KR101792671B1 - 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템 - Google Patents

맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템 Download PDF

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염병우
류동우
정승원
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한국지질자원연구원
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Abstract

본 발명은 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템을 공개한다. 이 장치는 지하수 및 토양 환경에 대한 데이터를 감지하여 전송하는 복합 센서부; 상기 감지된 지하수 및 토양 환경에 대한 데이터의 시공간 분포에 대한 자료를 저장하는 지하수-지질 환경 데이터베이스; 및 상기 저장된 지하수 및 토양환경에 대한 데이터 및 상기 시공간 분포에 대한 자료를 전달받아 실시간 분석하여 지반 위험도를 산출하는 지반 위험도 분석부;를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의할 경우, 도심지 내에서 땅 꺼짐이나 도로 함몰 등이 일어날 위험성 높은 지역을 예측하여 인적 재난 방재에 효과적으로 이용할 수 있으며, 이전의 수질 종합 측정 장치와 비교하여, 지하수- 토양 입자 거동- 지반 위험도에 관계된 인자들의 상호 관계를 이용하여 보다 정밀한 예측이 가능해 진다.

Description

맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템{A manhole type groundwater and geological environment monitoring system}
본 발명은 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 특히 지반 침하, 땅 꺼짐 또는 도로 함몰이 예상되는 도심 지역의 맨홀 내부에 설치하여 지하수 및 지질 환경에 대한 인자들을 측정한 후, 실시간 분석을 통하여 지반 안정성에 관계된 위험도를 산출함으로써 지반 침하 또는 도로 함몰 사고에 효과적으로 대응할 수 있는 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템에 관한 것이다.
최근 들어, 우리나라 도심 곳곳에서 지반 침하(land subsidence), 땅 꺼짐(sinkhole) 또는 도로함몰(road collapse)이 발생함에 따라 도심지 지반 안전에 대한 관심이 증대되고 있다.
도심지에서의 지반 침하, 땅 꺼짐, 또는 도로 함몰은 지하수 및 주변 지질 환경, 지하의 구조물과 밀접한 관계가 있다.
지반 침하는 도심지에서 대규모 토목 공사나 온천 등의 지하수 개발이 있을 경우, 지하수위 하강에 따른 지반 내 공극압 감소로 인하여 생긴다.
땅 꺼짐 또는 도로 함몰의 경우는 상하수도 관로, 지하철 등의 인공 구조물의 파손에 의해서 생기는 경우가 많다.
예를 들어, 하수도관에 균열이 생길 경우, 주변의 지하수와 토양입자들이 균열을 통해 빠져나가게 되고, 이로 인해 하수도 관로 상부로 지하 공동(underground cavity)이 생기게 된다.
이렇게 생성된 지하 공동까지 지하수위가 상승하면 토양입자간의 결합력이 감소하게 되어 공동이 점차 확장되고 붕괴하면서 결과적으로 최상부의 지표면도 연속적으로 함몰하게 된다.
특히 도심지 인도나 차도의 경우는 아스콘이나 시멘트 등으로 포장되어 있으므로, 지하공동이 거의 지표면에 이르게 확장될 때까지 사전 탐지가 어려움으로 의도하지 않은 인적 물적 손실의 위험은 더욱 높아지게 된다.
따라서, 갑자기 발생하는 땅 꺼짐이나 도로 함몰에 의한 사고를 예방하기 위해서 이러한 현상이 일어나기 쉬운 지역을 예측하고 이를 도시 관리 주체에게 전달하는 기능을 가진 시스템이 필요하게 되었다.
그런데, 이전까지는 지하 내부의 공동을 탐지하기 위한 기술로 전자기파나 지진파의 특성을 이용한 방법이 많이 사용되었다.
즉, 전자기파나 지진파의 경우 지하 매질에 따른 투과율과 굴절률이 다르므로 지표로 반사되어 나오는 파장을 해석하여 지하 공동의 위치를 역추적할 수 있다.
하지만, 도심지의 경우 지하에 매설된 전선 등의 교란 시설이 많고, 차량 이동으로 인한 진동 등으로 전통적인 탐지 방법의 적용에는 한계가 있다.
또한, 이러한 방법은 한번 적용하는데 걸리는 시간이 수 시간에서 수 일 등으로 비교적 오래 걸리므로 자연 상태에서의 싱크홀 탐지 등에는 적합하지만, 실시간 탐지와 방재를 목적으로 하는 도심지 땅 꺼짐 문제에 적용하기에는 어려움이 따른다.
이에, 본 발명자들은 지하수 및 토양 환경에 대한 데이터를 실시간으로 감지 및 분석하여 지하수 토양 입자 거동 지반 안정성에 관계된 인자들의 상관 관계를 통해 지반 안전 위험도를 산출하고, 이를 이용해 도심지에서의 땅 꺼짐과 도로 함몰 사고에 효과적으로 대응할 수 있는 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템을 발명하기에 이르렀다.
JP 5946141 B1
본 발명의 목적은 복잡한 도심지 환경에서 지반 안전과 관계된 지하수 및 토양환경 인자를 측정하고, 이를 실시간으로 분석하여 위험도를 산출함으로써, 도심지의 지하수 및 지질 환경, 지반의 안전성에 대해 합리적이고 경제적인 모니터링을 할 수 있는 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템은 지하수 및 토양 환경에 대한 데이터를 감지하여 전송하는 복합 센서부; 상기 감지된 지하수 및 토양 환경에 대한 데이터의 시공간 분포에 대한 자료를 저장하는 지하수-지질 환경 데이터베이스; 및 상기 저장된 지하수 및 토양환경에 대한 데이터 및 상기 시공간 분포에 대한 자료를 전달받아 실시간 분석하여 지반 위험도를 산출하는 지반 위험도 분석부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템의 상기 복합 센서부는 상기 지하수 및 토양 환경에 대한 데이터를 감지하는 센서 모듈; 상기 감지된 지하수 및 토양 환경에 대한 데이터를 인가받아 저장하고 전송용으로 변형하는 데이터 로거 모듈; 및 상기 변형된 지하수 및 토양 환경에 대한 데이터를 인가받아 프로토콜 인터페이스 정의에 따라 전송하는 통신 모듈;을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템의 상기 센서 모듈은 지하수 관측정에 삽입되어 상기 지하수에 대한 데이터를 측정하는 지하수 센서 번들; 및 상기 지하수 관측정 주변의 토양에 매립되어 상기 토양 환경에 대한 데이터를 측정하는 토양 센서 번들;을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템의 상기 지하수 센서 번들은 지하수의 수위를 측정하는 지하 수위 센서; 지하수의 온도를 측정하는 지하 수온 센서; 지하수의 전기 전도도를 측정하는 지하수 전기 전도도 센서; 및 지하수의 탁한 정도를 측정하는 지하수 탁도 센서;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템의 상기 토양 센서 번들은 상기 지하수 관측정 주변의 토양의 수분 함량, 전기 전도도 및 온도를 측정하는 토양 환경 특성 센서; 및 토양의 수분 포텐셜을 측정하는 토양 흡입압 센서;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템의 상기 지반 위험도 분석부는 관측된 지하수위의 변화를 소정 기간의 지하수위 변화량과 비교하여 급격한 변화인지를 감지하여 지하 수위 변화에 따른 개별 위험도를 산출하는 지하수위 변화 분석모듈; 지하수면이 지표면에 일정 기준치 이상으로 근접하는지를 감지하여 지하수면 깊이 변화에 따른 개별 위험도를 산출하는 지하수면 깊이 분석모듈; 지하수 전기 전도도의 증가를 감지하여 지하수 전기 전도도 변화에 따른 개별 위험도를 산출하는 지하수 오염도 변화 분석모듈; 지하수 탁도의 증가를 감지하여 지하수 탁도 변화에 따른 개별 위험도를 산출하는 토양 입자 활동도 변화 분석모듈; 토양 환경 변수의 관계 및 변화량을 감지하여 토양 환경 변수 변화에 따른 개별 위험도를 산출하는 토양 환경 변화 분석모듈; 및 상기 산출된 개별 위험도들을 인가받아 가중 평균을 이용하여 최종 실시간 지반 위험도를 산출하는 제어모듈;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템의 상기 지하수-지질 환경 데이터베이스는 상기 분석된 시공간 분포에 대한 자료를 인가받아 저장하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템의 상기 통신 모듈은 상기 지하수 및 토양 환경에 대해 전송용으로 변형된 데이터를 개인 무선 통신망을 통해 상기 지하수-지질 환경 데이터베이스로 전송하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템의 상기 복합 센서부는 도넛형으로서 관측정의 상부를 노출시키는 복합 센서부 본체; 상기 복합 센서부 본체의 상부면에 형성되어 지하수 센서 케이블이 바인딩되어 상기 지하수 센서 번들을 서스펜딩하는 지하수 센서 케이블 걸이; 상기 복합 센서부 본체의 상부면에 상기 지하수 센서 케이블 걸이와 이격되게 형성되어 토양 센서 케이블이 바인딩되어 상기 토양 센서 번들을 서스펜딩하는 토양 센서 케이블 걸이; 상기 관측정의 상부에 구비되어, 하부면의 중앙부에는 고리 걸이가 형성되고, 중앙부와 이격되어 형성된 관통홀을 통해 상기 지하수 센서 케이블을 관통시키는 관측정 덮개; 및 상기 고리 걸이에 체결되어, 상기 관통된 지하수 센서 케이블을 걸어 연결하는 연결 고리;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템의 상기 복합 센서부 본체는 배터리, 상기 데이터 로거 모듈 및 상기 통신 모듈을 포함한 PCB 보드가 내부에 장착되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템은 지하수 및 토양 환경에 대한 데이터를 감지하여 전송하는 복합 센서부; 상기 감지된 지하수 및 토양 환경에 대한 데이터의 시공간 분포에 대한 자료를 저장하는 지하수-지질 환경 데이터베이스; 및 상기 저장된 지하수 및 토양 환경에 대한 데이터 및 상기 시공간 분포에 대한 자료를 전달받아 실시간 분석하여 지반 위험도를 산출하는 지반 위험도 분석부;를 구비하고, 상기 복합 센서부의 측정 주기 및 데이터 전송 주기는 외부에서 설정 가능한 것을 특징으로 한다.
기타 실시예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.
본 발명에 의할 경우, 도심지 지하 구조물 주변의 지하수와 지질 환경 자료들을 수집하고 실시간으로 지반 붕괴 위험성이 높은 지역을 예측하여 지반 침하 및 도로 함몰 사고에 효과적으로 대응할 수 있다.
또한, 복합 센서부를 맨홀 내부에 설치함으로써 사람과 차량의 통행을 방해하지 않고 지하수 및 지질 환경 자료를 수집할 수 있다.
또한, 종래의 수질 종합 측정 장치와 비교할 때, 지하수 - 토양입자 거동 - 지반 안정성에 관계된 인자값을 동시에 측정함으로써 서로 간의 상관 관계를 더욱 정밀하게 파악할 수 있다.
또한, 복합 센서부 본체를 도넛형으로 설계하여 관측정의 상부를 노출 시킴으로써, 센서 모듈의 설치가 용이해지고 추후에 수동 수위기 등의 장비를 사용하기 편리해진다.
또한, 관측정 덮개 하부에 지하수 센서 번들을 서스펜딩하여 지하수 센서 번들 자체의 무게로 인한 추락을 방지함으로써, 지하수 관측정의 오염을 예방할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 맨홀형 지하수 및 토양환경 모니터링 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 지하수 및 토양환경 모니터링 시스템 내 복합 센서부(100)의 블록도이다.
도 3은 도 1에 도시된 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템 내 복합 센서부(100)가 지하에 매립된 상태에서의 평면도(a) 및 단면도(b)이다.
도 4는 도 1에 도시된 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템 내 복합 센서부(100)의 센서 모듈(110) 내 지하수 센서 번들(112)의 블록도이다.
도 5는 도 1에 도시된 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템 내 복합 센서부(100)의 센서 모듈(110) 내 토양 센서 번들(114)의 블록도이다.
도 6은 도 1에 도시된 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템 내 복합 센서부(100)의 각 센서의 사양에 대한 표이다.
도 7은 도 1에 도시된 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템 내 분석 도구(400) 내 분석 모듈의 블록도이다.
도 8은 본 발명의 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템을 통해 전송된 자료를 분석하여 얻은 실시간 지반 위험도 및 지반 위험도의 시계열 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.
더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.
반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.
마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에 있어서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.
더욱이, 본 발명의 명세서에서는, "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.
본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.
이하에서 설명되는 휴대용 단말기는 인터넷 통신 등의 컴퓨터 지원 기능이 가능한 스마트 폰(smart phone), PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 스마트 패드(smart pad) 등을 모두 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템의 개략적인 구성도로서, 복합센서부(100), 지하수-지질 환경 데이터베이스(200) 및 분석 도구(300)를 구비한다.
도 1을 참조하여 본 발명의 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템의 동작을 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
복합센서부(100)는 지하수 및 토양환경에 대한 데이터를 감지하여 웹 기반의 지하수-지질 환경 데이터베이스(200)로 전송한다.
지하수-지질 환경 데이터베이스(200)는 여러 지점에 설치된 복합 센서들이 전송하는 자료를 시간적 순서 또는 공간적 배열에 따라 저장한다.
지반 위험도 분석부(300)는 지하수-지질 환경 데이터베이스(200)에 저장된 자료와 복합센서부(100)가 설치된 지역의 지질 정보를 실시간으로 분석하여 지반의 위험도를 산출한다.
도 2는 도 1에 도시된 지하수 및 토양환경 모니터링 시스템 내 복합 센서부(100)의 블록도로서, 센서 모듈(110), 데이터 로거 모듈(120) 및 통신 모듈(130)을 구비한다.
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 맨홀형 지하수 및 토양환경 모니터링 시스템의 세부 구조 및 동작을 설명하면 다음과 같다.
센서 모듈(110)은 지하수 관측정에 삽입되는 지하수 센서 번들(112)과 지하수 관측정 주변의 토양에 매립되는 토양 센서 번들(114)로 구성되어 지하수위, 수온, 지하수 전기 전도도, 지하수 탁도(turbidity), 토양 함수비, 토양 온도, 토양 전기 전도도 및 토양 흡입압(soil suction pressure) 등 8개 항목을 감지한다.
이는 종래에 지하수위, 지하수 전기 전도도 및 수온만 측정 가능했던 수질 종합 측정 장치(CTD)와 비교할 때, 토양 환경 인자 및 지하수 탁도까지 동시에 실시간으로 측정이 가능하므로, 지하수 토양 입자 거동 - 지반 안정성에 관계된 인자들의 상관 관계 파악에 더 효과적이다.
데이터 로거 모듈(120)은 센서 모듈(110)에서 감지한 지하수 및 토양 환경에 대한 데이터를 인가받아 저장하고 전송에 적합하도록 적절히 변형한다.
통신 모듈(130)은 데이터 로거 모듈(120) 내부로부터 지하수 및 토양환경에 대한 변형된 데이터를 인가받아 프로토콜 인터페이스 정의에 따라 개인 무선 통신망 (Wireless Personal Area Network, WPAN)에 의해 지하수-지질 환경 데이터베이스(200)로 전송한다.
통신 방식은 기존의 코드 분할 다중 접속(Code Division Multiple Access, CDMA) 방식도 가능하나, 개인 무선 통신망 방식이 유지 비용 측면에서 더 저렴한 장점이 있다.
지하수-지질 환경 데이터베이스(200)는 지질 정보와 지하수 및 토양 환경에 대한 데이터의 시공간 분포에 대한 자료가 저장되어 있다.
지반 위험도 분석부(300)는 지하수-지질환경 데이터베이스(200)로부터 복합 센서부(100)에서 감지된 8개 항목의 지하수 및 토양 환경에 대한 데이터의 시공간 분포에 대한 자료를 전달받아 내장된 복수개의 분석부를 통해 실시간으로 지반의 위험도를 분석한다.
도 3은 도 1에 도시된 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템 내 복합 센서부(100)가 지하에 매립된 상태에서의 평면도(a) 및 사시도(b)로서, 맨홀 덮개부(50), 배터리, 전원 공급관(70), 복합 센서부(100), 데이터 로거 모듈 및 통신 모듈(120, 130)을 구비하고, 복합 센서부(100)는 복합 센서부 본체(105), 지하수센서 번들(112), 지하수 센서 케이블 걸이(111), 지하수 센서 케이블(113), 토양 센서 번들(114), 토양 센서 케이블 걸이(115, 115'), 토양 센서 케이블(116, 116'), 관측정 덮개(141), 고리 걸이(142) 및 연결 고리(143)를 포함한다.
도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이, 지하수 관측정에 거치되도록 제작된 도넛형의 금속 또는 플라스틱 재질의 복합 센서부 본체(105) 내부에는 배터리(미도시), 데이터 로거 모듈(120) 및 통신 모듈(130)을 포함한 PCB 보드(미도시)가 장착되어, 센서 모듈(110)에서 측정하는 자료를 지하수 - 지질 환경 데이터베이스(200)로 전송한다.
복합 센서부 본체(105)는 맨홀 내부에 설치가 가능하고, 배터리가 내장되므로 상시 전원 공급이 원활하지 않은 경우에도 대비할 수 있다.
또한, 복합 센서부 본체(105)를 도넛형으로 설계하여 관측정의 상부를 노출 시킴으로써 센서 모듈(110)의 설치가 용이하고 추후에 수동 수위기 등의 장비를 사용하기 편리하다.
한편, 복합 센서부(100)는 복합 센서부 본체(105)의 상부면에 형성되어 지하수 센서 케이블(113)이 바인딩되어 지하수 센서 번들(112)을 서스펜딩하는 지하수 센서 케이블 걸이(111); 및 복합 센서부 본체(105)의 상부면에 지하수 센서 케이블 걸이(111)와 이격되게 형성되어 토양 센서 케이블(116, 116’)이 바인딩되어 토양 센서 번들(114)을 서스펜딩하는 토양 센서 케이블 걸이(115, 115’)를 구비한다.
또한, 관측정의 상부에 구비되어, 하부면의 중앙부에는 고리 걸이(142)가 형성되고, 중앙부와 이격되어 형성된 관통홀을 통해 지하수 센서 케이블(113)을 관통시키는 관측정 덮개(141); 및 고리 걸이(142)에 체결되어, 관통된 지하수 센서 케이블(113)을 걸어 연결하는 연결 고리를 구비한다.
즉, 복합 센서부(100)는 관측정 덮개(141) 하부에 형성된 고리 걸이(142)에 바인딩(binding)되어 있는 연결 고리(143)에 지하수 센서 번들(112)을 서스펜딩(suspending)하여 지하수 센서 번들(112) 자체의 무게로 인한 추락을 방지함으로써, 지하수 관측정의 오염을 방지한다.
도 4는 도 1에 도시된 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템 내 복합 센서부(100)의 센서 모듈(110) 내 지하수 센서 번들(112)의 블록도로서, 지하 수위 센서(101), 지하 수온 센서(102), 지하수 전기 전도도 센서(103), 지하수 탁도 센서(104)를 포함한다.
도 5는 도 1에 도시된 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템 내 복합 센서부(100)의 센서 모듈(110) 내 토양 센서 번들(114)의 블록도로서, 토양 환경 특성 센서(107) 및 토양 흡입압 센서(108)를 포함한다.
도 6은 도 1에 도시된 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템 내 복합 센서부(100)의 각 센서의 사양에 대한 표이다.
도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템 내 복합 센서부(100)의 세부 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
지하 수위 센서(101)는 측정 범위가 0-20 m, 해상도가 1 cm, 정확도가 ㅁ 0.05 %로서, 지하수의 수위를 측정한다.
이때, 측정 주기는 1분 내지 1일 간격으로 설정 가능하다.
지하 수온 센서(102)는 측정 범위가 0-50 ℃, 해상도가 0.01 ℃, 정확도가 ㅁ 0.5 %로서, 지하수의 온도를 측정한다.
지하수 전기 전도도 센서(103)는 측정 범위가 0-100,000 μS/㎝, 해상도가 1 μS/㎝, 정확도가 ㅁ 0.5 %로서, 지하수의 전기 전도도(Electric Conductivity)를 측정한다.
지하수 탁도 센서(104)는 측정 범위가 0 1,000 NTU (Nephelometric turbidity unit, US EPA 규정 단위), 정확도가 ㅁ 5 %, 적정 온도가 0 40 ℃로서, 지하수의 탁한 정도를 측정한다.
토양 환경 특성 센서(105)는 측정 범위가 수분함량은 0 80 %, 전기 전도도는 0 - 25 dS/m, 온도는 -40 60 ℃로서, 토양의 수분 함량, 전기 전도도 및 온도를 측정한다.
토양 흡입압 센서(106)는 측정 범위가 -9 내지 100,000 kPa, 해상도가 0.1 kPa, 정확도가 ㅁ -9 내지 -100 kPa로서, 토양의 수분 포텐셜을 측정한다.
도 7은 도 1에 도시된 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템 내 지반 위험도 분석부(300) 내 분석 모듈의 블록도로서, 지하수위 변화 분석모듈(301), 지하수면 깊이 분석모듈(302), 지하수 오염도변화 분석모듈(303), 토양입자 활동도 변화 분석모듈(304), 토양환경 변화 분석모듈(305) 및 제어모듈(306)를 포함한다.
도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템 내 분석 모듈의 세부 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
지하수위 변화 분석모듈(301)은 현재 관측된 지하수위의 변화가 최근 2년간 지하수위 변화량과 비교하여 상위 5 % 이상에 해당하는 급격한 변화인지를 감지한다.
급격한 지하수위의 변화는 공급압 변화로 인한 지반 상태의 불균형을 야기할 수 있으므로 지하수위 변화량을 '0'(정상) 에서 '1'(위험)까지 스케일링하여 지하수위 변화에 따른 개별 위험도 Si1를 산출한다.
지하수면 깊이 분석모듈(302)은 지하수면이 지표면에 일정 기준치 이상으로 근접하는지를 감지한다.
지하수면 깊이를 '0'(최저치) 에서 '1' (지표면)까지 스케일링하여 지하수면 깊이 변화에 따른 개별 위험도 Si2를 산출한다.
지하수 오염도 변화 분석모듈(303)은 지하수 전기 전도도의 증가를 감지한다.
지하수 전기전도도 변화량을 '0'(정상)에서 '1' (위험)까지 스케일링하여 지하수 전기전도도 변화에 따른 개별 위험도 Si3를 산출한다.
토양입자 활동도 변화 분석모듈(304)은 지하수 탁도의 증가를 감지한다.
지하수 탁도 변화량을 '0'(정상)에서 '1' (위험)까지 스케일링하여 지하수 탁도 변화에 따른 개별 위험도 Si4를 산출한다.
토양환경 변화 분석모듈(305)은 토양 환경 변수들(토양 함수비, 토양 전기 전도도, 토양 온도, 토양 흡입압)의 관계 및 변화량을 감지한다.
토양환경 변수들의 변화량을 '0'(정상)에서 '1'(위험)까지 스케일링하여 토양 환경 변수 변화에 따른 개별 위험도 Si5를 산출한다.
제어모듈(306)은 상기 각 분석 모듈로부터 산출된 개별 위험도를 사용하여 다음의 수학식 1에 의해 최종 실시간 지반 위험도(S_total)를 산출한다.
Figure 112017039953887-pat00001
여기에서, Sin은 본 발명의 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템을 구현하기 위한 데이터 처리 시스템 내 분석도구를 통해서 산출된 개별 위험도이고, Win은 개별 가중치이다.
도 8은 본 발명의 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템을 통해 전송된 자료를 분석하여 얻은 실시간 지반 위험도 및 지반 위험도의 시계열 그래프이다.
도 8에서 보는 바와 같이, 지하수위 변화 분석모듈(301), 지하수면 깊이 분석모듈(302), 지하수 오염도 변화 분석모듈(303) 및 토양입자 활동도 변화 분석모듈(304), 토양환경 변화 분석모듈(305) 및 제어모듈(306)를 통하여 산출된 실시간 위험도는 0.09 였고, 2월부터 7월까지 6개월 동안 각 월 13일에 측정된 실시간 시계열 그래프는 도 8의 아래 그래프와 같이 나타났다.
상기 분석 과정은 정성적 연관성에 대한 정량적 결정 과정인 퍼지 추론(Fuzzy inference)과 유사한 과정이다.
본 발명자들은 본 발명의 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템을 검증하기 위하여 실제로 테스트 베드 부지에 지하수 및 지질 환경 모니터링에 필요한 관측정을 설치하고 시료 채취를 실시하였다.
즉, 본 발명을 구현하기 위한 데이터 처리 시스템 내 맨홀형 복합 센서부(100)를 매립하기 위하여 시추공 주위에 복합 센서부(100)와 부대 전기시설이 들어갈 수 있는 정도(반경 약 1미터)의 공간을 굴착하고 맨홀 본체를 매립하였다.
이때, 복합 센서부(100) 본체를 지하수 관측정에 설치할 때 누전에 대한 안전설비를 설치하였고, 복합 센서부(100)의 측정 주기(예를 들어, 1분 내지 60분 간격) 및 데이터 전송 주기는 휴대용 단말기 또는 양방향 개인 무선 통신망(Wireless Personal Area Network, WPAN) 통신 등을 통해 외부 서버에서 설정 가능하도록 하였다.
만일, 개인 무선 통신망이 설치되지 않은 경우에는 내부의 시간 값으로 SD 카드와 USB메모리를 결합한 USD 카드 등에 저장할 수도 있다.
또한, 복합 센서부(100) 각 센서들의 정상 및 비정상 여부를 서버 또는 휴대용 단말기가 외부에서 확인할 수 있도록 하였다.
상시 전원은 주변의 가로등에서 분기하였고, 보행자의 안전을 위하여 분기점에 브레이커 등의 안전시설을 설치하였으며, 전기선을 지하로 매설하고 입력 전원을 12볼트로 강하하였다.
이때, 복합 센서부(100)의 전원 공급 상태를 서버 또는 휴대용 단말기가 외부에서 확인할 수 있도록 하였다.
설치 후 주변을 원상복구하고 맨홀 덮개부(50)를 설치하였다.
이와 같이, 본 발명은 지하수 및 토양 환경에 대한 데이터를 감지하고 이에 대한 시공간 분포에 대한 자료를 저장 및 실시간 분석하여 지반 위험도를 산출함으로써, 지하수 및 지질 환경에 대해 합리적이고 경제적인 모니터링을 할 수 있는 맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템을 제공한다.
이를 통하여, 도심지 내에서 땅 꺼짐이나 도로 함몰 등이 일어날 위험성 높은 지역을 예측하여 인적 재난 방재에 효과적으로 이용할 수 있다.
또한, 종래의 수질 종합 측정 장치와 비교할 때, 지하수-토양 입자 거동-지반 위험도에 관계된 인자들의 상호 관계를 이용한 예측이 가능해 진다.
이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.
또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.
100 : 복합 센서부
200 : 지하수-지질 환경 데이터베이스
300 : 지반 안전 분석부

Claims (11)

  1. 지하수 및 토양 환경에 대한 데이터를 감지하여 전송하는 복합 센서부;
    상기 감지된 지하수 및 토양 환경에 대한 데이터의 시공간 분포에 대한 자료를 저장하는 지하수-지질 환경 데이터베이스; 및
    상기 저장된 지하수 및 토양환경에 대한 데이터 및 상기 시공간 분포에 대한 자료를 전달받아 실시간 분석하여 지반 위험도를 산출하는 지반 위험도 분석부;
    를 구비하고,
    상기 지반 위험도 분석부는
    관측된 지하수위의 변화를 소정 기간의 지하수위 변화량과 비교하여 급격한 변화인지를 감지하여 지하 수위 변화에 따른 개별 위험도를 산출하는 지하수위 변화 분석모듈;
    지하수면이 지표면에 일정 기준치 이상으로 근접하는지를 감지하여 지하수면 깊이 변화에 따른 개별 위험도를 산출하는 지하수면 깊이 분석모듈;
    지하수 전기 전도도의 증가를 감지하여 지하수 전기 전도도 변화에 따른 개별 위험도를 산출하는 지하수 오염도 변화 분석모듈;
    지하수 탁도의 증가를 감지하여 지하수 탁도 변화에 따른 개별 위험도를 산출하는 토양 입자 활동도 변화 분석모듈;
    토양 환경 변수의 관계 및 변화량을 감지하여 토양 환경 변수 변화에 따른 개별 위험도를 산출하는 토양 환경 변화 분석모듈; 및
    상기 산출된 개별 위험도들을 인가받아 가중 평균을 이용하여 최종 실시간 지반 위험도를 산출하는 제어모듈;을 구비하는 것을 특징으로 하는,
    맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 센서부는
    상기 지하수 및 토양 환경에 대한 데이터를 감지하는 센서 모듈;
    상기 감지된 지하수 및 토양 환경에 대한 데이터를 인가받아 저장하고 전송용으로 변형하는 데이터 로거 모듈; 및
    상기 변형된 지하수 및 토양 환경에 대한 데이터를 인가받아 프로토콜 인터페이스 정의에 따라 전송하는 통신 모듈;
    을 구비하는 것을 특징으로 하는,
    맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 센서 모듈은
    지하수 관측정에 삽입되어 상기 지하수에 대한 데이터를 측정하는 지하수 센서 번들; 및
    상기 지하수 관측정 주변의 토양에 매립되어 상기 토양 환경에 대한 데이터를 측정하는 토양 센서 번들;
    을 구비하는 것을 특징으로 하는,
    맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 지하수 센서 번들은
    지하수의 수위를 측정하는 지하 수위 센서;
    지하수의 온도를 측정하는 지하 수온 센서;
    지하수의 전기 전도도를 측정하는 지하수 전기 전도도 센서; 및
    지하수의 탁한 정도를 측정하는 지하수 탁도 센서;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는,
    맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 토양 센서 번들은
    상기 지하수 관측정 주변의 토양의 수분 함량, 전기 전도도 및 온도를 측정하는 토양 환경 특성 센서; 및
    토양의 수분 포텐셜을 측정하는 토양 흡입압 센서;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는,
    맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 지하수-지질 환경 데이터베이스는
    상기 분석된 시공간 분포에 대한 자료를 인가받아 저장하는 것을 특징으로 하는,
    맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 통신 모듈은
    상기 지하수 및 토양 환경에 대해 전송용으로 변형된 데이터를 개인 무선 통신망을 통해 상기 지하수-지질 환경 데이터베이스로 전송하는 것을 특징으로 하는,
    맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 복합 센서부는
    도넛형으로서 관측정의 상부를 노출시키는 복합 센서부 본체;
    상기 복합 센서부 본체의 상부면에 형성되어 지하수 센서 케이블이 바인딩되어 상기 지하수 센서 번들을 서스펜딩하는 지하수 센서 케이블 걸이;
    상기 복합 센서부 본체의 상부면에 상기 지하수 센서 케이블 걸이와 이격되게 형성되어 토양 센서 케이블이 바인딩되어 상기 토양 센서 번들을 서스펜딩하는 토양 센서 케이블 걸이;
    상기 관측정의 상부에 구비되어, 하부면의 중앙부에는 고리 걸이가 형성되고, 중앙부와 이격되어 형성된 관통홀을 통해 상기 지하수 센서 케이블을 관통시키는 관측정 덮개; 및
    상기 고리 걸이에 체결되어, 상기 관통된 지하수 센서 케이블을 걸어 연결하는 연결 고리;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는,
    맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 복합 센서부 본체는
    배터리, 상기 데이터 로거 모듈 및 상기 통신 모듈을 포함한 PCB 보드가 내부에 장착되는 것을 특징으로 하는,
    맨홀형 지하수 및 지질환경 모니터링 시스템.
  11. 지하수 및 토양 환경에 대한 데이터를 감지하여 전송하는 복합 센서부;
    상기 감지된 지하수 및 토양 환경에 대한 데이터의 시공간 분포에 대한 자료를 저장하는 지하수-지질 환경 데이터베이스; 및
    상기 저장된 지하수 및 토양 환경에 대한 데이터 및 상기 시공간 분포에 대한 자료를 전달받아 실시간 분석하여 지반 위험도를 산출하는 지반 위험도 분석부;
    를 구비하고,
    상기 복합 센서부의 측정 주기 및 데이터 전송 주기는 외부에서 설정 가능하며,
    상기 지반 위험도 분석부는
    관측된 지하수위의 변화를 소정 기간의 지하수위 변화량과 비교하여 급격한 변화인지를 감지하여 지하 수위 변화에 따른 개별 위험도를 산출하는 지하수위 변화 분석모듈;
    지하수면이 지표면에 일정 기준치 이상으로 근접하는지를 감지하여 지하수면 깊이 변화에 따른 개별 위험도를 산출하는 지하수면 깊이 분석모듈;
    지하수 전기 전도도의 증가를 감지하여 지하수 전기 전도도 변화에 따른 개별 위험도를 산출하는 지하수 오염도 변화 분석모듈;
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    토양 환경 변수의 관계 및 변화량을 감지하여 토양 환경 변수 변화에 따른 개별 위험도를 산출하는 토양 환경 변화 분석모듈; 및
    상기 산출된 개별 위험도들을 인가받아 가중 평균을 이용하여 최종 실시간 지반 위험도를 산출하는 제어모듈;을 구비하는 것을 특징으로 하는,
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