‘수질개선형 댐 운영’이라는 새로운 패러다임을 적용해 영주댐의 만성적 녹조 문제를 실질적으로 완화한 것은 물론 하류 하천의 수질까지 개선시킨 기술이 선보여 화제다. 

이 기술은 극한 홍수나 가뭄, 폭염 등에 의한 영향 예측과 상황별 시설물의 효율적 운영 방안을 제시하는 한편, 낙동강에 환경개선용수를 적절하게 공급해 수질관리 취약성을 보완하고 안전한 물공급에 기여할 것으로 기대를 모으고 있다. 

특히, 이 기술은 ‘AI·모델링 기반 수질관리 플랫폼’의 마중물 기술로, 향후 국가 수질정책과 수자원 디지털 트윈 사업의 핵심 인프라 구축에도 기여할 것으로 전망된다. 

극한 홍수 가뭄 폭염 영향 ‘예측’ 상황별 시설물 효율적 운영 방안 제시

낙동강 환경개선 용수 공급 ‘수질관리 취약성’ 보완 안전한 물공급 기대

국내 최초의 ‘수질개선용 다목적댐’으로 건설된 영주댐은 낙동강 중·하류의 갈수기 시 생물학적 산소요구량(BOD) 저감을 주요 목표로 국내에서 유일하게 댐 계획단계에서 환경개선용수를 설정한 다목적댐이다. 

하지만, 담수 이후 댐 상류에 위치한 축산계 오염원과 강우 시 고농도 비점오염물질 유입 등으로 인해 저수지 내부의 부영양화, 조류 발생, 빈산소층 형성 등이 반복되면서 수질이 악화됐다. 

실제로 영주댐은 20개 다목적댐 중 단위 면적당 배출부하량이 가장 많고, 특히, 대부분의 오염부하가 비점오염원에 집중돼 있어 유역 오염부하량 감소 대책만으로는 단기적인 수질 개선에 한계가 있는 것으로 알려졌다. 

특히, 여름철에는 조류경보제 ‘경계’(10,000 세포/mL) 수준 이상의 유해 남조류가 대규모로 발생하면서 사회적 논란을 초래한 바 있다. 

이에 K-water에서는 ‘낙동강 중상류 수질 보전을 위한 환경개선용수 활용과 댐 운영에 관한 연구’를 수행하며 환경개선용수의 공급 시기와 규모, 방식이 수질에 미치는 영향을 체계적으로 분석하고, 수량과 수질을 통합적으로 고려한 운영 전략을 수립해 나가고 있다. 

환경개선용수는 하천의 수질환경을 개선하고 하천의 기초 생태계를 보호하는 물로, 유역 내에서 자연적으로 확보가 불가능하며 수혜자의 요구에 의해 인위적으로 공급되는 유량이다.


 

<연구내용>

이 연구는 현 시점에서 환경개선용수의 수질 개선 효과를 정량적으로 검증하고, 이를 토대로 댐과 하류 하천의 수질을 모두 고려한 ‘상·하류 win-win형 댐 운영 방안’ 도출을 목표로 하고 있다. 

현재 연구진은 ‘영주댐 환경개선용수의 하류 하천 영향 재평가 및 수량-수질 연계 댐 운영 기술 고도화’와 ‘댐 시설물 운영에 따른 호 내 물질 거동 분석 및 수질 악화 상황별 운영 방안 마련’ 연구에 집중하고 있다. 

세부적으로 살펴보면, 영주댐이 위치한 내성천과 낙동강 본류 유역을 대상으로 HSPF(유역모형)과 CE-QUAL-W2(2차원 하천·저수지 수질모형)을 연계한 통합 수질 시뮬레이션 시스템을 구축했다. 

이후 약 375km에 달하는 댐과 하천 구간을 대상으로 수질을 모의했으며, 2020부터 3년 간 진행된 실측자료를 기반으로 평수·갈수·풍수해 조건을 대표하는 연도를 선정, 검증을 진행했다. 

BOD, TOC, TP, TN, DO, Chl-a 등 다양한 수질 항목을 분석대상으로 설정하고, 다각적인 수질 검토도 이뤄졌다. 

이 같은 분석을 통해 지난 2009년 영주댐 계획 당시 대비 비점오염 영향을 정확하게 반영했으며, 낙동강 본류 구간의 다기능보의 건설에 따른 영향을 반영하고, 갈수기는 물론 연간 수질 영향을 종합적으로 분석하는 등 예측 기술의 개선 및 고도화를 달성했다. 

또한, 환경개선용수의 월별 최적 공급량 도출을 위해 연간 공급량은 일정하게 유지하되, 방류 시기와 수심, 지속 기간을 달리하는 12개 대표 시나리오(총 36개 운영 케이스)를 구성했다. 

이를 통해 ‘방류량의 변경이 녹조 발생을 감소 시키는가?’, ‘저수위·고수위 조건에서 방류효과가 어떻게 달라지는가?’, ‘방류수심을 조정하면 부영양화가 완화되는가?’ 등 주요 질문에 대한 정량적인 평가가 이뤄졌다. 

특히, 연구진은 댐 운영 변경을 통한 수질 개선의 핵심 기작을 수위운영과 녹조 발생량과의 관련성 중심으로 도출했다. 

영주댐의 수위 운영이 하절기 밀도류 거동과 수층 수질에 미치는 영향을 검토한 결과, 홍수기 전 낮은 수위를 유지할 경우(기존 운영 방법) 조류 성장에 유리한 조건을 형성하지만, 적정 수위를 확보한 시나리오에서는 조류 농도가 저감 되는 것으로 예측됐다. 

즉, 홍수기 전 적정 수위 확보를 통해 고농도 비점오염수의 중층 유입을 유도하고 취수탑을 통한 집중 배제로 총인 농도가 감소될 경우 녹조 발생 저감은 물론 방류 수질도 개선할 수 있다는 점을 밝혀냈다. 

연구진은 이 같은 결과를 기반으로 환경개선용수 공급 방식의 변경은 기존 갈수기 시 집중 공급에서 벗어나, 기존 공급량의 50%를 7~8월에 집중 배분하는 방식이 댐 상하류 수질 개선 효과가 가장 우수하다고 판단했다. 

이 방식은 연간 총공급량은 유지하면서 월별 배분량만 조정하는 방식으로, 별도의 추가 비용이나 설비투자 없이 즉시 시행 가능한 ‘Zero-cost’를 실현할 수 있다. 

변경된 댐 운영방법으로 운영 시 연평균 조류 감소율은 최대 댐 내 30%, 내성천 56%, 상주보에서 6% 개선될 것으로 예측됐다. 

이후 연구진은 도출된 최적 공급(안)을 ‘낙동강수계 댐·보 연계운영협의회’ 심의를 거쳐 지난 4월부터 실제 영주댐 운영에 반영하고, 시범운영을 통해 실질적 효과를 검증하면서 연구의 완성도를 높였다. 


 

<기대효과> 

유역환경 및 여건 변화를 반영한 환경개선용수의 시기별 재배분은 영주댐 수질관리의 핵심 변수로, 향후 고도화된 모델링 기반의 운영 전략을 통해 댐 내 녹조 저감과 하류 수질 개선이라는 이중 효과를 달성할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

K-water에서는 지난 4월부터 실시하고 있는 시범운영을 지속하는 한편, 댐과 하류 하천의 면밀한 모니터링을 통해 필요 시 공급 방안을 개선해 나갈 방침이다. 

또한, 영주댐 내 수온을 비롯한 녹조, 영양염류의 거동 특성을 반영한 댐별 맞춤형 운영지침 개발 연구로 확대할 예정이며, 기술적으로는 물리모델과 AI 모델의 결합을 고도화해 AI 기반 수질예측 및 의사결정 지원시스템 구축에 나설 예정이다. 

 

<인 / 터 / 뷰> ▲ 정선아 책임연구원

국내 첫 ‘수질 중심의 댐 운영’ 패러다임 정립
K-water연구원 정선아 책임연구원은 “이번 연구는 국내 최초로 ‘수질 중심의 댐 운영’이라는 새로운 패러다임을 정립한 실증적 사례”라고 밝혔다. 

이어 “특히, 단순히 ‘얼마나 물을 저장하고 방류할 것인가’의 문제에서 벗어나 ‘언제, 어떤 방식으로 방류하면 수질 개선에 가장 효과적인가’를 과학적으로 규명하고 이를 실제 운영에 반영한 최초의 사례”라고 소개했다. 

실제로 연구진은 시뮬레이션을 기반으로 최적의 방류 전략을 도출하고, 이를 실제 시범운영으로 검증함으로써 추가 비용 발생 없이 녹조를 60% 이상 선제적으로 저감하는 혁신적 결과를 도출했다. 

정 박사는 “이 같은 결과는 단순히 한 댐의 운영 개선을 넘어, 앞으로 국내 수자원시설이 수질과 생태 개선을 위해 운영될 수 있다는 가능성을 실증한 ‘모델 케이스’라는 점에서 의미가 크다”고 강조했다.

이어 “이번 연구의 핵심은 환경개선용수의 시기별 최적 배분으로, 연간 총공급량인 1억 5천만 톤은 그대로 유지하는 동시에 월별 공급 비율만 조정하는 방식”이라며, “이 방식은 수자원 공급이나 홍수조절 기능에 전혀 영향을 주지 않으면서도, 즉시 적용 가능하고 비용이 들지 않는 ‘Zero-cost’ 수질 개선 기술”이라고 설명했다. 

연구진은 ‘수질 중심의 댐 운영’이라는 개념을 국내 최초로 시도하는 만큼 연구 수행 과정 중 어려움에 따랐던 것으로 알려졌다. 

최적 방류 전략 도출 ‘검증’ ··· 녹조 60% 이상 저감 ‘혁신적’

정 박사는 “기존에는 운영 기준이 ‘홍수 예방’과 ‘용수공급’이라는 물리적 기능에 집중됐기 때문에 수질을 중심으로 한 운영 변경은 제도적·기술적으로 큰 도전이었다”고 밝혔다. 

이어 “특히, 영주댐은 지난 2023년에 준공된 신설 댐으로 장기 운영 데이터가 부족해 시뮬레이션 모델의 신뢰성 확보가 핵심 과제였다”며, “하지만, 연구를 통해 시범운영 이후 실제 수질 개선 효과가 뚜렷하게 나타나 큰 보람을 느꼈다”고 말했다. 

실제로 올해 여름 폭염과 고수온이 지속됐지만, 남조류 세포수가 과거 평균 대비 80% 이상 감소했고, 녹조 관련 민원이나 언론보도가 단 한 건도 발생하지 않은 것으로 알려졌다. 

정 박사는 “이 같은 성과는 과학적 모델링을 기반으로 한 운영 정책이 실제 수질 현상 개선으로 이어질 수 있다는 것을 증명한 혁신적 성과”라며, “영주댐이 환경성과와 사회적 가치가 조화를 이루는 지속가능 운영체계의 첫 모델이 되기를 바란다”는 희망도 밝혔다. 

한편, 정 박사는 “수자원 분야의 발전을 위해 수질과 수량의 통합운영체계 확립이 가장 중요하다”며, “현재 대부분의 댐 운영 방식은 여전히 수량 중심으로, 수질 개선이나 조류 제어는 부차적 기능에 머물러 있다”고 말했다. 

이어 “이제는 ‘수질기반 운영’을 제도와 기술에 적극 반영할 수 있는 프레임워크가 필요하다”며, “또한, AI 기반 수질예측과 실시간 모델링 기술의 고도화가 필수적”이라고 제언했다. 

그는 또, “기후변화로 강우 패턴이 불규칙해지고 고수온·빈산소·조류 급증 현상이 잦아지는 현실에 맞춰 빅데이터와 AI·머신러닝을 접목한 의사결정 시스템이 수자원 관리의 핵심이 돼야 한다”며, “현장 데이터를 신속히 반영하고, 데이터 기반의 정책과 실무가 유기적으로 연결될 때 ‘기후위기 시대의 수자원 선도국가’로 도약할 수 있을 것”이라고 덧붙였다. 

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