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학술/기술 기사 | 03

도시 물순환 시스템 분야에서의
경쟁 세션 운영 사례

글 박상진·정현우·정동휘 |

2026/03/22

박상진 고려대학교건축사회환경공학과 석사과정

박상진
고려대학교
건축사회환경공학과 석사과정
sjsj328@korea.ac.kr

정현우 고려대학교건축사회환경공학과 박사과정

정현우
고려대학교
건축사회환경공학과 박사과정
jhw950930@gmail.com

정동휘 고려대학교건축사회환경공학부 교수

정동휘
고려대학교
건축사회환경공학부 교수
sunnyjung625@korea.ac.kr

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1. 서론

국제 연구교류는 다양한 분야에서 보편화되고 있다. 국제화 흐름 속에서 수자원 분야에서도 학계 및 연구기관부터 산업 현장까지 다양한 연구인력들로 구축된 연구 네트워크를 토대로 지속적인 교류가 수행되고 있다. 지식과 경험 공유를 목표로, 연구 네트워크는 학술대회, 워크숍, 현장 견학 등의 다양한 형식으로 운영된다. 최근에는 특정 문제에서 서로 다른 접근법을 비교하는 경쟁 형식의 연구교류도 지속적으로 이루어지고 있다.
본고에서는 다양한 수자원 분야 중 도시 물순환 시스템 분야에서 경쟁 세션의 운영과 발전에 대해 정리하였다.
도시 물순환 시스템 분야 중, 상수도 관망과 우수관망 분야를 대표하는 국제학회인 WDSA/CCWI (International Joint Conference on Water Distribution Systems Analysis & Computing and Control in the Water Industry)와 UDM (Urban Drainage Modelling)을 중심으로 그 사례를 살펴보고자 한다.

2. 도시 물순환 시스템 분야에서의 경쟁 세션

도시 물순환 시스템 분야에서 최초의 경쟁 세션은 ‘The Battle of the Network Models’로, 1985년 미국 뉴욕주 버펄로에서 개최된 학술대회 ‘Computers in Water Resources’의 세션으로 진행되었다. 상수도 관망 설계 문제에서 최적화 모델과 수리학적 해석의 결합 연구 활성화를 목적으로 기획되어, 그림 1과 같은 형태의 가상 상수도 관망인 ‘Anytown’에서 증설에 따른 총 설계 비용의 최소화 결과를 평가하였다 (Walski et al., 1987). 결과에 영향을 미치는 펌프 운전과 탱크 수위 등의 운영 조건은 제약식으로 평가에 반영하였다. 해당 경쟁 세션에서는 다음과 같은 결론을 도출하였다: ①탱크의 위치와 규모가 최적해에 중대한 영향을 미친다. ②반드시 펌프 효율에 대한 면밀한 고려 이후 관망 규모 산정을 진행해야 한다. ③관망 최적화 모델은 관경 선택에 있어 연구자를 보조할 수는 있지만, 실현 가능한 정확한 해법의 도출은 연구자의 공학적 판단 능력을 요구한다.
앞선 결론을 통해, 도시 물순환 시스템 설계 문제에 최적화 모델을 적용할 필요성이 본격적으로 인식되기 시작했다. 이후 상수도 관망 설계 연구 전반에서 최적화 알고리즘의 도입이 하나의 연구 흐름으로 대두되었다.

그림 1. Anytown의 상수도 관망 형태 (Walski et al., 1987)

그림 1. Anytown의 상수도 관망 형태 (Walski et al., 1987)

2.1. 상수도 분야에서의 경쟁 세션: WDSA/CCWI를 중심으로

‘The Battle of the Network Models’ 이후, 상수도 관망에 주안점을 둔 국제 학회 WDSA (Water Distribution Systems Analysis)에서 경쟁 세션이 도입되었으며, 최근까지 WDSA에서 경쟁 세션이 주기적으로 진행되고 있다 (표 1). 본 절에서는 WDSA에서 개최된 경쟁 세션 주제의 변화에 따라 각 경쟁 세션에서 다룬 주요 연구 주제에 대한 내용을 분석하였다. WDSA에서 상수도 분야 최초의 경쟁 세션은 2006년에 진행되었다. 2001년 9.11 테러 이후 상수도 관망에 대한 공격 가능성이 대두되며, 관망 모델의 신뢰성 확보와 수질 오염 조기 탐지가 핵심 해결 과제로 떠올랐다. 이러한 배경으로 2006년부터 진행된 3번의 경쟁 세션은 상수도 관망의 계획 및 운영에 필요한 모델링 역량 검증에 초점을 맞추었으며, 구체적으로 수질 오염 탐지 센서의 최적 배치 (Ostfeld et al., 2008)와 관망 모델의 보정 정확도 검증 (Ostfeld et al., 2012), 그리고 관망 확장 시나리오에서의 설계 최적화(Marchi et al., 2014)를 다루었다. 2014년을 기점으로 경쟁 세션은 누수 관리와 자산관리에 초점을 맞추기 시작하였다. 상수도 관망에서 인프라의 설계 비용보다 운영 비용의 중요성이 주목받으며 설계 비용 투자보다 기존 시설의효율적인 운영이 강조되었다. 이에 대응하기 위해 누수량 저감 설계 방법론 (Giustolisi et al., 2016)와 DMA (District Metered Area)과 체계적 누수 관리 (Taormina et al., 2018)를 위한 문제가 출제되었다 (그림 2).

표 1. 역대 상수도 분야 국제학회에서의 경쟁 세션 주제 목록

표 1. 역대 상수도 분야 국제학회에서의 경쟁 세션 주제 목록
그림 2. 2014년 경쟁 세션에서 제공된 상수도 관망인 TOWN-C (Giustolisi et al., 2015)

그림 2. 2014년 경쟁 세션에서 제공된 상수도 관망인 TOWN-C (Giustolisi et al., 2015)

한편, 스마트워터 기술을 통해 실시간 모니터링이 가능해지며, 사이버 공격과 자연재해 시나리오에서의 신속한 탐지 및 대응 역량이 주요한 연구 주제로 떠올랐다. 이에 따라 2017년부터 경쟁세션은 위기 상황에서의 시스템 대응 능력 평가로 주제가 확장되었다. 이 시기에는 SCADA 데이터 기반의 사이버 공격 탐지 (Saldarriaga et al., 2019), 지진 후 관망 복구 전략 최적화 (Paez et al., 2020), 누수 탐지 및 위치추정 (Vrachimis et al., 2022) 문제가 출제되었다. 2020년 이후부터 최근까지는 기후변화로 인해 상수도 관망의 수요 패턴이 변화하고 연속 급수의 안정성이 크게 변동하는 지역들이 증가함에 따라 안정적 공급을 위한 새로운 방법론의 필요성이 대두되었다. 이러한 시대 흐름에 맞추어, 2022년부터 경쟁 세션은 불확실한 운영 환경에서의 의사결정 문제를 다루고 있다. 따라서 이 시기에는 간헐적 급수 환경에서 연속적 급수로의 전환 전략 (WDSA/CCWI Joint Conference, 2022) 및 단기 수요 예측 방법론 (Alvisi et al., 2025)의 문제가 출제되었다. 2026년 개최 예정인 “Battle of the Water Futures”에서는 단기 성능 평가를 포함하여 기후 변화와 수요 변동, 인프라 노후화 등 복합적 요인으로 인한 장기적 불확실성을 고려한 상수도 관망의 설계 및 운영 전략을 종합적으로 검토하는 것을 목표로 한다 (Alvisi et al., 2026). 해당 경쟁 세션에서는 다양한 미래 시나리오에 대한 강건성, 적응성, 그리고 단계적 의사결정 전략을 평가 대상으로 삼아, 장기적 관점에서 지속 가능한상수도 관망 관리 방향 도출을 도모할 수 있다. 본 절에서 정리한 경쟁 세션의 변화 양상은 상수도 관망 분야 연구에서 각 시기별로 우수한 해를 규정하는 기준의 전환을 보여준다. 경쟁 세션의 초점은 설계 비용 최소화에서 운영 효율 증대, 비정상 상황 탐지 및 복구, 그리고 불확실성 아래에서의 의사 결정으로 확장되어 왔다. 이와 같이 경쟁 세션은 핵심 연구 주제를 공통의 평가 지표로 표준화하여, 서로 다른 방법론을 객관적으로 검증할 수 있게 한다.

2.2. 우수관망 분야에서의 경쟁 세션: UDM을 중심으로

최근 우수관망 분야에서 가장 핵심 이슈는 기후변화와 급격한 도시화이다. 기후변화로 인한 극한 강우의 발생이 빈번하고, 도시화에 의한 불투수면적 급증은 도시 홍수의 발생 빈도와 규모가 전 세계적인 문제로 자리 잡았다. 이러한 이슈의 장기적 대응을 위해 세계적으로 도시 홍수 저감과 지속가능성 향상을 위한 방법론을 적극 도입하고 있다.
최근 가장 주목받는 자연기반해법 (Nature-based Solutions, NBS)은 증발산을 통한 도시 냉각, 식생다양성 증진, 삶의 질 향상과 같은 부가적 편익을 함께 도모할 수 있는 해법이다 (Oberascher et al., 2024). 우수관망의 배수 성능을 개선하는 동시에 자연기반해법 적용에 따른 편익 정량화 및 극대화는 다양한 연구가 수행되고 있으며, 연구흐름을 반영하여 우수관망 분야에서 자연기반해법의 적용에 대한 경쟁 세션으로 2025년, 오스트리아에서 UDM NBS Combat (Combat of Retrofitting Urban Drainage Networks with Nature-Based Solutions)이 개최되었다 (그림3)
해당 경쟁 세션에서는 오스트리아 인스브루크를 대상으로 자연기반해법의 한 범주인 저영향개발 (LID, Low Impact Development)의 다양한 시설 유형 최적 설계를 수행하였다 (그림 4).
제시된 7개 유형의 저영향개발은 설치 가능한 토지 특성에 따라 녹지 공간, 주거 공간, 그리고 도로 공간에 적용되는 유형으로 구분되며, 세부 매개변수 설정에 따라 서로 다른 종류로 정의되어 문제에 제시된다 (표 2).
저영향개발을 적용해 설계된 우수관망의 성능은 총 7가지 목적함수를 통해 종합적으로 평가된다. 이 목적함수들은 저영향개발의 비용 효율성, 수리적 성능, 그리고 부가적 편익을 균형 있게 반영하도록 구성되어 있다 (표 3). 이러한 다목적 평가 체계를 통해, 저영향개발은 침수 저감 효과에국한되지 않고 부가적 측면을 포함한 종합적인 성능 평가의 대상으로 다루어질 수 있다.
이와 같이 다수의 목적함수를 동시에 고려해야 하는 평가 구조는 참가자들에게 상당한 계산적 부담을 요구한다. 더불어, 부정류 기반으로 해석되는 우수관망은 정상류 기반 해석이 이루어지는 상수도 관망에 비해 계산 비용이 본질적으로 많이 든다. 이러한 제약 속에서 계산 효율 확보를 위해 공통으로 제시된 방법론은 최적화 탐색 공간의 축소다. 대부분의 참가자가 사전 필터링이나 소유역 군집화를 활용해 탐색 공간을 축소하는 방법론을 활용함을 확인할 수 있었다. 또한 절반 이상의 참가자들이 다목적 최적화 알고리즘을 활용하되, 목적함수를 단계적으로 적용하여 탐색 공간을 줄이는 전략을 택했다. 이는 제한된 계산 자원 내에서 선택지를 체계적으로 좁혀가는 전략이 합리적임을 시사한다.

그림 3. UDM NBS Combat 세션 발표 현장
그림 3. UDM NBS Combat 세션 발표 현장
그림 4. 오스트리아 인스브루크 시의 우수관망 (Oberascher et al., 2024)

그림 4. 오스트리아 인스브루크 시의 우수관망 (Oberascher et al., 2024)

3. 우선순위 부여를 통한 저영향개발의 다목적 설계법

앞서 소개한 UDM주제에 대해 필자는 수리학적 해석 기반의 각 소유역의 순위 부여 후 우선순위의 소유역부터 저영향개발을 설치하는 전략을 내세웠다.

3.1. 방법론

제시한 순위 부여 기준은 총 4가지로, 합산한 물리량과 물리량 합산 기준에 따라 구분된다 (표 4). 여기서 영향을 주는 정도란, 해당 절점에서 유입량이 발생했을 때 전체 시스템이 얼마나 영향을 많이 받는지를 의미한다. 반면 영향을 받는 정도란, 다른 절점에서 흘러나오는 유입량으로부터 해당 절점이 영향을 받는 정도를 뜻한다. 각 절점별 최대 유량은 첨두유량일 때의 유량값을 의미하고, 절점별 최대 수심 비율은 해당 절점에서 홍수가 일어날 가능성을 나타내는 물리량이다. 이를 히트맵 형식으로 그림 5와 같이 제시하였다.
제안한 평가 기준에 따른 절점별 순위에 따라 각 절점과 연결된 소유역에 먼저 저영향개발이 설치된다. 저영향개발을 모두 설치한 뒤, 각 목적함수에 따른 모의 결과에서 총예산에 대한 제약 조건에 따라 저영향개발 설치를 수행한다 (그림 6). 각 우선순위 평가 기준들을 비교하여 가장 총점이 높은 기준에 따른 설계를 최종 설계법으로 결정한다.

표 2. UDM NBS Combat에 제시된 저영향개발 유형별 세부 매개변수 (Oberascher et al., 2024)

표 2. UDM NBS Combat에 제시된 저영향개발 유형별 세부 매개변수 (Oberascher et al., 2024)

표 3. UDM NBS Combat 목적함수 및 의미 (Oberascher et al., 2024)

표 3. UDM NBS Combat 목적함수 및 의미 (Oberascher et al., 2024)

이는 지표면(소유역)과 지하 공간(우수관망)을 통합적으로 고려한 방법론으로, 저영향개발 설계에 수리학적 원리를 효과적으로 적용한 전략이라는 점에서 의의를 지닌다. 아울러 복수의 목적함수를 활용함에도 불구하고, 단순 최적화 기법에 비해 계산 비용을 크게 절감할 수 있다는 장점이 있다.

3.2. 결과

해당 방법론을 통해 저영향개발이 설치될 소유역의 유출구가 되는 절점 수에 따른 종합 점수를 산정할 수 있다. 그리고 해당 점수를 4가지 우선순위 평가 기준에 따라 계산해, 저영향개발의 유형별로 어떤 우선순위 평가 기준이 가장 유리할지 비교해 볼 수 있다.

표 4. 각 소유역의 저영향개발 설치 우선순위 평가 기준

표 4. 각 소유역의 저영향개발 설치 우선순위 평가 기준
그림 5. 각 소유역의 저영향개발 설치 우선순위 산정 방법

그림 5. 각 소유역의 저영향개발 설치 우선순위 산정 방법

예를 들어, Bio Retention System의 경우, 유출구가 되는 절점 수가 20개일 때와 356개일 때 가장 유리한 우선순위 평가 기준이 나뉜다 (그림 7). 절점 수가 20개 이하일 경우, 절점별 최대 유량에 영향을 주는 정도를 우선순위 평가 기준으로 잡았을 때 가장 최적화된 설계가 가능하다. 20개 초과 356개 미만의 경우, 절점별 수심 비율에 영향을 주는 정도, 356개 초과의 경우 두 조건 모두가 가장 유리한 평가 기준으로 도출되었다.
분석 결과, 관망에 영향을 주는 정도에 따라 저영향개발을 설치할 때 설계 성능이 전반적으로 향상되었다. 이는 침수 피가 집중되는 하류 구간에 저영향개발을 배치하는 기존 접근보다, 우수관망 전반에 미치는 영향이 큰 상류 구간에 저영향개발을 설치하는 것이 전체 시스템을 고려한 수리학적 최적 설계에 더 부합함을 시사한다.

그림 6. 우선순위에 따른 저영향개발 설치 시 홍수의 저감 효과 분석

그림 6. 우선순위에 따른 저영향개발 설치 시 홍수의 저감 효과 분석

그림 7. Bio Retention System의 설계 결과

그림 7. Bio Retention System의 설계 결과

4. 결론

지금까지 도시 물순환 시스템 분야에서의 경쟁 세션에 대해 알아보았다. 이러한 경쟁 세션은 연구자들의 연구 의식을 고양시켜, 단시간에 집약적으로 연구할 수 있는 동기를 부여한다. 따라서 해당 주제와 관련된 경우 짧은 시간 안에 큰 진보를 꾀할 수 있어 학계의 발전에 유리하게 작용한다는 특징이 있다.
더 나아가, 경쟁 세션은 제시된 문제에만 국한하지 않고, 전반적인 도시 물순환 시스템 분야의 질적·양적 성장에 훌륭한 밑거름이 될 수 있다. 경쟁 세션에서 제공된 데이터는 경쟁 세션 문제를 응용하여 개인의 연구를 수행하는 데에 활용할 수 있다. 경쟁 세션을 위해 제시된 자료들은 국제 학회에서 문제없이 공개할 수 있을 정도로 저명한 국제 석학에 의해 여러 차례 검증되었으며, 누구나 활용할 수 있는 오픈소스이므로 접근성이 좋기 때문이다. 돌아오는 5월에 진행될 경쟁 세션에서 발표될 참신한 방법론과, 해당 경쟁 세션에 영감을 받아 도출될 연구들이 벌써부터 기대가 된다.

5. 감사의 글

본 결과물은 기후에너지환경부의 재원으로 한국환경산업기술원의 기후변화 적응 수재해 관리 기술개발사업(R&D)의 지원을 받아 연구되었습니다(RS-2024-00398012).

참고문헌
  1. Walski, T. M., Brill, E. D., Jr., Gessler, J., Goulter, I. C., Jeppson, R. M., Lansey, K., Lee, H.-L., Liebman, J. C., Mays, L., Morgan, D. R., & Ormsbee, L. (1987). Battle of the network models: Epilogue. Journal of Water Resources Planning and Management, 113(2), 191–203. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9496(1987)113:2(191)
  2. Ostfeld, A., Uber, J. G., Salomons, E., Berry, J. W., Hart, W. E., Phillips, C. A., Watson, J.-P., Dorini, G., Jonkergouw, P., Kapelan, Z., di Pierro, F., Khu, S.-T., Savic, D., Eliades, D., Polycarpou, M., & Ghimire, S. R. (2008). The battle of the water sensor networks (BWSN): A design challenge for engineers and algorithms. Journal of Water Resources Planning and Management, 134(6), 556–568. https://doi. org/10.1061/(ASCE)0733-9496(2008)134:6(556)
  3. Ostfeld, A., Salomons, E., Ormsbee, L., Uber, J. G., Bros, C. M., Kalungi, P., Burd, R., Zazula-Coetzee, B., Belrain, T., Kang, D., Lansey, K., Shen, H., McBean, E., Wu, Z. Y., Walski, T., Alvisi, S., Franchini, M., Johnson, D., Ghimire, S. R., & … Koppel, T. (2012). Battle of the water calibration networks. Journal of Water Resources Planning and Management, 138(5), 523–532. https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000191
  4. Marchi, A., Salomons, E., Ostfeld, A., Kapelan, Z., Simpson, A. R., Zecchin, A. C., Maier, H. R., Wu, Z. Y., Elsayed, S. M., Song, Y., Walski, T., Stokes, C., Wu, W., Dandy, G. C., Alvisi, S., Creaco, E., Franchini, M., Saldarriaga, J., Páez, D., & … McClymont, K. (2014). Battle of the water networks II. Journal of Water Resources Planning and Management, 140(7), 04014009. https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000378
  5. Giustolisi, O., Berardi, L., Laucelli, D., Savic, D., & Kapelan, Z. (2016). Operational and tactical management of water and energy resources in pressurized systems: Competition at WDSA 2014. Journal of Water Resources Planning and Management, 142(5), C4015002. https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000583
  6. Taormina, R., Galelli, S., Tippenhauer, N. O., Salomons, E., Ostfeld, A., Eliades, D. G., Aghashahi, M., Sundararajan, V., Pourahmadi, M., Banks, M. K., Brentan, B., Ito, E., Meyers, J., Mitchell, J., McKenzie, E., Vassilopoulos, S., & Polycarpou, M. M. (2018). Battle of the attack detection algorithms: Disclosing cyber attacks on water distribution networks. Journal of Water Resources Planning and Management, 144(8), 04018048. https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000969
  7. Saldarriaga, J., Bohorquez, J., Celeita, D., Vega, L., Paez, D., Savic, D., Dandy, G., Filion, Y., Grayman, W., & Kapelan, Z. (2019). Battle of the water networks district metered areas. Journal of Water Resources Planning and Management, 145(4), 04019002. https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0001035
  8. Paez, D., Filion, Y., Castro-Gama, M., Quintiliani, C., Santopietro, S., Sweetapple, C., Meng, F., Farmani, R., Fu, G., Butler, D., Zhang, Q., Zheng, F., Diao, K., Ulanicki, B., Huang, Y., Deuerlein, J., Gilbert, D., Abraham, E., Piller, O., … Walski, T. (2020). Battle of postdisaster response and restoration. Journal of Water Resources Planning and Management, 146(8), 04020067. https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0001239
  9. Vrachimis, S. G., Eliades, D. G., Taormina, R., Kapelan, Z., Ostfeld, A., Liu, S., Kyriakou, M., Pavlou, P., Qiu, M., & Polycarpou, M. M. (2022). Battle of the leakage detection and isolation methods. Journal of Water Resources Planning and Management, 148(12), 04022068. https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0001601
  10. Oberascher, M., Funke, F., Satish, Rahul, Rajabi, M., Dastgir, A., Minaei, A., Back, Y., Chen, S., Hauser, M., Hajibabaei, M., Huynh Thi Ngoc, C., Leitao, J. P., Rauch, W., Kleidorfer, M., & Sitzenfrei, R. (2024). Combat of retrofitting urban drainage networks with nature-based solutions. In Proceedings of the 13th Urban Drainage Modelling Conference (UDM). Innsbruck, Austria.
  11. Alvisi, S., Franchini, M., Marsili, V., Mazzoni, F., Salomons, E., Housh, M., Abokifa, A., Arsova, K., Ayyash, F., Bae, H., Barreira, R., Basto, L., Bayer, S., Berglund, E. Z., Biondi, D., Boloukasli Ahmadgourabi, F., Brentan, B., Caetano, J., Campos, F., … Zou, J. (2025). Battle of water demand forecasting. Journal of Water Resources Planning and Management, 151(10), 04025049. https://doi.org/10.1061/JWRMD5.WRENG-6887
  12. WDSA/CCWI Joint Conference. (2022). Battle of intermittent water supply instructions. https://wdsa-ccwi2022.upv.es/battle-of-water-networks/#downloads
  13. Zanutto, D., Michalopoulos, C., Tsiami, L., Artelt, A., Brandt, J., Eliades, D., Vrachimis, S., Alvisi, S., Marsili, V., Mazzoni, F., Samartzis, P., Hammer, B., Koundouri, P., Polycarpou, M. & Savić, D. (2026). The Battle of the Water Futures. arXiv preprint arXiv:2511.22986.

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