1. 서 론
2. 대상 유역 및 연구 방법
2.1 대상 유역 현황
2.2 연구 방법
3. 물 수급 분석 결과 및 고찰
3.1 물 부족 연 총량 비교
3.2 최대 물 부족 발생년도의 공간분포
3.3 한계점 고찰 및 향후 연구 방향
4. 요약 및 결론
1. 서 론
최근 기후변화에 따른 가뭄 현상과 지속적인 산업화, 도시화로 인한 물 수요의 변화 등 수자원의 관리가 더욱 힘들어지고 있는 실정이다. 우리나라는 효율적인 수자원 관리를 위해 수자원장기종합계획을 수립하여 전국 단위의 미래 목표연도를 대상으로 다양한 수요 시나리오와 공급량 간의 균형 분석을 통해 물 부족 여부를 예측하고, 대처하는 계획을 수립하였다(MOLIT, 2016). 최근에는 ｢수자원의 조사·계획 및 관리에 관한 법률｣을 제정(‘17.1.17.) 및 시행(‘18.6.8.)하여 지역수자원관리계획과 특정하천유역치수계획을 신설하여 계획하도록 하였다(Korea Ministry of Gover nment Legislation, 2018). 이것은 지역의 현안과 특성을 고려한 물 관리 정책을 수립하고, 상향식(bottom-up)으로 국가계획을 수립하여 현실적인 평가와 대책을 마련하기 위한 제도이다. 이를 만족하기 위해서는 지역별 물이용 현황과 특성, 지형, 기후 특성이 유역마다 제각각으로 이를 고려한 유역을 세분화한 후, 계획을 수립하는 것이 효과적이다(ARCROM, 2016).
현재까지의 수자원장기종합계획은 전국단위 규모로 6개 권역 내 117개 중권역으로 구분하고 물수급 분석 결과를 제시하였으며, 중권역 내 하천수, 댐수, 지하수 등 모든 수량을 이용할 수 있다는 가정을 통해 물 부족을 산정한다(MOLIT, 2016). 중권역 단위의 분석은 실제 지역적인 분포와 특성을 파악하는데 한계가 존재하고, 분석 단위가 클수록 회귀수량의 문제로 물 부족 분석 결과의 큰 오류를 범할 수 있다(Fig. 1(a) 참조). 국내 분석 단위를 기준으로 선행 연구를 살펴보면 Yoo et al. (2000), Yoo (2005), Oh et al. (2019)는 한강 유역의 중권역을 대상으로 분석하였고, Cheong et al. (2007), Cha et al. (2007), Ahn et al. (2009), No et al. (2013), Ahn et al. (2013)은 금강 중권역을 대상으로 분석한 연구가 있었다. 또한 기존 분석 방법의 문제점을 극복하고자 K-water (2008)는 기존 수자원장기종합계획은 행정구역별 또는 용수 수요별 물 부족량을 제시하지 못해 자치단체별 계획수립의 기초 자료로 활용할 수 없는 점을 지적하였다. 이에 대한 개선방안으로 행정구역별 취수장의 위치와 취수능력을 고려하고, 수요량 자료를 중권역으로 할당하는 작업보다는 직접 얻을 수 있어야하며, 일정규모를 기준으로 저수지를 통합 고려하는 것을 제안하였다. 또한 Kim et al. (2016)은 금호강 유역을 대상으로 물 수급 네트워크를 행정구역단위로 세분화하여 비교 평가한 연구가 있다. Choi et al. (2018)은 현재 물수지 분석 가정과 문제점을 제시하고 수요량을 구분하여 생활 및 공업용수는 행정구역별, 농업용수는 중권역별로 수요처를 구성하고, 비교 분석하여 한계를 개선하기 위한 기초자료와 방안을 제시하는 연구가 있었다. 이처럼 대부분의 연구는 국가계획에서 수행하고 있는 분석 단위와 동일하게 이루어졌고, 수자원과 수도 시설이 반영된 실제 물 이동 현황을 고려하여 보완할 수 있는 연구들이 있었으나, 수자원단위지도를 기준으로 공간 세분화를 통한 연구는 없었기 때문에 유역 관리 차원의 기초연구로서 검토와 분석이 필요하다.
아래 Fig. 1(b)는 본 연구에서 계획한 표준유역단위 모식도를 나타낸다. 각각의 표준유역에 해당하는 공급량과 수요량을 배분하여 표준유역 별 물 부족 여부를 검토할 수 있도록 구성하였다. 각각의 표준유역단위의 공급량과 수요량을 합치면 중권역 단위와 같은 양이지만 중권역 내 모든 수요처에서 모든 수량을 이용할 수 없고, 회귀수량의 재이용이 중권역 내부에서 반복될 수 있어 물 부족량의 차이가 있을 것으로 예상된다. 이와 같은 개념을 바탕으로 수자원단위지도에 근거한 분석 단위 세분화에 따른 물 부족 평가를 위해 한강 권역을 채택하였으며 물 수급 분석 결과를 고찰 및 평가하였다.
2. 대상 유역 및 연구 방법
2.1 대상 유역 현황
국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS, 2019)의 지도정보통합서비스에 의하면 4대강 살리기 사업에 따른 다기능 보의 건설, 새만금방조제 준공, 도시지역 하수배수계통 및 특수목적 하천 건설(아라천, 영산·영암호 연락수로) 등에 의한 유역 변경에 따라 수자원단위지도를 개발하였으며, 국내 전체 대권역 21개, 중권역 117개, 표준유역 850개로 구분하였다. 본 연구대상인 한강권역은 한강, 안성천, 한강서해, 한강동해 등 총 41,947.25 ㎢로 30개의 중권역, 290개의 표준유역으로 구성되어 있어 물수급 네트워크를 구축하는데 활용하였다. 아래 Fig. 2는 연구대상에 대한 규모별 유역도를 보여주고 있다.
기존의 수자원장기종합계획(MOLIT, 2016)은 30개의 중권역의 대표하천을 중심으로 산정된 자연유출량과 각각의 생·공용수와 농업용수 수요량에 대한 물수급 분석을 수행하고, 이를 만족할 수 없는 경우 물 공급 시설 운영을 통해 공급하는 것으로 수행하였다. 한강 유역에 반영된 물 공급 시설은 북한의 황강댐을 포함하여 4개의 다목적댐인 충주댐, 횡성댐과 소양강댐, 2개 용수전용댐인 광동댐과 달방댐, 발전전용댐인 화천댐, 1개의 안성천 하굿둑, 1개의 남양방조제, 3개 다기능보인 이포보, 여주보와 강천보 등 총 12개를 적용하여 공급하는 것으로 수행하였다. 또한 댐 연계운영을 위해 모든 댐과 다기능보가 동일한 저수율을 갖도록 연계 운영하여 저수량이 많은 댐에서 우선적으로 공급하도록 수행하여 본 연구에서도 이와 같은 물 공급 시설과 운영룰의 적용이 필요하였다.
2.2 연구 방법
2.2.1 수요량 및 공급량
먼저 각각의 표준유역에 해당하는 대표하천에서 생·공용수와 농업용수를 취수할 수 있도록 네트워크를 구축하였다. 수요량은 생활, 공업, 농업으로 구분할 수 있으며 기존 MOLIT (2016)에서 는 목표연도 2020년을 기준으로 저수요, 기준수요, 고수요 등으로 시나리오를 구분하여 분석하였다. 수요량 산정의 기본단위는 생·공용수 수요량의 경우 시·군단위, 농업용수는 농어촌공사에서 관리하는 농업용수구역 단위이며 산정된 수요량을 중권역으로 가공하여 적용하였다. 이에 본 연구에서는 기초자료인 목표연도 2020년의 기준수요 시나리오에 해당하는 시·군단위 수요량을 이용하여 생활용수는 행정구역과 표준유역별 인구비, 공업용수는 면적비로 구분하여 표준유역단위의 수요량으로 변환하였으며, 농업용수는 GIS도구를 활용하여 농업용수구역과 표준유역간의 면적비를 산정하여 적용하였다. 또한 수요 변동은 생·공용수는 연중 일정한 이용 패턴을 갖는 것으로 가정하여 적용하였고, 농업용수는 논, 밭, 축산용수로 구분하여 항목별 이용 패턴을 고려하였다(MOLIT, 2016).
공급량은 자연유출량과 댐, 농업용저수지, 지하수 관정 등으로 분류할 수 있으며 자연유출량은 49개년(1966-2015)의 반순 단위(5일)의 중권역 단위로 구성된 자료를 표준유역 면적비로 분할하여 적용하였다. 물 공급 시설은 2.1절에서 제시한 기존의 중권역단위 분석에 포함된 12개의 댐을 일괄적으로 입력하고, 일관된 연계운영 방식을 적용하였다. 농업용저수지와 지하수 관정은 지역공급원으로서, 모형에는 반영하지 않고, 물 부족 결과를 계산 후 후처리(post processing)을 통해 결과를 제시하였기 때문에 본 연구에서도 모형에서 이를 반영하지 않았다. Figs. 3(a) and 3(b)는 표준유역단위로 분할하기 이전의 생활, 공업, 농업용수의 수요량과 TANK 모형에 의해 산정된 연 평균유출량을 유역면적과 함께 도시하였다.
중권역 네트워크와 표준유역간 물 부족 결과의 비교를 위해서는 광역도수량 또한 표준유역단위로 세분화되어야 한다는 전제조건이 포함되어야 한다. 그러나 기존의 적용한 중권역단위 광역도수량을 세분화하는 경우 지자체와 표준유역 간 면적비, 수요량비, 인구비 등을 통해 양을 분배해야 하지만 합리적인 방법이 없다. 기존의 방식은 Fig. 4(a)와 같은 형태로 도수량을 중권역 생·공용수 수요처에 연결하여 수요처 수원선호도에 의해 도수량을 먼저 공급받고, 부족량을 하천에서 취수하도록 설정하였다. 이를 합리적으로 반영하기 위해 유역 이동이 발생하는 도수량을 중권역 유역의 최상류부 본류 하천에 유입되도록 설정하여 자연유량과 함께 수요처에서 추가적으로 취수할 수 있도록 설정하였다. 이와 같은 형태는 분배하지 못하는 광역도수량을 유역 전반에 걸쳐 반영해 줄 수 있고, 노드의 급격한 증가를 방지할 수 있으며 하천 취수를 통해 물 부족을 계산하기 때문에 가용할 수 있는 수자원 내에서 예상되는 지역에 더 많은 양을 공급할 수 있는 조건이 된다.
2.2.2 물수급 분석 모델의 선정 및 구축
물수급 분석 모델은 수자원의 통합 관리를 위한 의사결정 지원 시스템이 기반이 되어야 하고, 지표수와 지하수 연계, 가용수자원의 최적운영과 물수급 체계를 반영할 수 있어야하며, 사용자 접근이 용이한 모형이어야 한다(Ko and Park, 2003). 수자원장기종합계획은 WEAP (Water Evaluation And Planing System) 모형을 21세기 프론티어연구개발사업의 지원 하에 국내 특성에 맞게 개량한 K-WEAP 모형을 활용하여 분석한 바 있다(Lee and Choi, 2011). 본 연구에서 활용한 물 수급 전망에 활용한 모형은 MODSIM (MODified SYMYLD)으로써 하천의 유역관리와 의사결정을 위해 Colorado State University에서 개발한 모형이며, K-WEAP과 MODSIM 모형 모두 최적화 기법의 수행을 통해 수자원 배분을 수행한다.
K-water (2008)에 의하면 MODSIM은 선형계획법을 해석하기 위한 알고리즘이 lagrangian relaxation algorithm RELAX-Ⅳ를 적용하여 해석 수행시간이 simplex method 대비 최소 5배 이상 빠르다고 제시하였다. 또한 본 연구진이 선행적으로 분석한 중권역 단위 비교 분석 연구에 의하면 모형의 특성상 우선순위를 고려할 경우, K-WEAP과 MODSIM 간 분석 시 결정계수(R2) 기준 0.9999로 매우 유사함을 보였으며, 모형 구동시간 분석 결과 평균 약 61.43분이 빠른 것으로 나타났다(Oh et al., 2019). 본 연구 대상 권연은 중권역에 해당하는 30개에서 표준유역단위 290개로 유역이 세분화됨에 따라 많은 노드의 증가가 예상되었기 때문에 계산 수행 속도가 중요한 요소로써 작용하여 MODSIM을 채택하였다. 아래 Figs. 5(a) and 5(b)는 중권역과 표준유역단위의 MODSIM 모형 구축 모식도를 보여주고 있으며 중권역의 노드와 링크는 각각 401개, 409개, 표준유역단위는 각각 1,525개, 1,490개로 분석단위의 세분화에 따라 약 3∼4배 정도 증가하였다.
수요처 물공급 우선순위(priority)는 MODSIM 모형에서 최적화 수행을 위한 목적함수의 중요한 매개변수로서 작용한다. 또한 현재와 같은 물 공급 시스템에서의 용도별 우선순위의 적용은 같은 공급량과 수요량임에도 불구하고 물 부족의 차이가 나타날 수 있다(Oh et al., 2019). 본 연구에서는 상·하류간 상류 우선, 용도별로는 농업용수 대비 생·공용수 우선, 지류와 본류 간 지류 우선을 적용하였다. Korea Ministry of Government Legislation (2018)에서 제시한 법률에서도 “수자원의 정상적인 배분이 어려운 경우에도 인간의 생활과 경제활동에 필수적인 용도로 우선 배분될 수 있도록 고려해야 한다”고 제시되어 있으며, MODSIM을 이용한 선행연구인 Yoo (2005), Ahn et al. (2009) 등에서도 현재까지 국내 수리권이 체계화되어 있지 않음을 지적하고, 본 연구와 같은 방법을 적용한 바 있다. 중권역 단위 모형은 한강 유역에 대하여 우선순위를 적용한 K-WEAP과 검증을 수행한 모형이고, 표준유역단위 모형은 중권역 단위 모형과 일관된 방법으로 우선순위를 적용하였기 때문에 분석 결과를 비교하는데는 문제가 없을 것으로 판단된다.
용도별 회귀수량은 생활용수와 공업용수는 수요량의 65%, 농업용수는 작물을 통해 소모되는 순물소모량만을 취수하여 수요량의 65%를 공급하는 것으로 적용하였다(MOLIT, 2016). 이를 모형 내부에서는 groundwater infiltration의 return location과 infiltration fractions 기능을 활용하여 각 표준유역 출구부에 회귀하는 것으로 설정하였다. 이상 분석 단위 세분화에 따른 물 부족량의 비교 평가를 위해 아래 Fig. 6과 같은 절차에 통해 연구를 수행하였다.
3. 물 수급 분석 결과 및 고찰
3.1 물 부족 연 총량 비교
한강 권역의 49개년간의 물 부족 분석 결과를 연 총량 기준으로 분석한 결과는 아래 Fig. 7과 같다. 물 부족량의 많은 차이로 인해 중권역 단위 물 부족량은 보조축을 두어 비교하였다. 49년간 발생하는 물 부족의 경향과 시기, 최대 물 부족 발생년도는 2015년으로 일치하는 것으로 나타났다. 그러나, 평균 물 부족량은 중권역 단위 129.98 백만㎥, 표준유역단위 2,229.24 백만㎥으로 평균 물 부족량은 21 억㎥ 가량의 차이가 나타났으며, 최대 물 부족량의 크기는 1994년에는 가장 큰 26 억㎥의 물 부족의 차이가 발생하는 결과가 나타나 최대 물 부족이 발생한 2015년을 기준으로 공간적인 분포에 대한 분석이 추가적으로 필요하였다.
3.2 최대 물 부족 발생년도의 공간분포
최대 물 부족이 발생한 2015년의 중권역별 물 부족량과 표준유역단위 물 부족을 중권역으로 합산한 결과를 Table 1에 비교하고, GIS도구를 활용하여 공간 분포를 제시한 결과는 Fig. 8과 같다. 연별 물 부족 총량 비교 시 차이는 있지만 공간적인 물 부족 분포를 볼 경우, 부족이 나타나는 지역과 나타나지 않는 지역에 대한 경향은 매우 유사하게 나타났다. 최대 차이는 1018 유역에서는 약 10 억㎥의 차이를 보였으며, 이와 반대로 1002, 1022, 1101, 1301, 1302 유역 등은 중권역 분석 시 물 부족이 발생하였지만 일부 표준유역에는 물 부족이 나타나지 않는 결과가 나타났다.
Table 1. Comparison of water shortage by 2015year
Figs. 9(a) and 9(b)는 2015년 물 부족이 가장 크게 발생했던 한강서울(1018) 유역에 대한 물 부족량 결과를 비교하였다. 중권역 단위 분석의 경우, 모든 수량을 이용할 수 있다는 가정으로 대표 자연유량 값에 대한 생활, 공업, 농업용수 수요량에 대한 물 부족량이 산정된다. 그러나, 표준유역단위 분석에서는 각 분할 된 표준유역별 공급량과 수요량의 차이로 인해 본류와 이격되어 있는 표준유역에서는 가용할 수 있는 수자원량이 상대적으로 작아져 물 부족이 크게 발생하는 형태가 발생하였다. Fig. 9(a)에서 물 부족이 발생하지 않은 101801, 101807, 101811, 101812은 한강 본류와 연결된 유역으로 회귀수량이 수계 내에 영향을 미치기 때문에 발생하지 않은 것으로 분석되었으며 이것은 앞서 제시한 바와 같이 회귀수량의 재이용이 상류부터 반복되는 파급효과에 영향을 받아 물 부족이 발생하지 않는 것으로 판단된다.
Figs. 10(a) and 10(b)는 2015년 물 부족이 두 번째로 크게 발생했던 시화호(1202) 유역에 대한 물 부족량 결과를 비교하였다. 시화호 유역은 서해로 직접 유출되는 유역으로 회귀의 영향은 존재하지 않는 유역이다. 분석 결과, 시화호 유역 내 120201, 120106 유역은 물 부족이 더욱 심화된 것으로 나타났다. 이것은 Table 2와 Fig. 11에 제시한 바와 같이 면적비, 인구비에 따라 분할된 용도별 수요량이 120201, 120206 유역에 집중되어 이로 인한 영향이 각 표준유역에서 물 부족이 더 크게 발생한 결과로 판단된다.
Table 2. Water demands of Si-hwa reservoir basin (unit : million ㎥)
| Standard watershed code | Municipal | Industrial | Agricultural |
| 120201 | 123.87 | 50.38 | 0.02 |
| 120202 | 12.56 | 19.89 | 0.02 |
| 120203 | 2.46 | 13.16 | 0.04 |
| 120204 | 1.62 | 24.68 | 0.02 |
| 120205 | 7.46 | 27.84 | 0.07 |
| 120206 | 23.15 | 35.47 | 0.12 |
3.3 한계점 고찰 및 향후 연구 방향
본 연구를 통해 분석한 결과를 고찰해보면 같은 공급량과 수요량임에도 불구하고, 물 부족량의 차이가 크게 발생하여 분석 단위의 규모 설정이 물 부족량을 전망하고 예측하는데 매우 중요한 요소임을 알 수 있다. 본 연구의 한계점으로 기본가정에서 분석단위를 제외한 나머지 모든 변수를 기존 수자원장기종합계획에서 활용한 자료를 일관성 있게 적용하고자 하였지만, 광역도수량은 해당유역의 최상류 표준유역에서 공급하고 공업용수와 농업용수 수요량은 면적비를 적용하였기에 실제 지역적인 특성의 왜곡이 발생할 가능성이 존재한다. 또한 회귀수량의 경우 분할된 표준유역 수만큼 재이용이 반복되기 때문에 기존 중권역 결과와 비교시 가용수자원량이 상대적으로 많아져 현실화가 필요할 것으로 판단된다.
개선방안과 향후 연구 방향으로 Figs. 12(a) and 12(b)는 한강권역의 상류부인 중권역, 표준유역, 취수장을 조사한 결과와 농업용수구역도를 나타냈으며 유역 내부에는 영월군이 포함되어 있다. 영월군은 중권역 3개에 걸친 행정구역으로 영월군의 인구 및 면적으로 산정된 수요량을 중권역 단위로 변환하여 적용하기 때문에 실제 광역수도를 포함한 급수체계와 취수능력이 미반영될 수 있다. 또한 농업용수는 산정되는 수요량의 기초 단위가 농어촌공사에서 관리하는 농업용수구역으로서 표준유역과 같거나 더 큰 범위로 산정되는 것으로 조사되었다. 이에 행정구역단위로 분석되는 생·공용수 수요량을 행정구역 내 취수장의 수요량으로 분배하여 수원과 취수시설 중심하고, 농업용수는 농업용수구역 단위로 모형에 반영하여 분석한다면 앞서 제시한 한계점인 광역도수량 분배와 수요량 분배시 발생할 수 있는 왜곡을 줄이고, 자료의 임의 가공이 최소화 될 것으로 판단된다. 또한 회귀수량은 각 취수장이 포함되는 하수처리장의 시설용량 등을 고려하여 적용한다면 비현실적인 회귀수량 적용을 현실화 할 수 있을 것으로 기대된다.
4. 요약 및 결론
본 연구에서는 분석단위 세분화에 따른 물 부족 평가를 위하여 한강 유역을 대상으로 표준유역단위로 물 수급 체계를 구축하고, MODSIM 모형을 활용하여 기존 중권역 단위 기반 물 수급 분석 결과와 비교를 수행하였다. 주요 결과를 요약하면 아래와 같다.
1) 49개년(1967-2015)간 발생하는 물 부족이 발생하는 시기와 최대 물 부족 발생년도는 2015년으로 일치하는 것으로 나타났으며 평균 물 부족량은 중권역 단위 129.98 백만㎥, 표준유역단위 2,229.24 백만㎥으로 평균 물 부족량은 21 억㎥ 가량의 차이가 나타나 중권역 대비 표준유역단위 분석 결과가 물 부족이 더 크게 발생하였다.
2) 최대 물 부족 발생년도인 2015년을 기준으로 공간 분포를 분석한 결과, 물 부족 발생 지역에 대한 경향은 매우 유사한 것으로 나타났다. 중권역 단위 분석의 경우, 모든 수량을 이용할 수 있다는 가정으로 대표 자연유량 값에 대한 생활, 공업, 농업용수 수요량의 차로 인한 하나의 물 부족량이 산정되는 반면, 표준유역단위의 분석에서는 각 분할 된 표준유역별 공급량과 수요량의 차이와 회귀수량 등이 수계 내에 영향을 미치기 때문인 것으로 나타났다. 이로 인해 물 부족이 없는 것으로 나타난 유역 중에도 일부 표준유역에서도 물 부족이 나타남을 보이고, 이와 반대로 물 부족이 발생하였지만 일부 표준유역에는 물 부족이 없는 결과가 나타나 세분화 되었다고 판단된다.
3) 광역도수량의 분배, 현실적인 표준유역별 수요량의 추정과 회귀 지점 등의 한계가 존재하나, 분석 단위가 물 부족을 산정하는데 매우 중요한 요소임을 알 수 있다. 향후 분석 단위의 세분화 , 규모설정 뿐만 아니라 취수장, 농업용수 구역 등 생성되는 기초자료 중심으로 실제 물 이용 체계가 모형 내 고려된다면 자료의 왜곡을 최소화하고, 지역적 특성이 반영된 물 수급 평가가 가능할 것으로 판단된다.
