈수시 관개기에는 40일/년의 용수부족일수와 6.4백만 m³의 부족량, 비관개기에는 22일/년과 1.8백만 m³의 부족이 발생하여 일년의 17%에 해당하는 62일의 용수부족일수와 8.2백만 m³의 용수부족량이 발생하게 된다. 결론적으로 임진강 유역에 10년 빈도의 갈수가 발생하였을 경우에 유역의 용수부족량은 총 114.5백만 m³에 달하며, 부족량의 92.8%가 임진강 중류에서, 나머지 7.2%가 한탄강에서 발생하게 된다. 해당 용수부족량은 일반적인 규모의 대체수원이나 저수지 등으로 감당하기에는 어려운 규모이며, 부족량의 주요한 원인이 북한지역에 위치한 댐 운영으로 인하여 발생하므로 대처도 어렵다. 기존에 이미 임진강의 중류와 한탄강 중류에 군남댐과 한탄강댐이 위치하고 있으나 홍수조절목적으로 건설된 관계로 저수목적으로는 활용하기 어려우며, 임진강 중류의 부족량이 106.3백만 m³인데 반하여 군남댐의 저수총량은 71.6백만 m³으로 설령 저수를 시행해도 전체량을 감당하기는 어렵다. 따라서, 용수부족량을 감당하기 위한 합리적인 대안이 필요하다 하겠다.

본 연구의 한계는 임진강 유역에서 발생하는 용수부족이 북한지역 댐의 운영과 기후변화로 인한 영향을 모두 받는다는 점이다. 현재는 도수방식으로 수력발전을 수행하는 북한 댐 운영으로 인하여 용수부족이 발생하고 있으나, 북한 댐의 운영방식 변경이나 조정에 따라서 용수부족이 크게 변동될 수 있으며 본문에서 제안한 내용 역시 전면적으로 변동될 수 있다. 이 때문에 기존의 연구에서도 임진강의 용수부족 등에 대해서 자연상태 유량의 50% 이상을 보장해주는 대신 공동개발사업을 추진하거나(Choi and Lee, 2008), 남북간의 공유하천관리위원회의 구성, 실효성있는 조약의 체결 및 협력적 거버넌스를 구축하는 등의 방안이 주로 제안되었다(Lee et al., 2008; Sa, 2018). 또한, Figs. 5(d)~(e)를 보면 북한 댐의 영향이 거의 없는 한탄강의 유량도 관개기에 약 10% 정도 감소, 비관개기에는 약 30% 정도 증가하는 등 급격하게 변화하는 것으로 나타나 기후변화에 따른 영향도 크게 나타나고 있어 현재 상황을 고려한 본 연구가 향후에도 합리적이라는 보장은 없는 실정이다. 그러나, 현재 상황이 유지된다는 가정하에 하천유지유량과 이수 활용을 동시에 고려한 용수부족량을 정량화한다는 점에서는 본 연구의 의미가 있으며, 향후 임진강 갈수관리 등에서 기초적인 자료로서 활용할 수 있을 것이다. 또한, 후속연구에서는 본 절에서 지적한 북한의 댐 운영 변화에 따른 영향과 기후변화에 따른 향후 수자원량 변화를 보완하여야 실질적인 정책 수립을 위한 자료로서 활용될 수 있을 것으로 판단된다.