인도네시아 Cisangkuy 유역 용수공급 가능량 연구

A Study on Potential Discharge for Water Supply in Cisangkuy Basin of Indonesia

Article information

J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2017;17(2):471-480
Publication date (electronic) : 2017 April 30
doi : https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2017.17.2.471
** Section Chief, Department of Water Resources Engineer, GTE Co
*** Deputy General Manager, Department of Water Resources Engineer, Yooshin Engineering Co
**** Director, Department of Water Resources Engineer, Yooshin Engineering Co
***** Vice-present, Department of Water Resources Engineer, Yooshin Engineering Co
****** Head of research center, Department of Research and Development, RNA Solution
*Corresponding Author, Member, CEO, GTE Co. (Tel: +82-2-6969-7611, Fax: +82-2-6969-7620, E-mail: hydrokim@naver.com)
Received 2017 January 23; Revised 2017 January 24; Accepted 2017 February 06.

Abstract

인도네시아 Cisangkuy 유역은 복잡한 수계 및 다양한 관리주체로 인해 수자원 운영에 많은 어려움이 있다. 본 연구에서는 MODSIM 모형을 이용하여 목적별 용수수요량 측면에서 물수지분석 체계를 구축하여 용수공급 가능율을 분석하였다. Pataruman 지점의 일 유량관측 자료(2002년~2012년)를 이용하여 모형의 적정성을 확인하였다. Cikalong 취수장에서 현재 1.9 m3/s를 취수시, Cipanunjang과 Cileunca댐 저수지 운영효율에 대하여 분석하였다. 현재 저수지 운영 곡선과 물수지 분석을 통해 수정된 운영곡선을 적용하여 분석한 결과, 발전용수 공급량은 1.41∼2.71%로 증가하였고, Cikalong 취수장에 1.9 m3/s를 취수시 1년 중 부족일이 108일에서 73일로 저감되었으며, 농업용수 및 생활용수 부족일도 저감되는 것으로 분석되었다. Cikalong 취수장에서 3.3 m3/s의 취수조건에서 신규 Santosa 댐에서 공급해야할 최소공급유량을 시행착오법으로 수행한 결과, 우기인 12월부터 5월까지는 3.2~4.05 m3/s, 건기인 6월부터 11월까지는 2.1~3.32 m3/s를 공급해야 추가 취수에도 문제가 없는 것으로 검토되었다.

Trans Abstract

There are many difficulties in operation of water resources due to complicated water system and various management subjects in the Cisangkuy basin of the Indonesia. In this study, a MODSIM model was eveloped to analyze the potential discharge to the water supply by constructing a water balance analysis system in terms of water demand for each purpose. In case of the current 1.9m3/s is taken from the Cikalong intake station, the reservoir operation efficiency of the Cipanunjang and Cileunca dam is analyzed. The model was validated using the daily discharge measurement data(2002∼2012 year) of the Pataruman. The analysis for reservoir operation efficiency was conducted by applying current reservoir operating pattern curve and modified operating curve derived from this water budget analysis. The water supply for power generation was increased about 1.41%∼2.71%. In case of 1.9 m3/s was taken from the Cikalong, the shortage date in one year was reduced from 108 days to 73 days and the shortages for the agricultural demand and residental demand were also reduced. Required minimum water capacity from the new Santosa dam was calculated by the trial and error method with 3.3 m3/s of intake condition at the Cikalong. As the result, the required water supply from the Santosa was estimated 3.2~4.05 m3/s in wet season (December~may) and 2.1~3.32 m3/sec in dry season (June~November).

1. 서론

인도네시아 찌따룸강 중·상류에 위치한 인도네시아 3대 도시인 반둥은 연간 강수량은 2,380 mm로 강수량은 풍족하나, 기후는 건기(4∼9월)와 우기(10∼3월)로 구분되어 계절간 극심한 강수량 차이를 보이며, 특히 급속한 경제성장과 도시화 과정에서 높은 인구밀도와 하천의 심각한 오염수준으로 인하여 식수공급량은 매우 부족한 실정이다. Cisangkuy 유역 내 주요 댐인 Cileunca 및 Cipanunjang 저수지의 경우 전력회사인 인도네시아 파워에서 관리하고 있으며, 저수지 하류 3개의 소수력 발전소(Plengan, Lamajan, Cikalong)가 운영되고 있으며, Cisangkuy 주 하천의 대부분의 수량을 발전용수로 활용하고 있으며(Fig. 1 참조), 세 발전소를 거친 최종 수량의 일부를 취수장에서 취수하여 식수원으로 사용하고 있기 때문에 상수 수급에 어려움을 겪고 있다.

Fig. 1

Cisangkuy Basin

반둥 지역의 수원 부족으로 인한 상수공급 부족 문제를 해결하기 위한 인도네시아 공공사업부와 지방정부의 Water Supply System Metropolitan Bandung Project(SPAM)에 따르면 2010년 기준으로 반둥시의 원수공급은 14.9 m3/s가 부족하고, 2030년에는 22.7 m3/s만큼 부족할 것으로 추정하고 있다. 동 보고서에 따르면 반둥의 상수도 부족을 해결하기 위하여 Cipanunjang, Cileunca 댐의 최적 활용, 신규 댐의 건설, Sagunling 댐으로부터 펌핑을 통한 용수공급, 찌따룸 강의 필터링, 지하수의 활용을 제시하고 있으나, 이 중 가장 우선순위에 자리하고 있는 것이 Cipanunjang 및 Cileunca 기존 수력 댐의 활용과 신규 댐을 건설할 예정이며 이와 더불어 물관리시스템 정비 등 비구조적인 대책방안 마련에 집중하고 있는 실정이다(ADB, 2012, 2015). 이에 공동연구기관인 PUSAIR(Pusat Litbang Sumber Daya Air)와 협의 및 현장조사 결과 다음 사항들을 확인할 수 있었다.

  • Cileunca 및 Cipanunjang 저수지 수위는 수기로 기록되고 있으며, 저수지 운영룰이 존재하지 않는다. 발전용수 부족상황 발생 시 취수문을 통해 용수를 공급하는 것으로 조사되었다.

  • Cikalong 발전소에서 발전하고 방류된 용수 중 1.9 m3/s를 취수하여 반둥시의 생활용수로 사용하고 있으며 나머지 유량은 Cisangkuy 강으로 방류하고 있다. 향후 SPAM 계획에 의해 Cikalong 취수장을 증설하여 1.4 m3/s를 추가로 취수하여 총 3.3 m3/s를 반둥시로 보낼 계획이다.

  • 강우유출 모형은 자바섬 전체에 대하여 네델란드에서 구축하였으며, GUI 시스템이 연계된 WFLOW 수문학적 분포 모형이 적용하고 있다. 그러나 WFLOW 모형은 자바섬 전체에 대하여 6개 유출 지점을 선정하여 유역별로 구축되어 있으며, Cisangkuy 소유역에 대하여 강우-유출이 표출되어 있지 않아 이 지역에 대하여 강우유출 모형 구축이 필요하다.

  • BMKG(인도네시아 기상청), 인도네시아 파워 등에서 관리하고 있는 6개소 우량관측소를 분석한 결과, 인접한 관측소일지라도 동일연도 최대 1,000 mm 이상까지 차이를 보임으로서 보유년수 및 결측일수와 함께 강우기록에 대한 신뢰성에 문제가 있는 것으로 판단되었다.

  • 장기강우유출 모형으로 TANK 모형을 구축함에 있어 중요 인자인 증발산량(Evapotranspiration)과 강우량 자료의 신뢰성에 문제가 있으며, PUSAIR에서도 TANK 모형 적용에 많은 어려움을 겪고 있다.

  • SWAT 모형 구축을 위해서 토양도(Soil map) DB가 필요한데, 이 자료가 없기 때문에 구축이 어려운 실정이다.

위와 같은 현황 및 문제점들 때문에 Cisangkuy 유역에 대하여 효율적이고 현재 상황을 잘 재현할 수 있는 물수지 분석 툴이 구축되어 있지 않은 것으로 파악되었다. 이러한 물수지분석을 위해서는 물이용의 효율성을 극대화하는 유역단위의 수자원 평가 및 물수지 분석 도구가 필요하다. 물수지 네트워크 모형인 MODSIM (Modified SIMYLD)은 원래 하천 유역의 수자원 계획과 관리 측면에서 물 수요 증가에 따라 가용 수자원을 효율적으로 배분할 수 있도록 구축되어 있으며, 복합적인 하천유역의 물 이동을 모의할 수 있으므로 적용성이 높은 모형으로 적용되고 있다.

국내의 경우 이광민 등(1998)은 한강 수계를 대상으로 용수공급 능력을 파악하기 위해 MODSIM을 적용하였다. 팔당에서 수도권지역의 용수수요 증가에 따른 시나리오별 용수부족 추세를 분석한 결과, 용수공급체계가 복잡하고 용수이용도가 높은 지역의 종합적인 수자원 평가에 적용 가능한 모형이라고 평가하고 있다. 유주환(2005)은 5대강 유역에 대하여 물 공급 안전도를 평가할 수 있는 물수지 분석 시스템을 구축하기 위해서 MODSIM을 적용하였다. 기존 물수지 방법과 비교분석한 결과 수리권에 따른 공급 우선권 고려가 편리하게 변경 가능하였으며, 용수 수요에 대한 댐 공급의 기여도를 분석하였다. 안상진 등(2006)은 MODSIM을 이용하여 충청지역의 행정중심복합도시 건설 전⋅후 유입인구에 따른 용수공급량에 대하여 분석하였으며, 유입인구가 20만명 정도까지는 용수 수급상 부족 현상이 발생하지 않았으나, 50만명 이상이 유입되는 경우는 물 부족 현상이 발생한다고 분석하였다. 정태성 등(2008)은 의사결정지원시스템으로서의 MODSIM을 기반으로 K-Modsim 모형을 개발하고 금강유역에 대하여 적용성을 검토하였다. 그 결과 K-Modsim은 유역통합 수자원 관리 시 댐의 최적 운영율을 반영한 운영 모의도 가능함으로 실제 유역관리시스템에 활용될 수 있을 것이라 제언하였다. 차기욱 등(2007)은 K-ModSim을 이용하여 지표수-지하수-저수지 연계운영을 모의를 수행하였으며, 그 결과 갈수나 가뭄에서 저수지와 하천수-지하수를 적절하게 이용할 경우 물 부족과 댐 하류지역의 하천유지용수 부족을 현저히 줄일 수 있는 것으로 분석되었다. 안소라 등(2009)은 농업가뭄에 대한 대책을 마련하고자 대표적인 가뭄년도에 대하여 농업용수 공급율 평가를 위해서 농업용 수리시설을 고려하여 MODSIM 모형을 구축하였다. 가뭄기간 동안 농업용수 공급측면에서 농업용 수리시설(양수장, 보, 집수암거와 관정)들에 대하여 기여도를 평가한 결과, 양수장과 보의 기여율이 농업가뭄 해소에 기여하는 것으로 분석되었다. 또한, 국외의 적용 사례로는 미국 Colorado Rio Grando 하천 유역(Graham et al., 1986), 필리핀 내 Pampanga 하천 상류 유역(Faux et al., 1986), 미국 Californai San Joaquin 하천 유역(Marques et al., 2006), 미국 북서부 Idaho를 포함한 Snake 하천 유역(Miller et al., 2003) 등이 있다.

본 연구에서는 반둥시의 주요 상수원 중 하나인 Cisangkuy 강 상류부의 기존 수력댐 운영과 용수량 증대를 위해 계획 중인 신규댐에서 추가용수 공급을 고려한 용수공급량을 분석하기 위해서는 MODSIM 네트워크 모형을 이용하여 댐 및 수리시설을 고려한 네트워크 모형을 구축하고, 발전용수, 생활용수, 농업용수 측면에서 물수지 분석 체계를 구축하여 시나리오에 따른 용수공급 가능율을 평가하고자 한다. 이와 같은 분석은 인도네시아 Citarum 상류에 위치한 Cisangkuy 유역 내 다양한 시설물의 연계운영 효과를 분석하기 위한 초석이 될 수 있으며, 인도네시아 물산업 육성을 위해 진출 시 수자원의 효율적인 활용을 위한 자료를 제시하고자 한다.

2. MODSIM 모형

MODSIM 모형은 하천유역 네트워크 모형(river basin network model)으로 네트웍 최적화 알고리즘이 도입되어 하천유역 관리에 있어서 물리적, 수문학적, 제도적인 측면에서 물이 배분될 수 있고, 유역 수자원관리 시설의 전체적인 배치 및 운영조건을 다양하게 반영할 수 있도록 구축되어 있다. 즉 시스템의 모의(simulation)를 위한 효율적인 도구로서 최적화(optimization)방법을 도입한 모형이라 할 수 있다. 네트워크 최적화기법인 Lagrangian relaxation 알고리즘을 사용하여 실수계산 보다는 효율이 매우 좋은 정수계산 방식을 선형네트워크의 해법으로 적용하였으며, 매트릭스 계산은 개량된 단체법(simplex method)를 확장한 표준선형프로그램을 사용하여 정수계산방식이 필요한 정도의 정확도를 갖는 해를 계산할 수 있도록 하였다. 하천유역 관리에 있어서 물리적 수문학적, 제도적인 측면에서 물이 배분될 수 있고, 유역 수자원관리 시실의 전체적인 배치 및 운영조건을 다양하게 반영할 수 있도록 구축되어 있다.

MODSIM 모형은 유역시스템의 물리적 특성을 모형에 유사하게 재현하기 쉽도록 유역도의 입력기능을 제공하며, 노드(저류노드, 비저류노드, 수요노드, 통과노드)와 링크 혹은 아크를 제공한다. 비록 노드와 링크만으로 유역의 물리적, 수문학적 특성들을 똑같이 재현할 수는 없지만, 사용자는 수자원 운영을 모형화하기 위하여 이들을 가상적 혹은 개념적 요소로 상징화하여 사용할 수 있다. 네트워크 모의 시 완전 순환네트워크를 위해 사용자에 의해 정의된 노드와 링크는 모형 내에서 자동으로 생성되고 계산을 수행한다. 이때 노드는 물수요 또는 공급의 단위가 될 것이고 링크는 이를 연결하는 유동 통로가 된다. MODSIM 모형은 계산시간(t= 1, 2, …, T) 동안 비용을 최소화시키는 네트워크 흐름(network flow)의 최적화 알고리즘을 갖는다. 이를 식으로 나타내면 Eq. (1)과 같다.

(1)minimizekAckqk

여기서, ck는 우선순위에 의한 비용, 가중치, 또는 단위 유량당 우선순위를 의미하며, k는 링크, q는 유량, A는 네트워크의 모든 링크 수이며 이때 제약조건은 Eqs. (2)와 (3)과 같다.

(2)kOiqkjIiqj=bit(q)forallnodesiN
(3)lkt(q)qkukt(q)forallnodeskA

여기서, N은 모든 노드 수, Oi는 노드i에서 시작하는 모든 유출 링크, Ii는 노드i에서 끝나는 모든 유입 링크이다. bit는 시간t일 때 노드i에서의 유입 혹은 유출, lkt는 시간t일 때 링크k에서의 하한치, ukt는 시간t일 때 링크k에서의 상한치를 나타낸다. 이때, bit, lkt, ukt는 네트워크 에서 흐름 벡터의 함수로써 정의된다. Eq. (2)는 임의의 노드에서 유입과 유출 총량은 같다는 노드 제약조건으로서 물수지 방정식이고, Eq. (3)은 모든 링크 흐름에서의 상한과 하한을 제한하는 물리적인 제한조건이다(Labadie, J.W., 2010).

MODSIM은 Bertsekas와 Tseng에 의해 개발된 Lagrangian relaxation에 기초한 쌍대절차(dual procedure)를 통합한 효율적인 Primal-Dual 네트워크 최적 알고리즘의 원리를 채택하여 개발되었다. Lagrangian relaxation 알고리즘 해석기법은 기존의 out-of-kilter 알고리즘 보다 훨씬 우세할 뿐만 아니라, Primal에 기초한 네트워크 알고리즘보다도 계산수행속도 면에서 매우 우수하다(Bertsekas and Tseng, 1988a).

3. 대상유역 및 입력자료 구축

3.1 Cisangkuy 유역

본 연구대상인 Cisangkuy 유역에 위치한 Cisangkuy 강은 반둥시 남측에 위치하며, Citarum 강의 제1지류에 해당한다. 유역면적은 약 279.21 km2이며, 유로연장은 49.78 km가 된다. 과업대상 지역 내 주요 시설물들은 댐 2개소(Cipanunjang, Cileunca), 인공 터널 2개소(Salruran, Cilaki Beet), 수력발전소 3개소(Plengan, Lamajan, Cikalong), 취수장 1개소(Cikalong) 및 기타 부속 수리시설물 등으로 구성되어 있다. 상류에 위치한 2개의 댐은 Cisangkuy 상류 및 인근 Cilaki 및 주변유역으로 부터 터널 2개소를 통해 유입된 유량을 저류, 하류 발전소 3개소에 용수를 공급하고 있는 발전용수 전용댐이다(Fig. 1 참조).

MODSIM 모형을 이용한 물수지 분석은 Cisangkuy 유역 내 소유역 단위의 가용수량과 수요량의 비교에 의해 수행된다. 따라서 용수공급 가능량 평가를 위해 기본적으로 요구되는 자료로 유출량, 용수 수요량 및 용수공급 시설에 의한 공급량의 파악이 중요하다. 또한 하천유지유량, 회귀율, 광역물이동량, 공급 우선순위, 댐 운영자료 등이 필요하다. 본 연구지역 내에는 저수지 하류 및 하천을 중심으로 발전소, 취수장 및 농경지가 조성되어 있으며, 용수 이용은 대부분 저수지와 하천을 연결하여 필요한 용수량을 취수하여 이용할 수 있도록 인공 및 자연수로가 설치되어 있는 것으로 조사되었다. 그러나 상류부에 위치한 저수지는 발전용수 전용댐으로 댐 하류부의 공공용수, 농업용수 공급과 연계한 효율적인 운영체계가 미흡한 형편이다. 이에 PUSAIR와 협의 결과, 기존 저류지 시설물의 용수공급능력 검토를 통해 Cikalong 취수장의 현재 및 장래용수량에 대한 용수수급 및 물부족 상황 검토가 우선되어야 하며, 이와 동시에 신규 저류지 시설물 계획에 따른 용수공급능력을 검토하기 위해 물수지분석을 수행하였다.

3.2 유출량

본 과업지역인 Cisangkuy 강 유역의 경우 Pataruman 유량관측소가 운영 중에 있으며, 그 관측기록 년 수가 12개년(2001년∼2012년)으로 실측 자료를 이용하였다. 유출분석 방법으로는 분석대상지점 상·하류에 위치한 수위표 지점 등의 실측자료를 이용하는 방법, 강우-유출모형에 의한 방법이 있다. 현재 조사된 일 강우의 경우 자료의 신뢰성 문제로 인해 금회 물수지 분석에서는 강우-유출 모형에 의한 유출량 산정을 보류하였다. 유출량 산정을 위해 유역별 대비 비유량법으로 적용하여 자연유출량을 산정하였다.

Cisangkuy 하도 내 Pataruman 관측소의 유량은 Saluran 터널과 Cilaki Beet 터널로 인해 Cilaki 및 주변 유역의 유량이 포함되어 있다. 또한, 상류측에 위치한 2개의 저수지(Cipanunjang, Cileunca)에 의해 조절된 유량이므로 순수한 자연유량이라고 보기에는 어렵다. 따라서 Pataruman 지점의 자연유량을 산정하기 위해 Cileunca 저수지의 방류량, 관개용수를 고려하여 산정하였으며, 산정방법은 아래와 같다.

  • 자연유량 = 실측유량 + 순물소모량(생활, 공업 및 농업용수)

  • Pataruman (자연유량, Cileunca 저수지 상류지역 제외) = Pataruman (관측유량) - Cileunca(계산방류량) + (관개면적X단위용수량X65%)

Pataruman 지점의 2002년∼2012년의 관측자료(일자료) 분석결과 평균갈수량(Q355)인 3.18 m3/s보다 작은 유출량 발생일수는 1,228일로 조사되었으며 이수안전도[(1-용수부족년수/빈도(년))×100]는 69.4%, Q95% 유량인 3.37 m3/s보다 작은 유출량 발생일수는 1,305일로 조사되었으며 이수 안전도는 67.5%인 것으로 검토되었다(Fig. 2 참조).

Fig. 2

Long-term Runoff Analysis

3.3 용수 수요량

Cisangkuy 유역 내 주 용수 공급원인 2개의 저수지(Cipanunjang, Cileunca)는 주로 발전용수 전용댐으로 발전소별 일별 발전용량 범위는 Plengna 2.5∼8.4 m3/s, Lamajan 2.1∼9.54 m3/s, Cikalong 2.07∼10.84 m3/s인 것으로 분석되었다. 현재 반둥시의 주 생활용수는 Cikalong 발전소 하구부에 위치하고 있는 Cikalong 취수장으로 1.9 m3/s(원수 1.4 m3/s + 정수 0.5 m3/s)를 취수하고 나머지 유량은 Cisangkuy 강으로 방류하고 있다. 관개용수량은 DPSDA(Dinas Pengelolaan Sumber Daya Air: Office of Management of Water Resources) 에서 현재 사용 중인 단위용수량과 토지이용도를 이용하여 산정된 값들을 적용하였으며, 관개용수에 대한 효율은 65%, 회귀율은 35%를 적용하였다(Table 1 참조). Table 1에서 산출된 단위용수량을 과업지역 관개면적 1,495 ha(Ciherang 하구 기준)에 대해 적용한 결과, Ciherang 하구기준 연간 필요 관개용수량은 총 16.7 백만m3인 것으로 검토되었다. 소유역별 관개용수는 각 소유역별 장기유출량에서 우선 공급되며, 관개용수 공급량 외 나머지 물량은 Cisangkuy 강으로 유출되는 것으로 적용하였다.

Unit Irrigation Water

3.4 하천유량

하천 수계상 어떤 지점에서의 가용한 하천유량의 규모와 변동성을 평가하기 위한 수단으로 유황분석(flow duration analysis)이 필요하며 이를 분석하기 위해 유황곡선을 작성한다. Pataruman 지점의 최근 10개년(2003년∼2012년) 월 평균유량 자료를 이용하여 유황분석을 수행하였으며, 검토결과 풍수량은 11.55 m3/s, 평수량은 7.47 m3/s, 저수량은 4.55 m3/s, 갈수량은 3.18 m3/s인 것으로 분석되었다(Fig. 3 참조).

Fig. 3

Flow Duration Curve at the Pataruman Station

3.5 물 공급 우선순위

MODSIM 네트워크에 입력되는 수용량 공급의 우선도는 –999∼999까지 적용 가능하며 숫자가 작은 값이 우선권을 갖는다. 본 유역의 경우 상류부에 위치한 저수지는 발전용수 전용댐으로 수력발전소 3개소(Plengan, Lamajan, Cikalong)가 용수수요 공급에서 최우선 순위를 부여하였다. 발전용수를 우선 공급한 후 이후 공공용수, 농업용수 등을 공급하는 현 운영체계로 이에 분석을 통해 발전용수 공급과 연계한 효율적인 연계운영 방안을 검토하였다.

3.6 댐 운영자료

1930년에 건설된 Cipanunjang 댐은 Cileunca 저수지 직상류에 위치하고 있으며, Cileunca 저수지의 저류량 부족발생시 용수를 공급하는 Cileunca 댐의 보조용 저수지 역할로서의 발전용수 공급용 댐으로 조사되었다. Cipanunjang 댐의 저류량은 22. × 4106 m3, 만수위는 EL.1446.0 m, 사수위는 EL.1432.0 m이다. 사수위 기준으로 Cipanunjang 저수지의 년도별 이수안전도는 67.3%∼100%, 전체 11개년 평균은 77.8%로 조사되었다. Cileunca 댐은 1924년에 건설되었으며, 하류측에 위치한 PLTA(Pembangkit Listrik Tenaga Air or Hydropower Plant)의 발전소 3개소에서 발전용수가 부족하거나 유사시 용수를 공급해주는 시설물이다. 댐 유출부 방류설비는 Pulo, Palayangan 2개소가 있으나 현재는 하류 수력발전용수 공급용 수문인 Palayangan만 운영 중인 것으로 조사되었다. Cileunca 댐 저류량은 11.3×106 m3, 만수위는 EL.1418.5 m, 사수위는 EL.1408.20 m이다. Cileunca 저수지의 사수위(D.W.L)인 EL.1408.2m 기준으로 년도별 이수안전도 검토결과 94%∼100%이며, 전체 11개년 평균은 99.4%로 다소 높은 것으로 조사되었다.

2개 댐에 대하여 수기로 작성된 운영수위 기록을 검토한 결과, 건기와 우기에 따라 일정한 패턴을 보여주고 있음을 발견하였다. 즉, 우기인 12월부터 이듬해 2월까지 저수지의 수위를 최대한 끌어올려 건기시에 방류된 물을 보충하는 시기이며, 3월 ~ 5월까지도 건기가 발생되는 시기에 대비하여 우기시 보충된 물을 최대한 보존하였으며, 건기인 9월∼11월에 더 방류하는 시기인 것으로 검토되었다. 저수지의 현재 운영 패턴을 요약하면 Fig. 4와 같다.

Fig. 4

Reservoir Operation Pattern at Cipanunjang and Cileunca

인근 Cilaki 유역으로부터 일부 유량이 Saluran 및 Cilaki Beet 터널을 통하여 저수지로 유입되고 있다. Saluran 터널은 Cipanunjang 저수지로 유입되고 있으며 터널 유입부 외 총 6개 지점에서 유량을 관측하고 있다. 이 중에서 Cipanunjang 저수지 지점의 유량 관측지점명은 Soropotan 관측소로 연 평균 2.58 m3/s(2002년∼2012년)가 유입되고 있는 것으로 조사되었다. Cilaki Beet 터널은 Cileuca 저수지로 유입되는 터널로써 현재 터널 유입부 지점에서 유량을 관측하고 있으며, 연 평균 0.50 m3/s(2002년∼2012년)의 유량이 유입되고 있는 것으로 조사되었다.

4. 물수지 네크워크 구성

과업지역 내 주요 시설물(저수지, 발전소, 취수장) 및 취수지점, 지류유입, 관개용수 등을 고려하여 Cisagkuy 유역에 대해 32개의 소유역으로 구분하였으며, 구분된 소유역을 토대로 노드와 링크의 연속적인 연결로 MODSIM 모형의 네트워크를 Fig. 5와 같이 구축하였다. 자료를 입력하는 노드의 종류에는 저수지노드(reservoir node), 비저류노드(nonstorage node), 수요노드(demand node), 통과노드(flowthru node) 등이 있으며, 노드와 노드를 연결하는 링크에 도 자료의 입력이 가능하고 각 링크의 방향은 흐름방향과 일치하여야 한다. 해당유역에 소유역간 물이동이 있을 경우 추가노드를 통하여 유역간 물이동이 이루어지도록 하였다.

Fig. 5

MODSIM Network for Cisangkuy Basin

5. 모형의 검정

현재 용수체계에 대한 모형의 적정성을 검토하기 위해, 11년(2002년~2012년) 간의 시계열 자료와 Cikalong 취수장에서 현장조사 결과 1.9 m3/s 용수수요량을 기준으로 월별 모의를 수행하였다. 이때 기존 저류지 Targe storage 우선순위 적용 및 기존 운영체계(저수지 관측수위 적용)를 유지하였으며, 발전소 3개소는 9개년(2004년~2012년) 월평균 발전량 자료를 적용하였다.

모형의 검정을 위해서 현재 Cileunca 저수지의 경우 2개소의 유출부(Palayangan와 Pulo Gate)가 존재하는데, Palayangan Gate로 방류되고 있으며, 이에 모형구축시 댐의 방류량 자료, Cikalong 취수량, 발전소 방류량 자료를 이용하여 Pataruman 관측자료와 비교하였다. 현 용수체계에 대한 물수지 분석결과 Pataruman 관측지점의 이수안전도는 Q95% 유량 기준 66.72%이고 Pataruman 관측유량 대비 Q95% 유량 기준 (+)0.78%의 오차를 보이고 있다. Pataruman 관측지점의 2002년~2012년 일자료 실측치와 MODSIM 모의치를 비교한 결과 결정계수(R2)는 0.999, 모형 효율성 계수(ME)는 0.999, 평균제곱근 오차(RMSE)는 13.65 m3인 것으로 검토됨에 따라 적정하게 모형이 구축됨을 확인하였다. 현 용수체계 분석결과는 Table 2Fig. 6과 같다.

Result of Model Calibration (2002 year ~ 2012 year)

Fig. 6

Propriety of Pataruman Point

6. 용수공급 가능량 평가

PUSAIR와 협의한 결과, Cipanunjang과 Cileunca 저수지는 운영효율이 없기 때문에 기존 저수지 시스템 운영효율 개선과 향후 Santosa 댐 건설에 따른 용수공급 가능량 평가에 대하여 분석하였다.

6.1 기존 저수지 시스템 운영효율 개선

Cipanunjang과 Cileunca 저수지 운영효율에 대하여 분석하였다. 현재 용수체계에 대해 수기로 기록된 수위 분석을 통해 도출된 연평균 대표운영곡선과 물수지분석을 통해 수정된 운영곡선 적용 시(Fig. 7 참조) 검토를 수행하였으며, 모의기간은 2002년부터 2012년 11년 일자료를 이용하였다. 최대건조시기 발생 시 저수지 이수안전도 100% 달성 및 최대 에너지 생산을 위해 가능한 많은 물을 유지하는 최적화된 저장 운영곡선을 시행착오법을 통해 검토하였으며, 검토된 운영 곡선 적용 시 물수지 변화를 검토하였다. 또한 댐 하류 3개소 발전소 발전방류량 자료를 적용하였다(2004년부터 2012년 월평균 발전량). 이때 Cikalong 취수장에서 1.9 m3/s를 취수한다는 조건이다.

Fig. 7

Current and Modified Operating Curves of Reservoirs

에너지 생산을 위한 운영면에서는 대체로 만족한 결과를 보이는 것으로 판단되나, 하류지역의 필요 관개용수 공급측면에서는 9월∼12월에는 용수 공급 현상이 부족한 것으로 분석되었다.

이처럼 3개의 발전소에서 발전 방류량에 부합되게 상류 2개 저수지에서 발전유량을 최대한 방류하기 때문에 에너지 생산을 위한 운영 면에서는 대체로 만족한 결과가 도출 것으로 판단된다. 이에 따라 현재 운영 중인 저류지의 경우 주로 하류부 수력발전소 운영을 위해 운영되기는 하나 발전뿐만 아니라 하류부 용수공급 및 관개용수면에서도 다각적으로 활용이 가능한 최적운영곡선을 시행착오를 통해 검토한 결과는 Table 3과 같다. 그 결과, 발전용수 공급량은 1.41%∼2.71%로 증가하였고, Cikalong 취수장에 1.9 m3/s를 취수 시 부족일은 108일에서 73일로 저감되었으며, 농업용수 및 생활용수 부족일도 저감되는 것으로 분석되었다.

Comparison of Current and Modified Operation Performance

6.2 Santosa 신규댐 공급량 방안

현재 1.9 m3/s를 취수하고 있는 용수체계에 대해 Cikalong 취수장에서 계획취수량 취수 시 신규댐인 Santosa 댐에서 최소 공급가능량을 검토하기 위해서 11개년(2002년~2012년) 시계열자료와 Cikalong 취수장에서 현재 취수량(1.9 m3/s)과 추가 계획 취수량(1.4 m3/s)을 고려한 3.3 m3/s의 용수수요량을 기준으로 신규 Santosa 댐에서 공급해야할 최소공급유량을 시행착오법으로 분석하였다. 이때 기존 저류지는 최적화 운영곡선을 적용하였으며, 하류 3개 발전소는 9개년 (2004년~ 2012년) 월평균 발전량을 작용하였다.

향후 SPAM 계획에 의해 Cikalong 취수장을 증설 후 3.3 m3/s를 취수하여 반둥시로 보낼 계획을 준수하기 위해서는 Santosa 신규댐 건설이 필요하다. 이에 Santosa 신규댐에서 Cipanunjang 저수지로 최소 공급가능량을 검토한 결과는 Table 4와 같다. 우기인 12월부터 5월까지는 3.2 m3/s~4.05 m3/s, 건기인 6월부터 11월까지는 2.1 m3/s~3.32 m3/s를 공급해야한다. 이와 같은 유량이 Cipanunjang 저수지로 공급될 경우 Cikalong 취수장에서 기존 1.9 m3/s보다 증가된 3.3 m3/s 취수함으로 인해 Pataruman 지점의 하천 유지용수는 0.1 %로 저감되지만 그 부족일은 미미하며, 반둥시로 공급될 생활용수 측면에서 부족일은 108일에서 55일로 저감되어 이수안전도가 증가되었다(Table 5 참조). 즉 반둥시로 공급되는 용수량 및 이수안전도 증가로 인해 물부족 저감에 기여할 것으로 예상된다.

Monthly Supply Plan of Santosa (m3/s)

Impact at Additional Water Supply from Santosa to Downstream Water Facilities

7. 결론

본 연구는 인도네시아 Cisangkuy 유역에 대하여 MODSIM 네트워크 모형을 이용하여 발전용수, 관개용수 측면에서 물수지 분석 체계를 구축하였으며, PUSAIR와 협의를 통해 용수공급 가능율을 평가하였다. 본 연구를 정리하면 다음과 같다.

  • 1) MODSIM 네트워크 모형을 구축하기 위해서 주요 시설물(저수지, 발전소, 취수장) 및 취수지점, 지류유입, 관개용수 등을 고려하여 Cisagkuy 유역에 대해 32개의 소유역으로 구분하였으며, 입력 자료로는 유출량, 용수 수요량, 공급 우선순위, 댐 운영자료, 터널 유입량, 하천 유지유량 자료 등을 수집 분석하였다.

  • 2) 현재 용수체계에 대한 모형의 적정성을 검토한 결과, Pataruman 관측지점의 이수안전도는 Q95% 유량 기준 66.72%이고 Pataruman 관측유량 대비 Q95% 유량 기준 (+)0.78%의 오차를 보이고 있다. Pataruman 관측지점의 2002년∼2012년 일자료의 실측치와 MODSIM 모형의 모의치를 비교한 결과 결정계수는 0.999, 모형 효율성 계수는 0.999, 평균제곱근 오차는 13.65 m3인 것으로 검토됨에 따라 적정하게 모형이 구축됨을 확인하였다.

  • 3) Cisangkuy 유역 내 Cipanunjang과 Cileunca 댐 저수지 운영효율에 대하여 분석하였다. 이때 Cikalong 취수장에서 현재 1.9 m3/s를 취수한다는 조건이다. 저수지의 운영 수위를 검토한 결과, 건기와 우기에 따라 일정한 패턴을 가지고 있으며, 우기시기인 12월∼2월은 저수지의 수위를 최대한 끌어올려 건기시에 방류된 물을 보충하는 시기이며, 5월까지도 건기가 발생되는 시기에 대비하여 우기시 보충된 물을 최대한 보존하였으며, 최악의 건기시기인 9월∼11월은 방류하는 시기인 것으로 분석되었다. 현재 용수체계에 대해 관측된 수위를 통해 도출된 연평균 대표운영곡선과 최적화 운영곡선 적용하여 분석한 결과, 발전용수 공급량은 1.41∼2.71%로 증가하였고, Cikalong 취수장에 1.9 m3/s를 취수시 1년 중 부족일이 108일에서 73일로 저감되었으며, 농업용수 및 생활용수 부족일로 저감되는 것으로 분석되었다.

  • 4) Cikalong 취수장에서 현재 취수량(1.9 m3/s)과 추가 계획 취수량(1.4 m3/s)을 고려한 3.3 m3/s의 용수수요량을 기준으로 신규 Santosa 댐에서 공급해야 할 최소공급유량을 시행착오법으로 수행한 결과, 우기인 12월부터 5월까지는 3.2~4.05 m3/s, 건기인 6월부터 11월까지는 2.1~3.32 m3/s를 공급해야 추가 취수에도 문제가 없는 것으로 검토되었다.

인도네시아의 경우 자료 수집에 많은 어려움이 있었으며, 현재 최소한의 효과적인 소유역 물운영 분석 체계가 구축되어 있지 않은 상황에서 PUSAIR와 공조 및 협의를 통해 인도네시아 Citarum 상류에 위치한 Cisangkuy 유역 내 다양한 시설물의 연계운영 효과를 분석하였다. 또한 향후 반둥시의 주요 취수원인 지하수를 연계하기 위해서 MODSIM 네트워크 모형을 구축하였다.

본 연구 결과는 Cisangkuy 유역을 대상으로 물관리 시스템 구축 운영 툴로 탑재되어 시범운영 및 검증을 통해 타 유역 확장성을 확보할 예정이며, 또한 유역 물관리 기관인 BBWSC(Balai Besar Wilayah Sungal or Association of River Region)와 공동연구기관인 PUSAIR 그리고 국내가 협약을 통해 연계운영 가이드라인을 물관리 업무 규정에 반영할 예정으로 향후 인도네시아 물관리 사업에 대하여 PUSAIR 공동으로 통합유역 및 하천관리 사업에 참여할 수 있는 기술을 선점함에 있어 그 의의가 있다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부 국토교통기술촉진연구사업 글로벌기술협력 분야의 연구비지원에 의해 수행되고 있는 연구임(과제번호 15CTAP-CO96288).

References

ADB. 2012;Indonesia Water Supply and Sanitation Sector Assessment, Strategy, and Road Map
ADB. 2015;Addendum to the Bulk Water Supply Master Plan 2040 for Greater Bandung 16557063.
Ahn S.J, Choi B.M, Kwark H.G, Kim H.H. 2006;An Application of River Basin Network Flow Model for Optimum Water. Proceedings of KWRA :365–369. 10.3741/jkwra.2009.42.10.825.
Ahn S.R, Park G.A, Shin Y.H, Kim S.J. 2009;Assessment of the Potential Water Supply Rate of Agricultural Irrigation Facilities Using MODSIM- For Geum River Basin. Journal of KWRA 42(10):825–843. 10.1287/opre.36.1.93.
Bertsekas D.P, Tseng P. 1988a;Relaxation methods for minimum cost ordinary and generalized network flow problems. Operations Research 36:93–114.
Cha K.U, Cheong T.S, Ko I.H. 2007;Validation of the Surface-Ground Waters Interaction and Water Supplying to Upper Region of Geum River Basin by Optimal Method for Drougt Season. KSCE Journal of Civil Engineering 27(5B):507–513.
Cheong T.S, Kang S.U, Ko I.H, Hwang M.H. 2007;Development and Validation of KModSim for the Decision Support System in Geum River Basin. KSCE Journal of Civil Engineering 27(3B):319–329. 10.1061/(ASCE)0733-9496(1986)112:2(205).
Faux J, Labadie J, Lazaro R. 1986;Improving performance of irrigation/hydro projects. Journal of Water Resources Planning and Management 112(2):205–224. 10.1029/WR022i007p01083.
Graham L.P, Labadie J.W, Hutchison I.P, Ferguson K.A. 1986;Allocation of augmented water supply under a priority water right system. Water Resources Research 22(7):1083–1094.
Labadie J.W. 2010;MODSIM 8.1: River Basin Management Decision Support System. User Manual and Docu- mentation
Lee K.M, Yoon S.Y, Kim H.J. 1998;Basin Water Balance analysis using the Network Flow Model. Journal of KWRA :97–102. 10.1061/(ASCE)0733-9496(2006)132:6(468).
Marques M, Lund J, Leu M, Jenkins M, Howitt R, Harter T, Hatchett S, Ruud N, Burke S. 2006;Economically driven simulation of regional water systems: Friant-Kern, California. Journal of Water Resources Planning and Management 132(6):468–479. 10.1111/j.1752-1688.2003.tb03673.x.
Miller S.G, Cosgrove J.D, Larson R. 2003;Regional scale modeling of surface and groundwater interaction in the Snake River Basin. Journal of the American Water Resources Association 39(3):517–528.
Yoo J.H. 2005;Suggestion of the Water Budget Analysis Method by MODSIM for the Assessment of the Water Supply Reliability. KSCE Journal of Civil Engineering 25(1B):9–17.

Article information Continued

Fig. 1

Cisangkuy Basin

Fig. 2

Long-term Runoff Analysis

Table 1

Unit Irrigation Water

Data (Month) Net demand(Liter/sec/ha)
Dry crops Rice Irrigation Dry Crops Rice Irrigation
I(First) II(Last) I(First) II(Last) Average
1 0.00 0.01 0.00 0.00 0.005 0.000
2 0.00 0.00 0.00 0.71 0.000 0.355
3 0.00 0.78 0.72 0.78 0.390 0.750
4 1.08 1.08 0.73 0.72 1.080 0.725
5 0.61 0.65 1.14 0.73 0.630 0.935
6 1.02 0.71 0.69 0.00 0.865 0.345
7 0.68 0.00 0.00 0.00 0.340 0.000
8 0.00 0.03 0.47 0.00 0.015 0.235
9 0.00 0.00 0.00 0.00 0.000 0.000
10 0.00 0.00 1.54 1.55 0.000 1.545
11 0.96 0.96 0.96 0.62 0.960 0.790
12 1.01 0.33 0.75 0.94 0.670 0.845

Note) Source: DPSDA

Fig. 3

Flow Duration Curve at the Pataruman Station

Fig. 4

Reservoir Operation Pattern at Cipanunjang and Cileunca

Fig. 5

MODSIM Network for Cisangkuy Basin

Table 2

Result of Model Calibration (2002 year ~ 2012 year)

Item R-squared(R2) Model efficiency factor(ME) Root mean squared error(RMSE)
Pataruman 0.999 0.999 13.65㎥

Note) Pataruman Observation Point Daily Discharge

Fig. 6

Propriety of Pataruman Point

Fig. 7

Current and Modified Operating Curves of Reservoirs

Table 3

Comparison of Current and Modified Operation Performance

Item Annual Average Capacity(1,000m3) ↠ Supply at Dry Season
Current Operation(⨯1,000m3) Optimum Operation(⨯1,000m3) Result
Power Plant Plengan 534,255 548,366 ▲14,111(2.64%)
Lamajan 572,477 587,981 ▲15,504(2.71%)
Cikalong 618,352 639,375 ▲ 8,717(1.41%)
Item Current Operation Modified Operation Result
Safety(%) Storage(Day) Safety(%) Storage(Day)
Cikalong Intake Station 97.3 108 98.2 73 ▲0.9
Pataruman Q95% 63.1 1,481 64.3 1,436 ▲1.2
Irritation Ciherang 94.5 223 95.3 190 ▲0.8

Table 4

Monthly Supply Plan of Santosa (m3/s)

Month 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Average
Supply 3.47 3.52 4.05 3.63 3.33 2.88 2.48 2.11 2.39 3.32 3.20 3.02 3.12

Table 5

Impact at Additional Water Supply from Santosa to Downstream Water Facilities

Item (1,000m3)
Current Operation Modified Operation Result
Power Plant Plengan 1,630,133 1,703,853 ▲ 73,720(4.52%)
Lamajan 1,793,560 1,877,772 ▲ 84,211(4.70%)
Cikalong 1,828,595 1,967,067 ▲138,472(7.57%)
Item Current Operation Planned Operation Result
Safety(%) Shortage(Day) Safety(%) Shortage(Day)
Cikalong Intake Station 97.3 108 98.6 55 ▲1.3
Pataruman Q95% 63.1 1,481 64.0 1,491 ▼0.1
Irrigation Ciherang 94.5 223 96.9 125 ▲2.4