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

도시홍수 대응 체계는 우수관거, 유수지, 빗물펌프장 등 배수 인프라를 통해 강우 유출을 신속히 수집·이송·배제하는 집중형 배제(Collect–Transport–Discharge, CTD) 방식에 기반하여 발전해왔다. 그러나 기후변화에 따른 극한 강우 증가와 불투수면 확대는 설계 기준을 초과하는 조건에서 기존 체계의 구조적 한계를 드러내고 있으며, 이때 배수 성능은 급격히 저하되고 유출은 특정 지점으로 집중되는 경향을 보인다. 본 연구는 기존 도시홍수 대응 기술의 유형, 연구동향 및 한계를 검토하고, Room for the River, Floodable Parks, Water Squares 등 국외 사례와 국내 도시 저류 및 침수 저감 사례를 재해석하여 공간저류기술(Spatial Flood Retention Technology, SFRT)의 개념을 정립하였다. SFRT는 지표유출의 공간적 분포를 제어하고 집중된 유출을 계획된 침수 허용 공간으로 재분배함으로써 침수심과 피해 강도를 저감하는 접근으로 정의된다. 또한 본 연구는 유출 집중 메커니즘과 침수 피해의 비선형 특성을 바탕으로 적용 가능한 도시 공간 유형, 배수체계 연계 및 기능 회복 조건, 설계 원칙을 포함하는 개념적 프레임워크를 제시하였다. SFRT는 기존 기술을 대체하는 것이 아니라, 유출량 및 배제 용량 중심의 대응을 유출 분포 제어로 확장함으로써 기존 기술을 보완하는 개념이다. 향후 수치모형, 실증 분석, 안전 기준 개발 및 배수체계 연계성 평가를 통해 제안 개념의 타당성을 검증할 필요가 있다.

기후변화로 인한 가뭄 발생 빈도와 강도가 증가함에 따라 수자원 활용 가능량의 정밀한 파악과 실시간 모니터링 기술의 중요성이 높아지고 있다. 그러나 기존의 지점 기반 수문 관측 체계는 시·공간적으로 불균등하게 분포하는 수자원 현황을 광역적으로 파악하는 데 구조적 한계를 내포하고 있으며, 원격탐사 자료를 활용하여 공간적으로 연속적인 수자원 활용 가능량을 정량화하는 표준화된 방법론은 아직 정립되지 않은 실정이다. 본 연구에서는 첨단 원격탐사 자료를 활용한 수자원 활용 가능량 모니터링 기술의 현황과 발전 방향을 수자원 물그릇 DEM 구축, 수표면적 및 수위 산정, 수자원량 산정, 수자원 활용 가능량 모니터링 체계 구축, 통합 모니터링 시스템 개발의 관점에서 체계적으로 검토하였다. 음향측심 및 항공 라이다 기반 물그릇 DEM 구축 기술, 광학·SAR 위성영상 기반 수표면적 산정 기술, 위성 고도계 및 SWOT 기반 수위 산정 기술, 다종 원격탐사 자료 융합 기반 수자원량 산정 기술을 종합적으로 검토하였으며, 물리적 수자원량에 최소유지수량, 수질 조건, 지하수 및 강수량 자료를 통합적으로 반영하는 수자원 활용 가능량 모니터링 체계의 구축 방향을 제시하였다. 본 논문에서는 기존 지점 기반 수자원 평가 체계의 한계를 극복하고 전국 단위 수자원 활용 가능량의 시·공간적 정량화 및 모니터링 기술 개발 방안의 방향성을 제시하였다.

실시간 유속 시계열은 홍수 모니터링, 유량 산정, 수문 의사결정 등 다양한 분야에서 활발히 활용되고 있다. 그러나 원시 관측자료에는 센서 노이즈와 스파이크형 이상치, 고주파 변동이 복합적으로 포함되어 실시간 활용에 필요한 안정적인 품질을 확보하기 어렵다. 이에 본 연구는 실시간 유속 시계열의 품질을 개선하기 위한 전처리-후처리 프레임워크를 제시하였다. 대상 자료는 2025년 홍수기 중 수문사상이 발생한 관측 지점 가운데 서로 다른 오류 특성이 관측된 6개 지점의 유속 시계열로 선정하였다. 실시간 전처리 단계는 Huber 가중 재귀적 최소자승법 기반의 온라인 갱신이 가능한 학습모델로 수위-유속 관계를 반영한 참조유속을 생성하고, 퍼지 규칙 필터와 후행창 Hampel 필터를 적용하여 급격한 이상치와 국지 변동을 보정하도록 구현하였다. 비실시간 후처리 단계는 중앙창 Hampel 필터로 잔류 이상치를 정제하고, 인접 유속 변화량 분산 비율과 첨두유속 보존율, 기울기 보존율, 유속 합계 비율을 고려한 최적 창 크기 기반의 0-위상 이동평균으로 최종 평활화를 수행하도록 구성하였다. 퍼지 필터 단계에서 유속 변화량의 분산은 지점별로 29.9~70.5% 감소되었고, 후행창 및 중앙창 Hampel 필터 단계에서 시계열 변동성은 각각 2.0~15.7%와 2.3~8.5% 추가 완화되었다. 또한 0-위상 이동평균 단계에서는 모든 지점에서 첨두유속 보존율과 유속 합계 비율이 각각 0.988~0.999의 범위와 1.0으로 유지되었다. 최종 처리된 시계열은 수위 변화에 대한 유속 반응이 원시자료보다 일관된 형태로 정리되었으며, 이는 제안된 프레임워크가 자료의 수문학적 형태를 보존하면서 안정성과 해석성을 높일 수 있음을 보여준다.

해수면 상승과 극한 연안재해는 해수범람의 발생 가능성을 증가시키며 이에 따라 해안대수층의 해수 침투 위험을 가중시킨다. 본 연구는 해수범람 조건에서 불투과성 호안 배후 해안대수층에서 발생하는 수직적 해수침투 및 담수 회복 과정을 실험적으로 분석하였다. 이를 위해 침수높이와 침수거리를 달리한 모래수조 실험을 수행하였다. 또한 컴퓨터 비전 기반 영상분석 기법을 적용하여 해수영역의 시공간적 변화를 추적하고, 그 확장 및 회복 특성을 정량화하였다. 실험 결과, 지표면으로부터 유입된 해수는 하향 전파되며 기존 해수영역과 상호작용하는 것으로 나타났다. 침수높이가 증가함에 따라 해수영역의 공간적 범위는 변화하였으나, 최대 해수영역 면적은 비선형적 응답을 보였다. 반면 침수거리가 증가할수록 대수층으로 유입되는 해수량과 해수영역의 공간적 확장 범위가 현저히 증가하였으며, 이에 따라 회복 판정 기준에 도달하는 데 소요되는 시간도 크게 증가하였다. 또한 회복 판정 기준 도달 시간은 침수높이보다 침수거리에 더 민감하게 반응하는 것으로 나타났으며, 이는 침수거리가 해안대수층 내 해수영역의 지속성과 회복을 지배하는 핵심 인자임을 시사한다.

본 연구는 국내 충적하천에서 관찰되는 ‘백색하천에서 녹색하천으로의 천이(white-to-green river transition)’ 현상의 시기, 구동요인 및 하천반응 특성을 규명하는 것을 목적으로 한다. 과거 한반도의 하천은 모래, 자갈이 노출된 교란 상태의 백색하천이 지배적이었으나, 최근에는 강턱, 사주 및 홍수터에 초본 및 목본 식생이 확장된 녹색하천으로 전환되고 있다. 이러한 변화는 하도 통수능 저하 및 홍수위험 증가라는 공학적 문제를 야기하는 동시에, 생물다양성 증진과 서식처 다양성 확보라는 생태적 기능을 수반하는 이중적 특성을 가진다. 역사기록, 항공사진 및 최근 연구성과를 종합적으로 분석한 결과, 1970년대 후반 유역 산림녹화에 따른 토사공급 감소와 다목적댐 건설에 따른 홍수교란 완화로 식생 이입·활착에 유리한 조건이 형성되기 시작한 것으로 나타났다. 이후 1990년대 초부터 식생의 본격적인 이입 및 확장이 진행된 것으로 판단된다. 국내에 흔한 모래하천은 댐에 의한 유량 변동성 감소와 홍수교란 약화가 식생 확장을 지배하는 주요 요인으로 작용하는 것으로 나타났다. 비조절하천에서도 계절적 강우-유출 변동성이 ‘기회의 창’을 형성하여 식생 이입을 간헐적으로 촉진하는 것으로 해석된다. 이러한 결과는 하천식생 변화가 단순한 생태적 현상이 아니라 흐름-유사-지형-식생 간 상호작용에 의해 지배되는 통합적 생물지형학적 과정임을 보여준다. 향후 기후변화에 따른 극한 수문사상의 변화는 수변식생레짐에 중대한 영향을 미칠 것으로 예상되며, 이를 반영한 장기적·적응적 하천관리 전략 수립이 요구된다.

최근 기후변화의 영향으로 가뭄의 발생 빈도와 강도가 증가하면서 농업 피해가 확대되고 있다. 특히 국내 밭 농업은 물 공급을 주로 강우에 의존하고 있어 가뭄에 매우 취약하며, 필지 규모가 작은 국내 농업 환경에서는 중·저해상도 위성자료만으로 농경지 단위의 식생 변화를 정밀하게 파악하는 데 한계가 있다. 이에 따라 본 연구에서는 고해상도 PlanetScope 시계열 영상을 활용하여 국내 농업가뭄 모니터링 적용 가능성과 식생 기반 가뭄 반응 특성을 분석하였다. 연구 대상 지역은 경상남도 창녕군으로 선정하였으며, 2018년 PlanetScope 영상으로부터 NDVI, EVI2, GNDVI, SAVI를 산정하였다. 또한 동일 시기의 MODIS 식생지수와 비교하여 PlanetScope 기반 식생지수의 시계열 일관성과 반응 특성을 검토하였다. 더불어 Vegetation Condition Index (VCI)와 Standardized Vegetation Index (SVI)를 산정하고, 두 임계조건을 동시에 만족하는 최초 시점을 식생 기반 가뭄 반응 시점으로 정의하여 기준 가뭄 기간과 비교하였다. 분석 결과, NDVI, EVI2, SAVI는 MODIS와 높은 결정계수를 나타냈으며, GNDVI 역시 통계적으로 유의한 관계를 보였다. 또한 식생 기반 가뭄 반응 시점은 기준 가뭄 종료 이후 약 64∼70일의 지연을 두고 나타났으며, 이는 산정된 식생 저하 시점이 기준기간 이후 일정한 시차를 두고 나타났음을 보여주며, 누적 수분 스트레스와 계절적 생육 변화가 함께 반영되었을 가능성이 있다. 본 연구 결과는 PlanetScope 기반 식생지수가 연구지역 농경지의 평균적인 식생 변화와 가뭄 반응 시점을 분석하기 위한 자료로 활용될 가능성을 보여준다.

해수 침투는 연안 대수층에서 담수 자원의 염분화를 유발하는 현상으로, 장기적인 지하수 이용 안정성과 수자원 관리 측면에서 중요한 관리 대상이다. 그러나 해수 침투 현상은 조석, 강수, 지하 수위 변동과 인위적 양수 등의 복합적인 요인에 의해 기존의 물리적 기반 수치모델만으로 장기 예측에 한계가 있다. 특히 현장 관측 자료의 변동성과 불확실성은 해수 침투 예측의 정확도를 저해하는 주요 요인으로 작용한다. 본 연구에서는 이러한 한계를 보완하기 위해 국내 해안 지역 지하수 관측소에서 장기간 측정된 전기전도도(Electrical Conductivity, EC) 시계열 자료를 활용하여 해수 침투 정도를 예측하고자 하였다. 장기 시계열 의존성 학습에 강점을 가지는 LSTM (Long Short-Term Memory) 모델을 적용하여 경남지역 해운 1과 목도 1, 전남지역 고금 1, 소라 2, 강원지역 대포 1, 조양 1 그리고 인천 및 충남지역 숭뇌 2, 근홍 2 관측소의 2014년 1월 1일부터 2023년 5월 31일까지 총 3,437개의 시계열 데이터 중 70.0 %를 학습시킨 후 30.0 %를 해수 침투 예측 특성을 분석하였다. 장기 시계열 EC 자료를 활용한 LSTM 모델을 통한 예측은 전반적으로 해수 침투 변동 경향을 효과적으로 모사하였으나, 지역별·자료별 변동성 특성에 따라 예측 성능 차이가 확인되었다. 변동성이 상대적으로 작은 지역에서는 안정적인 예측 성능을 보인 반면, 급격한 상승·하강이 빈번한 관측소에서는 예측 오차가 증가하는 경향이 확인되었다.

최근 비접촉식 표면유속계를 이용한 하천 유량측정이 확대됨에 따라 표면유속에 영향을 미치는 외부 요인에 대한 고려가 중요해지고 있다. 특히 바람은 표면유속을 변화시키는 주요 인자로, 이를 고려하지 않을 경우 유속 및 유량측정 오차를 유발할 수 있다. 본 연구에서는 실험수로를 이용하여 역풍 조건에서 바람이 표면유속에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과 표면유속 변화량은 수면 기준 10 m 높이 풍속의 평균 3.3%에 해당하는 것으로 나타났으며, 이에 따른 바람보정계수는 0.033으로 산정되었다. 산정된 바람보정계수는 레이더 표면유속계 기반 자동유량측정시스템이 구축된 홍천강 홍천군(홍천교) 지점에 적용하였다. 레이더 표면유속계로 측정한 표면유속에 바람보정계수를 적용한 후 지표유속법(IVRC)으로 산정한 평균유속을 수위-유량관계곡선(HQRC) 기반 평균유속과 비교한 결과, RMSE는 0.04 m/s에서 0.03 m/s로 25% 감소하였다. 또한 보정 후 평균유속의 변동 경향은 HQRC 기반 평균유속과 더욱 잘 일치하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 표면유속 기반 유량측정에서 바람영향 보정의 필요성을 보여주며, 본 연구에서 산정한 바람보정계수의 현장 적용 가능성을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 전자파 표면유속계를 이용한 하천 유량 측정의 신뢰성 확보를 위해 GUM (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement) 기반 불확도 산정 체계를 구축하고, 실측자료를 통해 그 적용성을 검토하였다. 도플러 기반 유속 측정 모델을 정의하고, 설치 및 운용 조건, 환경 요인, 수리학적 요인을 포함한 성분별 불확도 체계를 구성하였다. 평창교 및 홍천교 실측자료 적용 결과, 유량의 합성표준불확도는 각각 2.66%와 2.63%, 확장불확도는 95% 신뢰수준에서 약 5.32%, 5.26%로 나타났다. 측선별 유속 불확도는 평균 7% 수준이었으나, 하안 부근 저유속 구간에서는 불확도가 13% 이상으로 증가하는 공간적 변동성을 확인하였다. 성분별 기여도 분석 결과, 안테나 빔 폭과 유속환산계수가 전체 불확도의 90% 이상을 점유하는 지배적 인자로 파악되었다. 본 연구에서 제안한 체계는 비접촉식 유량 측정의 불확도 발생 원인을 정량적으로 식별하고 계측 정확도를 개선하기 위한 유효한 방법론으로 활용될 수 있다.

본 연구는 기후변화로 인한 가뭄에 대응하기 위해, 구조가 간결하고 안정적인 GR4J 수문 모형을 활용한 앙상블 유량전망(ESP)의 성능을 평가하였다. 2022년 극심한 가뭄을 겪은 섬진강 권역 5개 댐(섬진강댐, 주암댐, 주암조절지댐, 장흥댐, 평림댐)을 대상으로 분석한 결과, GR4J 모형은 적은 매개변수만으로도 유역의 유출 응답을 정교하게 모사하며 우수한 재현성을 보였다. 특히 기존에 사용되던 Tank 모형에 비해 전망 오차(RMSE)를 약 8~12% 줄였으며, 비가 오지 않는 저유량 구간에서의 예측 신뢰도를 크게 향상시키는 것을 확인하였다. 결론적으로 고도화된 GR4J 기반의 ESP 전망 체계는 가뭄 예측의 불확실성을 낮추고 정확도를 높여, 향후 다목적댐의 선제적인 용수 공급 관리에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

한국 다목적댐의 홍수기는 6월 21일부터 9월 20일까지 92일로 수십 년간 고정되어 왔다. 그러나 오늘날 극한강수일(지점별 습일(≥1 mm) 일강수량의 상위 5%, 즉 관측기간 전체로 산정한 95백분위수 Q_0.95 이상인 날) 가운데 약 76%만이 이 기간에 포함되어, 전체의 약 4분의 1이 홍수기 밖에서 발생한다. 본 연구는 기상청 ASOS 일강수(61개소, 1973~2024), SSP 기후시나리오를 통합하여 이 어긋남을 시간·공간·확률의 세 축으로 분석하였다. Mann-Kendall 검정 결과 연 최대 일강수량은 한계적으로 유의한 증가 추세를 보였으며(전국 평균 p ≈ 0.07, 61개 중 50개 지점이 증가하는 field-significant 신호), 9~10월 극한강수일 비율은 16%(1991~2010)에서 23%(2011~2024)로 유의하게 상승하였다(Wilcoxon p < 0.001). 홍수기 안에 드는 극한강수일의 비율(2011~2024)은 권역마다 달라, 한강은 86%인 반면 영산강은 70%에 그쳐, 회복력이 낮고 포함률도 낮은 남부 권역(영산강·섬진강)일수록 극한강수일이 홍수기 밖에서 발생하는 비율이 컸다. 이에 본 연구는 더 긴 고정 기간이 아니라 고정경계 패러다임 자체의 전환, 곧 홍수기 재설정을 제안하며, 단계적 시간 확장(110·118·129일), 권역 차등화, 5계층 적응적 Rule Curve를 통합한 정책을 제시한다. 예시적 비용·편익 분석에서 편익은 중심 추정에서 비용을 여러 배 웃돌았고, 본 연구에서 검토한 할인율(3.0·4.5·5.5%)·편익 정의(보수·중심) 범위와 8변수 토네이도·복합 스트레스 검정 내에서 30년 순현재가치(NPV)는 양(+)으로 유지되었다. 본 연구의 기여는 특정 금액의 제시가 아니라, 검토한 가정 범위에서 홍수기 재설정이 순편익을 발생시킴을 확인한 데 있다.

OpenFOAM 기반 sedInterFoam 솔버를 활용하여 원형 단면 관수로 내 고농도 유체-유사 혼합류에 대한 3차원 수치모의를 수행하였으며, 기존 문헌의 수리실험 결과를 검증 기준으로 채택하였다. Schmidt 수의 역수(SUS) 산정 방법 및 난류 감쇠 매개변수 B의 지배 인자를 정량적으로 분석하였다. 균일 SUS = 1.0 조건에서 격자 해상도에 대한 수렴성 검토를 수행하였으며, 유속 및 유사 농도 MAPE의 종합 평가를 통해 최적 격자를 결정하였다. 기존 문헌의 경험식에 기반하여 국부적으로 산정하는 SUSlocal을 적용하였다. d = 0.09 mm 조건에서는 SUSlocal=1.016~1.024로 SUS = 1.0과의 차이가 1.6~2.4%에 불과하여 농도 분포 재현성 개선 효과가 제한적이었으며(MAPE 4.92%→3.79%), d = 0.27 mm 조건에서는 SUSlocal=1.91~3.0이 산정되어 난류 확산 증가에 따라 관 하부 집중되는 농도 분포의 완화와 함께 수리실험 재현성이 현저히 향상되었다(MAPE 47.98%→14.70%). Rouse 수(Z = w_s/κu^*)를 유사 이송 체제 분류 지표로 도입하여 매개변수 B의 지배 인자를 분석하였다. Z < 0.8의 완전부유 체제에서는 Z = 0.218~0.269 범위에서 B ≤ 10^-4, Z = 0.453~0.641 범위에서 B ≈ 0.22의 일정한 값이 각각 나타났으며, Z ≥ 0.8의 부유사–소류사 복합 체제에서는 Z = 1.645~2.901에 걸쳐 B=0.07~0.24로 체제 전환에 따라 B의 크기 수준이 단계적으로 변화하였다. 이러한 B의 단계적 지배 구조는 관수로 고농도 유사이송 조건에서 정량적으로 규명되었다. 또한 Z ≥ 0.8 조건에서 무차원 유사 농도 C^*와 B의 관계식 B = 0.0162 × (C^*)^-1.066 (R²=0.975)을 제시하였다.

최근 기후변화로 인해 온대성 호소에서 식물플랑크톤의 군집 구조와 우점속 교체 양상이 변화하고 있다. 특히 인공호는 유입하천 수질 특성과 종단 구배에 따른 공간적 이질성이 크기 때문에 식물플랑크톤 군집 변동을 시·공간적으로 통합 평가할 필요성이 있다. 본 연구는 의암호를 대상으로 기상·수문 조건이 대조적인 2014·2015년과 2024년의 식물플랑크톤 군집 자료를 비교·분석하여, 기후 및 수환경 요인 변동이 군집 구조와 우점속 교체 양상에 미친 영향을 평가하였다. 수질 분석 결과, 의암호는 연중 중영양 상태를 유지하면서 여름철에는 부영양 수준까지 상승하는 경향이 확인되었으며, 일부 정점에서 국지적 부영양화가 두드러졌다. 식물플랑크톤 총현존량은 2024년에 2,172~26,116 cells/mL 범위를 보였으며, 최대 현존량은 2014년 대비 약 3배, 2015년 대비 약 1.8배 증가하였다. 우점속 구성은 연도 간 뚜렷한 차이를 보였다. 2014년에는 규조류가 지속적으로 우점하였고, 2015년에는 하절기 남조류의 일시적 증가(51.0%) 이후 추계 규조류 회복이 나타나 온대 호수의 전형적인 군집 천이 패턴에 비교적 부합하였다. 반면 2024년에는 6월 Dinobryon 우점, 하절기 Microcystis 우점 강화, 추계 Phormidium의 지속 출현이 연속적으로 나타나 기존 북한강 수계에서 보고된 패턴과 구별되는 군집 변동 양상이 확인되었다. 공출현 네트워크 및 PLS-PM 분석 결과, 기후 요인의 총효과가 체류시간 및 영양염에 비해 약 8~13배 크게 나타나, 기후 요인이 군집 변동과 가장 강하게 연관된 요인임이 확인되었다. 이는 의암호와 같이 중영양~부영양 수준에 도달한 수역에서는 영양염 농도 변화보다 고수온 지속과 집중강우로 대표되는 기후 변동성이 군집 구조 재편 및 우점속 교체와 더 밀접하게 연관될 수 있음을 보여준다. 본 연구는 평균 체류시간 적용과 제한된 표본 수라는 한계를 가지나, 향후 기후변화 대응형 호소 생태계 관리 및 조류 대응 전략 수립을 위한 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.

본 연구는 물환경 변화 특성을 반영하여 기존 물환경측정망의 적합성을 검토하고 신설·변경 후보지를 도출하기 위한 평가 절차를 제시한 후, 이를 미호강 수계에 적용하여 활용 가능성을 검토하였다. 연구는 기존 측정망 적합성 검토, 수질관리 우심지역 도출, 후보지 선정 및 타당성 검토, 최종 후보지 선정의 단계로 수행되었다. 기존 측정망 적합성 평가 결과, 기존 측정망 28개 지점 중 15개 지점은 적합, 13개 지점은 부분 적합으로 평가되었으며, 본류 연속 지점들 사이에는 일정 수준의 정보 중복성이 존재한 반면, 주요 지류 말단 및 합류 직전 지점은 독립적인 변동 특성을 나타내었다. 수질관리 우심지역에 대한 종합평가 결과 한천, 미호강3, 미호강2, 미호강1, 미호강6 유역의 우선순위가 높게 나타났으며, 이를 바탕으로 1차 후보지 13개소를 도출하였으며, 현장조사와 관계기관 및 전문가 의견수렴을 거쳐 2차 후보지 7개소를 선정하였다. 기존 지점과 후보 지점의 오염원 변화 및 동시 모니터링을 통해 타당성을 검토하여 최종 후보지 5개소를 선정하였다. 본 연구는 기존 측정망의 기능 적정성, 지점 간 중복성과 독립성, 오염원 분포, 현장 운영 가능성을 통합적으로 고려한 다단계 평가체계를 제시하였으며, 향후 다른 수계의 물환경측정망 재정비에도 적용 가능한 실무적 평가 틀로 활용될 수 있다.