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문제 정의
- 동시에 전자파 표면유속계로 관측한 유량과 비교·분석하여 표면영상유속계의 정확도와 활용성을 모색하였다.
제안 방법
- 전자파표면유속계는 도플러 효과(Doppler effect) 의 원리를 이용한 장비로 약 10GHz의 극초단파 신호를 수표면에 전송하여 산란되어 반사 수신된 신호를 측정하여 흐름방향의 표면유속을 산출하는 방식이다 (Lee와 Julien, 2006). 그리고 측정된 표면유속에 평균 유속 보정계수 0.85를 적용하여 평균유속을 간접 계산하고, 미리 관측된 하천단면자료를 이용하여 유량을 산출한다. 연구에 사용된 이동식 전자파표면유속 계는 흐름이 저속유동(약 0.
- 이 연구에서는 2012년 8월 29일 제 15호 태풍 볼라벤의 영향으로 제주도 한천의 제 2동산교에서 유출이 발생했을 때, 비접촉식 유속관측방식인 표면영상유속계(SIV)를 이용하여 유속을 관측하고 유량을 산출하였다. 또한, 표면유속계의 정확도를 비교하기 위해 이동식 전자파유속계와 고정식 전자파표면유속계(Kalesto)에 의한 유속과 유량의 자료를 각각 비교ㆍ검토하였다.
- 홍수 시 표면영상유속계(SIV)를 이용한 실제 하천의 표면유속 측정과정은 다음과 같다. 먼저 관측 구간에 대해 촬영이 용이한 장소를 정하고, 디지털 카메라나 캠코더를 이용하여 흐름에 대한 연속촬영을 수행한다. 획득된 디지털 영상자료를 사용된 카메라의 초당 프레임 값을 고려하여 이미지로 분할하고, 시간에 따른 각각 한 쌍의 영상을 획득한다.
- 본 연구에서는 제주도 하천의 유출특성을 고려하여 제주도 북부 중앙부에 위치한 한천의 하류부인 제2동산교에서 홍수발생시 유량관측을 위해 비접촉 유속측정 방식인 표면영상유속계를 이용하여 유량을 산정하였다. 동시에 전자파 표면유속계로 관측한 유량과 비교·분석하여 표면영상유속계의 정확도와 활용성을 모색하였다.
- 이 연구에서는 2012년 8월 29일 제 15호 태풍 볼라벤의 영향으로 제주도 한천의 제 2동산교에서 유출이 발생했을 때, 비접촉식 유속관측방식인 표면영상유속계(SIV)를 이용하여 유속을 관측하고 유량을 산출하였다. 또한, 표면유속계의 정확도를 비교하기 위해 이동식 전자파유속계와 고정식 전자파표면유속계(Kalesto)에 의한 유속과 유량의 자료를 각각 비교ㆍ검토하였다.
- 그러나 강한 풍속은 오후 내내 관측에 영향을 주었으며 영상촬영 과정에서 최대한 움직임 없이 고정된 자료를 획득하는 어려움이 있었다. 이와 같은 흔들림에 대한 영향은 획득된 영상 이미지분할 과정에서 분할된 각각 이미지 자료의 연관성을 최대한 고려하여 흔들림 영향을 가장 적게 받은 영상 파일만 추출하여 표면영상분석을 실시하였다.
- 측정시간은 2012년 8월 28일 08시 00분부터 18시00분까지 30분 간격으로 조사를 실시하였으나, 관측을 실시하는 과정에서 강한 비바람의 영향으로 관측의 위험성을 감안해 오전 시간에는 현장의 상황에 맞춰서 조사를 실시하였다. 이후 태풍의 영향권이 제주도를 벗어나고 현장의 안전성이 보장되면서, 오후 시간에는 30분 간격으로 표면영상유속계와 이동식 전자파표면유속계를 이용한 관측을 실시하였다. 그러나 강한 풍속은 오후 내내 관측에 영향을 주었으며 영상촬영 과정에서 최대한 움직임 없이 고정된 자료를 획득하는 어려움이 있었다.
- 제 15호 태풍 볼라벤은 2012년 8월 20일 미국의 괌서쪽 해상에서 발생하여 2012년 8월 28일 새벽 제주도와 남부 지방에 영향을 주었고, 중심기압 986 hPa의 강한 대형급 태풍으로 최대풍속이 65 m/s의 강한 풍속을 동반하였고, 산간지역에는 500 mm이상의 강수량을 기록하였다. 측정시간은 2012년 8월 28일 08시 00분부터 18시00분까지 30분 간격으로 조사를 실시하였으나, 관측을 실시하는 과정에서 강한 비바람의 영향으로 관측의 위험성을 감안해 오전 시간에는 현장의 상황에 맞춰서 조사를 실시하였다. 이후 태풍의 영향권이 제주도를 벗어나고 현장의 안전성이 보장되면서, 오후 시간에는 30분 간격으로 표면영상유속계와 이동식 전자파표면유속계를 이용한 관측을 실시하였다.
- 먼저 관측 구간에 대해 촬영이 용이한 장소를 정하고, 디지털 카메라나 캠코더를 이용하여 흐름에 대한 연속촬영을 수행한다. 획득된 디지털 영상자료를 사용된 카메라의 초당 프레임 값을 고려하여 이미지로 분할하고, 시간에 따른 각각 한 쌍의 영상을 획득한다.
대상 데이터
- 적용 면적 계산 시 AutoCAD를 이용하였으며, 관측 시간에 따른 수위자료와 정밀 측량된 하천 단면자료를 이용하였다. Fig. 6에서처럼 수위에 따른 적용면적 계산 시 표면영상유속계는 교량 상부에서 수직 관측 단면을 이용하였고, 이동식 전자파표면유속계와 고정식 전자파표면유속계는 관측 각도로 고려하여 관측되는 하상의 단면자료를 이용하였다.
- 2). 관측 지점은 한천 하류부에 위치한 제 2동산교이며 홍수유출시 현장조사를 실시하고 유량을 산정하였다.
- 유속계산시 표면영상유속계의 적용성과 정확도의 비교를 위해 전자파표면유속계의 관측지점과 동일한 지점에서 촬영한 수직영상자료를 이용하였다. 수직영상자료를 이용한 영상 분석방식은 본 연구의 현장조건처럼 교량이 있을 경우 효과적으로 사용할 수 있으며, 별도의 참조점을 필요하지 않는다.
- 6과 같은 측량자료를 이용하여 면적을 계산하였다. 적용 면적 계산 시 AutoCAD를 이용하였으며, 관측 시간에 따른 수위자료와 정밀 측량된 하천 단면자료를 이용하였다. Fig.
- 제주도 한천 제 2동산교에서 2012년 8월 29일 제 15호 태풍 볼라벤에 의한 유출이 발생했을 때 표면영 상유속계(SIV)를 적용하여 유속 및 유량을 산정하였다. 이때 동시 관측한 이동식 및 고정식 전자파표면유속계의 관측 결과와 비교ㆍ분석하였으며, 본 연구를
데이터처리
- 표면영상유속계(SIV)를 이용한 영상분석은 Fig. 4 (a)와 같으며, 측정된 유속산정 결과 값은 유량계산이 수월하도록 Excel을 이용하여 산정하였다(Fig. 4 (b)).
성능/효과
- 1) 유속의 상관관계를 비교한 결과 결정계수 R2(R-Squared)은 각각 0.72(표면영상유속계- 이동식 전자파유속계), 0.68(표면영상유속계-고정식 전자파유속계)로 낮은 상관관계를 나타냈다. 이와 같은 결과는 표면영상유속계의 경우 교량 하부의 수직 구간을 관측하였고, 이동식 및 고정식 전자파표면유속계는 표면영상유속계의 관측구간에 비해 6 m 상류의 단면을 관측하였기 때문에 유속관측구간의 차이에 의한 영향으로 유속 차이가 발생하였다고 판단된다.
- 2) 관측 구간에 적용되는 하천단면을 이용하여(Fig.6), 유량을 산정한 결과는 결정계수 R2이 각각 0.92(표면영상유속계-이동식 전자파유속계), 0.88(표면영상유속계-고정식 전자파유속계)로 높은 상관성을 나타났다. 관측방식이 서로 상이한 두 장비를 이용하여 유량을 산정하고 비교한 결과는 돌발성 산지하천의 특성을 갖는 제주도 하천에 대해 실제 유량에 가까운 값을 산정할 수 있는 효과적인 방법이라 판단된다.
- 3) 유출발생 시 계측기기에 따라 측정한 유속 값의 정확한 참값을 판단할 수 없지만, 제주도와 같은 산지 하천의 빠른 유속에서 접촉식 유량측정 방법의 적용이 어려울 경우 매우 효과적인 방식이라 판단된다. 향후 더 정밀한 유량산정을 위해 홍수 시 수직유속분포에 대한 연구가 필요하다고 판단되며, 다양한 유출 사상에 대해 SIV기법을 적용하여 검증하고, 동시에 다양한 유량 관측기법과 비교ㆍ검토한다면 제주도 하천 유출의 유량 측정 기술을 개발할 수 있을 것으로 기대된다.
- 92로 나타났다. 고정식 전자파표면유속계(Kalesto)와 유량을 비교한 결과는 평균제곱근 오차(RMSE) 5.95, R2=0.88로 높은 상관성을 나타내었다(Fig. 10). 결정계수 R2(R-Squared)은 비교하는 두 값의 적합성을 판단하는 측정 계수로, 보통 0과 1의 사이 값을 갖는다.
- 88(표면영상유속계-고정식 전자파유속계)로 높은 상관성을 나타났다. 관측방식이 서로 상이한 두 장비를 이용하여 유량을 산정하고 비교한 결과는 돌발성 산지하천의 특성을 갖는 제주도 하천에 대해 실제 유량에 가까운 값을 산정할 수 있는 효과적인 방법이라 판단된다.
- 둘째, 표면영상유속계를 이용하여 유속을 산정하는 과정에서 분석 자료의 획득 시 강력한 바람을 동반한 태풍(최대 풍속 65 m/s)의 영향으로 화면이 전체적으로 흔들리는 문제와 연관이 있을 수도 있다고 판단된다. 실제 하천의 흐름 상태는 일정하게 흐르고 있지만 영상을 촬영하고 획득하는 과정에서 2차원으로 저장된 화면이 상하로 흔들리는 경우, 입자군간 도심의 이동거리가 실제 흐름보다 과다하게 이동한 것으로 분석되기 때문이다.
- ). 이동식 전자파표면유속계로 유속을 측정한 결과는 시간의 흐름에 따라 큰 변동폭 없이 감소하는 경향을 보였으나, 고정식 전자파표면유속계(Kalesto)의 유속은 수위의 변동이 있는 구간에서 비교적 큰 폭으로 증가하거나 감소하는 경향을 보였다. 표면영상유속계(SIV)의 경우 두 유속계측기기에 비해 약간 높은 유속이 산정되었다.
- 첫째, 측정 위치가 표면영상유속계는 교량의 상류쪽 난간 직하류에 가깝지만, 전자파표면영상유속계는 그보다 약간 더 상류에서 측정하기 때문에, 그 영향을 받았을 수 있다. 제 2동산교의 경우 교량 직하류가 상당한 낙차를 보이는 강하곡선을 이루기 때문에 교량에 가까울수록 유속이 크게 측정되었을 가능성이 있다.
- 7에 나타내었다. 표면영상유속계(SIV)와 이동식 전자파표면유속 계의 유속을 비교한 결과 평균제곱근 오차(RMSE)는 0.33, 결정계수 R2은 0.72로 나타났으며, 고정식 전자 파표면유속계(Kalesto)는 평균제곱근 오차(RMSE)가 0.22, 결정계수 R2은 0.68로 비교되었다(Fig. 8.). 이동식 전자파표면유속계로 유속을 측정한 결과는 시간의 흐름에 따라 큰 변동폭 없이 감소하는 경향을 보였으나, 고정식 전자파표면유속계(Kalesto)의 유속은 수위의 변동이 있는 구간에서 비교적 큰 폭으로 증가하거나 감소하는 경향을 보였다.
- 9와 같다. 표면영상유속계와 이동식 전자파표면유속계의 유량을 비교한 결과는 평균제곱근 오차(RMSE)가 6.04, 결정계수 R2은 0.92로 나타났다. 고정식 전자파표면유속계(Kalesto)와 유량을 비교한 결과는 평균제곱근 오차(RMSE) 5.
후속연구
- 엘니뇨 및 라니냐와 같은 기상이변 현상은 북반구 지역의 기록적인 집중호우와 홍수를 유발시키면서 많은 수해피해와 재산피해를 입혔으며, 우리나라도 유례없는 이상기후현상이 다양하게 발생하여 많은 인명 및 재산상의 피해를 입었다. 이와 같은 기록적인 집중호우의 영향에 의한 하천범람 피해와 도시침수 피해를 막고, 수자원 확보 및 효율적인 관리를 위해서는 수자원에 대한 정밀한 관측 및 연구가 수행되어야 한다.
- 최근에는 접촉식 유속측정방법의 단점을 보완하여 표면영상유속계(SIV, Surface Image Velocimetry)와 전자파표면유속계(Electromagnetic surface current meter 또는 Doppler radar)와 같은 비접촉식으로 표면의 흐름 속도를 계산하는 방식이 많은 각광을 받고 있다(Yang 등, 2011). 이와 같은 비접촉식 유속측정방법은 제주도 하천의 흐름 특성상 기존 유속측정방법에 비해 안전하고 효과적이며 정확한 유속을 측정할 수 있을 것으로 기대된다.
- 3) 유출발생 시 계측기기에 따라 측정한 유속 값의 정확한 참값을 판단할 수 없지만, 제주도와 같은 산지 하천의 빠른 유속에서 접촉식 유량측정 방법의 적용이 어려울 경우 매우 효과적인 방식이라 판단된다. 향후 더 정밀한 유량산정을 위해 홍수 시 수직유속분포에 대한 연구가 필요하다고 판단되며, 다양한 유출 사상에 대해 SIV기법을 적용하여 검증하고, 동시에 다양한 유량 관측기법과 비교ㆍ검토한다면 제주도 하천 유출의 유량 측정 기술을 개발할 수 있을 것으로 기대된다.
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