도심지역 유출지하수 활용 및 관리를 위한 제도개선 연구

김경호,지민규,차은지,김교범,이병권,한혜진 한국환경정책평가연구원 2020 기본연구보고서 Vol.2020 No.-

Ⅰ. 연구의 배경 및 목적 □ 도심지역 지하공간 개발로 발생하는 대규모 유출지하수는 지하수 보전과 물순환 건전성 확보를 위해 적극적으로 이용하고 관리할 필요가 있다. 「지하수법」 등에서 지하철 및 건축물에서 발생하는 유출지하수에 대한 감소대책 및 이용계획을 수립하도록 하는 규정을 두고 있지만, 효과적인 관리와 이용의 측면에서 현행 제도의 실효성이 미흡한 실정이다. ㅇ 본 연구의 주요 목적은 도심 지역 유출지하수를 효과적으로 관리하고 이용하는 데 필요한 법제도 등 관리제도 개선점을 모색하는 데 있다. 따라서 유출지하수의 이용과 관리제도의 현황 및 문제점을 파악하고, 효과적인 유출지하수의 관리를 위한 정책방향을 설정하였다. 이를 토대로 도심지역의 유출지하수 관리·이용을 위한 다양한 방안과 법제도 개선안을 도출하여 제안하였다. Ⅱ. 도심지역 지하수 유출 특성 □ 기존에 발간된 자료를 토대로 유출지하수 발생 현황 및 이용률을 살펴보면, 서울시의 경우 도심지역의 유출지하수 발생량이 지속적으로 증가하면서 지하수 개발·이용량을 초과하고 있다. 유출지하수는 대부분 하천유지용수로 이용되기 때문에 지하수 부존량 손실에 지대한 영향을 미친다. ㅇ 특히 건축물의 경우 기준(30톤/일) 이상의 유출지하수 발생을 인지할 때 신고하는 규정 때문에 이용·관리를 위한 법제도의 실효성이 없고, 유출지하수 이용계획을 사전에 수립하지 않기 때문에 물순환 건전성을 확보하기 위한 유출지하수 활용(중수도를 포함한 다양한 용수 이용)이 미흡한 것으로 파악된다. □ 본 연구에서는 도심지역의 유출지하수 발생량 및 지하수 보조관측망 자료를 토대로 유출지하수 발생과 지하수위 변동(저하) 사이의 정량적인 관계를 살펴보았으며, 이를 토대로 지하수위 관리구역의 설정 방안 및 유출지하수 발생에 대한 모니터링 방안을 제안한다. ㅇ 사례연구로서 기계학습을 이용하여 서울시의 유출지하수 발생량, 토지이용, 수리지질 특성 등 공간변인이 지하수위 강하에 미치는 영향 등을 평가하였으며, 도심지역 지하철 인근에서 유출지하수 발생에 따른 유의한 수위강하를 시공간적으로 확인하였다. 이러한 연구 결과를 토대로 도심지역 지하수위 우심지구 및 관리수위 설정 방안을 제안하였다. ㅇ 서울시에서는 강우현상에 종속되지 않는 지속적인 지하수위 강하가 확인되며, 지하철 노선 이격거리, 지하철 유출량, 토양깊이 등이 수위 저하의 주요 영향요인으로 확인되었다. 또한 시계열 분석으로 설정된 지하수 예측수위의 신뢰구간을 벗어나는 대규모지하수위 강하를 건축물 공사에 인접한 관측망에서 파악하였고, 이를 통해 보조관측망을 유출지하수 계측의 주요 수단으로 활용할 수 있는 방안을 제시하였다. Ⅲ. 유출지하수 이용·관리 방안 □ 본 장에서는 국내 유출지하수 이용·관리 실태와 현안을 살펴보고 공사 시 유출지하수관리 및 운영 시 유출지하수 이용을 활성화하기 위한 방안을 도출하였다. 여기서 유출지하수 지자체 관리실태 및 감소·계측·이용에 대한 기존 현황을 검토하고, 문제점과 개선점을 제시하였다. ㅇ 환경부의 지하수업무수행지침 등을 검토하고 지자체 관리 실태(공무원 인터뷰 등)를 확인한 결과, 유출지하수 관리제도 및 행정체계 미흡으로 민간영역의 이용·관리가 부실하였으며, 공사 관리(계측·차수·배수에 관한 관리방안)를 위한 지침이 마련되어 있으나 법제도에 맞는 보다 구체적인 유출지하수 계측 및 모니터링 방법 그리고 지하안전영향평가 등과 연계된 예측방법에 대한 보완의 필요성이 제안되었다. ㅇ 나아가서 유출지하수 이용의 기본원칙(물순환 건전성 제고 등)을 토대로 도심지역 건축 시설물의 용수(시설물 내 지열냉난방 및 시설물 외 하천유지용수 등) 및 인공함양 방안을 개별적으로 검토하여 제안하였으며, 유출지하수 이용활성화를 위한 평가 프로세스와 경제성 검토 방안을 도출하였다. Ⅳ. 유출지하수 관리제도 개선안 □ 본 연구의 목표달성을 위해 「지하수법」상의 유출지하수 관리제도의 문제점을 도출하고, 현행 관리제도의 개선방향과 구체적인 개선안을 도출하였다. 특히 지하수 공적관리 강화를 위해 유출지하수 발생신고를 합리화하고 이용을 의무화하는 정책적 개선방향을 설정하고 이에 따를 구체적인 법규정 개선안을 도출하였다. ㅇ 유출지하수 관련 법제도의 개선점을 파악한 결과 지하수 보전 및 공정관리 측면에서 법제도의 강화가 필요한 것으로 파악되었으며, 이를 위해 유출지하수 신고규정 합리화(사전신고 의무제), 유출지하수 이용의무화 제도, 유출지하수 사전평가제도, 지하수보전구역 등 관리구역 현행화, 지하수 이용부담금 제도 활성화 등에 관한 관리정책의 방향을 도출하였다. ㅇ 위와 같은 정책 방향의 맥락에서 「지하수법」을 중심으로 개선안을 도출하였다. 특히 유출지하수 신고대상에 관한 규모 및 발생량 기준 등이 현실에 맞지 않아 유출지하수 신고대상 및 신고절차에 대한 법제도 개정을 제안하였다. 본 연구에서 제안하는 법제도 개선안은 유출지하수 신고규정 개정, 유출지하수 용도규정 개정, 유출지하수 수질관리제도 개정, 지하수보전구역제도 개정, 지하수 이용부담금 적용 방안 마련, 지하수 영향조사 등 사전평가제도 적용 방안 마련을 포함한다. ㅇ 특히 유출지하수 용도에 관한 규정이 중수도 수질기준에만 적용 가능한 항목으로 규정되어 있기 때문에 지하수 인공함양(재함양)을 포함한 유출지하수의 활용 확대를 위한 해당 조항의 개정이 시급한 것으로 파악된다. 그뿐만 아니라 지하수 수질관리규정에 유출지하수 개념을 포함해야 하며 용도별 지하수수질기준을 적용할 근거 마련이 필요하다. □ (제언) 본 연구에서는 기존 유출지하수 관리제도의 한계를 해결하고자 「지하수법」 등의 개선안을 제시하고 있지만 이를 구현하기 위해 종합적인 지하수 관리정책의 변화가 필요하다. 앞으로 유출지하수를 포함한 지하수 관리를 개선하기 위해 지하수의 보전가치에 대한 인식 제고와 공공성 확보가 절실하다. 무엇보다 지하수 개발·이용시설을 체계적으로 관리하기 위해서는 정부의 제정 및 행정 지원과 더불어 지하수 자원 보전정책의 강화가 요구된다. 통합물관리의 기본원칙인 물순환 회복의 목표를 달성하기 위해 정부 및 지자체의 제도 개선 노력과 본 연구 결과의 적극적인 활용을 기대한다. Ⅰ. Background and Objective of the Study □ Large-scale discharge of groundwater from projects designed to develop underground spaces in urban areas needs to be actively utilized and managed to conserve groundwater and ensure the integrity of water circulation systems. Under the Groundwater Act, etc., there are regulations that require the establishment of reduction measures and utilization plans for discharged groundwater generated from subways and buildings. However, the effectiveness of current systems in place is insufficient in terms of both effective management and utilization. ㅇ The main purpose of this study is to find ways to improve the management system, including the legal framework, to effectively manage and utilize discharged groundwater in urban areas. This study also identifies the current status and issues pertaining to systems utilizing and managing discharged groundwater, and establishes the direction of relevant policies for effective groundwater discharge management. Based on its findings, this study ultimately proposes various measures and plans to improve legal systems governing the management and utilization of groundwater discharge in urban areas. Ⅱ. Characteristics of Groundwater Discharge in Urban Areas □ Previously published information on discharged groundwater and its usage suggests that more groundwater is being discharged in urban areas to the extent that the volume of discharged groundwater exceeds the capacity of groundwater developed and utilized. Since groundwater discharge is mostly used for the maintenance of rivers, it greatly contributes to the loss of groundwater reserves. ㅇ In particular, in the case of buildings, the legal system for utilizing and managing groundwater discharge is ineffective because of regulations that report any instances of groundwater discharge above the standard volume (30 tons/day). Furthermore, the use of groundwater discharge to secure the integrity of water circulation, such as wastewater, is deemed insufficient. □ This study examines the quantitative relationship between the generation of groundwater discharge and fluctuation of groundwater levels (depletion) based on the amount of discharged groundwater as well as data from the groundwater Auxiliary Observation Network available in urban areas. Based on this, this study proposes a plan for establishing groundwater level management zones and a monitoring plan for discharged groundwater. ㅇ In terms of case studies, this study uses machine learning to evaluate the effect of spatial variables, such as groundwater discharge volume, land use, and hydrogeological characteristics, on the drop in groundwater levels in Seoul. It also spatiotemporally examines significant water level drops caused by groundwater discharge in urban areas near subways. Moreover, the results of this study were used in proposing a plan to establish high-risk zones and control threshold for groundwater levels in urban areas. ㅇ Observations through the Seoul Auxiliary Observation Network proved that the continuous drop in the groundwater level was not subject to rainfall. Here, the separation distance of subway lines, volume of discharge from subways, and depth of soil were identified as major influence factors. Furthermore, significant drops in groundwater levels outside the confidence interval of forecasted groundwater levels set by time-series analyses were identified via the observation network adjacent to buildings under construction. This presented means to utilize the Auxiliary Observation Network as a major means of measuring groundwater discharge. Ⅲ. Means to Utilize/Manage Groundwater Discharge □ This chapter examines the current status and pending issues pertaining to the utilization and management of groundwater discharge in Korea. It also offers plans to promote the use of groundwater discharged during construction, and the management of groundwater discharge when such means of using discharged groundwater are implemented. Here, the current status of managing, reducing, measuring, and utilizing groundwater discharge at different municipalities was reviewed, and relevant problems and improvements were presented as well. ㅇ Reviewing the Ministry of Environment’s guidelines for performing groundwater work, and confirming the management status of local governments (public official interviews, etc.) revealed that the utilization and management of groundwater discharge in the private sector were poor due to the lack of management and administrative systems for discharged groundwater. Also, despite the guidelines for managing construction (measurement, order and drainage techniques, and application of construction methods), this study explored the necessity of supplementing a more specific method of measuring and monitoring groundwater discharge in accordance with relevant legal systems and forecasting methods linked to underground safety impact assessments. ㅇ Furthermore, based on the basic principles of utilizing groundwater discharge, this study reviewed and proposed plans for utilizing water at buildings in urban areas (geothermal heating and cooling in facilities, river maintenance water, etc.) as well as artificial recharge methods. It also explored evaluation processes and economic review plans for revitalizing the use of groundwater discharge. IV. Plans for Improving Groundwater Discharge Management Systems □ To achieve the goal of this study, issues pertaining to groundwater discharge management systems under the current Groundwater Act were derived in this study. This study also proposed the direction of improvement and specific improvement plans for current management systems. In particular, to reinforce public management of groundwater, policy improvements rationalizing the mandatory reporting of groundwater discharge instances were established, and a detailed legal and regulatory improvement plan was proposed in this study as well. ㅇ Based on potential improvements identified in the legal systems related to discharged groundwater, this study found that it was necessary to strengthen the legal system in terms of groundwater conservation and process management. To this end, this study established the direction of management policies regarding the rationalization of groundwater discharge reporting regulations, a system for obligating the use of discharged groundwater, a pre-evaluation system for discharged groundwater, management zones (such as groundwater preservation zones), and implemented a fee-based usage system for groundwater discharge. ㅇ In the context of the above policy direction, this study developed an improvement plan centering on the Groundwater Act. Particularly, given the fact that the scale and volume threshold for reporting groundwater discharge did not reflect reality, this study proposed a revision of the legal system for groundwater discharge reporting thresholds and procedures. Improvements to the legal system proposed in this study include the revision of groundwater discharge reporting regulations, revision of groundwater discharge usage regulations, revision of the water quality management system for groundwater discharge, revision of the groundwater conservation zone system, arrangement of groundwater usage fees, and preparation of pre-evaluation measures such as groundwater impact assessments. ㅇ In particular, since the regulations on the use of discharged groundwater are stipulated as items applicable only to the wastewater quality standards, this research deemed it urgent to amend relevant provisions and expand the use of groundwater discharge, including the artificial recharge of groundwater. Furthermore, this study deemed it necessary to include the proper definition of groundwater discharge in regulations governing groundwater quality management, and to prepare a basis for applying the groundwater quality standards for different applications. □ (Recommendation) This study proposes amendments to the Groundwater Act, etc. in order to solve the limitations of the existing groundwater discharge management systems. However, to apply such amendments, this report recognized the need for comprehensive revisions to current groundwater management policies. Moving forward, in order to improve the practices managing groundwater, including discharged groundwater, there is an urgent need to raise awareness of the value and publicness of groundwater preservation. But above all, for the systematic management of groundwater developments and utilization facilities, the government’s regulatory and administrative support, reinforcement of groundwater resource conservation policies are required. To achieve the goal of restoring proper water circulation, which is the basic principle of integrated water management, the central government and local municipalities are expected to exert efforts to improve relevant systems and to actively utilize the results of this study.

유역 유출과정과 지하수위 변동을 고려한 분포형 지하수 함양량 산정방안

정일문,김남원,이정우,Chung, Il-Moon,Kim, Nam-Won,Lee, Jeong-Woo 한국지하수토양환경학회 2007 지하수토양환경 Vol.12 No.5

우리나라에서 대표적으로 사용되어 온 지하수 함양량 산정방법은 지하수 감수곡선에 의한 기저유출분리법, 유역내의 집중형 개념모형에 의한 물수지 분석, 그리고 지하수위 변동곡선법으로 대별된다. 지하수 함양량은 기후조건, 토지이용 그리고 수문지질학적 불균질성에 따르는 시공간적인 변동성을 나타내므로 전술한 방법들은 이같은 특성을 다루기에는 많은 제약을 가진다. 이 같은 단점을 극복하기 위해 본 연구에서는 통합 지표수-지하수 모형인 SWAT-MODFLOW로부터 얻어진 물수지 성분을 기초로 한 새로운 함양량 추정방법을 제시하고자 한다. 하천변에 위치한 지하수위는 하천흐름과 유사한 동적변화를 나타내는 반면 보다 상류부에 위치한 지하수위는 강수에 대하여 일정한 지체현상을 나타낸다. 이와 같은 지하수위 변동의 특징은 함양의 물리적 특성과 관련되므로 이 같은 현상을 설명하기 위해서는 토양층을 통과한 물이 대수층 함양에 도달하는데 걸리는 시간적 지체를 설명하는 것이 필요하다. SWAT 모형에서는 주어진 날에 대해 물이 토양층을 통과하여 대수층으로 함양되는 과정을 설명하기 위해 지수형태의 감쇠가중함수를 가진 단일 저수지 저류 모듈을 사용한다. 그런데 이 모듈은 지체시간이 긴 경우나 추정된 함양의 시계열이 지하수위 시계열과 잘 맞지 않는 제한 사항을 가지므로, 본 연구에서는 비포화대를 통과하는 시간 지체를 보다 현실적으로 반영할 수 있는 다단 저수지 저류 추적 모듈을 개발하여 SWAT모형에 탑재하였으며, 이 모듈내의 시간지체와 관련된 매개변수는 관측지하수위와 모의 함양량의 상관관계를 검토함으로써 최적화가 이루어지도록 하였다. 본 연구방법의 최종 단계는 모의 지하수위와 관측 지하수위, 그리고 관측 유역유출량과 모의 유출량을 검증함으로써 종결된다. 새롭게 제안된 방법을 우리나라 미호천 유역에 적용하여 지하수 함양량의 시공간적 분포를 추정하였는데 제시된 방법이 유역 모형의 효율성과 지하수위 변동법의 정확성이라는 장점을 모두 가진 방법이어서 추정된 일 함양량은 수리지질학적 불균질성, 기후조건, 토지이용과 토양층과 대수층의 거동까지 반영한 매우 개선된 값으로 판단된다. In Korea, there have been various methods of estimating groundwater recharge which generally can be subdivided into three types: baseflow separation method by means of groundwater recession curve, water budget analysis based on lumped conceptual model in watershed, and water table fluctuation method (WTF) by using the data from groundwater monitoring wells. However, groundwater recharge rate shows the spatial-temporal variability due to climatic condition, land use and hydrogeological heterogeneity, so these methods have various limits to deal with these characteristics. To overcome these limitations, we present a new method of estimating recharge based on water balance components from the SWAT-MODFLOW which is an integrated surface-ground water model. Groundwater levels in the interest area close to the stream have dynamics similar to stream flow, whereas levels further upslope respond to precipitation with a delay. As these behaviours are related to the physical process of recharge, it is needed to account for the time delay in aquifer recharge once the water exits the soil profile to represent these features. In SWAT, a single linear reservoir storage module with an exponential decay weighting function is used to compute the recharge from soil to aquifer on a given day. However, this module has some limitations expressing recharge variation when the delay time is too long and transient recharge trend does not match to the groundwater table time series, the multi-reservoir storage routing module which represents more realistic time delay through vadose zone is newly suggested in this study. In this module, the parameter related to the delay time should be optimized by checking the correlation between simulated recharge and observed groundwater levels. The final step of this procedure is to compare simulated groundwater table with observed one as well as to compare simulated watershed runoff with observed one. This method is applied to Mihocheon watershed in Korea for the purpose of testing the procedure of proper estimation of spatio-temporal groundwater recharge distribution. As the newly suggested method of estimating recharge has the advantages of effectiveness of watershed model as well as the accuracy of WTF method, the estimated daily recharge rate would be an advanced quantity reflecting the heterogeneity of hydrogeology, climatic condition, land use as well as physical behaviour of water in soil layers and aquifers.

제주도 지역의 해안선에서 이격거리에 따른 지하수위 변동특성

강동환 ( Dong Hwan Kang ),양성일 ( Sung Il Yang ),김태영 ( Tae Yeong Kim ),박현주 ( Hyun Joo Park ),권병혁 ( Byung Hyuk Kwon ) 대한지질공학회 2008 지질공학 Vol.18 No.2

본 연구에서는 제주도 지역의 257개 공에서 갈수기(1998년 12월)와 풍수기(1999년 7월)에 관측된 지하수위 자료에 의해 해안선에서 이격거리에 따른 지하수위 변동특성이 규명되었다. 갈수기 지하수위는 7.46~203.88 m의 범위에 평균은 60.49 m, 풍수기에는 4.01~204.10 m의 범위에 평균 57.66 m 이었다. 제주도에서는 1998년 6~10월에 내린 강우에 의한 영향으로 갈수기의 지하수위가 풍수기에 비해 높았다. 본 연구에 이용된 지하수공의 표고와 지하수위 사이의 상관계수는 0.86 이상이었으며, 갈수기와 풍수기 지하수위 간의 상관계수는 0.95 이상으로 매우 높았다. 본 연구에 이용된 257개 지하수공 자료를 해안선에서 500 m 간격으로 재정리한 후, 17개 구간의 이격거리, 표고, 갈수기 및 풍수기 지하수위에 대한 평균을 산정하였다. 해안선에서 0~4 km 구간의 표고와 지하수위는 이격거리에 따라 증가하는 경향을 보였으나, 4~9 km 구간에서는 증가와 감소가 반복되면서 불규칙적이었다. 제주도 지역의 해안선에서 이격거리에 대한 지하수위의 선형함수가 추정되었으며, 전체 구간(0~9 km)보다 0~4 km 구간 자료를 이용한 경우의 결정계수가 높게 나타났다. 그리고, 제주도 지역의 해안선에서 이격거리가 0~4 km 구간이 전체 구간의 지하수위 증가율에 비해 2배 이상 높았다. 이는 해안선에서 4 km 정도까지는 지하수위가 선형적으로 증가하지만, 4~9 km 지역들에서는 증가와 감소가 반복되면서 증가하기 때문이다. The variation characteristics of groundwater level with distance from shoreline at Jeju Island was investigated using groundwater level data monitored from 257 wells for dry season (December 1998) and wet season (July 1997), respectively. Groundwater levels of the dry season were 7.46~203.88 m with an average of 60.49 m, while those of the wet season were 4.01~204.10 m with an average of 57.66 m. Groundwater level of the dry season was higher than that of the wet season, which was caused by heavy rains between June and October, 1998 at the Jeju Island. Correlation coefficients between altitude and groundwater level for dry and wet seasons were above 0.86, and those between dry season and wet season groundwater levels were very high above 0.95. 257 groundwater level data were classified at an interval of 500 m. Average values for altitude, groundwater levels and distance from shoreline were calculated for 17 intervals. Altitude and groundwater level for dry and wet seasons at 0~4 km intervals were increased with distance from shoreline, but those at 4~9 km intervals were irregularity. Linear functions of the groundwater level for dry and wet seasons as distance from shoreline were estimated, and the coefficient of determinant at 0~4 km interval data was higher than it at 0~9 km interval data. Increasing rate of groundwater level at 0~4 km intervals was more 2 times than it at 0~9 km intervals. This results are caused by linear increase of groundwater level to 4 km from shoreline and by irregularity of groundwater level at the 4~9 km intervals.

제주도 지역별 지하수위 변동 요인에 대한 고찰

정지호,박재성,고은희,박원배,정진아 대한지질공학회 2022 지질공학 Vol.32 No.2

This study evaluated the hydraulic factors contributing to the decreasing groundwater levels across Jeju island. Time-series data for groundwater level, precipitation, and groundwater usage and information on land use were acquired, and the correlations among them were analyzed to evaluate the causes of the decreasing groundwater. The effects of precipitation and groundwater usage on the fluctuations of groundwater level were quantified using response surface analysis and sensitivity analysis, and methods for groundwater quantity management by region were proposed. The results showed that the rate of groundwater decrease in the western region was larger than that in the eastern region. For the eastern region, the influence of precipitation was large and the rate of decrease in the groundwater level was relatively small. The geological formation of this part of the island and continuous seawater intrusion suggest that although the absolute amount of groundwater extracted for use was large, the decrease in the groundwater level was not seen to be great due to an increase in pressure by seawater intrusion. Overall, precipitation and groundwater usage had the greatest effect on the amount of groundwater in the western region, and thus their data would be most useful for informing groundwater management, whereas other factors (e.g., sea level and the location of the freshwater-seawater transition zone) must be considered when understanding Jeju’s eastern region. As the characteristics of groundwater level fluctuations in the eastern and western regions are distinct, an optimal management plan for each region should be proposed to ensure the efficient management of groundwater quantity. 본 연구에서는 제주도 전역에 대해 발생하고 있는 지하수위 저하 현상의 원인을 평가하기 위한 분석이 실시되었다. 이를 위해 지하수위, 강수, 지하수 이용량 시계열 자료 및 토지 이용에 대한 정보를 취득하고 이들 간의 상관성을 분석하여 지하수위 저하 원인을 파악하고자 하였다. 반응표면 분석법 및 민감도 분석법을 이용하여 지역별 강수 및 지하수 이용량 변화가 지하수위 변동에 미치는 영향력을 정량화하였으며, 획득된 영향력 지도 및 다양한 공간통계 자료를 비교 분석함으로써 지하수위 하강 원인을 분석하고, 이를 통해 지역별 지하수량 관리를 위한 방안을 고찰하였다. 분석 결과, 서부지역의 지하수위 하강률이 동부지역에 비하여 큰 것으로 나타났으며, 특히, 서부지역은 지하수 이용량이 지하수위 변동에 큰 영향력을 가지는 것으로 나타났다. 반면, 동부지역의 경우, 지하수위 변동에 대한 강수의 영향력이 크게 나타났으며, 지하수위 저하율은 상대적으로 작게 나타나고 있다. 하지만, 강수량 대비 지하수 이용량의 증가율이 서부지역에 비하여 빠르게 발생하고 있고, 동부지역의 넓은 기저 지하수대 형성 양상 및 해수 침투가 지속적으로 보고되고 있는 점에서 미루어 보았을 때, 지하수 이용량이 증가함에 따라 지하수의 절대량은 줄어들었음에도 염수압으로 인하여 지하수위 저하가 크지 않은 것처럼 나타났을 가능성이 있는 것으로 평가되었다. 이를 종합하였을 때, 서부지역에 대한 지하수량 관리를 위해서는 강수 및 지하수 이용량에 대한 정보가 필수적으로 고려되어야 할 것으로 판단되며, 동부지역은 이 외 광역적인 수리학적 스트레스를 가할 수 있는 요소(해수면 변동, 염수-담수 경계 위치, 등)에 대한 면밀한 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한, 동부 및 서부지역의 지하수위의 변동 특징이 비교적 뚜렷하게 구분됨에 따라 보다 효율적 지하수량 관리를 위해 각 지역에 최적화된 관리 방안이 제시 및 적용되어야 할 것으로 판단된다.

제주도 대정-한경 유역 효율적 지하수자원 관리를 위한 자료기반 연구

이소연(Soyeon Lee),정지호(Jiho Jeong),김민철(Minchul Kim),박원배(Wonbae Park),김유한(Yuhan Kim),박재성(Jaesung Park),박희정(Heejeong Park),박경태(Gyeongtae Park),정진아(Jina Jeong) 대한자원환경지질학회 2021 자원환경지질 Vol.54 No.3

본 연구에서는 자료기반 분석 기법을 이용하여 제주 대정-한경 유역의 군집형 지하수 이용 관정의 영향력을 평가하고 지하수자원을 효율적으로 관리하기 위한 도구를 개발하였다. 분석을 위해 대정-한경 유역 내 총 19개 지하수위 관측공의 지하수위 자료, 총 3개 기상 관측소로부터 측정된 강수량 자료, 및 총 4개의 군집형 지하수 이용 관정(저지, 금악, 서광, 및 영어교육도시)으로부터 획득한 이용량 자료가 이용되었다. 먼저, 각 지하수위 관측공에 대하여 강수량 및 이용량 자료를 입력변수로 하는 자료기반 지하수위 예측모델을 개발하였다. 이때, 과거의 장기적 변동특성을 효과적으로 학습에 이용하기 위하여 누적 장단기 메모리 모델을 이용하였다. 모든 관측 공에 대하여 지하수위 예측모델을 개발하고, 이용량 입력변수에 대한 섭동 민감도 분석을 수행하여 각 군집형 관정의 공간적 영향력을 분석하였다. 금악 수원은 해당 수원 중심으로 영향이 크고, 서광 수원은 하류 지역을중심으로 영향이 큰 것으로 나타났으며, 영어교육도시는 수원의 상류 지역 중심, 저지 수원은 수원 상류 및 하류 중심으로 영향이 나타났다. 그리고 유역 내 군집형 수원의 영향력은 대략 5km인 것으로 나타났다. 추가적으로, 학습된 예측모델을 기반으로 군집형 이용 관정의 영향 범위에 포함되는 지하수위 관측공에 대해 강수량 대비 배경 지하수위 회복을 위한 적정 지하수 이용량을 산정하였다. 최근의 강수 패턴을 적용하였을 때, 현재 지하수 이용량을 기존의 80%로 제한할 필요성이 있는 것으로 나타났으며, 강수량이 100mm 증가하였을 때, 대략 1,500 m3에서 1,900 m3의 추가적인 취수가 가능할 것으로 평가되었다. 본 연구를 통해 도출된 대정-한경 유역 지하수 거동특성 평가 결과와 자료기반 분석 도구들은 대정-한경 유역의 지속 가능한 지하수 개발을 위한 유용한 정보로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. In this study, the impact of clustered groundwater usage facilities and the proper amount of groundwater usage in the Daejeong-Hangyeong watershed of Jeju island were evaluated based on the data-driven analysis methods. As the applied data, groundwater level data; the corresponding precipitation data; the groundwater usage amount data (Jeoji, Geumak, Seogwang, and English-education city facilities) were used. The results show that the Geumak usage facility has a large influence centering on the corresponding location; the Seogwang usage facility affects on the downstream area; the English-education usage facility has a great impact around the upstream of the location; the Jeoji usage facility shows an influence around the up- and down-streams of the location. Overall, the influence of operating the clustered groundwater usage facilities in the watershed is prolonged to approximately 5km. Additionally, the appropriate groundwater usage amount to maintain the groundwater base-level was analyzed corresponding to the precipitation. Considering the recent precipitation pattern, there is a need to limit the current amount of groundwater usage to 80%. With increasing the precipitation by 100mm, additional groundwater development of approximately 1,500m3-1,900m3 would be reasonable. All the results of the developed data-driven estimation model can be used as useful information for sustainable groundwater development in the Daejeong-Hangyeong watershed of Jeju island.

제주도 표선유역 중산간지역의 최적 지하수위 예측을 위한 인공신경망의 활성화함수 비교분석

신문주,김진우,문덕철,이정한,강경구 한국수자원학회 2021 한국수자원학회논문집 Vol.54 No.12S

The selection of activation function has a great influence on the groundwater level prediction performance of artificial neural network (ANN) model. In this study, five activation functions were applied to ANN model for two groundwater level observation wells in the middle mountainous area of the Pyoseon watershed in Jeju Island. The results of the prediction of the groundwater level were compared and analyzed, and the optimal activation function was derived. In addition, the results of LSTM model, which is a widely used recurrent neural network model, were compared and analyzed with the results of the ANN models with each activation function. As a result, ELU and Leaky ReLU functions were derived as the optimal activation functions for the prediction of the groundwater level for observation well with relatively large fluctuations in groundwater level and for observation well with relatively small fluctuations, respectively. On the other hand, sigmoid function had the lowest predictive performance among the five activation functions for training period, and produced inappropriate results in peak and lowest groundwater level prediction. The ANN-ELU and ANN-Leaky ReLU models showed groundwater level prediction performance comparable to that of the LSTM model, and thus had sufficient potential for application. The methods and results of this study can be usefully used in other studies. 활성화함수의 선택은 인공신경망(Artificial Neural Network, ANN) 모델의 지하수위 예측성능에 큰 영향을 미친다. 특히 제주도의 중산간 지역과 같이 지하수위의 변동폭이 크고 변동양상이 복잡한 경우 적절한 지하수위 예측을 위해서는 다양한 활성화함수의 비교분석을 통한 최적의 활성화함수 선택이 반드시 필요하다. 본 연구에서는 지하수위의 변동폭이 크고 변동양상이 복잡한 제주도 표선유역 중산간지역 2개 지하수위 관측정을 대상으로 5개의 활성화함수(sigmoid, hyperbolic tangent (tanh), Rectified Linear Unit (ReLU), Leaky Rectified Linear Unit (Leaky ReLU), Exponential Linear Unit (ELU))를 ANN 모델에 적용하여 지하수위 예측결과를 비교 및 분석하고 최적 활성화함수를 도출하였다. 그리고 최근 널리 사용되고 있는 순환신경망 모델인 Long Short-Term Memory (LSTM) 모델의 결과와 비교분석하였다. 분석결과 지하수위 변동폭이 상대적으로 큰 관측정과 상대적으로 작은 관측정에 대한 지하수위 예측에 대해서는 각각 ELU와 Leaky ReLU 함수가 최적의 활성화함수로 도출되었다. 반면 sigmoid 함수는 학습기간에 대해 5개 활성화함수 중 예측성능이 가장 낮았으며 첨두 및 최저 지하수위 예측에서 적절하지 못한 결과를 도출하였다. 따라서 ANN-sigmoid 모델은 가뭄기간의 지하수위 예측을 통한 지하수자원 관리목적으로 사용할 경우 주의가 필요하다. ANN-ELU와 ANN-Leaky ReLU 모델은 LSTM 모델과 대등한 지하수위 예측성능을 보여 활용가능성이 충분히 있으며 LSTM 모델은 ANN 모델들 보다 예측성능이 높아 인공지능 모델의 예측성능 비교분석 시 참고 모델로 활용될 수 있다. 마지막으로 학습기간의 정보량에 따라 학습기간의 지하수위 예측성능이 검증 및 테스트 기간의 예측성능보다 낮을 수 있다는 것을 확인하였으며, 관측지하수위의 변동폭이 크고 변동양상이 복잡할수록 인공지능 모델별 지하수위 예측능력의 차이는 커졌다. 본 연구에서 제시한 5개의 활성화함수를 적용한 연구방법 및 비교분석 결과는 지하수위 예측뿐만 아니라 일단위 하천유출량 및 시간단위 홍수량 등 지표수 예측을 포함한 다양한 연구에 유용하게 사용될 수 있다.

LSTM을 활용한 관측자료 기반 미호천 유역 미래 월 단위 지하수위 관리 취약 시기 평가

이재범,아거쑤아모스,양정석 한국수자원학회 2022 한국수자원학회논문집 Vol.55 No.7

본 연구는 미호천 유역의 월 단위 지하수위 관리 취약 시기 평가와 LSTM을 이용한 미래 지하수위 관리 취약 시기 평가 기법을 제안하였다. 미호천 유역 내의 지하수위 및 강수량 관측소 관측자료를 수집하고, LSTM을 구성한 후 강수량과 지하수위에 대한 2020~2022년 예측 값을 산정하고, 미래 지하수위 관리 취약시기 평가를 수행하였다. 지하수위 관리 취약시기 평가를 위하여 지하수위와 강수량 간의 상관관계를 고려한 가중치와 기후변화로 인한 관측자료의 변동을 고려하기 위한 가중치를 산정한 후, 이를 조합하여 최종 가중치를 산정하였다. 평가 결과 미호천 유역은 2월, 3월, 6월에 지하수위 관리 취약성이 높게 나타났고, 특히 천안수신 관측소 인근은 미래에 지하수위 관리 취약성 지수가 악화 될 것으로 분석되어 추가 관리 방안 도입이 필요할 것으로 나타났다. 본 연구의 결과는 지하수위 관리 취약 시기 평가 및 LSTM을 활용한 미래 예측 기법을 제시함으로써 발생할 수 있는 유역 내 지하수자원 문제에 선제적인 대응방안 도출에 기여할 것으로 기대된다.

정규화된 표준편차 및 교차상관계수를 이용한 제주도 표선유역 중산간지역의 지하수위 변동성 분석

신문주,문수형,문덕철 한국수자원학회 2020 한국수자원학회논문집 Vol.53 No.5

In order to provide information for proper management of groundwater resources, an analysis of the effects of precipitation and groundwater withdrawal on groundwater levels is needed. In this study, we analyzed the correlation of precipitation-groundwater level and groundwater withdrawal-groundwater level using time series data converted by normalized standard deviation (Nor.St.Dev) and cross correlation coefficient (CCC) for nine groundwater monitoring wells in the middle mountainous area in the southeastern Jeju Island. First, the CCCs of precipitation-groundwater level were estimated using daily time series data, and the low CCCs of up to 0.3 were obtained. However, the result of using the Nor.St.Dev showed a clearer correlation by obtaining a CCC of up to 0.8. In addition, in most cases, precipitation variability and groundwater level variability had positive CCCs, whereas groundwater withdrawal variability and groundwater level variability had negative CCCs. Therefore, the groundwater level in this study area was largely influenced by precipitation with little effect of groundwater withdrawal. Lastly, as a result of analyzing the relative effects of Seongpanak and Gyorae rainfall station on the groundwater level, the rainfall at the relatively downstream Gyorae rainfall station has more influence. The analysis method used in this study can be easily used for analyzing the effects of precipitation and groundwater withdrawal on groundwater level variability in other regions in the future. 지하수자원의 적절한 관리를 위한 정보제공을 위해서는 강수량과 지하수 취수가 지하수위에 미치는 영향분석이 필요하다. 본 연구에서는 제주도 남동쪽 표선유역 중산간지역 9개 지하수위 관측정 지점을 대상으로 정규화된 표준편차에 의해 변환된 시계열자료와 교차상관계수를 이용하여 강수량-지하수위 및 지하수취수량-지하수위 간의 상관성을 비교분석하였다. 먼저 일단위 원시 시계열자료를 이용하여 강수량-지하수위의 교차상관계수를 산정한 결과 최대 0.3의 낮은 교차상관계수를 가졌으나 정규화된 표준편차를 이용한 결과는 최대 0.8의 교차상관계수를 얻음으로써 더욱 명확한 상관성을 확인할 수 있었다. 또한 강수량의 변동성과 지하수위의 변동성은 대부분 양의 교차상관계수를 가졌으나, 취수량의 변동성과 지하수위의 변동성은 대부분 음의 교차상관계수를 가짐으로써 본 연구 대상지역의 지하수위는 취수량의 영향은 거의 받지 않고 강수량의 영향을 크게 받음을 확인하였다. 마지막으로 성판악과 교래 강우관측소가 관측정 지하수위에 미치는 상대적인 영향을 비교분석한 결과 상대적으로 하류쪽에 위치한 교래 강우관측소의 강수량이 더 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 본 연구에서 사용한 지하수위 변동분석 방법은 향후 다른 지역의 강수량과 지하수 취수량이 지하수위 변동성에 미치는 영향분석에 간편하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

논문 : 낙동강 하류 하천구조물 건설 전후의 충적층 지하수위 시계열 특성 비교

김규범 ( Gyoo Bum Kim ),차은지 ( Eun Jee Cha ),정해근 ( Hae Geun Jeong ),신경희 ( Kyung Hee Shin ) 대한지질공학회 2013 지질공학 Vol.23 No.2

보의 건설 및 하천 단면의 증가는 하천 수위 상승과 호우기 유출량의 증가를 가져왔다. 낙동강 중하류에 설치된 23개의 지하수 관측망 지하수위 자료를 사용하여 보 담수 전후의 지하수위 시계열 변동 유형의 변화를 분석하였다. 월평균 지하수위 자료를 토대로 담수 전후의 지하수위를 비교한 결과 보의 직상류 주변 지역에서 지하수위 변동이 가장 크게 나타났으며, 8월의 경우 하천 수위 조절효과로 월평균 지하수위가0.1m 감소하였으나 10월에는 1.3m 상승한 것으로 나타났다. 지하수위 시계 열자료와 하천 수위 자료를 사용하여 군집분석을 실시한 결과, 담수 이전에는 7개 지하수 관측망의 자료가 하천 수위와 유사성거리가 가까운 그룹이었으나, 담수이후에는 14개로 증가하여 하천 수위와 유사한 그룹의 범위가 넓어졌다. 지하수위 시 계열에 대한주성분분석 결과, 담수 이전에는 하천변동성을 대표하는 주성분(주성분 1과 주성분2)의 설명력이 총82%었으나, 담수 이후에는 하천 변동성을 설명하는 주성분(주성분1)의 설명력이45%로 줄어들어 지하수위 자료를 설명하는데 하천요인의 기여도가 줄고 인위적인 양수 등과 같은 기타 요인의 기여도가 높아졌다. 이와 같이 변화되는 수문 환경에 대비하여 지속적인 조사 및 관측이 필요하며, 하천 주변에서는 지표수와 연계되는 지하수 관리 정핵이 수립될 필요가 있다. Increasing the river cross-section by barrage contruction cause rises in the average river water levels and discharge rates in the rainy season. The time series patterns for groundwater levels measured at 23riverside monitoring wells along the lower Nakdong River are compared for two cases: before and after water-filling at the changnyeong-Haman Barrage. Monthly average groundwater livels indicate a distinct increase in groundwater levels in the upstream riverside close to the barrage. River-water level management by barrage gate control in August, during the rainy season, resulted in a 0.1m decrease in groundwater levels, while water-filling at the barrage in December caused a 1.3 m increase in groundwater levels The results of hierarchical cluster analysis analysis indicate that seven groundwater monitoring wells and rover water levels were in the same group before barrage construction, but number increased to 14after barrage construction. prin-cipal component analysis revealed that the explanation power of two principal components corresponding to river fluctu-ation,PC1 and PC2, was approximately 82% before barrage construction but ecreased to 45% after construction This finding indicates that effect of the river livel component that contributes to change in groundwater livel, decreasers after barrage construction; consequently, other factors. Including groundwater pumping become more important. Contin-uous surveying and monitoring is essential for understanding change in the hydrological environment. Water policy that takes groundwater-surface water interaction into consideration should be established for riverside areas.

지하수위 변동 예측 및 비포화대 함수모델을 이용한 지하수 함양율 산정 연구

조진욱,박은규,Cho, Jin-Wook,Park, Eun-Gyu 한국지하수토양환경학회 2008 지하수토양환경 Vol.13 No.1

본 연구에서는 지하수위 변동모델과 비포화대 함수모델을 적용한 지하수 함양율 산정 기법을 제안하였다. 기법의 적용성을 살펴보기 위하여 연구지역인 국내 4개 국가지하수 관측소를 선정하였으며 1996년부터 2005년에 이르는 국가 지하수 관측망(포항 연일, 기북, 순천 외서, 홍천 홍천) 수위자료와 포항, 순천, 홍천의 기상청 강우자료가 이용되었다. 각 관측소 주변 토양형에 따른 지하수 함양율은 홍천 관측소가 최소 0.5%에서 최대 61.4%, 포항 연일 관측소는 1.1%에서 27.4%, 포항 기북 관측소는 5.1%에서 41.4%, 및 순천 외서 관측소는 1.1%에서 8.3%의 분포를 보였다. 본 연구에서 이용된 지하수위 변동예측 모델은 지하수위 변동이 강우에 의해서만 발생하는 것으로 가정하였으며 향후 보다 정확한 지하수위 예측을 위해서 지하수 채수나 증발산의 영향을 추가 고려할 필요가 있을 것이라 판단된다. 또한 제안된 기법의 보다 넓은 범위의 적용을 위해서는 비포화 암반의 함수 모델을 도입할 필요가 있을 것이라 판단된다. 현재 본 연구를 공간적으로 확장하여 지역화 하기 위한 연구가 진행 중이다. 본 연구에서 제안하는 지하수 함양율 산정 기법은 가정을 최소화함으로써 방법론적으로 합리적이며 실제 지하수 시스템을 잘 반영하는 과학적인 모델로 기존 지하수 함양율 산정 기법을 충분히 대체할 수 있을 것이라 판단된다. In this study, a combined model of a water-table fluctuation and a soil moisture content model is proposed for the estimation of groundwater recharge rate at a given location. To evaluate the model, groundwater level data from 4 monitoring wells (Pohang Yeonil, Pohang Kibuk, Suncheon Oeseo, Hongcheon Hongcheon) of National Groundwater Monitoring Network from 1996 to 2005 and precipitation data of corresponding years are used. From the proposed methodology, the groundwater recharge rates are estimated to be from 0.5 to 61.4% for Hongcheon Hongcheon, from 1.1 to 27.4% for Pohang Yeonil, from 5.1 to 41.4% for Pohang Kibuk, and from 1.1 to 8.3% for Suncheon Oeseo. The magnitude of variation of the estimated recharge rate depends on the soil type observed near the stations. The groundwater fluctuation model used in this study includes precipitation as a unique source of water-table perturbation and there may exist corollary limitations. To improve the applicability of the proposed method, a capillary-water content constitutive model for unsaturated fractured rock media may be considered. The proposed recharge rate delineation method is physically based and uses minimum numbers of assumptions. The method may be used as a better substitute for the previous tools for delineating recharge rate of a location using water-table fluctuation method and contribute to national groundwater management plan. Further research on the spatial interpolation of the method is under progress.