화음탐색법은 2001년 고려대학교 수자원연구실에서 개발한 최적화 알고리즘으로 재즈의 즉흥연주에서 반복적인 연습을 거듭할 수 록 좋은 화음이 만들어지는 현상에 착안하였다. 화음탐색법은 처음 소개된 논문이 Google Scholar 기준 약 3,600여 회(2018년 1월 11일 기준) 인용될 만큼 유전자알고리즘과 견줄만한 세계적인 최적화 알고리즘이 되었고 비단 수자원공학 및 토목공학 뿐 만 아니라 공학 전 분야, 의학, 경영학, 인문학 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 본 논문은 화음탐색법을 포함한 최적화 알고리즘이 수자원공학의 다양한 분야에서 널리 적용되기를 바라며 작성된 화음탐색법 총설논문(Review Article)이다. 따라서, 본 논문에서는 먼저 화음탐색법을 간략히 소개하고 적용분야 및 분야별 적용 빈도를 살펴본다. 또한 화음탐색법의 세계화 현황을 관련 학회의 성장과 관련 연구프로젝트의 동향 정리를 통해 알아본다. 마지막으로 국내 수자원공학 분야 연구에 적용된 최적화 알고리즘 현황을 살펴보고 활용의 증대를 위한 몇 가지 제안사항을 전달하며 마무리한다.

최근 기후변화는 짧은 시간의 지역적인 집중호우와 예상치 못한 폭우에 영향을 미치고 이는 생명과 재산의 손실에 영향을 준다. 본 연구에서는 침수위험도를 결정하기 위한 방법으로 산술평균방법, 가중평균방법, 주성분 분석방법을 이용하여 침수위험도에 따른 순위를 결정하였다. 재해연보 및 도시계획현황에서 선택한 인자들에 대한 표준화를 통해 단위를 통일시켰으며 표준화를 통한 산술평균방법, 상관관계분석을 통한 가중평균방법, 상관도가 높은 인자들을 묶어 분석한 주성분 분석방법을 통해 침수위험도를 결정하고 그 순위를 나타내었다. 본 연구에서 사용된 산술평균방법의 경우 간단하기는 하지만 각각의 인자들이 동일한 가중치를 가지는 문제점이 있고 가중평균방법의 경우 각각의 인자들이 다른 가중치를 갖기는 하지만 많은 변수들 때문에 변수들 간의 상관관계가 복잡해지는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 주성분 분석방법을 사용하였으며 각 지역의 수방능력 및 재해위험을 고려한 침수위험도를 결정하였다.

지진은 한 번의 발생으로도 막대한 인명 및 재산 피해와 더불어 사회 기능이 마비되는 문제를 일으킬 수 있다. 한반도는 인접한 일본, 중국 등에 비해 지진으로부터 비교적 안전한 지역이라고 여겨져 왔기에, 각종 사회기반 시스템의 설계, 건설, 유지 및 관리에 있어서 과거에는 지진에 대한 충분한 대비가 이루어지지 않았다. 하지만 대규모 인명피해를 유발한 지진에 대한 기록들이 한반도에도 상당수 존재하며, 최근들어 지진의 발생 빈도가 변화하는 추세를 나타내고 있다. 따라서 한반도는 더 이상 지진의 안전지대로 판단할 수 없으며 지진의 규모, 발생 확률 등에 대한 연구의 필요성이 대두되고 있다. 기존의 관련 연구에서는 한반도 전역에 걸친 지진의 빈도해석이 이루어지지 않았으며, 사용된 자료 중 결측값이 존재하여 포괄적인 연구가 이루어지지 못했다. 본 연구에서는 1978년 이후 남한 전역의 지상관측소에서 측정된 1,119 회의 지진 중 연 별 최대규모의 지진 자료를 추출하여 확률론적 분석기법인 빈도해석을 수행하였다. 이를 위해 확률분포함수로 Normal, 2 변수 Gamma, 3변수 Gamma, Generalized Extreme Value (GEV), Gumbel 분포형을 각각 적용하였으며, 모수 추정법으로는 적률법과 최우도법을 적용하여 재현기간 별로 예측되는 지진의 연최대 규모를 산정하였다. 또한, 도출된 확률분포함수의 적합도를 검토하기 위하여 χ2(Chi-square) 검정과 K-S (Kolmogorov-Smirnov) 검정을 수행하였고, 이를 통해 적률법을 적용하여 도출한 2변수 Gamma 분포형을 한반도 지진자료에 대해 가장 적합한 분포형으로 선정할 수 있었다. 도출된 결과는 지진에 대한 확률론적 분석 자체로의 의미를 지님과 함께, 나아가 발생 가능한 미래의 지진 재해에 대해 효율적으로 대처할 수 있는 하나의 기준으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

도시유역의 저지대에서 집중호우에 따른 내수침수의 방지를 위해 빗물펌프장이 설치되어 있다. 현재 국내의 빗물펌프장은 자동화시스템에 의한 펌프 운영으로, 기준수위 도달 시 펌프 가동이 자동적으로 이루어지도록 프로그래밍 되어있다. 빗물펌프장에 설치된 펌프는 기계 및 전기 공급 시스템에 따라 모든 펌프를 한번에 동시 가동할 수 없으며, 현재 빗물펌프장 시스템은 펌프의 on/off가 각각의 펌프 한 대씩 순차적으로 가동하도록 설정되어 있다. 또한 펌프운영의 제한성으로 인하여, 빗물펌프장에 설치된 펌프의 종류에 따른 토출량이 상이할 경우, 펌프의 on/off 가동 순서에 의하여 빗물펌프장 운영의 효율이 달라질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 배수 유역면적, 유수지 및 펌프 용량 등 현장 여건에 따라 최적의 펌프 운영을 수행할 수 있는 알고리즘을 활용하여 펌프장의 운영 방식 개선을 통해 펌프 조합 및 on/off의 여러 case를 통해 일반적이고 현장 운영자들이 적용하기 쉬운 운영 방식을 연구하였다.

상수관은 급격한 기온 변화나 지진에 의한 지반의 변이 및 노후화에 의해 파단이 일어나게 된다. 관의 파단은 상수관망에서 발생할 수 있는 가장 흔한 파괴 상황 중 하나로 시스템으로 공급되는 전체 유량과 관망 내 수두 손실을 증가시킨다. 이러한 변화는 시스템 내에 설치된 압력 및 유량계의 측정값에 영향을 주며 사용성을 저하시킨다. 관 파괴 탐지가 지연되면 주위 지반의 액상화에 의해 싱크홀이 발생하게 되어 복구 시간 및 비용 (사회적 비용 포함)의 증가를 야기하기도 한다. 따라서, 관 파단의 정확하고 신속한 탐지가 필요하다. 본 연구에서는 공정관리 및 품질공학에서 적용되어온 통계적 공정관리 방법을 관 파단 탐지에 적용하였다. 시스템 내에 설치된 압력 및 유량계로부터 측정된 시계열 값을 과거 통계 값과 비교하여 관 파단 여부를 결정하였다. 실제 네트워크에서 수요량의 변동성을 고려해 발생시킨 압력 및 유량 자료를 이용하여 단변량과 다변량 방법을 포함, 총 여섯 가지 통계적 공정관리 방법의 성능을 비교하였다.

도시지역에서 강우가 내리면 우수관거, 빗물저류지 및 빗물펌프장 등을 통하여 우수가 배제된다. 따라서 도시유역은 이들 내배수시설물의 홍수방재능력의 한계를 초과하는 호우사상이 발생하면 유역의 저지대를 중심으로 침수가 일어나게 된다. 침수저감을 위해서는 관거의 확장, 빗물저류지의 신·증설 및 빗물펌프장의 신설 또는 확장 등 홍수방재시설물의 능력 확장을 통하여 가능하다. 이러한 구조적인 대책은 도시지역 및 계획강우량 등의 한계가 있으므로 우선적으로 기존 방재시설물의 운영 최적화를 통하여 방재능력의 극대화가 이루어져야 한다. 비구조적인 대책인 최적운영은 주로 제어가 가능한 빗물펌프장에서 가능하므로 최적홍수제어는 빗물펌프장의 최적제어라고 할 수 있다. 이 또한 관거의 통수능 부족 등에 의한 중상류 저지대침수 등 빗물펌프장에서의 운영최적화에도 한계가 있게 된다. 본 연구에서는 빗물펌프장에서의 최적운영으로 기대할 수 있는 최대 침수저감량을 추정하기 위한 절차를 제시하고 적용을 시도하였다. 이를 위하여 시범유역을 선정하고 빗물펌프장의 설계 및 실운영자료 등을 조사하고 최대의 운영조건으로 가능한 침수저감능력을 분석하였다.

본 연구에서는 도시침수 저감을 위한 비구조적인 대책 중 빗물저류조 최적운영에 관해 연구하였다. 기존의 빗물저류조는 크게 온라인 빗물저류조와 오프라인 빗물저류조로 구분할 수 있다. 온라인 빗물저류조는 일반적으로 대규모로 설치되어 자연유하에 의한 방류를 하며 오프라인 빗물저류조는 중소규모로 경제적이나 월류턱 높이 결정의 운영관리가 어렵고 펌프 압송에 의해 방류한다. 우수관망 내 설치된 오프라인 빗물저류조의 경우 도심지에서 부지확보가 곤란하기 때문에 규모에 한계성이 있고 일반적으로 강우 종료 후 방류를 시작하므로 연속강우에 대한 대처가 취약하다. 오프라인 빗물저류조의 경우 구조적 대책만으로는 연속 강우에 대해 완벽하게 대응하기는 곤란하며 방재성능을 향상시킬 수 있는 비구조적 대책이 필요하다. 오프라인 빗물저류조의 효율을 극대화하여 도시침수를 저감시키기 위해서는 빗물저류조 최적운영은 필수적이다.

본 연구에서는 도시침수 저감을 위한 비구조적인 대책 중 하나로 내외수 연계 내배수시설 최적운영 시스템 개발을 검토하였다. 기존의 유하시설 용량 증설 및 통수능 확보를 초점으로 하는 구조적인 대책은 막대한 예산과 시간을 필요로 할 뿐만 아니라 지구 온난화로 인한 이상기후 및 국지성 집중호우에 완벽하게 대응하기는 곤란하며 유하시설 위주로의 대책은 하류에서의 더 큰 홍수를 발생시킬 위험이 있다. 구조적인 대책과 더불어 집중호우에 대비할 수 있도록 각 시설물의 기능 및 경제성을 최대로 하며 방재성능을 향상시킬 수 있는 비구조적인 대책이 동시에 수립되어야 하며, 유하시설 뿐만 아니라 유역 내 유수지 등을 활용한 대책이 필요하다. 제내지에서의 방류량은 외수의 수위 변화와 밀접한 연관이 있으며, 반대로 외수의 수위가 내수의 배출가능 여부에 직접적인 영향을 미치기 때문에 효율적인 내수침수 방어를 위해서는 내외수를 연계한 운영이 필수적이다.

한반도가 더 이상 지진재해에 안전한 지역이라 확신할 수 없는 상황임에도 불구하고 사회기반시설인 상수관망 시스템의 지진재해에 대한 대응방안이 매우 미흡한 실정이다. 지진피해를 최소화하기 위해서는 시스템의 사전 보강 및 내진설계가 선행되어야 한다. 하지만, 자연재해를 완전히 대비할 수 없는 현실을 감안하면 재해가 발생한 이후에 상실된 시스템의 기능을 최대한 신속히 복구하는 노력이 더욱 중요하다 할 수 있다. 본 연구에서는 지진발생 시 시스템의 신속한 대응 및 복원을 위한 컴퓨터 기반 시뮬레이션 모형의 개발방안을 제시하였다. 이를 위해 과거 한반도에 발생한 지진자료와 일본, 대만, 미국 등 해외에서 발생한 과거 지진피해 사례, 관련 데이터, 연구 등을 종합적으로 검토하여 다양한 시나리오의 구성이 가능하도록 하였다. 또한, 정밀한 수리해석을 통해 지진발생 후 시간에 따른 시스템의 복구진행상황을 정량화하여 시간모의가 가능하도록 하였다. 개발 모형은 재해발생에 따른 시스템의 상태를 Risk-free, Virtual 환경에서 구현할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 사후 복구 측면에서의 시스템 복원력 증진을 도모하고 실무자들의 신속한 시스템 복구대책을 마련하기 위한 (복구순서 결정, 복구인력 및 장비 배치 등) 중요한 의사결정 수단으로 활용될 수 있을 것이다.

최근 한국 근해 및 내륙에서 발생되는 지진의 횟수가 증가함에 따라 지진피해 가능성에 대한 우려가 증가되고 있으며, 지진재해가 발생하였을 경우 신속한 대책을 마련해야 한다는 필요성이 부각되고 있다. 그러나 대규모 사회기반 시설중의 하나인 상수관망 시스템의 경우, 국내 전체 503개소 중 현행 내진설계기준을 만족하는 곳이 전무(소방방재청, 2013)할 정도로 지진재해에 매우 취약하다. 상수도 시설의 경우 구조해석을 통한 개별 구조물의 내진성능평가 뿐 만 아니라, 물 공급가능성을 포함하는 수리학적 위험도(또는 신뢰도) 평가가 반드시 필요하다. 본 연구에서는 수리해석을 기반으로 한 상수관망 지진재해 위험도 산정 프로그램을 개발하였다. 이를 위해 과거 한반도에 발생한 지진자료를 활용하여 지진 발생시나리오를 구성하는 모듈을 구축하였다. 또한 지진 발생에 의해 나타나는 상수도 관망 구성요소(관로, 펌프, 배수지)의 피해 상태를 취약도 함수에 의해 결정하고, 이를 적절히 반영하여 수리해석 결과가 도출되도록 모형화하였다. 본 연구에서 개발된 프로그램을 실제 상수관망 시스템에 적용한 결과, 적용지역에 가까운 곳에서 발생한 과거 지진을 상정하였을 경우 나타난 신뢰도는 지진 재해에 의한 피해를 무시할 수 있는 수준은 아니었으며, 특히 설계 기준에 해당하는 큰 강도의 지진이 발생할 경우 상수관망 시스템의 전반적인 마비가 초래될 수 있음을 확인하였다. 따라서 본 모형은 상수관망의 설계와 사전보강을 위한 의사결정 수단으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

지구온난화에 따른 이상기후로 사상 유래없는 홍수가 빈번하게 발생하고 있으며, 급격한 도시화 및 산업화에 따른 불투수 면적비율 증가, 토지의 집약적 이용은 도시유역을 침수에 더욱 취약하게 하였다. 최근 발생하는 침수피해의 상당 부분이 내수배제의 불량에 기인한 내수침수로 밝혀지고 있다. 그러나 우수관망의 통수능 향상, 저류지 및 빗물펌프장 설치 등의 구조적인 방법은 막대한 시간과 비용을 수반하게 된다. 이에 비구조적인 방법을 통하여, 도시 내배수 시설의 방재성능을 극대화하여 내수범람에 의한 침수피해를 최소화하기 위하여 본 연구를 수행하게 되었다.본 연구는 ‘유하 및 저류시설 등 내배수시설에 대한 방재성능 평가 및 기법 개발’, ‘방재시설물의 방재성능 개선 기술 개발’, ‘내배수시설의 통합방재성능 향상을 위한 최적 설계 및 운영 기법 개발 ’, ‘내수침수예측 및 예경보 시스템 개발’ 등 4개의 연구목표를 설정하였다. 이상의 연구목표를 통하여 내배수 홍수방재 시설물의 능력을 종합적으로 평가할 수 있으며 이에 대응한 방재기준을 재평가할 수 있는 기회를 제공할 것으로 판단된다. 또한, 내배수 홍수방어 시설물의 침수저감 효과를 최대화하기 위한 운영 방안이 수립될 것이며, 본 연구에서 개발된 기술이 실용화될 때 효과적인 내수침수 재해관리가 이루어질 것으로 기대된다.

물은 인간의 생존에 가장 필수적인 요소 중 하나이다. 상수관망 시스템은 수용가에게 적합한 수량, 수질, 그리고 수압을 만족시키며 물을 공급하는 것을 목적으로 한다. 따라서 급수 구역의 수요와 수질기준을 만족시키는 적절한 수량과 수질의 용수를 적절한 수압으로 공급할 수 있도록 수도시설을 효율적이고 안정적으로 관리하는 것은 매우 중요하다. 특히, 상수관은 매설년도, 관종, 매설환경 및 사고이력 등에 따라 노후가 진행 되며, 이것은 관을 통한 흐름의 수두 손실 증가에 의한 수압저하로 나타나게 된다. 결국 수용가가 필요로 하는 적절한 양의 물을 공급할 수 없으며, 또한 정수 처리된 용수의 수질을 유지할 수 없는 문제가 발생한다. 따라서 본 연구에서는 16개의 관과 11개의 복합절점으로 구성된 가상관망에 대하여 경제적, 수리학적 영향을 고려한 노후관거의 최적 개량 의사결정을 수행하였다. 목적함수는 관망의 교체, 갱생, 유지보수 비용을 포함하는 개량비용과, 개량 시 양수비용 절감으로 산정되는 개선이익의 합을 최소화 하는 것으로 결정하였다. 최적화 기법은 Geem et al.(2001)이 제안한바 있는 Harmony Search(HS) 알고리즘을 기반으로, 해탐색의 효율성과 사용성을 높이기 위해 Fuzzy 기법과 Parameter Setting Free(PSF) 기법을 결합한 알고리즘을 개발하여 사용하였다. 즉, 기존 HS 기법의 첫 단계인 Harmony Memory(HM)를 구성하는 과정에서 초기해의 적합도를 향상시키기 위해 Fuzzy 기법을 적용하였으며, 이를 통해 관의 특성과 관 파손이 전체관망에 미치는 영향을 정량화하여 개량 우선순위를 산정하였다. 또한 반복횟수의 증가에 따른 HS 알고리즘의 수렴성과 매개변수 결정의 어려움을 개선하기 위해 HS의 매개변수를 자동적으로 조절하는 Gibbs et al.(2010)과 Geem and Sim(2010)의 Parameter Setting Free Harmony Search(PSF-HS) 알고리즘을 적용하여 최적 개량 계획을 도출하였다. 적용 결과, 1. 우선 기존 HS 알고리즘의 적용 결과 상수관망의 최적 개량 의사결정을 할 수 있음을 확인하였으며, 2. 초기해의 구성에 Fuzzy 기법을 적용하여 HM의 초기 적합도를 향상(초기 HM의 평균 목적함수 값을 약 14.47% 감소시킴)시켰으며, 3. 추가적으로 PSF-HS 알고리즘을 적용하여 기존 HS의 매개변수 결정의 편의성 향상과 알고리즘의 수렴 속도 개선(최적해 도출 반복 시행수를 약 40%로 감소시킴) 효과를 얻을 수 있었다.