초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
● 4차산업의 코어기술인 머신러닝(ML)과 인공지능(AI) 기술을 활용하여 기존의 이상 강우 및 단기 유출 예측 기술, 탁수 모니터링 및 예측기술을 고도화(AI 기술 융합)하여 “이상강우 대응 단기 유출 예측을 통한 탁수발생 예측 및 관리기술을 개발”함으로써 이상강우 시 탁수 정보를 사전 제공, 댐 및 취·정수장 운영 전략에 반영함으로써 용수공급의 안전성과 수생태계 건강성 개선에 기여하고 자 함

◼ 전체 내용
● 이상강우 예측기술 및 극치강우시계열 생산 기술 개발

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
● 4차산업의 코어기술인 머신러닝(ML)과 인공지능(AI) 기술을 활용하여 기존의 이상 강우 및 단기 유출 예측 기술, 탁수 모니터링 및 예측기술을 고도화(AI 기술 융합)하여 “이상강우 대응 단기 유출 예측을 통한 탁수발생 예측 및 관리기술을 개발”함으로써 이상강우 시 탁수 정보를 사전 제공, 댐 및 취·정수장 운영 전략에 반영함으로써 용수공급의 안전성과 수생태계 건강성 개선에 기여하고 자 함

◼ 전체 내용
● 이상강우 예측기술 및 극치강우시계열 생산 기술 개발
- 수치예보자료의 시공간적 강우량 상세화 기법 및 단 중기 강우앙상블 예측 기술 개발
- 극치 강우시계열 생산기술 개발/이상강우 정량적 기준 수립 및 DB 탑재
● 이상강우에 따른 탁수발생 예측을 위한 앙상블 강우-유출 모의 기술 개발
- 물리식 기반의 앙상블 강우유출, 유사이동 모델 개발 및 시험유역 적용
● 이상강우 대응 지능형 탁수 예측 및 수생태 관리기술개발
- 물리적 탁수 모델링 기술 고도화 개발
- 물리적-통계적 융합 탁수 예측 모델 개발
- 이상강우-유역유출 연계 탁수 예측 및 수생태 관리 기술 개발
- 이상강우 대응 탁수발생 예측 프로그램(S/W) 개발
● 탁수발생 영향분석을 위한 융복합 모니터링 기술 개발
- 탁수-수생태 연동 모니터링 기술 개발 및 현장 모니터링
- 첨단 융복합 모니터링 및 수생태계영향을 고려한 최적 연계운영 방안 제시
● 탁수의 수생태계 영향 평가 및 예측 기술 개발
- 탁수의 수생태 영향평가 기술 개발
- 수생태계 건강성에 영향을 미치는 탁도 유발인자 규명
- 이상강우 탁수발생에 따른 수생태 건강성 예측기술 개발

◼ 1단계
❏ 목표
[물리적·통계적 융합 탁수 예측 요소 기술개발]
● 1차년도
- 물리적 탁수 모델 고도화
- 물리적·통계적 융합 탁수 예측 모델 기반 구축
- 탁수 발생 예측 프로그램 개발 방향 정립
- 물리식 기반의 앙상블 유역모델 설계 및 개발 (Ⅰ) : 강우유출
● 2차년도
- 물리적 탁수 모델 탁도 예측 성능 검증
- 물리적·통계적 융합 탁수 예측 모델 기반 구축
- 탁수 발생 예측 프로그램 DB 설계 및 공공데이터 연계 방안 수립
- 물리식 기반의 앙상블 유역모델 설계 및 개발 (Ⅱ) : 유사이동
● 3차년도
- 물리적 탁수 예측 모델 적용
- 물리적·통계적 융합 탁수 예측 모델 개발
- 탁수 발생 예측 프로그램 DB 구축 및 공공데이터 연계
- 시험유역에 대한 물리식 기반 앙상블 유역모델의 구축 및 보검정 (Ⅰ)
❏ 내용
● 1차년도
(1) 물리적 탁수 모델 고도화 기술 개발 (I)
- 국내외 물리적 탁수 모델의 탁도 모델링 기법 조사
- 물리적 탁수 예측 모델 탁도 예측 기법 개선, 소스코드 수정
(2) 물리적·통계적 융합 탁수 예측 모델 (PGDL) 설계
- Process-Guided Deep Learning (PGDL) 기술 현황 조사
- 탁수 시계열 예측을 위한 PGDL 모델 구조 설계
(3) 이상강우 대응 탁수 발생 예측 프로그램(S/W) 개발 (I)
- 국내외 프로그램 현황조사 및 벤치마킹
(4) 물리식 기반의 앙상블 유역모델 설계 및 개발 (Ⅰ) : 강우유출
- 물리식 기반의 강우유출 모의 방법론 검토
- 국내외 강우유출 모델 구조 및 기능 검토
- 물리식 기반의 앙상블 강우유출 모델 개념 설계
- 물리식 기반의 앙상블 강우유출 모델 개발 및 검증(verfication)
● 2차년도
(1) 물리적 탁수 모델 고도화 기술 개발 (II)
- 새로 개발된 물리적 탁수 모델의 보정 (소양강댐, 임하댐)
- 물리적 탁수 모델의 검정 및 예측 성능 비교 평가
(2) 물리적·통계적 융합 탁수 예측 모델 (PGDL) 개발 (I)
- 탁수 예측 모델 자료생산을 위한 머신러닝 모델 개발
- 물리적 탁수 예측 모델의 경계조건 자료 생산
- 물리적·통계적 융합 탁수 예측 모델 (PGDL) 개발을 위한 인공지능 모델(LSTM) 개발
(3) 이상강우 대응 탁수 발생 예측 프로그램(S/W) 개발 (II)
- 탁수예측 프로그램 통합 DB 설계, 탁수모의 분석 DB 설계
- 공공데이터 포털 연계 방안 수림
(4) 물리식 기반의 앙상블 유역모델 설계 및 개발 (Ⅱ) : 유사이동
- 물리식 기반의 유사이동 및 침식/퇴적 모의 방법론 검토
- 국내외 유사이동 모델 구조 및 기능 검토
- 물리식 기반의 앙상블 유사이동 모델 개념 설계
- 물리식 기반의 앙상블 유사이동 모델 개발 및 검증(verification)
● 3차년도
(1) 물리적 탁수 모델 고도화 기술 개발 (III)
- PGDL 융합 탁수 예측 모델의 훈련 데이터 생산
(2) 물리적·통계적 융합 탁수 예측 모델 (PGDL) 개발 (II)
- PGDL 융합 탁수 예측 모델 코드 개발
- 물리적 탁수 모델 연계 PGDL 모델 학습
- 물리적 탁수 모델 연계 PGDL 모델 검정 및 성능 평가
(3) 이상강우 대응 탁수 발생 예측 프로그램(S/W) 개발 (III)
- 탁수 발생 예측 프로그램 통합 DB 구축, 탁수 모의 분석 DB 구축
- 공공데이터 포털 연계를 통한 탁수 예측 시스템 운영자료 구축
(4) 시험유역에 대한 물리식 기반 앙상블 유역모델의 구축 및 보검정 (Ⅰ)
- 시험유역 관측자료 수집 및 분석 (Ⅰ)
- 시험유역에 대한 물리식 기반 앙상블 모델의 구축 및 보검정 (Ⅰ)
- AI 저수지모델 훈련자료 생성 (v. 1)

◼ 2단계
❏ 목표
[기상·유출·탁수·수생태 연계 기술 개발]
● 4차년도
- 시험유역 대상 물리적 탁수 모델 구축
- 시험유역 대상 물리적·통계적 융합 탁수 예측 모델 구축
- 시험유역 대상 이상강우·유역유출 예측 기술 연계 기술 개발
- 탁수 발생 예측 프로그램 프로토타입 개발
- 시험유역에 대한 물리식 기반 앙상블 유역모델의 구축 및 보검정 (Ⅰ)
● 5차년도
- 시험유역 대상 물리적 탁수 예측 모델 적용
- 시험유역 대상 물리적·통계적 융합 탁수 예측 모델 적용
- 시험유역 대상 이상강우 시나리오별 탁수의 수생태 영향 예측
- 이상강우 대응 탁수 발생 예측 프로그램 개발
- 앙상블 유역모델 개선 및 이상강우 시나리오 분석(Ⅰ) : 강우유출
❏ 내용
● 4차년도
(1) 물리적 탁수 모델 고도화 기술 개발 (IV)
- 시험유역 (북한강 수계) 물리적 탁수 모델 구축
- 시험유역 PGDL 모델 훈련데이터 생산
(2) 물리적·통계적 융합 탁수 예측 모델 (PGDL) 개발 (III)
- 시험유역 PGDL 탁수 예측 모델 구축
- 시험유역 PGDL 탁수 예측 모델 학습
- 시험유역 PGDL 모델 적용, 댐 및 취정수장 탁도 예측 및 성능 평가
(3) 이상강우·유역유출 연계 탁수 예측 및 수생태 관리 기술 개발
- 시험유역 이상강우·유역유출 연계 탁수 예측 모델 구축
- 이상강우 단기 유출 시나리오별 탁수 예측 자료 생산
(4) 이상강우 대응 탁수 발생 예측 프로그램(S/W) 개발 (IV)
- 탁수 발생 예측 프로그램 프로토타입 개발
- 전처리, 후처리 인터페이스 모듈 개발
(5) 시험유역에 대한 물리식 기반 앙상블 유역모델의 구축 및 보검정 (Ⅰ)
- 시험유역 관측자료 수집 및 분석 (Ⅱ)
- 시험유역에 대한 물리식 기반 앙상블 모델의 구축 및 보검정 (Ⅱ)
- 시험유역 표토 침식량 산정(환경부 고시) 및 비교분석
- AI 저수지 모델 훈련자료 생성 (v. 2)
● 5차년도
(1) 물리적 탁수 모델 고도화 기술 개발 (V)
- 이상강우, 유역 유출 시나리오별 단기, 중기, 장기 탁수 예측 모의
(2) 물리적·통계적 융합 탁수 예측 모델 (PGDL) 개발 (IV)
- 이상강우, 유역 유출 시나리오별 탁수 예측 모의를 위한 경계조건 자료 생산
(3) 이상강우·유역유출 연계 탁수 예측 및 수생태 관리 기술 개발 (I)
- 이상강우 시나리오별 수생태계영향 예측
- 탁수의 수생태계 영향(스트레스 지수) 최소화를 위한 대책 개발
- 탁수 피해 저감을 위한 유역 및 댐 운영 대책 효과 평가
(4) 이상강우 대응 탁수 발생 예측 프로그램(S/W) 개발 (V)
- 탁수 발생 예측 프로그램 개발
- 머신러닝/인공지능 기반 탁수예측 모듈 개발
(5) 앙상블 유역모델 개선 및 이상강우 시나리오 분석 (Ⅰ) : 강우유출
- 앙상블 유역모델 구조/기능 개선 (Ⅰ) : 강우유출
- 시험유역 이상강우 자료 분석 및 시나리오 분석 (Ⅰ) : 강우유출
- AI 저수지모델 훈련자료 생성 (v. 3)

◼ 3단계
❏ 목표
[개발된 기술의 확장 적용 및 지침서 제작]
● 6차년도
- 물리적 탁수 예측 모델 현장 적용
- 물리적·통계적 융합 탁수 예측 모델 현장 적용
- 이상강우·유역유출 연계 탁수 예측 기술의 현장 적용
- 이상강우 대응 탁수 발생 예측 프로그램 개발
- 앙상블 유역모델 개선 및 이상강우 시나리오 분석 (Ⅱ) : 유사이동
● 7차년도
- 물리적 탁수 예측 모델 현장 적용
- 물리적·통계적 융합 탁수 예측 모델 현장 적용
- 이상강우·유역유출 연계 탁수 예측 기술의 현장 적용
- 이상강우 대응 탁수 발생 예측 프로그램 개발
- 앙상블 유역모델 사용자 매뉴얼 및 탁수 대책 매뉴얼 제작
❏ 내용
● 6차년도
(1) 이상강우·유역유출 연계 탁수 예측 및 수생태 관리 기술 개발 (II)
- 현장적용 (2건) 대상 유역 물리적 탁수 모델 구축, 보정, 검정
- 대상 유역 PGDL 모델 구축, 훈련, 검정
- 이상강우, 단기 유출 시나리오별 탁수 예측 모의자료 생산
(2) 이상강우 대응 탁수 발생 예측 프로그램(S/W) 개발 (VI)
- 데이터 라벨링을 위한 전처리 모듈 개발 (계속)
- 머신러닝/인공지능 기반의 탁수예측 모듈 개발
(3) 앙상블 유역모델 개선 및 이상강우 시나리오 분석 (Ⅱ) : 유사이동
- 앙상블 유역모델 구조/기능 개선 (Ⅱ) : 유사이동, 침식 및 퇴적
- 시험유역 이상강우 자료 분석 및 시나리오 분석 (Ⅱ) : 유사이동, 침식 및 퇴적
- AI 저수지 모델 훈련자료 생성 (v. 4)
● 7차년도
(1) 이상강우·유역유출 연계 탁수 예측 및 수생태 관리 기술 개발 (III)
- 현장적용 (2건) 대상 유역 이상강우 탁수 시나리오 모의
- 대상 유역 이상강우 시나리오별 수생태계 영향 예측
- 수생태계 영향 저감을 위한 대책별 효과 평가
(2) 이상강우 대응 탁수 발생 예측 프로그램(S/W) 개발 (VII)
- 강우분석-유출분석-탁수예측 연계 자료 생성 모듈 개발
- 프로그램(S/W) 매뉴얼 제작
(3) 앙상블 유역모델 사용자 매뉴얼 및 탁수 대책 매뉴얼 제작
- 앙상블 유역 모델 사용자 매뉴얼 제작
- 탁수 대책 매뉴얼 제작 지원(유역관리 부분)

◼ 해당 연도
❏ 목표
● 물리적 탁수 예측 모델 고도화
● 물리적·통계적 융합 탁수 예측 모델 기반 구축
● 탁수 발생 예측 프로그램 개발 방향 정립
● 물리식 기반의 앙상블 유역모델 설계 및 개발 (Ⅰ) : 강우유출
❏ 내용
● 물리적 탁수 모델 고도화 기술 개발 (I)
- 국내외 물리적 탁수 모델의 탁도 모델링 기법 조사
- 물리적 탁수 예측 모델 탁도 예측 기법 개선, 소스코드 수정
● 물리적·통계적 융합 탁수 예측 모델 (PGDL) 설계
- Process-Guided Deep Learning (PGDL) 기술 현황 조사
- 탁수 시계열 예측을 위한 PGDL 모델 구조 설계
● 이상강우 대응 탁수 발생 예측 프로그램(S/W) 개발 (I)
- 국내외 프로그램 현황조사 및 벤치마킹
● 물리식 기반의 앙상블 유역모델 설계 및 개발 (Ⅰ) : 강우유출
- 물리식 기반의 강우유출 모의 방법론 검토
- 국내외 강우유출 모델 구조 및 기능 검토
- 물리식 기반의 앙상블 강우유출 모델 개념 설계
- 물리식 기반의 앙상블 강우유출 모델 개발 및 검증(verification)

□ 연구개발성과

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
[활용계획]
● 이상강우에 대응한 댐 저수지, 보, 하천, 취정수장의 탁수 예측 및 예보 기술로 활용
● 탁수로 인한 수생태계 건강성 악화를 사전 예방하는 과학적 분석 도구로 활용
● 탁수로부터 하천과 저수지의 수생태 건강성 확보를 위한 국가 환경정책 수립에 활용
● 이상강우에 따른 단기, 중기, 장기 강우 예측자료와 유출 및 탁수 예측 정보는 수량, 수질, 수생태 관리의 기초 자료로 활용
[기대효과]
(사회경제적 효과) 탁수의 장기화로 인한 사회적 갈등, 정수처리 비용 상승, 수생태 건강성 악화 등 피해가 막대하므로 경제적 파급효과 큼.
(환경적 효과) 하천의 수생태계 건강성에 위협요인인 탁수의 측정·감시, 사전 예측을 통해 수생 생물의 건강성 향상에 기여.
(과학기술적 효과) 물리적 탁수 예측 모델과 자료기반 모델(인공지능/기계학습)을 융합한 새로운 탁수 예측 기술 확보는 최근 필요성이 증대되고 있는 “theory based data science” 기술의 환경분야 응용을 선점할 수 있는 효과 기대
(정책적 효과) 하천과 저수지의 탁수 관리 지침을 마련하고 수량(강우-유출)과 수질(탁수-탁도), 수생태(저서생물, 어류 등)의 통합유역관리의 모범이 되는 사례 창출 가능

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 8
• 1.1 연구개발 목표와 주요 내용 ... 8
• 1.2 연구개발 문제의 정의 및 필요성 ... 9
• 1.3 연구개발 대상의 용도 및 적용분야 ... 19
• 1.4 연구개발 핵심내용 ... 21
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 34
• 2.1 [주관연구개발기관(충북대학교)] 1단계 1차년도 목표 및 내용 ... 34
• 2.2 [주관연구개발기관(충북대학교) 및 위탁연구개발기관(하이드로코어)] 연구 수행 과정 ... 35
• 2.3 연구개발의 수행 내용 – 주관연구기관(충북대학교) ... 37
• 2.4 연구개발의 수행 내용 – 위탁연구기관(하이드로코어) ... 89
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 116
• 3.1 정성적 연구개발성과 ... 116
• 3.2 정량적 연구개발성과 ... 117
• 3.3 세부 정량적 연구개발성과 ... 119
• 3.4 계획하지 않은 성과 및 관련 분야 기여사항 ... 120
• 3.5 연구개발비 사용실적 ... 121
• 4. 다음 연도 연구개발계획 ... 122
• 4.1 연구개발 목표 및 내용 ... 122
• 4.2 연구개발 추진전략 ... 122
• 4.3 연구개발 일정 및 기대 성과 ... 127
• 4.4 연구개발비 사용 계획 ... 132
• 4.5 연구개발 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 134
• 5. 참고문헌 ... 137
• 끝페이지 ... 142