1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 위성데이터 – ASTGTM, MCD12Q1
2.2 수력댐 적지분석 알고리즘
2.3 대상유역
3. 결과 및 고찰
3.1 적지분석모델링 결과
3.2 댐 제원과 모델 결과 비교
4. 요약 및 결론
1. 서 론
수력발전은 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 특성을 이용해 물의 유동 및 위치에너지를 전기에너지로 변환하는 것이다. 신재생에너지 중에서도 온실가스 배출량이 가장 적은 청정에너지로 에너지시장 수급불안정, 에너지자원 경쟁심화와 기후변화에 따른 환경개선 방안으로 더욱 관심이 증가하고 있고, 안정적인 기반기술이 확보된 발전방법으로 각국에서 투자가 증대되고 있다(Lee et al., 2010). 수력발전을 위해서는 안정적인 유량이 보장되고 댐 건설 시 유역환경에 피해가 적은 부지를 선정해야 한다. 또한, 발전성능의 특성은 지형 및 수문조건에 의해 결정되므로 정확한 입지분석은 필수적이다. 입지분석은 타당성조사 초기단계에 실시하며 유역 내 가능한 모든 댐 위치를 조사 및 평가해 사업의 장애가 적고 경제성이 뛰어난 곳을 선정하는데 많은 시간과 비용이 소모된다(Yi et al., 2007; Petheram et al., 2017). 따라서, 수력발전을 위한 적지선정에 있어 시간과 비용을 최소화하고 최대의 발전 효율을 실현하기 위해서는 수력 댐 건설의 계획, 평가, 구현단계에서 기존의 현장답사나 지형도를 이용한 수작업이 아닌 위성 영상, Geographic Information System (GIS)과 같은 새로운 기술들이 적용되어야만 한다.
먼저 위성 영상의 적용사례를 살펴보면 대기, 해양, 자원, 기상, 지형 등 수많은 분야에서 적용되고 있다. 그중, 영상을 수문, 지형학에 적용한 사례를 살펴보면 해외에서는 1980년대부터 꾸준히 위성영상으로부터 유출모델의 수자원 식별, 수위의 변화관찰, 농촌의 토지 이용 변화 파악, 토양침식과 경사면 추정 등에 사용하였으며(Townshend and Justice, 1988; Al-Khudhairy et al., 2002; Mizukoshi and Aniya, 2002; Dudhani et al., 2006), 국내에서도 토지피복분류, 강우분포, 지표수분포, 수문모델링, 지형파악 등에 적용되었고 꾸준히 개발되고 있다(Kim and Lee, 2018). 이러한 공간분포자료를 이용하는 GIS를 통한 입지분석에 활용한 사례를 살펴보면, 해외에서는 Gismalla and Bruen (1996)은 개발 도상국의 수력발전 개발에 있어 GIS 사용의 중요성을 강조했으며, Hall (2006)은 GIS를 이용해 미국 전역에 대해 소수력발전 잠재 가능량에 대해 분석하였다. 알프스 협곡내 하천에서 수력발전의 잠재량을 산정하고 물리적, 기술적, 법률적 요소를 고려해 경제성까지 추가 평가한 연구도 수행되었다(Garegnani et al., 2018). 수력적지 이외에도 지하수의 수질 적합성 여부, 토지의 식물성장 가능성 평가에도 적용되었다(Suresh et al., 2010; Karunanidhi et al., 2013; Pulighe et al., 2016). 국내에서는 GIS를 활용하여 소수력 개발의 입지분석 모델을 개발한 바 있으나 대부분 매립지와 같은 혐오시설이나 주거지개발, 작물재배의 입지, 적지 산정선정에 집중되어, 수자원 개발에 적지 탐색 기술이 개발 및 적용된 사례가 많지 않다(Yi et al., 2007; Lee et al., 2000; Kim and Lee, 2006).
따라서 본 연구에서는 위성자료와 적지 산정기술을 이용해 수력댐 적지를 사전탐색할수 있는 모델을 개발 및 적용하고자 한다. 모델의 입력자료로 위성 수치표고자료인 ASTER Global Digital Elevation Model (ASTGTM)와 토지피복자료 Terra/Aqua combined Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS)의 MCD12Q1을 사용하며 Python기반의 오픈소스 GIS로 개발하고자 한다. 해당 모델은 해외 수자원산업 진출 시 유역의 다양한 기초자료를 제공함에 따라 예비타당성조사의 비용과 시간을 최소화할 수 있을 것으로 기대된다.
2. 재료 및 방법
본 연구는 위성자료인 ASTGTM3과 MCD12Q1를 기반으로 댐건설 예정지역의 지형학적 특성과 보상면적 등을 분석 및 산정할 수 있는 사전적지분석 알고리즘을 개발하였다. 두 위성자료 모두 전지구 범위의 자료를 제공하고 쉽게 구축할 수 있어, 추후 해외개발사업에 적용 시 적용가능한 국가에 제한이 없다는 장점이 있다. 개발된 알고리즘 검증을 위해 국내 13년 이후 준공된 4개의 다목적댐(부항, 보현산, 성덕, 영주)을 대상으로 위성자료를 구축하였으며 알고리즘에는 자료를 활용하기 위한 전처리, 하천망생성, 유역분할 등을 포함하고 있다.
2.1 위성데이터 – ASTGTM, MCD12Q1
ASTGTM은 NASA (National Aeronautics and Space Administration)와 일본 경제산업성에서 공동 개발한 위성을 사용하여 구축한 1 sec 공간해상도를 가진 전지구 수치표고모델이다. 연구에서 사용된 Version 3 자료는 2000년 3월 1일부터 2013년 11월 30일의 ASTER Level 1 자료를 조합하여 생성되었으며 북위 83° ~ 남위 83° 범위의 자료를 제공한다. 수치표고자료는 수문학관련 GIS 분야에서 사용되는 격자자료 중 가장 기본적으로 활용되는 자료로, 수문 분석에서 유역경계 및 유역면적 추출, 흐름방향도, 하천망 등을 생성할 수 있다. 생성된 자료들로부터 하천구간별 길이와 경사, 하천단면도, 댐 건설에 따른 수몰지역 파악, 홍수범람지도 등과 같은 요소 분석이 가능해, 본 연구에서는 적지 분석에 있어 지형학적 요소를 고려하기 위해 ASTGTM 자료를 활용하였다. 또한, 댐 건설공사에 있어 용지보상, 환경피해 등과 같은 경제적, 환경적 비용의 과도한 발생을 최소화하기 위해 MODIS의 MCD12Q1 토지피복자료를 사용하였다. 이 자료의 공간해상도는 500 m이며, 토지피복은 Table 1과 같이 17개의 유형으로 구분되어 있다(Sulla-Menashe and Friedl, 2018). 보상면적은 댐 건설 예정지의 반경 1 km와 수몰면적을 대상으로 실시하였다.
Table 1.
Land cover type
2.2 수력댐 적지분석 알고리즘
사용자가 생성된 하천망 위에 댐을 건설하고자 하는 위치를 선택하면 해당 지점을 최종 출구로 하는 유역을 생성하기 위해 다시 유역분할을 실시한다. 이후 댐의 지형학적 특성인 낙차, 내용적곡선, 경사, 도달시간 등을 계산하고 토지피복자료를 바탕으로 댐 건설에 따른 보상면적을 산정한다(Fig. 1).
수력발전용 댐을 건설함에 있어 낙차는 상당히 중요한 요소이다. 적지분석 알고리즘에서는 DEM을 통해 횡단면도낙차, 하천 최원점낙차, 유역경계 월류방지낙차의 세 가지 낙차를 고려한다. 횡단면도낙차는 먼저, 사용자가 입력한 포인트를 기준으로 DEM에 따른 오차를 최소화하기 위해 상류 하천의 흐름방향을 최소 7개를 조회하며 동일한 개수의 흐름 방향이 나오지 않을 때까지 2개씩 추가 조회한다. 이후, 주 흐름 방향이 선정되면 흐름 방향의 수직인 교선(intersection line)을 생성 하고 교선 아래의 표고 값을 추출하여 하천 횡단면도를 생성한다. Fig. 2는 교선 생성 예제로 하늘색 격자는 하천망을 의미하며 격자안의 숫자는 하천의 흐름방향을 나타내는 숫자이다. 해당 숫자를 이용해 상류의 주된 흐름을 파악하며, 예제 하천의 경우 5 방향의 개수가 4개로 주흐름방향이 5로 선정되었다. 이후 생성된 단면도에서 중심점으로부터 좌우의 변곡점 중에 최대값(극댓값)을 각각 선정하고, 이 중에서 작은 값으로 선정한다. 하천 최원점낙차는 생성된 하천망도에서 하천 최원점의 표고값을 조회하고 사용자가 입력한 지점의 표고와의 차이를 이용해 계산한다. 월류방지낙차의 경우 앞선 두 개의 낙차 중 작은 값을 기준으로 댐 건설을 가정하고 유역 경계에서 표고값들을 조회해 인근 유역으로 월류 되지 않도록 하는 낙차이다. 알고리즘 상에서는 Fig. 3과 같이 하천단면도와 각 낙차에 대해 횡단면도낙차(Geographical Potential Drop, GPD)는 파랑색, 하천 최원점낙차(Potential drop, PD)는 노랑색, 유역경계 월류방지낙차는 빨강색 실선(Overflow Drop, OD)으로 표출한다.
낙차 선정 이후 해당 지점에 수력발전댐 건설 시 경제성과 환경 영향을 평가하기 위해 내용적곡선과 보상면적을 산정한다. 댐 건설의 적지 요건은 지속적인 발전이 가능하도록 많은 양의 수량을 확보하면서 저류에 따른 수몰지역을 최소화되도록 해야 한다. 내용적곡선을 위한 저수면적의 경우 분할된 유역 DEM 자료에서 사용자가 입력한 지점의 표고와 저수위의 합보다 큰 격자를 제외한 유효격자의 개수와 해상도를 곱해 면적을 산정하고, 저수용량의 경우는 유효격자와 저수위를 이용해 격자별 유효저수심을 계산하고, 수위별 저수면적과 유효저수심 총합을 곱해 산정한다(Fig. 4).
각 저수위별 저수면적과 저수용량 산정이 끝나면, MCD12Q1 토지피복 자료로부터 댐 건설예정지의 식생면적과 보상면적을 산정한다. 면적 산정은 댐 건설예정지 주변 반경 1 km와 수몰지역을 병합한 벡터파일로 토지피복도를 잘라내 각 토지 타입별로 비율을 계산한다(Fig. 5).
마지막으로 댐 건설 예정지의 유역특성인자를 DEM과 하천망도를 이용하여 추출한다. DEM을 통해 생성된 하천망도에 각 하천 분기별 하천길이와 양 끝단 간의 표고차, 하천차수 등이 기록되어있으며(Table 2), 해당 자료로 사용자 선택 지점에서 최상류 하천까지의 길이를 계산해 최장 유로 길이를 산정하고 평균 하천 경사와 도달시간을 계산한다. 하천경사는 최장 유료의 시점과 종점 사이의 표고차를 하천길이로 나누어 계산되며, 도달시간은 하천 경사에 따른 Rziha (Eq. (1))와 Kraven (I) (Eq. (2))를 사용하여 계산한다. 유역특성인자들은 차후 댐 건설시 제체의 크기, 발전량, 설계홍수량을 산정할 때 사용될 수 있도록 텍스트형식으로 제공된다.
Table 2.
Example of stream attribute data at Youngju dam watershed
| $$T_c=0.833\frac L{S^{0.6}}\left(S\geq1/200\right)$$ | (1) |
| $$T_c=0.444\frac L{S^{0.515}}\left(S<1/200\right)$$ | (2) |
여기서 Tc는 유역의 도달시간 (min), L은 최장유로의 길이 (m), S는 평균경사 (m/m)이다.
2.3 대상유역
본 연구는 적지선정모델의 적용가능성을 평가하고 댐건설 전의 하천특성을 반영하기 위해 ASTGTM의 구축년도(~ 2013년) 이후 준공된 다목적댐 부항(BH), 보현산(BM), 성덕(SD), 영주(YJ) 유역을 대상으로 알고리즘을 적용하였다(Fig. 6). 이들 4개의 댐 모두 저수, 홍수조절과 발전 등을 위해 건설된 다목적 댐으로, 각각 64.0, 58.5, 58.5, 55.5 m의 높이와 472, 250, 274, 400 m의 폭, 54.3, 22.1, 27.9, 181.1×106 m3의 총저수용량과 0.6, 0.2, 0.2, 5×103 kW의 발전시설을 갖추고 있다. 댐의 기타 세부 제원은 Table 3과 같으며 적지분석모델 적용시 댐이 위치한 지점에 댐이 없는 것을 가정하여 적용하였다.
Table 3.
Dam specifications for modeling calibration
3. 결과 및 고찰
3.1 적지분석모델링 결과
연구 대상지역인 부항, 보현산, 성덕, 영주댐 유역에 대하여 수치표고자료(ASTGTM)과 토지피복자료(MCD12Q1)를 구축하고 각 유역별 흐름방향, 흐름누적도, 하천망, 유역도를 생성하였으며 해당 자료를 바탕으로 실제 댐이 위치한 지점의 적지요소를 분석하였고 해당 결과를 실제 댐의 제원과 비교 평가하였다. 먼저, 지점에서 형성된 하천단면도와 낙차 조건을 살펴보면 모든 지점에서 최원점 낙차가 만족하고 있지만, 부항과 영주댐의 경우 각각 지형학적 낙차의 경우 39, 79 m가 나왔지만, 유역경계에서 다른 유역으로 월류가 발생해 낙차가 37, 42 m로 조정되었다(Fig. 7). 알고리즘에서 낙차가 결정되면 해당 높이의 댐 건설을 가정해 각 수위별 저수면적, 저수용량을 계산해 내용적 곡선을 그린다. 저수면적은 각각 최대 1.80, 2.39, 2.83, 8.83 km2이며 저수용량의 경우 35.89, 68.37, 91.30, 168.27×106 m3으로 산정되었다. 내용적곡선 산정시 저수위의 저수면적과 용량 산정에 있어 다소 기울기가 급변하는 구간이 발생하는데 이는, 위성 DEM에서 하천의 수표면을 지표로 인식해 저수지, 하천과 주변부가 경사가 거의 없는 평야로 인식되어 일정 수위까지는 저수면적이 큰 변화가 없다가 급증하는 것이다(Fig. 8).
모델의 구동시간은 유역면적이 가장 큰 영주댐 기준으로 36초가 소요되었으며 해당 시간은 CPU 8코어 16스레드, 메모리 32Gb 시스템에서 구동한 결과이다.
유역특성인자를 살펴보면 최장유로의 길이(L)는 각각 15,138.74, 6,236.81, 8,713.66, 31,879 m이며, 경사(S)의 경우 0.034, 0.016, 0.022, 0.0055 m/m로 나타났다. 두 정보를 바탕으로 산정된 도달시간(Tc)은 95.32, 61.29, 72.52, 603.16분이다. H/Lss은 낙차와 수몰하천길이의 비로 값이 클수록 소규모 발전시설에서 해당 하천이 좋은 효율을 나타내며, 각각 9.3, 12.7, 12.8, 2.7×10-3 m/m를 보였으며 V/A는 저수용량대비 저수면적으로 값이 클수록 댐을 건설함에 있어 보상금액이나 환경보전에 대한 부담이 감소해 해당 지점이 댐 건설 경제성이 뛰어남을 의미하며 19.86, 28.59, 32.26, 19.06×106 m3/km2의 값을 보였다. 토지피복의 경우 2011년의 MCD12Q1 자료를 이용해 산정하였으며 대부분 지점이 면적비율 산출결과가 식생면적으로 나타났으나, 영주댐의 경우는 하천 주변 수몰지역 부근에 경작지가 있어 보상면적의 비율이 상당히 높게 나타났다(Table 4).
Table 4.
Dam and basin specification results by hydropower suitability site analysis modeling
3.2 댐 제원과 모델 결과 비교
적지선정모델의 결과와 건설된 댐의 제원과 비교 시 부항과 영주의 경우 기존 댐의 높이보다 최대 댐 높이가 낮게 산정되었다. Fig. 7의 부항, 영주의 하천횡단면도 낙차의 경우 기존 댐 건설이 가능하지만(104, 79 m), 해당 높이로 댐을 건설하게 되면 유역경계에 월류가 발생하기 때문에 낙차가 낮게 수정되었다(37, 42 m). 월류가 발생한 지점의 표고 자료를 살펴본 결과 부항, 영주 두 경우 모두 실제 지형의 문제가 아닌 위성 DEM 자료의 문제로 인해 발생하였다. 부항의 경우는 유역경계의 격자 중 한 격자의 값이 잘못되어 발생한 것으로 나타났다(Fig. 9). 영주의 경우는 Fig. 10(a)와 같이 알고리즘에서 생성된 하천이 실제 하천과 다른 방향으로 생성되었고, 그 결과 유역경계가 실존 하천을 가로지르는 형태로 생성되어 낮은 저수위에서도 해당 경계 부근에서 월류가 발생하여 월류방지낙차 값이 낮게 산정되었다(Fig. 10(b)).
기존 댐과 저수면적, 저수용량을 비교해보면 부항과 영주는 저수면적 1.81, 8.8 km2, 저수용량 35.9, 168.3×106 m3로 기존 댐보다 저수면적 0.76(30%), 1.6(15%) km2, 저수용량 18.4(34%), 12.8(7%)×106 m3 과소추정되었으며 보현산의 경우 만수위 기준(236 EL.m) 1.7 km2, 37.5×106 m3 성덕의 경우 만수위 기준(364.9 EL.m) 1.3 km2, 30.9×106 m3 각각 실존 댐 대비 저수면적 0.11 km2(14.1%), 0.21 km2(16%) 저수용량 10.4(69.5%), 3.0(34%)×106 m3의 오차가 발생하였다. 과소추정의 경우는 앞서 언급한 바와 같이 알고리즘상에서 해당 지점의 가능 최대 댐높이가 실존 댐의 높이보다 낮게 추정되거나 DEM상에서 하천이나 호소수의 수표면을 지표면으로 인식해 단면의 형상을 반영하지 못하여 저수용량이 과소추정 될 수 있다. 과대추정된 보현산과 성덕의 경우는 DEM의 해상도에 의해 30 m 단위로 값을 입력하고 출력해 길이의 경우는 30 m 면적의 경우는 900 m2로 단위인식하기 때문에 작은 변화를 과도하게 반영되고, 저수용량의 경우는 앞선 해상도의 영향과 정수 단위의 표고 데이터 형식에 의해 Fig. 11과 같이 실제 저수용량 보다 노란 영역만큼 용량을 과대 추정하는 오차가 발생하였다.
4. 요약 및 결론
댐 적지분석 방법의 절차 중 예비 타당성 조사에서 수치지형도, 토지이용도, 토양도 등을 이용한 지형 특성, 인문, 사회 등의 분석을 기반으로 기상 및 수문자료를 이용해 다양한 지점에서의 적지 여부를 판단한다. 하지만 국내 기업의 해외 수력사업 진출에 있어 가장 큰 어려운 점은 위와 같은 기초자료 획득의 어려움이 있다. 따라서, 본 연구에서는 위성자료인 ASTGTM과 MODIS MCD12Q1 자료를 이용해 지점에서 가능한 댐의 제원과 해당 유역의 특성을 산정하는 알고리즘을 개발하였으며, 적용 결과는 다음과 같다.
먼저 4개 지점(부항, 보현산, 성덕, 영주)에 적용한 결과 하천단면낙차만을 고려한 최대 댐높이는 260, 254, 394, 201 EL.m 로 나타나 기존 높이의 댐 건설이 가능함을 확인하였으나 부항과 영주의 경우 유역경계에서 월류가 발생하는 것으로 확인되어 유역경계 물막이 댐과 같은 별도의 공정이 필요함을 확인하였다. 이후 DEM 격자를 이용한 내용적곡선 및 최연장유로, 평균경사, 도달시간, 유역면적과 같은 유역특성을 산정하였다. 산정결과, 유역특성인자와 내용적곡선을 출력함을 확인하였으나 내용적곡선의 경우 저수위에서 저수면적이 과소추정되는 경우가 있었으며, 저수용량의 경우 기존댐과 비교하면 과대하게 추정되었다. 이에 대한 오차는 DEM의 해상도와 자료형식, 표고기준 등에 의해 발생한 것으로 추정된다.
이와 같이 본 연구에서는 위성영상을 활용하여 가상 지점의 댐 제원과 유역특성을 분석할 수 있었고 이를 통해 지형학적 적지 여부를 확인할 수 있었다. 특히 해외 수력댐 적지 사전분석을 통하여 잠재 최대낙차, 수몰 예상지역 등과 같은 지형학적 기본자료를 제공할 수 있을 것으로 생각된다.
