사람, 동물, 식물이 함께 존재하는 하천 환경은 각자의 생존을 이어 가기 위해 중요한 장소이다. 특히 하천 수질은 생물의 생존에 직접적인 영향을 주므로, 하천 수질을 효과적으로 관리하는 것이 필수적이다. 하천 수질을 효과적으로 관리하기 위해서는 하천 수질을 정확하게 예측하여 적절한 수질 관리 계획을 수립하는 것이 중요하다. 많은 연구자들이 하천 환경의 수질을 모델링하기 위해 다양한 도구를 활용해 왔다. 지금까지 하천 수질은 Soil and Water Assessment Tool (SWAT) [1], Hydrological Simulation Program-Fortran (HSPF) [2], QUAL2E [3]와 같은 유역 모델을 사용하여 모델링되어 왔다. 그러나 이러한 모델들은 미국 정부(United States Department of Agriculture 및 United States Environmental Protection Agency)가 개발한 것이므로, 한국의 유역에 직접 적용하는 데는 어려움이 따른다. 또한 최근에는 인공지능(Artificial Intelligence, AI)의 활용이 다른 방법론에 비해 높은 예측 정확도, 비선형성에 대한 적응성, 높은 처리 속도 등의 이유로 점차 증가하고 있다. 하천 수질 모델링에서 AI의 사용이 증가함에도 불구하고, AI에는 효과적인 모델링을 위해 고해상도 데이터셋이 필요하다는 과제가 있다. 그러나 한국에서는 수질 모니터링 관측 지점의 수가 부족하여 하천 환경의 수질 데이터셋 해상도가 낮다.

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사람, 동물, 식물이 함께 존재하는 하천 환경은 각자의 생존을 이어 가기 위해 중요한 장소이다. 특히 하천 수질은 생물의 생존에 직접적인 영향을 주므로, 하천 수질을 효과적으로 관리하는 것이 필수적이다. 하천 수질을 효과적으로 관리하기 위해서는 하천 수질을 정확하게 예측하여 적절한 수질 관리 계획을 수립하는 것이 중요하다. 많은 연구자들이 하천 환경의 수질을 모델링하기 위해 다양한 도구를 활용해 왔다. 지금까지 하천 수질은 Soil and Water Assessment Tool (SWAT) [1], Hydrological Simulation Program-Fortran (HSPF) [2], QUAL2E [3]와 같은 유역 모델을 사용하여 모델링되어 왔다. 그러나 이러한 모델들은 미국 정부(United States Department of Agriculture 및 United States Environmental Protection Agency)가 개발한 것이므로, 한국의 유역에 직접 적용하는 데는 어려움이 따른다. 또한 최근에는 인공지능(Artificial Intelligence, AI)의 활용이 다른 방법론에 비해 높은 예측 정확도, 비선형성에 대한 적응성, 높은 처리 속도 등의 이유로 점차 증가하고 있다. 하천 수질 모델링에서 AI의 사용이 증가함에도 불구하고, AI에는 효과적인 모델링을 위해 고해상도 데이터셋이 필요하다는 과제가 있다. 그러나 한국에서는 수질 모니터링 관측 지점의 수가 부족하여 하천 환경의 수질 데이터셋 해상도가 낮다.

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삼투압과 정수압은 정방향삼투(forward osmosis, FO), 압력지연삼투(pressure-retarded osmosis, PRO), 및 역삼투(reverse osmosis, RO)와 같은 막 기반 담수화 공정을 구동하는 데 필수적인 요소이다. 그러나 현재까지 이러한 구동 압력들 간의 명확한 상관관계가 규명되지 않았으므로, 구동 압력의 변화가 시스템에 미치는 영향은 아직 충분히 분석되지 않았다. 이러한 맥락에서 본 연구는 각 구동 압력에 존재하는 에너지 손실을 고려함으로써 막 기반 담수화 공정의 구동 압력들 사이에 대한 실제 수학적 관계를 정식화한다. 이를 위해 본 연구는 시스템의 물 수송 방향을 나타내는 준구동압(pseudo-driving pressures)과 에너지 보존 규칙을 정량화하는 유사도 계수(similarity coefficients)를 정의한다. 그 결과, 본 연구는 막 기반 담수화 공정을 구동하는 데 필요한 세 가지 추가적인 이론적 제약조건을 도출한다. 또한 유사도 계수의 특성과 더불어, 본 연구는 FO/PRO에 비해 RO가 가지는 상업적 우위를 진단하고 각 공정에 적용 가능한 바람직한 최적화 순서를 제안한다. 본 연구는 막 기반 담수화 공정에서 막 매개변수와 운전 매개변수 간의 최적화 순서에 관한 지침을 연구자들에게 제공함에 따라, 각 공정에 대한 상세한 최적화 전략이 수립될 수 있을 것으로 기대된다.