Groundwater Recharge Estimation Using the Artificial Neural Network Model and GIS Technology

( Gyoo-bum Kim ),( Myoung-rak Choi ),( Ho-jeong Lee ),( Chan-ik Hwang ) 대한지질공학회 2019 대한지질공학회 학술발표회논문집 Vol.2019 No.2

241 groundwater monitoring wells managed by the government has been operated in South Korea and continuous groundwater levels have been collected. Modified water table fluctuation method (TSM-hWTF), which is used for groundwater recharge rate estimation at the monitoring site, was developed by the previous researchers (Yoon et al., 2016; Cho and Park, 2008) and it is generally used in this country. Time series of groundwater levels from 1995 to 2016 are collected in order to calculate groundwater recharge rate at each monitoring well by using the TSM-hWTF method. This groundwater recharge rate is generally related with land surface elevation of the monitoring site, topographic slope around the monitoring site, soil characteristics, relationship with nearby stream, stream scale (width), geologic structure (lineament), and geology. Therefore, the artificial neural network (Multilayer perceptron) model is developed with the correlation coefficient of 0.82 based on these input variables, which are collected from the existing national digitized maps (topographic map, soil map, and geology map) and output variable (recharge rate). Finally, groundwater recharge rate for the non-monitored region can be estimated with this model by using the GIS technology and the recharge rate are finally estimated as 64,457 ㎥/y (20.4% of rainfall) for the Yanggok region and as 40,600 ㎥/y (12.8% of rainfall) for the Ungok region in Hongseong-gun.

Comparison of missing value imputations for groundwater levels using multivariate ARIMA, MLP, and LSTM

김규범(Gyoo-Bum Kim),최명락(Myoung-Rak Choi),황찬익(Chan-Ik Hwang) 대한지질학회 2020 지질학회지 Vol.56 No.5

배후지 지하수위를 고려한 인공신경망 기반의 수평정별 취수량 결정 기법

김규범 ( Gyoo-bum Kim ),오동환 ( Dong-hwan Oh ) 대한지질공학회 2018 지질공학 Vol.28 No.4

최근들어 방사형 집수정 방식의 대용량 강변여과수 개발에 따른 배후지의 지하수위 강하에 대한 우려가 존재하고 있다. 본 연구에서는 안성천의 방사형 집수정을 대상으로 Modflow를 활용하여 수평정의 취수량에 따른 배후지의 수위 강하를 예측하였으며, 이 데이터를 기반으로 배후지 수위 강하가 최소가 되는 수평정별 취수량을 결정하는 다층퍼셉트론 기반의 인공신경망 모델을 개발하였다. 하천 방향으로 굴착된 수평정 HW-6의 취수량을 높이는 것이 OW-7 및 OB-11 관측정의 지하수위를 높게 유지하는데 필요한 것으로 평가되었다. 또한, 모델 입력 자료의 수 및 훈련과 검증 자료의 분류는 인공신경망 모델 결과에 영향을 미치므로 유의하여야 한다. 향후 현장의 실제 운영 자료와 수치모델의 비교를 통하여 인공신경망 모델을 보완한다면 배후지의 지하수 관리에 기여할 것으로 본다. Recently, concern has arisen regarding the lowering of groundwater levels in the hinterland caused by the development of high-capacity radial collector wells in riverbank filtration areas. In this study, groundwater levels are estimated using Modflow software in relation to the water volume pumped by the radial collector well in Anseongcheon Stream. Using the water volume data, an artificial neural network (ANN) model is developed to determine the amount of water that can be withdrawn while minimizing the reduction of groundwater level. We estimate that increasing the pumping rate of the horizontal well HW-6, which is drilled parallel to the stream direction, is necessary to minimize the reduction of groundwater levels in wells OW-7 and OB-11. We also note that the number of input data and the classification of training and test data affect the results of the ANN model. This type of approach, which supplements ANN modeling with observed data, should contribute to the future groundwater management of hinterland areas.

비상여수로 입구부의 차수벽 설치 효과 분석

김규범 ( Gyoo Bum Kim ),손영철 ( Young Chul Son ),서경수 ( Kyung Soo Seo ) 대한지질공학회 2010 지질공학 Vol.20 No.2

투수성이 낮은 매질로 설치되는 차수벽(Cut-off wall)은 댐 지역 비상여수로 터널 지역에서 지하수의 흐름을 차단하기 위한 기능을 갖는다. 임하댐의 3개 비상여수로 터널 입구부에 차수벽 설치시 지하수 유입의 차단 효과를 평가하기 위하여 MODFLOW 모델링을 활용하였다. 규모와 설치 방향 등을 고려하여 3가지 차수벽 설치 방안이 검토되었는데, 모델링을 통하여 추정된 비상여수로 터널내로 유입되는 지하수량은 약 64.26~65.49 m3/day이며, 이중에서 차수벽 구간을 통과하여 유입되는 지하수량은 약 44.08~45.31 m3/day로서 방안별로 유사한 것으로 나타났다. 따라서, 본 연구지역에서는 방안별 차수효과보다는 시공성, 환경파괴의 최소성 등을 고려하여 최적의 차수벽 설치 방안을 제안하였다. Cut-off wall with a low permeability can be constructed to prevent groundwater seepage in spillway tunnel areas. Three spillway tunnels are constructed in Im-ha multipurpose dam region and three types of cut-off walls with a variety of directions and scales are designed. As a result of MODFLOW modeling to assess the effect of cut-off wall for three types, groundwater inflows to the tunnels range from 64.26 m3/day to 65.49 m3/day and also they through a cut-off wall section from a reservoir do from 44.08 m3/day to 45.31 m3/day and it does not show any significant difference among them. Therefore, a construction process and an environmental conservation rather than the effectiveness of cut-off wall need to be considered to select the best cut-off wall in this region.

AHP 기반의 인공신경망 모델을 활용한 지하수 인공함양 후보지 선정 방안

김규범 ( Gyoo-bum Kim ),최명락 ( Myoung-rak Choi ),서민호 ( Min-ho Seo ) 대한지질공학회 2018 지질공학 Vol.28 No.4

최근 우리나라에서 발생되는 국지적 가뭄은 지하수의 효율적 활용에 대한 관심을 증대시키고 있으며, 잉여의 물을 지층 내에 저장하는 지하수 인공함양 기술 도입의 필요성이 대두되고 있다. 본 연구에서는 충청남도내 퇴적 분지의 지하수 인공함양 대상지로의 가능성을 평가하기 위하여 1차 인자 3개, 2차 인자 7개로 구성된 AHP 모델을 개발하였으며, 10개 후보지에 적용한 결과를 토대로 인공신경망 모델을 구축하였다. AHP 모델은 후보지가 추가될 경우 수학적인 연산 과정에 의하여 최종 평가점수가 변하게 되나, 인공신경망 모델은 후보지별 고정적인 최종평가 점수를 제시하게 되어 인공함양 적지 선정 기준으로 사용할 수 있다. 충청남도 지역의 연구 결과, 인공신경망 모델의 최종 평가점수가 약 1.5점 이하인 경우에는 인공함양 후보지로서의 가능성이 낮은 것으로 평가되었다. 향후 타 지역에 대한 추가 연구 및 현장 조사를 통해 다양한 자료 군을 확보한다면 보다 보편적으로 적용할 수 있는 인공신경망 모델 도출이 가능할 것이다. Local drought in South Korea has recently increased interest in the efficient use of groundwater and then induces a growing need to introduce artificial recharge of groundwater that stores water in sedimentary layer. In order to evaluate the potential artificial recharge sites in the alluvial basins in Chungcheongnamdo province, an AHP (Analytical hierarchy process) model consisting of three primary and seven secondary factors was developed in this study. In the AHP model, adding candidate sites changes final evaluation score through a mathematical calculation process. By contrast ANN (Artificial neural network) model always provides an unchanged score for each candidate area. Therefore, the score can be used as a selection criterion for artificial recharge sites. It is concluded that the possibility of artificial recharge is relatively low if the score of the ANN model is less than about 1.5. Further studies and field surveys on the other regions in Korea will lead to draw out a more applicable ANN model.

강우 대비 지하수위 변동량을 이용한 비산출율 추정 기법의 적용성 고찰

김규범 ( Gyoo Bum Kim ),최두형 ( Doo Houng Choi ),정재훈 ( Jae Hoon Jeong ) 대한지질공학회 2010 지질공학 Vol.20 No.1

지하수위 변동법을 이용하여 지하수 함양량을 추정할 경우 매질의 비산출율은 결과에 대한 오차에 직접 영향을 미치게 되나 비산출율의 추정 방법에 대한 고찰은 거의 이루어지지 않았다. 장기 지하수위 관측이 이루어지는 연구지점에서 강우 발생 후 지하수위의 상승량의 상관관계로부터 비산출율을 추정한 결과 타 방법과 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 그러나, 지하수위 변동이 강우에 의해서만 나타나는 것은 아니므로 인위적인 지하수위 변동, 식생에 의한 증발산 및 지하수위의 급상승 등이 배제된 자료를 활용하여야 하며, 갈수기의 12시간 내지 24시간 단위의 평균 강우 및 지하수위 자료를 사용하는 것이 합리적인 비산출율 산정에 바람직한 것으로 나타났다. In case of groundwater recharge estimation using water table fluctuation method, specific yield affects the accuracy and confidence level of recharge rate. Nevertheless, there have been few studies on the method for the accurate estimation of specific yield in Korea. Specific yield estimated from the relationship between rainfall and groundwater levels is reasonable compared to the other methods. However, lots of factors such as artificial pumping, evapotranspiration by the plants, and a sudden increase in water levels by a heavy rainfall can affect the pattern of groundwater levels` fluctuation and make an over-estimated or under-estimated specific yield. This study obtained a reasonable specific yield by using a daily or 12 hourly average of rainfall and groundwater levels measured in a dry season.

FDR 센서를 활용한 제체 누수특성의 실내 모형 실험 연구

김규범 ( Gyoo-bum Kim ),임은상 ( Eunsang Im ),류호철 ( Ho-cheol Ryu ),황찬익 ( Chan-ik Hwang ),김형종 ( Hyeong-jong Kim ) 대한지질공학회 2018 지질공학 Vol.28 No.4

제체의 누수를 탐지하는 방법으로서 물리탐사, 온도 계측, 광섬유 등 다양한 방법이 개발되어 왔다. 본 연구에서는 FDR 센서의 유전율상수를 이용한 누수 탐지의 가능성을 파악하기 위하여 취약부와 미취약부로 구성된 물리모형을 제작하였으며 유전율상수, 온도 및 간극수압 센서를 설치하였다. 누수가 형성됨에 따라 유전율상수는 미취약부보다 취약부에서 빠르게 변화되었다. 또한, 취약부에서 간극수압, 온도 및 유전율 상수를 비교하면 유전율 상수의 반응이 가장 빠르고 하류 계측 지점에서도 쉽게 인지되는 특성을 보였다. 이와 같은 특성을 고려할 때, 제체 하류 구간에서 분포형으로 유전율을 측정한다면 누수 탐지에 빠르고 효율적으로 대처할 수 있을 것으로 파악되었다. Various methods, such as geophysical exploration, temperature measurement, and fiber optics, have been developed for detecting the seepage at a dam. In this study, in order to investigate the possibility of leakage detection using dielectric constant of FDR sensor, a physical model consisting of weak and no-weak zones is fabricated and the sensors for dielectric constant, temperature and pore water pressure measurements are installed. As a leakage happens, the dielectric constant changes more rapidly through a weak zone than no-weak zone. In addition, comparing three factors (dielectric constant, temperature, and pore water pressure), the response of dielectric constant to seepage is fast and it is easily recognized even at the end measurement point. Considering these features, it is concluded that it could be possible to cope with the leakage detection quickly and efficiently if the dielectric constant is measured at the downstream slope of a dam.

특별세션 : 국내 대하천의 변화와 수변 지하수의 변동 특성

김규범 ( Gyoo Bum Kim ),김재홍 ( Jae Hong Kim ) 대한지질공학회 2014 대한지질공학회 학술발표회논문집 Vol.2014 No.1

인공신경망과 지하수위 변동법을 연계한 지하수 함양량 산정 기법

김규범(Gyoo-Bum Kim),황찬익(Chan-Ik Hwang),신현정(Hyeon-Jeong Shin) 대한지질학회 2019 대한지질학회 학술대회 Vol.2019 No.10

강변여과수 개발지역 우물 개량시 철망간 저감 효과

김규범 ( Gyoo Bum Kim ),김병우 ( Byung Woo Kim ),신선호 ( Seon Ho Shin ),박준형 ( Joon Hyeong Park ) 대한지질공학회 2009 지질공학 Vol.19 No.3

낙동강 주변에 위치한 일부 충적층에서의 철과 망간은 음용수 기준치(각각 0.3 mg/L)를 초과하고 있으며, 강변여과 취수 개발 및 이용을 제한하는 요인으로 나타나고 있다. 본 연구에서 사용된 서지블록 및 에어서징 기술은 자갈층에 충진된 슬라임을 제거함으로서 관정 주변의 투수성을 높일 뿐 만 아니라 대수층을 산화 환경으로 만들 수 있고, 대수층에서 생성된 철과 망간의 산화물들을 관정내로 빼낼 수 있는 방법이다. 이와 같이 서징에 따른 철과 망간의 제거효율을 검토한 결과, Fe(total) 및 Fe2+이온 농도는 서징 전과 비교하여 5~8배 및 5~9배 정도 줄어들었고, Mn2+이온농도는 약 10배의 저감 효과가 나타났으며, 철산화물(Fe2O3)은 약 1.2배, 망간산화물(MnO)은 약 1~1.2배 증가하였다. 이와 같이 대수층내 공기 주입을 통한 철과 망간 이온농도의 저감은 효과가 있는 것으로 나타나 향후 국내에서도 강변여과수의 철 망간 제거를 위하여 대수층내 직접 처리 기술의 도입이 필요한 것으로 평가되었다. Iron and manganese contents are usually over the limit of drinking water standard (0.3 mg/L) in unconsolidated aquifer of river bank filtration site in Nakdong river. Surge block and air surging techniques used in this study are useful tools to remove the slime within gravels and pebbles, to increase permeability of aquifer, to provide oxygen into aquifer, and to discharge iron and manganese oxides from a well. Surging activity brought about 5~8 and 5~9 times decreases in Fe(total) and Fe2+contents, and also 10 times decrease in Mn2+contents compared to non-surging condition, respectively. Additionally, iron oxide and manganese oxide increased up 1~1.2 times after surging. This result shows that air injection into the aquifer can help iron and manganese content decreased and in-situ treatment technology needs to be introduced in river bank filtration project in South Korea.