Joint water-supply and hydropower management in a capacity-depleted multipurpose reservoir: the two-input AD-2I–WE model for Akhangaran

저수지는 문명의 거대한 저장 탱크로서, 산맥에서 내려오는 계절적인 강물의 급류를 막아두었다가 들판이 메마르고 도시가 목말라할 때 물을 천천히 방출하는 역할을 합니다. 하지만 이 탱크에는 숨겨진 적이 있습니다. 바로 침전물입니다. 수십 년에 걸쳐 강이 실어 나르는 모래와 진흙이 바닥에 가라앉으면서, 마치 탱크의 바닥부터 차곡차곡 채우듯 서서히 용량을 줄여갑니다. 퇴적이라고 알려진 이 과정은 단순히 저수지가 보유할 수 있는 총 수량을 줄이는 데 그치지 않고, 그 물을 관리하는 근본적인 규칙까지 변화시킵니다. 한때 가득 찼던 상태를 의미했던 수위가 이제는 거의 비어 있는 상태를 의미할 수도 있으며, 물을 방출하는 시점은 농작물을 살리는 일과 전력을 생산하는 일 사이의 섬세한 균형 잡기가 됩니다. 봄에는 눈이 녹은 물이 강을 채우지만 여름의 뜨거운 열기 속에 농부들이 물을 가장 필요로 하는 중앙아시아에서, 이러한 균형은 매우 결정적입니다. 저장 용량이 줄어들면, 습한 계기에서 건조한 계기로 물을 옮겨 담는 능력이 약화되어 식량 안보와 전력 생산 모두를 위협하게 됩니다.

우즈베키스탄의 TIIAME 국립 연구 대학교 연구진은 관개 용수를 공급하고 수력 발전을 담당하는 타슈켄트 인근의 핵심 시설인 아항가란(Akhangaran) 저수지 문제를 해결하기 위해 나섰습니다. 연구진은 수십 년간의 수중 조사 데이터와 일일 수위 및 전력 생산 기록을 결합하여, 저수지의 축소되는 크기에 적응할 수 있는 새로운 관리 방식을 개발했습니다. 이 연구는 저수지가 1970년대 이후 상당한 부분의 용량을 상실했음을 밝혀냈으며, 이로 인해 운영자들은 계절에 따라 물을 이동시키는 방식을 재고해야 하는 상황에 직면했음을 보여줍니다. 연구팀은 두 가지 주요 입력값, 즉 현재 탱크에 있는 물의 양과 매년 농부들이 필요로 하는 물의 주문량을 사용하는 유연한 의사결정 모델을 만들었습니다. 이 접근 방식은 시스템이 안전과 용수 공급을 최우선으로 고려하면서도, 용수 공급을 해치지 않고 더 많은 전기를 생산할 수 있는 방법을 찾도록 해줍니다.

아항가란 저수지의 역사는 명확하고도 우려스러운 추세를 보여줍니다. 1972년과 2022년 사이, 정상 수위에서 저수지가 보유할 수 있는 총 부피는 1억 9,770만 입방미터에서 1억 6,940만 입방미터로 감소했습니다. 이는 2,830만 입방미터, 즉 원래 용량의 약 14%를 잃은 것입니다. 이러한 손실 속도는 최근 몇 년간 가속화되었는데, 전체 손실액의 거의 3분의 2가 2006년과 2022년 사이에 발생했습니다. 이러한 감소는 건조한 여름 동안 사용할 봄철 눈 녹은 물을 저장할 수 있는 물리적 완충 공간이 크게 줄어들었음을 의미합니다. 연구진이 2020년에서 2025년 사이의 실제 저수지 운영 방식을 살펴보았을 때, 저수지의 과거 더 컸던 규모를 기준으로 했던 기존 규칙들이 더 이상 효과적으로 작동하지 않는다는 것을 발견했습니다. 기존 방식 아래에서는 측정된 기간 중 약 30%의 시간 동안 물 수요를 충족하지 못했으며, 특히 관개가 가장 필요한 7월, 8월, 9월에 부족 현상이 가장 심각했습니다.

이를 해결하기 위해 연구진은 세 가지 다른 관리 전략을 테스트했습니다. 첫 번째는 현재 저수지가 어떻게 운영되고 있는지 관찰하여 어디에서 실패하는지 확인하는 것이었습니다. 두 번째는 여름 동안 어떤 일이 일어나든 관계없이 매년 말에 탱크에 특정 양의 물이 남아 있도록 보장하려는 경직된 접근 방식이었습니다. 세 번째는 연구진의 새로운 적응형 모델로, 이는 연중 저수지가 위험할 정도로 낮은 수준으로 떨어지지 않도록 엄격한 안전 하한선을 설정하는 동시에, 현재 상황에 따라 방출되는 물의 양을 조절하는 방식입니다. 경직된 연말 목표 방식은 초기에 너무 많은 물을 가둬두게 만들어 결정적인 여름철에 물 부족을 초래했기 때문에 실패했습니다. 그러나 새로운 적응형 모델은 항상 1,500만 입방미터의 안전 완충량을 유지하는 데 성공했습니다. 이를 통해 이 모델은 용수 공급의 신뢰성을 약 6% 개선했으며, 현재 운영 방식과 비교했을 때 물 부족 총량을 약 21% 줄였습니다.

연구의 핵심 발견 중 하나는 물 방출의 타이밍을 관리함으로써 추가적인 물 사용 없이도 전력 생산을 크게 높일 수 있다는 점입니다. 수력 발전은 터빈을 통과하는 물의 양뿐만 아니라 터빈 위의 수위에도 의존합니다. 즉, 더 높은 수위에서 방출되는 물은 더 많은 전력을 생성합니다. 연구진은 물을 방출하는 시점을 저수지가 더 가득 차 있고 수압이 더 높을 때로 옮김으로써, 표준 일정 대비 연간 에너지 생산량을 거의 34% 증가시킬 수 있음을 발견했습니다. 이 증가는 더 많은 물을 소비하거나 용수 공급의 안전성을 낮추는 것이 아니라, 오로지 더 나은 타이밍 조절을 통해 얻어진 결과였습니다. 이러한 개선에도 불구하고, 이 모델은 최근 관찰된 실제 에너지 생산량보다는 적은 에너지를 생산했는데, 이는 실제 운영이 예측하기 어려운 조건을 활용하고 있거나 모델이 완전히 포착하지 못하는 방식으로 터빈의 물리적 한계까지 밀어붙이고 있음을 시사합니다.

또한 이 연구는 어떤 뛰어난 관리로도 해결할 수 없는 구조적 한계를 강조했습니다. 유입량이 이례적으로 많았던 2022년, 저수지는 6,300만 입방미터의 물을 넘쳐 흐르게(spill) 해야 했습니다. 이 범람은 모델이 기상 조건과 수위를 미리 완벽하게 알고 있었음에도 발생했습니다. 원인은 저수지의 감소된 저장 용량과 터빈의 물리적 한계가 결합된 것이었는데, 물이 들어오는 속도가 터빈이 처리할 수 있는 양보다 빠르고 탱크가 이미 가득 찼을 때 초과분이 배출되어야 했기 때문입니다. 이 결과는 하드웨어 인프라의 제약을 지적합니다. 즉, 현재의 장비는 풍수기에 발생하는 전체 유량을 감당할 수 없으며, 이로 인해 전력 생산이나 추후 저장을 위해 사용할 수 있는 물이 낭비되고 있습니다.

연구진은 또한 관개 용수 수요가 증가할 경우 시스템이 어떻게 반응할지도 테스트했습니다. 그들은 관개 용수 요구량을 늘린다고 해서 전력 생산이 유의미하게 늘어나지는 않는다는 것을 발견했습니다. 관개 주문량이 2억 8,000만 입방미터에서 3억 5,000만 입방미터로 높아졌을 때, 생성된 에너지 양은 거의 동일하게 유지된 반면, 충족되지 못한 물 수요량은 급격히 증가했습니다. 이는 단순히 더 많은 물을 요구한다고 해서 시스템이 더 효율적이 되는 것이 아니라, 오히려 필요한 양과 실제로 전달될 수 있는 양 사이의 간극을 키울 뿐이라는 것을 나타냅니다. 연구는 가장 효과적인 길은 관개 주문을 반드시 지켜야 할 고정된 약속이 아니라, 실제 가용 가능한 수량에 따라 조정할 수 있는 유연한 목표로 취급하는 것이라고 결론짓습니다.

궁극적으로 이 작업은 저수지의 용량이 상당 부분 줄어든 상황에서 과거의 규칙은 더 이상 적용되지 않는다는 것을 보여줍니다. 해결책은 시스템이 여전히 가득 차 있는 것처럼 행동하도록 강요하는 것이 아니라, 관리 전략을 새로운 현실에 맞게 적응시키는 것입니다. 현재의 수위와 계절별 특수성을 끊임없이 점검하는 모델을 사용함으로써, 운영자는 용수 공급을 보호하고 위험한 저수위를 피하면서도 더 많은 전력을 생산할 기회를 찾을 수 있습니다. 이 연구는 줄어드는 자원을 관리하는 명확한 로드맵을 제공하며, 적절한 접근 방식이 있다면 물리적 환경이 변하더라도 농민과 전력망을 위한 보안을 유지할 수 있음을 보여줍니다. 연구 결과는 아항가란 저수지의 다음 단계가 현재의 규모를 반영하여 운영 규칙을 업데이트하고, 현재 대규모 범람을 일으키는 높은 유량을 처리할 수 있도록 터빈을 업그레이드하는 것을 고려해야 함을 시사합니다.