• 한국수자원학회논문집
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• 제54권spc1호
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• pp.1143-1154
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• 2021

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.

• 한국지구과학회지
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• 제43권1호
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• pp.165-175
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• 2022

지진은 지각내 단층운동과 함께 수십억 년 전부터 발생하여 왔다. 1960년대부터는 미국에서는 지진과 지하수위의 연관성 연구를 본격적으로 시작하였으나, 국내에서는 2010년 경부터 지진과 지하수위 및 수리지화학적 연관성에 대한 연구를 시작하였다. 본 연구에서는 국내학자들이 과거부터 2021년까지 연도별로 지진과 지하수의 관련성을 연구한 논문을 Web of Science에서 검색하고, 분야별(지하수위, 수리지화학, 지하수위와 수리지화학 병행, 그 외 분야) 연구 특성을 검토하였다. 국내학술지에 게재된 지진과 지하수 관련성 연구 논문을 보면, 연도별 논문 편수는 2011년에 동일본 대지진, 2016년에 경주지진, 2017년에 포항지진과 발생과 관련되며, 이에 따라 2011년, 2018년, 2019년, 2020년에 국내 및 국제학술지 게재 논문수가 증가하였다. 대부분의 지하수위와 지진의 관련성 연구는 지진과 동시기의 지하수위 변화에 관한 연구이며, 지진 전조와 관련한 연구는 거의 없다. 지하수위 관측자료와 함께 여러가지 수리지화학적 정보와 미생물은 지진에 의한 기반암내 지하수의 유동과 화학적인 반응을 보다 상세하게 이해하는데 도움을 줄 수 있다. 지진감시 및 예측을 위해서는 지진감시를 위한 지하수관측공 네트워크를 전국적으로 구축할 필요가 있다.

• 지질공학
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• 제23권2호
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• pp.137-147
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• 2013

지하수자원의 효율적인 관리를 위해 강우에 대한 지하수위 변화를 예측하는 것은 중요한 문제이다. 본 연구에서는 자료기반 학습 알고리즘인 인공신경망과 지지벡터기계를 이용하여 시계열 예측 모델을 만들고 이를 국가지하수관측망 중 가산, 신광, 청성 관측소 지하수위 변화 예측에 적용하였다. 모델의 입력 성분 구성 방법에 따라 네 가지 모형을 설정하고 각 관측소 및 모델 별 예측 결과를 비교 평가하였다. 강우 입력 모형의 경우 지하수위 감쇠 및 기저 변화 예측을 위해 큰 규모의 입력 성분 구성이 필요하지만 강우 및 지하수위 입력 모형은 보다 작은 규모의 입력 성분으로 효과적으로 지하수위 변화를 예측하는 것으로 나타났다. 강우 및 지하수위 입력 모형의 활용성 증대를 위해 고안된 반복 예측 모형의 경우 관측값과 예측값 사이에 0.75~0.95의 상관계수를 보여 적용 가능성이 큰 것으로 판단된다. 전체적으로 강우-지하수위 교차상관계수가 낮은 신광 관측소의 예측 오차가 크게 나타났고 ANN 모델에 비해 SVM의 예측력이 다소 높은 것으로 조사되었다. 또한 반복 예측 모형의 모델 파라미터 선정 과정에서 보정 단계 오차에 대한 예측 단계 오차의 비의 분포를 조사한 결과 SVM의 경우가 더 작게 나타나 SVM이 본 연구 자료에 대해 보다 안정적이고 효율적인 모델임을 평가하였다.

• 한국지하수토양환경학회:학술대회논문집
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• 한국지하수토양환경학회 2004년도 총회 및 춘계학술발표회
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• pp.92-96
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• 2004

본 연구에서는 지하수위 변동 분석을 위한 프로그램을 개발하고, 건설교통부에서 설치, 운영하고 있는 169개 국가 지하수 관측소의 264개 지하수관측정에서 측정된 지하수위자료에 적용하였다. 분석결과 암반대수층과 충적층대수층의 평균수위 및 변동양상이 대체적으로 비슷하게 나타났으며, 이는 관측소 설치 지역의 대부분에서 충적층(10m 내외)과 암반층(70m 내외)이 수리적으로 연결되어 있다는 것을 시사한다. 6시간 간격의 지하수위 관측 자료를 이용하여 지하수위가 상승하는 횟수, 상승량의 합계 산정 등 변동양상을 분석하였다. 분석 결과 해양 및 지구 조석의 영향을 받는 관측정의 경우 지하수위 상승 개수가 450개/yr 이상이 대부분이며, 수위 변동량은 0.1 ～ 1m 정도이고, 수위변동 자료를 시계열로 나타내 보면 하루에 약 2번의 상승과 하강을 반복하는 수위변동 형태를 볼 수 있었다. 양수의 영향이 우세한 관측정에서는 수위 상승 개수가 약 360개/yr, 수위 변동량은 1m 이상의 값이 우세하게 나타났다. 지하수위 상승량은 암반/충적 관측정 모든 관측정에서 전반적으로 강수량과의 상관계수가 높았으며, 같은 관측정의 .자료라도 6시간 간격의 관측 자료보다, 12시간 및 24시간 관측 간격으로 분석한 결과에서 상관관계가 더 높게 나타났다. 12시간 및 24시간 관측 간격으로 분석할 경우 조석 및 양수에 의해 발생된 주기적인 지하수위 변동 성분이 제거되면서 강수에 대한 지하수위 반응의 상관도가 높아진 것으로 해석된다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제55권12호
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• pp.1031-1039
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• 2022

강우는 산사태와 밀접한 연관성을 지니는 수문 인자 중 하나로, 외력을 발생시켜 지반 안정성에 간접적으로 관여한다. 최근에는 지반 안정성에 직접적인 영향을 미치는 인자인 지하수위의 변동에 대한 관심이 증가하고 있다. 이에 본 연구에서는 강우, 지하수위와 지반 변위의 변동을 통해 변수간 관계성을 분석하고자 하였다. PSInSAR 기법을 사용하여 도심과 산지에서의 지반 변위 모의 결과를 도출하였고, 위성 기반 강우와 지점 기반 지하 수위 자료와 연계하여 시계열 기반 분석을 실시하였다. 고강도 강우에 대해 도심과 산지에서 모두 급격한 지하수위의 상승이 나타났으며, 무강우 및 저강우 기간에 대해 도심에서는 지속적인 감소 경향이 나타났다. 지하수위의 증가에 대해 산지에서는 6 mm 수준의 지반 침하가 관측되었으며, 이는 표토층의 토사 유출로 인한 결과로 보인다. 한편 도심에서는 다양한 결과가 나타났는데 지하수위 상승에 대한 지반 변위의 증가와 토양 뼈대의 확장으로 인한 결과로 볼 수 있으나, 지반 변위의 감소는 인위적 영향에서 기인된 결과로 보인다. 전반적으로 지하수위와 지반 변위 간 관계성이 일관되게 나타나지 않았는데, 이는 수문인자 외의 다른 영향인자로 인한 결과로 보인다. 두 인자 간 관계성에 영향을 미치는 환경 인자들이 추가로 고려된다면 관계성을 보다 면밀히 파악하는 데 기여할 수 있을 것으로 보인다.

• 한국지반공학회지:지반
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• 제8권1호
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• pp.81-102
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• 1992

얇은 토층을 가지는 가파른 산사면에서 발생하는 산사태는 흔히 호우, 폭우, 태풍 등의 강우 사상 발생으로 초래된 지하수위 증가가 그 원인이 되며, 결국 산사면에서의 지하수위를 예측하는 것이 산사태 발생 위험도를 추정하는데 중요한 요소가 된다. 본 눈문에서는 산사면에서 지하수 유입량을 예측할 수 있는 비포화대 흐름 모델들 중 Sloan 등이 제안한 모델, Reddi가 제안한 모델, Thomas abcd 모델들을 선택하여 서로 비교 연구를 수행하였다. 또한, 포화투수계수와 모델변수들에 대하여 매개변수분석 연구를 수행하였다. 포화대 흐름에 대해서는 Sloan등이 개발한 Kinematic Storage Model(KSM)을 선택하여 한국의 산사면에 대한 적용 가능성을 연구하였다. 이들 모델들은 한국의 두 산사태 발생 지 역에 적용하였고, 그 적용 가능성 에 대한 연구가 이루어 졌다. 그 결과, Sloan 등과 Reddi가 제안한 두 모델들은 포화투수계수와 같은 불확실성을 지닌 실험 상수들의 영향을 많이 받으며, abcd모델은 지하수위 변동에 대하여 고려할 수 있도록 수정하고 적절한 최적화 기법을 사용하여 모델변수들을 구한다면, 비포화대 모델로서 현장 지역에 적용 가능하다는 결론을 얻었다. 또한, KSM은 포화대에서의 시간 지체 효과를 고려해 줄 수 있도록 수정되어야 한다는 결론을 얻었다. 본 논문의 결과는 가파른 산사면 에서의 산사태 발생 위험도를 추정하기 위한 지하수위 예측 모델 을 개발하는 데 이용할 수 있다.

• 지질공학
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• 제20권4호
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• pp.381-390
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• 2010

본 연구는 백색침출수 용출구간에 대한 수리지질학적 특성을 파악하기 위한 목적으로 수행되었다. 이를 위하여 지표지질조사를 통해 지질특성을 분석하였으며, 백색침출수 용출구간의 지질구조를 파악하기 위한 전기비저항탐사와 시추공 공내촬영을 통해 암반의 불연속면 분포특성을 분석하였다. 연구지역 내 백색침출수 용출지점을 중심으로 갈수기와 풍수기로 구분하여 강우사상에 따른 지하수위 변동을 시추공별로 측정하였다. 이상의 연구결과에서 백색침출수 용출구간에서의 전기비저항 특성은 비용출구간에 비해 상대적으로 낮은 값으로 나타났으며, 이는 심부에 파쇄대 내지 석회암 공동대의 존재를 확인하였다. 이들 지역에서의 강우사상에 따른 지하수위 변동을 지하수 유형분석을 통해 분석한 결과, 강우가 직접적으로 지하수 함양에 영향을 주는 것으로 파악되었다. 또한 일평균 유출량과 강우량의 상관관계 분석에서 0.83~0.97로 높은 상관성을 갖는 것으로 나타났다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2015년도 학술발표회
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• pp.467-467
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• 2015

Sustainable water resource management requires the assessment of hydrological variability in response to climate fluctuations and anthropogenic activities. Determining quantitative estimates of water balance and total basin discharge are of utmost importance to understand the variations within a basin. Hard-to-reach areas with few infrastructures, coupled with lengthy administrative procedures makes in-situ data collection and water management processes very difficult and unreliable. In this study, the hydrological behavior of Lake Chad whose extent, extreme climatic and environmental conditions make it difficult to collect field observations was examined. During a 10 year period [January 2003 to December 2013], dataset from space-borne and global hydrological models observations were analyzed. Terrestial water storage (TWS) data retrieved from Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), lake level variations from Satellite altimetry, water fluxes and soil moisture from Global Land Data Assimilation System (GLDAS) were used for this study. Furthermore, we combined altimetry lake volume with TWS over the lake drainage basin to estimate groundwater and soil moisture variations. This will be validated with groundwater estimates from WaterGAP Global Hydrology Model (WGHM) outputs. TWS showed similar variation patterns Lake water level as expected. The TWS in the basin area is governed by the lake's surface water. As expected, rainfall from GLDAS precedes GRACE TWS with a phase lag of about 1 month. Estimates of groundwater and soil moisture content volume changes derived by combining altimetric Lake Volume with TWS over the drainage basin are ongoing. Results obtained shall be compared with WaterGap Hydrology Model (WGHM) groundwater estimate outputs.

• 지질공학
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• 제16권3호
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• pp.301-306
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• 2006

석조구조물의 주변 지반침하는 구조물 붕괴의 위험을 내포하고 있어 지반의 모니터링이 반드시 수행되어야 한다. 대표적인 지반침하 원인으로는 지하수위 변동에 의한 지반의 포화와 불포화 현상으로 지반의 공극률 내지 유효공극률 감소에 의해 발생된다. 이러한 지반 물성치의 평가는 유전율상수 반응으로부터 파악이 가능하다. 유전율상수 변화는 매질의 공극, 토입자, 공기 및 물 등의 물리적 특성 변화로부터 측정되기 때문에 지반의 포화 및 불포화 변동에 의한 유전율 반응으로부터 지반침하 모니터링이 가능할 것으로 판단된다.

• 지질공학
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• 제24권1호
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• pp.91-98
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• 2014

본 연구는 지하댐 건설에 의한 지하수 증가량을 계산하고 지표수에 미치는 영향을 검토하는 것이 목적이다. 이를 위해 연구지역 면적과 지하수위, 유효공극률을 이용해 지하수량을 계산하였으며 영덕 오십천의 유황분석을 실시하여 지하수량 증가에 따른 지표수 변화를 검토하였다. 분석 결과 지하수 증가량은 지하댐 유역 기준으로 최대 $91,746m^3$이며 지하댐 하류의 지하수 감소량은 최대 $11,259m^3$인 것으로 계산되었다. 따라서 연구지역의 지하수 확보량은 총 $80,487m^3$이며 지하수 감소량은 지하수 증가량에 비해 12.27%에 불과한 것으로 나타났다. 댐 건설 후 하류지역의 유황곡선을 분석한 결과 댐건설로 인해 유출량의 변화가 최대 $3.00{\times}10^{-2}m^3/s$ 발생하였으나 댐 건설 전과 비교해 전반적인 차이는 거의 없는 것으로 나타났다. 이 연구 결과는 지하댐이 지표수 환경에 영향을 주지 않으며 충분한 대체 수자원이 될 수 있다는 것을 의미한다.