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

국내 용수 수요가 증가함에 따라 지역 간 물 배분 관련 분쟁이 발생할 가능성이 커지고 있다. 용수 공급 지역과 사용 지역 간의 불균형을 해소하기 위해서는 용수 수요의 시공간적 변동성을 파악해야 한다. 본 연구에서는 사회 및 경제 인자를 바탕으로 공간구조지수를 산정하고 표준편차타원을 이용하여 생활용수 수요량의 시공간적 변동성을 분석하였다. 또한 Random Forest 모형을 활용하여 미래 생활용수 수요량을 예측하고, 시공간적 변동성 또한 분석하였다. 표준편차타원 분석 결과, 관측기간의 생활용수 수요량의 중심점은 2000년 127.40°E, 36.49°N에서 2021년 127.38°E, 36.54°N으로 이동하여 북서 방향 이동 추세를 보였다. 미래 예측기간의 경우 SSP5에서 중심점은 2025년 127.33°E, 36.60°N에서 2100년 127.29°E, 36.60°N으로 이동하였다. SSP1, SSP2, SSP5의 전반적인 이동 방향은 비슷하나 타원 크기 변화는 SSP1에서 크게, SSP5에서 작게 나타났다. 표준편차타원 분석에 가중치로 사용된 지니계수의 경우, 2025년에는 대전광역시, 청주시, 천안시, 세종특별자치시, 아산시 순으로 크고, 2100년에는 대전광역시(=청주시), 세종특별자치시(=천안시), 아산시 순으로 크다. 시군별 추세는 전반적으로 지니계수가 증가하여 불균형이 커지며, 몇몇 시군에서 변동성을 보이며 감소하였다. 이는 시공간 측면에서 과거에는 불균형이 완화하다가 미래에는 불균형이 커진다는 것을 시사한다.

기후 변화의 영향으로 인한 강우 패턴의 변동성 증가는 홍수와 가뭄과 같은 극한 수문 사상의 발생 빈도를 높이고 있으며, 이에 따라 저수지 수위 변동을 정밀하게 모니터링할 수 있는 체계가 요구되고 있다. 그러나 기존의 지점 기반 수위 관측은 저수지 전역의 공간적 수문 변동성을 충분히 반영하는 데 한계를 가진다. 이를 보완하기 위해 Sentinel-1 합성개구레이더(Synthetic Aperture Radar, SAR)를 활용하여 2021년부터 2024년까지 영산강 유역 내 4개 호소(나주댐, 광주댐, 장성댐, 평림댐)의 수체 탐지 및 저수위/저수량 산정 기법을 제안하였다. 수체 탐지에는 K-means Clustering과 Otsu Thresholding 기법을 적용하고, Esri Sentinel-2 Land Cover 자료를 참조하여 혼동행렬 기반 성능 평가를 수행하였다. 또한 SAR 기반으로 산정된 수체 면적과 후방산란계수(σ⁰_VV, σ⁰_VH), 연중일(DOY)을 입력 변수로 하는 Random Forest를 구축하여 저수위 및 저수량을 산정하였다. 분석 결과, K-means clustering은 다양한 토지피복 조건에서 안정적인 수체 탐지 성능을 보였으며, SAR 기반 수체 면적은 실측 자료와 높은 상관성을 나타냈다(R = 0.81-0.98). Random Forest 기반 저수위 및 저수량 산정 결과 또한 모든 댐에서 높은 예측 성능을 확보하였다(R = 0.85-0.97, IOA ≥ 0.91). 본 연구는 SAR 기반 수체 탐지 결과를 실측 수문 자료와 정량적으로 연계하여 저수지의 장기적인 수위 및 저수량 변동을 안정적으로 추정할 수 있음을 입증하고, 위성 기반 수문 모니터링의 적용 가능성을 제시한다.

대심도 배수터널은 대구경·장거리·대심도로 인해 현장 실험과 고해상도 계측이 어렵고, 터널 내 유사 거동 평가는 수치 모의에 크게 의존한다. 본 연구에서는 OpenFOAM 기반 3상 솔버 SedInterFoam을 이용해 자유수면 하 유사 이송과 침적을 모의하였다. 먼저 개수로 수리 실험을 재현한 단면에서 수직 속도와 유사 농도 분포를 비교하여 모형을 검증한 뒤, 이를 국내 대심도 배수터널 제원에 맞춘 단순화 도메인에 적용하였다. 유지관리 차량 통과 폭을 고려해 폭 B = 0.60 m, 깊이 H = 0.30 m인 반원형 저류부 단면을 터널 바닥에 연속 배치하고, 동일한 유입 유량·유사 조건에서 저류부 미설치 기본 단면과의 차이를 비교하였다. 두 경우에 대해 시간에 따른 저면 침전두께, 저류부 내 유사 포착량, 본선 터널 바닥 잔류 침전 및 하류 이송량을 분석하였다. 그 결과 반원형 저류부는 저류부 내부에 저속·재순환 영역을 형성하여 유사를 국부적으로 포착하고 본선 바닥 평균 침전두께와 하류 유사 이송을 유의하게 감소시키는 것으로 나타났다. 본 결과는 대심도 배수터널의 유사 제어 구조물 적용 여부와 제원 결정에 대한 정량적 근거를 제공한다.

이미지 기반 하천 모니터링 연구는 위성, 무인항공기(UAV), CCTV 등 다양한 관측 자료를 활용하여 빠르게 확산되고 있다. 그러나 국내 하천을 대상으로 한 벤치마크 데이터셋이 부재할 뿐만 아니라, 실제 하천 환경에서 조도와 같은 환경 변수가 특징점 기반 알고리즘의 특징점 검출 및 특성 매칭 성능에 미치는 영향을 체계적으로 검증한 연구는 미비한 실정이다. 이에 본 연구에서는 국내 주요 유역의 시·공간적 다양성을 반영한 KU 하천 이미지 데이터셋(KU River Image Dataset) 1,732장을 구축·공개하였으며, 이 중 일부 이미지를 활용하여 특징점 검출 기법인 스케일 불변 특징 변환(SIFT) 기반의 분석을 수행하였다. 실험 결과, 주간에는 특징점의 개수가 증가하고 변동성이 상대적으로 크게 나타난 반면, 야간에는 개수가 감소하였으나 보다 안정적인 특성을 보였다. 더불어 알고리즘 성능 평가에서 조도가 안정적인 야간-야간 조합이 가장 높은 특징 매칭 성능을 기록하였으며, 조도 조건에 따라 최적 성능을 나타내는 이미지 해상도 단계(옥타브)가 상이함을 확인하였다. 또한, 주간-야간 교차 정합에서는 상대적으로 낮은 특징 매칭 성능을 보임으로써, 조도 조건이 하천 이미지 정합 및 특징 매칭에서 핵심적인 변수임을 확인하였다.

오늘날 가뭄은 단순한 수문기상학적 자연재해를 넘어, 지역의 수자원 이용구조와 사회·경제적 특성에 따라 피해 양상이 달라지는 사회경제적 위험으로 인식되고 있다. 사회·경제적 물부족은 가용 수자원량과 용수 수요량간의 불균형으로 발생하며, 지역의 경제활동과 시민들의 삶의 질에 직접적인 영향을 미친다. 이에 본 연구는 대한민국의 전 지역을 대상으로 지역과 용수 이용 특성을 반영한 사회·경제적 물부족 위험도 평가체계를 구축하고, 위험 특성에 따른 지역 유형화를 통해 정책적 대응방향을 도출하고자 한다. 물부족 위험도 평가는 위해성, 노출성, 취약성으로 구성된 프레임워크를 활용하였으며, 읍면동 단위의 공간해상도를 활용함으로써 지역 내 세부적인 위험 특성을 정밀하게 분석하였다. 분석 결과, 농업·공업의 노출성, 시설 및 제도부문의 취약성이 물부족 위험에 주요한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 특히 강원특별자치도와 경상북도·경상남도 일부 지역에서 높은 물부족 위험이 집중적으로 분포하였다. 위험 요인의 결합 양상에 따라 전국 지역을 여섯 개 유형으로 구분하고, 각 유형별 물부족 위험 특성에 기반한 차별적 대응 방향을 제시하였다. 본 연구 결과는 전국 읍면동 단위의 물부족 위험을 비교·진단할 수 있는 기초 자료로서, 광역 및 기초 지방자치단체의 가뭄 대응 우선순위 설정과 지역 맞춤형 물관리 정책 수립을 지원하는 데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

기후변화로 인한 국지성 집중호우의 빈번한 발생은 도시 지역의 침수 피해를 증가시키고 있으며, 우수관거 내 압력 상승에 따른 맨홀 덮개 이탈 사고가 주요한 안전 문제로 대두되고 있다. 본 연구에서는 유입유량 변화와 하류 막힘 조건이 맨홀 이탈에 미치는 영향을 규명하기 위해 실제 우수관거 구조를 모사한 실규모 실험을 수행하였다. 총 연장이 35 m 이며, 직경이 1 m 인 우수관에 직경 0.645 m, 무게 20 kg의 맨홀 덮개을 설치하고, 유입유량 0.7 m³/s와 1.4 m³/s 조건에서 하류 수문 개방율을 0～100%로 단계적으로 조절하였다. 맨홀 집수정 및 인접 관거에 압력계를 설치하여 1초 간격으로 압력을 계측하고, 맨홀 덮개 이탈 여부를 관찰하였다. 실험 결과, 맨홀 덮개 이탈은 유입유량과 하류 막힘 조건에 따라 우수관 내 압력 증가, 우수의 역류, 맨홀 덮개의 이탈, 부분역류, 완전역류로 이어지는 단계적 거동을 보였으며, 하류 막힘보다 유입유량의 변화가 이탈 발생에 더 민감하게 작용하는 것으로 나타났다. 본 연구는 맨홀 덮개 이탈 발생의 임계 조건을 실험적으로 제시함으로써, 도시 우수관거 시스템의 안전성 평가 및 맨홀 설치 기준 수립을 위한 기초자료를 제공한다.

본 연구는 삼천 유역 세내교 하류 구간을 대상으로 식생상태 변화(직립, 휨, 도복)를 조도계수를 반영하고자 하천기본계획 조도계수(CASE 1), 수위-유량 관계식 기반 조도계수(CASE 2), 식생 저항 경험식(CASE 3)로 세 가지 시나리오를 구성하였다. 유연 식생의 직립 및 휨, 도복 현상이 수위 및 유량 조건에 따라 발현되는 것을 확인하기 위해 기왕최대강우와 평년강우 조건을 채택하여 식생상태 변화에 따른 수위 변화 양상을 분석하였다. 분석 결과 기왕최대강우 조건은 CASE 2의 2차 도복 상태, CASE 3의 도복 상태의 적합도가 높게 나타났으며, 평년강우 조건의 경우 CASE 1과 CASE2의 직립 및 휨, 1차 도복, 2차 도복에서 우수한 성능을 보였다. 이에 따라 실제 하도 내 식생상태 변화에 따른 동적 조도계수 적용이 모의 신뢰도 향상에 효과적임을 확인하였다.

하천 부유사는 하상 변동과 수질·생태 과정의 핵심 인자로서 정밀한 시공간 계측이 요구된다. 그러나 부유사채집기, LISST (Laser In-Situ Scattering and Transmissometry) 등 일반적인 계측장비는 특히 홍수기에 설치 및 유지 관리가 어려워 고해상도 모니터링에 제약이 따른다. 본 연구는 기존 계측의 한계를 보완하는 대안으로 제안된 CCTV 기반 초분광 계측 시스템(CCTV-Hyperspectral Imaging for Suspended Sediment Transport, CCTV-HISST)의 복잡한 하천 환경 적용성을 검증하기 위해 감천에서 유사 추적자 실험을 수행하고, 그 결과를 옥외 실규모 수로 실험 적용 결과와 비교·분석하였다. 유사 추적자 실험은 황토를 주입하여 서로 다른 태양복사 조건에서 총 3회 수행하였으며, 영상 내 프레임에 포함된 백색 기준 반사판과 수체를 동시에 관측하는 실시간 방사보정법을 적용하여 자연광 변화에 따른 불확실성을 최소화하였다. 초분광-부유사 농도 변환 모형으로 LiCAR (Light Classification and Adaptive Regression)를 적용한 결과, 감천 실험 자료에 대해 높은 예측 정확도(R² = 0.97, MAPE = 13.3%)와 편향이 거의 없는 우수한 성능을 나타냈으며, 이는 옥외 실규모 실험 결과와 정량적으로 유사한 수준이었다. 두 실험 간 부유사 농도에 대한 분광 민감도는 전반적으로 유사한 경향을 보였으나, 수심, 유사 혼합 상태, 배경 수체 특성 및 태양-카메라 고도의 차이로 인해 분광 스펙트럼-부유사 농도 관계에서 일정한 편향이 관찰되었다. 특히 얕은 수심 조건에서 복잡한 표층 유사 거동이 나타난 감천에서는 근적외선 영역(약 850 nm)의 분광 중요도가 상대적으로 증가하였다. 나아가 LiCAR로 산정된 표층 2차원 농도 분포를 Rouse-alpha 모델을 통해 연직 확장하여 시공간적으로 연속적인 3차원 부유사 농도 구조를 재구성하였다. 본 연구 결과는 CCTV-HISST가 복잡한 수리·광환경 조건의 하천에서도 적용 가능함을 보여주며, 향후 하천 모니터링과 수리·환경 관리 분야에서의 실무적 활용 잠재력을 시사한다.