역방향 스텝(backward-facing steps, BFS)에서 스텝 각도(stepping angle)가 서로 다른 경우의 유동장을 예측하기 위해 합성곱 기계학습(ML) 모델을 개발하였다. 본 모델은 특정 스텝 각도에 대해 3차원 대와류 시뮬레이션(large eddy simulations)으로부터 얻은 유동 데이터를 이용해 학습하였고, 관측되지 않은 스텝 각도에서는 검증하였다. 손실함수는 기하학적 변화에 대응하기 위해 평균제곱오차와 경계 손실(boundary loss)을 모두 포함하였다. ML 모델 학습에 사용한 수치 결과는 실험 데이터와 대조·검증되었으며, 속도 분포, 난류 강도(turbulence intensity), 재부착 길이(reattachment length)와 관련하여 양호한 일치를 보였다. ML 결과는 속도 및 난류 강도 분포의 수치 결과와 전반적으로 일치하였으나, 분리 영역(separation zone)에서 더 넓게 예측된 유동 패턴으로 인해 ML 모델이 재부착 지점을 약간 지연되게 예측하는 경향이 나타났다. 또한 ML 모델과 수치 시뮬레이션은 연속성 및 운동량에서 유사한 경향을 보였다. ML 결과는 난류 강도에 대해 약간의 과대예측이 있었음에도 불구하고 실험 데이터와 잘 일치하였다. 그럼에도 불구하고 본 모델은 다양한 BFS 각도 전반에서 높은 성능과 강한 일반화 능력을 달성하였다. 종합하면, 평균제곱오차와 경계 손실을 결합한 손실함수로 학습한 합성곱 ML 모델이 스텝 각도가 서로 다른 BFS 유동을 효과적으로 예측할 수 있음이 검증되었다.

도시 침수는 폭우 시 하수(빗물) 시스템의 배수 능력이 충분하지 않음, 하천 수위 상승에 따른 내수(내륙) 침수, 그리고 하천 범람 등 다양한 요인의 복합적 작용으로 인해 발생할 수 있다. 본 연구는 XP-SWMM을 이용하여 이러한 복잡한 현상으로부터 발생하는 도시 침수(도시 물고임)를 분석하기 위한 방법을 제안한다. 이는 도시 유역에서 배수 시스템의 유량을 산정하고 지표면 침수를 분석할 수 있는 모델이다. 또한 불규칙한 수로 단면과 교량을 수용할 수 있어 하천 범람의 모형화가 가능하다. 그러나 하천을 1차원 링크와 노드로 표현하기 때문에 실제 하천의 침수 양상을 재현하는 데에는 한계가 있다. 본 연구는 하천 범람으로 인해 발생하는 침수의 영향을 반영하기 위해 가상 제어 구조를 구현하였다. 이 접근법은 2020년 7월에 두 차례의 하천 및 내수 침수가 동시에 발생한 부산의 동천 유역에 적용하였다. 그 결과, 제안된 접근법의 적절성이 확인되었다.

한국에서 빗물저류 시설의 이용은 국가 법령, 기관 규정 및 지방자치단체의 행정적 지원에 따라 증가하고 있다. 그러나 대부분의 빗물저류 용량 계획은 기관적 제약에 의해 특징지어지며, 엔지니어의 판단에 따라 결정된다. 본 연구는 빗물저류의 저장 용량을 경제적으로 산정하기 위한 방법을 제안하고자 하였다. 본 연구에서는 빗물저류의 규모에 따른 빗물 재이용량을 평가할 수 있는 질량수지 방정식을 제시하고, 이를 바탕으로 빗물저류 시설의 설치 및 운영에 대한 비용과 편익 요인을 정의하였다. 순현재가치(net present value, NPV)와 편익–비용비(benefit–cost ratio, BCR)를 사용하여 빗물저류의 각 저장 용량에 대한 경제적 타당성을 분석하였다. 제안한 방법을 인천광역시 청나구의 빗물저류에 적용한 결과, 경제적 타당성 평가에는 NPV가 적절한 것으로 나타났다. 설계 보고서에 따르면, 6,740 m³로 계획된 빗물저류의 경우 30년의 설계 수명 동안 NPV는 −4.78억 KRW로 계산되었다. 한편 경제적 타당성을 고려한 최적 규모는 2,000 m³이며, 해당 규모의 NPV는 +17.38억 KRW로 분석되었다. 따라서 적절한 빗물저류 규모를 결정하기 위한 대안으로서 경제성 분석이 적합하다.

대한민국에서는 XP-SWMM이 주로 지속적으로 발생하는 도시침수의 원인을 분석하고 대책을 수립하는 데 사용되고 있다. 그러나 대부분의 도시 지역이 관측이 이루어지지 않은(비계측) 상태이므로, 모델의 보정(calibration)은 어렵다. 따라서 많은 엔지니어들은 XP-SWMM을 사용할 때 사용자 매뉴얼에서 제공하는 기본값을 사용한다. 본 연구에서는 XP-SWMM을 이용해 2차원 침수를 모의하기 위한 4가지 주요 매개변수에 대한 민감도 분석을 수행하였다. 또한 대상 지역(부산의 Marine City)의 아카이브 지도와, 매개변수 변화를 통해 도출된 시뮬레이션 결과를 비교함으로써 각 매개변수의 적절한 범위를 검토하였다. 본 연구의 결과는 다양한 도시침수 분석을 위한 입력 자료의 추정에 적용할 수 있다.

강수, 만조 및 월파 월류는 일부 연안 지역에서 함께 침수를 유발할 수 있다. 그러나 학제 간 기법의 어려움으로 인해 복합 홍수(compound flooding)를 고려한 침수 분석 사례는 많지 않았다. 본 연구의 목적은 연안에서의 복합 홍수 분석 기법을 제안하는 것으로, 연안과 유역의 유동 시뮬레이션 도구를 연계한다. XP-SWMM을 이용하여 강수–유출(rainfall–runoff) 시뮬레이션과 2차원 지표면 침수 분석을 수행하였다. ADCIRC와 SWAN을 결합한 모형(ADCSWAN)을 사용하여 원격 해역으로부터의 파 스펙트럼, 만조 및 폭풍해일을 포함한 예상 유동을 분석하였으며, FLOW-3D 모형을 사용하여 연안 지역에서의 유동 및 월파 월류를 추정하였다. 본 분석 기법은 대한민국 부산에 위치한 Marine City에 적용하였는데, 태풍 기간에 강수와 월파 월류가 동시에 발생하였다. 그 결과는 타당하였다. 본 연구 결과는 연안의 복합 홍수에 대한 실제 현상의 재현성을 향상시키는 데, 연안과 유역의 유동 시뮬레이션 도구를 연계 적용함으로써 기여할 수 있다는 점에서 의미가 있다.

기후변화와 수자원에 대한 소유권 분쟁으로 인해 물 위험이 지속적으로 증가하고 있다. 수자원을 확보하기 위한 댐 건설은 환경 문제와 상류 지역의 침수(immersion)를 초래할 수 있다. 반면, 빗물 수확 시스템은 낮은 비용으로 물을 효과적으로 공급할 수 있으나, 이러한 시스템의 경제적 효율성은 여전히 논쟁의 여지가 있다. 본 연구는 빗물 수확 시스템의 설치를 촉진하기 위한 재정 지원 프로그램을 평가하여 경제적 타당성을 높이는 방안을 제시한다. 비용–편익 분석(cost–benefit analysis)에 기초하여, 수용(저장) 능력 최적화 방법(capacity optimization methods)도 추가로 제안한다. 또한 인플레이션 및 할인율과 같은 불확실한 매개변수들 사이의 상대적 중요도를 파악하기 위해 민감도 분석을 수행한다. 이를 통해 궁극적으로 빗물 수확 시스템의 설계에서 고려해야 할 우선순위 요소가 확인된다. 인플레이션율에 민감하긴 하지만, 빗물 수확 시스템의 경제적 효율성을 추정하는 데 있어 전형적인 비용–편익 비율(cost–benefit ratio)보다 순현재가치(net present value)가 더 적절한 것으로 나타난다. 빗물 수확 시스템의 높은 미래가치가 경제적 타당성을 과대평가하므로, 적절한 인플레이션율을 적용해야 한다. 종합하면, 빗물 수확 시스템을 촉진하는 재정 지원 프로그램은 혜택을 유의미하게 증가시킨다. 따라서 빗물 수확 시스템의 경제적 타당성을 확보하기 위해 국가 차원의 재정 지원 정책을 권고한다.

저수지 운영을 위한 이산적 헤징 규칙에는 급수 제한의 개시와 종료를 위한 시간에 따라 변하는 트리거 용적이 포함되어, 이를 최적화하는 문제를 복잡하게 만든다. 동적으로 차원 조정된 탐색은 복잡한 최적화 문제에 손쉽게 적용할 수 있지만, 저수지 운영 규칙을 도출하는 것과 같은 제약 최적화 문제에서는 성능이 상대적으로 제한적이다. 본 연구에서는 제약 최적화 문제를 효율적으로 해결하기 위해, 탐색 범위를 유연하게 하는 동적으로 차원 조정된 탐색을 제안한다. 수정된 알고리즘은 한정된 중첩만을 가지면서 의사결정 변수의 탐색 범위를 재귀적으로 갱신할 수 있다. 위의 두 알고리즘을 세 개의 저수지에 대한 헤징 규칙 곡선을 도출하는 데 적용하였다. 목적함수 값은 최적해에 매우 근접하게 수렴하였으며, 수정된 알고리즘이 전통적 알고리즘에 비해 평가 횟수를 더 적게 사용하였다. 수정된 알고리즘은 의사결정 변수의 중첩된 탐색 범위를 억제하며, 부등식 조건을 위반하는 비합리적인 후보해로 인해 발생하는 불필요한 계산 노력을 줄일 수 있다.

디지털 필터에 기반한 기저유출 분리 방법은 유수(하천유출)에서 기저유출을 분리하기 위한 간단한 방법이다. 디지털 필터 방법을 분석에 적용하기 위해서는 필터 파라미터의 적절한 추정이 필요하다. 본 연구에서는 Lyne–Hollick(LH), Chapman, Chapman and Maxwell(CM), 지수 가중 이동 평균(EWMA) 등 네 가지 디지털 필터 방법에 대하여 민감도 분석을 수행하였다. 또한 각 방법에 대해 적절한 필터 파라미터를 제시하였다. 이를 대한민국 낙동강의 25개 수위 관측 지점에 적용하여 네 가지 방법을 평가하였다. 평가 결과, Chapman 및 CM 방법은 건기 동안 기저유출을 분리하는 데 문제가 있는 것으로 나타났다. 반면 EWMA 및 LH 방법은 적절한 필터 파라미터를 선택함으로써 산출물에 대한 신뢰할 수 있는 기저유출 분리를 달성할 수 있었다. 따라서 EWMA 및 LH 방법은 단 하나의 필터 파라미터를 사용하는 디지털 필터 방법들 가운데에서 쉽고 합리적으로 활용할 수 있다.

기후변화로 인해 유역의 물순환은 취약해지고 있으므로, 지속가능한 유역 관리의 필요성이 증가하고 있다. 본 논문은 이전 상태와 현재 상태를 고려한 체계적 유역 관리를 위한 지침을 제공하기 위해 물순환의 건전성(healthiness) 평가에 관한 틀을 제안한다. 제안된 틀은 유역별로 물순환 구성요소의 등급화된 건전성에 근거하여 복원 및 향상(restoration and enhancement) 계획의 우선순위를 정하는 것을 목표로 한다. 이 틀은 두 가지 평가 절차로 구성된다. 즉, 유역에서 홍수, 가뭄, 하천 고갈과 같은 문제를 식별하기 위한 문제 중심 평가(problem-focused assessment)와, 향상 및 복원 계획을 위한 유역을 선정하기 위한 최우선 평가(highest priority assessment)이다. 각 지표(metric)에 대한 건전성 평가 방법은 「물관리기본법」을 바탕으로 제안되었다. 본 틀은 대한민국의 서로 다른 4개 유역에 적용되었다. 그 결과, 본 틀은 각 유역에서 물순환과 관련된 실질적이고 새롭게 부상하는 문제를 식별하는 데 효과적인 방법임이 입증되었다. 또한 본 틀은 건전성 평가를 통해 다양한 잠재적 수문 문제를 갖는 유역을 객관적으로 진단함으로써 유역의 물 문제를 탐지하기 위한 기술 정보를 제공하는 데 기여할 수 있다.

역방향 스텝(backward-facing steps, BFS)에서 스텝 각도(stepping angle)가 서로 다른 경우의 유동장을 예측하기 위해 합성곱 기계학습(ML) 모델을 개발하였다. 본 모델은 특정 스텝 각도에 대해 3차원 대와류 시뮬레이션(large eddy simulations)으로부터 얻은 유동 데이터를 이용해 학습하였고, 관측되지 않은 스텝 각도에서는 검증하였다. 손실함수는 기하학적 변화에 대응하기 위해 평균제곱오차와 경계 손실(boundary loss)을 모두 포함하였다. ML 모델 학습에 사용한 수치 결과는 실험 데이터와 대조·검증되었으며, 속도 분포, 난류 강도(turbulence intensity), 재부착 길이(reattachment length)와 관련하여 양호한 일치를 보였다. ML 결과는 속도 및 난류 강도 분포의 수치 결과와 전반적으로 일치하였으나, 분리 영역(separation zone)에서 더 넓게 예측된 유동 패턴으로 인해 ML 모델이 재부착 지점을 약간 지연되게 예측하는 경향이 나타났다. 또한 ML 모델과 수치 시뮬레이션은 연속성 및 운동량에서 유사한 경향을 보였다. ML 결과는 난류 강도에 대해 약간의 과대예측이 있었음에도 불구하고 실험 데이터와 잘 일치하였다. 그럼에도 불구하고 본 모델은 다양한 BFS 각도 전반에서 높은 성능과 강한 일반화 능력을 달성하였다. 종합하면, 평균제곱오차와 경계 손실을 결합한 손실함수로 학습한 합성곱 ML 모델이 스텝 각도가 서로 다른 BFS 유동을 효과적으로 예측할 수 있음이 검증되었다.

도시 침수는 폭우 시 하수(빗물) 시스템의 배수 능력이 충분하지 않음, 하천 수위 상승에 따른 내수(내륙) 침수, 그리고 하천 범람 등 다양한 요인의 복합적 작용으로 인해 발생할 수 있다. 본 연구는 XP-SWMM을 이용하여 이러한 복잡한 현상으로부터 발생하는 도시 침수(도시 물고임)를 분석하기 위한 방법을 제안한다. 이는 도시 유역에서 배수 시스템의 유량을 산정하고 지표면 침수를 분석할 수 있는 모델이다. 또한 불규칙한 수로 단면과 교량을 수용할 수 있어 하천 범람의 모형화가 가능하다. 그러나 하천을 1차원 링크와 노드로 표현하기 때문에 실제 하천의 침수 양상을 재현하는 데에는 한계가 있다. 본 연구는 하천 범람으로 인해 발생하는 침수의 영향을 반영하기 위해 가상 제어 구조를 구현하였다. 이 접근법은 2020년 7월에 두 차례의 하천 및 내수 침수가 동시에 발생한 부산의 동천 유역에 적용하였다. 그 결과, 제안된 접근법의 적절성이 확인되었다.

한국에서 빗물저류 시설의 이용은 국가 법령, 기관 규정 및 지방자치단체의 행정적 지원에 따라 증가하고 있다. 그러나 대부분의 빗물저류 용량 계획은 기관적 제약에 의해 특징지어지며, 엔지니어의 판단에 따라 결정된다. 본 연구는 빗물저류의 저장 용량을 경제적으로 산정하기 위한 방법을 제안하고자 하였다. 본 연구에서는 빗물저류의 규모에 따른 빗물 재이용량을 평가할 수 있는 질량수지 방정식을 제시하고, 이를 바탕으로 빗물저류 시설의 설치 및 운영에 대한 비용과 편익 요인을 정의하였다. 순현재가치(net present value, NPV)와 편익–비용비(benefit–cost ratio, BCR)를 사용하여 빗물저류의 각 저장 용량에 대한 경제적 타당성을 분석하였다. 제안한 방법을 인천광역시 청나구의 빗물저류에 적용한 결과, 경제적 타당성 평가에는 NPV가 적절한 것으로 나타났다. 설계 보고서에 따르면, 6,740 m³로 계획된 빗물저류의 경우 30년의 설계 수명 동안 NPV는 −4.78억 KRW로 계산되었다. 한편 경제적 타당성을 고려한 최적 규모는 2,000 m³이며, 해당 규모의 NPV는 +17.38억 KRW로 분석되었다. 따라서 적절한 빗물저류 규모를 결정하기 위한 대안으로서 경제성 분석이 적합하다.

대한민국에서는 XP-SWMM이 주로 지속적으로 발생하는 도시침수의 원인을 분석하고 대책을 수립하는 데 사용되고 있다. 그러나 대부분의 도시 지역이 관측이 이루어지지 않은(비계측) 상태이므로, 모델의 보정(calibration)은 어렵다. 따라서 많은 엔지니어들은 XP-SWMM을 사용할 때 사용자 매뉴얼에서 제공하는 기본값을 사용한다. 본 연구에서는 XP-SWMM을 이용해 2차원 침수를 모의하기 위한 4가지 주요 매개변수에 대한 민감도 분석을 수행하였다. 또한 대상 지역(부산의 Marine City)의 아카이브 지도와, 매개변수 변화를 통해 도출된 시뮬레이션 결과를 비교함으로써 각 매개변수의 적절한 범위를 검토하였다. 본 연구의 결과는 다양한 도시침수 분석을 위한 입력 자료의 추정에 적용할 수 있다.