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

본 연구는 무인선(Unmanned Surface Vehicle, USV)을 활용한 수환경 모니터링의 적용성을 평가하기 위하여 수행되었다. 수환경 모니터링은 녹조 발생, 탁수 확산, 저층 용존산소 고갈 등 다양한 수환경 문제를 진단하는 데 필수적이며, 기존 유인 조사 방식은 조사 시간 소요, 공간·시간 해상도의 한계, 안전성 문제를 내포하고 있다. 이에 본 연구에서는 다양한 수리·수질 센서를 탑재한 무인선을 운용하여, 하천과 호소를 대표하는 금호강과 소양호를 대상으로 유·무인 조사 결과를 비교·분석하였다. 연구 방법으로는 소양호에서 유·무인선 간 조사 시간 및 데이터 개수 비교를 수행하여 무인선 운용의 효율성을 평가하였으며, 금호강에서는 무인선의 고해상도 모니터링 자료를 공간 보간 기법과 결합하여 유·무인 조사 자료의 공간 재현성을 검증하였다. 연구 결과, 무인선은 유인선 대비 조사 시간을 평균 6.7% 단축하였으며, 데이터 개수는 평균적으로 8.7% 감소하였으나 수체의 3차원 구조를 재현하기에는 충분한 밀도가 확보되었다. 또한 금호강에서는 무인선 기반 조사 자료가 공간 보간 결과에서 더 정밀한 수리·수질 구조를 나타내어, 좁은 수역에서의 고해상도 모니터링에 효과적임이 확인되었다. 결론적으로, 무인선은 수환경 모니터링에서 시간 효율성, 안전성, 자동화 가능성 측면에서 유인 조사 방식에 비해 우수한 성능을 보였으며, 향후 수환경 관리 및 연구 현장에서 기존 방법을 보완하거나 대체할 수 있는 유망한 기술적 대안으로 활용될 수 있다.

본 연구는 국내에서 운영 중인 자동수질측정망과 자동유량측정망, 총량측정망을 연계하여 고빈도 오염부하량 산정의 적용 가능성을 평가하였다. 연구 대상은 낙동강 본류 내 두 구간(Site1: 칠곡보 상류, Site2: 강정고령보 상류)으로 설정하였으며, 2015년부터 2024년까지의 수질·유량 자료를 수집하여 분석하였다. 자동측정망의 고빈도 자료와 총량측정망(8일 간격)의 저빈도 자료를 비교하여 총질소(T-N)와 총인(T-P) 부하량의 시계열 변동 및 상관성을 평가하였다. 분석 결과, T-N 부하량의 경우 자동측정망과 총량측정망 간의 결정계수(R2)가 0.920 이상으로 높게 나타나 높은 일관성을 보였으며, 강우사상 시 자동측정망은 단기 피크 부하량을 정밀하게 포착하여 총량측정망의 저빈도 관측 한계를 효과적으로 보완하였다. 반면, T-P 부하량은 상관성이 낮고 일부 강우사상에서 두 관측망의 편차가 발생하였다. 이러한 결과는 자동측정망을 활용한 고빈도 측정이 총량측정망의 한계를 보완할 수 있음을 시사하며, 부하량 산정의 정밀도를 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 본 연구는 국내 수질 및 유량 측정망을 연계 분석하여 센서 기반 고빈도 부하량 산정 방법론의 적용 가능성을 실증하였으며, 향후 통합측정망 운영의 필요성을 검증하고, 정책적 개선 방향을 제시했다는 점에서 의의가 있다.

최근 하천 수질은 기후 변화와 더불어 도시화·농업화·산림 구조 등 토지이용 특성의 공간적 이질성에 따라 크게 달라지며, 동일한 수질 구성 인자라도 유역의 토지피복 배경에 따라 서로 다른 반응과 민감도를 보인다. 그럼에도 기존의 가상 센서 기반 수질 예측 연구는 이러한 토지이용도 기반 공간적 차이를 충분히 반영하지 못한 한계가 존재한다. 본 연구는 한강권역 37개 단위유역 말단 지점을 대상으로, WT, DO, pH, EC, Chl-a, SS, NO₃-N, NH₃-N, PO₄-P 등의 수질 자료를 활용해 가상 센서 기반 T-N 및 T-P 농도 산정 모델을 구축하였다. 다중선형회귀(MLR), 랜덤 포레스트(RF), 그래디언트 부스팅(XGB)을 적용하고, 공간적 clustering 기법을 도입해 모델의 정밀도와 해석 가능성을 향상시켰다. 평가 결과, T-N 산정에서는 모델 간 성능 차이가 크지 않았으나, T-P 산정에서는 cluster와 모델 간 성능 편차가 두드러져 P 계열 항목의 지역 이질성과 비선형성이 중요한 영향을 미침을 확인했다. SHAP 분석 결과, T-N은 NO₃-N, NH₃-N이, T-P는 SS, PO₄-P가 주요 기여 변수로 나타났으며, cluster별 민감도와 영향 방향성의 차이도 확인되었다. 특히 SS와 PO₄-P는 모델 간 부호 차이를 보였다. 본 연구는 머신러닝 기반 수질 산정의 해석 가능성과 지역 맞춤형 수질 관리 전략의 기초자료 제공 가능성을 제시한다.

최근 기후변화로 인한 집중호우와 태풍으로 발생하는 고탁수 문제는 저수지와 하천의 수질관리에 심각한 문제를 발생시킨다. 기존의 부유사 농도 측정은 채수와 실험실 분석에 의존하여 실시간 모니터링에 한계가 있으며, 탁도-부유사 관계식 또한 입자 크기 분율에 따른 정확도 저하 문제가 제기되어 왔다. 또한 고탁도 조건에서는 광학 경로에서 다중 산란이 발생하여 농도와 입도를 과대 추정하는 한계가 있다. 이를 개선 하기 위해, 본 연구는 광 경로를 줄여주는 보조 모듈(Path Reduction Module, PRM)을 활용하여 고탁수 조건에서의 부유사 농도 측정 가능성을 검토하였다. 실험은 소양강 상류에서 조사된 입도 분포를 반영하여 네 가지 분율 조건을 설정하고 실내 순환수로에서 진행하였다. 동일 조건에서 기본 LISST-200X와 PRM 장착 LISST-200X를 순차적으로 측정하였다. YSI-EXO2를 병행하여 탁도를 측정하였으며, 취득된 데이터는 분율별로 세분화한 후 시간 평균화 및 median filter 기법을 적용하여 부유수 농도의 변동성을 보정하였다. 그 결과, PRM 모듈 적용 시 측정 가능 범위가 약 250 FNU에서 300 FNU로 증가되어 고탁수 환경에서도 안정적인 모니터링이 가능함을 확인하였다. 또한 입자 크기 분율을 반영할 경우 탁도-부유사 관계의 선형성이 크게 향상되었으며, median filter는 이상치 제거와 변동성 저감에 효과적이었다. 본 연구는 LISST-200X와 PRM을 활용한 실험적 검증을 통해, 탁도 기반 부유사 농도 추정 모델의 정교화와 고탁수 환경 모니터링의 실용적 개선 가능성을 제시하였다.

본 연구에서는 센서가 장착된 무인원격이동체(unmanned remote system)를 기반으로 측정된 수질 및 유량 데이터를 통합적으로 관리·분석할 수 있는 지능형 수질·유량 통합관리 시스템(Smart Integrated Water Data Management System)을 구축하였다. 본 시스템은 ODM2, WaterML 2.0 및 RiverML 0.2 표준구조를 적용하여 데이터의 수집, 전처리, 품질검증, 3차원(3D) 시각화를 자동화하였으며, 국가 수자원관리시스템(WAMIS)과 물환경정보시스템(WEIS)과의 실시간 연계를 지원한다. 현장 적용은 낙동강·금호강·진천천 합류부(사문진교 인근)와 팔당호 등을 대상으로 수행하였다. 분석 결과, 낙동강 ·금호강 ·진천천 합류부에서는 유량비를 좀 더 정확하게 파악할 수 있었고 수질항목들의 공간적 변화를 3차원적으로 정량화하는 데에 효과적이었다. 팔당호에서는 클로로필-a 및 영양염 농도를 3차원적으로 파악함으로써 녹조의 조기탐지, 발생 양상 및 변화를 예측하는 데 기초자료로 활용 가능함을 확인하였다. 또한, 각 수질항목과 유량 데이터 간의 상관·회귀분석을 통해 영향요인을 규명하고 회귀식을 제시하는 데에 활용 가능하였다. 본 시스템은 3차원 관측데이터를 통합 관리하고 수질·유량 상호작용을 정량적으로 분석할 수 있는 기반을 제공하며, 향후 지능형 대응체계로의 전환에 기여할 것으로 기대된다.

본 연구는 물환경 계측 자율무인선(USV)이 하천과 호소에서 시·공간적으로 변동하는 수리·수질 구조를 공백역 없이 안정적으로 계측하고 안전하고 효율적인 자율운항을 지원하기 위해 LTE와 Starlink를 통합한 다중통신망 기반 계측 시스템을 개발하고 그 성능을 분석하였다. 하천과 호소 환경에서 LTE 음영지역 등 기존 통신 인프라의 한계로 발생하는 통신 문제를 개선하였다. 일반 환경에서는 고속·저지연 LTE를 주 통신망으로 사용하고, 서비스 범위를 벗어난 음영지역에서는 광대역·저지연 Starlink 위성 인터넷을 활용하여 통신 연속성을 보장하였다. 핵심 기술인 정책 기반 라우팅(PBR)이 적용된 지능형 네트워크 스위칭 알고리즘은 실시간 통신환경, 데이터 유형별 중요도 및 품질 조건 등을 종합적으로 판단하여 최적의 네트워크를 동적으로 선택하고 전환한다. 소양호 현장 시뮬레이션 결과, 개발된 시스템은 기존의 단일 통신망 대비 통합 커버리지(99.90 % 이상), 데이터 전송률(95.00 % 이상), 지연시간(최대지연 150 ms 이하) 측면에서 우수한 성능을 입증하였다. 이 연구는 Starlink와 같은 차세대 LEO 위성 시스템을 활용하여 통신 불안정으로 인한 데이터 누락을 최소화하고 물환경 계측 자율무인선의 운항 안전성을 확보하여 고신뢰 수리·수질 모니터링 인프라 구축에 기여할 것으로 기대된다.