[논문]회전식유속계와 ADCP를 이용한 유속측정의 검증 및 적용

김응석; 최현일

회전식유속계와 ADCP를 이용한 유속측정의 검증 및 적용
Verification and Application of Velocity Measurement Using Price Meter and ADCP 원문보기

한국방재학회논문집 = Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, v.9 no.3, 2009년, pp.101 - 106

김응석 (선문대학교 토목공학과) , 최현일 (영남대학교 건설시스템공학과)

초록
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우리나라의 경우 1990년대 후반부터 ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)가 도입되기 시작하였으나 아직까지는 ADCP를 이용한 유량측정 기법과 현장 적용성 문제가 충분히 검토되지 못하고 있는 실정이다. 따라서, 본 연구의 목적은 회전식 유속계와 ADCP를 이용한 유속측정의 검증 및 적용에 관한 것이다. 검증방법은 실험실에서 측정된 유속 값을 이용하였다. ADCP와 회전식 유속계를 이용한 유속측정의 차이는 2.1% 이내로 이는 ADCP을 현장에 적용해도 무방한 것으로 나타났다. 검증을 실시 후 ADCP를 실제 하천에 적용하였다. 현장적용 대상하천으로는 매곡천을 선정하여 ADCP의 유속 및 회전식 유속계의 유속을 비교하였다. 결과에서 ADCP에 의한 유속측정 값은 기존에 전통적으로 사용되는 회전식 유속계의 측정과 비교해서 평균 10.5% 이내의 오차로 잘 일치하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Although ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler) have been introduced and utilized for flow measurements since the end of 1990's, in-situ behavior performance of ADCP at stream gauging stations has not been evaluated in Korea. The purpose of this study is for verification and application of velocity measurements using a price meter and ADCP. The verification of measured velocities was carried out in a laboratory open-channel. The differences between the two velocity values measured by a pirce meter and ADCP are within 2.1%, which means that ADCP can be used at stream gauging stations. After verification, ADCP was applied to the Maekok stream selected as a test site for application. for application. The test application was performed by comparison of velocity results measured by ADCP and a price meter. Results show that the velocity values obtained by using ADCP coincide well with those by using conventional devices with the average measurement discrepancy of 10.5%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 실제 유량측정에 가장 중요한 점은 유속을 얼마나 정확하게 측정하는 것이다. 따라서 본 연구에서는 현재 많이 사용하는 유속 측정방법인 회전식 유속계에 의한 유속 측정방법과 근래에 소개되어 적용되고 있는 초음파를 이용한 유속측정법 중 하나인 ADCP를 적용하여 비교 및 분석하였다. 기존의 연구에서는 초음파를 이용한 유속측정 방법, 효용성 및 정확도 측면에 관한 연구는 수행되었으나 내구성에 따른 연구 등은 거의 전무한 상황이다.
기존의 연구에서는 초음파를 이용한 유속측정 방법, 효용성 및 정확도 측면에 관한 연구는 수행되었으나 내구성에 따른 연구 등은 거의 전무한 상황이다. 또한, 실제 하천에서 매설되어 적용되는 ADCP의 경우 매설되어 일정 시간이 경과한 후 하천의 이물질 등의 오염으로 인해 유속측정에 오차를 유발 할 수 있을 것으로 판단하여 본 연구에서는 수위계가 부착되어진 교량을 선정하여 교량 바닥에 ADCP를 매설 후 일정 기간 동안 회전식 유속계와 동시에 유속을 측정하고 이를 비교 분석하여 하천의 부유물 및 오염 등으로 인한 ADCP의 유속오차 정도를 분석하고자 하였다.
본 연구에서는 ADCP를 이용한 하천에서의 유량측정시 가장 중요한 유속측정에 관한 정확도 및 내구성 검증을 위해 개수로 실험실에서의 실험과 현장적용을 위해 아산시 매곡천에서 매설 후 2개월 이상 회전식 유속계와 비교측정 하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 ADCP의 현장적용에 앞서 수리실험을 통해 적용성 여부를 검토하였다. 실험의 목적은 크게 4가지로 ADCP의 개수로 실험 장치에서 유속측정, 폴리에틸렌 보호캡이 유속측정에 미치는 영향 정도, 유속계를 유속 방향에서 45도 회전시킨 경우 유속측정 능력, 유속계의 초음파 빔을 이용한 수위측정 정확도 실험으로 구성하였다.
매설된 초음파 유속계의 내구성 및 정확도를 검증하기 위해 매주 1회씩 2개월 이상 유속을 측정하여 유속계의 정확도의 변화를 분석하였다. 이는 처음 매설시에 깨끗한 초음파 유속계의 덮개가 시간의 경과에 따른 이끼 등 이물질로 인한 오차를 발생시킬 수 있기 때문에 이로 인한 정확도에 미치는 영향을 평가하기 위해 실시하였다. 또한, 현재 다양한 종류의 ADCP를 매설하여 유속을 측정하는 한강 및 금강 등에서도 ADCP의 유지관리는 대략 3개월에 한번정도로 이루어지 있으며, 실제 센서의 민감도 및 전력공급 등의 다양한 문제로 인해 ADCP 설치 후 장기간 동안 방치하는 것이 아니라 약 2-3개월 혹은 홍수시에는 유지관리를 수행하고 있으므로 본 연구에 수행한 2개월 가량의 실측에 따른 내구성 검토는 적정한 것으로 판단되었다.

제안 방법

ADCP의 유속 측정의 정확도를 비교하기 위해 기존의 사용되는 Sontek사의 초음파 유속계(Flowtracker)를 이용하여 유속을 측정하였다. 측정결과 ADCP 보호캡 설치 전의 10분 평균 유속은 0.
ADCP의 정확도를 측정하기 위해 비교대상으로 적용된 회전식 유속계를 적용하여 30초 간격으로 10회를 측정하여 평균값을 기록하였으며, ADCP는 10분 단위로 유속을 측정한 평균값을 기록하였다. 또한 회전식 유속계의 정확도를 검증하기 위해 기존에 판매되는 사용되는 ADCP(streamPro)를 적용하여 매설시 첫 번째 측정(9월 23일)에서 검증하였다.
ADCP의 정확도를 측정하기 위해 비교대상으로 적용된 회전식 유속계를 적용하여 30초 간격으로 10회를 측정하여 평균값을 기록하였으며, ADCP는 10분 단위로 유속을 측정한 평균값을 기록하였다. 또한 회전식 유속계의 정확도를 검증하기 위해 기존에 판매되는 사용되는 ADCP(streamPro)를 적용하여 매설시 첫 번째 측정(9월 23일)에서 검증하였다. 다음 표 1에는 회전식 유속계와 ADCP를 이용하여 측정한 값을 비교하여 나타내었다.
실험의 결과를 바탕으로 ADCP를 현장에 적용하기 위해, 본 연구에서는 아산시에 위치한 소하천인 매곡천 중간 지점인 새터교 아래 하천바닥에 보호캡을 설치하고 ADCP를 매설하여 유속을 측정하였다. 또한, 실제 하천에 적용하여 유속계의 내구성 및 정확도를 측정하기 위해 기존의 하천유량 측정시에 사용되는 대표적인 회전식 유속계를 이용하여 이를 검증 하였다.
유속측정 방법은 하천바닥에 ADCP를 매설한 후 실시간으로 유속을 측정하고 또한 기존의 사용되는 대표적 측정방법인 회전식 유속계를 이용하여 ADCP의 유속과 동시간에 유속을 측정하여 이를 비교 분석하였다. 매설된 초음파 유속계의 내구성 및 정확도를 검증하기 위해 매주 1회씩 2개월 이상 유속을 측정하여 유속계의 정확도의 변화를 분석하였다. 이는 처음 매설시에 깨끗한 초음파 유속계의 덮개가 시간의 경과에 따른 이끼 등 이물질로 인한 오차를 발생시킬 수 있기 때문에 이로 인한 정확도에 미치는 영향을 평가하기 위해 실시하였다.
실험의 결과를 바탕으로 ADCP를 현장에 적용하기 위해, 본 연구에서는 아산시에 위치한 소하천인 매곡천 중간 지점인 새터교 아래 하천바닥에 보호캡을 설치하고 ADCP를 매설하여 유속을 측정하였다. 또한, 실제 하천에 적용하여 유속계의 내구성 및 정확도를 측정하기 위해 기존의 하천유량 측정시에 사용되는 대표적인 회전식 유속계를 이용하여 이를 검증 하였다.
본 연구에서는 ADCP의 현장적용에 앞서 수리실험을 통해 적용성 여부를 검토하였다. 실험의 목적은 크게 4가지로 ADCP의 개수로 실험 장치에서 유속측정, 폴리에틸렌 보호캡이 유속측정에 미치는 영향 정도, 유속계를 유속 방향에서 45도 회전시킨 경우 유속측정 능력, 유속계의 초음파 빔을 이용한 수위측정 정확도 실험으로 구성하였다. 실험방법은 다음순서로 진행하였다.
유속의 측정을 위해 매곡천(새터교) 아래에 유속계를 매설하고, 기존의 회전식 유속계 및 이미 개발되어 판매되고 있는 부유형 ADCP 유속계(streamPro)를 이용하여 정확한 유속을 비교 측정하였다. 새터교에 설치된 수위계의 관측 기록치상의 수위는 57 cm로 측정되었으나 하천의 하상변동(퇴적 등)으로 인해, 측정된 실제 수위는 45 cm로 측정되었다.
유속측정 방법은 하천바닥에 ADCP를 매설한 후 실시간으로 유속을 측정하고 또한 기존의 사용되는 대표적 측정방법인 회전식 유속계를 이용하여 ADCP의 유속과 동시간에 유속을 측정하여 이를 비교 분석하였다. 매설된 초음파 유속계의 내구성 및 정확도를 검증하기 위해 매주 1회씩 2개월 이상 유속을 측정하여 유속계의 정확도의 변화를 분석하였다.
ADCP는 자체적으로 기기의 방향과 유속의 방향을 내장한 나침반에 의해 파악하며 하상으로 보낸 음파를 탐지하여 기기가 이동하는 경로와 수심을 자동으로 추적하는 기능을 갖고 있다. 이에 따라 일정한 시간동안 이동한 거리와 단면적을 계산하고 음파에 의해 수집된 연직유속분포를 종합하여 유량을 계산한다. 물론 음파에 의한 하상 추적이 아닌 DGPS(Differential Global Positioning System)를 이용한 이동경로의 추적도 가능하다.
초음파 유속계의 내구성 검증을 위해, 초기 매설시 유속계 덮개와 약 8주 후 덮개의 상태를 비교해 보았다. 그림 10(a)는 초기 매설시 ADCP 보호캡의 모습이며, 그림 10(b)는 매설후 약 2개월 후의 ADCP 보호갭의 모습으로 많은 부유물 및 물이끼 등으로 인해 오염되어 있는 것을 볼 수 있다.

성능/효과

1) 개수로 실험장치에서 ADCP의 캡 설치 유무에 따른 실험에서는 캡의 설치 유무에 따른 유속의 측정결과 오차는 0.007 m/sec로 산정되어 2.1%오차가 발생하였다. 그러나 실험에 측정된 2개의 유속계의 오차는 실제 유속계 기기가 가지고 있는 고유의 기계 오차값 범위 이내로 오차가 발생하지 않는 것으로 판단해도 큰 무리 없는 것으로 판단되었다.
2) 현장 적용에서는 총 15회 측정에서 매설된 ADCP 유속 측정 값과 회전식 유속계의 오차를 살펴보면 평균오차는 10.4%로 나타났다. 따라서, 총 15회 유속 측정에서 회전식 유속계와 초음파 유소계의 오차는 측정 위치, 시간, 기계적 오차 등으로 판단되므로 거의 동일한 유속을 측정하는 것으로 가정해도 무관한 것으로 판단되었다.
1%오차가 발생하였다. 그러나 실험에 측정된 2개의 유속계의 오차는 실제 유속계 기기가 가지고 있는 고유의 기계 오차값 범위 이내로 오차가 발생하지 않는 것으로 판단해도 큰 무리 없는 것으로 판단되었다. 따라서 보호캡 유무에 따른 오차는 발생하는 않는 것으로 판단되었다.
005 m/sec의 차이를 보여 보호캡 설치 전·후에 따른 유속값의 변화는 거의 발생하지 않는 것으로 나타났다. 따라서 ADCP의 보호캡이 유속측정시 필요한 빔을 쏘는데 영향을 미치지 않는 것으로 판단되었다. 그림 5와 6은 보호캡 설치 전후에 따른 유속측정 값을 보여주고 있다.
그러나, 오염물질로 인한 유속측정의 정확도 측면에서는 앞에서 언급한 결과에서 보여 주듯이 유속측정에서서 오차가 크지 않는 것으로 판단되었다. 따라서, ADCP를 매설하여 유속을 측정하여도 시간에 따른 유속측정 오차에는 큰 문제가 없을 것으로 판단되었다. 단, 차후에 장기간에 걸쳐 검증된 유속측정자료를 이용하여 ADCP의 내구연한을 검토할 필요가 있으며, 이를 통한 유지보수계획을 수립할 필요가 있다.
4%로 나타났다. 따라서, 총 15회 유속 측정에서 회전식 유속계와 초음파 유소계의 오차는 측정 위치, 시간, 기계적 오차 등으로 판단되므로 거의 동일한 유속을 측정하는 것으로 가정해도 무관한 것으로 판단되었다. 또한 매설된 ADCP의 캡의 시간에 따른 오염 등으로 인한 유속의 오차는 크지 않으므로, ADCP를 매설하여 유속을 측정하여도 큰 문제가 없을 것으로 보여진다.
또한 ADCP의 설치시에 45º로회전 시켜 설치 후의 유속계의 변화도 없는 것으로 나타났다.
또한 개수로의 수심은 0.3 m로, ADCP로 측정된 수심 0.321 m와의 차이는 0.021 m로 나타나, 7%의 오차가 발생되었으며, 유속계의 45º 회전 설치 후 측정시에도 영향이 없는 것으로 나타났다.
새터교에 설치된 수위계의 관측 기록치상의 수위는 57 cm로 측정되었으나 하천의 하상변동(퇴적 등)으로 인해, 측정된 실제 수위는 45 cm로 측정되었다. 또한 초음파 유속계가 매설된 지점의 실제 수위는 36 cm로, 이후에 동일한 지점에서 유속 측정시에 수위계 기록치 값에서 21 cm를 빼면 측정하고자 하는 지점의 정확한 수위로 보정된다고 판단되었다. 매설된 ADCP 설치지점에 관한 대략적 단면도는 아래 그림 9와 같다.
이는 처음 매설시에 깨끗한 초음파 유속계의 덮개가 시간의 경과에 따른 이끼 등 이물질로 인한 오차를 발생시킬 수 있기 때문에 이로 인한 정확도에 미치는 영향을 평가하기 위해 실시하였다. 또한, 현재 다양한 종류의 ADCP를 매설하여 유속을 측정하는 한강 및 금강 등에서도 ADCP의 유지관리는 대략 3개월에 한번정도로 이루어지 있으며, 실제 센서의 민감도 및 전력공급 등의 다양한 문제로 인해 ADCP 설치 후 장기간 동안 방치하는 것이 아니라 약 2-3개월 혹은 홍수시에는 유지관리를 수행하고 있으므로 본 연구에 수행한 2개월 가량의 실측에 따른 내구성 검토는 적정한 것으로 판단되었다. 초음파 유속계의 설치 장소는 새터교(교량길이 44 m) 아래 위치하고 있으며 새터교에는 수위계가 설치되어 있다.
5%로 나타났다. 유속 측정에서 회전식 유속계와 초음파 유속계의 오차는 측정 위치, 시간, 기계적 오차 등으로 판단되므로, 2개의 유속계는 거의 동일한 유속을 측정하는 것으로 가정해도 무관한 것으로 판단되었다. 또한, 결과를 살펴보면 초음파 유속계의 측정값이 회전식 유속계 측정값 보다 크게 발생한 경우가 2회이며 이외 13회는 모두 회전식 유속계 보다 작은 값을 나타내었다.
총 15회의 유속 측정에서, 매설된 ADCP 유속 측정값과 회전식 및 streamPro 유속계의 오차를 살펴보면, 최대 오차가 발생한 시기는 9월 25일 15시에 측정된 값으로 0.06 m/sec의 차이를 나타내었으며, 총 15회의 유속측정시 평균 오차는 10.5%로 나타났다. 유속 측정에서 회전식 유속계와 초음파 유속계의 오차는 측정 위치, 시간, 기계적 오차 등으로 판단되므로, 2개의 유속계는 거의 동일한 유속을 측정하는 것으로 가정해도 무관한 것으로 판단되었다.
ADCP의 유속 측정의 정확도를 비교하기 위해 기존의 사용되는 Sontek사의 초음파 유속계(Flowtracker)를 이용하여 유속을 측정하였다. 측정결과 ADCP 보호캡 설치 전의 10분 평균 유속은 0.327 m/sec이며 이때 Sontek사의 유속계 유속 측정 값은 0.320 m/sec로 측정되었으며, 유속은 차는 0.007 m/sec로 산정되어 약 2.1%오차가 발생되었다. 이는 실제 2개의 유속계 기계의 기계오차로 실제로는 오차가 발생하지 않는 것으로 판단되었다.
측정결과를 살펴보면, 9월 23일 14시 20분 측정시 회전식 유속계와 기존 판매되는 ADCP(streamPro)의 결과에서, 회전식 유속계는 평균 0.10m/sec의 결과를 보였으며, streamPro 유속계는 0.13m/sec의 값을 나타내었다. 2개의 기기의 차는 0.

후속연구

3) 본 연구에서는 수심이 1m이하 및 유속이 빠르지 않는 평상시의 하천의 유속을 측정하였으므로 보다 신뢰 있는 연구를 위해서는 홍수시 유속 측정에 관한 보다 심도있는 연구가 필요한 것으로 판단된다. 또한, ADCP는 회전식유속계와 비교해 많은 장점이 있으나 기존의 회전식유속계에 비해 상당한 고가의 장비로 아직까지는 일반적으로 작은 하천의 유속을 측정하기 위해서는 구입에 어려움이 있으며, 유속을 측정하는 센서의 민감도 및 전원공급, 유지관리 등의 문제점을 포함하고 있다.
따라서, ADCP를 매설하여 유속을 측정하여도 시간에 따른 유속측정 오차에는 큰 문제가 없을 것으로 판단되었다. 단, 차후에 장기간에 걸쳐 검증된 유속측정자료를 이용하여 ADCP의 내구연한을 검토할 필요가 있으며, 이를 통한 유지보수계획을 수립할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우리나라 ADCP의 도입 시기는?	우리나라의 경우 1990년대 후반부터 ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)가 도입되기 시작하였으나 아직까지는 ADCP를 이용한 유량측정 기법과 현장 적용성 문제가 충분히 검토되지 못하고 있는 실정이다. 따라서, 본 연구의 목적은 회전식 유속계와 ADCP를 이용한 유속측정의 검증 및 적용에 관한 것이다.
	ADCP를 이용하는 목적은?	수자원의 이·치수 및 환경적 측면에서 효율적 관리를 위해서는 보다 정확한 하천 유량 자료가 필요며 홍수기, 평수기, 저수기에 각각 적합한 방법을 선택하여 유량 측정을 수행하고 있고 있다. 최근 미국을 비롯한 수문관측의 선진국에서는 인력과 비용절감 및 정확도를 향상을 위한 유량측정 방법으로 ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)를 이용한 유량측정 방법을 1980년대 말부터 도입하여 널리 활용하고 있는 추세이다(Adler와 Nicodemus, 2001; Mueller, 2002). 국내에서 사용되고 있는 통상적인 유량측정방법으로는, 일반유속계를 이용한 유속-단면적법과 봉부자를 이용한 부자측정법, 전자파를 이용한 표면 유속계법 등 다양한 유량측정 방법이 있다.
	ADCP를 이용한 유량측정 방법은 무엇이 있는가?	최근 미국을 비롯한 수문관측의 선진국에서는 인력과 비용절감 및 정확도를 향상을 위한 유량측정 방법으로 ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)를 이용한 유량측정 방법을 1980년대 말부터 도입하여 널리 활용하고 있는 추세이다(Adler와 Nicodemus, 2001; Mueller, 2002). 국내에서 사용되고 있는 통상적인 유량측정방법으로는, 일반유속계를 이용한 유속-단면적법과 봉부자를 이용한 부자측정법, 전자파를 이용한 표면 유속계법 등 다양한 유량측정 방법이 있다. 이러한 유량측정방법들 대부분이 임의 단면 유속을 측정한 후 단면적을 곱하여 산정하는 방법으로 정확한 유속측정이 유량산정의 정확도를 결정하는 중요한 변수가 되었다.

참고문헌 (12)

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원문보기 상세보기
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상세보기
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Simpson, M.R. (2001) Discharge measurement using S board band acoustic doppler current profiler. US Geological Survey Open-File Report 01-1

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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