④ 팔당 취수원 이전

북한강 유입부로 이전 가장 바람직
취수원 이전 검토 위해 팔당호에 3차원 시변화 모델 적용

북한강 물, 수량 풍부하고 수질도 남한강·경안천보다 깨끗
수질오염·관리 취약성 갖고 있는 경안천 영향도 안 받아


■ 글 싣는 순서 ■
① 상수원 관리와 문제점
② 간접취수방식 해외사례
③ 간접취수방식 국내 적용사례
④ 팔당 취수원 이전
⑤ 결론 및 제언


   
▲ 정진섭 의원
지금의 수도권 상수원 문제를 해결할 수 있는 방법은 팔당호 내 취수 지점을 북한강 양수리 지점으로 옮기고, 수량의 일부를 한강 본류 구간에서 간접 취수하는 것이다.

북한강의 물은 1급수에 가까운 깨끗한 수질을 보이고 있으며, 유역이 석회암 지대로 된 남한강과는 달리 화강암 지대로 식수와 생활용수로는 매우 좋은 성분을 함유하고 있다. 지금 팔당호 내의 취수지점은 좋은 수질의 물을 취수하기에 부적합할 뿐만 아니라 넓은 지역에 상수원 보호 규제를 가하여 심각한 경제적 피해를 야기하는 곳이다.

제안하는 양수리 부근으로의 이전은 과거에 검토한 적이 있는 청평댐으로의 취수원 이전과는 크게 다르다. 청평댐으로 이전할 경우 북한강의 유지용수가 필요하기 때문에 취수할 수 있는 물의 양이 많지 않으며, 새로운 상수원 보호구역 설정이 이루어져야 한다.

또한 먼 거리까지 관로를 설치해야 하기 때문에 이전 비용이 많이 든다. 양수리 부근으로 이전할 경우 이러한 문제는 없으나 여름철 남한강의 물이 북한강으로 역류하는 현상 때문에 남한강에 조절 댐 설치가 필요할 것으로 생각된다.


팔당호의 수리·수질 특성 재현

■ 모델 적용      취수원 이전의 검토를 위해 팔당호에 3차원 시변화 모델을 적용했다. 지형이 복잡하고 시간·공간적 변화가 심한 팔당호에 적용이 적합한 GLLVHT(Generalized Longitudinal-Lateral-Vertical Hydrodynamic and Transport) 모델이 이 연구에 사용되었다.   이 모델은 Edinger & Buchak(1980, 1985)에 의해 발표되었으며 강, 호수, 하구, 해양 등 전 세계 40여 개 수체의 다양한 수질 문제 해결에 적용되어 그 재현성이 검토된 바 있다(Edinger, 2000년).

이 모델은 미국 JEEAI(J.E. Edinger Associates, Inc.)에서 개발한 3차원 시변화 모델링 지원을 위한 통합시스템 GEMSS(Generalized Environmental Modeling System for Surface waters)에서 다양한 수질모델들과 결합사용이 가능토록 개발되어 있어 GEMSS가 이번 연구에 활용되었다. 이 모델은 팔당호의 수리·수질 특성 재현을 바탕으로 효과적인 수질관리 방안을 도출하는데 활용된 바 있다(Na and Park, 2005년).

팔당호는 대형 하천이 유입되는 개방형 호수로 수체의 경계를 설정하기가 모호하다. 이번 연구에서는 팔당댐 배수의 영향과 모델 경계 조건에 대한 입력 자료 수집의 용이성을 고려하여 남한강 유입부 방향은 양평교 지점, 북한강 유입부 방향은 문호천 유입 직하류 지점 그리고 경안천 유입부 방향은 광동교 지점을 수체 경계로 설정했다.

   
▲ 수질이 좋고 향후 악화 요인도 적은 북한강 물을 취수되도록 취수지점을 이전한다면 팔당호 전체의 수질개선과 향후 수질관리에 대한 대비 측면에서 부담을 줄이면서 보다 나은 용수공급에 크게 도움 될 수 있을 것으로 나타났다. 사진은 남한강과 북한강이 합류되는 양평군 양수리.

모델 격자망을 구성하기 위해 대상 수체의 경계와 수심에 대한 GIS 자료가 요구된다. 이 연구에서는 팔당호의 수체 경계에 대한 GIS 자료구축을 위해 국립지리원의 1:2만5천 수치지도를 이용했으며, GIS/CAD 프로그램 Geomania /Easymap V2.5를 이용하여 실폭 수체 경계 관련 레이어(Layer)를 추출했다. 구축된 자료를 바탕으로 모델 적용 범위에 대하여 312개의 active cell로 구성된 수표면 모델 격자망을 생성했으며, 그 결과를 [그림 1]에 제시했다.

또한 국립환경연구원(1998년)과 건설교통부(1990, 1997년)에 제시된 수심측정자료를 기초로 팔당호 수심에 대한 GIS 주제도를 구축했으며, 구축된 자료를 바탕으로 팔당호의 바닥 지형을 재현했다.

그 결과 312개 active cell에서의 하상 표고 범위는 EL. 3.7∼24.5m이며, EL. 2.5∼32.0m의 수심 범위에 대해 1.0∼2.0m의 두께를 갖는 총 23개의 수층으로 구성했다. 각 active cell에서의 수층의 수는 앞서 재현된 팔당호의 바닥 지형에 기초하여 결정되며 경안천 유입부에서 팔당댐 앞 지점에 이르는 단면에 대한 수층 구성결과는 [그림 1]에 나타내었다. 결과적으로 팔당호는 총 3천802개의 grid elements로 구성되었으며 팔당호 내 방류 및 취수위치는 구성된 모델 격자망 내에서 잘 재현되었다.

팔당호에 대해 구축된 모델 격자망을 바탕으로 3차원 시변화 모델링을 수행했으며, 다른 유량 조건하에 나타나는 수리 및 수질 변화 현상에 대한 모델의 예측능을 평가하기 위해 1998년 1월 1일∼12월 31일, 2000년 1월 1일∼12월 31일, 2001년 7월 1일∼10월 31일에 대해 각각 시뮬레이션을 수행했다.

팔당호의 주요 유입 지류인 남·북한강 그리고 경안천 유역으로부터의 유입과 수표면으로의 강우를 유입경계조건으로 설정했으며, 댐으로부터의 발전 및 수문 방류와 팔당호 내에서 운영중인 광역 및 지방 상수도 취수장에서의 취수를 유출경계조건으로 설정했다([그림 1] 참조).

   
▲ [그림 1] 모델 격자망 및 경계조건

경안천 합류수역 수질변이 심해

남·북한강 그리고 경안천으로부터 유입되는 유량을 입력하기 위해 국토해양부에서 운영중인 수위 관측소 중 세 지류의 유입 경계 지점의 직상류에 위치한 수위 관측소인 여주(남한강), 청평(북한강) 그리고 경안(경안천) 수위 관측소의 일별 유량 측정자료를 이용했으며, 한국수력원자력에서 제공하는 팔당댐 관리 자료를 바탕으로 일별 강우량을 입력했다.

팔당호 내 위치한 광역 및 지방 상수도 취수장에서의 취수량 입력을 위하여 한국수자원공사와 광주시 상수도사업소에서 제공한 각 취수장별 일별 취수량 자료를 이용했으며, 팔당댐으로부터의 발전 및 수문 방류량은 댐 앞 지점에서의 수위에 대한 모델 예측값과 실측값 사이의 오차가 0.05m 이내로 유지되도록 팔당호의 물 수지를 재현하여 산정했다. 이를 위해 팔당댐 관리자료의 일별 수위측정자료를 이용했으며, 실측 수위값과 예측 수위값의 비교 결과를 제시했다.

팔당호에 적용된 3차원 시변화 수리 모델, GLLVHT 모델의 재현성 검토를 위해 수온과 전기전도도에 대한 모델 보정 및 검증을 수행했다. 팔당호 수표면에서의 연중 수온 및 전기전도도 변화에 대한 수리모델의 보정 결과, 각 모델의 예측값은 일부 지점을 제외하고는 거의 대부분의 지점에서 실측값과 적절히 일치했다.

일부 지점의 전기전도도에 대한 모델 보정 결과에서 약간의 불일치 경향이 나타나고 있는 것은 이 지점이 다른 지점과는 달리 시간에 따른 수질 변이가 심한 경안천이 합류되는 수역에 위치하고 있기 때문인 것으로 판단된다.

한편, 팔당호 내 연직 수온 및 전기전도도 분포에 대한 수리 모델의 보정 결과, 실측값과 부합되는 것으로 나타났는데, 8월에는 수심이 깊어짐에 따라 수온이 다소 감소하는 경향을 보이고 있으며, 반면 9월에는 상하층 간의 수온 차이가 거의 없는 것으로 나타났다. 이는 8월 중순부터 9월 중순까지 발생한 집중 강우에 의해 팔당호의 유입 유량이 급격히 증가함에 따라 수체의 수직 혼합이 비교적 잘 이루어졌기 때문인 것으로 생각된다.

수체가 비교적 안정된 8월에는 전기전도도 역시 표층에서 심층에 비해 다소 높게 유지되고 있으며, 반면 수체의 수직적으로 혼합되는 9월에는 상하층간의 전기전도도 차이 역시 8월에 비해 크게 감소하는 것으로 관찰되었다.

보정된 GLLVHT 모델의 예측력을 검증하기 위해 모델 보정시와 동일한 수리 계수를 사용하여 수리모델의 검증을 실시했으며, 그 결과 모델 예측값과 실제 측정값 사이의 적절한 일치는 이번 연구에서 적용된 GLLVHT 모델이 상이한 강우와 유량조건에서 나타나는 팔당호 내 열수지 및 수체 혼합 특성을 잘 재현하고 있다는 사실을 뒷받침한다.


경안천 유입수, 연중 높은 수온 유지

■ 모델 결과       팔당호 취수원수의 특성을 규명하고 취수지점과 취수원수 수질간의 관계를 이해하기 위해 앞에서 보정, 검증이 이루어진 모델을 활용하여 팔당호의 수리·수질 특성을 살펴보고자 했다. 이를 통해 현재 팔당호 취수지점의 적합성을 따져보고 개선을 위한 과학적이고 합리적인 접근의 틀을 마련할 수 있을 것으로 기대된다.

3차원 시변화 모델을 사용한 추적자 시뮬레이션을 통해 유입지류별 흐름 경로를 분석했다. 시뮬레이션 결과 팔당호로 유입된 남·북한강 그리고 경안천 물은 구별된 수평 흐름 경로를 갖는 것으로 나타났으며, 이는 위성사진 분석의 결과와도 일치한다.

팔당호로 유입된 남·북한강 물은 댐까지 도달하는 동안 일반적으로 전 수층에 걸쳐 균일한 분포를 보이며, 반면 경안천으로부터 유입된 물은 일반적으로 표층을 중심으로 댐까지 이동하는 것으로 나타났다.

경안천 유입수가 겨울철을 제외한 연중 내내 남·북한강 유입수에 비해 다소 높은 수온을 보이고 있기 때문에 연중 대부분의 기간 동안 낮은 밀도를 유지하게 되어 경안천 물은 일반적으로 표층을 따라 댐에 이르게 된다.

   
▲ 경안천 유역(사진)은 수도권과 인접하여 도시화·개발화의 압력이 매우 큰 용인시와 광주시를 포함하기 때문에 개발과 수질개선 간의 이해가 상충함으로서 갈등을 품고 있다. 팔당호 수질관리 문제를 다룰 때 항상 포함되는 어려운 지역이기도 하다.

반면, 남·북한강 유입수의 수온은 연중 대부분의 기간 동안 큰 차이를 보이지 않으며, 따라서 유사한 밀도를 갖는 남·북한강 물은 댐에 이르는 동안 일반적으로 전 수층에 걸쳐 수직 혼합이 잘 이루어지는 것으로 평가되었다. 체류시간이 짧고 유역면적에 대한 수표면적의 비가 매우 큰 팔당호의 수질은 호수로 유입되는 남·북한강 그리고 경안천의 수질에 큰 영향을 받는다.

따라서 팔당호 내 취수원수와 댐 방류수의 수질 역시 이들 세 지류의 수질에 의해 직접적인 영향을 받게 되며 서로 다른 유량과 수질을 갖는 남·북한강 그리고 경안천 물의 혼합 비율은 이들 상수원수의 수질에 대한 중요한 결정인자가 될 것으로 판단되었다.

[표 1]과 같이 상수원수 중 세 유입지류의 연평균 혼합 비율은 팔당호 전체 유입량 중 각 지류가 차지하는 비율과 유사하나 상수원수별로 다소 차이를 보이는 것으로 나타났다. 유입지류 중 현재 수질오염이 가장 심한 경안천의 혼합 비율은 댐 바로 앞 지점에 위치하고 있는 팔당 제1취수장의 취수원수와 댐 방류수에서 가장 낮은 것으로 예측되었으며, 이들 상수원수 중 경안천의 혼합비율은 팔당호 전체 유입량 중 경안천 물이 차지하는 비율과 유사하다.

반면, 제3취수장에서의 취수원수 중 경안천 물의 연평균 혼합 비율은 10.5%로 네 가지 상수원수 중 가장 높으며, 팔당호 전체 유입량 중 경안천이 차지하는 비율보다 약 4%정도 높다. 이는 취수높이의 영향으로 생각된다.

팔당호 내에서 취수되는 상수원수는 댐 방류수에 비해 경안천 물의 연평균 혼합 비율이 다소 높은 것으로 나타났는데, 이는 취수 위치의 영향인 것으로 판단했다. 즉, 댐 방류수는 평상시 댐 북단에 위치하고 있는 발전소를 통해 방류되는 반면, 팔당호 내 위치하고 있는 3개의 광역상수도 취수장은 경안천 유입수의 수평 방향 주요 흐름 경로인 팔당호 내 섬 좌측 호반을 따라 위치하고 있기 때문인 것으로 생각된다.

   
취수높이 차이 혼합비율 영향 줘

혼합 비율의 계절적 변화 경향 역시 팔당호 유입량에서 나타나는 경향과 유사하나 상수원수별로 다소 차이를 보이는 것으로 나타났다. 겨울철과 여름철 집중 강우기간 동안 특히 제2취수장과 제3취수장의 취수원수에서 경안천의 혼합 비율이 팔당호 전체 유입량 중 경안천이 차지하는 비율에 비해 증가하는 경향을 보였다.

분석 대상 기간인 2000년에는 이 기간 동안 세 유입지류의 수온이 거의 유사하며, 따라서 오염된 경안천 물은 전 수층에 걸쳐 혼합이 비교적 잘 이루어지는 것으로 나타났다. 이러한 혼합 상태에서 취수 높이의 차이는 취수원수 간 혼합 비율을 차이를 야기하지 않으며, 경안천 유입부와 가깝게 위치하고 있는 제2, 3 취수장의 취수원수에서 경안천 물의 혼합 비율이 증가하는 것으로 생각된다.

한편, 분석대상기간 중 늦은 봄부터 집중 강우 이전까지의 기간 동안에는 경안천과 남·북한강의 수온 차이가 다소 감소하는 경향을 보였으며, 이 기간에는 다른 취수장에 비해 도수관로 상단의 높이가 높게 위치하고 있는 제3취수장에서 경안천 물의 혼합 비율이 높게 증가하는 것으로 나타났다.

즉, 유입 수온의 차이가 감소함에 따라 경안천 물의 연직 흐름이 중층까지 확장되게 되며, 이러한 혼합 상태에서는 취수 높이의 차이가 혼합 비율에 직접적인 영향을 미치게 되는 것으로 생각된다.


북한강 이전시 보다 나은 물 공급

팔당호의 호 내 물은 세 지류, 즉 남한강, 북한강, 그리고 경안천으로부터 공급되는데 그중 경안천은 수량에서는 6% 정도로서 비중은 작으나 수질이 가장 나쁜 것으로 나타나므로 수질악화에 가장 부정적인 영향을 미치고 있는 현실이다.

또한 경안천 유역은 수도권과 인접하여 도시화·개발화의 압력이 매우 큰 용인시와 광주시를 포함하기 때문에 개발과 수질개선 간의 이해가 상충함으로서 갈등을 품고 있기 때문에 팔당호 수질관리 문제를 다룰 때 항상 포함되는 어려운 지역이기도 하다. 현재의 수질 유지를 넘어서 개선을 이루기에는 어려움이 크다고 이해되고 있다.

   
▲ 취수장이 북한강 쪽으로 이전될 경우 일년 내내 경안천으로부터의 물은 포함되지 않으며 하절기인 6∼8월 일부에서만 남한강으로부터의 용수가 취수원수에 포함되고 그 구성비도 현재보다 낮아질 것으로 나타났다. 사진은 양수철교 상류 남양주시 조안면의 북한강 전경.

북한강은 수량의 공급면에서도 가장 높은 비중을 차지하고 있으며 수질 또한 가장 깨끗한 것으로 나타나고 있다. 이는 해당 유역이 일부의 소규모 농경지역을 제외하고는 대부분 산림지역으로서 오염부하의 발생 자체가 상대적으로 작기 때문이다.

남한강은 유입 유량의 약 40%를 차지하여 북한강보다 다소 적은 양의 물을 공급하고 있으며 상류에 여러 개의 인공호수와 댐이 위치한 북한강에 비하여 자연하천에 가까운 특징을 보이고 있다.

앞서 현 취수원의 특징을 살펴본 결과에서는 팔당호의 경우 체류시간이 4∼5일 정도에 불과하기 때문에 세 지류로부터 팔당호로 유입된 물은 완전 혼합되기 이전에 팔당댐을 통해 흘러 나가고 있으며, 현 취수지점인 세 취수장에서 취수되는 물에 대한 분석결과에서도 수질이 좋지 않은 경안천의 물이 상당량 포함되는 것으로 나타났다. 특히 제3취수장의 경우는 경안천으로부터 유입된 물이 10% 정도 포함됨으로써 취수원수 수질에 바람직하지 않은 영향을 주는 것으로 나타났다.

이상의 특성을 고려할 때에, 현 수질오염 상태 및 관리에 취약성을 갖고 있는 경안천으로부터의 물이 취수되는 물에 포함되지 않거나 최소한으로 포함되도록 하고, 대신에 수질이 좋고 향후 악화 요인도 적은 북한강 물이 주로 취수되도록 취수지점을 선정한다면 팔당호 전체의 수질개선과 향후 수질관리에 대한 대비 측면에서 부담을 줄이면서 나은 용수공급에 크게 도움 될 수 있을 것으로 판단된다.

현 취수장이 북한강 쪽으로 이전된다면 보다 나은 물 공급이 가능할 것으로 예상되므로 이번 연구에서는 현재의 세 곳 광역 취수장을 북한강 유역으로 이전할 경우 취수되는 물의 혼합비를 분석함으로써 그 효과를 알아보고자 했다.

이러한 시뮬레이션 분석을 통해 팔당호 취수지점 이전이 갖고 있는 타당성을 검토하고 취수원 이전을 실질적인 대안으로 활용할 경우를 위한 기본 틀을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.


북한강 물만 취수가 가장 바람직

■ [대안 ①]      처음으로 설정한 [대안 ①]은 현재의 취수량과 취수수심을 따르는 상태에서 [그림 2]에 표시된 현재 팔당호 내 위치한 세 곳의 광역취수장을 북한강 유역으로 이전했을 경우에 각 유입지류로부터의 물이 취수원수에 얼마나 포함될 것인지를 알아보고자 했다. 시뮬레이션은 연간 변이를 고려하여 2005년 유입량을 기준으로 1년간 실시했다.


   
▲ [그림 2] 팔당호 및 팔당 하류지역 취수장 현황


2005년과 현재를 비교한 결과, 취수장이 유지될 경우는 연간 그 구성비는 차이가 있지만 취수원수 내에 북한강, 남한강, 그리고 경안천 각각으로부터의 유입된 용수가 포함되는 것으로 나타났다([그림 3] 참조).

반면, 취수장이 북측으로 이전될 경우에는 일년 내내 경안천으로부터의 물은 포함되지 않으며 하절기인 6∼8월 일부에서만 남한강으로부터의 용수가 취수원수에 포함되고 그 구성비도 현재보다 낮아질 것으로 나타났다.

   
▲ 세 유입지류 혼합비율 계절적 변화 경향(%)

1년간의 총 취수원수를 대상으로 각 지류로부터의 유입비 산정결과, 취수장의 북측 이전 시 가장 수질이 좋은 북한강 용수의 구성 비율이 현재의 64.3%에서 99.8%로 월등히 높아지고, 가장 악화된 수질오염 상태를 보이기 때문에 가장 유입량은 작아도 수질악화 영향이 큰 경안천은 현재의 8.4%에서 취수장으로의 유입이 전혀 없어 취수장을 현재 위치에서 [대안 ①]에 따라 이전할 경우 보다 나은 취수원수를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

■ [대안 ②]      [대안 ①]을 통해 현 취수장을 북측으로 이전했을 경우 취수원수 개선에 도움이 될 것으로 나타난 바, [대안 ②]에서는 취수량을 증가시켰을 경우에 대해 살펴보고자 했다. 현재의 취수량은 하루 300만∼400만 톤에 해당하는데 향후 용수 수요량을 고려하여 이것을 600만 톤/일으로 적용했을 경우에 취수원수에 각 지류로부터의 유입량이 얼마나 차지하는 가를 알아보았다.

1년간의 취수원수의 지류별 혼합비를 연구한 결과, 연간 취수원수를 구성하는 용수에 대하여 각 지류별 기여하는 추이는 [대안 ①]과 매우 유사하게 나타났다. 취수원수는 대부분 북한강으로부터의 물이 차지하고 있으며 하절기에만 남한강으로부터 유입된 물이 상당 부분 포함되는 것으로 나타났다. 다만 일부 계절에 남한강으로부터의 매우 소량의 유입이 있는 것으로 나타나  [대안 ①]과 약간의 차이를 보였다.

가장 바람직한 상수원수로 고려되는 북한강의 물만으로 취수가 가능토록 할 수 있다면 보다 나은 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 현재 북한강 상류에는 댐이 설치되어 있어 수량변동이 적은 편이나 남한강은 거의 자연하천형태로서 하상계수가 큰 상태이기 때문에 보와 같은 구조물이 설치될 경우 변동성이 적어져 남한강 물의 북한강 방향으로의 역류 현상이 해소될 것으로 예상된다.

그렇게 되면 현재 대안으로 설정한 위치의 취수장으로의 남한강 물 유입도 없어지거나 줄어들어 취수원수의 구성비도 달라질 것으로 기대된다.  

[다음호에 계속]

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