[표지]

요약문

목차

1장 서론 19

1절 연구의 배경 및 필요성 19

2절 연구의 목적 20

2장 연구 내용 및 방법 21

1절 친수활동 지수 예보 현업화 기반 마련 21

1. 연구 내용 21

2. 연구 방법 23

2절 4대강 주요지점 조류 예측 모델 고도화 51

1. 연구 진행 흐름도 51

2. 세부연구 내용 52

3장 연구 결과 61

1절 친수활동 지수 예보 현업화 기반 마련 61

1. 종합 친수활동지수 예보를 위한 시스템 구축 61

2. 종합 친수활동지수 예보 시범 운영 및 최적화 방안 도출 76

3. 종합 친수활동지수 예보 시범 운영 및 구축 매뉴얼 작성 103

2절 4대강 주요지점 조류 예측 모델 고도화 105

1. 남조류 세포수와 결정 인자들의 상관성 분석 105

2. 남조류 세포수의 전이함수 모델 150

3. 남조류 세포수의 동적 선형 모델 구성 181

4장 결론 196

1절 친수활동 지수 예보 현업화 기반 마련 196

2절 4대강 주요지점 조류 예측 모델 고도화 197

5장 기대성과 및 활용방안 198

1절 종합 친수활동 지수 예보 시스템의 개발 198

2절 남조류 세포수 예측 모델의 개발 198

6장 참고문헌 200

Table 2-1-1. 동일한 구성비의 학습, 검사 및 검증자료 구성 예시 27

Table 2-1-2. 분변성대장균 등급 결정을 위한 농도 기준 34

Table 2-1-3. 친수활동지표의 가능한 친수활동 타입에 따른 수질기준 37

Table 2-1-4. 분변성대장균 등급 예측의 분류 42

Table 2-1-5. 현장모니터링 방법 44

Table 3-1-1. ANN31 수온예측모델 검증 62

Table 3-1-2. ANN31 pH 예측모델 검증 62

Table 3-1-3. ANN31 EC예측모델 검증 63

Table 3-1-4. ANN31 DO예측모델 검증 63

Table 3-1-5. ANN31 탁도예측모델 검증 64

Table 3-1-6. ANN31 클로로필-a 예측모델 검증 64

Table 3-1-7. ANN31 TN예측모델 검증 65

Table 3-1-8. ANN31 TP예측모델 검증 65

Table 3-1-9. ANN32 수온예측모델 검증 66

Table 3-1-10. ANN32 pH예측모델 검증 66

Table 3-1-11. ANN32 EC예측모델 검증 67

Table 3-1-12. ANN32 DO예측모델 검증 67

Table 3-1-13. ANN32 탁도예측모델 검증 67

Table 3-1-14. ANN32 클로로필-a 예측모델 검증 68

Table 3-1-15. ANN32 TN예측모델 검증 68

Table 3-1-16. ANN32 TP예측모델 검증 69

Table 3-1-17. ANN33 수온예측모델 검증 69

Table 3-1-18. 수온예측모델 고도화 비교 69

Table 3-1-19. ANN33 pH예측모델 검증 70

Table 3-1-20. pH 예측모델 고도화 비교 70

Table 3-1-21. ANN33 EC예측모델 검증 70

Table 3-1-22. EC 예측모델 고도화 비교 71

Table 3-1-23. ANN33 DO예측모델 검증 71

Table 3-1-24. DO 예측모델 고도화 비교 71

Table 3-1-25. ANN33 탁도예측모델 검증 72

Table 3-1-26. 탁도 예측모델 고도화 비교 72

Table 3-1-27. ANN33 클로로필-a 예측모델 검증 72

Table 3-1-28. 클로로필-a 예측모델 고도화 비교 72

Table 3-1-29. ANN33 TN예측모델 검증 73

Table 3-1-30. TN 예측모델 고도화 비교 73

Table 3-1-31. ANN33 TP예측모델 검증 73

Table 3-1-32. TP 예측모델 고도화 비교 74

Table 3-1-33. 분변성대장균 등급 추정 모델 고도화 작업 74

Table 3-1-34. Mann-Whitney test 결과 75

Table 3-1-35. ANN을 이용한 수질지표 예측결과 76

Table 3-1-36. 분변성대장균 등급 예측결과 77

Table 3-1-37. 친수수질지수 산정 결과 78

Table 3-1-38. 종합 친수활동지수 산정 결과 79

Table 3-1-39. Coliert-18을 이용한 분변성대장균 측정 결과 81

Table 3-1-40. 막여과법을 이용한 분변성대장균 측정 결과 82

Table 3-1-41. CFU 농도로 환산한 분변성대장균 측정 결과 83

Table 3-1-42. 수질지표 농도 측정 결과 84

Table 3-1-43. 분변성대장균 농도 및 선행강우량 88

Table 3-1-44. 수온 예보값의 오차 89

Table 3-1-45. 수온 예보값의 퍼센트오차 89

Table 3-1-46. 수온 예보 평가지수 89

Table 3-1-47. pH 예보값의 오차 90

Table 3-1-48. pH 예보값의 퍼센트오차 90

Table 3-1-49. pH 예보 평가지수 90

Table 3-1-50. EC 예보값의 오차 91

Table 3-1-51. EC 예보값의 퍼센트오차 91

Table 3-1-52. EC 예보 평가지수 92

Table 3-1-53. DO 예보값의 오차 92

Table 3-1-54. DO 예보값의 퍼센트오차 93

Table 3-1-55. DO 예보 평가지수 93

Table 3-1-56. TN 예보값의 오차 94

Table 3-1-57. TN 예보값의 퍼센트오차 94

Table 3-1-58. TN 예보 평가지수 94

Table 3-1-59. TP 예보값의 오차 95

Table 3-1-60. TP 예보값의 퍼센트오차 95

Table 3-1-61. TP 예보 평가지수 95

Table 3-1-62. 탁도 예보값의 오차 96

Table 3-1-63. 탁도 예보값의 퍼센트오차 96

Table 3-1-64. 탁도 예보 평가지수 96

Table 3-1-65. 클로로필 a 예보값의 오차 97

Table 3-1-66. 클로로필 a 예보값의 퍼센트오차 97

Table 3-1-67. 클로로필 a 예보 평가지수 97

Table 3-1-68. 실측 및 예측된 분변성대장균 등급 99

Table 3-1-69. 분변성대장균 등급 예측 결과 분류평가표 99

Table 3-1-70. 예측 및 실측된 입력데이터 이용한 분변성대장균 예측 결과 비교 100

Table 3-1-71. 분변성대장균 등급 예측 결과 분류평가표 101

Table 3-1-72. 예측 및 실측된 입력데이터로 산정한 친수수질지수 결과 비교 101

Table 3-3-1. Statistical analysis of the cell number 106

Table 3-3-2. Improvement of original data at the 12 weir 115

Table 3-3-3. Dickey-Fuller test of cell number at the 12 weir 117

Table 3-3-4. Dickey-Fuller test of water temperature at the 12 weir 117

Table 3-3-5. Dickey-Fuller test of water temperature after 4 differencing at the 12 weir 118

Table 3-3-6. Dickey-Ouliaris test rejection table 119

Table 3-3-7. Dickey-Ouliaris test results of Juksan weir 119

Table 3-3-8. ARMA(p,q) Model of variables 122

Table 3-3-9. R esult of Correlation analysis of Prewhitened negative lag Han river and Geum river 146

Table 3-3-10. R esult of Correlation analysis of Prewhitened negative lag Yeongsan river and Nakdong river 147

Table 3-3-11. CCF value of 0 lag at the 12 weir 149

Table 3-3-12. The relationship between Cell number and Water temperature 152

Table 3-3-13. The relationship with transfer model result and raw data for cell number 154

Table 3-3-14. Single input single output models for cell number at Dalseong point 155

Table 3-3-15. Model specification results at Dalseong point 155

Table 3-3-16. Single input single output models for cell number at Hapcheon point 157

Table 3-3-17. Model specification results at Hapcheon point 157

Table 3-3-18. Single input single output models for cell number at Gangjeong point 159

Table 3-3-19. Model specification results at Gangjeong point 159

Table 3-3-20. Single input single output models for cell number at Chilgok point 161

Table 3-3-21. Model specification results at Chilgok point 161

Table 3-3-22. Single input single output models for cell number at Haman point 163

Table 3-3-23. Model specification results at Haman point 163

Table 3-3-24. Single input single output models for cell number at Baekje point 165

Table 3-3-25. Model specification results at Baekje point 165

Table 3-3-26. Single input single output models for cell number at Sejong point 167

Table 3-3-27. Model specification results at Sejong point 167

Table 3-3-28. Single input single output models for cell number at Gongju point 169

Table 3-3-29. Model specification results at Gongju point 169

Table 3-3-30. Single input single output models for cell number at Juksan point 171

Table 3-3-31. Model specification results at Juksan point 171

Table 3-3-32. Single input single output models for cell number at Seungchon point 173

Table 3-3-33. Model specification results at Seungchon point 173

Table 3-3-34. Single input single output models for cell number at Ipo point 175

Table 3-3-35. Model specification results at Ipo point 175

Table 3-3-36. Single input single output models for cell number at Yeoju point 177

Table 3-3-37. Model specification results at Yeoju point 177

Table 3-3-38. Statistical Estimation of Transfer Function Model 180

Table 3-3-39. Optimal Discount Factor in 12 weir 181

Table 3-3-40. Prediction Results of Dalseong weir 183

Table 3-3-41. Prediction Results of Hapcheon weir 184

Table 3-3-42. Prediction Results of Gangjeong weir 185

Table 3-3-43. Prediction Results of Haman weir 186

Table 3-3-44. Prediction Results of Chilgok weir 187

Table 3-3-45. Prediction Results of Baekje weir 188

Table 3-3-46. Prediction Results of Sejong weir. 189

Table 3-3-47. Prediction Results of Gongju weir. 190

Table 3-3-48. Prediction Results of Juksan weir 191

Table 3-3-49. Prediction Results of Seungchon weir 192

Table 3-3-50. Prediction Results of Ipo weir 193

Table 3-3-51. Prediction Results of Yeoju weir 194

Fig. 2-1-1. 인공신경망 모델 23

Fig. 2-1-2. 인공신경망 모델 개발 과정 24

Fig. 2-1-3. 수질예측 인공신경망 모델 개발 절차 25

Fig. 2-1-4. DO 자료 구성비 27

Fig. 2-1-5. 학습알고리즘의 종류 28

Fig. 2-1-6. 다양한 초기 가중치에 따른 인공신경망 앙상블 모델링 30

Fig. 2-1-7. 앙상블 모델 결과에 대한 사분위 범위 31

Fig. 2-1-8. 의사결정나무 및 랜덤포레스트 모델 개념도 33

Fig. 2-1-9. 랜덤포레스트를 이용한 분변성대장균 등급 추정 모델 개발 33

Fig. 2-1-10. 소속함수의 예 36

Fig. 2-1-11. 5개 수질지표(수온, pH, DO, 탁도, 클로로필 a)의 소속함수 39

Fig. 2-1-12. 종합 친수활동지수 예보 시스템 연계도 40

Fig. 2-1-13. R을 이용한 ANN 모델 구축 40

Fig. 2-1-14. 종합 친수활동지수 예보 대상지인 북한강 대성리 - 삼봉리 구간 41

Fig. 2-1-15. 현장모니터링 지점 43

Fig. 2-1-16. 분변성대장균 측정 절차 45

Fig. 2-1-17. YSI사 YSI 6600EDS 47

Fig. 2-1-18. 탁도 센서 구성 49

Fig. 2-1-19. 클로로필 센서 구성 49

Fig. 2-2-1. Flow chart of time series analysis 51

Fig. 2-2-2. Flowchart of Exclusive analysis 53

Fig. 2-2-3. Flowchart of Updating Algorithm for Dynamic Linear Model 60

Fig. 3-1-1. R 코드 기반 ANN 모델 61

Fig. 3-1-2. 선행강우량과 분변성대장균 등급 79

Fig. 3-1-3. 친수수질지수와 수질지표 80

Fig. 3-1-4. MPN과 CFU 간 선형회귀모델 83

Fig. 3-1-5. 분변성대장균 및 수질지표의 측정농도 86

Fig. 3-1-6. 분변성대장균 및 수질지표의 상관성 87

Fig. 3-1-7. 수온 예보 결과 90

Fig. 3-1-8. pH 예보 결과 91

Fig. 3-1-9. EC 예보 결과 92

Fig. 3-1-10. DO 예보 결과 93

Fig. 3-1-11. TN 예보 결과 94

Fig. 3-1-12. TP 예보 결과 96

Fig. 3-1-13. 탁도 예보 결과 97

Fig. 3-1-14. 클로로필 a 예보 결과 98

Fig. 3-1-15. 예측 및 실측된 입력데이터 이용한 분변성대장균 등급 100

Fig. 3-1-16. 예측 및 실측된 입력데이터 이용한 친수수질지수 결과 102

Fig. 3-1-17. 종합 친수활동지수 예보 시스템 운영 및 구축 매뉴얼 104

Fig. 3-3-1. Monthly dispersion of cell number at the 12 weir 109

Fig. 3-3-2. Histogram of cell number at the 12 weir 111

Fig. 3-3-3. Box plot of cell number at the 12 weir 114

Fig. 3-3-4. Periodogram of gongju (a) and gangjeong(b) water temperature data 117

Fig. 3-3-5. ACF, PACF of Wind speed time series 120

Fig. 3-3-6. EACF of Wind speed time series at the Beakje and Sejong weir 121

Fig. 3-3-7. Any structure ACF, PACF for Rainfall time series at beakje and sejong weir 123

Fig. 3-3-8. CCF value of Rainfall & Cell 124

Fig. 3-3-9. CCF value of Wind speed & Cell 125

Fig. 3-3-10. CCF value of Water temperature & Cell 125

Fig. 3-3-11. CCF value of Quantity of solar radiation & Cell 125

Fig. 3-3-12. Prewhitened CCF value of Rainfall & Cell 126

Fig. 3-3-13. Prewhitened CCF value of Wind speed & Cell 127

Fig. 3-3-14. Prewhitened CCF value of Water temperature & Cell 128

Fig. 3-3-15. Prewhitened CCF value of Quantity of solar radiation & Cell 129

Fig. 3-3-16. CCF value of DO & Cell 129

Fig. 3-3-17. Prewhitened CCF value of DO & Cell 130

Fig. 3-3-18. CCF value of BOD & Cell 131

Fig. 3-3-19. Prewhitened CCF value of BOD & Cell 132

Fig. 3-3-20. CCF value of COD & Cell 133

Fig. 3-3-21. Prewhitened CCF value of COD & Cell 134

Fig. 3-3-22. CCF value of pH & Cell 134

Fig. 3-3-23. Prewhitened CCF value of pH & Cell 135

Fig. 3-3-24. CCF value of PO4P, TP & Cell 136

Fig. 3-3-25. Prewhitened CCF value of PO4P & Cell 137

Fig. 3-3-26. Prewhitened CCF value of TP & Cell 138

Fig. 3-3-27. CCF value of NH3N, TN & Cell 139

Fig. 3-3-28. Prewhitened CCF value of NH3N & Cell 140

Fig. 3-3-29. Prewhitened CCF value of TN & Cell 141

Fig. 3-3-30. CCF value of inflow rate & Cell 142

Fig. 3-3-31. Prewhitened CCF value of Inflow rate & Cell 143

Fig. 3-3-32. CCF value of Over flow & Cell 144

Fig. 3-3-33. Distinct trend for cell number of cyanobacteria for a threshold Water temperature (15 degree) 152

Fig. 3-3-34. Transfer Function Model Predictions and Observation for Cell... 156

Fig. 3-3-35. Transfer Function Model Predictions and Observation for Cell... 160

Fig. 3-3-36. Transfer Function Model Predictions and Observation for Cell... 162

Fig. 3-3-37. Transfer Function Model Predictions and Observation for Cell... 164

Fig. 3-3-38. Transfer function model predictions and observation for cell... 166

Fig. 3-3-39. Transfer Function Model Predictions and Observation for Cell... 168

Fig. 3-3-40. Transfer Function Model Predictions and Observation for Cell... 170

Fig. 3-3-41. Transfer Function Model Predictions and Observation for Cell... 172

Fig. 3-3-43. Transfer Function Model Predictions and Observation for Cell... 174

Fig. 3-3-44. Transfer Function Model Predictions and Observation for Cell... 176

Fig. 3-3-45. Transfer Function Model Predictions and Observation for Cell... 178

Fig. 3-3-46. Finding Optimal Discount Factor in Hapcheon weir 181

Fig. 3-3-47. Updating Algorithm in Hapcheon weir of theta0(a), theta1(b), error(c), variance(d) 182

Fig. 3-3-48. Transfer Function Model Prediction and Dynamic Linear Model for... 183

Fig. 3-3-49. Transfer Function Model Prediction and Dynamic Linear Model for... 185

Fig. 3-3-50. Transfer Function Model Prediction and Dynamic Linear Model for... 186

Fig. 3-3-51. Transfer Function Model Prediction and Dynamic Linear Model for... 187

Fig. 3-3-52. Transfer Function Model Prediction and Dynamic Linear Model for... 188

Fig. 3-3-53. Transfer Function Model Prediction and Dynamic Linear Model for... 189

Fig. 3-3-54. Transfer Function Model Prediction and Dynamic Linear Model for... 190

Fig. 3-3-55. Transfer Function Model Prediction and Dynamic Linear Model for... 191

Fig. 3-3-56. Transfer Function Model Prediction and Dynamic Linear Model for... 192

Fig. 3-3-57. Transfer Function Model Prediction and Dynamic Linear Model for... 193

Fig. 3-3-58. Transfer Function Model Prediction and Dynamic Linear Model for... 194

Fig. 3-3-59. Transfer Function Model Prediction and Dynamic Linear Model for... 195