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

본 연구는 2001년부터 2023년까지 국내 주요 학술논문집에 수록된 하구 관련 연구를 분석하여, 낙동강, 한강, 금강, 영산강, 섬진강 하구를 중심으로 연구 동향을 파악하고 향후 연구 방향을 제시하였다. 기존 연구는 하구의 물리적, 화학적, 생태학적 특성 변화와 관리, 생물학적 특성과 생태 모델, 하구 생태계와 철새 서식지, 하구역 환경 관리 및 개발, 지속 가능성, 하구 생태계서비스의 경제적 가치 평가, 하구 관리의 법·제도적 측면과 통합적 접근을 다루었다. 이를 바탕으로 균형잡힌 하구 관리를 위해 법적, 사회적, 경제적, 환경적, 기술적 접근에 대한 시사점을 도출하였다. 본 연구는 하구의 지속 가능한 관리와 균형 잡힌 개발을 위한 통합적 접근 방안 및 향후 연구 방향을 제시한 점에서 그 의의가 있다

본 연구에서는 디지털 필터 기법과 장기유출모형(SWAT, TANK)을 연계하여 총유출량 및 유출성분을 모두 고려할 수 있는 매개변수 추정 방안을 제시하고, 적용기법의 적절성을 평가하고자 한다. 적용 대상유역은 소양강댐 유역이며, 총유출량을 고려한 매개변수 추정 방안과 유출성분을 고려한 매개변수 추정 방안으로 구분하여 매개변수 검·보정을 수행하였다. 두 방안 모두 관측 및 모의유량 간의 적합도가 우수하게 나타났으며 결정계수( R 2 ) 0.73~0.87, NSE 0.67~0.85로 모형성능이 양호한 것으로 나타났다. 각 방안에 대한 비교 결과, SWAT 모형과 TANK 모형 모두 유출성분을 고려한 방안 적용 시 모의 정확도가 향상되는 것으로 확인되었다. 모형 간 비교 시, 두 방안 모두 SWAT 모형이 더 우수한 통계치를 보였으나 기법에 대한 적용 효과는 미미한 것으로 나타났다. 다만, TANK 모형은 방법론 상 물리적 특성을 구체적으로 고려하지 않고 있음에도 디지털 필터와 같은 방법 적용 시 NSE의 통계치가 17% 상승하는 결과를 보였다. 즉, 디지털 필터 기법에 대한 적용성은 TANK 모형이 더 우수한 것으로 나타났으며 본 모형과 같은 개념적 모형에 디지털 필터와 같은 수문곡선 분리 기법을 적용할 경우 물리적 모형보다 더 향상된 모의결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 이에 따라 수문모형 모의 시 총유출량만 고려하여 매개변수를 추정하는 것 보다 유출성분을 고려하여 매개변수를 추정하는 것이 정확도 높은 유출모의를 할 것으로 판단된다.

지하수는 지표수와 함께 다양한 용수로 사용되는 중요한 수자원이며, 특히 제주도의 경우 대부분의 용수를 지하수에 의존하고 있기 때문에 지속가능한 지하수의 이용을 위해 지하수량의 예측 및 관리는 매우 중요하다. 본 연구에서는 정확한 지하수위 예측을 위해 백록담 기후변화관측소의 강수량 데이터를 추가적으로 사용하여 제주도 표선유역 중산간 지역에 위치한 2개 관측정에 대해 ANN 모델과 LSTM 모델의 월 단위 지하수위 예측성능 개선효과를 비교분석 하였다. 그 결과, 백록담 강수량 데이터를 사용하지 않은 경우 두 인공지능 모델의 NSE 값은 0.871 이상을 보여 높은 지하수위 예측성능을 보였다. LSTM 모델은 ANN 모델보다 고수위 및 저수위에서 상대적으로 높은 예측성능을 나타내었으며, 관측지하수위의 변동폭이 커 변동특성이 복잡할수록 예측성능이 낮아짐을 확인하였다. 백록담 강수량 데이터를 추가적으로 사용한 경우 두 인공지능 모델의 NSE 값은 0.907 이상을 보여 개선된 예측성능을 나타내었으며, NSE 값은 최대 0.036만큼 개선되었다. 이것은 상류지역의 강수량을 추가적으로 사용 시 지하수위 해석에 도움이 되는 정보가 많아져 인공지능 모델은 지하수위의 변동특성을 더욱 적절히 해석할 수 있다는 것을 의미한다. 또한 관측지하수위 변동폭이 더 커 지하수위 예측이 상대적으로 어려운 관측정일수록 그리고 지하수위 예측성능이 상대적으로 낮은 인공지능 모델일수록 백록담 강수량 데이터의 추가사용 시 지하수위 예측 개선에 더욱 도움이 되었다. 특히, 특정 관측정에 대해 백록담 강수량 데이터를 추가적으로 사용 시 ANN 모델의 지하수위 예측성능은 LSTM 모델과 대등한 수준으로 개선되었다. 본 연구의 방법 및 결과는 향후 인공지능 모델을 활용한 연구에서 유용하게 사용될 수 있다.

실험 개수로의 유입단면에서 와, 공기방울, 소용돌이 흐름 및 과도한 유속 변동을 가능한 짧은 구간에서 효율적으로 제거하여 균일한 유속분포를 제공하는 것은 시험구간에서의 정확한 유속 측정과 흐름 현상 재현에 매우 중요하다. 이 연구에서는 과도한 유속 변동과 공기방울을 빠르게 제어함으로써 흐름 측정의 정확도를 높이기 위해 다중병렬관을 이용한 정류장치를 개발하였다. 개발한 정류장치 장치의 흐름 안정화 성능을 수리 실험을 통해 확인하였다. 다중병렬관을 이용한 정류장치는 모든 실험 조건에서 유속 변동의 지표인 난류강도를 절반 가까이 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 직경이 20 mm이고 길이가 0.3 m인 정류관을 사용할 때 난류강도를 약 60% 이상 감소시켜 일반적인 실험수로 유입단면에서의 난류강도인 약 2.4%의 값을 유지할 수 있는 것으로 나타났다. 관의 길이가 0.3 m인 경우 난류강도의 크기는 관의 직경을 감소시킴에 따라 선형적으로 분명하게 감소하였다. 일반적인 실험실 규모 조건에서 확실한 정류 효과를 확보하기 위해서는 정류관의 직경을 20 mm로 유지하는 것이 적합한 것으로 나타났다. 고유량 조건에서 발생하는 작은 공기방울은 다중병렬관을 통과하면서 크기가 커짐에 따라 증가한 부력에 의해 약 0.24 m/s의 속도로 빠르게 수면으로 상승하여 제거 되었다. 정류장치의 공기방울 제거 성능은 정류관의 직경과 길이에 민감하지 않은 것으로 나타났다.

본 연구는 이상기후변화로 발생하는 가뭄의 환경적 영향을 종합적으로 평가하였다. 특히 가뭄이 하천 유역의 물환경에 미치는 영향을 정량적으로 분석하기 위해 기상, 수문, 수질 항목을 활용하여 환경가뭄지수를 개발하였다. 한강수계를 대상으로 유역 특성에 따라 도시 유형, 농업 유형, 산림 유형으로 구분하여 각 지역별 환경가뭄지수를 산정하였다. 가뭄의 영향을 평가하기 위해 다중선형회귀, 주성분분석, 랜덤포레스트 등의 다양한 데이터 분석 기법을 사용하여 가중치를 산정하였다. 주요 수질 항목으로는 BOD를 활용하여 평가를 진행하였다. 연구 결과, 도시 유형에서는 TOC와 유량이 주요 항목으로 나타나며, 가뭄 시 수질 악화가 두드러지게 나타났다. 농업 유형에서는 TOC와 EC가 주요 항목으로 작용하여 가뭄에 따른 수질 변화가 뚜렷하게 나타났고, 산림 유형에서는 TOC, 유량 및 누적강수량이 주요 항목으로 나타났으며, 다른 지역에 비해 가뭄의 영향이 상대적으로 적게 나타났다.

상수관망은 대규모 사회기반시설물로 인간사회를 유지하기 위한 중요한 시설물이다. 도시화 및 산업화로 인해 대규모 사회기반시설물은 증가하고 있다. 그러나, 도시화 및 산업화의 진행으로 인해 발생하는 문제 중 하나는 온실가스의 배출이다. 본 연구에서는 상수관망을 설치 및 유지ㆍ보수 등 상수관망의 생애주기동안 발생하는 이산화탄소(CO₂)량을 분석하기 위해 Life Cycle Carbon Emission Analysis(LCCEA) 모델을 제안하였다. 제안된 LCCEA 모델을 기반으로 저탄소 최적설계를 진행하였으며, 이를 비용 최적설계와 비교하였다. 국내외 관망에 LCCEA 모델을 적용한 결과, 저탄소 최적설계안은 비용 최적설계안 대비 전체 및 연간 CO₂ 발생량이 감소하였다. 또한, CO₂ 배출량을 비용으로 환산하여 비교한 결과, 비용의 측면에서도 저탄소 최적설계안이 좋은 결과를 나타냈다. LCCEA 모델은 본 연구에서 적용한 국내외 관망뿐만이 아닌 다양한 관망에 적용할 경우, 상수관망 설계 및 운영에 좋은 결과를 나타낼 수 있을 것이다.

국내에서는 PMP 산정시 전국 PMP도를 독치법을 이용하고 있으며, 임의 절편조정을 통해 균일한 포락결과를 얻고 있다. 기존 연구에서는 임의성 배제 및 균일하고 객관적인 포락결과를 얻기 위한 방법으로 Box-Cox와 3차 Spline 방법을 제시했으나 이후 PMP 포락 모형화에 대한 연구에 큰 진전이 없었다. 본 연구에서는 국내 PMP 산정 과정 중 마지막 단계인 포락 모형화 방법으로 단조 3차 스플라인(Monotone Cubic Spline, MCS)을 적용했으며, 기존의 포락 모형화 방법과 비교·검토했다. 그 결과 기존 방법을 이용할 때는 균일한 포락결과를 얻기 위해 엔지니어의 주관성이 반영된 절편조정이 필요했으나, MCS 방법을 이용한 경우에는 별도의 절편조정 없이도 균일하고 객관성있는 결과를 얻을 수 있다. 따라서 향후 댐 관련 사업 시 MCS 방법을 이용한다면 절편조정 없이도 균일하고 객관성 있는 포락 결과를 얻을 수 있다고 판단된다.

본 연구는 영산강 유역의 본류와 주요 지천을 대상으로, SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 모델을 이용하여 기후변화에 따른 수질 변화를 예측하고 분석하는 것을 목적으로 수행되었다. 모델의 신뢰성을 높이기 위해 2007년부터 2021년까지 정부가 제공하는 기상 및 유량 자료를 이용해 입력자료를 구축하고 모델 보정을 실시하였다. 제6차 IPCC 보고서에 대해 WRF 기후변화 모델을 이용하여 산정된 중간 배출 시나리오(SSP2-4.5)와 극한 배출 시나리오(SSP5-8.5)를 SWAT에 적용하여 유량, TN 및 TP 부하량을 예측하였다. 미래 기후변화 시나리오에 따른 수질 변화는 단기(2021~2040년), 중기(2041~2060년), 장기(2081~2100년)로 구분하여 분석하였으며, 수질 평가는 환경부의 하천 및 호소 생활환경기준(Living Environmental Standards)과 실시간수질지수(RTWQI)를 기준으로 수행하였다. 결과적으로, 영산강 유역 대부분의 지역에서 TN 농도는 “나쁨” 이상으로 나타났으며, 특히 본류 및 하류 지역에서 “매우 나쁨” 등급이 우세하였다. TP 농도는 시나리오에 따라 다소 차이를 보였으나, 장기적으로는 수질이 개선되는 경향을 보였다. RTWQI 평가에서는 생활환경기준에 따른 평가보다 전반적으로 더 높은 수질 등급이 나타났으며, 시간이 지남에 따라 수질이 개선되는 경향을 보였다. 이는 영산강 유역의 수질 관리에 있어 농업 지역이 주를 이루어 TN 농도가 주요 문제점으로 작용할 수 있음을 시사하는 것을 알 수 있다. 따라서, 미래 기후변화에 따른 수질의 개선을 위해 비료관리, 보존 농업 등과 같은 농업 비점오염원 저감 관리와 함께 도심지역을 중점으로 저영향개발, 침투 도랑, 지붕 녹화 및 하수처리장 개선 등 점·비점오염원 저감이 더욱 필요할 것으로 보인다.

본 연구에서는 제주도 서부 한경-대정수역에서 높은 전기전도도(EC)와 pH가 관측된 10개의 지하수 관정을 대상으로 이상 수질 발생 원인을 파악하기 위해서 관정 시공 상태 확인, 공내 영상 및 EC 수직 검층, 음·양이온 이온 분석, 지하수 내 백색 부유물에 대한 SEM-EDS 분석을 수행하였다. 이상 수질을 보인 대부분의 관정은 지하수면 하부 구간까지 오염방지 그라우팅이 이루어졌고, 공내 EC는 300~10,000 μS/cm 범위의 값을 나타냈다. 또한, 인근 지하수 관정보다 높은 음·양이온 농도를 갖는 점, pH가 8.2~12.7로 약염기~강염기성을 띄는 점, 백색 부유물의 주요 구성 성분이 산소와 마그네슘인 점을 근거로 연구대상 관정의 이상 수질 현상은 질소 오염원이나 해수의 영향에 의해 유발된 것이 아니라, 관정 시공 시 채움 그라우팅에 사용된 시멘트 몰탈로부터 비롯되었음을 국내 최초로 보고한다. 지하수 관정 개발 과정에서 이루어지는 오염방지 그라우팅이 수질에 영향을 미치지 않도록 하기 위해서는 향후 지하수 개발·이용시설기준 제정이 필요하다.

본 연구에서는 섬진강 상류 옥정호의 유역에서 유입하는 유량. 총인(TP), 총질소(TN) 및 총부유물질(TSS) 유입량을 산정하기 위해 널리 사용되는 SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 모델 및 HSPF (Hydrological Simulation Program–Fortran)를 동시에 적용한 결과를 비교 분석하였다. 환경부에서 제공하는 2012년부터 2021년까지의 현장의 각종 자료를 위 두 가지 모델의 입력자료와 보정자료로 사용하였으며 결정계수(R²), Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) 및 Percent Bias (PBIAS)등을 정확도의 평가지표로 이용하였다. 유량 의 경우 SWAT 모델은 본 연구의 실측자료에 대해 평균 R² 0.82 및 NSE 0.72로, HSPF 모델의 R² 0.76 및 NSE 0.67의 경우보다 약간 더 정확하거나 유사한 성능을 보였다. 그러나 수질 모의의 경우 SWAT 모델은 TN 13.2%, TP 19.1%, TSS 31.5%의 평균 PBIAS를 보인 반면, HSPF 모델은 TN 17.2%, TP 23.2%, TSS 25.9%의 평균 PBIAS를 나타냈다. 이러한 결과는 두 모델 모두 실측 수질을 정확하게 모의하는 데에는 한계가 있음을 시사한다. 본 연구에서는 두 가지 모델의 예측 결과를 토대로 오차의 원인을 분석하고 비점오염 부하 저감 등 옥정호의 수질관리를 위해 적절한 유역모델을 선택하는 데에 유용한 사례를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구에서는 인근 수질측정지점 간의 수질의 기여도를 간접적으로 파악하고 본류와 지류하천 간의 영향력을 해석하기 위해 시계열 분석이 가능한 STL (Seasonal and Trend decomposition using Loess) 기법을 수질자료에 적용한 결과를 보고하고 있다. STL 기법은 수계 시계열 자료의 이상치를 판별하고 제거할 수 있게 하며 해당 자료의 수질 변화 추세와 계절적 특성을 분석하는 방법이다. 또한, 인접하게 위치한 수질측정지점자료 간의 수질 상관도 및 유사도를 분석하기 위해 지점간 상관분석을 실시하였으며 요인분석을 통해 본류와 유입 지류 측정 자료 간의 수질 자료에서 공통요인이 영향을 미치는 지점을 분류하였다. 미호강의 경우 상관도가 높다고 판단된 지점 간의 요인분석 결과 지류하천 보다 본류의 영향이 절대적인 것으로 파악됨에 따라 미호강 상류를 포함한 본류지점에 대한 수질관리가 우선시되어야 할 것으로 분석되었다. 본 연구에서 사용된 방법으로 우리나라 주요 하천 본류의 상·하류 지점과 유입지점 간의 수질 영향력 정도를 분석할 수 있음에 따라 향후 하천의 수질관리 대안 개발에 효과적으로 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구에서는 용수공급량의 부족을 해결하기 위해 타 수계(섬진강 본류)에서 도수로(섬진강→수어댐)를 연결하여 운영 중인 수어댐을 대상으로 2021년 조류경보제의 경계단계가 발생함에 따라 조류 발생의 원인을 분석하기위해 수리 및 수질에 대한 복합적인 검토를 수행하였다. 수어댐의 남조류 세포수는 수온이 26°C 이상일 때 급증하였으며, 자체 유역 유입보다 도수로를 통한 다압(취)의 유입량 증가시 호내 총 인의 농도가 증가한 것과 밀접한 관계가 있는 것으로 분석되었다. 호소모델(EFDC+)을 활용한 분석에서는 남조류의 성장제한 인자(수온, 질소, 인, 광량) 중 수온이 20 °C 이하인 11~4월에서 가장 큰 성장 제한 인자임을 확인하였고, 남조류 세포수가 증가하는 6~10월은 인이 제한 인자인 것으로 분석되었다. 또한 2021년과 2022년의 남조류 세포수 증가 시기를 비교 분석한 결과, water Age가 30일 이상이고, 총 인 농도가 0.025 mg/L 이상인 시기에 표층에서 남조류가 급성장할 수 있는 것으로 분석되었다. 호소모델(EFDC+)을 적용하여 댐 취수위 변경에 따른 표층의 water age 감소가 남조류 성장을 감소시키는데 기여한다는 사실을 확인하였으며, 이를 바탕으로 댐의 특성과 목적에 맞춘 운영 방안을 마련함으로써 호내 녹조발생을 저감하고 수질 관리에 도움이 될 것으로 기대된다.