1. 서 론
최근 기후변화로 인하여 전 세계적으로 홍수 및 가뭄피해가 빈번히 발생하고 있으며, 우리나라 역시 강수일수는 감소하고 강수량은 시간적⋅지역적으로 편중되는 경향으로 변화하고 있다(MAFRA, 2018). 가뭄은 바라보는 관점에 따라 기상항적, 수문학적, 농업적, 사회경제적 가뭄으로 분류되고 있으나 일반적으로는 평년보다 적은 양의 강수량 또는 하천유량이 발생하는 것으로 정의 된다(Kwon et al., 2020). 가뭄과 물 부족은 동일한 개념으로 인식되지만 가뭄은 기상변동에 의해 발생하는 자연재해이며 물 부족은 용수 공급 시스템 운영의 실패로 인해 야기된다(Van Loon and Van Lanen, 2012). 용수부족으로 인한 문제를 해결하기 위해서는 추가적인 용수공급 시설의 신설이 필요하지만, 신규 저류시설은 입지선정의 어려움, 지역사회의 잔발, 환경과 생태계에 미치는 영향 등 여러 가지 문제점으로 인하여 개발에 어려움이 있기 때문에 최근에는 기존 댐의 효율적인 운영 등을 통해 수자원 확보 대책에 관심이 집중되고 있다. 기존 댐에서 추가적인 용수수요를 충족시킬 수 있는지에 대한 여부를 판단하기 위해서는 기존의 다목적댐의 용수공급능력에 대한 평가가 필요하다(Kwon, 2014).
댐의 이수안전도 지표는 댐 설계 시 용수공급수요에 따른 댐의 규모를 산정하기 위해 개발되었지만, 댐 준공 이후에는 유역의 기상⋅수문 현황과 물이용 환경변화 등에 따른 댐 운영⋅관리 여건 변화를 고려하여 댐 용수공급 안정성을 현재 시점에서 재평가하는 목적으로 활용되기도 한다.
이수안전도는 용수공급을 위한 시설이 용수수요에 대하여 실패하지 않고 용수를 안정적으로 공급할 수 있는 정도를 의미하여, 용수공급 시설의 설계 및 운영의 기준으로 사용되고 있다(Yu et al., 2017).
현재 다목적댐의 용수공급능력을 평가하는데 적용되는 이수안전도는 최악의 갈수기 동안에도 용수공급을 보장할 수 있는 최대 공급량을 의미하는 보장공급량 기준과 일정비율로 물 부족을 허용하는 방법을 의미하는 안전도(Reliability), 통계적 지표인 회복도(Resilience), 취약도(Vulnerability) 등의 기준을 사용하고 있다(Moon et al., 2012; Choi et al., 2014; Lee, 2014; Lee and Yi, 2014).
댐 용수부족 대비 용수공급 조정기준은 국토교통부에서 강수량 부족으로 인한 댐 용수 부족에 대비하기 위하여 다목적댐의 용수공급량을 조정하여 가뭄과 같은 국가 재난을 예방하기 위해 제시되었다.
국내 다목적댐들에 대한 신뢰도, 회복도 및 취약도 분석을 통해 이수안전도 평가지표의 변화, 용수공급능력 재평가, 이수안전도의 재정의 및 댐 용량 재할당 방법론 개발 등 다양한 연구를 수행하셨다(Lee and Kang 2006; Yi and Kwon, 2007; Lee et al., 2012; Lee and Yi, 2012; Lee et al., 2013).
Choi et al. (2014)은 용수공급능력 평가 기준인 이수안전도가 댐 운영방식에 따라 댐의 이수안전도의 차이가 발생할 수 있으므로 댐 운영방식에 따른 이수안전도를 분석하였다. Lee et al. (2012)은 안동댐 및 임하댐의 용수수요 증가로 인한 추가용수공급 가능여부를 판단하기 위해 용수공급능력을 재평가하여 이수안전도와 비교 및 분석을 수행하였다. Ahn (2017)은 다목적댐을 대상으로 일 단위 운영을 통한 용수공급능력을 평가하여 가뭄에 취약한 댐을 선정하고 용수공급 조정기준과 비상용량 활용을 통한 효과를 비교, 분석하여 용수공급 안정성 향상 방안을 제시하였다.
Hashimoto et al. (1982)은 다목적댐 및 저수지의 용수공급능력을 평가할 수 있는 신뢰도, 회복도, 취약도를 제시하였으며 이는 수자원 시스템을 평가하는 대표적인 지표로 사용되고 있으며, Smithers and Walker (1997)는 영국에서 1995년~1996년에 발생한 가뭄에 대하여 용수공급량을 재평가 하였으며 신뢰도 관계에 영향을 미칠 수 있는 결정 지원도구로 수문⋅사회학적 인자를 제시하였다. Kjeldsen and Rosbjerg (2004)는 신뢰도, 회복도, 취약도를 이용하여 수자원 시스템을 평가하고 평가지표 사이의 상관관계를 분석하여 수자원 시스템 평가방법에 대하여 평가 하였다.
다만, 이수안전도를 통해 나온 결과값을 통하여 용수공급능력을 평가하는 연구는 많지만 이수안전도와 용수공급조정기준과 함께 용수공급능력을 평가하는 연구는 부족한 실정이다.
2. 연구대상유역
본 연구에서는 적용대상 댐으로 금강 중류의 미호강 수질 문제 발생 및 물부족 발생 여부 등 용수공급 능력 검토에 대한 필요성이 제기된 금강 상류유역의 대청댐을 선정하였다(Fig. 1). 대청댐이 속해있는 금강유역(Fig. 1)은 동경 126°40′25″~128°03′53″, 북위 35°34′47″~37°03′03″ 사이인 한반도 중서부에 위치하고 있다. 충청남도와 충청북도의 약 절반과 전라북도의 1/4정도를 차지하고 있고, 경상남도와 경상북도의 일부와 경기도 일부를 포함하고 있는 우리나라의 제3의 유역으로서, 유역면적은 9,912.15 km2이고, 유로 연장은 392.79 km이다(DRCMA, 2009).
금강본류에는 대청댐과 용담댐이 위치하고 있으며, 대청댐은 1981년 준공되어 운영되고 있고, 용담댐은 2001년 준공되어 운영되고 있다.
본 연구대상 지점인 대청댐유역은 3,204 km2이고, 저수면적은 72.8 km2이다. 대청댐의 총저수용량은 1,490백만 m3이며 유효저수용량은 790백만 m3으로 이외 제원에 대한 내용은 Table 1에 나타내었다.
Table 1
Specifications of Daecheong Dam
대청댐의 기본계획공급량은 연간 1,649백만 m3이며 이중 생⋅공용수는 1,300백만 m3이며 농업용수는 349백만 m3으로 계획되었다. 대청댐의 2023년 용수공급 계약량의 경우 연간 1,245백만 m3이며 이중 생⋅공용수는 896백만 m3이며 농업용수는 349백만 m3으로 공급되고 있다.
3. 용수공급능력 평가 방법
댐의 용수공급능력이란 어떤 기간 동안에 댐으로부터 용수를 공급받을 수 있는 최대공급량을 안전공급량(Safe yield) 혹은 보장공급량(firm yield)이라 정의하고 있다(MOCT, 1998). 기존 댐의 용수공급능력을 평가하기 위해서는 댐유입량, 증발손실량, 댐상 강수량, 목적별 계획용수 수요량 및 홍수시 월류방류량 등을 고려하여 물수지 계산절차에 따른 댐 모의분석을 통해 댐의 실제 공급량을 계산하게된다(Choi et al., 2014).
최근 용수공급능력을 평가하는 방법 중 널리 이용되는 방법은 목적에 따라 적절한 용수공급능력 평가 기준을 설정하고 저수지 모의운영을 통하여 용수공급능력을 산정하는 방법이다(Lee et al., 2012). 본 연구에서의 용수공급능력 평가는 하류의 물 부족에 대한 정도를 이수안전도로 미리 설정한 상태에서 저수지 모의 운영을 통하여 설정된 이수안전도 내에서 산정하는 방법을 통하여 용수공급능력을 산정하였다.
3.1 이수안전도
이수안전도란 수자원 공급시설이 용수수요를 충족시킬 수 있는 물 공급의 안정성 정도이다. 즉, 설정된 수요량을 공급할 수 있는 확실성을 말하며 확실성은 확률 또는 빈도 개념으로 표현된다. 대부분 댐 사업에서 기준으로 삼고 있는 용수공급 가능량(reservoir yield)은 안전공급량(safe yield)이며 이를 보장공급량(firm yield)이라고도 한다. 용수의 보장공급량이란 최대 갈수기(critical drought perid) 동안에도 보장할 수 있는 최대 공급량을 뜻하며, 일반적으로 이수안전도를 기준으로 결정된다.
현재 국내의 이수안전도 기준에 관한 명확한 기준은 없으나 크게 기왕의 최대갈수 시에도 용수공급이 가능한 보장공급량 기준과 전체 계획기간 중에서 일정 기간 동안은 물 부족을 허용하는 신뢰도 기준으로 분류할 수 있다(Lee and Song, 2002).
신뢰도 기준의 경우 대체로 1980년대부터 지금까지 사용되고 있으며, 충주댐, 보령댐 및 화북댐 등에 적용되었고, 수자원의 효율적인 이용을 위하여 전체 기간 중에서 일정비율 기간 동안의 물 부족을 허용하는 다년 갈수기간 기준의 보장공급량을 용수공급 가능량으로 산정하는 방법이다(Lee et al., 2012).
3.2 용수공급능력 평가 기준
용수공급능력 평가기준은 크게 이수안전도의 기준과 평가단위의 설정으로 구분할 수 있는데, 본 연구에서 사용하는 신뢰도 방식의 경우 동일한 신뢰도라 하더라도 물 부족을 평가하는 평가단위에 따라서도 용수공급량이 상이하게 산정되므로 평가단위에 대한 기준 설정이 필요하다.
신뢰도 방식의 경우 총 분석기간을 pt, 물 부족 발생기간을 pf로 표시할 때 신뢰도 r(%)는 Eq. (1)로 표시된다.
이때, 물 부족 발생기간은 연간, 월간, 순간(10일), 반순간(5일), 일간의 평가 단위기간들 중 단 하루라도 물 부족일이 발생한 단위기간들의 합을 의미하기 때문에 물 부족기간이 동일하게 발생하더라도 평가 단위에 따라 신뢰도 값이 상이하게 된다.
｢댐설계기준(2011)｣에 따르면 저수지 모의운영은 보통 월 단위를 기준으로 분석하나, 유역 및 수문특성 등을 고려하여 필요시에는 일, 반순(5일) 또는 순(10일) 실측자료가 없어 가지야마 유출고 공식, Tank 등 장기유출모형 등을 이용하여 월단위 유입량을 산정하고 이를 이용하여 댐의 규모를 결정하였다. 분석단위의 경우 과거에는 주로 월단위를 적용하였고, 최근 연구추세로는 일단위 또는 반순단위 적용에 따라 본 연구에서는 1일 단위를 적용하였다. 평가단위는 5일(반순) 단위 평가를 평가단위로 적용하였다.
3.3 저수지 모의운영
저수지 모의운영 분석에 의해 신뢰도 기준으로 댐의 용수공급능력을 평가할 때, 평가의 정확도를 높이기 위해서는 분석 기간, 유입량 자료의 기간 단위, 신뢰도 적용기준 등의 설정이 중요하다. 분석 기간은 장기간일수록 신뢰성이 높아지기 때문에 최소 20년 이상 기간의 유입량 자료를 이용 한다.
본 연구에서 대청댐의 유입량 자료는 1983년~2023년 약 40개년에 대한 자료에 대하여 저수지 모의운영을 통하여 용수공급능력을 평가하였다.
저수지 모의운영은 유입량, 방류량(공급량, 무효방류량) 및 저수량의 관계를 순차적으로 분석하여 용수공급 가능 유⋅무를 판단한다. 저수지 모의운영은 저류방정식을 기본으로 하여 적용한다. 저류방정식은 Eq. (2)와 같다.
Eq. (1)에서 St는 저류량(t 시점), St-1는 저류량(t-1 시점), IT는 유입량(t 시점), Ot는 방류량(t 시점)-공급량 및 무효방류량)이다.
무효방류 및 미방류에 대한 조건은 3.2절에서 제시한 방법으로 적용하였다.
3.3.1 수위-저수용량
댐에 저류된 용량을 수위로 환산하기 위해서는 수위별 저수용량 자료가 필요하며, 수위별 저수용량은 댐 설계시 산정하여 기본계획으로 고시된 수위별 저수용량, 퇴사량 조사시 측정한 수위별 저수용량 자료 등이 있다. 댐 운영시 퇴사량 조사에서 산정한 수위별 저수용량을 적용하고 있다. 따라서 댐 용수공급능력 평가의 목적을 고려할 때 현재 댐 현황을 반영할 수 있는 퇴사량 조사에 의한 수위-저수용량의 적용이 가장 적절할 것으로 판단된다. 대청댐 수위별 저수용량에 대한 내용은 Table 2에 정리하여 나타내었다.
Table 2
Specifications of Daecheong Dam
저수지의 수위가 상시만수위(NHWL, Normal High Water Level) 이상일 경우 수위가 상시만수위로 저하될 때 까지 무효방류시킨다. 홍수기 제한수위(RWL, Restricted Water Level)가 설정되어 있는 댐의 경우 홍수기 제한수위로 저하될 때까지 무효방류를 시켜야 하지만 대청댐의 경우 상시만수위(NHWL)와 홍수기 제한수위(RWL)가 동일하기 때문에 상시만수위(NHWL)을 기준으로 무효방류 유⋅무를 정하였다.
유입량이 저수지로 유입된 후 저수위(LWL) 이상의 저수량이 계획(or 계약) 공급량보다 클 경우 계획(or 계약) 공급량을 공급하고, 계획(or 계약) 공급량보다 작을 경우 저수위(LWL, Low Water Level)이상의 용량만을 공급한다. 유입량이 저수지로 유입된 후 저수위 이상의 저수량이 계획(or 계약) 공급량보다 작을 경우 계획(or 계약) 공급량을 공급하지 못하게 되는 상황이며, 미공급량으로 계산한다.
4. 댐 용수공급 조정기준
댐 용수부족이 예상됨에 따라 댐의 단계별 기준 저수량을 4단계(관심, 주의, 경계, 심각)로 설정하여 댐 내 저수량이 단계별 기준저수량에 도달할 경우 사전에 산정된 필요 감량을 기준으로 감량을 실시하게 된다. 단계별 용수공급 조정순서는 첫 번째로 관심단계에서 생⋅공용수에 대한 계약량과 농업 및 하천유지용수 배분량만큼 공급이 이루어진다. 두 번째로 주의단계에서는 생⋅공⋅농업용수에 대하여 실사용량만 공급하고 하천유지용수를 100% 감량하여 용수공급을 실시하며, 세 번째로 경계단계에서는 기존 주의 단계의 공급량에서 농업용수에 대하여 4-6월에는 실사용량 중 20%추가감량, 7-9월에는 실사용량 중 30% 감량하여 용수공급을 실시하고 네 번째로는 기존 경계단계의 공급량에서 생⋅공용수 실사용량의 20%를 추가 감량하여 공급한다. 필요시 관계기관과 협의를 통해 추가적인 감량이 이루어질 수 있으며 이후 댐 저수량이 일정 수준이상 비축될 경우 정상용수공급 기준으로 환원된다. 이와 같은 댐 용수공급 조정방법은 Fig. 2에 제시하였으며 대청댐의 2023년에 대한 실제 저수량과 용수공급조정 수위 별 저수량을 Fig. 3에 제시하였다.
5. 이수안전도 평가 및 추가공급가능량 검토
대청댐은 설계 당시 물수지 검토를 통하여 목표연도 2001년에 대한 소요 저수용량을 산정하였으며, 저수지 운영조작 계산 결과에 대한 사업편익을 고려하여 용수공급 및 발전댐의 적정규모를 결정하였다. 설계시 이수안전도는 13개년(1958년~1970년)에 대하여 물부족이 발생하지 않는 조건(이수안전도 100%)으로 계획하였다.
본 연구에서는 전술한 기준에 따라 대청댐의 이수안전도를 검토하였으며, 분석단위 및 평가단위에 따른 이수안전도 변화를 살펴보기 위하여 이를 검토하여 수록하였다. 대청댐 설계시와 본 연구 기준 적용에 따른 이수안전도 검토 조건은 Table 3에서 보는 바와 같다.
Table 3
Review Conditions of Water Supply Safety
5.1 유입량 자료 및 상세운영
용수공급 안정성 평가 시 적용한 대청댐의 유입량 자료는 댐 준공(1981년) 후 댐 지점의 실측유입량 자료이며, 댐 운영에 따른 실측자료를 K-water에서 제공(https://www.water.or.kr/) 받아 이용하였다.
대청댐의 경우 댐 건설 당시 생⋅공용수 1,300백만톤, 농업용수 349백만톤으로 총 1,649백만톤으로 배분되었다.
대청댐의 기본계획공급량은 1,649.0백만 m3/년(52.3 m3/s)이며, 2023년 계약량(생⋅공⋅농업용수)은 1,277백만 m3/년(40.5 m3/s)으로 각각의 공급량 및 계획량을 기준으로 이수안전도를 검토하였다.
이수안전도 검토 시 용수공급부족 기간은 댐의 수위가 저수위에 도달하여 계획 및 계약공급량만큼 하류로 공급하지 못하는 기간으로 정의하였다.
5.2 이수안전도 평가 결과 및 용수공급능력
본 연구의 평가 기준에 따라 대청댐의 이수안전도를 검토한 결과를 Table 4에 나타냈다. 기본계획공급량 공급시에는 물부족이 108회 발생하여 이수안전도가 96.3%로 나타났으며, 2023년 계약량 공급시에는 물부족이 37회 발생하여 이수안전도가 98.7%로 검토되었다.
Table 4
Water Supply Safety Result of Daecheong Dam
기본계획공급량 공급시 연간단위 이수안전도를 댐 설계시와 비교하면 댐 설계시는 100%, 본 연구 평가 결과는 77.5%로 22.5%가 감소한 것으로 나타났으며, 이는 갈수기 유입량 감소와 퇴사에 의한 유효저수용량 감소가 주요 원인일 것으로 추측된다.
기본계획 공급량 조건에 대하여 이수안전도를 만족하는 범위에서 추가적으로 공급할 수 있는 추가공급량을 분석하였다. 이수안전도 96.3%를 만족하는 범위에서는 최대 0.11 m3/s까지 추가 공급 할 수 있는 것으로 분석되었다. 기본계획 대비 부족일 수는 108일에서 109일로 다소 증가하나 이수안전도는 반순기준 범위를 만족하기 때문에 0.11 m3/s까지 추가공급 할 수 있는 것으로 판단하였다.
2023년 계약량 조건에서의 추가공급량의 경우는 이수안전도 98.7%를 만족하는 범위에서 최대 최대 0.23 m3/s까지 추가 공급 할 수 있는 것으로 분석되었는데, 계약량 조건에서도 동일하게 물 부족 일수가 37일에서 39일까지 증가하는 것으로 나타났으나 이수안전도 범위를 벗어나지 않기 때문에 추가공급에는 문제 없는 것으로 검토하였다.
그러나, 실질적으로 추가 용수를 보내기 위해서는 현재 운영되고 있는 용수공급조정기준에 부합할 수 있는 추가용수 공급량이 제시되어야 한다. 본 연구에서의 이수안전도 검토기준에서는 저수위를 기준으로 물 부족량 및 이수안전도가 분석되었기 때문에 용수공급조정기준에 따라 관심이하로 영향을 주지 않는 범위에서 추가공급이 가능한지 분석이 필요하다. 앞서 검토된 이수안전도를 통하여 도출된 최대 추가 공급량을 기준으로 각 연도별 전체일수 대비 가능한 일수를 비교하여 공급가능률을 도출하였다. 공급가능률의 범위 및 표시방법은 Table 5와 같고, 연도별 공급가능률의 결과는 Table 6에 제시하였다.
Table 5
Supply Availability Range
| Range (%) | Display |
|---|---|
| x > 29 |
|
| 30 < x < 49 |
|
| 50 < x < 69 |
|
| 70 < x < 89 |
|
| 90 < x |
|
Table 6
Additional Supply Availability by Year (Number of days available for supply/Total days)
계획공급량 기준 0.11 m3/s를 추가 공급하였을 때 이수만족도를 만족하면서 용수공급조정기준인 관심이하로 떨어지지 않는 범위에서 40년간의 기간에 대해서 총 14개년에 대하여 공급가능률이 90%이상 가능할 것이라 분석되었으며, 계약공급량 기준 0.11 m3/s를 추가 공급하였을 때에는 총 26개년에 대하여 공급가능률이 90% 이상인 것으로 분석되었다.
6. 결 론
본 연구에서는 대청댐 하류의 추가용수공급 가능여부를 판단하기 위하여 이수안전도와 용수공급조정기준을 이용하여 대청댐의 용수공급능력을 평가하였다. 대청댐의 1983년부터 2023년까지의 약 40년 동안의 유입량 자료로 저수지 모의운영을 실시하여 용수공급능력을 평가하였다. 먼저 이수안전도 평가 결과는 대청댐의 계획공급량 기준 96.3%, 2023년 계약공급량 기준 98.7%로 평가되었다.
기본계획공급량 공급 시 연간단위 이수안전도를 댐 설계시와 비교하면 댐 설계 시는 100%, 본 연구 평가 결과는 77.5%로 22.5%가 감소한 것으로 나타났으며, 이는 갈수기 유입량 감소와 퇴사에 의한 유효저수용량 감소가 주요 원인일 것으로 판단된다.
이수안전도 분석 결과를 기준으로 계획공급량의 이수안전도와 계약공급량의 이수안전도 범위를 벗어나지 않는 조건에서 추가 공급가능량을 분석하였다. 분석결과 계획공급량 기준 추가공급량은 최대 0.11 m3/s로 분석되었으며, 계약공급은 0.23 m3/s를 추가 공급할 수 있는 것으로 분석되었다.
그러나, 이수안전도의 경우 저수위 기준으로 용수공급능력 평가이기 때문에 실질적으로 댐의 용수관리를 위해 기준이 되는 용수공급조정기준을 이용하여 용수공급 능력을 재평가 할 필요가 있다.
따라서, 이수안전도 분석을 통하여 도출된 추가공급계획량을 용수공급조정기준의 관심수위 이하로 떨어지지 않는 범위에서 공급가능율을 재검토하였다. 공급가능율은 각 연도별 전체일수 대비 관심이하로 떨어지지 않는 일수를 비교하여 공급가능율을 산정하였다. 계획공급량의 추가 공급량인 0.11 m3/s과 계약공급량의 추가 공급량인 0.23 m3/s을 적용하여 분석하였다.
용수공급조정기준을 적용하여 분석한 결과 계획공급량 기준으로 0.11 m3/s를 추가 공급하였을 때 총 40년의 기간 중에서 14개년에 대하여 공급가능율이 90% 이상 가능한 것으로 분석되었으며, 계약공급량 기준으로 0.23 m3/s를 추가 공급하였을 때에는 26개년에 대해서 90% 이상 추가공급 가능한 것으로 분석되었다.
이와 같이 이수안전도를 만족한다 하더라도 용수공급조정기준으로 다시 분석하게 되면 관심이하로 떨어지는 경우가 있을 수 있기 때문에 댐의 용수공급능력 평가 시 이수안전도 뿐만 아니라 용수공급조정기준에 대해서도 같이 고려하여 용수공급능력을 평가해야 할 것으로 판단된다.
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