유효저수량 산정

왜 배우는가: 유효저수량은 저수지의 용량을 결정하고 용수공급 능력과 안정성을 평가하는 핵심 개념이다. 실무에서 댐·저수지 계획 시 취수량과 갈수기 대응 계획을 정하는 기준이 되며, 시험에서는 간편법과 정밀법(유량 누가곡선법) 비교 형태로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제135회 1교시 5번, 제123회 3교시 3번, 제112회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

유효저수량은 저수지에서 자연 유입량과 계획 취수량의 차이로 실제 공급에 쓸 수 있는 저수 용량을 말한다.

• 유효저수량(Effective Storage): 계획 기간 동안 공급에 사용할 수 있는 저수 용량
• 계획취수량: 저수지에서 공급하기로 계획한 일일·연간 취수량
• 기준갈수년: 유효저수량 산정의 기준이 되는 갈수 해(관련 기준이 정한 갈수년)
• 누가유량곡선(Mass Curve): 유입량 또는 유출량의 시간 누가값을 그린 곡선
• 사수량(死水量): 자연 배수가 되지 않아 쓸 수 없는 저수 용량
• 홍수조절용량: 홍수 시 유입을 조절하기 위해 비워 두는 용량
• 간편법·정밀법: 개략 산정(가정법 등)과 자료 기반 산정(누가곡선법)의 구분

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 비 오는 해에 물을 모아 두었다가, 비가 적은 해에도 정해진 양을 계속 내보낼 수 있도록 저수지 크기를 정하는 일이다. 저수지에 들어오는 물과 나가는 물의 시간별 차이를 누적해서 보면, 가장 많이 부족한 구간의 물량이 필요한 저수 용량이 된다.

정식으로는 유효저수량을 기준갈수 기간 동안 유입량 누가곡선과 계획 취수량 누가직선의 차이가 최대가 되는 값으로 정의한다. 이 차이가 부족수량이며, 저수지가 실제로 공급에 쓸 수 있는 용량이다.

저수지 용량은 용도에 따라 구분된다. 자연 배수가 가능한 유효 저수 용량(Active Storage)은 공급에 쓰이고, 자연 배수가 안 되는 사수 용량은 공급에 쓰이지 않는다. 홍수 조절을 위해 비워 두는 용량은 홍수조절용량으로 따로 구분한다.

유효저수량 산정에서 핵심 기준은 기준갈수년이다. 국내 기준으로는 관련 기준이 정한 갈수년을 기준으로 삼으며, 이 해의 유입량을 기준으로 저수 용량을 결정한다. 계획 취수량은 계획 1일 평균 급수량을 기준으로 정하고, 이때 사용수량의 일변화를 함께 고려한다.

계획용량의 개략값으로는 강우 조건에 따라 강우량이 많은 지방 120일, 적은 지방 200일 분량을 계획 용량으로 잡는 경험적 방법이 있다.

3. 등장 배경과 필요성

강수량은 해마다, 계절마다 크게 달라 하천 유량만으로는 연중 안정된 취수가 어렵다. 이 때문에 하천을 막아 물을 모아 두고, 갈수기에 내보내는 저수지가 필요하게 되었다.

초기 저수지 설계는 경험과 개략식에 의존했다. 1883년 Rippl이 누가곡선을 이용한 체계적 용량 산정법을 제시하면서 자료에 기반한 방법이 자리 잡았다. 이후 저수 용량 산정은 자료의 길이와 대표성에 따라 방법을 달리하게 되었다.

현재는 예비조사 단계에서 간편법을 쓰고, 자료가 충분한 설계 단계에서는 누가곡선법 등 정밀법을 쓴다. 기후 변화로 갈수 빈도가 달라지는 상황에서도 기준 갈수년을 어떻게 정하는지가 유효저수량 산정의 현실적 쟁점이 된다.

4. 구성요소·원리·절차

저수지 유효저수량은 유입량과 취수량의 시간적 차이를 메우는 저수 용량이다. 이 절에서는 저수지 용량을 이루는 구성요소, 물수지의 원리, 그리고 유량 누가곡선법(Rippl 방법)의 절차를 정리한다. 세부 계산은 이 절의 흐름을 따라 답안에 옮겨 쓸 수 있도록 단계별로 나눈다.

저수지 용량은 용도에 따라 여러 구역으로 나뉜다. 답안에서는 먼저 구역의 이름과 역할을 구분해 쓰는 것이 기본이다. 사수위 이하의 사용불능용량(Dead storage) 은 중력으로 배수되지 않고 펌프로만 퍼낼 수 있는 물이다. 이 부분은 퇴적물을 가라앉히고 수질을 보전하는 역할을 한다. 그 위의 유효저수량(Active storage) 은 용수 공급, 발전, 하류 방류에 실제로 쓸 수 있는 물이다. 유효저수량은 사수위와 저수위(또는 설계 저수위) 사이의 용량이다.

저수지의 기본 원리는 물수지 식이다. 기간 \Delta t 동안 저수량 변화는 유입량에서 유출량을 뺀 값과 같다.

$S_{t+1}=S_t+I_t-O_t$

여기서 S_t 는 시각 t 의 저수량(m³), I_t 는 같은 기간의 유입량(m³), O_t 는 취수량과 손실량을 합한 유출량(m³)이다. 증발과 침투 손실은 물수지 식에 별도 항으로 넣는다.

유효저수량 산정은 물수지를 누적으로 바꾼 방법이다. 유입량 누가곡선과 계획 취수량 누가직선을 함께 그리면, 두 곡선의 차이가 가장 큰 지점에서 필요한 저수 용량이 정해진다. 이 방법을 Rippl 방법(유량 누가곡선법)이라고 한다. 절차는 다음과 같다.

• 과거 하천 유출 기록으로 유입 누가곡선 OA 를 그린다.
• 계획 취수량의 누가직선 OB 를 같은 축에 그린다.
• 유입 누가곡선의 기울기가 줄어드는 구간(유입보다 유출이 많아 수위가 낮아지는 구간)의 시작점 C, E 를 찾는다.
• C, E 에서 OB 에 평행한 직선 CG, EH 를 긋는다.
• 두 평행선과 OA 사이의 차이가 최대인 지점 DI, FJ 를 고른다.
• 그 차이 값이 부족수량, 즉 유효저수량 이다. DI 와 FJ 중 큰 값을 소요 저수지 용량으로 채택한다.
• 채택된 점 D 에서 OB 에 평행한 선을 그어 OA 와 만나는 점 K 를 찾고, K 에서 시간축에 수선을 내리면 저수를 시작하는 날 L 을 얻는다.

누가곡선 차이의 최댓값이 유효저수량이다

다음 흐름도는 이 절차를 답안지에 옮길 때 쓰는 순서이다.

계산 예로, 시작 저수량 0 에서 기간별 유입과 취수를 누적한다. 누적 유입과 누적 취수의 차를 기간마다 구한다. 그 차이의 최댓값에서 최솟값을 뺀 값이 유효저수량이다. 이 방식은 가정법보다 기록에 충실하지만, 기록 기간이 짧으면 결과가 흔들린다는 한계가 있다.

5. 관련 법령·기준·표준

저수지 용량 산정의 기준은 설계기준과 계획 원칙으로 정해진다. 국내 저수지는 농어촌정비법에 따른 농업생산기반시설로 관리되므로, 저수 용량 결정의 기본 조건은 계획 취수량과 기준 갈수년에 따른다. 아래 표는 답안에 쓰는 기준 수치와 조건을 모은 것이다.

표의 값은 저수 일수와 기준 갈수년을 중심으로 정리했다. 기준 갈수년은 가뭄 위험을 결정하는 핵심 조건이므로 설계 시 반드시 함께 제시한다. 설계 기준 수량은 계획 1일 평균 급수량을 기준으로 하며, 일변화 계수는 별도로 곱해 최대 일 수요를 구한다.

관련 기준과 수치의 개정 여부는 근거에 나타나지 않으므로 본문에서 개정 연혁은 다루지 않는다. 시설 기준의 세부 수치는 시험에서 직접 묻는 값에 한정해 외운다.

6. 유형과 비교

유효저수량 산정 방법은 자료의 양과 조사 단계에 따라 간편법, 유량 누가곡선법(Rippl 법), 강우자료 이용법(모의 운영법)으로 나뉜다. 세 방법은 정밀도와 필요 자료가 다르므로 답안에서는 조사 단계와 함께 비교하는 것이 유리하다. 아래 표는 방법별 원리와 적용 단계를 정리한 것이다.