Ⅰ. 서 론
하구에 위치한 담수호는 오염 물질의 지속적인 유입 및 내부부하 증가로 인해 수질 오염 문제를 겪고 있으며, 관리 기관 및 연구자들은 담수호의 수질을 개선하기 위한 다양한 노력을 기울이고 있다 (Hwang, 2020). 일반적으로 담수호 수질 개선 방안을 검토하는 절차는 문제를 정의하고, 시나리오를 구성하여 수문 및 수질 모형을 통해 대안별 수질 개선 결과를 평가하여 오고 있다. 담수호 수질 개선 결과를 평가하는 기존 방식은 (a) 특정 시기, (b) 목표 시기나 (c) 목표 유량 등을 기준으로 목표 수질 달성 여부를 장래 예측 년도 (b 혹은 c)의 평균값 (혹은 모의 기간 (a) 동안의 평균값)으로 평가해왔다 (Yoon and Ham, 2000; Choi et al., 2019). 하지만 연평균 수질 기준 (criteria)의 만족 여부를 통한 평가 방식은 담수호 수질의 시기별 중요성을 간과하기 쉽다. 예를 들어, 수질이 악화되는 시점으로부터 수질 기준을 만족하는 시점까지 회복하는 정도가 빠를수록 담수호 수자원의 활용 가능성이 높아지고, 담수호의 수자원 활용 시기에 따라 수질 만족 여부의 중요도가 달라질 수 있다. 따라서 담수호의 수질 및 수자원의 효율적인 관리를 위해서는 기존의 수질 기준 만족 여부에 대한 평가뿐만 아니라, 담수호 수질 악화 시에 시스템이 회복하는 기간과 정도를 기반으로 시스템의 능력을 평가하는 회복탄력성 (resilience)의 개념을 도입하여 담수호 수질 등을 해석할 필요가 있다.
회복탄력성 (resilience)은 시스템 내 상태변수 (state variable), 구동변수 (driving variable) 및 매개변수 (parameter)의 변화를 흡수 (absorb)하고, 유지 (persist)하는 척도로 정의 할 수 있다 (Holling, 1973). 광범위하게 사용될 수 있는 회복탄력성 개념은 각 연구자가 연구 목적에 맞게 새롭게 정의하고, 그 적용성을 평가하는 것이 필요하다. 따라서 연구자는 각 연구 분야에 회복탄력성의 개념을 새롭게 적용하는 데 있어서 절차를 규정하기 위하여 프레임워크를 제시하고 있다. Hashimoto et al. (1982)는 저수지 용수공급 시스템의 능력 평가를 위해, 신뢰성 (reliability), 회복탄력성 (resiliency), 강건성 (robustness), 취약성 (vulnerability) 지표를 이용하였으며, Holling (1973)의 연구를 발전시켜 회복탄력성 개념을 지표화하여 공학적으로 이용한 바 있다. Sweetapple et al. (2017)은 하수처리장 방류수 수질을 평가하고 시설을 조절하기 위한 방안으로 회복탄력성의 개념을 도입하여 프레임워크를 제안하였다. 또한 Merrill et al. (2018)은 하구 사회-환경시스템을 대상으로 환경 오염의 만성적인 노출 (chronic exposure)에 따른 회복탄력성을 평가하는 프레임워크를 제시한 바 있다.
기존 연구에서 회복탄력성 분석 방법은 주로 정적 회복탄력성 평가 방법을 따르고 있으며, 신뢰성 (reliability), 회복탄력성 (resiliency), 강건성 (robustness) 그리고 취약성 (vulnerability) 지표를 기반으로 하고 있다 (Hashimoto et al., 1982; Sweetapple et al., 2017; Park et al., 2018). 하지만 기존의 정적 회복탄력성 기반의 분석 방법은 시스템의 시간적 변화에 따른 회복탄력성의 변화를 고려하지 못할 우려가 있다 (Simonovic and Arunkumar, 2016). 또한 일부 정적 회복탄력성 분석 기반 연구에서는 서로 다른 실패 사건에서도 정적 회복탄력성 손실량이 동일한 값을 보이는 점이 한계로 지적된 바 있다 (McMahon et al. 2006).
Bruneau et al. (2003) 과 Simonovic and Arunkumar (2016)은 정적 회복탄력성 분석 방법의 한계를 보완하기 위하여 동적 회복탄력성 분석 방법을 각 연구에 도입하였으며, 강건성 (robustness), 여분성 (redundancy), 자원효율성 (resourcefulness), 신속성 (rapidity) 4가지 차원 (dimension)을 통해 회복탄력성을 비교, 분석한 바 있다. 따라서, 본 연구에서는 담수호 수자원의 효율적 활용을 위한 회복탄력성의 정량적인 평가를 위해, 담수호 수자원 시스템에서의 회복탄력성을 새롭게 정의하고 수질 개선 방안별 담수호의 정적 및 동적 회복탄력성 변화 분석을 통해 새롭게 정의한 회복탄력성 평가 프레임워크의 적용성을 평가하였다.
Ⅱ. 연구방법
1. 회복탄력성 분석 기반 담수호 수질 평가 프레임워크 개발
본 연구에서는 수질 개선 방안별 수자원의 활용 능력을 상대적으로 평가하기 위해 회복탄력성의 개념을 적용하였으며, 회복탄력성 개념 및 적용 절차를 규정하기 위한 프레임워크를 설계하였다 (Fig. 1). 기존의 수질 개선 방안의 평가 방식을 보완하기 위하여 본 연구에서 제안하는 프레임워크에서는 수질이 악화하는 구간에 대하여, 시스템의 회복 역량을 평가하는 방법 추가하였다. 또한 회복탄력성 분석 시에 정적 및 동적 회복탄력성을 함께 비교함으로써 수자원 시스템의 역량을 다각적으로 해석하고, 수질 개선 대안을 평가하는 체계를 구축하였다.
2. 담수호 수질 평가를 위한 정적 및 동적 회복탄력성 정의
동적 회복탄력성이란 정적 회복탄력성의 한계를 극복하고, 시간 종속적 (time-dependent) 요소들을 고려하고자 최근에 제안된 회복탄력성 분석 방법이다. Simonovic and Arunkumar (2016)은 강건성 (robustness), 여분성 (redundancy), 자원효율성 (resourcefulness), 신속성 (rapidity) 4가지 차원 (dimension) (혹은 속성)을 평가하기 위하여, Fig. 2와 같이 시스템의 실패로부터 회복하는 과정 속에서 정의하였다. 여기서, 동적 회복탄력성의 특징을 확인할 수 있는데, 정적 회복탄력성과 관련한 연구와 달리 Fig. 4의 세로축의 값을 회복탄력성 (resilience)으로 표현하고, 시스템이 외부요인으로 인해 상태가 악화한 시점 (t0)부터 최종적으로 회복 시점 (tR)까지 과정 속에서 회복탄력성 변화를 확인 가능하다는 차이점이 있다 (Fig. 2의 tP는 시스템의 회복탄력성이 최저로 떨어지는 시점). Fig. 2에서 실선 (파란색선)과 점선 (붉은색선)은 시스템의 상태에 따른 회복탄력성 변화의 차이라고 할 수 있다.
본 연구에서는 Fig. 2와 같이 시간별 회복탄력성의 변화를 확인하기 위해 우선, 식 (1)와 같이 시간별 시스템의 기능적 손실 (loss of performance)을 산정하였다. 본 연구에서는 시스템의 기능 저하로부터 회복되는 시점까지 총 소요되는 시간 (
) 동안에 총 회복탄력성 손실량 값을 정적 회복탄력성의 값으로 정의하였다.
여기서, 
는 
의 범위 내에 있는 변수이고, 
는 시스템의 능력 (performance), 
는 시스템의 초기 수준 (initial performance level)을 나타낸다.
식 (1)에서 산정한 시간별 손실량을 통해 아래 식 (2)와 같이, 시간별 회복탄력성 값을 앞선 Attoh-Okine et al. (2009)이 제안한 방법과 유사하게 회복탄력성 분석 시점까지 소요되는 시간 (
)을 고려하여, 시스템 손실량 (
)을 0에서 1 사이의 값으로 표준화한 회복탄력성 (
) 산정 방법을 제안하였다.
식 (2)를 통하여 Fig. 2와 같이 시스템의 회복탄력성이 저하하는 시점부터 회복하는 과정에서 시간별 회복탄력성 변화를 유도할 수 있고 이를 통해 강건성, 여분성, 자원효율성, 신속성의 4가지 차원을 산정할 수 있다. 각 차원의 정의 (Bruneau et al., 2003) 및 산정 방법 (Simonovic and Arunkumar, 2016)은 아래와 같다.
⋅강건성의 경우, 외부 영향 (stress or demand)으로부터 기능의 저하 또는 손실 없이 견딜 수 있는 시스템의 강도 또는 능력을 의미하며, 시스템의 기능 저하가 최대일 때, 회복탄력성의 값이다.
⋅여분성은 시스템이 방해 (disrupt) 받는 조건 하에 기능적 요구를 만족시키기 위해 시스템의 요소 중 대체 가능한 능력을 의미하며, 시스템의 기능 저하가 시작되는 구간에서의 변곡점 (혹은 시작점)에 접하는 지점으로부터 기능 저하가 최대가 되는 지점까지의 기울기이다.
⋅자원효율성은 시스템이 방해받는 조건이 존재하는 경우, 문제를 식별하고 우선 순위를 설정하며 자원을 동원할 수 있는 능력을 의미하며, 기능 저하가 최대가 되는 지점으로부터 시스템의 기능 회복이 진행되는 구간에서의 변곡점 (혹은 시작점)에 접하는 지점까지의 기울기이다.
⋅신속성은 시스템의 기능 및 손실을 최소화하여 적시에 시스템의 회복을 달성할 수 있는 역량을 의미하며. 시스템의 기능 저하가 시작되는 시점 (
)으로부터 기능 회복이 이루어지는 시점 (
)까지 총 소요되는 시간이다.
3. 연구대상지 및 자료 구축
본 연구의 대상지로는 수질 악화 문제에 따른 다목적 용수 공급 및 주변부 농경지에 용수공급 실패와 친환경적 이용이 우려되는 서해안에 위치한 간월호 (천수만)을 선정하였다. 천수만의 경우 간척공사 이후 조류 속도 감소로 인한 퇴적물 세립화 (Song et al., 2011), 점오염원으로서 축산폐수 및 생활하수의 유입과 비점오염원으로서 농경지 유출수 유입 (Lim et al., 2006; Kim and Jang, 2014; Lee et al., 2016)으로 인해 세립질 퇴적물의 재부유로 인한 호내 유기물과 영양염의 재공급 (Park et al., 2000) 및 인의 내부부하량 증가 (Song, 2007)의 문제를 지니고 있다. 간월호는 서산A지구 간척사업과 함께 1995년에 조성된 담수호로 유역면적, 수혜면적 및 만수면적은 각각 48,770 ha, 6,446 ha 및 2,504 ha이다. 간월호로 유입되는 하천은 야당천, 둔당천, 청지천, 도당천, 기포천, 소정천 및 와룡천 등 총 7개이다. Fig. 3(a)와 Fig. 3(b)는 각각 간월호와 모니터링 지점의 위치를 나타내고 있다.
본 연구 유역 내에는 총 4개 하천 (도당천, 둔당천, 와룡천 및 청지천)에 각각 1개의 유량 및 수질 관측지점이 존재하며, 2011년-2018년까지부터 월 1회 측정한 자료를 수집하였다. 또한 서산시 및 홍성군에서 제공하는 유역 내 공공하수처리장 및 축산분뇨처리시설의 일별 방류량 및 수질 자료도 수집하여, 모형에 점오염원 입력자료로 활용하였다.
간월호 호내 자료를 수집하기 위하여, 환경부 및 농어촌공사에서 제공하는 자료를 수집하였으며, 수질 자료는 Fig. 4(a)과 같이 환경부에서 매월 1회 관측하는 3개 지점의 자료를 수집하였다. 간월호 유역에서는 유역 외부에서 들어오는 외부 유입수는 없으며, 간월호 내부의 양수장에서 취수하는 취수량을 유역 내 농업용수 관개량으로 이용하고 있다. 간월호 유역 내 양수장은 5개로 궁리양수장, 사기양수장, 석포양수장, 지산양수장, 간월양수장 등이 위치하고 있으며, 농어촌공사에서 제공하는 양수장 운영 자료를 2015-2017년까지 자료 수집하였다 (Fig. 4(b)). 간월호의 경우 수위가 높아지는 시기 및 해양쪽의 조위가 낮아 호내와 호외부가 수위차가 클 때 배수갑문을 통한 방류를 실시하고 있으며, 호내 수위 자료는 배수갑문을 통한 방류 시기에만 기록하고 있으므로 본 자료를 수집하여, 수위 모의를 위한 보정에 활용하였다.
4. 유역-호소 연계 모형의 구성
담수호의 방안별 회복탄력성을 분석하는 것은 실제 관측하는 것이 가장 정확하다고 할 수 있으나, 시간 및 비용 한계를 지니고 있으므로 수문 및 호소 모형을 이용하여 각 방안별 평가를 수행하는 것이 가장 효율적이라 할 수 있다. 본 연구에서는 유역 모형으로 SWAT 모형, 호소 모형으로는 EFDC 모형을 이용하였으며, 국내 유역에 적용하여 검증된 바 있다 (Hwang et al., 2018; Shin et al., 2018; Shin et al., 2019). Fig. 5는 유역 및 호소 모형의 연계와 입출력 자료를 나타낸 것이다.
Fig. 5
Diagram of Coupling SWAT, EFDC models for simulating water quality in the estuarine reservoir (adapted from Hwang, 2020)
우선, SWAT 모형을 이용하여 담수호 상류 유역으로부터 유입량과 수질을 해석의 재현성을 높이기 위하여 수문 및 수질 관측값을 이용하여 보⋅검정을 수행한다. SWAT 모형을 이용한 유입량 및 수질 모의 결과는 EFDC 모형의 유입량 및 수질 입력자료로 활용하게 된다. EFDC 모형에서는 관측 유출량 (양수장과 갑문을 통한 배수량) 및 저면 토양오염과 기상 자료 그리고 수질 오염 관측 자료를 통해 모형의 매개변수를 결정하고, 모형의 재현성을 높이기 위해 보⋅검정을 수행하게 된다. 최종적으로는 EFDC 모형을 통해 수질 모의 결과를 도출하게 되며, 상류 유역 및 담수호의 시나리오 구성을 통해 수질 관리 방안별 수질 모의 결과를 평가에 활용하게 된다.
Ⅲ. 결과 및 고찰
1. 모형의 검보정 결과
본 연구에서는 유역 유입량 및 수질 모의는 SWAT 모형을 이용하였으며, 보검정 결과는 Hwang (2020)의 결과를 활용하였다. 또한 EFDC 모형을 이용한 호소 수위 및 수질 모의 결과도 Hwang (2020)의 결과를 활용하였으며 보⋅검정 결과는 부록에 수록하였다.
EFDC 모형을 이용한 수위 모의를 위하여 EFDC 모형의 격자를 구성하였으며, 한국농어촌공사로부터 제공 받은 최신 측량 자료를 이용하여 격자를 추출하였다 (Fig. 6). 1,879개의 수평방향격자와 5개의 수직방향격자로 총 9,395개의 격자로 구축하였다. 간월호의 수위 모의를 위하여 배수갑문 조작일지와 양⋅배수장 자료를 활용하였으며, 2015년부터 2017년까지 수위 모의를 수행하였다 (Fig. 7). 수위 보정 결과, R2값이 0.9002로 재현성이 높은 것으로 나타났다.
간월호 호소 모델에 대하여 환경부 수질측정망 자료를 이용하여 2015년-2017년 보⋅검정을 실시하였다. 2016년-2017년까지 온도자료에 대해 먼저 보정을 수행하고, 이후 DO, T-P, PO4-P 순으로 EFDC 모델의 다양한 매개변수를 보정하였다. 단, EFDC 모형의 경우 호내 수질의 변화는 외부에서 유입하는 오염물질 뿐만 아니라 내부 기작에 따른 계절별 변화에 따른 수질 변화, 조류 변화, 기상 변화 등에도 영향을 받으므로 본 연구의 분석 대상 물질은 아니나 T-N, Chl-a 등의 자료에 대해서도 모의 유사성을 가질 수 있도록 매개변수를 보⋅검정하였다. 또한 간월호의 경우, 앞서 기술한 바와 같이 호내 중간에 연결도로를 포함하고 있고, 제방으로 이루어져 좁은 수로 3개로 상류와 하류가 이어지기 때문에 호내 지점별 수질 특성이 상이하다. 따라서 간월호를 3개 구역으로 나누었으며, 수질 (조류 및 용출) 모의 매개변수를 구역별로 구성하였다.
본 연구에서는 간월호 2 (중류, GW2) 지점과 간월호 3 (상류, GW3) 지점에 대하여 수질 보⋅검정을 수행하였으며, 목적함수는 (Observed Ave.)/(Simulated Ave.)의 값인 O/S를 이용하였다. O/S의 경우에는 1에 가까울수록 모형의 정확도가 높다고 할 수 있다. EFDC 모형의 경우 초기값에 영향을 많이 받으므로 2016-2017년 자료에 대해 보정을 위한 자료로 활용하였고, 2015년의 경우 검정을 위한 자료로 활용하였다. 2015년의 경우 초기에는 모형의 초깃값에 따른 영향을 고려하여, 2015년의 관측값 중 80일이 경과한 시점의 관측값을 검정에 활용하였다. 우선, 보정을 위하여, 온도, DO, 수질 항목 순으로 보정을 수행하였으며, EFDC 모형에서 수질 모의 시 조류 (algae)의 거동에 영향을 많이 받기 때문에 chl-a, T-N 등의 기타 수질 자료도 관측값을 참조하여, T-P 보정에 활용하였다. 보⋅검정 결과 (Fig. 8), 보정 값이 두 지점 모두 0.95 이상의 값으로 나타나, 보정이 잘 수행되었다고 볼 수 있다 (Table 1).
2. EFDC 모형을 이용한 수질개선 시나리오별 담수호 수질 모의 결과
가. 수질 관리 방안 시나리오 구성
담수호의 수질 개선 방안별 회복탄력성 분석에 앞서 호내 지점별로 시나리오별 수질 모의 결과를 비교하였다. 본 연구에서는 총 4개의 수질 개선 시나리오를 검토하였다 (Table 2). 현재 간월호에서는 Fig. 9의 지점과 같이 준설을 시행하고 있으며, 본 연구에서는 수질 개선을 위한 선제적 시나리오로서, 준설의 수행 정도를 시나리오로 구분하였다.
Table 2
Description of the applied scenario
나. 담수호 구간별 수질 모의 결과
간월호 상류 구역 (GW3) 및 중류 구역 (GW2)에 대하여 2015년의 시나리오별 간월호 T-P 수질 변화를 모의한 결과, 상류의 경우 T-P의 연평균 수질 농도는 아무 대책을 적용하지 않은 경우, 0.183 mg/L로 나타났으며, 호소수 농업용수 수질기준인 0.1 mg/L (호소 생활환경기준 4등급, 농업용수 수질기준)를 초과하는 것으로 나타났다. 간월호 중류의 경우, 간월호 상류와는 달리 2015년 관측 평균 수질이 0.101 mg/L로 수질이 목표 수질 기준을 소폭 초과하고 있는 수준이며, 수질 개선 방안을 통해 연평균 수질이 대체적으로 목표 수질 기준인 0.1 mg/L를 만족하는 것으로 나타났다. 이는 상류의 경우, 앞서 기술한 바와 같이 중간에 제방으로 차단되어 있고, 일부 수로를 통해서만 호소수가 순환하므로 상류에 위치한 하수처리장 방류수 및 비점오염원들이 체류되고 오염물질의 침전량이 많아 오염물질의 유입부하뿐만 아니라 내부부하량이 높게 나타났다. 하지만 중⋅하류의 경우 상대적으로 제방에 의해 오염물질의 유입이 차단되고 배수갑문을 통한 방류를 통해 오염물질의 배출이 일부 이루어지고 있으므로 상대적으로 연평균 수질이 낮게 나타났다.
따라서 본 연구에서는 담수호의 수질 기준을 초과하며 수질 악화를 겪고 있는 담수호의 상류 구역을 수질 악화에 따른 회복탄력성 분석을 위한 연구대상지로 한정하고 시나리오별 수질 모의 결과를 분석하였다. 수질 개선 방안별 수질 모의 결과 (Fig. 10), T-P의 연평균 수질 농도는 시나리오별로 각각, S1 0.182 mg/L, S2 0.179 mg/L, S3 0.175 mg/L, S4 0.172 mg/L로 나타났다. 상류 구역 (GW3)에 대해서 준설을 실시할 경우, 2015년에 여전히 목표 수질 기준인 0.1 mg/L (호소수 농업용수 수질기준)를 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 특징으로는 S1 시나리오의 경우, 전반적인 수질은 대책을 적용하지 않은 경우에 비해 낮게 나타났으나, 일부 시기에 오히려 대책을 적용하지 않은 때보다도 높은 수질을 보이기도 한다. 전체적으로 수질 변화 경향을 살펴보면, 수질이 악화되는 과정에서 대책을 적용하지 않은 경우, 수질 변화 경사가 완만하게 나타났는데, 이는 호내 부하량이 높은 상태에서는 담수호의 수질 회복 역량이 낮은 것으로 볼 수 있다.
3. 동적회복탄력성 기반 담수호 수질 관리 방안 평가
가. 시나리오별 회복탄력성 변화 분석
앞선 시나리오별 수질 분석 결과를 목표 수질 달성 여부에 대해 살펴보았으며, 본 절에서는 시나리오별 동적 회복탄력성에 대한 분석을 진행하였다. 앞선 결과에서 본 바와 같이 상류 구역 (GW3)의 연평균 수질로만 각 시나리오를 분석할 경우, 현재 상태를 유지하는 시나리오 S0을 포함하여 시나리오 S1-S4가 목표 수질 0.1 mg/L를 만족하지 못하는 것으로 나타나 목표 수질 기준만으로는 대책 시나리오 간의 상대적 평가가 어렵다. 또한 목표 수질을 만족하지 못하는 상태에 대해서는 총인 저감 효율 정도의 단순한 수치에 의해서만 수질 개선 정도의 분석이 가능하고, 수질 개선 대안별로 담수호의 수질 악화에 저항하는 내적 능력이 얼마나 개선되었는지를 정량적으로 판별하기가 어렵다. 하지만 준설에 따른 내부 부하 저감은 호내로 재부유 하거나 용출되는 부하량을 줄이는 것과 더불어 담수호의 회복탄력성을 높이기 위한 내적 역량을 높이는 것으로 그 상대적 차이를 파악하는 것도 중요하다. 따라서 본 연구에서는 이런 점을 보완하고 수질 개선 대안별로 회복탄력 능력의 향상 등을 비교하기 위하여 동적 회복탄력성 기반으로 수질 개선 대안을 평가하였다.
Butler et al. (2014)와 Sweetapple et al. (2016)에 따르면 회복탄력성 회복은 극한의 상태 혹은 예외적인 상태 (excep-tional conditions)에 대해 분석하는 것이 유의미하다고 기술한 바 있으므로 본 연구에서는 각 수질 개선 대안별로 연평균 수질을 상회하는 조건에 대해 담수호의 기능 손실로 보았고, 대안별 연평균 수질 농도를 초과하는 시점부터 다시 연평균 수질 농도를 만족하는 시점까지를 담수호의 수질 회복능력이라 가정하였다. 즉, 회복탄력성 분석의 대상이 되는 구간은 Fig. 11의 녹색원과 같이 수질이 악화되는 구간으로 설정하였다. 따라서 본 연구에서는 정적 및 동적 회복탄력성을 분석하기 위하여, 각 시나리오별 연평균 수질을 현재 담수호 시스템에서 수질 악화를 겪고 있지 않은 기준으로 가정하였고, 연평균 수질을 크게 초과하는 두 시점을 대상으로 하였다.
Fig. 11
T-P concentration change in estuarine reservoir (S0, S1-S4) (adapted from Hwang et al., 2020)
연평균 수질을 초과하여 담수호 수자원 시스템의 기능적 손상이 일어나는 두 가지 경우를 본 연구에서는 개별 대상으로 분석하였는데, Simonovic and Arunkumar (2016)에 따르면 시스템의 성능 손실이 일어나고 시스템의 성능이 일정 회복한 후 다시 발생하는 시스템의 성능 손실 사건은 회복탄력성 분석을 위해 개별적으로 분석할 필요가 있다고 한 바 있다. 따라서 Simonovic and Arunkumar (2016)의 연구를 참조하여, 본 연구에서는 2015년의 두 번의 수질 악화 상황을 대상으로 앞선 식 (1)과 식 (2)를 개별적으로 적용하여 동적 회복탄력성을 분석하였다. 만약 두 가지 경우를 개별적으로 분석하지 않는다면, 첫 번째 사건 (event)에서의 시간이 지속하여, 식 (2)에서 (
)의 값이 상대적으로 큰 값을 나타내게 되므로 두 번째 사건에서의 회복탄력성의 값이 매우 작게 나타나 왜곡된 결과를 제시할 수도 있다.
우선, 수질 악화 구간 (Event#1, Event#2)에 대한 각 시나리오별 수질 모의 결과를 비교해보면 Fig. 12와 같다. 결과를 살펴보면, 세 가지 시나리오 (S0, S3, S4)에서 유사한 시점에서 각각의 수질 평균을 초과하는 것으로 나타났으나, 다시 수질 평균을 만족하는 시점은 각 시나리오별로 다르게 나타났다. 또한 준설을 시행한 시나리오의 경우 (S3, S4), 290일 주변에서 수질 수준을 회복하는 것으로 나타났으나 현재 상태의 담수호 수자원 시스템은 수질 수준을 회복하기까지 상당한 시간이 소모되는 것을 확인할 수 있다. 이는 수질 기준을 초과하는 담수호의 수자원 활용성이 낮다고 가정할 경우, 현재 담수호 시스템의 경우 수자원 활용성이 상당히 떨어짐을 알 수 있고 준설로 인해 기간은 아니지만 수자원 활용성을 높일 수 있는 것으로 나타났다.
Fig. 12
T-P concentration changes in estuarine reservoir (S0, S3, S4) (adapted from Hwang et al., 2020)
이를 각 시나리오별로 식 (2)를 통해 시간별 회복탄력손실량 변화를 분석해보면 Fig. 13과 같다. 우선, 회복탄력손실량 변화를 살펴보면, 앞선 수질 모의 분석 결과와 유사하게 현재 상태의 담수호는 수질이 악화되는 상황에서 다시 평균 수질을 회복하지 못하고 360일경까지 회복탄력성 손실이 이어지는 것으로 나타났다. 하지만 준설을 시행하는 경우 Event#2가 발생하기 전에 이미 회복되는 (resilience 값이 0이상) 것을 확인할 수 있고 Event#2 역시 준설을 시행하지 않은 현재 시점보다 회복하는 기간이 더 짧은 것을 확인할 수 있다. 이는 담수호 시스템이 회복탄력성을 가질수록 앞선 수질 악화 상황이 향후 수질 악화 상황에도 영향을 미쳐 수자원 활용 가능성을 높일 수 있다는 것을 보여준다.
Fig. 13
Resilience loss analysis results in estuarine reservoir (S0, S3, S4) (adapted from Hwang et al., 2020)
시간별 회복탄력손실량을 회복탄력 분석에 유효한 시간의 기간으로 총합을 구하면 총 회복탄력성 손실량이 되며, 이를 역수를 취하면 정적 회복탄력성의 값이 된다. 세 가지 시나리오에 대해 총 회복탄력성 손실량 값을 구해보면, S0 시나리오의 경우 (–)2.84로 나타났고, S3 시나리오의 경우 (–)2.20 그리고 S4 시나리오의 경우 (–)2.09로 나타났다. 이를 통해 정적 회복탄력성을 비교해보면, S0 시나리오의 경우 0.35로 나타났고, S3 시나리오의 경우 0.45 그리고 S4 시나리오의 경우 0.47로 나타났다.
나. 시나리오별 동적 회복탄력성 분석
앞선 결과를 통해 동적 회복탄력성을 분석 결과를 비교해보면, Fig. 14와 같다. 본 연구에서는 회복탄력성 손실량의 총합을 통해 정적 회복탄력성을 산정하였고, 동적 회복탄력성 분석을 위한 보조 지표로서 강건성 (robustness), 자원효율성 (resourcefulness), 신속성 (rapidity) 3가지 차원을 활용하였다. 회복탄력성 변화에 따른 지표들을 살펴보면, 수질이 악화할 시에 시스템의 최대 악화 정도가 준설을 통해 개선됨을 확인할 수 있었으며, Fig. 14(b)와 14(c)에서 보는 바와 같이 준설 시나리오별로는 큰 차이를 보이지 않았다.
Fig. 14
Dynamic resilience analysis results in estuarine reservoir (S0, S3, S4) (adapted from Hwang et al., 2020)
수질이 악화하는 순간부터 시스템이 정상으로 돌아오는 과정에서의 회복 경사를 나타내는 자원효율성을 살펴보기에 앞서, 담수호 수자원에서의 자원효율성은 수질 회복을 빨리 할수록 담수호 수자원을 활용할 수 있는 가능성이 높아진다는 의미를 가진다. 따라서 Fig. 14(a)와 같이 준설을 시행하지 않은 경우 수질 회복을 이루지 못하고, 상당 기간 수질 회복이 지체되어 자원효율성이 상당히 떨어진다고 할 수 있다. 단, Fig. 14(b)와 14(c)와 같이 일부 준설을 통해서 2번째 수질 악화 event가 발생하기 전 수질의 회복을 이룰 수 있다면 자원효율성을 확연히 높일 수 있는 것으로 보인다.
마지막으로 신속성 (rapidity)을 살펴보면, 강건성 (robustness) 및 자원효율성 (resourcefulness)의 경우 준설 시나리오인 S3와 S4가 큰 차이를 보이고 있지 않았으나, 신속성 (rapidity)에서 준설을 더 많이 시행한 S4의 경우가 더 작은 값을 나타내고 있다.
다. 시나리오별 정적 및 동적 회복탄력성 결과 요약
앞선 회복탄력성 분석 결과를 요약해 보면 Table 3과 같다. 우선, 정적 회복탄력성 값을 비교해보면 준설을 상당히 시행한 S3에서부터 현재 기준으로 약 30% 이상의 회복탄력성을 회복하는 것으로 나타났으며, 담수호의 내적 회복능력이 상당 부분 개선됨을 알 수 있다. 또한 동적 회복탄력성을 분석해보면, 담수호 수자원의 수자원 활용 기간을 확보하기 위해서는 담수호의 준설을 시나리오 S3보다 더 진행해야 할 것으로 보이나 비용 및 시간적인 문제를 고려한다면 강건성 및 자원효율성에서 큰 차이를 보이고 있지 않으므로 준설을 시나리오 3 수준까지 시행하는 것만으로도 담수호의 회복탄력성을 효율적으로 높일 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 연중 수자원의 활용 측면에서는 시나리오 S3 정도의 수질 개선 방법도 충분히 고려할 수 있을 것이라 보여진다.
Table 3
Resilience analysis result by scenario
| Scenario | Static | Dynamic | ||
| Total resilience | Robustness | Rapidity | Resourcefulness | |
| Scenario #0 | 0.35 | 0.922 | 160 | 65° |
| Scenario #3 | 0.45 | 0.938 | 117 | 51° |
| Scenario #4 | 0.48 | 0.940 | 112 | 51° |
마지막으로 정적 회복탄력성과 동적 회복탄력성을 함께 고려해본다면 정적 회복탄력성은 하나의 값으로만 제시되기 때문에 시나리오 S3와 S4가 큰 차이를 보이고 있지 않으나, 동적 회복탄력성을 함께 비교함으로써 신속성의 차이를 확인할 수 있었고, 정적 회복탄력성 해석만으로는 담수호의 회복 역량의 차이와 특징을 간과하는 부분이 생길 수도 있다는 것을 확인하였다. 따라서, 담수호 수자원 관리 계획의 목표에 따라 담수호의 내적 회복 역량을 다각적으로 해석이 가능하다는 점에서 동적 회복탄력성 기반의 시스템 해석이 효용적 가치를 지닌다고 할 수 있다.
Ⅳ. 요약 및 결론
본 연구에서 담수호의 수자원 관리 방안의 효율성 및 수질 개선 효과를 분석하기 위하여 기존 방식인 수질 개선 시나리오별 연평균 수질을 평가하는 방법과 새롭게 제안한 회복탄력성의 개념을 통한 평가 방법을 이용하였다. 특히, 담수호의 수자원의 시간적 변화에 따른 회복탄력성을 분석하기 위하여 동적 회복탄력성을 4가지 지표와 함께 분석하였다. 마지막으로 정적 회복탄력성과 동적 회복탄력성 결과 비교를 통해 동적 회복탄력성 방법의 효용성을 평가하였다.
연평균 수질 평가를 통해 간월호 상류에서 준설 시나리오만을 적용한 S1-S4 시나리오는 모든 시나리오에서 연평균 목표 수질을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 하지만 준설은 담수호의 내부부하량을 저감하고, 수질 악화 시에 수질 회복하는 역량을 높여줄 수 있는 중요한 요인이다. 따라서 본 연구에서는 준설을 일정 수준 이상 시행한 시나리오 S3과 S4에 대해 정적 및 동적 회복탄력성을 분석하였다.
정적 회복탄력성과 동적 회복탄력성을 비교한 결과, 정적 회복탄력성이 단일 값으로 제시되는 만큼 각 시나리오별 특징을 간과할 수 있다는 점과 동적 회복탄력성은 회복 능력의 시간적 변화 및 다각적인 해석이 가능다는 점을 확인할 수 있었다. 또한 동적 회복탄력성 분석 결과를 통해, 시나리오 S3와 S4가 동적 회복탄력성 지표 산정 결과 간에 큰 차이를 보이고 있지 않으므로 담수호 준설에 따른 시간 및 비용적 한계를 고려한다면 준설은 시나리오 S3의 수준에서 고려하고 추가적으로 담수호의 회복탄력성을 높이기 위한 방안을 검토하는 것이 효율적인 담수호 수질 개선 방안으로 보인다. 즉, 목표 수질을 달성하고 담수호의 수질 회복탄력성을 더욱 효율적으로 높이기 위해서는 호내 준설을 통한 내부부하량 감소뿐만 아니라 오염물질의 호내 유입 저감 등의 담수호의 수질 회복 능력을 도울 수 있는 추가적인 유역 관리 방안들이 주요하게 검토되어야 한다.
본 연구의 동적 회복탄력성 분석 기반 담수호 수질 관리 방안 평가 방법은 시스템의 회복탄력성 악화 시에 시간 변화에 따라 시스템이 회복하는 과정을 평가한다는 의미에서 기존의 여러 회복탄력성 관련 연구와 문맥을 같이 한다고 할 수 있다. 또한 회복탄력성 기반 프레임워크를 기반으로 담수호의 회복탄력성을 평가하고 회복탄력성을 높일 수 있는 수질 개선 방안을 도출하는 것은 담수호 수자원 시스템의 지속가능성을 평가 할 수 있는 중요한 도구라 할 수 있다. 따라서 본 연구에서 제안한 프레임워크는 추후 담수호 수자원 시스템의 회복탄력성 분석 연구에 기초 자료로 활용될 수 있을 것이며, 담수호의 지속가능한 수자원 관리를 위한 의사결정지원을 돕는 도구로 활용 가능할 것이다.
