[논문]정규화된 표준편차 및 교차상관계수를 이용한 제주도 표선유역 중산간지역의 지하수위 변동성 분석

신문주; 문수형; 문덕철

doi:10.3741/jkwra.2020.53.5.337

초록
AI-Helper

지하수자원의 적절한 관리를 위한 정보제공을 위해서는 강수량과 지하수 취수가 지하수위에 미치는 영향분석이 필요하다. 본 연구에서는 제주도 남동쪽 표선유역 중 산간지역 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.

Abstract ▼ AI-Helper

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...

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.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 2. Boxplot for variability of groundwater level in monitoring wells
그림 Fig. 1. Schematic diagram of positions of monitoring wells, rainfall stations and pumping wells
표 Table 1. Period of rainfall station, pumping well and monitoring well data
그림 Fig. 3. Comparison of precipitation in Seongpanak and Gyorae rainfall stations
표 Table 2. Normalized standard deviation of groundwater level, precipitation, and pumping rate by year
그림 Fig. 4. Cross correlation coefficients for optimal delay time between daily precipitation and monitoring well groundwater level time series
그림 Fig. 5. Cross correlation coefficients between annual time series of normalized standard deviation of precipitation, pumping rate of pumping well 1, and groundwater level
그림 Fig. 6. Cross correlation coefficients between annual time series of normalized standard deviation of precipitation, pumping rate of pumping well 2, and groundwater level
그림 Fig. 7. Cross correlation coefficients between annual time series of normalized standard deviation of precipitation and groundwater level

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구의 목적은 제주도내 표선유역 중산간지역의 강수량과 지하수 취수가 지하수위에 미치는 영향의 명확한 비교분석에 있다. 강수량과 지하수 취수가 지하수위에 미치는 영향을 명확하게 비교분석하기 위해 본 연구에서는 각 변수의 원시시계열자료를 직접적으로 사용하여 비교분석하는 방법 대신 정규화된 표준편차(Shin et al.

제안 방법

본 연구의 목적은 제주도내 표선유역 중산간지역의 강수량과 지하수 취수가 지하수위에 미치는 영향의 명확한 비교분석에 있다. 강수량과 지하수 취수가 지하수위에 미치는 영향을 명확하게 비교분석하기 위해 본 연구에서는 각 변수의 원시시계열자료를 직접적으로 사용하여 비교분석하는 방법 대신 정규화된 표준편차(Shin et al., 2015)에 의해 변환된 시계열자료와 교차상관계수를 이용하여 강수량-지하수위 및 지하수취수량-지하수위 간의 상관성을 비교분석하였다. 이 방법의 기본 개념은 각 변수 시계열 자료의 연도별 변동성의 상관성 분석에 있다.

대상 데이터

연구대상지역은 제주도 남동쪽 표선유역의 중산간에 위치한 9개 지하수위 관측정 지점이며, 일단위 관측정 지하수위 자료, 인근의 2개 강우관측소(성판악, 교래) 일단위 강수량자료 및 2개 지하수 취수정 일단위 취수량 자료를 사용하였다[Table 1]. 성판악 강우관측소는 자동기상관측소(Automatic Weather Station)로서 기상청에서 운영중에 있으며(http://
데이터처리
- 강수량과 취수량이 관측정들의 지하수위 변동에 미치는 영향을 분석하기 위해 정규화된 표준편차(normalized standard deviation)(Shin et al., 2015)와 교차상관계수를 이용하여 상관성분석을 수행하였다. 먼저, 정규화된 표준편차는 Eq.

성능/효과

8의 개선된 교차상관계수를 얻음으로써 더욱 명확한 상관성을 확인할 수 있었다. 또한 강수량의 변동성과 관측정 지하수위의 변동성은 대부분 양의 교차상관계수를 가짐에 비해 취수량의 변동성과 관측정 지하수위의 변동성은 대부분 음의 교차상관계수를 가짐으로써 본 연구대상지역의 관측정 지하수위는 취수량의 영향은 거의 받지 않고 강수량의 영향을 크게 받음을 확인하였다. 마지막으로성판악과 교래 강우관측소가 관측정 지하수위에 미치는 상대적인 영향을 비교분석한 결과 교래 강우관측소의 강수량이 관측정들의 지하수위에 더 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
또한 강수량의 변동성과 관측정 지하수위의 변동성은 대부분 양의 교차상관계수를 가짐에 비해 취수량의 변동성과 관측정 지하수위의 변동성은 대부분 음의 교차상관계수를 가짐으로써 본 연구대상지역의 관측정 지하수위는 취수량의 영향은 거의 받지 않고 강수량의 영향을 크게 받음을 확인하였다. 마지막으로성판악과 교래 강우관측소가 관측정 지하수위에 미치는 상대적인 영향을 비교분석한 결과 교래 강우관측소의 강수량이 관측정들의 지하수위에 더 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 따라서 교래 강우관측소에서 침투된 강수는 성판악 강우관측소 방향으로 흐를 가능성이 있는 것으로 간접적으로 추정되며, 관측정들의 평균 지하수위(교래 강우관측소 쪽에 보다 가까운 관측정들의 평균 지하수위는 해발 약 169.
본 연구에서는 제주도 남동쪽 표선유역 중산간에 위치한지하수위 관측정 지하수위 자료, 인근 강우관측소의 강수량 자료 및 지하수 취수정의 취수량 자료를 이용하여 강수량 및 지하수 취수량이 관측정 지하수위의 변동성에 미치는 영향을 분석하였다. 먼저 일단위 원시 시계열자료를 이용하여 강수량-관측정지하수위의 교차상관계수를 산정한 결과 최대 0.3의 낮은 교차상관계수를 가졌다. 본 연구에서 제시한 정규화된 표준편차를 이용하여 강수량-관측정지하수위의 교차상관계수를 산정한 결과 최대 0.
3의 낮은 교차상관계수를 가졌다. 본 연구에서 제시한 정규화된 표준편차를 이용하여 강수량-관측정지하수위의 교차상관계수를 산정한 결과 최대 0.8의 개선된 교차상관계수를 얻음으로써 더욱 명확한 상관성을 확인할 수 있었다. 또한 강수량의 변동성과 관측정 지하수위의 변동성은 대부분 양의 교차상관계수를 가짐에 비해 취수량의 변동성과 관측정 지하수위의 변동성은 대부분 음의 교차상관계수를 가짐으로써 본 연구대상지역의 관측정 지하수위는 취수량의 영향은 거의 받지 않고 강수량의 영향을 크게 받음을 확인하였다.

후속연구

예를 들면, 제주도 및 내륙지역 전역에 강수량 및 지하수 취수량이 지하수위에 미치는 영향을 본 연구방법을 활용하여 계산하고 그 결과를 지도에 공간적으로 도시하여 지하수취수 가능지역 및 취약지역을 구분함으로써 지하수의 안정적 취수지역 설정에 활용할 수 있다. 본 논문의 3.1절에서 는 일단위 원시시계열자료를 사용하여 강수량과 지하수위간의 직접적인 교차상관분석을 수행하였으나 월단위 및 연단위 시계열자료를 사용하면 개선된 상관성을 도출할 가능성이 있으며 이 연구는 향후 추진할 계획이다.
3 m)를 고려하면 이러한 추정은 가능할 것으로 판단된다. 하지만 제주도 중산간 지역의 지하지질구조는 화산암 지하지질구조 특성으로 인해 매우 복잡하기 때문에 정확한 지하수 흐름방향의 결정은 이 지역의 정밀한 지하지질분석과 이를 바탕으로 한 지하수 수치모델링에 의한 지하수 유동분석후에 가능할 것으로 판단된다. 본 연구에서 사용한 정규화된 표준편차와 교차상관계수를 활용한 지하수위 변동분석 방법은 향후 다른 지역의 강수량과 지하수 취수량이 지하수위 변동성에 미치는 영향분석에 간편하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (20)

Choi, H.M., Lee, J.Y., Ha, K.C., and Kim, G.P. (2011). "The study on time series analysis of groundwater data and groundwater recharge in Jeju Island." The Journal of Engineering Geology, Vol. 21, No. 4, pp. 337-348.

원문보기 상세보기
Jang, M.W., Park, K.W., Kim, S.J., and Bae, S.J. (2015). "Analysis of temporal and spatial changes in observed groundwater level in a paddy region." Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, Vol. 57, No. 6, pp. 163-171.

원문보기 상세보기
Jeju Special Self-Governing Province (JSSGP) (2018). Comprehensive water resources management plan in Jeju Island. pp. 1-328.
Jeon, H.T., Hamm, S.Y., Cheong, J.Y., Lee, C.W., Lee, J.T., and Lim, W.R. (2018). "Analysis of long-term water level change of Dongrae hot spring using time series methods." Journal of the Geological Society of Korea, Vol. 54, No. 5, pp. 529-544.

상세보기
Jo, S.B., Jeon, B.C., Park, E.G., Choi, K.J., Song, S.H., and Kim, G.P. (2014). "Estimation of hydraulic characteristics and prediction of groundwater level in the eastern coastal aquifer of Jeju Island." Journal of Environmental Science International, Vol. 23, No. 4, pp. 661-672.

원문보기 상세보기
Kim, G.B., and Yum, B.W. (2007) "Classification and characterization for water level time series of shallow wells at the national groundwater monitoring stations." Journal of Soil and Groundwater Environment, Vol. 12, No. 5, pp. 86-97.
Kim, N.W., Kim, Y.J., and Chung, I.M. (2014). "Sensitivity analysis of hydrogeologic parameters by groundwater table fluctuation model in Jeju Island." Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol. 34, No. 5, pp. 1409-1420.

원문보기 상세보기
Kim, S.G., Koo. M.H., and Chung, I.M. (2015). "Development of a transient groundwater flow model in Pyoseon watershed of Jeju Island: Use of a convolution method." Journal of Environmental Science International, Vol. 24, No. 4, pp. 481-494.

원문보기 상세보기
Lee, D.R., and Koo, H.B. (2000). "Analysis of groundwater recharge characteristics using relationship between rainfall and groundwater level." Journal of Korea Water Resource Association, Vol. 33, No. 1, pp. 51-59.
Lee, J.Y., and Lee, K.K. (2002). "A comparative study on characteristics of waterlevel responses to rainfall in two aquifer systems." Journal of Soil and Groundwater Environment, Vol. 7, No. 1, pp. 3-14.
Mendenhall, W., and Sincich, T. (2007). Statistics for engineering and the sciences. Pearson Prentice Hall, Inc., pp. 1-1060.
Moon, S.K., and Woo, N.C. (2001). "Estimation of groundwater recharge ratio using cumulative precipitation and water-level change." Journal of Soil and Groundwater Environment, Vol. 6, No. 1, pp. 33-43.
Park, W.B., Kim, G.P., Lee, J.H., Moon, D.C., Kim, S.J., Koh, G.W., Pang, S.J., and Pang, I.C. (2011). "Variation of groundwater level and recharge volume in Jeju Island." Journal of the Environmental Sciences, Vol. 20, No. 7, pp. 857-872.

원문보기 상세보기
Shin, M.J., Guillaume, J.H., Croke, B.F., and Jakeman, A.J. (2015). "A review of foundational methods for checking the structural identifiability of models: Results for rainfall-runoff." Journal of Hydrology, Vol. 520, pp. 1-16.

상세보기
Song, S.H., Choi, K.J., and Kim, J.S. (2013). "Evaluation of regional characteristics using time-series data of groundwater level in Jeju Island." Journal of Environmental Science International, Vol. 22, No. 5. pp. 609-623.

원문보기 상세보기
Song, S.H., Lee, G.S., An, J.G., Jeon, S.G., and Yi, M.J. (2015). "Groundwater modeling for estimating water balance over Pyosun watershed in Jeju Island." Journal of Environmental Science International, Vol. 24, No. 4, pp. 495-504.

원문보기 상세보기
Todd, D.K., and Larry, W.M. (2004). Groundwater hydrology, Third Edition. John Wiley & Sons Inc., pp. 1-656.
Yang, J.S., and Kim, N.K. (2011). "The correlation between the moving average of precipitation and groundwater level in Korea." Journal of the Korea Society of Civil Engineers, Vol. 31, No. 3B, pp. 265-276.
Yoon, H.S., Park, E.G., Kim, G.B., Ha, K.C., Yoon, P.S., and Lee, S.H. (2015). "A method to filter out the effect of river stage fluctuations using time series model for forecasting groundwater level and its application to groundwater recharge estimation." Journal of Soil and Groundwater Environment, Vol. 20, No. 3, pp. 74-82.

원문보기 상세보기
Yoon, H.S., Yoon, P.S., Lee, E.H., Kim, G.B., and Moon, S.H. (2016). "Application of machine learning technique-based time series models for prediction of groundwater level fluctuation to national groundwater monitoring network data." Journal of the Geological Society of Korea, Vol. 52, No. 3, pp. 187-199.

상세보기

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	투수성이 높은 지하수위의 변동성은 어떤 영향을 받는가?	제주도의 경우 지하수는 전체 수자원 이용량의 81%를 차지하는(JSSGP, 2018)매우 중요한 수자원이기 때문에 지속적이고 안정적인 지하수 이용을 위해 지하수 취수가 지하수위에 미치는 영향에 대한 연구는 특히 중요하다. 지하수위의 변동성은 지하수 취수에 의한 영향뿐만 아니라 하천수위변화 및 기후변화와 계절적인 강수량의 변동성 등으로부터 또한 영향을 받는다(Todd and Larry, 2004; Yoon et al., 2016).
	지하수란 무엇인가?	지하수는 지표수와 더불어 유용가능한 중요한 수자원이며 특히 섬 지역의 경우 대부분 용수를 지하수에 의존하고 있기 때문에 지하수에 대한 연구는 중요하다. 제주도의 경우 지하수는 전체 수자원 이용량의 81%를 차지하는(JSSGP, 2018)매우 중요한 수자원이기 때문에 지속적이고 안정적인 지하수 이용을 위해 지하수 취수가 지하수위에 미치는 영향에 대한 연구는 특히 중요하다.
	제주도의 지하수 이용량은 얼마인가?	지하수는 지표수와 더불어 유용가능한 중요한 수자원이며 특히 섬 지역의 경우 대부분 용수를 지하수에 의존하고 있기 때문에 지하수에 대한 연구는 중요하다. 제주도의 경우 지하수는 전체 수자원 이용량의 81%를 차지하는(JSSGP, 2018)매우 중요한 수자원이기 때문에 지속적이고 안정적인 지하수 이용을 위해 지하수 취수가 지하수위에 미치는 영향에 대한 연구는 특히 중요하다. 지하수위의 변동성은 지하수 취수에 의한 영향뿐만 아니라 하천수위변화 및 기후변화와 계절적인 강수량의 변동성 등으로부터 또한 영향을 받는다(Todd and Larry, 2004; Yoon et al.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (9)

표/그림 (9)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (20)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (9) 모든 표/그림 보기

표/그림 (9) 슬라이드로 보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (20)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

초록
AI-Helper

표/그림 (9)

표/그림 (9)

AI 본문요약
AI-Helper