1. 서 론
기후변화와 인구 증가로 인한 수자원 불균형 문제는 전 세계적으로 심각한 도전 과제가 되고 있다. 특히 건조 및 반건조 지역, 산간 지역, 도서 지역에서는 안정적인 물공급이 더욱 어려워지고 있으며, 물복지의 사각지대가 확대되고 있다(IPCC, 2021). 이러한 지역에서는 일시적 강우 이후 발생하는 유출수를 효율적으로 저장하고, 이를 건기 동안 안정적으로 공급할 수 있는 기술이 절실히 요구된다. 우리나라는 상수도 보급률이 99%에 도달하지만 유역 최상류 산간지역과 같은 특정 위치는 예산상의 이유로 항구적인 상수도 연결이 불가하다.
샌드댐은 이러한 수자원 확보의 어려움을 극복하기 위한 하나의 대안으로 주목받고 있다(Borst and de Haas, 2006; Yifru et al., 2021). 샌드댐은 콘크리트 차수벽 뒤에 자연적으로 퇴적되는 모래층 내부에 물을 저장함으로써 증발 손실을 최소화하고, 자연 여과 과정을 통해 수질을 개선하는 시설이다(Quinn et al., 2019). 1950년대부터 아프리카의 케냐, 탄자니아, 인도 등의 지역에서는 수천 기 이상의 샌드댐이 설치되어 농업과 생활용수의 공급원으로 기능해왔다(Lasage et al., 2008). 그러나 이들 전통형 샌드댐은 평탄한 지형과 일시적이지만 충분한 유량이 확보되는 지역에 최적화되어 있어, 산악지형, 결빙 지역, 그리고 강우량 변동성이 심한 지역에는 적용에 한계가 존재하였다(Castelli et al., 2022).
우리나라는 국토의 70% 이상이 산지로 이루어져 있으며, 여름철 집중호우와 겨울철 결빙, 계절별 유출변동이 극심한 특성을 가진다. 이와 같은 계곡하천의 특성상 전통적인 샌드댐으로는 물공급 대응이 어렵기에 지역 특성에 맞춘 새로운 형태의 샌드댐 기술이 요구되었다(Chung, 2022; Kim et al., 2024). 특히 계곡하천을 직접적으로 차단하는 방식은 홍수시 샌드댐의 구조적 안정성을 해치므로 계곡하천의 곡류부 하상을 통해 간접적으로 물이 유입되는 우회형 다단 샌드댐(bypass-type multistage sand-filled dams, BMSD) 및 지하댐 연계 하이브리드 시스템 개발을 통해 새로운 적용 가능성을 모색하고 있다(Chung et al., 2024).
본 논문은 국내에서는 비교적 생소한 샌드댐 기술의 진화 과정과 적용사례를 구조적 특성, 수문학적 성능, 기술적 확장성 측면에서 종합적으로 비교·분석하고자 한다. 또한 최신 연구성과를 기반으로 물공급 취약지역에 최적화된 샌드댐 설계 및 운영방향을 제시함으로써, 향후 지속가능한 물관리 기술 발전과 물복지 향상에 기여하는 기술로 소개하는데 그 목적이 있다.
2. 샌드댐 연구사례 비교
샌드댐은 Fig. 1과 같이 하천의 불투수성 기반암위에 보를 설치하고 확보된 공간에 홍수류에 포함된 모래가 쌓이면서 그 공극에 물이 저장되어 사용되는 구조물(Chung, 2022)로 주로 아프리카 건조지역인 케냐와 에티오피아에 많이 설치되어 활용되고 있다(Hanson and Nilsson, 1986).
샌드댐은 설계 형태, 설치 위치, 모래층 구성, 운영 방식에 따라 다양한 유형으로 구분되며, 지역별 기후조건과 지형특성에 따라 설계 전략이 달라진다(Ertsen and Hut, 2009). 초기에는 단순한 물 저장 구조물로 개발되었지만, 점차 수문학적 성능 향상과 구조적 안정성 강화를 위한 다양한 기술적 진화가 이루어지고 있다(Table 1).
2.1 케냐형 전통 샌드댐
케냐 키투이(Kitui) 지역은 연 강수량이 400~800 mm에 불과한 반건조 지대이다. 이 지역에서는 연간 1~2회 발생하는 홍수를 콘크리트 차수벽과 자연 모래 퇴적을 활용하여 저류하는 전통형 샌드댐(Fig.1(a))이 구축되어왔다(Borst and de Haas, 2006). Quinn et al. (2019)은 건기 동안의 수위 변동 관측을 통해 샌드댐이 단순 저류기능을 넘어 주변 지하수위 상승에도 긍정적인 영향을 미치고 있음을 보고하였다.
그러나 장기 수문모델 분석 결과, 기후변화 시나리오(A2, B2) 하에서는 건기 유입량이 30~40% 감소할 수 있으며, 단독 샌드댐만으로는 수요 대비 저장률이 5% 이하로 하락할 수 있음이 지적되었다(Aerts et al., 2007). 이는 단순 구조물의 한계를 보여주는 사례로, 보완적 설계의 필요성을 시사한다.
2.2 한국형 BMSD
한국 강원도 춘천시 물로리 유역에 설치된 우회형 다단 샌드댐(BMSD)은 산악지형과 극단적 기후조건에 대응하기 위해 개발된 구조물이다(Kim et al., 2024). 이 시스템은 하천 본류를 직접 차단하지 않고 곡류부 측면에 설치되며, 다층 모래층을 통한 침투 및 여과 기능이 강화된 특징을 가진다(Fig. 1(c)).
실측 결과, 설치 후 강수량이 약 40% 감소했음에도 불구하고 평균 배수량이 오히려 45.4% 증가하는 성과를 보였으며, 이는 Driscoll 공식 기반 침투해석과 입경 최적화 설계가 효과적으로 적용되었기 때문으로 분석되었다(Kim et al., 2024).
특히 이 구조는 단순 저류를 넘어 수질 개선 효과까지 내재하여, 생활용수와 농업용수를 동시에 고려한 다목적 수자원 인프라로 평가되고 있다.
Table 1.
Comparison of sand dam types
2.3 지하댐 연계 하이브리드형 시스템
샌드댐 단독 운영의 한계를 극복하기 위해, 샌드댐과 지하댐을 연계한 하이브리드형 순환 시스템이 개발되었다(Chung et al., 2024). 이 시스템은 양방향 수위센서와 자동 펌핑 시스템을 활용하여, 샌드댐 수위가 임계값 이하로 하락할 경우 하류 지하댐으로부터 물을 재주입한다(Fig. 2).
수문모델링과 수치해석 결과, 하이브리드 시스템은 기존 대비 무공급 기간을 58% 이상 단축시키고, 최소 일 배수량을 24.6~50.0 m3까지 증가시킬 수 있었다(Chung et al., 2024). 이는 샌드댐 기술이 스마트 수자원 관리 플랫폼으로 진화할 수 있음을 보여준다.
이처럼 초기의 단순형 샌드댐은 지역사회 기반 저비용 기술로서 의미가 있었으나, 최근의 기술 발전은 이를 넘어 지형 적응형, 스마트 자동제어형, 다목적 수자원 인프라로의 확장을 지향하고 있다. 특히 ICT, 재생에너지, 디지털 트윈 등과의 통합 가능성이 높아지면서, 샌드댐은 미래형 지속가능 물관리 시스템의 중요한 구성요소로 자리잡아가고 있다.
3. 샌드댐의 전망과 발전방향
기후변화로 인해 강우 패턴이 급변하면서, 짧고 강력한 집중호우와 장기적인 건기의 반복은 기존 대형 인프라 기반 물관리 체계에 심각한 부담을 초래하고 있다(IPCC, 2021). 이런 조건 하에서 샌드댐은 간헐적 유량을 흘려보내지 않고 모래층 내부에 안정적으로 저장함으로써, 증발 손실을 크게 줄이는 효과적인 대안이 될 수 있다(Aerts et al., 2007). 기술적으로도 샌드댐은 건기 동안 제한된 생활용수와 농업용수를 확보하기 위한 단순 저비용 저장시설로 시작되었지만, 최근에는 기후변화, 물복지 격차, 스마트 수문관리 수요 등 다양한 글로벌 이슈와 연결되면서 기술적 진화를 거듭하고 있다. 특히 샌드댐은 규모는 작지만 지역사회 생존과 복원력에 미치는 영향은 매우 크기 때문에, 작지만 큰 변화를 일으키는 구조물로 주목받고 있다(Quinn et al., 2019).
케냐 키투이 지역에서는 수백 기 이상의 전통적 샌드댐이 설치되어 지역 수문 시스템의 일환으로 통합 운영되고 있으며, 유역 유출량의 대부분을 저장할 수 있음이 입증되었다(Borst and de Haas, 2006). 우리나라의 경우, 지형적 조건과 수문학적 특성으로 인해 보다 정교한 샌드댐 기술이 필요하며 이에 따른 기술로 우회형 다단 샌드댐(BMSD)이 개발되었다(Kim et al., 2024). 이를 이용하면 산악지형, 집중호우, 결빙이라는 복합적 조건 하에서도 수자원 저류시설로 기능할 수 있으며, 다양한 입경을 가진 모래층을 이용, 자연 침투와 여과 기능을 통해 생활용수와 농업용수 수질의 개선도 가능하게 했다. BMSD는 설치 이후 강수량이 감소한 상황에서도 평균 배출량이 오히려 증가하는 성과를 나타냈으며(Kim et al., 2024), 이는 설계 초기단계에서 입도조절과 투수성 최적화 등 과학적 설계 접근이 유효했음을 보여준다.
더 나아가 샌드댐과 지하댐을 연계한 하이브리드형 순환 시스템은 샌드댐 수위가 특정 임계값 이하로 감소할 경우 자동으로 하류 지하댐의 물을 재주입함으로써 무강우기에도 안정적인 물공급을 유지할 수 있도록 설계되었다(Chung et al., 2024). 이 시스템은 연속방정식 기반 수문모형과 Newton-Raphson 수치해석 기법을 접목하여, 수위 변화에 따라 펌핑량을 자동 조정하는 스마트 기능을 구현하였다.
이처럼 스마트 수자원 플랫폼으로 진화하고 있는 최근 샌드댐 시스템은 ICT 기술을 기반으로 실시간 수위 모니터링, 자동 펌핑 제어, 에너지 최적화 운용이 가능하며, 앞으로는 재생에너지 기반 자립형 시스템 및 AI 수요예측 모델과의 결합 가능성도 제시되고 있다(Chung et al., 2024; Kim et al., 2024).
그러나 기술적 진보와 함께 제도적 기반 강화도 병행되어야 한다. 샌드댐이 단순 물공급용 임시 시설이 아니라, 지속가능한 공공 물복지 인프라로 정식 인식되기 위해서는 지형별 최적화 설계기준 수립, 장기 운영·유지보수 체계 구축, 그리고 국제협력을 통한 기술 확산이 필수적이다(UNESCO WWAP, 2022).
4. 토의 및 결론
본 연구에서는 샌드댐 기술의 구조적 발전, 수문학적 성능 개선, 스마트화 및 제도적 기반 확장 가능성을 종합적으로 검토하였다. 케냐를 비롯한 전통형 샌드댐은 단순한 차수벽과 자연퇴적 모래층을 통해 물을 저장하는 초기 형태로 출발했지만, 한국형 우회형 다단 샌드댐(BMSD), 그리고 지하댐 연계 하이브리드 시스템으로 이어지는 기술적 진화는 샌드댐의 역할과 가능성을 크게 확장시켰다.
케냐형 샌드댐은 홍수시 토사유송의 메커니즘에 의존하는데 반복되는 홍수로 인해 쌓이는 누적량을 감안하면 장기적으로 지속가능한 구조물로 보기는 어렵다. 또한 취수방식에서도 낙후된 형태를 개선해야 할 것이다. 한국형 BMSD의 기술을 어떻게 전통적 샌드댐에 이식할 수 있을지 고민해야 하는 지점이다. 한국형 BMSD는 현재 1기가 성공적으로 운영되고 있으나 계곡부 모래하상이 잘 발달되지 않은 타 지역에도 적용이 가능할 수 있을지를 고민할 필요가 있다. 특히 사방댐과의 연계 가능성을 고민해 보아야 할 것이다. 지하댐과의 하이브리드형 연계 방안에서는 대수층의 발달에 대한 사전 조사가 필수적이다.
정책적으로는 국내 산간지역에서 저류기능이 어려운 지역에 대해서 추가적인 샌드댐을 공공 물복지 인프라로 제도화하는 방안이 필요하며 이를 위한 지자체와 정부의 협력이 요구된다.
기술적으로는 AI기술을 기반으로 유입량, 지하수위, 공급량 간의 실시간 데이터 분석을 통해 수요대응형 연속공급이 가능하도록 모니터링과 운영을 제어하는 시스템 개발이 필수적이다.
샌드댐은 단순한 저장구조를 넘어 기후적응형, 지속가능형, 스마트형 수자원 인프라로 진화하고 있으며, 고효율·고복원력 특성을 가진 미래형 물관리 전략의 핵심 기술로 자리잡을 것으로 기대된다. 샌드댐 기술이 과학적 검증과 정책적 지원을 바탕으로 전 세계 물복지 사각지대에 확산된다면, 이는 단순한 물 공급 이상의 가치를 창출할 것이며, 지역사회의 복원력과 회복력을 높이는 핵심 기반으로서 효과적으로 기능할 것이다.
