수문학

3. 역사

고대 이집트인들은 공학과 농업에 수문학을 처음으로 사용한 사람들 중 하나였으며, 관개 방식의 일종인 분지 관개(basin irrigation)를 발명했다.^[3] 메소포타미아 도시들은 높은 흙벽으로 홍수로부터 보호받았다. 수도교는 고대 그리스인들과 고대 로마인들에 의해 건설되었으며, 중국의 역사는 중국인들이 관개 및 홍수 방지 시설을 건설했음을 보여준다. 고대 싱할라족은 수문학을 사용하여 스리랑카에 복잡한 관개 시설을 건설했으며, 대형 저수지, 아니컷 및 여전히 기능하는 운하 건설을 가능하게 한 밸브 피트의 발명으로도 알려져 있다.

마르쿠스 비트루비우스는 기원전 1세기에 강수량이 산에서 떨어져 지구 표면으로 침투하여 저지대에 강과 샘을 형성한다는 수문 순환에 대한 철학적 이론을 설명했다.^[4] 보다 과학적인 접근 방식을 채택하면서 레오나르도 다 빈치와 베르나르 팔리시는 독립적으로 수문 순환에 대한 정확한 표현에 도달했다. 수문 변수가 정량화되기 시작한 것은 17세기에 이르러서였다.

현대 수문학의 선구자로는 피에르 페로, 에드메 마리오트, 에드먼드 핼리가 있다. 페로는 강수량, 유출량 및 배수 면적을 측정하여 강수량이 센 강의 흐름을 설명하기에 충분하다는 것을 보여주었다. 마리오트는 유속과 강 단면 측정을 결합하여 유량 값을 얻었으며, 이 또한 센 강에서였다. 핼리는 지중해의 증발량이 바다로 흘러드는 강물의 유출량을 설명하기에 충분하다는 것을 보여주었다.^[5]

18세기의 발전에는 다니엘 베르누이의 피에조미터와 베르누이 방정식, 그리고 앙리 피토의 피토관이 포함되었다. 19세기에는 다시의 법칙, Dupuit-Thiem 우물 공식, 그리고 Hagen-푸아죄유의 모세관 흐름 방정식 등 지하수 수문학이 발전했다.

20세기에는 합리적인 분석이 경험주의를 대체하기 시작했고, 정부 기관들은 자체적인 수문학 연구 프로그램을 시작했다. 특히 중요한 것은 르로이 셔먼의 단위 수문곡선, 로버트 E. 호턴의 침투 이론, 그리고 우물 수리학을 설명하는 C.V. Theis의 대수층 시험/방정식이었다.

1950년대 이후 수문학은 과거보다 더 이론적인 기반으로 접근하게 되었으며, 이는 수문학적 과정에 대한 물리적 이해의 진전과 컴퓨터, 특히 지리 정보 시스템(GIS)의 출현에 의해 촉진되었다.

4. 연구 분야

수문학은 물이 지구 전체를 순환하는 과정을 연구하며, 이 과정에서 물은 다양한 경로와 속도로 이동한다. 바다에서 증발한 물은 구름을 형성하고 육지로 이동하여 비를 내린다. 빗물은 호수, 강, 대수층으로 흘러가며, 이 물은 다시 증발하거나 바다로 흘러가 순환을 완료한다. 이 과정에서 물은 여러 번 상태가 변한다.^[61]

수문학의 연구 분야는 물이 다양한 상태 사이에서, 또는 주어진 상태 내에서 이동하는 것과 관련된 연구, 주어진 지역에서 이러한 상태의 양을 정량화하는 것을 포함한다. 일부는 물의 흐름이나 양을 직접 측정하는 방법을 개발하고, 다른 분야는 과학적 지식 또는 실용적 적용을 위해 이러한 과정을 모델링하여 예측한다.^[61]

최근 수자원 및 수환경과 관련된 세계적인 문제가 발생하고 있으며, 이에 대응하기 위해서는 물 순환에 대한 정확하고 깊이 있는 이해가 필요하다. 수문학은 침투, 유출, 증발산, 지하수 유동, 호수, 하도 유출 등 물 순환의 각 과정을 연구 대상으로 하며, 이 과정에서의 수질, 지구 전체의 물 순환 및 퇴적 등을 다룬다. 또한 사회와의 접점을 다루는 부분도 있다.^[61]

4. 1. 주요 연구 분야

• 화학 수문학은 물의 화학적 특성을 연구한다.
• 생태 수문학은 유기체와 수문 순환 간의 상호 작용을 연구한다.
• 수리지질학은 지하수의 존재와 이동을 연구한다.
• 수문지구화학은 육상 수자원이 풍화 작용을 통해 광물을 용해시키는 방법과 이것이 물의 화학에 미치는 영향을 연구한다.
• 수문정보학은 수문학 및 수자원 응용 분야에 정보 기술을 적용하는 학문이다.
• 수문기상학은 육지와 수체 표면 사이, 그리고 하부 대기 사이의 물과 에너지 이동을 연구한다.
• 동위원소 수문학은 물의 동위원소 특성을 연구한다.
• 지표수 수문학은 지구 표면 또는 그 근처에서 작용하는 수문학적 과정을 연구한다.
• 유역 관리는 저수지 형태의 물 저장과 홍수 방어를 포함한다.
• 수질은 강과 호수의 오염 물질과 자연 용질의 화학적 특성을 포함한다.
• 산림수문학은 산림 지역에서의 물 순환 과정 연구를 다루며, 여기에는 림내우와 수간류 등이 포함된다.^[61]
• 림내우(Throughfall): 잎의 차폐를 통과하여 숲 속의 지면에 떨어지는 비.
• 수간류(Stemflow): 비가 내릴 때 잎이 비를 받은 후, 물이 가지를 따라 줄기로 유도됨.

4. 2. 관련 학문 분야

5. 응용 분야

• 강수량 계산
• 증발산 계산
• 지표 유출 및 강수 계산
• 지역의 물수지 결정
• 농업 물수지 결정
• 하천 복원 프로젝트 설계
• 홍수, 산사태, 가뭄 위험 완화 및 예측
• 실시간 홍수 예보, 홍수 경보, 홍수 빈도 분석
• 관개 계획 설계 및 농업 생산성 관리
• 재해 모델링의 위험 요소의 일부
• 식수 공급
• 댐 설계 (수자원 공급 또는 수력 발전)
• 교량 설계
• 하수도 및 도시 배수 시스템 설계
• 선행 수분이 하수도 시스템에 미치는 영향 분석
• 지형학적 변화 예측 (예: 침식 또는 퇴적 작용)
• 자연적 및 인위적 환경 변화가 수자원에 미치는 영향 평가
• 오염 물질 이동 위험 평가 및 환경 정책 지침 수립
• 유역의 수자원 잠재력 추정
• 수자원 관리
• 수자원 공학 - 유익한 인간 사용을 위한 수자원의 계획, 개발 및 관리에 수문학 및 수리학적 원리를 적용하는 것. 수자원 가용성, 품질 및 수요 평가, 수자원 기반 시설 설계 및 운영, 지속 가능한 수자원 관리를 위한 전략 실행 등이 포함된다.^[2]

6. 수문 모델링

수문 모델은 수문 순환의 일부를 단순화하고 개념적으로 표현한 것이다. 이는 주로 수문 예측과 과학적 모델링의 일반적인 분야 내에서 수문학적 과정을 이해하는 데 사용된다.^[15] 수문 모델은 크게 두 가지로 나눌 수 있다.

• 데이터 기반 모델: 블랙 박스 시스템으로, 수학적 및 통계적 개념을 사용하여 특정 입력(예: 강우량)을 모델 출력(예: 유출)에 연결한다. 회귀 분석, 전달 함수, 시스템 식별 등이 일반적으로 사용된다. 이러한 모델 중 가장 단순한 모델은 선형 모델일 수 있지만, 실제 물리적 과정에 깊이 관여하지 않고 유역 반응의 일반적인 측면(예: 유역이 건조할 때보다 이미 젖어 있을 때 훨씬 더 빠르고 강력하게 반응)을 표현하기 위해 비선형 구성 요소를 사용하기도 한다.
• 과정 설명 기반 모델: 실제 세계에서 관찰된 물리적 과정을 표현하려고 한다. 지표수 유출, 지하 흐름, 증발산, 수로 흐름 등의 표현을 포함하며, 훨씬 더 복잡할 수 있다. 이 범주 내에서 모델은 개념적 모델과 결정론적 모델로 나눌 수 있다. 개념적 모델은 특정 지역의 수문학적 과정의 단순화된 표현을 연결하는 반면, 결정론적 모델은 시스템의 물리 현상을 최대한 해결하려고 한다. 이러한 모델은 단일 사건 모델과 연속 시뮬레이션 모델로 세분될 수 있다.

7. 측정 및 예측

수문 과정에 대한 관측은 수문 시스템의 미래 거동을 예측하는 데 사용된다. 통계 수문학은 강우량, 하천 유량과 같은 수문 기록의 통계적 특성을 분석하여 미래의 수문 현상을 예측하고, 재현 기간 등을 분석한다.^[14]

이러한 예측은 엔지니어와 경제학자가 향후 인프라 투자 결정을 내리고, 상수도 시스템의 수량 신뢰성 특성을 결정하기 위한 위험 분석을 수행하는 데 중요하다. 또한 통계 정보는 농업, 산업 및 주거 수요를 포함하는 대형 댐의 운영 규칙을 수립하는 데에도 활용된다.

8. 관련 기관 및 학회

국제 수문 프로그램(IHP)^[16], 국제 물 관리 연구소, 유엔-IHE 델프트 물 교육 연구소와 같은 국제 연구 기관이 수문학과 관련되어 있다.

국내외 학회는 다음과 같다:

• 미국 지질학회(GSA) – 수리지질학 분과
• 미국 지구물리학 연합(AGU) – 수문학 분과
• 미국 지하수 협회(NGWA)
• 미국 수자원 협회(American Water Resources Association)
• 수문 과학 발전을 위한 대학 컨소시엄(Consortium of Universities for the Advancement of Hydrologic Science, Inc., CUAHSI)
• 국제 수문 과학 협회(IAHS)
• 수문학 통계 워킹 그룹(IAHS의 하위 그룹)
• 독일 수문학회(German Hydrological Society, DHG)
• 이탈리아 수문학회(Italian Hydrological Society, SII-IHS)
• 북유럽 수문학회(Nordic Association for Hydrology)
• 영국 수문학회(British Hydrological Society)
• 러시아 지리학회(Moscow Center) – 수문학 위원회
• 국제 환경 수문학 협회(International Association for Environmental Hydrology)
• 국제 지하수학회(International Association of Hydrogeologists)
• [http://soham.org.np/ 수문 기상학회 – 네팔](Society of Hydrologists and Meteorologists – Nepal)

8. 1. 국제 기구

8. 2. 국제 연구 기관

• 국제 물 관리 연구소
• 유엔-IHE 델프트 물 교육 연구소

8. 3. 국내 연구 기관

8. 4. 국내외 학회

• 미국 지질학회(GSA) – 수리지질학 분과
• 미국 지구물리학 연합(AGU) – 수문학 분과
• 미국 지하수 협회(NGWA)
• 미국 수자원 협회(American Water Resources Association)
• 수문 과학 발전을 위한 대학 컨소시엄(Consortium of Universities for the Advancement of Hydrologic Science, Inc., CUAHSI)
• 국제 수문 과학 협회(IAHS)
• 수문학 통계 워킹 그룹(IAHS의 하위 그룹)
• 독일 수문학회(German Hydrological Society, DHG)
• 이탈리아 수문학회(Italian Hydrological Society, SII-IHS)
• 북유럽 수문학회(Nordic Association for Hydrology)
• 영국 수문학회(British Hydrological Society)
• 러시아 지리학회(Moscow Center) – 수문학 위원회
• 국제 환경 수문학 협회(International Association for Environmental Hydrology)
• 국제 지하수학회(International Association of Hydrogeologists)
• [http://soham.org.np/ 수문 기상학회 – 네팔](Society of Hydrologists and Meteorologists – Nepal)

참조

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_[2] 웹사이트 What is water resources engineering? https://engineeringo[...] 2024-08-18
_[3] 웹사이트 Egypt's Nile Valley Basin Irrigation http://www.waterhist[...] W.W. Norton 1999
_[4] 서적 The Basics of Geomorphology: Key Concepts https://books.google[...] SAGE 2014
_[5] 논문 Edmond Halley, F.S.R., Hydrologist Extraordinary Royal Society Publishing
_[6] 논문 Variable-density groundwater flow and solute transport in fractured rock: Applicability of the Tang et al. [1981] analytical solution 2009-02
_[7] 서적 A Textbook of Hydrology Laxmi Publ. 2007
_[8] 문서 Robinson, D. A., C. S. Campbell, J. W. Hopmans, B. K. Hornbuckle, S. B. Jones, R. Knight, F. L. Ogden, J. Selker, and O. Wendroth. (2008) "Soil Moisture Measurement for Ecological and Hydrological Watershed-Scale Observatories: A Review."
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_[10] 논문 Snow Water Equivalent Monitoring—A Review of Large-Scale Remote Sensing Applications 2024-03-20
_[11] 논문 Remote sensing: hydrology 2009-10-06
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_[13] 논문 Global Fully Distributed Parameter Regionalization Based on Observed Streamflow From 4,229 Headwater Catchments 2020-09-16
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_[17] 웹사이트 International Water Management Institute (IWMI) http://www.iwmi.cgia[...] IWMI 2013-03-08
_[18] 웹사이트 IHE Delft Institute for Water Education http://www.un-ihe.or[...] UNIESCO-IHE
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_[27] 웹사이트 NOAA Economics and Social Sciences http://www.economics[...] NOAA Office of Program Planning and Integration 2013-03-08
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_[30] 웹사이트 National Institute of Hydrology (Roorkee), India http://www.nih.ernet[...] NIH Roorkee 2015-08-01
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_[34] 웹사이트 National Ground Water Association http://www.ngwa.org 2013-03-08
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