Changes in soil hydraulic properties by different types of forest fire damage and its influence on hydrologic responses

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 농업생명과학대학 산림과학부(산림환경학전공), 2022.2. 임상준.Forest fires burns the combustible substances, such as leaf litter, understory, and trees. The forest fire patterns in Korea are changing due to climate change, which has led to growing concerns about the secondary damages post fire events. Such damages can be effectively prevented by understanding the hydrologic cycle in fire-damaged watersheds. The runoff rate occurring in burned watersheds immediate after fire is related to the changes in vegetation cover and soil characteristics. However, the available data on rainfall-runoff characteristics on burned watersheds only reflects whether it was affected by the fire, and information on the impact of the damages caused by forest fires on vegetation and soil characteristics is insufficient. To understand the rainfall-runoff characteristics of burned watersheds, it is necessary to estimate the runoff curve number (CN). The post-fire hydrologic response of burned watersheds was analyzed in this study. The specific objectives of this study were to 1) develop a spatio-temporally applicable method for classifying the types of forest fire damages, 2) analyze changes in soil characteristics with forest fire damage types, and 3) estimate the CN of burned watersheds corresponding to the different types of forest fire damages and soil hydraulic properties. To satisfy the first objective, various sets of fire-damaged areas and the taken time of satellite images were used for supervised learning. Three different post-fire image data were used to train the classifier. It showed a good performance in the validation regions. Furthermore, it is expected that the classifier with the important 20 variables that were selected by analyzing their attributes from the best-performing dataset would also be able to classify the types of forest fire damage. To fulfil the second objective, the physicochemical properties, water repellency, and saturated hydraulic conductivity of fire-damaged soils were measured for each damage type. It was observed that both the physicochemical properties and water repellency were affected by burning intensity. Additionally, a higher degree of damage corresponded to the formation of a stronger and deeper water repellent layer. The results of saturated hydraulic conductivity experiments were also associated with the type of the forest fire damage, where a higher degree of damage corresponded to a lower saturated hydraulic conductivity. After three months, the saturated hydraulic conductivity of the burned areas decreased, but recovered after nine months in all forest fire damage types. Thus, it is inferred that the changes in soil properties are related to the type of damage. In particular, changes in the soil hydraulic properties can provide basic information to analyze the post-fire hydrologic response of burned watersheds. Finally, to analyze the impact of forest fire on hydrology, various CN estimation methods were considered with respect to the forest fire damage type. The hydrological data for analyzing the rainfall-runoff characteristics in fire-damaged watersheds were obtained. From the accuracy evaluation of the CN estimation method considering the saturated hydraulic conductivity by forest fire damage types and the regression method, it is inferred that both methods could be applied to burned watersheds. In summary, the impacts of forest fires on the hydrology of burned watersheds can be evaluated by studying the changes in soil hydraulic properties by forest fire damage type, and could be efficiently used to identify the characteristics of burned watershed hydrology. It is expected that the estimation of post-fire rainfall-runoff could contribute to the post-fire management of burned watersheds.산불은 산림 내에서 발생하는 화재로서, 낙엽․낙지, 초본, 임목 등 가연성 물질이 연소하는 현상이다. 우리나라는 기후변화로 인해 산불 패턴이 변화하고, 이상기후로 인해 산불 발생 후 2차 피해 우려가 점차 커지고 있다. 효과적인 2차 피해 저감 및 예방은 산불피해 유역의 수문 순환에 대한 파악을 기초로 한다. 강우 발생 시 산불피해유역에서 발생하는 강우 유출량은 산불로 인한 식생 및 토양 특성 변화와 밀접하게 관련되어 있다. 그러나 산불로 인한 수문 영향은 주로 산불에 의한 식생 파괴에 초점을 맞추고 있으며, 산불피해유형에 따른 토양 특성 변화와 이로 인한 수문학적 영향에 대한 고려는 부족한 실정이다. 특히 산불피해지의 강우 유출량을 파악하고 이로 인한 피해를 예방하기 위해서는 산불피해유형을 고려하여 토양의 수리적 특성을 파악하는 것이 중요하다. 이 연구는 위성영상을 활용하여 산불 발생 시기와 발생지역에 영향을 받지 않고 범용적으로 적용가능한 산불피해유형 분류 방법을 제시하고, 산불피해유형에 따른 토양 수리 특성 변화를 분석하여, 산불피해유형 및 토양 특성을 고려한 유역의 유출곡선지수 산정을 통해 산불이 유역의 강우 유출에 미치는 영향을 분석하기 위해 수행하였다. 첫째, 시공간적으로 서로 다른 산불피해유형을 자동 분류하기 위해, 산불피해지역 및 영상 시기를 복합적으로 고려하여 기계학습을 수행하였다. 산불피해지 3개 지역의 자료를 혼합하여 학습한 산불피해유형 분류기의 성능은 우수한 것으로 평가되었다. 산불피해유형 분류기에 대해 변수 기여도 분석을 통해 변수 기여도가 높은 상위 20개 변수를 추출하였다. 둘째, 산불피해유형에 따른 토양 특성 변화를 살펴보기 위해 산불피해유형별로 토양의 이화학적 특성과 토양 발수성을 조사하였으며, 토양 물리성과 포화 수리전도도를 조사하였다. 산불은 토양의 이화학적 성질과 토양 발수성에 영향을 주며 산불에 의해 식생피해가 심할수록 토양 발수성이 강하게 나타났고 발수층이 깊은 토양층까지 발달하였으며 포화 수리전도도가 낮게 나타났다. 포화 수리전도도는 산불 발생 3개월 후에는 산불 직후보다 작아졌으며 9개월 후에는 산불피해유형 간에 유의한 차이를 보이지 않았다. 따라서 산불피해 토양의 수리 특성 변화는 산불피해유형과 연관이 있으며 산불 후 시간 경과에 따라 그 영향이 감소하였다. 산불이 산불피해지의 강우 유출량에 미치는 영향을 분석하기 위해, 산불 전후의 유출곡선지수를 산정하여 비교하였다. 산불피해지 유출곡선지수 추정을 위해 산불피해유형별 포화 수리전도도를 이용하는 방법과 산불 전후의 유출곡선지수 변화에 따른 회귀식을 이용하여 유출곡선지수를 각각 추정하였으며, 실측 강우-유출자료를 이용하여 적용성을 평가하였다. 추정된 유출곡선지수를 이용하여 산불피해지의 강우 유출량을 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 연구 결과를 종합하면, 산불피해유형에 따른 토양의 수리 특성 변화를 고려한 산불피해유형 기반 수문 영향 분석 기법은 산불피해 유역의 수문 특성 파악에 효율적으로 이용될 수 있을 것으로 판단되어 추후 산불피해지 유역관리에 활용가능할 것으로 기대되었다.제 1 장 서 론 1 제 1 절 연구의 배경 1 제 2 절 연구의 목적 5 제 3 절 연구의 흐름 6 제 2 장 연구사 8 제 1 절 산불피해유형 분류 8 제 2 절 산불피해 토양의 발수성 12 제 3 절 산불피해 토양의 침투 및 Ks 18 제 4 절 산불 발생 후 강우 유출량 변화 20 제 3 장 Red-edge 밴드를 활용한 원격탐사 기반 산불피해유형 분류 25 제 1 절 연구배경 25 제 2 절 연구방법 27 1. 연구대상지 및 참조자료 27 2. 위성영상 자료 33 3. 산불피해 관련 지수 및 데이터 전처리 34 4. 지도학습 알고리즘 37 5. AutoML 설정 39 6. 성능평가 40 7. 모델 해석 41 제 3 절 결과 및 고찰 43 1. 방법1 – 각각의 지역으로 지도학습 43 2. 방법2 – 세 지역으로 지도학습 46 3. 분류 모델의 변수 기여도 해석 48 제 4 절 결론 56 제 4 장 산불피해유형에 따른 토양 특성 및 발수성 58 제 1 절 연구배경 58 제 2 절 연구방법 59 1. 조사 대상지 59 2. 토양 발수성 현장 조사 62 3. 토양 시료 채취 및 토양 특성 분석 64 4. 통계분석 65 제 3 절 결과 및 고찰 65 1. 산불피해유형에 따른 토양의 이화학적 특성 65 2. 산불피해유형에 따른 토양 발수성 71 3. 경사 조건에 따른 토양 발수성 75 4. 토양 발수성의 수문 영향 78 제 4 절 결론 79 제 5 장 산불피해유형에 따른 토양 포화 수리전도도 변화 81 제 1 절 연구배경 81 제 2 절 연구방법 84 1. 조사 대상지 84 2. 포화 수리전도도 측정 87 3. 통계분석 88 제 3 절 결과 및 고찰 90 1. 산불이 토양 물리성에 미치는 영향 90 2. 산불이 토양 포화 수리전도도에 미치는 영향 95 제 4 절 결론 100 제 6 장 산불피해유형을 반영한 산불피해지 유출곡선지수 추정 101 제 1 절 연구배경 101 제 2 절 연구방법 103 1. 연구대상지 103 2. NRCS-CN 방법 105 3. 수문 자료 관측 106 4. 산불피해지 CN 산정 방법 108 5. 정확도 검증 110 제 3 절 결과 및 고찰 111 1. 실측 강우-유출 자료 기반 CN 추정 111 2. 산불피해유형별 CN 산정 113 3. 직접유출량 정확도 평가 116 제 4 절 결론 119 제 7 장 종합결론 121 참고문헌 124 부록 – AutoML 예측결과 168 Abstract 193박

Guideway Layout Design of Personal Rapid Transit System : A Multi-Objective Genetic Algorithm Approach

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Changes in soil hydraulic properties by different types of forest fire damage and its influence on hydrologic responses

Forest fires burns the combustible substances, such as leaf litter, understory, and trees. The forest fire patterns in Korea are changing due to climate change, which has led to growing concerns about the secondary damages post fire events. Such damages can be effectively prevented by understanding the hydrologic cycle in fire-damaged watersheds. The runoff rate occurring in burned watersheds immediate after fire is related to the changes in vegetation cover and soil characteristics. However, the available data on rainfall-runoff characteristics on burned watersheds only reflects whether it was affected by the fire, and information on the impact of the damages caused by forest fires on vegetation and soil characteristics is insufficient. To understand the rainfall-runoff characteristics of burned watersheds, it is necessary to estimate the runoff curve number (CN). The post-fire hydrologic response of burned watersheds was analyzed in this study. The specific objectives of this study were to 1) develop a spatio-temporally applicable method for classifying the types of forest fire damages, 2) analyze changes in soil characteristics with forest fire damage types, and 3) estimate the CN of burned watersheds corresponding to the different types of forest fire damages and soil hydraulic properties. To satisfy the first objective, various sets of fire-damaged areas and the taken time of satellite images were used for supervised learning. Three different post-fire image data were used to train the classifier. It showed a good performance in the validation regions. Furthermore, it is expected that the classifier with the important 20 variables that were selected by analyzing their attributes from the best-performing dataset would also be able to classify the types of forest fire damage. To fulfil the second objective, the physicochemical properties, water repellency, and saturated hydraulic conductivity of fire-damaged soils were measured for each damage type. It was observed that both the physicochemical properties and water repellency were affected by burning intensity. Additionally, a higher degree of damage corresponded to the formation of a stronger and deeper water repellent layer. The results of saturated hydraulic conductivity experiments were also associated with the type of the forest fire damage, where a higher degree of damage corresponded to a lower saturated hydraulic conductivity. After three months, the saturated hydraulic conductivity of the burned areas decreased, but recovered after nine months in all forest fire damage types. Thus, it is inferred that the changes in soil properties are related to the type of damage. In particular, changes in the soil hydraulic properties can provide basic information to analyze the post-fire hydrologic response of burned watersheds. Finally, to analyze the impact of forest fire on hydrology, various CN estimation methods were considered with respect to the forest fire damage type. The hydrological data for analyzing the rainfall-runoff characteristics in fire-damaged watersheds were obtained. From the accuracy evaluation of the CN estimation method considering the saturated hydraulic conductivity by forest fire damage types and the regression method, it is inferred that both methods could be applied to burned watersheds. In summary, the impacts of forest fires on the hydrology of burned watersheds can be evaluated by studying the changes in soil hydraulic properties by forest fire damage type, and could be efficiently used to identify the characteristics of burned watershed hydrology. It is expected that the estimation of post-fire rainfall-runoff could contribute to the post-fire management of burned watersheds.산불은 산림 내에서 발생하는 화재로서, 낙엽․낙지, 초본, 임목 등 가연성 물질이 연소하는 현상이다. 우리나라는 기후변화로 인해 산불 패턴이 변화하고, 이상기후로 인해 산불 발생 후 2차 피해 우려가 점차 커지고 있다. 효과적인 2차 피해 저감 및 예방은 산불피해 유역의 수문 순환에 대한 파악을 기초로 한다. 강우 발생 시 산불피해유역에서 발생하는 강우 유출량은 산불로 인한 식생 및 토양 특성 변화와 밀접하게 관련되어 있다. 그러나 산불로 인한 수문 영향은 주로 산불에 의한 식생 파괴에 초점을 맞추고 있으며, 산불피해유형에 따른 토양 특성 변화와 이로 인한 수문학적 영향에 대한 고려는 부족한 실정이다. 특히 산불피해지의 강우 유출량을 파악하고 이로 인한 피해를 예방하기 위해서는 산불피해유형을 고려하여 토양의 수리적 특성을 파악하는 것이 중요하다. 이 연구는 위성영상을 활용하여 산불 발생 시기와 발생지역에 영향을 받지 않고 범용적으로 적용가능한 산불피해유형 분류 방법을 제시하고, 산불피해유형에 따른 토양 수리 특성 변화를 분석하여, 산불피해유형 및 토양 특성을 고려한 유역의 유출곡선지수 산정을 통해 산불이 유역의 강우 유출에 미치는 영향을 분석하기 위해 수행하였다. 첫째, 시공간적으로 서로 다른 산불피해유형을 자동 분류하기 위해, 산불피해지역 및 영상 시기를 복합적으로 고려하여 기계학습을 수행하였다. 산불피해지 3개 지역의 자료를 혼합하여 학습한 산불피해유형 분류기의 성능은 우수한 것으로 평가되었다. 산불피해유형 분류기에 대해 변수 기여도 분석을 통해 변수 기여도가 높은 상위 20개 변수를 추출하였다. 둘째, 산불피해유형에 따른 토양 특성 변화를 살펴보기 위해 산불피해유형별로 토양의 이화학적 특성과 토양 발수성을 조사하였으며, 토양 물리성과 포화 수리전도도를 조사하였다. 산불은 토양의 이화학적 성질과 토양 발수성에 영향을 주며 산불에 의해 식생피해가 심할수록 토양 발수성이 강하게 나타났고 발수층이 깊은 토양층까지 발달하였으며 포화 수리전도도가 낮게 나타났다. 포화 수리전도도는 산불 발생 3개월 후에는 산불 직후보다 작아졌으며 9개월 후에는 산불피해유형 간에 유의한 차이를 보이지 않았다. 따라서 산불피해 토양의 수리 특성 변화는 산불피해유형과 연관이 있으며 산불 후 시간 경과에 따라 그 영향이 감소하였다. 산불이 산불피해지의 강우 유출량에 미치는 영향을 분석하기 위해, 산불 전후의 유출곡선지수를 산정하여 비교하였다. 산불피해지 유출곡선지수 추정을 위해 산불피해유형별 포화 수리전도도를 이용하는 방법과 산불 전후의 유출곡선지수 변화에 따른 회귀식을 이용하여 유출곡선지수를 각각 추정하였으며, 실측 강우-유출자료를 이용하여 적용성을 평가하였다. 추정된 유출곡선지수를 이용하여 산불피해지의 강우 유출량을 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 연구 결과를 종합하면, 산불피해유형에 따른 토양의 수리 특성 변화를 고려한 산불피해유형 기반 수문 영향 분석 기법은 산불피해 유역의 수문 특성 파악에 효율적으로 이용될 수 있을 것으로 판단되어 추후 산불피해지 유역관리에 활용가능할 것으로 기대되었다.제 1 장 서 론 1 제 1 절 연구의 배경 1 제 2 절 연구의 목적 5 제 3 절 연구의 흐름 6 제 2 장 연구사 8 제 1 절 산불피해유형 분류 8 제 2 절 산불피해 토양의 발수성 12 제 3 절 산불피해 토양의 침투 및 Ks 18 제 4 절 산불 발생 후 강우 유출량 변화 20 제 3 장 Red-edge 밴드를 활용한 원격탐사 기반 산불피해유형 분류 25 제 1 절 연구배경 25 제 2 절 연구방법 27 1. 연구대상지 및 참조자료 27 2. 위성영상 자료 33 3. 산불피해 관련 지수 및 데이터 전처리 34 4. 지도학습 알고리즘 37 5. AutoML 설정 39 6. 성능평가 40 7. 모델 해석 41 제 3 절 결과 및 고찰 43 1. 방법1 – 각각의 지역으로 지도학습 43 2. 방법2 – 세 지역으로 지도학습 46 3. 분류 모델의 변수 기여도 해석 48 제 4 절 결론 56 제 4 장 산불피해유형에 따른 토양 특성 및 발수성 58 제 1 절 연구배경 58 제 2 절 연구방법 59 1. 조사 대상지 59 2. 토양 발수성 현장 조사 62 3. 토양 시료 채취 및 토양 특성 분석 64 4. 통계분석 65 제 3 절 결과 및 고찰 65 1. 산불피해유형에 따른 토양의 이화학적 특성 65 2. 산불피해유형에 따른 토양 발수성 71 3. 경사 조건에 따른 토양 발수성 75 4. 토양 발수성의 수문 영향 78 제 4 절 결론 79 제 5 장 산불피해유형에 따른 토양 포화 수리전도도 변화 81 제 1 절 연구배경 81 제 2 절 연구방법 84 1. 조사 대상지 84 2. 포화 수리전도도 측정 87 3. 통계분석 88 제 3 절 결과 및 고찰 90 1. 산불이 토양 물리성에 미치는 영향 90 2. 산불이 토양 포화 수리전도도에 미치는 영향 95 제 4 절 결론 100 제 6 장 산불피해유형을 반영한 산불피해지 유출곡선지수 추정 101 제 1 절 연구배경 101 제 2 절 연구방법 103 1. 연구대상지 103 2. NRCS-CN 방법 105 3. 수문 자료 관측 106 4. 산불피해지 CN 산정 방법 108 5. 정확도 검증 110 제 3 절 결과 및 고찰 111 1. 실측 강우-유출 자료 기반 CN 추정 111 2. 산불피해유형별 CN 산정 113 3. 직접유출량 정확도 평가 116 제 4 절 결론 119 제 7 장 종합결론 121 참고문헌 124 부록 – AutoML 예측결과 168 Abstract 193박

Electrode Shape Design using Genetic Algorithms for Multi-Mode Sensor

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Estimation of Water Holding Capacity and Interception Storage Capacity of Forest Litter in Different Tree Species

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 산림과학부(산림환경학전공), 2015. 8. 임상준.낙엽은 산림의 수문순환과정에서 수관통과우(throughfall)를 차단하여 빗물을 다시 대기 중에 돌려보내기에 산림수문, 산불방지, 홍수량산정 등 관련 연구의 정확도에 기초가 될 국내 주요수종의 낙엽에 대한 차단손실 자료를 구축해야 하며 또한 강우차단효과에 영향을 주는 요인으로 낙엽의 물리적 특성과의 관계를 명확히 하는 것도 필요하다. 이번 연구의 목적은 주요 조림 수종의 낙엽층에서 발생하는 차단과 강우의 관계에서 수분저류능(water holding capacity, WHC)과 차단저류능(interception storage capacity, C)을 산정하고 차단손실에 영향을 주는 낙엽의 물리적 특성을 분석하여 이들 요소간의 상호연관성을 분석하여 수종별 낙엽층의 수문학적 영향을 추정하는 것이다. 조사한 주요 조림 수종은 리기다소나무(Pinus rigida Mill.), 잣나무(Pinus koraiensis), 편백(Chamaecyparis obtusa), 물오리나무(Alnus hirsuta Turcz. ex Rupr.), 상수리나무(Quercus acutissima), 신갈나무(Quercus mongolica) 등 여섯 수종이고 침수 실험방법과 인공강우 실험방법을 병행하여 두 가지 방법의 저류량 차이를 보았다. 또한 낙엽의 물리적 특성인 엽면적, 비체적, 중량당 낙엽층 두께 등을 조사하여 강우차단 효과와의 관계를 분석하였다. 수분저류능을 측정하기 위해 수종별로 낙엽을 48시간 완전침수, 48시간 무증발 중력수 배제, 48시간 오븐 건조의 순서로 진행하여 얻은 건습중량 차이로부터 함수율을 계산하는 방법을 사용하였다. 강우가 끝나는 시점의 최대 차단저류능(maximum interception storage capacity, Cmax)과 30분 동안 중력수를 배제한 최소 차단저류능(minimum interception storage capacity, Cmin)을 측정하기 위해, 수종별 및 중량별로 인공강우를 실시하였으며 전자저울로 중량변화를 전부 기록하였다. 수종별 낙엽의 수분저류능은 신갈나무 272%, 상수리나무 244%, 물오리나무 419%, 리기다소나무 220%, 편백 327%, 잣나무 170%로 수종 간에 차이를 보였으며 낙엽의 물리적 특성 중 하나인 비체적과 선형 관계를 가졌다. 수종별 낙엽의 Cmax과 Cmin은 신갈나무 240%와 156%, 상수리나무 218%와 137%, 물오리나무 220%와 138%, 리기다소나무 193%와 113%, 편백 173%와 87%, 잣나무 185%와 72%로 수종 간에 차이를 보였다. 회귀분석 결과, Cmax와 Cmin 모두 낙엽층의 중량과 강한 선형 관계를 보였다. 또한, 활엽수종의 Cmin은 엽면적과 선형관계를 가졌고 침엽수종의 Cmin은 중량당 낙엽층 두께와 선형관계를 가졌다. 60분 미만인 강우에 대해서는 지속시간에 따른 Cmin 변화가 없었고 Cmin과 WHC의 비율은 모든 수종이 60%보다 작게 나타났으며 침수실험과 인공강우실험에서 낙엽이 물을 흡수하는 기작이 다른 것으로 판단되었다. Cmax와 Cmin 함수율의 차이는 낙엽층 내에서 빗물의 이동을 설명하는 값으로서 활엽수 낙엽층에서는 큰 차이가 없지만 상대적으로 조밀한 침엽수 낙엽층에서는 중량당 낙엽층 두께와 선형관계를 보였다. 종합적으로, 수종별 수분저류능과 차단저류능 모두 차이가 있고 낙엽의 특성에 영향을 받으며 중량이 증가함에 따라 커진다. 이 결과는 산림의 낙엽층 밀도 자료와 결합하여 분석하면 유역 내 낙엽층에 의한 강우차단량을 추정할 수 있다.초 록 i 목 차 iii 표 목차 iv 그림 목차 v 제１장 서 론 1 제２장 연 구 사 4 제１절 차단의 정의 4 제２절 수분저류능 6 제３절 차단저류능 8 제３장 연구대상 및 연구방법 11 제１절 연구대상 11 제２절 연구방법 12 제４장 결 과 18 제１절 낙엽의 물리적 특성 18 제２절 수종별 수분저류능 22 제３절 수종별 차단저류능 24 제５장 고 찰 27 제１절 낙엽 특성과 수분저류능 27 제２절 수종별 최소 차단저류능 29 제３절 빗물이 낙엽층 내에서의 이동 32 제４절 중량별 차단저류능 34 제５절 강우 지속시간의 영향 40 제６장 결 론 43 인용문헌 45 Abstract 49Maste