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다중 선형 회귀 분석과 랜덤 포레스트를 이용한 SS, T-P 대리모니터링 기법 평가
정민혁 ( Jeung Minhyuk ),범진아 ( Beom Jina ),최동호 ( Choi Dongho ),김영주 ( Kim Young-joo ),허용구 ( Her Younggu ),윤광식 ( Yoon Kwangsik ) 한국농공학회 2021 한국농공학회논문집 Vol.63 No.2
Effective nonpoint source (NPS) pollution management requires frequent water quality monitoring, which is, however, often costly to be implemented in practice. Statistical techniques and machine learning methods allow us to identify and focus on fundamental environmental variables that have close relationships with NPS pollutants of interest. This study developed surrogate models to predict the concentrations of suspended sediment (SS) and total phosphorus (T-P) from turbidity and runoff discharge rates using multiple linear regression (MLR) and random forest (RF) methods. The RF models provided acceptable performance in predicting SS and T-P, especially when runoff discharge rates were high. The RF models outperformed the MLR models in all the cases. Such finding highlights the potential of RF techniques and models as a tool to identify fundamental environmental variables that are measured in relatively inexpensive ways or freely available but still able to provide information required to quantify the concentrations of NPS pollutants. The analysis of relative importance rates showed that the temporal variations of SS and T-P concentrations could be more effectively explained by that of turbidity than runoff discharge rate. This study demonstrated that the advanced statistical techniques such as machine learning could help to improve the efficiency of NPS pollutants monitoring.
단위면적당 부하지속곡선을 이용한 섬진강수계 상수원 목표수질 달성여부 평가
정민혁 ( Minhyuk Jeung ),범진아 ( Jina Beom ),정재운 ( Jaewoon Jung ),윤광식 ( Kwangsik Yoon ) 한국농공학회 2023 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2023 No.0
영산강·섬진강수계는 광역상수원의 수질개선을 위해 제도적인 노력과 예산을 투입하고 있다. 제도 도입 시행 후 20여년이 경과하면서 수변구역 내 오염원 제거가 이루어졌음에도 불구하고 주암호와 동복호의 수질은 크게 개선되지 않고 있다. 따라서, 효율적인 수질개선을 위해서는 섬진강수계 상수원(주암호, 동복호, 상사호, 수어호, 탐진호) 지류 지천의 부하지속곡선을 이용한 BOD, TOC, T-P의 목표수질 달성도 평가를 통한 대책수립이 필요하다. 본 연구에서는 상수원 지류 지천의 상이한 유역면적으로 인해 발생된 유달부하량의 차이를 고려하기 위해 단위면적당 부하량을 산정하여 각 하천의 목표수질 달성여부를 평가하였다. 단위면적당 부하지속곡선 분석 결과, 수질항목별 미달성률은 BOD가 평균 9.7%, TOC 3.7%, T-P 32.6%로 섬진강수계 상수원의 목표수질 달성을 위해서는 T-P의 수질개선이 우선적으로 이루어져야 할 것으로 분석되었다. 상수원 지류지천별 목표수질 미달성률는 주암호가 BOD 10.0%, COD 10.0%, T-P 38.4%, 동복호 BOD 14.4%, COD 0.0%, T-P 34.4%, 상사호 BOD 6.7%, COD 0.0%, T-P 30.0%, 수어호 BOD 0.0%, COD 0.0%, T-P 20.0%, 탐진호 BOD 18.7%, COD 8.7%, T-P 40.0%로 분석되었다. 모든 상수원에서 T-P가 가장 높은 미달성률을 보였으며, 특히 탐진호와 주암호는 T-P의 목표수질 미달성률이 40.0%와 38.4%로 분석되어 T-P의 수질개선이 가장 우선적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
풍영정천 유역의 유량 상승부-하강부 수질 차이에 대한 고찰
정민혁 ( Minhyuk Jeung ),강지원 ( Jiwon Kang ),정지연 ( Jiyeon Jeung ),윤광식 ( Kwangsik Yoon ) 한국농공학회 2019 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2019 No.-
하천의 수질관리를 위해서는 각 오염물질의 정확한 유출특성을 파악하는 것이 대단히 중요하다. 이전 연구에서는 8일간 자료를 이용하여 유량-부하량 관계식을 통해 유출특성을 해석하는 연구가 수행되었다. 하지만, 이는 강우시 하천에서의 비점오염원 유출특성을 파악하기에는 무리가 있다. 본 연구에서는 2014년∼2017년 풍영정천 유역의 농촌, 도시 소유역 강우시 모니터링 자료를 이용하여 유량 조건별 6가지 오염물질 (Biochemical oxygen demand : BOD; Chemical oxygen demand : COD; Total organic carbon : TOC; Suspended solids : SS; Total nitrogen : T-N; Total phosphorus : T-P)의 유출특성을 해석하였다. 농촌 소유역의 상승부 구간은 BOD, COD, TOC, SS, T-N, T-P의 평균값이 각각 5.4mg/L, 8.8mg/L, 6.6mg/L, 71.6mg/L, 2.7mg/L, 0.2mg/L로 조사되었으며, 하강부 구간은 4.8mg/L, 9.5mg/L, 6.9mg/L, 42.9mg/L, 2.5mg/L, 0.2mg/L으로 조사되었다. SS를 제외한 나머지 구간은 상승부-하강부 간의 차이가 적은것으로 나타났다. 도시 소유역의 경우 상승부 구간은 10.6mg/L, 11.8mg/L, 8.9mg/L, 542.1mg/L, 2.6mg/L, 0.3mg/L으로 나타났으며, 하강부 구간은 7.1mg/L, 8.9mg/L, 6.9mg/L, 196.6mg/L, 2.2mg/L, 0.2mg/L으로 나타났다. 도시 수유역은 BOD, COD, TOC, SS이 차이가 크게 나타났으며, 이는 초기세척효과로 인해 차이가 발생한 것으로 판단된다.
대규모 농업용저수지의 농업용수 공급 운영 관리에 따른 이수안전도 평가
정민혁(Jeung,Minhyuk),범진아(Beom,Jina),성무홍(Sung,Mu-hong),이재남(Lee,Jaenam),유승환(Yoo,Seung-hwan),윤광식(Yoon,Kwang-sik) 한국방재학회 2021 한국방재학회논문집 Vol.21 No.1
최근 기후변화로 인하여 가뭄이 빈번하게 발생하고 이에 따른 농업용수 부족을 겪고 있다. 하지만 대부분 농업용 저수지는 10년 빈도 한발시의 공급량을 기준으로 설계되어 있어;최근 연속적인 가뭄으로 낮은 저수율을 나타나고 있다. 따라서 본 연구에서는 가뭄에 대응할 수 있는 최저 관리 저수율을 설정하기 위해 나주호를 대상으로 물수지 분석을 수행하고 평년 운영 관리에 따른 부족수량 변화를 평가하고자 한다. 그 결과;평년 운영 관리 저수율이 높아질수록 영농기 초기 저수율이 증가하였고;연평균 농업용수 부족수량이 감소하였다. 또한;평년 저수율 관리에 따라 가뭄 년도 햇수와 그 심도를 저감 시킬 수 있는 것으로 나타났다. Due to recent climate change;droughts occur frequently;thereby causing a shortage of agricultural water. However;supplies to most agricultural reservoirs have been designed assuming that droughts occur at a frequency of 10 years. Therefore;continuous drought has led to low storage rates. Thus;in this study;a water balance analysis was performed on the Naju reservoir;and the changes in the water shortage according to the minimum storage rate restriction management to cope with drought were evaluated. As a result;a higher management storage rate level results in a higher initial storage rate in the next year;thereby decreasing the annual average shortage. In addition;it shows that a decrease in the frequency of drought and its intensity can be reduced according to the minimum storage management during wet years.
강화학습을 이용한 SWMM 모델 매개변수 자동보정 알고리즘 개발
정민혁 ( Minhyuk Jeung ),범진아 ( Jina Beom ),박민경 ( Minkyeong Park ),정지연 ( Jiyeon Jeong ),윤광식 ( Kwangsik Yoon ) 한국농공학회 2022 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2022 No.-
도시지역의 토지피복 변화, 변화하는 오염물질의 누적량 등 지속적으로 변화하는 환경으로 인해 하나의 매개변수로 불투수지역 강우-유출 및 오염물질 거동을 장기간을 모의하는 데에 어려움이 있다. 따라서, 무강우일수, 강우량, 강우지속시간 등 강우사상 발생 시마다 수집되는 정보를 바탕으로 수질-수문 모형의 매개변수를 자동으로 보정하는 알고리즘 개발이 필요하다. 본 연구에서는 도시지역에서 수질-수문 모의를 위해 사용되는 SWMM 모형을 강화학습과 결합하여 SWMM 모델 매개변수 자동보정 알고리즘인 SWMM-RL 모델을 개발하였다. 강화학습은 주어진 환경에서 보상을 최대한 많이 받을 수 있도록 에이전드를 학습시키는 기법으로, 주변 상태에 맞게 어떠한 행동을 할지 판단을 내린다. 본 연구에서는 SWMM 모형을 환경, NSE 값을 보상, 매개변수를 행동, 그리고 강우 특성을 상태로 적용하여 알고리즘을 개발하였다. 에이전트의 행동 특성은 유량의 경우 총 9개의 매개변수를 보정하도록 하였고 SS 부하량은 5개의 매개변수를 보정하도록 하였다. 모의 결과, 유량은 평균 0.588의 NSE값을 보였으며, 9개의 매개변수 중 민감도가 높은 3개 매개변수(N-impervious, PctZero, N-conduit)가 주로 변화되는 모습을 보였다. SS 부하량의 경우, 평균 0.622의 NSE값을 보였다. SS 역시 5개의 매개변수 중 민감도가 높은 3개의 매개변수(build-up coefficient1, wash-off coefficient1, wash-off coefficient2)가 주로 변화되었다. 본 연구에서 개발된 SWMM-RL 모델은 2008년~2011년 기간동안 매개변수를 총 10번 자동보정하였으며, 하나의 매개변수로 장기간 모의하는 것보다 매개변수를 주기별로 보정할 경우 더욱 높은 정확성과 변화하는 환경에 잘 적응할 수 있을 것으로 예상된다.
강화학습을 이용한 SWMM 모델 매개변수 자동보정 알고리즘 개발
정민혁 ( Minhyuk Jeung ),범진아 ( Jina Beom ),박민경 ( Minkyeong Park ),정지연 ( Jiyeon Jeong ),윤광식 ( Kwangsik Yoon ) 한국농공학회 2022 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2022 No.-
도시지역의 토지피복 변화, 변화하는 오염물질의 누적량 등 지속적으로 변화하는 환경으로 인해 하나의 매개변수로 불투수지역 강우-유출 및 오염물질 거동을 장기간을 모의하는 데에 어려움이 있다. 따라서, 무강우일수, 강우량, 강우지속시간 등 강우사상 발생 시마다 수집되는 정보를 바탕으로 수질-수문 모형의 매개변수를 자동으로 보정하는 알고리즘 개발이 필요하다. 본 연구에서는 도시지역에서 수질-수문 모의를 위해 사용되는 SWMM 모형을 강화학습과 결합하여 SWMM 모델 매개변수 자동보정 알고리즘인 SWMM-RL 모델을 개발하였다. 강화학습은 주어진 환경에서 보상을 최대한 많이 받을 수 있도록 에이전드를 학습시키는 기법으로, 주변 상태에 맞게 어떠한 행동을 할지 판단을 내린다. 본 연구에서는 SWMM 모형을 환경, NSE 값을 보상, 매개변수를 행동, 그리고 강우 특성을 상태로 적용하여 알고리즘을 개발하였다. 에이전트의 행동 특성은 유량의 경우 총 9개의 매개변수를 보정하도록 하였고 SS 부하량은 5개의 매개변수를 보정하도록 하였다. 모의 결과, 유량은 평균 0.588의 NSE값을 보였으며, 9개의 매개변수 중 민감도가 높은 3개 매개변수(N-impervious, PctZero, N-conduit)가 주로 변화되는 모습을 보였다. SS 부하량의 경우, 평균 0.622의 NSE값을 보였다. SS 역시 5개의 매개변수 중 민감도가 높은 3개의 매개변수(build-up coefficient1, wash-off coefficient1, wash-off coefficient2)가 주로 변화되었다. 본 연구에서 개발된 SWMM-RL 모델은 2008년~2011년 기간동안 매개변수를 총 10번 자동보정하였으며, 하나의 매개변수로 장기간 모의하는 것보다 매개변수를 주기별로 보정할 경우 더욱 높은 정확성과 변화하는 환경에 잘 적응할 수 있을 것으로 예상된다.
정민혁 ( Jina Beom ),범진아 ( Minhyuk Jeung ),김장호 ( Jangho Kim ),박현규 ( Hyunkyu Park ),윤광식 ( Kwangsik Yoon ) 한국농공학회 2018 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2018 No.-
Monitoring of nonpoint source pollution requires intensive labor and lab analysis cost. The aim of this study was to develop a surrogate method of monitoring SS and T-P and load estimation by using turbidity and runoff. Three different landuse subwatersheds representing rural(WJ), urban(JS), and mixed landuse(PYJ) were monitored during 2017/04/11∼2017/07/08. The predictor variables such as turbidity and runoff were continuously measured by turbidity sensor and water level sensor, while target variables such as SS and T-P were monitored by grab sampling method. Total number of samples were 60, 51 and 59 for WJ, JS and PYJ, respectively. Multiple regression equations were developed for predicting concentrations and loads of target variables. As a result, pearson’s correlation coefficient between turbidity and SS concentrations were 0.90, 0.92 and 0.94 for WJ, JS and PYJ, respectively. Concentrations of T-P also showed good results by surrogate monitoring, it showed 0.78 and 0.93 of pearson’s correlation coefficient with turbidity in WJ and JS, but PYJ showed unacceptable result. To evaluate performance of surrogate load estimation method, we predicted and compared to continuous loads on 2018/04/05 runoff event in WJ, which is not used for develop regression equations. Pearson’s correlation coefficient was 0.91 and 0.85, and Nash-Sutcliffe coefficient was showed 0.52 and 0.80 for SS and T-P. According to our result, surrogate monitoring method for SS and T-P was acceptable for rural watershed(WJ).