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A Study on Efficiency of Water Supply through Conjunctive Operation of Reservoirs and Multi-function Weirs in the Nakdong River
A Study on Efficiency of Water Supply through Conjunctive Operation of Reservoirs and Multi-function Weirs in the Nakdong River
Journal of Korean Society on Water Environment. 2014. Mar, 30(2): 138-147
Copyright © 2014, Korean Society on Water Environment
  • Received : November 29, 2013
  • Accepted : February 14, 2014
  • Published : March 30, 2014
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정민 안
태효 임
인정 이
경락 이
강영 정
재운 이
세억 천
인혁 박
teryoops@nate.com

Abstract
In order to determine the best operating rules for the Nakdong River, three cases were applied to analyze the simulated results of water supply capacity by HEC-ResSim model. This study discussed to present the best operating rules for conjunctive operating of existing the dams and new constructed the weirs through system network. The system network was constructed considering the water supply, the river environment and the operating facility. The water supply capacities are separately evaluated for each case applying the best rules. It is case1 that the dams are operated individually, case2 that the dams are operated in conjunction with the others dams, and case3 that dams and weirs are operated in conjunction with the others dams-weirs. Comparing the cases, case 3 has shown the best water supply capacity of the Nakdong River.
Keywords
1. Introduction
International Panel on Climate Change(IPCC, 2007)는 2007년도 4차 기후변화에 관한 평가 보고서에서 지구온난화는 관측자료를 통해서 논란의 여지없이 명백하다고 평가하였으며, 폭염 및 집중호우 등 극한사상의 재난 발생빈도 역시 증가하고 있음을 시사했다. 기후변화로 인한 수문현상의 비정상성은 날로 가중되고 있기 때문에 구조적인 대책과 비구조적인 대책이 동시에 마련되어야 한다. 우리나라에서는 기후변화와 관련하여 많은 관심이 집중되고 있으며 특히, 도시가 고도화되고 사회가 발달하면서 수자원 환경이 급속히 변화되고 있고 극심한 가뭄과 홍수가 빈발하고 있기 때문에 IWRM(Integrated Water Resource Management)를 위한 연구가 많이 진행되고 있다. 물은 인간이 직접 생산할 수 없는 유한한 자원이며 식량, 물품 등을 생산하기 위한 중요한 에너지원으로써 효율적으로 관리하는 것이 필요하다. 가상수(Virtual Water) 개념을 도입한 Allan (1997)은 커피 한잔에 약 140ℓ의 가상수가, 햄버거 1개에는 약 2,400ℓ의 가상수가 있는 것으로 가정하였다. 가상수는 제품을 생산하는 과정에서 사용되는 물의 총량을 의미하는 것으로 Hoekstra (2003)은 가상수 개념을 이용하여 물 발자국(Water Footprint)개념을 제안하였다. 물 발자국은 생산과 관련된 물 사용량에 소비적 관점을 추가한 것으로, 생산자나 소비자가 직・간접적으로 사용한 물의 양을 표시한 것이다. 물 발자국 차원에서 보면 쌀 1kg을 생산하기 위해서는 물 2,500ℓ, 쇠고기 1kg를 생산하기 위해서는 15,400ℓ, 우유 1ℓ를 생산하기 위해서는 1,000ℓ의 물이 필요하다. 이 개념은 선진국과 저개발국 사이의 물 사용의 불균형을 해소하고 전 세계 물 사용량을 조절하기 위해 도입되었다. 2004년 유네스코 물교육연구소는 우리나라 1인당 물 발자국이 1,179 m 3 로 세계평균(1,243 m 3 )보다는 적다고 발표한 바 있다. 따라서, 물은 중요한 에너지원이며 물을 이용한 녹색성장은 기후변화에 대응하고 에너지와 환경문제를 해결하는 주체로써 새로운 국가 성장 동력으로 활용할 수 있다.
효율적인 수자원 관리를 위해서는 새로운 댐, 저수지를 건설하는 것도 중요하지만 기존의 시설에 물리적 변화를 주지 않고 좀 더 많은 편익을 얻을 수 있는 방법으로써 한정된 다목적댐의 능력을 최대한 활용할 수 있는 연구들이 필요하다. IWRM을 위한 연구로 Lee et al. (2000)은 스리랑카 마하웰린강을 대상으로 저수지의 최적화 운영 방안을 유도하고 종합적인 수자원 개발을 위해 저수지 시스템에 대한 운영 방안을 도출하였고, Ryu et al. (2009)은 Hedging Rule을 이용하여 댐 연계 운영최적화를 수행하였다. 유역의 물공급 안전도를 평가하기 위한 물수지 분석에 대한 연구로는 Park et al. (2005)은 갈수기 용수공급을 위한 병렬저수지 모의운영 연구를 수행하였고, Ahn et al. (2006)은 네트워크 모형인 MODSIM을 장래 용수수급계획 수립시의 적용 여부를 검토하기 위하여 충청지역의 행정중심복합도시 건설 전・후의 용수공급에 대해서 분석하였다. Kim and Kim (2011)은 금강유역의 댐 운영 및 인위적 물이용에 따른 유출 및 수질 영향을 평가하였고, Cheong et al. (2008)은 의사결정지원시스템으로서의 기존의 네트워크 모형 이론을 기반으로 미 콜로라도 주립대학과 한국수자원공사 K-water 연구원과 공동연구로 개발된 K-Modsim 모형을 이용하여 금강유역에서 검정 및 운영모의를 수행하여 적용성을 검토한 바 있다. 용수공급능력 산정과 관련된 국외 연구로는 Rittima and Vudhivanich (2003)은 회복도와 신뢰도를 사용하여 저수지의 용수공급능력을 평가하였고, Srivastava and Awchi (2009)는 인공신경망과 Hedging rule을 의사결정기법으로, 선형계획법과 동적계획법으로 저수지 운영을 최적화하여 저수지의 공급량을 평가하였으며, Adeloy (2009)는 다중선형회귀분석과 인공신경망을 이용하여 저수지 용량과 공급량 및 신뢰도를 일반화한 모형을 제안한 바 있다.
또한, 최근 우리나라는 4대강 사업과 관련하여 4대강 수계를 대상으로 16개 다기능보가 건설되었기 때문에 수리시설물 건설에 따라 하천환경이 변화되고 있다. Kang and Park (2005)는 유역의 환경이 변화하게 되면 현재 물 관리 환경과 수요에 맞게 운영 방식을 재설정해야 하며, 공급 가능량에 대한 재평가가 필요하다고 하였다. Ahn et al.(2011)은 건설되고 있는 16개 다기능보와 기존댐의 통합운영을 위해 기존 댐과 다기능보의 연계운영에 관한 연구를 진행하였으며 우리나라의 경우에는 다기능보 운영에 관한 연구사례를 찾을 수 없기 때문에 기본적인 운영룰의 정립이 필요하다고 하였다.
본 연구에서는 기존댐 용수공급능력조사(K-water, 1998)에서 산정된 용수공급능력을 바탕으로 HEC-5와 HEC-ResSim(Klipsch and Hurst, 2007)의 결과를 비교하여 HEC-ResSim 모형의 재현성을 평가하였고, 댐과 다기능보의 최적연계운영을 위한 룰을 개발하기 위해 다각도로 연구를 진행하였다. 새로 건설된 다기능보에 의해 확보되는 저수용량과 기존 댐과의 운영룰을 통합적으로 고려하기 위해 낙동강수계를 대상으로 유역간 물 배분, 하천환경, 수리시설물간 운영을 고려하여 시스템 네트워크를 구축하고, 기존 수리시설물과 새로 건설되는 다기능보의 효율적인 운영을 위한 최적 연계운영룰을 적용하여 용수공급능력을 평가하였다.
2. Materials and Methods
- 2.1. 대상유역
낙동강유역의 면적은 23,384.21 km 2 이며 본류 하천연장 400.7 km, 유로연장 510.36 km에 이른다. 낙동강유역은 상류에 안동댐 및 임하댐, 지류인 금호강에 영천댐, 황강에 합천댐, 남강에 남강댐, 밀양강에 밀양댐이 위치하고 있으며 이와 같은 수리시설물의 유황조절효과를 크게 받고 있는 지역이다. 낙동강 전체유역의 연평균강수량은 세계의 연평균강수량 880 mm의 1.3배에 해당하는 양이지만 1인당 강수총량은 약 2,591 m 3 로 세계의 1인당 강수총량 약 19,635 m 3 의 1/8에 불과하여 외국과 비교하였을 경우 상당히 적은 편이다. 이웃 일본의 경우 연평균강수량은 1,718 mm로서 우리나라에 비해 비교적 풍부하며, 1인당 강수총량 역시 약 5,107 m 3 로서 우리나라보다 많은 편이다(MOLIT, 2009). 낙동강유역의 연평균 유출량(’74~’03)은 157억m 3 으로 우리나라 연평균 유출량 723억m 3 의 22%에 해당하며, 연평균 강수총량 1,240억m 3 의 13%에 해당한다. 유출계수 56%는 비교적 큰 값으로서 이는 미국이나 유럽에 비해 비교적 유역이 작고, 유역경사가 급하며, 유로연장이 짧은 지형특성과 집중호우에 의해 일시에 대량 유출되는 수문특성을 반영해 준다(MOLIT, 2009).
최근 우리나라는 4대강살리기 사업과 관련하여 하도 준설을 실시하고 총 16개의 다기능보를 건설하였다. 4대강살리기사업은 지속적으로 증가되는 용수수요량 대비 부족한 수자원을 확보하기 위해 물확보・홍수조절 등을 위해 4대강 본류에 시행하는 사업이다(MOLIT, 2009). 홍수조절용량 6.1억m 3 을 확보하기 위해 준설 등 하도를 정비하였고, 한강 0.4억m 3 , 낙동강 6.7억m 3 , 금강 0.5억m 3 , 영산강 0.4억m 3 의 용수확보를 위해 하도준설과 보를 설치하였다. 낙동강은 이중 가장 많은 8개의 다기능보가 건설되었으며, 기존 갈수기가 아닌 관리수위로 운영되고 있다. 하천에서 댐과 저수지 등의 건설은 가장 주된 자연유황을 변화시키는 압력요인이기 때문에 준설과 수리시설물 설치 및 관리수위 운영은 자연 상태 하천의 유황을 계속하여 변화시키고 있다. 특히, Table 2 에서 관리수위와 갈수기를 비교해 보면, 최소 EL.6.41에서 최대 EL.10.03 m의 수위 차이가 발생하는 것을 알 수 있다. 수위가 증가함으로 인해 유량이 증가할 것이고 이는 강수량이 동일하다고 가정할 때 유출량이 같다면 유속이 감소할 것이다. 댐과 저수지에서 유입, 유출의 조절은 홍수관리에서 홍수기 유량을 저감시키고 이수관리에서 갈수기 유량을 증가시키는 순기능을 하지만 유황을 변화시키는 역기능이 수반된다. 낙동강수계 내에는 Fig. 1 과 같이 댐, 다기능보 그리고 지류가 위치한다.
Specification of weirs
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Study Area.
- 2.2. 연구범위
수계내 물의 이용 및 이동과 댐군의 운영, 새로 건설된 다기능보와의 연계 운영에 의한 용수공급능력을 파악하는 것은 지속적인 물의 흐름 상태를 파악하고 이수관리를 위해 필수적이다. 4대강 마스터플랜 상의 용수확보량 8.0억m 3 은 단순히 준설 전후 저수지 증가량만을 기준으로 검토한 것이기 때문에 본 연구에서는 4대강 살리기 사업으로 건설된 다기능보와 기존 수자원시설물의 연계운영에 의한 용수 공급능력을 평가하기 위하여 미 공병단의 HEC-ResSim 모형을 구축하고 이를 통해 용수공급 능력을 평가하였다. 수계별 댐과 다기능보의 현황 및 주요 제원은 Table 1 Table 2 와 같다. 각 수계별로 최대 용수공급량과 최대 발전량을 산출할 수 있도록 댐과 다기능보의 최적 연계 운영룰을 설정 후, 용수공급 능력 검토 및 하류 주요 수위표 지점에 대해 유황분석을 수행하였다. 본 연구 수행을 위한 시나리오는 댐의 계획 공급량에 따른 단독운영(Case 1)과 댐간 연계운영(Case 2), 댐과 다기능보의 연계운영(Case 3)로 설정하였다. 모형의 입력자료로 활용된 시설물의 제원은 댐운영실무편람(K-water, 2012)을 활용하였고, 수계내 다목적댐, 수력 발전댐 그리고 다기능보를 고려하여 모형을 구축하였으며, 분석 단위 기간은 1967~2006년의 40개년을 대상으로 하였고 유입량은 수자원장기종합계획(2006~2020) 물수지 분석 모형인 K-weap(Korea-integrated Water Resources Evaluation and Planning Model)을 통해 산정된 유량을 활용 하였다. K-weap 모형은 강우-유출모형인 Tank (Sugawara, 1972)에 의해 계산된 자연유량에 2016년 예측된 용수량 및 용수회귀를 반영한 물수지 분석을 통해 각 지점별로 반순단위 유출량을 산정한다. 반순단위 모의 유입량은 모형적용시 일자료로 변환하였으며 상류 댐 유역 배제 후 물수지분석을 실시하였다. 기존댐 및 신규 다기능보 유입지점 유량은 비유량법에 의해 산정하였고 용수공급량을 평가하기 위한 이수안전도는 총 40년 유량 사상에서 1년 물 부족이 발생하는 97.5%를 채택하였다. 이 때 관개용수와 유지용수 공급량은 일정하게 유지하고 생・공 용수를 증감시키는 형태로 용수공급량을 산출하였다. 연계 운영에서의 용수공급 가능량은 하천 유지용수를 포함해서 수계 내에서 공급 가능한 최대량을 의미한다. 따라서 댐 기본계획량 및 수계하천 주요지점 유지유량을 만족하면서 통제 불가능한 방류량인 여수로 방류를 제외한 수계 외 유출량을 용수공급 가능량으로 계산하였다.
Specification of dams
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Specification of dams
- 2.3. 용수공급산정기법
다목적댐의 용수공급능력은 댐에 의해 형성된 저수지로부터 공급 가능한 물의 양이며 댐의 용수공급능력에 대한 평가는 신규 수자원의 확보와 저수지 규모의 결정 등을 포함하는 수자원 공급계획의 수립에 필수적인 요소이다(Yi and Song, 2002). 댐의 용수공급능력 평가기준은 크게 보장공급량 기준과 신뢰도 기준으로 구분할 수 있는데 보장공급량은 최대 갈수기에도 공급을 보장할 수 있는 최대공급량을 뜻하며 보장공급량 기준에 의한 용수공급능력 평가는 기록상 특정한 기간에 의해 보장공급량이 결정되므로 자료기간이 길어질수록 용수공급량의 변동이 있을 수 있다. 또한, 물 부족을 전혀 발생시키지 않은 상태에서 가능한 공급량을 기준으로 용수공급능력을 평가함에 따라 용수공급을 지나치게 축소하여 수립함으로써 수자원이용율의 저 하를 가져올 수 있다. 하지만, 신뢰도 기준에 의한 용수공 급능력 평가는 장기간의 계획기간에 걸쳐 저수지 운영을 통하여 전체기간 중 일정비율의 기간 동안만 물 부족이 발생하는 공급량을 평가하는 개념으로서 자료의 기간이 길수록 보다 정확도가 높아지는 방법이라 할 수 있다.
국내에서는 KICT (1994)에서 다목적댐의 용수공급능력 평가방법을 개선하기 위해 신뢰도 기준의 평가방법을 제시하였다. 또한, 연간단위기준 용수공급량이 상대적으로 용수공급량을 작게 산정하기 때문에 이수안전도(safety degree for water shortage) 측면에서 이를 채택하였으며 연간단위 신뢰도를 산정하는 방법은 식 (1)과 같다.
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신뢰도 분석에서 신뢰도는 주어진 계획 기간 동안 시스템이 정상적으로 용수공급을 수행할 확률로 정의되며 식 (2)와 같이 표현할 수 있다. 식 (2)에서 α 로 표시한 신뢰도와 대응하는 개념인 위험도 β 는 임의시점 t에서 용수공급량이 용수수요를 충족시키지 못한 확률로 정의할 수 있으며, 식 (3)과 같이 표현할 수 있다. 수자원 시스템의 설계 및 운영에 대한 신뢰도 분석시 사용되는 기준은 크게 총분석기간에 대한 부족발생 기간의 비로 나타내는 빈도 기준신뢰도, 용수공급량에 대한 부족량의 비로 나타내는 양적 기준신뢰도로 구분할 수 있다.
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여기서, a는 신뢰도, S는 용수수요의 충족상태이다. β 는 위험도, F는 용수부족 상태이다.
- 2.4. 댐과 다기능보 네트워크 구축 및 운영룰
일반적인 댐 운영 시 댐의 수위조건을 만족시키면서 하류의 수요량을 고려하여 조절 방류 및 홍수방류 등을 하는 것이 일반적이다. 조절방류는 저수지의 방류능 및 하류조절점의 하도 통수능을 초과하지 않는 범위 내에서 수위가 상시 만수위를 초과하지 않도록 운영되며 과도한 용수 공급으로인해 저수지 수위가 저수위로 저하될 경우 방류를 중단한다. 홍수 방류는 규정된 하류의 무피해 방류량을 고려하여 방류하되, 댐의 수위가 지속적으로 상승할 때에는 댐의 안전을 위해 수위 하강에 필요한 양을 전량 방류한다. 한편, 다기능보의 경우에는 댐의 운영과 달리 일정한 수위를 유지 할 수 있도록 운영하고 있으며 Ahn et al. (2011)은 경관창출을 위한 경관수위(관리수위)를 유지하면서 초과되는 부분은 고정보를 통해 방류하고 만약 하류의 수요량이 부족할 경우 문비를 가동하여 부족량을 추가 공급하는 형태로 운영하여 하류유향거동특성을 검토한 바 있다. 고정보를 통한 방류시, 고정보 외에 어도 및 소수력 발전을 위한 방류를 병행하여 고정보로 부족한 통수능을 보완한다. 또한, 다기능보는 댐과 달리 수리구조물의 정고와 관리수위 사이에 여유고가 없는 것이 특징이다. 만약 다기능보를 위한 모형 구축시 여유고를 설정하게 되면 추가로 저수할 수 있는 용량이 생성되어 정상적인 모의운영이 불가능하다. 따라서 Fig. 2 와 같이 다기능보의 모형 구축 시 수리구조물의 정고를 관리수위와 동일하게 설정하여 가상의 저수용량을 삭제하고 고정보를 통해 월류될 수 있도록 구성해야 한다. 또한 다기능보의 제원 입력시 고정보는 삭제하고 주수문인 가동보와 발전문비, 어도문비 만을 설정하여 모의하여야 한다. 이 때 고정보 구간의 연장과 폭을 정확히 입력하여야 하며 고정보를 통해 월류되는 양은 모형 자체에서 계산된다.
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Description on input specifications of dams and weirs.
HEC-ResSim 모형에는 세가지 종류의 운영 룰이 존재한다. 우선 Release function rule은 하류에 대한 고려없이 방류하도록 계획된 양을 지속적으로 방류하도록 설정한다. 다음으로 Tandem operation rule은 수리구조물간 연결이 직렬일 경우 상류의 댐에 설정하는 운영 룰로써 이 룰로 연계된 수리구조물은 등가저수지 형태로 저수량을 관리하여 하류의 수요량을 충족시키는 룰이다. 마지막으로 Downstream control function rule은 수리구조물간 연결이 병렬일 경우 연계된 수리구조물의 유효저수량을 고려하여 유효저수량이 많은 쪽은 많은 방류량을 유효저수량이 적은 쪽에 적은 방류량을 할당하여 하류의 수요량을 충족시키는 운영 룰이다. 전술한 룰의 경우 Tandem operation rule을 제외한 두 개의 운영룰은 댐의 수위조건(상시만수위 초과 금지, 갈수위 이하 방류중단)을 충족하며 Tandem operation rule은 수리구조물간 저수용량을 활용하여 별도의 제약조건을 모형에서 자동으로 생성하여 그 조건에 따라 방류하는 것이 특징이다. 수리구조물의 단독 운영 시 Release function rule을 사용하며, 직렬로 연결된 경우 Tandem operation rule을, 병렬로 연결된 경우에는 Downstream function control rule로 설정한다. 만약 직렬 연결과 병렬 연결이 혼합되어 사용된 경우에는 모의하고자하는 대상 수계를 본류와 지류로 구분한 뒤 본류 수리구조물에는 1순위에 Tandem operation rule을 설정하고 2순위에 Down stream function control rule을 설정하고 지류의 수리구조물에는 이와는 반대로 설정하여야 한다. 이 경우 2개 이상의 지류가 합류되는 지점의 직하류에 수리구조물이 위치한 경우 지류 하나에만 Tandem operation rule을 설정하여야 하며 직하류 수리구조물의 저수용량이 작은 경우 Tandem operation rule을 설정하면 정상적인 모의를 수행할 수 없다. 이는 Tandem operation rule이 연계된 저수용량을 등가로 활용하기 때문에 하류에 저수용량이 작은 수리구조물이 있다면 상류의 비교적 큰 저수용량을 가진 수리구조물은 저수량이 충분함에도 등가저수지의 원칙에 의해 충분한 방류를 수행하지 못하기 때문이다.
HEC-ResSim 모형으로 수리시설물간 연계를 구현시 한계점은 다음과 같다. 먼저, 동시에 2개 이상의 룰이 적용되지 않는다. 하나의 수문방류에 대해 하나의 룰만 적용되고, 방류량의 규모에 관한 룰 적용시 문제의 소지는 없으나, 연계운영 룰 적용시 일부 구간은 연계운영 룰이 적용되지 않는다. 예외적으로 Guide curve와 Diversion은 중복 적용 가능하다. 두 번째로 다기능 보의 수문조작에 패턴을 고려할 수 없는 모델제원 입력의 한계가 있다. 연계운영 룰의 경우 댐 단위로 설정되기 때문에 하나의 댐에 모든 제원을 입력하고 연계 운영 룰을 적용하면 최소요구량 등도 방류하지 않는다. 세 번째로, Tandem 룰과 Downstream control룰은 연계운영방식에 있어 큰 차이가 있다. Downstream control룰은 Control point를 위한 연계 방류 외에는 연계하지 않고 연계 시에도 Control point의 수요가 있을 경우에만 연계되고 그 외에는 다른 룰이 적용된다. Tandem 룰의 경우 운영기간 전체에 대해 Tandem 룰이 적용되어 방류량을 관리한다. 또한, 우선순위에 따라 댐의 방류패턴 및 방류량이 다양하게 변화하기 때문에 룰 설정시 다양한 사례를 검토 후에 적용해야 한다.
HEC-ResSim 모형에서는 방류우선순위와 직렬운영 룰, 병렬 운영 룰, 단순 방류 룰 등을 활용하여 댐의 단독 운영과 비교적 단순한 연계운영은 손쉽게 모의할 수 있지만, 우리나라와 같이 댐의 연결구조가 복잡한 경우, 모의를 운영 룰 설정이 간단하지 않다. 이에 본 연구에서는 우리나라와 같이 수지상 형태로 수리구조물이 연결되어 있는 경우, 운영 룰의 우선 순위 및 운영 룰 설정에 관한 일반사항을 모형 구축부분과 운영 룰 설정부분으로 구분하여 도출해야한다( Fig. 3 ).
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Flowchart on operating rule for coupled operation of reservoirs and weirs.
- 2.5. 모형 검증
본 연구를 수행하기 위한 HEC-ResSim 모형의 신뢰성을 검토하기 위해 기존댐 용수공급능력조사(K-water, 1998)에 제시되어 있는 댐별 용수공급능력과 결과를 비교하였다. 대상댐은 안동, 임하, 합천, 남강댐(4개댐)으로 하였고, 댐간 단순연결 상태를 유지하여 이수안전도 95%를 만족하는 용수공급 가능량을 산출하였다. HEC-5와 HEC-ResSim 모형의 운영조건을 동일하게 반영하여 모의한 결과, Table 3 에 제시된 바와 같이 같은 조건을 적용했을 때 약 63 MCM의 용수공급능력 차이가 발생하였다. 이는 HEC-5 모형은 순단위로 입력 및 평가가 가능한데 반해, HEC-ResSim 모형은 월단위 혹은 일단위로 입력 및 평가가 이루어진다. 수위-저수용량의 입력에서도 HEC-5 모형은 RL card를 이용하여 저수 용량으로 입력하지만, HEC-ResSim 모형은 수위와 저수용량을 모두 입력하고 일차적으로 수위를 분석 후 그에 따른 저수용량을 산출하는 방식으로 이루어진다. 두 모형의 용수공급량 결과는 완전히 일치하지는 않았지만, 합리적인 결과를 도출하는 것으로 판단하였다. 또한, 전반적으로 수자원장기종합계획(MOLIT, 2006) 유량을 이용한 분석치가 기존댐 용수공급능력 보고서보다 다소 작게 산출되었다. 이는 수자원장기종합계획 유입량 자료가 순물소모량이 차감된 양이기 때문이다.
Comparison of the results on water supply
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Comparison of the results on water supply
3. Results and Discussion
안동, 임하, 합천, 남강 그리고 밀양댐과 상주, 낙단, 구미, 칠곡, 강정고령, 달성, 합천창녕, 창녕함암보의 제원을 적용하여 HEC-ResSim 모형으로 네트워크를 구축하였고, 도수는 임하, 남강, 밀양댐과 왜관, 진동수위표에 설정하였다. 지보, 사벌, 낙동, 구미, 왜관, 고령, 적포, 진동 수위표 지점 및 안동, 임하댐 합류점, 합천댐 합류점, 남강댐 합류점, 밀양댐 합류점을 주요지점으로 하였으며, 기존 댐 용수 공급능력조사 (K-water, 1998)의 HEC-5 운영조건과 동일하게 반영하였고, 댐과 다기능보의 연계운영룰은 Fig. 3 과 같다.
용수공급능력 평가는 수계내 다목적댐, 수력 발전댐, 다기능보를 고려하였으며, 분석 단위 기간은 1967∼2006년의 40개년을 대상으로 하였고 유입량은 수자원장기종합계획(2006~2020) 물수지 분석 모형인 K-weap를 통해 산정된 유량을 활용하였다. K-weap 모형은 강우-유출모형인 Tank에 의해 계산된 자연유량에 2016년 예측된 용수량 및 용수 회귀를 반영한 물수지 분석을 통해 각 지점별로 반순단위 유출량을 산정한다. 반순단위 모의 유입량은 모형적용 시 일자료로 변환하였으며 상류 댐 유역 배제 후 물수지분석을 실시하였다. 기존댐 및 신규 다기능보 유입지점 유량은 비유량법에 의해 산정하였고 용수공급량을 평가하기 위한 이수안전도는 총 40년 유량 사상에서 1년 물 부족이 발생하는 97.5%를 적용하였다. 관계용수와 유지용수 공급량은 고정(일정량)하였고 생・공용수는 증감하였다. 연계 운영에서의 용수공급 가능량은 하천 유지용수를 포함해서 수계내에서 공급 가능한 최대량을 의미한다.
Fig. 4 는 댐 연계운영과 댐-보 연계운영에 따른 용수공급능력 산정 결과를 도시한 것이다. 댐 연계운영에서 안동, 임하댐의 용수공급능력은 연계 시 하류 유량(63.7 m 3 /sec)에서 자체 유입량(12.5 m 3 /sec)을 차감한 뒤, 단독 댐 용수공급능력 비율로 배분하였다. 왜관수위표 지점의 도수량은 평균용수공급량은 24.4 m 3 /sec, 하류유지유량은 39.3 m 3 /sec으로 나타났다. 합천창녕보 지점에서 56 m 3 /sec에서 81.3 m 3 /sec로 변화된 유황으로 인한 삼랑진 수위표 지점의 유황 변화를 비율로 산출 한 결과, 87 m 3 /sec에서 126.3 m 3 /sec로 나타났다. 자체유입량으로 산출된 10.9 m 3 /sec를 차감한 뒤 단독 댐 용수공급능력 비율로 배분하여 합천, 남강, 밀양댐의 용수공급능력을 산정하였다. 합천, 남강, 밀양댐 방류량 합계는 115.4 m 3 /sec로 나타났다. 댐과 보의 연계운영에서는 안동, 임하댐의 용수공급능력은 연계 시 하류 유량(78.4 m 3 /sec)에서 자체 유입량(12.5 m 3 /sec)을 차감한 뒤, 단독 댐 용수공급능력 비율로 배분하였다. 왜관수위표 지점의 도수량은 평균용수공급량은 39.1 m 3 /sec, 하류유지유량은 39.3 m 3 /sec으로 나타났다. 합천창녕보 지점에서 52.5 m 3 /sec에서 100.7m 3 /sec로 변화된 유황으로 인한 삼랑진 수위표 지점의 유황 변화를 비율로 산출한 결과, 91 m 3 /sec에서 159.1 m 3 /sec로 나타났다. 자체유입량으로 산출된 10.9 m 3 /sec를 차감한 뒤 단독 댐 용수공급능력 비율로 배분하여 합천, 남강, 밀양댐의 용수공급능력을 산정하였다. 합천, 남강, 밀양댐 방류량 합계는 148 m 3 /sec로 나타났다.
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Details for the calculation of water supply capacity.
Table 4 와 같이 용수공급능력 검토 결과, 하류 주요지점으로 내려갈수록 유량은 증가하는 경향을 보였으며, 자연유량, 댐운영, 댐-보 운영에 따라 순차적으로 유량이 증가하였다. 보 운영은 관리수위보다 갈수위 운영 시 유량이 증가하였고, 보 운영을 관리수위로 운영할 경우 Case 2와 같은 결과가 도출되었다. 즉, 다기능보운영지침에서 제시하고 있는 바대로 보를 관리수위(경관수위)로 운영할 경우에는 댐과 보를 연계운영 하더라도, 보를 배제하고 댐만 연계운영한 것과 같은 결과가 나타난다는 것을 의미한다. 연계운영의 경우, 전체 시스템의 관점에서 평가지점 주요지점을 기준으로 운영하였으며 주요지점의 유량은 단독운영 및 연계운영간 비교시 증가하였다. 댐-보 연계운영 시 다기능보의 관리수위 이하 운영일수는 상주보 6,728일(43.0%), 낙단보 7,383일(50.5%), 구미보 8,204일(56.2%), 칠곡보 9,800일(67.1%), 강정고령보 3,842일(26.3%), 달성보 3,719일(25.5%), 합천창녕보 3,785일(25.9%), 함안창녕보 5,796일(39.7%)로써 평균 135일(36.9%)로 나타났고, 수위가 관리수위 이하로 저하되는 경우, 실제 운영은 수계 댐 저수량 및 유량 상황에 따라 적절하게 조절 운영해야할 것으로 판단된다.
Results of analysis on water supply in the Nakdong River
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* Water supply capacity : the ability of dams and weirs to ensure 97.5% for water supply(including withdrawal within dams)( ) : Water supply capacity of the weirs connected in series
체계적인 연계운영을 통해 보다 많은 유량이 유지되는 것을 알 수 있었고 이는 갈수기시 환경개선을 위한 하천유지유량이 증가되는 것을 의미한다. 일반적으로 수질은 유량과 밀접한 관계가 있으며 물 부족이 발생하는 갈수기시 수질이 나빠지는 것으로 알려져 있기 때문에 갈수기시 운영방법에 따라 유량이 증가되면 수질이 개선될 것으로 판단된다. 대부분의 경우에 하천 자체의 자연적인 물 순환 시스템에 의해 확보될 수 있는 유량보다 더 많은 유량이 요구되기 때문에 수리시설물 연계운영에 의한 하천의 유량증가는 환경개선에 긍정적인 영향을 줄 것이다.
본 연구에서 제안한 운영룰을 바탕으로 수리시설물간 연계운영을 한다면, 수자원을 효율적으로 관리하여 기후변화로 인한 가뭄 및 홍수를 대비할 수 있고 한정된 수자원으로 인한 농업, 생활, 공업용수 등에 대한 갈등을 완화 시킬 수 있으며 안정적으로 유출량을 확보함으로써 수자원 개발 및 관리, 댐 하류 갈수량 발생 시 용수 공급뿐만 아니라 하천생태환경의 측면에서도 긍정적인 효과를 얻을 수 있다.
4. Conclusion
4대강 살리기 사업을 통해 진행된 준설 및 다기능보 건설은 구조적으로 저수량을 증가시켰고, 수자원을 최대한 확보하기 위해서는 비구조적인 운영방안이 마련되어야 한다. 4대강 마스터플랜 상의 용수확보량 8.0억m 3 은 단순히 준설 전후 저수지 증가량만을 기준으로 검토한 것이기 때문에 다기능보와 기존 수자원시설물의 연계운영에 의한 용수공급능력을 평가하기 위해서는 이를 평가할 수 있는 다양한 툴을 이용하여 운영안을 제시해야 한다. 본 연구에서는 미 공병단의 HEC-ResSim 모형을 이용하여 이를 평가하고자 하였고 낙동강수계를 대상으로 네트워크를 구축하고 용수공급 능력을 평가하였다. 기존댐 용수공급능력조사(K-water, 1998)에서 활용된 HEC-5와 HEC-ResSim 모형의 입력자료를 동일하게 적용하고 모의한 결과, HEC-ResSim 모형은 재현성이 높은 것으로 나타났기 때문에 최적운영룰 설정 및 용수공급능력을 산정하기 위한 모형으로 적합한 것을 알 수 있었다.
Case 별 용수공급능력을 평가하기 위해 댐 기본계획량 및 수계 하천 주요지점의 유지유량을 만족하도록 하였고, 댐의 관개・유지용수는 고정, 생・공용수는 증감하여 검토하였다. 용수공급능력은 Case 1, Case 2, Case 3 순으로 증가하였으며, Case 1 대비 Case 2는 25%, Case 3은 56% 증가하였고, 다기능보 운영은 관리수위 보다 갈수위 운영시 용수공급능력이 증가하였다. 이를 통해 분석해 볼 때, 단순 계획방류량에 따라 수리시설물을 운영하는 것은 물을 효율적으로 이용하지 못하는 것으로 나타났으며, 수리시설물간 연계운영을 통해 물을 효율적으로 이용할 수 있도록 해야 할 것이다. 또한, 8개 다기능보의 관리수위 이하 운영일수는 135일로 36.9%에 해당하는 것으로 나타났다. 수위가 관리수위 이하로 저하되는 경우, 실제 운영은 수계 댐 저수량 및 유량 상황에 따라 탄력적으로 운영해야 할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 수리시설물 운영시 발생할 수 있는 조작손실, 방류되는 유량의 하도추적, 농업용 저수지를 포함하는 다수의 저수시설을 포함하지 않은 점이 있기 때문에 향후 이러한 부분에 대한 연구를 수행할 필요가 있으며, 본 연구에서 밝힌 용수공급량을 도출하기 위해 참조점(참조 수위국) 등을 평가하고 이를 실제 운영에 적용하는 방안에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 기후변화에 의해 장래 수자원의 변동성을 정량적으로 평가하여 용수공급 취약 지구를 평가하는 연구가 필요할 것으로 사료되는 바이다.
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