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

유역의 정확한 홍수량 예측을 위해서는 정확한 강우 예측이 필수적이다. 최근 머신러닝 기법을 활용하여 강우 예측 모델의 성능을 개선하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 주로 유역에 대한 공간 강우량을 예측하기 위해 레이더 기반 강우 예측 모델이 개발되어 그 성능을 입증하였으나, 정확한 강우량 추정에 한계가 있는 레이더 자료를 기반으로 개발되는 모델 특성상, 실제 유역에 떨어지는 강우량을 정확하게 예측하는 데에는 한계가 있다. 본 연구에서는 기존 머신러닝을 활용한 레이더 기반 모델의 예측 성능 개선을 위해 지점강우를 훈련과정에서 사용하는 기법을 제안하였다. 영산강 유역에 대해 최대 6시간까지의 예측 강우를 생산하는 모델 개발을 위해 조건부 생성적 적대 신경망(conditional Generative Adversarial Network, cGAN)을 활용하였으며, 모델 훈련을 위해 기상레이더 자료와 함께, 영산강 유역의 도메인 내에 종관기상관측(Automated Synoptic Observing System, ASOS) 강우자료를 사용하였다. 결과를 통해, 레이더 자료만 사용한 모델에 비해 지점강우자료를 추가입력자료로 고려한 모델이 유역의 공간 강우량을 예측하는데 더 우수한 성능을 보이는 것을 확인하였다.

최근, 하천에서의 생태계 문제로 인한 생물의 하천 서식처 변동이 발생하였다. 그로 인하여 생물의 서식처에 변화가 일어나 하천들의 어류 중에 유수성은 감소하고, 정수성은 증가하는 등의 현상이 생겼다. 서식처 분석 시 가장 많이 활용하는 인자로 서식처 적합도 지수(Habitat Suitability Index, HSI)가 있다. 하지만, 생물의 서식에 수질인자의 중요성이 커질수록, 수질 영향을 복합적으로 고려해야 하는 필요성이 증가되고 있다. 따라서 본 연구에서는 어류의 서식처를 분석하기 위해서 서식처 적합도 지수와 수질의 등급을 나타낸 NSFWQI (National Sanitation Foundation Water Quality Index)인 수질 지수를 이용해 수질 부분을 포함하여 분석을 실시하였다. 연구 대상 구간의 ADCP, YSI-EXOII 장비를 이용해 실 계측으로 얻은 자료로 서식처 적합도 지수와 NSFWQI를 GIS에서 사용되는 기능인 최적의 지역을 찾아내는 적지분석을 활용하여 복합적인 서식처 분석을 진행하였다. 연구 결과로 수리 지수만 분석했을 경우와 수리,수질 지수 모두 포함시켰을 시 서식처 면적 차이가 발생됨을 나타냈으며, 수리 및 수질 관점의 서식처적합도 산정 방법들을 준용하여 복합적인 평가 방안을 제시하였다.

본 연구에서는 파이썬을 이용하여 유한차분법 기반의 정류 상태 지하수 유동 모델을 구축하였다. 비교적 원리를 이해하기 쉽고 현장 적용에 용이한 유한차분법을 사용하여 3차원 지하수 유동 방정식의 수치해석적 해, 즉 수두를 계산하였다. 제주도의 중제주, 동제주, 서제주 유역을 대상으로 지하수 흐름 모사를 수행하였으며, 모델의 타당성은 관측 수두 및 MODFLOW로 계산된 수두와 비교하여 검토하였다. MODFLOW 및 본 연구에서 개발한 FDM 파이썬 모델로 계산된 수두와 관측 수두의 결정계수는 각각 0.9427, 0.9429로 FDM 파이썬 모델이 관측 수두와 좀 더 높은 유사성을 보였다. 또한, MODFLOW와 FDM 파이썬 모델로 계산된 수두의 결정계수는 0.9997로 향후 본 연구에서 개발한 파이썬 기반 지하수 유동 모델을 사용하여 지하수 자원의 최적 개발과 오염원 관리에 도움이 될 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구에서는 충적층에 위치한 9개 관측정의 배열 조건(정방형, 직삼각형, 직사각형)에 따른 수리경사 및 주 흐름 방향을 Devlin (2003) 방법으로 산정하고 분석하였으며, 충적 대수층에서 지하수 흐름을 가장 적정하게 설명할 수 있는 관측정 배열을 제시하였다. 모든 관측정의 자료를 이용한 정방형 배열(TW) 조건에서 산정된 지하수의 평균 수리경사는 0.0109, 평균 주 흐름 방향은 85.8364°로 나타났다. 직삼각형 배열(T1~T4) 조건에서 산정된 평균 수리경사는 0.0099~0.0123, 평균 주 흐름 방향은 79.7201~95.0048°로 나타났다. 직사각형 배열(R1~R4) 조건에서 산정된 평균 수리경사는 0.0094~0.0126, 평균 주 흐름 방향은 82.8661~85.7661°로 나타났다. 정방형 배열을 기준으로 한 평균 수리경사와 평균 주 흐름 방향을 분석한 결과, 평균 수리경사는 직삼각형 배열 조건과 직사각형 배열 조건 모두 차이를 보였으며, 평균 주 흐름 방향은 직삼각형 배열 조건보다 직사각형 배열 조건이 정방형 배열 조건에 유사하게 나타났다.

하천 유사량 자료는 하천의 유지·관리 및 수자원 관리에 필수적인 기초 자료로, 지속적이면서 정확한 측정이 필요하다. 그러나 현재 사용되는 부유사 채취기를 이용한 유사량 측정은 위험하고 많은 비용과 인력이 소요될 뿐만 아니라 연속적인 모니터링이 매우 어렵기 때문에 새로운 대안 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이에 본 연구에서는 H-ADCP (Horizontal Acoustic Doppler Current Profiler)의 초음파산란도를 이용한 부유사 농도 측정에 필요한 분석 기법을 개발하고 이를 실제 하천에 적용하여 이에 대한 적용성을 검토하였다. 본 연구는 지석천의 나주시(남평교) 자동유량관측소를 대상으로 분석을 수행하였으며, 이력현상을 반영한 초음파산란도 부유사 농도 관계식을 개발하여 기존의 단순 선형회귀와 비교하였다. 수위를 고려한 이러한 다중회귀식은 기존 선형 회귀 방법에 비해 약 17%의 정확도가 향상되는 것으로 나타났으며, 기존 부유사 채취기 대비 정확도는 87.1%로 기존 부유사 채취기를 통한 간헐적인 측정 방법을 보완하여 연속적인 부유사 농도 모니터링이 가능함을 확인할 수 있었다. 이를 통해서 홍수 사상에서 발생하는 이력현상에 대한 분석을 통해서 H-ADCP를 이용한 연속적인 유사량 측정의 실용성을 확인하였다.

토양수분은 유역 내에서의 물순환 해석 및 자연 재난 발생 분석에 있어 중요한 요소이다. 효과적인 토양수분 모니터링을 위해서는 보편적으로 위성 영상의 검증 자료 역할을 수행하는 지점 토양수분에 대한 시공간 변동성 분석이 요구된다. 본 연구에서는 2018년 8월 21일부터 2019년 8월 20일(동절기 제외)까지 청미천과 설마천 유역 내에서 Time Domain Reflectometry (TDR) 방식으로 측정한 심도 10 cm의 지점 토양수분 데이터를 활용하여 신뢰성 있는 시공간 토양수분량을 산정하기 위한 최적 및 최소 필요 지점 개수(Necessary Sampling Size, NSS)를 분석하였다. 구체적으로, 청미천과 설마천 시범지역에서 각각 18개, 19개 지점을 대상으로 토양수분의 시공간적인 변화 패턴을 분석하였으며, 공간 평균 토양수분과의 상대적 차이를 기반으로 하는 Temporal Stability of Index (TSI)의 수치를 바탕으로 대표성을 나타내는 지점을 선별하였다. 그 결과, 청미천과 설마천 시범지역의 평균 공간 변동계수(Coefficient of Variation)는 각각 0.20과 0.37로 나타났으며, 두 시범지역에서 모두 높은 정확도(R² 값 0.88 이상)로 각 관측망 내 평균 토양수분을 시공간적으로 반영하는 대표 지점을 선별할 수 있었으며, 시범지역 내 대표 지점은 모두 평균값보다 건조한 위치에서 나타났다. 공간 평균 토양수분의 시계열 변화를 기반으로, Coefficient of Determination (R²)와 Root Mean Square Error (RMSE) 정확도 지표를 활용하여 랜덤 조합 샘플링 기반의 토양수분 지점 개수를 분석하였다. 그 결과, 토양수분의 지점 개수가 많아짐에 따라 공간 평균 토양수분의 시계열 추정값의 정확도는 높아지는 것을 확인할 수 있었으며, 2% 이하의 RMSE, 0.95 이상의 R² 정확도에서 청미천과 설마천 시범지역을 대상으로 요구되는 토양수분의 최소 지점 개수는 모두 4개로 나타났다. 반면 공간 평균 토양수분 기반의 통계 샘플링 분석을 수행하여 적절한 지점 개수를 산정한 결과, 동일한 신뢰도 수준에서 절대 오차가 작아 짐에 따라 요구되는 토양수분 지점 개수는 많아지는 것으로 나타났다. 95% 신뢰 수준, 4%의 절대 오차 범위에서 청미천과 설마천 시범지역을 대상으로 요구되는 최대 지점 개수는 각각 4개, 28개로 확인되었으며, 설마천 시범지역에서 토양수분의 공간 변동성이 크기 때문에 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다.

기후변화로 극한 기후현상이 빈번해짐에 따라, 댐을 안정적으로 운영하는 것은 더욱 어려워지고 있다. 특히, 장기적으로 이어지는 가뭄은 사회·경제 전반에 걸쳐 큰 피해를 일으키므로, 이에 대비한 댐 운영 방법을 모색·고도화하는 것은 매우 중요한 일이다. 본 연구는 결정론적 유입 시나리오 및 앙상블 유입 전망 정보를 기반으로, 용수공급 스케줄을 최적화하고 다양한 의사결정 방법론을 적용하여 댐을 운영하는 새로운 댐 운영 방법론을 제시한다. 2014년부터 2018년까지의 장기 가뭄에 대해, 낙동강 유역의 안동-임하댐 및 합천댐을 대상으로 모의운영 한 결과, 결정론적 댐 유입 시나리오를 활용하는 것은 저수량 확보 중심의 운영결과를 나타내지만, 앙상블 전망을 활용할 경우 공급 부족을 줄이는 데 효과가 있음을 확인하였다. 또한, 다기준 의사결정 방법에 따라 댐 운영의 결과가 크게 달라지는 것을 확인하였는데, 이는 댐 운영과정에서 운영자의 의사결정의 중요성을 나타낸다. 향후, 다양한 가뭄 사상 및 댐에 대해 본 연구를 통해 제시된 댐 운영 방법론을 적용하여 그 활용성 및 효과를 지속 검증해 나가야 할 것이다.

본 연구는 Large Eddy Simulation (LES) 기법을 활용하여 수직 원통형 해양 구조물 주변에서의 동역학적 난류 유동 특성을 수치적으로 분석하였다. OpenFOAM의 olaFlow와 overOlaDyMFlow를 사용하여 물과 공기 사이의 자유수면 상호작용을 재현하였으며, 이를 덴마크 DHI 수리모형실험 데이터를 통해 검증하였다. DHI 수리모형실험은 수직 실린더 주변에서 파랑에 의해 발생하는 파랑 하중과 수면 변위 시계열을 측정한 데이터를 기반으로 한다. 수리모형실험과 비교를 통해 수치모형의 신뢰성을 평가하였다. 본 연구에서는 snappyHexMesh와 oversetMesh 두 가지 격자 생성 기법을 비교하여 파랑-실린더 간의 상호작용 모의에서 각 기법의 성능을 평가하였다. snappyHexMesh는 실린더 근처의 경계층 유동과 와류 구조를 정밀하게 포착하는 데 탁월한 성능을 보였으며, oversetMesh는 복잡한 경계 조건과 넓은 계산 영역을 효과적으로 처리하는 데 강점을 보였다. 두 기법 모두 파고와 파랑 하중에 대해 실험 결과와 높은 일치성을 나타내었지만, 난류 유동과 전단 응력 분포에서는 미세한 차이가 확인되었다. 본 연구는 해양 구조물 주변에서 파랑에 의해 유발되는 힘과 난류를 수치적으로 모의하는 데 격자 기법에 대한 통찰을 제공하며, 이러한 결과는 향후 해양 구조물 설계 및 안정성 평가 연구에 기여할 수 있다.