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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 한반도의 공유하천인 임진강 유역의 효율적인 하천유역 관리를 위하여 남한의 군남 수위관측소를 유역출구로 하는 북한의 4월5일댐과 황강댐 건설 전·후의 유출량 산정 및 평가를 통하여 댐 건설 이후의 물 부족량(댐 저류량) 및 피해량(댐 방류량)을 명확히 분석함에 있다.
- 본 연구는 임진강 본류인 군남 수위관측소를 기준으로 유출량을 분석하였다. 북한의 4월5일댐, 황강댐중 최초 완공 이전 년도인 1999∼2000년을 자연유출량이 발생기간으로 설정하여 정도 높은 모의를 수행하였으며, 이를 바탕으로 댐 완공 이후의 유출량 변화, 즉 댐 저류량과 댐 방류량의 유출량을 분석, 평가하였다.
- 그러나 2001∼2010년의 통계값은 모형의 모의 정도 개선 결과에 초점이 맞추어진 것이 아님을 주의해야 한다. 즉 관측유량과 모의유량과의 차이는 댐 운영 조작에 의해 발생한 양으로 댐하류 유역인 남한 지역에 물 부족 및 피해를 보여주는 결과를 제공하는 수치인 것이다.
제안 방법
- NWS-PC 모형의 매개변수 초기값 추정과 보정은 댐건설 이전인 1999∼2000년 수문자료를 이용하여 NWS-PC 모형의 매뉴얼 지침에 따라 첨두유량 및 첨두유량 발생시간의 관측값과 모의값의 오차를 최소화하는 방법으로 수행하였으며, 결정된 매개변수는 Table 2∼3과 같다.
- 강우량 자료의 경우 북한 지점의 자료 중 2008년 이전까지는 부분적인 결측이 대다수 존재하므로, RDS 방법(reciprocal distance squared method)을 적용하여 결측자료를 보완하였다. 1일 강우량의 시간간격은 전일 21시부터 당일 21시까지의 값이므로 정시 시간간격과는 다소 차이를 보이고 있다.
- 북한의 기상자료 경우 일조시간 자료가 없으므로 남한의 철원, 동두천, 문산 지점의 월평균 일조시간과 위도자료로부터 평균 지점계수를 산출하였으며, 이를 북한의 5개 지점에 적용하여 월별 지점계수를 산정하였다. 그리고 남한의 3개 지점의 일평균상대습도와 일조시간과의 상관식을 월별로 도출하여 북한의 5개 지점에 대해 지점계수와의 곱으로 일조시간을 추정하였다.
- 또한, 수위-유량관계곡선식은 2000년부터 개발되었으며, 2010년까지 8개년의 자료가 있으므로 수위자료로부터 환산유량을 전기간에 걸쳐 얻을 수 있었다. 다만, 수위-유량관계곡선식이 개발되지 않은 년도에 대해서는 년 유출률을 검토하여 인근년도에 개발된 곡선식을 적용하였다.
- 댐 저류량은 계절적인 영향과 가용자료를 고려하여 4∼6월, 9∼12월로 구분하여 평가를 하였다.
- 따라서 댐 건설 이전 기간인 2001년 이전즉, 1999∼2000년을 모형 모의의 보정기간으로 설정하였으며, 그 이후 기간을 댐 영향을 받는 기간으로 설정하여 일별 유출량을 모의함으로써 댐 하류 유역출구인 군남 수위관측소의 관측유량과 비교 평가할 수 있다.
- 토양함수 상태 부모형의 매개 변수 보정은 수문곡선을 분석하여 추정하는 수동보정과 제약 Rosendrock 최적화 알고리즘을 이용하여 추정하는 자동보정이 있다. 본 연구에서는 수동보정과 자동보정의 조합 시 발생하는 불이익을 극복하기 위하여 제안한 3단계, 즉 초기는 수동보정으로, 중간은 자동보정으로, 최종은 두 방법을 조합하여 보정절차를 수행하였다(Brazil과 Hudlow, 1980). 초기 모형의매개변수를 얻기 위하여 NWS-PC 모형의 매뉴얼에 기술된 절차에 따라 관측 수문곡선과 전 유역의 토양 특성과 모형 매개변수간의 관계를 분석하였다.
- 북한의 4월5일댐, 황강댐중 최초 완공 이전 년도인 1999∼2000년을 자연유출량이 발생기간으로 설정하여 정도 높은 모의를 수행하였으며, 이를 바탕으로 댐 완공 이후의 유출량 변화, 즉 댐 저류량과 댐 방류량의 유출량을 분석, 평가하였다.
- 유역의 증발산량 산정을 위한 최소한의 기상자료로는 일기온(최고, 최저), 일상대습도(최대, 평균, 최소), 일평균 풍속, 일조시간, 관측소 고도, 위도자료 등이다. 북한의 기상자료 경우 일조시간 자료가 없으므로 남한의 철원, 동두천, 문산 지점의 월평균 일조시간과 위도자료로부터 평균 지점계수를 산출하였으며, 이를 북한의 5개 지점에 적용하여 월별 지점계수를 산정하였다. 그리고 남한의 3개 지점의 일평균상대습도와 일조시간과의 상관식을 월별로 도출하여 북한의 5개 지점에 대해 지점계수와의 곱으로 일조시간을 추정하였다.
- 댐 건설 전·후의 영향을 평가하기 위하여 가용기간의 자료를 모두 수집하였다. 수문분석을 위한 시간 간격은 일단위로 선정하였으며, 수집된 자료 중 일단위 자료가 아닌 일부의 자료는 일단위로 환산하여 유출분석에 이용하였다.
- 본 연구에서는 수동보정과 자동보정의 조합 시 발생하는 불이익을 극복하기 위하여 제안한 3단계, 즉 초기는 수동보정으로, 중간은 자동보정으로, 최종은 두 방법을 조합하여 보정절차를 수행하였다(Brazil과 Hudlow, 1980). 초기 모형의매개변수를 얻기 위하여 NWS-PC 모형의 매뉴얼에 기술된 절차에 따라 관측 수문곡선과 전 유역의 토양 특성과 모형 매개변수간의 관계를 분석하였다. 수동보정은 관측과 모의발생 흐름간의 오차를 시행착오법으로 수행하며, 자동보정은 식 1과 같이 관측 및 모의 발생 흐름간의 시간대별 편차제곱합을 최소화하는 목적함수를 설정하여 직접탐색법에 의해 최적치를 구하는 최적화 기법에 의해 수행되고, 자동보정되는 매개 변수는 사용자가 임의로 선정하도록 되어있다.
- 생성된 기상자료를 활용하여 FAO Penman- Monteith 공식에 적용하여 일증발산량을 산정하였으며, 유역평균우량 산정방법과 동일한 방법을 적용하여 유역증발산량을 산정하였다(한국건설기술연구원, 2010). 특히비 홍수기 동안 4월5일댐과 황강댐의 댐 저류에 의한 영향으로 군남 상수도 취수장의 하천수 사용 허가량 취수 가능 여부, 하천관리를 위한 최소유량인 기준갈 수량(군남 : 6.297 ㎥/s)과의 관계를 역학적으로 분석 하기 위한 자료로 상수 및 농업용수 취수량을 조사 수집하였다.
대상 데이터
- 7백만 ㎥ 이다. 1호기는 개성시 장풍군금현동에 위치하고 있는 콘크리트 댐으로 높이 약 13 m, 길이 385 m 이며(군사분계선 북쪽 4.6 ㎞), 2호기는 강원도 토산군 다리골에 위치하고 있는 콘크리트 댐으로 높이 약 10 m, 길이 500 m 규모이다(군사분계선 북쪽 27.7 ㎞). 그 이후 2002년에 3호기 및 4호기가 완공되었으며, 저수용량은 각각 30백만 ㎥으로 추정된다.
- 댐 건설 전·후의 영향을 평가하기 위하여 가용기간의 자료를 모두 수집하였다.
- 본 연구의 대상유역 출구인 군남 수위관측소의 유역면적은 4,260.0 ㎢이며, 유로연장은 193.1 ㎞이다. 1989년 관측개시일 이후부터 수위관측을 지속적으로 해오고 있으며, 유량자료의 생성은 2000년부터 시작되었다.
이론/모형
- 1일 강우량의 시간간격은 전일 21시부터 당일 21시까지의 값이므로 정시 시간간격과는 다소 차이를 보이고 있다. 8개 강우량 관측소의 보완된 자료를 이용하여 지점우량을 확정하였으며, 티센가중법(Thiessen weighting method)을 적용 하여 유역평균우량을 산정하였다. 군남 수위관측소의 수위자료는 일부 동절기 자료의 부재와 1999년, 2002년, 2004년 및 2007년에는 결측일수가 100일을 초과하는 관측현황을 보이고 있다.
- 생성된 기상자료를 활용하여 FAO Penman- Monteith 공식에 적용하여 일증발산량을 산정하였으며, 유역평균우량 산정방법과 동일한 방법을 적용하여 유역증발산량을 산정하였다(한국건설기술연구원, 2010). 특히비 홍수기 동안 4월5일댐과 황강댐의 댐 저류에 의한 영향으로 군남 상수도 취수장의 하천수 사용 허가량 취수 가능 여부, 하천관리를 위한 최소유량인 기준갈 수량(군남 : 6.
- 연구 대상유역의 유출량을 모의하기 위한 분석 모형으로는 NWS-PC 모형을 선정하였다. 미국 국립 기상국(NWS)의 수문예측 사업 그룹은 강수, 눈의 축적과 융해, 토양 함수상태의 계산, 흐름에 대한 매개변수 최적화 등의 유출 예측 체계를 컴퓨터 프로그램화하여 NWSRFS(National Weather Service River Forecast System) 모형을 개발하였다.
- 토양함수 상태계산의 모형 분류는 확정론적 집중형 입력(lumped input), 집중형 매개변수(lumped parameter) 모형에 속하며, 이는 수문순환 과정의 토지부분에서 입력된 강우를 하도 흐름의 유입량으로 변환시킨다. 흐름에 대한 추적 모형의 기능은 하도 유입량의 유역 또는 소유역 출구의 유출로 추적하며 운동파 추적법 (kinematic wave method)이나 단위도 Muskingm 방법의 조합을 사용한다(김, 1997).
성능/효과
- 3.1절에서 언급한 상수량(군남 상수도 취수장)과 농업용수 취수량(연천군 연천읍 차탄리)은 군남 수위 관측소의 기준갈수량 6.297 ㎥/s 이하의 범위내에서 가능한 공급량이다. 특히 Fig.
- 4∼6월보다는 9∼12월과 황강댐 건설 이후인 2008∼2010년에 댐 저류량은 증가하였으며, 평균 0.544억 ㎥/년 (2001∼2010년)의 댐 저류량(유출 부족량)이 발생하는 것으로 분석되었다.
- 2005년 9월 1∼7일의 경우에는 9월 3일에 관측값 첨두유량이나타났으며, 9월 2일 4월5일댐의 물의 방류로 인하여 파주시 적성면, 파평면 일대 어민들의 어망과 통발 등의 약 6천만원의 재산피해를 발생시켰다. 관측값 첨두 유량은 모의값(자연유출량) 첨두유량의 약 4배에 가까운 782.560 ㎥/s 이였으며, 이 기간의 댐 방류량은 1.614억 ㎥로 분석되었다. 2006년의 경우에는 5월과 6월 2차례 4월5일댐의 무단방류가 있었다.
- 2001년 10월 9∼22일의 경우에는 10월 11일에 관측값 첨두유량이 나타났으며, 10월 10일 오후 4월5일댐의 물의 방류로 인하여 연천, 파주지역어민들의 어구, 어망 유실 등 약 2억원 가량의 재산피해를 발생시켰다. 관측값 첨두유량은 모의값(자연유출량) 첨두유량의 약 2배에 가까운 912.580 ㎥/s 이였으며, 댐 방류량은 0.119억 ㎥로 분석되었다. 2005년 9월 1∼7일의 경우에는 9월 3일에 관측값 첨두유량이나타났으며, 9월 2일 4월5일댐의 물의 방류로 인하여 파주시 적성면, 파평면 일대 어민들의 어망과 통발 등의 약 6천만원의 재산피해를 발생시켰다.
- 첨두유량의 발생시간도 모의값 첨두발생 시간과 차이를 보이고 있으므로 댐 운영을 통한 방류시간의 조작이 확실시 된다. 관측자료의 불확실성, 부분적인 자료의 신뢰성 부족, 가용자료의 부족 및 유역특성을 반영하는 최적의 매개변수 적용 여부 등의 한계가 있었으나, 정도 높은 정량적인 유출량 평가를 수행할 수 있었다. 본 연구는 댐 건설에 따른 그 하류 유역의 유출량 평가를 수행한 것으로 향후 이 결과를 바탕으로 보다 구체적인 하천 유역의 수량, 수질관리를 위한 복합적인 분석을 수행할 계획이다.
- 그리고 댐 방류량은 7차례의 무단방류 상황을 중심으로 살펴본 결과 모의값(자연 유출량)에 비해 0.120∼4.880억 ㎥의 추가의 댐 방류량이 발생하였으며, 첨두유량도 약 2∼6배 크게 달하는 것으로 분석되었다.
- 649)로 대체로 양호한 결과를 보이는 것으로 분석되었다. 이러한 결과를 바탕으로 2001년 이후의 평균 통계값에서는 E를 제외하고는 적은 오차 및 결정성이 다소 높은 것으로 분석되었다. 그러나 2001∼2010년의 통계값은 모형의 모의 정도 개선 결과에 초점이 맞추어진 것이 아님을 주의해야 한다.
- 황강댐 건설 완공 이후에 발생한 것으로 황강댐 완공 이전인 4월5일댐 방류량 보다 약 3∼4배 큰 것으로 분석되었다.
후속연구
- 관측자료의 불확실성, 부분적인 자료의 신뢰성 부족, 가용자료의 부족 및 유역특성을 반영하는 최적의 매개변수 적용 여부 등의 한계가 있었으나, 정도 높은 정량적인 유출량 평가를 수행할 수 있었다. 본 연구는 댐 건설에 따른 그 하류 유역의 유출량 평가를 수행한 것으로 향후 이 결과를 바탕으로 보다 구체적인 하천 유역의 수량, 수질관리를 위한 복합적인 분석을 수행할 계획이다.
- 한반도에서 공유하천인 임진강 유역은 북한의 4월 5일댐과 황강댐 건설에 따라 그 하류 유역은 댐의 저 류와 방류의 영향으로 물 부족과 피해가 발생하고 있는 상황으로 효율적인 하천유역 관리를 위해서는 명확한 유출량 평가가 수반되어야 할 것이며, 유출량 분석을 위해서는 장기 유출모형의 적용이 타당할 것이다. 자연하천 유역에 대한 장기 유출모형으로는 우량으로부터 하천 유량을 추정하는 유출 계산법으로 계획 유량을 추정하거나 홍수나 갈수의 예측에 활용되는 TANK 모형이 있으며(Sugawara 등, 1983), 연속강수량과 증발량 자료를 입력하여 유역출구에서 연속 수문곡선을 계산하는 HSPF(Hydrological Simulation Program Fortran) 모형이 있다(Bicknell 등, 1977).
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