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기후변화로 날로 심해지는 수재해
과학적 연구로 기후위기 정책 수립에 이바지

김태웅 건설환경공학과 교수

미국 스탠퍼드대학교와 글로벌 학술정보 분석기업 엘스비어가 발표하는 ‘세계 상위 2% 연구자’ 명단에 2년 연속 오른 김태웅 교수는 무엇보다 국내 수자원 관리에 대한 연구가 글로벌 학계에 유의미한 데이터와 통찰을 제공했다는 점에서 보람을 느낀다. 한강유역물관리위원회에서도 활동하는 김태웅 교수를 만나 갈수록 심각해지는 수재해에 수문학 연구가 어떻게 기여할 수 있는지 물었다.

글. 박영임
사진. 손초원

과해도 문제, 부족해도 문제인 ‘물’

현재 우리나라는 세계 최초의 수자원·수재해 전용 인공위성 발사 계획을 추진하고 있다. 기후변화로 홍수와 가뭄 발생이 빈번해져 피해가 커지고 있기 때문이다. 수자원 관리 및 위험도 평가 등 수문학(강우호 유출 과정)과 수자원 공학을 연구하는 김태웅 교수는 기후변화로 홍수와 가뭄의 변동성이 커지는 문제는 우리 사회의 지속가능성을 위협하는 사안이라고 지적했다.

“물은 우리의 삶과 직결된 자원으로 사회적 영향력이 매우 큽니다. 그런 만큼 여러 이해관계자가 사회적 갈등을 일으켜 정책적 의사결정을 내리기 어려운 경우가 많습니다. 그러한 상황에서 공학적 분석 결과로 의사결정을 지원하면 사회경제적 피해를 최소화하고, 갈등을 해소하는 데 기여할 수 있습니다.”

실제 2020년 여름, 집중호우와 섬진강댐의 대량 방류가 겹쳐 구례 및 남원 등 섬진강 하류 지역에 대규모 침수 피해가 발생했을 때 김태웅 교수는 정확한 원인 규명을 위해 조사단에 참여한 바 있다. 이렇게 매 여름 찾아오는 불청객 집중호우도 문제이지만, 그 못지않게 심각한 문제가 극한 가뭄이다. 지난겨울에도 강원도와 경북 동해안 지역에 눈이 내리지 않아 겨울 가뭄으로 건조 경보가 내려졌다. 김태웅 교수의 주요 연구 분야 중 하나가 이러한 가뭄의 취약성 및 위험도를 평가하는 것이다. 특히 확률적 분석 기법을 가뭄 분야에 최초로 적용해 물 재해 관련 국가정책 수립에 기여한 점을 인정받아 2021년 한국수자원공사가 개최한 제1회 K-water 학술상의 대상을 수상하기도 했다.

“가뭄을 평가하는 주요 지표인 심도(Severity)와 지속기간(Duration)이라는 이변량 확률분포와 공간적 특성에 따른 군집분석을 결합해 가뭄 재현 빈도를 산정했습니다. 본 연구는 기존의 단일 변수 분석의 한계를 넘어 수공학적 설계의 신뢰도를 획기적으로 높였습니다. 현재까지도 가뭄 빈도 해석의 표준적인 접근법으로 인용되고 있습니다.”

김태웅 교수는 확률적 분석기법을 가뭄 분야에 최초로 적용해 물 재해 관련 국가정책 수립에 기여, 2021년 한국수자원공사가 개최한 제1회 K-water 학술상 대상을 수상했다.

글로벌 연구자들에게 인용되는 과학적인 연구방법 개발

가뭄의 원인도 점점 복잡해지고 있는 양상이다. 김태웅 교수는 가뭄의 위험 요소를 주성분 분석(PCA)과 가우시안 혼합 모델(GMM) 그리고 기계학습 기법을 도입해 지역의 가뭄 취약성과 위험도를 평가하는 연구를 수행했다. 주관적인 판단이 개입하기 쉬운 기존의 위험도 평가 방식에서 탈피해 객관적으로 가중치를 산정하고 데이터 기반의 의사결정 체계를 구축한 것. 그 결과 연구자뿐 아니라 방재 정책을 수립하는 실무자에게도 중요한 참고자료로 활용되고 있다.

이렇게 김태웅 교수는 신뢰할 수 있는 객관적 연구 결과를 제시하기 위해 보다 과학적인 연구방법을 개발하는 데 주력하고 있다. 이 점이 바로 글로벌 연구자들에게 널리 인용돼 세계 상위 2% 연구자에 선정된 이유다. 사실 김태웅 교수가 토목공학의 다양한 하위 전공 중 수자원 공학 분야를 택한 것도 통계 분석이라는 과학적인 연구방법론에 흥미를 가졌기 때문이다. 불확실성이나 오차를 줄여가는 과정에서 연구자로서의 성취를 느끼게 된 것이다.

최근에는 구조방정식 모형과 객관적 가중치 기법을 이용한 가뭄 위험도 평가 연구가 타 연구자들에게 주목받고 있다. 기존 연구들은 단순히 강수량, 저수율, 인구 밀도 같은 변수를 선형적으로 합산해 위험도를 계산했으나, 김태웅 교수는 변수들 사이의 복잡한 인과관계를 구조적으로 규명했다. 더불어 데이터 자체의 분산과 특성을 이용한 객관적 가중치 산정법을 적용해 신뢰할 수 있는 결과를 도출하는 프레임워크를 개발했다.

“빅데이터 시대를 거쳐 AI 시대에 이르기까지, 기술의 발전에 따라 새로운 데이터들을 확보하게 됐습니다. 이러한 데이터를 수문학적 관점에서 어떻게 활용할 것인지 고민하다 보니 단변량에서 이변량으로, 그리고 다변량 분석으로 연구방법을 더욱 발전시키게 됐습니다. 그리고 점점 더 다양해지는 변수 간의 영향력을 분석하기 위해 새로운 연구방법을 개발하게 됐습니다.”

데이터 기반의 혁신적인

공학 분석을 통해

지속가능한 수자원 관리의

해법을 제시하겠습니다

기후위기 시대를 헤쳐 나갈 전략 수립에 기여

예를 들어 과거의 가뭄 연구는 단순히 기상학적 원인에만 집중했다. 김태웅 교수는 인간의 물 사용(Human Activity)과 기후변화(Climate Change)가 각각 가뭄에 얼마나 기여하는지 비정상성 모델을 통해 정량적으로 분리했다. 특히 최근에는 기후변화로 가뭄과 산불, 집중호우의 발생 빈도가 증가하는 추세인데, 수자원 공학을 연구하는 연구자로서 이에 대한 경각심을 고취하지 않을 수 없다.

“가장 우려되는 점은 사회기반시설의 능력 한계 초과입니다. 다목적 댐이나 하천 제방 그리고 도시 우수배제 시스템 등은 홍수 및 가뭄 피해 예방에 아주 중요한 인프라입니다. 우리나라는 이러한 인프라를 건설한 지 30년이 넘어 노후화됐을 뿐 아니라, 설계 당시 기대했던 성능이 저하되고 있습니다. 이와 더불어 기후변화로 인해 설계 수문량(설계 홍수량, 용수 부족량 등)이 커지고 있어 수재해에 매우 취약한 상황입니다. 따라서 현재의 기후변동성 또는 미래의 기후변화를 고려한 인프라 성능 평가 및 재설계 등을 시급히 수행해야 합니다.”

아울러 복합 재난이 일상화되고 있는 점도 지적했다. 기후변화는 홍수와 가뭄뿐만 아니라 에너지 수급 불균형, 식량 생산 감소 등 자원 문제를 동시다발적으로 촉발하기 때문에 복합재해를 사전에 예방하려면 통합관리와 지역 맞춤형 재난 예방 및 비상대응계획을 수립해야 한다는 것이다. 김태웅 교수는 현재 효율적인 가뭄 대응책을 지원하기 위해 다원적 의사결정을 위한 가뭄취약도 평가기술 개발 국가 R&D 과제를 수행 중이다. 또한 기후변화로 인한 복합적 자원 위기에 대응하고자 자원 간 상호 의존성을 인공신경망(ANN) 등으로 모델링하고, 탄소중립 사회를 위한 의사결정지원시스템을 구축하는 연구도 진행하고 있다.

수재해의 심도와 빈도가 날로 심해지고 있지만 김태웅 교수의 연구방법론도 진화하고 있다. 인공지능(AI) 및 빅데이터 기술을 탑재하게 된 것. 이를 통해 더욱 정밀한 예측 시스템을 구축해 기후위기 대응과 탄소중립 사회 실현, 그리고 지속가능한 발전 전략을 수립하는 데 한 걸음 더 다가서고 있다.