[논문]남북공유하천 북한강의 물이용 문제점 및 수리권 추정 (I) -임남댐 유역변경에 의한 하류 영향 분석

안종서; 정관수; 이광만

doi:10.3741/jkwra.2011.44.4.305

남북공유하천 북한강의 물이용 문제점 및 수리권 추정 (I) -임남댐 유역변경에 의한 하류 영향 분석
Problems of Water Use and Estimation of Water Right in North Han River Shared by North and South Korea (I) -Analysis of Diversion Impacts on Downstream Area by Imnam Dam 원문보기

韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association, v.44 no.4, 2011년, pp.305 - 314

안종서 (Kwater 대청댐관리단) , 정관수 (충남대학교 토목공학과) , 이광만 (Kwater Kwater연구원)

초록
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북한강 수계의 경우 북한이 임남댐을 개발하여 유역변경식으로 물을 이용하고 있어 하류지역에서 여러 가지 문제가 나타나고 있다. 따라서 남 북한이 공유하천을 효과적으로 관리하기 위해서는 수량이나 수질 등 다양한 분야에서의 협력이 절실히 요구되고 있다. 그러나 남 북공유하천에서 상 하류국가간 물이용의 공평성을 실현하기 위한 노력은 매우 미흡한 실정이다. 본 논문에서는 남북공유하천의 공평한 물이용의 판단기준이 되는 수리권을 검토하기 위해 북한의 임남댐에 의한 영향을 주요 분야별로 심도 있게 분석하였다. 분석결과, 한강유역의 용수공급은 1978년을 이수안전도 평가를 위한 기준갈수년으로 할 경우 임남댐으로 인해 379백만$m^3$/년의 공급부족이 발생하는 것으로 나타났다. 아울러 한강 수계의 발전용댐도 유입량 감소로 인하여 연간발전량이 234GWh/년 감소하게 되었고, 수질은 북한강 삼봉리 지점 기준 BOD 약 0.065 ppm 증가하는 것으로 분석되었다. 결과적으로 남북공유하천에서 북한의 절대영토주권주의에 입각한 불공평한 수자원 이용은 하류국가인 남한에 직 간접적으로 상당한 영향을 미치고 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Imnam Dam construction and inter-basin water transfer use by North Korea have caused several problems including water resources management aspects in the downstream reach of North Han River. Therefore, cooperative works between North and South Korea are required to make a reasonable management situation of the shared river for water quantity and quality. However, efforts by the North and the South has done not enough to achieve equitable water use in the shared river. This study analyzes main impacts caused by Imnam Dam in key sectors for reviewing water use right regarded as the most important decision-making criterion in international rivers. As the results, water deficit by Imnam Dam is calculated at 379 million $m^3$/year when river drought year for water assessment is set in 1978 in the Han River basin. Additionally hydropower production is decreased by 234 GWh/year in exclusive hydropower generation dams. In respective of water quality, BOD concentration is increased by 0.065 ppm at Sambongli in North Han River. Finally it is identified that unequitable water use based on the absolute territorial sovereignty by North Korea in North Han River has directly and indirectly affected severe impacts to South Korea as the downstream user.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

지금까지 남북공유하천의 불평등한 물이용의 문제점과 해결대안이 협력시스템 구축과 전력지원분야에 한정되어 있어 수리권과 같은 구체적인 대안 제시에는 미흡하였다. 따라서 남북공유하천 중 문제가 심각한 북한강을 대상으로 북한의 임남댐에 의한 영향을 수량 및 수질 측면에서 분석하고 수리권을 판단하기 위한 물 부족 상황을 해석하여 제시하고자 하였다. 이를 위해 북한강 유역의 수문 및 수질조사, 강우유출 해석, 장래용수공급평가 및 수질상태 등을 분석하여 임남댐 건설과 유역변경이 하류하천에 미치는 영향을 종합적으로 평가하였다.
본 연구에서는 2003년 완공된 북한의 임남댐에 의한 영향을 종합적으로 판단하고자 주요 분야에 대한 분석을 실시하였다. 이에 따라 수자원 감소측면에서의 용수감소량, 흐르는 물이 수질에 미치는 영향, 긍정적인 측면에서 치수 효과 등에 대한 평가가 이루어 졌다.
용수공급평가를 위한 기준에는 공급량을 충족시키는 수준을 따지는 신뢰도방법과 하천의 수문량을 기준으로 하는 기준갈수년 방법이 있다. 본 연구에서는 과거 1967년부터 2005년까지 39개년을 대상으로 최대갈수년을 용수공급 평가를 위한 기준갈수년으로 평가하였다. 수요기준은 2020년을 장래공급목표년으로 하여 하천수 부족량을 산정하였다.
본 연구에서는 남북공유하천의 물이용의 불공평을 해소하기 위한 시발점이라 할 수 있는 하류국가의 기본 수리권 추정에 필요한 공학적 분석의 기본정보를 제공하고자 하였다. 지금까지 남북공유하천의 불평등한 물이용의 문제점과 해결대안이 협력시스템 구축과 전력지원분야에 한정되어 있어 수리권과 같은 구체적인 대안 제시에는 미흡하였다.

가설 설정

모형구성에 필요한 입력자료 중 유출량은 1966∼2005년까지의 강우자료를 반순별로 정리하여 사용하였다. 자연유출량의 장래 예측치는 과거의 유출이 미래에도 재현된다고 가정하여 대상년도(2020년) 용수수요량을 기준으로 물수지 분석을 실시하여 그 중 가장 하천수 부족이 크게 발생하는 연도를 최대갈수년으로 선정하였다. 댐의 저수위, 저수량 현황은 1967∼2006년까지의 매월 말일의 저수위, 저수량 실적을 이용하였으며, 장래 용수수요 예측량(2020년 고수요기준), 광역 물 이동망은 「수자원장기종합 계획 (2006∼2020) (건설교통부/한국수자원공사, 2006)」의 자료를 동일하게 적용하였다.

제안 방법

그래서 도수터널 규모와 임남댐의 직접적인 영향을 받는 화천댐의 유입량을 분석하여 추정하는 것이 비교적 정확할 것으로 판단되었다. 결국 임남댐지역을 미계측유역으로서 간주하고 1997년을 임남댐의 건설 전과 후로 구분하여 이전에 대해서는 화천댐의 실유입량을, 이후는 지리적으로 가까운 소양강댐의 실유입량을 대상으로 Fig. 1과 같은 절차로 추정하였다. 즉, 화천댐 실측 유입량 자료를 분석하여 임남댐 건설전·후 유량변화를 분석하였으며, 화천댐과 소양강댐의 상관성 분석 및 유역전이법을 이용하여 임남댐 건설 이후 왜곡되지 않은 자연유량을 산정하였다.
저류함수모형의 매개변수 산정은 유역유출모형의 변수산정과 하도유출모형의 변수산정으로 나누어지며 유역 및 하도유출 모형의 매개변수를 산정하기 위해서는 유역의 지형인자와 하도의 기하학적 기초자료의 결정이 우선되어야 한다. 결정된 유역 및 하도에 대한 자료와 과거 수문자료를 분석하여 저류함수모형의 매개변수를 산정하고 이들 상수값을 유출예측모형의 입력 자료로 사용한다. 최근에는 토지이 용도로부터 GIS 및 RS 기법을 이용해 쉽게 관련 매개변수의 추출이 가능하며, 강우손실의 비선형 특성을 반영할 수 있는 SCS Curve-number법을 유역 유출에 적용하고 있다.
댐의 저수위, 저수량 현황은 1967∼2006년까지의 매월 말일의 저수위, 저수량 실적을 이용하였으며, 장래 용수수요 예측량(2020년 고수요기준), 광역 물 이동망은 「수자원장기종합 계획 (2006∼2020) (건설교통부/한국수자원공사, 2006)」의 자료를 동일하게 적용하였다.
댐이 위치한 중권역은 중권역내 단위유역을 이용하여 댐 상 하류의 자연유량, 생활·농업·공업용수의 비율을 산정하여 댐 상 하류로 분리하여 적용하였다.
모형선정은 실제 북한의 특성상 많은 공간자료를 확보하는 것이 어렵기 때문에 가용한 자료에 의한 모의 가능성 등을 종합적으로 고려하였다. 따라서, 미계측 유역에 대한 자료는 위성영상이나 GIS 기법을 활용한 유역특성 인자의 생산 및 가공 측면을 고려하였다. 이러한 측면에서 PRMS (Precipitation Runoff Modular System) 모형을 선정하였으며 MMS (Modular Module System)버젼(Leavesley et al.
또한, 적용하는 공간 및 시간에 따라 연속형 모형(continuous)과 사상형 모형(event)으로 구분할 수 있다(Singh, 1995). 모형선정은 실제 북한의 특성상 많은 공간자료를 확보하는 것이 어렵기 때문에 가용한 자료에 의한 모의 가능성 등을 종합적으로 고려하였다. 따라서, 미계측 유역에 대한 자료는 위성영상이나 GIS 기법을 활용한 유역특성 인자의 생산 및 가공 측면을 고려하였다.
북한강유역의 치수영향 분석은 임남댐의 홍수조절효과를 중심으로 실시하였다. 임남댐이 정상적으로 운영될 경우, 인위적인 홍수조절운영을 하지 않더라도 댐 자체의 제원에 따라 홍수량 감소효과가 있을 것으로 예상되어 한강 하류 한강대교(인도교)의 수위는 Fig.
본 연구에서는 과거 1967년부터 2005년까지 39개년을 대상으로 최대갈수년을 용수공급 평가를 위한 기준갈수년으로 평가하였다. 수요기준은 2020년을 장래공급목표년으로 하여 하천수 부족량을 산정하였다. 산정 결과, Table 5에서 보여주듯이 40년갈수빈도 대해 임남댐 건설전은 1,149백만m³/년, 임남댐 건설 후는 1,528백만m³/년의 부족이 발생하였다.
공유하천에 대한 사회경제적 측면의 연구사례로 이명환(1987)은 금강산댐 건설계획을 북한의 경제계획과 관련시켜 그 계획의 경제적 당위성 여부를 분석하였다. 아울러 금강산댐 건설이 남한에 미치게 될 영향과 그에 대한 남한의 대응방안을 구상하여 제시하였다. 그리고 금강산댐 건설의 영향과 대응방안을 자연환경의 변화와 안보 측면에서의 영향으로 나누어 분석한바 있다.
QUAL-NIER 모형은 미국환경청에서 개발한 QUAL2E를 기반으로 하고 있으며, QUAL2E 모형의 DO 중심 구조로부터 우리나라 하천 및 호소에서 주요 수질지표로 사용되고 있는 유기물, 영향염류 및 조류 중심 구조로 변환되었다. 유기물질은 크게 입자성과 용존성으로 구분하고, 조류의 물질대사에 따른 유기물의 증가 및 질소 인의 순환과정을 모형의 중심구조로 설정하였다. 또한, 수질반응 구조 및 수질변수 간의 상호작용 등을 검토하여 국내 하천에 적용하기 위해 요구되는 반응기작을 보완하였으며, 유기물, 질소나 인과 같은 영향염류와 조류에 대한 수질 반응식이 포함되어 있다(박준대 등, 2008).
따라서 남북공유하천 중 문제가 심각한 북한강을 대상으로 북한의 임남댐에 의한 영향을 수량 및 수질 측면에서 분석하고 수리권을 판단하기 위한 물 부족 상황을 해석하여 제시하고자 하였다. 이를 위해 북한강 유역의 수문 및 수질조사, 강우유출 해석, 장래용수공급평가 및 수질상태 등을 분석하여 임남댐 건설과 유역변경이 하류하천에 미치는 영향을 종합적으로 평가하였다.
또한 수리권 추정은 수요와 공급에 기초한 물수지 분석이 필요하며, 수리권 추정과 관련된 물 배분방식이 정해져야 한다. 이를 위해 앞장에서 제시한 모형들을 분야별 기본모형으로 하여 관련 정보들을 획득하였다(안종서, 2011). 이와 관련된 해석은 Fig.
임남댐 건설로 인한 북한강수계 내 발전량 변화은 각 수력발전댐별 실적발전량을 임남댐 건설 전·후로 나누어 분석하였다.
이는 수계내 물의 흐름은 용수공급 체계에 따라 전 권역이 연계되어 있어 상호 간의 충족여부를 판단하여야 한다. 임남댐 건설에 따른 유입유량의 타유역 도수로 인하여 발생하는 남한측의 하천수 공급 부족량 변화를 분석하였다. 용수공급평가를 위한 기준에는 공급량을 충족시키는 수준을 따지는 신뢰도방법과 하천의 수문량을 기준으로 하는 기준갈수년 방법이 있다.
이의 계산을 위한 연유량자료 계열은 임남댐 건설전인 1967∼1996년까지는 화천댐지점 실측유량 자료를 이용하고, 임남댐 건설시작 이후인 1997∼2005년까지는 소양강댐 유입량자료를 강우량과 유역면적비를 고려하여 추정하였다. 즉 임남댐 건설전은 화천댐 유입량 자료를 이용하여 유역비로 할당하고 이후는 비교적 근접거리에 있는 소양강댐의 유량 자료를 전이하였다(Fig. 1)
즉, 화천댐 실측 유입량 자료를 분석하여 임남댐 건설전·후 유량변화를 분석하였으며, 화천댐과 소양강댐의 상관성 분석 및 유역전이법을 이용하여 임남댐 건설 이후 왜곡되지 않은 자연유량을 산정하였다.

대상 데이터

「수자원장기종합계획(2006∼2020)」 부록 내의 연간 광역 물이동량 자료를 반순 5일단위로 등 배분하여 사용하였다.
모형구성에 필요한 입력자료 중 유출량은 1966∼2005년까지의 강우자료를 반순별로 정리하여 사용하였다.
북한강 수계의 수질측정망은 총 52개소로서 한강유역 환경청과 원주지방환경청 관할 측정망 등으로 이루어져 있다. 본 연구에서 검토한 대상 지점은 총 8개 지점(화천댐상류, 화천댐, 춘천댐, 의암댐앞, 춘성교, 청평댐, 대성리, 삼봉리)의 자료를 이용하여 구간별 목표수질 설정, 오염부하량을 할당하고 목표수질 달성여부를 분석하였다. 분석결과, 임남댐 건설 후가 건설 전에 비하여 Table 7과같이 BOD기준으로 평균 10% 정도 높아지는 것으로 나타났다(안종서, 2011).
최근에는 토지이 용도로부터 GIS 및 RS 기법을 이용해 쉽게 관련 매개변수의 추출이 가능하며, 강우손실의 비선형 특성을 반영할 수 있는 SCS Curve-number법을 유역 유출에 적용하고 있다. 유출계산을 위하여 한강유역을 67개의 소유역과 64개의 하도로 분할하여 적용하였다(안종서, 2011).
이의 계산을 위한 연유량자료 계열은 임남댐 건설전인 1967∼1996년까지는 화천댐지점 실측유량 자료를 이용하고, 임남댐 건설시작 이후인 1997∼2005년까지는 소양강댐 유입량자료를 강우량과 유역면적비를 고려하여 추정하였다.
한편 북한의 임남댐 건설로 인한 수자원량 변화를 분석하기 위해 남한측 화천댐의 실측 유입량자료를 이용하였다. 이를 위해 1996년 이전은 임남댐 건설 전, 1997∼2000년은 임남댐 건설 중, 2001년 이후는 임남댐 건설 후로 구분하였다.

이론/모형

또한, 2007년도에는 국내 수체 특성과 오염총량관리를 위해 고려되어야 하는 현상들과 기존 개발된 모형 적용시 나타난 문제점을 하천현상학적인 측면, 수질시험방법적 측면, 오염총량관리 측면 등을 종합적으로 고려한 QUAL-NIER를 개발하였다. 따라서 본 연구에서는 국내 실정에 적합하게 개발된 모형을 사용하고자 QUAL-NIER를 수질모형으로 선정하였다(국립환경연구원, 2005)
따라서, 미계측 유역에 대한 자료는 위성영상이나 GIS 기법을 활용한 유역특성 인자의 생산 및 가공 측면을 고려하였다. 이러한 측면에서 PRMS (Precipitation Runoff Modular System) 모형을 선정하였으며 MMS (Modular Module System)버젼(Leavesley et al., 1996)을 이용하였다.
우리나라의 경우 대부분의 유역은 저수지를 포함하는 등 유역 규모가 매우 크고, 유역간 물 배분, 저수지와 지표수 연계운영, 하천환경 및 생태계를 고려하여야 하므로 시스템이 복잡한 형태를 가지고 있다. 이러한 특성을 반영하여 수요-공급을 평가하기 위한 유역물수지분석 모형으로 한국수자원공사와 Colorado 주립대학이 공동으로 개발한 KModSim를 이용하였다(정태성 등, 2007). KModSim은 다양한 흐름 조건 하에서 모의가 가능하며, 지표수-지하수 연계를 위하여 다양한 모형과 GIS자료 및 데이터베이스를 활용하여 계산할 수 있다.
치수영향을 분석하기 위하여 사상형 강우-유출모형으로 선정된 저류함수모형을 적용하여 분석하였다. 저류함수모형의 매개변수 산정은 유역유출모형의 변수산정과 하도유출모형의 변수산정으로 나누어지며 유역 및 하도유출 모형의 매개변수를 산정하기 위해서는 유역의 지형인자와 하도의 기하학적 기초자료의 결정이 우선되어야 한다.

성능/효과

결과적으로 남북공유하천에서 북한의 절대영토주권주의에 입각한 불공평한 수자원 이용은 하류국가인 남한에 직·간접적으로 상당한 영향을 미치고 있음을 확인하였다.
이에 따라 수자원 감소측면에서의 용수감소량, 흐르는 물이 수질에 미치는 영향, 긍정적인 측면에서 치수 효과 등에 대한 평가가 이루어 졌다. 그 결과 남한측 북한강으로 유입되는 수량은 임남댐 건설 후는 임남댐 건설 전에 비하여 약 12.7～16.2억m³/년 감소되었다. 이로 인해, 한강유역의 용수공급은 1978년을 이수안전도 평가를 위한 기준갈수년으로 할 경우 379 m³/년의 공급부족이 발생하는 것으로 나타났다.
따라서 알려져 있는 안변청년발전소의 발전규모를 추정하여 역산할 수 있으나 이 역시 발전 운영에 대한 자료가 없이는 정확한 값을 보장받을 수 없다. 그래서 도수터널 규모와 임남댐의 직접적인 영향을 받는 화천댐의 유입량을 분석하여 추정하는 것이 비교적 정확할 것으로 판단되었다. 결국 임남댐지역을 미계측유역으로서 간주하고 1997년을 임남댐의 건설 전과 후로 구분하여 이전에 대해서는 화천댐의 실유입량을, 이후는 지리적으로 가까운 소양강댐의 실유입량을 대상으로 Fig.
그러나 유입량 감소 실적, 개발가능 규모, 저수지 모의 운영 결과 등을 종합해 볼 때 약 12.7∼16.2억m3/년의 유역 외 도수가 가능한 것으로 추정되었다.
따라서 임남댐 건설 전·후 16.2억m3/년의 유량이 유역변경될 경우 북한강수계의 수력 발전댐의 발전량은 Table 6과 같이 234 GWh/년(19%) 정도 감소하는 것으로 나타났다.
이로 인해, 한강유역의 용수공급은 1978년을 이수안전도 평가를 위한 기준갈수년으로 할 경우 379 m³/년의 공급부족이 발생하는 것으로 나타났다. 아울러 한강 수계의 발전용댐도 유입량 감소로 인하여 연간발전량이 234 GWh/년 감소하게 되었고, 수질은 북한강 삼봉리 지점 기준 BOD 약 0.065 ppm 증가하는 것으로 분석되었다. 결과적으로 남북공유하천에서 북한의 절대영토주권주의에 입각한 불공평한 수자원 이용은 하류국가인 남한에 직·간접적으로 상당한 영향을 미치고 있음을 확인하였다.
이에 따라 임남댐에서 조정지댐으로 도수하기 위한 도수터널의 직경이 10 m, 유속을 1.0 m/sec로 가정 할 경우 초당 78.5 m3(24.7억m3/년)를 도수할 수 있는 규모(터널 면적 78.5 m2×1.0 m/s)로 판단되었다.
임남댐 건설전·후 발전량 실적을 검토한 결과 북한강 수계내 연평균 실적발전량은 임남댐 건설 후 대부분의 댐에서 감소하였다.
우선 북한의 불공평한 물이용에 대한 최초의 연구로 선호중호(1986)는 금강산댐(지금의 임남댐) 건설로 인한 하류의 수권(water right) 문제 및 하류의 피해에 대한 대책 방안을 제시하였다. 즉, 금강산댐 건설로 인해 화천댐의 연평균 유입량의 57.8%인 18.6억m³이 완전히 차단되는 것으로 분석하였으며, 지하수의 저하로 인한 식물의 수분공급 부족, 어족의 고갈, 농작물의 피해, 산림황폐화로 인한 유출현상의 변화 등 하류 생태계에 많은 변화가 있을 것으로 예측하였다. 전병호 등(1993)은 금강산댐 건설로 인한 화천댐으로의 유입량 및 수위변화를 모의하여 유입량과 수위가 감소되는 것을 확인하고 화천댐의 최적 운영을 위해 새로운 댐 운영기준 수립을 제시하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	북한강 수계에서 여러가지 문제가 나타나고 있는 이유는 무엇인가?	북한강 수계의 경우 북한이 임남댐을 개발하여 유역변경식으로 물을 이용하고 있어 하류지역에서 여러 가지 문제가 나타나고 있다. 따라서 남 북한이 공유하천을 효과적으로 관리하기 위해서는 수량이나 수질 등 다양한 분야에서의 협력이 절실히 요구되고 있다.
	수자원 확보를 위한 갈등은 어떤 문제를 낳게되는가?	또한 오염된 물은 우리의 건강 뿐 아니라 자연상태에서 살고있는 동 · 식물들의 생존을 위협하기도 하여 서로간 수자원 확보를 위한 갈등을 초래하기도 한다. 즉, 국가와 국가, 지역과 지역 그리고 인간과 자연환경 등 상호간 각자의 존재유지에 필요한 물을 더 많이 확보하기 위하여 경쟁하게 된다. 특히 국제하천을 무력분쟁의 역사적 원인으로 보는 시각에서 21세기 국제 분쟁의 주요 요인으로 공유하천을 지적하는 사례가 늘고 있다(Bulloch and Darwish, 1993; Cooley, 1984)
	기상이변에 따른 홍수는 어떤 문제를 유발시키는가?	최근 기상이변에 따른 홍수는 해마다 수많은 인명과 엄청난 재산 피해를 가져오고, 가뭄은 우리에게 물부족 뿐만아니라 지구상의 모든 생명체에게 고통을 준다. 또한 오염된 물은 우리의 건강 뿐 아니라 자연상태에서 살고있는 동 · 식물들의 생존을 위협하기도 하여 서로간 수자원 확보를 위한 갈등을 초래하기도 한다.

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Leavesley, G.H., Lichty, R.W., Troutman, B.M., and Saindon, L.G. (1996), Precipitation-runoff modeling system-User's Manual: U.S. Geological Survey Water-Resources Investigations Report 83-4238. pp. 208.
Singh, V.P. (1995). Watershed modeling. Singh, V.P. ed., Computer Models of Watershed Hydrology (1st Edition), pp. 1-22, Highlands Ranch, Colorado, Water Resources Publications.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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