[출처= 워터저널(www.waterjournal.co.kr) 2007년 9월호 특집 기사]

 

 

▲ 김정곤 책임연구원(한국수자원공사 수자원연구원)

국내의 대규모 저수지는 홍수기에 정도의 차이는 있으나 대부분 탁수가 발생한다. 여름철에 하천에서 유입한 탁수는 저수지 상층부(epilmnion)와의 밀도 차로 인해 저수지 중층을 따라 진행하며 성층화가 발생하는데 그 두께는 댐별로 5∼30m의 범위를 보인다.

탁수의 저수지 내 지체시간은 유역으로부터 유입하는 부유물질의 구성성분과 전도현상(turn-over) 같은 저수지 내 흐름상태 및 여수로 수문 방류 등 저수지 운영방법에 의해 지배된다. 물의 혼탁한 정도를 나타내는 지표인 탁도(Nephelometry Turbidity Unit, NTU)는 강우강도와 지속시간 등 수문 상황에 따라 큰 편차를 보인다.

수자원관리에 있어서 수자원은 양적인 측면뿐만 아니라 질적인 측면도 매우 중요한 고려사항이다. 일정한 기준치를 만족하지 못하는 수질을 갖는 저수지 내 원수는 그만큼 사회·경제적 가치가 줄어들 수밖에 없다. 최근 일부 저수지에서 기상이변으로 인한 집중 호우 시 발생된 고탁수 문제로 인해 수자원으로서의 가치가 평가 절하되고 있어 이에 대한 대책이 시급히 요구되고 있다.

탁수발생의 주요 원인은 거의 강우·유출에 의한 토양 침식과 상류 유역 내 경작지로부터 비점오염원 형태가 대부분이지만, 간혹 유역 내 대형 축사나 하천 주변에서의 토목 공사와 같은 인위적인 점오염원 형태도 있다. 비교적 대책 마련이 쉬운 점오염원에 비해서 비점오염원의 경우 이를 해결하기 위한 상당한 비용과 장기간의 시간을 필요로 한다.

근래 기상이변으로 인한 기록적인 폭우를 동반한 태풍에 의해 이러한 고탁도의 탁수발생 빈도는 증가하고 있다. 낙동강 상류에 위치한 임하댐의 경우, 2002년 태풍 ‘루사’와 2003년 태풍 ‘매미’로 인해 발생한 탁수가 전도 현상을 거치며 저수지 내 전 수층에 확산됨으로써 댐 방류수의 고탁도 현상이 장기화된 바 있다.

 

■ 탁수발생 원인  임하호의 유역 면적은 안동시와 영양·청송군의 14개면 총 1천361㎢로써, △임야(1천119㎢), 밭(104㎢) △논(48㎢) △대지(9㎢) △목장(2㎢) △기타(79㎢)로 구성되어 있다. 주요하천으로는 반변천 계통 제2지류 11개(용전천 포함), 제3지류 12개, 제4지류 1개로 총 24개 하천으로 하천연장은 제2지류 161㎞, 제3지류 89㎞, 제4지류 7㎞로 총 257㎞이다.

 

▲ 2002년 태풍 ‘루사’와 2003년 태풍 ‘매미’로 인해 임하댐에는 탁수가 발생, 전도 현상을 거치며 저수지 내 전 수층에 확산됨으로써 댐 방류수의 고탁도 현상이 장기화된 바 있지만, 정부 및 수자원공사, 유역 주민들의 탁수저감을 위한 여러 가지 노력으로 탁수현상은 2004년부터 크게 개선되었다.

예년(1993∼2001년)의 평균 유입량이 6억2천300만㎥인 것에 비해, 2002년에는 13억2천400만㎥ 유입(태풍 시 13%), 2003년에는 총 유입량 17억3천100만㎥(태풍 시 15.8%)로 저수지 총 유입량이 2배 이상 증가하기도 했다.

지질특성 상 일반적으로 부유물질(SS) 농도와 탁도의 상관 관계는 SS가 높을수록 탁도가 높게 나타나지만, 탁도 측정방법은 빛의 흡수나 산란정도를 측정하는데 현탁물질의 크기와 표면특성에 의해 영향을 받을 수 있으므로 동일한 부유물질의 양에서도 탁도는 다르게 나타날 수 있다.

임하댐과 안동댐의 경우, SS와 탁도의 상관성을 분석한 결과, 부유물질의 양이 동일한 경우라도 임하댐에서 탁도가 더 높게 나타났으며 침강시간도 더 많이 소요됐다. 그 이유는 안동댐에 비해 임하댐에서 부유물질이 더 미세한 입자를 많이 함유하고 있으며 주성분이 붉은색 점토광물로서 입자들이 비소성 성분을 많이 함유하고 있기 때문인 것으로 분석됐다.

여름철 홍수기의 다양한 강우 사상 중에서 강우 강도가 크고 유입량이 많은 강우 사상은 주로 태풍에 의해 발생하는 데, 이와 같은 시기에는 탁수발생에 의한 피해도 크게 나타난다.

2002년 태풍 ‘루사’와 2003년 태풍 ‘매미’에 의한 영향이 지배적임을 알 수 있다. 태풍 및 집중 강우의 영향이 적었던 1996년∼2001년 사이의 기간에는 연평균 탁수 발생기간이 48일, 평균 최대 탁도가 187NTU로 탁수 영향이 비교적 적었다.

반면, 2002년은 태풍 ‘루사’에 의해 170일간 고탁도가 지속되었으며 측정된 저수지 내 최고 탁도는 882NTU, 2003년은 태풍 ‘매미’로 인해 집중 강우가 발생, 측정된 저수지 내 최고 탁도는 1천221NTU 이상을 기록했다.

특히 2002년 태풍 ‘루사’는 중심기압 960hPa, 반경 500㎞, 최대풍속 36m/sec의 대형태풍으로 강풍과 폭우를 동반해 전국에 큰 피해를 주었다. 또 2003년 태풍 ‘매미’는 중심기압 950hPa, 반경 440㎞, 최대풍속 60m/sec으로 특히 남부지방 및 영남지방에 큰 피해를 주었다.

태풍 ‘루사’의 경우, 집중 강우 및 통수능 부족에 따른 하천 범람으로 수변 농경지가 대부분 유실되었고, 최대 측정 탁도 882NTU의 고탁수로 인한 도수로 및 도연교 일대에 고 탁수층이 형성되었으나, 중평, 마령 일대는 청수가 유지되었다. 10월 중순 이후 전도 현상 발생으로 호소 내 탁수의 수직적 혼합이 진행되었으며 희석·확산작용으로 호소 내 탁수 균등화 및 장기화가 진행 됐다.

태풍 ‘매미’의 경우에서도 집중 강우 및 통수능 부족에 따른 하천범람으로 수변 농경지가 대부분 유실되었고, 최대 측정 탁도 1천221NTU의 고탁수가 형성되었으며, 태풍 ‘루사’로 인한 수해 복구 공사가 완료되지 않은 상태에서 태풍 ‘매미’의 내습으로 수변 농경지 유실량이 증가했다.

이와 같이 최근 몇 년간 탁수발생 피해는 집중 강우에 의한 하천 범람과 제방 유실에 따른 주변 농경지 토사 유출 및 댐 내 전도현상에 의해 탁수가 확산된 것이 원인으로 판단된다.

 

■ 탁수 저감대책  임하댐 유역의 탁수 저감대책은 크게 유역, 댐 내 및 하류 하천으로 구분하여 시행되고 있다. 단기 대책으로는 밭 기반 및 주변정리사업, 소하천 탁수저감 사업, 농업용 저수지 건설, 사방댐 건설, 고랭지 비점오염 사업이 있고, 댐 내 대책으로는 표면 취수설비 개량, 저수지 어족 보호 사업, 탁도 자동 측정기 설치 등이 있으며, 하류하천 대책으로는 안동시 용상 취수장 이전사업 등이 시행되었거나 시행되고 있다. 또 중·장기 사업은 유역대책이 주를 이루고 있다.

 

▲ 임하댐의 부유물질은 안동댐에 비해 더 미세한 입자를 많이 함유하고 있고, 주성분이 붉은색 점토광물로서 입자들이 비소성 성분을 많이 함유하고 있어 탁도가 더 높게 나타났다.

유역에서 탁수발생을 억제하기 위해서는 상류 유역의 토지이용 제어, 토양 유실 방지, 하천 제방 유실 억제, 훼손된 산림의 복원 등이 필요하다. 또한 빗물 유입을 방지하기 위한 빗물 우회로 설치, 경작지 토사유출을 억제하는 밭사면 보강 및 식생 밭두렁 설치, 저류지 및 사방댐 설치 등을 고려할 수 있다.

한편, 모델링을 통한 유역 단위의 토사 발생량 산정은 효과적인 탁수제어계획 수립에 있어서 유용하다. ‘RUSLE 모델’을 활용한 유역의 토사 유실량 평가 프로세스를 활용, 분석한 임하호 유역의 토사 유실량 분석결과는 5m 해상도의 셀 자료를 기반으로 정리한 것이며, 임하호 유역면적인 1천361㎢로 환산한 결과 578만2천829톤/년의 토사 유실량을 얻을 수 있었다.

또한 소유역별 토사유실량을 산정하기 위해 공간 함수 통계법을 수행한 결과, 동천 유역이 5억6천795만 톤/년으로 가장 많은 토사 유실량을 나타냈으며, 화매천 유역 그리고 서시천 유역 순서로 나타났다.

유역 대책은 투자에 대한 경제성 문제뿐만 아니라 공간적으로 매우 광범위한 영역에서 이루어져야 하며, 시간적으로 장시간이 소요되어 지자체와 주민들의 자발적인 참여 없이는 그 결실을 보기가 매우 어려운 것이 현실이다. 현재 한국수자원공사에서는 유역의 광범위한 지표조사와 지리정보 시스템(GIS)을 이용하여 침식에 취약한 지역을 평가하여 투자의 우선 순위와 저감 효과를 분석하고 있다.

한국수자원공사 임하댐관리단에서는 댐 내 대책으로 저수지 상류 유입하천, 저수지 중앙부, 취수탑 및 조정지 댐 등에 걸쳐 총 9개의 자동 탁도계를 설치, 수온과 탁도를 실시간으로 모니터링하고 있다.

현재 날짜별 탁도 및 수온을 각 지점의 수심별로 확인할 수 있을 뿐만 아니라 유역 전반에 걸친 강수량, 유입 하천별 탁도 등을 체계적으로 확인할 수 있는 데이터 베이스 시스템을 구축, 효율적인 저수지 운영을 지원하고 있다.

또한 여름철 홍수기에 저수지 내로 유입한 탁수는 대부분의 경우, 성층현상으로 인해 유입수와 저수지 표면의 밀도 차가 발생하여 상류 유입부에서 침강해 동일한 수온층 또는 밀도층인 중층에서 층간 밀도류를 형성하므로 저수지 표면에서는 육안으로 탁도를 관찰하기가 어렵다.

일단 저수지로 유입된 탁수는 하류 하천의 상황과 저수지 내 탁도 분포 상황 등을 종합적으로 고려해 조절해야 한다. 한편, 일본에서 주로 채택하고 있는 저수지 내 탁수조절 대책으로는 △실시간 탁수 발생 감시 및 예측을 통한 선택적 취수와 선택적 배제 △연속 최대 발전방류를 통한 조기 배제 △상류 유입부 탁수 제어막 설치 △Check Dam (또는 Pre-Dam)설치 △탁수의 Bypass 등이 있다.

특히 임하호에서는 탁수 저감대책의 일환으로 기존 표면 취수설비를 개량한 선택취수(배제)시설을 2006년에 설치하여 운영하고 있다. 기존의 직선형 다단식 표면취수설비는 표층에서부터 하부로 내리거나 최하단의 문을 상부로 취수문을 개도할 수 있어서 중층으로 탁수가 유입되는 경우 취수문을 중층까지 내려 고탁도의 물뿐만 아니라 표층의 깨끗한 물까지 같이 배제하여 방류 탁도는 낮아질 수 있으나, 탁수배제의 측면에서는 효율이 떨어질 수밖에 없었다.

현재 설치되어 있는 선택배제시설은 원하는 수심에서 선택적으로 배제가 가능하도록 문비를 분리하고 권양기를 설치하여 중층으로 유입되는 고탁수가 원활히 배제되도록 시설을 개선했다.

2006년 하절기 호우시 저수지 모델인 ‘CE-QUAL-W2’ 모델을 이용, 선택배제 시설 여부에 따른 호내 탁수거동 및 방류수 탁도를 분석하여 저수지 운영을 지원했다. 선택취수시설을 설치하지 않은 경우 표층∼7m에서 탁수를 배제하였을 때와 현재 취수시설의 운영 위치인 EL.131∼139m, EL.131∼142m에서 배제를 실시하는 경우와 비교했는데, 그 결과는 선택 배제 시설을 이용한 경우가 그렇지 않은 경우보다 호 내 탁수를 효과적으로 감소시키는 것으로 나타났다.

방류 탁도를 통해 결과를 분석해 보면 선택 취수시설이 설치되어 있는 경우가 설치되어 있지 않은 경우에 비해 전기간 높은 탁도의 물을 배제하고 있다.

한편, 하류 하천대책인 취수장 이전은 고탁수 방류로 인해 문제가 되었던 임하댐 하류 반변천에 위치한 안동시 용상취수장을 안동댐 하류 14.8㎞로 이전하기 위한 공사를 진행 중이며, 2008년에 준공 예정이다. 시설용량은 기존 7만2천㎥/일을 10만5천㎥/일로 증가, 2.7㎞ 연장의 관로를 통하여 원활하게 용상정수장으로 원수를 공급하게 될 것이다.

또한 한국수자원공사는 하류 하천의 탁도 저감을 고려해 홍수기 발생한 탁수의 신속한 배제와 평갈수기 시 하류하천의 탁도 저감을 위한 대책을 기존 저수지 운영방안에서 변경해 수립했다. 먼저 홍수기 저수지 운영방안을 살펴보면, 예년과 비교해 저수위를 낮춤으로써 집중 강우로 발생한 탁수를 신속하게 배제, 가을 철 전도현상에 의해 저수지 전역에 탁수가 확산되는 것을 방지한다.

또 평갈수기에는 30NTU를 기준으로 안동댐과의 연계운영을 통해 하류단의 탁도를 낮춘다. 먼저 홍수기(7월∼9월) 중에는 유입 고탁수를 가급적 신속하게 방류해 호소 내로 유입된 고탁수의 영향을 저감하기 위한 댐 하류의 탁도를 감안, 방류수의 탁도와 방류일수를 결정해 탁수를 신속히 배제하고, 갈수기(10월∼6월)의 저수지 운영은 안동댐과 연계운영을 통해 안동·임하댐 합류지점 탁도 30NTU 이하로 유지하는 것이 기본 골자로 되어 있다.

홍수기 운영계획의 기준은 낙동강 중·하류 지역 홍수피해 경감을 위해 홍수기 제한수위의 하향 조정으로 홍수조절 용량을 추가확보하고, 홍수 시 유입하는 고탁수를 효과적으로 배제해 홍수기 말에 100NTU 이하를 유지하는 것이다. 아울러 안동-임하댐 연계로 합류지점에서의 탁도를 30NTU 이하로 확보 가능하도록 한다. 갈수기 용수공급을 위해 홍수기 말 저수지 수위를 EL.152.0m∼EL.154.0m 사이에서 운영하되 평균 탁도가 100NTU 이상이면 안동댐과 연계를 고려해 운영수위를 탄력적으로 조정한다.

 

■ 탁수 예측·관리시스템  한국수자원공사에서는 호우에 의해 탁수 발생 시 과학적이고 효율적인 탁수관리를 위해 임하·안동 유역의 통합 탁수 예측 및 관리 시스템을 개발하고 있다. 이러한 시스템을 이용해 유입·유출량에 따른 탁도 농도 예측, 고탁도층의 위치, 적절한 방류시기, 방류량 등 다양한 조건을 고려해야 하는 데, 각 수문 영역에서 모델링을 이용한 합리적인 의사결정을 할 수 있다.

 

▲ 한국수자원공사 임하댐관리단(사진내 건물)에서는 댐 내 대책으로 저수지 상류 유입하천, 저수지 중앙부, 취수탑 및 조정지 댐 등에 걸쳐 총 9개의 자동 탁도계를 설치, 수온과 탁도를 실시간으로 모니터링하고 있다.

실시간 모니터링과 더불어 시스템의 기반이 되는 유역 탁수발생 예측모형, 호수 내 탁수거동 분석모형, 하류 하천 탁수예측모형과 유역관리 차원에서 효율적인 제어대책을 수립하기 위해 각 수영역별 모델과 데이터베이스를 지리정보 시스템(GIS)으로 구성되어 있다.

상류 유역으로부터의 유입량을 예측하고 유입된 탁수의 댐 내 거동 및 댐에서의 방류에 대한 하류 하천에서 탁수의 영향범위를 파악할 수 있으며 ,탁도 저감을 위한 효율적인 댐 운영을 위해 댐 관리자의 판단에 도움을 줄 수 있을 것이다.

현재까지의 최종적 목표는 댐 내의 고 탁수 선택 배제 및 하류 하천의 고 탁수 지속시간의 경감을 달성하도록 하기 위한 의사결정을 지원하는 데 있으며, 향후 전국 댐 유역 탁수 관리 방안 수립을 위한 자료로 활용할 예정이다.

 

■ 향후 대책  우리나라의 기후 특성상 탁수는 강우가 집중된 여름철에 주로 발생되므로 홍수기 탁수의 발생은 불가피한 현상이다. 따라서 댐 유역에서 강우가 급격히 증가해 생기는 탁수현상은 자연적인 현상이며 이러한 문제를 완벽하게 해결하는 것은 현실적으로 매우 어려운 일이므로, 지역주민들이나 지역사회의 이해를 구하고 서로 협력하여 탁수에 의한 피해를 줄일 수 있도록 노력할 필요가 있다.

아울러 발생 원인에 대한 정확한 조사, 저수지 내에서의 밀도류 거동특성, 탁수의 시공간적 분포 등을 예측할 수 있다면 탁수발생으로 인한 피해를 최대한 경감시킬 수 있을 것이다. 2002년 및 2003년에 이후 임하댐 탁도 상황은 크게 개선되었다.

이러한 탁도 감소의 가장 큰 원인은 임하댐 유역에 아직까지 큰 강우가 없었기 때문인 동시에 한구수자원공사에서 탁수발생 저감에 관한 방안 마련에 적극적으로 노력이 있었기 때문이다.

 

▲ 현재 진행 중인 ‘임하호 탁수 저감 중장기 대책’이 완료되면 임하호 유역 및 호수 내에서 발생되는 탁수현상을 현저히 저감시킬 수 있을 것으로 기대된다.

현재 진행 중인 중·장기 유역대책이 성공리에 수행되어 탁수발생을 저감시킬 수 있길 기대하며, 이러한 유역대책이 완료될 때까지 임하호 내·외 탁도 모니터링 및 저수지 운영방안 향상을 위해 지속적으로 노력할 것이다.

더 나아가 각종 대책들의 실효성을 면밀히 평가해 막대한 예산이 투입되고 있는 임하댐 탁수 저감대책이 성공적으로 진행될 수 있도록 노력을 기하고, 임하댐 탁수문제 발생과 이를 해결하기 위한 일련의 단·중·장기적인 대책들은 최근 문제가 되고 있는 소양호를 비롯, 탁수문제가 발생 가능한 타 다목적 댐에 대한 대책을 세우는데 많은 기여를 할 것으로 기대된다.