1. 서 론
댐을 운영하려면 강수량, 수위, 유량, 증발량, 증산량 등 다양하고 많은 수문정보가 필요하다. 강수량을 이용하여 댐 저수지로 유입되는 유량과 수위를 예측하기도 하고, 유량자료를 이용하여 댐을 관리하기도 하며, 증발산량은 강우가 많은 시기보다는 갈수기, 즉 물이 적은 시기에 더욱 중요하다고 할 수 있다.
댐 저수지 유입량은 실측자료를 이용하기도 하고 수문모형에 의해 추정하기도 하지만 다음 Eq. (1)에 의해 산정하기도 한다. Eq. (1)에 의해 산정된 유입량은 모형의 검증치로 사용되기도 하며 이를 최종유입량 자료로 사용하기도 한다.
일반적으로 댐 방류량은 저수량에 비하여 보통 아주 작으므로 Eq. (1)에 의해 계산된 유입량 오차는 댐 저수위 계측 정도에 따라 좌우된다고 할 수 있다. 그러나 이 방법은 저수위가 유입량이나 방류량에 의해서만 변화된다는 가정이 성립해야하며 실제로는 그러한 가정은 성립되지 않는다. 그리고 수위 계측 오류, 정확도 등에 의하여 음의 값이 종종 계산되기도 하고, 잡음계열이 심하게 발생하기도 한다고 하였다(Kim, 1996). Song et al. (2022)은 저수위 자료를 이용하여 저수지의 유입량과 유출량을 추정하여 저수지 운영에 활용하고자 하였다.
유입량을 실측자료만을 이용하여 산정하기에는 미계측 유역이 있어 어려운 측면이 있으며 수문 모형으로 추정된 유입량은 강수량 계측의 정확도, 수문모형의 불확실성 등의 이유로 댐 운영에 직접적으로 사용하려면 검증이 필요하다. 이 때 주로 사용되는 검증방법이 Eq. (1)에 의한 유입량 산정방법이지만 이것 역시 댐 저수위 계측 위치의 적정성 및 그 정확도로 인하여 어려운 경우가 많다.
기본적으로 댐 저수지는 넓은 수면면적을 가진다. 예를 들면 화천댐의 경우 저수지 수면면적이 최대 약 38.2 km2에 달하며 이를 한 개의 수위관측소에서 관측하는 것은 오차 발생 가능성이 크다. 화천댐의 경우 수위 1 cm가 변화할 때 저수지 체적의 변화는 일반적으로 약 250,000 m3이다. 즉 수위 측정오차가 1 cm에 불과하여도 저수량 오차는 약 250,000 m3에 달한다는 것을 의미한다. 평소 화천댐 저수지로의 유입량을 실측해보면 약 20 m3/s~30 m3/s 정도로 저수량에 비하면 상당히 적으며 이를 고려하면 댐 저수위 계측 정확도는 상당히 중요하다. 또한 대부분 댐 부근에서 저수위 관측이 이루지고 있으며 이 부근은 취수 및 방류 영향으로 수면이 왜곡될 가능성이 높다.
한편 넓은 면적을 가지는 저수지 수면이 얼마나 일정한 표고(EL. m)를 보이는지도 저수량 산정에 상당한 영향을 끼친다. 화천댐 저수지는 댐 부근에서 횡방향 길이가 최대 1.0 km 이상이며 상류로 갈수록 좁아지고 종방향은 약 25.0 km에 달한다. 이렇게 종방향으로 긴 저수지의 수면 표고가 전부 일정할 수는 없으며 단차가 발생한다면 이에 의한 오차 역시 상당히 클 것이다.
이렇듯 저수위 계측은 그 위치가 중요하고 넓은 저수지 면적을 대표할 수 있어야 한다. 저수지 관련 연구로 Kang et al. (2014)은 저수지 수위 구간별로 저수지 운영 모형을 개발하였고, Kim (1998)은 수문학적 예측 정확도에 따른 저수지 시스템 개선 방안을 제시하는 등의 저수지 관련 연구가 있다. 한편으로 여러 수문관측 위치 및 밀도에 관한 연구는 있지만 대표 저수위 산정에 관한 연구는 없는 것으로 조사되었다.
이번 연구에서는 화천댐 유역에 대해 ① Eq. (1)에 의한 유입량 산정의 문제점을 살펴보고, ② 저수지 수면 표고를 실측하고, ③ 정확한 저수량 및 유입량 산정을 위한 저수지 평균수위 산정방안을 모색해보고자 한다.
여기서,
: 현재시간 계산된 댐 유입량(m3/Hr)
: 현재시간 저수위에 의해 환산된 저수량(m3/sec)
: 전시간 저수위에 의해 환산된 저수량(m3/sec)
: 현재시간의 댐 방류량(발전+여수로) (m3/sec)
: 전 시간의 댐 방류량(발전+여수로) (m3/sec)
2. 대상유역 및 저수위 현황
2.1 대상유역 현황
강원도 화천군 간동면 구만리에 위치한 화천댐은 수력발전 전용댐이지만 다용도로 이용되기도 한다. 댐 높이는 81.5 m, 길이는 435 m, 총저수용량은 10억1,800만 t이며 유역면적은 3,901 km2, 만수위 때의 수면면적은 38.2 km2이다.
화천댐 유역 중류부에 평화의댐이 위치하고 있으며 오작교, 남전교, 정림교, 약수교 수위관측소 등이 유역 내에서 운영되고 있다. 댐 저수지의 수위계측은 댐 상류방향으로 레이더 수위계로 측정되며 부자식 수위계가 병설 설치되어 운영중이다(Fig. 1).
2.2 저수위 관측 및 이용 현황
전술하였듯이 댐 저수지 유입량은 실측자료를 이용하기도 하며 수문모형을 이용하여 산정하기도 한다. 그러나 실측자료는 미계측 유역이 있으며 수문모형은 강수량 계측오류, 매개변수 추정 등 불확실성이 있다. 따라서 대부분 Eq. (1)에 의해 최종적으로 유입량을 산정하기도 하며 이를 검증자료로 사용하기도 한다.
Eq. (1)을 살펴보면 방류량 의 정확도를 제외하면 저수위에 의해 환산된 저수량 S의 정확도가 유입량 의 정확도와 직결된다. 저수량 S는 저수위-저수용량곡선식으로 환산되며 결국 저수위 계측의 정확해야 저수량이 정확하게 산정된다.
Eq. (1)에 의해 화천댐 유입량을 산정하고(calculation), 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)의 화천댐 유입량 자료, 평화의댐방류량 + 남전교 + 정림교의 자료 등 세 자료를 갈수기인 2020년 11월 18일 17:00~2020년 11월 19일 15:00까지 검토하였다(Fig. 2). 평화의댐방류량 + 남전교 + 정림교 자료는 실측자료(Mesurement)로 판단하였다.
Fig. 2 저수용량식(calculation) 자료와 WAMIS 자료가 차이를 보였으며 WAMIS 자료가 일부 품질관리 되어 이러한 차이를 보이는 것으로 판단된다. 저수용량식과 WAMIS 자료는 기본적으로 Eq. (1)에 의해 산정되며 11월 18일 17:00~11월 18일 21:00까지 저수위 변화가 없고 유출량이 없는 기간의 유입량이 0 m3/s 된다. 반면 이 기간에 실측자료(measurement)는 약 218,000 m3의 유입량이 발생한 것으로 나타나 차이를 보인다.
11월 19일 3:00 저수용량식에 의해 환산된 유입량이 음(-)의 유입량이 계산되기도 하는 등 저수위를 이용한 유입량 산정은 변동성이 커 한계가 있는 것으로 판단된다.
Fig. 3은 Fig. 2의 자료 중 저수용량식(calculation)와 실측자료(measurement)를 누적(누가)한 것으로 경향을 비슷한 것으로 나타나지만 최종적인 총량이 약 10%차이를 보인다. 또한 2020년 11월 19일 03:00에 저수용량식(calculation) 누가 유입량이 0 m3로 표시되고 실측자료(measurement)에 비해 변동성 크게 나타나는 등 실무에 사용하기는 한계가 있는 것으로 판단된다.
한편 저수위 자료에서는 확인이 어렵지만 유입되는 유량이 저수지 전체로 퍼져 나가는 데 소요되는 시간이 파악되지 않는 문제도 있다. 저수지 최상류에서 유입되는 물은 화천댐 부근에서 계측되는 저수위에 영향을 끼치는데 일정한 시간이 소요될 수밖에 없다. 즉, 물이 유입되더라도 저수위 변화는 없는 경우가 발생하기도 한다.
저수위는 저수량 산정에 주로 사용하지만 댐 운영에 직접적으로 사용되기도 한다. 예를 들면 동절기 사용수량 확보를 위해 저수위를 특정 수위에 도달하도록 높이기도 하고 홍수기 안전을 위해 저수위를 일정 수준 이하로 조정하는 등의 댐 운영을 한다. 이렇듯 댐 운영에 있어서 저수위 자료는 매우 중요하며 다방면으로 사용된다. 그러나 전술하였듯이 관측 위치의 적절성 및 저수위 대표성 등 여러 문제점이 발생하기도 한다.
3. 화천댐 저수지 수면 실측
일반적으로 대형 댐에 의해 발생한 저수지 수면은 면적이 넓고 그 형태도 불규칙적이다. 화천댐 저수지는 종방향으로 긴 형상을 보이고 수면폭은 최대 1 km 넘는다. 이렇게 넓은 저수지의 수면은 처음부터 끝까지 일정할 수 없고 변화가 클 것으로 예상되며 이는 결국 저수량 산정에 오차가 발생한다는 것을 의미한다.
저수지 수면은 한 위치에서 파랑에 의해 변화하는 수면높이를 연속으로 계측하여 평균을 취하는 것이 가장 정확한 계측방법일 수 있다. 그러나 넓은 면적의 저수지에서 이런 방법을 선택하여 수면을 계측하는 것은 시간적으로 불가능에 가깝다. 또한 이번 조사에서는 저수지 내에서 발생하는 수면형(形)을 조사하는 것으로 되도록 짧은 시간 내에 조사가 이루어져야 정확한 수면형을 파악하기에 유리한 것으로 판단된다. 댐 저수위가 시간에 따라 계속 변동할 가능성이 높기 때문이다. 따라서 ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler)와 RTK-GPS (Real Time Kinematic-Global Positioning System)을 결합하고 이를 고무보트에 부착하여 이동하며 수면을 측량하였다(Fig. 4). 수면측량에는 ADCP가 직접적으로 사용되지는 않으나 참고자료로 사용하기 위하여 유속과 하상을 동시에 관측 하였다. 이렇게 관측된 수면표고 자료의 정확도 검토를 위해 저수지 수면 가장자리에서 별도의 RTK-GPS를 이용하여 측량하였다.
정확한 저수지 수면형을 관찰하기 위해서는 저수지 종방향과 횡방향 수면을 모두 측량해야 하지만 횡방향은 큰 차이가 발생하지 않아 종방향 측정만 실시하였다. 횡방향 거리는 상대적으로 짧아 큰 차이를 보이지 않는 것으로 판단된다.
측정된 종방향 수면표고 자료를 검증하기 위하여 육상부에서 별도로 RTK-GPS 측정 이루어 졌으며 총 세 군데 위치에서 측량하였다. 화천댐은 산지에 위치하여 저수지로 접근이 어려워 많은 위치에서 검증 측량이 이루어지지 못했다.
수면 측량 경로 및 검증 측량 위치를 다음 Fig. 5에 도시하였다.
4. 수면실측 결과 및 분석
화천댐에서부터 상류로 이동하며 수면 측량과 검증측량 결과를 Fig. 6에 나타냈다. 수면 실측 결과 댐 부근에서부터 상류로 갈수록 하강과 상승을 구간별로 반복하였으며 전체적으로는 하강하는 경향을 보였다. 수면의 표고는 조사된 구간 내에서 최소 EL. 166.27 m에서 최대 EL. 166.46 m로 약 0.19 m 가량 변화하였으며 평균 EL. 166.38 m로 나타났다. 이때 저수위(화천댐 수위관측소)는 EL. 166.54 m로 나타났다. 화천댐 수위관측소 기준수위표와 T/M자료 간의 차이가 약 0.09 m 발생하는 것을 고려하면 EL. 166.45 m이며 평균 수면표고 EL. 166.38 m와 약 0.07 m 차이를 보였다.
한편 수면표고 측정과 검증측정(육상측량)은 시간적으로도 공간적으로도 완벽하게 일치하지는 않는다. 보트 이동속도와 육상 이동속도가 다르고 보트는 수면 중앙부를, 검증측정은 수면 가장자리를 측정하였기 때문이다. 그럼에도 불구하고 그 차이가 0.01 m에 불과하였으며 이는 이번 수면형 조사가 어느 정도 정확하다는 것을 의미한다.
저수지 조사는 2022년 3월 30일 13:00부터 약 2시간 30분가량 진행되었다. 이 시간동안 저수위(화천댐 수위관측소) 변화는 13:00에 EL. 166.54 m, 14:00에 EL. 166.55 m, 15:00에 EL. 166.54 m, 16:00에 EL. 166.53 m로 변동하였다. 이번 수면표고 조사결과가 저수지 구간별로 수면표고가 변동하는 것으로 나타난 것은 저수위(화천댐 수위관측소)가 변화한 것도 일부 있겠지만 조사시간 동안 그 변화가 ±0.01 m에 불과한 것을 감안하면 저수지내 수면형은 일정하지 않고 불규칙한 형상을 보이는 것으로 판단된다. 한편, HwangBo et al. (2022)에 의하면 괴산댐과 보성강댐 저수지에서도 이러한 경향이 보였으며 결과적으로 댐 저수지 수면형은 불규칙하고 변화가 많은 것으로 판단된다.
이렇듯 불규칙한 수면형을 반영하여 대표 저수위를 결정하려면 많은 위치에서 연속으로 수위를 모니터링하거나 수면형을 여러 번 반복 측정하여 분석하는 것이 가장 좋은 방법이라고 할 수 있다. 시간에 따라 지속적으로 수면형이 변동할 수도 있고, 댐 방류량이나 유입량 크기에 따라 수면형이 다르게 나타날 수도 있기 때문이다. 그러나 예산, 인력 등의 현실적인 문제로 이러한 측정은 불가능에 가깝다.
한정적인 수면표고 자료이지만 이를 이용하여 저수위 최소 관측밀도를 도출하고자 하였다. 저수지의 규모, 형태에 따라서 관측밀도가 다르게 나타날 수 있어 보성강댐, 괴산댐 수면 관측 결과를 같이 분석하였으며 그 결과를 Figs. 7 and 8에 도시하였다.
분석방법은 ① 먼저 전체 수면표교 자료의 평균을 대표저수위로 가정하였다. ② 저수지를 2개~15개 구간으로 나누고 각 구간 수면표고를 무작위로 추출하여 이를 평균하였다. ③ 이를 10회 반복하였다.
현장에서 저수위 계측 분해능은 0.01 m이며 이를 기준으로 분석하여 보면 다음과 같다.
화천댐의 경우 약 4개 위치(4개 구간으로 분할)에서 관측할 때 편차가 0.01 m 이하로 나타났으며 6개 구간분할 이상에서 수렴하는 결과를 보였다.
괴산댐 경우 3개 위치에서 관측할 때 편차가 0.01 m 이하로 나타나며, 6개소 이상에서 수렴하는 결과를 보였다.
보성강댐은 7개소에서 편차가 0.01 m 이하로 나타났으며 8개소 이상에서 수렴하는 결과를 보였다.
3개 저수지만을 분석하여 그 표본이 적고, 1회 수면표고 조사의 한계도 있지만, 저수지 규모가 작을수록 필요 관측밀도는 줄어드는 것으로 판단된다. 그러나 일정 규모이하에서는 오히려 필요 관측밀도가 증가하였으며 이는 일정 규모이하의 저수지는 방류량, 유입량 변화 등 외부 충격에 더 민감하게 반응한 결과로 추정되나 추가적인 연구가 필요하다.
5. 결 론
댐 운영에 저수위 자료는 대단히 중요하고 자주 이용된다. 한 개의 위치에서 계측된 저수위는 넓은 저수지 수위를 대표한다고 보기 어렵고, 방류 등의 영향을 받아 오차가 발생할 가능성이 크다. 또한 저류된 물을 효과적으로 사용하기 위해서는 그 양을 정확하게 파악하는 것이 매우 중요하다. 이를 위해서는 저수지 수위를 대표할 수 있는 정확한 저수위가 필요하며 이는 계측 위치 조정도 필요하지만 관측 밀도를 높이는 것도 매우 중요한 것으로 생각된다.
본 연구에서는 저수지 수면형을 실측하여 그 변동성을 파악하고자 하였으며 그 결과는 다음과 같다.
1) 화천댐 저수지에 대해 종방향으로 수면을 실측하였다. 횡방향은 확인 결과 차이가 크지 않았다.
2) 그 결과 저수지 수면은 구간별로 상승과 하강을 반복하는 형태를 보이며 불규칙한 것으로 나타났으며 최대 0.19 m 차이를 보이기도 하였다.
3) 불규칙한 수면을 고려하여 저수위 관측 밀도를 높일 필요가 있으며 최소 관측밀도는 화천댐의 경우 4개로 분석되었다. 또한 괴산댐의 경우 3개, 보성강댐의 경우 7개로 분석되었다. 저수지 규모가 작을수록 최소 관측밀도는 줄어드는 것으로 생각되나 일정 규모 이하의 저수지는 오히려 증가하는 것으로 나타났다. 이 부분은 추가적인 연구가 필요하다.
이번 저수지 수면 실측은 하류부터 상류까지 2시간 이상 시간이 소요되었고 이 시간 동안의 저수위변화가 영향을 끼쳤을 가능성도 있다. 그러나 화천댐 수위관측소 수위 변화가 미미하여 실측 결과가 어느 정도 합리적이라고 판단했다. 또한 고무보트에 ADCP와 RTK-GPS를 부착하여 측정을 하였으므로 보트의 흔들림, 파랑 등에 의한 오차도 배제할 수는 없다. 이를 검증하고자 육상에서 수면을 별도로 측정하여 자료의 신뢰성을 높이고자 하였으며 그 결과 수면조사와 육상조사 결과가 일치하는 것으로 나타났다.
이번 수면조사 결과를 살펴보면 하강과 상승을 구간별로 반복하는 것으로 나타났다. 이번 연구에서는 이를 반영하지 않고 등간격으로 구분하여 적정 수위관측 밀도를 분석하였다. 상승구간과 하강구간으로 나누어 분석하면 적정 수위관측 밀도는 다르게 나타날 수도 있다. 그러나 이 수면형이 이번조사에서만 나타나는 특징일 수 있으며 반복 조사하였을 때 같은 형상이 타나나지 않을 수도 있다. 이러한 점을 감안하여 등간격으로 나누어 분석하였으며 추가적인 조사가 이루어진다면 더욱 정밀한 분석이 가능할 것으로 기대된다.
한편 이번에 분석된 화천댐, 괴산댐, 보성강댐 저수지는 종방향으로 긴 형상을 가지고 있다. 그러나 댐 저수지는 방사형 형상, 많은 갈래로 나뉜 형상 등 다양하다. 이러한 경우 수면형이 다르게 나타날 가능성이 크며 이에 대한 추가적인 조사와 연구가 필요한 것으로 생각된다.
