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

기후변화로 인한 강우 패턴의 급격한 변화는 도시 물순환 문제를 심화시키고 있으며, 이를 완화하기 위해 저영향개발(LID) 기법의 적용이 확대되고 있다. 본 연구는 대표적인 LID 기법인 투수 블록의 수문학적 효과를 평가하기 위해, 구조적 특성과 막힘 조건에 따른 성능 실험을 수행하고, 이를 기반으로 SWMM-LID 모형을 활용한 물순환 개선 효과를 모의하였다. 다양한 유역 규모를 대상으로 총증발산량(TE), 총침투량(TI), 총지표유출량(TR), 첨두유출량의 변화를 분석한 결과, 투수 블록의 형태, 적용 면적, 유역 특성에 따라 물순환 개선 효과에 차이가 나타났다. TE는 최대 70% 이상, TI는 79% 이상 증가하였고, TR은 최대 5% 이상 감소하는 등 효과가 확인되었으나, 첨두유출량은 유의미한 변화가 나타나지 않았다. 이는 완만한 지형 및 장기 강우 패턴 등의 영향으로 해석된다. 일부 유역에서는 자연 침투가 활발함에도 오히려 침투량이 감소하는 현상이 관찰되었는데, 이는 토지 이용, 토양 침투력, LID 시설의 공간적 분포에 따라 효과가 달라질 수 있음을 시사한다. 본 연구는 LID 시설의 일률적 적용보다는 유역 특성에 기반한 전략적 적용이 필요함을 강조하며, 향후에는 GIS 기반 공간분석, 장기 성능 검증, 유지관리 제도적 보완도 함께 고려되어야 할 것이다.

본 연구는 남한강 유역의 수생태계 건강을 평가하기 위해 부착돌말지수(TDI), 저서동물지수(BMI), 어류지수(FAI)를 활용하였다. 은닉 준 마코프 모델(HSMM)을 적용하여 각 상태 간의 전이 확률과 복잡한 수생태 건강성 패턴을 분석함으로써, 수생태계 내 동적 변화와 그 원인을 규명하는 중요한 정보를 제공하는 것을 연구의 목적으로 한다. 특히 수질 및 수문학적 변동성이 생태계 관리 및 보전 전략에 미치는 영향을 강조하였다. TDI 분석 결과, 상태 1(좋음)에서 가장 높은 수질을 나타내며 다양한 생물의 서식 가능성을 시사하는 반면, 상태 3(나쁨)에서는 낮은 TDI 값이 높은 영양 수준과 수질 문제를 나타내어 생태계에 부정적인 영향을 미치는 것으로 평가되었다. 상태 2(중간)는 이러한 두 극단 사이의 중간 수준을 보여주며, 수질 및 수문학적 변동성이 상태 전환에 중요한 역할을 한다. BMI 분석에서는 상태 2(좋음)가 우수한 건강성을 나타내며 높은 저서 동물의 다양성과 개체 수가 관측되었다. 상태 1(중간)은 비교적 안정적이나 스트레스 상황에 놓여 있음을, 상태 3(나쁨)은 생태계 건강성이 크게 저하된 상태임을 나타낸다. FAI 결과로는 상태 2(좋음)에서 어류 개체군이 풍부하고 수질이 우수함을 반영하여 높은 생태계 건강성을 보여준다. 상태 1(중간)과 3(나쁨)에서 FAI 값의 감소는 각각 일정한 스트레스와 심각한 스트레스 상황을 시사한다. 특히 수온과 BOD의 증가가 주요 영향 요인으로 작용함을 확인하였다. 이러한 연구 결과는 남한강 유역의 수생태계 건강성 평가 및 관리에 있어서 다양한 생태 지표와 수문학적 변동성을 종합적으로 고려할 필요성을 강조한다. 각 상태의 특성을 이해하고 이에 기반한 관리 전략을 개발하는 것이 지속 가능한 수생태계 관리를 위해 필수적이며, 각 상태를 유지하고 촉진하기 위한 전략 개발과 실행은 지속 가능한 수생태계 건강성을 보장하는 데 중요한 역할을 할 것이다.

본 연구는 지역 간 물 절약 실적 차이의 원인과 대응 특성을 분석하고, 가뭄 대응 정책의 실행력을 실증적으로 검토하기 위해 수행되었다. 2022- 2023년 가뭄 시기 동안 실질적인 대응 조치가 시행된 광주·전남 지역의 14개 지자체를 대상으로 가정용수와 비가정용수의 월별 사용량 변화를 정량적으로 비교하였다. 통계 분석을 통해 실적의 유의성과 지자체별 반응 특성을 검토하고, 물 절약 실적 추이에 따라 5가지 유형으로 분류하였으며, 도시 규모에 따른 실적 차이는 일원배치 분산분석을 통해 추가로 분석하였다. 그 결과, 가정용수 절감 효과는 일부 지자체에서 평균 3% 정도로 확인된 반면, 비가정용수는 정책 효과가 제한적으로 나타났다. 지자체 간 물 절약 실적과 지속성에는 뚜렷한 차이가 있었으며, 대규모 지자체일수록 평균 4% 정도의 높은 절감 효과를 보였다. 중소규모 지자체의 정책 실효성을 높이기 위해서는 지역 맞춤형 절약 목표 설정, 비가정용수 대상 관리 강화, 실적 기반 모니터링 체계 구축 등 실적 기반의 지원과 체계적인 관리 방안이 요구된다.

표면유속을 측정하여 유량을 산정하는 경우 수심평균유속에 대한 표면유속의 비율인 환산계수 α를 알아야 한다. 본 연구에서는 다양한 규모 및 특성의 54개 하천의 60개 지점에서 전자파표면유속계를 이용하여 측정된 177개 표면유속 측정자료를 이용하여 α를 산정하였다. 기준유량은 ADCP, 부자 등을 이용하여 측정한 자료와 Rating curve를 이용하여 산정하였다. 그 결과 α는 평균 0.84(0.64~1.02)가 산정되었으며, α의 10번째 및 90번째 백분위수 값은 0.76과 0.94였다. α는 수심이 깊고 유속이 빠를수록 증가하였다. α는 흐름 영역 중 식생 영역의 비율이 증가할수록 감소하였으며, 식생 영역 비율이 50% 이상인 경우 0.75의 값이 산정되었다. 하상 거칠기에 따른 α는 부드러운 하상에서는 0.90, 보통 및 거친 하상에서는 0.85, 매우 거친 하상은 0.80의 값을 제시할 수 있었다. α는 현장특성이 반영되는 계수로서 지점별로 수리특성과 비교한 결과 경향이 뚜렷하였다.

기후변화가 심화됨에 따라 극한 기상 현상의 빈도와 강도가 증가하면서, 폭염-가뭄 복합재해(Compound Drought-Heatwave, CDHW)의 발생 경향이 전 세계적으로 뚜렷하게 증가하고 있다. 이러한 복합재해는 단일재해와 비교하여 더욱 복잡하고 심화되는 사회·생태계 리스크를 초래하므로, 그 발생 특성을 다각도로 이해하는 것이 중요하다. 본 연구는 한반도 전역에서 CDHW의 시공간적 발생 특성과 계절별 장기 변화 양상을 분석하였다. 분석 결과, CDHW는 한반도 전역에서 유의한 장기 증가 추세를 보였으며, 특히 여름철 발생 빈도가 뚜렷하게 증가하는 추세임을 발견하였다. 지역적으로는 중부 내륙과 경상도 지역을 포함한 분지 지역(예: 대구), 강원 지역에서 CDHW 발생이 두드러졌다. 이 지역은 봄, 겨울에도 뚜렷한 CDHW증가추세를 나타냈다. 본 연구는 CDHW의 계절별·지역별 시공간적 특성과 장기 추세를 정량적으로 제시함으로써, 기후변화로 인한 폭염-가뭄 복합재해 발생 경향성을 이해하고 향후 극한기후에 대한 국가 차원의 대응 역량 강화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

기후변화에 따른 대기증발요구량(E_p) 증가는 미래 가뭄 위험 평가의 핵심 요소이지만, 전통적인 E_p 산정 방식은 상승하는 대기 중 이산화탄소 농도와 Vapor Pressure Deficit에 대한 식생의 생리적 반응을 무시한다. 본 연구에서는 식생 반응이 농업가뭄 위험 전망에 미치는 영향을 평가하기 위해 전통적인 공식(E_p-RC)과 지면저항의 동적 변화를 고려하는 two-source E_p 모형(E_p-Veg)을 Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 10개 지구시스템 모형에 적용해 미래 E_p를 산정하고 가뭄위험을 전망하였다. 두 E_p 전망치를 이용해 강수 기반의 Standardized Precipitation- Evapotranspiration Index (SPEI)와 증발산량 기반의 Evaporative Stress Index (ESI)을 산정한 후 Shared Socioeconomic Pathways 배출경로에 따른 2100년까지의 가뭄 지속기간과 면적 변화를 전망하고, 토양수분 기반 Standardized Soil moisture Index (SSI)와 비교하였다. 분석 결과, E_p-RC는 E_p-Veg에 비해 미래 가뭄의 심도와 면적을 일관되게 과대평가하는 것으로 나타났다. E_p-Veg기반의 가뭄 전망은 SSI가 나타내는 토양수분 변화와 더 높은 일관성을 보여, 식생의 수분 보존 효과를 고려하는 것이 더 현실적인 위험 평가를 가능하게 함을 확인했다. 하지만 식생 반응을 고려했음에도 불구하고, 특히 ESI와 SSI의 미래 전망 사이에는 시간이 갈수록 커지는 상당한 불일치가 여전히 존재했다. 이는 식생의 생리적 반응을 고려하는 것이 미래 가뭄 위험의 과대평가를 완화하는 중요한 단계이기는 하지만, 지면-대기상호작용과 같은 E_p 산정방식 자체에 내재된 구조적 한계 또한 중요한 불확실성 요인임을 시사한다.

기후변화로 인한 집중호우 발생 빈도 상승으로 서울시는 기존 우수관로의 통수능을 상회하는 양의 빗물 저류를 위하여 대심도 빗물저류배수터널의 추가 설치를 계획 중이다. 본 연구에서는 서울시에 있는 사당천 유역 내에 설치 예정된 대심도 빗물저류배수터널의 홍수기 유입 유량을 효과적으로 제어하기 위한 방법을 연구하였다. 연구에는 XP-SWMM 모형이 활용되었으며 유입 유량 제어에 의한 침수 저감 효과를 검토하였다. 유입 유량 제어를 적용한 결과, 침수 면적이 약 34.2% 감소하였으며, 설계 저류용량 포화 시간이 약 20분 지연되는 등 유의미한 개선 효과를 확인하였다. 대심도 운영 시 유입 유량 제어를 시행하여 대심도 빗물저류배수터널의 연속 강우 대응 능력을 향상시키고, 도시홍수를 보다 효과적으로 예방할 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구는 분광 정보를 활용한 하수/우수관 수심 모니터링에 있어서 매질에 따른 분광 정보 변동성 검토를 진행하였다. 분광 정보를 활용한 수심 모니터링은 오래전부터 꾸준히 연구되어 왔으나, 특정 광원이 없는 하수/우수관 같은 폐쇄 환경을 대상으로 한 연구는 여전히 미비하다. 강우 시 노면에 존재하는 다양한 이물질들이 관망으로 유입되어 관로에 퇴적되면서 퇴적물을 형성하는 문제점이 발생한다. 입자 크기에 따라 반사 강도가 달라지며, 가시광, 청색, 녹색 영역 파장이 입자 크기에 민감하게 반응한다. 따라서 본 연구는 실내 실험을 통해 정확한 수심 모니터링을 위한 실제 하수/우수관에 유입되는 퇴적물 매질에 따른 분광 정보 변동성을 확인하였다. 광원은 Halogen을 사용하였으며, 광도는 720lx로 진행하였다. 정확한 실험을 위해 암실 조건에서 다양한 입경별 퇴적물과 퇴적물 높이를 통한 수심에 따른 실험 case로 진행하였다. 다분광 카메라를 통해서 분광 정보를 수집하였으며, 수집된 다분광 이미지는 최적 밴드 탐색 기법(Optimal Band Ratio Analysis, OBRA)을 활용하여 수심을 산정하였다. 입경 조건에 따라 최적 밴드비와 수심 산정 정확도가 변화하는 것을 확인하였다. 매질별 최적 밴드비 조합이 다르게 나타나, 특정 매질에서 효과적인 밴드비 조합이 다른 매질에서는 성능이 저하될 수 있음을 확인하였다. 본 연구는 분광 정보를 활용한 관망 수심 모니터링 정확도 개선과 적용성을 향상시키기 위해 실험을 통해 평가하고 분석하였으며, 이를 통해서 관망 모니터링 정확도 향상에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.

도시화로 인한 불투수면적 증가와 집중호우의 빈도 상승으로 인해 도심 침수 피해가 반복되고 있으며, 이에 대한 대응 방안으로 횡월류 방식의 수공 구조물이 도입되고 있다. 하지만 유입 조건 및 수위 변화에 따른 유량계수(C) 산정의 정확성 부족으로 인해 설계 및 적용에 어려움이 존재한다. 특히, 기존 연구들은 수치모형 기반 분석에 편중되어 있으며, 실험적 검증이 부족하여 실무 적용에 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 횡월류부의 수위 측정 위치(좌안, 중앙, 우안) 및 수위 조건의 변화가 유량계수 및 유량 산정에 미치는 영향을 실험적으로 분석하였다. 실험은 월류부 폭이 상이한 세 종류의 수로를 대상으로 수행되었으며, 각 구간의 수위를 Flowtracker와 레이더 수위계를 이용해 정밀 계측하였다. 수집된 데이터를 바탕으로 위어 유량 공식과 De Marchi 공식을 적용하여 유량 및 유량계수를 산정하였고, 결정계수(R²)를 통해 공식별 신뢰도를 비교하였다. 분석 결과, 수위 측정 위치에 따라 유량 예측 정확도가 달라졌으며, 특히 중앙 또는 좌안-중앙 수위 차를 활용한 조건이 가장 높은 결정계수를 보여주었다. 반면, 우안 수위는 불규칙한 흐름 특성으로 인해 낮은 설명력을 보였다. 본 연구는 횡월류 구조물의 수위 측정 위치와 흐름 특성에 따른 최적 유량 산정 방안을 제시하였으며, 이는 향후 도시 침수 방지 구조물 설계와 수리계산 모델의 정밀도 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

국내 하천 데이터의 효율적 관리와 분석은 홍수 예방, 하천 설계 및 수자원 관리의 필수 요소로서, 기존 데이터 관리 체계의 한계를 극복하기 위한 기술적 개선이 요구된다. 본 연구에서는 ArcDas 플랫폼과 Web-GIS 기술을 활용하여 하천기본계획 자료, CAD 데이터, 드론 영상, 센서 데이터 등 다양한 정형 및 비정형 데이터를 통합적으로 관리할 수 있는 시스템을 구축하고, 이를 연구 대상 지역에 적용하여 실효성을 검증하였다. 특히, 하천기본계획 CAD 자료를 활용하여 하천 단면을 자동 추출하고, 이를 HEC-RAS 입력 파일(Geometry)로 자동 변환하는 데이터 처리 과정을 개발함으로써 기존의 수작업 방식 대비 데이터 처리 속도를 크게 단축하였다. 연구 결과, 하천기본계획 자료를 기반으로 CAD 데이터를 자동 변환하고, HEC-RAS와 연계하는 과정에서 데이터 처리의 효율성이 향상되었으며, Web-GIS를 활용한 실시간 데이터 시각화를 통해 하천 환경 분석의 활용성을 극대화하였다. 또한, 기존의 점 단위 데이터 관리 방식에서 벗어나 단면 단위의 연속적인 데이터 관리 체계를 구축함으로써, 기존의 점 기반 방식 대비 데이터의 일관성과 활용성이 증대되었음을 확인하였다. 본 연구는 하천 데이터의 통합 관리 및 분석 체계를 제안함으로써, 국내 하천 관리 시스템의 비효율성을 극복하고, 데이터 기반의 의사결정 지원을 강화할 수 있는 새로운 패러다임을 제시하였다.