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• 강우레이더를 이용한 침수 및 홍수위험도 산정 강우레이더를 이용한 침수 및 홍수위험도 산정 ▲ 강나래 KICT 수자원하천연구본부 수석연구원 들어가며 최근 호우의 발생빈도가 증가하고 있으며, 도시 지역의 호우는 돌발적이고 국지적인 특성이 있어 인명과 재산 피해 역시 증가하고 있다. 이러한 집중호우 및 태풍 등 위험 기상 현상으로 인해 도시 지역 홍수 피해가 증가하면서 각종 언론에서는 그 원인으로 기후변화를 지목했고 앞으로 피해가 심각해질 수 있음을 경고하고 있다. 그뿐만 아니라 홍수 예보가 시행되고 있는 대하천 이외의 중상류 및 소하천에서 홍수 규모가 점차 커지고 그 피해가 늘면서 우려가 커지고 있다. 우리나라에서는 홍수 피해를 줄이고 조기에 대응하기 위해 기상 및 하천의 상황을 고려하여 홍수예보를 시행하고 있는데 중요도가 높고 관측자료가 수집되는 국가하천 위주의 정보 제공이 이루어지고 있다. 따라서 미계측 지역인 중소하천이나 그 밖의 하천 등 현행 홍수 예측정보가 제공하지 못하는 공백 영역에 대한 전국 단위 홍수예보 체계 마련이 필요하다. 중소하천(그 밖의 하천)은 단시간 내에 사태가 급변한다. 상류역에 내린 비가 하천에 모이기까지 시간이 짧으므로 단시간 내에 급격한 수위 상승이 일어나기 쉬운 특징이 있다. 실제로 급격한 증수가 일어나기 전 단계부터 우량 예측, 현장 정보를 조기에 입수해 발 빠른 피난에 유념하는 것이 중요하다. 또한 도시 지역에서 국지성호우에 의한 홍수는 예고 없이 빠르게 발생하고 시·공간적으로 빈번하게 발생함으로써 인명과 재산 피해를 증가시킨다. 결국 중소하천과 도시 지역의 성공적인 홍수 관리는 얼마나 빠르고, 세밀하게 관측할 수 있느냐가 관건이라고 할 수있다. 이러한 이유로 강우레이더를 활용한 강우·홍수 예측 및 모니터링에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 강우레이더 기반의 위험도 예측 강우레이더는 넓은 지역에 걸쳐 실시간으로 강우 현상 감시가 가능하며 기존 지상 우량계 관측망이 제공하지 못하는 미계측 유역을 통과하는 강우장을 확인할 수 있다. 강우의 분포 및 이동을 이미지화함으로써 큰 비가 내리고 있는 지역의 파악이 가능한데 강우레이더로 개략적으로 비가 내리고 있는 지역을 파악할 수는 있지만 반드시 그 정보가 그곳의 재해 발생 여부와 일치한다고 보기 어렵다. 지금까지의 대부분의 연구에서는 홍수 위험성을 평가하기 위해서 유역 단위로 내린 강수, 즉 내린 비의 양(동적 요인)에 집중하였다. 그러나 정확하게 홍수 재해를 예측하기 위해서는 내린 비의 양뿐만 아니라 내린 비가 토지 조건, 토지이용, 경사(정적 요인) 등 주변 조건에 의해 어떠한 방향으로 변화되거나 확대되는지 파악이 필요하다(그림 1). 일본 기상청에서는 이처럼 종래의 우량 중심의 홍수 위험 예측을 대신해 재해 발생과 상관관계가 높고 전국의 공백없는 위험 정보 제공을 위해 강우레이더 기반의 ‘위험도 지수’ 체계를 도입하였다. 홍수 재해를 초래하는 현상에 대하여 내린 비의 양에만 집중하는 것이 아니라 내린 비가 토지 조건과 같은 재해의 발생과 관련된 잠재적인 환경 요인의 영향으로 어떻게 변화하는가에 주목하여 강우의 지하 침투나 하천 유출 등의 프로세스를 모식화한 것이다. 이를 통해 각각의 재해 위험 수준을 지수화하여 시각적으로 변화를 확인할수 있는 ‘위험도 지수’를 제공한다. 그 결과 기존의 우량 기반의 예측에 비해 재해와의 연관성이 강해졌고. 호우 홍수예보의 정밀도 향상으로 이어졌다. 이 글에서는 현재 국내에서 개발 중인 강우레이더 관측망으로부터 생산된 격자 기반의 관측 및 예측강수량을 이용하여 도시 지역과 중소하천 유역의 침수·홍수위험을 정밀히 예측할 수 있는 지수를 간략히 소개하고자 한다. 침수위험도 지수 침수위험도 지수는 단시간의 강한 강우에 의한 침수위험도의 증가를 파악하기 위한 지표이다. 내린 비가 지표면에서 얼마나 고여 있는가를 지면의 피복 상황이나 지질, 지형 경사 등을 고려해 계산함으로써 침수위험도의 증가를 지수화한 것이다. 전국을 1 km 격자로 나누어 각각의 영역에서 두 종류의 탱크 모델을 사용하며, 지표면 피복 상황과 지질, 지형 경사도 등을 고려하여 위험도를 수치화한다(그림 2). 침수위험도 지수는 도시 지역의 내수 범람 형태의 재해를 대상으로 하나 배수시설에 대한 자세한 입력 정보를 이용하지 않아도 적용 가능하기 때문에 전국 어느 지역에서도 적용 가능하며 실용적인 정밀도를 가진다. 홍수위험도 지수 홍수위험도 지수는 하천의 상류역에 내린 강우로 인해 하류대상 지점의 홍수위험도가 얼마나 높아지는가를 파악하기 위한 지표이다. 그림 3과 같이 전국의 하천유로, 유역, 지리(지형·지질), 토지 이용 정보를 토대로 상류역에 내린 비가 지표면이나 땅속을 통과해 하천으로 유출되는 과정(유출과정)과 하천에 흘러 들어간 물이 하류로 흐르는 과정(유하과정)을 고려하여 1 km 격자의 해상도로 지방하천 내 임의의 하천 및 지점의 수량을 계산함으로써 홍수위험도의 증가를 지수화한 것이다. 홍수위험도 지수는 과거 몇 년에 걸친 홍수 재해 사례를 대상으로 재해 발생의 유무에 대한 대응 관계를 구할 수 있고 예측 자료를 사용해 수 시간 앞을 예측할 수 있으며 수위 및 유량을 관측하지 않는 하천을 포함한 전국의 모든 하천에 적용할 수 있다. 침수 및 홍수위험도 지수의 활용 앞서 소개된 두 지수는 재해 대응과 관련해 상관성이 높은 지수지만 어디까지나 상대적인 위험도를 나타내는 것으로 지수의 크기만 가지고 재해 발생 우려를 직접 판단하기는 불가능 하다. 재해 발생 우려는 과거 재해 실적을 근거로 설정한 ‘기준’과 비교하여 판단할 필요가 있다. 이는 과거의 재해와 비교함으로써 기준치를 설정할 때 결과적으로 기준치에 반영되기 때문에 지수값 그 자체만을 이용하는 것이 아닌 경보 등 기준에 의한 판정 결과와 세트로 활용한다면 유용한 정보를 제공 할 수 있으리라 생각한다. 지금까지 소개한 강우레이더 기반 침수 및 홍수 예측 기술은 침수 위험지역을 더욱 구체적으로 좁히고 홍수정보 제공의 범위를 중소하천 유역 및 도시 지역까지 확대하였다. 미계측 유역에 대한 홍수정보를 제공함으로써 지역 주민의 안전을 도모할 수 있을 것으로 기대된다. 수자원하천연구본부 게시일2023-07-29 조회수 1804
• 하천실험센터에서 수행되고 있는 이미지 기반 하천 관련 연구 소개 하천실험센터에서 수행되고 있는 이미지 기반 하천 관련 연구 소개 ▲ 강우철 KICT 수자원하천연구본부 전임연구원 들어가며 하늘에서 내리는 비는 강과 바다로 흘러가며, 빗물 등이 모여 흐르는 물길을 하천이라 정의한다. 물은 지구상의 모든 생물이 살아가는 데 절대적으로 필요한 자원이기 때문에 과거부터사람들은 하천을 중심으로 모여 살아가게 되었다. 하지만 지구상의 97% 물이 바닷물이며, 쉽게 이용할 수 있는 하천에 흐르는 물은 0.00012%에 불과하다. 물을 이용하는 측면에서 보면 문명이 발전하기 시작한 시대에는 제한적인 물을 효율적으로 이용하기 위해 관개, 토사공급, 수운에 집중하거나, 홍수로부터 농경지와 주거지를 보호하는 치수에 초점을 맞추었다. 이후 산업혁명 시대를 거쳐 하천 개발 시대가 열리며 생공용수 공급과 수력발전, 홍수 조절 기능 등 인간사회의 이익을 위한 댐 건설과 하천에 제방을 쌓아 재해를 막고 하천과 하천변을 인간의 물 체험 장소로 이용하려는 친수 기능에도 관심을 가졌다. 하지만 최근에는 인간 활동에 의해 물 순환 과정의 왜곡이 심화되고 기후변화에 의해 홍수와 가뭄이 가속화됨에 따라, 자연을 극복하려는 인위적인 하천 활동의 한계점에 달했다는 점을 인식하기 시작하였다. 또한, 미래 세대를 위해 하천을 자연과 인간이 공존하는 공간으로 인식하며 인간, 환경, 그리고 생태계를 동시에 고려하는 하천관리 패러다임으로 변화되고 있다(우효섭, 2005). 하천 관리 패러다임이 시대와 산업의 변화에 발맞추어 변화해왔듯이 관리에 이용되는 다양한 방법들 역시 과학과 공학의 발전 영향을 받아왔다. 물의 흐름을 규명하고 이를 활용하는 학문인 수리학의 경우 1960년대 다양한 계측 장비와 센서의 개발과 더불어 비약적으로 발전하였다. 센서란 시각, 청각, 후각, 미각, 촉각 등 인간의 오감과 관련된 우리 주변 환경의 변화를 인식하는 발명품으로서 우리가 인식하지 못하는 미세한 변화와 느낄 수 없는 변화까지 감지가 가능하다. 다양한 종류의 센서 중 광학 센서의 경우 피사체의 정보를 영상신호로 바꾸어 주며 오감 중 가장 직관적인 시각과 관련된 장비로써 널리 이용되는 장비이다. 광학 센서를 이용하여 얻을 수 있는 이미지의 경우 빛의 3원색과 관련된 가시광선과 근적외선 영역까지 200개 이상의 파장으로 나누는 초분광 영상을 얻을 수 있을 정도로 발전되었으며, 위성과 드론 등 다양한 장비들과 연계하여 시간과 공간적인 제약으로부터 더욱 자유로워지고 있다(그림 1(a)). 또한, 과거에는 상공에서 촬영된 이미지만 이용했다면, 최근에는 촬영기술이 발전함에 따라 수중 이미지의 활용도 역시 증가하고 있다(그림 1(b)). 이 글에서는 하천을 관리하기 위해 광학센서 기반으로부터 얻은 이미지를 활용하는 다양한 연구 중에서 한국건설기술연구원 하천실험센터에서 수행한 연구를 소개하고자 한다. 신소재 제방 기술 연구 한국건설기술연구원 하천실험센터는 ‘자연과 인간이 함께하는 하천의 실현’이라는 가치 아래 2012년에 개소하였으며, 최대 10 ㎥/s의 유량 공급이 가능하며 대형 실규모 수리실험이 가능한 세계적으로도 독보적인 규모와 인프라를 보유한 실험 시설이다. 특히, 공급되는 물의 양이 조절 가능하며 다양한 조건을 가진 3개의 실규모 수로와 순환수로 등을 보유하고 있기 때문에 이미지에 영향을 줄 수 있는 다양한 조건 제어가 가능하다는 점에서 하천실험센터는 관련된 연구를 수행하기에 매우 좋은 환경을 가지고 있다고 할 수 있다. 먼저, 광주과학기 술원(GIST), 한국건설기술연구원, 명지대학교 등이 참여한 신소재 제방 기술 연구단에서는 친환경 소재인 바이오폴리머를 활용하여 표면 포장을 통해 제방의 안정성을 강화하기 위한 연구를 수행하였다. 하천실험센터의 경우 픽셀 기반의 이미지 분석 기법과 드론으로부터 획득한 이미지로부터 3차원 포인트 클라우드 모델링 적용을 통해 강화된 제방의 수리 안정성 및 표면 침심과 제방 붕괴 메커니즘의 이해를 위한 분석을 수행하였다(그림 2). 흐름 제어가 가능한 수로에서 동일한 횡월류 흐름을 재현하여 3 case: 1) 모래 제방, 2) 친환경 신소재 도포 제방, 3) 식생 제방을 대상으로 실험을 수행하였으며, 분석 결과 모래 제방과 비교하여 강화된 제방의 경우 약 2.7~7배의 붕괴 지연 효과를 보여주었다. 이미지 기반 유사량 관련 연구 풍화작용에 의해 생성된 유사(流沙, Sediment)는 자연 매체에 의해 운송되며 하천에 도달하기 전이나 도달한 이후 퇴적되며, 이러한 과정 중에서 다양한 범위, 여러 형태의 문제가 발생한다. 특히, 유사의 퇴적이나 세굴로 인해 하천 내 하상이 쌓이거나 깎이는 하상변동 문제의 경우 홍수위 상승, 생태환경 변화 등 하천의 유지 관리 측면에서 다양한 문제를 초래한다. 따라서 유사 이송에 관한 충분한 이해와 유사량을 정량적으로 파악하고 예측하는 것은 매우 중요하다. 하천실험센터는 위에서 언급된 문제 해결을 위한 실험 수행을 하기에 충분한 인프라와 레이저 부유사 농도·입도 측정 장비와 다항목 수질계측기, 음향도플러유속계(ADCP) 등 다양한 첨단 장비를 갖추고 있다. 구체적으로 유사량을 정량적으로 파악하기 위해 초음파도플러유속계, 수중 드론으로부터 얻은 수중 이미지, 초분광 이미지를 이용하는 연구를 수행하고 있으며 해당 연구 수행을 통해 보다 효율적이고 경제적이며 안전한 계측 방법을 개발하려는 노력이 진행 중이다. 마치며 하천은 인간에게 풍요로운 자연의 일부인 동시에 재앙의 근원이 되기도 한다. 이러한 친환경적이고 지속가능한 하천을 위해 영상을 활용하는 연구는 앞으로도 계속 수행될 예정이다. 본 글에서는 한국건설기술연구원 하천실험센터에서 수행된 이미지 기반의 다양한 실험들을 소개하였다. 언급된 연구 이외에도 하천실험센터에서는 하천 공간 내 다양한 식생 및 구조물을 분석하기 위해 딥 러닝 기반 이미지 트레이닝을 활용하는 연구, 영상 기반 표면유속 분석 연구, 위성 영상을 활용하여 하천환경평가를 하는 연구 등을 다양한 이미지 기반 하천 관련 연구를 많이 수행하고 있다. 한국건설기술연구원 하천실험센터는 이러한 성과들을 기반으로 ‘자연과 인간이 공존할 수 있는 하천의 실현’을 위해 더욱 노력할 예정이다. 참고자료 우효섭. (2005). 하천과 인간 활동-패러다임의 변화를 좇아서. 하천과문화, 1, 62-71. Aiazzi, B., Alparone, L., Baronti, S., Lastri, C., & Selva, M. (2012). Spectral distortion in lossy compression of hyperspectral data. Journal of Electrical and Computer Engineering, 2012, 3-3. Kang, W., Ko, D., & Kang, J. (2021). Erosion resistance performance of surface-reinforced levees using novel biopolymers investigated via real-scale overtopping experiments. Water, 13(18), 2482. Kang, W., Lee, K., & Kim, J. (2022). Prediction of Suspended Sediment Concentration Based on the Turbidity-Concentration Relationship Determined via Underwater Image Analysis. Applied Sciences, 12(12), 6125. Liu, B., Liu, Z., Men, S., Li, Y., Ding, Z., He, J., & Zhao, Z.(2020). Underwater hyperspectral imaging technology and its applications for detecting and mapping the seafloor: A review. Sensors, 20(17), 4962. 수자원하천연구본부 게시일2023-06-28 조회수 886
• 하천 홍수예측의 시공간적 확장기술 개발 하천 홍수예측의 시공간적 확장기술 개발 ▲ 김수영 KICT 수자원하천연구본부 수석연구원 기후변화로 인한 홍수발생 가능성 및 위험도 증가 최근 기후변화에 따른 홍수 위험성의 증가는 다양한 연구를 통해 입증되고 있다. UN 산하의 기후변화에 관한 정부 간 협의체 (IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change)에서 발간한 IPCC 6차 평가보고서 (AR6, 2021.8.)의 ‘전 지구 미래 전망’에 따르면 21세기 말 (2081 ~2100년)의 전 지구 평균기온은 온실가스 배출 정도에 따라 현재 (2010~2019년) 대비 1.0~5.7도 상승할 것으로 전망하고있다. 또한, 현재 발생하고 있는 탄소배출량을 감축하여 지구온난화가 1.5도 이내로 유지된다고 할지라도 세계의 평균 해수면은 앞으로 2,000년 동안 2~3 m 상승할 것으로 내다봤으며, 현재의 탄소배출량을 감축하지 못하여 기온이 2도 상승할 경우에는 최대 6 m까지 해수면이 높아질 것으로 추정하고 있다. 기후변화로 인해 해수면 상승뿐만 아니라 전 지구 평균 강수량의 증가도 예상된다. 2020년 이상기후 보고서 (관계부처 합동, 2021. 1.)에 의하면 2100년까지 전 지구 평균 강수량은 5~12% 증가할 것으로 전망하고 있으나 기후변화로 인한 강우 패턴의변화로 인해 고위도와 저위도에서의 강우 편차가 크게 발생할 것이다. 고위도는 강우량이 증가하는 경향을 나타내며 아열대 지방에서는 오히려 강우량이 감소하여 가뭄 피해가 예상되기도 한다. 우리나라의 기후 또한 지속적으로 변화하고 있으며 2020년은 중부지방 기준으로 54일이라는 역대 최장 장마가 발생하였다. 또한, 장마철 전국 강수량도 693.4 mm로 역대 2위로 많은 값을 나타냈다. 이로 인한 피해도 급속하게 증가하였는데 긴 장마와 태풍으로 인해 1조 2585억 원에 달하는 재산 피해가 발생하였고, 이는 과거 10년 (2010~2019) 동안 발생한 평균 피해액의 3배가 넘는 규모였다. 홍수위험 사전 감지 및 맞춤형 홍수정보 제공 필요 하천 주변 또는 하천 고수부지를 통과하는 도로가 많고 하천의 친수공간을 이용하는 국민이 증가함에 따라 하천 주변의 홍수위험성을 사전에 감지하고 제공하는 사용자 맞춤형 홍수정보의 제공이 중요하다. 현재 하천의 예보 선행시간은 3시간으로 추산한다. 현행 홍수예측모형은 현재 강우 관측값을 입력값으로 하여 유역으로부터 유출된 물이 하천에 도달하여 유발되는 수위의 증가를 예측한다. 강우가 하천에 도달하는 시간이 평균 3시간 정도이므로 즉각적인 유출계산을 통해 3시간 후의 하천수위를 예측하는 프로세스이다. 이는 평균적인 값으로 상류의 산지 하천에서는 1시간 이내일 수도있으며 하류의 대하천에서는 3시간 이상일 수도 있다. 이러한 예보 선행시간을 현재의 3시간에서 6시간까지 확장하여 하천의 상·하류 모두에서 사전 홍수 피해에 대응할 수 있는 골든타임을 확보해야 한다. 공간적으로는 하천 내뿐만 아니라 하천 주변의 사회기반시설로 예측 범위를 확장하여 홍수로부터 발생하는 사회적인 피해까지 최소화할 필요가 있다. 하천 주변의 도로, 관공서, 발전 및 정수설비 등이 침수되면 시설물의 직접적인 피해뿐만 아니라 광범위한 사회적 피해도 발생하므로 침수예측의 공간적인 확장을 통해 피해를 최소화해야 한다. 이러한 홍수예측의 시공간적인 확장을 통한 홍수위험의 사전감지 능력 향상과 맞춤형 홍수정보서비스 제공을 통해 국가가 국민의 생명과 재산을 보호하여 안전한 사회를 달성하기 위한 기술적인 향상이 필요하다. 홍수예보의 시공간적 확장을 위한 고성능 수치해석 모형 개발 홍수대응골든타임확보연구단의 2세부 과제는 시공간적 상세 하천유역 홍수예측의 고성능(HPC) 수치모형 개발로서 크게 ‘현행 홍수예측 정확도 개선’과 ‘6시간 하천 홍수 골든타임 확보’ 연구로 분류될 수 있다. 현행 홍수예측 정확도를 개선하기 위한 연구로는 홍수특보지점 선정 및 특보기준 상세화 기술과 상시 홍수정보 제공을 위한 수리학적 및 수문학적 홍수 예측 매개변수 최적화 기술 개발이 있다. 6시간 하천 홍수 골든타임 확보 연구로는 홍수예보의 공간적 범위를 확장하기 위해 HPC(High Performance Computing)를 활용한 고정밀·고효율 유역 유출모형과 1~2차원 연계 하천공간 홍수예측모형 개발 연구가 있으며, 하천 주변 사회기반시설에 대한 침수예측 기법 및 강우 앙상블 시나리오 생성 기술과 강우예측기능을 강화한 앙상블 확률홍수 예보 기술 개발 연구가 이에 해당한다. 현행 홍수예측 정확도 개선 현재 홍수특보지점은 대하천 국가하천 위주로 설정되어 있다. 홍수특보지점의 확대는 지속적으로 추진되고 있으며 매년 그 수가 증가하고 있다. 이러한 홍수특보지점의 확장을 위해 대상지점의 사회적 중요도와 홍수도달시간, 과거 홍수이력 등을 종합적으로 고려한 홍수특보지점 우선순위를 결정하는 방법을 본 연구에서 제시하였으며 현재 각 홍수통제소에서 홍수특보지점 확대에 방법론을 활용하고 있다. 또한, 기존 홍수특보는 홍수주의보와 홍수경보의 2단계로 되어 있는데 이를 4단계로 상세화할 수 있는 방법론을 제시하였다. 현행 홍수예측모형은 크게 수문학적 모형과 수리학적 모형으로 구분된다. 유역에서 발생하는 유출량을 계산하는 강우-유출모형은 수문학적 모형으로 구성되어 있고, 유출량이 하도에 유입되어 유하하는 현상은 수문학적 모형과 수리학적 모형으로 구분된다. 두 가지 홍수모형 모두 다양한 매개변수를 가지고 있으며 각 홍수 사상마다 적합한 매개변수를 찾기 위한 보정이 필요하다. 현재 매개변수 보정은 인력으로, 수동적으로 수행되고 있는데 본 연구에서 매개변수를 자동으로 최적화할 수 있는 기법을 개발하였다. 이를 통해 홍수예측의 속도와 정확도를 향상시킬 수 있으며 상시 홍수정보 제공을 위한 기반기술로써 활용될 것으로 기대된다. 6시간 하천 홍수 골든타임 확보 기존의 홍수예측모형은 집체형 모형으로 유역 내 모든 공간이 동일한 특성을 갖는다는 가정하에 계산을 단순화하여 계산속도가 매우 빠르다는 특징이 있으며 유역 및 홍수사상의 특성을 매개변수의 조정을 통해 반영하고 있다. 입력자료로 활용되는 강우자료도 지점강우를 티센망(Thiessen polygon)으로 구성하여 산정한 유역 평균 강우량을 적용하고 있다. 이는 유역 강우의 공간적 분포를 반영할 수 없는 단점이 있어 강우의 분포를 나타낼 수 있는 강우레이더 자료를 입력자료로 활용할 수 있도록 분포형 모형을 홍수 예보모형에 적용하는 연구를 수행하였다. 집체형 모형에 비해 계산 소요시간이 길다는 분포형 모형의 단점을 표준유역 단위로 모형을 세분화하고, HPC를 적용한 병렬계산을 통해 계산시간을 대폭 단축하여 해결하였으며 현재 개발용 시스템에 탑재하여 시범운영 중이다. 하천의 친수공간에 대한 홍수예측능력을 강화하기 위하여 친수공간에 대한 2차원적인 해석과 더불어 계산 과정의 효율성을 위해 1차원 모형과 결합된 1~2차원 연계 모형을 개발하여저수로는 1차원 수치모형으로, 친수공간은 2차원 모형으로 해석하는 기법을 개발하였으며 계산속도 향상을 위한 HPC 기법이 적용됨으로써 현행 홍수예측모형과 유사한 계산 시간에 높은 정확도 및 정밀도를 갖도록 개발하였다. 앞에서 설명한 6시간 하천 홍수 골든타임 확보 기술은 홍수 예측모형을 고성능·고정밀로 향상하는 것으로서 더욱 정확한 홍수예측을 위해서는 모형 자체의 성능 향상도 중요하지만 강우자료의 예측 정확도를 향상하는 것도 중요하다. 본 연구를 통해 수치예보 및 원격탐측 자료의 시공간적 편의 보정기법 개발을 통해 단기·중기·장기적 강우 앙상블 예측자료를 생산하고 활용할 수 있는 기술을 개발하였으며, 이를 통해 생성된 강우 앙상블 시나리오를 앙상블 확률홍수예측모형에 입력자료로 활용하였다. 앙상블 확률홍수예측모형은 확장된 선행예보시간에서 발생하는 불확실성을 정량화하기 위한 기법으로 하천홍수예보의 조건들 중 예보의 적시성과 결과의 신뢰성을 극대화하기 위해 PCE (Polynomial Chaos Expansion) 기법과 GLUE (Generalised Likelihood Uncertainty Estimation) 기법을 적용하였다. 맺음말 홍수예보시스템은 홍수 피해로부터 국민을 보호하기 위한 필수적인 대책 중 하나로서 지속적인 개발을 통해 성능 향상을 필요로 한다. 지구온난화로 인한 이상기후가 발생하고 홍수 피해의 규모와 가능성이 증가하고 있는 상황에서 홍수예측시스템 개선을 위한 기술이 다양한 요소에서 발전되어야 한다. 본 연구에서는 현행 홍수예측시스템의 정확도 및 사용성을 개선하기 위한 특보지점 우선순위 선정 기법이나 매개변수 보정 자동화 기술 등을 개발하였으며, 홍수예측의 시공간적인 확장을 위해 고정밀·고정확도 홍수예측기법인 HPC를 활용한 분포형 모형, 1~2차원 연계 하도유출모형의 적용과 강우앙상블 시나리오를 활용한 확률홍수 예측기술, 빅데이터 인공지능기법을 활용한 하천주변 사회기반시설 침수예측 기술을 개발하였다. 기술 개발을 통해 홍수예보의 정확성, 신뢰성 및 적시성을 확보하고자 하였으며 다양한 종류의 홍수정보를 생산하여 수요자 맞춤형 홍수정보 제공을 위한 기반기술을 구축하고자 하였다. 현업적용을 통해 개발된 기술의 검증을 완료한다면 홍수예보 분야의 선도적인 기술로 인정을 받을 수 있고 나아가 해외로의 기술수출까지 기대할 수 있으리라 판단된다. 수자원하천연구본부 게시일2022-09-22 조회수 2143
• 강우레이더를 활용한 돌발홍수 예측 강우레이더를 활용한 돌발홍수 예측 ▲ 윤정수 KICT 수자원하천연구본부 수석연구원 들어가며 제1차 세계대전은 전차, 비행기, 잠수함, 기관총, 화학탄 등 현대 무기의 실험장이 된 전쟁이었다. 그래서 제1차 세계대전은 근대의 문을 닫고 현대의 문을 연 전쟁이라고 평하기도 한다. 하지만 당시 지휘관들의 전술과 전략은 여전히 근대 시절 수준이었고, 이로 인해 지휘관들은 당시 쏟아져 나온 현대 무기들의 운용에 미숙할 수밖에 없었다. 이러한 현대 무기가 본격적으로 활용되기 시작한 것은 제2차 세계대전의 전격전 전술이 도입되면서부터였다. 전격전은 현대 무기의 빠른 기동성을 활용하여 적의 방어선을 빠르게 돌파하고 이로써 순간 적들을 혼란에 빠트려 무너지게 하는 전술로 당시 무기 특성을 제대로 이해하고 활용한 전술 교리였다. 나치 독일은 이러한 전격전을 십분 활용하여 영·프 연합군을 빠르게 격퇴하였고 영국과 소련을 제외한 유럽을 차지하게 된다. 빠른 속도로 전 유럽을 차지한 나치 독일은 유럽에서 홀로 남은 영국도 쉽게 차지할 수 있을 것으로 기대했지만 영국은 나치 독일의 공격을 막아낸다. 이 당시 영국이 독일의 공격을 막아낸 결정적 무기가 바로 레이더였다. 영국은 동남부 해안 지역에 레이더망을 구축하고 독일의 전투기와 폭격기를 미리 관측하여 방어에 성공하였다. 이와 같이 레이더는 원거리에 위치한 물체를 미리 관측하고 대비할 수 있는 최적의 장비였고 이러한 특성으로 제2차 세계대전 이후 악기상 및 돌발강우 관측의 목적으로 활용하게 되었다. 강우/기상레이더 정확도 문제 레이더는 원거리에서 시공간적으로 조밀한 강우 관측이 가능하다는 점에서 수문기상 분야에서의 활용성이 매우 높을 것이라 기대되어 왔었다. 그럼에도 변환된 강우 강도의 정확도에 대한 의구심으로 그 활용성이 저조하였다. 대기 수상체에 대한 레이더의 관측 과정에서는 많은 정보가 손실되고 예측이 가능하거나 불가능한 오차가 발생하기 때문에 레이더 관측 자료에는 다양한 오차들이 나타나고 있다 (Krajewski and Smith, 2002). 그리고 강우/기상레이더와 관련한 다양한 분야의 전문가들은 이러한 오차들을 분야에 따라 다른 시각으로 내다봤다. 전기통신 분야에서는 주로 레이더 하드웨어 검·보정에서 나타나는 오차나 신호처리 과정에서의 오차를 주요 오차들로 바라보고 있다 (Atlas, 2002). 이에 비해 기상 분야에서는 호우의 종류에 따른 강우 크기 입자 분포의 변동성과 레이더 강수 추정 알고리즘의 매개변수 등을 주요 오차 원인으로 바라보고 있다 (Gosset et al., 2010). 이러한 전기통신 및 기상 분야에서의 오차 원인을 파악하고 제거하였다 할지라도 레이더 강우를 수문분석에 활용하는 수문 전문가들에게는 여전히 레이더 강우에 오차가 존재한다는 문제점을 제기하여 왔다 (Seoand Krajewski, 2011). 레이더 강우에 오차가 존재한다는 문제점은 국내에 2006년부터 도입되었던 기상레이더 (S밴드 단일편파레이더)에서도 마찬가지로 나타나고 있었다. 특히 국내 기상레이더는 앞서 설명한 바와 같이 그 레이더 강우의 편의가 심각하게 나타나 레이더 강우는 우량계 강우에 비해 정량적으로 매우 과소하게 나타나고 있었다. 이러한 레이더 강우의 과소한 문제점을 해결하기 위해 국내 기상학자들은 ZR 관계식 (R=AZb)의 매개변수 (A와 b)를 실시간으로 추정하는 방법들을 적용하여 왔다 (Suk et al., 2005). 이에 비해 지상에 떨어진 강우의 양을 중요시하게 여겼던 국내 수문학자들은 레이더 강우를 정량적으로 우량계 강우와 비슷하게 맞추는 통계적 방법들을 적용하였다. G/R비를 레이더 강우에 곱하는 방법 (Yoo et al., 2013), Co-Kriging (Krajewski, 1987) 및 SCM (Kim et al., 2008) 등이 대표적인 예이다. 국내 기상 및 수문학자들은 S밴드 이중편파레이더가 도입되면 이러한 레이더 강우의 오차가 제거될 것이라 생각하였다. 이에 국토교통부 한강홍수통제소에서 도입한 비슬산 레이더가 최초의 S밴드 이중편파레이더로 2009년에 도입된 이후 이중편파레이더가 도입되게 된다. 그러나 S밴드 이중 편파레이더에서 제공되는 3개의 편파 변수 (반사도, 차등반사도, 비차등위상차) 조합으로 추정된 레이더 강우의 정확도는 그림 1과 같이 여전히 많은 문제점을 나타내고 있었다. 단일편파레이더의 레이더 강우는 우량계 강우와의 상관성면에서 매우 높게 나타나고 있었지만, 이중편파레이더의 레이더 강우는 상관성도 낮게 나타나고 있었다. 이후 Yoon et al. (2016, 2021)의 연구에서는 반사도-차등반사도 관계와 반사도-비차등위상차 관계를 이용하여 반사도, 차등반사도, 비차등위상차를 동시에 조절하여 레이더 강수량의 품질을 향상시킨 경험적 방법을 제시하였다. 그림 2는 그림 1에서 적용된 강우 사례에 대해 경험적 방법을 적용한 후의 결과를 나타낸다. 그림 3은 비슬산 레이더로부터 관측된 363개의 강우 사례에 대한 3개의 편파변수 조절 전 (파란색 실선)과 조절 후 (붉은색 실선)의 정확도를 나타낸다. 그림에서와 같이 이중편파레이더의 레이더 강우는 편파 변수 조절 시 우량계 강우와 비교하여 정량적으로 100% 수준으로 가깝게 나타남을 확인할 수 있다. 또한 편파변수 조절 전에는 레이더 강우의 정확도 변동성이 크게 나타나는 반면 조절 후 정확도가 안정적으로 나타나고 있다. Yoon et al. 2(016, 2021) 연구에서 주목할 것은 반사도의 오차를 제거해야 레이더 강우의 정량적 정확도를 100% 수준으로 높일 수 있다는 점이었다. 심지어 반사도만을 이용하여 추정된 레이더 강우 역시도 반사도의 편의를 제거해주면 100% 수준의 정량적 정확도를 확보할 수 있었다. 이는 국내 강우/기상 레이더에서 제공되는 레이더 반사도에 큰 오차가 내재되어 있음을 의미한다. 국내 기상학자와 수문학자들은 그동안 레이더 강우 자체에 오차가 존재한다고 생각하여 ZR 관계식의 매개변수를 보정하고 정량적 통계적 기법을 활 용하여 왔다. 하지만 그 오차는 레이더 강우가 아닌 레이더 강우로 변환되기 전인 레이더 편파변수에서 기인해 왔던 것이었다. 레이더 자료를 활용한 돌발홍수예측 시스템 및 실증 시스템 개발 강우/기상 레이더는 원거리에서의 돌발 강우를 미리 관측하여 돌발홍수를 미리 대비할 수 있다. 또한 강우/기상 레이더는 시공간적으로 조밀한 강우 자료를 생산하고 있어 초단기 강우예측 자료를 생산하기 위한 입력자료로 활용되고 있다. 돌발홍수 예측 시스템은 이러한 시공간적으로 조밀한 초단기 예측 자료를 활용하여 전국 읍면동에 3단계 돌발홍수예측 정보 ( 주의/경계/심각)를 제공하기 위해 개발되었다. 현재 돌발홍수예측 시스템은 3시간까지의 읍면동 돌발홍수예측 정보를 웹상에서 제공하고 있다. 그림 4는 실시간으로 제공되는 돌발홍수예측 시스템의 웹페이지로 본 시스템은 사용자 편의를 위해 웹 기반으로 개발되었다. 웹페이지에서 왼쪽의 지도는 지역별 위험 수준을, 오른쪽은 예측시간대별 위험 수준을 나타낸다. 이와 더불어 위험 기준을 지속적으로 개선이 가능하도록 위험 예측 결과에 대한 통계 정보를 메타파일로도 제공하고 있다. 이 통계정보 파일을 이용하여 사후 분석을 통해 정확도 평가를 수행하고 이를 토대로 돌발홍수 위험 기준의 적정성을 평가할 수 있다. Hwang et al. ( 2020)의 연구에서는 2019년에 발생한 홍수 사고에 대한 돌발홍수예측 시스템의 정확도를 평가하였다. 돌발홍수예측 시스템의 정확도는 탐지 확률 ( Probability of Detection: POD)을 활용하여 검증하였다. 그 결과 총 31개 사상에 대해 돌발홍수예측 시스템의 예측 정확도는 POD 기준 90.3%로 나타났다. 최근 읍면동 내 홍수 취약 지역 ( 지하차도, 저지대, 지하철, 휴양지 계곡 등)에서의 인명 피해가 주기적으로 발생하고 있다. 돌발홍수예측 시스템은 전국 지역의 읍면동을 대상으로 돌발 홍수 정보를 제공하고 있으나 그 읍면동 내 홍수 취약 지역돌발홍수예측 정보의 정확도 검증이 미흡한 상황이다. 이에 돌발홍수예측 정보를 낙동강 유역에 적용하고 그 예측 정보의 정확도를 검증할 수 있는 시스템이 개발 진행 중에 있다. 본 시스템을 개발하기 위해 먼저 낙동강 유역 내 위치한 홍수 취약 지역을 도심지, 산지·계곡, 해안지역으로 구분하여 검토하고 홍수 취약 지역 테스트베드를 선정하였다. 돌발홍수 예보 실증을 위한 도심지 테스트베드는 도심지 3개 지역 (부산광역시, 울산광역시, 대구광역시), 산지·계곡 테스트베드로 2개 지역 ( 울산광역시, 지리산 국립공원), 해안지역 테스트 베드로 2개 지역 ( 창원시, 울진군)을 선정하였다 ( 그림 5). 돌발홍수예측 실증 시스템 (그림 6)은 낙동강 유역에서 선정된 테스트베드 지역에서의 관측정보 (강우, 수위, 침수,CCTV, 레이더)를 활용하여 돌발홍수예측 정보를 실증하는데 목적을 두고 있다. 본 시스템은 낙동강 유역에서의 관측정보와 돌발홍수예측 정보를 실시간으로 제공하고 있으며, 사용자가 과거 돌발홍수 이력을 검토하여 돌발홍수 기준을 검증 및 보정할 수 있다. 향후 보다 많은 돌발홍수 관측사례 실증을 통해 돌발홍수예측 정보의 정확도를 높이는 것이 본 실증 시스템의 최종 목표이다. 맺음말 레이더라는 관측기기가 처음 국내 수자원 분야에 도입되었을 당시 레이더는 매우 낯선 관측기기였다. 우량계는 강우량이라는 3차원 부피를 1차원 선적 개념 (mm 또는 cm)으로 관측하는 데 비해 레이더는 수신된 신호로부터 유도된 에너지 및 힘으로부터 다시 강우 강도 (mm/hr 또는 cm/hr)를 추정하여 제공한다. 이러한 관측 개념에서도 차이가 났지만, 더욱 큰 문제는 레이더 자료가 너무 크고 방대하여 처리 기술이 매우 까다롭고 어렵다는 점이었다. 그리고 이러한 점들과 함께 레이더 강우의 정확도 문제는 레이더 자료의 수자원 분야 활용성을저조하게 만드는 원인이었다. 그러나 레이더 강우의 정확도가 최근 많이 향상됨으로써 이제는 레이더를 어떻게 수자원 분야에 활용해야 할지 고민해야 할 상황이다. 이런 고민의 일환으로 돌발홍수예측 시스템 및 실증 시스템은 레이더 자료의 장점을 십분 활용한 시스템으로 앞으로 빠르고 정확한 돌발홍수 예측 정보를 제공하는 것이 목표이다. 최근 인공지능, 사물인터넷, 3D 프린팅 등 4차 산업기술들이쏟아져 나오고 있다. 현재 돌발홍수예측 시스템 및 실증 시스템에도 이러한 4차 산업기술을 활용하기 위한 연구가 진행 중이다. 하지만 1990년대에서 2000년대 초까지 개발도상국 시절의 교육을 받은 필자는 이러한 선진국 시대의 산업기술들을 어떻게 받아들여 활용해야 할지 고민이다. 서두에서 제1차 세계대전 당시 최신 무기들이 쏟아져 나와도 당시 지휘관들에게는 이를 활용할 수 있는 전술 교리가 없었던 것처럼 지금의 필자도 4차 산업기술들을 사용할 전술 교리(?)를 배워본 적은 없다. 현재의 우리가 4차 산업기술을 빠르게 습득하는 것도 중요하다. 하지만 필자는 제1차 세계대전 때 쏟아져 나온 현대 무기들의 특성을 십분 활용한 전격전과 같이 4차 산업기술을 건설 및 수자원 분야에 활용할 새로운 방법론도 같이 고민되어야 한다고 본다. 수자원하천연구본부 게시일2022-09-22 조회수 1364
• 골든타임 확보를 위한 홍수예보·홍수대응골든타임확보연구단 골든타임 확보를 위한 홍수예보 ▲ 이정은 KICT 수자원하천연구본부 수석연구원 현재 기후변화의 징후들이 전 세계적으로 발생하고 있다. 수자원 분야에서는 홍수와 가뭄의 발생 빈도뿐만 아니라 양극화가 갈수록 심해지고 있어, 수자원 관리 측면에서 어려움이 가중되고 있다. 특히 집중호우와 태풍 등으로 인한 홍수피해는 자연재해 피해액의 상당 부분을 차지하고 있으며, 최근에는 도심지역의 국지성 돌발호우로 인한 도시하천 범람, 저지대 침수 등이 빈번하게 발생하고 있어 홍수피해는 더욱 가중되고 있다. 일반적으로 홍수피해를 저감하기 위한 방안으로는 구조적/비구조적 대책을 종합적으로 고려하고 있다. 구조적 대책 (하천정비, 저류지 등)은 비용과 시간 측면에서 단기간에 개선하는 데 힘든 점이 있어, 비구조적 대책 (홍수 예·경보, 운영 체계 등)을 통한 효율적인 홍수대응이 중요해지고 있는 시점이다. 이를 위하여 하천/정보제공자/현재 중심의 홍수 예·경보에서 공간/사용자/예측 중심으로의 패러다임 전환이 이루어져야 하며, 이는 첨단기술을 활용한 실시간 고해상도 수문자료 (강우레이더 등), 컴퓨팅 연산속도의 발전으로 인한 홍수예보 모의시간의 단축 등을 통하여 실현할 수 있는 환경이 만들어졌다. 이번 호에서는 홍수로부터 국민의 생명과 재산을 보호하기 위해 홍수위험 정보를 신속·정확·상세하게 제공하는 것을 목표로 지난 5년간 (2017~2022) 홍수대응골든타임확보연구단에서 수행한 연구결과를 소개하고자 한다. 홍수대응골든타임확보연구단 ▲ 노희성 KICT 수자원하천연구본부 수석연구원 들어가며 최근 기후변화 ( Climate Change)로 인한 심각성을 강조하기 위해 기후위기 ( Climate Crisis)라는 용어가 빈번하게 사용되고 있다. 즉, 기후변화로 인해 우리가 체감하는 어려움과 심각성이 위기 수준이라는 의미인데, 이는 단순히 환경적 측면의 문제뿐만 아니라 물, 위생, 주거, 건강 등 인류의 생존에 엄청난 영향을 주며 기후변화로 인해 발생하는 다양한 재난·재해로부터 안전을 보장받아야 하는 국민의 인권과도 관계가 있다. 특히, 물관리 중 치수 ( 홍수) 측면에서 살펴보면 집중호우, 가을 태풍, 도시화 등에 따른 강우와 유역 특성이 급변하여 홍수 발생 빈도가 증가하고 있다. 이로 인해 도심 저지대 및 친수공간 침수, 돌발홍수, 하수도와 도시하천의 범람 등 대형화·다양화된 홍수피해에 따른 인명 및 재산 피해가 발생함에 따라 홍수피해 예방과 대응이 사회적 현안이 되고 있다. 이러한 사회적 현안으로 대두되고 있는 홍수피해를 최소화하기 위한 선제적 홍수대응 기술 및 체계 구축의 필요성에 따라 홍수대응골든타임확보연구단 ( 이하 골든타임연구단)은 홍수예보 선진화 및첨단화 기술 개발의 초석을 다지는 연구로 주목받으며 연구를 수행하였다. 이 글에서는 연구단에서 수행한 연구기술 개발 현황과 활용성에 대하여 간략히 소개하고자 한다. 홍수, ‘골든타임’을 잡아라! ‘골든타임 ( Golden Hour)’은 ‘응급환자의 생사를 결정지을 수 있는 사고 발생 후 수술과 같은 치료가 이루어져야 하는 최소한의 시간’으로 주로 의사나 구급대원이 자주 쓰는 말이지만, 홍수예보 분야에서의 골든타임은 ‘홍수로부터 국민의 생명과 재산을 보호할 수 있는 최소한의 시간’으로 정의하고 있다. 그러나 골든타임연구단에서는 일반적 의미의 시간 범주에서 한발 더 나아가 ‘국가가 홍수피해 발생 이전에 모든 지역의 홍수위험 정보를 정확하고 상세하게 국민의 생명과 재산을 안전하게 보호하기 위해 이행하는 일련의 과정’으로 정의하고 있다. 골든타임연구단은 국민 생활 속에서 체감할 수 있는 홍수정보를 생산하고 제공하는 것을 목표로 환경부 물관리 사업의 일환으로 2017년에 출범하여 5년 2개월 ( 2017. 4. ~ 2022. 6.) 동안 23개 기관, 150여 명의 연구진이 연구를 수행하였다. 미래 홍수예보는 시·공간적으로 상세한 홍수정보를 얼마나 빠르고 정확하게 예측하고 정보를 제공하느냐가 핵심이다. 골든타임연구단은 다양한 환경변화로 인해 나타나는 홍수 재난·재해의 변화에 능동적으로 대응할 수 있는 다원적 분석기술과 첨단기술을 융합하는 4개 연구주제를 선정하고 해당 기술 개발을 통해 홍수예보 체계의 패러다임 전환을 이루고 우리나라 홍수예측 및 대응 분야의 기술자립도를 높이고자 한다. 홍수정보 생산·제공 기반 기술 개발 연구과제 골든타임연구단은 총 4개 연구주제 ( 세부)로 구성되어 있으며, 이 중 3개 연구주제를 한국건설기술연구원 수자원하천연구본부에서 수행하였다. 1연구주제 ( 연구책임자 이동률 선임연구위원, 황석환 연구위원)는 돌발홍수 해석, 돌발홍수예보 모델, 돌발홍수 유발 가능한 강우확률 예측 등의 요소기술 개발을 통해 동네 규모 ( 읍, 면, 동)의 최소 1~3 시간의 돌발홍수 대응 골든타임 확보가 가능한 돌발홍수예보시스템을 구축하였다. 1연구주제의 개발 기술은 돌발홍수 기준 산정 및 레이더강우 확률 예측 기술을 통하여 동네 규모의 홍수예측 정확도 향상에 기여할 수 있을 것이다. 2연구주제 ( 연구책임자 윤광석 선임연구위원)는 고성능 컴퓨팅 ( HPC) 기반 홍수예측 시 공간적 범위 확장, 하천 주변 사회기반시설 침수 예측, 앙상블 ( Ensembles) 확률 홍수예보 등의 요소기술 개발을 통해 현행 홍수 예측 정확도 개선 및 6시간 하천 홍수 골든타임 확보가 가능한 하천홍수예보시스템을 구축하였다. 2연구주제의 개발 기술은 HPC 기술을 기반으로 고정밀·고정확도의 하천 홍수 예측 정확도 향상에 기여할 수 있을 것이다. 3연구주제 ( 연구책임자 김경탁 선임연구위원)는 행정구역 (시, 군) 단위의 홍수정보 생산, 도시 및 해안 지자체 홍수 위험도 및 전망 기법, 홍수 위험 전망 불확실성 해석 등의 요소기술 개발을 통해 행정구역별 지역 특성을 반영한 3일 이전 홍수 위험 전망 정보제공 시스템을 구축하였다. 3연구주제의 개발 기술은 홍수 위험 전망정보를 통해 지자체별 홍수 사전 대응능력 향상에 많은 도움이 될 것이다. 4연구주제 (연구책임자 ㈜한국토코넷 박상욱 이사)는 위 3개 연구주제의 연구성과 실용화를 위한 각 시스템 및 홍수예보기관 내부 사용자용 홍수예보 통합관제 시스템, 웹 GIS 및 모바일 기반의 외부 사용자 (유관기관 및 대민)용 위치기반 홍수예보 플랫폼을 개발하였다. 4연구주제의 각 시스템 및 통합홍수예보 플랫폼의 효율적·안정적인 운영 및 관리기술은 홍수예보현장에서 시행착오를 줄이고 비용 절감효과를 기대할 수 있다. 맺음말 골든타임연구단에서 개발한 홍수 예측 및 대응, 골든타임 확보 기술은 선진국형 홍수 예측 및 정보제공 기술에 한 발짝 더 다가섰다고 평가할 수 있다. 본 연구를 통해 축적한 원천기술 및 노하우를 바탕으로 국외, 특히 신남방 국가의 홍수예보시스템 구축 사업을 활발하게 추진 중이며 우리나라의 홍수 예측 및 대응 기술에 대한 위상이 높아질 것으로 생각된다. 또한, 실생활 체감도 높은 홍수 정보 제공이 가능해짐에 따라 국민뿐만 아니라 정부, 지자체의 홍수 대응 효율성 제고를 통해 홍수로 인한 인명과 재산 피해를 줄이고 재해 복구비용을 절감할 수 있다는 기대감을 가지고 있다. 골든타임연구단 성과물의 현업화를 위해 환경부의 향후 사업에서도 개발된 홍수 예측 및 대응 기술의 고도화 확장 연구가 협의되고 있으며, 향후 AI를 접목한 홍수 예측 및 대응 기술로 한 단계 더 업그레이드될 수 있도록 많은 관심과 지원이 요구된다. 수자원하천연구본부 게시일2022-09-22 조회수 1471
• 가뭄대응 중소하천 물부족 위험도 평가 및 물 확보 기술 개발 가뭄대응 중소하천 물부족 위험도 평가 및 물 확보 기술 개발 ▲ 김철겸 KICT 수자원하천연구본부 연구위원 들어가며 우리나라의 가뭄은 통계적으로 약 5~7년 주기로 발생하고 있으며, 최근에는 기후변화 등의 영향으로 인해 발생 및 피해가 빈번해지고 있다. 미래에 예측되는 기후변화 및 물 사용량 증가 등에 따른 물부족 현상의 심각화는 용수공급 문제뿐만 아니라 수질 및 수생태계에도 악영향을 주게 된다. 특히 중소하천 유역은 댐이나 저수지를 통한 수량 확보 및 하천유량의 조절이 어려워 가뭄에 따른 물부족 대응력이 낮고, 물부족 현상으로 인한 수질 및 생태환경의 질적 저하도 반복되는 상황이어서 안정적 물 확보와 수질환경을 고려한 지속적인 물관리 방안이 요구되고 있다. 효과적인 가뭄대응을 위해서는 무엇보다 강우 예측과 함께 가용 수자원에 대한 정확한 분석과 평가, 그리고 이를 기반으로 물부족 위험도를 경감시킬 수 있는 효율적인 용수확보가 필요하다. 용수확보를 위한 대안 중 하나로 하수처리수 재이용수가 주목받고 있으나, 재이용수의 수질에 대한 불안감과 심미적 거부감 등으로 실제 재활용되는 비율은 20% 미만으로 나타나고 있다. 따라서 재이용수의 이용률을 높이기 위해서는 수질에 대한 처리수준을 더 강화하는 한편, 아직은 규제 대상이 아니지만 각종 신종 유해물질들에 대해서도 안전한 수준의 수질이 확보되어야 할 것이다. 아울러 중소하천 유역의 경우 가뭄 시에는 하수처리장에서 방류되는 수량이 하천 유량 대비 큰 비중을 차지하기 때문에 방류수 내 영양물질에 의해 부영양화나 녹조 등의 발생 가능성이 더 높다. 따라서 재이용수의 수질 안전성 확보뿐만 아니라 가뭄 시 하천수질 보호를 위해서는 하수처리장 배출수에 대한 수질 처리수준을 고도화할 필요가 있다. 가뭄 시 중소하천 유역에서 발생가능한 수량과 수질 측면에서의 문제점을 해결하기 위하여 본 과제에서는 그림 1과 같이 크게 3가지 분야에 대해 세부 기술들을 개발하였다. 예측/전망 분야에서는 기상, 증발산량, 유출량 등에 대한 사전예측 기술을 개발하였으며, 분석/평가 분야에서는 중소하천 유역의 복잡한 물이용 체계와 유역의 물리적 특성을 반영한 정밀 시공간 수문해석 기술을 개발하여 수자원 가용량 및 물부족 위험도 등을 평가하였다. 물 확보 분야에서는 하수처리장 재이용수에 대해 기존의 처리공정 대비 고도화된 처리 기술, 그리고 경제적인 처리 기술을 개발하였다. 또한 하수처리공정에서 발생하는 슬러지나 부영양화 유발물질을 획기적으로 저감시킬 수 있는 기술 개발도 함께 수행하였다. 기상 및 수문량 장기예측 기술 기상학적 관점에서 한 달에서 수개월 시간 규모에 해당하는 장기예측은 가뭄과 홍수, 폭염과 한파 등과 같은 기상재해에 대응하여 안정적인 수자원 확보와 관리, 농업생산성 확보 등 을 위해 필수적인 정보이다. 장기예측은 주로 통계모형과 기후모형에 의해 이루어지는데, 아직 충분한 수준의 예측성을 확보하지 못한 상태이며 최근 지속적으로 관심과 연구가 집중되고 있는 분야이다. 우리나라 기상청에서도 역학적 모형인 전지구 기후모형의 결과를 이용하여 강수량과 기온에 대한 1~3개월 전망자료를 제공하고 있으나, 한반도의 지리적 특성상 갑작스런 폭우나 태풍 등의 발생, 과거에 비해 빈번해진 이상기후 현상 등으로 인해 정확한 예측이 쉽지 않은 상황이다. 본 연구에서는 한강권역을 대상으로 미래 1~12개월의 월 강수량과 기온을 예측할 수 있는 통계적 모형을 개발하였다. 예측대상인 기상인자(강수량, 기온)와 전지구 기후패턴과의 원격상관성을 기반으로 예측월에 따라 탄력적으로 최적의 예측인자를 선정하여 예측모형을 구성함으로써 미래 기후변화 등에 따른 기상 및 기후 변동성을 반영할 수 있도록 하였다. 예측된 월 단위의 기상정보에 대해서는 통계적 상세화 기법을 통해 주요 지점별 일 자료로 변환하고, 변환된 일 자료를 수문모형과 연계함으로써 기준증발산량이나 유출량과 같은 수문요소에 대해서도 기상예측기간과 동일하게 미래 12개월에 대한 전망결과를 도출할 수 있다. 예측된 기상 및 수문량 정보에 대해서는 그림 2와 같이 웹 기반 시스템을 통해 제공하고 있다. 현재 한강권역의 월 강수량, 평균기온, 기준증발산량과 충주댐 유역 및 경안천 유역의 유출량에 대한 월 단위 예측정보를 제공하고 있으며, 1990년 12월을 기준으로 예측한 1991년 1월~12월에 대한 예측결과 부터 최근의 예측결과까지 제공하고 있다. 중소하천 유역의 정밀 수문량 해석 및 평가 기술 대하천 주변의 광역상수도 공급지역에 비해 중소하천 유역은 가뭄 시 물공급 안정성이 상대적으로 취약하기 때문에 물공급 시설의 효율적 운영, 물공급 위험도 평가, 가용 수자원의 최적이용 등 종합적인 대책 마련을 위해서는 하천유출량이나 수자원가용량에 대한 신뢰성 높은 예측이 필요하다. 이를 위해 본 연구에서는 가뭄 시 유역 내 상세 물이용체계 (지하수 취·배수, 하·폐수 방류 등)와 수문환경특성을 반영한 물부족 위험도 평가 및 수자원가용량 평가 기술을 개발하였다(그림 3). 개발된 기술을 활용하여 국내 최초로 지하수 취수가 유역의 하천유출량 예측정확도에 미치는 영향을 규명 하였으며, 한강권역을 비롯하여 낙동강, 금강, 영산강, 섬진강 등 전국을 대상으로 중권역별로 개발 기술에 대한 예측정확도 70% 이상을 확보함으로써 환경부 및 지자체의 가뭄 시 물관리 정책을 지원하기 위한 실용화 기반을 마련하였다. 또한, 중소하천 수문량 평가 소프트웨어(DWAT, Dynamic Water resources Assessment Tool)를 개발하여 2019년 세계기상기구(WMO, World Meteorological Organization) 홈페이지를 통해 공개하였으며 2019년 6월 WMO 수문의회(Hydrological Assembly)에서 ‘전지구 수문현황 및 전망 시스템(HydroSOS, Global Hydrological Status and Outlook System)’의 시범사업을 DWAT이 지원하는 것으로 의결하였다. 2021년에는 4개의 회원국 해외현장(콜롬비아, 아르헨티나, 영국, 부탄 하천 유역)에 DWAT이 적용되었으며, 연구팀에서는 WMO 기술자문사업을 통해 DWAT의 적용 및 교육과 관련하여 지속적인 기술지원을 수행하고 있다(그림 4). 고도산화 기반 재이용수 고도처리 기술 물 재이용은 적절한 수처리 기술을 통해 처리한 하·폐수 처리수나 중수 및 우수를 이용 목적에 부합되는 용수로 다시 사용하는 것을 의미하며, 상수 사용량의 절감효과 외에 공공수역으로의 오염부하량 배출 삭감 등의 부가적인 효과도 있어 물부족 문제 개선 및 건전한 물환경 조성 측면에서 그 필요성이 증가하고 있다. 한편 재이용수 중에는 화학물질 및 병원성 미생물 등 인체 또는 생태계에 위해가 우려되는 신종 및 미량 오염물질들의 잔류 가능성이 확인되고 있어 재이용수의 안전성을 확보할 수 있는 재이용수 생산 기술이 요구되고 있다. 본 연구에서는 2020년부터 방류수 수질기준에 새롭게 추가된 TOC 항목을 지표로 활용, 잔류성 미량유기오염물질을 효과적으로 처리할 수 있는 자외선 기반 고도산화처리공정을 개발하였다. 개발 공정은 하수 2차처리수를 대상으로 TOC농도를 2.3~4.4mg/L까지 저감하여 TOC 기준 하천생활환경 기준 Ib~III 등급 수준(하수처리수를 생활용수 원수로 이용할 수 있는 수준)까지 처리가능한 하수처리수 재이용 기술을 확보하였다. 또한, 현재 규제대상에 포함되어 있지는 않으나 재이용수의 안전성 확보를 위해 향후 규제 가능성이 높은 항생제 등 23종의 의약품류에 대해 선회류식 미세기포 발생장치를 이용하여 개발한 오존처리공정을 적용한 결과, 그림 5와 같이 의약품류는 80% 이상, 과불화화합물의 대표적 물질인 과불화옥탄술폰산(Perfluorooctanesulfonic acid, PFOS)은 43% 정도 저감될 수 있음을 확인함으로써 미규제 신종오염물질 처리를 위한 선제적 대응 기술을 확보하였다. 저에너지 하수처리수 재이용 기술 재이용수 이용 활성화를 위해서는 수질의 안전성 확보와 더불어 경제적인 용수 공급방안이 필요하다. 국내에서는 하수처리량 중 14.7%인 약 10억m3을 재이용하고 있는데, 주로 처리장 내 세척수와 기타용수, 하천유지용수(장외용수의 74%)로 활용되고 있다(환경부, 2015). 이는 추가적인 처리없이 하수처리수 방류수를 직접 활용할 수 있기 때문이다. 국내에서 공업용수와 농업용수 등의 활용을 위한 처리공정으로 오존 기반의 고도산화공정, 분리막 기반의 역삼투(reverse osmosis; RO) 공정이 주로 활용되고 있다. 분리막 기술로 많이 활용되고 있는 RO 공정의 경우 운영·관리비용의 44%가 12~19bar 이상의 고압 유지를 위한 에너지 비용으로 나타나고 있다. 반면 해수담수화 등에 활용되는 축전식 탈염(capacitive deionization, CDI) 공정은 듀얼 모듈로 구성된 다공성 전극에 인가된 전기를 통해 생성되는 전기이중층에 수중의 이온성 물질을 흡착하여 처리하는 기술로 RO 공정보다 이온제거율은 떨어지지만 에너지 소모는 낮은 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 한외여과(Ultrafiltration) 분리막과 CDI를 연계한 저압분리막(UF)-CDI 공정을 개발하여 목표수질에 대한 처리도 가능하고 에너지도 절약할 수 있는 최적공정을 도출하였다. 목표 TOC 농도 5mg/L와 비교하여 3.62mg/L 수준까지 처리할 수 있음을 확인하였으며, 에너지 측면에서는 기존의 RO 공정과 비교하여 유지관리비를 약 30% 이상 절감할 수 있는 것으로 분석되었다(그림 6). 따라서, 오존/자외선 고도산화처리 공정과 더불어 재이용수의 처리효율을 높이고, 수질 안전성을 충분히 확보하여 재이용수에 대한 거부감을 줄이고 활용률을 높이는 데 기여할 수 있을 것이다. 슬러지 발생없는 수중의 인 제거 및 회수 기술 하수처리수에 함유된 영양염류 특히 인산염은 하천 및 댐에 부영양화 현상을 야기시켜 수질 악화를 초래한다. 기존에 수중에 함유된 인산염의 제거는 철염 또는 알루미늄을 이용한 급속교반-완속교반-침전 등의 화학적 처리방법 위주였는데, 이와 같은 방법은 화학적 슬러지 발생 과다로 슬러지 처리비용이 크게 소요되는 문제가 있다. 이에 따라 여러 연구자들이 인산염 제거를 위한 흡착제로 철광석, 슬랙, 영가철 등 철 성분을 이용하여 슬러지 발생없는 인 제거를 시도하고 있으나 제거효율이 높지 않고 반응시간이 4시간 이상으로 너무 과다하다는 문제점이 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 세계 최초로 슬러지 발생없는 인산염 제거 흡착 신소재를 개발하였으며, 제거된 인산염을 이용하여 비료를 생산할 수 있는 최적방법을 도출하였다(그림 7). 개발된 흡착 소재의 성능 평가를 위해 약 65회의 흡착/탈착 과정을 반복해서 실험한 결과, 처리수 내인 성분이 아예 검출되지 않거나 현재의 수질 기준의 약 1/10수준인 0.03mg/L 이하로 나타났다. 또한 유지관리 측면에서1,000m3/일 규모의 처리용량을 기준으로 기존 공정(PAC+DAF)1)과 비교하여 순건설비는 비슷하지만 약품소요비는 1/30 수준으로 나타났으며, 부산물로 월 240kg의 인산염 비료를 생산할 수 있어서 경제성도 우수한 것으로 분석되었다. 하수처리시설 반류수 내 인·질소 회수를 위한 MAP 결정화 기술 국내 공공하수처리시설에서 방류되는 수량은 2015년 기준 하루 평균 약 1,900만3정도로 경안천과 같은 중소하천 유역의 경우 갈수기 유량의 70% 이상을 차지하는 유효한 수자원이다. 그러나 방류수에는 인과 질소 등 영양물질이 잔존하고 있어 하천과 호수의 부영양화 및 녹조의 발생을 유발시킬가능성이 높다. 한편, 하수처리시설에서 고농도의 인과 질소를 함유한 반류수는 침사지로 반송되어 후속 생물학적 처리공정에서 인 및 질소의 부하를 급증시키고, 이로 인해 최종적으로 방류수의 수질까지 저하시키는 문제가 있다. 본 연구에서는 하수처리시설에서 발생하는 반류수 내의 인,질소와 같은 영양물질을 획기적으로 제거·회수할 수 있는 MAP(Magnesium Ammonium Phosphate) 결정화 신공정을 개발하였다. 아울러 회수된 MAP 결정은 완효성 비료로 활용가능하다(그림 8). 개발된 MAP 결정화공정에 대한 실증플랜트 운영을 통해 설계 및 최적 운전인자를 도출하고, 운전·유지관리 매뉴얼을 통한 실용화 기반을 구축하였다. MAP결정화 신공정은 하수슬러지 소각재를 활용하여 고농도 인용출액을 회수함으로써 반류수 내 인(PO4-P)의 제거효율을 90% 이상 확보하였으며, 기존의 MAP 결정화공정에서 평균 20%에 머물던 질소(NH4-N)의 제거효율을 80% 이상으로 제고시켰다. 또한 처리과정에서 MgO 단일 약품의 사용으로 비용을 최소화하고, 비료로 활용가능한 MAP 결정을 회수함으로써 실용화를 위한 충분한 경제성도 확보하였다. 개발된 신공정은 반류수 내 고농도로 순환하는 인과 질소를 획기적으로 저감시킴으로써 후속처리공정의 부하를 저감시키고, 최종적으로 방류되는 하천의 수질 보호에도 기여할 수 있을 것이다. 맺음말 이상과 같이 지난 5년간의 연구를 통해 중소하천 유역의 가뭄대응을 위한 핵심 기술력을 확보하였다(그림 9). 예측/전망 분야에서는 기상 및 수문에 대한 정량적 전망 기술을 개발하고, 장기전망 결과를 서비스할 수 있는 웹 기반 제공시스템을 구축함으로써 선제적 가뭄 전망, 예측정보의 활용성 제고 기반을 마련하였다. 분석/평가 분야에서는 정밀 시공간 수문해석 및 평가 기술을 개발하여 국내 지자체 가뭄대책 수립을 위한 의사결정지원근거를 마련하였으며, 국외 WMO 주요 회원국들에 보급함으로써 글로벌 적용 및 기술 지원 기반을 구축하였다. 대응/확보 분야에서는 하수 재이용수를 이용하기 위한 고도처리공정 및 저에너지 처리공정을 개발함으로써 미규제 유해물질에 대한 선제적 대응과 수처리시설에 대한 기술 지원, 대체 수자원의 이용가치 향상 등을 도모하였다. 또한, 슬러지 발생없는 영양물질 저감 기술 및 회수 결정화 기술을 통해 하천수질의 보호는 물론 자원화를 통한 수익 창출 기반도 마련하였다. 장기예측 기술과 관련해서는 웹사이트를 통해 한강권역에 대한 기상 및 수문 예측정보를 지속적으로 제공하고 있으며, 수문해석 및 평가 기술은 WMO 주요모형으로 채택되어 여러 회원국들에 대한 기술지원을 수행하고 있다. 재이용수 생산 기술은 기술이전을 받은 업체에서 폐수처리시설의 공정개선사업에 적용을 검토하고 있으며, 영양물질 처리 기술 또한 각 핵심공정별로 관련 업체들과 기술 설명 및 실무협의를 진행하고 있다. 본 연구에서 개발된 여러 세부 기술들은 기존 가뭄대응에 있어 상대적으로 취약지역이었던 중소하천 유역 및 지자체를 대상으로 안정적이고 안전한 수자원 확보는 물론 건강한 물환경 조성에 기여할 수 있을 것이다. 수자원하천연구본부 게시일2022-05-26 조회수 1676
• 딥러닝을 활용한 강우 및 홍수예측 기술 현황 딥러닝을 활용한 강우 및 홍수예측 기술 현황 ▲ 윤성심 수자원하천연구본부 수석연구원 기후변화로 인해 돌발적이고 국지적인 강우의 발생횟수와 강도가 증가하고 있다. 이러한 기상현상은 수재해 피해를 가중시키고 있으므로 수재해 발생을 사전에 예측하여 대응할 수 있는 기술이 더 중요해지고 있다. 수재해 사전 대응에는 언제, 어디에, 얼마나 많은 비가 내릴지 예상하는 강우예측 정보와 다양한 수재해 양상(하천홍수, 도시침수, 해안 및 산지 돌발홍수)을 수문 및 수리학적 모형으로 예측한 홍수량 및 홍수위 정보가 필수적으로 사용된다. 최근 이와 같은 주요 예측정보 생산에 딥러닝 기술을 적용하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 일반적으로 기상분야에서는 기상수치모델, 레이더 기반 예측기법을 적용하여 강우량과 강우발생 지역을 예측하고 있다. 그 중 레이더 자료를 이용한 강우예측 기법은 기상레이더에서 관측되는 강우장이 동일한 호우에 대해서는 동일한 기상특성을 갖는 것으로 판단하고, 외삽 기반의 예측기법을 사용한다. 역학·물리적 원리에 기반한 기상 예측 외에도 1990년대부터 인공신경망기법을 이용한 강우예측 연구가 수행되어 왔으며, 최근에는 이미지 검색 및 분류와 같은 컴퓨터 비전 분야에서 강점을 갖는 딥러닝 기법과 기상레이더 자료와 같은 2차원 데이터들을 이용하여 강우를 예측하는 연구 추세가 증가하고 있다(Kuligowski et al., 1998; Lee et al., 1998; Hall et al., 1999;Seo et al., 2012, Argawal et al., 2019). 딥러닝 기술을 선도하고 있는 Google은 인공위성 및 수치예보와 결합한 레이더 자료(Multi-radar multi-sensor, MRMS)와 U-Net CNN을 이용해 1km 고해상도로 매 2분마다 최대 6시간 예측강우를 산정하며, 미국 NOAA의 선행 1시간 예측강우와 비교한 결과 높은 정확도를 보였다. 여기서 U-Net CNN은 객체구별에 강점이 있는 CNN에 U자형 네트워크를 통해 객체구별과 지 역화를 강점으로 빠른 연산이 가능한 심층학습 기법이다(Agrawal set al., 2019년). 국내에서도 딥러닝을 이용한 강우예측들이 수행되고 있는데 한국건설기술연구원에서는 한국수력원자력(주)과의 수탁연구를 통해 기상청에서 2010년부터 20017년까지 관측된 레이더 이미지를 구축하고, 기존의 U-Net 뿐만 아니라 데이터 연속성을 고려할 수 있는 ConvLSTM2D U-Net 신경망 구조를 갖는 모델로 학습하여 기존 외삽 기반의 예측기법보다 정확도가 높은 강우예측 모델을 개발한 바 있다(Yoon et al., 2020; Shin et al., 2021). 본 기법은 U-Net구조와 ConvLSTM2D의 구조로 학습을 각각 진행하고 최종적으로 이를 합쳐서 Convolution층을 배치하여 예측하는 모델을 구성하여 사용하였다. 여기서, U-Net은 이미지의 전반적인 특징 정보를 얻기 위한 수축형태(Contracting Path)의 네트워크와 정확한 지역화를 위한 팽창형태(Expanding Path)의 네트워크가 U자형의 대칭 형태를 갖으며, ConvLSTM2D는 시공간적 상관관계를 포착할 수 있는 네트워트 구조로 입력에서 상태로의 전환과 상태에서 상태로의 전환 모두에서 컨볼루션 구조를 갖는다. 해당 모델의 구조는 그림 3과같다. 특히 기존의 U-net과 차별되는 점은 Upsampling층 대신 Conv2DTranspose를 사용하는데 Upsampling층은 낮은 해상도를 강제로 고해상도로 올리는 반면 Conv2DTranspose는 학습된 필터를 사용한 convolution 연산으로 해상도를 높인다. 또한, RainNet에 있던 과적합을 막기 위해 사용하는 Dropout 위치에는 2차원 전체 특징맵을 제외할 수 있는 SpatialDropout2D을 사용하였다. 학습된 신경망 강우예측 모델은 현재를 기준으로 과거 30분 전까지의 연속된 4개의 자료를 이용하여 10분 선행 예측자료를 생성하는 데 최적화되었다. 최적화된 딥러닝 강우예측 모델을 이용하여 강우예측을 수행한 결과, ConvLSTM2D U-Net을 사용하였을 때 예측 오차의 크기가 가장 작고, 강우 이동 위치를 상대적으로 정확히 구현하였다. 앞서 서술한 강우예측 분야와 마찬가지로 딥러닝을 이용하여 홍수를 예측하는 연구가 진행되고 있으며 AI 기반의 홍수예보기술 개발을 Google도 진행하고 있다. Google에서는 홍수예측 서비스를 위해 HydroNets를 개발하였다. HydroNets은 수문학적 특성을 갖는 각각 소유역의 사전 정보와 상하류로 연계되어 있는 소유역간의 가중치를 공유하면서 홍수량을 산정한다. HydroNets의 구성은 일반 수문물리학적 모의를 하는 공유모델과 유역특징 모델이 모듈형으로 구성되어 적용과 개선이 편리하다(Moshe et al., 2020). 특히,Google은 2018년부터 2억 명 이상이 거주하는 인도와 방글라데시 지역을 대상으로 HydroNets, 수위관측 정보를 이용한 Long Short-Term Memory (LSTM), 형태학적 침수모형 등과 같이 딥러닝 알고리즘을 바탕으로 실시간 홍수예측 정보를 제공하는 시스템을 개발하고 있다(Nevo et al., 2021). 이러한 딥러닝 기술의 강우 및 홍수예측 정보 생산 적용이 활발해짐에 따라 우리나라 환경부에서도 2020년 장마기간에 발생한 집중호우와 이에 따른 피해를 근본적으로 줄이기 위한 대책의 일환으로 첨단기술을 활용한 ‘과학적 홍수관리’를 본격 추진하여 기후변화에 따른 집중호우에 대응하기 위해 2025년까지 인공지능(AI)을 활용한 홍수예보 시스템을 도입하고자 한다(환경부, 2020). 기술 진보를 바탕으로 한 수재해 대응 기술의 향상은 국민의 안전을 지키는 데 기여할 것으로 예상된다. 수자원하천연구본부 게시일2022-03-15 조회수 3076

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