디지털트윈과 머신러닝/딥러닝 기반 물관리 인프라

임경재 ( Lim Kyoungjae ),이관재 ( Lee Gwanjae ),이서로 ( Lee Seoro ),박상준 ( Bak Sangjoon ),정연지 ( Jeong Yeonji ),배주현 ( Bae Joohyun ) 한국물환경학회 2023 공동춘계 학술발표회 논문집 Vol.2023 No.0

밭의 경사도와 토성, 작물에 따른 비점오염원 유출특성 분석

임정하 ( Jungha Lim ),신민환 ( Minhwan Shin ),유나영 ( Nayeong Yu ),금동혁 ( Donghyuk Kum ),임경재 ( Kyoungjae Lim ) 한국농공학회 2021 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2021 No.-

저수구역 내 경작지의 영양염류 및 유기물 용출 특성 분석

임정하 ( Jungha Lim ),유나영 ( Nayeong Yu ),우수민 ( Sumin Woo ),강태성 ( Taeseong Kang ),임경재 ( Kyoungjae Lim ) 한국농공학회 2020 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2020 No.-

저수구역 내 경작지의 영농활동과 초지 등의 토양에 포함된 영양염류는 용출되어 호내로 유입되어 내부부하를 가중시킬 수 있다. 따라서, 경작지에서 용출될 수 있는 영양염류의 양과 용출조건을 파악하는 것은 호소의 수질관리 측면에서 중요하다. 본 연구에서는 대청호 유역 홍수조절지 내 경작지의 토양으로부터 발생하는 오염가능성을 예측하기 위하여 대청호 상류에서 영농활동이 이루어지는 지점을 대상으로 영양염류 및 유기물의 용출속도를 분석하고자 하였다. 논, 밭, 초지에서 각각 채취한 토양시료를 이용하여 2번의 용출 실험을 실시하였으며, 1차 실험에는 현장용수를 이용하여 호기조건과 혐기조건을 유지하였으며, 2차 실험에서는 증류수를 이용하여 호기조건을 유지하여, 현장용수와 증류수에 따른 용출반응 속도를 분석하였다. 1∼2차 실험결과 COD 용출속도는 현장시료(호기성)의 경우 45.91 ㎎/㎡/day (밭), (-)19.92 ㎎/㎡/day (논), (-)25.12 ㎎/㎡/day (초지), 현장시료(혐기성)의 경우 19.06 ㎎/㎡/day (밭), (-)20.79 ㎎/㎡/day (논), (-)19.92 ㎎/㎡/day(초지), 증류수(호기성)은 65.48 ㎎/㎡/day (밭), 41.58 ㎎/㎡/day (논), 37.42 ㎎/㎡/day (초지)로 나타났다. T-N 용출속도는 현장시료(호기성)의 경우 28.70 ㎎/㎡/day (밭), (-)8.37 ㎎/㎡/day (논), 22.35 ㎎/㎡/day (초지), 현장시료(혐기성)의 경우 7.71 ㎎/㎡/day (밭), (-)15.27 ㎎/㎡/day (논),(-)15.01 ㎎/㎡/day (초지), 증류수(호기성)의 경우 81.57 ㎎/㎡/day (밭), 4.05 ㎎/㎡/day (논), 5.18 ㎎/㎡/day (초지)로 나타났다. T-P 용출속도는 현장시료(호기성)의 경우 4.60 ㎎/㎡/day (밭), 0.52 ㎎/㎡/day (논), 0.15 ㎎/㎡/day (초지), 현장시료(혐기성)의 경우 5.18 ㎎/㎡/day (밭), 0.07 ㎎/㎡/day (논), 0.48 ㎎/㎡/day (초지), 증류수(호기성)의 경우 1.30 ㎎/㎡/day (밭), 0.25 ㎎/㎡/day (논), 0.35 ㎎/㎡/day (초지)로 나타났다. 밭의 경우 유기물과 영얌염류가 호기 또는 혐기 조건 상관없이 용출이 발생한 것으로 나타났으며, 인의 경우 산화-환원 전위의 변화영향을 많이 받아 혐기조건에서 인의 용출이 급격히 증가하는 것으로 분석되었다. 밭은 유기물과 영얌염류의 용출이 모두 발생하였으나, 논의 경우 용출이 발생하지 않은 경우도 나타났다. 실험결과를 통해 얻은 용출특성은 침수된 경작지가 저수구역 내 수질에 미치는 영향을 파악하여 효율적 농업비점오염 관리정책의 기초자료로 활용 가능하며, 농경지 외에 논과 초지를 대상으로 한 추가적인 용출실험이 필요할 것으로 판단된다.

지표수를 이용한 밭기반 농업용수 집단화 방안 연구

신형진 ( Hyungjin Shin ),임경재 ( Kyoungjae Lim ),박찬기 ( Changi Park ),장용선 ( Yongseon Jang ),강석만 ( Seokman Kang ) 한국농공학회 2018 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2018 No.-

국가 수자원 총 이용량의 48%가 농업용수로 이용되고 있으나, 가뭄 대응에는 아직까지 미약한 수준이다. 논 면적(964천ha) 수리안전답은 575천ha에 불과하고, 19.4%(187천ha)는 별도 용수공급시설이 없어 자연강우에 의존하고 있으며, 용수공급시설을 갖춘 관개전은 140천ha로 전국 밭면적의 18.5% 수준(’15.7월 행정조사)에 그쳐 논에 비해 열악한 수준이다. 밭작물은 작물의 생육시기와 기수, 농업환경에 민감하고 토양수분 부족 및 가뭄에 직접적인 영향을 받는다. 가뭄이 지속되면 토양수분 결핍이 발생하고 식생 수분 스트레스가 증가하여 밭작물의 생산성에 많은 영향을 미치고 있다. 가뭄시 밭작물의 생산성 저하, 농작물 수급 불안 등 직접적 영향 및 손실을 줄일 수 있는 방안 대책이 시급하다. 따라서 가뭄에 대응하기 위한 농업용수의 관리는 논농업 위주로 진행되어 밭농업에 대한 가뭄대응기술 연구는 미흡한 실정이다. 밭관개 용수 지역은 대부분 지하수를 개발 이용하고 있는 실정이고, 논에서의 이모작 지역은 부분적으로 지하수를 이용하고 있으나 대부분 강우에 의존하고 있는 상태이다. 시설하우스 지역도 대부분 지하수를 이용하고 있으며 부분적으로 용수로에서 취수하여 사용하고 있다. 가뭄 상습 밭 지역의 안정적 밭용수 공급을 위해 기존 논농업 위주의 수리시설물을 활용하여 농업용수를 절약할 수 있는 방안을 연구하고자 대상작물로는 노지 밭작물인 고추, 배추, 콩, 사과를 선택하였으며 대상지역은 대표 주산지인 청양, 당진, 괴산, 예산을 선정하였다. APEX 모형을 이용하여 관개량을 산정하여 기존의 개별 용수공급 방식 대비 집단화된 관개방법을 통한 농업용수 절약 방안을 연구하고자 한다.

국내 하천 형상을 반영한 SWAT 모형 내 하천폭 및 홍수터폭 산정 회귀식 도출

이현구 ( Hyeongu Lee ),임경재 ( Kyoungjae Lim ),한정호 ( Jeongho Han ),이동준 ( Dongjun Lee ),김종건 ( Jonggun Kim ) 한국농공학회 2019 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2019 No.-

최근 가속화 되고 있는 기후변화로 인해 연 강수량이 증가함에도 강수일수가 감소하여 집중호우, 국지성 폭우, 돌발 홍수 및 대형홍수 등 자연재해의 발생 빈도 및 강도가 증가하고 있다. 이로 인해 인명피해나 재산피해 등이 발생하며 하천의 수량, 수질, 그리고 수생태에 큰 영향을 미친다. 따라서 자연재해를 예방하기 위해 다양한 대책마련이 필요하며, 이를 위해서는 하천의 정확한 수량 및 수질의 예측이 중요하다. 이에 대한 많은 연구가 진행되어 왔으며 다양한 유역 특성을 고려하여 수문·수질을 예측하기 위해 SWAT(Soil and Water Assessment Tool), HSPF(Hydrological Simulation Program-FORTRAN), PRMS(Precipitation Runoff Modeling System)등 여러 수문 모형이 개발되었다. 이러한 수문 모형은 기상 및 지형자료 등 다양한 사용자 입력자료 등을 필요로 하고, 이를 바탕으로 모형 구동을 위한 변수들을 산정한다. 정확한 수문 및 수질 모의를 하기 위해서는 신뢰도 높은 입력자료 및 변수들을 필요로 하며 하천단면 입력자료 중에서 하천 유속과 수심은 수문·수질 모의에서 큰 비중을 차지한다. 미계측 유역에 대한 하천단면 실측자료를 구축하는 것은 많은 인력, 시간, 장비 등이 필요하기 때문에 수문·수질 모의를 위해 유역 및 하천 특성자료들을 이용하여 하천단면 입력자료를 산정하기 위한 연구가 필요하다. 수문 모형 중 우리나라에서 가장 많이 사용되고 있는 모형인 SWAT은 유역면적을 독립인자로 갖는 하천폭 산정 회귀식을 사용한다. 그러나 이 회귀식은 미국 지형을 기준으로 도출된 식이므로 국내의 실정을 반영하지 못하고 있다. 따라서 본 연구에서는 항공사진과 위성사진을 이용하여 국내 지형에 적합한 하천폭과 홍수터폭 산정 회귀식을 도출하였으며, 개선된 회귀식이 하천단면 입력자료 및 부유물질 발생량에 미치는 영향을 분석하였다.

Denoising Autoencoder 기반의 수위 데이터 품질 관리 프레임워크

지봉준 ( Bongjun Ji ),임경재 ( Kyoungjae Lim ),김종건 ( Jonggun Kim ),연재흠 ( Jaeheum Yeon ) 한국농공학회 2022 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2022 No.-

급변하는 기후변화로 홍수와 가뭄 등에 대응하기 위한 물관리의 중요성이 그 어느 때보다 중요해지고 있다. 수위 계측 데이터는 통합 물관리를 위한 기준이 되는 데이터로 물관리의 중요성이 증가하며 수위 계측 데이터의 중요성 또한 함께 증가하였다. 하지만 수위 계측 데이터는 센서의 오류로 인한 값의 누락 혹은 이상치의 측정, 또는 강력한 바람 등 외부 요인에 의해 실제 값과 다른 일시적 이상치가 측정되는 경우가 빈번하다. 이에 계측된 데이터의 값을 전처리 없이 그대로 사용할 경우, 잘못된 분석 결과와 의사결정을 낳을 수 있다. 본 연구는 이상 데이터를 제거하고 대체하기 위하여 Denoising Autoencoder 기법을 적용하였다. Denoising Autoencoder는 Autoencoder와 마찬가지로 Encoder와 Decoder로 구성되어 있으며, Input을 모사하는 인공신경망의 일종이다. Autoencoder와 달리 입력 데이터에 Noise를 추가함으로써 Noise에 둔감하고 Robust한 모델을 학습할 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 수위 계측 데이터의 이상치를 보정하는데 활용할 수 있다. Denoising Autoencoder를 포함하는 데이터 품질관리 프레임워크는 실제 수위 계측 데이터에 적용되었고 기존의 규칙 기반 방법과 비교하여 높은 성능을 보였다. 본 연구에서 제안한 프레임워크는 다음과 같은 기여가 있다. 1) Labeling된 데이터를 얻기 힘들며 정상 데이터가 대부분인 수위계측 데이터는 Denoising Autoencoder를 적용하기 적합함을 보였다. 2) 전문가가 규칙을 일일이 생성하고 수정할 필요가 없는 프레임 워크를 제안하였다. 3) 또한 규칙 기반의 품질관리 기법과 달리 학습 데이터의 양이 증가함에 따라 더 높은 성능을 보일 것으로 기대된다.

수질샘플빈도에 따른 산림유역의 오염부하특성분석

신용철 ( Yongchul Shin ),최중대 ( Joongdae Choi ),류창원 ( Kyoungjae Lim ),임경재 ( Changwon Lyou ),신민환 ( Minhwan Shin ),최용훈 ( Yonghun Choi ),김기성 ( Kisung Kim ),허성구 ( Sunggu Heo ) 한국농공학회 2006 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2006 No.-

Forest watershed, located in Chuncheon-si, Gangwon province, Korea, is selected to analyze characteristics of the pollutant loads with water quality sampling frequencies. In 2005, the yearly streamflow of the forest watershed was 43,265,325 ㎥ and 61% of that was intensively generated from June to September. Pollutant loads of T-N, NO₃-N, and T-P before and after rainy days were over twelve times greater than those during heavy rainy days. However, pollutant loads were not shown some obvious differences between them during rainy and dry days, respectively. When water quality frequencies were collected in the range of 4~32, relative errors of pollutant loads were highly shown over 13 to 31%, respectively. However, relative errors of T-N and NO₃-N, on which water sampling frequencies were augmented over 36~40 times, were shown less than 10% and those of T-P were gradually decreased by increasing of sampling frequencies. Therefore, it was strongly thought that over 3 to 5 of water samples during the single rainfall event and 35 to 40 of those during heavy rainy days should be collected to reduce uncertainty of monitoring information and gather some confidential data because concentration values were greatly influenced by the various contents such as the landuse, agricultural management and environmental condition.

국내 주요 수계에서 하천변동성에 미치는 기저유출의 영향

한정호(Han, Jeongho),성연정(Sung, Yeonjeong),임경재(Lim, KyoungJae),정영훈(Jung, Younghun) 한국지반환경공학회 2017 한국지반환경공학회 학술발표회논문집 Vol.2017 No.9

MODIS 이미지를 이용한 지표특성에 따른 토양수분의 시·공간적 분포 특성

김상우,신용철,이태화,이상호,최경숙,박윤식,임경재,김종건,Kim, Sangwoo,Shin, Yongchul,Lee, Taehwa,Lee, Sang-Ho,Choi, Kyung-Sook,Park, Younshik,Lim, Kyoungjae,Kim, Jonggun 한국농공학회 2017 한국농공학회논문집 Vol.59 No.6

In this study, we analyzed the impacts of land surface characteristics on spatially and temporally distributed soil moisture values at the Yongdam and Soyang-river dam watersheds in 2014 and 2015. The soil moisture, NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) and temperature values at the spatio-temporal scales were estimated using satellite-based MODIS (MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer) products. Then the Pearson correlations between soil moisture and land surface characteristics (NDVI, temperature and DEM-digital elevation model) were estimated and analyzed, respectively. Overall, the monthly soil moisture values at the time step were highly influenced by the precipitation amounts. Also, the results showed that the soil moisture has the strong correlation with DEM while the temperature was inversely correlated with the soil moisture. However the monthly correlations between NDVI and soil moisture were highly varied along the time step. These findings indicated that water loss near the land surface are highly occurred by soil and plant activities as evapotranspiration and infiltration during the no/less precipitation period. But the high precipitation amounts reduce the impacts of land surface characteristics because of saturated condition of land surface. Thus these results demonstrated that soil moisture values are highly correlated with land surface characteristics. Our findings can be useful for water resources/environmental management, agricultural drought, etc.

저수구역 경작지 토양의 유기물 및 영양염류 용출특성 분석

유나영 ( Yu Nayeong ),신민환 ( Shin Minhwan ),임정하 ( Lim Jungha ),금동혁 ( Kum Donghyuk ),남창동 ( Nam Changdong ),임경재 ( Lim Kyoungjae ),김종건 ( Kim Jonggun ) 한국농공학회 2021 한국농공학회논문집 Vol.63 No.1

Soils in agricultural lands contain large amount of organic matter and nutrients due to the injected fertilizers and manure. During heavy rain, surface water and base runoff pollutants flows into a nearby stream or lake with eroded soil from agricultural lands. On the other hands, agricultural lands near the lake are inundated due to the increase of the water level in the lake, leading to organic matter and nutrient release from the inundated soil. In this study, releasing rates of nutrient salts and organic substances were analyzed for the soil in the agricultural land, where cultivation activities has been carried out and periodically flooded, to account for the possibility of contamination from the inundated agricultural land in reservoir areas The experiment results have shown that COD was released from the soil in anaerobic conditions, and T-P was released in both anaerobic and aerobic conditions. However, in the case of T-N, it was found that the runoff by soil was not made before the rainfall occurred, and when the soil was impound due to rainfall, the elution occurred under the aerobic conditions. Through the results of this study, it was possible to account for the effect of flooded agricultural lands on the water quality in the lake, and this could be reflected in an efficient agricultural non-point pollution management policy. In order to determine the precise releasing rate for each agricultural land, it is believed that the leaching experiment for paddy fields and grasslands are needed.