APEC 기후센터(APCC)의 이승수 선임연구원이 참여한 “자유수면 흐름과 가압흐름의 전환 시 순간적인 혼합 흐름에 대한 프레스만 슬롯 모델의 하이브리드 수치 기법(Hybrid Numerical Scheme of Preissmann Slot Model for Transient Mixed Flows)“ 논문이 최근 학계의 관심을 끌어 공개저널인 워터(Water, http://www.mdpi.com/2073-4441/10/7/899)에 게재되었다. 워터(Water)는 생태학과 수자원관리 분야를 포함하는 물 관련 과학·기술 분야에서 권위있는 온라인 공개저널이다.

하수관로 내 물 흐름을 특정한 목적에 맞추어 이용하기 쉬운 형식으로 수치적으로 표현한 ‘하수관로 내 물 흐름 수치 모델링’은 도심 내 하수도 시스템 설계 또는 하수관로 피해 탐지, 침수와 같은 도심지 내 물 문제 해결에 있어 매우 중요한 역할을 한다.

하수관로 내에서 일반적인 물의 흐름은 대기와 물 표면이 접촉하여 생기는 자유수면(Free-surface) 상태에서 중력으로 인해 물의 흐름이 생기는 자유수면 흐름(Free-surface flow)이다. 그러나 극한 홍수상황에서는 하수관로 내 물의 흐름은 부분적 자유수면 흐름과 물이 관로를 채워 관로 양단의 압력 차에 의해 흐름이 발생하는 가압 흐름(Pressured Flow)이 함께 종종 일어나는 ‘순간적 혼합흐름’이 발생한다. 또는 가압흐름이 전체적으로 나타날 수 있다.

순간적 혼합 흐름에 대한 수치 모델링이 보통 필요한 경우는 관련 사회기반시설이 종종 피해를 입었거나 운영상의 문제가 발생했을 때이다. 그러나 이러한 상황을 고려하기 위해 자유수면 흐름과 가압흐름을 같은 영역 내에서 동시에 고려할 수 있는 방법을 찾기는 어렵다.

순간적 혼합흐름이 나타나는 하수관로에 자유수면 흐름과 가압 흐름에 대한 각각의 수학방정식을 적용하면 두 개 흐름사이의 접합면을 추적하기 어렵다. 또한 이 경우 하수관로 내 이들 두 개 흐름 중의 하나로 완전히 전환(Switch)되는 현상에 대해서도 쉽게 설명하기도 어렵다.

이에 따라 APEC기후센터 이승수 선임연구원이 참여한 연구팀은 갑작스러운 호우로 인한 홍수 발생 시 하수관로 내의 물의 흐름을 예측하고 설명하기 위한 새로운 기법을 온라인 공개저널인 워터(water)에서 제안하였다.

도심지 내 하수관로 내 물의 흐름을 개념화하기 위해 가장 많이 사용되는 것 중의 하나가 프레스만 슬롯 모델 (Preissmann slot model)이다. 그러나 이 모델을 활용한 기존의 연구에서는 물의 흐름 조건이 자유수면 흐름에서 가압흐름으로 전환할 때 프레스만 슬롯모델의 수치 해법들은 불필요한 오류 값으로 인해 왜곡될 수 있었다.

이러한 이유로 이승수 선임연구원이 참여한 연구팀은 순간적 혼합 흐름에 대해 프레스만 슬롯모델의 하이브드 수치기법을 제안하였다. 이 기법은 기존의 물 흐름 수치 모델링 기법들에 비해 다양한 조건에서 하수관로 내 순간적 혼합 흐름을 더 잘 설명해 줄 수 있다는 것을 밝혀냈다.

APEC기후센터 이승수 선임연구원은 “이번 논문에 발표된 연구성과는 향후 갑작스러운 호우 상황에서 도심지 하수관로 내 물의 흐름을 좀 더 정확히 예측할 수 있게 해줌으로써 향후 도심지 내 실시간 침수 예·경보 시스템 구현을 위한 기반기술을 제공해 줄 수 있다.”며 “향후 하수관로 물의 흐름을 신뢰성 있게 예측 할 수 있게 됨으로써 집중호우로 인한 침수 발생지역을 정확히 파악해 도심지 침수로 인한 재산 및 인명 피해를 획기적으로 줄이는데 기여할 수 있다.”라고 말했다.