• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2020.06a
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• pp.365-365
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• 2020

최근 기후변화로 인한 강우, 온도, 유량과 같은 수문학적 요소의 불확실성 증가와 더불어 산업화, 도시화로 인한 물 수요가 커짐에 따라 물부족 발생 위험이 증가하고 있다. 이에 따라, 안정적인 물 공급을 위한 하천유량과 취수량의 균형을 목적으로 하는 취수량의 예측 및 모의에 대한 중요성이 강조되고 있다. 본 연구에서는 과거 하천 취수량 자료로부터 미래 취수량을 예측하기 위해 딥러링 기법 중 하나인 순환신경망(LSTM) 모형과 시계열분해법을 결합하여 취수량 예측 모형을 개발하였다. 시계열분해법을 통해 자료의 경향성과 계절적 변동성 등 다양한 스케일의 시계열을 분해하여 전처리를 수행하였으며 불확실성을 의미하는 잔차(residual)에 LSTM을 적용하여 예측하였다. 결과적으로 LSTM 취수량 예측 모형은 높은 정확도를 보였으며, 월단위 전망 시 관측값에 대하여 신뢰성이 있는 결과를 나타내었다. 본 연구에서 개발한 모형에 따른 결과는 수자원 관리를 위해 활용이 가능할 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.227-227
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• 2021

하천수의 효율적인 관리와 균형적인 물배분을 위해 신뢰도 있는 하천수 사용량 계측자료가 필수적이다. 공업·생활용수는 유량계를 설치하여 취수량에 대한 신뢰도 있는 자료를 홍수통제소에 보고하고 있으나, 농업용수는 유량계 설치 지점이 적고, 수문조작 등의 간접적인 계측방법 허용으로 취수량 자료의 신뢰도가 낮은 실정이다. 본 연구에서는 만경강 상류의 취수보를 대상으로 시험 유역 운영 및 검증을 통해 직접 계측방법의 취수량 산정 정확도를 비교하였다. 적용한 직접 계측방법은 초음파법, 전자파법, 수위-유량관계법으로 산정된 취수량 자료간의 절대오차 비교를 통해 정확도를 평가하였다. 점단위 취수량 자료 비교시, 현장측정값 대비 초음파법 5.86%, 전자파법 7.28%, 수위-유량관계법 11.84%의 오차가 발생하는 것으로 산정되어 초음파법이 가장 높은 정확도를 가지는 것으로 나타났고, 일단위, 월단위 자료 비교시 기준값으로 설정하였다. 일단위 취수량 자료 비교시, 초음파법으로 산정한 일평균 취수량 대비 전자파법 6.62%, 수위-유량관계법 8.62%의 오차가 발생하였다. 월단위 취수량 자료 비교시, 초음파법으로 산정한 월평균 취수량 대비 전자파법 5.81%, 수위-유량관계법 11.03%의 오차가 발생하였다. 산정된 취수량의 정확도는 초음파법, 전자파법, 수위-유량관계법 순이다. 고가의 첨단 계측장비를 적용하여 연속적인 유속 계측을 통해 산정한 취수량이 신뢰도가 높은 것으로 나타났다. 농업용수는 사용시설별 취수량 규모 편차가 크기 때문에, 추후 중요도가 높은 사용시설과 비교적 낮은 시설간의 구분을 통한 직접 계측방법의 최적 선정 후속연구가 필요하다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2022.05a
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• pp.452-452
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• 2022

수문순환의 측면에서 지하수는 지속적인 하천의 흐름을 유지하고, 국내 물 이용의 측면에서 가용수량을 만족할 수 있는 취수량을 확보하기가 어려운 중·소규모 하천 유역에서 필요한 농업 및 생활용수 등 각종 용수를 확보할 수 있는 중요한 수원으로써의 역할을 하고 있다. 기존의 수자원 정책은 하천에서의 취수량 확보를 위한 수공 구조물의 설치 및 운영을 통한 용수 확보의 형태로 입안되었으나, 최근 2012~2018 한반도 가뭄 사태로 대표되는 강수 패턴의 변화로 인하여 하천에서의 취수량 부족 사태에 대응하기 위하여 지표수-지하수 연계를 고려한 수원 확보에 대한 정책적·공학적 관심과 요구가 증가하고 있다. 지하수의 효율적 운영과 안정적 관리를 위해서 지하수 이용에 대한 관리도 중요하나, 강수 사상의 발생 시 지하수 함양량을 정량적으로 평가하는 것 또한 매우 중요하다. 지하수 함양량은 강수량이나 하천유량 및 수위 등과 같이 정확한 양을 관측하기 어렵기 때문에 지하수 함양량을 산정하는 방법은 매우 다양하게 제시되어 있다. 본 연구에서는 지하수 함양량 산정 방법 중 비교적 간단한 방식의 지하수위 변동법(Water Table Fluctuation Method, WTF Method)를 이용하여 전국 행정구역 별 지하수 함양량을 분석하였다. 지하수위 변동법의 경우 신뢰도 있는 지하수위 관측 자료의 확보가 매우 중요한 단계이기 때문에 국가지하수관측망 및 농촌지하수 관측망, 해수침투관측망 등 공공기관에서 제공하고 있는 지하수위 관측 자료를 수집하여 적용하였다. 수집된 자료를 바탕으로 지하수 함양량을 산정하고, 최근 국내의 강수패턴의 변화와의 비교 분석을 통해 강수와 지하수 함양 간의 관계를 정량적으로 제시하였다. 본 연구의 연구 결과는 안정적인 지하수 개발 및 관리를 위한 기초적인 정책적 판단 근거로써 제시될 수 있고, 추후 연구에서 지하수위 회복 및 지하수자원 관리 방안 적용에 따른 효과 분석 연구에 활용 될 수 있을 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.266-266
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• 2021

산업의 발달로 지표면의 포장면적이 증가하여 지표의 유출량은 증가하고, 지하수계로의 함양량은 감소하고 있다. 또한, 기후변화로 강우의 패턴이 변화하여 강우 강도가 증가하고 있으며, 무강우일수 또한 증가하여 지표면으로 유출되는 수자원의 양은 증가하고 있다. 대수층으로의 함양량은 줄어들어 지하수자원의 양은 점차 감소하고 있다. 지속가능한 지하수자원의 활용을 위해서는 지하수자원 관리 방안을 적용하고, 지하수자원 관리 계획을 수립해야 한다. 효과적인 관리방안의 적용을 위해서는 상대적으로 지하수자원이 중요한 지역을 대상으로 지속 가능한 지하수자원의 활용을 도모해야 한다. 지하수 이용량이 많고 지하수자원에 대한 의존율이 상대적으로 높은 지역을 우선적으로 진행해야 한다. 본 연구에서는 우리나라의 4대강 유역을 대상으로 지하수자원의 중요도에 대한 평가를 진행하였다. 지하수자원 이용 중요지역 선정을 위해서는 지하수 이용량과 관련된 자료를 분석하여 선정하였다. 총 5개의 지표가 선정되었으며 지하수 이용량, 수자원 이용량 중 지하수 이용량 비율, 지하수 이용 관정 개수, 지하수 이용 관정 당 취수량, 면적대비 지하수 취수량을 통해 평가를 진행하였다. 추후 유역을 좁혀 지하수 이용에 대해서 정밀 평가를 진행해야 할 필요가 있으며, 지형 특성 인자, 기후 특성 인자 등을 추가하여 평가한다면 지속가능한 지하수자원의 이용을 위한 관리 계획 수립의 기초 자료로 활용할 수 있을 것이다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2020.06a
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• pp.291-291
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• 2020

제주도는 강수의 지표침투성이 좋은 화산섬의 지질특성상 지표수의 개발이용여건이 취약한 관계로 용수의 대부분을 지하수에 의존하고 있다. 따라서 제주도는 정책 및 연구적으로 오랜 기간동안 지하수의 보전관리에 많은 노력을 기울여 오고 있다. 하지만 최근 기후변화로 인한 강수의 변동성 증가로 인해 지하수위의 변동성 또한 증가할 가능성이 있으며 따라서 지하수위의 급격한 하강에 대비하여 지하수위의 예측 및 지하수 취수량 관리의 필요성이 요구되고 있다. 지하수에 절대적으로 의존하고 있는 제주도의 수자원 이용 여건을 고려할 때, 지하수의 취수량 관리를 위한 지하수위의 실시간 예측이 필요한 실정이다. 하지만 기존의 예측방법에 의한 제주도 지하수위 예측기간은 충분히 길지 않으며 예측기간이 길어지면 예측성능이 낮아지는 문제점이 있었다. 본 연구에서는 이러한 단점을 보완하기 위해 딥러닝 알고리즘인 Long Short Term Memory(LSTM)를 활용하여 제주도 남동쪽 표선유역 중산간지역의 1개 지하수위 관측정에 대해 지하수위를 예측하고 분석하였다. R 기반의 Keras 패키지에 있는 LSTM 알고리즘을 사용하였고, 입력자료는 인근의 성판악 및 교래 강우관측소의 일단위 강수량자료와 인근 취수정의 지하수 취수량자료 및 연구대상 관측정의 지하수위 자료를 사용하였으며, 사용된 자료의 기간은 2001년 2월 11일부터 2019년 10월 31일까지 이다. 2001년부터 13년의 보정 및 3년의 검증용 시계열자료를 사용하여 매개변수의 보정 및 과적합을 방지하였고, 3년의 예측용 시계열자료를 사용하여 LSTM 알고리즘의 예측성능을 평가하였다. 목표 예측일수는 1일, 10일, 20일, 30일로 설정하였으며 보정, 검증 및 예측기간에 대한 모의결과의 평가지수로는 Nash-Sutcliffe Efficiency(NSE)를 활용하였다. 모의결과, 보정, 검증 및 예측기간에 대한 1일 예측의 NSE는 각각 0.997, 0.997, 0.993 이었고, 10일 예측의 NSE는 각각 0.993, 0.912, 0.930 이었다. 20일 예측의 경우 NSE는 각각 0.809, 0.781, 0.809 이었으며 30일 예측의 경우 각각 0.677, 0.622, 0.633 이었다. 이것은 LSTM 알고리즘에 의한 10일 예측까지는 관측 지하수위 시계열자료를 매우 적절히 모의할 수 있다는 것을 의미하며, 20일 예측 또한 적절히 모의할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 LSTM 알고리즘을 활용하면 본 연구대상지점에 대한 2주일 또는 3주일의 안정적인 지하수위 예보가 가능하다고 판단된다. 또한 LSTM 알고리즘을 통한 실시간 지하수위 예측은 지하수 취수량 관리에 활용할 수 있을 것이다.

• The KSFM Journal of Fluid Machinery
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• v.5 no.2 s.15
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• pp.73-80
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• 2002

운영 자료의 조사$\cdot$분석을 위해 수도권 광역상수도의 취수장, 가압장 및 정수장들을 발문하여 각 펌프장에서 관리하고 있는 운전일보, 기기이력카드 등과 한국수자원공사에서 발간하는 월보 및 년보와 각 단계별 실시설계 보고서 및 준공도소를 수집하여 통계 처리한 결과를 요약하여 보면 다음과 같다. 각 단계별 수도권 광역상수도의 취수량 및 송수량은 운영을 시작한 초기부터 1990년까지 증가하다가 점점 수량이 감소하는 추세이다. 팔당 1 취수펌프장은 계획 취수량의 $95.5\%$, 2 취수펌프장은 $89.8\%$를 공급한 후 계속 감소되었고 설계 시 $100\%$의 용수량을 만족시키지 못하고 있다. 이러한 현상은 최근 IMF로 인하여 건설경기 둔화와 용수 수요량이 감소하였을뿐만 아니라 지방자치단체별로 취수펌프장을 독자적으로 건설하여 수요량 감소가 심화되었기 때문인 것으로 판단된다. 각 단계별 광역상수도 중 펌프의 운전토출압력과 운전흡입압력으로 부터 전양정을 계산하여 보면 설계된정격양정보다 낮은 수치인 저양정$\cdot$대유량으로 운전되고 있음을 알 수 있다. 이러한 운전은 캐비테이션을 발생시키고 이로 인하여 임펠러에 침식이나 균열이 발생하여 10년에 한번씩은 임페러를 교체한 것으로 나타났다. 그리고 펌프의 교체 주기는 $15\~20$년인 것으로 조사되었다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.52 no.12
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• pp.1075-1086
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• 2019

Recently, as the incidence of climate warming and abnormal climate increases, the forecasting of hydrological factors such as precipitation and river flow is getting more complicated, and the risk of water shortage is also increasing. Therefore, this study aims to develop a model for predicting the amount of water intake in mid-term. To this end, the correlation between water intake and meteorological factors, including temperature and precipitation, was used to select input factors. In addition, the amount of water intake increased with time series and seasonal characteristics were clearly shown. Thus, the preprocessing process was performed using the time series decomposition method, and the support vector machine (SVM) was applied to the residual to develop the river intake prediction model. This model has an error of 4.1% on average, which is higher accuracy than the SVM model without preprocessing. In particular, this model has an advantage in mid-term prediction for one to two months. It is expected that the water intake forecasting model developed in this study is useful to be applied for water allocation computation in the permission of river water use, water quality management, and drought measurement for sustainable and efficient management of water resources.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2022.05a
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• pp.364-364
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• 2022

최근 기후변화에 따른 잦은 이상 가뭄으로 물 부족 현상이 심화되고 있어 물 안보가 중요한 사회적 이슈로 부각되고 있다. 물 부족에 대비하기 위해 수자원은 인류가 마음대로 사용할 수 있는 자유재가 아니라 보호·관리하여야 하는 대상으로, 보유한 미사용량을 회수·재배분하여 물 이용의 공정성을 강화 등 물 이용 제도의 전반에 대한 검토·개선이 필요한 실정이다. 하지만 일부 유역에서는 하천수 사용량이 정확하게 계측되지 않아 공정한 하천수 배분 등에 한계가 발생하고 있다. 본 연구에서는 충주댐 하류 유역에 위치한 자동유량측정소 원주시(남한강대교)와 여주시(남한강교) 상·하류 유량자료를 검토·분석하여 하천수 사용허가권에 등재된 하천수 이용량을 검토하고자 한다. 아울러 상·하류 자동유량관측소 내 지류 하천(섬강, 청미천)이 유입되고 있어, 추가 유입량을 고려한 물수지 분석을 위해 원주시(문막교)수위관측소, 여주시(원부교)수위관측소의 유량자료를 이용하였다. 상·하류 유량자료 검토 결과, 지류 유입량 + 하류 여주시(남한강교)) 유량이 상류 원주시(남한강대교) 유량보다 작은 상·하류 유량이 역전('19~'20, 평균 787,753m³/day)되는 흐름이 발생하였다. 구간 내 등재된 취수시설물(11개소) 허가량(39.66×10⁶m³) 보다 실재 사용량은 많을 것으로 추정되며 상·하류 역전 흐름에 직접적인 영향을 준 것으로 판단된다, 또한 현장 조사에서 허가대장에 미등재된 다수의 시설을 발견하였으며 이는 하천수의 효율적인 관리에 장애요인으로 작용된다. 하천수 사용은 복합허가사항으로 홍수통제소에서 사용허가부터 관리까지 실시하고 있는데 하천수 허가 신청량은 계획수요량 산정과 물수지 분석결과를 통하여 적정성 검토가 이루어지고 있다. 그러나 하천수 사용허가량 대비 실제 하천수 취수량이 얼마나 되는지 파악은 불가능한 실정이다. 결국 하천 유량을 관리하기 위해 강수량, 수위, 유량 등 많은 수문요소를 정확하게 측정하는 것도 필요하지만 이처럼 하천수 이용을 위해 취수되는 양을 정확하게 계측하지 않는다면 효율적인 하천수 관리는 어렵다. 하천수를 관리하고 효율적으로 이용하기 위해 하천수 이용에 대한 제도적인 보완이 필요해 보인다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2012.05a
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• pp.174-174
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• 2012

최근 농업용저수지의 경우 기상이변에 따른 수위조절을 위하여 다량의 수문을 일시에 개방하는 사례가 지역적으로 증가하고 있는 추세이다. 그에 따라 당초 목적인 농업용수를 위한 취수시설이 최근 홍수조절용으로 활용됨에 따른 취수시설 내 공동현상이 발생하고 있다. 이러한 공동현상으로 인해 수시설물의 안정성에 문제가 발생하고 그에 따른 2차 재해위험이 있을 수 있다. 따라서 본 연구에서는 공동현상 방지를 위해 취수시설 공기관 설계기준에 대하여 고찰하였다. 공동현상을 방지하고 홍수량을 적절하게 배제하기 위해서 유입되는 공기량산정식이 필요하다. 공기관 단면결정은 농업생산기반정비사업 설계기준(필댐)의 구조설계 부분에 정리되어 있지만 이는 이수측면에서 설계 및 시공이 진행됨에 따라서 취수에 대한 목적을 달성하기에는 어려움이 있다. 따라서 취수시설의 기능과 역할을 증대시키고자 취수시설 적정 공기관 설계를 분석하여 향후 신규, 개보수 및 현장 유지관리에 활용하기 위한 기초자료를 제시하였다. 이러한 공동현상 및 공기관 설계를 위하여 현장조사, 수치해석, 수리모형시험을 병행하여 문석하였다. 그 결과 취수탑의 형상변수와 수위에 대한 수치해석을 수행하여 변수가 소요공기량에 미치는 영향은 조절게이트 개폐율을 증가시킬수록 소요공기량이 증가하며, 약 80%의 개폐율에서 소요공기량이 최대가 되었다. 방수로 직경이 증가하면, 공기관 입구와 끝단의 압력차가 감소하여 소요공기량이 감소하고, 수위가 증가하면 소요공기량이 증가하는 것으로 분석되었다. 따라서 공동현상 방지를 위해 공기량 산정식은 취수터널에 연직수문이 설치되어 있는 6가지 흐름의 형태에 따라서 $/Q_w=0.04(F-1)^{0.85}$, $Q_a/Q_w=K(F-1)$, $Q_a/Q_w=0.014(F-1)^{1.4}$, $Q_a/Q_w=0.015(F-1)^{1.4}$의 관계식 중 적정한 것을 사용하여야 할 것으로 판단되며, 또한 공기관에 유입부의 허용부압은 수두로부터 1.0m이하로 하고, 공기관 내 풍속은 $45^m/s$를 기준으로 최대 $90^m/s$로 하여야 할 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.267-267
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• 2021

제주도는 화산섬의 지질특성상 강수의 지표침투성이 높아 지표수의 개발이용여건이 취약한 관계로 용수의 대부분을 지하수에 의존하고 있다. 따라서 지하수의 보전관리는 매우 중요한 사항이며 특히 지하수의 안정적인 이용을 위해서는 지하수 취수가 주변지역 지하수위에 미치는 영향 분석이 반드시 필요하다. 본 연구는 딥러닝 알고리즘인 Long Short-Term Memory(LSTM)를 활용하여 제주도 남동쪽 표선유역 중산간지역에 위치한 2개 지하수위 관측정을 대상으로 지하수 취수영향을 분석하였다. 입력자료로써 인근 2개 강우관측소의 일단위 강수량자료와 인근 6개 취수정의 지하수 취수량자료 및 연구대상 관측정의 지하수위 자료(2001. 2. 11. ~ 2019. 10. 31.)를 사용하였다. 지하수위 변동특성을 최대한 반영하기 위해 LSTM의 예측일수를 1일로 설정하였다. 보정 및 검증 기간을 사용하여 매개변수의 과적합을 방지하였으며, 테스트 기간을 사용하여 LSTM의 예측성능을 평가하였다. 평가지수로써 Nash-Sutcliffe Efficiency(NSE)와 평균제곱근오차(RMSE)를 사용하였다. 그리고 지하수 취수가 주변 지하수위 변동에 미치는 영향을 분석하기 위해 취수량을 최대취수량인 2,300 m³/일, 최대취수량의 2/3인 1,533 m³/일 및 0 m³/일로 설정하여 모의하였다. 모의결과, 2개 감시정의 보정, 검증 및 예측기간에 대한 NSE는 최대 0.999, 최소 0.976의 범위를 보였으며, RMSE는 최대 0.494 m, 최소 0.084 m를 보여 LSTM은 우수한 예측성능을 나타내었다. 이것은 LSTM이 지하수위 변동특성을 적절히 학습하였다는 것을 의미하며 따라서 추정된 매개변수를 활용하여 지하수 취수영향을 모의 및 분석하였다. 그 결과, 지하수위 하강량은 최대 0.38 m 였으며 이것은 대상지점에 대한 취수량은 지하수위 하강에 거의 영향을 주지 않는다는 것을 의미한다. 또한 취수량과 지하수위 하강량과의 관계는 한 개 관측정에 대해 선형적인 관계를 보인 반면 나머지 한 개 관측정에 대해서는 비선형적인 관계를 나타내는 것을 확인하였다. 따라서 LSTM 알고리즘을 활용하여 제주도 표선유역 중산간지역의 지하수위 변동특성을 분석할 수 있다.