• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.116-116
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• 2021

자연 하천에서의 부유사 농도 계측은 주로 재래식 채집방식을 활용한 직접계측 방식에 의존하여 비용과 시간이 많이 소요되며 점 계측 방식으로 고해상도의 시공간 자료를 측정하기엔 한계가 존재한다. 이러한 한계점을 극복하기 위해 최근 위성영상과 드론을 활용하여 촬영된 다분광 혹은 초분광 영상을 통해 고해상도의 부유사 농도 시공간분포를 측정하는 기법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 다른 하천 물리량 계측에 비해 부유사 계측 연구는 하천에 따라 부유사가 비균질적으로 분포하여 원격탐사를 통해 정확하고 전역적인 농도 분포를 재현하기는 어려운 실정이다. 이러한 부유사의 비균질성은 부유사의 입도분포, 광물특성, 침강성 등이 하천에서 다양하게 분포하기 때문이며 이로 인해 부유사는 지역별로 다양한 분광특성을 가지게 된다. 따라서, 본 연구에서는 이러한 영향을 고려한 전역적인 부유사 농도 예측 모형을 개발하기 위해 실내 실험을 통해 부유사 특성별 고유 분광 라이브러리를 구축하고 실규모 수로에서 다양한 부유사 조건에 대한 초분광 스펙트럼과 부유사 농도를 측정하는 실험을 수행하였다. 실제 부유사 농도는 광학 기반 센서인 LISST-200X와 샘플링을 통한 실험실 분석을 통해 계측되었으며, 초분광 스펙트럼 자료는 초분광 카메라를 통해 촬영한 영상에서 부유사 계측 지점에 대한 픽셀의 스펙트럼을 추출하여 구축하였다. 이렇게 생성된 자료들의 분광 다양성을 주성분 분석(Principle Component Analysis; PCA)를 통해 분석하였으며, 부유사의 입도 분포, 부유사 종류, 수온 등과의 상관관계를 통해 분광 특성과 가장 상관관계가 높은 물리적 인자를 규명하였다. 더불어 구축된 자료를 바탕으로 기계학습 기반 주요 특징 선택 알고리즘인 재귀적 특징 제거법 (Recursive Feature Elimination)과 기계학습기반 회귀 모형인 Support Vector Regression을 결합하여 초분광 영상 기반 부유사 농도 예측 모형을 개발하였으며, 이 결과를 원격탐사 계측 연구에서 일반적으로 사용되어 오던 최적 밴드비 분석 (Optimal Band Ratio Analysis; OBRA) 방법으로 도출된 회귀식과 비교하였다. 그 결과, 기존의 OBRA 기반 방법은 비선형성을 증가시켜도 좁은 영역의 파장대만을 고려하는 한계점으로 인해 부유사의 다양한 분광 특성을 반영하지 못하였으며, 본 연구에서 제시한 기계학습 기반 예측 모형은 420 nm~1000 nm에 걸쳐 폭 넓은 파장대를 고려함과 동시에 높은 정확도를 산출하였다. 최종적으로 개발된 모형을 적용해 다양한 유사 조건에 대한 부유사 시공간 분포를 매핑한 결과, 시공간적으로 고해상도의 부유사 농도 분포를 산출하는 것으로 밝혀졌다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.55 no.1
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• pp.43-57
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• 2022

Advances in measurement techniques have reduced measurement costs and enhanced safety resulting in less uncertainty. For example, an acoustic doppler current profiler (ADCP) based suspended sediment concentration (SSC) measurement technique is being accepted as an alternative to the conventional data collection method. In Korean rivers, horizontal ADCPs (H-ADCPs) are mounted on the automatic discharge monitoring stations, where SSC can be measured using the backscatter of ADCPs. However, automatic discharge monitoring stations and sediment monitoring stations do not always coincide which hinders the application of the new techniques that are not feasible to some stations. This work presents and analyzes H-ADCP-SSC models for 9 discharge monitoring stations in Korean rivers. In application of the Gaussian mixture model (GMM) to sediment-related variables (catchment area, particle size distributions of suspended sediment and bed material, water discharge-sediment discharge curves) from 44 sediment monitoring stations, it is revealed that those characteristics can distinguish sediment monitoring stations regionally. Linking the two results, we propose a protocol determining the H-ADCP-SSC model where no H-ADCP-SSC model is available.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2022.05a
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• pp.25-25
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• 2022

하천의 개발 및 보전 계획을 수립하는 데에 있어 자연하천의 부유사량 및 총유사량을 계측하는 것은 매우 중요하다. 우리나라에서는 매년 국내 자연하천을 대상으로 부유사량을 실측하고 실측 부유사량을 바탕으로 수정 아인슈타인 방법을 적용해 총유사량을 산정하고 있으나 이 또한 홍수기에 국한되어 있다. 가장 일반적인 유사량 계측 방법인 시료 채집에 의한 방법은 많은 노력과 비용을 수반하기 때문에 유사량 관측소와 관측 빈도를 늘릴 수 없는 실정이다. 최근에는 ADCP 음파 신호의 후방산란도가 부유사 농도에 따라 증가한다는 성질을 이용해 부유사 농도 계측에 ADCP를 이용하고자 하는 노력이 계속되고 있다. 이러한 특성을 이용해 본 연구에서는 전라남도 나주시에 위치한 남평교 자동유량관측소에 설치된 횡방향 ADCP (H-ADCP)를 대상으로 서포트 벡터 회귀(SVR)를 적용한 실시간 유사량 모니터링 모형을 제안하였다. 여기서 제시하는 유사량산정 모형은 크게 유량과 초음파 산란도를 입력 변수로 해 부유사 농도를 산정하는 서포트 벡터 회귀 모형과 첫 번째 모형으로부터 산정된 부유사 농도와 흐름 정보를 이용해 총유사량을 산정하는 모형으로 구성되어 있다. 개발된 SVR 부유사량 및 총유사량 산정 모형의 정확도가 결정계수(R²) 기준으로 각각 0.82, 0.90 으로 나타났다. 주목할 점은, 본 연구에서 제시하는 SVR 모형을 이용해 멱함수 기반 유사량 관계식으로는 예측할 수 없는 유사량의 이력현상을 재현해낼 수 있다는 것이다. 본 연구에서 제시하는 H-ADCP 기반 총유사량 모니터링 방법은 기존 자동 유량 관측소 시설을 그대로 이용할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 실무 적용 시 낮은 추가비용으로 양질의 유사량 모니터링이 가능할 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2015.05a
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• pp.377-377
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• 2015

부유사 자료는 유사이송해석에 필수적인 요소로 하천의 흐름 변화 및 하상 변동을 발생시키고, 하천 구조물의 설계, 수자원 개발 및 관리를 위한 하천계획의 전반에 있어 매우 중요한 자료이다. 부유사 농도는 수자원의 이용뿐만 아니라 하천 생태계에까지 피해를 미친다는 점에서 하천의 유지 관리 및 보수와도 밀접한 관련이 있다. 부유사량을 산정하는 방법에는 수리량 및 하상토 특성 자료를 유사량 공식에 대입하여 계산하는 간접적인 방법과 유사량을 직접 측정하는 방법으로 나뉜다. 현재 국내에서는 유사량 채집기를 사용하여 실제 하천의 유사량을 채집하는 방식으로 많이 사용되고 있으나, 많은 인력과 시간이 소모되기 때문에 다지점 계측과 지속적인 계측이 힘들다는 한계점를 보이고 있다. 또한 국내 하천에서는 홍수기를 거치면서 하천의 수리학적 특성이 변화하는 경향을 보여주고 있어 유량-부유사 관계식을 자주 갱신해야 한다는 어려움이 있다. 이에 본 연구에서는 현재 국내에서 사용하고 있는 직접적인 측정 방법의 한계점을 보완하고자 직접적인 측정 방법 중 초음파를 이용하여 횡단면 전체의 유사량 측정을 연속적으로 할 수 있는 수평초음파도플러유속계(H-ADCP)를 활용하여 유사량을 추정할 수 있는 기법을 개발하고자 한다. 본 연구의 연구는 건설기술연구원 하천실험센터의 직선수로에서 수행되었다. H-ADCP (SonTek SL3000, 셀 크기 4 cm)를 사용하여 자연상태 흐름조건 (유속 0.7 m/s)에서 초음파산란도(Backscatter, 혹은 신호대잡음비 SNR) 및 유속자료를 2분 간격으로 확보하였다. 그리고 부유사 농도(SSC)의 측정 정확도가 높다고 평가되고 있는 레이저부유사측정기(LISST-100)를 활용하여 부유사 농도를 실측하여 초음파산란도와 실측 SSC의 관계를 도출하고 그 경향을 분석하였다. 또한 초음파산란도의 흡수 등을 보정하고 실측 부유사자료와의 관계식을 기반으로 H-ADCP를 활용하여 실시간으로 부유사 농도를 산정할 수 있는 소프트웨어를 개발하였다.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.43 no.3
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• pp.321-335
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• 2023

Monitoring sediment loads in natural rivers is the key process in river engineering, but it is costly and dangerous. In practice, suspended loads are directly measured, and total loads, which is a summation of suspended loads and bed loads, are estimated. This study proposes a real-time sediment discharge monitoring system using the horizontal acoustic Doppler current profiler (H-ADCP) and support vector regression (SVR). The proposed system is comprised of the SVR model for suspended sediment concentration (SVR-SSC) and for total loads (SVR-Q_TL), respectively. SVR-SSC estimates SSC and SVR-Q_TL mimics the modified Einstein procedure. The grid search with K-fold cross validation (Grid-CV) and the recursive feature elimination (RFE) were employed to determine SVR's hyperparameters and input variables. The two SVR models showed reasonable cross-validation scores (R²) with 0.885 (SVR-SSC) and 0.860 (SVR-Q_TL). During the time-series sediment load monitoring period, we successfully detected various sediment transport phenomena in natural streams, such as hysteresis loops and sensitive sediment fluctuations. The newly proposed sediment monitoring system depends only on the gauged features by H-ADCP without additional assumptions in hydraulic variables (e.g., friction slope and suspended sediment size distribution). This method can be applied to any ADCP-installed discharge monitoring station economically and is expected to enhance temporal resolution in sediment monitoring.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2022.05a
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• pp.89-89
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• 2022

하천 합류부에 지천이 유입되는 경우 복잡한 3차원적 흐름 구조를 발생시키고 이로 인해 유사혼합 및 지형 변화가 활발히 발생하게 된다. 특히, 하천 합류부에서 부유사 거동은 하천의 세굴과퇴적, 하천 지형 변화, 하천 생태계, 하천구조물 안정성 등에 직접적으로 영향을 미치기 때문에 이에 대한 정확한 분석이 하천 관리 및 재해 예방에 필수적인 요소이다. 기존의 하천 합류부 부유사 계측 자료들은 재래식 채취 방식으로 수행되어 시공간적 해상도가 매우 낮아서 실측 자료만으로 합류부에서 부유사 혼합을 분석하기에는 한계가 존재하기에 대하천의 부유사 혼합 거동 해석에 수치모형이 주로 활용되어 왔다. 본 연구에서는 하천 합류부에서 부유사 거동을 공간적으로 정밀하게 분석하기 위해 드론 기반초분광 영상을 활용하여 하천 합류부에 최적화된 부유사 계측 방법론을 제시하였다. 현장에서 계측한 초분광 자료와 부유사 농도간의 관계를 구축하기 위하여 기계학습모형인 랜덤포레스트(Random Forest) 회귀 모형과 합류부에서 분광 특성이 다른 두 하천의 특성을 정확하게 반영하기 위한 가우시안 혼합 모형 (Gaussian Mixture Model) 기반 초분광 군집화 기법을 결합하였다. 본 연구에서 구축한 방법론을 낙동강과 황강의 합류부에 적용한 결과, 초분광 군집을 통해 두하천 흐름의 경계층을 명확히 구별하였으며, 이를 바탕으로 지류와 본류에 대해 각각 분리된 회귀 모형을 구축하여 복잡한 합류부 근역 경계층에서의 부유사 거동을 보다 정확하게 재현하였다. 또한 나아가서 재현된 고해상도의 부유사 공간분포를 바탕으로 경계층에서 강한 두 흐름이 혼합되어 발생한 와류(Wake)가 부유사 혼합에 미치는 영향을 규명하였고, 하천 합류부에서 발생하는 전단층의 수평방향 대규모 와류가 부유사 혼합 양상에 지배적 영향을 미치는 것으로 확인하였다.

• Proceedings of the Korean Institute of Navigation and Port Research Conference
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• 2003.05a
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• pp.141-146
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• 2003

Time seres of suspended sediment concentration, surface elevation and velocity were measured and analysed to investigate the role of waves and the predominance of infra-gravity wave component for sediment suspension phenomena in the surf zone. For the investigation in detail, we adopted the cross spectral analysis method between sediment concentration and the characteristic values of wave, and ensemble average analysis method about long-period wave component, which is dominant to sediment suspension in the measurement point. The obtained results are summarized as follows: 1) The relationship between sediment concentration and the characteristic values of wave is stronger for the long-period standing wave components(about 60s and 30s) than the long wave components(about 100s), which have the most energetic power, 2) and also, it is cleared that sediment concentration is increased in the case of the phase, the velocity components of the first mode long-period standing wave(60sec) were accelerated toward on-shore direction, that is, the water surface in offshore side is higher than on-shore side.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.44 no.5
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• pp.417-427
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• 2011

The open-channel flow with submerged vegetation shows distinct features in two separate regions, namely upper and vegetation layers. In the upper layer, the flow is akin to the open-channel flow, while the flow in the vegetation layer is relatively uniform with suppressed turbulence due to vegetation stems. This paper presents laboratory experiments to investigate the characteristics of turbulent flows and suspended sediment transport in open-channel flows with submerged vegetation. An open-channel facility, 0.5 m wide and 12 m long, was used for laboratory experiments. Various discharges were employed with depth ratios of 2~3, and wooden cylinders were used for vegetation. To make equilibrium suspension, sediment particles of median diameter of 75 ${\mu}M$ were fed until capacity condition. Laser Doppler velocimeter was used to measure instantaneous velocity, and direct sampling with vinyl tube was used to measure the concentration of suspended sediment. Using the sampled data, the mean flow and turbulence structures were provided and characteristics of suspended sediment concentration with Rouse number were presented.

• Journal of Navigation and Port Research
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• v.27 no.4
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• pp.455-463
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• 2003

Time series of suspended sediment concentration, surface elevation and velocity were measured and analysed to investigate the role of waves and the predominance of infra-gravity wave component for sediment suspension phenomena in the surf zone. For the investigation in detail, we adopted the cross spectral analysis method between suspended sediment concentration and the characteristic values of wave, and ensemble average analysis method about long-period wave component, which is dominant to sediment suspension in the measurement point. The obtained results are summarized as follows: 1)The relationship between suspended sediment concentration and the characteristic values of wave is stronger for the long-period standing wave components(about 60s and 30s where the nodal point of the first mode and the anti-nodal point of the second mode are located at the measurement point, respectively) than the long wave components(about 100s), which have the most energetic power, 2) and also, it is cleared that suspended sediment concentration is increased in the case of the phase, the velocity components of the first mode long-period standing wave(60sec) were accelerated toward on-shore direction, that is, the water surface in offshore side is higher than on-shore side.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.36 no.6
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• pp.1023-1035
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• 2016

Suspended sediment concentration (SSC) is a crucial riverine parameter in terms that it can be utilized for analyzing sediment transport, stability assessment of river and structure and so on. However, in case of domestic, sediment discharge data are not enough because of using conventional sediment samplers. This study aimed at developing a practical technique for estimating suspended sediment concentration in high spatial and temporal resolution by building relationship between acoustic backscatter (or SNR) from H-ADCP with actually observed data using LISST-100X. In this regard, a dedicated correction algorithm was proposed particularly for the adapted H-ADCP (SonTek SL-3000). Then, a SNR-SSC relation was built based upon a real-scale field experiment, where both H-ADCP and LISST-100X were concurrently operated to observe SNR and SSC, respectively. The coefficient of determination for the developed regression equation of SNR-SSC relation was around 0.85~0.88, thereby the relation could be evaluated to be highly correlated. The result of this study might be potentially applied for real-time and simultaneous observation of SSC when H-ADCP could be applied.