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지진모니터링과 예측을 위한 지하수관측소내 라돈 측정시스템 개발 기초연구

Basic study on development of the radon measurement system in groundwater stations for the seismic monitoring and prediction

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.53 no.7, 2020년, pp.507 - 519  

장석환 (대진대학교 건설시스템공학과) ,  이재경 (대진대학교 공학교육혁신센터) ,  이상윤 (트라이콤텍) ,  오경두 (육군사관학교)

초록
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본 연구에서는 지각운동 모니터링과 지진발생 및 예측에 활용가능한 라돈 측정시스템을 개발하였으며, 라돈 측정시스템의 시범운영 결과와 지진발생 사례를 분석하였다. 첫 번째로, 개발된 라돈 측정시스템은 NB-IoT 라돈 측정기기, 데이터센터, 자료분석 및 자료제공 서버로 구성되며, NB-IoT를 활용하므로 측정된 자료의 원격전송이 가능하기 때문에 이 시스템은 무인 지하수관측소에 설치 및 운영에 매우 적합하다. 두 번째로 개발된 라돈 측정기기를 김포지역 지하수관측소에서 2019년 5월부터 7월까지 시범운영하였다. 측정된 라돈값을 지하수위와 전기전도도 측정자료와 비교하였으며, 본 연구에서 개발한 라돈 측정기기가 상용화하는데 어느 정도 가능성이 있음을 확인하였다. 마지막으로 2019년 11월부터 2020년 2월까지 3개 지진발생 사례와 Test-bed인 포항지역 지하수관측소에 설치된 NB-IoT 라돈 측정기기의 일단위 라돈 측정값, 일단위 지하수위, 일단위 전기전도도의 변동성을 비교·분석하였다. 분석결과, 지진발생이 라돈, 지하수위, 전기전도도와 어느 정도 상관관계가 있음을 확인하였으며, 본 측정자료가 향후 지진모니터링 및 예측에 도움이 되는 기초자료 제공이 가능함을 확인하였다

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This study developed the radon measurement system that can be used for crustal movement monitoring and seismic occurrence and prediction, and compared and analyzed the results of test-operated radon measurement system and observed seismic occurrence cases. First, the developed radon measurement syst...

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문제 정의

  • 첫 번째로, 지각운동으로 발생하는 라돈을 정확히 측정할 수 있는 라돈 측정기기를 개발하고자 한다. 두 번째로, 개발된 라돈 측정장비의 결과를 검증하고 Test-bed에 적용하여 기존 수문순환자료(강수, 지하수위, 전기전도도)와 종합적으로 분석하여 지각운동 모니터링의 활용가능성을 파악하고자 한다. 마지막으로 지각운동 모니터링과 지진발생을 판단에 활용가능한 데이터베이스시스템을 구축하고자 한다.
  • 마지막으로 관정 옆 측정방법은 관정 위 측정방법과 장점은 비슷하나 간접측정이므로 앞선 두 방법보다 측정자료의 신뢰도가 가장 낮다. 따라서 본 연구에서는 기 개발된 라돈 측정기기의 활용도가 가장 적합한 관정 위 측정방법을 선택하였다. 이 두 관측소를 선정한 이유는 시범운영 당시 접근성, 측정방법, 전력공급편리성, 관측기기 설치 및 회수용이성 등을 고려하여 최종 결정하였다.
  • 따라서 본 연구에서는 지하수내 발생하는 라돈을 측정할 수 있는 라돈 측정장비를 개발하고 적용하여 지각운동 모니터링뿐만 아니라 지진발생과 예측판단에 활용가능한 기초데이터시스템을 구축하고자 하며, 연구목적은 다음과 같다. 첫 번째로, 지각운동으로 발생하는 라돈을 정확히 측정할 수 있는 라돈 측정기기를 개발하고자 한다.
  • 두 번째로, 개발된 라돈 측정장비의 결과를 검증하고 Test-bed에 적용하여 기존 수문순환자료(강수, 지하수위, 전기전도도)와 종합적으로 분석하여 지각운동 모니터링의 활용가능성을 파악하고자 한다. 마지막으로 지각운동 모니터링과 지진발생을 판단에 활용가능한 데이터베이스시스템을 구축하고자 한다.
  • 본 연구에서는 시범지점에 라돈 측정기기를 직접 설치하기 위해 프로토타입을 직접 개발하였으며, 시범운영의 목적은 시범기간 동안 라돈관측기기가 지하수에서 기화된 라돈을 잘 관측하여 데이터센터로 관측자료가 잘 전송되는지를 확인하기 위함이다. 라돈 측정기기의 주요사항과 기기성능은 Fig.
  • 11은 포항 신광, 포항 동해, 포항 장흥 지하수관측소에서 측정된 라돈, 지하수위, 전기전도도의 시계열 자료와 Table 3에서 설명한 경북지방에서 발생한 지진과의 상관관계 분석내용도 나타내고 있다. 본 연구에서는 앞서 언급한 바와 같이 기초연구이며 향후 지진발생 모니터링과 예측에 대한 기초자료를 제공함에 목적이 있으므로, 측정된 자료와 기 발생한 지진과의 상관관계를 우선 분석함에 있음을 밝힌다. 또한 E3의 경우, 지진강도와 단계가 낮고 내륙의 강도가 상대적으로 큰 E2와 E4 사례가 있어 비교에서는 제외하였다.
  • 본 연구에서는 지각운동 모니터링뿐만 아니라 향후 지진발생과 예측판단에 활용가능한 기초데이터시스템을 구축하고자 라돈 측정시스템을 개발하였다. 또한 라돈 측정시스템을 시범운영하고 지진발생 사례와 비교 및 분석하였다.
  • 이를 통해 앞서 설명한 측정된 자료들을 활용하여 지진발생·지각운동을 모니터링하거나 추후 지진발생을 예측할 수 있는 기초자료료 활용가능한지 등을 살펴보았다.
  • 기존에 많이 적용되는 측정방법은 지하수 중 이나 지하수에서 기화된 공기 중 라돈 내 베타선·감마선 등을 측정하는 방법이나 베타선·감마선이 공기 중에서 매우 빨리 사라져 측정하는데 한계점이 존재한다. 이에 본 연구에서는 지하수에서 기화된 라돈 내 입자중 공기 중에서도 상대적으로 측정하기 용이한 알파입자를 검출하는 방법을 적용하였다. 지하수내 측정은 현실적으로 지하수관측기기나 지하수관측 자료에 영향을 줄 수 있어 배제하였다.
  • (2004)는 지질학적으로 복잡하고 대륙판이 활동적인 인도를 대상으로 NOAA의 월간 주파수 지진시계열 자료를 비선형적 분석에 적용하여 지진메커니즘을 평가하여 인도에서 대부분의 지진은 몬순(monsoon)기간 중이나 직후에 주로 발생함을 밝혀냈다. 즉, 강우발생과 지진발생의 상관성을 밝여 강우발생을 활용한 지진발생 예측 가능성을 제시하였다.
  • 따라서 본 연구에서는 지하수내 발생하는 라돈을 측정할 수 있는 라돈 측정장비를 개발하고 적용하여 지각운동 모니터링뿐만 아니라 지진발생과 예측판단에 활용가능한 기초데이터시스템을 구축하고자 하며, 연구목적은 다음과 같다. 첫 번째로, 지각운동으로 발생하는 라돈을 정확히 측정할 수 있는 라돈 측정기기를 개발하고자 한다. 두 번째로, 개발된 라돈 측정장비의 결과를 검증하고 Test-bed에 적용하여 기존 수문순환자료(강수, 지하수위, 전기전도도)와 종합적으로 분석하여 지각운동 모니터링의 활용가능성을 파악하고자 한다.
  • 하지만 본 연구는 지각운동과 연관성이 높은 라돈을 측정 할 수 있는 기기를 개발하고 지하수 관측소를 이용하여 편리하게 측정값을 취득할 수 있는 방법을 고안하였다. 또한 Test-bed 적용을 통해 측정자료와 지진발생의 상관관계를 어느 정도 분석하여, 본 측정자료가 향후 지진모니터링 및 예측에 도움이 되는 기초자료 제공이 가능함을 확인하였다는데 큰 의의가 있다고 하겠다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
라돈 측정시스템의 구성은? 라돈 측정시스템은 ‘IoT기반 지각운동과 수문순환을 고려한 한반도 지진 위험도 분석·예측 기술 개발’ 연구단에서 주관하며, 트라이콤텍(주)에서 개발을 담당하였다. 라돈 측정시스템의 기본구성을 살펴보면, 첫 번째로 지하수에서 발생하는 라돈을 직접 측정하고 NB (Narrow Band)-IoT (Internet of Things)(현대역 사물인터넷)망을 통해 측정한 자료를 전송하는 라돈 측정기기, 두번째로 각 라돈 측정기에서 전송한 라돈 측정값을 수신 및 관리하기 위한 데이터 센터, 마지막으로 라돈 측정자료를 분석하여 지진발생 모니터링 및 예측을 판단할 수 있도록 기초자료를 지원하는 서버로 구성된다(Fig. 1).
지하수의 라돈측정으로 지각운동 모니터링과 지진발생 및 예측에 활용가능한 이유는? 앞서 언급한 바와 같이, 지하에서 지진발생의 원인은 매우 다양하며 지진발생이나 지각변동이 발생하면, 지하수 등 많은 수문순환변수, 화학적인 변수, 전기적인 변수 등에 영향을 미치게 된다. 즉, 지각변동과의 연계성은 (1) 강수발생으로부터 지하로 침투·침루하여 지하수로 되어 지각에 영향을 주는 것, (2) 지각변동으로 지하수위의 변화, (3) 지각변동으로 지하수내 전기전도도 변화, (4) 지각변동으로 지각에서 지하수로 스며든 라돈농도의 변화, (5) 지각변동으로 지하수내 자연 방사성물질들의 변화 등 많은 연계성을 고려할 수 있다.
지각운동 모니터링과 지진발생 및 예측에 활용에 라돈 측정을 이용한 이유는? 즉, 지각변동과의 연계성은 (1) 강수발생으로부터 지하로 침투·침루하여 지하수로 되어 지각에 영향을 주는 것, (2) 지각변동으로 지하수위의 변화, (3) 지각변동으로 지하수내 전기전도도 변화, (4) 지각변동으로 지각에서 지하수로 스며든 라돈농도의 변화, (5) 지각변동으로 지하수내 자연 방사성물질들의 변화 등 많은 연계성을 고려할 수 있다. 이 중 본 연구에서는 기존 지하수관측소를 이용하여 상대적으로 관측이 용이한 라돈관측에 초점을 맞추었으며, 이를 위해 라돈 측정시스템을 개발하게 되었다.
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참고문헌 (17)

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