[논문]다양한 유량 측정기기와 ADCP를 이용한 유량 비교 분석

지주연; 박승용; 이광우; 박경민; 황순홍; 김동호; 이영준

doi:10.5322/jesi.2013.22.2.251

[국내논문] 다양한 유량 측정기기와 ADCP를 이용한 유량 비교 분석
Analysis and Comparison of Flow Rate Measurements Using Various Discharge Measuring Instrument and ADCP 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.22 no.2, 2013년, pp.251 - 257

지주연 (국립환경과학원 금강물환경연구소) , 박승용 (국립환경과학원 금강물환경연구소) , 이광우 (국립환경과학원 금강물환경연구소) , 박경민 (국립환경과학원 금강물환경연구소) , 황순홍 (국립환경과학원 금강물환경연구소) , 김동호 (국립환경과학원 금강물환경연구소) , 이영준 (국립환경과학원 금강물환경연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Discharge data examine the process of hydrologic cycle and used significantly in water resource planning and irrigation and flood control planning. It makes high quality discharge data, they carry out research on standard and method of discharge measurement, and equipment improvement. Now various flow meters are utilized to make discharge data in Korea. However, accuracy of equipment and exprerimental research data from measurement are not enough. ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler) have been introduced and utilized for flow measurements since the end of 1980's. ADCP flow method is a formal method for flow measurement can easily applyd to relatively large rivers gradually recognized. This equipment can measure the non-contact three-dimensional velocity and water depth data very quickly and efficiently. Also, spatial and temporal resolution of the data is more accurate than any other flow measurement methods which measure flow rate by velocity - area measurement method. In this paper, the velocity is measured using various flow meter and verified the effectiveness by applying from the ADCP in Geum-river. Various flow meters which are med for discharge measurements are VALEPORT002, FLOW TRACKER, PRICE AA and ADCP. The average of five times flow measurement result by ADCP was $10.412m^3/s$, with a standard deviation of 0.68. The repeat test by ADCP and comparison between ADCP and other flow devices to verify the most import factor, flow measurement accuracy. In the result, repeat test of the ADCP showed similar values, flow values were similar to other velocity device results and the average error is 7.7%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

한국건설기술연구원에서 ADCP를 이용한 유량측정의 적용성과 효율성을 분석하였으나 아직 자료가 충분하지 못한 것으로 판단하여, 본 연구는 금강권역내의 소하천에서 현재 사용되고 있는 유속측정 기기인 Valeport002, Flow tracker과 Price AA를 사용하여 유량을 산정하였다. 유속-면적법에 따라 산정된 유량과 ADCP 자료의 정확도 등을 비교 분석하여 다양한 유량측정 방법 적용 및 활용에 그 목적이 있다.
전통적인 방법으로는 크게 구조물에 의한 방법, 유속계 측정에 의한 유속 면적법, 부자에 의한 유속 면적법, 그리고 희석법 등으로 나뉜다. 이 연구에서는 그 중 가장 많이 사용되는 유속면적법과 ADCP를 이용하여 유량을 측정․비교해 보았다. 유량측정을 위해서 필요한 기본적인 장비로는 유속계, 스태프 및 Tagline 장비가 있다.
ADCP는 하천을 횡단하면서 단시간에 유속과 유량을 측정할 수 있는 장비이다. 본 연구에서는 ADCP를 이용한 하천 유량측정 가능성을 검증하기 위하여 두가지 실험을 수행하였다. 결과의 정확도를 위해 ADCP 반복 측정을 시행하였고, 현장 적용성 검증을 위해 현재 국내하천에서 많이 이용되고 있는 유속계 중 Flow Tracker Handheld-ADV, Price AA, Valeport BFM 002를 동일지점, 동일시기에 적용하여 유량을 측정하였다.

제안 방법

현재 국내에서는 다양한 유량측정기기를 사용하여 유량자료를 생산하고 활용하고 있으나, 측정기기별 정확도 및 실험적 측정성과에 대한 연구 자료가 미흡한 실정이다. 한국건설기술연구원에서 ADCP를 이용한 유량측정의 적용성과 효율성을 분석하였으나 아직 자료가 충분하지 못한 것으로 판단하여, 본 연구는 금강권역내의 소하천에서 현재 사용되고 있는 유속측정 기기인 Valeport002, Flow tracker과 Price AA를 사용하여 유량을 산정하였다. 유속-면적법에 따라 산정된 유량과 ADCP 자료의 정확도 등을 비교 분석하여 다양한 유량측정 방법 적용 및 활용에 그 목적이 있다.
5) 등에 있는 일반적인 유량측정방법을 준용하였다. 유량측정기준으로 국외기준은 국제표준기구(ISO), 국제기상기구(WMO), 미국지질조사국(USGS), 일본수문관측 등의 유량측정에 관한 국외 자료를 이용하고, 국내기준은 하천유량측정지침(과학기술부/국토해양부 수자원의 지속적 확보 기술개발 사업단, 2004. 10)과 유량조사사업단유량측정 과업지시서(국토해양부) 등의 국내자료에서 제시하는 등유량 5%내의 측선배분, 최소 측정시간 40초 이상, 0.2m/sec 미만 저유속일 경우 2분(120sec) 이상 등의 지침을 최대한 준수하였으며, 수계 단위유역별 측정지점의 하상 및 하천지형학적 특성에 적합하도록 구간을 구획하여 대상 지점에서의 수심과 하폭을 측정하였다.
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 시간 동안 이동한 거리와 단면적을 계산하고 음파에 의해 수집된 연직유속분포를 종합하여 유량을 계산한다.
ADCP는 하천을 횡단하면서 단시간에 유속과 유량을 측정할 수 있는 장비로서 본 연구는 하천에서 ADCP로 유속과 유량을 측정하였으며, 동일한 지점에서 측정한 유속-면적법과 자료를 비교하였다. ADCP 를 이용한 유량 측정에서 가장 중요한 일은 대상하천이 측정 접합한 곳인가를 판단하는 것이다.
삼동선에 장착을 하면 흐름에 장애를 거의 주지 않고 고유속에도 흔들림이 없이 위치를 유지할 수 있다. 정밀도 측정을 위해 반복 측정은 5회 실시하였다. 또한, ADCP의 유속자료의 검증에는 Flow Tracker Handheld-ADV, Price AA, Valeport BFM 002 등 3가지 유속계로 측정하였다.
정밀도 측정을 위해 반복 측정은 5회 실시하였다. 또한, ADCP의 유속자료의 검증에는 Flow Tracker Handheld-ADV, Price AA, Valeport BFM 002 등 3가지 유속계로 측정하였다. 모든 측정은 2시간 내에 실시되었으며 하천의 폭은 32 m이고(ADCP 실측하폭은 29 m), 최대수심은 0.
412 ㎥/s이다. 횡단면 측정은 하천의 양쪽 제방을 연결한 선을 따라 ADCP를 삼동선에 탑재한 후 운용하면서 반복적으로 측정하였고 한번 횡단에 약 5분 정도 소요되었다.
유량측정은 ADCP는 5회 측정하였고, 나머지 기기는 두 번씩 측정하였다. 평균 유량은 표2에 나와 있는 것과 같이 Valeport002 9.
본 연구에서는 ADCP를 이용한 하천 유량측정 가능성을 검증하기 위하여 두가지 실험을 수행하였다. 결과의 정확도를 위해 ADCP 반복 측정을 시행하였고, 현장 적용성 검증을 위해 현재 국내하천에서 많이 이용되고 있는 유속계 중 Flow Tracker Handheld-ADV, Price AA, Valeport BFM 002를 동일지점, 동일시기에 적용하여 유량을 측정하였다.

대상 데이터

Fig. 1은 측정지점의 유역도로 측정지점은 금본C 단위유역에 포함되어 있으며 위치는 위도 35°99'31'', 경도 127°61'79'', 전라북도 무주군 무주읍 용포리 용포1교 상류 50 m로, 하류에는 무주남대천이 합류되고, 하상재료는 자갈토와 사질토이며, 유수 흐름은 일정한 편이다.
본 연구의 대상유역인 금강은 전라북도 장수군 서사면(소백산맥)에서 발원하여 충북과 충남을 거쳐 군산항으로 흘러가는 강으로 유역면적은 10,027.5 ㎢, 유로연장은 394.79 ㎞에 해당한다. Fig.
고주파의 ADCP는 얕은 하천에서 적용되며, 저주파의 ADCP는 깊은 하천에서 적용된다. 따라서, 측정에 사용된 ADCP는 Sontek사의 3,000 kHz RiverSurveyor ADCP로 고주파이며, 이것을 삼동선에 장착하여 측정하였다. 삼동선에 장착을 하면 흐름에 장애를 거의 주지 않고 고유속에도 흔들림이 없이 위치를 유지할 수 있다.

이론/모형

또한 측정이 수행되는 방법(도섭, 케이블, 교각, 보트 이용 방법) 또는 수표면의 결빙에 따라서 추가적인 장비가 요구된다. 유량측정은 수질오염공정시험방법의 하천유량측정방법과 수문관측매뉴얼(MLTMA, 2004. 5) 등에 있는 일반적인 유량측정방법을 준용하였다. 유량측정기준으로 국외기준은 국제표준기구(ISO), 국제기상기구(WMO), 미국지질조사국(USGS), 일본수문관측 등의 유량측정에 관한 국외 자료를 이용하고, 국내기준은 하천유량측정지침(과학기술부/국토해양부 수자원의 지속적 확보 기술개발 사업단, 2004.

성능/효과

또한, ADCP의 유속자료의 검증에는 Flow Tracker Handheld-ADV, Price AA, Valeport BFM 002 등 3가지 유속계로 측정하였다. 모든 측정은 2시간 내에 실시되었으며 하천의 폭은 32 m이고(ADCP 실측하폭은 29 m), 최대수심은 0.92 m, ADCP의 평균단면유속은 0.479 m/s이며 하천 유량은 약 10.412 ㎥/s이다. 횡단면 측정은 하천의 양쪽 제방을 연결한 선을 따라 ADCP를 삼동선에 탑재한 후 운용하면서 반복적으로 측정하였고 한번 횡단에 약 5분 정도 소요되었다.
측정역의 비율은 단면 형태에 따라 크게 좌우되는데, ADCP 활용지침에 의하면 수면부근의 측정불가역의 비율이 40% 이상일 때 측정에 부적절한 단면으로 판단하는바(Kim 등, 2008), 본 조사지점은 전체 단면 중 측정역의 비율이 약 86%로 상당히 높은 것을 알 수 있다. 결과의 단면 형상을 보면 대칭적이며 수심이 얕고, 비교적 균일한 단면을 보여주므로 하상이 고른 편이라 지점 선정이 잘 되었고, 보트의 운전도 큰 오차 발생 없이 잘 진행된 것을 알 수 있다.
412㎥/sec 이다. 단면적과 평균유량은 ADCP가 조금 크게 나왔으며, ADCP의 특성상 직접적인 유속측정이 불가능한 추정역을 계산하여 유량을 산정하기 때문에 다른 기기보다 단면적이나 유량값이 조금 높게 나타난 것으로 판단되었다. 구간유량비도 8% 미만으로 측정되었고 불확실도도 비교 기기는 3%, ADCP는 1% 미만으로 값이 일정하게 측정되었다.
단면적과 평균유량은 ADCP가 조금 크게 나왔으며, ADCP의 특성상 직접적인 유속측정이 불가능한 추정역을 계산하여 유량을 산정하기 때문에 다른 기기보다 단면적이나 유량값이 조금 높게 나타난 것으로 판단되었다. 구간유량비도 8% 미만으로 측정되었고 불확실도도 비교 기기는 3%, ADCP는 1% 미만으로 값이 일정하게 측정되었다. 기기별 평균유속 차이는 2% 이내로 일정한 수준으로 측정되었다.
4는 ADCP로 5번 반복측정한 결과이다. ADCP의 평균유량은 10.412 ㎥/s이며 유량 값의 평균오차를 보면 0.68%로 오차가 거의 없는 것으로 나타나 유량 관측의 정확도가 우수한 것으로 판단되었다. 본 관측에서도 볼 수 있듯이 ADCP는 난류가 강하지 않는 경우에 매우 정확함을 확인할 수 있었다.
68%로 오차가 거의 없는 것으로 나타나 유량 관측의 정확도가 우수한 것으로 판단되었다. 본 관측에서도 볼 수 있듯이 ADCP는 난류가 강하지 않는 경우에 매우 정확함을 확인할 수 있었다.
그림에서 보듯 유량 값이 거의 유사하게 나타났다. ADCP에 의한 유량 측정결과와 유속-면적법에 의한 유량 측정결과의 정확도는 약 96%이었다. ADCP의 평균유량은 10.
ADCP에 의한 유량 측정결과와 유속-면적법에 의한 유량 측정결과의 정확도는 약 96%이었다. ADCP의 평균유량은 10.412 ㎥/s이며, Flow Tracker Handheld-ADV는 9.463 ㎥/s로 산정되어 오차가 약 8.7%, Price AA는 9.544 ㎥/s로 오차가 8%, Valeport BFM 002와는 9.871 ㎥/s로 오차가 6.5% 발생되었다. 평균 오차를 보면 7.
5% 발생되었다. 평균 오차를 보면 7.7% 정도로 기계오차를 반영하면 크게 문제되지 않을 것으로 판단되었다. 유속 측정에서 회전식 유속계와 초음파 유속계의 오차는 측정위치, 시간, 기계적 오차로 판단되어, 이 연구에 활용된 4개의 유속계는 거의 비슷한 유속 값을 측정하는 것으로 판단되었다.
7% 정도로 기계오차를 반영하면 크게 문제되지 않을 것으로 판단되었다. 유속 측정에서 회전식 유속계와 초음파 유속계의 오차는 측정위치, 시간, 기계적 오차로 판단되어, 이 연구에 활용된 4개의 유속계는 거의 비슷한 유속 값을 측정하는 것으로 판단되었다.
ADCP로 유속을 반복 측정한 결과 평균유량오차는 0.68%로 5회 측정결과의 정밀도가 매우 높았다. 실제 유속계 기기가 가지고 있는 고유의 기계 오차 값 범위이내로 오차가 발생하지 않는 것으로 판단해도 될 정도로 결과 값의 신뢰도가 높은 것은 알 수 있다.

후속연구

여기에서 V는 유속이며, N은 1초당 회전수, a,b 는 계수이다. 또한 직독식 유속계 혹은 전자기 유속계 등에 대해서도 정기적인 검정을 시행하여 유속계의 지시값과 유속과의 관계를 정기적으로 점검하여 사용하여야 한다. 하지만 전자기 유속계의 경우 검정시에 센서의 방향이 활차의 이동방향과 정확히 일치하도록 주의를 기울여야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ADCP의 장점은?	그 중 ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)를 이용한 유량측정 방법은 1980년 말부터 하천유량 측정에 도입하여 널리 활용하고 있는 추세이다(Adle과 Nicodemus, 2001; Mueller, 2002). ADCP는 비접촉식으로 3차원 유속과 수심자료를 매우 효율적으로 빠르게 측정하며 그 자료의 공간 및 시간적 해상도는 기존의 유속측정방법과 비교하여 매우 세밀하다. ADCP를 이용한 유량측정 방법은 국내에서 사용되고 있는 유량측정방법인 유속-면적법에 비해 단시간에 유사한 정확도로 측정할 수 있을 뿐만 아니라 유속-면적법이 측정하기 어려운 감조하천이나 대하천에도 비교적 쉽게 적용가능하여 평저수시 유량 측정을 위한 공식적인 방법으로 점차 인정을 받고 있다(Lee 등, 2005a; Lee 등, 2005b).
	수문관측의 선진국에서는 유량측정 방법으로 어떤 특징을 가진 방법들을 선호하는가?	최근 미국을 비롯한 수문관측의 선진국에서는 인력과 비용이 저렴하면서도 정확하게 유량을 측정하는 방법들을 선호하고 있다. 그 중 ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)를 이용한 유량측정 방법은 1980년 말부터 하천유량 측정에 도입하여 널리 활용하고 있는 추세이다(Adle과 Nicodemus, 2001; Mueller, 2002).
	ADCP를 이용한 하천 유량측정 가능성을 검증하기 위해 수행한 실험의 결과는?	ADCP로 유속을 반복 측정한 결과 평균유량오차는 0.68%로 5회 측정결과의 정밀도가 매우 높았다. 실제 유속계 기기가 가지고 있는 고유의 기계 오차 값 범위이내로 오차가 발생하지 않는 것으로 판단해도 될 정도로 결과 값의 신뢰도가 높은 것은 알 수 있다. 이는 기존의 유량측정기기로 관측하기 힘든 지점이나 홍수시 교차 분석을 해도 결과 값을 신뢰할 수 있는 근거가 될 수 있다. 또한, 다양한 유량측정기기들과 비교한 결과 유사한 측정결과가 도출되었다. 다른 기기들과 비교하여 나온 결과를 볼 때 유량이 비슷하여 바로 현장에 투입하여 측정한 결과를 이용해도 큰 문제가 없을 것으로 판단된다.

참고문헌 (18)

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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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