• Research Article

    Implementation on the evolutionary machine learning approaches for streamflow forecasting: case study in the Seybous River, Algeria

    유출예측을 위한 진화적 기계학습 접근법의 구현: 알제리 세이보스 하천의 사례연구

    Zakhrouf, Mousaab, Bouchelkia, Hamid, Stamboul, Madani, Kim, Sungwon, Singh, Vijay P.

    자크로프 마샵, 보첼키아 하미드, 스탬바울 마대니, 김성원, 싱 비제이

    This paper aims to develop and apply three different machine learning approaches (i.e., artificial neural networks (ANN), adaptive neuro-fuzzy inference systems ...

    본 연구논문은 북부아프리카의 알제리에 위치한 하천유역에서 다중선행일 유출량의 예측을 위하여 진화적 최적화기법과 k-fold 교차검증을 결합한 세 개의 서로 다른 기계학습 접근법 (인공신경망 ...

    + READ MORE
    This paper aims to develop and apply three different machine learning approaches (i.e., artificial neural networks (ANN), adaptive neuro-fuzzy inference systems (ANFIS), and wavelet-based neural networks (WNN)) combined with an evolutionary optimization algorithm and the k-fold cross validation for multi-step (days) streamflow forecasting at the catchment located in Algeria, North Africa. The ANN and ANFIS models yielded similar performances, based on four different statistical indices (i.e., root mean squared error (RMSE), Nash-Sutcliffe efficiency (NSE), correlation coefficient (R), and peak flow criteria (PFC)) for training and testing phases. The values of RMSE and PFC for the WNN model (e.g., RMSE = 8.590 m3/sec, PFC = 0.252 for (t+1) day, testing phase) were lower than those of ANN (e.g., RMSE = 19.120 m3/sec, PFC = 0.446 for (t+1) day, testing phase) and ANFIS (e.g., RMSE = 18.520 m3/sec, PFC = 0.444 for (t+1) day, testing phase) models, while the values of NSE and R for WNN model were higher than those of ANNs and ANFIS models. Therefore, the new approach can be a robust tool for multi-step (days) streamflow forecasting in the Seybous River, Algeria.


    본 연구논문은 북부아프리카의 알제리에 위치한 하천유역에서 다중선행일 유출량의 예측을 위하여 진화적 최적화기법과 k-fold 교차검증을 결합한 세 개의 서로 다른 기계학습 접근법 (인공신경망, 적응 뉴로퍼지 시스템, 그리고 웨이블릿 기반 신경망)을 개발하고 적용하는 것이다. 인공신경망과 적응 뉴로퍼지 시스템은 root mean squared error (RMSE), Nash-Sutcliffe efficiency (NSE), correlation coefficient (R), 그리고 peak flow criteria (PFC) 의 네 개의 통계지표를 기반으로 하여 모형의 훈련 및 테스팅 결과 유사한 모형수행결과를 나타내었다. 웨이블릿 기반 신경망모형은 하루선행일 테스팅의 결과 RMSE = 8.590 m3/sec 과 PFC = 0.252 로 분석되어서 인공신경망의 RMSE = 19.120 m3/sec, PFC = 0.446 과 적응 뉴로퍼지 시스템의 RMSE = 18.520 m3/sec, PFC = 0.444 보다 양호한 결과를 나타내었고, NSE와 R의 값도 웨이블릿 기반 신경망모형이 우수한 것으로 나타났다. 그러므로 웨이블릿 기반 신경망은 알제리 세이보스 하천에서 다중선행일의 예측을 위하여 효율적인 도구로 사용할 수 있다.

    - COLLAPSE
    June 2020
  • Research Article

    Evaluation of near-realtime weekly root-zone Soil Moisture Index (SMI) for the extreme climate monitoring web-service across East Asia

    동아시아 이상기후 감시 서비스를 위한 지면모형 기반 준실시간 토양수분지수평가

    Chun, Jong Ahn, Lee, Eunjeong, Kim, Daeha, Kim, Seon Tae, Lee, Woo-Seop

    전종안, 이은정, 김대하, 김선태, 이우섭

    An extreme climate monitoring is essential to the reduction of socioeconomic damages from extreme events. The objective of this study was to ...

    최근 증가하고 있는 이상기후현상으로 인한 사회․경제적 피해를 줄이기 위해 이상기후 감시가 필수적이다. 이 연구의 목적은 Noah 3.3 지면모형으로 추정한 토양수분자료를 ...

    + READ MORE
    An extreme climate monitoring is essential to the reduction of socioeconomic damages from extreme events. The objective of this study was to produce the near-realtime weekly root-zone Soil Moisture Index (SMI) on the basis of soil moisture using the Noah 3.3 Land Surface Model (LSM) for potentially monitoring extreme drought events. The Yangtze basin was selected to evaluate the Noah LSM performance for the East Asia region (15-60°N, 70-150°E) and the evapotranspiration (ET) and sensible heat flux (SH) were compared with ET and SH from FluxNet and with ET from FluxCom, Global Land Evaporation Amsterdam Model (GLEAM), ERA-5, and Generalized Complementary Relationship (GCR). For the ET, the coefficients of determination (R2) were higher than 0.96, while the R2 value for the SH was 0.71 with slightly lower than those. A time series of the weekly root-zone SMI revealed that the regions with Extreme drought had been expanded from the northern part of East China to the entire East China between July to October 2019. The trend analysis of the number of extreme drought events showed that extreme drought events in spring had reduced in South Korea over the past 20 years, while those in fall had a tendency to increase. It is concluded that this study can be useful to reduce the socioeconomic damages resulted from climate extremes by comprehensively characterizing extreme drought events.


    최근 증가하고 있는 이상기후현상으로 인한 사회․경제적 피해를 줄이기 위해 이상기후 감시가 필수적이다. 이 연구의 목적은 Noah 3.3 지면모형으로 추정한 토양수분자료를 활용하여 준실시간 주간 근역층 토양수분지수(Soil Moisture Index, SMI)를 산정하는데 있다. 동아시아영역(15-60°N, 70-150°E)에 대해 Noah 3.3 지면모형의 적용성을 평가하기 위해 양쯔강유역을 선정하였으며, 해당 유역에서 증발산과 현열을 FluxNet, FluxCom, Global Land Evaporation Amsterdam Model (GLEAM), ERA-5, Generalized Complementary Relationship (GCR)자료를 이용하여 비교․평가하였다. 양쯔강 유역에서 Noah 지면모형으로 추정한 증발산은 FluxNet, FluxCom, GLEAM, ERA-5, GCR에 의한 증발산과 0.96이상의 매우 높은 결정계수의 값을 보였으며, 현열의 경우에는 FluxNet 현열 자료와 0.71의 결정계수로 증발산 보다 다소 낮은 값을 보였다. 주간 근역층 SMI 시계열로부터 2019년 7월부터 10월까지 중국의 동부지역에서 극한가뭄(Extreme drought)이 확장되는 현상이 관측되었다. 월별 극한가뭄 발생일수의 트렌드 분석결과, 우리나라의 경우 봄철에는 극한가뭄이 지난 20년 동안 대체로 감소하는 경향이 나타났으나, 가을철에는 한반도 전역에 걸쳐 증가하는 경향이 나타났다. 이 연구가 가뭄의 시·공간적 지속성 및 확장성과 최근 가뭄발생의 경향성 등을 종합적으로 분석하고 판단하여, 가뭄으로 인한 사회․경제적 피해를 줄이기 위한 적절한 대책 마련에 활용성이 클 것으로 기대된다.

    - COLLAPSE
    June 2020
  • Research Article

    Areal average rainfall estimation method using multiple elevation data of an electromagnetic wave rain gauge

    전파강수계의 다중 고도각 자료를 이용한 면적 평균 강우 추정 기법

    Lim, Sanghun, Choi, Jeongho, Kim, Won

    임상훈, 최정호, 김원

    In order to predict and prevent hydrological disasters such as flood, it is necessary to accurately estimate rainfall. In this paper, an ...

    홍수와 같은 수문 재해를 예측하고 예방하기 위해서는 강우량을 정확하게 추정해야한다. 본 연구에서는 전파강수계의 다중 고도 관측 데이터를 사용한 면적 평균 강우량 추정 ...

    + READ MORE
    In order to predict and prevent hydrological disasters such as flood, it is necessary to accurately estimate rainfall. In this paper, an areal average rainfall estimation method using multiple elevation observation data of an electromagnetic wave rain gauge is presented. The small electromagnetic rain gauge system is a very small precipitation radar that operates at K-band with dual-polarization technology for very short distance observation. The areal average rainfall estimation method is based on the assumption that the variation in rainfall over the observation range is small because the observation distance and time are very short. The proposed method has been evaluated by comparing with ground instruments such as tipping-bucket rain gauges and a Parsivel. The evaluation results show that the methodology works fairly well for the rainfall events which are shown here.


    홍수와 같은 수문 재해를 예측하고 예방하기 위해서는 강우량을 정확하게 추정해야한다. 본 연구에서는 전파강수계의 다중 고도 관측 데이터를 사용한 면적 평균 강우량 추정 방법을 개발하였다. 소형 전파강수시스템은 K 대역 이중 편파 기술을 사용하여 매우 짧은 거리를 관측하는 소형 레이더이다. 면적 평균 강우 추정 방법은 관측 거리와 시간이 매우 짧기 때문에 관측 범위에서 강우 변동이 작다는 가정을 기반으로 한다. 제안된 방법은 지상우량계 및 파시벨우적계와 같은 지상 장비와 비교하여 평가되었다. 비교 평가된 강우 사상들에 대해 전파강수계로부터 추정된 평균강우와 지상장비로부터 관측된 강우량이 잘 일치함을 보여준다.

    - COLLAPSE
    June 2020
  • Research Article

    Projecting future hydrological and ecological droughts with the climate and land use scenarios over the Korean peninsula

    기후 및 토지이용 변화 시나리오 기반 한반도 미래 수문학적 및 생태학적 가뭄 전망

    Lee, Jaehyeong, Kim, Yeonjoo, Chae, Yeora

    이재형, 김연주, 채여라

    It is uncertain how global climate change will influence future drought characteristics over the Korean peninsula. This study aims to project the ...

    기후 변화는 한반도 가뭄 특성에 영향을 미칠 것으로 예측되지만 불확실성이 존재한다. 이에, 본 연구는 지면 모델링 시스템 중 하나인 WRF-Hydro 모형에 기후변화와 ...

    + READ MORE
    It is uncertain how global climate change will influence future drought characteristics over the Korean peninsula. This study aims to project the future droughts using climate change and land use change scenarios over the Korean peninsula with the land surface modeling system, i.e., Weather Research and Forecasting Model Hydrological modeling system (WRF-Hydro). The Representative Concentration Pathways (RCPs) 2.6 and 8.5 are used as future climate scenarios and the Shared Socio-economic Pathways (SSPs), specifically SSP2, is adopted for the land use scenario. The using Threshold Level Method (TLM), we identify future hydrological and ecological drought events with runoff and Net Primary Productivity (NPP), respectively, and assess drought characteristics of durations and intensities in different scenarios. Results show that the duration of drought is longer over RCP2.6-SSP2 for near future (2031-2050) and RCP8.5-SSP2 (2080-2099) for the far future for hydrological drought. On the other hand, RCP2.6-SSP2 for the far future and RCP8.5-SSP2 for the near future show longer duration for ecological drought. In addition, the drought intensities in both hydrological and ecological drought show different characteristics with the drought duration. The intensity of the hydrological droughts was greatly affected by threshold level methods and RCP2.6-SSP2 for far future shows the severest intensity. However, for ecological drought, the difference of the intensity among the threshold level is not significant and RCP2.6-SSP2 for near future and RCP2.6-SSP2 for near future show the severest intensity. This study suggests a possible future drought characteristics is in the Korea peninsula using combined climate and land use changes, which will help the community to understand and manage the future drought risks.


    기후 변화는 한반도 가뭄 특성에 영향을 미칠 것으로 예측되지만 불확실성이 존재한다. 이에, 본 연구는 지면 모델링 시스템 중 하나인 WRF-Hydro 모형에 기후변화와 토지이용 시나리오를 이용하여 한반도 미래 가뭄을 예측하는 것을 목표로 하였다. 기후 변화 자료는 RCP2.6과 RCP8.5 시나리오, 지표면 변화 자료는 공통사회경제경로(Shared Socio-economic Pathway, SSP) 시나리오를 사용하였다. 임계수준 방법을 적용하여 유출량과 순 일차 생산량(Net Primary Productivity, NPP)값을 이용한 미래 수문학적 가뭄과 생태학적 가뭄을 정의하였고, 각 시나리오 별 가뭄의 기간과 강도의 특성을 평가하였다. 수문학적 가뭄 기간은 RCP2.6-SSP2 가까운 미래(2031-2050)와 RCP8.5-SSP2 먼 미래(2080-2099) 시나리오에서, 생태학적 가뭄 기간은 RCP2.6-SSP2 먼 미래와 RCP8.5-SSP2 가까운 미래에서 긴 가뭄 기간을 보였다. 가뭄 강도는 가뭄 기간과 다르게, 두 가뭄 모두 RCP2.6-SSP2 먼 미래와 RCP8.5-SSP2 가까운 미래에서 큰 강도를 보였다. 수문학적 가뭄의 경우 RCP2.6-SSP2 먼 미래가 가장 심도가 크고 임계수준의 크기의 영향을 많이 받았다. 그러나 생태학적 가뭄 심도는 RCP2.6-SSP2 가까운 미래와 RCP2.6-SSP2 먼 미래에서 큰 심도를 보이고, 임계 수준에 따른 심도 크기의 시나리오 별 차이는 작았다. 이 연구는 기후변화와 토지이용변화에 따른 한반도 미래 수문학적 및 생태학적 가뭄 특성을 이해하고 관리하는데 도움이 될 것으로 기대된다.

    - COLLAPSE
    June 2020
  • Research Article

    Accounting for zero flows in probabilistic distributed hydrological modeling for ephemeral catchment

    무유출의 고려를 통한 간헐하천 유역에 확률기반의 격자형 수문모형의 구축

    Lee, DongGi, Ahn, Kuk-Hyun

    이동기, 안국현

    This study presents a probabilistic distributed hydrological model for Ephemeral catchment, where zero flow often occurs due to the influence of distinct ...

    본 연구에서는 우리나라의 기후 특성의 영향으로 종종 발생하는 무유출량의 간헐하천 유역(Ephemeral catchment)에 확률기반 격자형 수문 모형을 구축하였다. 격자형 모형의 구축을 ...

    + READ MORE
    This study presents a probabilistic distributed hydrological model for Ephemeral catchment, where zero flow often occurs due to the influence of distinct climate characteristics in South Korea. The gridded hydrological model is developed by combining the Sacramento Soil Moisture Accounting Model (SAC-SMA) runoff model with a routing model. In addition, an error model is employed to represent a probabilistic hydrologic model. To be specific, the hydrologic model is coupled with a censoring error model to properly represent the features of ephemeral catchments. The performance of the censoring error model is evaluated by comparing it with the Gaussian error model, which has been utilized in a probabilistic model. We first address the necessity to consider ephemeral catchments through a review of the extensive research conducted over the recent decade. Then, the Yongdam Dam catchment is selected for our study area to confirm the usefulness of the hydrologic model developed in this study. Our results indicate that the use of the censored error model provides more reliable results, although the two models considered in this study perform reliable results. In addition, the Gaussian model delivers many negative flow values, suggesting that it occasionally offers unrealistic estimations in hydrologic modeling. In an in-depth analysis, we find that the efficiency of the censored error model may increase as the frequency of zero flow increases. Finally, we discuss the importance of utilizing the censored error model when the hydrologic model is applied for ephemeral catchments in South Korea.


    본 연구에서는 우리나라의 기후 특성의 영향으로 종종 발생하는 무유출량의 간헐하천 유역(Ephemeral catchment)에 확률기반 격자형 수문 모형을 구축하였다. 격자형 모형의 구축을 위하여 Sacramento Soil Moisture Accounting Model (SAC-SMA) 유출 모형을 사용하였으며 라우팅 모형의 결합으로 격자형 강우-유출 모형을 구축하였다. 확률 모형의 표현을 위하여 에러 모형을 결합시켰으며 간헐하천 유역에 적합하게 표현하기 위해서 검열된 오류 모형(censoring error model)을 사용하였다. 기존에 많이 사용되는 정규화된 오류 모형과의 비교를 통하여 본 연구에서 구축한 모형의 적합성을 평가하였다. 먼저 과거 주된 연구와 유역에 대한 검토를 통하여 그 필요성을 논하였으며 우리나라에서 수문 모형에 많이 사용되는 용담댐을 선정하여 수문 모형을 구축하였다. 결과적으로 본 연구에서 구축한 두개의 모형이 둘 다 신뢰할 만한 결과를 보여주지만 검열된 오류 모형의 사용이 더욱 적합한 결과를 보여주는 것을 확인하였다. 이 과정에서 기존의 방법론은 확률 기반의 유출량의 표현에 있어서 0 이하의 음수값을 상당히 표현하였으며 이는 현실이지 못한 수문 모델링의 표현을 의미한다. 본 연구에서는 또한 두 모형의 심층적인 비교를 위하여 심화된 간헐하천 유역을 구축하고 수문 모델링을 하였다. 결과적으로 무유출의 빈도 증가에 따라 무유출량을 고려하는 검열된 오류 모형의 효율이 증가하는 것을 알 수 있었다. 본 연구에서 얻은 결과는 우리나라의 수문 모델링에 있어서 간헐하천 유역에 대한 고려가 필요하다는 것을 의미한다.

    - COLLAPSE
    June 2020
  • Research Article

    An experimental study on characteristics of hydraulic stability for stable management prepare continuous flood in Shinwol rainwater storage and drainage system

    신월 빗물저류배수시설의 연속강우 대비 안정적 운영을 위한 수리적 안정 특성에 대한 실험 연구

    Oh, Jun Oh, Kim, Young Do, Jun, Sang Mi

    오준오, 김영도, 전상미

    Urban flooding due to rapid urbanization has recently become frequent. In this study, a hydraulic model experiment was conducted on Shinwol rainwater ...

    급격한 도시화로 인한 도시홍수가 최근 들어 자주 발생하고 있다. 본 연구에서는 도시홍수를 방어하기 위해 국내최초로 건설중인 신월 빗물저류배수시설을 대상으로 수리모형실험을 실시하였다. 총 ...

    + READ MORE
    Urban flooding due to rapid urbanization has recently become frequent. In this study, a hydraulic model experiment was conducted on Shinwol rainwater storage and drainage system constructed for the first time in South Korea to prevent urban flooding. Experiments were preformed for 55 scenarios, of which 19 overflows occurred. In addition, the video analysis for the scenarios where the overflow occurred showd that the overflow occurred during the process of exhausting the pressurized air in the facility and the undular bore were moving. Results of this study, it was judge that it would be advantageous to maintain a completely drained or full-pipe condition for stable operation of the Shinwol rainwater storage and drainage system for continuous rainfall in the future. And it is necessary to additional research on the correlation for the magnitude of inflow discharge, overflow and undular bore.


    급격한 도시화로 인한 도시홍수가 최근 들어 자주 발생하고 있다. 본 연구에서는 도시홍수를 방어하기 위해 국내최초로 건설중인 신월 빗물저류배수시설을 대상으로 수리모형실험을 실시하였다. 총 55가지 시나리오에 대한 실험을 실시하였는데 그 중 19가지 시나리오에서 월류가 발생하였다. 또한 월류가 발생한 시나리오에 대한 비디오 분석결과, 불규칙 단파가 이동하면서 시설 내 압축공기를 배기시키는 과정에 월류가 발생하는 것으로 분석되었다. 본 연구 결과를 바탕으로 향후 연속강우에 대한 신월 빗물저류배수시설에 대한 안정적 운영을 위해서 완전배수 또는 만관상태를 유지하는 것이 유리할 것으로 판단되고 유입유량의 크기, 월류, 불규칙 단파간의 상관관계에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.

    - COLLAPSE
    June 2020
  • Technical Note

    Applications of image analysis techniques for the drone photography in water resources engineering

    무인항공 촬영 영상분석 기술의 수자원기술 분야 적용

    Kim, Hyung Ki, Kwon, Hyuk Jae

    김형기, 권혁재

    The main feature of this study is to automatically synthesize square images by sending aerial photographs and images from unmanned aerial vehicles ...

    본 연구의 주요 특징은 무인항공기(드론)등에서 취득되는 항공사진과 영상을 클라우드 서버에 전송하여 자동으로 정사영상을 합성하고 영상 촬영의 목적에 적합한 분석알고리즘을 적용하는 ...

    + READ MORE
    The main feature of this study is to automatically synthesize square images by sending aerial photographs and images from unmanned aerial vehicles (drons). It may be applicable to the cloud server, and to apply analytical algorithms for the suitable purpose of image processing. Drone imaging analysis is a process that can be used in various fields such as finding contaminated area of green algae, monitoring forest fire, and managing crop cultivation.


    본 연구의 주요 특징은 무인항공기(드론)등에서 취득되는 항공사진과 영상을 클라우드 서버에 전송하여 자동으로 정사영상을 합성하고 영상 촬영의 목적에 적합한 분석알고리즘을 적용하는 것이다. 개발된 무인항공 촬영영상 분석은 녹조, 산불감시, 작물재배 상태 등 다양한 분야에 활용이 가능한 영상분석 프로세스이다.

    - COLLAPSE
    June 2020