갈수기 유량 확보에 따른 섬강 및 남한강 본류 갈수기 수질 개선 효과 분석

이서로 ( Seoro Lee ),이관재 ( Gwanjae Lee ),이동준 ( Dongjun Lee ),최유진 ( Yujin Choi ),김수홍 ( Soohong Kim ),임경재 ( Kyoung Jae Lim ) 한국물환경학회(구 한국수질보전학회) 2019 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2019 No.-

국내 유역 특성을 고려한 기온-수온 비선형 회귀식의 도출 및 적용성 평가

이현구 ( Lee Hyeongu ),이관재 ( Lee Gwanjae ),이서로 ( Lee Seoro ),이지민 ( Lee Jimin ),임경재 ( Lim Kyoungjae ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-

과거부터 온실가스는 기후변화에 많은 영향을 주었으며, Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC)에 따르면 지난 1세기 반 동안 전 세계 평균 기온은 약 1℃가 상승하였다. 온실가스축적에 따라 평균기온은 21세기 중반에서 21세기 말까지 1~3℃가 증가할 것으로 예측되며 이러한 기온의 상승은 하천 수온에 영향을 준다. 그리고 하천의 수온 변화는 수중에서 온도에 민감한 생화학적 반응의 변화를 유발하여 수질변화에 영향을 미친다. 효과적인 수자원의 관리를 위해서는 수질변화를 정확하게 모의하는 것이 중요하며, 이를 위해서 기온과 수온 사이의 명확한 관계 정립이 선행되어야 한다. Soil and Water Assessment Tool(SWAT)은 유역단위 모형으로 유출, 유사, 영양염류 등의 발생 및 거동을 모의할 수 있다. SWAT은 회귀식을 통해 기온을 사용하여 수온을 산정하고 수온은 질소, 인, CBOD 등의 산정에 사용된다. 그러나 SWAT에 적용된 회귀식은 미국을 대상으로 도출된 회귀식이므로 한국에 적용하기에 한계가 있다. 따라서 본 연구의 목적은 실측 기온자료와 수온자료를 사용하여 국내 유역 특성을 반영한 회귀식을 도출하고 SWAT의 기존 회귀식과 비교하여 평가하는 것이다.

국내 유역 특성을 고려한 기온-수온 비선형 회귀식의 도출 및 적용성 평가

이현구 ( Lee Hyeongu ),이관재 ( Lee Gwanjae ),이서로 ( Lee Seoro ),이지민 ( Lee Jimin ),임경재 ( Lim Kyoungjae ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-

과거부터 온실가스는 기후변화에 많은 영향을 주었으며, Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC)에 따르면 지난 1세기 반 동안 전 세계 평균 기온은 약 1℃가 상승하였다. 온실가스축적에 따라 평균기온은 21세기 중반에서 21세기 말까지 1~3℃가 증가할 것으로 예측되며 이러한 기온의 상승은 하천 수온에 영향을 준다. 그리고 하천의 수온 변화는 수중에서 온도에 민감한 생화학적 반응의 변화를 유발하여 수질변화에 영향을 미친다. 효과적인 수자원의 관리를 위해서는 수질변화를 정확하게 모의하는 것이 중요하며, 이를 위해서 기온과 수온 사이의 명확한 관계 정립이 선행되어야 한다. Soil and Water Assessment Tool(SWAT)은 유역단위 모형으로 유출, 유사, 영양염류 등의 발생 및 거동을 모의할 수 있다. SWAT은 회귀식을 통해 기온을 사용하여 수온을 산정하고 수온은 질소, 인, CBOD 등의 산정에 사용된다. 그러나 SWAT에 적용된 회귀식은 미국을 대상으로 도출된 회귀식이므로 한국에 적용하기에 한계가 있다. 따라서 본 연구의 목적은 실측 기온자료와 수온자료를 사용하여 국내 유역 특성을 반영한 회귀식을 도출하고 SWAT의 기존 회귀식과 비교하여 평가하는 것이다.

SWAT 점-선-면 보정과 머신러닝을 통한 정확한 수량-수질-수생태 통합 물관리 기술

이서로 ( Lee Seoro ),이관재 ( Lee Gwanjae ),이동준 ( Lee Dongjun ),양동석 ( Yang Dongseok ),배주현 ( Bae Joo Hyun ),임경재 ( Lim Kyoung Jae ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-

유역 관리를 위한 유량 및 수질 분석, 수질 개선을 위한 오염저감기법 평가 등 다양한 목적을 위하여 HSPF(Hydrological Simulation Program - Fortran), SWAT(Soil and Water Assessment Tool), APEX(Agricultural Policy/Environmental eXtender) 등의 유역 단위 수문 및 수질 모형을 활용한 연구가 진행되고 있다. 이와 더불어 수문 및 수질 모의 정확도를 향상시키기 위하여 모형을 개선하고 새로운 모의 기술을 개발하는 연구도 지속적으로 진행되고 있다. 이러한 연구의 일환으로 본 연구에서는 국내 유역을 대상으로 유량 및 수질 모의 정확도를 향상시키기 위하여 SWAT 모형을 대상으로 국내 경작지 특성을 반영할 수 있도록 토양 관련 인자 추출 방법, 국내 하천단면 특성을 반영한 하천단면 산정 방법 등을 개선하여 수질 모의 정확도를 향상시켰다. 또한, 실제 경작지의 공간적 분포를 고려할 수 있도록 HRU 분할 방법을 적용하여 각 경작지에서 발생하는 토양유실량을 정확하게 산정 하여 유역의 유출구 뿐만 아니라 전체 면에서 발생하는 토양유실량을 고려하여 SWAT 모형의 토양유실량 산정 정확도를 향상 (점-선-면 보정) 시켰다. 그리고 이렇게 개선된 SWAT 모형을 통해 모의한 유량 및 수질 결과를 바탕으로 머신러닝/딥러닝 기법을 활용하여 수생태계 건강성 지표를 예측하였다. 수생태계 건강성 지표 예측 시 불균형 자료로 인한 잘못된 분류경계가 설정된 모형이 생성될 수도 있다. 따라서 본 연구에서는 생성모형(generator)과 분류모형(discriminator)의 적대적 학습을 통해 진짜 같은 가짜 데이터를 생성해내는 딥러닝인 GAN(Generative Adversarial Network, 생성적 적대 신경망)을 활용하여 학습을 위한 균형있는 자료를 생성하여 학습함으로써 수생태계 건강성 지표 등급 예측의 정확도를 향상시켰으며, 이를 통해 수량-수질-수생태계 통합 물관리 기술을 제시하였다.

국내 유역 특성을 고려한 기온-수온 비선형 회귀식의 도출 및 적용성 평가

이현구 ( Lee Hyeongu ),이관재 ( Lee Gwanjae ),이서로 ( Lee Seoro ),이지민 ( Lee Jimin ),임경재 ( Lim Kyoungjae ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-

과거부터 온실가스는 기후변화에 많은 영향을 주었으며, Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC)에 따르면 지난 1세기 반 동안 전 세계 평균 기온은 약 1℃가 상승하였다. 온실가스축적에 따라 평균기온은 21세기 중반에서 21세기 말까지 1~3℃가 증가할 것으로 예측되며 이러한 기온의 상승은 하천 수온에 영향을 준다. 그리고 하천의 수온 변화는 수중에서 온도에 민감한 생화학적 반응의 변화를 유발하여 수질변화에 영향을 미친다. 효과적인 수자원의 관리를 위해서는 수질변화를 정확하게 모의하는 것이 중요하며, 이를 위해서 기온과 수온 사이의 명확한 관계 정립이 선행되어야 한다. Soil and Water Assessment Tool(SWAT)은 유역단위 모형으로 유출, 유사, 영양염류 등의 발생 및 거동을 모의할 수 있다. SWAT은 회귀식을 통해 기온을 사용하여 수온을 산정하고 수온은 질소, 인, CBOD 등의 산정에 사용된다. 그러나 SWAT에 적용된 회귀식은 미국을 대상으로 도출된 회귀식이므로 한국에 적용하기에 한계가 있다. 따라서 본 연구의 목적은 실측 기온자료와 수온자료를 사용하여 국내 유역 특성을 반영한 회귀식을 도출하고 SWAT의 기존 회귀식과 비교하여 평가하는 것이다.

국내 논 영농일정을 고려한 고막원천 유역 농업비점오염 평가

이서로 ( Seoro Lee ),금동혁 ( Donghyuk Kum ),김민경 ( Min Keong Kim ),정재학 ( Jae Hak Jeong ),임경재 ( Kyoung Jae Lim ) 한국농공학회 2016 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2016 No.-

최근 국내 농업 유역에서의 농업비점오염 문제가 심각해짐에 따라 농업 유역 내 수문 순환 및 비점오염원의 발생 및 거동에 대해서 많은 연구가 진행되어 왔다. 하지만 우리나라 농경지 면적의 큰 비중을 차지하는 논을 고려하지 못하는 한계가 있었다. 논이 포함된 유역의 정확한 농업 비점오염 배출량 평가를 위해선 논의 영농활동이 이루어지는 시기 및 방법을 고려해야 할 필요성이 있다. 이에 최근 농촌진흥청은 국내 논을 고려한 한국형 농업 비점오염평가 관리를 위한 APEX-PADDY모델을 개발하였다. 본 연구에서는 영산강 지류인 고막원천 유역을 대상으로 필지단위 모의가 가능한 Agriculture Policy Environmental eXtender Model (APEX) 모형을 활용하여 국내 논 영농일정을 고려함에 따라 말단 유출지점의 수문 및 수질의 변화를 실측 유량 및 수질자료를 통해 비교 분석을 하였다. 모형의 구동에 필요한 영농 일정 자료는 농촌진흥청 국립농업과학원에서 제공하는 자료를 이용하였다. 실측 유량 및 수질자료와 비교 분석한 결과 논에 대한 영농일정 고려 여부에 따라 말단 유출지점의 수질 변화가 큰 차이가 있음을 확인하였고 영농일정을 고려한 모의 결과가 상대적으로 높은 정확도를 나타낸 것을 확인하였다. 비록 고막원천 유역의 포함된 모든 논에 대해서 보편적인 영농일정을 적용하였지만 향후 국내 논의 영농일정 특성을 고려하여 논이 포함된 유역의 농업 비점오염배출량 모의를 한다면 보다 정확하고 현실적인 수질관리 및 농업 비점오염 평가가 가능할 것이라 판단된다.

유역단위 경작지별 BMPs 적용에 따른 저감효율 평가

이관재 ( Lee Gwanjae ),이서로 ( Lee Seoro ),양동석 ( Yang Dongseok ),김수홍 ( Soohong Kim ),임경재 ( Lim Kyoung Jae ),장원석 ( Jang Won Seok ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-

기후변화에 따른 물 순환과정의 변화는 유역내 강우패턴 및 강우강도, 유출 특성에 큰 영향을 미친다. 유역내 강우패턴 및 강우강도 등 물 순환과정의 변화는 강우에 의한 유출과 밀접한 관련이 있는 비점오염원에 중대한 영향을 미친다. 특히, 고랭지밭에 밀집되어 있어 강우에 따른 토사로 인한 탁수가 빈번하게 문제가 되고 있는 소양호 유역은 비점오염원관리지역으로 지정되어 탁수를 저감하기 위해 많은 노력을 기울이고 있는 실정이다. 이러한 노력들 중 환경부에서는 개별 경작지마다 BMPs(Best Management Practices)를 적용하여 강우에 의한 탁수를 저감하고자 하였으며, 앞으로도 지속적으로 설치할 계획에 있다. 그러나 이러한 비점오염저감시설을 적용하였을 때의 저감효율은 밭의 면적이나 경사도, 경사장 등 다양한 조건을 고려해야 하는 어려움이 있어, 이에 대한 연구는 매우 제한적으로 이루어져 왔다. 이에 따라, 각 경작지에 적용된 개별 비점오염저감시설이 유역 말단에 미치는 영향에 대한 연구 역시 미비한 실정이다. 그러나 비점오염저감대책 및 계획은 유역 말단을 기준으로 하는 경우가 많고, 유량 및 수질에 대한 모니터링 자료 역시 유역 말단에 위치하기 때문에 개별 비점오염저감시설이 유역 말단에 미치는 영향에 대한 연구는 매우 중요하다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 유역단위 평가모델 중 하나인 SWAT을 이용하여 각 경작지 별로 실측 경사장 및 경사도, 개별 비점오염저감시설을 적용하였으며, 개별 비점오염저감시설이 유역말단에 미치는 영향을 평가하였다.

미계측 하천에서의 수생태계 건강성 예측 정확도 향상을 위한 GAN 알고리즘 적용 및 평가

이서로 ( Seoro Lee ),배주현 ( Joohyun Bae ),이지민 ( Jimin Lee ),김수홍 ( Soohong Kim ),김종건 ( Jonggun Kim ),임경재 ( Kyoungjae Lim ) 한국농공학회 2020 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2020 No.-

본 연구에서는 머신러닝/딥러닝 모형을 활용한 남한강 하류에 위치한 유역(청미천, 양화천, 복하천, 흑천) 내 유량 및 수질 미계측 하천에서의 수생태계 건강성 등급(BMI, TDI, FAI) 예측의 정확도를 향상시키기 위한 GAN(Generative Adversarial Network) 알고리즘의 적용성을 평가하였다. 머신러닝/딥러닝 모형의 입력자료로는 한강수계 내 유량 및 수질모니터링과 수생태계 건강성 평가가 이루어지고 있는 83개 지점을 대상으로 2008년부터 2018년까지의 유량, 수질, 기상자료(강수량, 기온)와 동일한 모니터링 날짜에 해당하는 수생태계 건강성 등급 자료를 사용하였다. 이 때, 불균형적이며 적은 수의 데이터 한계를 극복하기 위해 GAN 알고리즘을 통해 실제 모니터링 자료와 유사한 입력자료를 확보하였다. GAN 알고리즘으로 확보된 자료와 실제 모니터링 자료를 합쳐서 생성된 모형으로 수생태계 건강성 등급 예측을 위한 5차 교차검증과정을 수행한 결과, BMI, TDI 경우 서포트벡터머신(SVM) 모형에서 정확도를 각각 0.66, 0.65를 나타내었으며, FAI 경우 다층퍼셉트론(MLP) 모형에서 0.66의 정확도를 나타내었다. 최종적으로 SVM 모형과 MLP 모형을 통해 남한강 하류에 위치한 유역 내 유량 및 수질 미계측 하천에서의 수생태계 건강성 등급을 예측한 결과, 예측 정확도는 각각 BMI 0.85, TDI 0.71, FAI 0.68로 GAN 알고리즘을 통해 확보된 데이터를 포함한 모형이 수생태계 건강성 등급을 더욱 잘 예측할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 향후 본 연구의 결과는 미계측 하천에서의 수생태계 건강성을 평가하고 수질, 수량, 수생태계 통합 물관리 체계를 수립하는데 기초자료로 활용될 수 있을 것이라 사료된다.

유역단위 경작지별 BMPs 적용에 따른 저감효율 평가

이관재 ( Lee Gwanjae ),이서로 ( Lee Seoro ),양동석 ( Yang Dongseok ),김수홍 ( Soohong Kim ),임경재 ( Lim Kyoung Jae ),장원석 ( Jang Won Seok ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-

기후변화에 따른 물 순환과정의 변화는 유역내 강우패턴 및 강우강도, 유출 특성에 큰 영향을 미친다. 유역내 강우패턴 및 강우강도 등 물 순환과정의 변화는 강우에 의한 유출과 밀접한 관련이 있는 비점오염원에 중대한 영향을 미친다. 특히, 고랭지밭에 밀집되어 있어 강우에 따른 토사로 인한 탁수가 빈번하게 문제가 되고 있는 소양호 유역은 비점오염원관리지역으로 지정되어 탁수를 저감하기 위해 많은 노력을 기울이고 있는 실정이다. 이러한 노력들 중 환경부에서는 개별 경작지마다 BMPs(Best Management Practices)를 적용하여 강우에 의한 탁수를 저감하고자 하였으며, 앞으로도 지속적으로 설치할 계획에 있다. 그러나 이러한 비점오염저감시설을 적용하였을 때의 저감효율은 밭의 면적이나 경사도, 경사장 등 다양한 조건을 고려해야 하는 어려움이 있어, 이에 대한 연구는 매우 제한적으로 이루어져 왔다. 이에 따라, 각 경작지에 적용된 개별 비점오염저감시설이 유역 말단에 미치는 영향에 대한 연구 역시 미비한 실정이다. 그러나 비점오염저감대책 및 계획은 유역 말단을 기준으로 하는 경우가 많고, 유량 및 수질에 대한 모니터링 자료 역시 유역 말단에 위치하기 때문에 개별 비점오염저감시설이 유역 말단에 미치는 영향에 대한 연구는 매우 중요하다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 유역단위 평가모델 중 하나인 SWAT을 이용하여 각 경작지 별로 실측 경사장 및 경사도, 개별 비점오염저감시설을 적용하였으며, 개별 비점오염저감시설이 유역말단에 미치는 영향을 평가하였다.

유역단위 경작지별 BMPs 적용에 따른 저감효율 평가

이관재 ( Lee Gwanjae ),이서로 ( Lee Seoro ),양동석 ( Yang Dongseok ),김수홍 ( Soohong Kim ),임경재 ( Lim Kyoung Jae ),장원석 ( Jang Won Seok ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-

기후변화에 따른 물 순환과정의 변화는 유역내 강우패턴 및 강우강도, 유출 특성에 큰 영향을 미친다. 유역내 강우패턴 및 강우강도 등 물 순환과정의 변화는 강우에 의한 유출과 밀접한 관련이 있는 비점오염원에 중대한 영향을 미친다. 특히, 고랭지밭에 밀집되어 있어 강우에 따른 토사로 인한 탁수가 빈번하게 문제가 되고 있는 소양호 유역은 비점오염원관리지역으로 지정되어 탁수를 저감하기 위해 많은 노력을 기울이고 있는 실정이다. 이러한 노력들 중 환경부에서는 개별 경작지마다 BMPs(Best Management Practices)를 적용하여 강우에 의한 탁수를 저감하고자 하였으며, 앞으로도 지속적으로 설치할 계획에 있다. 그러나 이러한 비점오염저감시설을 적용하였을 때의 저감효율은 밭의 면적이나 경사도, 경사장 등 다양한 조건을 고려해야 하는 어려움이 있어, 이에 대한 연구는 매우 제한적으로 이루어져 왔다. 이에 따라, 각 경작지에 적용된 개별 비점오염저감시설이 유역 말단에 미치는 영향에 대한 연구 역시 미비한 실정이다. 그러나 비점오염저감대책 및 계획은 유역 말단을 기준으로 하는 경우가 많고, 유량 및 수질에 대한 모니터링 자료 역시 유역 말단에 위치하기 때문에 개별 비점오염저감시설이 유역 말단에 미치는 영향에 대한 연구는 매우 중요하다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 유역단위 평가모델 중 하나인 SWAT을 이용하여 각 경작지 별로 실측 경사장 및 경사도, 개별 비점오염저감시설을 적용하였으며, 개별 비점오염저감시설이 유역말단에 미치는 영향을 평가하였다.