서울대학교 농업생명과학대학 조경·지역시스템공학부 지역시스템공학전공 강문성 교수팀이 저수지 수위로부터 물수지 방정식의 부정정 문제를 해결하는 프레임워크를 개발하였다. 우리나라의 저수지는 17,300여개가 있는데, 이를 효율적으로 관리하기 위해서는 저수지 물수지 방정식을 구성하는 요소의 과학적 해석이 선결되어야 한다. 우리나라의 대부분의 저수지는 유입량과 방류량에 대한 실측 자료가 부족하다. 다만, 저수지 수위에 대한 데이터는 상대적으로 이용가능한 수준이다. 따라서, 저수지 운영에 관한 전문가 지식 및 저수지 수위 실측 자료로부터 유입량과 방류량을 계산할 수 있는 프레임워크를 개발한 것이다. 더 자세한 이야기를 들어보기 위해 강문성 교수님과 만나보았다.

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강문성 교수의 전공인 지역수자원시스템 공학이란 시스템공학을 접목한 지역 수자원의 종합적 물환경 해석 및 관리에 관한 연구를 수행하는 학문이다. 우리나라에서는 6월에서 9월 사이에 많은 비가 내리고 그 외의 시기에는 상대적으로 강우량이 적기 때문에, 특히 물 자원의 효율적인 관리가 필수적이다. 우리나라 수자원 이용량 중 농업 용수가 차지하는 비율이 63%에 해당하기 때문에 국가 차원에서도 지역 수자원의 주요 요소인 저수지와 댐의 관리가 매우 중요하다. 즉, 지역수자원시스템공학은 지역수자원의 효율적 관리를 위하여 ICT/빅데이터/인공지능 기술을 기반으로 기후변화에 대응하는 홍수예경보시스템, 물환경 통합 모델링 플랫폼 개발 등을 수행하는 연구실이라 할 수 있다.

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근대화 이후 우리나라의 물관리 기술은 비약적 발전을 가져왔다. 그러나, 물관리에 필요로 하는 최신 해석 기술은 많은 발전과 진전이 이루어졌으나, 가장 기본적인 농업수자원의 실측 자료는 충분하지 않아 이러한 최신 해석 기술들을 활용하는 데 한계가 있는 게 현실이다. 특히 17,300여개의 저수지 중에 저수지로 유입되는 유입량을 실측한 자료는 전무한 상태이다. 다행히도 최근에 저수지 수위 측정이 이루어지고 있다. 하지만, 저수지 수위만으로 저수지 물수지 방정식을 해석하는 것은 불가능하다. 따라서 저수지 물수지 해석은 방정식은 하나인데, 유입량과 방류량이라는 미지의 두 값을 갖게 되는 부정정 문제에 해당되게 된다. 이 부정정 문제를 해결하여 미지의 두 값인 유입량과 방류량 값을 효과적으로 예측하기 방법을 고민하다 금번 연구를 진행하게 되었다.

<저수지 수위와 전문가 지식을 이용한 유입량 및 방류량 예측 연구 흐름도>

저수지 유입량 산정을 위해 기존에 널리 활용되던 방법인 매개변수 지역화식 기반 예측 방법은 지역의 토양특성 및 토지이용에 따라 추정되는 기법으로서, 고유의 유역 특성 차이 및 실측자료의 부재 등으로 그 신뢰성을 담보하기 어렵다. 따라서 교수님께서 진행하신 연구에서는 저수지 운영에 관한 전문가 지식을 이용하여 부정정 방정식을 특정 구간에 대한 정정 방정식으로 변환하였으며, 이를 수문모델링 기술과 연계하여 연속적인 유입량과 방류량 자료를 재구성함으로써 부정정 문제를 해결한 것이다.

<저수지 수위로부터 유입량과 방류량을 예측한 결과 예시​>

인터뷰 중 강문성 교수는 저수지 수위 데이터를 가장 많이 이용하는 사람이 누구인지 질문을 던졌다. 강문성 교수는 저수지 수위 데이터를 가장 많이 활용하는 사람은 농부도, 저수지 관리를 맡은 공무원도 아닌 낚시꾼이라고 말했다. 농업, 공업, 생활용수 등 다양한 용도로 사용되고 있는 저수지이지만 역설적이게도 저수지 수위 데이터를 가장 많이 사용하는 사람은 낚시꾼이라는 것이다. 강문성 교수는 그 원인에 대해 저수지 수위 자료만으로는 수문/수리 모델링 등 최신 해석 기술을 적용한 효율적인 저수지 운영을 위한 관리 방안을 수립하는 데 한계가 있기 때문에 관련 전문가들의 저수지 수위 자료의 활용성이 상대적으로 미흡하다고 답변했다. 그러나 이번 연구를 통해 용이하게 취득 가능한 저수지 수위 데이터를 활용하여 저수지의 유입량과 유출량을 연속적으로 산정/예측할 수 있게 되었다. 전문가 그룹이 계륵과 같은 저수지 수위 데이터를 다양한 용도로 사용할 수 있게 계기가 된 것이다. 강문성 교수는 물은 생명의 근원이기에 관리에 신중해야 한다고 강조하며 이번 연구 결과가 조금 더 정확하고 세부적인 물 관리 계획을 세우는데 도움이 될 것이라고 말했다.

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강문성 교수는 자연현상을 수학적 도구로 해석하면, 우리가 직접 경험할 수 없는 자연현상을 다양하게 표현할 수 있다고 말했다. 자연현상을 수학적 도구로 표현하는 모델링 기법을 이용하여 물의 순환 과정을 해석한다는 것이다. 강문성 교수는 이러한 모델링 기법의 기반으로 객체지향기법을 적용하고 있다. 이 기법의 장점은 객체를 추가하면서 모델링시스템의 기능을 쉽게 확장시킬 수 있다는 점이라고 강조했다. 모델링시스템에 객체를 추가하는 것은 로봇의 몸통에 팔, 다리, 날개 등을 붙여 나가면서 로봇의 기능을 더해가는 것과 비슷하다. 해당 연구를 기반으로 이치수 및 수질을 예측/평가/관리할 수 있는 개선된 방법론을 제시하고, 지역 수자원의 종합적 물환경 해석 및 관리 시스템을 개발할 계획이라고 하였다. 또한 4차 산업혁명기반기술을 바탕으로 하는 물환경 통합 모델링 플랫폼 개발이 가능할 것으로 기대한다고 말했다.

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강문성 교수는 현재까지 관련분야 연구를 수행하면서 가장 힘들었던 순간으로 박사 학위논문 과정을 꼽았다. 사람마다 그 능력은 다를 수 있지만, 각자의 능력의 끝을 경험하는 과정이 박사학위 논문 작성 과정이라고 강조했다. 강문성 교수는 박사 학위 당시 알 수 없는 원인으로 국외에서 개발된 수문/수질모형(프로그램)이 돌아가지 않았던 경험을 들려주었다. 프로그램이 돌아가지 않아 무엇이 문제인지 찾기 위해 몇 달을 고민했다고 한다. 결국 국문 OS의 기본적인 폰트가 문제였음을 알게 되었고 영문 OS를 활용하여 연구를 지속할 수 있었다고 한다. 향후 이 문제 해결은 우리나라 국가 기관에서 국내용 모형 개발시에 사소하지만 핵심적인 역할을 담당했다고 한다.

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학부생들에게 해주고 싶은 말을 묻는 질문에 강문성 교수는 학문적 열정 등 연구자의 덕목에 우선하여 사람으로써 됨됨이가 중요함을 강조하였다. 강문성 교수는 ‘해불양수’라는 단어를 통해 사람으로써의 됨됨이를 자신의 연구분야인 물에 비유하였다. 해불양수란 바다는 가장 낮은 자세로 다양한 곳에서 흘러오는 어떤 물도 거절하지 않는다는 뜻이다. 강문성 교수는 바다와 같이 항상 낮은 자세에서 겸손함으로 다른 사람들을 품을 수 있는 사람이 되어야 한다고 말했다. 강문성 교수는 그러한 마음가짐을 갖춤으로써 바다와 같이 가장 낮은 곳에 있지만 가장 넓고 큰 사람이 될 수 있다고 말한다. 또 다른 한 가지는 학생 자신을 존경하고 존중해야 한다고 말했다. 우리 학생들이 본인 스스로의 위대함에 대해 그 자부심과 존경함에 인색하다는 것이다. 자기 자신을 존중하고 사랑하고, 이를 바탕으로 모든 세계에 대하여 자신 이상으로 존중과 사랑을 베풀어 주는 학생이 되었으면 한다고 말했다.

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농생대 학생기자단

-18기 이라나, 18기 윤재영-