• Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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• v.36 no.1
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• pp.58-66
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• 2014

Water pollution problems of urban rivers due to the urbanization and industrialization have been the subject of public attention. In particular, considering the fact that the characteristics of water cycle of each basin change dramatically through the development of new towns, a large number of concerns about future water quality have been raised. However, reasonable measures to predict future water quality quantitatively have not been presented by this moment. In this study, by the linkage of annual unit load generation based on long-term monitoring results of the ministry of environment (MOE) to a semi-distributed rainfall runoff model, SWMM (Storm Water Management Model), we proposed a new methodology to estimate future water quality macroscopically and testified it to verify its applicability for the estimation of future water quality of a small watershed at G new town. As a result of the estimation using Y-EMC (Yearly based Event Mean Concentration), future water quality were simulated as BOD 18.7, T-N 16.1 and T-P 0.85 mg/L respectively which could not achieve the grade III of domestic river life guidance and these criteria could be satisfied by the reduction of domestic wastewater discharge load by over 80%. The results of this study are shown to be utilized for one of basic tools to estimate and manage water quality of urban rivers in the course of new town developments.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2017.05a
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• pp.297-301
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• 2017

본 연구에서는 새만금유역과 호 내의 복잡한 수체 형상, 유입 및 유출 구조를 반영하는데 적합한 모델을 적용하고 재현성이 검토된 모델 결과를 이용하여 호 내 수질을 모의하였다. 또한 구성한 모형의 결과를 바탕으로 만경강, 동진강의 상류에 위치하고 있는 제수문에서의 방류조건을 가정하여 모의를 수행하였다. 방류조건별 모의 결과, M3, D5지점에서 목표수질을 초과하는 것으로 나타났고 새만금호 상류부인 M3, D3지점은 방류조건에 따른 수질개선효과가 큰 것으로 예측되어 만경강과 동진강의 유입수의 영향이 지배적인 것으로 평가되었다. 전량방류시 영향범위를 거리로 살펴보면 만경강대교에서 새만금호 하류방향으로 약 22 km지점, 동진강대교에서 새만금호 하류방향으로 약 15 km지점까지로 나타났다. 농도변화와 방류조건별 영향범위를 살펴보면, 하류측으로 갈수록 수질개선에 영향을 적게 미치지만, 증가된 방류량에 의해 수질이 개선되어 제수문에서의 방류량 증가는 호 내 수질개선에 기여하는 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korean Institute of Navigation and Port Research Conference
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• 2019.05a
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• pp.42-44
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• 2019

금회 연구대상지인 진도 해역은 WQI지수 II, III등급 해역으로, 비교적 양호한 수질상태를 유지하고 있다. 최근 대명리조트는 이곳에 대규모 휴양시설을 계획 중에 있으며, 이에 따른 오수의 해양방류는 불가피할 것으로 보인다. 따라서, 오수의 해양방류로 인하여 대상해역의 오염이 우려됨에 따라 최적의 배수시설을 건설하여 수질악화를 방지하고자 한다. 배수시설에 따른 수질영향 예측을 수행하기 위하여 Delft3D-WAQ 모듈을 이용하여 당 해역의 수질특성을 재현 및 예측하였다. 또한, 상기 모델에 의한 모의결과의 정확도를 확인하고 보완하기 위하여 수직 와확산계수의 민감도 분석을 수행하였으며, 이를 통해 신뢰도를 확보하였다. 배수시설의 방류구 이격 거리 및 수층별 방류에 따른 수질변화를 검토한 결과, 해안에서의 이격거리가 멀고 중층에 방류할 경우 가장 효과적인 희석률을 보이는 것으로 나타났다.

• Journal of Korean Society for Geospatial Information Science
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• v.13 no.1 s.31
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• pp.71-80
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• 2005

Recently, water quality problems are emerging as important social issues since water quality in rivers and lakes are significantly deteriorated. Thus, an accurate prediction system on reservoir water quality is required, as well as an integrated system which can provide a solution for taking away contaminated materials. This research aims to develop an intelligent decision support system, which uses a GIS enabling management and spatial analysis. The developed system is a prototype that can be applied into real spot. This research area includes the following main subjects; system analysis and design, geometry data collection and database implementation, data acquisition and analysis on reservoir water quality, interface design and development GIS, and development of an expert system for water quality forecasting by WASPS.

• Journal of The Korean Society of Agricultural Engineers
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• v.52 no.1
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• pp.61-68
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• 2010

토지피복은 대부분의 수문 수질 모형의 중요한 매개변수로서, 수자원 변화 예측에 중요한 입력자료로 활용되고 있다. 본 연구에서는 개선된 CA (Cellular Automata)-Markov 기법을 이용하여 충주댐유역의 미래 산림식생변화에 대한 예측을 시도하였다. 예측과정으로 과거의 Landsat TM 영상 (1985, 1990, 1995, 2000)을 이용하여 기법의 정확도 검증 및 산림분포의 변화경향을 파악하고, Landsat 산림은 2000년과 2005년의 NOAA AVHRR NDVI값을 기준으로 침엽수림, 혼효림, 활엽수림의 3종으로 구분한 후, 이를 이용하여 2030년, 2060년, 2090년의 식생변화를 추정하는 방법을 제안하였다. 이 방법의 적용결과, 2000년과 비교하여 2090년의 활엽수림과 혼효림은 각각 14.3 %, 11.6 % 증가하였으며, 침엽수림은 24.9 % 감소하는 것으로 나타났다. 과거의 경향성에 의해 예측을 시도한 본 연구결과는 미래 토지피복 변화에 따른 수문 수질 영향 분석시 지표 조건의 불확실성을 줄이는데 활용될 수 있다고 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2012.05a
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• pp.908-908
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• 2012

국내 기후 특성상 하절기에 집중되는 강우로 인해 댐의 건설을 홍수조절, 용수확보 및 전력생산 등의 목적에 있어서 불가피하다. 이와 같은 저수지와 하류하천은 댐 수문 개폐에 따라 흐름변화로 인하여 수체의 거동 및 수질 변화가 발생하며, 일반적인 하천과는 다른 특성을 지니게 된다. 또한 수심이 깊은 저수지의 경우에는 흐름방향과 더불어 수심 방향의 특성도 중요하며, 수리 및 수질 모형의 연계를 통한 3차원적인 해석을 필요로 한다. 유역 내 지상 또는 대기에서 발생한 모든 오염물질은 강우에 의해 하천과 호수와 같은 수체로 유입되며, 강우가 발생했을 때 유역의 토지피복 상태와 수리, 지형, 강우강도, 토양의 특성에 의해 하천으로 유입되는 오염물질의 농도와 부하특성이 달라진다. 비점오염물질의 축적이 가능한 호수나 저수지에서는 비점오염원의 유입이 더 큰 문제가 되며, 유량이 극히 미미한 하천의 경우에는 강우초기에 일시에 집중적으로 유입되는 초기 오염 부하량이 문제가 된다. 강우유출수의 하천 유입은 강우 현상과 밀접한 관계를 맺고 있으므로 그 제어가 쉽지 않다. 이러므로 이를 총괄하는 유역통합관리기술이 필요로 하며, 기존의 유역통합관리기술은 댐 상류유역을 중심으로 개발되고 있으며, 댐 상류유역과 저수지, 하류하천으로 구분되어 연구되어 왔다. 또한 각각의 모형이 개별적으로 적용되어 통합적인 평가시스템이 표준화되지 않은 관계로 댐 상하류 모니터링 자료가 연계된 실무 적용이 이루어지지 않고 있다. 따라서 하천 수리 수문학적 역학구조를 이해하고 그 특성에 적합하게 평가할 수 있는 표준화된 시스템이 구축되어야 한다. 또한 효과적인 유역통합관리를 위해서는 하천의 현재 뿐만 아니라 장래에 대한 예측부분도 포함되어야 한다. 본 연구에서는 댐 유역에서의 유출과 수질 변화를 모의하고 이를 이용하여 저수지 내에서의 오염물질 거동에 대해서 해석하였다. 또한 기후변화에 따른 유역, 저수지 및 하천에 미치는 영향을 고려하기 위하여 고해상도 지역기후전망 모의자료를 이용하여 수문학적 스케일로 통계적 상세화한 후 지역별 상세수문시나리오를 생산하여 미래 예측에 활용하였다. 기후변화 시나리오의 상세화를 통한 상세지역의 기후를 예측하고, 예측된 기상자료를 이용하여 유역모델을 모의하여 미래의 유출 및 수질 변화를 파악할 수 있는 기술 개발로 인해 저수지의 운영에 도움을 주고, 주수지의 치수증대 사업 등 유출의 변화에 따른 하류하천 변화를 파악할 수 있고, 기후변화에 따른 하류하천에 대한 홍수기 때 치수, 이수 및 방재에 대하여 기초자료를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2008.05a
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• pp.1310-1314
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• 2008

수도권 지역의 신도시 개발에 따른 유역의 도시화와 인구 증가는 유역의 피복상태를 변화시키고, 생태계에 영향을 미치는 수문학적 과정과 하천수질의 변화를 초래하게 된다. 지표면의 침투, 침루 및 토양함수량을 변화시키고, 차단저류량과 요지저류량(depression storage) 등을 변화시킴으로서 유출량과 수질을 변화시키게 되는 것이다. 이와 같은 수문학적과정을 평가하기 위해서는 수문모형을 사용하는데 본 연구에서는 미국 농림부에서 개발한 SWAT모형을 이용하였다. SWAT-K모형은 SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 모형에 인위적, 자연적인 물순환 구조변화와 지표수-지하수 연계 해석 등을 개선하여, 강우 증발산 토양수분 지표수 지하수 등의 시, 공간적 분포를 정량적으로 산정하는 장기유출 해석 모형이다. 또한, 본 모형의 적용을 위하여 GIS를 이용한 공간정보를 처리하여 수문모형의 매개변수를 결정하는 방법이 널리 사용되고 있는데, 본 연구에서는 ArcView GIS를 이용하여 입력자료를 구축하였다. 대상유역은 판교유역으로서 신도시 개발이 한창 진행되고 있는 지역으로서, 개발 과정에 따라 수문특성, 유출특성, 수질변화 특성 등이 계속하여 변화되고 있으며, 개발이 완전히 종료된 이후의 특성을 예측할 필요가 있는 유역이다. 본 연구에서는 SWAT-K모형을 이용하여 판교 신도시 개발에 따른 장기유출량을 예측하였고 모델의 매개변수를 최적화하였으며, 그 결과 본 모델이 장기 유출량 해석 및 판교유역의 수문변화를 평가하는데 유용하게 적용될 수 있을 것으로 판단되었다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2023.05a
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• pp.154-154
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• 2023

수질모니터링은 수자원 보존과 공중 보건에 있어 매우 중요하다. 기후변화로 인한 이상강우와 산업화 등의 이유로 비점오염물질 및 오염원 배출량이 증가하여 하천과 호소에 영양염류가 증가하게 된다. 영얌염류의 증가로 하천에 부영양화 상태가 지속된다면 녹조발생 등으로 인해 생태계에 부정적 영향을 초래하게 된다. 또한 부영양화는 원수의 유기물량 증가로 인해 처리비용 증가, 이취미 문제 등 인간에게도 직접적인 문제를 유발한다. 특히 우리나라의 경우 하천 취수율이 높은 국가이며, 낙동강 중상류 지역에는 산업시설이 과도하게 밀집되어 있어 하천에 오염물질 유입이 되어 부영양화가 된다면 심각한 문제를 유발하게 된다. TN은 부영양화의 중요한 지표다. 우리나라의 TN 측정은 시료 채수 후 실험실에서 수질오염공정 시험기준에 따라 진행이 된다. 실험실 분석은 TN 농도를 분석하는 일반적인 방법이며, 정확한 검출 및 정량화를 목표로 한다. 하지만 이러한 방식은 정교한 장비를 갖춘 전문 실험실 및 전문 인력을 필요로 한다. 환경부에서 주요 하천에 수질측정망을 설치하여 수질현황에 대한 종합적인 조사를 통해 수질변화 추세를 파악하는 것이 가능하지만, 실시간 TN 농도를 감지하는데 매우 제한적이다. 현재 조사방식은 TN 농도 증가로 인한 문제에 대해 초기대응을 하기에는 한계가 있다. 최근 센서의 발전으로 다양한 항목을 신속하고 지속적으로 모니터링 할 수 있게 되었다. TN에 대한 직접적인 센서 모니터링은 불가능 하지만 여러 측정 항목이 TN과 상관관계가 있는 것이 여러 연구에서 입증되었다. 이러한 결과를 바탕으로 본 연구에서는 오염도가 높은 낙동강을 대상으로 TN 예측에 대한 기초 연구를 진행하였다. 과거 측정된 자료를 활용하여 센서로 측정 가능한 항목을 통해 TN 예측을 진행하며, 실제 활용을 위해 회귀식을 도출하고자 한다. 최근 환경부에서 실시간 수질 현황 및 오염도를 파악하기 위해 자동측정망 지점을 늘리는 추세인데, 본 연구의 결과를 활용한다면 실시간 TN 예측에 대한 기초자료 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2016.05a
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• pp.72-72
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• 2016

최근 발생하고 있는 기후변화로 인하여 하천 및 저수지의 수질문제가 커지고 있다. 특히 여름철 부영양화로 인해 발생하는 녹조현상은 사회적인 문제로 과학적인 수질사고에 대한 예측과 관리가 필요한 실정이다. 수질예보는 정기적으로 하천 및 저수지의 수질을 예측하여 사용자에게 제공하는 분석기법으로 수질현황을 파악하고 수질을 관리하고 의사결정을 하는데 도움을 줄 수 있다. 수질예보에 사용되는 모형은 유역모형, 하천모형, 저수지모형이 있으며, 이중 하천 및 저수지에 주로 적용되고 있는 3차원 수리수질모형의 경우 격자의 개수가 많아 모의시간이 길어지게 되고 이로 인해 일일 수질 예보가 어렵게 된다. 3차원 수리수질모형의 모의속도를 개선하는 방법에는 하드웨어의 성능을 높이는 방법과 병렬화를 이용한 소프트웨어적인 방법이 있다. 이중 하드웨어의 성능을 높이는 방법은 컴퓨터의 사양을 높이는 방법으로 높은 비용이 소요된다. 하지만 병렬화 방법은 컴퓨팅 기술의 발전으로 멀티코어가 대중화가 된 최근에 코드의 적용만으로 모의속도를 향상시킬 수 있다. 본 연구에서 사용된 모형은 서호주대학에서 개발한 3차원 수리 수질모형인 ELCOM-CAEDYM 모형으로 적용된 병렬화 기법은 OpenMP(Open Multi-Processing)방법이다. 기존 직렬 컴퓨팅 방식으로 구성되어 한번에 한 개의 명령어 밖에 처리할 수 없었던 작업방법을 동시에 여러 개의 처리요소를 이용하여 명령을 실행할 수 있게 하는 방식이다. 하지만 CPU의 개수는 제한되어 있으며, Amdahl's law에 따르면 OpenMP방식의 병렬화시 속도개선효과는 95% 병렬화 프로그램에서 최대 CPU 개수의 제한이 없다면 20배 까지 속도향상이 가능하다고 하였다. 본 연구에서는 3차원 수리 수질예측 모형인 ELCOM-CAEDYM에 적용된 병렬화 기법을 적용하는데 있어 최적 CPU사용 개수를 파악 하고자 하였으며, 이를 통해 수질예보시스템을 운영하는데 가장 효율적인 방법을 찾아 적용하고자 하고자 한다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2023.05a
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• pp.150-150
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• 2023

기작기반의 역학적 모델과 자료기반의 딥러닝 모델은 수질예측에 다양하게 적용되고 있으나, 각각의 모델은 고유한 구조와 가정으로 인해 장·단점을 가지고 있다. 특히, 딥러닝 모델은 우수한 예측 성능에도 불구하고 훈련자료가 부족한 경우 오차와 과적합에 따른 분산(variance) 문제를 야기하며, 기작기반 모델과 달리 물리법칙이 결여된 예측 결과를 생산할 수 있다. 본 연구의 목적은 주요 상수원인 댐 저수지를 대상으로 수심별 수온과 탁도를 예측하기 위해 기작기반과 자료기반 모델의 장점을 융합한 PGDL(Process-Guided Deep Learninig) 모델을 개발하고, 물리적 법칙 만족도와 예측 성능을 평가하는데 있다. PGDL 모델 개발에 사용된 기작기반 및 자료기반 모델은 각각 CE-QUAL-W2와 순환 신경망 딥러닝 모델인 LSTM(Long Short-Term Memory) 모델이다. 각 모델은 2020년 1월부터 12월까지 소양강댐 댐 앞의 K-water 자동측정망 지점에서 실측한 수온과 탁도 자료를 이용하여 각각 보정하고 훈련하였다. 수온 및 탁도 예측을 위한 PGDL 모델의 주요 알고리즘은 LSTM 모델의 목적함수(또는 손실함수)에 실측값과 예측값의 오차항 이외에 역학적 모델의 에너지 및 질량 수지 항을 제약 조건에 추가하여 예측결과가 물리적 보존법칙을 만족하지 않는 경우 penalty를 부가하여 매개변수를 최적화시켰다. 또한, 자료 부족에 따른 LSTM 모델의 예측성능 저하 문제를 극복하기 위해 보정되지 않은 역학적 모델의 모의 결과를 모델의 훈련자료로 사용하는 pre-training 기법을 활용하여 실측자료 비율에 따른 모델의 예측성능을 평가하였다. 연구결과, PGDL 모델은 저수지 수온과 탁도 예측에 있어서 경계조건을 통한 에너지와 질량 변화와 저수지 내 수온 및 탁도 증감에 따른 공간적 에너지와 질량 변화의 일치도에 있어서 LSTM보다 우수하였다. 또한 역학적 모델 결과를 LSTM 모델의 훈련자료의 일부로 사용한 PGDL 모델은 적은 양의 실측자료를 사용하여도 CE-QUAL-W2와 LSTM 보다 우수한 예측 성능을 보였다. 연구결과는 다차원의 역학적 수리수질 모델과 자료기반 딥러닝 모델의 장점을 결합한 새로운 모델링 기술의 적용 가능성을 보여주며, 자료기반 모델의 훈련자료 부족에 따른 예측 성능 저하 문제를 극복하기 위해 역학적 모델이 유용하게 활용될 수 있음을 시사한다.