• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.55 no.12
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• pp.991-998
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• 2022

The purpose of this study is to develop GPU (Graphics Processing Unit) acceleration technique for 2-dimensional model and to assess the effectiveness for high resolution flood simulation in wide area In this study, GPU acceleration technique was implemented in the G2D (Grid based 2-Dimensional land surface flood model) model, using implicit scheme and uniform square grid, by using CUDA. The technique was applied to flood simulation in Jinju-si. The spatial resolution of the simulation domain is 10 m × 10 m, and the number of cells to calculate is 5,090,611. Flood period by typhoon Mitag, December 2019, was simulated. Rainfall radar data was applied to source term and measured discharge of Namgang-Dam (Ilryu-moon) and measured stream flow of Jinju-si (Oksan-gyo) were applied to boundary conditions. From this study, 2-dimensional flood model could be implemented to reproduce the measured water level in Nam-gang (Riv.). The results of GPU acceleration technique showed more faster flood simulation than the serial and parallel simulation using CPU (Central Processing Unit). This study can contribute to the study of developing GPU acceleration technique for 2-dimensional flood model using implicit scheme and simulating land surface flood in wide area.

• Journal of The Korean Society of Agricultural Engineers
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• v.64 no.3
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• pp.9-24
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• 2022

Currently, a vast amount of hydrologic data is accumulated in real-time through automatic water level measuring instruments in agricultural reservoirs. At the same time, false and missing data points are also increasing. The applicability and reliability of quality control of hydrological data must be secured for efficient agricultural water management through calculation of water supply and disaster management. Considering the characteristics of irregularities in hydrological data caused by irrigation water usage and rainfall pattern, the Korea Rural Community Corporation is currently applying the Hampel filter as a water level data quality management method. This method uses window size as a key parameter, and if window size is large, distortion of data may occur and if window size is small, many outliers are not removed which reduces the reliability of the corrected data. Thus, selection of the optimal window size for individual reservoir is required. To ensure reliability, we compared and analyzed the RMSE (Root Mean Square Error) and NSE (Nash-Sutcliffe model efficiency coefficient) of the corrected data and the daily water level of the RIMS (Rural Infrastructure Management System) data, and the automatic outlier detection standards used by the Ministry of Environment. To select the optimal window size, we used the classification performance evaluation index of the error matrix and the rainfall data of the irrigation period, showing the optimal values at 3 h. The efficient reservoir automatic calibration technique can reduce manpower and time required for manual calibration, and is expected to improve the reliability of water level data and the value of water resources.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.55 no.5
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• pp.345-356
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• 2022

A severe flooding occured at a small urban catchment in Daejeon-si South Korea on July 30, 2020 causing significant loss of property (inundated 78 vehicles and two apartments) and life (one casualty and 56 victims). In this study, a retrospective analysis of the inundation event was implemented using a physically-based urban flood model, H12 with high-resolution data. H12 is an integrated 1-dimensional sewer network and 2-dimensional surface flow model supported by hybrid parallel techniques to efficiently deal with high-resolution data. In addition, we evaluated the impact of the flooding barriers which were installed after the flood disaster. As a result, it was found that the inundation was affected by a combination of multiple components including the shape of the basin, the low terrain of the inundation area located in the downstream part of the basin, and lack of pipe capacity to drain discharge from the upstream during heavy rain. The impact of the flooding barriers was analyzed by modeling with and without barriers on the high-resolution terrain input data. It was evaluated that the flood barriers effectively lower the water depth in the apartment complex. This study demonstrates capability of high-resolution physically-based urban modeling to quantitatively assess the past inundation event and the impact of the reduction measures.

• Economic and Environmental Geology
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• v.55 no.1
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• pp.111-125
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• 2022

Since landslide can cause huge damages to many facilities, close characterization of slopes is needed for appropriate reinforcements for the unstable ones in order to prevent the damages. Geophysical surveys, which can characterize a large area at a relatively low cost without disturbing slopes, have been widely employed for the assessment of slope stability in other countries. However, only conventional direct investigation methods are mainly used in Korea. In this paper, we analyzed various cases, which evaluated slope stabilities by characterizing slopes using geophysical exploration. First, we introduced changes in geophysical properties due to unstable media of slope like fracture location, fracture connectivity and distribution of groundwater level, and subsequently discussed the applicability of geophysical methods to the detection of the changes; the methods include electrical resistivity survey, seismic survey, self-potential survey, induced polarization survey and ground penetrating radar. Based on this description, we analyzed how geophysical surveys were performed on various slopes.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.56 no.9
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• pp.575-586
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• 2023

River vegetation has important functions such as providing a habitat for the river ecosystem and physical stability of the river bank. It also has adverse effects such as aggravating flood damages due to the increase in roughness coefficient and drag forces. River vegetation management is very important in finding a balance between flood and ecological management. There are still many uncertainties about the effect of vegetation on rivers. In this study, in order to analyze the effect of vegetated flow, the flow patterns according to the vegetation roughness are analyzed through a two-dimensional unsteady flow model for Chopyeong island of the Imjin River. According to the results of the 2D flow analysis using the HEC-RAS 2D model, the velocity distribution in the bend of the Imjin River was greatly affected by the vegetation roughness of Chopyeong Island. The formation of the main flow outside the bend of Chopyeong Island during flooding is presumed due to the influence of tree and grass on Chopyeong Island. If tree are distributed throughout Chopyeong Island, the velocity outside the bend is expected to be higher. River vegetation causes the effect of raising the water level, and could cause a change in the velocity distribution.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2023.05a
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• pp.128-128
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• 2023

우리나라 농업용 저수지는 저수량만을 참조하여 운영한다. 이러한 현실을 개선하기 위해, 유입량을 고정시키고 저수지 물수지 분석에 의해 방류량을 생산하는 체계를 구축했다. 2018년부터 2021년까지 총저수량 142만m³의 옥서저수지, 106만m³의 홍동저수지에 적용하여 일별로 저수량을 모의하여 관측값과 비교하고, 저수지 물수지 분석에 의해 실시간 계측되는 수로유량의 신뢰도를 평가하였다. 장기간의 계측 자료를 보유하고 있는 인근 다목적댐인 보령댐의 운영자료(2018~2021)를 이용하여 유입량 모형의 매개변수(α=3.500)를 결정하고, 저수지 유입량을 모의한 결과 NSE 0.854, R² 0.858의 높은 신뢰도를 얻었다. 유입량을 고정시키고, 저수지 물수지 분석에 의해 방류량을 계산한 결과 옥서저수지는 일최대 방류량 5.7m³/s, 일평균 0.2m³/s, 홍동저수지는 각각 5.9m³/s, 0.2m³/s로 나타났다. 총방류량을 측정 수로유량과 여수로 방류량으로 분할하고, 저수지 물수지 분석에 의해 수로유량의 신뢰도를 평가한 결과 옥서저수지는 R²가 0.771, 일평균 저수위 오차 88.6cm, 일평균 저수량 오차 9.4%, 홍동저수지는 R²가 0.086, 일평균 저수위 오차 69.9cm, 일평균 저수량 오차 18.0%로 오차가 크게 나타났다. 저수지 수위가 만수위(FWL) 이하일 때는 여수로 방류량을 0으로 하여 총방류량을 여수로 방류량과 수로유량으로 분할한 후, 물수지 분석에 의해 신뢰도를 평가한 결과, 옥서저수지의 경우 R²는 0.941, 일평균 저수위 오차 2.6cm, 일평균 저수량 오차 0.35%를 나타내, 신뢰도가 크게 증가했다. 그러나 홍동저수지의 경우는 R²는 0.521, 일평균 저수위 오차 2.2cm, 일평균 저수량 오차1.02%를 나타냈지만, 낮은 신뢰도를 보였다. 측정 수로유량의 신뢰도는 두 저수지 모두 낮게 나타났다. 수로유량 조정을 통해 옥서저수지의 신뢰도는 향상 시킬 수 있었지만 홍동저수지의 경우는 향상 시킬 수 없었다. 이는 여수토 비상수문조작 실적과 저수지 사통 수문 조작 실적이 없어, 그 결과를 정확히 반영할 수 없었기 때문인 것으로 결론을 내렸다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2023.05a
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• pp.60-60
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• 2023

태풍 힌남노에 경주에 위치한 총저수량 184만m³, 유역면적 22km²인 왕신저수지는 303m의 제체가 2시간여 동안 전면 월류하는 초유의 사태를 겪었다. 그때 다행히 저수지 수위는 10분 단위로 기록됐다. 이 자료를 이용하여 제체 월류현상을 평가하기 위해 저수지 운영의 기본자료인 유입량, 저수량, 방류량 등을 10분 단위로 생산코자 했다. 방법은 인근에 위치하고 운영자료가 있는 총저수량 260만m³, 유역면적 3.7km²인 감포댐에 대해 유입량 모의방법을 검증하고, 왕신저수지에 그대로 적용하여 유입량을 모의하고, 물수지에 의해 방류량을 계산하는 것으로 했다. 모의결과는 저수량 오차로 신뢰도를 확인했다. 여기서 저수지 유입량은 ONE 모형을 이용하여 10분 단위로 생산했다. 2022년 9월 5일부터 6일까지 10분 단위로 모의한 결과는 다음과 같다. 첫째, 감포댐 유역은 강우량은 10분 최대 32.3mm, 총강우량 196.0mm였고, 유입량은 10분 최대 80.1m³/s, 총유입량 59만m³로 모의됐고, 신뢰도는 RMSE 2.120mm, NSE 0.947, R²는 0.949로 매우 높게 나타났다. 그리고 저수량 모의 신뢰도도 RMSE 0.153m, NSE 0.993, R²는 0.997로 높았다. 둘째, 왕신저수지 유역은 강우량은 유역내에 위치한 환경부 관리의 화산리 관측소에서 10분 최대 21.0mm, 총강우량은 10시간 동안 422.0mm였고, 유입량은 10분 최대 716.5m³/s, 총유입량 904만m³로 모의됐고, 유출률은 95.7%로 강우량 거의가 유입되는 것으로 나타났다. 셋째, 왕신 저수지의 방류량은 10분 최대 610.8m³/s, 총방류량 848만m³로 계산됐고, 총유입량의 93.8%에 상당한 것으로 나타났다. 그리고 저수지 물수지에 의해 10분 단위 모의 저수위의 신뢰도는 RMSE 0.117m, NSE 0.994, R²는 0.999로 매우 높게 나타났다. 넷째, 왕신저수지의 제체고 EL.59.20m를 월류한 시간은 9월6일 5시50분부터 8시까지 2시간10분 동안였으며, 관측 저수위는 EL59.24m~EL.60.28m, 모의 저수위는 EL.59.31m~EL.60.29m로 나타났다. 월류되는 동안 총유입량은 544만m³, 총방류량은 527만m³로 나타나, 유입량의 96.8%가 월류되는 것으로 계산돼 저수지의 저류효과는 거의 없는 것으로 나타났다. 이때 유입량은 전기간의 60.2%, 방류량은 62.1%에 상당했다. 다섯째, 힌남노에 따른 왕신저수지의 홍수조절효과는 첨두유입량을 105.7m³/s 저감시켰고, 홍수량을 56만m³을 저류시킨 것으로 분석됐다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2023.05a
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• pp.514-514
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• 2023

댐 건설은 하천의 유황, 유사량을 변화시켜 이·치수 및 생태계에 영향을 미치고 있다. 그러나 현재 댐 운영에 사용하고 있는 하천 기본계획은 10년마다 수립하고 있어 하천 지형 측량자료, 식생 및 수생태를 고려한 하천 관리 계획은 대부분 과거자료이다. 또한 홍수소통에 영향을 미치는 하도식생에 대한 연구가 거의 없어 최근 기후변화로 인해 빈번하게 발생하는 홍수 등 물재해에 적극적 대응이 어려운 실정이다. 따라서 최신의 하천 기초조사 자료 기반, '20년 댐 하류하천에 홍수가 발생한 4개 댐(대청, 합천, 용담, 섬진강댐)을 대상으로 하상변동, 식생 영향 등을 고려한 댐 직하류 하천관리방안을 마련하는 연구를 진행하였다. 최신 하천 기초조사 자료 확보를 위해 하천기본계획 등 문헌정보를 수집하고 댐 직하류의 수중부·육상부 측량, 유사량·하상재료 조사, 식생조사, 홍수흔적조사 등을 실시하였다. 확보한 기초자료를 바탕으로 하상변동 분석 모델 및 물리적 서식처 모의 모델을 통해 이수, 치수, 생태 측면으로 분석을 진행하였다. 이수 분석으로 HEC-RAS의 유사이송 분석을 통해 현재부터 20년 뒤의 하상변동을 분석하였다. 치수 분석으로 HEC-RAS 2D 등의 유사이송 분석을 사용하여 한 개의 홍수기 사상 발생 시 하상변동을 분석하였으며, 식생의 유무가 하상변동에 미치는 영향을 함께 분석하였다. 생태 분석으로는 PHABSIM을 사용하여 대상어종에 대한 하상변동 및 식생 유무에 따른 환경생태영향의 영향을 분석하였다. 분석을 바탕으로 각 대상 댐 직하류에 이수, 치수, 생태 측면의 하천관리방안을 수립하였다. 이수 분석을 통해 20년 뒤의 취양수장의 제약수위를 예측, 검토하고 취약구간 모니터링 구간을 산정하였다. 또한 침식과 퇴적이 크게 일어나는 구간을 산정하여 장·단기 하상변동 모니터링 구간을 제시하였다. 치수 분석을 통해 식생이 댐 하류에 미치는 영향을 분석하여 식생 저감 구간을 선정하는 등 적정 식생 밀도 조절 방안을 제시하였다. 또한 하상변동량이 큰 구간은 하상 안정 유지를 위한 수제 설치를 모델 결과를 통해 검토하였으며 제방 정비가 필요한 구간은 드론을 활용한 모니터링을 제안하였다. 생태 분석을 통해 대상 어종이 서식하기 가장 적합한 환경생태유량을 산정하고 댐 하류 하천의 자연성 회복을 위한 증가방류, 유사환원 등의 방안을 검토하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2023.05a
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• pp.84-84
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• 2023

소하천의 유속계측을 위해 가장 많이 사용되고 있는 표면영상유속계는 표면유속을 계측하는데, 계측된 표면유속을 이용하여 유량을 산정하기 위해서는 수심 평균유속으로 변환할 필요가 있다. 이때 평균-표면유속 환산계수가 주로 사용되는데, 적정 환산계수를 산정하기 위해서는 수심별로 유속을 직접 계측하고 계측된 유속분포를 이용하여 평균-표면유속 환산계수를 산정하는 방법을 사용한다. 그러나 소하천은 홍수시 유속이 매우 빨라 물속에 직접 들어가는 것이 어렵고 장비를 이용하여 간접적인 방법으로 계측을 한다고 하더라도 소류사와 유송잡물 등으로 계측기가 파손되어 직접 계측에는 한계가 있다. 또한 직선구간 확보나 식생 등으로 부자를 이용한 계측도 어려워 계측 결과를 이용하여 환산계수를 산정하는 방법은 한계가 있다. 이런 이유로 대부분은 USGS가 제시한 0.85 ~ 0.95 범위 값 중에서 현장 여건을 고려하여 최적값을 결정·사용하고 있다. 본 연구에서는 홍수시 수심-유속분포를 직접 계측하기 어려운 소하천에서 표면영상유속계를 이용하여 계측한 수심별 표면유속분포를 이용하여 평균-표면유속 환산계수를 산정하는 방법을 개발하였다. 개발한 방법을 정량적으로 평가하기 위하여 건설기술연구원의 안동 하천실험시설에서 표면영상유속계로 수심상승에 따른 횡방향 유속분포를 계측하고 수위가 완전히 상승한 이후의 안정된 흐름 조건에서 플로우트래커를 이용하여 수심별 횡방향 유속분포를 계측하여 두 계측결과를 1:1로 비교하였다. 비교 결과 표면영상유속계로 계측한 수심별 표면유속분포와 플로우트래커로 계측한 수심-유속분포 결과는 유사한 분포를 보이는 것으로 나타나 표면영상유속계로 계측한 수심별 표면유속분포를 이용하여 평균-표면유속 환산계수를 산정하는 것이 가능하다는 결론을 도출하였다. 본 연구에서는 개발한 평균-표면유속 환산계수 산정방법의 적용성을 검토하기 위하여 표면영상유속계가 설치된 5개 시범소하천에서 7년(2016~2022)간 계측한 수심별 표면유속 자료를 수집하고 이 결과를 이용하여 평균-표면유속 환산계수를 산정하였다. 산정결과 대부분 USGS가 제시한 범위내의 값을 보이는 것으로 나타나 향후 본 연구의 개발 방법을 평균-표면유속 환산계수 산정에 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 개발한 환산계수 산정방법은 향후 보다 많은 수리실험과 현장실험 등으로 정밀검증을 수행한다면 홍수시 수심-유속분포를 직접 계측하기 어려운 소하천에서 간편하면서도 적용성이 큰 신기술 확보가 가능할 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2022.05a
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• pp.387-387
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• 2022

기존 홍수기시 댐 운영은 예측 강우와 실시간 관측 강우를 이용하여 댐 운영 모형을 수행하며, 예측 결과에 따라 의사결정 및 댐 운영을 실시하게 된다. 하지만 이 과정에서 반복적인 분석이 필요하며, 댐 운영 모형 수행자의 경험에 따라 예측 결과가 달라져서 반복작업에 대한 자동화, 모형 수행자에 따라 달라지지 않는 예측 결과의 일반화가 필요한 상황이다. 이에 댐 운영 모형에 AI 기법을 적용하여, 다양한 강우 상황에 따른 자동 예측 및 모형 결과의 일반화를 구현하고자 하였다. 이를 위해 수자원 분야에 적용된 국내외 129개 연구논문에서 사용된 딥러닝 기법의 활용성을 분석하였으며, 다양한 수자원 분야 AI 적용 사례 중에서 댐 운영 예측 모형에 적용한 사례는 없었지만 유사한 분야로는 장기 저수지 운영 예측과 댐 상·하류 수위, 유량 예측이 있었다. 수자원의 시계열 자료 활용을 위해서는 Long-Short Term Memory(LSTM) 기법의 적용 활용성이 높은 것으로 분석되었다. 댐 운영 모형에서 AI 적용은 2개 분야에서 진행하였다. 기존 강우관측소의 관측 강우를 활용하여 강우의 패턴분석을 수행하는 과정과, 강우에서 댐 유입량 산정시 매개변수 최적화 분야에 적용하였다. 강우 패턴분석에서는 유사한 표본끼리 묶음을 생성하는 K-means 클러스터링 알고리즘과 시계열 데이터의 유사도 분석 방법인 Dynamic Time Warping을 결합하여 적용하였다. 강우 패턴분석을 통해서 지점별로 월별, 태풍 및 장마기간에 가장 많이 관측되었던 강우 패턴을 제시하며, 이를 모형에서 직접적으로 활용할 수 있도록 구성하였다. 강우에서 댐 유입량을 산정시 활용되는 매개변수 최적화를 위해서는 3층의 Multi-Layer LSTM 기법과 경사하강법을 적용하였다. 매개변수 최적화에 적용되는 매개변수는 중권역별 8개이며, 매개변수 최적화 과정을 통해 산정되는 결과물은 실측값과 오차가 제일 적은 유량(유입량)이 된다. 댐 운영 모형에 AI 기법을 적용한 결과 기존 반복작업에 대한 자동화는 이뤘으며, 댐 운영에 따른 상·하류 제약사항 표출 기능을 추가하여 의사결정에 소요되는 시간도 많이 줄일 수 있었다. 하지만, 매개변수 최적화 부분에서 기존 댐운영 모형에 적용되어 있는 고전적인 매개변수 추정기법보다 추정시간이 오래 소요되며, 매개변수 추정결과의 일반화가 이뤄지지 않아 이 부분에 대한 추가적인 연구가 필요하다.