• Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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• v.20 no.2
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• pp.412-424
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• 2019

In this study, the changes of the streamflow characteristics of the watershed were analysed depending on the infiltration methods of CAT. The study area, Boryeong-dam watershed located in Chungcheongnam-do area, has been suffered from severe drought in recent years and stabilized regarding on the storage rate through efforts such as constructing a channel connecting the upstream of Boryeong-dam from the downstream of the Geum river. In this study, the effects of soil infiltration parameters on the watershed streamflow characteristics were analyzed by the infiltration methods of CAT such as Rainfall Excess, Green&Ampt and Horton. And the parameter calibrations were conducted by SCEUA-P, a global optimization technique module of the PEST, the package for parameter optimization and uncertainty analysis, to compare the yearly variations of soil parameters for infiltration methods of CAT. In addition, the streamflow characteristics were analyzed for three infiltration methods by applying three different scenarios, such as applying calibrated parameters for every years to simulate the model for each years, applying calibrated parameters for the entire period to simulate the model for entire period, and applying the average value of yearly calibrated parameters to simulate the model for entire period.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2008.05a
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• pp.1077-1081
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• 2008

Soil and Water Assessment Tool(SWAT) 모형은 DEM(Digital Elevation Model)을 사용하여 지형인자를 추출하고 이를 바탕으로 수문 및 수질 모의가 이루어진다. 지형인자의 추출시 DEM 격자크기에 따라 상이한 결과를 초래할 수 있다. 그리하여 정확한 수문 및 수질 모델링에 있어 가능한 고해상도의 DEM을 사용하도록 권장하고 있다. 그러나 넓은 유역에서의 적용시 고해상도 DEM 사용에 따른 컴퓨터 처리 용량과 프로그램 실행 시 소요되는 시간상의 문제는 그 효율성에 있어서 문제시될 수 있다. 그리하여 본 연구에서는 소양강댐, 임하댐 유역을 대상으로 SWAT 모형에서 저해상도 DEM 사용으로 고해상도 DEM의 지형인자를 추출하여 자동 입력될 수 있는 모듈을 개발 적용하였다. 본 연구의 결과 소양강댐 유역을 대상으로 격자크기 20m DEM과 100m DEM을 사용하였을 때 연평균 유사량이 83.8%의 큰 차이가 발생한 반면 격자크기의 20m DEM과 본 모듈을 적용하여 20m DEM의 지형인자로 자동 보정된 100m DEM을 사용하였을 때의 연평균 유사량이 4.4%로 차이가 상당히 줄어든 것을 볼 수 있었다. 임하댐 유역의 경우는 격자크기 10m DEM과 100m DEM을 사용하였을 때 연평균 유사량이 43.4% 큰 차이가 발생하였다. 반면 격자크기 10m DEM과 본 모듈을 적용하여 10m DEM의 지형인자로 자동 보정된 100m DEM을 사용하였을 때의 연평균 유사량이 0.3%로 차이가 크게 줄어든 것을 확인 할 수 있었다. 또한 본 모듈의 검정을 위해 소양강댐 유역의 지형 자료와 유사한 충주댐 유역을 대상으로 본 모듈을 적용하여 검정을 실시하였다. 그 결과 연간 평균 유사량이 격자크기 20m와 100m의 DEM을 이용하였을 때 98.7%의 큰 차이가 발생한 반면 격자크기 20m와 본 모듈을 적용하여 보정된 경사도 값의 100m DEM을 사용하였을 때 20.7%로 차이가 크게 줄어든 것을 볼 수 있었다. 그리하여 본 연구의 결과를 통해 SWAT 모형에서의 개선된 지형인자 추출 방식을 사용하여 저해상도의 DEM 사용으로 고해상도 DEM 사용의 효과를 볼 수 있을 것이고 이로 인해 넓은 유역에서 저해상도 DEM 사용으로 컴퓨터 사용용량과 프로그램 지연 시간을 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 향후 여러 유역을 대상으로 보정, 검정하여 보다 정확하고 통합적으로 적용될 수 있는 모듈의 개선이 필요할 것으로 사료된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2011.05a
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• pp.29-29
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• 2011

SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 모형은 물리적 기반의 준분포형 강우-유출 모형으로서, 대규모의 복잡한 유역에서 장기간에 걸친 다양한 종류의 토양과 토지이용 및 토지관리 상태에 따른 유출과 유사 및 오염물질의 거동에 대한 토지관리 방법의 영향을 예측이 가능하여, 수자원 관리 계획 및 유역관리를 위한 의사결정 지원 등 그 적용 범위가 매우 광범위하다. 이러한 모형의 적용성 검증을 위해서는 매개변수 민감도 분석 및 검 보정, 예측 불확실성 분석을 필요로 한다. 최근 수문 모델의 불확실성을 분석하기 위한 다양한 기법들이 개발 되었는데, 본 연구는 충주댐 유역(6,581.1 m)을 대상으로 유역출구점의 실측 일 유출량 자료(1998~2003)를 바탕으로 SWAT 모형의 유출관련 매개변수(총 18개)에 대한 불확실성 분석을 실시하였다. 이때 사용된 분석 기법으로는 SUFI2 (Sequential Uncertainty FItting algorithm 2), GLUE (Generalized Likelihood Uncertainty Estimation), ParaSol (Parameter Solution)등을 적용 하였다. 이러한 기법은 모두 SWAT-CUP (SWAT-Calibration Uncertainty Program, Abbaspour, 2007) 모형에 탑재되어있으며, 모형의 결과로써 검 보정, 매개변수의 민감도 분석, 각종 목적 함수 및 불확실성의 범위 등이 자동으로 산출 되므로 모형의 사용자가 불확실성 평가 기법의 분석 및 비교를 손쉽게 할 수 있다. 그 결과 대표적인 목적 함수인 결정 계수( $^2$)와 NSE (Nash-Sutcliffe Model Efficiency)는 모두 0.65에서 0.92사이의 값을 나타내어 대체적으로 모의가 잘 이루어졌음을 알 수 있었다. 그러나 불확실성의 범위를 나타내는 지표인 p-factor 및 r-factor에서는 평가 기법 별로 그 차이가 확연하게 드러났다. 여기서 p-factor는 불확실성 범위에 실측치가 포함되는 비율이며, r-factor는 불확실성의 상대적인 범위로 각각 1과 0에 가까울수록 모의 기법의 성능이 우수함을 의미한다. 세 가지 알고리듬 중에서 SUFI2의 p-factor가 약 0.51로 가장 높게 나타났으며, ParaSol의 r-factor가 0.00으로 가장 작게 나타났다. 여기서 p-factor는 불확실성 범위에 실측치가 포함되는 비율이며, r-factor는 불확실성의 상대적인 범위를 의미한다. 본 연구의 결과는 SWAT 모형을 이용한 수문모델링에서 수문분석에 따른 예측결과의 불확실성을 정량적으로 평가함으로서, 모형의 적용성 평가 및 모의결과의 신뢰성 확보에 근거자료로 활용이 가능할 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.448-448
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• 2021

최근 급격한 기후변화와 도시화 및 산업화로 인한 지류하천에서의 수량과 수질의 변동은 생물 다양성 감소와 수생태계 건강성 저하에 큰 영향을 미치고 있다. 효율적인 수생태 관리를 위해서는 지속적인 유량, 수질, 그리고 수생태 모니터링을 통한 데이터 축적과 더불어 면밀한 상관 분석을 통해 수생태계 건강성의 악화 원인을 규명해야 할 필요가 있다. 그러나 수많은 지류하천을 대상으로 한 지속적인 모니터링은 현실적으로 어려움이 있으며, 수생태계의 특성 상 단일 영향 인자만으로 수생태계의 건강성 변화와의 관계를 정확히 파악하는데 한계가 있다. 따라서 지류하천에서의 유량 및 수질의 시공간적인 변동성과 다양한 영향 인자를 고려하여 수생태계의 건강성을 효율적으로 예측할 수 있는 기술이 필요하다. 이에 본 연구에서는 경험적 데이터 기반의 머신러닝 모델 구축을 통해 미계측 하천에서의 수생태계 건강성 지수(BMI, TDI, FAI)의 등급(A to E)을 예측하고자 하였다. 머신러닝 모델은 학습 데이터셋의 양과 질에 따라 성능이 크게 달라질 수 있으며, 학습 데이터셋의 분포가 불균형적일 경우 과적합 또는 과소적합 문제가 발생할 수 있다. 이를 보완하고자 본 연구에서는 실제 측정망 데이터셋을 바탕으로 생성적 적대 신경망 GAN(Generative Adversarial Network) 알고리즘을 통해 머신러닝 모델 학습에 필요한 추가 데이터셋(유량, 수질, 기상, 수생태 등급)을 확보하였다. 머신러닝 모델의 성능은 5차 교차검증 과정을 통해 평가하였으며, GAN 데이터셋의 정확도는 실제 측정망 데이터셋의 정규분포와의 비교 분석을 통해 평가하였다. 최종적으로 SWAT(Soil and Water Assessment Tool) 모형을 통해 예측 된 미계측 하천에서의 데이터셋을 머신러닝 모델의 검증 자료로 사용하여 수생태계 건강성 등급 예측 정확도를 평가하였다. 본 연구에서의 GAN에 의해 강화된 머신러닝 모델은 수질 및 수생태 관리가 필요한 우심 지류하천 선정과 구조적/비구조적 최적관리기법에 따른 수생태계 건강성 개선 효과를 평가하는데 활용될 수 있을 것이다. 또한 이를 통해 예측된 미계측 하천에서의 수생태계 건강성 등급 자료는 수량-수질-수생태를 유기적으로 연계한 통합 물관리 정책을 수립하는데 기초자료로 활용될 수 있을 것이라 사료된다.

• Journal of The Korean Society of Agricultural Engineers
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• v.52 no.1
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• pp.79-88
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• 2010

준분포형 모형인 SWAT 모형은 소유역내 수문학적 반응단위 별로 유출, 유사 등의 발생을 평가하는데 이때 Hydrological Response Unit (HRU)의 지형정보가 활용된다. 현재 SWAT 모형의 인터페이스 구조는, 각 소유역의 평균 지형인자 값이 각 소유역내의 모든 HRU의 지형정보로 사용된다. 그러므로 각 소유역내의 HRU에 있는 지형인자를 정확하게 추출하기 위해서는 수계를 자세하게 나누어야 하며, 이를 위해서 더욱 자세한 소유역 수계 인터페이스가 필요하다. 현재 SWAT 모형 인터페이스에서는 수계를 나눌 때 임계값의 최소값은 최대 flow accumulation 값의 0.1 %가 사용된다. 따라서 HRU의 지형인자를 추출하기 위해 아주 자세한 정도로 소유역의 수계를 나눈다는 것은 불가능하다. 본 연구에서는 사용자가 원하는 임계값과 농경지 경계를 근거하여 소유역 경계를 추가로 수계를 나눌 수 있는 Dual Watershed Delineation Module (DWDM) 을 개발하였다. 기존 SWAT의 수계추출 모듈로 유량을 모의한 결과 $27,219\;m^3$/month 가 산정되었고, DWDM 을 적용한 결과 $26,172\;m^3$/month 로 약 3.8 %의 미미한 차이가 생겼다. 하지만 유사의 경우 DWDM을 적용하기 전에는 0.779 ton/month, 적용 후에는 2.688 ton/month 로 약 245 %의 차이를 보였다. 즉 농경지를 추가적으로 수계를 나눌 때 유사의 가장 민감한 요소인 경사장을 실제지형에 맞게 고려함에 따라 좀 더 정확한 유사 산정을 할 수 있었다. 농경지에서의 정확한 수문 및 유사 평가 시 본 연구에서 개발한 모듈이 적용 되어야 한다고 사료된다.

• Journal of The Korean Society of Agricultural Engineers
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• v.62 no.2
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• pp.63-73
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• 2020

Drought is considered as a devastating hazard that causes serious agricultural, ecological and socio-economic impacts worldwide. Fundamentally, the drought can be defined as temporarily different levels of inadequate precipitation, soil moisture, and water supply relative to the long-term average conditions. From no unified definition of droughts, droughts have been divided into different severity level, i.e., moderate drought, severe drought, extreme drought and exceptional drought. The drought severity classification defined the ranges for each indicator for each dryness level. Because the ranges of the various indicators often don't coincide, the final drought category tends to be based on what the majority of the indicators show and on local observations. Evaporative Stress Index (ESI), a satellite-based drought index using the ratio of potential and actual evaporation, is being used as a index of the droughts occurring rapidly in a short period of time from studies showing a more sensitive and fast response to drought compared to Standardized Precipitation Index (SPI), and Palmer Drought Severity Index (PDSI). However, ESI is difficult to provide an objective drought assessment because it does not have clear drought severity classification criteria. In this study, U.S. Drought Monitor (USDM), the standard for drought determination used in the United States, was applied to ESI, and the Percentile method was used to classify drought categories by severity. Regarding the actual 2017 drought event in South Korea, we compare the spatial distribution of drought area and understand the USDM-based ESI by comparing the results of Standardized Groundwater level Index (SGI) and drought impact information. These results demonstrated that the USDM-based ESI could be an effective tool to provide objective drought conditions to inform management decisions for drought policy.

• Journal of Korean Society for Geospatial Information Science
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• v.21 no.2
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• pp.107-116
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• 2013

This study is intended to predict variations in future land use/land cover(LULC) based on the representation concentration pathway(RCP) storyline that is a new climate change scenario and to analyze how future climate and LULC changes under RCP scenario affects streamflow in the basin. This study used climate data under RCP 4.5 and 8.5 and LULC change scenario is created by a model that is developed using storyline of RCP 4.5 and 8.5 and logistic regression(LR). Two scenarios(climate change only and LULC change only) were established. The streamflow in future periods under these scenarios was simulated by the Soil and Water Assessment Tool(SWAT) model. Each scenario showed a significant seasonal variations in streamflow. Climate change showed that it reduced streamflow in summer and autumn while it increased streamflow in spring and winter. Although LULC change little affected streamflow in the basin, the pattern for increasing and decreasing streamflow during wet and dry climate condition was significant. Therefore, it's believed that sustainable water resource policies for flood and drought depending on future LULC are required.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.30 no.4B
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• pp.337-346
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• 2010

Climate change has a huge impact on various parts of the world. This study quantified and analyzed the effects on hydrological behavior caused by climate, vegetation canopy and land use change of Soyanggang dam watershed (2,694.4 $km^2$) using the semi-distributed model SWAT (Soil Water Assessment Tool). For the 1997-2006 daily dam inflow data, the model was calibrated with the Nash-Sutcliffe model efficiencies between the range of 0.45 and 0.91. For the future climate change projection, three GCMs of MIROC3.2hires, ECHAM5-OM, and HadCM3 were used. The A2, A1B and B1 emission scenarios of IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) were adopted. The data was corrected for each bias and downscaled by Change Factor (CF) method using 30 years (1977-2006, baseline period) weather data and 20C3M (20th Century Climate Coupled Model). Three periods of data; 2010-2039 (2020s), 2040-2069 (2050s), 2070-2099 (2080s) were prepared for future evaluation. The future annual temperature and precipitation were predicted to change from +2.0 to $+6.3^{\circ}C$ and from -20.4 to 32.3% respectively. Seasonal temperature change increased in all scenarios except for winter period of HadCM3. The precipitation of winter and spring increased while it decreased for summer and fall for all GCMs. Future land use and vegetation canopy condition were predicted by CA-Markov technique and MODIS LAI versus temperature regression respectively. The future hydrological evaluation showed that the annual evapotranspiration increases up to 30.1%, and the groundwater recharge and soil moisture decreases up to 55.4% and 32.4% respectively compared to 2000 condition. Dam inflow was predicted to change from -38.6 to 29.5%. For all scenarios, the fall dam inflow, soil moisture and groundwater recharge were predicted to decrease. The seasonal vapotranspiration was predicted to increase up to 64.2% for all seasons except for HadCM3 winter.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.45 no.3
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• pp.301-316
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• 2012

Two models, TANK and SWAT (Soil and Water Assessment Tool) were compared for simulating natural flows in the Paldang Dam upstream areas of the Han River basin in order to understand the limitations of TANK and to review the applicability and capability of SWAT. For comparison, simulation results from the previous research work were used. In the results for the calibrated watersheds (Chungju Dam and Soyanggang Dam), two models provided promising results for forecasting of daily flows with the Nash-Sutcliffe model efficiency of around 0.8. TANK simulated observations during some peak flood seasons better than SWAT, while it showed poor results during dry seasons, especially its simulations did not fall down under a certain value. It can be explained that TANK was calibrated for relatively larger flows than smaller ones. SWAT results showed a relatively good agreement with observed flows except some flood flows, and simulated inflows at the Paldang Dam considering discharges from upper dams coincided with observations with the model efficiency of around 0.9. This accounts for SWAT applicability with higher accuracy in predicting natural flows without dam operation or artificial water uses, and in assessing flow variations before and after dam development. Also, two model results were compared for other watersheds such as Pyeongchang-A, Dalcheon-B, Seomgang-B, Inbuk-A, Hangang-D, and Hongcheon-A to which calibrated TANK parameters were applied. The results were similar to the case of calibrated watersheds, that TANK simulated poor smaller flows except some flood flows and had same problem of keeping on over a certain value in dry seasons. This indicates that TANK application may have fatal uncertainties in estimating low flows used as an important index in water resources planning and management. Therefore, in order to reflect actually complex and complicated physical characteristics of Korean watersheds, and to manage efficiently water resources according to the land use and water use changes with urbanization or climate change in the future, it is necessary to utilize a physically based watershed model like SWAT rather than an existing conceptual lumped model like TANK.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.35 no.3
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• pp.567-577
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• 2015

Climate and land use changes have impact on availability water resource by hydrologic cycle change. The purpose of this study is to evaluate the hydrologic behavior by the future potential climate and land use changes in Anseongcheon watershed ($371.1km^2$) using SWAT model. For climate change scenario, the HadGEM-RA (the Hadley Centre Global Environment Model version 3-Regional Atmosphere model) RCP (Representative Concentration Pathway) 4.5 and 8.5 emission scenarios from Korea Meteorological Administration (KMA) were used. The mean temperature increased up to $4.2^{\circ}C$ and the precipitation showed maximum 21.2% increase for 2080s RCP 8.5 scenario comparing with the baseline (1990-2010). For the land use change scenario, the Conservation of Land Use its Effects at Small regional extent (CLUE-s) model was applied for 3 scenarios (logarithmic, linear, exponential) according to urban growth. The 2100 urban area of the watershed was predicted by 9.4%, 20.7%, and 35% respectively for each scenario. As the climate change impact, the evapotranspiration (ET) and streamflow (ST) showed maximum change of 20.6% in 2080s RCP 8.5 and 25.7% in 2080s RCP 4.5 respectively. As the land use change impact, the ET and ST showed maximum change of 3.7% in 2080s logarithmic and 2.9% in 2080s linear urban growth respectively. By the both climate and land use change impacts, the ET and ST changed 19.2% in 2040s RCP 8.5 and exponential scenarios and 36.1% in 2080s RCP 4.5 and linear scenarios respectively. The results of the research are expected to understand the changing water resources of watershed quantitatively by hydrological environment condition change in the future.