Sustainability assessment of estuarine reservoir under future environmental changes for water use and flood control

Hyunji Lee; Seokhyeon Kim; Hakkwan Kim; Moon Seong Kang

doi:10.3741/JKWRA.2024.57.12.1053

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Research Article

Journal of Korea Water Resources Association. 31 December 2024. 1053-1067
https://doi.org/10.3741/JKWRA.2024.57.12.1053

Sustainability assessment of estuarine reservoir under future environmental changes for water use and flood control

미래 환경 변화에 따른 하구 담수호 이·치수 지속가능성 평가

Hyunji Lee^a

Seokhyeon Kim^b

Hakkwan Kim^c^d

Moon Seong Kang^e^f^g^*

이 현지^a

김 석현^b

김 학관^c^d

강 문성^e^f^g^*

^aSenior Researcher, Institutes of Green Bio Science and Technology, Seoul National University, Pyeongchang, Korea

^bPostdoctoral Researcher, Department of Hydro Science and Engineering Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Goyang, Korea

^cAssociate Professor, Graduate School of International Agricultural Technology, Seoul National University, Pyeongchang, Korea

^dAdjunct Researcher, Institutes of Green Bio Science and Technology, Seoul National University, Pyeongchang, Korea

^eProfessor, Department of Rural Systems Engineering, Seoul National University, Seoul, Korea

^fAdjunct Researcher, Institutes of Green Bio Science and Technology, Seoul National University, Pyeongchang, Korea

^gAdjunct Researcher, Research Institute of Agriculture and Life Sciences, Seoul National University, Seoul, Korea

^a서울대학교 그린바이오과학기술연구원 선임연구원

^b한국건설기술연구원 수자원하천연구본부 박사후연구원

^c서울대학교 국제농업기술대학원 부교수

^d서울대학교 그린바이오과학기술연구원 겸무연구원

^e서울대학교 조경·지역시스템공학부 지역시스템공학전공 교수

^f서울대학교 그린바이오과학기술연구원 겸무연구원

^g서울대학교 농업생명과학연구원 겸무연구원

^{*Corresponding Author}

License (open-access, https://creativecommons.org/licenses/by/4.0):

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ABSTRACT

This study evaluates the sustainability of estuarine reservoir water resources for water use and flood control, considering future environmental changes such as climate and land use changes. Future environmental data were constructed, and a watershed-reservoir linkage model simulated reservoir water resource changes. A sustainability index based on reliability, resiliency, and vulnerability was used to assess the current management plan. The analysis showed that the current plan for Ganwol estuarine reservoir may cause future issues with water use and flood control, with sustainability indices ranging from 0.2 to 1 for water use and 0.65 to 1 for flood control. Water use sustainability was found to be lower than flood control sustainability, due to differences in design frequencies and the reservoir's artificial drainage capacity. An analysis of changes in sustainability from raising the control water level during the non-flood season showed a decrease in water use failures, with the sustainability index increasing by 0.2 to 0.75, improving sustainability. While effective for water use, the plan may reduce flood control sustainability, indicating the need for additional measures. This study provides a quantitative method to assess reservoir management sustainability under future environmental changes.

Keywords

Water resource management

Sustainability assessment

Water use

Flood control

Estuarine reservoir

본 연구에서는 지속가능한 하구 담수호 수자원 관리방안 마련을 위해 기후변화, 토지이용 변화 등의 미래 환경 변화에 따른 하구 담수호 이수 및 치수 지속가능성을 평가하였다. 이를 위해 미래 환경 변화 자료를 구축하고 유역-호소 연계 모형을 이용하여 담수호 수자원 변화를 모의하였다. 또한, 신뢰도, 회복도, 취약도 지표 기반의 수자원 지속가능성 지수를 산정하여 현재 담수호 관리방안의 지속가능성을 정량적으로 평가하였다. 분석 결과, 현재 간월호의 관리수위 운영 방안은 미래에는 이수, 치수 문제를 발생시킬 것으로 분석되었으며, 이수 지속가능성 지수와 치수 지속가능성 지수는 각각 0.2~1, 0.65~1의 범위로 나타났다. 현재 담수호의 관리방안에서는 이수 지속가능성이 치수 지속가능성보다 낮은 것으로 분석되었으며 이는 담수호의 이수, 치수 설계빈도의 차이와 담수호의 인위적 배수가 가능한 특성 때문으로 사료된다. 이에 비홍수기 관리수위 상향 방안에 따른 지속가능성 변화를 분석하였으며 그 결과, 이수 측면에서 실패 발생 횟수가 감소하였으며 이수 지속가능성 지수가 약 0.2에서 0.75로 증가하여 이수 지속가능성이 향상됨을 확인할 수 있었다. 따라서 이 관리방안은 이수 측면에서 효과적인 것으로 나타났다. 그러나 치수 지속가능성이 낮아질 것으로 예상되어 추가적인 치수 측면의 방안 마련이 필요할 것으로 보인다. 본 연구는 미래 환경 변화를 고려하여 담수호 관리방안에 따른 지속가능성을 정량적으로 평가 방법을 제안하였다.

키워드

수자원 관리

지속가능성 평가

이수

치수

하구 담수호

MAIN

1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 연구대상지
2.2 하구 담수호 수문 모의 모형 구축
2.3 미래 환경 변화 자료 구축
2.4 지속가능성 평가
3. 결과 및 고찰
3.1 미래 환경 변화 자료 구축 결과
3.2 미래 환경 변화에 따른 담수호 수자원 모의 결과
3.3 하구 담수호 이·치수 지속가능성 평가
3.4 관리수위 조절 방안에 따른 지속가능성 평가
4. 결 론

1. 서 론

하구 담수호는 유역과 바다의 경계 지점에 방조제를 건설하여 간척지 조성과 더불어 필요한 수자원 확보를 위해 조성된 인공호수이다(Kim et al., 2023a; Park and Park, 2020). 담수호 수자원은 용수공급, 홍수 피해 방지, 염해방지, 친수활동 제공 등의 다양한 역할을 수행한다. 제1차 국가물관리기본계획(2021~2030)에 따르면 전국의 22개의 담수호는 3개의 하굿둑과 함께 연간 40 억 m³의 용수 공급 능력을 가지며(Government Ministries Jointly, 2021) 홍수시 배수갑문의 인위적인 조작을 통하여 홍수량을 외해로 배제하여 상류유역의 홍수 피해를 방지하고 있다(Kang et al., 2005). 담수호의 특성상 내수위(호 내)가 외수위(해측)보다 높은 경우에만 방류할 수 있어 홍수 발생 시 제때 방류하지 못하는 경우를 대비하여 미리 홍수 발생 전 수위를 낮춰 저류공간을 확보할 필요가 있으나 이수 측면에서는 수위를 높게 유지하는 것이 유리하다(Kang et al., 2005; Chungcheongnam-do, 2001). 이와 같이 담수호 수자원 관리 분석 시에는 담수호의 다양한 역할을 모두 고려한 분석이 필수적이다.

한편 기후변화, 도시화로 인해 미래 기상 환경, 토지이용이 변화할 것으로 예측되고 있으며 이는 담수호 유역의 수문, 수질의 특성을 변화시킬 것으로 예상된다(Kim et al., 2022a; Lee et al., 2016). 기상, 토지이용 변화로 인한 담수호의 용수 수요량의 변화가 예상되며 기후변화에 의한 해수면 상승은 담수호 배수갑문 배수에 영향을 줄 것으로 예상된다(Kim et al., 2021; IPCC, 2008). 기후변화, 도시화 등에 따른 환경 변화에 대응할 수 있는 지속가능한 수자원 관리가 필요하며 이를 위한 담수호 수자원 관리방안의 지속가능성 평가가 필요하다(Choi and Lee, 2005).

지속가능한 수자원 관리를 위해서는 수자원 시스템을 정확히 평가할 수 있어야 한다. 수자원 지속가능성 평가는 지표(indicators)를 이용한 연구가 다수 수행되었으며 WPI (Water Poverty Index), CWSI (Canadian Water Sustainability Index), WSI (Watershed Sustainability Index), WRSI (Water Resources Sustainability Index) 등 다양한 지속가능성 지수(sustainability index)가 제시되었다(Sullivan, 2002; PRI, 2007; Chaves and Alipaz, 2007; Kang and Lee, 2006). 대부분의 연구에서 하나의 지수(index)를 구성하는 성분(component)과 이를 대표하는 지표(indicators)들을 이용하여 통계 기반 방법 또는 계층화 분석기법(Analytical Hierarchical Process, AHP) 등과 같은 참여 기반 방법을 통해 가중치(weight)를 결정하여 수자원 지속가능성 지수를 산정하였다. 지수를 구성하는 지표 중에는 관련 자료를 획득할 수 없는 경우, 적용에 제약이 따르므로 지수를 구성하는 지표들을 잘 선택할 필요가 있다. 예를 들어, PRI (2007)에서 CWSI 지수를 구성하는 지표 중 인프라 상태, 재정 능력 지표들은 값을 획득하기 어려워 많은 지역에 대해 이 값을 제외하고 지수를 산정하고 있으며 이러한 항목들은 미래의 값을 추정하기 어려운 단점도 존재한다.

한편 Hashimoto et al. (1982)가 수자원 시스템 성능 평가를 위해 제안한 세 가지 지표(신뢰도, 회복도, 취약도)를 매개변수로 하는 지속가능성 지수 연구도 다수 수행되었다(Loucks, 1997; Zongxue et al., 1998; McMahon et al., 2006; Sood and Ritter, 2011; Sandoval-Solis et al., 2011; Lee, 2014; Sung et al., 2018; You et al., 2022). 이 지수들은 산정이 비교적 용이한 신뢰도, 회복도 및 취약도 지표를 매개변수로 개발되어 적용이 쉽다. 이수 측면에서는 신뢰도 기반의 이수안전도를 분석하여 수자원 관리방안들을 평가하고 있다(Choi et al., 2020). 일반적으로 신뢰도 평가만으로는 물 부족에 대한 심도를 평가할 수 없으며 추가로 회복도 및 취약도의 평가기준이 필요하다고 분석된 바 있다(Cha and Park, 2004; Sung et al., 2022). 치수 측면에서는 신뢰도, 회복도보다는 취약도를 기반으로 한 수자원 시스템 성능 평가가 진행되었다(Kim et al., 2011). 이들 지표가 개별적으로 적용되는 경우에는 수자원의 지속가능성에 대한 전반적인 판단이 어려우므로 수자원 시스템의 평가지표들을 종합하여 지속가능성 정도를 판단할 필요가 있다(Loucks and Gladwell, 1999; Lee, 2014).

본 연구의 목적은 지속가능한 하구 담수호 관리방안 마련을 위해, 미래 환경 변화를 고려한 하구 담수호 수자원 모의 시스템을 구축하고, 지속가능성의 정량적인 평가를 위해 이수, 치수 측면의 신뢰도, 회복도, 취약도를 이용한 지속가능성 지수를 산정하고, 하구 담수호 관리수위 운영 방안에 따른 지속가능성의 변화를 분석하여 관리방안을 평가하고 적용성을 분석하고자 한다.

2. 재료 및 방법

2.1 연구대상지

본 연구의 대상지는 충청남도 서산시에 위치한 간월호(천수만)로 선정하였다. 간월호는 서산 A지구 간척사업에 의해 조성된 하구 담수호로, 유역면적은 약 48,770 ha이며 담수호의 유효저수량은 4,498 만 m³이다. 간월호 유역의 위치 및 토지이용 현황은 Fig. 1과 같다. 전체 유역면적 중 논과 산림이 각각 39.6%, 30.3%로 유역면적의 대부분을 차지하며, 나머지는 밭 15.4%, 기타 8.8%, 수면 5.9%로 구성되어 있다. 또한 유역 내에는 4개의 환경기초시설(서산 공공하수처리시설, 음암 공공하수처리시설, 도당 공공하수처리시설, 서산축산폐수공공처리시설)과 5개의 양수장(궁리, 사기, 석포, 지산, 간월)이 설치되어 운영되고 있다. 간월호는 홍수기와 비홍수기로 구분하여 관리수위를 설정하고 배수갑문을 통해 관리수위를 조절하고 있다. 홍수위는 +1.12 EL. m, 사수위는 -3.9 EL. m이다. 간월호 계획 관리수위는 홍수기(6/21~8/20)에는 -2.1 EL. m, 비홍수기(8/21~다음해 6/20)에는 -1.7 EL. m로 계획되어 운영되고 있다. 배수갑문 규모는 10 m×4 m×8 련(B×H×N)이며 Sill 표고는 -5.00 EL. m이다. 간월호의 주요 제원은 Table 1과 같다.

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Fig. 1.

Location, land use, and weather station locations of the Ganwol estuarine reservoir

Table 1.

Main specifications of the Ganwol estuarine reservoir

Items	Unit	Value
Effective storage	1,000 m³	44,980
Water management level	EL. m	-1.70 (non flood season, 8/21~6/20)
Water management level	EL. m	-2.10 (flood season, 6/21~8/20)
Flood water level	EL. m	+1.12
Dead storage level	EL. m	-3.90
Sill level	EL. m	-5.00
Sluice gate (B×H×N)	m, m, n	10×4×8

2.2 하구 담수호 수문 모의 모형 구축

호 내 수체 모의에는 유역 모의를 위한 수문 모형과 호 내 수체 모의를 위한 3차원 수치 모형을 연계하여 모의하는 경우가 일반적이다(Hwang, 2020). 주로 유역 모의 모형으로는 HSPF (Hydrological Simulation Program - Fortran) 모형을, 호소 모의 모형으로는 EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code) 모형을 연계하여 호소 혹은 저수지 수문 모의 연구가 다수 수행되었다(Shin et al., 2012; Seong, 2014; Oh and Rhee, 2017; Lee et al., 2018; Kim et al., 2014). 본 연구에서는 유역 모형으로 도시 및 농업 복합지역에 적용이 용이하며 EFDC 모형과 연계 모의가 가능한 HSPF 모형을 이용하였으며, 호소 모형으로 EFDC 모형을 이용하여 유역-호소 연계 모형을 구축하였다. 모형별 입력자료 및 연계 모식도는 Fig. 2와 같다. 모형의 매개변수는 Kim et al. (2022b)에서 보‧검정한 결과를 활용하였으며, 보‧검정 결과에 따르면 유역 유출량, 호소 수위 모의에서 R² 값이 0.7 이상으로 나타나 유역 유출량, 호소 수위 모의 재현성이 높은 것으로 나타났다.

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Fig. 2.

Diagram of HSPF-EFDC linkage for simulation in estuarine reservoir

2.3 미래 환경 변화 자료 구축

2.3.1 기상 자료

기후변화에 따라 폭우, 가뭄 등의 빈도와 크기가 증가할 것으로 예상되며, 이에 따른 유역 유출의 변화, 담수호의 양수량 등의 변화가 있을 것으로 예상된다. 기후변화 시나리오를 반영한 담수호 지속가능성 평가를 위해 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)의 CMIP6(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6) GCM (Global Climate Models) 모형에 따른 SSP (Shared Socioeconomic Pathways, 공통사회 경제경로) 기후변화 시나리오 자료를 활용하여 미래 기상자료를 구축하였다. 현재 CMIP6의 SSP 시나리오 기반 GCM 모의 자료 중, HSPF 모형 입력자료로 이용되는 기상 항목이 모두 포함된 GCM을 선정하였다. 다양한 홍수 및 가뭄 현상을 분석하기 위해 연평균 강우량이 다양하게 분포하는 ACCESS-CM2, CNRM-CM6-1, INM-CM4-8의 3개 GCM을 이용하였다.이 3개의 GCM을 대상으로 APCC (Cho, 2013)의 방법을 적용하여, 통계적 상세화(downscaling) 기법인 SQM (Simple Quantile Mapping) 기법에 따라 30년 이상의 관측자료가 존재하는 60개 종관기상관측소를 기준으로 상세화된 자료 중 대표 관측지점인 서산관측소의 자료를 이용하였다.

2.3.2 토지이용 자료

담수호 유역의 토지이용 변화는 담수호 운영에 있어 유입량이나 양수장 공급량 등에 변화를 야기하기 때문에 담수호 수문 분석 시 토지이용 변화 자료가 필요하다. 이를 위해 본 연구에서는 선행연구(Kim et al., 2021)의 토지이용 예측 자료를 이용하였다. Kim et al. (2021)은 Liu et al. (2017)의 FLUS (Future Land Use Simulation) 모형을 이용하여 간월호 유역의 1990년과 2015년 토지이용도를 기반으로 미래(2040년, 2065년, 2090년) 토지이용을 예측하였다. 미래의 토지이용은 전체 토지이용 유형 중 논, 밭, 산림의 면적이 감소하고 시가지, 초지, 나지의 면적이 증가하는 것으로 나타났다. 미래 상류유역 유출량 산정을 위해 HSPF 모형 구동 시 2011~ 2040년은 2015년 토지이용도, 2041~2060년은 2040년 토지이용도, 2061~2080년은 2065년 토지이용도, 2081~2100년은 2090년 토지이용도를 적용하였다.

2.3.3 양수량 자료

하구 담수호는 양수장을 통해 농업용수를 공급하고 있어 이를 고려한 담수호 수문 모의가 필요하다. 기후변화에 따른 양수장 공급량을 추정하기 위해 과거(2015~2020년)의 양수량 자료를 먼저 분석하여 과거기간의 월별 평균 일 양수량을 산정하였다. 이후 기상과 토지이용 변화에 따라 변화된 미래 논 필요수량을 산정하고 이 값을 과거기간(2001~2020년)의 필요수량과 비교하여 변화된 비율을 산정하였다. 이 비율을 월별 평균 일 양수량에 곱하여 미래 월별 평균 일 양수량을 산정하였다. 미래 월별 평균 일 양수량 값을 4월 20일부터 9월 15일까지 기간에 대해 매일 공급하는 것으로 가정하였으며 선행연구(Kim et al., 2023a)를 참고하여 30 mm 이상 강우가 온 날에는 양수량을 공급하지 않는 것으로 하였다.

2.3.4 배수갑문 방류량 자료

호 내 수체 모의를 위해서는 호 내 유입량뿐만 아니라 유출량으로 볼 수 있는 배수갑문 방류량을 산정하고 이를 경계조건으로 EFDC 모형에 입력하여 반영해야 한다. 담수호의 방류 모의를 위해서는 담수호 내수위와 해측 외조위를 고려해야 하며 기후변화 시나리오 적용을 위해서는 미래 조위 예측이 필요하다. 본 연구에서는 Kim et al. (2023a)에서 이용한 조위 예측 모형을 이용하였다. 2015~2020년 기간에 대해 예측한 조위와 관측 조위를 비교하여 예측 모형의 적용성을 확인한 결과, R²가 0.93으로 조위 예측 모형이 조위를 적절히 예측하는 것으로 나타났다.

기후변화에 따라 해수면 상승이 예상되며 이는 담수호 방류 능력에도 영향을 미칠 것으로 예상된다. 이에 IPCC (2021)에서 제시한 해수면 상승 시나리오를 참고하여 조위 자료를 구축하였다. IPCC의 전 지구 평균 해수면 상승 예측값을 활용하였으며 그 값은 Table 2와 같으며 이를 선형 보간하여 연별 상승고를 예측하여 적용하였다.

Table 2.

Global mean sea level rise projections for Shared Socio-economic Pathway (SSP) scenarios, relative to a baseline of 1995~2014(unit: m)(IPCC, 2021)

Year	SSP1-2.6	SSP2-4.5	SSP3-7.0	SSP5-8.5
2030	0.09 (0.08~0.12)	0.09 (0.08~0.12)	0.10 (0.08~0.12)	0.10 (0.09~0.12)
2050	0.19 (0.16~0.25)	0.20 (0.17~0.26)	0.22 (0.18~0.27)	0.23 (0.20~0.29)
2090	0.39 (0.30~0.54)	0.48 (0.38~0.65)	0.56 (0.46~0.74)	0.63 (0.52~0.83)
2100	0.44 (0.32~0.62)	0.56 (0.44~0.76)	0.68 (0.55~0.90)	0.77 (0.63~1.01)

배수갑문을 통한 저수량 방류는 담수측 농경지와 해측 어업과 조위 등을 고려하여 해당 지역 담수호 관리수위보다 내수위 상승 시 방류하는 것을 원칙으로 한다. 담수호 내수위가 조위보다 높은 경우에만 배수가 가능하므로, 하루 중 썰물 기간 중 조위가 내수위 이하로 떨어진 시점부터 밀물 기간 중 조위와 내수위 차이가 0.5 m 이하가 되기까지 약 5~6시간 동안 방류할 수 있다. 내수위와 외수위 차이에 의한 방류량을 산정하기 위해 Kim et al. (2023b)에서 제시한 방법을 활용하였다. 방류량은 내외수위 조건에 따라 4가지(잠긴 오리피스, 수면 오리피스, 잠긴 웨어, 자유유출 웨어)으로 구분하여 산정하였으며 흐름 조건별 방류량 공식에 적용된 유량계수 값은 NIER (2011)에서 제시한 값을 적용하였다.

2.4 지속가능성 평가

하구 담수호의 이수 관리를 위해서는 수위를 높게 유지하는 것이 유리하나 치수 측면에서는 수위를 낮게 유지하는 것이 유리하다. 이와 같이 담수호 수자원 평가를 위해서는 서로 연관된 측면들을 적절히 고려하여 평가할 필요가 있다. 이에 따라 본 연구에서는 하구 담수호 수자원의 역할을 고려하여, 신뢰도, 회복도, 취약도 지표 기반의 지속가능성 지수를 이용하여 하구 담수호 수자원 관리 이·치수 지속가능성을 평가하고자 한다. 본 연구에서 이용한 지속가능성 지수는 담수호의 수위와 내용적을 매개변수로 하여 모델링을 통해 미래의 값을 추정할 수 있다는 장점이 있다.

2.4.1 신뢰도 지표

신뢰도(reliability)는 수자원의 안정성 정도를 평가하는 방법으로 오래전부터 가장 많이 이용되고 있는 지표로(Lee et al., 2013), Hashimoto et al. (1982)가 제안한 지표가 주로 사용되었다. 신뢰도는 수자원 시스템이 성공할(실패하지 않을) 가능성의 정도를 판단하는 데 있어 주요 지표로 이용된다. 신뢰도는 운영 및 평가 단위에 따라 기간 신뢰도, 발생 신뢰도, 양적 신뢰도로 구분할 수 있다(Sung et al., 2022). 이 중 본 연구에서는 기간 신뢰도를 이용하여 분석을 수행하였다. 기간 신뢰도는 전체 평가 기간의 분석단위(일, 순, 월)의 총 기간 수 동안 설정한 기준을 만족한 기간 수로 표현된다. 설정한 기준을 만족하지 못하는 경우를 실패로 가정하였으며 신뢰도는 아래 Eq. (1)과 같이 표현된다.

(1)

R e l = 1 - \frac{\sum_{j = 1}^{M} d (j)}{T_{t}}

여기서, $R e l$ 는 기간 신뢰도, $M$ 은 전체 실패 사상의 수, $d (j)$ 는 j번째 실패 사상별 기간, $T_{t}$ 는 전체 기간 수이다. 가뭄대응 가이드북(NDIC, 2016)의 농업용수 가뭄 예‧경보 기준에 따르면 영농기(4~10월)에 저수지 저수율이 평년의 40% 이하에 해당되는 경우를 매우 심한 가뭄으로 분류하고 있다. 본 연구에서는 이 기준을 참고하여 비홍수기 관리수위의 유효저수율 40%일 때의 수위(-2.86 EL. m)를 이수 측면 기준으로 설정하여 이수 신뢰도를 산정하였다. 또한, 담수호 수위가 홍수위를 초과하는 경우에는 제체 월류 또는 상류 유역에 침수가 발생할 수 있다. 이에 따라 본 연구에서는 치수 측면 기준으로 담수호 홍수위(+1.12 EL. m)를 설정하여 치수 신뢰도를 산정하였다.

2.4.2 회복도 지표

회복도(resiliency)는 시스템이 일정 기준을 벗어난 실패 상황이 발생했을 때 그 상태로부터 얼마나 빨리 회복되는지 판단하는 지표로, 동일한 신뢰도를 갖더라도 실패가 지속되거나 회복 속도가 느린지의 여부를 판단하기 위하여 사용한다(Sung et al., 2022). 본 연구에서는 Hashimoto et al. (1982)가 제안한 회복도 지표를 이용하였다. Hashimoto et al. (1982)는 전체 평가 기간 동안 실패한 사상의 평균 실패 기간의 역수로 회복도를 정의하였으며 아래 Eq. (2)와 같이 표현된다.

(2)

R e s = {(\frac{1}{M} \sum_{j = 1}^{M} d (j))}^{- 1}

여기서, $R e s$ 는 회복도, $M$ 은 전체 실패 사상의 수, $d (j)$ 는 $j$ 번째 실패 사상별 기간이다. 신뢰도 부분에서 설정한 이수, 치수 측면 기준(-2.86 EL. m, +1.12 EL. m)을 적용하여 이수, 치수 회복도를 산정하였다.

2.4.3 취약도 지표

취약도(vulnerability)는 실패가 발생하는 경우, 실패의 심각도를 나타내는 지표이다. 동일한 신뢰도와 회복도를 가지더라도 실패사상의 심각도에 따라 피해가 달라질 수 있어 이를 표현하기 위하여 신뢰도, 회복도와 함께 취약도를 분석하였다. 본 연구에서는 Loucks and van Beek (2005)가 제시한 실패의 평균으로 표현된 취약도를 이용하였으며 아래 Eq. (3)과 같이 표현된다.

(3)

V u l = \frac{v'}{D}, v' = \sum_{j = 1}^{M} v (j) / \sum_{j = 1}^{M} d (j)

여기서, $V u l$ 는 취약도, $v'$ 는 평균 취약도, $D$ 는 계획한 가치의 정도, $M$ 은 전체 실패 사상의 수, $v (j)$ 는 $j$ 번째 실패 사상의 정도, $d (j)$ 는 $j$ 번째 실패 사상별 기간을 나타낸다. 예를 들어, 이수 측면의 취약도를 산정하는 경우에 $D$ 는 계획공급량이나 목표공급량, $v (j)$ 는 $j$ 번째 용수 부족 사상의 용수 부족량으로 설정할 수 있으며 이에 따라 용수 부족 사상 전체의 부족량의 평균값으로 평균취약도를 추정하고 이를 계획공급량이나 목표공급량으로 나누어 무차원 취약도를 얻을 수 있다. 이에 따라 취약도는 정상적인 용수공급이 불가능한 상황에서의 부족량의 심도를 의미하게 된다.

취약도의 경우, 신뢰도, 회복도 부분에서 설정한 기준을 적용하여 실패사상을 분류하였다. 이수 측면의 경우, 실패 정도( $v (j)$ )는 기준 수위(-2.86 EL. m)일 때의 저수량보다 부족한 양으로 설정하였다. 여기서 $D$ 는 기준 수위(-2.86 EL. m)일 때의 저수량으로 설정하여 이수 취약도를 산정하였다. 치수 측면의 경우, 실패 정도( $v (j)$ )는 기준 수위 (+1.12 EL. m)일 때의 저수량보다 초과한 양으로 설정하였다. 여기서 $D$ 는 홍수기 관리수위에 따라 산정되는 홍수조절용량으로 설정하여 치수 취약도를 산정하였다.

2.4.4 지속가능성 지수

수자원 지속가능성을 평가하기 위한 방법으로 여러 종류의 지수가 개발되었다. 앞에서 제시한 개별 지표들을 활용하여 Loucks (1997)는 SI (Sustainability Index)를 제시한 바 있다. 기본적으로 SI는 확률개념의 양적인 평가가 가능한 신뢰도, 회복도 및 취약도를 묶은 복합지수 형태이며(Lee, 2014), 아래 Eq. (4)와 같이 표현된다.

(4)

S I = R e l \times R e s \times (1 - V u l)

여기서, $S I$ 는 신뢰도( $R e l$ ), 회복도( $R e s$ ), 취약도( $V u l$ )를 통합한 것으로 각 지표의 값을 곱하고 있다. 취약도의 경우, 값이 클수록 취약성이 크므로 다른 지표와의 연관성을 고려하여 (1- $V u l$ )의 형태를 취하고 있다. 지속가능성 지수 값이 1에 가까울수록 지속가능성이 크다는 것을 의미한다. 여러 문헌에서 이를 연구 실정에 맞춰 변형하여 사용한 바 있다(Sung et al., 2018; Hazbavi et al., 2018; Sandoval-Solis et al., 2011; Loucks and van Beek, 2005). 개별 지표의 균등성을 고려하기 위해 기하 평균을 통해 아래 Eq. (5)와 같이 나타낼 수 있다.

(5)

S I = [R e l \times R e s \times (1 - V u l)]^{1 / 3}

본 연구에서는 이수, 치수 측면의 지속가능성 지수를 Eq. (5)를 통해 산정하였다. 지수 값이 클수록 담수호 이수, 치수 측면에서 지속가능성이 높은 것으로 판단하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 미래 환경 변화 자료 구축 결과

3.1.1 미래 기상자료

GCM 3개(ACCESS-CM2, CNRM-CM6-1, INM-CM4-8)에 대해 2021~2100년 기간의 미래 기상자료를 구축하였다. 일별 강우량, 최고기온 자료를 토대로 연도별 분석을 수행하였으며 그 결과는 Fig. 3과 같다. 미래 연강수량은 과거 연평균 강수량 1,259 mm (1987~2020년)보다 전반적으로 큰 값을 나타내었다. 미래 연강수량 평균값을 살펴보면 SSP2를 제외하고는 SSP1에서 SSP5로 기후변화가 심각해질수록 연강수량 평균값도 커지는 것을 확인할 수 있다. 그러나 연강수량의 최댓값, 최솟값은 특별한 경향이 나타나지는 않았다. 미래 연최고기온은 과거 연평균 최고기온 34.3°C (1987~2020년)보다 전반적으로 큰 값을 나타내었다. 미래 연도별 최고기온 평균값을 살펴보면 SSP1에서 SSP5로 기후변화가 심각해질수록 최고기온 평균값도 커지는 것을 확인할 수 있다. 전반적으로 INM-CM4-8 GCM의 강우량과 기온이 다른 GCM의 자료보다 작은 값을 나타내었다.

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Fig. 3.

Annual precipitation and maximum air temperature projections for the Ganwol watershed

3.1.2 미래 양수량 자료

미래 기상 변화와 토지이용 변화에 따라 미래 필요수량이 변화할 것으로 예상된다. 이에 따라 미래 필요수량과 양수장 양수량을 산정하였으며 그 결과는 Fig. 4와 같다. GCM 및 기후변화 시나리오에 따른 연평균 작물 필요수량은 246.3~267.2×10⁶ m³로 산정되었다. 과거 관측자료(2001~2020)의 연간 논 필요수량(249.0 ×10⁶ m³)과 비교하여 -1.1~+7.3% 변화가 발생하는 것으로 나타났다. 이러한 변화가 발생한 이유로는 기상변화에 따라 대부분의 GCM에서 증발산량이 증가하고, 일부 GCM (INM-CM4-8 SSP3)에서 증발산량이 과거보다 감소한 것으로 나타났기 때문으로 사료된다. 기상변화만 고려한 경우에는 월별 필요수량이 0.4~10.1% 증가하는 것으로 나타났으나 토지이용 변화까지 고려하는 경우에는 농경지 면적 감소에 따라 월별 필요수량이 -0.5~+9.1% 변화하는 것으로 나타났다.

미래 필요수량 산정 결과를 바탕으로 미래 월별 평균 일 공급량을 산정하여 미래 양수량 자료를 구축하였다. GCM 및 기후변화 시나리오에 따라 미래 연간 양수량은 60.5~97.4×10⁶ m³로 산정되었다. 이는 과거 양수장 자료(2015~2020년)의 양수량(52.4~117.4×10⁶ m³) 값의 범위 내로 산정됨에 따라 미래 양수량을 적절히 추정한 것으로 사료된다. 과거 양수량의 범위는 양수장 관리자에 의해 인위적으로 운영되어 미래 기간의 양수량의 범위보다 더 넓게 나타난 것으로 사료된다.

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Fig. 4.

Annual crop water requirement and pumping station discharge projections under climate change scenarios

3.1.3 미래 방류량 자료

조위 예측 모형과 해수면 상승 시나리오에 따른 해수면 상승고를 이용하여 SSP 시나리오에 따른 미래 조위 자료를 구축하였다. 해수면 상승 시나리오 적용에 따라 2100년에는 SSP1과 SSP5 시나리오의 조위가 최대 33 cm 차이가 나는 것으로 나타났다. 이후, 담수호 유입량, 양수량, 관리수위, 수위-내용적 관계에 따른 배수갑문 방류량을 산정하였으며 그 결과는 Fig. 5와 같다. 2015년부터 2020년까지의 간월호 배수갑문 조작일지에 따른 연평균 총 방류량은 약 165.2×10⁶ m³로 나타났으며 미래 연간 총 방류량의 평균값은 294.0~411.0×10⁶ m³로 이를 상회하는 것으로 나타났다. 이는 2015~2017년 약 856 mm의 적은 연 강수량으로 배수 횟수와 배수량이 적었으며, 미래 연강수량 값이 과거보다 큰 값을 나타내기 때문으로 사료된다.

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Fig. 5.

Total annual discharge of sluice according to GCM

3.2 미래 환경 변화에 따른 담수호 수자원 모의 결과

미래 기상과 토지이용 변화를 고려하여 하구 담수호 유역의 수문을 모의하였으며 그 결과는 Table 3과 같다. 연간 유역 유출량은 강우량의 영향을 크게 받기 때문에 강우량과 비례하는 결과가 나타났다. 평균 유출량과 연 최대 유출량의 경우, GCM 중 CNRM-CN6-1이 제일 큰 값을 나타냈다.

Table 3.

Maximum, minimum, and average annual stream discharge by GCM (2021~2100, unit: m³/s)

GCM	Item	SSP1	SSP2	SSP3	SSP5
ACCESS -CM2	maximum	838	757	813	817
	minimum	140	174	144	127
	average	387	377	418	417
CNRM -CM6-1	maximum	939	860	1,058	1,133
	minimum	158	218	193	204
	average	459	458	486	489
INM -CM4-8	maximum	730	758	818	882
	minimum	144	125	145	142
	average	382	370	404	454

호소 수문 모의 결과는 Fig. 6과 같다. 현재의 관리수위 방안으로 담수호를 운영하는 경우에는 관리수위에 따라 수위를 조절하고 있어 사수위(-3.9 EL. m)보다 수위가 낮아지는 경우는 발생하지 않았다. 그러나 2개의 GCM (ACCESS-CM2, CNRM-CM6-1)에서 홍수위(+1.12 EL. m)를 초과하는 경우가 각각 2회씩 발생하였으며, 1개의 GCM (INM-CM4-8)에서는 홍수위 초과 사상이 발생하지 않았다. 이는 INM-CM4-8 GCM의 강우량이 전반적으로 다른 GCM보다 적기 때문으로 사료된다. 국가가뭄정보센터의 농업용수 가뭄 예‧경보의 매우 심한 가뭄 기준을 참고하여 비홍수기 관리수위(-1.7 EL. m)의 유효저수율 40%일 때의 수위인 -2.86 EL. m를 이수 측면에서 보장되어야 하는 수위로 설정하는 경우에는 모든 GCM에서 이 기준(-2.86 EL. m)을 만족하지 못하였다. GCM별로 ACCESS-CM2의 경우는 5번, CNRM-CM6-1의 경우는 1번, INM-CM4-8의 경우는 4번 기준을 만족하지 못하였다.

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Fig. 6.

Water level simulation results of the Ganwol estuarine reservoir

ACCESS-CM2의 이수, 치수 기준을 초과한 사상을 확대하여 살펴보면 Fig. 7과 같다. 수위가 진동하는 것을 통해 평상시에 관리수위에 따라 수위가 잘 조절되고 있는 것을 살펴볼 수 있다. 그러나 일부 SSP에서 이수, 치수 측면의 실패가 발생하였다. 실패 사상의 양상을 살펴보면 이수 실패의 경우, 그 기간이 길며 빨리 회복되지 않는 경향이 있었다. 이는 홍수기에 홍수에 대비하기 위해 배수갑문 방류를 통해 홍수기 관리수위까지 수위를 일부러 낮추었으나 이후 오랜 기간 강우가 없고, 양수장 운영은 지속되었기 때문으로 사료된다.

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Fig. 7.

Water level simulation results in fail events of the Ganwol estuarine reservoir on ACCESS-CM2

반면 치수 실패의 경우, 실패 기간이 짧으며 빠르게 회복되는 것을 확인할 수 있다. 이는 배수갑문을 통해 홍수량을 배제하면 치수 실패에서 벗어날 수 있기 때문으로 사료된다. 이와 반대로 이수의 경우, 실패가 발생하면 강우에 의해 유역 유출량이 발생하여 유출량이 호소로 유입될 때까지 기다리는 방법밖에 없어 실패에서 회복되는 것이 느린 것으로 사료된다. 이에 따라 기후변화에 따른 이수, 치수 관리를 위해서는 기존 담수호 관리방안의 보완이 필요할 것으로 보인다.

3.3 하구 담수호 이·치수 지속가능성 평가

3.3.1 이수 지속가능성

GCM과 기후변화 시나리오에 따른 담수호 수위, 저수량 모의 결과를 이용하여 이수 지속가능성 지수를 산정하였으며 그 결과는 Table 4와 같다. GCM과 기후변화 시나리오에 따라 이수 실패가 발생하지 않는 시나리오도 있었으며 INM-CM4- 8 GCM의 경우 모든 SSP 시나리오에서 이수 실패가 발생하였다. 이수 실패가 발생한 SSP 시나리오들은 기후변화가 심각한 시나리오일수록 평균 취약도 값이 커지는 것을 살펴볼 수 있다.

Table 4의 신뢰도를 살펴보면 모든 시나리오에서 거의 1에 가까운 값을 나타내고 있는 것을 볼 수 있다. 이는 전체 모의 기간 2021~2100년 중 이수 실패가 발생한 날의 횟수로 계산되다 보니 이수 실패 날의 횟수가 전체 모의 기간에 비해 현저히 적은 값을 띠어 이런 결과가 나온 것으로 사료된다. 이수 실패가 발생한 시나리오에서 이수 지속가능성 지수는 0.20~0.41 범위의 값을 나타내어 이수 지속가능성이 낮은 것으로 평가되었다. 이수 지속가능성 값이 낮게 산정된 이유로는 이수 실패 기간이 길어 회복도 값이 작게 산정되었기 때문으로 사료된다.

Table 4.

Reliability, resiliency, vulnerability, sustainability index according to GCM and climate change scenarios in water use management (2021~2100)

GCM	Scenario	$R e l_{U}$	$R e s_{U}$	1- $V u l_{U}$	$S I_{U}$
ACCESS- CM2	SSP1	1.00	0.07	0.92	0.41
	SSP2	1	1	1	1
	SSP3	1.00	0.03	0.85	0.30
	SSP5	0.99	0.01	0.76	0.20
CNRM- CM6-1	SSP1	1	1	1	1
	SSP2	1	1	1	1
	SSP3	1	1	1	1
	SSP5	1.00	0.05	0.91	0.36
INM- CM4-8	SSP1	1.00	0.06	0.98	0.39
	SSP2	1.00	0.05	0.92	0.35
	SSP3	1.00	0.02	0.82	0.25
	SSP5	1.00	0.06	0.81	0.36

3.3.2 치수 지속가능성

GCM과 기후변화 시나리오에 따른 담수호 수위, 저수량 모의 결과를 이용하여 치수 지속가능성을 산정하였으며 그 결과는 Table 5와 같다. GCM과 기후변화 시나리오에 따라 치수 실패가 발생하지 않는 시나리오도 있었으며 INM-CM4-8 GCM의 경우 모든 SSP 시나리오에서 치수 실패가 발생하지 않았다. 이는 다른 GCM에 비해 해당 GCM의 강우량이 적어 배수갑문을 통한 배수를 통해 적절히 수위를 유지할 수 있었기 때문으로 사료된다.

Table 5.

Reliability, resiliency, vulnerability, sustainability index according to GCM and climate change scenarios in flood control management (2021~2100)

GCM	Scenario	$R e l_{F}$	$R e s_{F}$	1- $V u l_{F}$	$S I_{F}$
ACCESS- CM2	SSP1	1	1	1	1
	SSP2	1.00	0.50	0.89	0.76
	SSP3	1	1	1	1
	SSP5	1.00	0.50	0.91	0.77
CNRM- CM6-1	SSP1	1	1	1	1
	SSP2	1	1	1	1
	SSP3	1.00	0.50	0.85	0.75
	SSP5	1.00	0.33	0.83	0.65
INM- CM4-8	SSP1	1	1	1	1
	SSP2	1	1	1	1
	SSP3	1	1	1	1
	SSP5	1	1	1	1

신뢰도를 살펴보면 모든 시나리오에서 거의 1에 가까운 값을 나타내고 있는 것을 볼 수 있다. 이는 전체 모의 기간 2021~2100년 중 치수 실패가 발생한 날의 횟수로 계산되다 보니 치수 실패 날의 횟수가 전체 모의 기간에 비해 현저히 적은 값을 띄어 이런 결과가 나온 것으로 사료된다. 회복도의 경우, 이수 측면의 값보다 현저히 크게 산정되었으며 이는 배수갑문을 통한 인위적 배수로 치수 실패에서 빠르게 벗어났기 때문으로 사료된다. 취약도는 이수 측면의 값과 유사하게 산정되었으나 치수 측면의 취약도가 이수 측면보다 작게 산정되었다. 치수 지속가능성 지수는 치수 실패가 발생한 시나리오에서도 0.65~0.77 범위 값을 나타내어 치수 지속가능성은 이수 지속가능성에 비해 큰 것으로 평가되었다. 이수 지속가능성보다 치수 지속가능성이 크게 평가된 것은 치수 실패 기간이 이수 실패 기간보다 현저히 적어 회복도가 이수 측면에서보다 크게 산정되었기 때문으로 사료된다.

3.3.3 하구 담수호 이·치수 지속가능성

이수, 치수 측면에서의 지속가능성을 전반적으로 분석하였으며 그 결과, 과거 간월호 관리수위 운영 시에는 이수, 치수 측면에서의 실패가 발생하지 않아 지속가능성 지수가 1의 값을 나타내었다. 미래 기간에는 모든 GCM에서 전반적으로 이수, 치수 지속가능성 지수가 과거보다 낮게 산정되었다. 이는 미래 환경 변화로 인해 이수, 치수 기준을 만족하지 못하는 경우가 발생하였기 때문이다. 또한, 이수, 치수 지속가능성의 편차가 다른 것으로 나타났다. 이는 담수호의 가뭄 설계빈도가 10년, 홍수 설계빈도가 100년으로, 설계빈도의 차이로 인해 실패 발생 횟수(이수 10회, 치수 4회)에 차이가 나기 때문으로 판단된다. 또한 가뭄의 경우, 실패에서 벗어나기 위해서는 강우를 기다려야 하지만 홍수 발생 시에는 이를 위해 인위적인 배수갑문 조작을 통해 빠르게 홍수량을 배제할 수 있다. 이와 같은 차이로 인해 발생 양상의 차이가 발생하고 각 측면의 편차가 달리 발생하는 것으로 사료된다. 이수, 치수 지속가능성을 살펴보면 이수 측면의 지속가능성이 더 낮아 관리수위 조정 등을 통한 이수용량 확보가 필요할 것으로 보인다.

3.4 관리수위 조절 방안에 따른 지속가능성 평가

이수 지속가능성 지수가 치수 지속가능성 지수 값보다 작게 산정되었기 때문에 이에 따라 간월호 설계 당시 관리수위였던 -1.0 EL. m를 비홍수기 관리수위로 설정하는 수자원 관리방안을 구성하였다(현재 비홍수기 관리수위 -1.7 EL. m). 관리수위 상향 조정을 통해 이수 지속가능성 개선과 함께 치수 지속가능성을 평가하였으며 호소 수위 모의 결과는 Fig. 8과 같다. 관리수위 변화에 따른 배수갑문 방류 횟수와 방류량의 변화를 살펴본 결과, 총 방류량 값은 관리수위 상승 전과 크게 차이가 발생하지 않았으나, 방류 횟수는 크게 감소하여 방류 시 일 방류량 값이 크게 증가하였다. 담수호 수위 모의 결과, 관리수위를 상향 조정한 경우, ACCESS-CM2 SSP5를 제외하고 모든 기후변화 시나리오에서 이수 기준을 만족시키는 것으로 나타났다. GCM별로 살펴보면, ACCESS-CM2의 경우, 모든 SSP 시나리오에 대해 총 5번의 이수 실패가 발생했으나 관리수위 상향 방안에 따라 총 1번의 이수 실패만 발생하였다. CNRM-CM6-1과 INM-CM4-8의 경우, 각각 1회와 4회 이수 실패가 발생했으나 관리수위 상향 방안에 따라 이수 실패가 발생하지 않게 되었다. 한편, 치수 측면을 살펴보면 관리수위를 상향시키기 전과 비슷한 수준으로 치수 실패가 발생한 것으로 나타났다.

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Fig. 8.

Water level simulation results of the Ganwol estuarine reservoir according to water management level (-1.0 EL. m) in non flood season

비홍수기 관리수위 상향 방안에 따른 이수 지속가능성을 평가하였으며 그 결과는 Table 6과 같다. 관리수위 상향 방안에 따라 이수 실패 횟수는 총 10회에서 1회(ACCESS-CM2 SSP5)로 감소하였으며 이에 따라 ACCESS-CM2 SSP5 시나리오를 제외한 모든 시나리오에서 실패가 발생하지 않아 이수 지속가능성 지수는 1로 산정되었다. ACCESS SSP5 시나리오의 경우 기존에 총 2번의 이수 실패가 발생하였다가 관리수위 상승에 따라 이수 실패 횟수가 1번으로 감소하며 신뢰도가 0.99에서 1.00으로 증가, 회복도가 0.01에서 0.07로 증가, 취약도는 0.24에서 0.04로 감소, 지속가능성 지수가 0.02에서 0.40으로 증가하였다. 그러나 이수 실패가 해결되지 않아 이를 해결할 수 있는 추가적인 관리방안 모색이 필요할 것으로 보인다.

Table 6.

Sustainability index according to water management level in non flood season in water use management (2021~2100)

GCM	Scenario	Water management level		Change
GCM	Scenario	-1.7 EL. m	-1.0 EL. m	Change
ACCESS- CM2	SSP1	0.41	1	+0.59
	SSP2	1	1	-
	SSP3	0.30	1	+0.70
	SSP5	0.20	0.40	+0.20
CNRM- CM6-1	SSP1	1	1	-
	SSP2	1	1	-
	SSP3	1	1	-
	SSP5	0.36	1	+0.64
INM- CM4-8	SSP1	0.39	1	+0.61
	SSP2	0.35	1	+0.65
	SSP3	0.25	1	+0.75
	SSP5	0.36	1	+0.64

치수 지속가능성의 경우, 관리수위 상향 방안 적용 전후가 크게 차이가 나지 않았다(Table 7). 치수 신뢰도 지표와 치수 회복도 지표의 경우 차이가 발생하지 않았지만 관리수위 상향에 따라 ACCESS-CM2 SSP2 시나리오에서는 담수호 최고 수위가 약 3 cm 상승하여 취약도가 증가하였다.

Table 7.

Reliability, resiliency, vulnerability, sustainability index according to GCM and climate change scenarios in water use management (2021~2100)

GCM	Water management level	Scenario	$R e l_{F}$	$R e s_{F}$	1- $V u l_{F}$	$S I_{F}$
ACCESS-CM2	-1.7 EL. m	SSP1	1	1	1	1
		SSP2	1.00	0.50	0.89	0.76
		SSP3	1	1	1	1
		SSP5	1.00	0.50	0.91	0.77
	-1.0 EL. m	SSP1	1	1	1	1
		SSP2	1.00	0.50	0.86	0.76
		SSP3	1	1	1	1
		SSP5	1.00	0.50	0.91	0.77
CNRM-CM6-1	-1.7 EL. m	SSP1	1	1	1	1
		SSP2	1	1	1	1
		SSP3	1.00	0.50	0.85	0.75
		SSP5	1.00	0.33	0.83	0.65
	-1.0 EL. m	SSP1	1	1	1	1
		SSP2	1	1	1	1
		SSP3	1.00	0.50	0.85	0.75
		SSP5	1.00	0.33	0.83	0.65
INM-CM4-8	-1.7 EL. m	SSP1	1	1	1	1
		SSP2	1	1	1	1
		SSP3	1	1	1	1
		SSP5	1	1	1	1
	-1.0 EL. m	SSP1	1	1	1	1
		SSP2	1	1	1	1
		SSP3	1	1	1	1
		SSP5	1	1	1	1

관리수위 상향 방안에도 이수 실패가 지속적으로 발생한 ACCESS-CM2 SSP5 시나리오를 대상으로 원인을 분석하였으며 그 결과는 Fig. 9를 통해 확인할 수 있다. 비홍수기 관리수위를 -1.4 EL. m까지 상승시키는 경우 관리수위를 -1.7 EL. m로 설정하였을 때보다 이수 실패가 발생하는 기간이 짧아졌지만 이수 실패가 발생하는 것을 살펴볼 수 있다. 이에 따라 관리수위를 더 상향시킨 방안을 적용해 보았지만, 이수 실패가 계속 발생하였는데 이는 홍수기(6/21~8/20) 관리수위(-2.1 EL. m)를 맞추기 위해 물을 방류한 후 강우가 오랫동안 내리지 않아 이수 실패가 발생한 것으로 보인다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해서는 홍수기 관리수위 평가가 추가적으로 수행되어야 할 것으로 보이며 치수 측면 지속가능성 분석과 함께 홍수기 관리수위 조정 대안 등을 적용한다면 이수, 치수 지속가능성을 개선할 수 있을 것으로 사료된다. 이와 같은 이수 실패 문제를 해결하기 위해, 본 연구에서 적용한 방법을 통해 장기적인 관리수위 방안을 수립하고, 기상 예보 시스템과 연계하여 근미래에 강우가 없을 것으로 예보되면 홍수기 관리수위 운영 일자를 조금 연기하는 등의 유연한 운영 방안을 수립하는 것도 하나의 방법이 될 수 있을 것으로 사료된다.

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Fig. 9.

Simulation result of water level according to water management level of ACCESS SSP5 scenario

4. 결 론

본 연구에서는 지속가능한 담수호 관리를 위해 미래 환경 변화에 따른 이‧치수 지속가능성을 평가하였다. 이를 위해 유역-호소 연계 모형을 이용하여 담수호 수자원 모의 시스템을 구축하고, 미래 환경 변화 자료를 구축하여 담수호 수자원 변화를 모의하였으며, 신뢰도, 회복도, 취약도 지표 기반의 수자원 지속가능성 지수를 산정하여 담수호 관리방안의 지속가능성을 정량적으로 평가하였다. 또한, 관리수위 조절 방안에 따른 지속가능성 변화를 분석하고 평가하였다.

담수호 수자원을 모의하는 경우에는 미래 담수호 수환경에 영향을 줄 수 있는 미래 환경 변화를 적절히 고려하여 미래 담수호 수자원을 모의할 필요가 있음을 보였다. 기후변화 자료 중 GCM과 시나리오에 따라 이수, 치수 관리수위를 만족시키지 못하는 상황이 발생하고 이에 따라 신뢰도, 회복도, 취약도, 지속가능성 지수의 값이 넓은 범위로 분포하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 향후 미래 수자원 관리방안을 평가할 때, 다양한 기후변화 시나리오를 고려하여 잠재적인 불확실성과 리스크에 대비하는 것이 필요함을 알 수 있었다. 관리방안을 설정할 때는 이수, 치수 측면을 모두 고려하여 설정해야 함을 보여주었다. 본 연구의 결과에 따르면 현재 간월호의 관리수위 운영 방안은 과거 기간에는 이수나 치수 문제를 발생시키지 않았지만, 미래에는 이수와 치수 관리에 문제를 발생시킬 수 있음을 확인하였다. 특히, 이수 기준을 충족하지 못하는 문제가 더 자주 발생하는 것으로 나타났다. 이에 따라 비홍수기 관리수위 상향 방안을 적용하여 지속가능성을 분석하였으며 그 결과, 모든 GCM과 시나리오에서 이수 실패 발생 횟수가 감소하였다. 이에 따라 이수 지속가능성 지수 값이 증가하였으며 이수 측면에서는 관리수위 상향 방안이 효과적인 것으로 나타났다. 그러나 치수 지속가능성 지수가 미미하게 감소하는 경향을 보여 치수 관리 대책이 별도로 필요할 것으로 나타났다. 관리수위 상향 방안 적용에도 지속적으로 나타난 이수 실패의 경우, 홍수기 관리수위를 맞추기 위해 홍수기에 물을 방류한 후 강우가 내리지 않아 발생한 것으로 나타났다. 이에 따라 이수 지속가능성 개선을 위해 홍수기 관리수위 조절 방안 검토가 필요할 것으로 보이며 동시에 치수 지속가능성 평가가 진행되어야 할 것으로 판단된다.

담수호 관리방안에 따라 지속가능성 지수가 변화하는 것을 통해 본 연구에서 적용한 지속가능성 지수는 담수호 수자원의 현황을 파악하고 지속가능성을 정량적으로 평가할 수 있는 기법으로 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 본 연구에서 적용한 지속가능성 평가 방법을 통해 담수호 수자원 관리방안에 따른 지속가능성 변화를 정량적으로 파악하고, 이를 관리방안 선정 지원 도구로 활용할 수 있음을 보여주었다. 이를 활용하여 수자원 관리방안 평가체계를 보완하고 대안을 효율적으로 찾을 수 있을 것으로 기대되며 나아가 농업용 저수지의 관리방안 평가에도 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

하지만 본 연구에서는 담수호 수자원의 사회적, 경제적 요소를 직접적으로 고려하지 못한 한계가 있으며, 담수호 퇴사량을 고려하지 못해 이로 인한 담수호의 호 내 내용적 감소를 고려하지 못한 한계가 있다. 그리고 한반도의 해수면 상승은 전 지구적 평균치를 상회하며 해안별 편차가 크므로 추후 IPCC의 각 시나리오에서 추정한 해수면 상승률을 우리 해역에 맞게 간접적으로 보정하는 방법 등을 적용하여 분석할 필요가 있다(Yoon and Kim, 2012). 나아가 이수, 치수 측면과 더불어 수질 측면도 함께 고려되어야 할 것으로 보이며 각 측면의 가중치 선정 등에 관한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 향후 기상 예보 시스템과의 연계 등이 추가된다면 담수호 관리방안 평가로서의 적용성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgements

이 논문은 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (No. 2020R1A2C2003808).

Conflicts of Interest

The authors declare no conflict of interest.

References

Cha, S., and Park, K. (2004). "A study on estimate of evaluation indices of water supply capacity for multipurpose dam." Journal of the Environmental Sciences, Vol. 13, No. 3, pp. 197-204.

10.5322/JES.2004.13.3.197

Chaves, H.M.L., and Alipaz, S. (2007). "An integrated indicator based on basin hydrology, environment, life, and policy: The watershed sustainability index." Water Resources Management, Vol. 21, No. 5, pp. 883-895.

10.1007/s11269-006-9107-2

Cho, J. (2013). Climate change impact assessment of agricultural reservoirs considering uncertainty. Research Report 2013-05. APEC Climate Center.

Choi, S.J., and Lee, D.R. (2005). "Indicators for evaluation of sustainable water resources development and management." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 38, No. 9, pp. 779-790.

10.3741/JKWRA.2005.38.9.779

Choi, Y., Lee, E., Ji, J., and Yi, J. (2020). "Evaluation of a reservoir system based on a deficit supply in the Han River Basin." Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol. 40, No. 5, pp. 477-484.

Chungcheongnam-do (2001). The preservation of water quality and water management measures for the Seosan A.B District reservoir. p. 91.

Government Ministries Jointly (2021). First national water management master plan (2021-2030).

Hashimoto, T., Stedinger, J.R., and Loucks, D.P. (1982). "Reliability, resiliency, and vulnerability criteria for water resource system performance evaluation." Water Resources Research, Vol. 18, No. 1, pp. 14-20.

10.1029/WR018i001p00014

Hazbavi, Z., Baartman, J.E., Nunes, J.P., Keesstra, S.D., and Sadeghi, S.H. (2018). "Changeability of reliability, resilience and vulnerability indicators with respect to drought patterns." Ecological Indicators, Vol. 87, pp. 196-208.

10.1016/j.ecolind.2017.12.054

Hwang, S. (2020). Dynamic resilience assessment for water quality management of estuarine reservoir using SWAT-EFDC model. Ph. D. Dissertation, Seoul National University, p. 12.

Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) (2008). Climate change and water. Technical Paper, IPCC Secretariat, Geneva, p. 43.

Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) (2021). Climate change 2021: The physical science basis. Contribution of working group I to the sixth assessment report of the intergovernmental panel on climate change. Edited by Masson-Delmotte, V., Zhai, P., Pirani, A., Connors, S.L., Pean, C., Berger, S., Caud, N., Chen, Y., Goldfarb, L., Gomis, M.I., Huang, M., Leitzell, K., Lonnoy, E., Matthews, J.B.R., Maycock, T.K., Waterfield, T., Yelekci, O., Yu, R., and Zhou, B., Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, U.S. doi: 0.1017/9781009157896.

Kang, M.G., and Lee, G.M. (2006). "Development of assessment index for water resources sustainability and weights evaluation of it's components." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 39, No. 1, pp. 59-68.

10.3741/JKWRA.2006.39.1.059

Kang, M.G., Park, S.W., and Kang, M., (2005). "Real-time upstream inflow forecasting for flood management of estuary dam." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 38, No. 12, pp. 1061-1072.

10.3741/JKWRA.2005.38.12.1061

Kim, J., Baek, J., Park, J., Park, B., and Shin, H. (2022a). "A study on the selection of priority management watershed for the restoration of water cycle." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 55, No. 10, pp. 749-759.

Kim, K., Park, M., Min, J.H., Ryu, I., Kang, M.R., and Park, L.J. (2014). "Simulation of algal bloom dynamics in a river with the ensemble Kalman filter." Journal of Hydrology, Vol. 519, pp. 2810-2821.

10.1016/j.jhydrol.2014.09.073

Kim, S., Hwang, S., Kim, S., Lee, H., Jun, S., and Kang, M. (2022b). "Assessment of estuary reservoir water quality according to upstream pollutant management using watershed-reservoir linkage model." Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, Vol. 64, No. 6, pp. 1-12.

Kim, S., Hwang, S., Kim, S., Lee, H., Kwak, J., Kim, J., and Kang, M. (2023a). "Evaluation of estuary reservoir management based on robust decision making considering water use-flood control-water quality under climate change." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 56, No. 6, pp. 419-429.

Kim, S., Kim, S., Hwang, S., Jun, S., Song, J., and Kang, M. (2021). "Estimation of crop water requirement changes due to future land use and climate changes in lake ganwol watershed." Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, Vol. 63, No. 6, pp. 61-75.

Kim, S., Kim, S., Hwang, S., Lee, H., Kwak, J., Song, J., Jun, S., and Kang, M. (2023b). "Impact assessment of water-level management on water quality in an estuary reservoir using a watershed- reservoir linkage model." Agricultural Water Management, Vol. 280, 108234.

10.1016/j.agwat.2023.108234

Kim, T.H., Han, K.Y., and Cho, W.H. (2011). "Vulnerability analysis in the Nakdong River Basin for the utilization of flood risk mapping." Journal of the Korean Association of Geographic Information Studies, Vol. 4, No. 3, pp. 203-222.

10.11108/kagis.2011.14.3.203

Lee, G., Cha, K., and Yi, J. (2013). "Analysis of non-monotonic phenomena of resilience and vulnerability in water resources systems." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 46, No. 2, pp. 183-193.

10.3741/JKWRA.2013.46.2.183

Lee, G.M. (2014). "Water supply performance assessment of multipurpose dams using sustainability index." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 47, No. 5, pp. 411-420.

10.3741/JKWRA.2014.47.5.411

Lee, Y., Cho, Y., and Kim, S. (2016). "Prediction of land-use change based on urban growth scenario in South Korea using CLUE-s Model*." Journal of the Korean Association of Geographic Information Studies, Vol. 19, No. 3, pp. 75-88.

10.11108/kagis.2016.19.3.075

Lee, Y., Hwang, S., Hwang, H., Na, J., Yu, N., and Lee, H. (2018). "Water quality modelling of flood control dam by HSPF and EFDC." Journal of Environmental Impact Assessment, Vol. 27, No. 3, pp. 251-266.

Liu, X., Liang, X., Li, X., Xu, X., Ou, J., Chen, Y., Li, S., Wang, S., and Pei, F. (2017). "A future land use simulation model (FLUS) for simulating multiple land use scenarios by coupling human and natural effects." Landscape and Urban Planning, Vol. 168, pp. 94-116.

10.1016/j.landurbplan.2017.09.019

Loucks, D.P. (1997). "Quantifying trends in system sustainability." Hydrological Sciences Journal, Vol. 42, No. 4, pp. 513-530.

10.1080/02626669709492051

Loucks, D.P., and Gladwell, J.S. (1999). Sustainability criteria for water resource systems. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom.

Loucks, D.P., and van Beek, E. (2005). Water resources systems planning and management. UNESCO, Paris, France.

McMahon, T.A., Adeloye, A.J., and Zhou, S.L. (2006). "Understanding performance measures of reservoirs." Journal of Hydrology, Vol. 324, pp. 359-382.

10.1016/j.jhydrol.2005.09.030

National Drought Information-Analysis Center (NDIC) (2016). Drought response guidebook. p. 117.

National Institue of Environmental Research (NIER) (2011). Establishment of a master plan of the Saemangeum Basin for water quality improvement.

Oh, H., and Rhee, H. (2017). "A study on Mulwang reservoir water quality improvement effect using watershed-reservoir integrated prediction." Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, Vol. 59, No. 3, pp. 51-62.

10.5389/KSAE.2017.59.3.051

Park, J., and Park, S. (2020). "Reasonable permitting and management strategies for river water allocation in estuarine reservoirs." Water for Future, Vol. 53, No. 8, pp. 17-23.

Policy Research Initiative (PRI) (2007). Canadian water sustainability index, Government of Canada, accessed 10 December 2024, <https://publications.gc.ca/site/eng/9.561826/publication.html>.

Sandoval-Solis, S., McKinney, D.C., and Loucks, D.P. (2011). "Sustainability index for water resources planning and management." Journal of Water Resources Planning and Management, Vol. 137, No. 5, pp. 381-390.

10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000134

Seong, C.H. (2014). "Streamflow modeling in data-scarce estuary reservoir watershed using HSPF." Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, Vol. 56, No. 6, pp. 129-137.

10.5389/KSAE.2014.56.6.129

Shin, Y., Jung, J., Choi, J., and Jung, K.W. (2012). "Hydrodynamic modeling of Saemangeum reservoir and watershed using HSPF and EFDC." Journal of Korean Society on Water Environment, Vol. 28, No. 3, pp. 384-393.

Sood, A., and Ritter, W.F. (2011). "Developing a framework to measure watershed sustainability by using hydrological/water quality model." Journal of Water Resource and Protection, Vol. 2011, No. 3, pp. 788-804.

10.4236/jwarp.2011.311089

Sullivan, C. (2002). "Calculating a water poverty index." World Development, Vol. 30, No. 7, pp. 1195-1210.

10.1016/S0305-750X(02)00035-9

Sung, J., Kang, B., Kim, B., and Noh, S. (2022). "Development and application of integrated indicators for assessing the water resources performance of multi-purpose and water supply dams." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 55, No. 9, pp. 687-700.

Sung, J.H., Chung, E.S., and Shahid, S. (2018). "Reliability- resiliency-vulnerability approach for drought analysis in South Korea using 28 GCMs." Sustainability, Vol. 10, No. 9, 3043.

10.3390/su10093043

Yoon, J.J., and Kim, S.I. (2012). "Analysis of long period sea level variation on tidal station around the Korea Peninsula." Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 12, No. 3, pp. 299-305.

10.9798/KOSHAM.2012.12.3.299

You, Q., Fang, N., Jian, M., Hu, Q., Yao, B., Liu, D., and Yang, W. (2022). "A reliability-resilience-vulnerability framework for measuring the influence of changes in water level fluctuations on lake conditions." Ecological Indicators, Vol. 134, 108468.

10.1016/j.ecolind.2021.108468

Zongxue, X., Jinno, K., Kawamura, A., Takesaki, S., and Ito, K. (1998). "Performance risk analysis for Fukuoka water supply system." Water Resources Management, Vol. 12, pp. 13-30.

10.1023/A:1007951806144

Journal of Korea Water Resources Association ISSN:2799-8746(Print) 2799-8754(Online) 한국수자원학회 논문집

Preview

Sustainability assessment of estuarine reservoir under future environmental changes for water use and flood control

ABSTRACT

MAIN

Fig. 1.

Location, land use, and weather station locations of the Ganwol estuarine reservoir

Table 1.

Main specifications of the Ganwol estuarine reservoir

Fig. 2.

Diagram of HSPF-EFDC linkage for simulation in estuarine reservoir

Table 2.

Global mean sea level rise projections for Shared Socio-economic Pathway (SSP) scenarios, relative to a baseline of 1995~2014(unit: m)(IPCC, 2021)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Fig. 3.

Annual precipitation and maximum air temperature projections for the Ganwol watershed

Fig. 4.

Annual crop water requirement and pumping station discharge projections under climate change scenarios

Fig. 5.

Total annual discharge of sluice according to GCM

Table 3.

Maximum, minimum, and average annual stream discharge by GCM (2021~2100, unit: m3/s)

Fig. 6.

Water level simulation results of the Ganwol estuarine reservoir

Fig. 7.

Water level simulation results in fail events of the Ganwol estuarine reservoir on ACCESS-CM2

Table 4.

Reliability, resiliency, vulnerability, sustainability index according to GCM and climate change scenarios in water use management (2021~2100)

Table 5.

Reliability, resiliency, vulnerability, sustainability index according to GCM and climate change scenarios in flood control management (2021~2100)

Fig. 8.

Water level simulation results of the Ganwol estuarine reservoir according to water management level (-1.0 EL. m) in non flood season

Table 6.

Sustainability index according to water management level in non flood season in water use management (2021~2100)

Table 7.

Reliability, resiliency, vulnerability, sustainability index according to GCM and climate change scenarios in water use management (2021~2100)

Fig. 9.

Simulation result of water level according to water management level of ACCESS SSP5 scenario

Acknowledgements

Conflicts of Interest

References

Maximum, minimum, and average annual stream discharge by GCM (2021~2100, unit: m³/s)