레이더 강우자료와 랜덤 포레스트를 활용한 자연유출량 상세화 기반 고해상도 물계정 모형 개발 및 적용 = Development and Application of a High-Resolution Water Accounting Model Using Radar Rainfall and Random Forest-Driven Natural Runoff Downscaling

국문 초록 (Abstract)

최근 기후변화의 영향으로 장기 가뭄, 국지적 집중호우, 돌발적인 저유량 발생과 같은 극한 수문 사상이 빈번해지면서, 기존 광역 물수급 모형의 구조적 한계가 점차 뚜렷해지고 있다. 표준유역 기반의 기존 물수급 모형은 국가 단위의 장기 수자원 전망과 광역 물관리 계획 수립에는 유용하지만, 유역 내부의 공간적 이질성, 하천 구간별 유량 변화, 취수·방류·회귀 지점의 위치 효과와 시설물 운영 영향을 정밀하게 반영하는 데에는 한계가 있다. 특히 실제 물관리 현장에서 요구되는 하천유지유량 충족 여부 평가, 국지적 물부족 진단, 수자원 시설물 운영 효과 분석을 위해서는 보다 세분화된 공간 단위와 하천 네트워크 기반의 물수급 분석 체계가 필요하다. 이에 본 연구는 기존 광역 물수급 모형의 물수지 및 네트워크 분석 개념을 고해상도 하천 네트워크 기반으로 확장하여, 자연유출량, 취수량, 방류량, 회귀량 및 시설물 운영자료를 하천 구간별로 연계하고 유입·유출, 가용수량 및 부족량을 일 단위로 산정할 수 있는 고해상도 물계정 모형을 개발하는 것을 목적으로 하였다. 이를 위해 본 연구에서는 먼저 표준유역보다 세분화된 미소유역을 정의하고, 이를 기반으로 고해상도 노드-링크 하천 네트워크를 구축하였다. 미소유역은 본류와 지류의 수문·공간적 특성을 고려하여 유로연장 및 유역면적 기준을 적용해 설정하였으며, 각 미소유역의 출구점을 노드로 구성하여 상·하류 흐름 관계를 명시적으로 표현하였다. 또한 취수장, 방류구, 하수처리장 방류시설, 댐, 보, 하천유지유량 고시 지점 등 주요 물관리 요소를 네트워크 내 특정 노드에 반영함으로써 자연유출과 인위적 물이용 구조를 통합적으로 해석할 수 있는 공간 체계를 마련하였다. 다음으로 표준유역 단위에서 산정된 자연유출량을 고해상도 공간 단위로 변환하기 위해 랜덤 포레스트（Random Forest, RF） 기반 자연유출량 상세화 기법을 개발하였다. 표준유역 자연유출량은 GR4J 강우-유출 모형을 이용하여 산정하였으며, 500 m 레이더 강우자료와 선행 강수 조건을 활용하여 격자 및 미소유역 단위 자연유출량으로 상세화하였다. RF 기반 상세화 결과는 기존 표준유역 단위 자연유출량이 유역 내부에서 단일 값으로 표현되는 한계를 보완하고, 동일 유역 내에서도 강수 분포와 수문 반응의 공간적 차이를 보다 세밀하게 표현하였다. 상세화 결과는 관측유량 및 기존 표준유역 면적비 기반 결과와 비교하여 검토하였다. 이후 구축된 고해상도 하천 네트워크와 미소유역별 자연유출량을 연계하여 고해상도 물계정 모형을 구축하고, 2022∼2023년 장기 가뭄을 경험한 영산강 유역을 대상으로 적용성과 검증을 수행하였다. 모형은 일 단위 자연유출량, 취수량, 방류량, 회귀량 및 시설물 운영자료를 입력자료로 활용하여 하천 구간별 유입·유출, 공급·수요, 가용수량 및 부족량 변화를 모의하였다. 기존 표준유역 기반 모형과의 비교 결과, 주요 관측 지점에서 유량 재현 성능이 개선되는 것으로 나타났다. 또한 영산강 본류의 종단 유량 분포 분석을 통해 상류에서 하류로 유량이 누적·감소하는 과정, 지류 유입과 방류수 유입, 취수 및 시설물 운영 영향이 본류 유량 형성에 미치는 영향을 하천 구간 단위로 해석할 수 있었다. 이는 고해상도 물계정 모형이 관측 지점뿐 아니라 미계측 하천 구간의 물수급 상태를 연속적으로 진단할 수 있음을 보여준다. 또한 본 연구에서는 고해상도 물계정 모형을 활용하여 수자원 시설물의 이수 지원 능력과 운영 효과를 정량적으로 평가하였다. 다기능보 운영 방식은 정량 공급 방식과 부족 방지 공급 방식으로 구분하였다. 정량 공급 방식에서는 보의 저류용량과 유입량 조건을 기준으로 저류량 고갈 없이 지속적으로 공급 가능한 최대 지속가능 유량과 보 기여량을 산정하였다. 부족 방지 공급 방식에서는 하천유지유량 고시 지점을 수요 지점으로 설정하고, 자연유출량만으로 기준 유량을 충족하지 못하는 경우 발생하는 부족량과 보의 부족 완화 기여량을 산정하였다. 이를 통해 보 자체의 잠재적 공급 능력과 수요 지점에서의 이수 지원 효과를 구분하여 평가할 수 있었다. 특히 낙동강 수계에 대해서는 상·하류 보를 연속 공급망으로 구성하여 보 연계운영 효과를 분석하였다. 분석 결과, 연계운영 적용 시 대부분의 하천유지유량 고시 지점에서 최대 지속가능 유량이 증가하거나 하천유지유량 미달 일수가 감소하는 것으로 나타났다. 이는 다수의 보가 본류를 따라 연속적으로 배치된 수계에서 상류 보의 공급 여력이 하류 수요 지점의 부족량 완화에 기여할 수 있음을 의미한다. 다만 연계운영 효과는 모든 지점에 서 동일하게 나타나지 않았으며, 상류 보와의 연결 관계, 중간 수요 조건, 유량 전달 구조에 따라 차이를 보였다. 따라서 보 연계운영 효과를 평가하기 위해서는 개별 보의 저류용량뿐 아니라 수계 전체의 연결 구조와 수요 지점별 부족 특성을 함께 고려할 필요가 있다. 종합하면, 본 연구는 표준유역 기반 광역 물수급 분석과 하천 구간 단위의 정밀 물수급 진단 사이의 간극을 보완할 수 있는 고해상도 물계정 모형을 제시하였다. 고해상도 하천 네트워크 구축, RF 기반 자연유출량 상세화, 일 단위 물계정 모의, 수자원 시설물 운영 평가를 하나의 체계로 통합함으로써, 국지적 물부족 발생 시점과 공간적 취약구간, 시설물 운영에 따른 하류 영향, 보 연계운영에 따른 부족 완화 효과를 정량적으로 분석할 수 있었다. 이러한 결과는 향후 지자체 단위 물관리, 가뭄 대응, 하천유지 유량 확보, 취수·방류 영향 평가, 수자원 시설물 연계운영 전략 수립 등 다양한 물관리 의사결정을 지원하는 데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구의 목적 및 목표 4
• 1.3 연구 내용 및 범위 5
• 1.4 논문의 구성 8
• 제2장 이론적 배경 및 선행 연구 9
• 2.1 물수급 모형의 개념 및 연구 동향9
• 2.2 유역 단위 설정과 고해상도 물수급 모형 연구 동향 23
• 2.3 자연유출량 산정 및 공간 상세화 기법 29
• 2.4 수자원 시설물 연계 운영 연구 동향 41
• 제3장 미소유역 기반 고해상도 하천 네트워크 구축 47
• 3.1 상세 분석 단위 설정 및 유역-하천 체계 정의 47
• 3.2 하천 네트워크 구축 절차 및 결과50
• 3.3 수자원 시설물의 네트워크 반영 60
• 제4장 랜덤 포레스트 기반 자연유출량 상세화 기법 67
• 4.1 랜덤 포레스트 기반 상세화 모형의 구조67
• 4.2 랜덤 포레스트 기반 상세화 모형의 학습 및 적용 방법 74
• 4.3 자연유출량 상세화 결과 및 검증 84
• 제5장 고해상도 물계정 모형 개발100
• 5.1 고해상도 물계정 모형 구축 100
• 5.2 고해상도 물계정 모형의 적용과 검증 108
• 5.3 고해상도 물계정 모형의 물수급 진단 116
• 5.4 고해상도 물계정 모형을 활용한 시설물 평가 126
• 제6장 결 론 156
• 참고문헌 161
• Abstract 171
• 부 록 177