Effect of Dam Operation on the Spatial Variability of Downstream Flow

댐운영에 따른 하류하천 유량의 공간적 변동성 평가

Abstract

This study aimed to evaluate the spatial variability of downstream river flow resulting from the operation of the Gimcheon Buhang Dam in the Gamcheon watershed. The dam's effects on flood reduction during the flood season and on increasing streamflow during the dry season-two main functions of multipurpose dams-were quantitatively analyzed. Streamflow data from 2013 to 2021 for the study waterhsed were simulated on a daily basis using SWAT-K (Soil and Water Assessment Tool - Korea) model. Comparison of the simulated and observed values found goodness of fit values of 0.75 or higher for both the coefficient of determination and the Nash-Sutcliffe model efficiency coefficient. The spatial analysis of the dam's effect on flood reduction focused on the annual maximum flood: rates of flood reduction at the four stations ranged from 8.5% to 25.0%. The evaluation of streamflow increase during times of low flow focused on flow duration curves: in particular, compared to the case without an upstream dam, the average low flow at the four sites increased from 33% to 198%.

본 연구에서는 김천부항댐이 위치한 감천유역을 대상으로 댐운영에 따른 하류하천 유량의 공간적인 변동성을 평가하고자 하였다. 특히, 다목적댐의 주요기능인 치수적인 측면에서의 홍수저감과 이수적인 측면에서의 갈수기 유량확보 효과를 정량적으로 분석하였다. 대상유역에 대하여 SWAT-K 모델링을 수행하여, 댐 하류하천의 4개 수위관측지점 관측유량과 모의유량을 비교한 결과, R²와 NSE 모두 0.75 이상의 적합도를 확보하였다. 댐의 홍수저감효과의 공간적 분석을 위해 연최대 홍수량을 중심으로 분석한 결과, 4개 지점에서의 홍수저감율은 8.5~25.0%로 나타났다. 갈수기 유량확보 효과에 대해서는 유황곡선을 중심으로 평가하였으며, 특히 평균갈수량의 경우에는 33~198%의 유량증가가 이루어짐을 알 수 있었다.

서론

최근 기후변화를 넘어선 기후위기의 시대가 도래함에 따라, 전세계적으로 폭염, 가뭄, 홍수를 경험하고 있다. 특히 우리나라는 2022년 한 해 동안 중부지방의 집중호우와 남부지방의 극심한 가뭄이 동시에 발생하여, 사회 ‧ 경제적인 피해가 발생하였다(KMA, 2022). 이러한 양극단의 수문기상학적 현상은 수자원 이용, 관리, 계획에 어려움을 가중시키고 있다. 이에 대한 대응방안 중 대표적인 수자원 시설물인 다목적댐의 효율적인 운영은 용수의 안정적 공급과 홍수 피해 방지에 핵심적인 역할을 수행하고 있다. 따라서, 댐운영이 유역의 하천유량에 미치는 영향을 종합적으로 이해하여, 유역 수자원관리의 안정성을 높이는 것이 매우 중요하다.

인위적인 댐운영은 하류하천의 유황을 변화시키며, 이러한 유황의 변동 특성을 분석하기 위한 대표적인 방법으로 Richter et al.(1996)은 수문변동지표(Indicators of Hydrologic Alteration, IHA)를 제시하였으며, 국내외적으로 많은 연구가 이루어져왔다(Magilligan and Nislow, 2005; Yang et al., 2008). 특히 국내에서는 Kang et al.(2010)은 금강유역의 댐과 물이용에 의한 유황변동특성 분석을 수행한 바 있으며, Cho et al.(2019)은 감천유역의 부항댐 건설로 따른 하천의 생태 및 수문특성의 변화를 고찰하였다. 이러한 연구들은 댐건설 시점 기준으로 전후의 기간에 대한 비교분석이 수행되어, 기상조건에 의한 변동성이 배제되지 못한 한계점이 있다.

따라서, 본 연구에서는 댐건설 이후의 수문기상조건이 동일한 기간에 대하여, 수문모델링을 활용하여 댐유무 시나리오에 따른 유량 계열들을 구축 및 비교함으로써 하류하천유량에 댐운영이 미치는 직접적인 영향분석에 초점을 두었다. 특히, 댐의 홍수저감효과 측면에서는 연최대홍수량을 중심으로 분석을 수행하였으며, 갈수기 유량확보효과 측면에서는 유황곡선을 중심으로 변동특성을 평가하였다. 또한, 댐하류 다수의 수위관측지점을 대상으로 상류에서 하류 지점으로 내려갈수록 댐운영으로 인한 공간적인 유량변동 특성을 고찰하였다.

이론적 배경

SWAT-K 모형

SWAT-K 모형은 미국 농무성에서 개발된 준분포형 수문모형인 SWAT(Soil and Water Assessement Tool)(Arnold et al., 1993; Neitsch et al., 2005)을 국내유역 특성에 맞게 수문, 수질 모의 알고리즘 고도화, 국내토양 DB 탑재 등을 통하여 개선한 모형이다(Kim et al., 2009; Lee et al., 2021). 모형의 입력자료로는 일단위의 기상자료(강수량, 최대/최저 기온, 상대습도, 풍속, 일사량)와 수치주제도(DEM, 토지피복도, 토양도)가 요구된다. 동일 기상, 토지이용, 토양으로 구성된 각 수문응답단위(hydrologic response unit, HRU)를 기준으로 강수량, 증발산량, 유출량, 함양량 등과 같은 수문성분을 모의하며, 토양수분을 중심으로 한 물수지 기본방정식은 식 (1)과 같다.

\(\begin{aligned}S W_{t}=S W_{0}+\sum_{i=1}^{t}\left(R_{d a y, i}-Q_{s u r f, i}-E_{a, i}-w_{s e e p, i}-Q_{g w, i}\right)\end{aligned}\)       (1)

여기서, SW_t는 t일의 토양수분량(mm), SW₀는 초기토양수분량(mm), R_day,i, Q_surf,i, E_a,i, w_seep,i, Q_gw,i는 각각 i일의 강수량(mm), 지표면 유출량(mm), 증발산량(mm), 토양층에서 빠져나가는 침루량(mm)과 지하수유출량(mm)이다. HRU별로 모의된 수문성분량은 소유역 단위로 합산되어, 유역의 주하도로 유입되어 하도추적을 통해 하천유량이 산정된다. 또한, 모형 내에는 저수지 운영모듈이 탑재되어 있으며, 본 연구에서는 하류하천유량에 미치는 댐 영향을 파악하기 위해 댐운영이 이루어지고 있는 상황에서는 댐방류량, 댐운영이 이루어지지 않는 상황에서는 댐유입량이 하류하천으로 유입되는 것으로 모형을 구성하였다.

유황곡선

유황곡선(Flow duration curve, FDC)은 홍수사상에서 저유량에 이르기까지 하천유량의 전 범위를 표현하는 가장 유용한 방법(Smakhtin, 2001)으로 WMO(2008)는 수자원의 지속가능한 관리를 위한 핵심도구라 한 바 있다. FDC는 대상유역의 하천유량에 대한 크기(magnitude)와 빈도(frequency)와의 관계를 나타내는 것으로, 간단하며, 포괄적인 시각적 그래프를 제공한다. 우리나라에서 FDC의 유황기준이 되는 풍수량, 평수량, 저수량, 갈수량은 각각 연중 95일, 185일, 275일, 355일(365일 기준으로 초과확률로 나타내면 각각 약 26.0%, 50.7%, 75.3%, 97.3%) 동안은 유지할 수 있는 최소 유량을 의미한다. 또한, 상류댐이 위치하고 있을 경우에는 댐운영 유무에 따라 Fig. 1과 같은 거동을 나타내는 것이 일반적이며, 댐의 홍수저감 및 갈수기 유량확보 효과를 확인할 수 있다.

Fig. 1. Flow duration curve.

연구절차

본 연구의 목적인 댐운영에 따른 하류하천유량의 수문학적 공간적 변동성을 분석하기 위한 연구절차는 다음과 같다.

(1) SWAT-K 모델링 : 댐이 위치하고 있는 대상유역에 대하여 모형구축 및 매개변수 검보정을 실시하여, 유역 내 모든 수위관측지점에서의 모의유량 적합도를 평가하였다. 유출모의 적합도 평가를 위한 통계적 기준으로 R²(Coefficient of determination), NSE(Nash-Sutcliffe Efficiency)에 대하여 0.75 이상(매우 우수, Moriasi et al., 2007)을 확보하였다. 이는 현재 댐운영이 이루어지고 있는 유역상황에 대한 유출모의이며, 추가적으로 댐운영이 이루어지지 않는 유역상황을 가정하여 유출모의를 수행하였다.

(2) 댐운영에 따른 홍수저감효과 분석 : 댐운영 유무에 따른 각 시나리오별 댐지점 및 수위관측지점의 연최대홍수량 계열을 작성하여, 홍수저감 효과를 분석하였다. 또한, 댐운영에 따른 댐하류 분석지점들의 유역면적을 기준으로 홍수 저감율 특성을 고찰하였다.

(3) 댐운영에 따른 갈수기 유량확보 분석 : 댐운영 유무에 따른 각 시나리오별 댐지점 및 수위관측지점의 연평균 FDC를 작성하여, 풍수량, 평수량, 저수량, 갈수량에 대한 유량변동을 평가하였다. 마지막으로, 댐운영에 따른 유황변동 특성을 각 분석지점의 유역면적을 기준으로 평가하였다.

대상유역 및 유출모델링

대상유역 현황

본 연구에서는 댐운영에 따른 하천유량의 공간적인 유량변동을 분석하기 적합한 유역으로 낙동강 수계에 위치한 감천 유역(수자원단위지도 중권역, 유역면적 1,005 km²)을 대상유역으로 선정하였다. 감천유역의 상류부에는 김천부항댐이 위치하고 있으며, 댐하류 하천에는 4개의 수위관측소(김천시(지품교), 김천시(김천교), 김천시(대동교), 구미시(선주교))에서 유량관측이 이루어지고 있다. 김천부항댐과 수위관측소의 위치 및 상류면적은 Fig. 2와 Table 1과 같다.

Fig. 2. Study area.

Table 1. Information of dam and water level gauging stations

SWAT-K를 이용한 유출모델링

대상유역의 분석기간은 김천부항댐 건설 이후인 2013년부터 2021년까지 구축하였다. 따라서, 모형의 입력자료인 수문기상자료의 경우에는 대상유역에 영향을 미치는 기상청 관할(상주, 추풍령, 구미), 환경부 관할(김천시(지례면사무소), 김천시(부곡동), 구미시(선주교)), K-water 관할(김천시(파천리), 김천시(월곡리), 김천시(김천부항댐)) 지점의 기상 시계열자료(강수량, 최대/최저 기온, 상대습도, 풍속, 일사량)와 김천부항댐의 유입량, 방류량 시계열 자료를 모의기간에 대하여 일단위로 구축하였다. 수치주제도의 경우, 수치표고모델(Digital Elevatin Model, DEM)(국토지리정보원, 30 m 격자), 토지피복도(환경부, 중분류), 토양도(국립농업과학원, 토양통 분류)를 활용하였다(Fig. 3).

Fig. 3. SWAT-K model setup.

댐운영이 이루어지고 있는 현재 유역상황에 대하여 구축된 모형의 매개변수 보정은 댐지점 및 댐하류 4개 수위관측지점의 관측유량자료를 이용하여 시행착오법으로 수행하였으며, 전 지점의 일 유출수문곡선에 대한 관측유량과 모의유량의 적합도는 통계적 기준으로 활용한 R²와 NSE 모두 0.75 이상의 상관성을 확보하였다(Table 2). Fig. 4는 전체 모의기간 중 2021년에 대한 김천부항댐 지점의 유입량과 댐하류 김천시(지품교), 구미시(선주교) 지점의 하천유량에 대한 일단위 유출수문곡선을 비교 도시한 것으로, 모의값이 관측값을 잘 모사하고 있음을 확인할 수 있었다.

Table 2. Model performance results

Fig. 4. Observed and simulated hydrographs.

또한, 김천부항댐 운영에 따른 하류하천 유량의 공간적인 변동성을 평가하고자, 앞서 구축한 댐운영이 이루어지고 있는 현재 유역상황(댐하류 하천으로 댐방류량 적용, 시나리오 1)과 비교하기 위한 댐운영이 이루어지지 않는 유역상황(댐 하류 하천으로 댐유입량 적용, 시나리오 2)을 가정하여 유출모델링을 수행하였다. 댐운영으로 인한 댐지점 및 하류하천 유량의 변동상황을 저유량에서도 파악할 수 있게 로그스케일로 Fig. 5에 도시하였다. Fig. 5a는 김천부항댐의 유입량과 방류량을 도시한 것으로, 강우-유출관계에 의해 댐으로 유입되는 유량과 댐운영으로 연중 일정하게 하천하류로 방류되는 유량을 확인할 수 있다. Figs. 5b and 5c는 댐운영 유무에 따른 시나리오에 대한 하류하천에 위치한 김천시(지품교), 구미시(선주교) 지점의 하천유량 변동을 도시하였으며, 홍수기 첨두홍수량 감소, 갈수기 유량 증가와 같은 댐운영 효과를 파악할 수 있었다.

Fig. 5. Comparison of streamflows with and without dam.

댐운영에 따른 하류하천 유량변동 분석결과

댐운영에 따른 홍수저감효과 분석

다목적댐의 주요기능인 홍수저감효과를 분석하기 위해 각 분석지점의 댐운영 유무에 따른 시나리오별 연최대홍수량 계열을 작성하였으며, 홍수저감율 평가를 위해 Gross and Moglen(2007)이 제안한 식 (2)를 활용하였다.

\(\begin{aligned}R_{Q}=\left[1-\frac{Q_{w / \text { dam }}}{Q_{w / o d a m}}\right] \times 100\end{aligned}\)       (2)

여기서, R_Q는 홍수저감율(%), Q_w/dam, Q_{w/o dam}은 각각 댐유무에 따른 분석지점의 연최대홍수량(m³/s)이다. 댐유무 시나리오에 따른 하류하천의 각 분석지점별 연최대홍수량 계열을 비교하여 도시한 결과를 보면, 댐운영이 이루어지지 않을 경우에 비해 댐운영이 이루어지는 상황에서는 홍수량이 감소함을 알 수 있다(Fig. 6).

Fig. 6. Annual peak floods with and without dam.

또한, 하류하천으로 내려갈수록 기울기가 커지며, 이는 댐으로 인한 홍수저감효과가 작아짐을 의미한다. 대상유역의 최하류에 위치한 구미시(선주교) 지점의 상류에 위치한 김천시(대동교)의 지점의 홍수저감효과가 작게 나타나, Fig. 7의 박스플롯을 통한 추가적인 분석을 수행하였다. 두 지점의 1일 최대홍수량을 비교한 경우(Fig. 7a), 평균값은 구미시(선주교) 지점이 김천시(대동교) 지점보다 큰 홍수저감율을 나타내었으나, 중앙값은 구미시(선주교) 지점이 김천시(대동교) 지점보다 낮은 홍수저감율을 나타냄을 확인하였다. 이러한 결과는 일반적으로 댐하류로 내려갈수록 댐의 영향이 작아져 홍수저감율 또한 작아지는 것이 일반적인 현상으로, 이상치에 대하여 평균값은 민감하며, 중앙값은 덜 민감한 성질을 보임을 의미하는 것으로 판단된다. 2일 최대홍수량에 대해 검토한 결과에서는 평균값과 중앙값 모두 댐하류로 내려갈수록 홍수저감효과가 줄어드는 경향을 확인하였다. 마지막으로 각 분석지점의 상류면적에서 댐이 차지하는 면적비율과 홍수저감율의 관계를 분석한 결과, 높은 상관관계를 확인할 수 있었다(Fig. 8).

Fig. 7. Boxplots of flood reduction rate.

Fig. 8. Relationship between flood reduction rate and basin area.

댐운영에 따른 갈수기 유량확보효과 분석

또 다른 다목적댐의 주요기능인 갈수기 유량확보 효과를 분석하기 위해 각 분석지점의 댐운영 유무에 따른 시나리오별 연평균 유황곡선들을 작성하였다(Fig. 9).

Fig. 9. Flow duration curves according to dam operation.

유황곡선의 풍수량, 평수량, 저수량, 갈수량을 중심으로 댐운영 효과에 따른 유량변동을 분석한 결과는 Table 3과 같으며, 제시된 값은 댐운영이 이루어지지 않을 경우의 각 분석지점의 유황과 비교하여 댐운영 효과에 따라 각 유황의 증가된 비율을 의미한다. 하류하천의 각 분석지점 모두 저유량으로 갈수록 댐운영 효과가 증가하였으며, 댐하류로 내려갈수록 댐의 영향이 작아져 유량확보 비율은 감소함을 확인할 수 있었다. 수자원관리 및 계획에서 중요한 평균갈수량의 경우, 댐직하류에 위치한 김천시(지품교) 지점에서는 197.71% 증가하였으며, 최하류에 위치한 구미시(선주교) 지점에서는 32.93% 증가에 그쳤다. 마지막으로 각 분석지점의 상류면적에서 댐이 차지하는 면적비율과 유량증가율의 관계를 분석한 결과, 홍수저감효과와 마찬가지로 높은 상관관계를 확인할 수 있었다(Fig. 10).

Table 3. Variation of flow duration curves (%)

Fig. 10. Relationship between streamflow increase rate and basin area.

결론

우리나라 수자원관리에 있어 다목적댐의 효율적인 운영은 수자원의 이치수적인 측면에 기여하는 바가 크다. 본 연구에서는 낙동강 수계의 감천유역을 대상으로 SWAT-K 모델링을 활용하여, 댐운영이 하류하천의 유량에 미치는 긍정적인 영향을 다수의 관측지점을 대상으로 상세히 분석하였다. 주요 결론은 다음과 같다.

첫번째로 댐운영에 따른 홍수저감효과 분석한 결과, 댐이 없을 경우에 비하여 댐운영이 이루어지는 경우 하류지역에서 홍수량이 감소함을 확인하였으며, 특히 댐지점에서 하류로 이동함에 따라 홍수저감 효과가 감소하는 경향을 정량적으로 분석하였다. 두 번째로 댐운영에 따른 갈수기 유량확보효과 분석에서는 댐이 없을 경우와 댐운영이 이루어지는 경우에 대하여 하류하천 분석지점에서의 유황곡선 변동을 고찰하였다. 특히, 저유량 기간에 댐운영에 따른 갈수기 유량이 증가함을 정량적으로 파악하였으며, 댐지점에서 하류로 이동함에 따라 갈수기 유량확보 비율이 감소하는 경향을 정량적으로 제시하였다. 수자원계획에 중요한 평균갈수량의 경우, 댐직하류 지점에서는 약 198%의 상당한 증가를 보였으며, 최하류 지점에서는 약 33%의 증가로 댐영향이 하류로 내려갈수록 감소함을 확인하였다. 마지막으로, 홍수저감효과와 갈수기 유량확보효과는 분석지점의 상류면적에서 댐이 차지하는 면적의 비율과 높은 상관관계를 나타냄을 확인하였다.

본 연구를 통하여 댐운영이 하류하천 유량에 미치는 영향을 정략적인 분석을 통하여 인과관계를 이해하고자 하였으며, 댐운영에 따른 홍수저감과 갈수기 유량확보 효과를 하류하천 구간을 대상으로 공간적으로 분석하였다. 향후 SWAT-K의 지표수-지하수 연계해석 모듈을 적용한다면, 갈수기 하천유량을 보다 정확하게 모의할 수 있을 것으로 판단된다. 이러한 연구결과는 댐운영 및 수자원 계획에 대한 실질적인 정보를 제공함으로써 지속가능한 수자원 관리 및 미래의 기후변화 대응에 기여할 것으로 판단된다.