Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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2020.06a
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pp.314-314
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2020
SWAT (Soil and Water Assessment Tool)은 미국 농무성 농업연구소에서 개발된 준분포형(semi-distributed) 수문 모형으로 복합토지이용유역에서 장기간에 걸친 다양한 종류의 토양, 토지이용 및 토지관리 상태의 변화에 따른 유역의 유출량, 유사량 및 영양물질의 영향을 예측하기 위해 개발되었다. SWAT은 기본적으로 다양한 매개변수에 대한 수동 보정 기능을 제공하고 있지만 매개변수 보정에 따른 모의결과의 불확실성을 수반하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 자동보정 기능을 제공하는 SWAT-CUP (Calibration and Uncertainty Program)이 개발되었다. SWAT-CUP에서 제공하는 매개변수의 최적화 과정에서 유사한 모의 결과를 산출하는 수천 개의 매개변수조합이 존재하기 때문에 보정기법의 선택에 따라 최종 매개변수의 값이 달라질 수 있다. 불확실성을 발생시키는 요인으로 (1) 매개변수의 선택, (2) 보정 기법, (3) 목적함수, (4) 매개변수의 초기 범위, (5) 모의(simulation)의 실행(run) 및 반복(iteration) 횟수, (6) 위치, 개수 등 보정 자료의 선택 등이 주로 지목된다. 이러한 요인으로 발생하는 불확실성은 SWAT 모형의 구조 및 입력 자료에서 기인하는 것으로, 사용자의 설정에 따라 크게 좌우된다. 본 연구에서는 SWAT 매개변수 보정 과정에서 발생할 수 있는 불확실성을 평가하고, 효율적인 보정 방안을 제시하기 위해 수행되었다. 낙동강 권역의 내성천 유역을 대상으로 SWAT 모형을 구축하였으며, 내성천 본류에 위치한 수위(유량) 관측소의 자료를 활용하여 검·보정을 수행하였다. 모의 결과는 유량의 크기 뿐 아니라 유량의 발생 시기, 유역의 반응 및 증가·감소 경향성을 함께 고려하여 평가하였다. 그 결과 모형 구조에 따른 불확실성의 전이과정을 정확하게 파악하는 것은 불가능하지만 SWAT 모형의 비고유성(non-uniqueness)에 의한 불확실성을 정량화하여 나타내었다.
Park, Jong-Yoon;Lee, Mi-Seon;Park, Geun-Ae;Kim, Seong-Joon
Journal of Korea Water Resources Association
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v.41
no.11
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pp.1079-1094
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2008
This study is to evaluate the impact of varying spatial resolutions on the uncertainty of Soil and Water Assessment Tool (SWAT) predicted streamflow, non-point source (NPS) pollution loads transport in a small agricultural watershed (1.21 $km^2$) for three cases of model input; Case A is the combination of 2 m DEM, QuickBird land use, Case B is the combination of 10 m DEM, 1/25,000 land use, and Case C is the combination of 30 m DEM, Landsat land use, soil data is used 1/25,000 for three cases respectively. The model was calibrated for 2 years (1999-2000) using daily streamflow and monthly water quality records, and verified for another 2 years (2001-2002). The average Nash and Sutcliffe model efficiency was 0.59 for streamflow and RMSE were 2.08, 4.30 and 0.70 tons/yr for sediment, T-N and T-P respectively. The model was run for a small agricultural watershed with three cases of spatial input data. The hydrological results showed that output uncertainty was biggest by spatial resolution of land use. Streamflow increase the watershed average CN value of QucikBird land use was 0.4 and 1.8 higher than those of 1/25,000 and Landsat land use caused increase of streamflow. On the other hand, The NPS loadings from the model prediction showed that the sediment, T-N and T-P of QuickBird land use (Case A) showed 23.7 %, 43.3 % and 48.4 % higher value than 1/25,000 land use (Case B) and 50.6 %, 50.8 % and 56.9 % higher value than Landsat land use (Case C) respectively.
In this paper bearing capacity and safety margin of shallow foundation on weathered soil ground against shear failure by using current design method of allowable stress design (ASD), load resistance factor design (LRFD) based on reliability analysis and partial safety factor design (PSFD) in Eurocode were estimated and compared to each other. Results of the plate loading test used in construction and design were collected and analysis of probability statistics on soil parameters affecting the bearing capacity of shallow foundation was performed to quantify the uncertainty of them and to investigate the resistance bias factor and covalence of ultimate bearing capacity. For the typical sections of shallow foundation in domestic field as examples, reliability index was obtained by reliability analysis (FORM) and the sensitivity analysis on soil parameters of probability variables was performed to investigate the effect of probability variable on shear failure. From stability analysis for these sections by ASD, LRFD with the target reiability index corresponding to the safety factor used in ASD and PSDF, safety margins were estimated respectively and compared.
Coating pipe(PLP) has been generally used in buried site for protecting the corrosion. To prevent the damage by occurring the defect, other construction or execution works, an anti-oxidation environment was forcibly made by using protective potential. Coating and protective potential are applied simultaneously, but corrosion rate or defects are not easy to observe because soil composition has many uncertainty. Also, defect of coating pipe can not be directly observed. A corrosion coupon can easily measure a corrosion rate directly. The corrosion rate was measured with 6 scenarios using corrosion coupon during about 1 year(6 scenarios are based on soil type and protective potential or not in this research. Resultingly, the corrosion coupon has not occurred in the case of protected by potential current, but corrosion has occurred in a non-protected site. The corrosion rate was measured at least in the clay, and the propensity of corrosion rate was similar in other soil(sand and loams). The local corrosion has occurred in the clay because of high water content. On the other hand, general corrosion was occurred in sand and loams. Commonly, sand is not to corrosive soil. Although, corrosion occurred in sand can be estimated by chemical component and valid with chemical analysis report.
Appropriate representation of hydrologic boundaries in groundwater models is critical to the development of a reliable model. This paper examines how the model predictions are affected by the uncertainty in the conceptualization of the hydrologic boundaries including groundwater divides, streams, and the lower boundaries of the flow system. The problem is analyzed for a study area where a number of field data for model inputs were available. First, a groundwater flow model is constructed and calibrated for the area using the Visual Modflow code. Recharge rate is used for the unknown variable determined through the calibration process. Secondly, a series of sensitivity analyses are conducted to evaluate the effects of model uncertainties embedded in specifying boundary conditions for streams and groundwater divides and specifying lower boundary of the bedrock. Finally, this paper provides some guidelines and discussions on how to deal with such hydrologic boundaries in view of developing a reliable conceptual model for the groundwater flow system of Korea.
To reinforce and improve the soft ground under a breakwater while using materials efficiently, the replacement ratio and leaving periods of surcharge load are optimized probabilistically. The results of Bayesian updating of the random variables using prior information decrease uncertainty by up to 39.8%, and using prior information with more samples results in a sharp decrease in uncertainty. Replacement ratios of 15%-40% are analyzed using First Order Reliability Method and Monte Carlo simulation to optimize the replacement ratio. The results show that replacement ratios of 20% and 25% are acceptable at the column jet grouting area and the granular compaction pile area, respectively. Life cycle costs are also compared to optimize the replacement ratios within allowable ranges. The results show that a range of 20%-30% is the most economical during the total life cycle. This means that initial construction cost, maintenance cost and failure loss cost are minimized during total life cycle. Probabilistic analysis for leaving periods of shows that three months acceptable. Design optimization with respect to life cycle cost is important to minimize maintenance costs and retain the performance of the structures for the required period. Therefore, more case studies that consider the maintenance costs of soil structures are necessary to establish relevant design codes.
In this study, the statistical characteristics of the resistance bias factors were analyzed using a high-quality field load test database, and the total resistance bias factors were estimated considering the soil uncertainty and construction errors for the application of the limit state design of aggregate pier foundation. The MLR model by Bong and Kim (2017), which has a higher prediction performance than the previous models was used for estimating the resistance bias factors, and its suitability was evaluated. The chi-square goodness of fit test was performed to estimate the probability distribution of the resistance bias factors, and the normal distribution was found to be most suitable. The total variability in the nominal resistance was estimated including the uncertainty of undrained shear strength and construction errors that can occur during the aggregate pier construction. Finally, the probability distribution of the total resistance bias factors is shown to follow a log-normal distribution. The parameters of the probability distribution according to the coefficient of variation of total resistance bias factors were estimated by Monte Carlo simulation, and their regression equations were proposed for simple application.
Mesoscale soil moisture measurement from the promising Cosmic-Ray Neutron Probe (CRNP) is expected to bridge the gap between large scale microwave remote sensing and point-based in-situ soil moisture observations. Traditional calibration based on $N_0$ method is used to convert neutron intensity measured at the CRNP to field scale soil moisture. However, the static calibration parameter $N_0$ used in traditional technique is insufficient to quantify long term soil moisture variation and easily influenced by different time-variant factors, contributing to the high uncertainties in CRNP soil moisture product. Consequently, in this study, we proposed a modified traditional calibration method, so-called Dynamic-$N_0$ method, which take into account the temporal variation of $N_0$ to improve the CRNP based soil moisture estimation. In particular, a nonlinear regression method has been developed to directly estimate the time series of $N_0$ data from the corrected neutron intensity. The $N_0$ time series were then reapplied to generate the soil moisture. We evaluated the performance of Dynamic-$N_0$ method for soil moisture estimation compared with the traditional one by using a weighted in-situ soil moisture product. The results indicated that Dynamic-$N_0$ method outperformed the traditional calibration technique, where correlation coefficient increased from 0.70 to 0.72 and RMSE and bias reduced from 0.036 to 0.026 and -0.006 to $-0.001m^3m^{-3}$. Superior performance of the Dynamic-$N_0$ calibration method revealed that the temporal variability of $N_0$ was caused by hydrogen pools surrounding the CRNP. Although several uncertainty sources contributed to the variation of $N_0$ were not fully identified, this proposed calibration method gave a new insight to improve field scale soil moisture estimation from the CRNP.
The SWAT (Soil and Water Assessment Tool) should be calibrated and validated with observed data to secure accuracy of model prediction. Recently, the SWAT-CUP (Calibration and Uncertainty Program for SWAT) software, which can calibrate SWAT using various algorithms, were developed to help SWAT users calibrate model efficiently. In this study, three algorithms (GLUE: Generalized Likelihood Uncertainty Estimation, PARASOL: Parameter solution, SUFI-2: Sequential Uncertainty Fitting ver. 2) in the SWAT-CUP were applied for the Soyang-gang dam watershed to evaluate these algorithms. Simulated total streamflow and 0~75% percentile streamflow were compared with observed data, respectively. The NSE (Nash-Sutcliffe Efficiency) and $R^2$ (Coefficient of Determination) values were the same from three algorithms but the P-factor for confidence of calibration ranged from 0.27 to 0.81 . the PARASOL shows the lowest p-factor (0.27), SUFI-2 gives the greatest P-factor (0.81) among these three algorithms. Based on calibration results, the SUFI-2 was found to be suitable for calibration in Soyang-gang dam watershed. Although the NSE and $R^2$ values were satisfactory for total streamflow estimation, the SWAT simulated values for low flow regime were not satisfactory (negative NSE values) in this study. This is because of limitations in semi-distributed SWAT modeling structure, which cannot simulated effects of spatial locations of HRUs (Hydrologic Response Unit) within subwatersheds in SWAT. To solve this problem, a module capable of simulating groundwater/baseflow should be developed and added to the SWAT system. With this enhancement in SWAT/SWAT-CUP, the SWAT estimated streamflow values could be used in determining standard flow rate in TMDLs (Total Maximum Daily Load) application at a watershed.
Kim, Yiseul;Kim, Sang Yoon;An, Ju Hee;Sang, Mee Kyung;Weon, Hang-Yeon;Song, Jaekyeong
Microbiology and Biotechnology Letters
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v.46
no.3
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pp.253-260
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2018
Beneficial microorganisms are widely used in the forestry, livestock, and, in particular, agricultural sectors to control soilborne diseases and promote plant growth. However, the industrial utilization of these microorganisms is very limited, mainly due to uncertainty concerning their ability to colonize and persist in soil. In this study, the survival of beneficial microorganisms in field soil microcosms was investigated for 13 days using quantitative PCR with B. subtilis group-specific primers. Bacterial community dynamics of the treated soils were analyzed using 16S ribosomal RNA (rRNA) gene amplicon sequencing on the Illumina MiSeq platform. The average 16S rRNA gene copy number per g dry soil of Bacillus spp. was $4.37{\times}10^6$ after treatment, which was 1,000 times higher than that of the control. The gene copy number was generally maintained for a week and was reduced thereafter, but remained 100 times higher than that of the control. Bacterial community analysis indicated that Acidobacteria ($26.3{\pm}0.9%$), Proteobacteria ($24.2{\pm}0.5%$), Chloroflexi ($11.1{\pm}0.4%$), and Actinobacteria ($9.7{\pm}2.5%$) were abundant phyla in both treated and non-treated soils. In the treated soils, the relative abundance of Actinobacteria was lower, whereas those of Bacteroidetes and Firmicutes were higher compared to the control. Differences in total relative abundances of operational taxonomic units belonging to several genera were observed between the treated and non-treated soils, suggesting that inoculation of soil with the Bacillus strains influenced the relative abundances of certain groups of bacteria and, therefore, the dynamics of resident bacterial communities. These changes in resident soil bacterial communities in response to inoculation of soil with beneficial Bacillus spp. provide important information for the use of beneficial microorganisms in soil for sustainable agriculture.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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