지속적인 개발과 도시화로 인하여 하천으로 유입되는 비점오염원의 비율 역시 점차 증가하는 추세이며 비점오염원이 수질악화에 미치는 영향은 점점 더 커지고 있다. 하천의 수질오염을 발생시키는 비점오염원 해결방안을 모색하고 있지만 도시화에 따른 수문현상변동 및 자연현상과 관련된 문제라 연구에 어려움이 많다. 본 연구에서는 기존의 총량원단위법과 달리 유역의 강우 및 도시화 특성과 처리장 운영자료를 활용하여 차별화된 비점오염원 산정 방법을 제시하였다. 하수처리장의 배수구역 내 관거시스템을 합류식으로 가정하여 강우 시 하수처리장의 배수구역별 비점 발생형태는 하수처리장 강우유입량, 하수처리장 우회유량(bypass) 및 하천 토구의 CSO의 3가지로 크게 구분하여 적용함으로써 오염부하량을 산정함으로써 오염총량 단위유역 및 하수처리구역의 관리를 위한 비교자료로 활용 가능할 것으로 판단된다.

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.

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.

The impacts of climate change and land use change are still causing changes in natural patterns as increase of temperature, rainfall intensity, and frequency of rainfall. Also, urbanization is well known to impact hydrology of basins because of its creation of impervious surfaces. This study has been investigated developing method being able to estimate changes of hydrological properties and assessing these changes on each city. For this study, it used three land use scenarios in 1975, 1990, and 2009 for considering impervious changes and future climate change scenario based on RCP 8.5 for impacts of climate change. Three clusters by k-means clustering method were formed by variables shown high correlations from results of Spearman’s order-rank method and Kendall Tau for various variables as rate of each land cover over area of each subwatershed on 145 subwatersheds in Nakdong River, difference of rate of land cover area and CN (Curve Number) between scenarios based on scenario in 1975, and rate of hydrological properties like rate of evaporation, surface runoff, and groundwater. An assessment method using the results from correlation and cluster analysis was developed for deriving the weighted index in accordance with sensitive degree of hydrological property and increase of impervious area. The assessment method for sensitive city applied principal component analysis (PCA) method. Results show that Daegu is greatly sensitive on impacts of hydrological property and increase of impervious area. Consequently, linear regression equations on Daegu are derived by analysis of hydrologic response unit. Urbanization appeared to increase of surface runoff and decrease of evaporation and groundwater in accordance with change of land uses, also the results are considerably important and useful in case of development and design of city.

급격한 산업화 및 도시화로인한 도시유역의 불투수면적의 증가는 도시의 물순환 체계를 변화시켜 우수유출수에 의한 지속적인 피해를 가져왔다. 이러한 우수유출수에 의한 피해를 저감하기 위해 기존의 집중형 유출저감 시설물을 이용하으나, 집중형 유출저감 시설물들의 문제점이 들어남에 따라 미국 PGDER(Prince George’s County, Maryland Department of Environmental Resources)에서 처음 시행된 분산형 유출저감 시설물을 이용한 저영향개발(Low Impact Development, LID)의 계획 및 적용이 활발하게 진행되어지고 있다. 현제 국내에서는 LID요소기술의 적용에 따른 대상유역의 유출특성(첨두유출량, 총유출량)의 저감효과 및 비점오염원 저감효과에 대한 연구가 이루어지고 있다. 그러나 대상유역내의 LID요소기술의 적용 위치에 따른 유출특성 저감효과를 분석한 연구는 현제 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 도심지 유역에 LID를 적용하여 모의할 수 있는 SWMM모형을 이용, LID요소기술의 적용 위치에 따른 유출특성을 분석하였다. 연구의 대상유역은 상습침수지역을 바탕으로 동일한 특성의 소유역과 관거를 이용한 관망도를 구축하였다. 적용 LID요소기술 선정은 대상지역이 새롭게 건설되는 유역이 아닌 기존의 도심지이기 때문에 별도의 부지가 필요하지 않고 기존의 기반시설들과 연계하여 설비 가능한 옥상녹화와 투수성 포장을 선정하였다. 선정된 LID요소기술을 가상유역의 소유역 위치에 따른 시나리오를 작성하여 소유역 위치에 따른 옥상녹화와 투수성포장의 유출특성 저감효과를 분석하였다. 분석결과 SWMM-LID모듈을 이용하여 옥상녹화와 투수성포장의 적용 위치에 따른 유출특성 저감효과는 적용 위치에 상관없이 동일한 것을 알 수 있었다. 따라서 향후 연구에서는 SWMM모형의 옥상녹화와 투수성포장의 적용 위치에 따른 불확실성을 배제하여, 실제 유역의 적용 가능 면적 및 가격 등을 고려한 최적의 LID요소기술적용 조합에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

지나친 도시개발은 불투수면적의 증가로 인한 유출 증가를 야기하며 이는 홍수 및 비점오염에 대한 문제 및 기저유출감소로 인한 지하수위 감소에 따라 하천을 건천화시키는 문제를 발생시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 저영향개발(LID, Low Impact Development) 기법이 제시되고 있다. 즉, LID 기법을 적용함으로써 개발 이전의 수문순환 상태를 모사하여 개발로 인한 영향을 최소화 하고 물 순환구조를 개선하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 국내에서도 LID 개념의 도입이 지속적으로 증가함에 따라 소규모 배수 분구를 중심으로 연구가 진행되고 있다. 또한, 중규모 이상의 유역에 LID기법을 적용 시 유역 내 수문학적 유출 특성과 오염 발생 특성 변화에 대한 분석 방안이 요구되지만 하수처리분구 단위의 수문학적 영향을 분석 할 수 있는 연구는 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 하수처리 구역 내 LID 기법의 적용에 따른 물순환 개선효과와 비점오염 저감효과 분석 및 기존 관리기법과의 비교를 통해 유역관리 측면에서의 적정 LID 설치면적 추정 방안을 검토하였다. LID 적용효과 분석을 위하여 소규모 배수 분구인 부산시 동래천 유역과 하수처리구역인 온천천 유역을 대상유역으로 선정하였으며 동래천 유역을 대상으로 LID 요소기술의 적용가능 면적을 추출하고 비율로 환산한 후 온천천 유역으로 확대·적용하였다. LID 요소기술 중 우리나라의 토지이용 밀집도를 고려하여 적용이 용이한 Green Roof와 Porous Pavement 및 도로에 설치되는 Street Planter를 선정하였으며 유역별로 구축된 LID 기법 기반의 SWMM 모형을 이용하여 토양특성과 강우특성을 고려한 물순환 기능 개선효과 및 비점오염량 저감효과를 분석하였다. 또한 온천천 유역을 대상으로 기존 비점오염 관리방안인 오염원 및 방류량에 따른 처리효율과 LID 적용 시의 처리효율을 비교하였으며 비교자료를 토대로 유역관리와 비용적인 측면을 고려한 적정 LID 설치비율로서 기존 비점오염 관리방안의 처리효율을 만족하는 LID 설치비율을 선정하고 이에 대한 적용 가능성을 검토하였다.

최근 한국은 기후변화로 인한 기온 및 수온 상승, 빈번한 집중호우와 친수공간 조성에 따른 적극적인 하천의 활용 등으로 인하여 하천 및 저수지 내 수질관리에 있어 해결해야 하는 많은 문제점을 가지고 있다. 본 연구는 효율적인 수질관리를 위하여 인공신경망을 이용한 단기조류예측모형 구축에 관한 연구이다. 대상지역으로 조류가 번식하기 좋은 조건을 지니고 있는 금강유역 내 대청호를 선정하였고 설치되어 있는 수질자동측정망의 일 단위자료를 이용하였다. 다층전방향신경망의 역전파 알고리즘을 이용하여 단기(1일, 3일, 7일) 조류를 예측할 수 있는 모형을 구축하였다. 본 모형에서는 대청호 내 수문 및 수질성분을 교차상관분석을 기초하여 단기조류예측모형의 입력 성분을 선정한 후 다양한 조류예측 신경망 모형을 구축하여 결과에 대한 검증을 실시하였다. 구축된 단기조류예측모형은 자연발생적인 기작과 유사한 현상을 재현할 수 있는 다양한 수질인자를 고려하여 단기조류예측모형을 구축한 경우 예측의 정확도가 높게 도출되었다. 본 연구는 신경망 모형의 최대 장점인 비선형성 및 간편성 등을 고려하였을 때 우리나라의 수질예측에 적합한 신경망 모형을 구축할 수 있으며 이를 통한 하천 및 호수 내 효율적인 수질관리 방안을 제시할 수 있을 것이다.

수문시스템은 강우를 입력자료로 이용하여 홍수량을 산정하는 일련의 과정을 의미하며 강우량은 최초의 입력자료로서 그 영향이 홍수량의 규모에 직접적으로 영향을 미치게 된다. 또한 강우발생시 바람이 동시에 발생하기 때문에 풍속의 영향을 받는다. 그러나 현재 국내에서 사용되는 강우량 측정은 대부분 자기우량계를 이용하고 있으나 강우관측소에서 제공 되어지는 강우자료는 풍속의 영향을 고려하지 않은 강우 관측자료를 제공하고 있다. 이러한 풍속의 영향을 고려하지 않은 강우 관측자료를 사용하여 모형을 통한 홍수량을 산정시 실제 발생되는 유출율과 맞는 않는 경우가 발생하게 된다. 따라서 본 연구에서는 강우발생시 풍속의 영향을 고려하였을 경우 강우특성 분석을 통하여 수리설계시 실무에 많은 도움을 주고자 한다. 본 연구에서는 강우자료 및 풍속자료는 대상유역인 서울시 금천구지역의 2007년부터 2011년까지의 기상청에서 제공하는 10분단위 AWS 자료를 이용하였다. 또한 강우자료의 경우 불규칙한 분포로 이루어져 있기 때문에 이를 IETD(Interevent Time Definition)를 이용하여 단일강우사상으로 분리하였으며 이 때 발생되는 강우사상의 횟수 및 특징을 확인하였다. 10분 단위 강우자료를 이용하여 단일강우사상으로 구분하였을 경우 IETD 분석방법으로 구분이 어렵기 때문에 기존의 참고문헌인 권재호(2003)논문을 인용하여 IETD를 채택 후 호우사상을 구분하였다. 또한 6, 7, 8, 9월의 경우 게릴라성 집중호우 및 태풍등과 같은 특이 호우가 많이 발생하며 이러한 특이 호우 발생시 강한 풍속을 동반하기 때문에 본 연구에서는 우기시, 건기시, 전기간으로 구분하여 강우의 특성을 분석하였다. 풍속의 영향에 따른 강우특성과 강우와 풍속간의 관계를 분석한 결과 우기시 및 건기시, 전기간에서 모두 풍속의 크기가 커질수록 풍속의 영향에 따른 증가율이 선형적으로 증가하였으며 상관성 모두 비슷한 결과를 보였다. 또한 우기 및 건기에서 비슷한 강우발생 횟수를 보였지만 우기시가 건기시보다 풍속의 영향을 고려했을 경우 증가율이 크게 나타났다. 풍속 구간별로 구분하여 분석한 결과에서는 풍속이 크기가 가장 큰 구간에서 증가율 또한 가장 큰 것으로 나타났다. 따라서 우기시 강한 바람을 동반한 강우가 많이 발생되며 이에 따른 강우특성을 분석하여 홍수량 산정시 실제 사상에 가까운 홍수량을 산정 할 수 있을 것으로 판단된다.

지구환경의 변화로 홍수빈도 및 강우강도가 증가하고 있다. 이에 따라 도시유역 내 홍수범람으로 인한 인명 및 재산 피해가 빈번히 발생하고 있다. 발생되는 피해에 대하여 과학적이고 기술적인 대응 방안이 필요하며 이를 위한 기술의 개발과 홍수예경보시스템의 연계에 관한 적정 방안을 필요로 하고 있다. 본 연구에서는 효율적인 통합중소하천의 예경보 시범유역을 선정하고 이를 위하여 부산시 소재 내 온천천 유역을 시범유역으로 선정하여 홍수예경보를 위한 10분 간격의 실시간 모니터링을 구축하였다. 이는 현장에 설치된 강우계, 수위계, 유량계를 설치하여 이를 원격 시스템으로 데이터를 전송하고 관리할 수 있는 웹사이트를 구축하였다(http://pnuhydro.pusan.ac.kr). 이를 통하여 구축된 DB를 활용하여 도시 유역 내 단기 수문예측모형을 개발하였다. 수문예측모형은 온천천 유역 내 설치되어 있는 실시간 유역 모니터링 시스템의 수집된 자료 중 홍수시 강우사상별로 수문예측모형의 입력자료로 사용하였다. 역전파알고리즘 기반의 인공신경망을 이용하여 2006-2012년의 기간 중 10분 간격의 수위 및 강우 자료를 이용하여 홍수기 시 강우사상별로 자료를 정리 한 후 4가지 강우사상에 대하여 training과 testing 기간으로 나누어 10분부터 60분까지의 수위 예측을 실시하였다. 그 결과 10분 간격의 수위예측에서 10분 간격으로 최대 60분까지 예측한 경우 예측 기간이 길어질수록 예측 정도가 단기 예측에 비하여 RMSE와 CC(상관계수) 값 중 RMSE 커지긴 하지만 상관분석의 결과 및 RMSE 모형 분석 결과는 대체적으로 60분까지 예측 성능이 우수한 편이었다. 이는 실시간 모니터링 시스템에 의하여 DB화한 수문관측자료를 이용하여 역전파알고리즘 기반의 수위예측모형은 도시 유역 내 돌발홍수 및 범람에 대비할 수 있는 대안책으로 추후 효율적인 모니터링 시스템의 운영과 관리에 의한 DB의 축적과 이를 통한 다양한 강우사상에 대한 수문예측모형의 적용으로 그 적용성 평가가 필요할 것으로 사료된다.

현재 개발되어있는 저영향개발(LID) 요소 기술들은 산재되어 있으나, 실제 시공에 적용하기 위한 효율성 검증기술 개발은 세계적으로도 미비한 실정이다. LID 효율성 검증기술은 실제로 LID 기술의 실용성, 상업성 및 파급성에 막대한 영향을 줄 수 있다. 이러한 필요성에 따라 선제적인 효율성 실험동 구축을 통한 검증 기술 획득과 시공평가 기술의 선정 전략이 필요하다. 본 연구에서는 저영향개발(LID)기법을 검증할 수 있도록 설계된 Smart LID/NPS Simulator를 이용하여 시료에 따른 수문학적 물수지분석이 가능한지 판단여부를 평가하였다. 실험 방법으로는 2×5(m) 크기의 Runoff Plot 중앙을 구분하였다. Runoff Plot의 한 면에 스펀지를 이용하여 불투수면과 투수면을 구분하였으며, 두 CASE의 강우(10mm/h, 30mm/h)에 각각 1×1×0.1(m) 규격의 스펀지 1단과 2단으로 구분하여 30분간 강우를 모사하였다. 그리고 강우 종료 후 30분간 대기하여 지표유출 및 지하수 유출이 모두 종료 할 때 까지 대기하였다. 각각의 CASE별 결과로 먼저 10mm/h 강우강도에서는 스펀지를 이용한 투수면의 지표유출량이 불투수면보다 지표유출이 59%가량 감소하는 것으로 나타났다. 하지만 강우강도가 4.5배 증가한 45mm/h에서는 불투수면과 투수면에서의 지표 유출은 큰 차이가 나타나지 않았다. 또한 스펀지 2단에서의 지하수 유출량은 1단을 사용한 Case 보다 감소하는 것으로 나타났으며, 스펀지 내 함수량은 증가하는 것으로 나타났다. 향우 본 검증기기를 이용하여 효율성이 높은 LID 기술요소를 개발 할 수 있을 것이라 사료된다.