물이 풍족하고 효율적으로 수요자에게 충분한 양이 배분된다면 물로 인한 물 분쟁은 야기 되지 않을 것이다. 하지만 지구 온난화로 인한 기후이변과 사회적, 정치적 및 경제적인 변화로 인한 물 부족으로 물 분쟁이 발생하고 있다. 또한 이상기후변화로 도심지역에서 홍수 및 가뭄이 과거와는 다르게 빈번하게 발생하고 있는 상황에서 물 분쟁은 전 세계적으로 점점 증가될 것이다. 특히 아시아는 중국과 인도의 고속성장으로 인하여 물 사용 및 이에 따른 전력수요를 충당하기 위해 경쟁적으로 댐을 짓고 있고, 이와 관련된 두 나라와 주변국과의 물 분쟁의 일상화 되었다. 이렇듯 물 분쟁은 대부분의 경우에 큰 강이 통과하거나 인접한 지역 및 국가에서 발생하고 있으며 국내에서 발생하는 물 분쟁도 댐 건설 및 그로 인한 취수율 감소에 따른 분쟁이 발생하고 있다. 이에 따라 제한된 물 사용에 대한 효율적인 배분이 필요한 상황이며 이를 위하여 사용 가능한 물에 대한 권리, 즉 수리권(water rights)에 대한 연구가 필요한 상황이다.

현재 수리권에 대한 정의는 물에 대한 권리가 초기 물 사용자의 지정학적 위치(riparian doctrine)에 정해지는 자연(natural)순위 수리권과 초기 이용 날짜, 장소 및 사용 목적(prior appropriation doctrine)등에 따라 정해지는 우선(priority) 순위의 수리권 개념의 두 가지의 경우로 정의될 수 있다. 예를 들어, 미국에서는 대부분의 동부 및 서부지역에서는 자연 순위 및 우선 순위 수리권이 각각 사용되고 있으며 지역 특성에 따라 이 두 개의 수리권을 혼합하여 사용하고 있다. 일반적으로 수리권은 주법에 따라 결정되지만 인디언 보호구역, 국립공원 및 군사지역과 같은 특정 지역에 수리권은 주 정부법에 따라 결정되기도 한다.

이렇듯 국외의 경우 수리권에 대한 정의 및 확립에 대한 정확한 기준이 있는 반면 국내의 경우 수리권 정의의 불명확성, 수리권에 대한 수자원정보 결어 및 수리권으로 인해 발생 가능한 환경 영향에 대한 정확한 평가에 대한 법 제도적 정비가 현재 미비한 실정이다. 현재 국내 수리권에 대한 연구는 국가수자원 관리 종합 정보 시스템(WAMIS)에서 특정년도에 생활, 공업 및 농업용수에 대한 정보가 구축되어 있고 특히 대부분의 경우 법률적 접근을 통한 수리권에 대한 연구가 진행되고 있으며 공학적면에서의 접근을 통한 연구는 활발히 진행되고 있지 않는 상황이다.

현재 텍사스에서는 우선 순위 수리권에 기초를 둔 Water Availability Model(WAM) 시스템을 이용하여 수리권 허가(permit) 평가, 수자원 사용을 위한 유역 특성 분석 및 수자원관리에 관련된 유역 전반에 걸친 영향성 평가에 활용하고 있다. WAM (Wurbs, 2005a) 시스템은 1) 수문학 및 수리권 입력자료(TCEQ, 2015) 2) Arc-GIS(Geographical Information System) 모델 입력값 3) Water Rights Analysis Package(WRAP) 모델로 구성되어 있다. 현재까지 WRAP 모델을 이용한 연구 분야로는 단기간 수자원 공급에 대한 신뢰도와 저수량 빈도 분석(Salazar, 2002; Salazar and Wurbs, 2004; Olmos, 2004) 및 염분이 수자원 관리 및 저수지 운영에 미치는 영향에 대한 연구가 진행되었다(Krishnamurthy, 2005; Ha, 2006; Wurbs and Lee, 2011). 또한, 자연 하천 유량의 수문학적 기간 연장 및 특정 수자원 관리 시나리오에 따른 수리권 자료 재구성(Kim and Wurbs, 2011a, 2011b), 다중 저수지 운영계획(Kim, 2009), 자연 수리권 및 우선 순위 수리권 비교 분석(Kim 2011), 인구증가 및 토지개발로 인한 하천 유량 변동성(Wurbs and Kim, 2011), 유지유량(instream flow)이 도시용수 및 관개용수에 미치는 영향(Kim, 2012), 저수용량 재분배(Kim, 2014) 및 모델 시스템 적용을 통한 미계측 유역 일별유량 예측(Kim, 2015)에 대한 연구가 진행되었다.

이에 따라 본 연구에서는 첫째, 우선 순위 수리권 개념에 대한 간단한 예제를 통하여 수자원 배분 시스템에 대하여 설명하였으며 둘째, 국내에서 획득 가능한 수문자료를 이용하여WRAP 모델 입력값을 소양강댐 지역을 중점으로 작성하였다. 셋째, 작성된 입력값을 이용하여 우선 수리권에 따른 저수지운영 및 두가지 수리권에 따른 신뢰도 영향성 평가를 수행하였다.

초기 WRAP 모델은 U.S. Geological Survey (USGS)와 Texas Water Resources Institute (TWRI)의 지원 아래 1986-1988 최적 저수지 시스템 운영 프로젝트의 일한으로 개발되었다. 이 모델은 1990-1994년까지 Texas Water Development Board (TWDB)와 Texas Advanced Technology Program의 지원을 통해 많은 발전이 이루어졌으며 텍사스 입법부에서 제정된 1997 Senate bill을 통해 현재까지 Texas Commission on Environmental Quality (TCEQ), U.S. Army Corps of Engineers at Fort Worth District과 TWDB의 지원 아래 계속적으로 개발되고 있다(Kim and Wurbs, 2011c, Wurbs 2005a, 2005b; Wurbs, 2015a와 2015b; Wurbs and Hoffpauir 2012). WRAP 모델의 입력 자료는 자연하천 유량, 염분, 수리권 정보 및 저수지 증발량-강수량로 구성되어 있다. 각각의 기준점(control points)에서 사용되는 하천 유량은 자연 하천 유량이고 그 기준점 및 상류 지역 기준점에 위치한 각각의 수리권의 영향을 고려하면서 자연 하천 유량 사용량은 조절된다. 사용되는 하천 유량은 순 증발량-강수량을 고려하면서 저수지의 저수용량까지 채우는데 사용되는 양과 전환량을 만족하기 위해 사용되는 하천 유량의 총합을 의미한다. 다른 의미로, 하천유량 손실은 하천 유량으로부터 공급되는 유량을 의미한다. 최우선 수리권은 하천에서 사용할 수 있는 유량에 영향을 미치며 또한 저수지 방류량도 하천 유량 사용에 영향을 미친다.

각각의 수리권이 우선 순위로 정해져 있기 때문에, 수리권에 활용될 수 있는 자연 하천의 양은 수리권이 위치한 기준점 또는 하류 지역 기준점의 최소 유량에 따라 결정된다. 자연하천 손실, 전환수 및 다른 변수값이 각각의 수리권에 대하여 결정된 후, 그 기준점과 각각의 하류 지역 기준점에 대한 물가용성 배열 값이 적정하게 조절된다. 자연 하천 유량은 저수지 저수량을 채우거나 목표 전환량에 의해 감소되기도 하고 환원수, 수력 발전 방류 및 저수지 방류에 의하여 증가될 수있다. 저수지 저수량과 관련된 수리권에서의 하천 유량은 순증발량-강수량으로 발생하는 손실량 및 다른 수리권에 의해 감소된 저수지 저수량을 유효저수용량까지 채우기 위해 사용된 양의 합으로 표현할 수 있다. 순 증발량-강수량 값은 평균수위 면적을 이용하여 초기 및 말기의 저수지 저수량을 계산한다. 이전 마지막 날의 저수지 용량은 다음 계산 절차에서 초기 저수지 용량이 된다. 말기 저수지 저수량 ST는 물 수지 Eq. (1)을 이용하여 계산할 수 있다.

여기서 S_T-1은 이전 시간 T-1에서의 저수지 저수량, S_T는 현재시간 T에서의 저수지 저수량, D_SF는 시간 T 동안 하천 유량손실, W_WS는 시간 T 동안 저수지로 부터 공급된 실제 전환량 또는 물 공급 방류량, R은 수력발전량, 유지 유량 및 다른 하류지역 요구량을 위한 방류량이며 E는 시간 T 동안 저수지표면 순 증발량-강수량이다.

본 연구에서는 우선 순위 수리권에 기초를 둔 하천 및 수자원 공급에 대한 기본적인 계산 절차의 이해를 돕기 위하여 다음과 같은 간략한 예제를 제시하였다. Fig. 1은 세 개의 기준점으로 구성되어 있는 하천/저수지 시스템을 보여주고 있으며 Table 1에는 각각의 기준점에서의 입력값을 나타내고 있다. 특히, 수리권에 대한 우선 순위는 Table 1의 3열에 표시되어 있다. 기준점 CP3에서 WR-A는 목표 전환량 1,500 m³/월 및 저수지 저수량을 포함하고 있다. 또한 각각 기준점 CP1과CP2에서 WR-B는 1,000 m³/월 및 WR-C는 4,000 m³/월의 목표 전환량을 가지고 있다. WRAP 모델에서 계산 절차는 우선순위에 따라 각각의 수리권에 가용할 수 있는 하천 유량을 배분하는 것이다. 즉, 이용 가능한 하천 유량 및 초기 월 저수량의 허용범위 내에서 배분된다. 가용성 유량은 하천 유량과 초기 저수지 저수량이다. 수리권 계산은 WR-A(최우선 순위)로부터 시작해서 WR-B와 WR-C 순서로 수행된다. 수리권 계산의 단계 1은 다양한 계산 절차에서 요구되는 목표 전환량을 결정하는 것이고 WR-A는 1,500 m³/월의 목표 전환량을 가지고 있다. 단계 2는 기준점 CP3의 WR-A에서 가용할 수 있는하천 유량을 결정하는 것이다. 가용 하천 유량은 기준점 CP3에서 8,000 m³이며, 초기 월 저수량 19,500 m³이다(Table 2). 단계 3은 WR-A에 대한 목표 전환량 1,500 m³를 만족시키기 위해 물 수지 계산을 실행하는 것이다. 초기 월 저수지 19,500 m³ 저수량은 저수지 용량 20,000 m³에 500 m³ 미달되어 있다. 저수지 순 증발량-강수량은 월 처음 및 마지막 날의 수위의 평균값에 프로그램 입력 값인 순 증발량-강우량 값을 곱해서 계산된다. 순 증발량-강우량 및 마지막 월 저수량은 서로 종속되어 있는 관계이므로 각각의 값을 계산하기 위해서는 반복(iterative) 알고리즘이 필요하다. 하지만, 이 부분은 본 연구의 범위에 벗어나므로, 만약 저수지가 매달 말일에 저수지 용량까지 채워진다면, 필요한 순 증발량-강수량은 2,000 m³라고 가정한다. 그래서 WR-A에 필요한 유량은 2,000 m³ 순 증발량-강수량, 500 m³ 저수지 되메움(refilling)및 물 공급 배수량 1,500 m³, 총 4,000 m³이 필요하다. 이 양은 8,000 m³ 하천 유량을 통하여 충족될 수 있다. 두 번째로, 기준점 CP1에의 수리권 WR-B가 계산된다. 단계 1은 1,000 m³의 목표 전환량이 있으며 단계 2에서는 WR-B에서 가용 하천 유량을 결정하는 것이다. 기준점 CP1에서 활용할 수 있는 하천유량은 2,000 m³이고 각각의 하류 기준점 CP2의 7,000 m³과 CP3의 4,000 m³보다 작다. 단계 3은 목표 전환량 1,000 m³를 만족시키기 위하여 물을 할당 하는 단계이다. 단계 4는 기준점 CP1에서 하천 유량 손실량 1,000 m³을 고려하여 하류지점에 위치한 기준점 CP2와 CP3에 위치한 하천유량을 변경하는 것이다. 마지막으로, 기준점 CP2에서의 수리권 WR-C가 계산된다. 단계 1에서 4,000 m³의 목표 전환량을 가지고 있으며 기준점 CP2에서 가용 하천 유량은 3,000 m³이다. 단계 2는 목표 전환량 4,000 m³을 만족시키기 위하여 물을 할당 하는 단계이다. 실제 전환량은 활용 할 수 있는 3,000 m³에 한정되어 있으며 1,000 m³의 부족분이 발생한다. 단계 3은 기준점 CP2에서 하천 유량 손실량 3,000 m³을 고려하여 하류지점에 위치한 기준점 및 기준점 CP1에 위치한 하천유량을 조절하는 것이다. 이 계산 절차를 통해 각각의 기준점에 대한 최종 조절 유량 및 미사용 유량은 Table 2의 7 번째와 8번째 열에 표시되어 있으며 모든 계산 결과는 Table 3에 표시되어 있다.

대상지역으로 선정된 소양강댐 및 주변 기준점(Fig. 2)의 WRAP 모델 입력자료로서 강수량 및 증발량은 인제 및 춘천관측소의 자료가 각각 활용 되었으며 양구 지역은 수위-유량관계식이 없는 관계로 상류 지역에 위치한 원통 및 내린천의 유량 자료를 이용하여 계산하였다. 또한 소양강댐 하류 지역(천진) 유량은 한국수문조사연보의 댐별 방류량을 이용하여 산정하였다. Table 4에서 보듯이 내리천 상류 지역의 농업 허가수리권 30,446m³/일, 소양강 상류 농업 허가수리권 8,395m³/일, 양구교 수위표 공업 허가수리권 25,056 m³/일, 소양강댐하류 농업 허가수리권은 137,380 m³/일이다. 본 입력값 및 수리권 정보를 이용한 WRAP 모델 모의 결과 Table 4에서 서술된 수리권에 대하여 용적(Eq. 2) 및 기간(Eq. 3) 신뢰도는 100%를 보여주었다.

여기서 R_v는 용적 신뢰도, v는 실제 전환량, V는 목표 전환량, R_P는 기간 신뢰도, n은 목표 전환량이 만족되는 모의 기간, N은 총 모의 기간이다.

이에 대하여 소양강댐 건설시 계획된 연간 용수공급량을 이용하여 우선순위 수리권에 따른 신뢰도 영향성을 평가하였다. 총 1,213×106m³ 연간 용수공급 계획량 중 생공용수 공급계획량은 1,200×106m³이며 관개 용수공급계획량은 13×106m³이다. 기존의 허가 수리권에 생공용수 및 관개 용수공급계획량을 최우선순위(19890101), 중간우선순위(20070101), 최하위 순위(20090101)로 가정하였으며 각각의 경우에 대한 신뢰도 변화를 평가하였다. Table 5에서 보듯이 전체 용적 신뢰도는 용수공급계획량의 우선순위에 따라 변화하였다. 즉, 최우선 순위에서 가장 작은 신뢰도값을 보였으며 우선순위가 커질수록 점차적으로 증가하였다. 소양강댐 하류 지점에서는 용수공급계획량이 최우선 순위일 경우에만 감소되었지만 다른 모의 결과의 경우에 대해서는 변화를 보이지 않았다. 특히 양구교 수위표 지점에서는 이전의 패턴과는 다른 양상을 보여주었다. 기간 신뢰도는 우선순위가 커질수록 감소하지만 용적신뢰도는 이에 반해 계속적으로 증가하였다. 즉, 우선순위가 커질수록 총 모의기간 중 각월에 대한 전환 목표량을 만족하지 못하지만 전체 모의기간의 용적량은 점차적으로 증가하는 것으로 설명된다. 또한 자연 순위 수리권과 우선 순위 수리권이 신뢰도에 미치는 영향을 평가하기 위하여 각각의 우선순위에 대한 자연순위에 따른 신뢰도를 모의하였다. 이 결과 연간 용수공급계획량에 관계없이 천진 지역에서만 목표 전환량 50.14 m³/yr에 대한 부족분이 8.32 m³/yr으로 모의되었으며 기간 신뢰도는 83.33% 및 용적 신뢰도는 83.41%의 결과를 보여주었고 전체 용적 신뢰도는 99.39%로 모의되었다.

물 사용권리가 법적으로 제정된 날짜를 기준으로 결정 되는 개념은 현재 텍사스를 포함한 여러 지역에서 사용되고 있으며 자연 우선 순위 즉 상류로부터 하류까지의 지정학적 위치를 고려하여 계산되는 방법과는 다른 장점이 있다. 예를 들어, 하류 지역의 가뭄 같은 특수한 상황에 따른 수자원 공급 및 그에 따른 저수지 운영을 할수 있다. 현재 우선 순위 수리권 개념을 기초로 개발된 WRAP 모델은 TCEQ에서 새로 제안되는 수리권에 대한 기존의 수리권의 영향성 평가를 위해서 사용되고 있으며 현재 홍수 조절용 댐 모델링에 대한 기능도 추가 되어 이에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 우선 순위 수리권에 따른 수자원 배분 시스템에 대하여 설명하였다. 이 개념을 바탕으로 현재 국내에서 획득한 자료를 이용하여 WRAP 모델의 입력값을 작성하였으며 한국수자원공사에서 운영중인 소양강댐에 적용하였다. 새로운 수리권에 대한 기존 수리권의 신뢰도 영향성 평가를 수행하였으며 또한 우선순위 및 자연순위 수리권에 따른 저수지 운영에서 신뢰도의 영향성에 대하여 고찰하였다. 모의 결과 최우선 순위의 수리권이 기존의 하천/저수지 시스템에 고려되었을 때 신뢰도의 감소가 가장 많이 나타났으며 최하위 수리권이 고려되었을 때에는 신뢰도에 대한 영향성이 적었다. 또한 자연순위 수리권 시스템에서의 신뢰도가 우선순위 수리권에서의 신뢰도 보다 모든 경우에 높은 값을 보여주었다. 하지만 실제하천/저수지 시스템 운영에서는 상류지역에서 위치한 저수지부터 하류지역에 위치한 저수지 순서로 운영되지 않기 때문에 실용적인 면이 적다고 볼 수 있다. 결론적으로 본 연구를 통하여 제시된 수리권 우선 순위 개념의 상세한 계산 절차 및 저수지 수자원 시스템의 신뢰도 해석을 통하여 수리권 우선순위를 기초로 한 수자원 분배 시스템에 대한 보다 정확한 이해를 도울 수 있을 것이다.