최근 수질 및 수문에 있어 도시화에 미치는 영향을 도시 지역 내 저영향개발 기법을 이용한 저감효율에 관하여 연구가 진행되고 있다. 하지만 저영향개발 기법의 정량적 효율성을 증명할 수 있는 방법이나 기준 설정과 관련한 논문은 전무한 실정이다. 이에 본 연구에서는 수문순환 체계를 재현 및 정량화할 수 있는 강우-유출 시뮬레이터를 개발하였고 실제 투수성 블록에 적용하였다. 이는 일반 블록과의 지표유출 및 중간유출 등 수문순환의 요소에 대하여 정량적으로 산정 및 비교함으로써 기기를 통한 투수성 블록의 효율성 분석을 실시하였다. 본 연구의 결과로 투수성 블록의 경우 강우강도가 크고 지속시간이 길어질수록 지표유출량의 저감효과를 뚜렷이 확인할 수 있었으며, 50 mm/hr의 강우강도로 1시간동안 분사하여도 지표 유출이 전혀 발생하지 않도록 제어할 수 있었다. 그리고 본 연구에서 사용한 기기의 강우검증 과정을 통해 결과의 신뢰성을 높이고 투수성 블록뿐만 아니라 여러 LID 요소 효율성 검증에도 활용할 수 있을 것으로 생각된다. 따라서 본 기기를 활용하여 저영향개발 요소기술별 유출의 저감효과 분석을 위한 효율성 검증의 표준화를 정립하는 기초 연구로 활용할 수 있다.

도시화 및 기후변화에 의한 물순환 특성의 변동 분석을 도시지역별로 평가하고 특성이 유사한 지역별로 대상 집단을 분류하여 낙동강 유역 내 도시 지역을 도시화 및 기후의 변화로 발생되는 유사 특성을 나타내는 지역별로 그룹화하였다. 본 연구는 도시화에 따른 불투수면적의 증가에 따른 물순환 변동의 특성을 분석하기 위하여 낙동강 유역을 대상으로 1975년, 1990년, 2009년의 토지이용도 자료를 수집하였다. 또한 기후변화의 영향을 고려하기 위하여 기상청에서 제공하는 AR5 시나리오 기반의 RCP 8.5 시나리오를 선정하였다. 낙동강 유역 내 지역별 물순환 변동 지수를 산정하기 위하여 SWAT 모형을 구축하여 토지이용시나리오 및 기후변화 시나리오를 적용함으로써 소유역별 발생되는 물순환 결과를 도출하였다. 낙동강 유역은 표준단위유역을 기준으로 145개 소유역으로 분할하였으며, 산정된 물순환 결과 및 토지피복별 변화 정도의 결과를 이용하여 군집분석의 입력자료로 활용하였다. 물순환 및 토지피복별 변화 정도를 면적대비 변화율로 정의하여 지수를 도출하고 지수 간의 Spearman's rank-order 상관분석을 통하여 상관분석을 실시하였다. 지수 간 상관 정도가 높은 지역별 지수를 군집분석 기법 중 k-means clustering analysis 기법에 적용하여 145개 소유역에 대하여 3 가지 cluster로 분류하였다. cluster1의 경우는 도시화의 증가율이 비교적 적은 지역으로 산림 및 농지가 대부분을 차지하였고, cluster2는 도시화 진행 정도가 5 % 미만인 지역이며, cluster3은 도시화가 5 % 이상으로 면적 대비 증가율이 비교적 크고 산림 및 농지의 면적의 비율이 작은 지역으로 분류되었다. 유역 내 도시 단위별 도시화 및 기후변화에 따른 물순환 특성의 변동이 유사한 지역으로 군집화 함으로써 수자원 개발 또는 도시 개발 계획 시 유사한 지역의 사례를 통한 기초 조사·분석에 활용이 가능하다.

급격한 도시화로 인한 도심지 내 불투수율의 증가는 도시 유역의 급격한 물순화 체계의 변화를 가져왔다. 이와 같은 도시 유역 내 물 순환 체개의 개선을 위해 저영향 개발(Low Impact Development, 이하 LID)의 개발 및 적용이 시행되고 있다. LID는 대상지역의 자연을 이용하여 우수유출수 및 비점오염원을 발생원에서 관리하는 토지이용 계획기법을 의미한다. 이러한 LID에는 다양한 요소기술이 존재하며, 본 연구에서는 도시화 및 산업화로 인한 별도의 부지확보가 어려운 도심지에서 적용이 용의한 침투트렌치에 대한 우수유출수 저감효과를 분석하였다. 침투트렌치는 대표적인 침투형 LID 요소기술로서 대상지역에서 발생된 우수유출수를 저류 및 침투시켜 지하수자원 확보와 원활한 통수능으로 우수관거의 대체시설로 활용이 가능하다. 본 연구에서 침투트렌치의 성능 분석은 SWMM 모형을 이용하였으며, 대상유역은 서울시의 대표적인 공업도시인 가산 1 빗물펌프장 유역을 대상으로 수행하였다. 대상유역 내 침투트렌치 적용면적은 전체면적의 5, 10, 15%를 적용하여 분석을 수행하였다. SWMM 모의 결과 침투트렌치를 미적용 시 총유출량은 4.03m³, 첨두유출량은 0.39m³/sec로 산정 되었으며, 전체면적의 5%면적에 침투트렌치를 적용 시 총유출량은 2.13m³으로 미적용 시보다 47.2%의 저감효율을 보이며, 첨두유출량은 0.21m³/sec으로 46.2%의 저감효율로 분석되었다. 전체면적의 10%면적에 적용 시 총유출량은 1.71m³으로 미적용 시보다 56.4%의 저감효율을 보이며, 첨두유출량은 0.17m³/sec으로 57.6%의 저감효율로 분석되었다. 마지막으로 전체면적의 15%면적에 적용 시 총유출량은 1.52m³으로 미적용 시보다 61.9%의 저감효율을 보이며, 첨두유출량은 0.15m³/sec으로 62.3%의 저감효율로 분석되었다.

최근 들어 기후변화로 인한 이상홍수와 같은 물 관련 재해 발생에 대한 문제가 제기되었고, 특히 도시 유역내 집중호우로 인명 및 재산피해가 빈번히 발생하고 있다. 본 연구에서는 대표 복합유역인 수영강 유역에 좌수영교 지점을 선정하여 수문자료를 10분단위로 부산대학교 실시간 모니터링 웹사이트를 통해 시스템 구축을 하였다. 이를 통한 DB를 활용하여 홍수 시 강우사상별 수문예측 모형의 입력자료로 활용하였다. 유역모형은 SWMM모형을 이용하여 좌수영교 지점의 한계 수심을 토대로 지속시간별 경보발령 기준우량을 HUFF 4분위를 이용하여 산정하였다. 확률 강우량은 지속시간-홍수량, 지속시간별-조위영향 등을 20분간의 누가 강우량을 기준으로 경보 발령 안을 산정하였다. 본 연구는 실시간 모니터링 데이터를 이용해 수문자료 분석 및 모형을 구축하여 복합유역인 수영강 유역에 좌수영교 지점 홍수예경보 시스템 구축에 있어서 도움이 될 것으로 판단된다.

가속화되는 도시화와 함께 기후변화로 인하여 가중되는 환경 측면의 수질, 생태, 기온, 에너지 이외에도 수문순환에서 발생되고 있는 변화는 우선적으로 해결되어야 하는 중요한 문제임이 확실하다. 이러한 요인은 도시유역 내 불투수면적의 증가에 따라 증발산량의 감소, 지표유출의 증가, 침투량 감소의 물순환 변화를 초래한다. 본 연구에서는 기후변화 및 도시화가 물순환 변동에 미치는 영향을 정량적으로 산정하고 이를 도시지역별로 평가하기 위해 주성분 분석(Principal Component Analysis) 기법을 적용하였다. 낙동강 유역 내 도시화 지역의 발달 정도에 따라 16곳의 동단위의 지역을 선정하였다. 선정된 지역은 면적 대비 도시화율이 10 % 이상인 곳을 기준으로 산정하였으며, 선정된 도시는 대구 동/북구/서구/달성군, 구미, 경산, 구미 및 칠곡, 밀양, 문경 등으로 도시화 정도에 따라 물순환 변동의 대조군을 위한 지역도 함께 선정하였다. 선정된 도시지역 내 물순환 변동 평가 지수에 따라 상관관계 분석을 통하여 주성분 분석의 입력변수를 선정하였다. 주성분 분석을 통하여 정보의 기여율이 98 %를 나타내는 PC3 (Principal Component 3)을 통하여 각 지역별 물순환 특성 변동 지수의 주성분 분석 결과를 선형결합하였다. 이로써 물순환 변동에 따른 종합 민감도 지수를 산출하였으며, 대구 지역이 약 23으로 가장 큰 민감도를 보였고 다음으로 부산, 구미 등으로 나타났다. 본 연구의 결과는 기후변화 및 도시화에 따른 물순환 변동의 결과를 지수로 정량화하여 각 도시별로 산정하였고 이를 주성분분석 기법에 적용함으로써 도시지역별 종합 지표를 산정하였다. 본 연구의 결과는 기후변화 및 불투수면적의 증가가 수문순환에 미치는 영향을 도시별로 가할 수 있으며 물순환 변동 평가기법은 지역을 상세화하여 최대 단위를 동으로 설정하여 적용한다면 도시 개발 및 계획 시 그 활용정도가 높을 것으로 판단된다.

최근 도시화 및 기후변화에 의한 홍수피해의 증가로 인하여 이에 대응하는 방안으로 저영향개발(LID) 요소기술에 관하여 다양하게 개발이 되고 있다. 하지만 이러한 요소기술에 대한 효율을 검증할 수 있는 표준화된 검증방법 및 기기는 부재한 실정이다. 본 연구에서는 LID 기법에 대한 물순환의 효율성 검증이 가능한 강우-유출 모의장치를 개발하였다. 소유역 내 강우가 균등하게 분사될 수 있도록 강우공간분포실험 및 유입유량-유효우량 관계 실험을 통하여 강우를 검증하고 유입되는 강우와 이로 인해 발생되는 침투 및 지표유출 관계 실험을 실시하였다. 그 결과 노즐의 종류에 따른 적정유량범위와 RPM의 관계를 정리하였으며 강우-유출 모의장치를 이용한 실험을 통해 투수면과 불투수면에서의 강우 시의 수문학적 물순환(지표유출, 중간유출, 침투량)의 관계를 정량적으로 검증하였다.

수질오염총량제는 수계의 목표수질을 설정하여 이를 달성하고 유지할 수 있도록 해당 유역 내 오염물질 허용총량을 설정 및 관리하는 제도다(환경부, 2013). 오염물질을 총량측면에서 관리함으로써 효과적인 수질개선을 도모하고 지자체는 배출량을 저감시킨 만큼 개발에 필요한 부하량을 확보할 수 있어 보전과 개발이 공존할 수 있는 방안이라 할 수 있다. 하지만 기준유량 산정 시 발생되는 문제점 역시 존재한다. 다양한 수문모형을 이용하여 기준유량을 산정할 수 있지만 해당 소유역 혹은 지점 내 비교·검증할 수 있는 신뢰성 높은 관측자료가 부재한 실정이다. 본 연구에서는 수문모형 중 폭 넓게 사용되고 있는 SWAT 모형을 이용하여 낙동강 유역 내 34개 수문단위유역의 소유역별로 2002년부터 2011년까지의 일 단위 유량을 연도별로 산정하였다. 낙동강 유역 내 상, 중, 하류에 위치한 구미, 왜관, 진동의 세 지점을 대상지점으로 선정하여 resampling 기법 중 하나인 k-Nearest Neighbors 기법을 이용하여 해당 지점별 연도별 일 단위 유량을 100 개씩 생성하였다. 해당 지점 마다 생성된 자료의 통계분석 및 quantile plot을 관측값과 비교하여 산정된 기준유량에 대한 신뢰성 분석을 실시하고 이를 통하여 수질오염총량제를 위한 개선 방안을 모색하였다.

도시화로 인하여 불투수지역이 넓어짐에 따라 유역이 가지고 있던 자연적인 저류 및 침투능력의 감소로 인하여 하천에서의 첨두유출량 및 총유출량이 증가하고 있으며, 홍수도달시간도 짧아지고 있다. 최근의 기후변화로 인하여 기존의 계획빈도를 초과하는 강우발생으로 홍수량이 급증하고 있다. 이에 기존에는 하도정비나 펌프장 및 유수지 설치, 관거정비 등을 위주로 한 치수방재대책을 수립하였으나 이는 이미 한계를 도달한 실정이다. 따라서 유역 내 저류기능을 향상하고 지체시간을 늘리고 우수유출 저감효과 및 강우시 침수저감 효과를 극대화 하는 대안으로 저영향개발기법(Low Impact Development, LID) 중 하나인 우수저류시설을 설치가 늘어나고 있는 추세이다. 본 연구에서는 SWMM을 이용하여 부산시 온천천 유역의 부산대학교 대운동장 내에 설치되어 있는 우수저류시설에 대해 설치전·후 도시지역 홍수량 저감 효과와 침수저감 효과를 분석하였다. 온천천(부산대학교일원)에 대한 SWMM모형 침수영향 분석결과, 지속시간 160분의 경우 부산대학교를 통과하여 온천천으로 유입하는 간선에서 2,280톤의 침수량이 발생하였으나, 우수저류시설 설치로 인하여 침수량이 100%로 해소되는 것으로 나타났다. 본 연구를 통해 향후 도시지역 우수유출 저감 및 수해예방을 위해 유역 내 분산식 우수관리를 위한 저영향개발 기법에 대한 연구가 활발하게 진행되어야 할 것이다.