합리적인 하천수 관리체계 구축을 위한 자료기반 방류량 예측모형 개발

유형주,이승오,최서혜,박문형,Yoo, Hyung Ju,Lee, Seung Oh,Choi, Seo Hye,Park, Moon Hyung 한국방재안전학회 2020 한국방재안전학회 논문집 Vol.13 No.4

일반적으로 물수지 분석 시 공급에 해당되는 회귀수량의 경우 용수별 회귀율을 일률적으로 정하여 산정하는 방법을 채택하고 있어 정확한 가용유량을 산정하지 못하는 한계를 갖고 있다. 이에 본 연구에서는 회귀수 중 하·폐수에 초점을 두었고 인공신경망 등의 기계학습 모형을 적용하여 하수종말처리장의 방류량 예측 모형을 개발하였다. 시계열 자료예측 시 사용되는 주요 기계학습 모형인 LSTM (Long Short-Term Memory), GRU (Gated Recurrent Units), SVR (Support Vector Regression)모형을 적용하였으며 관측 값과 예측 값을 비교하는 오차지표를 통하여 방류량 예측의 최적의 모형을 선정하였다. 모형 적용 결과, GRU 모형의 평균제곱근 오차(Root Mean Square Error, RMSE)는 LSTM 모형과 SVR 모형보다 작으며 Nash-Sutcliffe 계수(NSE)는 LSTM 모형과 SVR 모형보다 큰 것을 확인하였고, 이를 근거로 하수종말처리장의 방류량 예측에 최적모형은 GRU 모형이라고 판단하였다. 다만, 극값에서는 예측 값이 과소 및 과대 산정되는 경향을 보여 추후 예측 정확도 향상을 위해서는 극한사상에 대한 추가자료 구축 및 입력 자료의 최소시간단위를 축소하는 것이 필요할 것으로 판단되었다. 또한, 예측하고자 하는 대상지의 용수이용량을 검토하고 계절적 영향을 반영할 수 있는 추가인자를 고려하게 되면 기후변동성에 대비하여 정확한 방류량 예측이 가능하며 예측 결과를 토대로 종합적인 하천수 사용관리 및 물이용 계획 수립을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. In most cases of the water balance analysis, the return flow ratio for each water supply was uniformly determined and applied, so it has been contained a problem that the volume of available water would be incorrectly calculated. Therefore, sewage and wastewater among the return water were focused in this study and the data-driven model was developed to forecast the outflow from the sewage treatment plant. The forecasting results of LSTM (Long Short-Term Memory), GRU (Gated Recurrent Units), and SVR (Support Vector Regression) models, which are mainly used for forecasting the time series data in most fields, were compared with the observed data to determine the optimal model parameters for forecasting outflow. As a result of applying the model, the root mean square error (RMSE) of the GRU model was smaller than those of the LSTM and SVR models, and the Nash-Sutcliffe coefficient (NSE) was higher than those of others. Thus, it was judged that the GRU model could be the optimal model for forecasting the outflow in sewage treatment plants. However, the forecasting outflow tends to be underestimated and overestimated in extreme sections. Therefore, the additional data for extreme events and reducing the minimum time unit of input data were necessary to enhance the accuracy of forecasting. If the water use of the target site was reviewed and the additional parameters that could reflect seasonal effects were considered, more accurate outflow could be forecasted to be ready for climate variability in near future. And it is expected to use as fundamental resources for establishing a reasonable river water management system based on the forecasting results.

하류하천의 영향 최소화를 위한 보조 여수로 최적 활용방안 검토

유형주(Hyung Ju Yoo),주성식(Sung Sik Joo),권범재(Beom Jae Kwon),이승오(Seung Oh Lee) 한국방재안전학회 2021 한국방재안전학회 논문집 Vol.14 No.2

최근 기후변화로 인해 강우강도 및 빈도의 증가에 따른 집중호우의 영향 및 기존 여수로의 노후화에 대비하여 홍수 시 하류 하천의 영향을 최소화할 수 있는 보조 여수로 활용방안 구축이 필요한 실정이다. 이를 위해, 수리모형 실험 및 수치모형 실험을 통하여 보조 여수로 운영에 따른 흐름특성 변화 검토에 관한 연구가 많이 진행되어 왔다. 그러나 대부분의 연구는 여수로에서의 흐름특성 및 기능성에 대한 검토를 수행하였을 뿐 보조 여수로의 활용방안에 따른 하류하천 영향 검토 및 호안 안정성 검토에 관한 연구는 미비한 실정이다. 이에 본 연구에서는 기존 여수로 및 보조 여수로 방류 조건에 따른 하류영향 분석 및 호안 안정성 측면에서 최적 방류 시나리오 검토를 3차원 수치모형인 FLOW-3D를 사용하여 검토하였다. 또한 FLOW-3D 수치모의 수행을 통한 유속, 수위 결과와 소류력 산정 결과를 호안 설계허용 기준과 비교하였다. 수문 완전 개도 조건으로 가정하고 계획홍수량 유입 시 다양한 보조 여수로 활용방안에 대하여 수치모의를 수행한 결과, 보조 여수로 단독 운영 시 기존 여수로 단독운영에 비하여 최대유속 및 최대 수위의 감소효과를 확인하였다. 다만 계획홍수량의 45% 이하 방류 조건에서 대안부의 호안 안정성을 확보하였고 해당 방류량 초과 경우에는 처오름 현상이 발생하여 월류에 대한 위험성 증가를 확인하였다. 따라서 기존 여수로와의 동시 운영 방안 도출이 중요하다고 판단하였다. 여수로의 배분 비율 및 총 허용 방류량에 대하여 검토한 결과 보조 여수로의 방류량이 기존 여수로의 방류량보다 큰 경우 하류하천의 흐름이 중심으로 집중되어 대안부의 유속 저감 및 수위 감소를 확인하였고, 계획 홍수량의 77% 이하의 조건에서 호안의 허용 유속 및 허용 소류력 조건을 만족하였다. 이를 통하여 본 연구에서 제안한 보조 여수로 활용방안으로는 기존 여수로와 동시 운영 시 총 방류량에 대하여 보조 여수로의 배분량이 기존 여수로의 배분량보다 크게 설정하는 것이 하류하천의 영향을 최소화 할 수 있는 것으로 나타났다. 그러나 본 연구는 여수로 방류에 따른 대안부에서의 영향에 대해서만 검토하였고 수문 전면 개도 조건에서 검토하였다는 한계점은 분명히 있다. 이에 향후에는 다양한 수문 개도 조건 및 방류 시나리오를 적용 및 검토한다면 보다 효율적이고, 효과적인 보조 여수로 활용방안을 도출이 가능할 것으로 기대 된다. Recently, as the occurrence frequency of sudden floods due to climate change increased and the aging of the existing spillway, it is necessary to establish a plan to utilize an auxiliary spillway to minimize the flood damage of downstream rivers. Most studies have been conducted on the review of flow characteristics according to the operation of auxiliary spillway through the hydraulic experiments and numerical modeling. However, the studies on examination of flood damage in the downstream rivers and the stability of the revetment according to the operation of the auxiliary spillway were relatively insufficient in the literature. In this study, the stability of the revetment on the downstream river according to the outflow conditions of the existing and auxiliary spillway was examined by using 3D numerical model, FLOW-3D. The velocity, water surface elevation and shear stress results of FLOW-3D were compared with the permissible velocity and shear stress of design criteria. It was assumed the sluice gate was fully opened. As a result of numerical simulations of various auxiliary spillway operations during flood season, the single operation of the auxiliary spillway showed the reduction effect of maximum velocity and the water surface elevation compared with the single operation of the existing spillway. The stability of the revetment on downstream was satisfied under the condition of outflow less than 45% of the design flood discharge. However, the potential overtopping damage was confirmed in the case of exceeding the 45% of the design flood discharge. Therefore, the simultaneous operation with the existing spillway was important to ensure the stability on design flood discharge condition. As a result of examining the allocation ratio and the total allowable outflow, the reduction effect of maximum velocity was confirmed on the condition, where the amount of outflow on auxiliary spillway was more than that on existing spillway. It is because the flow of downstream rivers was concentrated in the center due to the outflow of existing spillway. The permissible velocity and shear stress were satisfied under the condition of less than 77% of the design flood discharge with simultaneous operation. It was found that the flood damage of downstream rivers can be minimized by setting the amount allocated to the auxiliary spillway to be larger than the amount allocated to the existing spillway for the total outflow with simultaneous operation condition. However, this study only reviewed the flow characteristics around the revetment according to the outflow of spillway under the full opening of the sluice gate condition. Therefore, the various sluice opening conditions and outflow scenarios will be asked to derive more efficient utilization of the auxiliary spillway in th future.

도시침수 복구우선순위 도출을 위한 도시침수 회복력 개념 제시

유형주(Yoo, Hyung Ju),김동현(Kim, Dong Hyun),이성우(Lee, Sung Woo),이승오(Lee, Seung Oh) 대한토목학회 2022 대한토목학회 학술대회 Vol.2022 No.10

열화상 영상 처리를 통한 드론 인명구조용 앱 개발

유형주(Yoo Hyung Ju),이승오(Lee Seung Oh) 대한토목학회 2016 대한토목학회 학술대회 Vol.2016 No.10

데이터 딥 러닝을 통한 하천변 사회기반시설 침수가능성 예측 Data Modeling 기법 개발

유형주(Yoo, Hyung Ju),이승오(Lee, Seung Oh) 대한토목학회 2018 대한토목학회 학술대회 Vol.2018 No.10

지정수위 변화에 따른 새만금 호내의 수질변화 검토 : SCHISM-CoSiNE 모형 적용

유형주(Hyung Ju Yoo),김동현(Dong Hyun Kim),이승오(Seung Oh Lee) 한국연안방재학회 2020 한국연안방재학회지 Vol.7 No.3

The drainage gates have been controlled for desalination in normal conditions and flood defence in upstream of Mangyeong and Dongjin Rivers in Saemangeum basin, Korea. Recently, the drainage gate has been opened not to deteriorate water quality in the lake since it has been issued inside embankment. When seawater intruded into the lake, the stratification due to difference of water temperature ands alinity would, however, cause the deterioration of water quality and threat ecological environments. Therefore, it is necessary to estimate precisely the hydraulic characteristics and water quality in the lake under the conditions of gate operations. Due to some limitations of other models in the literature, 3D models will be required to apply to estuaries and lakes. In this study, SCHISM-CoSiNE model were coupled andcon ductedt o obtain reliable andreasonab le results. First, the measuredd ata was usedto compare from 2016 for the verification of this methodology andcompa rison of results showed goodagr eement. Estimation on changes of hydraulic characteristics and water quality were conducted to determine the optimal results. Under various scenarios for floodse asons, we have appliedto present the best designatedw ater elevation in terms of water quality andw ater scarcity in the lake.

도수 발생시 보 하류 구조물의 동수역학적 변동성에 대한 실험적 연구

유형주(Yoo, Hyung Ju),채석준(Chae, Suk Jun),이승오(Lee, Seung Oh) 대한토목학회 2018 대한토목학회 학술대회 Vol.2018 No.10

유효유량을 적용한 새만금 유역의 장기하상 변동 모의 수행

유형주(Yoo Hyung Ju),정석일(Jeong Seok il),이승오(Lee Seung Oh) 대한토목학회 2017 대한토목학회 학술대회 Vol.2017 No.10

하상유지시설 적정 유지관리 도출을 위한 개념 제시 - MRBP(Maintenance & Repair for Bed Protection)

유형주(Yoo, Hyung Ju),이종욱(Lee, Jong Wook),임정열(Lim, Jeong Yeul),이승오(Lee, Seung Oh) 대한토목학회 2019 대한토목학회 학술대회 Vol.2019 No.10

FLO-2D를 활용한 경사지 형상에 따른 토석류 흐름양상에 대한 수치모의

정효준,유형주,이승오,Jung, Hyo Jun,Yoo, Hyung Ju,Lee, Seung Oh 한국방재안전학회 2020 한국방재안전학회 논문집 Vol.13 No.3

국내 지형특성은 산지의 비율이 높아 토석류로 인한 피해 위험이 높다. 또한 기후변동성으로 인한 게릴라 국지성 호우는 토석류 재해의 발생빈도와 잠재적 위협을 증가시킨다. 토석류는 발생에 대한 예측이 어려워 거동특성을 분석하여 사전에 피해를 예방하는 것이 효과적이다. 본 연구는 공차와 평균경사가 각각 다른 경사지 형상을 FLO-2D를 사용하여 전파면과 경사면에 대해 발생하는 피해규모를 연구하였다. 수치모의를 통해 계산된 유속, 수심, 충격응력, 도달거리, 전파형상을 분석하였다. 수치모의 결과, 평균경사가 낮을수록 경사형상이 토석류 거동에 미치는 영향이 크며, 층격응력, 유속에서 분명한 차이를 나타낸다. 본 연구결과는 산지 주변 구조물 설계 및 시공 시 토석류 발생 피해 및 대비에 대해 참고할 자료가 될 것을 기대한다. Due to a high portion of mountainous terrains in Korea, debris flow and its disasters have been increased. In addition, recently localized flash-floods caused by climate change should add frequencies and potential risks. Grasping and understanding the behaviors of debris flow would allow us to prevent the consequent disasters caused by its occurrence. In this study, we developed a number of cases by changing the bottom slopes and their curvatures and investigated their effects on potential damage caused by the debris flow using FLO-2D. As simulating each bed slopes we analyzed for velocity, depth, impact, reach distance, and reach shape. As a result the lower the average slope, the greater the influence of its curvature and the numerical results were analyzed with showed a well-marked difference in impact stress and flow velocity. The result from this study could be referred for protecting from the debris flows when design countermeasure structures in mountainous regions.