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메콩강 유출모의를 위한 물리적 및 데이터 기반 모형의 비교·분석
Comparison of physics-based and data-driven models for streamflow simulation of the Mekong river 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.51 no.6, 2018년, pp.503 - 514  

이기하 (경북대학교 과학기술대학 건설방재공학과) ,  정성호 (경북대학교 과학기술대학 건설방재공학과) ,  이대업 (경북대학교 과학기술대학 건설방재공학과)

초록
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최근 기후변화 및 유역개발로 인하여 메콩강 유역의 수문환경이 급격히 변화하고 있으며, 메콩강을 공유하는 국가의 수재해 예방 및 지속가능한 수자원개발을 위해서는 메콩강 주요지점에서의 유량 정보의 분석 및 예측이 요구된다. 본 연구에서는 물리적 기반의 수문모형인 SWAT과 데이터기반 딥러닝 알고리즘인 LSTM을 이용하여 메콩강 하류 Kratie 지점의 유출모의를 수행하고, 유출모의 정확도 및 두 가지 방법론의 장 단점을 비교 분석한다. SWAT 모형의 구축을 위해 범용 입력자료(지형: HydroSHED, 토지이용: GLCF-MODIS, 토양: FAO-Soil map, 강우: APHRODITE 등)을 이용하였으며 warming-up 및 매개변수 보정 후 2003~2007년 일유량 모의를 수행하였다. LSTM을 이용한 유출모의의 경우, 딥러닝 오픈소스 라이브러리인 TensorFlow를 활용하여 Kratie 지점기준 메콩강 상류 10개 수위관측소의 두 기간(2000~2002, 2008~2014) 일수위 정보만을 이용하여 심층신경망을 학습하고, SWAT 모형과 마찬가지로 2003~2007년을 대상으로 Kratie 지점에 대한 일수위 모의 후 수위-유량관계곡선식을 이용하여 유출량으로 환산하였다. 두 모형의 모의성능 비교 검토를 위하여 모의기간에 대해 NSE (Nash-Sutcliffe Efficiency)을 산정한 결과, SWAT은 0.9, LSTM은 보다 높은 0.99의 정확도를 나타내는 것으로 분석되었다. 메콩강과 같은 대유역의 특정 지점에 대한 수문시계열 자료의 모의를 위해서는 다양한 입력자료를 요구하는 물리적 수문모형 대신 선행 시계열자료의 변동성을 기억 학습하여 이를 예측에 반영하는 LSTM 기법 등 데이터기반의 심층신경망 모형의 적용이 가능할 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In recent, the hydrological regime of the Mekong river is changing drastically due to climate change and haphazard watershed development including dam construction. Information of hydrologic feature like streamflow of the Mekong river are required for water disaster prevention and sustainable water ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 캄보디아 톤레삽 호수 및 베트남 메콩델타 지역의 수리·수문 변동성 평가 등 메콩강 하류 유역의 수자원 관련 분석 시 기초자료(또는 입력자료)로 활용되는 메콩강 본류 주요 지점중 하나인 Kratie 수위국의 일유량 예측을 위한 유출해석 시스템을 구축하고 그 정확도를 검증하는 것을 목적으로 하고 있다.

가설 설정

  • 세 번째, 출력게이트(output gate, ot)는 Eq. (6)과 같이 시그 모이드 함수를 이용해서 셀 상태의 어느 부분을 출력하고자 하는지 결정하고, 마지막으로 Eq.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
메콩강은 어떠한 강인가? 메콩강은 동남아시아 6개국을 관통하는 국가공유 하천이며 하천길이는 약 4,350 km, 유역면적은 795,000 km2으로 세계에서 12번째로 길고, 10번째로 수량이 많은 강이다. 메콩강은 중국 칭하이 성에서 발원하여 중국 운남성과 미얀마, 태국, 라오스, 캄보디아, 베트남을 거쳐 남중국해로 흐르고 주변국에 대한 사회·경제적 영향력이 막대한 동남아시아의 주요 국가공유하천이다.
TesnsorFlow는 동적 다차원 배열(tensor)의 데이터 흐름을 노드(node)와 엣지(edge)로 구분하여 표현하는데, 노드와 엣지는 어떠한 것인가? TesnsorFlow는 대규모 기계학습을 위한 강력한 오픈소스 소프트웨어 라이브러리로서 동적 다차원 배열(tensor)의 데이터 흐름을 노드(node)와 엣지(edge)로 구분하여 표현한다. 노드는 수학적 연산, 데이터의 입·출력, 데이터의 읽기·저장 등의 작업을 수행하며, 엣지는 노드간의 데이터의 입출력 관계를 나타낸다. 즉, TensorFlow를 이용한 신경망 모형에서 노드는 신경망의 각 레이어(layer)에서 입·출력 활성화 함수(activation function) 설정 및 입·출력 정보 생성 등을 결정하며, 엣지는 레이어별 뉴런(neuron)을 연결하는 가중치(weight) 정보를 포함하게 된다.
MRC에서는 메콩강 유역의 소유역 (sub-basin) 또는 지류(tributary)의 수문해석을 위한 기본모형으로 무엇을 활용하는가? 유역개발 및 기후변화 등과 관련하여 메콩강 유역의 유출해석을 위한 많은 연구들이 수행되었으며, 이에 관한 최신 연구는 Table 1과 같다. MRC에서는 메콩강 유역의 소유역 (sub-basin) 또는 지류(tributary)의 수문해석을 위한 기본모형으로 SWAT (Soil and Water Assessment Tool)을 활용하고 있으며, 실제로 Table 1과 같이 강우-유출 해석과 관련된 많은 연구들이 SWAT 모형을 이용하여 수행되었으며, 국가별 대상유역에 따라 정확도 평가지수인 NSE (Nash-Sutcliffe Efficiency)가 -7.98~0.
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참고문헌 (25)

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  22. Tran, Q. K., and Song, S. K. (2017). "Water level forecasting based on deep learning: a use case of rinity river-Texas-The United States." Journal of KIISE, Vol. 44, No. 6, pp. 607-612. 

  23. Vilaysane, B., Takara, K., Luo, P., Akkharath, I., and Duan, W. (2015). "Hydrological stream flow modelling for calibration and uncertainty analysis using SWAT model in the Xedone river basin, Lao PDR." Procedia Environmental Sciences, Vol. 28, pp. 380-390. 

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  25. Wang, W., Lu, H., Yang, D., Sothea, K., Jiao, Y., Gao, B., Peng, X., and Pang, Z. (2016). "Modelling hydrologic processes in the Mekong river basin using a distributed model driven by satellite precipitation and rain gauge observations." PloS one, Vol. 11, No. 3, e0152229. 

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