• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2020.06a
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• pp.18-18
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• 2020

금강하구와 같이 막힌 대형 하구는 근본적으로 복잡한 물리화학적 프로세스와 다양한 이해당사자간의 갈등 때문에 단편적인 접근으로는 관리의 한계가 있을 수밖에 없는 환경이다. 더욱이 하굿둑의 갑문을 열어 하구순환을 복원하는 해수유통 사업은 그 자체가 가지는 환경적 효용성의 확인과 기존 용수이용 체계의 전면적 변화와 관련된 상당한 비용이 요구된다는 면에서 특별한 논란이 되어왔다. 본 연구는 해수유통으로 인한 금강 하구해역의 수리, 수질, 퇴적 및 생태 등 다양한 환경적 변화를 집중적인 현장 조사 및 통합 모델링을 통해 정량적으로 예측하고 이를 지역 이해당사자 논의 체계인 금강하구해역정책협의회에 제공함으로써 해수유통과 연관된 이해당사자 간 갈등을 완화하고 과학적 자료에 근거한 정책결정을 지원하기 위해 수행되었다(과학-정책의 통합). 조사연구는 하굿둑 갑문 개방에 따른 다양한 시나리오별로 해수유통으로 인한 영향을 하구해역(하굿둑의 바다 쪽 해역)과 하구호(하굿둑의 하천 쪽 담수역)에 미치는 영향을 검토하였다(하천-하구호-연안해역의 공간적 통합). 시나리오는 하구해역정책협의회의 요구사항을 반영하여 개발되었고, 시나리오별 영향파악은 수리(조석 및 파랑 포함), 퇴적물 이동 및 수질은 Delft3D모델을, 유역으로부터의 유량 및 오염물질 부하량은 분포형 비점모델인 STREAM을, 김양식과 이매패류 생산량을 추정하는 생태모델은 통계기반의 포인트 모델을 통해 이루어졌다(수리-퇴적-수질-생태계 모델의 통합). 시나리오 분석결과, 상시 해수유통을 제외한 대부분의 하굿둑 부분 개방 시나리오에서는 하구해역에 미치는 영향이 제한적으로 나타나는 것으로 예측되었다. 이는 하굿둑 부분 개방에 따른 담수방류량 및 이에 대응하는 해수의 유동패턴이 현재와 크게 달라지지 않음을 반영한다. 반면 하구호에 대한 영향은 하구해역에 비해 하굿둑 갑문 운영시나리오에 따라 상대적으로 민감하게 변화되는 것으로 예측되었다. 갑문의 부분 개방을 통해 하구호의 수위를 현재 대비 5cm~50cm 변화시켰을 때 1psu 염분의 저층에서의 침투거리는 하굿둑 상류 6km~18km 정도로 예측되었고 갑문 개방에 의해 염분 침투 거리의 조절이 가능할 것으로 나타났다. 단, 사용된 통합모델은 수년간의 검보정 과정을 반복적으로 수행하여 예측의 정확도를 지속적으로 개선하였지만, 모델운영 자체의 불확실성을 고려할 때 실제 해수유통을 위해서는 시범개방을 통해 모델 예측의 결과를 확인할 필요가 있다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2020.06a
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• pp.213-213
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• 2020

최근 나타나는 지구온난화와 이상기후로 인해 가뭄과 홍수피해 같은 자연재해 발생 빈도가 높아졌고, 하천에서는 오염된 수질과 수생태계 복원 및 수변공간 조성, 수자원 관리 등의 목적으로 수질환경 개선사업이 진행되고 있다. 수질환경 측면에서 하천에서 발생하는 가장 큰 문제점으로는 녹조 즉, 남조류의 발생을 예로 들 수 있다. 본 연구에서는 최근 보 개방을 통하여 수질개선 효과가 나타나고 있는 금강을 대상으로 세종보, 공주보, 백제보 구간에 대하여 주요 수질인자에 대한 상관관계 분석을 수행하였다. 특히 남조류 세포수와 주요 하천 수질인자를 Pearson's correlation analysis를 이용하여 상관관계를 분석하였고, 보 위치별 남조류 세포수를 종속변수로 하고, 상관도가 높은 수질인자를 독립변수로 하는 다중회귀식을 도출하여 금강 내 주요 하천 수질인자의 농도에 따른 남조류 세포수 관계를 규명하고자 하였다. 분석기간은 2012년 1월부터 2019년 12월까지 보 건설 이후 시점으로 선정하였고, 월 평균 남조류 개체수가 조류경보제 발령기준 관심단계이상에 해당하는 금강수계의 3개 보에 대하여 남조류 세포수와 수질에 영향을 끼치는 인자인 강수량, (수온)W·T, (수소이온농도)pH, (용존산소)DO, (생물화학적산소요구량)BOD, (화학적산소요구량)COD, (부유물질량)SS, (총질소)TN, (총인)TP, (클로로필-a)Chl-a, (전기전도도)EC, (질산성질소)NO₃-N, (암모니아성 질소)NH₃-N, (인산염 인)PO₄-P, (용존총질소)DTN, (용존총인)DTP, (총유기탄소)TOC 와의 상관관계를 분석하였다. 분석 결과 측정 지점별 남조류 세포수와 상관관계가 있는 인자는 서로 상이했지만 (수온)W·T과 pH의 경우 모든 지점에서 남조류 세포수와 양의 상관관계가 나타났다. 세종보는 W·T(0.383, P<0.01), pH(0.391, P<0.05)의 양의 상관계수를 나타냈고, 공주보에서는 (수온)W·T(0.436, P<0.05), pH(0.412, P<0.05)의 양의 상관관계를 나타냈다. 백제보에서는 (수온)W·T(0.415, P<0.01), pH(0.221, P<0.01)의 양의 상관성을 나타냈다. 남조류 세포수와 수질인자 간의 상관관계 분석에 따라 통계적으로 유의한 인자 중 (수온)W·T과 pH에 영향을 받는 영양염류와 퇴적물에 대한 후속 연구가 필요할 것으로 사료되며, 연구를 통해 제시된 남조류 세포수 다중회귀식은 주요 수질인자 농도에 따라 발생 가능한 남조류세포수를 예측하여 금강의 수질 관리에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.246-246
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• 2021

본 연구는 강우 발생시 유량을 추정하는 것에 목적이 있다. 이를 위해 본 연구는 선행연구의 모형 개발방법론에서 벗어나 딥러닝 알고리즘 중 하나인 합성곱 신경망 (convolution neural network)과 수문학적 이미지 (hydrological image)를 이용하여 강우 발생시 유량을 추정하였다. 합성곱 신경망은 일반적으로 분류 문제 (classification)을 해결하기 위한 목적으로 개발되었기 때문에 불특정 연속변수인 유량을 모의하기에는 적합하지 않다. 이를 위해 본 연구에서는 합성곱 신경망의 완전 연결층 (Fully connected layer)를 개선하여 연속변수를 모의할 수 있도록 개선하였다. 대부분 합성곱 신경망은 RGB (red, green, blue) 사진 (photograph)을 이용하여 해당 사진이 나타내는 것을 예측하는 목적으로 사용하지만, 본 연구의 경우 일반 RGB 사진을 이용하여 유출량을 예측하는 것은 경험적 모형의 전제(독립변수와 종속변수의 관계)를 무너뜨리는 결과를 초래할 수 있다. 이를 위해 본 연구에서는 임의의 유역에 대해 2차원 공간에서 무차원의 수문학적 속성을 갖는 grid의 집합으로 정의되는 수문학적 이미지는 입력자료로 활용했다. 합성곱 신경망의 구조는 Convolution Layer와 Pulling Layer가 5회 반복하는 구조로 설정하고, 이후 Flatten Layer, 2개의 Dense Layer, 1개의 Batch Normalization Layer를 배열하고, 다시 1개의 Dense Layer가 이어지는 구조로 설계하였다. 마지막 Dense Layer의 활성화 함수는 분류모형에 이용되는 softmax 또는 sigmoid 함수를 대신하여 회귀모형에서 자주 사용되는 Linear 함수로 설정하였다. 이와 함께 각 층의 활성화 함수는 정규화 선형함수 (ReLu)를 이용하였으며, 모형의 학습 평가 및 검정을 판단하기 위해 MSE 및 MAE를 사용했다. 또한, 모형평가는 NSE와 RMSE를 이용하였다. 그 결과, 모형의 학습 평가에 대한 MSE는 11.629.8 m3/s에서 118.6 m3/s로, MAE는 25.4 m3/s에서 4.7 m3/s로 감소하였으며, 모형의 검정에 대한 MSE는 1,997.9 m3/s에서 527.9 m3/s로, MAE는 21.5 m3/s에서 9.4 m3/s로 감소한 것으로 나타났다. 또한, 모형평가를 위한 NSE는 0.7, RMSE는 27.0 m3/s로 나타나, 본 연구의 모형은 양호(moderate)한 것으로 판단하였다. 이에, 본 연구를 통해 제시된 방법론에 기반을 두어 CNN 모형 구조의 확장과 수문학적 이미지의 개선 또는 새로운 이미지 개발 등을 추진할 경우 모형의 예측 성능이 향상될 수 있는 여지가 있으며, 원격탐사 분야나, 위성 영상을 이용한 전 지구적 또는 광역 단위의 실시간 유량 모의 분야 등으로의 응용이 가능할 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.340-340
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• 2021

가뭄의 특성상 시점과 종점을 명확하게 정의하기 어렵기 때문에 기준수문량을 설정하고 부족량과 지속기간을 정의하는 것이 일반적이다. 대상 수문량은 강우나 유출량을 사용할 수 있지만, 두 성분간 지체와 감쇄효과로 인하여 빈도해석의 결과는 차이를 보일 수 밖에 없어, 사용 목적에 따라 선별적으로 적용해야 한다. 가뭄빈도해석은 강우를 기반으로 지속기간과 심도를 정의하여 빈도를 해석하는 연구가 선행되어왔지만, 기본적으로 강우의 간헐적 발생특성과 체감도의 한계가 문제로 지적되고 있다. 본 연구에서는 댐 유입량의 Run 시계열 특성을 이용하여 다양한 유황을 기준유량으로 활용하여 가뭄의 시점과 종점에 대한 가뭄사상을 추출하고 지속기간과 누적부족량을 계산하여 가뭄빈도해석의 변수로 설정하였다. 두 변수간의 복잡한 상호 관계를 해석하기 위해 Copula 함수를 이용한 이변량 가뭄빈도해석을 진행하였다. 먼저 소양강댐('74-'19) 유입량, 충주댐('86-'19) 유입량을 연구대상지역으로 설정하여, 두 유역의 유입량의 추세분석을 통해 시간의존성을 파악하였다. 유황분석에 사용되는 분위량중 평수량을 기준값으로 사용하여 각 년별 최대 지속기간과 누적부족량을 추출하였다. Copula 가뭄빈도해석을 수행하기 전에 지속기간에는 GEV, 누적 부족량에는 Log-normal 분포를 적용해 단변량 누적확률분포를 계산하여 재현기간을 도출하였다. 이변량 빈도해석에 Clayton Copula 함수를 적용하여 가뭄빈도해석을 진행하였고, Copula 이변량 재현기간과 SDF곡선을 도출하였다. Clayton Copula를 이용한 이변량 가뭄빈도해석의 결과로 소양강댐의 가장 극심한 가뭄은 1996년으로 단변량 재현기간은 지속기간 기준 9.11년, 누적부족량 기준 17.26년, Copula 재현기간은 141.19년 이며 충주댐의 가장 극심한 가뭄은 2014년으로 단변량 재현기간은 지속기간 기준 17.76년, 누적부족량 기준 18.72년, Copula 재현기간은 184.19년으로 단변량 가뭄빈도해석을 통한 재현기간보다 Copula 재현기간이 높은 결과가 도출되었다. Run 시계열을 바탕으로 한 기준유량의 임계값 기준 Event 산정과 Copula를 이용한 빈도해석은 가뭄분석에 이용되는 자료의 상관관계와 분포특성을 재현하는데 효과적인 특징이 있다. 이를 미루어 보아 Copula 함수를 이용한 가뭄빈도해석의 재현기간은 보다 현실적인 재현기간을 도출할 수 있는 것으로 판단된다. 임계값의 조정을 통해 가뭄빈도해석의 변수의 양이 늘어나면, 보다 정확도 높은 재현기간을 도출하여 수문학적 가뭄을 정의할 수 있을 것이라고 사료된다.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.29 no.5B
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• pp.429-439
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• 2009

When Catastrophic extreme flood occurs due to dam break, the response time for flood warning is much shorter than for natural floods. Numerical models can be powerful tools to predict behaviors in flood wave propagation and to provide the information about the flooded area, wave front arrival time and water depth and so on. But flood wave propagation due to dam break can be a process of difficult mathematical characterization since the flood wave includes discontinuous flow and dry bed propagation. Nevertheless, a lot of numerical models using finite volume method have been recently developed to simulate flood inundation due to dam break. As Finite volume methods are based on the integral form of the conservation equations, finite volume model can easily capture discontinuous flows and shock wave. In this study the numerical model using Riemann approximate solvers and finite volume method applied to the conservative form for two-dimensional shallow water equation was developed. The MUSCL scheme with surface gradient method for reconstruction of conservation variables in continuity and momentum equations is used in the predictor-corrector procedure and the scheme is second order accurate both in space and time. The developed finite volume model is applied to 2D partial dam break flows and dam break flows with triangular bump and validated by comparing numerical solution with laboratory measurements data and other researcher's data.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.28 no.2B
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• pp.225-236
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• 2008

The techniques to calculate the probability precipitation for the design of hydrological projects can be determined by the point frequency analysis and the regional frequency analysis. Probability precipitation usually calculated by point frequency analysis using rainfall data that is observed in rainfall observatory which is situated in the basin. Therefore, Probability precipitation through point frequency analysis need observed rainfall data for enough periods. But, lacking precipitation data can be calculated to wrong parameters. Consequently, the regional frequency analysis can supplement the lacking precipitation data. Therefore, the regional frequency analysis has weaknesses compared to point frequency analysis because of suppositions about probability distributions. In this paper, rainfall observatory in Korea did grouping by cluster analysis using position of timely precipitation observatory and characteristic time rainfall. Discordancy and heterogeneity measures verified the grouping precipitation observatory by the cluster analysis. So, there divided rainfall observatory in Korea to 6 areas, and the regional frequency analysis applies index-flood techniques and L-moment techniques. Also, the probability precipitation was calculated by the regional frequency analysis using variable kernel density function. At the results, the regional frequency analysis of the variable kernel function can utilize for decision difficulty of suitable probability distribution in other methods.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.29 no.5B
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• pp.419-427
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• 2009

In existing studies about benefit of water quality improvement using WTP, the object of survey is described pre-policy water quality as "current water quality" and improved (post-policy) water quality as "boatable, fishable and swimmable". Multiply WTP by the number of households of basin is total benefit. The existing studies are not benefit of a specific water resource business but benefit of a policy on unsubstantial water resource business. Because of a lack of objectivity and oversimplification, it is difficult for survey respondents to understand an object of survey. The purpose of this study is to evaluate a benefit estimation methodology for raw water quality improvement in water resource development business. After conducting a survey of WTP of 1,000 housewives who is using water service in the National Capital region, the relational expression of water quality improvement (BOD) and WTP is derived by using statistical analysis of the survey. As a case study, the stream water quality improvement benefit of Song Li Won multipurpose dam was evaluated, which is planned to be built at the local secondary stream section on Nae Sung stream in Nak-Dong River system. As a result of study, annual average benefit evaluation is 5,980 million won on the average annual planned discharge, 8,663 million won on the planned discharge during the period except for wet season (July to October), 11,905 million won on the planned discharge during water quality declining period and 14,502 million won on the planned discharge during water quality declining period respectively. By using the relational expression of BOD-WTP, it is easy to estimate the benefit without regard for water quality.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.28 no.6B
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• pp.697-707
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• 2008

The grid-based KIneMatic wave STOrm Runoff Model (KIMSTORM) by Kim (1998) predicts the temporal variation and spatial distribution of overland flow, subsurface flow and stream flow in a watershed. The model programmed with C++ language on Unix operating system adopts single flowpath algorithm for water balance simulation of flow at each grid element. In this study, we attempted to improve the model by converting the code into FORTRAN 90 on MS Windows operating system and named as ModKIMSTORM. The improved functions are the addition of GAML (Green-Ampt & Mein-Larson) infiltration model, control of paddy runoff rate by flow depth and Manning's roughness coefficient, addition of baseflow layer, treatment of both spatial and point rainfall data, development of the pre- and post-processor, and development of automatic model evaluation function using five evaluation criteria (Pearson's coefficient of determination, Nash and Sutcliffe model efficiency, the deviation of runoff volume, relative error of the peak runoff rate, and absolute error of the time to peak runoff). The modified model adopts Shell Sort algorithm to enhance the computational performance. Input data formats are accepted as raster and MS Excel, and model outputs viz. soil moisture, discharge, flow depth and velocity are generated as BSQ, ASCII grid, binary grid and raster formats.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.29 no.6B
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• pp.551-560
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• 2009

This paper describes a newly developed pollutant transport model named ARPTM which was designed to simulate the transport and characteristics of pollutant materials after an accidental spill in upstream of river system up to a given position in the downstream. In particular, the ARPTM incorporated ADCP data to compute longitudinal dispersion coefficient and advection velocity which are necessary to apply one-dimensional advection-dispersion equation. ARPTM was built on top of the geographic information system platforms to take advantage of the technology's capabilities to track geo-referenced processes and visualize the simulated results in conjunction with associated geographic layers such as digital maps. The ARPTM computes travel distance, time, and concentration of the pollutant cloud in the given flow path from the river network, after quickly finding path between the spill of the pollutant material and any concerned points in the downstream. ARPTM is closely connected with a recently developed GIS-based Arc River database that stores inputs and outputs of ARPTM. ARPTM thereby assembles measurements, modeling, and cyberinfrastructure components to create a useful cyber-tool for determining and visualizing the dynamics of the clouds of pollutants while dispersing in space and time. ARPTM is expected to be potentially used for building warning system for the transport of pollutant materials in a large basin.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.29 no.3B
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• pp.221-230
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• 2009

In Korea, many water intake plants are easily affected by effluents of sewage treatment plants because sewage treatment plants are usually located upstream or nearby the plants of the same riverine area. Furthermore, the inflow of harmful contaminants owing to pollutant spills or transportation accidents of vehicles using the roads and bridges intersecting the river causes significant impact on the management of water intake plants. Paldang lake, the main water intake plants in Korea, is especially exposed to various water pollution accidents, because the drainage basin area is significantly large compared to the water surface area of the lake. Therefore it is necessary to predict the possible pollutant spill in advance and consider measurements in case of water pollution. In this study, water quality prediction was performed in Paldang Lake in Korea durig the dry season using two-dimensional numerical models. In order to represent the cases of pollutant accidents, the difference of pollutant transport patterns with varying injection points was analyzed. Numerical simulations for hydrodynamics of water flow and water quality predictions were performed using RMA-2 and RAM4 respectively. As a result of simulation, the difference of pollutant transport with the injection points was analyzed. As a countermeasure against the pollutant accident, the augmentation of the flow rate is proposed. In comparison with the present state, the rapid dilution and flushing effects on the pollutant cloud could be expected with increase of flow rate. Thus, increase of flow rate can be used for operation of water intake plants in case of pollutant spill accidents.