머신러닝 기법을 활용한 유황별 LOADEST 모형의 적정 회귀식 선정 연구: 낙동강 수계를 중심으로

김종건,박윤식,이서로,신용철,임경재,김기성,Kim, Jonggun,Park, Youn Shik,Lee, Seoro,Shin, Yongchul,Lim, Kyoung Jae,Kim, Ki-sung 한국농공학회 2017 한국농공학회논문집 Vol.59 No.4

This study is to determine the coefficients of regression equations and to select the optimal regression equation in the LOADEST model after classifying the whole study period into 5 flow conditions for 16 watersheds located in the Nakdonggang waterbody. The optimized coefficients of regression equations were derived using the gradient descent method as a learning method in Tensorflow which is the engine of machine-learning method. In South Korea, the variability of streamflow is relatively high, and rainfall is concentrated in summer that can significantly affect the characteristic analysis of pollutant loads. Thus, unlike the previous application of the LOADEST model (adjusting whole study period), the study period was classified into 5 flow conditions to estimate the optimized coefficients and regression equations in the LOADEST model. As shown in the results, the equation #9 which has 7 coefficients related to flow and seasonal characteristics was selected for each flow condition in the study watersheds. When compared the simulated load (SS) to observed load, the simulation showed a similar pattern to the observation for the high flow condition due to the flow parameters related to precipitation directly. On the other hand, although the simulated load showed a similar pattern to observation in several watersheds, most of study watersheds showed large differences for the low flow conditions. This is because the pollutant load during low flow conditions might be significantly affected by baseflow or point-source pollutant load. Thus, based on the results of this study, it can be found that to estimate the continuous pollutant load properly the regression equations need to be determined with proper coefficients based on various flow conditions in watersheds. Furthermore, the machine-learning method can be useful to estimate the coefficients of regression equations in the LOADEST model.

수문학적 공간 연결성을 고려한 토양물환경 해석 및 토양수문정보 구축 방안 연구

김종건 ( Kim Jonggun ) 한국농공학회 2018 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2018 No.-

Subsurface flow is an important component to understand soil water environment in the unsaturated zone and plays a significant role in the water and energy balance through affecting various hydrological processes. Land surface models (LSMs) have been developed and extended during the past decades with various enhanced processes to understand and quantify the complex interaction between atmosphere and land surface systems. However, there are still critical deficiencies (e.g., simplified processes and parameterization) remaining in simulating land surface hydrology for land surface modeling. Thus, this study focuses on understanding soil water environment based on hydrologic spatial connectivity and improving land surface processes and parameterization in land surface modeling in the unsaturated zone. The physically-based hydrologic connectivity concept was proposed to characterize the subsurface flow variability based on spatially distributed patterns of wetness condition or physical controls (e.g., soil type, vegetation, topography). Hydrologic connectivity is an important concept for understanding local processes in the context of catchment hydrology and defining flow path continuity in surface and subsurface flows. This approach was applied in land surface modeling and tested in various hydro-climate regions and spatial scales showing significant improvement of modeling predictability. Based on the knowledge and experience, the proposed concept will be useful to improve the hydrological model performance and better understand soil water environment in the unsaturated zone. Furthermore, this study proposed an enhanced soil hydrological monitoring approach based on ICT technologies. Recently, advanced ICT technologies including low-cost sensors based sensing technology have been applied to various fields. Thus, this study suggests efficient monitoring technology using the advanced ICT technology.

다양한 평가 지표와 최적화 기법을 통한 오염부하 산정 회귀 모형 평가

김종건 ( Jonggun Kim ),임경재 ( Kyoung Jae Lim ),박윤식 ( Youn Shik Park ) 한국물환경학회(구 한국수질보전학회) 2018 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2018 No.-

지하철 화재시 대피를 돕는 디자인 제안

김종건(Jonggun Kim),정주현(Joohyun Chung) 한국디지털콘텐츠학회 2019 한국디지털콘텐츠학회논문지 Vol.20 No.9

경사지에서의 정확한 토양유실 및 유사량 분석을 위한 SWAT ArcView GIS Extension Patch 개발

김종건 ( Kim Jonggun ),박윤식 ( Park Younshik ),장원석 ( Jang Wonseok ),유동선 ( Yoo Dongsun ),김기성 ( Kim Ki-sung ),임경재 ( Lim Kyoung Jae ) 한국농공학회 2008 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2008 No.-

The watershed scale SWAT model divides the watershed into smallersubwatersheds for rainfall-runoff and pollutant generation at the field level and routing though stream networks. The SWAT model first needs to be calibrated and validated for accurate estimation through adjustment of various input parameters. However, in some instances the SWAT simulated results are greatly affected by the watershed delineation and DEM cell size. In this study, the SWAT ArcView GIS Patch II was developed for steep sloping watershed and its performance was evaluated for various thresholdvalue and DEM cell size scenarios when delineating subwatersheds using SWAT. The SWAT ArcView GIS Patch II was developed using the ArcView GIS Avenue program and Spatial Analyst library. The SWAT ArcView GIS Patch II is better than the SWAT ArcView GIS Patch I by Lim et al. (2007) because it reflects the topographic factor in calculating the field slope length of the HRU in the SWAT model. The simulated sediment value for 321 watershed (threshold value of 200 ha) is greater than that for 43 subwatershed (threshold value of 25ha) by 201% without applying the SWAT ArcView GIS Patch II. However, when the SWAT ArcView GIS Patch II was applied, the difference decreases (12% difference) for the same scenario. The simulated sediment value for DEM cell size of 50m is greater than that for DEM cell size of 10m by 19.80% without the SWAT ArcView GIS Patch II. However, the difference becomes smaller (3.41% difference) between 50m and 10m DEM scenarios. As shown in this study, the SWAT ArcView GIS Patch II can reduce differences in simulated sediment values for various watershed delineation and DEM cell size scenarios. Without the SWAT ArcView GIS Patch II, variations in the SWAT simulated results using various watershed delineation and DEM cell size scenarios could be greater than those from input parameter calibration. The results obtained in this study show that the SWAT ArcView GIS Patch II needs to be used when simulating hydrology and water quality for steep sloping watersheds (especially if average slope ofthe subwatershed is greater than 25%) for accurate simulation of hydrology and water quality using the SWAT model.

머신러닝 기법을 활용한 유황별 LOADEST 모형의 적정 회귀식 선정 연구: 낙동강 수계를 중심으로

김종건 ( Jonggun Kim ),박윤식 ( Youn Shik Park ),이서로 ( Seoro Lee ),신용철 ( Yongchul Shin ),임경재 ( Kyoung Jae Lim ),김기성 ( Ki-sung Kim ) 한국농공학회 2017 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2017 No.-

This study is to determine the coefficients of regression equations and to select the optimal regression equation in the LOADEST model after classifying the whole study period into 5 flow conditions for 16 watersheds located in the Nakdonggang waterbody. The optimized coefficients of regression equations were derived using the gradient descent method as a learning method in Tensorflow which is the engine of machine-learning method. In South Korea, the variability of streamflow is relatively high, and rainfall is concentrated in summer that can significantly affect the characteristic analysis of pollutant loads. Thus, unlike the previous application of the LOADEST model(adjusting whole study period), the study period was classified into 5 flow conditions to estimate the optimized coefficients and regression equations in the LOADEST model. As shown in the results, the equation #9 which has 7 coefficients related to flow and seasonal characteristics was selected for each flow condition in the study watersheds. When compared the simulated load(SS) to observed load, the simulation showed a similar pattern to the observation for the high flow condition due to the flow parameters related to precipitation directly. On the other hand, although the simulated load showed a similar pattern to observation in several watersheds, most of study watersheds showed large differences for the low flow conditions. This is because the pollutant load during low flow conditions might be significantly affected by baseflow or point-source pollutant load. Thus, based on the results of this study, it can be found that to estimate the continuous pollutant load properly the regression equations need to be determined with proper coefficients based on various flow conditions in watersheds. Furthermore, the machine-learning method can be useful to estimate the coefficients of regression equations in the LOADEST model.

농촌비점오염관리를 위한 농업배출수 수량 및 수질관리 방안

김종건 ( Jonggun Kim ),양동석 ( Dongseok Yang ),최완민 ( Wanmin Choi ),최선화 ( Seonhwa Choi ),임경재 ( Kyoung Jae Lim ) 한국농공학회 2020 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2020 No.-

최근 물관리기본법 시행에 따른 통합물관리체제로 전환되면서 농업용수에 대한 가치가 재평가되고 있고 농업용수의 효율적 활용을 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 2019년 기준 우리나라 수자원 총량 대비 총 이용량은 약 28%(372억 ㎥)를 차지하고 있으며, 그 중 농업용수는 총 이용량의 약 61%(152억 ㎥)를 차지하고 있다. 또한 농업용수 이용량의 약 80%가 논에서 사용되고 있다. 우리나라에서는 논에서 사용되고 있는 용수가 상대적으로 많은 부분을 차지하고 있으며, 그에 따라 사용되고 배출되는 수량은 하류 하천의 수량 및 수질, 수생태에 영향을 미치고 있다. 현재 농업용수 배출수의 수량 및 수질에 대해 정량화할 수 있는 정보가 부족하여 농업용수의 효율적인 이용을 저해하고 있다. 농업용수 배출수는 하류 하천 수질에 영향을 미쳐 농촌지역에서의 주요 비점오염원으로 인식되고 있다. 따라서 통합물관리체제에서 농업용수 배출수에 대한 수량 및 수질 관리가 필요한 시점이며, 농업용수의 효율성, 안전성, 안정성을 확보하기 위해 정밀한 농업배출수 산정 및 양질의 농업용수 확보를 위한 다양한 노력이 필요하다. 우선 농업배출수의 수량적인 측면에서 농업용수 수원공에서의 정확한 공급량 산정 기술이 필요하며, 이를 기반으로 농경지 공급 후 하류 하천으로 배출되는 회귀수의 정량적 산정 방법이 필요하다. 이를 통해 농업용수가 하류 하천의 환경유지용수로서의 가치 평가가 가능할 것이다. 농업배출수의 수량확보를 위해서는 용수 재이용, SRI 기법 적용, 효율적 용수공급 등 용수의 수요를 줄이고 환경유지용수를 확보하여야 할 것이다. 농업용수 배출수의 수질측면에서는 농업용수 수원공을 대상으로 상·하류 유역단위모니터링 연구를 통해 기초자료를 수집하고, 이를 통해 농업용수의 맑은 물을 확보할 수 있는 통합관리 체계 구축 방안이 마련되어야 할 것이다. 기존의 단순 수질개선대책 중심에서 수량·수질·수생태 통합물관리 측면 유황별 또는 영농기간별 특성을 고려한 종합적 관리 체계 구축, 그리고 이를 통한 실질적인 농업용수 관리 대책 수립이 필요할 것이다.

직접유출량 모의를 위한 ArcGIS 기반의 모형 개발 및 개선

김종건 ( Kim Jonggun ),임경재 ( Lim Kyoung Jae ),( Engel Bernie ),차상선 ( Cha Sang Sun ),박찬기 ( Park Chan-gi ),박윤식 ( Park Youn Shik ) 한국농공학회 2018 한국농공학회논문집 Vol.60 No.6

The Long-Term Hydrologic Impact Assessment (L-THIA) model is a quick and straightforward analysis tool to estimate direct runoff and nonpoint source pollution. L-THIA was originally implemented as a spreadsheet application. GIS-based versions of L-THIA have been developed in ArcView 3 and upgraded to ArcGIS 9. However, a major upgrade was required for L-THIA to operate in the current version of ArcGIS and to provide more options in runoff and NPS estimation. An updated L-THIA interfaced with ArcGIS 10.0 and 10.1 has been developed in the study as an ArcGIS Desktop Tool. The model provides a user-friendly interface, easy access to the model parameters, and an automated watershed delineation process. The model allows use of precipitation data from multiple gauge locations for the watershed when a watershed is large enough to have more than one precipitation gauge station. The model estimated annual direct runoff well for our study area compared to separated direct runoff in the calibration and validation periods of ten and nine years. The ArcL-THIA, with a user-friendly interface and enhanced functions, is expected to be a decision support model requiring less effort for GIS processes or to be a useful educational hydrology model.

항공기 부품개발을 위한 형상관리 기법 소개

김종건(Jonggun Kim),김동석(Dong Seok Kim),신대영(Dae Young Shin),김승철(Seung Chul Kim) 한국항공우주학회 2018 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2018 No.4

Web GIS 기반의 오염 부하지속곡선 시스템을 이용한 유역의 수질 및 특성 분석

김종건 ( Jonggun Kim ),( Bernie Engel ),박윤식 ( Youn Shik Park ),( Larry Theller ),( Indrajeet Chaubey ),임경재 ( Kyoung Jae Lim ) 한국농공학회 2009 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2009 No.-

수질오염총량관리제도(TMDL)는 유역의 수질 회복 및 관리를 위해 우리나라를 비롯해 미국의 여러 주에서 수립되어 적용되고 있다. 현재 미국에서는 유역 관리를 위한 TMDL의 기준설정에 있어 오염부하지속 곡선(LDC)의 활용이 급격히 증가되고 있다. 그러나 기존의 LDC 방법은 사용자로 하여금 충분한 교육이 필요하고 LDC 생성을 위한 데이터 구축이 수동적으로 이루어지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 Web GIS 기반의 LDC 시스템을 개발하였다 (http://www.EnvSys.co.kr/~ldc). 웹기반의 LDC시스템은 미국 지질 조사국(USGS)이나 한국 환경부(MOE) 서버 등을 통해 구축된 자료를 이용하여 오염부하지속곡선을 생성하기까지의 모든 과정이 자동으로 처리되어 기존 수작업에 의한 방법의 단점을 보완하고 있다. 그리하여 본 연구에서는 우리나라 수질오염 총량 관리제도 단위유역인 낙본A와 금본C, 그리고 미국 인디애나 주의 Yellow River와 펜실베이니아 주의 Borkenstraw Creek 유역을 대상으로 웹기반 LDC시스템을 이용하여 유역의 특성을 분석하였다. 본 연구에서 사용된 유량 및 수질 자료는 본 시스템에서 연계된 환경부 서버와 USGS 서버를 통해 구축하였다. 분석 결과 낙본 A 단위유역의 BOD 오염부하량과 농도가 대체적으로 목표수질 기준을 만족하는 것으로 나타났으나 전반적으로 유량이 적을 때 다소 목표수질을 초과하고 있는 나타나, 적합한 수질관리 대책이 필요한 것으로 분석되었다. 금본 C 단위유역의 경우 대부분 BOD 배출부하량이 할당 부하량보다 낮게 나타나는 것을 알 수 있고, 목표수질 농도에 비해 배출되는 BOD 농도 또한 대체적으로 낮은 것을 알 수 있다. 또한 Yellow River 유역의 경우는 유량이 많을 때배출되는 수질농도가 목표수질을 초과하는 것으로 보아 강우시 배출되는 오염물에 대한 대책이 요구되고, Borkenstraw Creek 유역의 경우 유량이 적을 때를 제외하고 대부분 구간에서 배출부하량이 할당부하량을 초과하여 이에 대한 적합한 수질관리가 필요할 것으로 분석되었다. 본 연구의 결과에서 나타난 바와 같이 웹기반 LDC 시스템을 통해 수질오염총량관리제도 단위유역에 대한 수질 평가 및 특성 분석이 용이하며 수질 회복을 위한 근본적인 해결방법을 제시할 수 있을 것으로 판단된다.