Journal of Korea Water Resources Association ISSN:2799-8746(Print) 2799-8754(Online) 한국수자원학회 논문집

최근 기후 변화로 인해 홍수 발생 빈도와 강도가 증가함에 따라, 홍수기 유량 측정의 중요성이 강조되고 있다. 특히 고수위 조건에서는 접촉식 유량 측정이 어려워 비접촉식 기술, 그중에서도 전자파표면유속계(Surface Velocity Radar, SVR)를 이용한 표면유속 기반 측정이 주목받고 있다. 그러나 표면유속으로부터 평균유속을 환산하기 위해서는 신뢰성 있는 평균유속환산계수(Velocity Index, α)의 적용이 필수적이며, 하천 특성에 따라 α값이 크게 달라질 수 있다는 점에서 환산계수의 정밀한 산정이 요구된다. 본 연구에서는 낙동강 제1지류인 위천의 5개 지점을 대상으로, ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler)와 SVR를 이용해 다양한 수위 조건에서 유속을 측정하고, 세 가지 기법(대수 법칙, 멱함수 법칙, 표면유속–평균유속 직접 비교)을 통해 평균유속환산계수를 산정하였다. 분석 결과, α값은 지점별, 방법별로 0.76에서 1.20까지 분포하였으며, 조도, 하상재료, 유속 분포 특성에 따라 상이한 값을 나타냈다. 특히 SVR과 ADCP를 동일 위치에서 비교 측정한 결과, 결정계수 기반 최적화 분석을 통해 각 지점의 α를 정량적으로 도출할 수 있었으며, 단순 고정값(0.85)을 적용할 경우 최대 40% 이상의 유량 산정 오차가 발생할 수 있음이 확인되었다. 또한, 산정된 환산계수를 기준으로 유량을 계산한 결과, 수위–유량관계곡선의 형상에도 유의미한 영향이 나타났으며, 이는 장기 수문자료 구축 및 홍수량 산정 시 오차를 유발할 수 있음을 시사한다. 본 연구는 다양한 하천 조건에 따라 변화하는 평균유속환산계수의 특성을 정량적으로 분석하고, 비접촉식 유량 측정의 정확도 향상을 위한 환산계수 적용 방안을 제시하였다는 점에서 의의가 있다.

식생은 하천 내 흐름 구조와 혼합 특성 변화에 영향을 미치며, 특히 식생의 형태는 복잡한 난류 흐름 구조를 일으킬 수 있다. 본 연구에서는 가지가 없는 식생 모형(Type I)과 가지가 포함된 식생 모형(Type II)을 이용하여, 침수 식생 흐름 조건에서 가지 구조가 난류 및 혼합 특성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. Type II 식생에서는 식생 상단의 경계층에서 급격한 유속 변화가 나타났으며, 이로 인해 momentum thickness가 더 얇게 형성되어 자유 흐름에서 식생 내부로의 운동량 전달이 제한되는 경향을 보였다. 또한, 가지에 의해 유도된 소규모 와류로 인해 Type II에서 난류 운동에너지 및 Reynolds 응력이 증가한 반면, 식생 상단에서의 shear production은 Type I에서 더 크게 나타났다. 이는 가지 구조에서 발생한 난류가 전단 흐름에 의해 생성되는 난류를 부분적으로 대체하고 있음을 시사하며, 결과적으로 Type II 식생에서는 coherent vortex structure가 식생 상단에서 소멸되는 영역이 나타났다. 이러한 난류 구조의 변화는 난류확산계수의 공간적 분포에도 영향을 미쳐, Type II 식생에서는 연직 방향 난류확산이 식생 상단에서 Type I 대비 약 70% 수준으로 감소하였다. 또한, 횡 방향 대 연직 방향 난류확산계수의 비가 식생 내부에서 더 크게 나타나, 가지가 존재할 경우 오염물질 및 부유사의 횡 방향 혼합이 연직 방향 혼합보다 더 활발하게 이루어질 수 있음을 보여준다.

본 연구에서는 상수도관의 매설 경과년수 증가에 따른 피해도를 정량적으로 평가하기 위해 누적피해도 산정 모형의 보정계수와 사용한계를 체계적으로 도출하고 이를 통해 모형을 고도화하였다. 또한 고도화된 모형을 실제 상수도관망에 적용하여 누적피해도를 분석하였다. 매설 경과년수가 20년인 상수도관이 50년 경과했을 때 누적피해도가 1이 도달하도록 보정계수를 결정하였으며 사용한계는 매설 경과년수가 20년에 도달한 상수도관이 앞으로 30년 경과하였을 때 누적피해도 값을 사용한계로 결정하였다. 이후 실제 상수도관의 직접평가법 결과와 누적피해도 분석 모형을 적용한 상태평가법 분석 결과의 비교를 통해 일치도가 가장 높은 보정계수를 최종 보정계수로 결정하여 모형의 신뢰성을 확보하였다. 청주시 내덕2동 상수도관망에 적용하여 개별 상수도관의 누적피해도를 분석한 결과, 매설 경과년수가 12년 경과하였을 경우 6번 상수도관에서 가장 먼저 사용한계에 도달하였다. 그리고 매설 경과년수가 31년 경과하였을 경우 15번 상수도관에서 가장 늦게 사용한계에 도달하였다. 분석 결과, 상수도관의 누적피해도는 매설연수뿐 아니라 수압, 관두께 등 다양한 요인의 영향을 받는 것으로 나타났으며 본 연구에서 고도화한 모형은 매설 경과년수 증가에 따른 누적피해도를 정량적으로 분석할 수 있음을 검증하였다.

최근 기후 변화로 인한 국지성 집중호우의 빈도 증가로 소하천에서의 홍수 발생 및 피해가 심화되고 있으나, 지형적 특성상 짧은 시간 내 수위와 유량이 급변하여 수치모형에 기반한 기존의 홍수 예측 시스템으로는 정밀한 대응이 어려운 실정이다. 본 연구는 소하천의 수문·수리학적 특성을 반영한 실시간 예측 기법을 제안하고, 이를 위해 행정안전부의 스마트 계측관리 시스템과 기상청의 방재기상관측장비, MAPLE 예측 강우 데이터를 연계한 데이터 기반 예측모형을 개발하였다. 연구에서는 4변수 비선형 노모그래프와 Manning 방정식을 활용하여 미계측 구간에서도 홍수위를 예측할 수 있도록 하였으며, 조도계수의 실시간 최적화를 통해 예측의 정확성과 안정성을 확보하였다. 제안된 예측모형을 9개 시범 소하천에 적용한 결과 실제 수위 자료와 높은 상관성을 보였고, 제방고를 초과하는 범람이 나타나지 않아 신뢰성 있는 결과를 도출하였다. 본 연구는 실측 기반 융합모델을 통한 선제적 대응 역량을 제고함으로써, 향후 소하천뿐 아니라 다양한 중소하천의 재해예방 및 실시간 홍수 예·경보 체계 구축에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

기후변화와 도시화로 인해 하천 및 호소의 수위와 담수량 변화를 정밀하게 모니터링할 수 있는 기술의 중요성이 증대되고 있다. 그러나 기존 지상 관측망은 공간적 제약으로 인해 대규모 유역이나 접근이 어려운 하천 구간에서 안정적인 수문 정보를 확보하는 데 한계가 있다. 이러한 문제를 보완하기 위해 2022년 발사된 SWOT (Surface Water and Ocean Topography) 위성은 세계 최초로 고해상도의 수면고도(WSE)와 수면폭 정보를 제공하여 광역 담수 수계의 정량적 관측을 가능하게 한다. 본 연구는 국내 최초로 SWOT 위성에서 산출된 WSE 자료와 CAD 기반 지형 자료를 결합하여 낙동강-금호강 합류부 구간의 수위 변화를 정량적으로 분석하고, 수위-담수량(stage-volume) 관계곡선을 구축하였다. 분석 과정에서 기본적인 품질 관리 절차를 거쳐 SWOT 수위 자료의 신뢰성을 확보하였으며, DEM-WSE 차를 활용한 GIS 기반 Cut/Fill 계산으로 담수면적과 체적을 산정하였다. SWOT 기반 수위는 지상 수위관측소와 비교하여 MAPE 1.68%, PBIAS 1.53%의 높은 정확도를 보였고, 수위-담수량 회귀모형은 R²=0.959로 우수한 설명력을 확보하였다. 본 연구의 의의는 SWOT 위성의 수위 정보와 고해상도 지형자료만으로 하천 담수량을 산정할 수 있음을 국내에서 처음으로 실증했다는 점에 있다. 이를 통해 지상 관측소가 부족하거나 부재한 구간에서도 신뢰성 있는 수위-저수량 관계 구축이 가능함을 보였으며, 이는 기존 지상 기반 관측체계를 보완하는 위성 수문학적 접근의 잠재력을 제시한다.

최근 기후변화와 도시화로 인해 물 순환의 불확실성이 커지면서, 유역의 수문학적 특성을 파악하는 핵심 도구인 물수지 분석의 중요성이 부각되고 있다. 본 연구는 기존의 수문 모형 기반 분석이 가진 불확실성을 극복하기 위해 실측 기반 물수지 분석의 이점에 주목했다. 특히 환경부의 에디공분산 기반 증발산량 자료를 중심으로 강수, 유출, 토양수분을 연계한 유역 단위 물수지 분석을 수행하고, Budyko 프레임워크를 적용하여 유역의 장기적인 수문 반응을 정량적으로 평가했다. 연구 결과, 13개 관측소의 물수지 폐합률은 5 - 10% 이내로 나타나 실측 자료의 높은 신뢰성을 확인했으며, 인위적인 물 공급(관개)의 영향을 감지할 수 있음을 입증했다. 이러한 결과는 향후 지하수, 적설 등 다양한 수문 요소를 포함한 분석과 지역 맞춤형 물 관리 전략 수립에 활용될 수 있는 가능성을 제시한다.

지하수는 지표수와 함께 다양한 용수로 사용할 수 있는 수자원이며, 제주도의 경우 지하수는 필수불가결한 수자원이므로 지속가능한 지하수 이용을 위해 가능한 먼 미래의 정확한 지하수위 예측 및 관리가 필요하다. 본 연구에서는 제주도 내 표선유역 중산간지역에 위치한 2개 지하수위 관측정에 대해 정확한 장기간(1~3개월) 미래 월단위 지하수위 예측을 위해 3개 인공지능(LSTM, GRU, ANN) 모델을 사용하여 지하수위를 예측하고, 앙상블 모델을 사용하여 지하수위 예측 개선효과를 전체 데이터 기간과 낮은 지하수위 기간(11~5월)에 대해 분석하였다. 그 결과, 전체 데이터 기간에 대해 인공지능 모델과 앙상블 모델은 1~3개월 미래 지하수위를 적절히 예측하였으며, 앙상블 모델은 개별 인공지능 모델보다 높은 예측성능을 나타냈다. 3개 인공지능 모델의 지하수위 예측성능의 우열은 관측정별로 그리고 미래 예측기간별로 서로 달라 특정 인공지능 모델이 항상 가장 높은 지하수위 예측성능을 나타내지 않았으며, 따라서 더욱 개선된 지하수위 예측을 위해서는 서로 다른 인공지능 모델의 결과를 활용하는 앙상블 모델이 필요하다. 낮은 지하수위 기간에 대한 지하수위 예측성능은 전체 데이터 기간에 대한 결과보다 높았으며, 이것은 인공지능 모델과 앙상블 모델이 대부분 지하수위 감수곡선 기간에 해당하는 낮은 지하수위 기간의 지하수위 예측에 대해 더욱 적합하다는 것을 의미한다. 특히, 앙상블 모델은 3개월 예측에 대해 0.7184 이상의 적절한 NSE 값을 나타내었으며, 개별 인공지능 모델 대비 NSE 값이 최대 0.1434만큼 개선된 예측결과를 도출하였다. 이것은 먼 미래 낮은 지하수위의 보다 정확한 예측을 위한 앙상블 모델 사용의 중요성 및 필요성을 뒷받침한다.

본 연구에서는 도시유역 우수관망의 유출량을 정밀하게 예측하기 위한 시공간 딥러닝 기반 예측 모델을 개발하였다. 유출량에 영향을 미치는 시간적 및 공간적 특성을 동시에 반영하기 위해, 시계열 정보를 처리하는 순환신경망(Recurrent Neural Network, RNN) 계열인 장단기 메모리(Long-Short Term Memory, LSTM) 및 게이트 순환 유닛(Gated Recurrent Unit, GRU)과 공간 정보를 학습하는 합성곱신경망(Convolutional Neural Network, CNN)을 결합한 CNN-RNN 구조를 설계하였다. 개발된 모델은 서울시의 가산1 빗물펌프장 배수구역과 하계 배수구역에 적용되었으며, 총 27개의 강우사상(관측강우 3건, 확률강우 24건)을 Storm Water Management Model (SWMM)에 적용하여 생성한 1분 간격의 관망 노드 수위 및 유량 시계열 데이터를 학습 및 검증에 활용하였다. 모델의 예측 정확도 평가는 SWMM 모의 결과를 기준으로 하여 평균제곱근오차(Root Mean Squared Error, RMSE), 평균절대오차(Mean Absolute Error, MAE), 나쉬-서틀리프 효율계수(Nash-Sutcliffe Efficiency, NSE) 를 평가지표로 하여 비교·분석을 수행하였다. 그 결과, CNN-LSTM 및 CNN-GRU 모델은 각각의 단일 모델(CNN, RNN) 대비 더 낮은 오차를 보이며 우수한 예측 성능을 나타냈다. 이는 우수관망 내 유출 흐름이 시공간적으로 복합적인 영향을 받는다는 점을 시사하며, 시공간 딥러닝 기반 모델의 활용 가능성을 뒷받침한다. 또한 본 모델은 관측자료 확보가 제한적인 유역에서도 일부 수문 및 기상 관측 지점을 활용하여 실용적인 수준의 예측 성능을 확보할 수 있어, 향후 스마트 계측 기반의 실시간 예측 시스템 구축에도 적용 가능성이 높을 것으로 기대된다.

국내 하천계획은 최근까지도 주로 홍수 방어와 재해 예방에 중점을 두어 치수시설을 통한 홍수피해 저감의 직접편익 산정에만 한정된 수자원경제성 평가를 수행해 왔다. 그러나 국민 소득과 경제 성장이 향상됨에 따라 하천의 친수 기능과 레크리에이션 기능의 중요성이 점차 커지고 있으며, 부동산 가치 평가측면에서도 수변경관 및 조망권의 확보가 부동산 가치를 높이는 핵심 요인으로 인식되고 있다. 본 연구에서는 OpenAPI를 활용하여 V-World 디지털트윈국토의 공공 공간정보와 카카오맵의 맛집 POI (Point Of Interest) 데이터를 크롤링하여 취득한 후, 중심근접(Centroid- nearest) 매핑 알고리즘을 적용하여 상업용 건물을 정확히 추출할 수 있는 기법을 개발하였다. 또한 기존의 홍수피해 저감에 따른 직접편익 산정방식을 넘어 상업용 건물의 연면적과 수변 전면 길이를 2개의 독립변수로 선택하여 조망권 확보에 따른 영업이익을 효과적으로 추정했다. 마지막으로 본 연구의 최종 목표인 상업용 건물의 실제 매출액을 기반으로 한 헤도닉 가정가격모형을 구축함으로써 하천유원지 내 조망권 확보에 따른 간접편익을 정량적으로 산정할 수 있었다.

팔당호는 북한강, 남한강, 경안천 등 여러 유입하천과 청평댐, 팔당댐, 이포보 등의 수리구조물 운영에 따라 유량비, 수온, 수질농도 등이 다양하게 형성되며 복잡한 수체 혼합이 나타나는 수역이다. 특히 북한강과 남한강 간의 수온차로 인해 밀도류가 형성되며, 계절 및 유황조건에 따라 성층화 현상도 발생한다. 이러한 수체 특성을 이해하기 위해서는 시공간적으로 정밀한 조사가 필요하나, 국가 수질측정망은 고정식으로 운영되어 하천의 혼합양상을 충분히 반영하기 어렵고, 호소측정망은 호소 주변에 국한되어 있어 상류부터 하류까지의 연속적 흐름을 분석하는 데 한계가 있다. 본 연구는 전기전도도를 주요 지표로 설정하고, 수온 및 다양한 수질항목, 청평댐 및 이포보의 방류량 등을 함께 고려하여 유황조건별 팔당호 내 흐름 특성과 성층 구조를 분석하였다. YSI 다항목 센서를 활용한 고빈도 측정자료와 국가측정망 자료를 연계하여 수표면 및 저층 수질의 공간적 변화를 해석하였으며, 이를 통해 수체 내 성층구조의 이해를 바탕으로 효과적인 수리구조물 운영 및 호수 관리방안을 제시하고자 하였다.