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유역정보 기반 Transformer및 LSTM을 활용한 다목적댐 일 단위 유입량 예측 (Prediction of multipurpose dam inflow utilizing catchment attributes with LSTM and transformer models)

  • 김형주;송영훈;정은성
    • 한국수자원학회논문집
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    • 제57권7호
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    • pp.437-449
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    • 2024
  • 딥러닝을 활용하여 유역 특성을 반영한 유량 예측 및 비교 연구가 주목받고 있다. 본 연구는 셀프 어텐션 메커니즘을 통해 대용량 데이터 훈련에 적합한 Transformer와 인코더-디코더(Encoder-Decoder) 구조를 가지는 LSTM-based multi-state-vector sequence-to-sequence (LSTM-MSV-S2S) 모형을 선정하여 유역정보(catchment attributes)를 고려할 수 있는 모형을 구축하였고 이를 토대로 국내 10개 다목적댐 유역의 유입량을 예측하였다. 본 연구에서 설계한 실험 구성은 단일유역-단일훈련(Single-basin Training, ST), 다수유역-단일훈련(Pretraining, PT), 사전학습-파인튜닝(Pretraining-Finetuning, PT-FT)의 세 가지 훈련 방법을 사용하였다. 모형의 입력 자료는 선정된 10가지 유역정보와 함께 기상 자료를 사용하였으며, 훈련 방법에 따른 유입량 예측 성능을 비교하였다. 그 결과, Transformer 모형은 PT와 PT-FT 방법에서 LSTM-MSV-S2S보다 우수한 성능을 보였으며, 특히 PT-FT 기법 적용 시 가장 높은 성능을 나타냈다. LSTM-MSV-S2S는 ST 방법에서는 Transformer보다 높은 성능을 보였으나, PT 및 PT-FT 방법에서는 낮은 성능을 보였다. 또한, 임베딩 레이어 활성화 값과 원본 유역정보를 군집화하여 모형의 유역 간 유사성 학습 여부를 분석하였다. Transformer는 활성화 벡터가 유사한 유역들에서 성능이 향상되었으며, 이는 사전에 학습된 다른 유역의 정보를 활용해 성능이 개선됨을 입증하였다. 본 연구는 다목적댐별 적합한 모형 및 훈련 방법을 비교하고, 국내 유역에 PT 및 PT-FT 방법을 적용한 딥러닝 모형 구축의 필요성을 제시하였다. 또한, PT 및 PT-FT 방법 적용 시 Transformer가 LSTM-MSV-S2S보다 성능이 더 우수하였다.

저토심 경사지붕과 평지붕 녹화모듈의 저류 및 증발산 특성 (The Characteristics of Retention and Evapotranspiration in the Extensive Greening Module of Sloped and Flat Rooftops)

  • 류남형;이춘석
    • 한국조경학회지
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    • 제41권6호
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    • pp.107-116
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    • 2013
  • 본 연구는 저토심 옥상녹화모듈의 빗물유출 및 도시열섬 저감효과를 정량적으로 평가하기 위해, 저토심 경사 평지붕 녹화모듈의 저류 및 증발산 특성을 규명한 것이다. 이를 위해 기린초를 식재한 라이시미터(깊이 100mm)를 4방향(동, 서, 남, 북)의 50% 경사 지붕과 평지붕 위에 구축하였다. 그리고 저토심 경사지붕 및 평지붕 녹화모듈을 대상으로 연간 수분보유량 및 저류량과 증발산량 그리고 옥상과 평지붕 녹화모듈의 표면온도를 2012년 9월 1일부터 2013년 8월 31일까지 1년간 연속적으로 측정하였다. 측정된 자료를 근거로 분석한 녹화모듈의 저류 및 증발산 특성은 다음과 같다. 경사지붕 녹화모듈의 수분보유량은 눈이 오는 겨울철을 제외하면 강우 직후 8.7~28.4mm까지 상승하였으며, 무강우 지속 시 3.3mm까지 저하하는 것으로 나타났다. 경사지붕 녹화모듈은 최대 22.2mm까지 강우를 저류했던 것으로 나타났다. 녹화모듈의 강우량 대비 강우 저류율 예측식은 경사지붕의 경우 [강우 저류율(%)=-18.37 ln(강우량(mm))+107.75, $R^2$=0.79], 평지붕의 경우 [강우 저류율(%)=-22.64 ln강우량(mm))+130.8, $R^2$=0.81]였다. 경사지붕 녹화모듈의 증발산량은 강우 후 경과일수에 따라 급격히 감소하였으며, 봄철과 가을철에는 로그함수형으로, 여름철에는 거듭제곱함수형으로 감소하였다. 그리고 경사지붕 녹화모듈의 강우 후 일증발산량은 여름 > 봄 > 가을 > 겨울 순으로 높게 나타났다. 이는 일사량 및 기온의 차이에 의한 것으로 사료된다. 녹화모듈의 증발산량은 강우 후 3~5일간 2~7mm/day에서부터 1mm/day 미만으로 급격히 감소하였으며, 이후 완만하게 감소하였다. 이는 녹화모듈에 식재된 기린초는 수분이 충분할 경우에는 수분을 급격히 소비하고, 수분이 부족할 때는 수분을 보존한다는 것을 시사한다. 여름철 알베도는 옥상면이 0.151, 옥상녹화면이 0.137 그리고 겨울철 알베도는 옥상면이 0.165, 옥상녹화면이 0.165로 나타나, 옥상면과 옥상녹화면의 알베도에는 큰 차이가 없었다. 여름철 녹화에 의한 표면온도의 저감효과는 일평균표면온도가 $1.6{\sim}13.8^{\circ}C$(평균 $9.7^{\circ}C$), 일최고표면온도가 $6.2{\sim}17.6^{\circ}C$(평균 $11.2^{\circ}C$)로 나타났다. 겨울철 녹화에 의한 온도 차이는 일평균 표면온도가 $-2.4{\sim}1.3^{\circ}C$(평균 $-0.4^{\circ}C$), 일최고표면온도가 $-4.2{\sim}2.6^{\circ}C$(평균 $0.0^{\circ}C$)로 크게 나타나지 않았다. 증발산량이 증가함에 따라 녹화에 의한 저감온도가 선형함수형으로 커지는 것으로 나타났으며, 증발산량에 따른 저감온도의 예측식은 [저감온도($^{\circ}C$)=$1.4361{\times}$증발산량(mm)+8.83, $R^2$=0.59]였다. 무강우 지속 시 녹화에 의한 표면온도 저감은 세덤 수관에 의한 차양효과에 의한 것으로 판단되었다. 본 연구 결과, 녹화모듈에 의한 저토심 옥상녹화는 저류와 증발산 작용에 의해 빗물 유출 및 도시열섬 관리에 긍정적인 효과를 준다는 것을 규명하였다. 또한 기린초는 무관수 저토심 옥상녹화용 수종으로 이상적 식물재료이며, 장기적인 도시열섬 완화라는 측면에서는 기린초의 증발산효과뿐 아니라 차양효과를 고려해야 한다는 것을 제시하였다.

단위유량도와 비수갑문 단면 및 방조제 축조곡선 결정을 위한 조속계산 (Calculation of Unit Hydrograph from Discharge Curve, Determination of Sluice Dimension and Tidal Computation for Determination of the Closure curve)

  • 최귀열
    • 한국농공학회지
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    • 제7권1호
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    • pp.861-876
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    • 1965
  • During my stay in the Netherlands, I have studied the following, primarily in relation to the Mokpo Yong-san project which had been studied by the NEDECO for a feasibility report. 1. Unit hydrograph at Naju There are many ways to make unit hydrograph, but I want explain here to make unit hydrograph from the- actual run of curve at Naju. A discharge curve made from one rain storm depends on rainfall intensity per houre After finriing hydrograph every two hours, we will get two-hour unit hydrograph to devide each ordinate of the two-hour hydrograph by the rainfall intensity. I have used one storm from June 24 to June 26, 1963, recording a rainfall intensity of average 9. 4 mm per hour for 12 hours. If several rain gage stations had already been established in the catchment area. above Naju prior to this storm, I could have gathered accurate data on rainfall intensity throughout the catchment area. As it was, I used I the automatic rain gage record of the Mokpo I moteorological station to determine the rainfall lntensity. In order. to develop the unit ~Ydrograph at Naju, I subtracted the basic flow from the total runoff flow. I also tried to keed the difference between the calculated discharge amount and the measured discharge less than 1O~ The discharge period. of an unit graph depends on the length of the catchment area. 2. Determination of sluice dimension Acoording to principles of design presently used in our country, a one-day storm with a frequency of 20 years must be discharged in 8 hours. These design criteria are not adequate, and several dams have washed out in the past years. The design of the spillway and sluice dimensions must be based on the maximun peak discharge flowing into the reservoir to avoid crop and structure damages. The total flow into the reservoir is the summation of flow described by the Mokpo hydrograph, the basic flow from all the catchment areas and the rainfall on the reservoir area. To calculate the amount of water discharged through the sluiceCper half hour), the average head during that interval must be known. This can be calculated from the known water level outside the sluiceCdetermined by the tide) and from an estimated water level inside the reservoir at the end of each time interval. The total amount of water discharged through the sluice can be calculated from this average head, the time interval and the cross-sectional area of' the sluice. From the inflow into the .reservoir and the outflow through the sluice gates I calculated the change in the volume of water stored in the reservoir at half-hour intervals. From the stored volume of water and the known storage capacity of the reservoir, I was able to calculate the water level in the reservoir. The Calculated water level in the reservoir must be the same as the estimated water level. Mean stand tide will be adequate to use for determining the sluice dimension because spring tide is worse case and neap tide is best condition for the I result of the calculatio 3. Tidal computation for determination of the closure curve. During the construction of a dam, whether by building up of a succession of horizontael layers or by building in from both sides, the velocity of the water flowinii through the closing gapwill increase, because of the gradual decrease in the cross sectional area of the gap. 1 calculated the . velocities in the closing gap during flood and ebb for the first mentioned method of construction until the cross-sectional area has been reduced to about 25% of the original area, the change in tidal movement within the reservoir being negligible. Up to that point, the increase of the velocity is more or less hyperbolic. During the closing of the last 25 % of the gap, less water can flow out of the reservoir. This causes a rise of the mean water level of the reservoir. The difference in hydraulic head is then no longer negligible and must be taken into account. When, during the course of construction. the submerged weir become a free weir the critical flow occurs. The critical flow is that point, during either ebb or flood, at which the velocity reaches a maximum. When the dam is raised further. the velocity decreases because of the decrease\ulcorner in the height of the water above the weir. The calculation of the currents and velocities for a stage in the closure of the final gap is done in the following manner; Using an average tide with a neglible daily quantity, I estimated the water level on the pustream side of. the dam (inner water level). I determined the current through the gap for each hour by multiplying the storage area by the increment of the rise in water level. The velocity at a given moment can be determined from the calcalated current in m3/sec, and the cross-sectional area at that moment. At the same time from the difference between inner water level and tidal level (outer water level) the velocity can be calculated with the formula $h= \frac{V^2}{2g}$ and must be equal to the velocity detertnined from the current. If there is a difference in velocity, a new estimate of the inner water level must be made and entire procedure should be repeated. When the higher water level is equal to or more than 2/3 times the difference between the lower water level and the crest of the dam, we speak of a "free weir." The flow over the weir is then dependent upon the higher water level and not on the difference between high and low water levels. When the weir is "submerged", that is, the higher water level is less than 2/3 times the difference between the lower water and the crest of the dam, the difference between the high and low levels being decisive. The free weir normally occurs first during ebb, and is due to. the fact that mean level in the estuary is higher than the mean level of . the tide in building dams with barges the maximum velocity in the closing gap may not be more than 3m/sec. As the maximum velocities are higher than this limit we must use other construction methods in closing the gap. This can be done by dump-cars from each side or by using a cable way.e or by using a cable way.

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