[논문]자동유량측정시설 운영현황 및 방향

노영신; 김치영; 차준호

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노영신 (유량조사사업단 연구개발실) , 김치영 (유량조사사업단 연구개발실) , 차준호 (한강홍수통제소 하천정보센터)

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문제 정의

실시간-무인화 유량측정시스템인 자동유량측정시설은 하천이란 위험한 공간에서 인력에 의해 밤낮없이 행해지던 기존 측정방법의 한계를 해결하고 연속적인 측정을 통해 양질의 수문자료를 확보하는데 그 목적이 있다.

제안 방법

실측결과와의 비교는 유속계 및 부자 등 기존 유량측정방법의 측정결과와 이동 ADCP 법을 이용한 동시간대 연속측정결과를 자동유량측정시설의 유량 측정결과를 비교하였다. 또한 유출평가는 매 10분 간격으로 측정된 유량자료를 이용하여 월유출량을 산정하고 산정된 유출량과 상류에 위치한 팔당댐 및 충주 조정지댐 방류량 및 지천유입량과 취수 및 처리수 방류량에 대한 물수지 분석 결과와 비교하였다.
실시간-무인화로 운영되는 자동유량측정시설의 효율적인 운영과 유량측정자료의 체계적인 관리 및 사용자 모니터링을 위한 운영관리시스템을 구축하였다. 운영관리시스템은 자동유량측정시설로부터 측정된 유량자료의 실시간 수집, 처리, 표출, DB화 및 분석 기능과 시스템의 안정적인 유지를 위한 유지관리 기능 등 일련의 관리를 수행할 수 있는 시스템으로서, 기존 설치지점과 2008년 신설된 3개 지점의 자동유량측정시설의 통합 및 자료의 분석 및 검·보정에 대한 개선을 통해 효율적인 시스템 운영이 가능하도록 하였다.
자동유량측정시설 측정자료의 검증을 위해 2008년 비교적 안정적인 운영이 이루어졌던 한강대교와 여주 지점을 대상으로 기존 유량측정방법에 의한 실측결과 및 2008년 개발된 수위-유량관계곡선식과의 비교, 물수지 분석을 통한 유출량 비교를 수행하였다. 실측결과와의 비교는 유속계 및 부자 등 기존 유량측정방법의 측정결과와 이동 ADCP 법을 이용한 동시간대 연속측정결과를 자동유량측정시설의 유량 측정결과를 비교하였다.
자료 송·수신 및 저장 프로그램 구축에서는 자동유량측정시설로부터 자료를 수신하여 데이터베이스에 저장하는 프로그램과 한강홍수통제소와의 자료 송·수신 프로그램을 개발하였다.
현재까지 설치된 자동유량측정시설은 2004년 여주 지점, 2006년 한강대교, 중랑교, 통일대교 그리고 고령교 지점, 2007년 팽성, 규암, 적성 지점, 2008년 구포, 공주, 하동 지점으로 총 11개 지점에 설치되었다. 적용방식 별로는 한강대교, 통일대교, 고령교, 팽성, 규암, 그리고 구포 지점은 ADVM 방식으로 설치 되었으며, 여주, 적성, 공주 그리고 하동 지점은 UVM 방식이 설치되었다. 중랑교 지점의 경우에는 ADVM 방식과 UVM 방식이 모두 설치되었다.
통일대교의 경우 조위변화에 따라 수심의 차이가 심하게 발생하는 지점으로, 수심이 낮아지는 간조시 센서 측정을 위한 최소수심이 확보되지 않는 경우가 많이 발생하여 연속적인 유량측정이 제대로 이루어지지 않는 문제점이 있다. 최소수심 문제를 해결하기 위하여 센서의 설치 위치를 재조정하여 간조시 결측을 최소화하였다.

데이터처리

자동유량측정시설 측정자료의 검증을 위해 2008년 비교적 안정적인 운영이 이루어졌던 한강대교와 여주 지점을 대상으로 기존 유량측정방법에 의한 실측결과 및 2008년 개발된 수위-유량관계곡선식과의 비교, 물수지 분석을 통한 유출량 비교를 수행하였다. 실측결과와의 비교는 유속계 및 부자 등 기존 유량측정방법의 측정결과와 이동 ADCP 법을 이용한 동시간대 연속측정결과를 자동유량측정시설의 유량 측정결과를 비교하였다. 또한 유출평가는 매 10분 간격으로 측정된 유량자료를 이용하여 월유출량을 산정하고 산정된 유출량과 상류에 위치한 팔당댐 및 충주 조정지댐 방류량 및 지천유입량과 취수 및 처리수 방류량에 대한 물수지 분석 결과와 비교하였다.

성능/효과

그림 7은 한강대교 지점 자동유량측정시설의 월별 유출량과 물수지 분석결과를 나타낸 것으로, 분석결과 2008년 1월∼3월까지는 약 5% 내외로 잘 일치하였으나 2008년 4월에는 측정방식을 1축에서 2축으로 변경하면서 유속측정의 안정화가 이루어지지 않아 오차가 크게 발생하였다. 4월을 제외한 오차는 6.6%내외의 오차를 보였으며 4월을 포함한 2008년의 오차는 8.0% 내외의 오차를 보여 자동유량측정시설의 연속적인 유량측정자료가 비교적 안정적으로 측정되고 있음을 확인할 수 있다.
2008년에 미계측구간을 해결하기 위해 ADVM 방식의 경우 센서의 설치위치를 하단부로이동하였으나 여전히 미계측구간이 발생할 뿐만 아니라 무리한 센서의 이동으로 측정결과의 오차 및 유지 관리상에 문제가 발생하여 센서의 위치를 홍수기 측정에 초점을 맞추어 변경하였다. ADVM은 24,349회, UVM은 52,651회의 측정이 이루어졌으며, 각각 58.3%와 0.1%의 결측률을 보였다.
적성 지점은 동절기 하천결빙으로 인하여 동절기 1월, 2월, 12월의 유량측정이 이루어지지 않았다. 동절기 결빙으로 인한 결측을 포함하여 총 11,609회의 결측이 발생하였으며, 결측률은 22.3%이다. 동절기 결측 이외의 원인으로는 측정데이터의 전송오류가 가장 큰 것으로 나타났다.
평·저수시에 측정된 프라이스유속계 측정결과는 자동유량측정값과 0.3%∼13.5%의 오차범위를 나타냈으며, 이동 ADCP법과의 오차는 0.6%∼13.4% 오차범위를 나타냈다.
그림 5는 한강대교 지점 자동유량측정결과를 평수시 이동 ADCP법과 홍수시 부자법 측정결과와 비교한 것이다. 평수시 이동 ADCP 법의 검증측정과 비교한 결과, 일부 측정치에서의 상대오차가 매우 큰 것을 알 수 있다. 비교적 큰 오차가 발생한 측정치는 만조와 간조가 교차하는 저유속 구간에서의 측정결과로서, 이동 ADCP 측정시 흐름이 정체되면서 정확한 유속측정이 이루어지지 못했기 때문이다.
한강대교의 조위변화 시에는 짧은 시간에도 수위 및 유량의 변화가 급변하기 때문에 이러한 시간차로 인한 측정치에 오차가 크게 발생할 수 있다. 홍수시 부자법의 검증측정과 비교한 결과, 자동유량측정결과와의 오차는 9.4~41.8% 발생하였는데, 최대 41.8% 오차의 원인은 첨두유량에서 ADVM 센서의 유속측정값에 이상치가 발생하여 측정된 유량이 과소 산정되었기 때문인 것으로 판단된다.

후속연구

자동유량측정시설의 구축 및 운영사업은 수문조사의 선진화의 일환으로 단기적으로는 기존 측정방법을 보완하여 지점특성에 따른 신뢰성 있는 측정이 가능하도록 하며, 중·장기적으로는 지속적인 검증과 안정화를 통해 수문조사기법의 선진화를 위한 기초적인 인프라를 확보할 수 있도록 해야 한다. 또한, 신뢰도 높은 유량자료를 제공할 수 있도록 지속적으로 안정화 및 유지관리를 수행하고 또한, 자료분석을 통한 검증이 이루어져야 한다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

자동유량측정시설의 목적은 무엇인가?

실시간-무인화 유량측정시스템인 자동유량측정시설은 하천이란 위험한 공간에서 인력에 의해 밤낮없이 행해지던 기존 측정방법의 한계를 해결하고 연속적인 측정을 통해 양질의 수문자료를 확보하는데 그 목적이 있다.

Acoustic Doppler Velocity Meter(ADVM)은 어떤 유속 측정 방식인가?

초음파 유속계는 흐르는 유체 내에서 초음파의 변화특성을 이용하여 유속을 측정하는데, 이는 유속을 측정하는 방식에 따라 크게 도플러방식 초음파유속계(ADVM, Acoustic Doppler Velocity Meter)와 이동시간차 방식 초음파유속계(UVM, Ultrasonic Velocity Meter)로 구분할 수 있다(Catherine and Michael, 2005). ADVM은 흐름 내에서 초음파의 도플러 변이를 이용한 유속측정방식이며, UVM은 마주보는 2개의 초음파변환기(T/T, Transit Time)를 이용하여 흐름방향과 흐름의 역방향에 대한 초음파의 이동시간 차를 이용하여 유속을 측정하는 방식이다.

초음파 유속계는 어떻게 유속을 측정하며, 유속 측정 방식에 따라 어떻게 구분할 수 있는가?

현재 하천의 유량측정을 위해 국내외에서 설치, 운영되고 있는 자동유량측정시설은 대부분 초음파유속 계를 이용한 실시간 하천유량측정시스템이다. 초음파 유속계는 흐르는 유체 내에서 초음파의 변화특성을 이용하여 유속을 측정하는데, 이는 유속을 측정하는 방식에 따라 크게 도플러방식 초음파유속계(ADVM, Acoustic Doppler Velocity Meter)와 이동시간차 방식 초음파유속계(UVM, Ultrasonic Velocity Meter)로 구분할 수 있다(Catherine and Michael, 2005). ADVM은 흐름 내에서 초음파의 도플러 변이를 이용한 유속측정방식이며, UVM은 마주보는 2개의 초음파변환기(T/T, Transit Time)를 이용하여 흐름방향과 흐름의 역방향에 대한 초음파의 이동시간 차를 이용하여 유속을 측정하는 방식이다.

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