1. 서 론
2. 자료 및 방법
2.1 CCTV 현황 검토
2.2 LSPIV 영상 유속측정
3. 결 과
3.1 하천수 사용량 통계
3.2 LSPIV 영상 유속 측정
3.3 자료 전송, 수집, 분석 체계
4. 결론 및 토의
1. 서 론
가용한 수자원이 정상 상태 이하일 때, 물 수요 대비 부족 현상이 발생하여 사회 ‧ 경제적 활동이 위협받을 수 있다(Falkenmark et al., 2009; Doll et al., 2009; Wisser et al., 2010). 이에 대비하여, 물 공급을 위한 저수지 신규 확보 등과 같은 구조적 대응으로 가뭄을 관리하였지만, 최근에는 여러 가지 이유로 물 사용 제한 및 물 수요 관리 계획과 같은 비구조적 조치가 점점 더 주목받고 있다(Sung et al., 2021a). 이 경우, 서로 다른 사용자 간의 의사결정을 위하여 기초 자료인 하천수 사용량의 자료의 생산과 활용이 요구된다.
기후위기의 현실화로 가뭄이 증가해 하천수 사용량 및 유지관리에 관한 관심이 높아지고 있어(Sung et al., 2020, 2021a, 2021b; Kim et al., 2022; Seo et al., 2024), ｢수자원법｣ 제2조제3호 유량조사에 취수량과 방류수량을 규정해, 하천수 사용량 및 회귀수량 조사에 대한 법적근거를 마련하였다. 이의 일환으로 환경부 홍수통제소(이하 홍수통제소)를 중심으로 일부 시험하천이나 주요 측정지점에서 전자파 및 초음파 유속계로 직접 유량을 계측하거나, 양수장을 대상으로 관개기 시의 취수량을 전력 사용량과의 상관식으로 산정할 수 있는 간접 방법을 적용하고 있다(Baek et al., 2019; Song et al., 2019).
직접 측정 방식은 개수로의 특성상 흐름 측정 시, 지장물의 영향에 노출되어 있고, 단일 목적으로써의 설치 및 유지보수 비용이 크다. 간접 측정 방식도 크게 다르지 않아 취수량을 측정하고 전력량과의 정량화까지 가공 과정이 필요하다. 따라서, 직접 취수량을 측정할 수 있는 방식 중 지장물의 영향을 적게 받고, 여러 목적으로 활용이 가능한 측정 방식이 유용하겠고, 무엇보다 설치 비용이 적게 소요되고 유지보수가 비교적 쉬운 측정 방식으로의 전환이 필요하다(Cheong et al., 2018; NDMI, 2018).
2021년 기준 하천수 사용시설 14,843개소 중 하천수를 사용하는 실적 보고 대상은 2,456개소로 전체 사용량의 88.4%를 차지하고 있다. 이 중 농업용수는 1,972개소로 해당 시설의 사용량만으로 86.1%의 농업용수 사용량을 파악할 수 있다. 즉, 보고 대상시설의 자료만으로 대부분의 농업용수 사용량을 파악할 수 있고 보고 대상시설 중 생활 ‧ 공업용 하천수 사용시설은 대부분 사용량을 보고하고 있으므로 타 용수 대비 농업용 하천수 사용량의 수집체계 개선이 요구되고 있다(Han River Flood Control Office, 2021; NARS, 2023).
통합물관리 시대, 궁극적으로 농업 수자원 관리 측면에서 재해위험, 만성적 물부족 및 물 관리 데이터 부족 극복이 중요한 상황으로 농업인의 니즈가 반영된 통합물관리 체계로 전환을 고려하기 위해, 데이터 생산 및 수집 체계 전환에 대한 고민이 요구되고 있다. 따라서, 이 연구에서는 첫째, 최근 농업용 하천수 사용량의 변화를 검토하고, 둘째, 이러한 변화를 대비하기 위하여, 농업용 하천수 사용량의 변화를 모니터링을 할 수 있는 간편한 방법을 제안하고자 하였다.
2. 자료 및 방법
2.1 CCTV 현황 검토
이 연구에서는 기후위기의 현실에서 농업용 하천수 사용량의 변화 조사의 필요성을 확인하고, CCTV의 다목적 활용을 고민하고자 하였다. 이를 위하여, 홍수통제소에서 관리하고 있는 하천수 사용량 자료의 최근 통계 특성과 농업용 하천수 사용 관리를 위한 CCTV 현황을 조사하였다. 그리고 영상 유속을 산정하기 위해, LSPIV(Large-Scale Particle Image Velocimetry) 기법을 시범 적용하였고, 마지막으로 관련된 플랫폼 안을 제안하였다(Fig. 1). 여기서, 하천수 사용량 자료는 한국농어촌공사에서 수집한 자료를 이용하였는데, 이 자료는 홍수통제소의 하천수사용관리시스템에 입력하였던 사용량 실적 자료로써, 관련 자료의 출처는 NARS(2023)와 같다.
CCTV의 다목적 활용을 위하여 우선 한국농어촌공사에서 운영하는 CCTV 현황에 대하여 조사하였다. 전체 대비 약 92%에 해당하여 6,021개소에서 IP카메라가 운영되고 있었는데(Table 1), 여기서 IP카메라는 네트워크를 통해 영상 데이터를 전송하는 디지털 비디오 카메라로써, 인터넷 프로토콜을 사용하여 데이터를 전송하므로 인터넷에 연결할 수 있는 어디에서든 실시간으로 영상을 확인하거나 저장할 수 있다는 장점이 있다.
Table 1.
CCTVs of the Korea Rural Community Corporation
CCTV의 영상 촬영, 제어 및 다운로드를 위하여, 현장의 CCTV에서 촬영한 영상은 지역 본부로 전송되고, 이 영상은 각 지사에서 플랫폼으로 접근하여, 다운로드 또는 실시간으로 확인할 수 있었다. 또한 현장 대응의 신속성을 위하여, 각 지사에서도 CCTV 촬영 범위를 실시간으로 제어할 수 있으며, 저장 등의 자료 관리는 지역 본부에서 이뤄지고 있었다. 즉, 모든 CCTV 영상이 지역 본부에서 수집되고 있으므로 영상의 후처리 프로그램(영상 유속 산정)을 지역 본부의 플랫폼에 탑재할 경우, 기존의 플랫폼을 최대한 유지할 수 있다는 장점이 확인되었다(Fig. 2).
2.2 LSPIV 영상 유속측정
LSPIV는 하천 내 유하는 부유물질 또는 유송잡물의 이동을 촬영하여 유속을 측정하는 기법으로 넓은 영역의 표면유속장을 취득할 수 있다는 장점이 있어 많은 연구가 수행되었다(Kim et al., 2004; Yu and Hwang, 2016; Kang and Kim, 2018). 하지만 비스듬한 촬영 각에 따른 영상왜곡을 보정해야 한다. 분석 과정은 크게 영상의 획득, 영상의 처리, 왜곡보정 과정, 그리고 유속산정 과정으로 구분된다. 영상촬영 전 왜곡보정에 사용할 임의의 참조점을 4개 이상 설치하고 이의 좌표를 획득해야 한다. 그리고 4개의 참조점을 설치한 후 영상에 참조점이 모두 포함되도록 촬영해야 한다.
영상을 기울여서 촬영한 경우, 대표적으로 2차원 투영좌표 변화법을 이용하여 영상에 대한 왜곡을 보정한다. 자세한 내용은 Fujita(1997)를 참고하기 바란다. 아울러, 디지털 정지영상은 RGB 색상을 가지고 있어 해석을 위해서는 고용량 및 고해석 장치가 필요하기 때문에 컬러 영상을 흑백 영상으로 변환한다. 표면유속 산정은 연속된 정지영상에 대하여 검색영역과 상관영역을 활용하여 입자 이동거리와 시간을 계산하게 된다. 촬영된 영상을 이용하여 개수로 흐름의 표면유속을 취득하기 위한 기본 알고리즘은 식 (1)과 같다(Fujita et al., 2018). 여기서, , 는 상관영역의 크기, 와 는 시간 간격의 연속되는 두 영상 내의 상관영역과 gray scale intensity이다(Fig. 3).
3. 결 과
3.1 하천수 사용량 통계
2022년 영산강 ‧ 섬진강 유역의 누적 강수량은 854.5 mm로 평년 강수량 1,402.6 mm의 60.9%에 불과해 역대 최저 3위를 기록했다. 광주 ‧ 전남지역은 3월을 제외한 모든 기간의 강수량이 평년보다 적었으며, 1월, 2월 및 5월은 평년 대비 7% 이내로 기상관측 이래 최저치였다. 특히, 갈수기가 끝나고 강수량이 급격히 늘어나는 시기인 여름철 5~8월에도 평년보다 강수량이 매우 적어 가뭄이 심화되었다. 2023년 1월에서야 평년 이상의 강수량을 기록했으나, 전년 1월부터의 누적 강수량은 여전히 평년 대비 500 mm 이상 부족했다(Table 2).
Table 2.
Precipitation on Gwangju and Jeollanam-do during Jan 2022 ~ Feb 2023 (unit: year, month, mm, %)
가뭄이 심화됨에 따라 농업용 하천수 사용이 증가되므로 농업용수 사용량의 변화를 조사하였다. 그 결과, 2022년 영산강 ‧ 섬진강 수계는 가뭄의 영향으로 하천수 사용률이 26.3%에서 34.6%로 급증하였다(Fig. 4). 여기서 보고대상 허가량과 사용량은 일 8,000 m3 이상의 시설 허가량과 사용량을 의미하여, 사용률은 허가량 대비 사용량으로 그 값이 클수록 사용량이 많아짐을 의미한다. Table 2와 Fig. 4에 따르면 가뭄이 심화됨에 따라 농업용수의 사용이 많아지고 있고, 기후위기가 현실화로 인하여, 가뭄의 발생 빈도와 규모의 증가 그리고 농업용수 사용량이 증가가 예상된다. 이에 용수로의 유량 측정을 통한 하천수 사용량 실적 활용 체계의 필요성을 확인하였다. 하지만 직접적인 수위, 유속 기반의 유량 측정은 별도의 예산이 요구되므로 기존의 자원을 효과적으로 이용할 수 있는 방안이 필요하다. 이에 이 연구에서는 CCTV의 다목적 활용 분야를 용수로를 대상으로 한 영상 유속 측정을 제안하였다.
3.2 LSPIV 영상 유속 측정
위의 조사 결과 등을 통하여 CCTV의 다목적 활용은 유속 측정이 적정하다고 판단되었고, 특히 기존 CCTV로 촬영된 영상을 분석할 경우, 그 효용성이 더 커지리라 판단되었다. 이에 본 연구에서는 PYORC(PYOpenRiverCam)를 이용하여, 영상 유속을 산정을 시범 적용하였다. 사용된 PYORC는 파이썬 기반으로 IP 카메라, 드론 또는 스마트폰으로 촬영한 비디오에서 표면유속 및 하천 유량을 추정할 수 있는 오픈소스 소프트웨어이다. 본 오픈소스는 비디오 영상을 처리하여 유속 데이터를 추출하고, 누락된 값을 보완하며, 교차 단면 분석을 통해 유량을 추정하는 기능을 제공하고 있어, 하천 흐름 측정 등에 유용하다. 시범 적용을 위하여, 삼척시 죽서교를 대상으로 하였고, 스마트폰 카메라를 이용하여 8초 분량을 촬영하였다. LSPIV 기법은 2차원 평면으로 가정하여 영상을 기록하므로 원근 상의 왜곡이 있어 Fig. 5(a)와 같이 4개 이상의 기준점을 이용하여, 왜곡을 보정하였다. 이렇게 측정한 촬영한 영상 및 기준점 측량을 결과를 이용하여 최종적으로 구한 유속은 Fig. 5(b)와 같다.
3.3 자료 전송, 수집, 분석 체계
CCTV 영상 유속산정 자료의 생산, 저장 및 전송 등 관련 체계의 구축 방안을 검토하였다. 현장에서 촬영한 영상을 중앙으로 전송하고, 중앙의 플랫폼에서 영상으로 수위, 유속, 유량으로 산정한 후 이를 각 지사에서 조회할 수 있는 방법을 제안하였다(Fig. 6). 여기서, RWUMS(River Water Use Management System; https://ras.hrfco.go.kr/)는 홍수통제소에서 운영 중인 하천수사용관리시스템으로 하천수 사용 허가 및 관련 행정업무 전반을 지원하고, 하천수 사용시설에 대한 하천수 사용실태를 전산화하고 있다. 하천수 사용시설 중 허가량이 생활 5,000 m3/일, 공업 1,000 m3/일, 농업 8,000 m3/일 이상인 시설물의 사용자는 RWUMS을 통해 일별 사용량을 기입하고 매월 사용량 실적과 사용 계획량을 보고해야 한다. 안을 따를 경우, 현재 RWUMS에 피허가가 사용량을 수기로 입력 중인 체계가 자동으로 전환될 수 있어, 이와 관련한 업무 개선도 예상된다.
그리고 중앙의 플랫폼은 Fig. 7과 같이 제안하였다. 시간분해능은 하천수 사용실적 보고가 1일 단위인 것을 고려하여, 최대 1시간 간격으로 유량을 측정할 필요가 있겠다. 그리고 24시간 또는 시설별 운영시간을 반영하여, 1일 단위 유량을 생산하고, 이를 DB 표준 형식으로 변환 저장하여야 하겠다. 또한, 피허가자가 허가자에 대한 보고 및 사용 조정을 위하여, 일평균(최대)유량, 월평균유량에 대한 통계정보가 필요하며, 통계정보 산정을 위한 유량 산정 체계와 품질관리가 요구되겠다.
4. 결론 및 토의
Sung et al.(2020)은 농업용 하천수 사용량의 변화에 있어, 강수량(P)과 잠재증발산량(PET)이 미치는 영향을 정량화하였는데, 그 결과, 잠재증발산량이 강수량에 비하여 농업용 하천수 사용량의 증가 큰 영향을 미치고 있음을 밝혔다. 최근의 추세를 볼 때 앞으로의 가뭄 빈도와 규모가 증가될 것으로 예상되고 있고, 기후변화 시나리오로 비추어 볼 때 기온 상승에 대한 강한 시그널이 확인되므로 농업용 하천수의 사용은 가뭄 상황에서 더욱 증가되리라 전망된다.
｢하천법｣ 제50조에 따라 하천수를 사용하려는 자는 환경부 장관의 허가를 득하고, 일정량 이상의 하천수를 사용하는 자는 법 제25조에 따라 계측 시설을 설치하고, 매달 그 실적을 환경부 장관에게 통보하여야 한다. 이는 사용을 제한하거나, 허가 수량을 조정하기 함이나, 하천수 사용자 측면에서 물 사용 현황에 대한 공동 활용체계의 부재로 농업용수 사용 실적 기반의 정책 전개가 쉽지 않다. 이 연구에서 제시한 방안으로 통계실적 활용체계를 마련된다면 빈번한 가뭄 상황에서 농업용 하천수의 효율적 이용 및 관리가 가능해지겠다.
특히, NARS(2023)에서는 하천수 효율적 관리를 위하여 하천의 가용수량에 대한 실시간 모니터링 체계의 필요성을 제기하였고, 여기서 하천수사용관리시스템의 하천수 사용량 자료(DWUR)를 기상자료(P, PET)와 연계해 정책 결정에 활용해야 함을 강조하였다. 구체적으로 기상예보 또는 전망자료 등을 기반으로 하천수(농업용수) 사용량을 예측하고, 수원별 공급량과 비교하여, 가용수량이 추정되면 가뭄의 심각 정도에 따라 하천수 사용량을 조정하는데 활용될 수 있겠다. 구체적으로 환경부에서 관련하여 운영 중인 ‘댐-보 연계운영 협의회’와 ‘하천수조정협의회’의 의사결정을 지원할 수 있겠다(Fig. 8).
이 연구는 영상 유속 산정 기술의 확대 가능성을 검토하였다. 이를 위하여 농어촌공사에서 운영하고 있는 전국 단위의 CCTV 현황을 수집하였고, 이를 통하여, 최근의 설치된 기기의 경우, 영상 유속 산정을 위한 기초 사양을 충분히 만족하고 있음을 확인하였다. 다만, 확대 분야를 검토한 연구로써, 실제 현장 조사 등은 병행하지 못하였고, 향후 영상 유속산정의 방법의 타당성을 확보하기 위하여, 다른 조사기기 등을 활용한 현장 비교측정 등을 실시하고자 한다.
