Research Article

Journal of Korea Water Resources Association. 30 June 2024. 409-419
https://doi.org/10.3741/JKWRA.2024.57.6.409

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 연구방법

  •   2.1 대상지역 및 입력자료 구축

  •   2.2 기후스트레스 시나리오 생성 절차

  •   2.3 IHACRES

  •   2.4 HEC-ResSim

  •   2.5 댐 이수안전도 신뢰도 평가

  • 3. 결 과

  •   3.1 저수지 모형 평가

  •   3.2 강우 스트레스 시나리오 신뢰도 평가

  •   3.3 기온 스트레스 시나리오의 신뢰도 평가

  •   3.4 기후 스트레스 시나리오의 신뢰도 평가

  • 4. 결 론

1. 서 론

우리나라 강우는 동아시아 몬순기후의 영향으로 6월에서 9월에 연 강우량의 60% 이상이 발생한다. 이와 같은 강우 특성으로 인하여 홍수기에 물을 저류하였다가 갈수기에 안정적으로 물을 공급할 수 있도록 댐과 같은 수자원 시설물을 운영하고 있다. 하지만 현재 우리가 직면한 기후변화로 인하여, 비정상성 강수 및 온도 발생으로 댐 용수공급의 불확실성이 가중되고 있는 실정이다(Jun et al., 2013). 특히 최근 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) 6차 보고서에 따르면 한반도 연평균 강수량은 후반기(2081-2100)에 3.2-15.4% 증가가 전망되었으며 연평균 기온의 경우 후반기에 과거 20년과 비교하여 2.6-7.0°C가 상승할 것으로 전망되었다(Bae et al., 2020). 위와 같은 전망은 특정 탄소배출시나리오를 기반으로 예측된 가상 시나리오이며 활용된 탄소 배출시나리오 및 전 지구 기후모형 자체의 가정에 따라 상이한 결과가 도출된다. 즉 기후변화 시나리오는 기후변화의 경향을 나타낼수 있다. 하지만 강우 및 온도변화에 따라 선제적 조치가 필요한 댐 용수공급은 보다 명확하고 직관적인 시나리오에 따른 용수공급 평가가 필요하다. 예를 들어 다양한 기후 조건에 따라 산정된 이수안전도는 댐 운영에 있어서 어떠한 선제적 조치가 필요한지를 식별하는 데 도움이 될 수 있다. 이를 통해 댐의 용수공급 안정성을 향상시키고 물의 적정 관리를 위한 전략적인 결정을 내리는 데 있어서 더욱 객관적이고 신뢰할 수 있는 지표를 확보할 수 있다.

댐 운영에 대한 취약성 평가는 수자원관리에 있어 필수적인 요소이며 지속적으로 댐 용수 공급능력에 대한 평가가 이루어져 왔다. Lee et al. (2022)은 기존 댐을 활용하여 수자원을 확보하기 위해 용수 공급능력 평가 연구를 수행하였다. 한강수계 화천댐에서 최적 댐 이수안전도 평가를 위해 모형을 개발하였다. 여기서, 화천댐 용수공급량을 산정한 결과 이수안전도를 월 단위 95%를 충족하는 것으로 나타났다. Lee et al. (2012)에서는 안동댐과 임하댐에서 용수 공급능력 재평가를 통해 댐 이수안전도 중 신뢰도를 분석하였다. 저수지 모형으로 HEC-ResSim을 이용하고, 1978년부터 30년간 댐 이수안전도를 분석하였다. 여기서 용수공급 능력 재평가로 신규 수자원 확보 필요성 및 중요성을 제기하였다.

특정 기후변화 시나리오를 적용하여 다목적댐 이수안전도 대한 연구가 다수 수행되었다(No et al., 2013; Lee and Noh, 2015; Kim et al., 2023a). 예로 No et al. (2013)는 금강 유역의 용담댐과 대청댐에 Soil & Water Assessment Tool (SWAT)에 Representative Concentration Pathway (RCP) 시나리오를 2011년부터 2100까지 적용하여 미래 유출량의 변화를 모의하였다. 산정된 유량을 하천 유역 네트워크 모형인 KModSim으로 댐 모의 운영하여 미래 용수공급을 RCP4.5에서 용담댐, 대청댐 각각 9.3m3/s, 21.7m3/s 더 취수가 가능하고, RCP8.5에서 6.4m3/s, 18.4m3/s 더 취수 가능하다고 예측하였다. 하지만 앞에서 언급한 RCP시나리오는 하향식(top-down)방식의 기후변화 시나리오이다. 하향식 시나리오는 특정한 경제 모델에 의존하기 때문에 해당 모델의 가정이 미래에 대한 전망이 부정확할 경우 시나리오의 신뢰성이 저하될 수 있다. 본 연구에서는 이를 완화하고자 사회경제 모델링에 의존하지 않고 과거 기후자료를 기반으로 작성된 상향식(bottom-up) 의사결정 방법 이론중 하나인 Decision-Scaling (DS)기법을 활용하고자 한다(Brown et al., 2012). 상향식 의사결정 방법 이론인 DS기법을 통해 환경 변화에 따른 댐 용수공급 시스템의 취약성을 시각화하여 의사결정 정보를 제공할 수 있다. DS 기법은 불확실성에 대한 저감보다는 다양한 조건에 따라서 넓은 범위의 기후변화 변동성을 반영하여 평가하는 방안이다. 이러한 DS기법을 활용하여 Kim and Kang (2023)은 충주, 용담, 합천, 섬진강댐 유역에 대하여 연구하여 댐 유입량 증가가 강수량의 증가보다 클 수 있음을 보였다. Kim et al. (2023b)에서는 DS 기법을 활용하여 기후변화 가뭄 취약성 평가를 수행하였으며 저수요 조건에서 용수 공급의 안전도 개선으로 극한가뭄 대비가 가능함을 보였다.

본 연구에서는 1995(2001)년부터 2014년의 기간에 해당하는 한강, 금강, 섬진강, 낙동강에 각각 1개의 다목적댐을 선정하여 총 4개의 다목적댐을 대상으로 DS기법을 적용하였다. 기후 스트레스는 (i) 월별 강우의 순위별 변화에 대한 7개 시나리오, (ii) 연평균온도 상승에 대한 7개 시나리오를 작성하여 총 49개 기후 스트레스 시나리오를 구축하였다. 다수의 기후 스트레스 시나리오에 대한 유출 모의를 수행하기 위하여 연산비용 저감은 매우 중요한 요소 중 하나이다. 연산 비용을 줄이는 방법 중 하나로 소스코드를 변경하여 일련의 과정을 자동화 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 오픈소스로 제공되고 있는 hydromad 패키지의 IHACRES (Identification of unit Hydrographs And Component flow from Rainfall, Evaporation and Streamflow)를 활용하였다. 또한 위 모형은 국내에 다수 적용되어 유출모의의 정확성이 입증되었으며(Park and Yoo, 2008; Hyun et al., 2016; Woo et al., 2023), HEC-ResSim (Hydrologic Engineering. Center Reservoir System Simulation)은 용수공급 가능성 평가 및 계획 방안에 보편적으로 활용되고 있다(Lee et al., 2012; Jang and Kim, 2016; Choo et al., 2019). 본 연구에서는 IHACRES로 산정된 유입량을 댐 용수공급을 평가하는 HEC-ResSim의 댐 모의운영 모형과 결합하여 댐 유입-용수공급 모형을 결합한 IHACRES-HEC- ResSim을 구축하였다. 본 연구는 DS기법을 활용하여 발생 가능한 기후 스트레스 기반으로 국내 다목적 댐별 특성에 따른 이수안전도 평가를 통해 안전한 수자원 관리를 제시하고자 한다.

2. 연구방법

2.1 대상지역 및 입력자료 구축

본 연구는 대한민국 4개의 유역인 한강, 금강, 낙동강, 섬진강에 위치한 다목적댐 중 각각 충주댐, 용담댐, 합천댐, 섬진강댐을 선정하였다. IHACRES 유출모형을 이용하여 일 단위 댐 유입량을 산정하였다(HACRES 모형은 2.2 참고). 위 모형은 일 단위 강우 및 기온을 입력 자료로 활용하며 댐의 관측 유입량을 통해 댐의 매개변수를 산정할 수 있다. 모형의 검, 보정에 활용할 댐 유입량 및 유역 면적 강우는 국가수자원관리종합정보시스템(http://www.wamis.go.kr)에서 제공하는 자료를 사용하였다. 일 단위 기온은 기상자료개방포털(http://data.kma. go.kr)의 대상 댐 유역의 점 관측 기온에 티센망을 구축하여 유역면적을 고려한 기온자료를 구축하였다(Fig. 1). 연구 기간은 최근 기후변화 시나리오인 IPCC 6차 보고서의 history data (1850-2014)의 연계성을 위해 2014년을 기준으로 1994년부터 2014년까지 총 20년이며(충주댐, 합천댐, 섬진강댐), 용담댐의 경우 준공완공일 이후인 2001년부터 2014년까지 총 14년으로 연구기간을 설정하였다. Table 1에서 각 유역의 면적, 면적 온도에 활용된 관측소 개수, 연평균 강수량, 연평균 기온을 나타내었다. 대한민국의 강수는 지역의 특성에 따라 차이가 나타난다. 본 연구에서는 댐 유역의 연평균 강수량은 표고가 가장 높은 충주댐에서 가장 적게 나타났다.

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Fig. 1.

Study site. The red circles represent weather stations, the blue lines depict rivers, and the black straight lines indicate Thiessen polygons

Table 1.

Watershed area and weather characteristics used in this study

River Reservior Area
(km2)
Weather
station
Average annual precipitation
(mm)
Average annual temperature
(°C)
Data period
Han Chungju 6,648 4 1,296.39 11.22 1995-2014
Geum Yongdam 930.0 4 1,409.64 11.30 2001-2014
Nakdong Hapcheon 925.0 1 1,359.35 11.97 1995-2014
Sumjin Seomjingang 763.0 2 1,442.93 11.10 1995-2014

2.2 기후스트레스 시나리오 생성 절차

본 연구에서는 (1) 강우 스트레스, (2) 온도 스트레스, (3) 기후 스트레스 시나리오를 평가하였다. 강우 스트레스 시나리오는 월별 강우를 4분위로 나누어 증감을 나타내는 시나리오이며, 온도 스트레스 시나리오는 온도의 증가를 나타내는 시나리오이고, 기후 스트레스 시나리오는 위에 제시된 강우 및 온도 스트레스 시나리오를 결합한 시나리오이다. 강우의 증감량과 온도의 증가폭은 다음과 같은 기후변화 연구를 바탕으로 선정하였다. IPCC 제 6차 기후변화 평가 보고서에서는 기후 모델들이 전 세계적으로 강우량이 증가하거나 감소하는 경향을 보이고 있는 반면, 그 크기나 분포는 지역에 따라 다르다는 점을 강조하고 있다. SSP585 시나리오에서 21세기 말 남한의 기온은 대략 5.4°C 상승이 예측되고 있으며, 강수량은 1.5°C 증가시 5.23% 감소, 2°C 증가시 5.37% 감소, 3°C 증가시 0.27% 감소, 4°C 증가시 7.59% 증가가 예측되고 있다(Jung et al., 2022). 따라서 본 연구에서는 강우량의 증감을 10%로 설정하고 온도는 1°C씩 6°C까지 증가하였다. 강우 스트레스 시나리오는 다음과 같은 분위별 강우의 증감을 고려하였다. 일 단위의 강수량을 활용하여 연도별 월 평균값을 산정하고 그 크기에 따른 내림차순으로 정렬하여 순위도를 작성한다. 그렇게 산정된 강우의 해당 연도별 1-3순위의 월을 Max-3rd Quartile, 4-6순위의 월을 3rd Quantile-Median, 7-9순위의 월을 Median-1st Quantile, 10-12순위의 월을 1st Quantile-Min로 나타내었다. Table 2에서는 강우 스트레스 시나리오를 나타내었다. 전기간의 강우의 증감을 나타내는 시나리오를 고려하였으며 대한민국 강우 특성상 홍수기에 강우가 집중되기 때문에 Max-3rd Quartile와 1st Quantile-Min, 3rd Quantile- Median와 Median-1st Quantile의 조합으로 증가하는 시나리오도 제시하였다. 마지막으로 분위별 댐 이수안전도의 변화를 좀 더 뚜렷하게 확인하고자 Max-3rd Quartile와 1st Quantile- Min, 3rd Quantile-Median와 Median-1st Quantile의 증감을 제시하였다(Kim and Kang, 2023). 즉 본 연구는 각 대상 댐의 강우와 기온 자료를 바탕으로 총 49개의 기후 스트레스 시나리오를 작성하였다. 하지만 확장된 분석을 실시하기 위해서는 보다 다양한 형태의 강우 스트레스 시나리오가 필요할 수도 있다. Table 2에서 x는 강우가 변화지 않음을, +는 강우의 증가를, -는 강우의 감소를 나타낸다. Fig. 2는 위와 같은 시나리오를 IHACRES 모형의 입력 자료로 하여 유입량을 산정하고, 이를 저수지 모의유형인 HEC-ResSim의 입력 자료로 하여 댐의 이수안전 신뢰도를 평가하는 연구 흐름도를 나타낸다. 여기서 Baseline은 일단위 관측자료(1995-2014)를 사용하여 나타내었다. 본 연구에서는 (1) 강우와 기온의 변화를 함께 고려한 기후 스트레스 시나리오를 적용해서 이수안전도를 산정하는 경우와 (2) 강우와 기온의 변화에 대한 스트레스 시나리오를 적용하여 각각 이수안전도 산정 후 더해주는 경우에 대하여 비교, 분석을 수행하였다. 강우와 온도는 기후 시스템에서 서로 밀접하게 연관되어 있다. 따라서 (1)과 (2) 분석으로 강우와 온도의 변동이 동시에 고려될 때 이러한 변화가 어떻게 상호작용하여 이수안전도에 영향을 미치는지를 평가할 수 있다. 이는 다양한 기후 변화에 대비한 댐 운영 의사결정에 도움이 될 것으로 사료 된다.

Table 2.

Precipitation stress scenarios using the quartile-based decision scaling

Scenarios Quanrile
Max-
3rd Quantile
3rd Quantile-
Median
Median-
1st Quantile
1st Quantile-
Min
P x x x x (Baseline) x x x x
P + + + + +10% +10% +10% +10%
P - - - - -10% -10% -10% -10%
P x + + x x +10% +10% x
P + x x + +10% x x +10%
P - + + - -10% +10% +10% -10%
P + - - + +10% -10% -10% +10%

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Fig. 2.

The research flow of water supply reliability assessments

2.3 IHACRES

본 연구의 강우-유출모형으로 IHACRES를 선정하였다. 본 모형은 Evan and Jakeman (1998)에 처음으로 제시된 장기 유출모형으로 개념적 모형이다. 댐 유입량을 모의하기에 계산적으로 효율적이며 또한 소스코드 공개로 다수의 시나리오를 평가하기에 용이한 강점이 있다. 본 모형을 활용하여 Park and Yoo (2008)는 매개변수의 추정을 위해 충주댐 유역의 12개 수위관측소의 매개변수를 지역화 기법 추정으로 유량을 평가하였다. 위 연구에서는 충주댐 유역의 유출 특성을 유사하게 반영하였으며 향후 IHACRES모형의 매개변수 추정을 통해 기후변화에 따른 유출특성변화에 유용하게 활용될 것을 제시하였다. Jung (2015)은 개념 모형 GR4J, IHACRES와 준 분포모형 SWAT을 활용하여 기후변화에 대한 유량 전망을 비교하였다. 금강 용담댐 유역을 대상으로 준 분포모형인 SWAT 모형의 경우 개념 모형과 비교하여 유량 전망 결과의 차이가 큰 것으로 나타났다. 기후변화 시나리오는 유량 전망에서 이미 불확실성이 존재하기에 모형의 모의 능력이 비슷하다면 가능한 불확실성이 적은 단순개념모형을 사용하는 것이 적합하다고 위 논문에서는 판단하였다.

Fig. 3(a)에서 IHACRES의 모식도를 나타냈다. IHACRES는 크게 2가지 모듈이 있으며, (1) 입력 자료인 강우 및 온도를 이용하여 강우를 유효강우로 산정하는 비선형 모듈과 (2) 유효강우를 기저유출과 직접유출을 산정하여 댐 유입량을 모의하는 선형 모듈로 구성된다. 유효강우 산정에는 비선형 모듈인 Catchment Moisture Deficit (CMD), 댐 유입량은 Exponential components transfer function의 선형 모듈을 활용하였다. 비선형 손실 모듈인 CMD는 Eq. (1)과 같은 식을 이용하여 산정하였다.

(1)
M[t]=M[t-1]-P[t]+ET[t]+U[t]

여기서, M은 유역수분결핍(mm/d)을 나타내며, 최소값은 0이다. P는 면적 강수량(mm/d), ET는 증발산(mm/d), U는 유효 강수량(mm/d), t는 시간(d)을 나타낸다. 강수에 대한 유효강수의 비(dUdP)는 M=d의 임계점을 가지고 Eq. (2)와 같이 나타낸다.

(2)
Wi,kWi,kWi,k

증발산 M=f×d에서 임계값을 갖는 유역수분결핍의 함수이다. 여기서 fd는 각각 유역수분결핍의 스트레스 임계값(-), 유역수분결핍 중 유출을 발생하는 임계값(mm/d)이다.

증발산을 산정하는 식은 Eq. (3)과 같다.

(3)
ET[t]=eE[t]min1,exp21-Mffd

증발산의 산정은 Mf를 기반으로 하며 e는 잠재증발산 산정을 위한 계수(-)이다.

선형 모듈인 기저유출(Xs, mm/d)과 직접유출(Xq, mm/d)로 구분하여 산정된 총유출량(X, mm/d)은 다음 Eq. (4)와 같이 산정된다.

(4)
X[t]=Xs[t]+Xq[t]

여기서 기저유출과 직접유출은 다음 Eqs. (5) and (6)과 같이 나타낸다.

(5)
Xs[t]=αs×Xs[t-1]+βs×U[t]
(6)
Xq[t]=αq×Xq[t-1]+βq×U[t]

여기서 αs, αq는 각각 기저유출과 직접유출에 해당하는 감소계수(-)이다. βs, βq는 각각 기저유출과 직접유출에 해당하는 응답계수(-)이다. 아래첨자 sq는 각각 기저유출과 직접유출을 의미한다. IHACRES의 매개변수는 (1) d(유량 생성을 위한 CMD 임계치(mm/day)), (2) e(온도를 잠재증발산으로 변환하는 상수), (3) f(CMD 스트레스 임계치), (4) τs(기저 유출을 위한 지수 구성요소의 시간 상수), (5) τq(직접 유출을 위한 지수 구성요소의 시간 상수), (6) νs(느린 유출의 분율적 부피)가 있다. hydromad 패키지(https://hydromad.catchment.org)에서 제공되는 매개변수 최적화 모듈인 fitByOptim을 활용하였고, Nash-Sutcliffe Efficient (NSE)를 목적함수로 하여 댐 유입량 산정에 최적 매개변수를 결정하였다.

2.4 HEC-ResSim

본 연구에서 대상 댐의 이수안전 신뢰도 평가를 위해 저수지 모의운영 모형으로 미국 공병단(Hydrologic Engineering Center, HEC)에서 개발한 Reservoir System Simulation (HEC- ResSim)모형을 사용하였다. HEC-ResSim는 각 대상 댐 운영 계획 평가가 가능하며 유입 현황, 기존조건 등을 고려한 저수지 운영을 모의하여 공급계획량에 따른 용수공급관리를 평가할 수 있다(Klipsch and Hurst, 2007). HEC-ResSim은 대상 댐 운영의 의사결정을 연중시간, 수문 조건 등의 시스템을 통해 댐의 운영에 대한 모의를 한다. HEC-ResSim의 모의 운영을 통해 용수공급량을 저수지의 네트워크 시스템을 이용하여 산정하고 해당 저수지의 수위를 고려하여 댐 용수공급량 및 공급의 안정성을 평가를 하였다.

댐 용수 저장량은 다음 Eq. (7)을 통해 산정된다(Koo et al., 2015).

(7)
St+1=St+It-Ot

여기서 St+1은 다음 시간(t+1)에서 댐의 용수 저장량, St는 현재 시간에서의 댐 용수 저장량, It는 현재 시간에서의 댐으로의 유입량, Ot는 댐으로의 방류량을 의미한다. 방류량에는 생활용수, 농업용수, 유지용수, 무효방류를 고려하였다. 각 댐의 저수용량은 수위-저수용량 관계 곡선식을 이용하여 산정하였다. 해당 관계식은 국가수자원관리종합정보시스템(http:// www.wamis.go.kr)의 자료를 활용하였다. 해당 월에 일별 생활용수, 농업용수, 그리고 유지용수의 합을 댐 보유 유량에서 공급하며 만일 공급 유량이 댐 보유 유량보다 큰 경우 공급은 저수위 까지만 용수공급이 이루어진다. 상시만수위 보다 수위가 증가할 경우 무효 방류가 이루어진다(Fig. 3(b)).

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Fig. 3.

Schematic diagrams of (a) IHACRES and (b) HEC-ResSim

2.5 댐 이수안전도 신뢰도 평가

모의를 통해 용수공급 가능량과 댐의 공급계획량을 비교하여 본 연구에서는 댐의 이수안전도의 평가방안인 기간신뢰도(Relt)를 산정하여 Eq. (8)과 같이 나타내었다. 기간신뢰도는 국가계획 분석단위의 연계성과 영(zero)유량의 불확실성을 고려하여 반순(5일) 단위를 주요 지표로 하였다:

(8)
Relt=1-TfTt

여기서 Tf는 댐에서 계획공급량을 공급하지 못한 기간의 수, Tt는 전체 계획기간 수(반순)을 나타낸다.

3. 결 과

3.1 저수지 모형 평가

저수위 이하로 떨어질 경우 공급량에 영향을 주게 되므로 수위를 활용한 모형 평가를 수행하였다. 대상 유역의 관측수위와 IHACRES의 모의수위는 Fig. 4에 나타내었다. 모든 댐에서 관측유량과 모의유량을 수위를 기준으로 비교하였을 때 결정계수(R2)는 충주댐에서 0.97, 용담댐에서 0.88, 합천댐은 0.89, 섬진강댐은 0.97로 매우 양호한 결과를 나타내었다. Table 3는 대상댐의 관측값과 모의값의 5일 단위 기간 신뢰도를 비교한 결과이다. 충주, 용담, 합천, 섬진강댐에서 관측값에 비해 모의값이 각각 대략 3% 적은 신뢰도 그리고 대략 1.6%, 2%, 0.1% 정도 높은 신뢰도 보였다. 즉 본 연구에서 구축한 결합 모형을 활용하여 기후 스트레스 시나리오에 대한 이수안전도 평가에 안정적으로 활용할 수 있다는 점을 시사한다.

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Fig. 4.

Comparisons between observed (black) and simulated (gray) water levels at (a) Chungju, (b) Yongdam, (c) Hapcheon, (d) Seomjingag reservoirs from 1995 to 2015. The blue and red color represent normal high water level and low water level, respectively

Table 3.

Comparisons between observed (Obs) and simulated (Sim) water supply reliability based on 5-day assessment units

Case Chungju Yongdam Hapcheon Seomjingang
Obs Sim Obs Sim Obs Sim Obs Sim
Water supply reliability (%) 99.1 96.0 97.0 98.6 90.6 92.6 99.9 100

3.2 강우 스트레스 시나리오 신뢰도 평가

Fig. 5는 강우 스트레스 시나리오를 적용하였을 때 연구대상 댐 수위의 분포를 나타내는 바이올린 그래프이다. 바이올린 그래프는 데이터의 분포와 중앙값을 한눈에 파악하기 쉬워 강우의 증감에 따른 수위 빈도의 변화 파악이 용이하다. Fig. 5의 폭은 해당 수위의 분포를 나타내며 중앙의 동그라미로 평균 수위를 나타내었다. 강우의 증감시나리오에 따른 수위 변동에서 높은 분위에서의 강우 변동이 수위에 큰 영향을 끼친다. 용담댐과 섬진강댐은 모든 분위에서 상승하는 P10 + + + + 시나리오에서 최소 수위가 증가한 것을 볼 수 있다. 특히 섬진강에서는 P10 x + + x 시나리오에서보다 P10 + x x +의 시나리오에서 최소수위가 더 상승한 것을 볼 수 있으며 타 연구대상 댐에서도 P10 x + + x 시나리오보다 P10 + x x +시나리오에서 수위의 분포가 전체적으로 상승한 것을 확인할 수 있다.

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Fig. 5.

Water level density analysis under precipitation stress scenarios at (a) Chungju, (b) Yongdam, (c) Hapcheon, and (d) Seomjingang reserviors

Table 4는 각 강우 스트레스 시나리오에 대한 대상 댐의 5일 단위 기간신뢰도에 대해서 나타내었다. 각 대상 댐 운영 계획에 따라 강우 변화에 따른 이수안전도의 변화폭의 차이가 발생하였다. Baseline 기간에 모의된 이수안전도 평균 값과 비교하였을 때 100%인 섬진강을 제외한 나머지 충주, 용담, 합천에서 P10 x + + x 시나리오는 0.9%-1.4% 증가하였고, P10 + x x + 시나리오는 1.4%-2.3% 증가한 이수안전도를 보였다. 또한, P10 - + + - 시나리오는 1.0-1.6% 감소하였고 P10 + - - + 시나리오는 0.7-1.3% 증가한 이수안전도를 보였다. 즉 1분위(홍수기)에서의 강우 변동이 2, 3분위(비홍수기)의 강우 증가 보다 댐 이수안전도에 더 긍정적인 영향을 끼치는 것으로 판단된다.

Table 4.

Water supply reliability under precipitation stress scenarios

Scenario Chungju Yongdam Hapcheon Seomjingang
Baseline 96.0 98.6 92.6 100.0
P10 + + + + 98.8 100.0 95.8 100.0
P10 - - - - 90.6 93.2 86.9 97.4
P10 x + + x 97.4 99.7 93.5 100.0
P10 + x x + 97.8 100.0 94.9 100.0
P10 - + + - 94.4 97.6 91.5 99.8
P10 + - - + 96.7 99.3 93.9 100.0

3.3 기온 스트레스 시나리오의 신뢰도 평가

Fig. 6는 Baseline의 0°C를 기준으로 1°C씩 증가하여 총 6°C까지 증가한 온도변화에 대한 온도 스트레스 시나리오를 적용하여 산정한 이수안전도이다. 각 댐에서 1°C 증가마다 이수안전도 변화는 충주 2.35%, 용담 1.84%, 합천 1.42%, 섬진 1.09%로 나타났다. 즉 충주, 용담, 합천, 섬진 순으로 기온 변화에 대한 높은 민감도를 나타낸다. 여기서 민감도란 각 댐의 기온 증가에 대한 이수안전도의 변화율이 얼마나 큰지 나타낸다. 각 댐에서의 기온 변화에 대한 임계점(Critical point)이 다른 점도 확인되었다. 여기서 임계점이란 온도 증가함에 따른 이수안전도가 급감하는 기온를 나타낸다. 기온의 증가로 인해 IHACRES에서 기온 자료를 기반으로 산정되는 증발산이 증가하여 댐의 유입량 감소로 이어지게 된다. 따라서 댐 유역별 특성에 따라 상이한 증발산 증가가 나타났으며 이는 댐별 서로 다른 이수안전도 민감도에 영향을 주는 것으로 나타났다. 여기서 섬진강댐의 경우 100% 이상의 신뢰도 구간에서의 변화율은 0%이기 때문에 각 연구대상 댐에서 온도감소에 의한 신뢰도가 가장 큰 변화율은 보여준 온도 구간은 충주 5-6°C에서 3.06%/°C, 용담 5-6°C에서 3.57%/°C, 합천 2-3°C에서 1.67%/°C, 섬진 3-4°C에서 2.36%/°C로 나타났다. 여기서 민감도가 가장 높은 충주댐에서는 3.06%/°C, 반면 충주댐보다 낮은 민감도를 가진 용담댐에서는 3.57%/°C 의 변화율을 보였다. 또한 민감도가 가장 낮은 섬진강댐에서 2.36%/°C의 변화율을 보였고, 섬진강댐보다 높은 민감도를 가진 합천댐에서는 1.67%/°C의 변화율을 보였다. 이처럼 각 연구대상 댐의 민감도가 낮은 댐에서도 특정 온도 이상에서 이수안전도 변화는 크게 나타날 수 있다는 점을 시사한다.

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Fig. 6.

Water supply reliability under temperature stress scenarios

3.4 기후 스트레스 시나리오의 신뢰도 평가

본 연구에서 제시한 기후 스트레스 시나리오(강우 및 온도 모두 고려한 시나리오)를 적용한 이수안전도는 충주, 용담, 합천, 섬진강댐에서 각각 Figs. 7(a)~7(d)에 나타내었다. 각 연구대상 댐에서 강우 스트레스와 온도 시나리오가 적용될 때 가장 큰 변화를 나타내는 P10 - - - - 강우 스트레스 시나리오에서 기온의 1°C 상승마다 이수안전도 감소율은 충주댐 2.30%, 용담댐 2.94%, 합천댐 2.52%, 섬진강댐 2.97%를 나타냈다. 온도 상승마다 가장 적은 이수안전도의 변화를 가지는 강우 스트레스 시나리오는 P10 + + + + 이다. 기온 1°C 상승마다 감소율은 충주댐 1.37%, 용담댐 0.45%, 합천댐 0.80%, 섬진강댐 0.14%을 나타냈다.

충주, 용담, 합천, 섬진강댐에서 강우 및 온도 스트레스 시나리오의 결과를 각각 독립적으로 모의하여 결합한 이수안전도를 각각 Figs. 7(e)~7(h)에서 제시하였다. 또한 (1) 강우와 온도를 함께 고려한 시나리오의 이수안전도와, (2) 독립적으로 나타났을 때 이수안전도의 차이를 Figs. 7(i)~7(l)에 대상 댐별로 나타내었다. 온도 6°C 상승 시나리오와 P10 - - - -의 강우 시나리오를 모두 적용한 기후 스트레스 시나리오가 독립적으로 적용된 시나리오보다 충주댐 3.82%, 용담댐 2.40%, 합천댐 2.57%, 섬진강댐 3.08% 더 높은 신뢰도를 보였다. 반대로 온도 6°C 상승 시나리오와 P10 + + + +의 강우 시나리오를 적용한 경우 독립적인 시나리오에서 충주댐은 2.15%, 용담댐은 0.67%, 합천댐은 0.60%, 섬진강댐은 0.59%의 증가된 이수안전도가 나타났다. 그러나 용담댐, 합천댐, 섬진강댐의 이수안전도 증가 비율은 너무 작아서 통계적으로나 수문학적으로 유의한 값이 아니므로 큰 의미가 없을 것으로 판단된다.

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Fig. 7.

Water supply reliability under climate stress scenarios at (a) Chungju, (b) Yongdam, (c) Hapcheon, and (d) Seomjingang reservoirs. water supply reliability was assessed by aggregating results under precipitation and temperature stress scenarios at (e) Chungju, (f) Yongdam, (g) Hapcheon, and (h) Seomjingang reservoirs. Differences between the left and middle panels (left panel minus middle panel) were presented in (i), (j), (k), and (l), respectively

댐 이수안전도는 온도에 비하여 강우 영향을 더 크게 받는 것으로 나타났다. 하지만 강우와 기온이 동시에 적용되었을 때 더욱 가중되는 것으로 평가되었다. 예를 들어 P10 + + + +의 강우 스트레스 시나리오에 따른 온도변화 결과에 따르면 (1) 강우 및 온도 증가를 함께 고려된 시나리오에서 (2) 강우와 온도가 따로 증가하여 그 결과를 종합한 것 보다 더 많은 증발산이 발생하는 것으로 평가 되었다(Figs. 7(i)~7(l)). 그와 반면에 강우 감소 및 온도 증가를 함께 고려한 시나리오에서는 독립적으로 적용하여 이수안전도를 합한 결과보다 더 적은 증발산이 발생하는 것으로 평가되었다. 즉 모든 유역에서 강수량 감소와 증가는 각각 물과 에너지 제한 증발량을 초래하는 것으로 평가된다.

4. 결 론

본 연구에서는 충주댐, 용담댐, 합천댐, 섬진강댐을 대상으로 기후 스트레스 시나리오를 강우유출 모형인 IHACRES에 적용하여 유입량을 산정하였으며 저수지 모의운영 모형인 HEC-ResSim의 댐 운영 모의를 통해 댐 용수공급에 대한 이수안전도를 분석하였다. 특히 기존 HEC-ResSim을 이용한 국내 연구에서는 특정 기후변화 시나리오를 기반으로 하여 홍수조절에 대한 평가, 댐의 연계운영을 통한 용수공급 효율화 등의 이수안전도를 산정하였으나(Park and Kim, 2014; Ahn et al., 2018), 본 연구에서는 하향식 의사결정이 아닌 상향식 의사결정인 DS 기법을 통하여 미래 발생 가능한 강우 및 온도 변화에 따른 용수공급 평가로 보다 실질적이며 유연한 의사결정에 활용될 수 있는 이수안전도를 평가하였다.

연구의 결과로 강우 스트레스 시나리오에서 댐 이수안전도에 큰 영향을 끼치는 수위의 빈도를 분석하여 강우 분위별 증감에 따른 상세한 수위 변화를 분석하였다. 그 결과 홍수기 강우 변동이 비홍수기의 강우 증가보다 수위 상승에 더 큰 변화를 가져왔다. 따라서 이수안전도는 1분위 강우 의존성이 매우 높은 것으로 평가되었다. 온도에 대한 댐의 이수안전도 해석을 통해 기온의 변화에 따른 5일 단위 기간 신뢰도의 변화를 분석한 결과 1°C 상승마다 신뢰도 감소율은 모든 대상 댐에서 미미한 차이를 보였다. 하지만 강우와 함께 온도 상승이 발생하게 된다면 온도 상승이 이수안전도에 크게 영향을 줄 수 있음을 제시하였다.

본 연구에서는 결합된 강우-유출 및 댐 운영 모형에 미래 전망 기후 스트레스 시나리오를 적용하여 댐 용수공급 안정성 파악으로 합리적인 댐 운영에 대한 기초자료를 제시하였다. 하지만 추가적인 미래 전망 시나리오 및 기후 변동에 대한 이수안전도 분석이 필요하며 일반적으로 강우량 증가가 예상되기에 치수에 관한 연구도 차후 수반되어야 보다 실질적이며 안정적인 댐 운영을 이룰 수 있을 것으로 사료된다.

Acknowledgements

본 결과물은 환경부의 재원으로 한국환경산업기술원의 “기후위기대응 홍수방어능력 기술개발사업”의 지원을 받아 연구되었습니다(2022003460002).

Conflicts of Interest

The authors declare no conflict of interest.

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