• Research Article

    Spatiotemporal chlorine residual prediction in water distribution networks using a hierarchical water quality simulation technique

    계층적 수질모의기법을 이용한 상수관망시스템의 시공간 잔류염소농도 예측

    Jeong, Gimoon, Kang, Doosun, Hwang, Taemun

    정기문, 강두선, 황태문

    Recently, water supply management technology is highly developed, and a computer simulation model plays a critical role for estimating hydraulics and water ...

    최근 국내 상수도 관리 기술은 고도로 발달하고 있으며, 이 과정에서 상수관망 내 용수공급 현황을 파악하고 예측하기 위한 컴퓨터 수리·수질 해석모형은 핵심적인 ...

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    Recently, water supply management technology is highly developed, and a computer simulation model plays a critical role for estimating hydraulics and water quality in water distribution networks (WDNs). However, a simulation of complex large water networks is computationally intensive, especially for the water quality simulations, which require a short simulation time step and a long simulation time period. Thus, it is often prohibitive to analyze the water quality in real-scale water networks. In this study, in order to improve the computational efficiency of water quality simulations in complex water networks, a hierarchical water-quality-simulation technique was proposed. The water network is hierarchically divided into two sub-networks for improvement of computing efficiency while preserving water quality simulation accuracy. The proposed approach was applied to a large-scale real-life water network that is currently operating in South Korea, and demonstrated a spatiotemporal distribution of chlorine concentration under diverse chlorine injection scenarios.


    최근 국내 상수도 관리 기술은 고도로 발달하고 있으며, 이 과정에서 상수관망 내 용수공급 현황을 파악하고 예측하기 위한 컴퓨터 수리·수질 해석모형은 핵심적인 역할을 수행하고 있다. 그러나 대규모 네트워크의 경우 컴퓨터 해석모형의 부담을 가중하고, 특히 짧은 계산시간 간격과 긴 모의시간이 요구되는 수질해석의 경우, 막대한 계산시간이 소요되어 다양한 수질모의 및 분석이 어려운 경우가 발생한다. 본 연구에서는 대규모 상수관망시스템의 수질해석의 계산효율을 개선하기 위해 상수도 공급계통을 2단계로 계층화한 후, 계층화된 네트워크를 대상으로 수질모의를 수행하는 계층적 수질모의 기법을 제안하였다. 제안된 모의기법은 국내 대규모 상수도 네트워크에 적용하였으며, 다양한 염소투입농도 시나리오에 따른 잔류염소농도의 시공간적 분포를 모의하고 분석한 결과를 제시하였다.

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    September 2021
  • Research Article

    Evaluation of InVEST habitat quality model using aquatic ecosystem health data

    수생태계 건강성 자료를 이용한 InVEST habitat quality 모델 적용성 평가

    Lee, Jiwan, Woo, Soyoung, Kim, Yongwon, Park, Jongyoon, Kim, Seongjoon

    이지완, 우소영, 김용원, 박종윤, 김성준

    Ecosystem biodiversity is rapidly being lost due to changes in habitat, fragmentation of habitat, climate change, and land use changes by human ...

    인간활동으로 인해 서식처의 변화, 서식처의 파편화를 비롯하여 기후변화, 토지이용의 변화 등으로 생태계 생물 다양성은 빠르게 손실되고있는 상황이다. 최근 들어 유역의 건전성을 확보하기 ...

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    Ecosystem biodiversity is rapidly being lost due to changes in habitat, fragmentation of habitat, climate change, and land use changes by human activities. Recently, attempts have been made to approach the watershed management level to secure the health of the watershed, but studies on how to approach biodiversity and habitat management are still in lack. The purpose of this study is to evaluate the habitat quality of Geum river basin using Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs (InVEST) habitat quality model. The results of habitat quality was verified to eco-natural map and ecological watershed health evaluation results. The habitat quality of watershed was evaluated from 0 to 0.86 and the results showed that habitat quality was higher in upstream than downstream. Compared the habitat quality value in each eco-natural grade, the average habitat quality of 1st, 2nd and 3rd grades were 0.80, 0.76 and 0.71 respectively. The results of the correlation analysis with ecological watershed health data, the coefficient of determination (R2) was 0.58, and the person coefficient was 0.76. The results of this study may be used as foundation data to support habitat protection and implementation of long-term biodiversity-related policies.


    인간활동으로 인해 서식처의 변화, 서식처의 파편화를 비롯하여 기후변화, 토지이용의 변화 등으로 생태계 생물 다양성은 빠르게 손실되고있는 상황이다. 최근 들어 유역의 건전성을 확보하기 위해 유역관리 차원에서 접근하려는 시도가 시작되었으나 어떠한 수단을 통해 생물다양성과 서식처 관리에 대하여 접근할 수 있는지에 대한 연구는 아직 부족한 실정이다. 본 연구의 목적은 금강유역을 대상으로 Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs (InVEST) habitat quality model을 이용하여 유역의 서식처 질을 평가하는 것이다. 서식처 평가결과는 생태·자연도 및 수생태 건전성 평가결과와의 비교분석을 통해 검증되었다. 금강유역의 서식처 질은 0.0 ~ 0.86으로 분석되었으며, 유역의 하류보다 상류에서 서식처 질이 더 높은 것으로 나타났다. 생태·자연도 등급별 평균 서식처 질을 비교한 결과 1등급, 2등급, 3등급에서 각각 0.80, 0.76, 0.71이었다. 수생태 건전성 결과와의 상관성 분석결과 R2은 0.58, Pearson 상관계수는 0.76 였다. 본 연구의 결과는 향후 서식처 보호의 강화와 장기적인 생물 다양성 관련 정책의 실행을 지원하는 기초자료로 활용될 수 있다.

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    September 2021
  • Research Article

    Comparative assessment of frost event prediction models using logistic regression, random forest, and LSTM networks

    로지스틱 회귀, 랜덤포레스트, LSTM 기법을 활용한 서리예측모형 평가

    Chun, Jong Ahn, Lee, Hyun-Ju, Im, Seul-Hee, Kim, Daeha, Baek, Sang-Soo

    전종안, 이현주, 임슬희, 김대하, 백상수

    We investigated changes in frost days and frost-free periods and to comparatively assess frost event prediction models developed using logistic regression (LR ...

    이 연구의 목적은 서리 발생일과 무상일 기간의 특성을 분석하고 로지스틱 회귀, 랜덤 포레스트, Long-short Term Memory (LSTM) 기법을 활용하여 서리발생 예측모델을 개발하고 ...

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    We investigated changes in frost days and frost-free periods and to comparatively assess frost event prediction models developed using logistic regression (LR), random forest (RF), and long short-term memory (LSTM) networks. The meteorological variables for the model development were collected from the Suwon, Cheongju, and Gwangju stations for the period of 1973-2019 for spring (March - May) and fall (September - November). The developed models were then evaluated by Precision, Recall, and f-1 score and graphical evaluation methods such as AUC and reliability diagram. The results showed that significant decreases (significance level of 0.01) in the frequencies of frost days were at the three stations in both spring and fall. Overall, the evaluation metrics showed that the performance of RF was highest, while that of LSTM was lowest. Despite higher AUC values (above 0.9) were found at the three stations, reliability diagrams showed inconsistent reliability. A further study is suggested on the improvement of the predictability of both frost events and the first and last frost days by the frost event prediction models and reliability of the models. It would be beneficial to replicate this study at more stations in other regions.


    이 연구의 목적은 서리 발생일과 무상일 기간의 특성을 분석하고 로지스틱 회귀, 랜덤 포레스트, Long-short Term Memory (LSTM) 기법을 활용하여 서리발생 예측모델을 개발하고 평가하는데 있다. 수원, 청주, 광주 지점에서 봄철과 가을철 서리발생 예측모델 개발을 위한 기상변수들을 수집하였으며, 수집기간은 1973년부터 2019년까지이다. 프리시전(precision), 리콜(Recall), f-1 스코어와, AUC 및 Reliability Diagram과 같은 그래피컬 평가기법을 이용해 서리발생 예측모델을 평가하였다. 봄철과 가을철 모두 서리발생일이 줄어드는 경향성(유의수준: 0.01)을 보였다. 0.9 이상의 높은 AUC 값에도 불구하고, 신뢰도는 일정한 값을 보여주지는 않았다. 서리발생일 측뿐만 아니라, 초상일과 종상일을 정확히 예측할 수 있도록 모형 개선이 필요해 보이며, 다른 지역의 더 많은 지점에서 동일한 기법을 적용해 보는 연구가 필요해 보인다.

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    September 2021
  • Research Article

    Conceptual eco-hydrological model reflecting the interaction of climate-soil-vegetation-groundwater table in humid regions

    습윤 지역의 기후-토양-식생-지하수위 상호작용을 반영한 개념적인 생태 수문 모형

    Choi, Jeonghyeon, Kim, Sangdan

    최정현, 김상단

    Vegetation processes have a significant impact on rainfall runoff processes through evapotranspiration control, but are rarely considered in the conceptual lumped hydrological ...

    식생 프로세스는 증발산 제어를 통해 강우 유출 프로세스에 상당한 영향을 미치지만, 개념적인 집중형 수문 모형에서는 거의 고려되지 않는다. 본 연구는 인공위성에서 원격으로 ...

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    Vegetation processes have a significant impact on rainfall runoff processes through evapotranspiration control, but are rarely considered in the conceptual lumped hydrological model. This study evaluated the model performance of the Hapcheon Dam watershed by integrating the ecological module expressing the leaf area index data sensed remotely from the satellite into the hydrological partition module. The proposed eco-hydrological model has three main features to better represent the eco-hydrological process in humid regions. 1) The growth rate of vegetation is constrained by water shortage stress in the watershed. 2) The maximum growth of vegetation is limited by the energy of the watershed climate. 3) The interaction of vegetation and aquifers is reflected. The proposed model simultaneously simulates hydrologic components and vegetation dynamics of watershed scale. The following findings were found from the validation results using the model parameters estimated by the SCEM algorithm. 1) Estimating the parameters of the eco-hydrological model using the leaf area index and streamflow data can predict the streamflow with similar accuracy and robustness to the hydrological model without the ecological module. 2) Using the remotely sensed leaf area index without filtering as input data is not helpful in estimating streamflow. 3) The integrated eco-hydrological model can provide an excellent estimate of the seasonal variability of the leaf area index.


    식생 프로세스는 증발산 제어를 통해 강우 유출 프로세스에 상당한 영향을 미치지만, 개념적인 집중형 수문 모형에서는 거의 고려되지 않는다. 본 연구는 인공위성에서 원격으로 감지된 엽면적지수 자료를 표현하는 생태 모듈을 수문 분할 모듈에 통합하여 합천댐 유역에 대한 모형 성능을 평가하였다. 제안된 생태 수문 모형은 습윤 지역의 생태수문 프로세스를 더 잘 표현하기 위하여 크게 세 가지 주요한 특징을 가진다. 1) 식생의 성장률은 유역의 물 부족 스트레스에 의해 제약을 받는다. 2) 식생의 최대 성장은 유역 기후에 의한 에너지에 의해 제약을 받는다. 3) 식생과 대수층의 상호작용이 반영된다. 제안된 모형은 유역 단위의 수문 성분과 식생 동역학을 동시에 모의한다. SCEM 알고리즘에 의해 추정된 모형 매개변수를 이용한 검증 결과로부터 아래와 같은 발견할 수 있었다. 1) 엽면적지수와 하천유량 자료를 이용하여 생태수문모형의 매개변수를 추정하는 것이 생태 모듈이 없는 수문 모형과 비슷한 정확도 및 견고함으로 하천유량을 예측할 수 있다. 2) 필터링이 안된 원격으로 감지된 엽면적지수를 그대로 입력자료로 이용하는 것은 하천유량 예측에 도움이 안된다. 3) 통합된 생태수문모형은 엽면적지수의 계절적인 변동성에 대한 우수한 추정치를 제공할 수 있다.

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    September 2021
  • Research Article

    Spatial assessment of heat wave and river water quality

    폭염과 하천 수질의 공간적 평가

    Lee, Jiwan, Kim, Sehoon, Han, Daeyoung, Shin, Hyungjin, Lim, Hyeokjin, Kim, Seongjoon

    이지완, 김세훈, 한대영, 신형진, 임혁진, 김성준

    The purpose of this study is to evaluate the relationship between heat wave and river water quality. The daily maximum air temperature ...

    본 연구는 폭염과 하천수질과의 상관성을 평가하기 위한 것이다. 기상청 91개의 기상관측소의 일 최고기온 과 환경부 수질관측망 918개에 대한 13개의 하천수질인자(DO, BOD ...

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    The purpose of this study is to evaluate the relationship between heat wave and river water quality. The daily maximum air temperature (Tmax) of 91 meteorological stations of the Korea Meteorological Administration and 13 river water quality factors (DO, BOD, COD, TOC, TN, DTN, NH4-N, NO2-N, NO3-N, TP, DTP, PO4-P, Chl-a) of Ministry of Environment were analyzed. The correlation analysis was performed on Tmax and water quality factors, and the determination coefficients (R2) of DO, Chl-a, and TN with Tmax showed high values of 0.782, 0.609, and 0.691 respectively. To analyze the spatial impact between heat waves and water quality factors, the heat wave intensity (HWI) and heat wave duration (HWD) were calculated using the Tmax. The hotspot and spatial statistical analyses were applied for spatial impact evaluation. As a result of hotspot analysis, the heat wave index (HWD, HWI) showed high spatial pattern in the downstream of Nakdong River basin, and Chl-a and TN showed the same pattern. In case of spatial statistical analysis for water quality due to heat wave, the most obvious spatial variability was DO.


    본 연구는 폭염과 하천수질과의 상관성을 평가하기 위한 것이다. 기상청 91개의 기상관측소의 일 최고기온 과 환경부 수질관측망 918개에 대한 13개의 하천수질인자(DO, BOD, COD, TOC, TN, DTN, NH4-N, NO2-N, NO3-N, TP, DTP, PO4-P, Chl-a)를 대상으로 분석하였다. 최고기온과 수질인자에 대한 상관성 분석을 수행하였으며, DO, Chl-a, T-N의 상관계수(R2)가 0.782, 0.609, 0.691로 가장 높은 상관성을 나타내었다. 폭염과 수질인자 간의 공간적 영향 분석을 위해, 일 최고기온을 이용하여 폭염강도(heat wave intensity, HWI)와 폭염지속시간(heat wave duration, HWD)를 산정하였다. 공간적 영향 평가는 핫스팟 분석과 공간통계분석을 실시하였다. 핫스팟 분석결과 폭염지수(HWD, HWI)는 낙동강 하류유역에 대해 높은 공간상관성을 나타내었으며 수질인자 중 Chl-a, TN이 동일한 결과를 나타내었다. 폭염에 따른 수질 영향 지역 공간 통계분석 결과 공간적인 변동성이 가장 뚜렷하게 나타나는 수질인자는 DO인 것으로 분석되었다.

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    September 2021
  • Research Article

    Probabilistic evaluation of ecological drought in forest areas using satellite remote sensing data

    인공위성 원격 감지 자료를 활용한 산림지역의 생태학적 가뭄 가능성에 대한 확률론적 평가

    Won, Jeongeun, Seo, Jiyu, Kang, Shin-Uk, Kim, Sangdan

    원정은, 서지유, 강신욱, 김상단

    Climate change has a significant impact on vegetation growth and terrestrial ecosystems. In this study, the possibility of ecological drought was investigated ...

    본 연구에서는 위성 원격 감지 자료를 사용하여 생태학적 가뭄의 가능성을 조사하였다. 먼저 MODIS에서 제공하는 정규식생지수와 지표면온도로부터 식생건강성지수를 추정하였다. 그런 다음 우리나라 전 ...

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    Climate change has a significant impact on vegetation growth and terrestrial ecosystems. In this study, the possibility of ecological drought was investigated using satellite remote sensing data. First, the Vegetation Health Index was estimated from the Normalized Difference Vegetation Index and Land Surface Temperature provided by MODIS. Then, a joint probability model was constructed to estimate the possibility of vegetation-related drought in various precipitation/evaporation scenarios in forest areas around 60 major ASOS sites of the Meteorological Administration located throughout Korea. The results of this study show the risk pattern of drought related to forest vegetation under conditions of low atmospheric moisture supply or high atmospheric moisture demand. It also identifies the sensitivity of drought risks associated with forest vegetation under various meterological drought conditions. These findings provide insights for decision makers to assess drought risk and develop drought mitigation strategies related to forest vegetation in a warming era.


    본 연구에서는 위성 원격 감지 자료를 사용하여 생태학적 가뭄의 가능성을 조사하였다. 먼저 MODIS에서 제공하는 정규식생지수와 지표면온도로부터 식생건강성지수를 추정하였다. 그런 다음 우리나라 전 지역에 분포하고 있는 기상청 ASOS 주요 60개 지점 주변의 산림지역에서 다양한 강수/증발산 시나리오에 따른 식생 관련 가뭄의 가능성을 추정하기 위한 결합 확률모델을 구성하였다. 본 연구의 결과는 대기의 수분공급이 열악하거나 대기의 수분 요구량이 과도한 조건에서 산림 식생과 관련된 가뭄의 위험 패턴을 보여준다. 또한 다양한 기상학적 가뭄 조건에서 산림 식생과 관련된 가뭄 위험의 민감도를 나타낸다. 이러한 연구 결과는 의사 결정권자가 가뭄 위험을 평가하고 온난화 시대에 산림 식생과 관련된 가뭄 완화 전략을 개발할 수 있는 통찰력을 제공할 것으로 기대된다.

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    September 2021
  • Research Article

    Development of water quality and aquatic ecosystem model for Andong lake using SWAT-WET

    SWAT-WET을 이용한 안동호의 수질 및 수생태계 모델 구축

    Woo, Soyoung, Kim, Yongwon, Kim, Wonjin, Kim, Sehoon, Kim, Seongjoon

    우소영, 김용원, 김원진, 김세훈, 김성준

    The objective of this study is to develop the water quality and aquatic ecosystem model for Andong lake using SWAT-WET (Soil and ...

    본 연구에서는 상류의 휴·폐광산을 비롯한 다양한 점오염원과 비점오염원으로부터 유실되는 오염물질의 영향을 받는 안동호를 대상으로 수질 및 수생태 모델인 SWAT-WET을 구축하고, 적용성을 ...

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    The objective of this study is to develop the water quality and aquatic ecosystem model for Andong lake using SWAT-WET (Soil and Water Assessment Tool-Water Ecosystem Tool) and to evaluate the applicability of WET. To quantify the pollutants load flowing into Andong lake, a watershed model of SWAT was constructed for Andong Dam basin (1,584 km2). The calibration results for Dam inflow and water quality loads (SS, T-N, T-P) were analyzed that average R2 was more than 0.76, 0.69, 0.84, and 0.60 respectively. The calibrated SWAT results of streamflow and nutrients concentration was used into WET input data. WET was calibrated and validated for water temperature, dissolved oxygen, and water quality concentration (T-N, T-P) of Andong lake. The WET calibrated results was analyzed that PBIAS was +19%, ‒13%, +4%, and +26.5% respectively and showed that it was simulated to a significant level compared with the observation data. The observed dry weight (gDW/m2) of zoobenthos was less than 0.5, but the average value of simulation was analyzed to be 0.8, which is because the WET model considers zoobenthos with a broader concept. Although accurate calibration is difficult due to the lack of observed data, SWAT-WET can analyze the effects of environmental change in the upstream watershed on the lake based on long-term simulation based on watershed model. Therefore, the results of this study can be used as basic data for managing the aquatic environment of Andong lake.


    본 연구에서는 상류의 휴·폐광산을 비롯한 다양한 점오염원과 비점오염원으로부터 유실되는 오염물질의 영향을 받는 안동호를 대상으로 수질 및 수생태 모델인 SWAT-WET을 구축하고, 적용성을 평가하고자 한다. 안동호르 유입되는 오염물질에 대한 정량적인 평가를 위해 유역모델인 SWAT을 안동댐 유역(1,584 km2)을 대상으로 구축하여, 검보정을 수행하였다. 유출량과 수질 부하량(SS, T-N, T-P)에 대한 검보정 결과 R2는 각각 0.76, 0.69, 0.84, 0.60 이상으로 분석되었다. 검보정된 SWAT의 유출량과 영양물질의 농도를 WET의 입력자료로 적용하여 안동호에 대한 수질, 수생태 모델 WET을 구축하였다. WET의 매개변수 민감도 분석 결과를 이용하여, 안동호의 수온, 용존산소, 수질농도(T-N, T-P)를 대한 검보정을 수행하였다. 검보정 결과 PBIAS는 각각 +19%, -13%, +4%, +26.5% 로 분석되었으며, 관측 자료를 유의한 수준으로 모의하는 것을 확인하였다. 저서동물의 관측 건중량(gDW/m2)은 0.5 이하였으나 모의 건중량의 평균은 0.8로 분석되었으며, 이는 WET 모델이 더 넓은 개념의 저서동물을 고려하기 때문으로 나타났다. 관측자료 부족으로 정확한 검보정은 어렵지만, 유역모델과의 연계를 통한 장기간 모의와 상류 유역환경변화가 호소에 미치는 영향을 분석할 수 있으므로 안동호의 수환경 관리를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

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    September 2021
  • Research Article

    Monthly temperature forecasting using large-scale climate teleconnections and multiple regression models

    대규모 기후 원격상관성 및 다중회귀모형을 이용한 월 평균기온 예측

    Kim, Chul-Gyum, Lee, Jeongwoo, Lee, Jeong Eun, Kim, Nam Won, Kim, Hyeonjun

    김철겸, 이정우, 이정은, 김남원, 김현준

    In this study, the monthly temperature of the Han River basin was predicted by statistical multiple regression models that use global climate ...

    본 연구에서는 글로벌 기후지수 및 한강권역의 기상자료를 예측인자로 하는 통계적 다중회귀모형을 구성하여 한강권역의 월 평균기온에 대한 장기예측을 수행하였다. 예측대상인 월 평균기온과 선행기간별 ...

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    In this study, the monthly temperature of the Han River basin was predicted by statistical multiple regression models that use global climate indices and weather data of the target region as predictors. The optimal predictors were selected through teleconnection analysis between the monthly temperature and the preceding patterns of each climate index, and forecast models capable of predicting up to 12 months in advance were constructed by combining the selected predictors and cross-validating the past period. Fore each target month, 1000 optimized models were derived and forecast ranges were presented. As a result of analyzing the predictability of monthly temperature from January 1992 to December 2020, PBIAS was -1.4 to -0.7%, RSR was 0.15 to 0.16, NSE was 0.98, and r was 0.99, indicating a high goodness-of-fit. The probability of each monthly observation being included in the forecast range was about 64.4% on average, and by month, the predictability was relatively high in September, December, February, and January, and low in April, August, and March. The predicted range and median were in good agreement with the observations, except for some periods when temperature was dramatically lower or higher than in normal years. The quantitative temperature forecast information derived from this study will be useful not only for forecasting changes in temperature in the future period (1 to 12 months in advance), but also in predicting changes in the hydro-ecological environment, including evapotranspiration highly correlated with temperature.


    본 연구에서는 글로벌 기후지수 및 한강권역의 기상자료를 예측인자로 하는 통계적 다중회귀모형을 구성하여 한강권역의 월 평균기온에 대한 장기예측을 수행하였다. 예측대상인 월 평균기온과 선행기간별 예측인자와의 원격상관성 분석을 기반으로 최적의 예측인자를 선별하였으며, 선별된 예측인자를 조합하고 과거기간에 대한 교차검증을 통하여 최대 12개월까지 선행예측이 가능한 다중회귀모형 기반의 예측모형을 구성하였다. 과거 1992년 1월부터 2020년 12월을 대상으로 월 평균기온에 대한 예측성을 분석한 결과, PBIAS는 -1.4 ~ -0.7%, RSR은 0.15 ~ 0.16, NSE는 0.98, r은 0.99로 높은 적합성을 나타내었다. 각 월별 관측치가 예측범위에 포함될 확률은 평균 약 64.4%로 나타났으며, 월별로는 9월, 12월, 2월, 1월의 예측성이 상대적으로 높고, 4월, 8월, 3월의 예측성이 낮은 것으로 분석되었다. 평년 대비 유난히 낮거나 높은 기온을 보였던 일부 기간을 제외하고 대체로 예측치의 범위 또는 예측치의 중앙값 등이 관측치와 잘 부합하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 도출되는 정량적 기온예측정보는 미래기간(선행 1 ~ 12개월)의 기온에 대한 변화뿐만 아니라, 기온과 상관도가 높은 증발산량을 비롯한 수문생태환경에 대한 변화를 전망하는 경우에도 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

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    September 2021