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

편파 합성개구레이다(PolSAR)는 표면·체적·이중 반사 성분을 분리해낼 수 있는 독보적 능력을 바탕으로, 광학이나 단일 편파 SAR으로는 관측이 어려운 수문 과정을 물리적으로 정합성 있게 포착할 수 있다. 이러한 강점을 기반으로 최근 연구들은 토양 수분의 정량화, 침수 식생 탐지, 습지 수문–생태 동역학 분석, 적설·빙하·영구동토층을 포함한 빙권 모니터링 등 다양한 분야에서 PolSAR의 활용 가치를 입증해 왔다. 본 총설은 이러한 발전을 체계적으로 정리하고, 편파 산란 원리와 분해 기법이 각 수문 변수 도출과 어떻게 연결되는지를 종합적으로 검토한다. 아울러 다양한 지표·식생·대기 조건에서 PolSAR 기반 기법이 보여주는 성능을 평가하고, 여전히 남아 있는 정량적 불확실성, 복합 지형에서의 혼합·방향성 산란, 높은 계산 비용으로 인한 낮은 운용성 등의 한계를 비판적으로 논의한다. 마지막으로 기계학습, 광학·InSAR·마이크로파 복사계와의 다중 센서 융합, NISAR·BIOMASS 등 차세대 L-/P-밴드 위성의 등장과 같은 최근 흐름이 향후 PolSAR의 실시간·예측 수문학적 활용을 어떻게 확장할 수 있는지를 제시한다.

지속적인 사회발달로 인한 용수 사용량의 증가와 기후변화로 인한 기후변동성의 증가에 따라 안정적인 수자원 관리를 위한 용수 수요량 예측의 중요성이 커지고 있다. 제1차 국가물관리기본계획에서는 2020년부터 2030년까지 5년 단위로 생활용수 수요량을 예측했지만, 사회, 경제, 기상과 같은 변동요인이 고려되지 않았다. 본 연구에서는 기후변화 시나리오에서 제공하는 사회, 경제, 기상 영향인자를 고려하여 생활용수 수요량을 예측했으며, 이를 위해 XGBoost, DNN, LSTM 기법을 활용하였다. LSTM의 평균 R²는 학습과 검증 단계에서 각각 0.98, 0.94로 나타났으며, 다른 모델보다 성능 저하가 가장 낮고 RMSE와 MAE에서 오차 증가가 가장 작았다. 이에 따라 예측 정확도를 높이고 과적합 위험을 피하기 위해 LSTM을 예측모형으로 선정했다. LSTM 분석 결과 각각의 지자체는 미래 수요량이 감소, 안정, 증가하는 것으로 나타났으며, 이러한 경향은 대표지역인 계룡시, 아산시, 증평군에서 뚜렷하게 나타났다. 제1차 국가물관리기본계획이 제시한 계획 급수인구만으로 도출한 생활용수 수요량 값과 비교한 결과 증가 추세가 동일했다. LSTM에 의한 예측 수요량은 2020년 대비 2035년에 0.44%(SSP1), 0.87%(SSP2), 1.32%(SSP5) 증가했고, 국가물관리기본계획은 14.33%(고수요), 8.00%(기준수요), 16.81%(저수요) 증가하였다. 이러한 예측결과는 지역 맞춤형 수자원 정책에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

수력은 전통적인 재생에너지원으로서 탈탄소 기후위기 대응에서 그 중요성이 재조명되고 있다. 본 연구는 전라남도 구례군 서시천 깔단보를 대상으로 별도의 댐 및 보 설치 없이 현재의 하천환경, 자연하천 유하량(Run of River, RoR)을 활용한 개발 가능한 발전 수자원량을 산정하고, 이에 대한 탄소발생 및 미세먼지 저감 효과를 평가하여 소규모 수력발전 사업의 가능성을 평가하였다. 발전 수자원량 평가는 1) 유역 평균 유출량 방법, 2) 유황곡선 방법, 3) 실 관측 수문곡선 방법을 적용하며, 발전량을 산정하고, 이에 따른 연간 탄소발생 및 미세먼지 저감 효과를 산정한다. 서시천 깔단보(유효낙차 1 m, 발전 효율 85%)의 발전 수자원량 평가는 각각의 방법에 따라 1) 274,062 kWh/year, 2) 104,322 kWh/year (Q₁₈₅～Q₃₅₅), 3) 95,882 kWh/year (평균, Q₁₈₅～Q₃₅₅), 이며, 탄소발생-미세먼지(PM2.5) 저감효과는 각각 1) 125.907 tCO₂ – 2.095 kg, 2) 47.926 tCO₂ – 0.798 kg (Q₁₈₅～Q₃₅₅), 3) 44.049 tCO₂ – 0.733 kg (평균, Q₁₈₅～Q₃₅₅) 이다. 본 연구를 통하여 소규모 하천의 RoR 발전 가능성을 확인하였다.

본 연구는 국내 7개 관측소를 대상으로 C-band Advanced scatterometer (ASCAT)와 L-band Soil moisture active passive (SMAP) 표층 토양수분을 지상관측과 비교하여 계절성과 수문상태(건조/습윤)에 따른 성능 차이를 정량 평가하였다. 겨울을 제외한 봄·여름·가을 자료에 대해 correlation coefficient (R), Bias, root mean square error (RMSE) 지표를 사용하고, 지점별 정상 연평균 강수량을 기준으로 각각의 연도를 건조/습윤으로 구분하였다. 그 결과 SMAP 토양수분은 전반적으로 Bias와 RMSE가 낮게 나타났으며(RMSE:0.08~0.15 vs. 0.10~0.20 m³ m^-3), 이는 L-band의 높은 식생 투과성과 3시간 간격 동화 산출의 시간 대표성 개선 효과에 기인한 것으로 해석된다. 계절적 성능은 두 센서 모두 여름철 장마·대류성 강우로 인해 변동폭이 증가함에 따라 R이 상승(ASCAT 0.57~0.80, SMAP: 0.40~0.78)했다. 단, 일부 공항·군공항 인접 지점에서 SMAP L-band의 전파간섭 가능성, 하천·저수지 인접 지점에서는 동일 픽셀 내 지표-수체 혼재로 오차가 확대되었고, 과수원·관개지에서는 캐노피 구조와 관개의 영향으로 SMAP의 계절 변동성 모의가 제한되었다. 습윤기에는 다수 지점에서 R이 증가하는 동시에 Bias 및 RMSE도 증가하였으며, 이는 포화 근접 시 위성 기반 산출물의 비선형성, 강우 직후 지표 이질성, 식생 수분함량 증가가 주요 원인으로 판단된다.

정하였다. 실험은 내경 100 mm 수평관에서 플러그 및 슬러그 흐름 조건을 대상으로 수행되었으며 PIV 기법을 이용한 유속구조 실험과 영상분석기법을 적용한 기포거동 실험을 각각 수행하였다. 실험결과를 통해 흐름 내 기체점유율 분포는 유량 조건보다 흐름양상 특성에 지배되는 것을 확인하였다. 플러그 흐름에서는 기체가 관 상부에 집중되어 관 내 기체점유율 분포에서 급격한 변화를 보였으며 슬러그 흐름에서는 기체가 단면 전반으로 확산되며 상대적으로 완만한 분포를 관찰할 수 있었다. 기체점유율이 높은 상부 영역에서는 PIV 유효 벡터비가 감소하였으며 해당 구간이 시간평균 유속장과 순간 유속장 간 차이가 발생하는 경계로 작용함을 확인하였다. 이에 따라 해당 구간을 기체 점유 영역의 경계로 정의하여 흐름양상별 유효흐름단면을 산정하였다. 그 결과 플러그 흐름과 슬러그 흐름 간 유효흐름단면에는 최대 20 % 차이를 확인하였으며 이는 흐름양상에 따라 실제 액체수송에 기여하는 유효단면적의 변화가 발생할 수 있음을 의미한다. 이러한 결과는 이상류가 발생하는 대심도 터널과 같은 대구경 관로에서 흐름양상에 따라 실제 배수능력이 설계 성능에 미치지 못할 수 있음을 의미한다. 따라서 관로시스템 설계 및 운영 시 공기 혼입에 따른 유효흐름단면 감소와 그에 따른 통수능 변화를 고려할 필요가 있다.

본 연구는 한강 잠실수역의 수질특성과 수질영향 요인을 규명하기 위해 일원분산분석(ANOVA), 주성분분석, 요인분석을 실시하였다. PD와 JS 지점의 평균 수질은 하천 수질환경기준 Ia～Ib 등급에 해당하였으며, NRJ 지점은 II등급으로 나타났다. 우기에는 JS과 NRJ 지점에서 총대장균군 오염도가 크게 증가하여 이에 대한 관리대책이 필요하였다. PCA 결과 5개의 주성분이 도출되었으며, 각 요인의 기여율은 요인 1이 25.6%, 요인 2가 19.9%, 요인 3이 13.8%, 요인 4가 11.8%, 요인 5가 9.2%로 나타났고, 누적기여율은 80.3%였다. 요인 1은 댐 방류량, 유량, 강수량, SS, TP, 총대장균군과 높은 관련성을 보였으며, 요인 2는 수온, TN, DO, EC. 요인 3은 BOD, pH, TOC, 요인 4는 인구수와 수위, 요인 5는 COD와 연관성이 높았다. 한강 하류의 수질관리를 위해서는 유역의 비점오염물질 및 난분해성 오염물질 유입 차단, 하수처리장 방류수 관리 강화, 건기에 적정 수량 확보를 위한 댐 방류량 조절 및 확대가 필요하다.

최근 도시침수 피해가 매년 반복적으로 발생함에 따라 국립재난안전연구원은 2018년부터 울산, 부산, 인천, 천안, 창원 등에 침수센서를 설치하여 운영하고 있다. 본 연구에서는 다년간 수집된 도시 침수 계측데이터를 활용하여 침수 예측에 활용하기 위해 시계열 예측모델 중에서 장기 의존성 학습에 강점이 있는 LSTM을 이용하여 계측데이터 기반의 침수심 예측모델을 설계하였다. 모델의 성능분석 결과 지표 및 빗물받이 계측 데이터를 활용하여 침수 시점, 종료 시점, 최대 침수심을 정밀하게 예측하였으며, 지표 침수심의 예측 성능은 MAE 1.211, RMSE 3.166, 빗물받이 침수심의 예측 성능은 MAE 4.136, RMSE 7.157로 분석되었으며, 특히 상관계수는 0.94 이상의 높은 성능을 갖는 것으로 분석되었다. 본 연구에서 개발한 계측데이터 기반의 침수 예측모델은 향후 도시 내 실시간 침수 예측 및 대응 체계에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구는 하천 제방의 침투 안정성을 확률론적으로 평가하기 위해 SEEP/W 기반의 자동화 해석 기법을 개발하고, 이를 실제 제방 단면에 적용하여 침투 취약도 곡선을 산정하였다. 제방 재료의 불확실성, 특히 포화 투수계수의 변동성을 반영하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션과 라틴 하이퍼큐프 샘플링 기법을 적용하였으며, Python 기반 자동화 프로그램을 통해 입력 자료 생성, 반복 해석 수행, 결과 저장 및 시각화를 일괄적으로 수행할 수 있도록 하였다. 개발된 기법을 실제 제방 단면에 적용하였다. 적용 결과에 의하면 제체와 하부 지반의 투수계수, 침윤선 길이와 수두, 제방 형상 등이 파괴 확률의 주요 인자로 나타났다. PDF 분석에서는 수위 상승 시 유출 동수경사 분포가 평탄화되며 최빈값이 우측으로 이동하는 특성이 나타났다. 이러한 결과는 기존 연구와 일치하며 본 연구에서 제시한 방법론이 적합함을 나타낸다. 제시된 방법론은 제방의 보강·점검 우선순위 설정, 홍수 위험도 관리 및 투자계획 수립 등에 실무적으로 적용될 수 있다.

최근, 가뭄 및 홍수와 같은 수재해가 빈번하게 발생함에 따라, 이를 효율적으로 관리하기 위해 고해상도 위성 자료 기반의 수체 모니터링의 필요성이 증대되고 있다. 특히, 고해상도 위성 영상은 대규모 수계뿐만 아니라 소규모 저수지와 하천까지도 정밀하게 모니터링할 수 있어, 홍수 시 범람 지역의 신속한 파악이나 가뭄에 따른 저수량 감소 관측 등 재해 대응 측면에서도 큰 이점을 제공한다. 국토위성으로 불리는 차세대중형위성 1호(CAS500-1)는 2 m급 공간해상도를 제공하여 기존 중·저해상도 위성 자료보다 정밀한 수체 탐지가 가능하다. 본 연구에서는 CAS500-1 영상을 대상으로 Swin-Transformer 모델을 적용하여 수체 탐지 성능을 정량적으로 평가하고, 갈수기와 홍수기 사례를 통해 실제 수문학적 조건에서의 적용 가능성을 검토하였다. 혼동행렬 지표 기반 성능 분석 결과, Swin-Transformer는 다양한 규모의 저수지에서 IoU= 0.94-0.97, F1-score= 0.97-0.98을 기록하며 높은 정확도를 보였다. 사례 분석에서는 갈수기 섬진강과 임하호에서 수위 저하와 협소한 지류 조건이 Precision과 Recall 변동에 영향을 주었으며, 홍수기 금강 공주보에서는 구름 피복, 수위 상승, 탁수로 인해 경계부 탐지가 제한되는 현상이 나타났다. 이러한 결과는 CAS500-1 영상과 Transformer 기반 모델이 결합될 경우 안정적인 수체 탐지가 가능함을 보여주며, 동시에 극한 수문학적 상황에서는 추가적인 보완이 필요함을 드러낸다. 본 연구는 국토위성 자료의 활용 가능성을 확인하였으며, 향후 국내 수자원 관리와 가뭄·홍수 재해 대응을 위한 위성 기반 모니터링 체계 고도화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.