1. 서 론

우리나라는 강수의 계절적 편중이 크고 지역별 수자원 분포가 불균등하여 안정적인 용수 확보에 구조적인 어려움을 가지고 있다. 특히 기후변화에 따른 가뭄의 장기화, 지표댐 건설 적지의 감소, 수몰지 발생과 생태계 훼손에 대한 사회적 우려, 도서·해안 및 산간 지역의 제한적인 수자원 접근성은 기존 지표수 중심의 수자원 확보 방식에 한계를 드러내고 있다. 이러한 배경에서 지하수는 상대적으로 안정적인 수량과 수질을 제공할 수 있는 대체 수자원으로 주목받고 있으며, 국내에서는 지하수저류댐이 지하수 자원의 이용 가능성을 높이기 위한 수자원 확보 시설로서 최근 본격적으로 추진되고 있다.

국내에서는 과거 학계와 실무에서 ‘지하댐’ 또는 ‘지하수댐’이라는 용어가 주로 사용되었으나, 2020년대 도서지역 사업을 계기로 ‘지하수저류댐’이라는 명칭이 공식적으로 널리 사용되기 시작하였다. 이 용어는 지하 차수구조물 자체보다 대수층 내 지하수를 저류하여 활용한다는 기능을 강조한다. 본 논문에서는 지하수저류댐을 공식 용어로 사용하되, 서술의 간결성을 위해 이하에서는 ‘지하댐’으로 표기한다. 여기서 지하댐은 단순한 지하 차수구조물이 아니라, 차수벽, 차수벽 상류부 대수층의 저류공간, 취수시설, 그리고 하천-대수층 상호작용이 결합된 수문·수리 시스템을 의미한다. 따라서 지하댐의 기능은 지하수 흐름의 차단에 그치지 않고, 상류부 지하수위 상승, 대수층 저류량 변화, 취수시설 공급량 변화, 하천-대수층 교환량 변화 등으로 나타난다. 이러한 관점에서 본 논문은 지하댐의 효용성을 구조물 자체의 설치 효과가 아니라, 하천-대수층 시스템의 반응 변화를 중심으로 논의하고자 한다.

국내 지하댐은 1980년대 농업용수 확보를 목적으로 처음 도입되었다. Yong et al. (2017)은 1984년 준공된 이안 지하댐을 국내 최초 사례로 제시하고, 이후 남송, 옥성, 고천, 우일 지하댐이 농업용수 확보를 위해 건설되었음을 보고하였다. 이들 농업용 지하댐은 하천 유하 공급형, 염수침입 방지형, 용수간선 연동형 등으로 구분되며, 상류부에 설치된 방사상 집수정을 통해 농업용수를 취수하는 방식으로 운영되어 왔다. Booh et al. (2002)은 지하댐이 농업용수뿐 아니라 생활용수 확보와 해안 대수층의 수질 보전에도 활용될 수 있음을 제시하였다.

지하댐의 적용 가능성을 판단하기 위한 연구는 먼저 적지 평가를 중심으로 진행되었다. Lee and Kim (2003)은 지하댐 후보지 평가에 계층분석과정을 적용하여 자연조건, 생활환경조건, 사회경제조건 등을 고려한 다기준 의사결정 방법을 제시하였다. Myoung and Song (2017)은 농업용 지하댐의 입지 평가를 위해 지질, 수문, 사업여건을 포함한 적지 평가 기준을 제안하였다. 이러한 연구들은 지하댐 입지 선정에서 수리지질 조건뿐 아니라 용수 수요, 개발 여건, 사업성 등을 함께 고려해야 함을 보여준다. 그러나 AHP 기반 평가는 전문가 판단과 가중치 설정에 의존하는 정성적 성격이 강하며, 지하댐 설치에 따른 지하수위 변화, 저류량 증가, 하천유량 변화와 같은 수리적 반응을 직접 모의하지 못한다. 이러한 한계를 보완하기 위해 Jeong and Park (2020)은 MODFLOW-NWT 수치모의 결과와 반응표면법, 인공신경망을 결합하여 입지조건에 따른 지하수 저류 가능량을 정량적으로 예측하는 방법을 제시하였다.

지하댐 건설 효과를 정량적으로 분석하기 위한 다양한 수치모델링 연구도 수행되었다. Kim et al. (2013)은 전남 완도군 청산도 지역을 대상으로 SEAWAT을 이용하여 지하댐 건설 전후의 지하수위, 물수지, 염분 분포 변화를 분석하고, 지하댐 설치가 상류부 지하수위 상승, 저류량 증가, 염수침입 범위 감소를 유발할 수 있음을 제시하였다. Kim (2016)과 Kim (2017)은 쌍천 지하댐을 대상으로 해안 비피압 충적대수층의 흐름과 분산, 유입량 및 양수량 변화에 따른 지하수위 변화를 모의하고, 지하댐의 해수침입 억제 효과와 수자원 개발 가능성을 평가하였다. 이러한 연구들은 지하댐의 효과가 차수벽 설치에 따른 저류량 증가만으로 결정되지 않으며, 다양한 조건에 따라 실제 취수 가능량과 수위 유지 효과가 달라질 수 있음을 보여준다.

한편, 지표수-지하수 연계모델을 이용하여 유역 규모에서 지하댐 효과를 평가한 연구도 제시되었다. Kim et al. (2009)은 하동 횡천강 유역에 SWAT-MODFLOW를 적용하여 지하댐 건설 전후의 지하수위 변화를 분석하였으며, Kim et al. (2011a)은 영덕 오십천 유역에서 지하댐 건설 전후의 지하수위 변화와 방사상 집수정 양수 조건에서의 수위 유지 가능성을 검토하였다. 또한 Kim et al. (2011b)은 쌍천유역에서 지하댐 건설 후 상류부 지하수위 상승, 하류부 수위강하, 갈수기 유황 개선, 하천-대수층 교환량 변화를 평가하였으며, Kim et al. (2014)은 지하댐 상류의 지하수 증가량, 하류의 지하수 감소량, 하류 하천 유황 변화를 함께 고려하여 순 지하수 확보량을 산정하였다.

기존 연구들은 대체로 특정 후보지 또는 개별 지하댐 사례를 대상으로 적지 평가, 지하수위 및 저류량 변화, 해수침입 저감, 취수 가능량, 유역 물수지 등을 각각 분석하는 데 초점을 두었다. 이러한 연구들은 지하댐의 개별 효과를 이해하는 데 중요한 정보를 제공하지만, 지하댐의 효용성을 체계적으로 정의하고 평가하기 위한 공통적인 수문·수리지질학적 틀을 제시하는 데에는 제한적이다. 특히 지하댐을 유역 내 하천-대수층 시스템에 차수벽과 취수시설을 추가하여 물순환 구조를 변화시키는 행위로 해석하고, 이에 대한 시스템 반응을 통합적으로 평가하려는 논의는 충분하지 않다.

따라서 지하댐의 효용성은 차수벽 상류부의 정적 저류량 증가나 시설 자체의 취수 가능량만으로 판단하기 어렵고, 차수벽과 취수시설 설치에 따른 하천-대수층 시스템의 동적 반응을 통합적으로 평가하는 관점에서 이해되어야 한다. 이를 위해서는 설치 전후의 지하수위 및 저류량 변화, 하천-대수층 상호작용의 변화, 기저유출 및 하천유량 변화, 취수시설의 공급 지속성, 그리고 유역 단위의 장기적인 물수지 변화를 함께 고려해야 한다. 이러한 관점에서 본 논문은 기존 지하댐 평가 방법의 한계를 검토하였으며, 하천–대수층 시스템의 동적 변화를 통합적으로 해석하는 수치모델링 기반의 평가 방향을 제시하였다. 또한 지하댐 개발 과정에서 대상이 되는 하천변 지하수와 복류수의 법적·제도적 쟁점을 검토함으로써, 지하댐의 효용성 평가가 궁극적으로 지표수-지하수 통합관리와 물 이용 배분의 관점에서 이루어져야 함을 논의하였다.

2. 지하댐 설치 효과와 개발가능량 평가 방법

2.1. 저류량 기반 개발가능량 산정의 한계

국내 지하댐 사업에서 개발가능량 산정은 2002년 「지하댐 개발방안 수립조사」에서 제시된 저류량 기반 산정식을 토대로 이루어져 왔다(MOCT and KOWACO, 2002). 이 방법은 지하댐 설치 전 대수층에 부존된 기존 저류량과 차수벽 설치 후 지하수위 상승에 의해 새롭게 형성되는 추가 저류량을 구분하고, 기존 저류량의 20%와 추가 저류량의 80%를 합산하여 지하수 개발가능량으로 산정하는 방식이다. 이후 2019년 「수원다변화를 위한 지하수저류지 적지 평가」와 2023년 「전국 지하수저류댐 유망지점 조사 및 평가체계 구축」에서도 이와 동일한 개념이 반복적으로 적용되었다(K-water, 2019; MOE, 2023). 특히 2019년과 2023년 보고서에서는 기존 저류량의 20%와 추가 저류량의 80%를 합산한 값을 유효저류량으로 정의하고, 이를 10년 빈도 가뭄에 해당하는 30일 무강우 기간 동안 전량 취수할 수 있다고 가정하여 일 단위 개발가능량을 산정하였다.

이러한 방법은 지하댐 계획 초기 단계에서 후보지 간 상대적인 저류 규모를 개략적으로 비교하기 위한 경험적 지표로는 활용될 수 있다. 그러나 이를 지하댐 설치 효과 또는 실제 개발가능량을 평가하는 방법으로 사용하는 데에는 근본적인 한계가 있다. 가장 중요한 문제는 저류량과 개발가능량을 동일한 개념으로 취급한다는 점이다. 저류량은 대수층의 공극 내에 저장되어 있거나 지하수위 상승에 의해 추가로 저장될 수 있는 물의 체적이다. 반면 개발가능량은 일정한 취수시설과 운영 조건에서 실제로 양수할 수 있는 취수량이며, 그 지속성은 취수정의 위치, 대수층 특성, 하천-대수층 상호작용, 함양량, 수질 변화 등 다양한 요인에 의해 결정된다. 따라서 대수층의 체적과 유효공극률로 계산한 물량은 저장 가능량일 뿐, 취수 가능량을 의미하지 않는다.

기존 저류량의 20%를 개발가능량에 포함하는 가정도 지하댐 설치 효과를 평가하는 관점에서는 적절하지 않다. 차수벽 설치 전부터 대수층에 존재하던 지하수는 지하댐에 의해 새롭게 확보된 수자원이 아니며, 이는 자연상태 또는 기존 지하수 이용 조건에서도 이미 유역 물순환 시스템에 포함되어 있던 물이다. 따라서 기존 저류량의 일부를 지하댐 개발가능량에 포함하면, 원래 대수층이 가지고 있던 잠재 개발량과 지하댐 설치에 따른 순효과가 혼합된다. 지하댐의 효용성을 평가하려면 설치 전후의 차이, 즉 차수벽과 취수시설 설치로 인해 하천-대수층 시스템의 수리적 반응이 어떻게 달라지는지를 분석해야 한다.

추가 저류량의 80%를 이용 가능하다고 보는 가정 역시 수리적 근거가 충분하지 않다. 차수벽 설치로 상류부 지하수위가 상승하면 대수층 내 저류량은 증가할 수 있다. 그러나 증가한 저류량이 실제 취수 가능량이 되기 위해서는 취수 과정에서 지하수위가 취수시설의 운영 가능 수위 이상으로 유지되어야 하고, 양수에 따른 수위강하와 양수정 간 간섭이 허용 범위 내에 있어야 한다. 또한 차수벽 하부 또는 측방을 통한 우회 유출, 하천과 대수층 사이의 교환량 변화, 갈수기 함양량 감소 등의 영향도 함께 고려되어야 한다. 이러한 과정은 대수층 저류량의 일정 비율을 곱하는 방식으로는 평가될 수 없다.

유효저류량을 30일로 나누어 일 개발가능량으로 환산하는 방식도 한계를 가진다. 이 방법은 30일 무강우를 10년 빈도 가뭄 조건으로 보고, 지표수 고갈을 가정한 상태에서 지하댐의 유효저류량을 1개월 동안 전량 개발할 수 있다고 전제한다. 그러나 무강우 지속일수는 기상학적 가뭄의 정도를 나타내는 지표일 뿐이며, 대수층 내 지하수 저류량과 취수 가능량을 직접 결정하는 수리적 인자는 아니다. 30일 동안 강우가 없더라도 지하수계가 즉시 함양이 없는 폐쇄된 저류공간으로 전환되는 것은 아니다. 선행 강우로 침투한 물은 비포화대를 거쳐 일정한 시간 지연 후 대수층에 도달할 수 있으며, 상류 대수층으로부터의 지하수 유입과 하천-대수층 사이의 교환도 계속될 수 있다. 또한 30일 무강우 조건이 곧바로 모든 하천의 건천화를 의미하는 것은 아니므로, 지하댐 취수량의 일부는 대수층 저류량 감소가 아니라 하천수 유입 증가나 기존 기저유출 감소로 충당될 수 있다. 따라서 30일 무강우 조건은 지하수 개발가능량을 결정하는 시간적 기준으로 사용되기 어렵다.

실제 취수 가능량은 정적인 저류량을 시간으로 나눈 산술 평균 유량이 아니라, 양수 과정에서 발생하는 수위강하와 대수층 내 지하수 흐름 변화에 의해 결정된다. 동일한 유효저류량을 가진 대수층이라도 수리전도도가 낮아 취수정과 저류공간의 수리적 연결성이 약하면 계획된 기간 동안 해당 수량을 취수하기 어렵다. 자유면대수층에서는 수위 저하에 따라 포화두께와 투수량계수가 감소하므로 양수 가능량이 비선형적으로 줄어들 수 있다. 따라서 유효저류량이 체적상 존재하더라도 그 전량이 30일 동안 일정한 유량으로 취수될 수 있다고 가정할 수 없다.

더 근본적인 문제는 이러한 산정 방식이 지하댐을 유역 물순환 시스템의 변화로 보지 않는다는 점이다. 지하댐은 단순히 대수층 내부에 저장공간을 추가하는 시설이 아니라, 하천-대수층 시스템에 차수벽과 취수시설을 도입하여 기존 수리 시스템을 변화시키는 행위이다. 차수벽 설치는 상류부 지하수위 상승과 저류량 증가뿐 아니라, 하류부 지하수위 저하, 하천-대수층 교환량 변화, 하천 건천화 조건 변화, 해안지역의 염수침입 조건 변화 등 다양한 수리적 변화를 초래할 수 있다. 이러한 변화는 강우와 함양의 계절성, 하천수위 변동, 양수 운영 조건에 따라 시간적으로 달라진다. 따라서 개발가능량은 정적 저류량의 일정 비율 또는 이를 특정 가뭄 지속기간으로 나눈 값으로 산정될 수 없다.

저류량 기반 산정식은 입력자료의 불확실성에도 크게 영향을 받는다. 충적층 면적, 대수층 두께, 유효공극률 또는 비산출율은 저류량 산정 결과를 직접적으로 좌우하지만, 실제 사업 검토 과정에서는 관리유역의 범위, 충적층 분포 해석, 차수벽 위치와 길이 설정에 따라 이들 값이 크게 달라질 수 있다. 동일한 후보지라도 조사 시기와 해석 기준에 따라 저류량 산정 결과가 달라질 수 있으며, 여기에 단순 비율을 적용하면 개발가능량은 수리적 실체를 갖는 값이라기보다 입력자료와 가정에 의해 결정되는 잠정적인 체적 추정치가 된다.

2002년, 2019년, 2023년 보고서에서 반복적으로 사용된 개발가능량 산정 방법은 국내 지하댐 사업의 계획 단계에서 중요한 역할을 해 왔지만, 평가 방법의 과학적 타당성 측면에서는 재검토가 필요하다. 이 방법은 지하댐의 저류 가능성을 단순하고 직관적으로 제시한다는 장점이 있으나, 지하댐 설치에 따른 실제 수리적 반응, 취수 지속성, 하천-대수층 상호작용, 하류부 영향, 가뭄 후 회복 가능성 등을 평가하지 못한다. 특히 기존 저류량과 추가 저류량의 일정 비율을 합산하고 이를 30일로 나누는 방식은 지하댐의 개발가능량을 과대평가하거나, 설치 효과와 기존 대수층의 잠재 개발량을 혼동할 가능성이 있다.

따라서 지하댐의 개발가능량은 대수층에 저장되어 있는 물의 양이 아니라, 지하댐 설치 후 변화된 하천-대수층 시스템에서 허용 가능한 영향 범위 내에서 지속적으로 취수할 수 있는 양으로 정의되어야 한다. 이를 위해서는 저류량 기반 산정식을 보완하여, 설치 전후의 수리적 변화와 운영 조건을 함께 반영할 수 있는 수치모델링 기반 평가 체계가 필요하다.

2.2. 지하댐 설치 효과의 평가 방향

지하댐의 설치 효과는 수자원 확보 측면에서 실질적인 기여가 있었는지를 기준으로 평가되어야 한다. 여기서 실질적인 기여란 지하댐 설치로 확보되는 수량이 실제 취수시설을 통해 필요한 시기에 안정적으로 공급될 수 있고, 그 과정에서 하천유량, 대수층 지하수위, 기존 지하수 이용시설에 미치는 영향이 허용 가능한 범위 안에 있는 경우를 의미한다. 이를 위해서는 지하댐 설치 후 대수층 내에 저장될 수 있는 물의 양을 산정하는 데 그치지 않고, 지하댐 설치로 인해 유역 물순환 시스템의 수리적 반응이 어떻게 달라지는지를 분석해야 한다. 지하댐은 하천 인접 충적대수층에 차수벽과 취수시설을 설치하여 지하수 흐름, 하천-대수층 상호작용, 대수층 저류량, 취수시설 공급량을 함께 변화시키는 수문·수리 시스템이다. 따라서 설치 효과는 정적 저류량이 아니라 설치 전후 시스템 반응의 차이로 평가되어야 한다.

지하댐의 효과를 판단하기 위한 핵심 평가지표는 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 첫째는 지하댐 설치에 따라 대수층 내 지하수 저류량이 얼마나 증가하는가이다. 차수벽 설치는 상류부 지하수위를 상승시키고, 그 결과 충적대수층의 포화대 두께와 지하수 저류량을 증가시킬 수 있다. 이때 저류량 증가는 지하수위 상승량, 대수층 면적, 비산출율 또는 저류계수에 의해 결정된다. 그러나 저류량 증가는 지하댐의 잠재적 효과를 나타내는 지표일 뿐, 그 자체가 개발가능량을 의미하지는 않는다. 증가한 저류량이 실제 수자원 확보에 기여하려면 갈수기 또는 가뭄 시기에 취수 가능한 형태로 유지되어야 하며, 양수 후에도 일정 수준 이상으로 회복될 수 있어야 한다.

둘째는 실제 취수시설의 공급량이 얼마나 증가하는가이다. 지하댐의 최종 목적이 용수 확보라면, 설치 효과는 취수정 또는 방사형집수정과 같은 실제 취수시설에서 확보되는 공급량의 변화로 평가되어야 한다. 특히 국내 지하댐은 방사형집수정과 결합되어 운영되는 경우가 많으므로, 지하댐 설치 후 집수정의 취수량이 얼마나 증가하는지, 동일한 양수량 조건에서 집수정 수위가 얼마나 안정적으로 유지되는지, 갈수기에도 계획공급량을 지속적으로 만족할 수 있는지가 중요한 평가 항목이 된다. 따라서 지하댐의 개발가능량은 단순한 대수층 저류량이 아니라 실제 취수시설의 운영 조건에서 확보 가능한 공급량으로 해석되어야 한다.

이 두 지표는 서로 관련되어 있지만 동일하지 않다. 지하댐 설치 후 대수층 저류량이 증가하더라도, 대수층의 수리전도도가 낮거나 취수시설과 저류공간의 수리적 연결성이 약하면 공급량 증가는 제한적일 수 있다. 반대로 저류량 증가가 크지 않더라도 하천과 대수층의 연결성이 양호하고 취수시설이 적절한 위치에 설치되면 갈수기 공급 안정성이 개선될 수 있다. 따라서 지하댐 효과 평가는 저류량 증가와 공급량 증가를 구분하여 산정하고, 두 지표의 관계를 함께 해석해야 한다.

평가에서 특히 중요한 것은 이러한 변화가 물이 부족해지는 갈수기 또는 가뭄 시기에 어떻게 나타나는가이다. 연평균 조건에서 저류량이나 공급량이 증가하더라도, 실제 용수공급 측면의 효용성은 하천유량이 감소하거나 건천화되는 시기, 지하수위 저하가 심화되는 시기, 지표수 공급이 제한되는 가뭄 시기에 결정된다. 지하댐은 풍수기 또는 하천유량이 존재하는 시기에 하천수와 함양수에 의해 대수층을 충전하고, 갈수기에는 저장된 지하수를 취수시설을 통해 이용하는 방식으로 기능한다. 따라서 설치 효과는 연평균 물수지보다 갈수기 물수지, 가뭄 지속기간 동안의 지하수위 변화, 취수시설의 공급 지속성, 가뭄 이후 회복성에 초점을 맞추어 평가되어야 한다.

하천유출의 규모와 계절성은 지하댐의 설치 효과를 결정하는 중요한 인자이다. 갈수기에도 하천유량과 기저유출이 안정적으로 유지되는 유역은 대수층 충전에 유리하지만, 이미 지표수 또는 하천변 지하수의 이용 가능성이 비교적 크기 때문에 지하댐 설치에 따른 추가적인 수자원 확보 효과는 제한적일 수 있다. 반면 하천유량의 계절 변동성이 크고 갈수기에 하천유량이 급감하거나 건천화가 발생하는 유역에서는 기존 수자원 공급 안정성이 낮기 때문에, 지하댐 설치 효과가 상대적으로 중요하게 나타날 수 있다.

다만 건천화가 발생하는 유역에서 지하댐의 효과가 항상 크다고 단정할 수는 없다. 지표 하천수가 사라지더라도 하상 퇴적층과 충적대수층 내에서는 복류수 또는 지하수 흐름이 지속될 수 있으며, 지하댐은 이러한 지하 흐름을 차단하거나 지연시켜 차수벽 상류부의 지하수 저류량을 증가시킬 수 있다. 그러나 하천유량이 지나치게 작거나 유량 지속기간이 짧은 경우에는 대수층 충전량 자체가 부족할 수 있고, 하상 퇴적층과 충적대수층의 투수성과 저류성이 작은 경우에도 기대한 효과가 나타나기 어렵다. 따라서 건천화 유역에서 지하댐이 안정적인 물 공급에 기여할 수 있는지는 복류수 흐름, 하천-대수층 연결성, 강수 함양, 충적대수층의 저장성 등을 함께 고려하여 판단해야 한다.

충적대수층의 수리지질학적 특성도 개발가능량을 결정하는 핵심 인자이다. 수리전도도는 하천수 또는 상류 지하수가 취수시설로 이동할 수 있는 능력을 결정하며, 저류계수 또는 비산출율은 지하수위 상승 또는 하강에 따른 저류량 변화를 지배한다. 대수층 두께와 폭은 저류공간의 규모를 결정하고, 기반암 또는 하부 저투수층의 투수성은 차수벽 하부를 통한 우회 유출 가능성을 좌우한다. 특히 차수벽이 기반암 또는 저투수층에 충분히 근입되지 않거나 기반암의 투수성이 큰 경우에는 상류부 저류량 증가 효과가 제한적일 수 있다. 따라서 지하댐의 효과는 충적층의 기하학적 규모뿐 아니라 대수층과 기반암의 수리적 연결성을 함께 고려하여 평가해야 한다.

취수시설의 조건 또한 공급량 평가에서 중요한 역할을 한다. 취수시설의 위치, 취수 방식, 설치 심도, 운영 수위, 양수량, 양수 기간은 지하댐 설치 효과가 실제 공급량으로 전환되는 정도를 결정한다. 방사형집수정의 경우 일반 관정보다 대수층과의 접촉 면적이 크고 하천변 지하수 또는 하천수를 유도할 수 있으므로, 집수정의 위치와 집수관의 길이·심도·개수에 따라 공급량이 크게 달라질 수 있다. 또한 여러 취수시설이 동시에 운영될 경우 양수정 간 간섭이 발생할 수 있으며, 과도한 양수는 지하수위 저하, 하천수 유입 증가, 하류부 기저유출 감소를 유발할 수 있다. 따라서 취수시설의 공급량은 지하댐, 하천, 대수층, 취수시설 운영이 결합된 시스템의 반응 결과로 평가되어야 한다.

결국 지하댐의 개발가능량 평가는 유역 하천-대수층 시스템의 동적 반응을 해석하는 문제이다. 지하댐 설치 후 지하수위는 시간에 따라 상승하고, 강우와 하천유량 변화에 따라 충전과 배출을 반복한다. 취수가 시작되면 수위강하와 지하수 흐름 구조의 변화가 발생하고, 하천-대수층 교환량과 하류부 지하수위도 함께 달라진다. 따라서 지하댐의 설치 효과를 정량적으로 평가하려면 설치 전후의 지하수위, 저류량, 취수량, 하천유량, 하천-대수층 교환량을 시간적으로 추적해야 하며, 특히 갈수기와 가뭄 조건에서 이러한 변화가 어떻게 나타나는지를 분석해야 한다. 이러한 평가는 다음 절에서 논의하는 수치모델링 기반 접근을 통해 정량적으로 수행될 수 있다.

2.3. 수치모델링 기반 평가 방법

지하댐 설치 효과를 정량적으로 평가하기 위해서는 수치모델링이 필요하다. 지하댐은 차수벽 설치를 통해 지하수 흐름을 차단하거나 지연시키고, 그 결과 차수벽 상류부 지하수위와 대수층 저류량을 변화시킨다. 또한 방사형집수정과 같은 취수시설의 운영 조건에 따라 실제 취수량이 결정되므로, 개발가능량은 지하수위 상승량이나 저류량 증가만으로 판단하기 어렵다. 따라서 지하댐의 효과는 설치 전후의 지하수위 변화, 저류량 변화, 하천-대수층 교환량 변화, 취수시설 공급량 변화, 하류부 영향이 함께 나타나는 동적 반응으로 평가되어야 한다.

MODFLOW와 같은 지하수흐름모델은 이러한 평가의 기본 도구가 될 수 있다. 지하수흐름모델은 대수층의 수리전도도, 저류계수, 함양량, 경계조건, 양수량, 차수벽 조건을 반영하여 지하수위와 지하수 흐름 변화를 계산할 수 있다. 따라서 차수벽 설치에 따른 상류부 지하수위 상승, 대수층 저류량 증가, 하류부 지하수위 저하, 취수정 주변 수위강하 등을 정량적으로 분석하는 데 유용하다. 또한 차수벽의 위치, 심도, 투수성, 취수시설의 위치와 양수량을 달리한 시나리오 분석을 통해 지하댐의 설계 조건과 운영 조건을 비교할 수 있다.

그러나 지하수흐름모델만으로 지하댐 효과를 통합적으로 평가하는 데에는 한계가 있다. 가장 큰 한계는 하천 조건이 외부에서 주어진 경계조건으로 처리되는 경우가 많다는 점이다. MODFLOW에서 하천은 일반적으로 일정수두, RIVER, DRAIN과 같은 경계조건으로 표현된다. 이러한 방식은 주어진 하천수위 조건에서 하천-대수층 교환량을 계산하는 데 유용하지만, 강우-유출 과정에 따라 하천유량이 어떻게 발생하고, 그 유량이 하도를 따라 이동하면서 하천수위를 어떻게 변화시키며, 갈수기에 하천이 언제 건천화되는지를 독립적으로 모의하기는 어렵다. 지하댐의 효과가 갈수기 하천유량, 하천수위, 복류수 흐름, 하천-대수층 교환량 변화와 밀접하게 관련된다는 점을 고려하면, 지하수흐름모델 단독 적용은 개발가능량 평가에 필요한 동적 수문·수리 과정을 충분히 반영하지 못할 수 있다.

이러한 한계를 보완하기 위해 지표수-지하수 연계 모델이 활용될 수 있다. 대표적인 예가 SWAT–MODFLOW이다(Sophocleous and Perkins, 2000; Kim et al., 2008; Bailey et al., 2016). SWAT–MODFLOW는 유역 수문모델인 SWAT과 분포형 지하수흐름모델인 MODFLOW를 결합한 것으로, 강수, 증발산, 지표유출, 토양수, 지하수 함양, 지하수위, 하천-대수층 교환량을 유역 규모에서 함께 모의할 수 있다. SWAT은 유역의 강우-유출 과정과 공간적으로 분포된 함양량을 계산하고, MODFLOW는 이를 입력으로 받아 대수층 내 지하수 흐름과 지하수위를 계산한다. 두 모델의 결합을 통해 하천으로 유입되는 지하수 기저유출, 하천에서 대수층으로 침투되는 물, 양수에 따른 지하수위 변화 등을 유역 단위로 평가할 수 있다.

SWAT–MODFLOW는 지하댐 평가에서 중요한 장점을 가진다. 지하댐의 효과는 강우와 하천유출의 계절성, 유역 함양량, 대수층 수리특성, 하천-대수층 교환에 의해 결정되므로, 유역 수문과 지하수 흐름을 결합한 SWAT–MODFLOW는 단순 지하수흐름모델보다 개선된 평가 도구가 될 수 있다. 특히 설치 전후 조건에서 지하수위, 기저유출, 하천-대수층 교환량, 대수층 저류량 변화를 비교함으로써 지하댐이 유역 물순환에 미치는 영향을 정량적으로 분석할 수 있다.

그러나 SWAT–MODFLOW 역시 지하댐 효과를 평가하는 데 일정한 한계를 가진다. SWAT은 기본적으로 유역 수문모델이며, 하천유량을 하도추적 방식으로 계산하지만 HEC-RAS(Brunner, 2016)와 같은 하도 수리모델 수준의 상세한 하천수위 계산을 수행하는 모델은 아니다. 따라서 하천 단면 형상, 조도, 수리구조물, 보, 하상 경사, 부분 건천화와 같은 하도의 세부적인 수리 과정을 정밀하게 재현하는 데에는 한계가 있다. 지하댐은 하상 하부 복류수와 충적대수층 흐름을 차수벽으로 제어하는 구조물이므로, 하천수위와 하천유량의 변화는 대수층 충전량과 취수시설 공급량을 결정하는 핵심 경계조건이다. 이 경계조건이 정밀하게 계산되지 않으면 지하댐의 저류량 증가와 공급량 증가도 불확실하게 평가될 수밖에 없다.

따라서 지하댐의 정밀 평가는 유역 수문모델, 하도 수리모델, 지하수흐름모델을 연계하는 지표수-지하수 통합 모델의 형태로 발전할 필요가 있다. 예를 들어 SWAT, HEC-RAS, MODFLOW를 결합하는 접근은 이러한 통합 평가를 위한 유용한 방법이 될 수 있다. 이 결합 체계에서 SWAT은 강수-유출과 함양을 산정하고, HEC-RAS는 산정된 하도 유입량을 바탕으로 하천수위와 구간별 건천화 여부를 계산하며, MODFLOW는 대수층 반응과 하천-대수층 교환량을 계산한다. 이 과정에서 유역 유출량, 분포형 함양량, 하천수위, 하천-대수층 교환량은 시간적으로 연계되어야 하며, MODFLOW에서 계산된 하천-대수층 교환량은 하천유량과 하천수위 변화에 다시 반영되어야 한다. 이러한 통합 모델은 지하댐 설치 전후의 차수벽 효과, 방사형집수정 공급량 변화, 갈수기 지하수위 유지, 하천 건천화, 복류수 흐름, 하류부 하천유량 감소를 하나의 동적 시스템 안에서 해석할 수 있다는 장점이 있다.

다만 SWAT–HEC-RAS–MODFLOW와 같은 세 모델의 결합은 이론적으로는 지하댐 평가에 적합한 체계이지만, 일반적으로 사용할 수 있는 표준화된 공개 결합 코드는 아직 확립되어 있지 않다. 각 모델은 독립적으로 널리 사용되고 있으나, 세 모델 사이의 공간 격자 변환, 시간 간격 조정, 수위·유량·교환량의 양방향 전달, 수치적 안정성 확보, 보정 전략을 일관된 방식으로 처리하는 표준 플랫폼은 제한적이다. 따라서 실제 적용에서는 연구 목적에 맞게 사용자 정의 결합 코드를 작성하거나, 단계적 또는 약결합 방식으로 모델을 연동하는 접근이 필요할 수 있다. 이 경우 모델 간 자료 전달 방식, 시간 간격, 수문·수리·지하수 항목의 물수지 일관성을 명확히 검토해야 한다. 최근 국내에서도 SWAT–MODFLOW에 HEC-RAS를 결합하여 지표수-지하수 연계 모델의 정밀성을 높이려는 연구가 진행되고 있다(Lee and Koo, 2024).

공개 모델 중에서는 USGS의 GSFLOW가 유역-지하수 통합이라는 측면에서 유사한 방향을 추구한다. GSFLOW는 PRMS(Precipitation-Runoff Modeling System)와 MODFLOW를 통합하여 지표면, 비포화대, 포화대, 하천 및 호소에서의 물 이동을 함께 모의하는 모델이다(Markstrom et al., 2008). 따라서 유역 규모에서 강수-유출, 함양, 지하수 흐름, 지표수-지하수 상호작용을 통합적으로 분석하는 데 유용하다. 그러나 GSFLOW도 HEC-RAS와 같은 하도 수리모델을 포함하는 구조는 아니므로, SWAT–MODFLOW와 마찬가지로 하천의 수위 변화와 건천화 과정이 중요한 지하댐 평가에는 한계가 있을 수 있다.

상용 모델 중에서는 MIKE SHE와 MIKE 11 또는 MIKE FLOOD 계열의 결합이 유역 수문, 지하수, 하천 수리를 하나의 플랫폼 안에서 구현한 대표적인 사례이다. MIKE SHE의 기반이 된 SHE는 물리 기반 분포형 수문모델로 개발되었으며, 지표면 유출, 비포화대, 포화대, 하천 흐름 등 유역 물순환 과정을 통합적으로 모의하는 방향을 제시하였다(Abbott et al., 1986a, 1986b). 이후 MIKE SHE는 MIKE 11과 연계되어 지표수-지하수 상호작용과 하천 수리를 함께 고려할 수 있는 통합 플랫폼으로 활용되고 있다(Refsgaard and Storm, 1995; DHI, 2017; Waseem et al., 2020). 다만 상용 플랫폼이라는 점과 입력자료 요구량 및 보정 난이도가 크다는 점은 실제 적용에서 고려해야 할 제약이다.

결국 지하댐의 수치모델링 기반 평가는 단순히 어떤 모델을 사용하는가의 문제가 아니라, 평가하려는 유역 물순환 과정이 모델 안에서 충분히 재현되는가의 문제이다. 후보지 예비평가 단계에서는 MODFLOW 기반 지하수흐름모델 또는 SWAT–MODFLOW와 같은 지표수-지하수 연계 모델을 통해 저류량 증가와 지하수위 변화를 개략적으로 평가할 수 있다. 그러나 실제 설계와 개발가능량 평가 단계에서는 하천수위 변화, 건천화, 복류수 흐름, 하천-대수층 교환량, 취수시설 공급량을 함께 고려해야 하므로, 유역 수문모델, 하도 수리모델, 지하수흐름모델의 연계가 필요하다. 특히 갈수기와 가뭄 시기의 실질적 수자원 확보 효과를 평가하려면 하천과 대수층을 분리하지 않고 하나의 동적 시스템으로 해석해야 한다.

지하댐의 개발가능량 평가는 정적 저류량 산정식에서 출발해서는 안 되며, 지표수-지하수 연계 모델을 기반으로 한 동적 물수지 평가로 전환되어야 한다. 더 나아가 하천수위와 건천화가 중요한 유역에서는 SWAT–MODFLOW 수준의 연계만으로는 충분하지 않을 수 있으며, HEC-RAS와 같은 하도 수리모델까지 포함한 지표수-지하수 통합 모델을 적용할 필요가 있다. 이러한 접근을 통해 지하댐이 단순히 대수층 내 물을 얼마나 저장하는지가 아니라, 실제로 물 부족 시기에 취수시설을 통해 얼마나 안정적으로 공급할 수 있는지를 보다 과학적으로 평가할 수 있다.

3. 지하댐 설치에 따른 하천변 지하수 이용의 법적 쟁점

3.1. 복류수와 하천변 지하수의 법적 성격

국내 「하천법」과 「지하수법」은 복류수와 하천변 지하수 이용에 대해 서로 다른 규율 체계를 두고 있다. 지하댐은 하천과 인접 충적대수층을 가로질러 차수벽을 설치하고, 차수벽 상류부에 취수시설을 두어 지하수를 이용하는 시설이므로 이러한 법적 규율의 경계에 놓인다.

국내 법제에서 복류수는 원칙적으로 하천수에 포함된다. 「하천법」은 하천수를 하천의 지표면에 흐르거나 하천 바닥에 스며들어 흐르는 물, 또는 하천에 저장되어 있는 물로 정의한다. 여기서 “하천 바닥에 스며들어 흐르는 물”은 복류수를 의미한다. 따라서 국내 법제는 복류수를 독립된 지하수라기보다 하천수의 일부로 간주하고 있으며, 복류수를 취수하는 행위는 하천수 사용허가의 대상이 될 수 있다. 이는 하천 표면에 흐르는 물뿐 아니라 하상 하부의 흐름도 하천 수자원의 일부로 관리하겠다는 법적 입장을 반영한다.

이와 별도로 「지하수법」은 하천 인근 지하수 개발에 절차적 통제를 둔다. 허가 대상 지하수시설이 하천구역 경계로부터 일정 거리 이내에서 지하수를 개발·이용하는 경우, 허가권자는 지하수영향조사서를 첨부하여 해당 하천관리청과 미리 협의해야 한다. 현행 제도에서는 이 범위가 하천구역 경계로부터 300 m 이내로 설정되어 있다. 즉 하천으로부터 300 m 이내의 지하수 개발은 하천수에 영향을 줄 가능성이 있는 행위로 간주되고, 하천관리청과의 협의를 통해 관리된다.

결과적으로 국내에서는 두 가지 규율이 동시에 작동한다. 하나는 복류수를 하천수로 보아 하천수 사용허가의 대상으로 삼는 「하천법」의 실체적 규율이다. 다른 하나는 하천구역 300 m 이내 지하수 개발에 하천관리청 협의를 요구하는 「지하수법」의 절차적 규율이다. 두 제도는 모두 하천 인근 지하수 개발이 하천수와 수리적으로 연결될 수 있다는 전제 위에 있다. 그러나 그 규율 방식에는 차이가 있다. 「하천법」은 복류수라는 물의 성격을 하천수로 정의하는 반면, 「지하수법」은 하천구역으로부터의 거리를 기준으로 하천 영향 가능성을 판단한다.

이러한 제도는 행정적으로는 명확한 장점이 있다. 복류수를 하천수로 정의하면 하천수 사용허가의 적용 여부를 판단할 수 있고, 300 m 기준은 하천 인근 지하수 개발을 사전에 선별하는 간단한 기준으로 활용될 수 있다. 그러나 이러한 거리 기준만으로 하천-대수층 연결성과 실제 하천 영향을 판단하는 것은 수리지질학적으로 타당하지 않다. 지하수 취수가 하천에 미치는 영향은 취수시설과 하천의 이격거리뿐 아니라 대수층의 투수량계수와 저류계수, 하상 퇴적층의 수리전도도 등에 따라 달라지기 때문이다. 따라서 어떤 지역에서는 300 m 밖의 양수도 하천유량을 크게 감소시킬 수 있고, 다른 지역에서는 300 m 이내의 양수라도 하천 영향이 제한적일 수 있다.

국내의 300 m 기준은 하천 인근 지하수 개발을 관리하기 위한 행정적 선별 기준으로는 의미가 있으나, 실제 하천 영향을 판정하는 과학적 기준으로 보기에는 충분하지 않다. 특히 지하댐과 같이 복류수와 충적대수층 지하수 흐름을 차단하거나 지연시키고 이를 취수에 활용하는 시설에서는 단순한 거리 기준보다 하천-대수층 상호작용의 실제 변화를 평가하는 것이 더 중요하다.

3.2. 미국 애리조나 subflow 법리의 역사

복류수의 법적 성격과 관리 범위를 둘러싼 문제를 오랫동안 다룬 사례로는 미국 애리조나의 subflow 법리가 있다. 애리조나 수법에서 사용되는 subflow는 하천과 수리적으로 연결된 지하 흐름을 가리킨다는 점에서 국내의 복류수와 유사하지만, 두 개념이 완전히 동일한 것은 아니다. 국내에서 사용하는 복류수는 하천 바닥 또는 하상 퇴적층으로 스며들어 흐르는 물을 의미하며, 「하천법」상 하천수의 일부로 간주된다. 반면 애리조나의 subflow는 수문학적 용어라기보다, 지표수와 지하수를 서로 다른 법체계로 관리해 온 제도적 배경 속에서 하천과 연결된 지하수 흐름 중 어디까지를 지표수 법체계에 포함할 것인가를 정하기 위해 발전한 판례법적 개념이다. 따라서 애리조나의 subflow 법리는 국내 복류수 개념과 직접 등치되기보다는, 하천과 연결된 지하 흐름의 법적 성격과 관리 범위를 어떻게 설정할 것인가를 보여 주는 비교 사례로 이해할 필요가 있다.

애리조나는 지표수를 선점주의 원칙(prior appropriation doctrine)으로, 지하수를 합리적 이용 원칙(reasonable use doctrine)으로 관리하는 이원적 물관리 체계를 유지해 왔다. 이 때문에 하천 인근 지하수가 지표수에 속하는지, 또는 별도의 지하수로 취급되는지는 수리권 배분에서 중요한 문제였다. 하천과 연결된 지하 흐름을 지하수로 볼 경우 기존 지표수 수리권자의 권리가 약화될 수 있고, 반대로 지표수로 볼 경우 하천 인근 지하수 이용은 지표수 법체계의 규율을 받게 된다. 이러한 배경에서 subflow의 법적 범위를 정하는 문제는 애리조나 수법의 핵심 쟁점으로 다루어져 왔다(Glennon and Maddock, 1994; Feller, 2007).

애리조나 subflow 법리는 1931년 Southwest Cotton 판결에서 출발하였으며, 이 판결 이후 subflow는 하천과 밀접하게 연결되어 하천 흐름의 일부로 간주될 수 있는 지하 흐름을 지칭하는 개념으로 논의되어 왔다. 그러나 초기의 개념적 정의만으로는 실제 현장에서 어느 범위까지를 subflow로 볼 것인지 판단하기 어려웠고, 하천 인근 충적층 내 지하수와 일반 지하수를 구분하는 기준도 명확하지 않았다.

이후 Gila River 수리권 통합소송 과정에서 subflow의 공간적 범위와 판정 기준을 구체화하려는 논의가 이어졌다. 이 과정에서 1988년 1심 법원은 충적층 내부 또는 인근의 우물이 90일 동안 연속 양수될 때 총 양수량의 50% 이상을 하천으로부터 유도하는 범위를 subflow 판단 기준으로 제시하였다. 이 기준은 양수에 의한 하천고갈 개념을 법적 판정 기준으로 도입하려 했다는 점에서 수리지질학적으로 중요한 의미를 가진다. 그러나 50%와 90일이라는 고정 기준은 현장별 수리지질 조건의 차이, 하천-대수층 연결성, 양수량과 양수 기간에 따른 영향의 시간적 변화를 충분히 반영하기 어렵다는 비판을 받았다. 이러한 논의는 subflow를 단순한 양수 영향의 크기로 판정하기보다, 하천과 지하수의 수리적·지질학적 연결성을 기준으로 구분해야 한다는 방향으로 전개되었다.

이러한 논의의 결과, 애리조나에서는 subflow 구역을 포화 범람원 홀로세 충적층(saturated floodplain Holocene alluvium, SFHA)과 연계하여 판단하는 접근이 제시되었다. 즉 하천이 홀로세 동안 범람원에 퇴적시킨 충적층 중 물로 포화된 부분을 subflow 구역의 지질학적 대리지표로 활용하는 방식이다. 이 기준은 모호한 법적 개념을 현장에서 지도화 가능한 수리지질학적 단위로 전환했다는 점에서 중요하다.

SFHA 기준이 도입되면서 subflow 구역을 실제 유역에 적용하기 위한 정밀 지질 매핑이 필요해졌다. 애리조나 지질조사소는 산페드로강과 주요 지류를 따라 홀로세 충적층의 분포를 지도화하였고, 이 자료는 애리조나 수자원국의 subflow 구역 획정에 활용되었다(Cook et al., 2009). 이 사례는 하천과 연결된 지하 흐름의 법적 경계가 실제로 운용 가능해지기 위해서는 하천 지형, 충적층 분포, 포화 조건에 대한 정밀한 지질·지형 조사가 필요하다는 점을 보여 준다.

그러나 이러한 지질학적 기준도 지표수와 지하수를 명확히 분리하는 근본적 해법은 되기 어렵다. Glennon and Maddock (1994)은 지표수와 지하수를 인위적으로 분리하려는 애리조나의 시도 자체가 한계를 가진다고 비판하였고, Feller (2007)는 SFHA 기준의 적용 지연과 운용상 난점을 지적하였다. 이러한 비판은 법적 기준이 아무리 정교해져도 지표수와 지하수가 하나의 연속된 수문 시스템을 이룬다는 사실을 부정할 수 없음을 보여 준다. 결국 복류수 또는 subflow의 법적 정의는 수리적 실체와 법적 관리 필요 사이의 타협일 수밖에 없다.

3.3. 지하댐 평가에 주는 함의

복류수에 대한 국내 제도와 애리조나 subflow 법리는 하천과 수리적으로 연결된 지하 흐름을 지표수 관리 체계 안에서 다루려 한다는 점에서 공통점을 가진다. 국내 「하천법」은 복류수를 하천수에 포함하고, 애리조나는 subflow를 지표수 수리권 체계 안에서 다룬다. 두 경우 모두 하천 표면에 보이는 물뿐 아니라 하천과 밀접하게 연결된 지하 흐름도 하천 수자원의 일부로 관리하려는 제도적 시도라고 할 수 있다.

그러나 경계 설정 방식에는 중요한 차이가 있다. 애리조나는 초기의 모호한 개념적 정의에서 출발했으나, 이후 SFHA라는 지질학적 대리지표를 채택하였다. 즉 subflow 구역의 경계를 하천 주변의 실제 지질 단위와 포화 조건을 기준으로 지도화하려 하였다. 반면 국내 「지하수법」의 300 m 기준은 하천구역 경계로부터의 일률적인 거리 기준이다. 이 기준은 적용이 쉽고 행정적으로 명확하지만, 하천-대수층 연결의 실제 정도를 반영하기에는 한계를 가진다.

주목할 점은 애리조나 대법원이 1993년 Gila River II 판결에서 50%와 90일이라는 고정 기준을 수리지질학적으로 충분히 정당화되지 않는다고 보고 배척했다는 점이다. 국내의 300 m 기준도 성격은 다르지만, 현장 수리지질 조건과 무관하게 적용되는 고정 기준이라는 점에서 유사한 비판에 노출될 수 있다. 하천영향 지하수를 관리하는 기준은 행정적으로 명확해야 하지만, 동시에 하천-대수층 연결성이라는 수리적 실체를 반영해야 한다. 이 균형을 어떻게 설정할 것인가가 국내 제도의 중요한 과제이다.

이러한 비교는 국내 제도가 앞으로 나아가야 할 방향을 시사한다. 하천구역 300 m 기준은 사전 협의 대상을 선별하는 행정 기준으로는 의미가 있지만, 실제 하천유량 감소나 복류수 포획 여부를 판정하는 최종 기준이 되어서는 안 된다. 복류수와 하천변 지하수를 관리할 때에는 하천구역으로부터의 거리뿐 아니라 충적대수층의 분포와 수리지질 특성, 하천-대수층 연결성, 지하수위와 하천수위의 관계, 양수에 따른 하천고갈량 등을 함께 고려해야 한다. 즉 고정 거리 기준을 유지하더라도, 실제 허가와 영향 판단 단계에서는 현장 수리지질 조사와 수치 모델링에 근거한 정량 평가가 필요하다.

이러한 법적 논의는 지하댐의 효용성 평가에 직접적인 함의를 가진다. 지하댐은 하천변 충적대수층에 설치되며, 그 효과는 하상 하부 복류수와 충적층 지하수 흐름을 어떻게 차단하고 저장하느냐에 따라 달라진다. 따라서 지하댐에 의해 증가한 취수량은 단순히 새로운 지하수 개발량으로만 해석되기 어렵다. 그 수량이 충적층 지하수 흐름의 차단에 의해 공급되는지 또는 기존 복류수 흐름의 차단에 의해 확보되는지에 따라 수자원 확보 효과의 의미와 법적 성격이 달라질 수 있다.

수자원 확보 측면에서는 차수벽 설치 후 상류부 저류량과 취수시설 공급량이 증가하는지가 중요하다. 그러나 법적·제도적 측면에서는 그 증가분이 하천유량 감소, 하류부 지하수위 저하, 기존 하천수 또는 지하수 이용자에 대한 영향으로 이어지는지도 함께 평가되어야 한다. 특히 국내 법체계에서는 복류수가 하천수로 분류되므로, 지하댐의 취수가 하천수 사용에 해당하는지, 하천수 사용허가와 지하수개발·이용허가가 어떻게 조정되어야 하는지가 중요한 쟁점이 된다. 이러한 판단은 지하댐 설치와 취수로 인해 하천수, 복류수, 기저유출, 대수층 저류량 중 어느 성분이 변화하는지를 구분하는 문제와 직접 연결된다.

다만 국내 제도는 별도의 난점을 안고 있다. 「하천법」은 복류수를 하천수로 포함하고, 「지하수법」은 하천 인근 지하수 개발에 하천관리청 협의를 요구한다. 이 두 규율은 서로 보완적일 수 있지만, 동시에 하천수와 지하수의 경계에서 관할 중첩과 이중규제 문제를 발생시킬 수 있다. 2018년 물관리 일원화 이후 지표수와 지하수가 행정적으로는 단일 부처 아래 통합되었지만, 법률 체계 안에서는 여전히 하천수와 지하수가 별개의 규율 체계로 남아 있다.

결국 하천변 지하수 개발의 법적 쟁점은 하천영향 지하수를 어떻게 판정할 것인가의 문제로 귀결된다. 복류수는 「하천법」상 하천수에 포함되지만, 하천변 대수층에서 취수되는 지하수가 어느 범위까지 하천수와 수리적으로 연결되어 있으며, 그 취수가 하천유량에 어느 정도 영향을 미치는지는 별도의 수리지질학적 판단이 필요하다. 이 판정에 따라 취수 허가, 수리권 배분, 하천영향 평가, 기존 이용자 보호의 기준이 달라진다.

지하댐의 경우에는 이 문제가 더 복잡하다. 지하댐은 차수벽 설치를 통해 지하수 흐름 경로와 저류 조건을 변화시키고, 차수벽 상류부의 지하수 저류량을 증가시키기 때문이다. 따라서 지하댐에 의해 확보되는 추가 수량이 하류로 유출되던 지하수 흐름의 지연 또는 포획인지, 하천-대수층 교환량 변화에 따른 결과인지를 구분하여 평가해야 한다. 이러한 점에서 지하댐은 하천수와 지하수의 경계에서 새로운 법·제도적 해석이 요구되는 수자원 개발 방식이라고 할 수 있다.

3.4. 위치 기반 규율의 한계와 포획 기반 평가의 필요성

앞 절에서 검토한 국내의 하천구역 300 m 기준과 애리조나의 subflow 구역은 서로 다른 제도이지만, 공통적으로 취수시설의 위치를 하천영향 판단의 중요한 기준으로 삼는다. 국내 제도는 하천구역 경계로부터의 거리를 기준으로 하천 인근 지하수 개발을 관리하고, 애리조나 subflow 법리는 포화 범람원 홀로세 충적층이라는 지질학적 구역 안팎의 위치를 기준으로 취수의 법적 성격을 판단한다. 이러한 위치 기반 규율은 행정적으로 명확한 장점이 있지만, 하천고갈(stream depletion) 이론의 관점에서는 본질적인 한계를 가진다. 여기서 하천고갈은 지하수 양수로 인해 하천유량이 감소하는 과정을 뜻한다. 즉 양수로 인해 하천으로 유입되던 지하수 기저유출이 줄어들거나, 반대로 하천수가 대수층으로 유도되어 하천유량이 감소하는 현상을 포괄한다.

지하수 양수가 하천유량에 미치는 영향의 핵심은 우물의 위치 자체보다, 양수로 인해 유역 물수지의 어느 항목이 얼마나 변화하는가에 있다. 정상 상태의 대수층 물수지에서 양수량은 반드시 어딘가에서 충당되어야 한다. 양수에 의해 추가적인 함양이 유도되지 않는 한, 지속적인 양수는 결국 대수층에서 빠져나가던 자연 유출의 감소로 보상된다. 하천과 연결된 충적대수층에서 이 자연 유출의 중요한 부분은 하천으로 공급되는 기저유출이다. 따라서 장기간 지속되는 양수는 궁극적으로 하천 기저유량의 감소 또는 하천수의 대수층 유입 증가로 이어진다. 이것이 Theis (1941)가 제시한 포획(capture)의 기본 개념이며, Bredehoeft (2002)가 지하수 관리에서 다시 강조한 핵심이다.

이 원리에 따르면 하천변 우물에서 나타나는 유도함양(induced recharge)과 기저유출 감소는 서로 다른 현상처럼 보이지만, 장기 물수지 관점에서는 우물 포획 과정의 다른 표현이다. 우물이 하천에 가까우면 하천수가 대수층으로 유도되어 양수량의 일부를 충당할 수 있다. 반대로 우물이 하천에서 떨어져 있더라도, 양수는 본래 하천으로 기저유출될 물을 중간에서 포획할 수 있다. 전자는 하천수의 직접 유도이고, 후자는 기저유출의 차단이다. 그러나 두 경우 모두 장기적으로는 하천유량을 감소시킨다.

취수시설의 위치가 의미 없다는 뜻은 아니다. 위치는 하천영향의 발생 여부보다 그 영향이 언제 나타나는가를 좌우한다. 하천에서 가까운 우물은 양수 개시 후 비교적 짧은 시간 안에 하천고갈을 유발하지만, 하천에서 먼 우물은 초기에는 주로 대수층 저류량을 감소시키고 하천유량 감소는 지연되어 나타난다. Glover and Balmer (1954)와 Jenkins (1968)의 하천고갈 해석해는 이러한 시간 지연 효과를 잘 보여 준다. 하천고갈인자(stream depletion factor, SDF)는 양수 영향이 하천유량 감소로 나타나는 데 걸리는 시간 규모를 표현하는 변수이다. SDF는 우물과 하천 사이의 거리, 대수층 저류계수, 투수량계수에 의해 결정되며, 특히 거리의 제곱에 비례하므로 우물이 하천에서 멀어질수록 하천고갈의 발현 시점은 급격히 늦어진다. 그러나 거리는 하천영향의 시점을 지연시킬 뿐, 장기적인 포획 발생 여부 자체를 결정하지는 않는다.

국내 하천변 대수층 조건에서도 이러한 시간 지연 효과가 연구된 바 있다. Lee et al. (2016)은 국내 수변지역 충적대수층을 단순화한 지하수흐름모델을 이용하여 계절양수가 하천고갈에 미치는 영향을 분석하고, 하천고갈이 SDF와 하상 퇴적층 전도계수에 따라 크게 달라짐을 보였다. 특히 SDF가 큰 경우에는 양수에 따른 하천유량 감소가 지연되어 나타나고, 양수 중단 이후에도 그 영향이 장기간 지속될 수 있음을 제시하였다. 이는 하천영향 평가에서 단순한 이격거리 기준보다 대수층의 수리특성, 하천-대수층 연결성, 양수 시기와 기간을 함께 고려해야 함을 보여 준다.

이러한 하천고갈 이론과 관련 연구들은 국내 300 m 기준이 실제 하천영향을 판정하는 기준으로는 충분하지 않음을 보여 준다. 300 m 밖의 우물이라도 투수량계수가 크고 저류계수가 작은 충적대수층에서는 비교적 짧은 시간 안에 하천유량에 영향을 줄 수 있다. 반대로 300 m 이내의 우물이라도 저투수성 대수층에 위치하거나 하상 수리저항이 큰 경우에는 하천고갈이 매우 느리게 나타나거나 제한적일 수 있다.

Chung et al. (2017)은 안성천 유역을 대상으로 하천으로부터의 이격거리별 지하수 관정과 취수계획량을 분석하고, 하천 인근 지하수 이용량이 상당하며 특히 신고관정의 비중이 높아 허가관정 중심의 관리만으로는 하천수량 영향을 충분히 관리하기 어렵다고 지적하였다. 이 연구는 300 m 기준이 하천 인근 지하수 이용 현황을 파악하는 행정적 기준으로는 유용하지만, 실제 하천영향을 평가하기 위해서는 보다 정량적인 분석과 유역 단위 관리가 필요함을 보여 준다.

애리조나의 subflow 법리는 단순 거리 기준 대신 포화 범람원 홀로세 충적층이라는 지질학적 대리지표를 채택함으로써 하천과 연결된 지하 흐름의 범위를 보다 현장 기반으로 정의하려 하였다. 이는 국내의 300 m 기준보다 수리지질학적 실체에 가까운 접근이다. 그러나 이 역시 기본적으로는 우물이 어느 구역 안에 있는가를 기준으로 삼는다는 점에서 위치 기반 규율의 한계를 가진다. 실제 하천영향은 취수시설이 subflow 구역 안에 있는지 여부만으로 결정되지 않는다.

따라서 하천변 지하수 개발의 평가는 ‘어디서 취수하는가’에서 ‘무엇을 얼마나 포획하는가’로 전환될 필요가 있다. 양수가 하천유량에 미치는 영향을 평가하려면 취수시설의 위치뿐 아니라, 양수로 인해 하천수 유입이 얼마나 증가하는지, 기저유출이 얼마나 감소하는지, 대수층 저류량이 얼마나 변화하는지, 그 영향이 시간적으로 어떻게 발현되는지를 분석해야 한다. 이는 개별 취수시설의 위치 문제가 아니라 유역 전체 물수지와 포획 구조의 문제이다. 이러한 관점은 지표수와 지하수를 단일 자원으로 보는 통합 수자원 관리의 출발점과 일치한다. Winter et al. (1998)이 강조한 것처럼 지표수와 지하수는 별개의 자원이 아니라 하나의 물순환계 안에서 상호작용하는 단일 자원이다. Barlow and Leake (2012)가 하천고갈과 포획 개념을 지하수 관리의 중심에 둔 것도 같은 이유이다.

이 지점에서 지표수-지하수 연계 모델의 역할이 분명해진다. 연계 모델은 취수시설의 위치, 양수량, 양수 기간, 대수층의 수리특성, 하천수위, 하상 전도계수, 함양의 계절성을 함께 반영하여 포획과 하천고갈을 시공간적으로 정량화할 수 있다. 이를 통해 고정 거리 기준만으로 판단하기 어려운 문제, 즉 지하수 취수가 하천수 유입 증가, 기저유출 감소, 대수층 저류량 변화 중 어느 항목을 통해 충당되는지, 그리고 그 영향이 언제 어느 정도의 하천유량 감소로 나타나는지를 평가할 수 있다. 따라서 지표수-지하수 연계 모델은 하천변 지하수 개발의 하천영향을 과학적으로 검토하고, 허가 및 관리 판단을 뒷받침하는 핵심 도구가 될 수 있다.

지하댐의 효용성 평가도 이 틀 안에서 이루어져야 한다. 지하댐은 차수벽과 취수시설을 통해 하천-대수층 시스템의 포획 구조를 변화시키는 시설이다. 차수벽은 하류로 유출되던 복류수 또는 충적층 지하수 흐름을 지연·저류시키고, 취수시설은 그 물을 용수로 전환한다. 따라서 지하댐의 효과는 차수벽 상류부 저류량이 얼마나 증가했는가만으로 평가될 수 없다. 그 저류량 증가가 하천수 유입 증가에 의한 것인지, 하류 방향 기저유출 감소에 의한 것인지, 대수층 저류량의 시간적 재배분에 의한 것인지, 그리고 그 결과 하천과 기존 이용자에게 어떤 영향을 주는지를 함께 평가해야 한다.

결국 국내의 300 m 기준이나 애리조나의 subflow 구역은 하천과 지하수의 연결 가능성을 제도적으로 규정하려는 시도이지만, 실제 영향의 크기와 시간적 발현은 현장 수리지질 조건과 취수 운영에 의해 결정된다. 따라서 지하댐의 개발가능량과 효용성 평가는 위치 기반 판정을 보완하여, 유역 단위의 포획과 하천고갈을 정량적으로 평가하는 방향으로 나아가야 한다. 이는 기술적으로는 지표수-지하수 연계 모델링의 문제이고, 제도적으로는 지표수와 지하수를 하나의 자원으로 관리하는 통합 수자원 관리의 문제이다.

4. 토의 및 결론

지하댐을 설치하는 가장 중요한 목적은 안정적인 수자원 확보이다. 이 목적은 대수층에 더 많은 물을 저장하는 것만으로 달성되지 않는다. 저류량 증가는 지하댐 효과를 보여 주는 하나의 지표일 뿐, 그 자체가 곧바로 개발가능량을 의미하는 것은 아니다. 따라서 지하댐의 효용성 평가는 ‘저장된 물’과 ‘이용 가능한 물’의 개념적 구분에서 출발해야 한다. 개발가능량은 지하댐 설치로 확보되는 수량이 필요한 시기에 취수시설을 통해 안정적으로 공급될 수 있고, 그 과정에서 하천과 대수층 및 기존 이용자에게 미치는 영향이 허용 가능한 범위 안에 있을 때 성립한다. 즉, 지하댐의 효용성은 저류량 증가 자체가 아니라, 확보된 수량이 실제 공급 능력으로 전환될 수 있는지를 중심으로 평가되어야 한다.

이러한 공급 능력은 지하댐 설치 후 하천-대수층 시스템이 어떻게 반응하는지에 의해 결정된다. 지하댐은 단순한 지하 차수구조물이 아니라, 차수벽, 취수시설, 하천, 대수층이 결합된 수문·수리 시스템으로 이해되어야 한다. 차수벽은 하류로 이동하던 지하수 흐름을 지연시키고 차수벽 상류부의 저류 조건을 변화시키며, 취수시설은 그 흐름의 일부를 용수로 전환한다. 이 과정에서 지하수위, 하천-대수층 교환량, 하천유량, 기존 이용자의 물 이용 조건도 함께 달라질 수 있다.

수치모델링은 이러한 변화를 정량적으로 평가하기 위한 핵심 도구가 될 수 있다. 지하댐 설치 효과를 평가하기 위해서는 지하수위와 저류량 변화, 취수시설의 공급 가능량, 하천수위와 하천유량, 하천의 건천화 여부, 하천-대수층 교환량의 시간적 변화를 함께 검토해야 한다. 특히 갈수기와 가뭄 시기에 취수량이 안정적으로 유지될 수 있는지, 그리고 그 과정에서 하천과 대수층에 미치는 영향이 허용 가능한 범위 안에 있는지를 평가하는 것이 중요하다.

MODFLOW는 지하댐 효용성 평가의 기초가 되는 지하수위와 저류량 변화를 모의할 수 있는 기본 모델이 될 수 있다. 그러나 하천-대수층 시스템을 시간에 따라 변화하는 동적 시스템으로 해석하기 위해서는 하천수위와 하천유량, 유역 유출, 지하수 흐름을 함께 고려할 수 있는 지표수-지하수 통합 모델이 필요하다. MODFLOW에 SWAT과 같은 유역 물수지모델과 HEC-RAS와 같은 하도 수리모델을 연계하는 접근은 이러한 통합 평가를 위한 유용한 방법이 될 수 있다. 다만 실제 적용을 위해서는 모델 간 시간 간격의 일치, 공간 단위의 변환, 경계조건의 전달, 양방향 연계 방식 등에 대한 기술적 검토가 함께 이루어져야 한다.

한편, 지하댐 개발은 법·제도적 측면에서도 중요한 쟁점을 제기한다. 국내 제도는 복류수를 하천수에 포함하고, 하천구역 경계로부터 300 m 이내의 지하수 개발을 하천관리청 협의 대상으로 규정하고 있다. 이는 하천 인근 지하수 개발이 하천수와 수리적으로 연결될 수 있다는 점을 반영한 것이다. 그러나 고정된 거리 기준만으로 실제 하천영향의 유무와 규모를 판단하기는 어렵다. 지하수 개발이 하천에 미치는 영향은 취수시설의 위치뿐 아니라 대수층의 수리특성, 하천-대수층 연결성, 하천수위와 지하수위의 관계, 양수량과 양수 기간 등 복합적인 요인에 의해 결정되기 때문이다.

지하댐의 경우 이러한 법·제도적 쟁점은 더욱 복잡해진다. 일반적인 하천변 지하수 개발이 기존 하천-대수층 시스템 안에서 취수시설의 위치와 양수에 따른 포획 및 하천고갈 문제를 제기한다면, 지하댐은 차수벽 설치를 통해 하류로 이동하던 지하수 흐름을 차단하거나 지연시키고, 차수벽 상류부의 지하수위와 저류량, 하천-대수층 교환 조건, 하류부 기저유출 조건을 변화시킨다. 이 때문에 지하댐에 의해 확보되는 지하수량이 실질적 신규 수자원인지 여부가 핵심 쟁점이 된다. 확보된 수량이 차수벽 상류부 대수층의 저류량 증가에 따른 것인지, 기존 지하수 흐름의 지연 또는 포획에 의한 것인지, 하천수 유입 증가나 기저유출 감소에 따른 것인지에 따라 그 법적 성격과 하천영향 판단이 달라질 수 있기 때문이다. 따라서 모델링 평가는 지하댐의 기술적 효용성 판단에 그치지 않고, 하천변 지하수 이용과 관련된 법·제도적 판단에도 직접 연결된다.

결론적으로, 지하댐의 효용성은 변화된 하천-대수층 시스템 안에서 실제 취수시설을 통해 지속적으로 공급할 수 있는 수량을 기준으로 평가되어야 한다. 특히 물 부족 시기의 공급 안정성, 하천유량 및 지하수위 변화, 기존 지하수 이용시설에 미치는 영향 등을 함께 검토할 필요가 있다. 또한 지하댐에서 확보되는 수량이 실질적 신규 수자원인지, 또는 기존 하천수와 지하수 흐름의 재배분에 따른 것인지를 구분하기 위해서는 저류량 변화, 취수 가능량, 하천-대수층 교환량, 포획량 및 하천고갈량 등에 대한 정량적 평가가 필요하다. 법·제도적 측면에서는 하천 인근 지하수 개발에 대한 고정 거리 기준의 한계를 재검토하여 보완하고, 특히 지하댐과 같이 지하수 흐름과 저류 조건을 인위적으로 변화시키는 사업에 대해서는 확보 수량의 성격과 하천 및 대수층에 미치는 영향이 함께 고려될 수 있도록 정량적 영향 평가 체계를 조속히 마련해야 한다. 결국 지하댐은 지표수와 지하수를 하나의 연결된 자원으로 다루는 통합 수자원 관리 체계 안에서 계획되고 평가될 때 그 효용성을 제대로 판단할 수 있다.