• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.88-88
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• 2021

최근 수자원과 수질관리 분야에 자료기반 머신러닝 모델과 딥러닝 모델의 활용이 급증하고 있다. 그러나 딥러닝 모델은 Blackbox 모델의 특성상 고전적인 질량, 운동량, 에너지 보존법칙을 고려하지 않고, 데이터에 내재된 패턴과 관계를 해석하기 때문에 물리적 법칙을 만족하지 않는 예측결과를 가져올 수 있다. 또한, 딥러닝 모델의 예측 성능은 학습데이터의 양과 변수 선정에 크게 영향을 받는 모델이기 때문에 양질의 데이터가 제공되지 않으면 모델의 bias와 variation이 클 수 있으며 정확도 높은 예측이 어렵다. 최근 이러한 자료기반 모델링 방법의 단점을 보완하기 위해 프로세스 기반 수치모델과 딥러닝 모델을 결합하여 두 모델링 방법의 장점을 활용하는 연구가 활발히 진행되고 있다(Read et al., 2019). Process-Guided Deep Learning (PGDL) 방법은 물리적 법칙을 반영하여 딥러닝 모델을 훈련시킴으로써 순수한 딥러닝 모델의 물리적 법칙 결여성 문제를 해결할 수 있는 대안으로 활용되고 있다. PGDL 모델은 딥러닝 모델에 물리적인 법칙을 해석할 수 있는 추가변수를 도입하며, 딥러닝 모델의 매개변수 최적화 과정에서 Cost 함수에 물리적 법칙을 위반하는 경우 Penalty를 추가하는 알고리즘을 도입하여 물리적 보존법칙을 만족하도록 모델을 훈련시킨다. 본 연구의 목적은 대청호의 수심별 수온을 예측하기 위해 역학적 모델과 딥러닝 모델을 융합한 PGDL 모델을 개발하고 적용성을 평가하는데 있다. 역학적 모델은 2차원 횡방향 평균 수리·수질 모델인 CE-QUAL-W2을 사용하였으며, 대청호를 대상으로 2017년부터 2018년까지 총 2년간 수온과 에너지 수지를 모의하였다. 기상(기온, 이슬점온도, 풍향, 풍속, 운량), 수문(저수위, 유입·유출 유량), 수온자료를 수집하여 CE-QUAL-W2 모델을 구축하고 보정하였으며, 모델은 저수위 변화, 수온의 수심별 시계열 변동 특성을 적절하게 재현하였다. 또한, 동일기간 대청호 수심별 수온 예측을 위한 순환 신경망 모델인 LSTM(Long Short-Term Memory)을 개발하였으며, 종속변수는 수온계 체인을 통해 수집한 수심별 고빈도 수온 자료를 사용하고 독립 변수는 기온, 풍속, 상대습도, 강수량, 단파복사에너지, 장파복사에너지를 사용하였다. LSTM 모델의 매개변수 최적화는 지도학습을 통해 예측값과 실측값의 RMSE가 최소화 되로록 훈련하였다. PGDL 모델은 동일 기간 LSTM 모델과 동일 입력 자료를 사용하여 구축하였으며, 역학적 모델에서 얻은 에너지 수지를 만족하지 않는 경우 Cost Function에 Penalty를 추가하여 물리적 보존법칙을 만족하도록 훈련하고 수심별 수온 예측결과를 비교·분석하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2018.05a
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• pp.41-41
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• 2018

하천과 저수지의 수질을 예측하고 관리하는데 수리 수질예측모형이 널리 활용되고 있다. 수질예측모형은 유역이나 수체 내의 오염물질 이동경로나 농도를 수치해석 방법으로 계산하여 사용자가 필요로 하는 지점과 시점에서의 수질자료 생산하는데 활용되고 있다. 수질예측모형은 검 보정을 통해 정확도를 확보하며, 정확도의 확보를 위해서는 높은 수준의 전문성을 필요로 한다. 특히 시행착오법으로 모형을 보정하는 경우 많은 시간과 노력을 필요로 하게 되며, 보정계수를 과대 혹은 과소로 모형에 적용하는 오류를 범하기 쉽고 모델러의 주관이 관여되기 쉽다. 그래서 본 연구에서는 CE-QUAL-W2모형의 조류항목에 대한 모형 보정을 위하여 Chl-a와 남조류세포수에서 주로 활용되고 있는 보정계수에 대한 민감도 분석 결과를 토대로 매개변수별 모의결과 변화율을 산정하였으며, 시기적 경향성을 재현하기 위해 Ensemble-Bagging 기법과 머신 러닝 기법을 적용하여 모형 구동횟수를 최소화 할 수 있는 방법으로 구성하였다. Chl-a를 보정하기 위한 매개변수는 9개를 선정하였으며, 규조류, 남조류, 녹조류에 총 27개 매개 변수를 민감도 분석으로 도출 한 후 예상 변화율 대비 이벤트별 모의치와 실측치 간 %difference가 유사하도록 매개변수를 조정하였다. 또한 각 이벤트 조합의 매개변수 빈도수와 매개변수별 예상변화율, 시기적 조류특성을 고려하여 가중치를 도출하였으며, 1회 보정에 맞춰 Chl-a 모델 실행결과를 %difference로 평가한 후 "good"등급을 만족할 때까지 반복 적용하였다. 남조류세포수의 경우 Chl-a에 맞춰 매개변수 최적화 이후 남조류세포수 농도를 세포수로 환산하기 위한 CACEL에 대해 머신러닝 기법을 적용하였으며, CACEL 추정변화율 회귀식에 따라 평가 한 후 %difference "good"등급 이상을 만족할 때까지 반복 수행하는 방법을 적용하였다. 본 연구에서는 수질예측모형의 정확도를 확보하기 위하여 최적화 기법을 적용하였으며, 이를 통해 모형을 보정하는 과정에서 요구되는 시간과 노력을 줄일 수 있도록 하였으며, Ensemble기법과 머신러닝 기법을 적용하여 모형보정계수 적용에 객관성을 확보할 수 있도록 하였다.

• Journal of Korean Society on Water Environment
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• v.25 no.1
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• pp.48-57
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• 2009

A two-dimensional (2D), laterally-averaged hydrodynamic and water quality model, CE-QUAL-W2 was applied to evaluate the performance on simulating the effect of flushing from Daecheong Reservoir on the downstream water quality variations during the flushing events held on November, 2003 and March, 2008. The hydraulic and water quality simulation results were compared with field measurement data, as well as a one-dimensional (1D), unsteady model (KORIV1) that revealed limited capability in the previous study due to missing the resuspension process of river bottom sediments. The results showed that although the 2D model made satisfactory performance in reproducing the temporal variations of dissolved matters including phosphate, ammonia and nitrate, it revealed poor performance in simulating the increase of biological oxygen demand and suspended sediment (SS) concentrations during the passage of the flushing flow. The reason of the error was that the resuspension process of the 2D model is only the function of shear stress induced by wind. In reality, however, as shown by significant correlation between bottom shear stress ($\tau$) and observed SS concentration, the resuspension process can be significantly influenced by current velocity in the riverine system, especially during flushing event. The results indicate that the resuspension of river bottom materials should be incorporated into the water quality modeling processes if $\tau$ is greater than a critical shear stress (${\tau}_c$) for better simulation of flushing effect.

• Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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• v.38 no.3
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• pp.117-127
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• 2016

In this study, analyzed scenarios of the environmental instream flow for water quality improvement in Saemangeum watershed. In order to get an environmental instream flow, Methodology is selected for Retention-Basin, reservoir expansion, new dam construction, Modification of water intake and drainage system, Rearrangement of plan for system which Yongdam and Seomjin river dam have been used water supply. The study composed of diverse scenario of Environmental instream flow increasement and analyzed the effect of improving the water quality by the QUAL2K model and calculation of runoff for saemangeum watershed by SWAT model. The following water quality indicators have been simulated in irrigation and non-irrigation period for BOD and T-P. When scenarios applied to water quality model, Improvement rate in the water quality for Total Maximum Daily loads of Mankyung B unit watershed during irrigation and non-irrigation period is BOD (28.70%), T-P (17.09%) and BOD (28.51%), T-P (28.68%) respectively. Dongjin A unit watershed during irrigation and non-irrigation period is BOD (14.39%), T-P (14.59%) and BOD (15.54%), T-P (19.46%) similary. Simulation results is to quantify the constribution of the improvement in the water quality. In particular, It was demonstrative that improving effect for water quality was evaluated to be great in non-irrigation period.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2016.05a
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• pp.497-497
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• 2016

페루의 Rimac강은 수도인 Rima시를 관통하는 강으로 각종 용수공급 등의 기능을 담당하는 중요한 강이지만 광산, 공장 및 도시 등 점?비점오염원으로 인해 오염이 심각해지고 있는 실정이다. 본 연구에서는 Rimac강의 하천복원을 위하여 3단계 수질개선 목표를 설정하고 각 단계별 BOD, TP 및 중금속(Al, As, Cd, Fe) 예측을 수행함으로써 목표달성 가능 평가를 수행하였다. Rimac강 지류인 Rio Santa Eulalia 하천 유입후부터 하구까지 총 57 km를 대상으로 4개의 대구간(Reach), 57개의 소구간(Element)으로 구분하여 QUAL2E 모델을 구축하였다. 2013년을 대상으로 저유량시기(건기)인 12월과 고유량시기(우기)인 1월을 대상으로 BOD, TP, Al, As, Cd, Fe의 모델 재현성을 검토한 결과, Rimac강 하류의 Huaycoloro강 유입이후 BOD, TP가 증가하는 현상을 적절히 재현하는 것으로 나타났다. 중금속은 Romac강 상류와 하류 Huaycoloro강 유입 수질 농도차이가 크지 않아 거리별로 일정한 농도를 나타내는 것으로 모의되었으나 실측정값은 하구로 갈수록 낮아지는 경향이 다소 나타났지만 대체적으로 실측값의 경향을 따르는 것으로 모의되었다. 수질개선 시나리오는 1단계(2016-2018년), 2단계(2019-2021년) 및 최종 3단계(2022-2024년)로 구분하여 저유량시기와 고유량시기의 수질개선 대책에 따른 수질변화를 예측하여 Rimac강 하류의 대표 지점인 La Atargea 취수장 지점에서 목표수질 달성여부를 평가하였다. 저유량시기의 경우, BOD는 1단계 이후 5.9 mg/L에서 목표수질 5.0 mg/L 이하로 농도가 감소되었으며 최종 3단계에 2.2 mg/L로 63.3% 개선하는 것으로 예측되었다. TP는 1단계 25.8% 개선, 3단계는 51.6% 개선되어 목표수질인 0.15 mg/L를 만족하는 것으로 예측되었다. 중금속의 경우 Cd는 당초 수질목표를 만족시키는 상황이었으며 그 외 항목은 Al>As>Fe 순으로 개선효과가 나타났고, 3단계 이후 모두 목표수질을 달성할 것으로 예측되었다. 고유량시기 수질예측 결과, 1단계 BOD, TP는 약 49, 19% 저감효과가 나타났으며 3단계 이후 57, 25%까지 개선되는 것으로 예측되어 목표수질을 만족시키는 것으로 분석되었다. 중금속은 Al이 가장 큰 개선 효과가 나타났으며 3단계에서 77.5%의 개선 효과가 분석되었다. 페루 리막강 유역 수질개선 대책 수립에 따른 수질개선효과 분석 결과, 3단계까지 모든 수질항목의 목표수질 달성이 가능한 것으로 분석되었으나 TP, Al 및 As의 경우에 2단계까지 목표수질 달성이 어려워 더욱 체계적인 관리가 필요할 것으로 판단되었다.

• Journal of Environmental Impact Assessment
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• v.18 no.4
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• pp.229-234
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• 2009

A lot of research on the application of GIS has been conducted in the field of water quality management. The function of a geometric data acquisition for reservoir and river models, however, is not enough to satisfy multiuser' convenience. CE-QUAL-W2 is a two-dimensional(2D) longitudinal/vertical hydrodynamic and water quality model for surface water bodies, modeling eutrophication processes such as temperature-nutrient-algae and sediment relationships. The purpose of this study is to analyzing which bathymetry information affects hydraulic results. There are consisted of three scenarios under consideration. The first scenario takes into account only tribatary type data such as Heoin and Okchen river. The second scenario, Heoin river constructs to tributary and Okchen river constructs by branch. Last scenario constructs Heoin and Okchen river by branch. The RMSE error results for the first, second and third scenarios are 0.61, 0.36 and 0.28 respectively.

• Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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• v.18 no.1
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• pp.43-52
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• 2006

Numerical model tests are done in order to evaluate impact zone of low salinity water on outer region of the developing Saemankeum reservoir. Also saline mixing processes are investigated f3r the inner reservoir with consideration of Mankyoung and Donjin riverine flood discharges when sea water is passing freely through gate. In these analyses 2-d ADCIRC, 3-d TIDED3D and CE-QUAL-ICM models are used. Through models tests, it is found that inner reservoir mixing process caused by inflow of outer sea water occurs gradually. It takes at least one month for complete mixing on Mankyoung part and 6 month on Dongjin part of the reservoir. When Sinsi or Garyeok gates are opened to control inner reservoir level, discharging velocities decrease exponentially from the gates, but show very strong currents of 0.5m/sec to the 10Km region apart. These results imply that hydrodynamic circulation and ecosystem of frontal region of the Saemankeum dike might be affected in amount by gate operations, since low saline inner waters are discharged periodically at ebb tide according to tidal level.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.46 no.12
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• pp.1181-1191
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• 2013

This study have implemented finding the optimal water temperature parameter set for Hapcheon dam reservoir using CE-QUAL-W2 model. In particular the sensitivity analysis was carried out for four water temperature parameters of wind sheltering coefficient (WSC), radiation heat coefficient (BETA), light extinction coefficient (EXH2O), heat exchange coefficient at the channel bed (CBHE). Firstly, WSC, BETA, EXH2O shows relatively high sensitivity in common during April to September, and CBHE does during August to November. Secondly, as a result of identifying depth range of parameter influence, BETA and EXH2O show 0~9 m and 8~14 m which is thermocline layer close to water surface, CBHE is deep layer 12 m away from bottom. Finally, applying annual or monthly optimal parameter sets indicates that the bias between two sets does not show much differences for WSC and CBHE parameters, but BETA and EXH2O parameters show $0.20^{\circ}C$ and $0.51^{\circ}C$ of monthly average biases for two parameter sets. In particular the bias reveals to be $0.4^{\circ}C$ and $1.09^{\circ}C$ during May and August that confirms the necessity of use of monthly parameters during that season. It is claimed that the current operational custom use of annual parameters in calibration of reservoir water quality model requires the improvement of using monthly parameters.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2017.05a
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• pp.102-102
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• 2017

갈수시 하천의 수질문제는 다양한 요인에 의해 발생하고 제어된다. 수질 그 자체는 상류나 지류의 점오염원과 비점오염원의 증가 또는 예상치 못한 추가적인 오염원의 유출에 직접 영향을 받으며, 조류 등의 발생도 영향인자인 수온 및 일사량 또는 바람에 의존적이다. 최근 수년간은 특히 빈번한 가뭄조건의 발생으로 인하여 갈수기의 강우 및 유출량이 저조하여 상대적으로 하천의 조류발생이 다수 발견되고 보고된 바 있다. 이와 같은 수질의 이상상태를 일시적으로라도 제어하기 위한 방편으로 유량의 증가, 인위적인 하천 수위의 변동 및 유속 변동 등이 고려될 수 있으며, 이를 위해서는 상류의 댐과 하천의 다기능보 등의 조절을 탄력적으로 수행하여야 한다. 이와 같은 시설물 운영효과는 수질문제의 원인을 근본적으로 해결하는 것은 아니지만, 이의 일시적인 효과를 극대화하기 위해서는 기존의 수리 수질 모델링이 이상 수질 발생시의 방제 및 사후분석 등을 중심으로 이루어진 부분을 넘어서, 사전 설정된 조건에 의한 예측모의와 가이드라인의 연계방식이 효과적일 것이다. 본 연구는 수질 이상이 빈번히 발생되었던 낙동강의 칠곡 하류 하천을 중심으로 2차원 CE-QUAL-W2 모형과 EFDC모형을 병행 모의하여 다기능보 인근의 표층과 저층의 수온(밀도) 성층화 및 이의 해소와 관련된 수리모의 및 수질인자에 대한 영향을 분석하였다. 수리모형 구축의 적정성은 현장의 실측 수온과 모의결과 비교를 통해 확인하였으며, 구축된 수리 수질 모델을 이용하여 추가방류량 3~23백만$m^3$ 규모에서 발생하는 수리적인 수층혼합 현상과 일시적으로 저감가능한 수질개선 효과가 의미있는 수준으로 나타날 수 있음을 예측하였다. 또한, 다기능보의 수문방류 모의시에 개방조건을 0.3~3.5m로 달리하여 방류기간 중 총방류량이 유사하더라도 최대방류량 또는 유속이 충분치 않은 경우에는 혼합효과가 급격히 감소함을 알 수 있었다. 연구에서 밝혀진 조건들을 향후 보다 효과적으로 수치모의하기 위한 방안으로서 EFDC모형의 내부경계조건을 다기능보의 문비조건(RSG, Lift 등)에 맞게 조정하는 방법을 제안하고 그 적용성을 검토한 뒤 모형을 부분 수정하여 제시하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.487-487
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• 2021

탁수는 유기물 또는 무기물이 유입되면서 빛의 투과성이 낮아진 수체를 의미한다. 탁수가 발생하게 되면 어류의 폐사, 정수처리 비용의 증가 및 경관의 변화로 인한 피해가 발생하게 된다. 국내에서는 홍수기 또는 태풍 시 유역의 토사가 저수지 상류에서 유입하여 호내의 탁수를 발생시키는 경우가 있는데, 특히 낙동강 유역의 임하호에서 빈번하게 고탁수가 발생하여 왔다. 본 연구에서는 임하호에서 탁수 발생 시 신속 배제를 위한 수치적인 예측 시스템을 소개하고자 한다. 저수지 탁수관리의 기본개념은 용수공급능력을 고려한 고탁수의 신속한 배제이다. 이는 선제적 의사결정을 요구하므로, 지류에서 탁수가 발생한 즉시 향후 상황에 대한 예측이 필요하다. 이러한 예측을 위해 유역관리처는 3단계의 수치해석을 수행한다. 첫 번째는 유역 상류에서 탁수가 감지되었을 때, 호 내 탁수의 분포를 예측하는 것이다. 수심 및 수평방향의 탁수 분포에 대한 상세한 결과가 도출되어야 하기에, 3차원 수치해석 프로그램인 AEM3D를 이용한다. 이때, 과거 고탁수 유입에 대한 자료를 기반으로 산정된 매개변수가 적용된다. 두 번째는 예측된 호내 분포를 초기조건으로 댐 방류량 및 취수탑 위치(선택배제)에 따른 탁수 배제 수치해석을 수행하게 된다. 다양하고 많은 case에 대한 신속한 모의 및 3달 이상의 장기간 예측을 요구하므로, 2차원 수치모델인 CE-QUAL-W2를 활용한다. 이 단계에서 수자원의 안정적 공급이 가능한 범위 내에서 효과적인 탁수 배제 방류 방법 등이 결정되며, 방류 탁도가 예측된다. 세 번째 단계는 방류탁도를 경계조건으로 하여 하류 하천(반변천~내성천 합류 전)의 탁도를 예측하는 것이다. 하천의 탁도 예측은 국내뿐만 아니라 국외에서도 그 사례를 찾아보기가 쉽지 않은데, 이는 중소형의 지류에 대한 입력자료가 충분하지 않고 불확실성이 높기 때문이다. 이에 과거 10여 년의 data를 이용한 회귀분석을 통해 탁수 발생물질(SS)-부유사-유량과의 관계를 도출하고, 2차원 하천모델(EFDC)을 이용하여 수심 평균 탁도를 예측하게 된다. 이러한 세 단계의 예측은 탁수가 호내로 유입됨에 따라 반복되고, 점차 예측 정확도가 향상되게 된다. 세 단계의 과정을 통한 임하호 탁수의 조기 배제는 현재 적지 않은 효과를 거두고 있다고 판단된다. 그러나 탁수를 발생시키는 현탁물질의 종류는 매번 일정하지 않기 때문에, 이러한 예측 시스템에 정확도에 영향을 줄 수 있으므로, 여러 상황을 고려한 딥러닝을 도입하여 탁수 물질에 대한 정보를 예측한다면 보다 합리적인 의사결정 지원 도구가 될 수 있을 것이다.