KR101013182B1

KR101013182B1 - 지하수의 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법, 수위측정센서 및 양수량 산출방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체

Info

Publication number: KR101013182B1
Application number: KR1020100077000A
Authority: KR
Inventors: 석희준; 고경석
Original assignee: 한국지질자원연구원
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2011-02-10
Also published as: US8909485B2; US20120041692A1

Abstract

본 발명은 지하수의 수위 변동을 이용한 양수량 산출방법, 양수량 산출방법에 의한 양수량을 산출할 수 있는 연산부가 구비된 수위측정센서 및 양수량 산출방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다.
본 발명에 따른 양수량 산출방법은 일정 기간 동안에 양수펌프를 이용하여 퍼 올린 지하수의 총 양수량을 산출하기 위한 것으로서, (a)일정 기간 동안 변동하는 지하수위를 시간 간격을 두고 계속적으로 측정하여 각 측정시각별 지하수위 데이터를 획득하고, (b)양수펌프를 가동하여 지하수를 퍼 올리기 시작하면서 지하수위가 하강하는 양수 초기와, 시간에 따른 지하수위의 하강량이 양수 초기에 비하여 작아지는 준평형기와, 양수펌프의 가동을 중단시킴으로써 지하수위가 상승하는 회복기를 거치는 전체 양수과정에서 나타나는 지하수위의 전형패턴과 (a)단계에서 획득된 지하수위 데이터를 비교하여, 지하수위 데이터로부터 지하수위의 전형패턴과 대응되는 패턴을 형성하는 데이터들을 선별한 후, (c) 위의 (b)단계에서 선별된 데이터의 측정시각을 이용하여, 양수가 이루어진 총 시간을 산출하고, (d)산출된 총 양수시간을 이용하여 총 양수량을 산출한다.

Description

지하수의 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법, 수위측정센서 및 양수량 산출방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체{Method for measuring pumping amount of groundwater by using water level fluctuation, Water level measuring sensor and Recording medium having program recorded thereon to implement the method}

본 발명은 생활용수, 농업용수 등으로 지하수를 양수한 양을 산출하기 위한 것으로서, 특히 지하수의 수위변화를 이용하여 지하수 양수량을 산출하기 위한 방법에 관한 것이다.

우리나라의 수자원은 산업구조의 급격한 변화와 인구증가에 따른 용수 수요 증가 및 생태환경에 대한 인식변화 등으로 인하여 지표수 이용에 많은 한계를 보이고 있으며, 이에 따른 대체 수자원으로서 지하수의 역할이 증대되고 있다.

현재 우리나라의 지하수 이용량은 약 37억m³이며, 이 중 67%인 25억 m³은 농촌지역에서 개발, 이용하고 있으며, 고소득 시설농업의 확대와 가뭄 등의 이상 기후로 인해 지하수의 이용은 지속적으로 증가할 것으로 보인다.

그러나 지하수의 개발과 이용에 대한 체계적인 관리가 이루어지고 있지 않아 무분별한 개발 등으로 지하수 환경문제를 유발하고 있다. 예컨대 우리나라는 5~6월에 농촌지역에서 이양을 위한 농업용수가 집중적으로 사용됨에 따라 용수확보를 위해 농업용 소형 관정을 무분별하게 개발하고 있으며, 과도한 양수로 인한 지하수위의 저하 및 지하수의 고갈 문제 등을 일으키고 있다.

특히, 지하수의 체계적인 관리를 위해서는 양수 펌프 등에 의해서 퍼 올려진 양수량을 정확하게 조사하여야 하는데, 실제 양수량을 구하는 것이 매우 어렵기 때문에 정확한 조사가 수행되고 있지 않다.

즉, 종래에는 지하수 양수량을 산출하기 위하여 농업용 전기사용량을 조사하여 양수펌프가 사용된 양을 계산함으로써 양수량을 산출하거나, 특정 관측정의 양수량을 통해 전체 지역의 양수량을 추정하였다. 특히 농업용 전기사용량을 통해 양수펌프의 사용시간을 추정하는 방식은 양수펌프 이외의 다른 많은 농업용 기구에도 전기가 사용된다는 점에서 신뢰성이 많이 떨어진다.

그러나, 한 달 또는 일 년과 같이 일정 기간 동안의 양수량이 정확히 측정되어야 지하수의 개발량 등을 정확히 산출할 수 있으므로, 신뢰성 있는 지하수 양수량산출방법의 개발이 요청되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 지하수위를 측정함으로써 일정 기간 동안의 지하수 양수량을 신뢰성 있게 산출할 수 있는 지하수의 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법과, 수위측정센서 및 양수량 산출방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지하수의 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법은 일정 기간 동안에 양수펌프를 이용하여 퍼 올린 지하수의 총 양수량을 산출하기 위한 것으로서, (a) 일정 기간 동안 변동하는 지하수위를 시간 간격을 두고 계속적으로 측정하여 각 측정시각별 지하수위 데이터를 획득하는 단계; (b) 상기 양수펌프를 가동하여 지하수를 퍼 올리기 시작하면서 지하수위가 하강하는 양수 초기와, 시간에 따른 지하수위의 하강량이 상기 양수 초기에 비하여 작아지는 준평형기와, 상기 양수펌프의 가동을 중단시킴으로써 지하수위가 상승하는 회복기를 거치는 전체 양수과정에서 나타나는 지하수위의 전형패턴과 상기 (a)단계에서 획득된 지하수위 데이터를 비교하여, 상기 지하수위 데이터로부터 상기 지하수위의 전형패턴과 대응되는 패턴을 형성하는 데이터들을 선별하는 단계; (c) 상기 (b)단계에서 선별된 데이터의 측정시각을 이용하여, 양수가 이루어진 총 시간을 산출하는 단계; 및 (d) 산출된 총 양수시간을 이용하여 총 양수량을 산출하는 단계;를 구비하는 것에 특징이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (b)단계에서는, 상기 (a)단계에서 측정된 두 개의 지하수위 데이터를 비교하여 상기 두 개의 지하수위 데이터가 측정된 시각 사이의 시간이 상기 양수과정 중 양수 초기, 준평형기 및 회복기 중 어느 기간에 속하는 지를 판단할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 비교대상이 되는 2개의 지하수위 데이터는 연속적으로 측정된 데이터이며, 지하수위 데이터 측정시각은 일정 시간 간격으로 이루어질 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (a)단계에서 측정된 모든 연속된 데이터들 사이의 지하수위차를 계산하여, 상기 모든 연속된 데이터들이 측정된 시각들 사이의 시간이 상기 양수과정 중 양수 초기, 준평형기 및 회복기 중 어느 기간에 속하는지를 판단하며, 상기 양수 초기 및 준평형기로 판단된 시간들을 모두 더하여 상기 양수가 이루어진 총 양수시간을 산출한하고, 양수에 사용된 상기 양수펌프의 시간당 양수량에 상기 총 양수시간을 곱하여 지하수 양수량을 산출한다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (a)단계에서 측정된 연속된 두 개의 지하수위 데이터를 비교함에 있어서, 시간의 경과에 따라 지하수위가 하강하였고 변화된 지하수위차의 절대값이 기설정된 값(Dmax)을 초과하는 경우 상기 두 개의 지하수위 데이터가 측정된 시각 사이의 시간은 상기 양수 초기에 포함된 것으로 판단한다.

또한, 먼저 측정된 두 개의 데이터의 측정 시각 사이의 시간이 상기 양수 초기로 판단된 후, 상기 먼저 측정된 데이터에 후행하는 2개의 연속된 데이터를 비교시 시간의 경과에 따라 지하수위가 하강하거나 또는 지하수위차의 절대값이 기설정된 값(tol) 이하인 경우는 상기 후행하는 두 개의 지하수위 데이터가 측정된 시각 사이의 시간은 상기 준평형기에 포함된 것으로 판단한다.

또한 먼저 측정된 두 개의 데이터의 측정 시각 사이의 시간이 상기 양수 초기로 판단된 후, 후행하는 2개의 연속된 데이터를 비교시 시간의 경과에 따라 지하수위가 기설정된 값(tol)을 초과하여 상승하는 경우 상기 후행하는 두 개의 지하수위 데이터가 측정된 시각 사이의 시간은 상기 회복기에 포함된 것으로 판단한다.

또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 (a)단계에서는 정해진 시간 간격으로 상기 지하수위 데이터를 측정하며, 상기 (a)단계에서 측정된 모든 연속된 데이터들 사이의 지하수위차를 계산하고, 상기 모든 연속된 데이터들이 측정된 시각들 사이의 시간이 상기 양수과정 중 양수 초기, 준평형기 및 회복기 중 어느 기간에 속하는지를 판단하며, 상기 양수 초기 및 준평형기로 판단된 구간(시간)이 총 몇 개인지를 계산하고, 계산된 개수에 상기 정해진 시간 간격을 곱하여 총 양수시간을 계산할 수 있다.

본 발명에 따른 수위측정센서는 수중에 배치되어 수위를 측정하는 것으로서,상기한 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법에 의하여 지하수 양수량을 산출할 수 있는 연산부를 구비하는 것에 특징이 있다.

또한 본 발명에 따른 기록매체는 상기한 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있다.

본 발명에 따르면 일정 기간 동안의 지하수의 양수량을 신뢰성있게 산출할 수 있다는 이점이 있다.

또한 본 발명에 따른 수위측정센서와 기록매체는 양수량 산출방법이 구현된 프로그램이 입력되어 있어, 지하수위 데이터만 획득되면 프로그램을 통해 매우 간단하게 지하수의 양수량을 산출할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법의 개략적 연산 논리 흐름도이다.
도 2는 지하수 양수를 위한 관정의 개략적 구성도이다.
도 3은 양수에 따른 지하수 수위변화의 전형적 패턴을 보여주는 그래프이다.
도 4는 2008.7.11 ~ 2009.8.4까지의 대략 1년 동안의 지하수위 변화를 그래프로 나타낸 것이다.
도 5는 도 4의 그래프로부터 양수가 일어난 시점을 표시한 표이다.
도 6은 본 발명이 구현된 프로그램의 신뢰성을 검증한 데이터가 나타난 표이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법의 개략적 연산 논리 흐름도이며, 도 2는 지하수 양수를 위한 관정의 개략적 구성도이고, 도 3은 양수에 따른 지하수 수위변화의 전형적 패턴을 보여주는 그래프이다.

본 발명은 지하수의 양수량을 산출하기 위한 것으로서, 예컨대 1년 동안에 퍼 올린 지하수의 양을 계산하기 위한 방법이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 지하수를 양수하기 위해서 지하로 천공하여 관정을 형성한다. 천공 깊이는 지질구조별로 다르겠지만 대수층이 형성된 영역이 포함되도록 형성한다. 관정에는 양수펌프(수중모터펌프)가 설치되고 양수펌프에서 퍼 올려진 지하수는 배관을 통해 농업용 및 생활용 물 저장탱크에 공급된다. 양수펌프는 예상가능한 지하수의 최저 수위보다 낮은 곳에 배치되며, 우리나라에서는 대략 지하 30~40m 지점에 설치되는 것이 일반적이다.

본 발명에서는 양수량을 산출하기 위하여 지하수위의 변동을 이용한다. 즉, 양수펌프를 사용하여 지하수를 퍼 올릴때에는 지하수위가 도 3에 도시된 바와 같은 전형적인 패턴을 형성한다.

양수펌프를 가동한 시점부터 일정 시간 동안, 즉 양수초기에는 지하수가 퍼 올려지면서 급격하게 지하수위가 하강한다. 양수초기가 지난 후에는 양수펌프에 의하여 퍼 올려진 지하수의 양과 주변의 지하수가 충전되는 양이 서로 평형을 이루면서 지하수의 수위 변동이 미세하게 나타나는 준평형기가 지속된다. 그 후, 양수펌프의 가동을 중지시키면 지하수 수위가 급격하게 상승하며 지하수위를 회복한다. 즉, 양수펌프가 가동되면서 중단될 때까지의 지하수의 수위는 양수초기, 준평형기 및 회복기의 전형적인 패턴을 형성한다.

본 발명에서는 상기한 양수펌프를 가동시의 전형적인 지하수위 변동 패턴을 이용하여 지하수의 양수량을 산출한다.

우선 본 발명에서는 지하수 양수량 산출을 위해 일정 기간 동안의 지하수의 수위를 계속적으로 측정한다. 지하수위의 측정은 수위측정센서에 의하여 이루어지는데, 수위측정센서는 공지의 부재로서 다양한 종류가 있으며 본 실시예에서는 수중에 침지되어 수위를 측정하는 형식의 센서가 사용된다.

이 수위측정센서는 측정 기간 동안 지하수 양수용 관정에 삽입되어 있으며, 측정된 수위를 실시간으로 외부로 전송하거나, 자체의 내부에 포함되어 있는 데이터로거에 측정된 수위값을 저장하는 방식으로 운용된다. 지하수위의 측정의 시간 간격은 사용자에 의하여 결정되며, 상황에 따라 변경시킬 수 있다.

수위측정센서에 의하여 일정 시간 간격으로 측정 지역의 수위를 계속적으로 측정하면 다수의 수위 데이터가 확보된다. 예컨대 1시간 간격으로 수위를 측정하여 1년간 계속적으로 측정하였다면, 8,760개(365×24)의 지하 수위 데이터가 얻어진다.

본 발명에서는 컴퓨터 프로그램을 통해 지하수위 데이터들로부터 지하수의 양수량을 연산한다. 이하, 프로그램의 연산과정을 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 사용자는 키보드와 같은 입력수단을 통해 프로그램에 기설정된 Dmax값, tol값 및 Dt값을 각각 입력한다. 여기서, Dmax는 양수초기 단계의 확인을 위한 기준치로서 사용자가 정의하는 변수이며, tol은 양수중 준평형기와 회복기의 확인을 위한 기준치로서 사용자가 정의하는 변수이고, Dt는 수위측정센서의 수위측정 시간간격이다. 도 1의 챠트에서 '다이버'는 수위측정센서의 명칭이다.

이 후, 수위측정센서로부터 획득된 지하수위 데이터들을 모두 프로그램의 저장부로 불러오면, 지하수위 데이터의 개수(N_TIME)를 세어서 가장 먼저 측정된 지하수위 데이터부터 차례대로 번호(i, 1 ≤ i ≤ N_TIME)를 매긴다. 즉, 한 시간 단위로 1년 동안 8,760번을 측정하였다면, 처음 측정한 지하수위 데이터로부터 1번,2번, 3번 ... 8758, 8759, 8760까지 지하수위 데이터를 넘버링(1 ≤ i ≤ 8760)한다.

그리고, i번째 데이터의 값, 즉 지하수위는 head(i)로 정의되고, i번째 데이터의 측정시간은 time(i)로 정의된다. 그리고 2개의 지하수위 데이터 사이의 차, 즉 지하수위차 Dh(i)는 다음과 같이 정의된다.

지하수위차 Dh(i) = head(i+1) - head(i), (1 ≤ i ≤ N_TIME-1).

지하수위차는 연속적으로 측정된 두 개의 수위 값 사이의 차이다. 여기서 연속된 데이터라고 하는 것은 실제 수위측정센서에 의하여 차례차례 측정된 데이터들 중 연속된 2개의 데이터를 의미하는 것이 일반적이지만, 차례차례 측정된 모든 데이터들 중 일부의 데이터들만을 추출한 후, 이 추출된 데이터들을 측정시각 순서대로 다시 번호를 매겨, 새롭게 매겨진 번호로 연속된 데이터를 설정할 수도 있다.

예컨대, 수위측정센서가 100번을 측정하여 1번 데이터 내지 100번 데이터를 획득한 경우를 가정하면, 연속된 데이터는 2번 데이터와 3번 데이터, 3번 데이터와 4번 데이터, 88번 데이터와 89번 데이터와 같은 경우를 의미하는 것이 일반적이지만, 데이터들을 과도하게 많이 비교할 필요가 없을 경우에는 100개의 데이터들 중 1번, 3번, 5번 등의 홀수번 데이터 50개를 추출하여 5번 데이터와 7번 데이터를 연속된 데이터로 설정할 수도 있다. 마찬가지로 100번을 1분 간격으로 측정하여 100분의 시간이 경과하였다면 총 100개의 데이터가 얻어지겠지만, 이들 중에서 4분 간격으로 25개의 데이터만 추출하여, 4번, 8번, 12번 는 등의 방식으로 데이터를 추출하여 이들을 먼저 측정된 순서로 i=1,2,3으로 순서를 다시 매겨서 연속된 두 개의 데이터 사이의 수위차를 구할 수도 있다.

즉, 수위측정센서로부터 얻어진 데이터는 그대로 순서를 매겨 지하수위 데이터로 사용할 수도 있지만, 상기한 바와 같이 가공을 거쳐 일부의 데이터들만 추출하고 추출된 데이터에 다시 번호를 매겨 사용할 수도 있다.

그리고, head(i)와 time(i)에서는 i가 1부터 측정회수(N_TIME)까지지만, 지하수위차 Dh(i)에서는 i가 1부터 N_TIME - 1까지 이다. 지하수위 데이터가 100개가 있을 때 지하수위차는 99개만 나오기 때문이다.

또한 프로그램에는 Isum=0, Itsum=0, Totalsum=0 으로 초기값을 입력한다. 여기서, Isum은 단일 양수구간에서 두 개의 연속된 데이터(i, i+1)가 측정된 시간 사이에 양수가 수행되었다고 판단된 경우의 i의 개수를 의미하며, Itsum은 전체 양수구간에서의 단일 양수구간의 Isum값의 누적치이며, Q는 단일 양수구간에서의 양수량의 합이며, Totalsum은 전체 양수구간에서의 양수량으로 Q의 전체 누적치를 말한다. 위 값들에 대해서는 뒤에 상술하기로 한다.

Isum=0, Itsum=0, Totalsum=0 으로 초기값을 프로그램에 입력한 후, i=1을 입력함으로써, 본 발명에 따른 지하수 양수량 산출방법에 대한 프로그램의 연산이 시작된다.

즉, i=1을 입력하면, 첫 번째 지하수위차 Dh(1)이 상기 정의된 식에 의하여 다음과 같이 계산된다. Dh(1) = head(2) - head(1).

프로그램에서는 계산된 지하수위차가 양수의 어느 단계에 해당하는지를 판단한다. 도 3의 전형적인 양수패턴을 보면, 양수펌프를 가동하여 양수를 시작할 때인 양수초기에는 지하수위가 급격하게 하강하며, 양수초기가 지난 후에는 시간에 따른 지하수위의 변화가 미세하게 나타나는 준평형기가 유지되고, 양수펌프의 가동을 중지시키면 지하수위가 급격하게 상승하여 회복기에 접어든다.

프로그램에서는 두 개의 연속된 데이터 사이의 값인 지하수위차가 양수의 어느 단계에 해당하는지를 판단한다.

즉, 어느 연속된 두 개의 데이터를 비교하니, 지하수위가 하강하였고 그 하강한 양(절대값)이 기설정된 값 Dmax를 초과한다면 양수초기라고 판단할 수 있다. 특별한 경우가 아닌 이상 급격하게 지하수의 수위가 하강한다는 것은 양수펌프에 의하여 지하수를 퍼 올리기 시작했다는 것을 의미하기 때문이다. 가뭄 등 자연 현상으로 인하여 지하수위가 낮아질 때에는 이렇게 급격한 수위저하가 나타나지 않으며 시간에 따라 서서히 나타나기 때문이다.

여기서, Dmax값을 조절함으로써 양소초기에 대한 판단에 유동성을 부여할 수 있다. Dmax값을 크게 잡는다면 지하수위 하강량이 매우 클 때에만 양수초기로 판단하겠지만, 작게 잡는다면 하강량이 어느 정도만 되도 양수초기로 판단할 수 있다. Dmax값은 지질조건, 측정시간간격, 양수펌프의 용량 등 다양한 환경을 고려하여 경험적으로 설정될 것이다.

또한 어느 연속된 두 개의 데이터를 비교하니, 지하수위가 약간의 변동만이 있을 뿐 거의 변동이 없게 나타날 때, 즉 두 개의 연속된 데이터 사이의 지하수위차에 대한 절대값이 기설정된 값 tol 이하의 범위에 있는 경우는 2가지로 판단할 수 있는데, 하나는 측정된 데이터들 사이의 구간(시간)이 양수초기를 지난 후 준평형기에 있는 경우이며, 다른 하나는 양수가 일어나지 않고 있는 경우이다.

두 개의 경우 중 어느 경우에 해당하는지를 판단하기 위해서는 이 두 개의 연속된 데이터보다 선행하는 데이터를 참고한다. 즉, 현재 판단의 대상이 되는 2개의 데이터가 준평형기에 해당한다면, 양수시의 전형적 지하수위 패턴을 고려할 때 반드시 현재의 데이터들에 선행하는 데이터들 중 양수초기로 판단된 데이터 구간이 있어야 한다. 양수초기가 없이 준평형기가 도입될 수 없기 때문이다. 양수초기가 없이 지하수위의 변동이 미미하다면 양수가 진행되지 않는 것으로 판단할 수 있다. 여기서, 마찬가지로 기설정값 tol 역시 지질조건, 측정시간의 간격, 양수조건 등의 환경에 따라서 달라져야 하는 값이며, 경험치에 의하여 설정될 수 있다.

또한, 어느 연속된 두 개의 데이터를 비교하니 지하수위가 기설정된 값 tol 을 초과하여 상승한 경우에도 2가지의 경우를 상정할 수 있다. 폭우 등으로 인하여 지하수위가 급격하게 상승하는 경우이거나 또는 양수펌프의 가동을 중단하여 지하수위가 급격하게 회복되는 경우이다.

그러나 현재 판단의 대상이 되는 연속된 2개의 데이터보다 먼저 측정된 데이터들 중 양수초기 또는 준평형기로 판단된 데이터가 있다면, 현재의 2개의 데이터들 사이의 지하수위차는 회복기로 파악될 수 있을 것이다. 다만 지하수위의 상승폭이 기설정값 tol을 초과하여야 하는데, 이는 강수의 유입 등으로 자연적으로 지하수위가 상승하는 경우를 필터링하기 위한 것이다. tol값은 준평형기를 판단할 때의 수치와 동일하게 설정할 수도 있으며, 회복기의 지하수위 패턴이 준평형기보다 급격하게 변화한다는 것을 고려하여 준평형기의 판단 수치보다 크게 설정할 수도 있다.

정리하면, 어느 두 개의 연속된 데이터 사이의 차인 지하수위차가 계산되면, 이 지하수위차를 근거로 두 개의 연속된 데이터의 측정 시간 사이의 구간이 양수초기, 준평형기, 회복기 중 어느 구간에 해당하는지를 위의 기준에 의하여 판단한다. 이러한 판단은 병렬적인 것이지만, 컴퓨터 프로그램에서는 두 개의 데이터 사이의 구간이 양수초기인지에 대한 판단, 준평형기인지에 대한 판단 및 회복기인지에 대한 판단을 순차적으로 수행한다. 이 순서는 절대적인 것이 아니며, 프로그램에 따라 변경될 수 있다. 즉, 준평형기인지에 대한 판단을 먼저 수행하고 양수초기인지에 대한 판단을 나중에 할 수도 있다. 어떤 판단이 선행조건이 되지 않으므로 병렬적으로 수행한다.

한편, 컴퓨터 프로그램에서 준평형기와 회복기 여부를 판단할 때에는, 상기한 바와 같이, 선행하는 데이터들 사이의 구간들 중 양수초기 또는 준평형기로 판단된 구간이 있는지가 먼저 판단되어야 한다. 이에 어느 두 개의 연속된 데이터가 양수초기 또는 준평형기로 판단되면, 프로그램에서는 Isum의 값을 1씩 더하게 된다. 즉, 프로그램 가동 시작시에 Isum=0으로 셋팅된 상태에서, 어느 두 개의 연속된 데이터 사이의 구간이 양수초기로 판단되었다면 Isum=Isum+1이 되어 Isum=1이 된다. 그리고 위 데이터 사이의 구간에 연속하여 추가적으로 5개의 연속된 구간이 계속 양수초기로 판단된다면, Isum은 계속 누적되어 6이 될 것이다.

위와 같이 Isum이 6이 된 상태에서, 어느 연속된 2개의 데이터 사이의 지하수위차가 미미하게 변한 경우, 그 시점에서 Isum이 6이므로 현재의 판단대상이 되는 데이터들보다 선행하는 데이터들 사이에 양수초기로 판단된 구간이 있었던 것으로 되므로 현재 판단대상이 되는 2개의 데이터들 사이는 준평형기 구간으로 판단된다. 현재 판단시점에서 Isum이 0이라면 현재의 판단구간은 양수가 일어나지 않은 구간으로 판단한다.

또한, 준평형기로 판단된 구간에 연속하여 10개의 구간이 준평형기로 판단된 경우 Isum은 Isum=Isum+1의 규칙에 의하여 16으로 늘어날 것이며, 그 후에 2개의 연속된 데이터를 비교해 보니 지하수위가 상승하였고 그 상승치가 기설정된 값 tol을 초과하였다면 판단대상이 되는 구간은 회복기의 구간으로 판단한다. Isum이 0이 아니기 때문이다.

위와 같이 양수가 한 번 수행되면 전형적인 패턴을 형성한 후 하나의 싸이클이 완료되며, Isum은 양수초기로 판단된 구간과 준평형기로 판단된 구간의 개수에 따라 누적되어 있다. 그리고, 어느 두 개의 데이터가 회복기로 판단된 경우 양수가 중단된 것이므로 Itsum값이 도출된다. Itsum은 양수구간 전체의 누적된 Isum값으로 Itsum=Itsum+Isum의 규칙에 의하여 도출되는데, 프로그램의 가동 시작시에는 상기한 바와 같이 Itsum 값이 0으로 설정되므로 위 경우에서는 Itsum은 Isum값 16에 의하여 16이 된다.

이렇게 Itsum값이 일단 도출되면, Isum값은 다시 0으로 설정된다. 즉, 단일의 개별 양수구간이 종료되었으므로 Isum값을 0으로 설정한 후, 추후에 다시 양수가 시작되면 Isum값을 새롭게 누적시키는 것이다.

만약 Isum값을 0으로 설정해 놓지 않으면, 양수량 계산에 오차가 발생한다. 즉, 한 번의 양수구간이 끝난 후 다시 양수가 발생되기 전까지의 구간에서는 폭우 등의 특별한 사정이 없다면, 두 개의 연속된 데이터 사이의 지하수위차는 미미하게 나타날 것이다. 이 때 Isum값이 0으로 되어 있지 않다면, 컴퓨터 프로그램에서는 이들 데이터 사이의 구간을 준평형기로 판단할 것이기 때문이다. 양수가 일어나지 않은 구간으로 판단하여야 함에도 불구하고 Isum값이 0이 아니므로 준평형기로 판단하는 것이다. 그렇기 때문에 한 번의 양수싸이클이 종료되면(즉, 회복기로 판단된 데이터가 있으면) Isum값은 0으로 재설정한다.

추후 다시 양수를 하면, 다시 양수초기, 준평형기를 판단하여 Isum이 누적될 것이고, 양수가 종료되면 이 번 싸이클에서 누적된 Isum값을 Itsum값에 누적시키고 Isum값은 다시 0으로 설정된다.

컴퓨터 프로그램의 구체적 작동과정을 살펴보면, 처음에 Isum, Itsum을 0으로 입력한 상태에서, i=1을 입력하면 첫 번째 지하수위차 Dh(1)이 상기 정의된 식에 의하여 다음과 같이 계산된다. Dh(1) = head(2) - head(1). 이 지하수위차 값이 양수초기로 판단된다. 2개의 데이터에 대한 판단이 끝났으므로, 도 1의 플로우 챠트에 나타난 바와 같이, i=i+1 규칙에 의하여 i=2가 되어 연이은 두 개의 데이터(head(3)-head(2))에 대하여 판단한다. 이 과정에서 첫 번째 데이터들 사이의 구간은 양수초기로 판단하였으므로 Isum값은 1로 누적된다.

계속해서 i=2가 대입되면, Dh(2) = head(3) - head(2)가 되어 3번째 데이터와 2번째 데이터 사이의 지하수위차가 계산되고, 이 구간이 어느 구간인지 판단한다. 프로그램에서는 두 개의 연속된 데이터들이 양수초기인지 여부, 준평형기인지 여부 및 회복기인지를 순차적으로 판단한다. 매 번의 판단시마다 i값은 1씩 올라가고, 양수초기와 준평형기로 판단될 때에만 Isum값이 1씩 추가된다.

상기한 방식으로 계속적으로 판단을 수행하여 모든 데이터에 대한 판단이 종료되면 전체 과정에서 누적된 Itsum값을 이용하여 양수량을 산출한다. 프로그램에서는 i값이 지하수위 데이터의 측정회수인 N_TIME에서 1을 뺀 값 초과하게 되면 모든 데이터에 대한 판단이 끝난 것으로 인식하도록 한다. 예컨대, 100번을 측정하여 데이터 개수가 100이면, 100번째 데이터와 99번째 데이터 사이의 지하수위차 Dh(99)를 판단한 것으로 모든 데이터에 대한 판단이 끝나는 것이다. 따라서, i= i+1에 의하여 i값이 100이 되면 데이터 판단을 종료하고 지하수 양수량에 대한 연산을 수행한다.

우선 양수초기와 준평형기로 판단된 데이터들 사이의 시간을 계산한다. 본 실시예에서는 데이터 측정시각 사이의 시간간격Dt를 일정하게 유지하였으므로, 총누적계수 Itsum에 Dt를 곱하면 총 양수시간(T)이 계산된다. 총 양수시간에 양수펌프의 시간당 양수량, 즉 펌프용량을 곱하면 전체 기간 동안에 총 양수량을 산출할 수 있다.

본 실시예에서는 데이터 사이의 측정시간이 일정하였지만, 실시예에 따라서는 측정시간이 달라질 수도 있으며, 이러한 경우에는 양수초기와 준평형기로 판단된 데이터들 사이의 시간을 별도로 계산하여 총 양수시간을 계산하면 된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 지하수의 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법은 양수펌프를 이용하여 지하수를 퍼 올릴 때의 전형적인 수위 변동 패턴을 이용하여 시간 간격을 두고 연속적으로 측정된 지하수의 수위를 전형 패턴에 매칭시킴으로써 양수시간과 양수량을 산출하는 방식이며, 이러한 과정을 컴퓨터 프로그램을 통해 구현하여 지하수위에 대한 데이터만 획득되면 양수시간과 양수량을 산출할 수 있도록 하였다.

도 4는 2008.7.11 ~ 2009. 8.4까지의 대략 1년 동안 몽골 지역의 지하수 관정에서 자동수위측정기에 의하여 1시간 간격으로 자동으로 측정한 지하수위의 변화를 그래프로 나타낸 것이다. 그래프에서 나타나듯이 약 3~6m정도 양수에 의해서 급격한 수위강하가 반복되고 있다. 이러한 반복되는 양수 패턴을 도 3의 양수에 의한 전형적인 수위 변동 패턴에 근거해서 양수가 일어나는 시점을 표시하면 도 5의 표와 같이 나타날 수 있다. 도 5의 표에서는 7월 16일과 17일 이틀에 걸쳐 양수가 일어난 시점을 1로 나타내고 양수가 없는 시점을 0으로 표시하였다. 1로 표시된 구간은 양수초기 또는 준평형기에 해당된다.

이와 같이 양수에 의한 전형적인 수위강하 패턴 그래프에 근거해서 사람의 눈으로 판단해서 계산한 양수지속시간과 본 발명이 구현되어 있는 프로그램에 의해서 계산한 양수지속시간 결과를 서로 비교해서 나타내면 도 6의 표와 같다.

도 6의 표에서 볼 수 있는 바와 같이 Dmax와 tol의 입력 값에 따라 본 발명에 따른 방법이 구현된 프로그램을 이용하여 계산된 총양수지속시간이 달라졌으며 그 오차율은 14%이내인 것으로 나타났다. 이 때 Dmax는 수중펌프의 성능, 지하수 관정의 구조, 지하수 대수층의 구조 및 특성에 따라서 적절하게 결정하여야 하며, tol은 대수층의 구조 및 특성에 의해서 적절하게 결정하여야 한다. 이는 대체로 실제 현장에서 측정된 값을 경험적으로 판단하여 선택하는 것이 가장 바람직하다.

현재 비교분석결과에 따르면 대체로 dmax는 30cm 인 경우가 가장 잘 일치하는 것으로 나타났으며, dmax가 20인 경우에는 dmax가 30cm인 경우보다 총 양수 지속시간 계산 결과가 커지는 경향을 보인 반면 dmax가 40cm인 경우에는 반대로 작아지는 경향을 보인다. 그리고 tol값이 증가함에 따라서, 총 양수 지속시간이 커짐을 또한 알 수 있었다. 몇 가지 dmax와 tol값을 변화시켜 가면서 새로운 알고리즘에 의해 계산된 총양수지속시간과 총양수량이 양수에 의한 전형적인 수위강하 패턴 그래프 비교 방법에 의해 계산한 총양수지속시간과 총양수량과 대체적으로 오차율 15 % 이내에서 잘 예측하고 있음을 알 수 있었다.

한편 본 발명에 따른 지하수의 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법을 수위측정센서의 연산부에 위와 같은 프로그램 형태로 입력하면 수위측정센서에서 지하수의 총 양수량까지 산출할 수 있다. 일반적으로 지하수의 상태를 측정하기 위한 센서들은 일정 기간 동안 관정 내부에 설치되어 그 기간 동안의 지하수의 상태 변화들을 측정하여 데이터 로거에 저장한다. 본 발명에 따른 수위측정센서는 지하수의 수위를 시간 간격을 두고 계속적으로 측정하며, 상기한 양수량 산출방법이 구현되어 있는 프로그램이 연산부에 입력되어 있는 바, 측정된 데이터들을 기초로 일정 기간 동안의 지하수 양수량을 산출할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 지하수의 수위 변동을 이용한 지하수 양수량 산출방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 상기 프로그램이 컴퓨터에서 읽을 수 있도록 기록매체에 기록하였다. 본 발명에 따른 기록매체를 컴퓨터에서 읽은 후, 수위측정센서에서 획득된 지하수위 데이터들을 위 기록매체에 기록된 프로그램에 입력하면 프로그램이 가동되어 지하수 양수량을 산출할 수 있다.

예컨대, 수위측정센서는 지하수를 퍼 올리는 관정 내에 설치되어 있으면서 데이터를 저장하는데, 조사기간이 끝난 후 수위측정센서의 데이터로거로부터 데이터를 획득하고, 위 기록매체를 컴퓨터에서 읽게 하여 프로그램을 가동시킨 후, 획득된 데이터를 프로그램에 입력시켜 양수량을 간단하게 산출할 수 있다.

또한, 수위측정센서가 측정된 데이터들을 유선, 무선망을 이용하여 컴퓨터로 전송하고, 기록매체 등에 의하여 컴퓨터에 입력된 프로그램에서 데이터를 입력받아 양수량을 간단하게 산출할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims

일정 기간 동안에 양수펌프를 이용하여 퍼 올린 지하수의 총 양수량을 산출하기 위한 것으로서,
(a) 일정 기간 동안 변동하는 지하수위를 시간 간격을 두고 계속적으로 측정하여 각 측정시각별 지하수위 데이터를 획득하는 단계;
(b) 상기 양수펌프를 가동하여 지하수를 퍼 올리기 시작하면서 지하수위가 하강하는 양수 초기와, 시간에 따른 지하수위의 하강량이 상기 양수 초기에 비하여 작아지는 준평형기와, 상기 양수펌프의 가동을 중단시킴으로써 지하수위가 상승하는 회복기를 거치는 전체 양수과정에서 나타나는 지하수위의 전형패턴과 상기 (a)단계에서 획득된 지하수위 데이터를 비교하여, 상기 지하수위 데이터로부터 상기 지하수위의 전형패턴과 대응되는 패턴을 형성하는 데이터들을 선별하는 단계;
(c) 상기 (b)단계에서 선별된 데이터의 측정시각을 이용하여, 양수가 이루어진 총 시간을 산출하는 단계; 및
(d) 산출된 총 양수시간을 이용하여 총 양수량을 산출하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 지하수의 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법.
제1항에 있어서,
상기 (b)단계에서는, 상기 (a)단계에서 측정된 두 개의 지하수위 데이터를 비교하여 상기 두 개의 지하수위 데이터가 측정된 시각 사이의 시간이 상기 양수과정 중 양수 초기, 준평형기 및 회복기 중 어느 기간에 속하는 지를 판단하는 것을 특징으로 하는 지하수의 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법.
제2항에 있어서,
상기 비교대상이 되는 2개의 지하수위 데이터는 연속적으로 측정된 데이터인 것을 특징으로 하는 지하수의 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법.
제2항에 있어서,
상기 (a)단계에서 측정된 모든 연속된 데이터들 사이의 지하수위차를 계산하여, 상기 모든 연속된 데이터들이 측정된 시각들 사이의 시간이 상기 양수과정 중 양수 초기, 준평형기 및 회복기 중 어느 기간에 속하는지를 판단하며,
상기 양수 초기 및 준평형기로 판단된 시간들을 모두 더하여 상기 양수가 이루어진 총 시간을 산출하는 것을 특징으로 하는 지하수의 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법.
제1항에 있어서,
상기 (a)단계에서 측정된 연속된 두 개의 지하수위 데이터를 비교함에 있어서, 시간의 경과에 따라 지하수위가 하강하였고, 변화된 지하수위차의 절대값이 기설정된 값(Dmax)을 초과하는 경우, 상기 두 개의 지하수위 데이터가 측정된 시각 사이의 시간은 상기 양수 초기에 포함된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 지하수의 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법.
제1항에 있어서,
상기 (a)단계에서 측정된 지하수위 데이터들 중 선행하는 데이터들을 근거로 양수초기가 수행되었다고 판단된 후,
상기 선행하는 데이터에 후행하는 2개의 연속된 데이터를 비교시 시간의 경과에 따라 지하수위가 하강하는 경우, 상기 후행하는 두 개의 지하수위 데이터가 측정된 시각 사이의 시간은 상기 준평형기에 포함된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 지하수의 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법.
제1항에 있어서,
상기 (a)단계에서 측정된 지하수위 데이터들 중 선행하는 데이터들을 근거로 양수초기가 수행되었다고 판단된 후,
상기 선행하는 데이터에 후행하는 2개의 연속된 데이터를 비교시 시간의 경과에 따라 변화된 지하수위차의 절대값이 기설정된 값(tol) 이하인 경우, 상기 후행하는 두 개의 지하수위 데이터가 측정된 시각 사이의 시간은 상기 준평형기에 포함된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 지하수의 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법.
제1항에 있어서,
상기 (a)단계에서 측정된 지하수위 데이터들 중 선행하는 데이터들을 근거로 양수초기가 수행되었다고 판단된 후,
상기 선행하는 데이터에 후행하는 2개의 연속된 데이터를 비교시 시간의 경과에 따라 지하수위가 기설정된 값(tol)을 초과하여 상승하는 경우, 상기 후행하는 두 개의 지하수위 데이터가 측정된 시각 사이의 시간은 상기 회복기에 포함된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 지하수의 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법.
제2항에 있어서,
상기 (a)단계에서는 정해진 시간 간격으로 상기 지하수위 데이터를 측정하는 것을 특징으로 하는 지하수의 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법.
제9항에 있어서,
상기 (a)단계에서 측정된 모든 연속된 데이터들 사이의 지하수위차를 계산하여, 상기 모든 연속된 데이터들이 측정된 시각들 사이의 시간이 상기 양수과정 중 양수 초기, 준평형기 및 회복기 중 어느 기간에 속하는지를 판단하며,
상기 양수 초기 및 준평형기로 판단된 구간(시간)이 총 몇 개인지를 계산하고, 계산된 개수에 상기 정해진 시간 간격을 곱하여 총 양수시간을 계산하는 것을 특징으로 하는 지하수의 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법.
제1항에 있어서,
상기 (d)단계에서는 양수에 사용된 양수펌프의 시간당 양수량에 상기 총 양수시간을 곱하여 지하수 양수량을 산출하는 것을 특징으로 하는 지하수의 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법.
제2항에 있어서,
상기 (a)단계에서 측정된 연속된 두 개의 지하수위 데이터를 비교함에 있어서, 시간의 경과에 따라 지하수위가 하강하였고 변화된 지하수위차의 절대값이 기설정된 값(Dmax)을 초과하는 경우 상기 두 개의 지하수위 데이터가 측정된 시각 사이의 시간은 상기 양수 초기에 포함된 것으로 판단하며,
상기 연속된 두 개의 지하수위 데이터의 측정 시각 사이의 시간이 상기 양수 초기로 판단된 후, 상기 연속된 두 개의 지하수위 데이터에 후행하는 2개의 연속된 데이터를 비교시 시간의 경과에 따라 지하수위가 하강하거나 또는 지하수위차의 절대값이 기설정된 값(tol) 이하인 경우는 상기 후행하는 두 개의 지하수위 데이터가 측정된 시각 사이의 시간은 상기 준평형기에 포함된 것으로 판단하고, 후행하는 2개의 연속된 데이터를 비교시 시간의 경과에 따라 지하수위가 기설정된 값(tol)을 초과하여 상승하는 경우 상기 후행하는 두 개의 지하수위 데이터가 측정된 시각 사이의 시간은 상기 회복기에 포함된 것으로 판단하며,
상기 양수 초기 및 준평형기로 판단된 시간을 모두 더하여 양수가 이루어진 총 양수시간을 산출한 후,
양수에 사용된 상기 양수펌프의 시간당 양수량에 상기 총 양수시간을 곱하여 지하수 양수량을 산출하는 것을 특징으로 하는 지하수의 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법.
수중에 배치되어 수위를 측정하는 수위측정센서에 있어서,
상기 청구항 1항 내지 12항 중 선택된 어느 한 항에 따른 지하수의 수위 변화를 이용한 지하수 양수량 산출방법에 의하여 지하수 양수량을 산출할 수 있는 연산부를 구비하는 것을 특징으로 하는 수위측정센서.
상기 청구항 1 내지 청구항 12 중 선택된 어느 한 항의 양수량 산출방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.