갈수분석

왜 배우는가: 갈수분석은 가뭄 시 용수공급 가능량과 갈수 빈도를 정량화하는 기초 작업이다. 갈수대책과 수자원개발 계획의 수요·공급 기준을 결정하므로 실무와 시험에서 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제113회 4교시 2번, 제111회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장:

갈수분석은 하천 유황과 저수량 자료로 갈수량과 그 발생 빈도를 산정하여 갈수 시 용수 확보 수준을 정량적으로 평가하는 분석이다.

핵심 키워드

• 갈수량
• 유황곡선
• 갈수빈도해석
• 기준갈수량
• 평균갈수량
• 이수안전도
• 하천유지유량
• 용수공급 조정기준

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 강이 거의 마르는 때에 물이 얼마나 남는지, 그런 해가 얼마나 자주 오는지를 숫자로 계산하는 일이다. 강우가 적은 해에도 용수공급을 유지할 수 있는지 판단하는 근거가 된다.

정식 정의는 다음과 같다. 갈수(渴水)는 강우 부족으로 수원이 감소한 상태이며 수문학적 가뭄에 해당한다. 갈수분석은 이 상태의 유량을 통계적으로 해석하여 갈수량과 재현기간을 구하는 과정이다.

갈수량은 1년 중 355일 이상 그 값 이상을 유지하는 일유량을 말한다. 하천유지유량 산정에서 쓰는 기준이다.

평균갈수량은 매년 일유량 유황곡선에서 355일 이상 유지되는 유량의 산술평균이다.

기준갈수량은 10년 빈도 갈수량이다. 하천의 규모, 기존 유수사용권, 공급 가능성을 고려하여 평균갈수량과 기준갈수량 중 하나를 선택한다.

유황곡선은 일유량을 크기순으로 배열하여 초과 일수와 유량의 관계를 나타낸 곡선이다. 갈수분석의 출발점이다.

갈수빈도해석은 연최소유량 등 갈수 자료에 확률분포를 적용하여 재현기간별 갈수량을 구하는 방법이다.

이수안전도는 설정된 기간 동안 용수 부족이 발생하지 않을 확률이다. 댐 용수공급 조정기준의 상한 저수량 설정에 사용된다.

3. 등장 배경과 필요성

가뭄은 다른 자연재해보다 더 많은 인명 피해를 낸 현상으로 알려져 있다. 가뭄 대책은 언제 얼마나 부족한지 예측하는 데서 출발한다. 과거 자료로 갈수 특성을 정량화하지 않으면 용수공급 계획과 가뭄 대응 기준을 세울 수 없다.

국내에서는 하천유지유량 산정과 댐 용수공급 조정기준 설정이 갈수분석의 대표적 활용 사례다. 2015년 시행된 댐 용수공급 조정기준은 저수량을 관심·주의·경계·심각 4단계로 나누고, 단계별 공급 감량을 정한다. 이 기준의 저수량 기준선은 갈수 빈도와 이수안전도 계산으로 정해진다.

수자원개발 계획에서는 장래 용수수요와 공급능력을 비교해야 한다. 갈수 시점의 공급능력이 수요에 못 미치면 신규 댐이나 대체수자원이 필요하다. 따라서 갈수분석은 수자원 시설 규모와 투자 우선순위를 정하는 근거가 된다.

기후변화로 강우 패턴이 달라지면서 과거 자료만으로 갈수 빈도를 추정하는 한계도 지적된다. 이 때문에 지역화 회귀모형이나 시나리오 기반 평가가 함께 연구되고 있다.

4. 구성요소·원리·절차

갈수분석은 하천이나 저수지의 갈수량(低水量, low flow)을 빈도 측면에서 정량화하는 절차다. 구성요소는 자료 준비, 유황 분석, 빈도 해석, 기준 갈수량 결정의 네 가지로 나뉜다.

갈수량의 원리는 유황곡선에서 얻는 두 기준으로 설명한다. 하나는 1년 중 355일 이상 유지되는 유량을 기준으로 하는 평균갈수량이다. 다른 하나는 10년에 한 번 발생하는 저유량을 뜻하는 기준갈수량이다. 두 값 중 하나를 해당 하천의 특성에 따라 갈수량으로 정한다.

갈수분석은 유황곡선과 저유량 빈도해석을 결합해 기준 갈수량을 정하는 절차다.

갈수분석의 절차는 다음과 같다.

• 대상 지점의 일유량 자료를 수집하고 결측과 이상치를 검증한다.
• 댐 방류·취수 영향을 제거해 자연유량을 복원한다.
• 일유량을 정렬해 유황곡선을 작성하고 355일 유량을 구한다.
• 연최소 유량 또는 7일 최소유량(7Q)에 확률분포를 적합하여 10년 빈도 갈수량을 산정한다.
• 유역 특성과 기존 이수권리를 고려해 평균갈수량 또는 기준갈수량 중 하나를 결정한다.
• 미계측 유역은 지역화(regionalization) 회귀식으로 Q95와 7Q를 추정한다.

미계측 유역에서는 유역을 수문학적으로 동질한 군집으로 나누고, 군집별로 기후 변수를 이용한 회귀식을 만든다. 이때 로그 또는 제곱근 변환이 예측 정확도를 높이는 것으로 보고되었다.

계산 예로, 연최소 유량 자료가 충분한 기간이고 Gumbel 분포를 적합한다고 하자. 확률 F = 1 - 1/T 에서 T=10년이면 F=0.9이다. 이 확률에 해당하는 저유량을 적합 분포의 역함수로 구하고, 결과가 관측 최소치 범위 안에 있는지 확인한다.

5. 관련 법령·기준·표준

갈수분석과 직접 연결된 기준은 다음과 같다. 하천법 체계에서 하천유지유량은 갈수량을 기준으로 정한다. 하천유지유량 산정요령은 평균갈수량과 기준갈수량을 위주로 산정하며, 수상활동과 주운은 배제하는 것으로 정리되어 있다.

예비타당성조사 수행 총괄지침 제18조는 수자원사업의 용수수요를 생활·공업·농업·하천유지·환경개선용수로 나눈다. 하천유지용수는 하천유지유량을 직접 산정하기 어려우므로 고시된 하천유지유량을 기준으로 추정한다.

댐 용수공급 조정기준은 2015년부터 시행되었다. 이 기준은 저수량을 4단계로 나누고, 단계별로 용수 감량을 정한다. 관심단계는 가뭄의 시작이며, 주의단계부터 용수 감축이 시작된다.

20년에 1회 물 부족 허용 조건의 이수안전도는 댐 저수지 모의운영으로 단계별 저수량을 찾을 때 사용하는 기준이다.

관련 법령으로 「하천법」은 하천유지유량과 하천관리유량의 개념을 둔다. 「기후에너지환경부와 그 소속기관 직제 시행규칙」은 수자원정보센터에서 수문학적 가뭄의 예·경보와 하천관리유량 산정을 담당하도록 정한다.

6. 유형과 비교

갈수분석은 목적에 따라 여러 방법으로 나뉜다. 가장 흔한 구분은 자료 처리 방식(유황곡선 기반 방법과 확률 기반 방법)과 가뭄 정의 기준(수문학적 갈수와 기상학적 가뭄)이다. 아래 표는 실무에서 자주 쓰는 방법을 비교한다.

유황곡선 방법은 기록이 길면 안정적이다. 빈도해석 방법은 극값 확률로 재현기간을 부여한다. 물수지 방법은 시스템 단위로 공급 능력을 검증한다.