최근 기후변화와 하천의 홍수 특성, 물리적 환경 변화로 치수 안전성이 어느 때보다 위협받고 있는 가운데 제방 등 하천종단 수자원시설의 안전을 정량적으로 평가할 수 있는 위험도 기반의 치수안전도 평가 체계가 마련되고 있어 귀추가 주목된다.
식생 지형 변화 고해상도로 탐지 하천 공간정보 정밀 관측
하천 물리적 요소 모형화 후 수리·지형적 영향 정량적 평가
제방 범람 등 종합적 위험도 평가 플랫폼 제시 연구 추진
수목과 같은 하천 식생은 하천을 구성하는 주요 요소지만, 최근 식생 면적의 급격한 증가로 홍수 영향에 대한 우려가 높은 실정이다.
특히, 제방 등 하천종단 수자원시설 붕괴는 대규모 인명과 재산 피해로 이어지는 만큼 현재와 같은 물리 환경의 급격한 변화를 고려한 체계적인 치수안전도 평가 체계 구축 필요성에 대한 목소리가 높아지고 있다.
이에 기후에너지환경부의 지원 아래 지난 2024년부터 한국건설기술연구원을 중심으로 ‘미래변화 대응 수자원 안정성 확보 기술개발사업’이 진행되고 있다.
이 연구는 하천 계획과 관리에서 활용할 수 있는 보다 과학적이고 체계적인 치수안전도 평가 기술 개발을 목표로, 하천의 위험요인과 시설물의 취약도, 피해 규모 등을 종합적으로 고려하는 기술 개발을 추진하고 있다.
연구내용
이 연구는 크게 관측, 예측, 평가 등 3개 분야로 나눠 진행되고 있다.
‘관측 분야’에서는 위성·드론 기반 원격탐사와 AI 융합 기술을 통해 식생과 지형 변화를 고해상도로 탐지하고, 하천 공간정보를 정밀하게 구축하는 기술 개발에 나서고 있다.
관측기술은 하천의 물리적 환경 변화를 관측해 공간정보를 생성하는 기술로, 위성 영상과 드론을 활용해 AI 기반의 다중 영상정보 융합을 통해 2차원 및 3차원 하천공간정보를 생성하는 기술로 구성된다.
‘예측 분야’에서는 식생 성장·소멸과 지형 변화, 유송잡물 거동 등 하천 물리적 요소를 모형화한 후 수리·지형적 영향을 정량적으로 평가하는 기술 개발 연구가 이뤄지고 있다.
예측기술은 관측 결과를 기반으로 하천의 물리적 환경 변화를 모델링한 후 정량적으로 예측하는 기술로, 식생의 영향에 대한 미시적·거시적 해석, 지형 변화 모의, 유송잡물 영향 해석 등으로 구성된다.
‘평가 분야’에서는 월류 및 비월류 붕괴 시나리오를 고려한 제방 취약도 평가와 함께 범람 모의·인명·자산 피해 산정 기법을 연계해 종합적 위험도 평가 플랫폼을 제시하기 위한 연구를 추진하고 있다.
평가기술은 관측과 예측 기술을 바탕으로 제방 등의 치수안전도를 정량적으로 평가하는 기술로, 제방 취약도 평가기술과 정량적 피해 기준 및 규모 산정 기술로 구성된다.
세부적으로 살펴보면, ‘AI 기반 다중 영상정보 융합을 통한 2·3차원 하천 지형 및 식생변화 탐지 기술 개발’ 분야는 AI 기반 다중 영상정보 융합 기술을 통해 하천의 물리 환경 변화를 정밀하게 관측·분석하고, 이를 하천관리 및 수자원 정책에 활용할 수 있는 기반 마련에 초점을 두고 있다.
이를 위해 첨단 원격탐사와 AI 기반의 하천 지형·식생 입체 해석 기술 개발과 다중 영상정보 융합을 통한 고해상도 하천공간 맵핑 기술 구현을 위한 연구를 진행하고 있다.
이 같은 연구를 통해 선보일 기술은 향후 홍수위 예측 및 통수능 관리, 하천 식생·지형 변화 모니터링, 수문–지형 연계 수치모의 지원 등 하천의 물리환경 변화를 정밀하게 모니터링할 수 있는 기반을 제공할 것으로 기대를 모으고 있다.
‘식생 주변 미세 흐름 거동 및 지형 변화 예측 기술 개발’ 분야에서는 식생 주변의 미세 흐름과 지형 변화를 3차원 수치해석으로 정식화하고, 이를 거시적 하천 예측모델과 연계할 수 있는 기술 개발에 나서고 있다.
연구진은 그동안의 연구를 통해 전통적인 Manning 조도계수 보정이나 다공성 등가화 방식이 설명하지 못한 3차원 난류–입자 상호작용을 직접 구현하는 성과를 도출해 눈길을 끈다.
향후 3D PIV·PTV 검증 실험을 통해 모형 신뢰도를 확보하고, 단일 식생에서 패치 확장까지 단계별 시나리오를 정립할 계획이다.
이 기술은 하천 식생 관리와 설계 대안 평가에 실질적으로 기여하며, 통수 기능과 홍수 대응 측면에서 예측의 일관성과 의사결정 근거를 강화하는 데 중요한 기반이 될 전망이다.
‘식생 성장 및 소멸을 고려한 하천지형 변화 분석 및 예측 기술 개발’ 분야에서는 식생의 성장과 소멸을 고려한 하천 지형 변화 분석·예측 기술 개발을 목표로, 하도 지형 변화 및 육역화 관리 기술 개발 연구와 홍수에 따른 식생 파괴와 재생 예측 연구가 이뤄지고 있다.
‘하도 지형 변화 및 육역화 관리 기술 개발’ 연구에서는 iRIC 기반 2차원 수치모형에 식생 정보를 반영, 금강 유역 미호강을 대상으로 시험 적용해 식생이 홍수 시 수리 구조에 미치는 영향을 정량적으로 보여주는 성과를 도출했다.
또한, AI 기법을 접목해 강우-수위 상관관계를 분석하고 단기 수위 예측 기술을 개발, 홍수 대응력 제고에도 기여하고 있다.
‘홍수에 따른 식생 파괴와 재생 예측’ 연구에서는 원격탐사 기법을 활용해 홍수 전후의 식생 변화를 공간적으로 분석하고, 피해 이후 재생과 재분포 과정을 예측하는 기술을 개발하고 있다.
특히, 이번 연구는 단순한 하천 수리학적 분석을 넘어, 식생을 하나의 동적 요소로 반영해 지형 변화와 홍수 대응을 통합적으로 바라보는 새로운 관리 패러다임을 제시한다는 점에서 큰 의미를 갖고 있다.
실제로 식생의 성장과 소멸 과정을 예측·관리할 수 있는 과학적 기술은 기후변화 시대의 홍수 대응에 있어 꼭 필요한 기반 기술로 자리매김할 전망이다.
‘하천 유송잡물 발생과 거동 분석기술 개발’ 분야에서는 유송잡물의 발생량 예측과 거동 해석을 아우르는 기술 개발에 집중하고 있다.
현재 국내 다목적댐 수거 자료를 활용해 유송잡물 발생량을 예측하는 모델을 구축하는 한편, 유송잡물의 거동 해석을 위해 천수방정식 기반의 2차원 흐름 모형과 라그랑지안 입자추적 기법을 결합해 하천 내 부유물 이동을 모의했다.
모의 결과, 사행도가 클수록 유송잡물의 체류시간이 늘어나고, 밀도가 높은 부유물일수록 하상 근처에 머물며 이동 속도가 느려지는 현상을 정량적으로 규명했다.
향후 OpenFOAM 기반의 3차원 유동해석과 NaysCUBE 모형을 활용해 구조물 주변의 세밀한 거동을 재현하고, 실험 수로 검증을 통해 기술을 고도화할 계획이다.
‘하천종단 수자원시설 취약도 및 치수안전도 평가 기술 개발’ 분야에서는 제방을 대상으로 전통적 설계 개념을 넘어, 위험도 기반의 치수안전도 평가 체계 구축을 목표로, 취약도 평가, 피해 산정, 위험지수 통합을 포함하는 제방 치수안전도 평가 플랫폼 개발에 나서고 있다.
이 플랫폼은 국가 정책 차원에서는 취약 구간 선별 및 보강 우선순위 설정, 지자체 차원에서는 홍수기 신속 대응과 대피 의사결정 지원, 연구 차원에서는 장기적 설계기준 개선과 수자원 관리 전략 마련에 활용될 것으로 기대를 모으고 있다.
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‘기후변화 시대’ 과학적 하천 안전관리 기반 구축 ‘큰 의미’
한국건설기술연구원 이두한 선임연구위원은 “이번 연구는 기후변화 시대에 대응한 하천의 과학적 안전관리 기반을 구축한다는 점에서 큰 의미를 갖는다”고 말했다.
이어 “특히, 기존의 경험적·정성적 판단에서 벗어나, 정량적 데이터와 과학적 분석을 기반으로 하천의 안전도를 평가할 수 있는 기술을 확보함으로써, 향후 극한홍수와 같은 기후위기 상황에서도 국민의 생명과 재산을 보호할 수 있는 기반을 마련해 나가고 있다”고 밝혔다.
현재 연구진은 기후변화와 하천의 물리적 환경 변화로 인해 제방 등 하천종단 수자원시설의 안전성이 저하되는 문제에 대응하기 위해 위험도 기반의 치수안전도 평가 체계 구축에 역량을 집중시키고 있다.
이 박사는 “이번 연구는 국내에서 처음으로 시도되는 기술이 다수 포함된 도전적인 연구”라며, “라이다 자료를 이용한 자동 수목 탐지 기술은 초기에는 정확도가 낮았지만, 연구진이 하천 현장에서 직접 수목 데이터를 수집하고 AI 알고리즘을 개선한 결과, 탐지 정확도를 80% 수준까지 향상시킬 수 있었다”고 밝혔다.
연구진은 고성능 컴퓨팅(HPC) 기반의 식생-유동 해석 기술과 확률론적 제방 취약도 평가 기법은 국내 선례가 거의 없어, 초기에는 반복적인 계산 오류와 수렴 실패로 많은 시행착오를 겪은 것으로 알려져 있다.
이어 “하지만, 해외 연구사례 분석과 지속적인 알고리즘 개선을 통해 성공적으로 기술을 완성했으며, 이를 통해 국내 하천 연구의 기술 수준을 한 단계 끌어올렸다는 점에서 큰 보람을 느끼고 있다”고 강조했다.
현재 국내 하천의 치수안전도는 명확한 정의나 정량적 기준이 부재해 하천의 실제 위험 수준을 정확히 진단하기 어렵다.
위험도 기반 치수안전도 평가 체계 구축에 역량 집중
이 박사는 “따라서 이번 연구를 통해 위험요인과 취약도, 피해 규모를 연계한 정량적 평가체계를 구축함으로써, 하천의 현재 상태를 객관적으로 제시할 수 있게 된다”며, “또한, 기후변화와 하천의 불확실성 요인을 평가모델에 반영함으로써, 향후 홍수 피해를 줄이기 위한 하천관리 방향을 구체화할 수 있다”고 설명했다.
특히, 이번 연구는 단순히 설계빈도나 여유고에 의존하던 기존의 정적 평가에서 벗어나, ‘관측–예측–평가’의 전 과정을 통합한 과학적·체계적 치수안전도 평가 기술을 제시한다는 점에서 주목받고 있다.
이 박사는 “이 기술은 향후 국가 정책 차원의 치수안전도 평가 및 치수사업 우선순위 결정, 지자체의 홍수 대응 및 대피 의사결정 지원, 하천 설계기준 개선과 장기 수자원 관리 전략 수립 등 다양한 분야에서 폭넓게 활용될 것”이라고 전망했다.
이어 “특히, 이번 연구에서 개발된 데이터 분석 및 시뮬레이션 기술은 향후 AI 기반 홍수 예·경보 시스템이나 스마트 하천관리 플랫폼 구축의 핵심기술로도 확장될 수 있을 것으로 기대된다”고 덧붙였다.
