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• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 국내외에서 이미 오랜 시간에 걸쳐 다양한 형태와 기능을 갖춘 물 배분 모형들이 개발되고 적용되어 왔다. 기존 모형들 중에는 수자원의 경제적 가치를 고려한 이른바 수자원-경제 물 배분 모형(Hydro-economic model) 또한 포함되어 있으며, 본 기사에서는 몇 가지 대표적인 모형들을 통해 물 배분 모형의 발전과정 및 주요 기능을 소개하고자 한다.
• 본 연구에서는 물 이용효율을 높이기 위한 방안으로 물 배분 모형의 개발과정을 소개하고, 국내 물 배분 계획 수립 시 활용 중인 K-WEAP 모형을 기반으로, 최적화 알고리즘의 개선 및 수자원의 가치평가를 통해 물 배분 문제를 보다 효과적으로 다룰 수 있는 수자원-경제통합 모형을 제안하였다. 본 기사에서는 물 배분 모의 과정을 상세히 분석하고, 새로이 개발된 WAMM(Water Allocation and Management Model) 모형의 기능 및 활용방안에 대해 소개함으로써, 공급 안정성 및 경제적 편익을 극대화할 수 있는 물 배분 계획방안을 제안하였다.
• 특히, 수자원장기종합계획 수립에 활용 중인 K-WEAP모형을 대상으로, 미래 물 환경 변화에 보다 효과적으로 대응할 수 있는 모형을 개발하고자 기존 모형을 분석하였다. 본 연구를 통해 개발된 WAMM모형은 K-WEAP의 단점인 SSLP 방법을 개선하고, 수자원의 경제적 가치를 물 배분단계에서 고려할 수 있도록 경제성을 목적함수로 추가하였다. 또한, 이해관계자의 수자원계획 참여를 지원하기 위해 모형의 이해도를 확대할 수 있는 네트워크 구성 및 결과제공 방식을 제공하였으며, 이는 물 분쟁 해결 및 물 부족 대응에 도움이 될 것으로 기대된다.
• 과거에는 물 공급 환경을 개선하기 위해 댐과 같은 저류시설을 확충하는 등 가용 수자원을 확대하는 방안이 주로 제시되었으나, 최근에는 수요량을 관리하거나 물 이용효율을 높이는 방안으로 수자원 정책이 변모하고 있다. 본 연구에서는 물 이용효율을 높이기 위한 방안으로 물 배분 모형의 개발과정을 소개하고, 국내 물 배분 계획 수립 시 활용 중인 K-WEAP 모형을 기반으로, 최적화 알고리즘의 개선 및 수자원의 가치평가를 통해 물 배분 문제를 보다 효과적으로 다룰 수 있는 수자원-경제통합 모형을 제안하였다. 본 기사에서는 물 배분 모의 과정을 상세히 분석하고, 새로이 개발된 WAMM(Water Allocation and Management Model) 모형의 기능 및 활용방안에 대해 소개함으로써, 공급 안정성 및 경제적 편익을 극대화할 수 있는 물 배분 계획방안을 제안하였다.
• 본 연구에서는 안정적인 용수의 확보와 공급을 위해 수립되는 물 배분 계획의 과정 및 중요성을 파악하고, 복잡한 수자원계획을 지원할 수 있는 대표적인 물 배분 모형과 그 기능을 소개하였다. 특히, 수자원장기종합계획 수립에 활용 중인 K-WEAP모형을 대상으로, 미래 물 환경 변화에 보다 효과적으로 대응할 수 있는 모형을 개발하고자 기존 모형을 분석하였다.
• 본 연구에서는 안정적인 용수의 확보와 공급을 위해 수립되는 물 배분 계획의 과정 및 중요성을 파악하고, 복잡한 수자원계획을 지원할 수 있는 대표적인 물 배분 모형과 그 기능을 소개하였다. 특히, 수자원장기종합계획 수립에 활용 중인 K-WEAP모형을 대상으로, 미래 물 환경 변화에 보다 효과적으로 대응할 수 있는 모형을 개발하고자 기존 모형을 분석하였다. 본 연구를 통해 개발된 WAMM모형은 K-WEAP의 단점인 SSLP 방법을 개선하고, 수자원의 경제적 가치를 물 배분단계에서 고려할 수 있도록 경제성을 목적함수로 추가하였다.

제안 방법

• 먼저 K-WEAP 모형에서는 선형계획법을 통한 최적 물 배분 시, 전체 모의기간을 단위 모의시간 간격에 따라 여러 개의 모의 구간으로 구분하여 각각의 시간구간 별로 선형계획 구조를 수립한다(Single Step LP, SSLP). 그림 4(a)에 표현한 것과 같이, 구분된 모의간격 중 시간상으로 앞선 모의시간부터 최적화를 수행하며, 댐 저수율 등의 물 배분 결과를 다음 모의시간의 초기 값으로 적용하여, 최적화를 연속적으로 수행한다. 이러한 모의 방법은 앞선 모의 시간의 결과를 수정할 수 없기 때문에, 모의 후반으로 갈수록 물 부족이 심화되거나, 댐의 저수율 유지 등 탄력적인 물 배분을 도출할 수 없는 단점이 있다.
• 수계의물 유입량에 대하여 상류의 물 수요량부터 순차적으로 유량의 변화를 적용하는 방식이며, 하류에 위치한 수요지에서 집중적인 물 부족의 영향을 받게 된다. 따라서 MITSIM 모형을 활용한 물 배분의 모의는 하류의 물 부족 발생 시, 사용자에 의해상류의 수요량을 여러 단계로 구성한 시나리오 모의 방식을 통해 수행되었다.
• 과거의 수자원계획 수립 과정은 관련 분야의 전문가, 결정권자를 중심으로 이루어졌으나, 점차 비전문가를 포함한 이해관계자의 참여 및 소통을 중요하게 고려하고 있다. 따라서, WAMM에서는 복잡한 네트워크 구조를 간소화하고, 기존의 위치기반 레이아웃을 과감히 배제함으로써 공급원으로부터 수요지까지의 공급 과정을 직선화시킨 단계적 네트워크 형태로 단순화하였다. 또한, 단계적 네트워크의 장점을 이용하여, 그림 6과 같이 단일구성요소를 선택할 경우 관계된 물 공급 요소와 공급 규모를 보여줄 수 있는 객체지향 해석모듈을 지원함으로써 이해관계자로 하여금 복잡한 물 공급구조를 이해하지 못하더라도 해당 구성요소와 연계된 타 구성요소의 파악에 손쉽게 참여할 수 있도록 배분 결과의 이해도를 집중적으로 개선하였다.
• 반대로, 필요로 하는 양의 용수를 공급받지 못하여 발생하는 손실은 단순한 기회비용의 측면을 넘어 사회-경제적인 파급 효과를 고려하여 산정할 수 있다. 본 연구에서는 수자원의 경제적 가치를 평가한 연구 사례를 조사하고 분석한 후, 그 결과를 최적 물 배분에 적용하였다. 국내에서 수행된 수자원의 경제성 분석 연구를 간략히 요약하면 그림 5와 같이 정리할 수 있다.
• 이러한 모의 방법은 앞선 모의 시간의 결과를 수정할 수 없기 때문에, 모의 후반으로 갈수록 물 부족이 심화되거나, 댐의 저수율 유지 등 탄력적인 물 배분을 도출할 수 없는 단점이 있다. 새로 개발한 WAMM에서는 이러한 단점을 개선하여 전체 모의시간을 동시에 고려한 최적 물 배분을 수행하도록 알고리즘을 수정하였다(Full Step LP, FSLP). 즉, 그림 4(b)와 같이 전체 모의시간의 물 배분량을 한 번의 최적화 수행으로 동시에 결정할 수 있도록 함으로써, 장래에 발생가능한 물 부족을 미연에 대비할 수 있는 물 배분이 가능하다.

이론/모형

• 수요와 공급 균형을 평가하는 물수지 분석을 기반으로 운영되며, 용수별 수요량 분석, 수요관리, 수리권과 공급우선순위, 하천유량-지하수 연계이용, 저수지 운영, 수력발전, 수질모의 및 하천유지유량의 충족도 분석과 같은 광범위한 부문의 실무 문제들을 다룰 수 있다. K-WEAP 모형의 물 배분 알고리즘은 수요처의 공급을 최대화하고, 수요처의 공급우선순위와 공급원에 대한 수원(水源) 선호도, 기타 제약조건을 고려한 물 배분 문제를 풀기 위하여 선형계획법(Linear Programming)을 사용한다. 즉, 수요처의 공급충족률(=공급량/수요량)을 최대화하는 것이 물 배분의 목적이며, 도수로 한계유량 및 동일 우선순위 수요처의 균등한 충족률 보장 등 다양한 제약조건을 고려한다.

성능/효과

• 국내 남한강 유역을 대상으로 WAMM 모형을 적용한 결과, 우선순위가 높은 수요지의 물 부족발생 시 FSLP 방식에 의해 특정 모의기간동안 상류의 댐, 보 저수시설을 보다 탄력적으로 활용하는 것으로 나타났다. 대상 유역 내 저수시설 중, 해당 수요지로의 용수 공급량이 많은 공급원의 물은 물 부족 발생 이전의 모의시간에서 하류의 수요지가 아닌 특정 댐의 저수량으로 이동하는 양상을 보였으며, 물 부족이 해소된 이후의 모의기간은 기존의 SSLP 방식과 같은 모의결과를 보였다.
• 국내 남한강 유역을 대상으로 WAMM 모형을 적용한 결과, 우선순위가 높은 수요지의 물 부족발생 시 FSLP 방식에 의해 특정 모의기간동안 상류의 댐, 보 저수시설을 보다 탄력적으로 활용하는 것으로 나타났다. 대상 유역 내 저수시설 중, 해당 수요지로의 용수 공급량이 많은 공급원의 물은 물 부족 발생 이전의 모의시간에서 하류의 수요지가 아닌 특정 댐의 저수량으로 이동하는 양상을 보였으며, 물 부족이 해소된 이후의 모의기간은 기존의 SSLP 방식과 같은 모의결과를 보였다. 또한, 우선순위가 아닌 경제적 편익을 목적으로 최적 물 배분을 수행할 경우, 수자원의 경제적가치가 더 높게 평가된 수요지의 물 부족을 최소화하기 위해 우선적으로 물 공급을 실시하였으며, 기존 우선순위에 따른 배분 결과보다 경제적 편익이 크게 발생하는 것을 확인하였다.
• 하지만, K-WEAP 모형은 단위 모의시간 별 최적화를 수행하기 때문에 전체 모의기간을 일시에 고려한 최적화가 불가능하고, 경제성 분석을 물 배분 단계에서 고려할 수 없다는 단점을 포함한다. 따라서, 새로운 모형에서는 K-WEAP 모형의 기본적인 기능을 유지한 채 이러한 단점을 개선할 수 있는 확장 형태의 모형을 개발하였으며, 기본적으로 K-WEAP 모형과 같은 입력자료 및 네트워크 구조를 공유하여 모형 간 자료를 비교적 간편하게 공유할 수 있도록 하였다(그림 3).
• 따라서, WAMM에서는 복잡한 네트워크 구조를 간소화하고, 기존의 위치기반 레이아웃을 과감히 배제함으로써 공급원으로부터 수요지까지의 공급 과정을 직선화시킨 단계적 네트워크 형태로 단순화하였다. 또한, 단계적 네트워크의 장점을 이용하여, 그림 6과 같이 단일구성요소를 선택할 경우 관계된 물 공급 요소와 공급 규모를 보여줄 수 있는 객체지향 해석모듈을 지원함으로써 이해관계자로 하여금 복잡한 물 공급구조를 이해하지 못하더라도 해당 구성요소와 연계된 타 구성요소의 파악에 손쉽게 참여할 수 있도록 배분 결과의 이해도를 집중적으로 개선하였다. 객체지향 결과 제공은 특정 수요지가 물 부족을 겪고 있는 경우, 해당 수요지를 둘러싼 물 공급 구조의 불균형 문제를 빠르게 파악하여 적절한 대안을 제시할 수 있도록 돕는다.
• 대상 유역 내 저수시설 중, 해당 수요지로의 용수 공급량이 많은 공급원의 물은 물 부족 발생 이전의 모의시간에서 하류의 수요지가 아닌 특정 댐의 저수량으로 이동하는 양상을 보였으며, 물 부족이 해소된 이후의 모의기간은 기존의 SSLP 방식과 같은 모의결과를 보였다. 또한, 우선순위가 아닌 경제적 편익을 목적으로 최적 물 배분을 수행할 경우, 수자원의 경제적가치가 더 높게 평가된 수요지의 물 부족을 최소화하기 위해 우선적으로 물 공급을 실시하였으며, 기존 우선순위에 따른 배분 결과보다 경제적 편익이 크게 발생하는 것을 확인하였다.

후속연구

• 또한, 이해관계자의 수자원계획 참여를 지원하기 위해 모형의 이해도를 확대할 수 있는 네트워크 구성 및 결과제공 방식을 제공하였으며, 이는 물 분쟁 해결 및 물 부족 대응에 도움이 될 것으로 기대된다. 개발모형은 추후 다양한 유역에 적용함으로써 모형의 활용성과 알고리즘을 지속적으로 보완할 계획이다. 또한 CALVIN 등 실제 수자원계획 수립에 활용되고 있는 해외 모형들의 활용 사례를 분석하고 도입함으로써 국내 수자원 환경에 적합한 수자원계획 지원도구로 개발할 계획이다.
• 개발모형은 추후 다양한 유역에 적용함으로써 모형의 활용성과 알고리즘을 지속적으로 보완할 계획이다. 또한 CALVIN 등 실제 수자원계획 수립에 활용되고 있는 해외 모형들의 활용 사례를 분석하고 도입함으로써 국내 수자원 환경에 적합한 수자원계획 지원도구로 개발할 계획이다.
• 본 연구를 통해 개발된 WAMM모형은 K-WEAP의 단점인 SSLP 방법을 개선하고, 수자원의 경제적 가치를 물 배분단계에서 고려할 수 있도록 경제성을 목적함수로 추가하였다. 또한, 이해관계자의 수자원계획 참여를 지원하기 위해 모형의 이해도를 확대할 수 있는 네트워크 구성 및 결과제공 방식을 제공하였으며, 이는 물 분쟁 해결 및 물 부족 대응에 도움이 될 것으로 기대된다. 개발모형은 추후 다양한 유역에 적용함으로써 모형의 활용성과 알고리즘을 지속적으로 보완할 계획이다.
• 반대로 필요로 하는 양의 용수를 공급하지 못했을 때 발생할 수 있는 경제적 손실도 함께 고려해야 한다. 이처럼 우선순위 중심의 물 공급과 더불어 수자원의 경제적 가치를 함께 고려한다면, 사회-경제적으로 보다 효율적인 물 배분 계획 수립이 가능할 것이다.

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질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
K-WEAP 모형	K-WEAP 모형에서 다루어지는 실무 문제는 무엇인가?	K-WEAP 모형은 다양한 물 배분 모형 중에서도 뛰어난 수준의 물수지 분석 기능을 갖추었고, 수량-수질 연계 분석, 배분 결과에 따른 경제성 분석 등 여러 가지 부수적인 기능을 제공한다. 수요와 공급 균형을 평가하는 물수지 분석을 기반으로 운영되며, 용수별 수요량 분석, 수요관리, 수리권과 공급우선순위, 하천유량-지하수 연계이용, 저수지 운영, 수력발전, 수질모의 및 하천유지유량의 충족도 분석과 같은 광범위한 부문의 실무 문제들을 다룰 수 있다. K-WEAP 모형의 물 배분 알고리즘은 수요처의 공급을 최대화하고, 수요처의 공급우선순위와 공급원에 대한 수원(水源) 선호도, 기타 제약조건을 고려한 물 배분 문제를 풀기 위하여 선형계획법(Linear Programming)을 사용한다.
물 배분 모형	물 배분 모형은 무엇인가?	물 배분 모형은 유역단위 물 배분 계획을 합리적으로 수립할 수 있도록 돕는 공학적 정책 지원도구를 의미한다. 물 배분 계획이란 유역 내에서 사용할 수 있는(Available) 수자원, 배분 가능한(Allocable) 수자원, 사용자가 요구하는(Required) 수자원의 양을 산정하고, 공급 환경의지속가능성, 사용자의 수급 안정성, 공급에 따른 경제성 등 다양한 지표를 고려한 구체적인 물 공급원 운영 계획을 의미한다.
수자원의 경제적 가치	수자원의 경제적 가치는 어떻게 산정할 수 있는가?	수자원의 가치는 국가, 지역 및 용도에 따라 상이하게 평가되며, 기타 외부 환경적 요소에 의해 일시적으로 변동할 수 있어, 이를 정량화하기 위한 연구가 지속적으로 수행되어야 한다. 자원의 가치란 특정 자원의 존재나 그 상태의 변화로 인해 발생하는 편익 또는 손실에 대한 인간경제 규모의 화폐액이라고 정의할 수 있으며, 수자원의 경제적 가치는 사용자가 공급자에게 지불한 시장가격이 아닌 용수공급을 통해 유발된 경제적 편익을 산정함으로써 그 잠재적 가치를 산정할 수 있다. 반대로, 필요로 하는 양의 용수를 공급받지 못하여 발생하는 손실은 단순한 기회비용의 측면을 넘어 사회-경제적인 파급 효과를 고려하여 산정할 수 있다.

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