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문제 정의
- 본 연구에서는 ADCP의 미계측 영역의 유량 산정 정확도를 검토하기 위하여 우선 유속분포 외삽 결과의 정확도를 분석하였다. 이를 위해 각 측선별 ADCP 유속 측정 결과를 1/6 멱법칙과 대수 법칙을 적용하여 외삽을 수행한 후 ADV 측정 결과와 비교를 통해 정확도를 살펴보았다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 Table 6과 같이 최외측 측선을 변화시키면서 Eq. (2)를 이용하여 산정한 유량의 오차를 분석하였다. 또한 유량 산정 단면이 사다리꼴 형태이기 때문에 상수 e는 0.
- 27의 유량은 Eqs. (5) and (6)과 같이 ADCP의 제방 근처 미계측 영역에서 사용하고 있는 유량 산정 방법을 사용하여 유량을 산정하였다. 마지막으로 Eq.
- 4와 같이 직선수로를 횡단하는 대차에 Figs. 5 and 6과 같이 ADCP와 ADV를 고정시키고 동일한 위치에서 유속을 정확하게 측정할 수 있도록 하였다. 또한 가능한 미계측 영역의 유속을 정밀하게 측정하기 위해 Fig.
- ADCP 미계측 영역의 유량 측정 정확도를 평가하기 위해 본 연구에서는 일반적으로 실내 실험에서 측정 정확도가 높다고 알려진 MicroADV를 이용하여 측정한 유속과 이를 이용하여 산정한 유량 결과를 참값으로 사용하여 ADCP 측정 오차를 계산하였다. 이를 위해 ADCP와 ADV의 유속 측정 위치를 정확히 일치시키는 것이 무엇보다 중요하기 때문에 Fig.
- ADCP의 미계측 영역 중에서 수심이 낮아 측정이 어려운 양쪽 제방 근처 영역에 대한 ADCP 유량 측정 결과의 정확도를 분석하였다. 제방 근처 영역의 유량은 ADCP로 측정 가능한 최외측 측선의 수심평균 유속을 이용하기 때문에 최외측 측선을 어떻게 결정하는지가 제방 근처 유량 측정 정확도에 직접적으로 영향을 미친다.
- ADCP의 미계측 영역에 대한 유속분포 외삽을 위해 1/6 멱법칙과 대수 법칙을 적용하였으며 각각의 오차를 비교하여 미계측 영역의 유속분포 외삽 방법의 대안을 제시하였다.
- 또한 ADV로 측정한 유속 자료를 이용하여 산정한 유량 참값을 기준으로 1/6 멱법칙과 대수 법칙을 적용하여 산정한 ADCP의 미계측 영역의 유량에 대한 오차를 정량적으로 분석하였다. ADCP의 미계측 영역은 수심방향으로 수표면 근처 영역과 하상 근처 영역으로 나누어 오차를 분석하였으며, 횡방향으로 좌우 안의 제방 근처 영역에 대한 오차를 분석하였다.
- ADCP의 미계측 영역의 유속 및 유량 참값을 확보하기 위해 본 연구에서는 Fig. 8과 같이 208개의 측점에서 ADV를 이용한 정밀 유속 측정을 통해 미계측 영역의 유량을 산정하였다. 하지만 ADV를 이용하여 5∼10 cm 간격으로 유속을 아주 정밀하게 측정한다 하여도 Fig.
- 앞서 살펴본 고정식 ADCP의 수심방향 유속분포를 이용한 유량 산정 정확도를 평가하였다. ADCP의 유량 산정 정확도 분석은 Fig. 12에서 제시한 3구간에 대하여 실시하였으며, I구간과 III구간의 ADCP의 유속분포는 1/6 멱법칙과대수 법칙을 적용하여 외삽 한 결과를 이용하였고, II구간에 대해서는 ADCP 측정 결과를 이용하였다. 또한 0.
- 특히 ADV의 경우 센서의 끝단에서 5 cm 아래지점의 유속을 측정하는 것을 기준으로 해서 ADV 측점을 결정하였다.ADCP의 측정시간은 ISO 1088 (2007)와 Lee et al. (2014)이 측정 정확도를 신뢰할 수 있다고 제시한 300초로 결정하였으며, ADV의 측정시간은 한 지점에서 300초 동안 측정한 후 이동평균 유속이 어느 정도 수렴한다고 확인된 90초를 기준으로 하여 유속 측정을 수행하였다.
- 각 측선별로 수심방향 유속분포를 III구간을 구분하여 ADCP의 유량 측정 정확도를 살펴본 결과들을 모두 합하여 Tables 4 and 5와 같이 각 측선별 유량 측정 정확도를 살펴보았다. 그 결과 미계측 영역의 유속분포를 1/6 멱법칙으로 외삽 한 경우는 평균적으로 5.
- 그 결과 유량 공급 시작부터 약 6시간 동안은 약 ± 10 cm의 수위 변화가 확인되었으나 그 이후로 약 22시간 동안에는 수위 변화가 거의 없이 직선수로 내 흐름이 안정화 된 상태에서 실험을 진행하였다.
- 5 m 이하의 수심을 갖는 제방 근처 영역에서는 유속 측정이 어려운 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 ADCP 수심방향 유속분포를 Fig. 12와 같이 총 18개 측선에 대하여 ADV 유속 측정 결과와 1/6 멱법칙과 대수 법칙을 적용하여 획득한 ADCP의 수심방향 유속분포 결과를 비교하였다.
- 128 m/s로 대수 법칙에 비하여 정확도가 낮은 모의 결과를 나타내었다. 따라서 본 연구에서는 실제 ADV 유속 측정 결과를 잘 나타낼 수 있는 대수 법칙으로 외삽을 한 유속 결과를 이용하여 유량 참값을 계산하였다.
- ADCP의 미계측 영역에 대한 유속분포 외삽을 위해 1/6 멱법칙과 대수 법칙을 적용하였으며 각각의 오차를 비교하여 미계측 영역의 유속분포 외삽 방법의 대안을 제시하였다. 또한 ADV로 측정한 유속 자료를 이용하여 산정한 유량 참값을 기준으로 1/6 멱법칙과 대수 법칙을 적용하여 산정한 ADCP의 미계측 영역의 유량에 대한 오차를 정량적으로 분석하였다. ADCP의 미계측 영역은 수심방향으로 수표면 근처 영역과 하상 근처 영역으로 나누어 오차를 분석하였으며, 횡방향으로 좌우 안의 제방 근처 영역에 대한 오차를 분석하였다.
- 또한 가능한 미계측 영역의 유속을 정밀하게 측정하기 위해 Fig. 7과 같이 ADCP와 ADV의 측선 간격을 0.25m로 하여 총 27개 측선을 선정하였으며, 수심방향으로는 약 5∼10 cm 간격으로 유속 측정을 실시하였다.
- 본 실험은 공급 유량의 안정화를 위해 수로 최상단 위어에서부터 약 300 m 정도 하류지점에서 수행되었으며, 실험 중 정류조건이 만족되는지를 검토하기 측정단면을 기준으로 상 하류에 총 6개의 수위표를 설치하고 30분∼1시간 간격으로 수위 변화를 관찰하였다.
- 본 연구에서는 ADCP를 고정하여 유량 측정을 실시할 경우 미계측 영역의 유량 산정 정확도를 평가하기 위해 실규모 직선수로에서 ADCP를 고정시킨 상태에서 측정한 유속 자료를 1/6 멱법칙과 대수 법칙을 적용하여 외삽한 유속분포와 유량 산정 결과를 ADV를 이용하여 정밀하게 측정한 결과와 비교하였으며, 본 연구에서 얻은 결론을 요약하면 다음과 같다.
- 앞서 살펴본 고정식 ADCP의 수심방향 유속분포를 이용한 유량 산정 정확도를 평가하였다. ADCP의 유량 산정 정확도 분석은 Fig.
- ADCP의 유량 측정 정확도는 기기의 좌표 보정, 측정 횟수 및 측정 시간 등과 같이 측정 과정의 오차 요인들에 의해 영향을 받을 수 있기 때문에 사용자에 따라 유량 측정 결과의 차이가 발생할 수 있다. 이를 위해 미국 USGS의 OSW(Office of Surface Water)에서 제공하는 ADCP를 이용한 유량 측정과 자료 취급에 관한 품질 관리상의 지침에 따르면 각 단면에서 최소 4회(2회 왕복) 단면 유량 측정을 실시하고, 4회 계측 자료를 비교하여 5% 이상의 차이가 발생하는 경우에는 4회를 다시 측정하여 총 8회 측정 결과를 평균한 값을 측정 유량으로 제시하도록 하였다(Oberg et al., 2005). 이 방법은 미국뿐만 아니라 전 세계에서 널리 사용하고 있지만 엄밀하게는 측정값들 간의 차이를 줄이고자 하는 방법이기 때문에 실제 유량 측정값에 포함되어 있는 오차들은 여전히 포함할 수밖에 없다는 한계가 있다.
- 우선 각각의 미계측 영역의 유속의 외삽에 앞서 미계측 영역의 범위를 정확하게 결정하는 것이 중요할 것이다. 이를 위해 수표면 근처의 미계측 영역 중에서 잠김깊이는 수면에서부터 ADCP 센서까지의 깊이를 실제로 측정하여 결정하고, 공백거리는 잠김깊이를 기준으로 수심 아랫방향으로 약 10 cm 정도로 결정한다. 또한 하상 근처의 미계측 영역인 음파 산란에 의한 교란 깊이는 전체 수심의 대략 10%로 결정한다.
- 이에 본 연구에서는 ADCP의 미계측 영역의 유량 측정 결과의 정확도를 분석하기 위해 실규모 직선수로에서 ADCP를 고정시킨 상태에서 측정한 유속분포와 ADV(Acoustic Doppler Velocimeter)를 이용하여 정밀하게 측정한 유속분포를 비교하였다. ADCP의 미계측 영역에 대한 유속분포 외삽을 위해 1/6 멱법칙과 대수 법칙을 적용하였으며 각각의 오차를 비교하여 미계측 영역의 유속분포 외삽 방법의 대안을 제시하였다.
- 따라서 세 번째로 제방 근처 미계측 영역(near-bank zones or edge zone)의 수심이 얕은 부분에서는 앞에서 언급한 잠김 깊이, 공백거리 및 음파 산란에 의한 교란 깊이가 중첩되기 때문에 유속을 측정하지 못한다. 이와 같은 한계를 극복하기 위해 ADCP로 측정 가능한 영역의 유속 측정 자료를 기초로 외삽 작업을 거쳐 각각의 미계측 영역의 유속 및 유량을 산정한다.
- 즉, 횡단면 내에 총 208개의 유속 측정 지점을 설치하였다. 특히 ADV의 경우 센서의 끝단에서 5 cm 아래지점의 유속을 측정하는 것을 기준으로 해서 ADV 측점을 결정하였다.ADCP의 측정시간은 ISO 1088 (2007)와 Lee et al.
- 하지만 ADV를 이용하여 5∼10 cm 간격으로 유속을 아주 정밀하게 측정한다 하여도 Fig. 8과 같이 수표면과 바닥 근처의 유속은 측정이 어렵기 때문에 본 연구에서는 ADV를 이용하여 측정한 유속을 수심방향으로 외삽하여 미계측 영역의 유속 자료를 확보하여 유량을 계산하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 한국건설기술연구원 하천실험센터의 실규모 직선수로에서 실험을 수행하였다. 직선수로의 총 연장은 490 m이고, 하상경사는 약 1/800이다.
- 25m로 하여 총 27개 측선을 선정하였으며, 수심방향으로는 약 5∼10 cm 간격으로 유속 측정을 실시하였다. 즉, 횡단면 내에 총 208개의 유속 측정 지점을 설치하였다. 특히 ADV의 경우 센서의 끝단에서 5 cm 아래지점의 유속을 측정하는 것을 기준으로 해서 ADV 측점을 결정하였다.
데이터처리
- 본 연구에서는 ADCP의 미계측 영역의 유량 산정 정확도를 검토하기 위하여 우선 유속분포 외삽 결과의 정확도를 분석하였다. 이를 위해 각 측선별 ADCP 유속 측정 결과를 1/6 멱법칙과 대수 법칙을 적용하여 외삽을 수행한 후 ADV 측정 결과와 비교를 통해 정확도를 살펴보았다. ADCP의 수심방향 유속분포의 외삽 방법으로 USGS에서 제안한 1/6 멱법칙과 ADCP 측정 결과의 경향을 잘 반영할 수 있는 대수 법칙을 적용하였다.
이론/모형
- ADV로 측정한 각각의 수심방향 유속분포를 이용한 횡단면 유량 산정은 Eq. (4)와 같이 중간단면법을 사용하였다. 또한 수심이 너무 낮아서 ADV로도 측정하지 못한 좌안측 No.
- 이를 위해 각 측선별 ADCP 유속 측정 결과를 1/6 멱법칙과 대수 법칙을 적용하여 외삽을 수행한 후 ADV 측정 결과와 비교를 통해 정확도를 살펴보았다. ADCP의 수심방향 유속분포의 외삽 방법으로 USGS에서 제안한 1/6 멱법칙과 ADCP 측정 결과의 경향을 잘 반영할 수 있는 대수 법칙을 적용하였다. 우선 ADCP의 미계측 영역의 범위를 살펴보면 Fig.
- ADV를 이용한 미계측 영역의 유량 산정 결과의 정확도를 높이기 위하여 본 연구에서는 대수 법칙과 1/6 멱법칙을 이용하여 유속을 계산하였다. ADV 유속 측정 결과의 외삽을 위해 대수 법칙은 Eq.
성능/효과
- 1) ADCP를 이용하여 유량을 산정함에 있어 수표면 근처와 하상 근처에서 각각 전체 수심의 약 20% 정도와 약 0.5 m 이하의 수심을 갖는 제방 근처 영역에서 미계측 영역이 발생함을 확인하였다.
- 2) ADCP 유속분포 측정 정확도를 살펴보면 ADCP로 유속 측정이 가능한 구간에서는 대부분의 측선에서 수표면 가까이 갈수록 점점 작게 측정되었고, 하상 가까이 갈수록 유속이 크게 산정되는 경향이 나타났다. 그 결과 외삽을 통한 미계측 영역의 유속분포도 마찬가지로 수표면 부근에서는 유속을 작게 산정하였고, 하상 근처에서는 크게 산정하는 경향을 보였다.
- 3) 수표면 근처의 미계측 영역에 대한 ADCP 유량 측정 정확도를 평가한 결과 1/6 멱법칙은 평균 -5.4%오차를 나타냈으며, 대수 법칙은 평균 -2.2% 오차를 보여 두 방법 모두 유량을 작게 산정하는 것으로 나타났으며, 상대적으로 유속분포의 정확도가 높았던 대수 법칙의 유량 정확도가 좀 더 높게 나타났다. 또한 ADCP로 유속 측정이 가능한 구간의 유량 측정 정확도를 평가한 결과 평균 -1.
- 4) 최외측 측선 변화에 따른 제방 근처 미계측 영역의 유량 측정 정확도를 분석한 결과 최외측의 측선 선정시 수심이 0.6 m 이상에서 측정한 수심평균유속을 이용하게 되면 유량 측정 정확도를 높일 수 있었으며, 유량 계산에 사용하는 계수인 0.3535는 삼각형을 기준으로 제안된 값이기 때문에 제방 경사를 고려할 수 있도록 다양하게 제안할 필요가 있는 것으로 나타났다.
- ADCP 유속 측정이 가능한 II 구간을 살펴보면 모든 측선에서 ADCP 유속 측정 결과가 수표면 가까이 갈수록 점점 작게 측정되는 경향을 보였고, 대부분의 측선(No. 10, No. 11, No. 13, No. 14 및 No. 19는 제외)에서 하상 가까이 갈수록 유속이 크게 산정되는 경향을 나타냈다. 즉, ADCP로 측정한 유속을 이용하여 미계측 영역의 유속분포를 외삽함에 있어 수표면 부근에서는 유속을 작게 산정하였고, 하상 근처에서는 크게 산정하는 경향을 보였다.
- ADV를 이용한 수심방향 유속 측정 결과는 Fig. 9와 같이 대수 법칙의 경우 RMSE가 0.027 m/s로 ADV 측정 결과를 어느 정도 정확하게 외삽하는 것으로 나타났고, 1/6 멱법칙을 이용한 경우는 RMSE가 0.128 m/s로 대수 법칙에 비하여 정확도가 낮은 모의 결과를 나타내었다. 따라서 본 연구에서는 실제 ADV 유속 측정 결과를 잘 나타낼 수 있는 대수 법칙으로 외삽을 한 유속 결과를 이용하여 유량 참값을 계산하였다.
- 즉 II구간의 하단부에서 ADCP 유속 측정 결과가 조금씩 크게 측정되기 때문에 외삽 결과 역시 유속이 크게 결정되는 것이 유량산정 정확도를 높이는 원인이 되었다. 그 결과 1/6 멱법칙을 적용한 경우는 기본적으로 하상 근처의 유속분포를 형태를 고정시켰음에도 불구하고 평균적으로 약 80% 정도 유량을 크게 산정하였으며, 대수 법칙을 적용한 경우는 평균적으로 약 38% 정도 유량을 크게 산정하는 것으로 나타났다. 특히 1/6 멱법칙은 최대 124%의 오차를 보였으며, 대수 법칙은 최대 90%의 오차를 보였기 때문에 ADCP의 유량 측정 정확도를 높이기 위해서 II구간 하단부의 ADCP유속 측정 결과에 대한 필터링이 필요할 것으로 생각한다.
- 각 측선별로 수심방향 유속분포를 III구간을 구분하여 ADCP의 유량 측정 정확도를 살펴본 결과들을 모두 합하여 Tables 4 and 5와 같이 각 측선별 유량 측정 정확도를 살펴보았다. 그 결과 미계측 영역의 유속분포를 1/6 멱법칙으로 외삽 한 경우는 평균적으로 5.4%의 오차를 나타냈고, 대수 법칙으로 외삽 한 경우는 4.2%의 오차를 나타내어 고정식 ADCP 유량 측정에 있어서는 상대적으로 대수 법칙을 적용한 경우가 정확도가 높은 것으로 나타났다. 또한 전체적으로 1/6 멱법칙과 대수 법칙을 적용할 경우의 측선별 유량 측정 오차의 경향은 유사하게 나타나는 것으로 보아 ADCP의 유속 측정 가능 영역(II구간)의 유속 측정 정확도가 미계측 영역의 유량 측정 정확도에 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있었다.
- 왜냐하면 ADCP가 유속을 측정하기 위해서는 음파 송수신기가 수면 아래 잠겨 있어야 하고, ADCP는 음파의 송·수신으로 변경하는 과정에서 음파를 수신하지 못하기 때문에 유속 측정이 어렵다. 두 번째로 음파를 쏠 때 발생하는 사이드 로브(side lobe)가 하상에 반사되면서 주 음파(main lobe)의 측정 결과를 교란시키는 음파 간섭에 의한 교란 깊이(side lobe interference) 만큼은 하상 근처 미계측 영역(bottom zone)에서 유속을 측정 할 수 없다. 그 이유는 음파가 송수신기에서 발생하여 하상으로 전달될 때 음파의 환산각이 아닌 빗겨간 방향으로 일부 음파가 정상적인 음파에 비해 일찍 하상에 도달되어 강한 반사파를 발생시켜 전달되므로, 하상 부근의 유속 측정 시 노이즈가 발생하는 측면 효과가 존재하기 때문이다.
- 이와 같이 기본적으로 1/6 멱법칙을 적용할 경우는 하상 근처와 수표면 근처의 미계측 영역 내 유속분포의 오차가 큰 것을 확인하였고, ADCP 측정 결과가 정확할 경우 대수 법칙을 적용할 경우 미계측 영역의 유속분포를 정확도 높게 외삽할 수 있었다. 따라서 정확도 높은 ADCP 유속 측정 결과만을 이용하여 대수 법칙을 적용하는 것이 고정식 ADCP 유량 측정의 정확도를 높일 수 있는 방법임을 확인하였다. 특히 수표면 근처 미계측 영역의 경우 전체적으로 과소 측정되고 있기 때문에 수표면 근처의 ADCP 측정 결과에 대한 필터링이 필요할 것으로 생각된다.
- 우선 수표면 근처 영역(I구간)의 유량 산정 정확도를 살펴보면 Table 1과 같이 1/6 멱법칙과 대수 법칙 모두 유량을 작게 산정하는 것으로 나타났으며, 상대적으로 유속분포의 정확도가 높았던 대수 법칙의 유량 정확도가 좀 더 높게 나타났다. 또한 1/6 멱법칙의 경우 최대 -10.8%의 오차를 보인 반면 대수 법칙의 경우는 최대 -6.2%의 오차를 보여 대수 법칙이 전반적으로 오차가 작은 것으로 나타났다. 한편 ADCP로 유속 측정이 가능한 II구간의 유량 정확도를 살펴보면 Table 2와 같이 평균 -1.
- 2% 오차를 보여 두 방법 모두 유량을 작게 산정하는 것으로 나타났으며, 상대적으로 유속분포의 정확도가 높았던 대수 법칙의 유량 정확도가 좀 더 높게 나타났다. 또한 ADCP로 유속 측정이 가능한 구간의 유량 측정 정확도를 평가한 결과 평균 -1.6%의 오차를 나타내어 매우 정확하게 유량을 측정함을 확인하였다. 하지만 센서 근처에서의 울림현상(ringing)으로 인한 영향으로 수표면 근처의 유속분포가 감소하는 경향이 나타남으로 인해 유량이 작게 산정되는 것은 향후 개선이 필요할 것으로 판단된다.
- 외삽 방법에 있어서는 전체적으로 대수 법칙을 적용한 경우가 1/6 멱법칙을 적용한 경우보다 정확도가 높은 것으로 나타났다. 또한 ADV로 측정한 총 유량은 2.09 m3/s이었고, 1/6 멱법칙으로 산정한 ADCP유량은 2.22 m3/s로 약 6.0% 오차를 나타냈고, 대수 법칙으로 산정한 ADCP 유량은 2.16 m3/s로 약 3.2%오차를 나타내어 대수 법칙으로 외삽한 유량 산정 결과가 상대적으로 좀 더 정확한 것으로 나타났다.
- 한편 1/6 멱법칙을 적용할 경우 하상 근처 영역(III 구간)에서는 유속을 과다 산정하고, 수표면 근처 영역(I구간)에서는 유속을 과소 산정하는 것으로 나타났다. 또한 대수법칙을 적용할 경우는 전체적으로 1/6 멱법칙을 적용한 경우보다 정확도가 높은 것으로 나타났다. 특히 No.
- 7을 최외측 측선으로 결정할 경우 약 4%의 오차를 나타내어 신뢰할 수 있는 정확도를 보였다. 또한 우안측에서도 마찬가지로 No. 22의 유속분포 정확도가 낮게 나타났기 때문에 유량 산정 오차 역시 크게 나타났고, No. 21의 경우도 16.4%의 오차를 보여 유속분포 정확도에 비해 유량 산정 오차가 다소 크게 나타는 것을 확인하였다. 이는 좌안측의 제방 경사보다 우안측 제방경사가 조금 급하여 삼각형으로 가정한 제방 근처의 통수 단면적이 다소 크게 적용되었기 때문이다.
- 2%의 오차를 나타내어 고정식 ADCP 유량 측정에 있어서는 상대적으로 대수 법칙을 적용한 경우가 정확도가 높은 것으로 나타났다. 또한 전체적으로 1/6 멱법칙과 대수 법칙을 적용할 경우의 측선별 유량 측정 오차의 경향은 유사하게 나타나는 것으로 보아 ADCP의 유속 측정 가능 영역(II구간)의 유속 측정 정확도가 미계측 영역의 유량 측정 정확도에 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 ADCP의 유량 측정 정확도를 높이기 위해서는 II구간의 유속 측정결과에서 상단부의 유속감소 현상과 하단부의 유속증가 현상을 고려한 필터링 방법에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 생각한다.
- 마지막으로 하상 근처 영역(III구간)의 유량 산정 정확도를 살펴보면 Table 3과 같이 앞선 I구간과 II구간의 유량 산정 오차들과 비교하여 매우 오차가 크게 나타남을 확인하였다.
- 하지만 센서 근처에서의 울림현상(ringing)으로 인한 영향으로 수표면 근처의 유속분포가 감소하는 경향이 나타남으로 인해 유량이 작게 산정되는 것은 향후 개선이 필요할 것으로 판단된다. 마지막으로 하상 근처의 미계측 영역에 대한 유량 측정 정확도를 평가한 결과 1/6 멱법칙을 적용한 경우는 기본적으로 하상 근처의 유속분포를 형태를 고정시켰음에도 불구하고 평균적으로 약 80% 정도 유량을 크게 산정하였으며, 대수 법칙을 적용한 경우는 평균적으로 약 38% 정도 유량을 크게 산정하는 것으로 나타났다. 그 이유는 ADCP의 최하단 유속 측정 결과가 다소 크게 측정되었기 때문이다.
- 본 연구를 통해 ADCP의 미계측 영역의 유량 산정에 있어 ADCP로 측정한 유속 측정 결과의 정확도가 직접적으로 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 향후 ADCP 유속 측정 결과에 대한 다양한 필터링 기법의 적용을 통해 미계측 영역의 유량 정확도를 개선하기 위한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 생각한다.
- ADCP의 수심방향 유속분포의 외삽 방법으로 USGS에서 제안한 1/6 멱법칙과 ADCP 측정 결과의 경향을 잘 반영할 수 있는 대수 법칙을 적용하였다. 우선 ADCP의 미계측 영역의 범위를 살펴보면 Fig. 10과 같이 ADV 유속 측정 결과(Fig. 9)와 비교하여 수표면과 하상 근처 영역 및 제방 근처에서 미계측 영역이 좀 더 커진 것을 확인할 수 있다. 좀 더 구체적으로 Fig.
- 우선 수표면 근처 영역(I구간)의 유량 산정 정확도를 살펴보면 Table 1과 같이 1/6 멱법칙과 대수 법칙 모두 유량을 작게 산정하는 것으로 나타났으며, 상대적으로 유속분포의 정확도가 높았던 대수 법칙의 유량 정확도가 좀 더 높게 나타났다. 또한 1/6 멱법칙의 경우 최대 -10.
- 19와 같이 하상 근처의 유속이 정확하게 측정된 측선의 경우에는 대수 법칙을 적용하면 정확도 높은 수심방향 유속분포를 얻을 수 있음을 확인하였다. 이와 같이 기본적으로 1/6 멱법칙을 적용할 경우는 하상 근처와 수표면 근처의 미계측 영역 내 유속분포의 오차가 큰 것을 확인하였고, ADCP 측정 결과가 정확할 경우 대수 법칙을 적용할 경우 미계측 영역의 유속분포를 정확도 높게 외삽할 수 있었다. 따라서 정확도 높은 ADCP 유속 측정 결과만을 이용하여 대수 법칙을 적용하는 것이 고정식 ADCP 유량 측정의 정확도를 높일 수 있는 방법임을 확인하였다.
- 이는 좌안측의 제방 경사보다 우안측 제방경사가 조금 급하여 삼각형으로 가정한 제방 근처의 통수 단면적이 다소 크게 적용되었기 때문이다. 이와 같이 제방 근처 미계측 영역의 경우 최외측의 측선 선정 시 수심이 0.6 m 이상 확보 여부를 확인하는 것이 중요하고, 유량계산에 사용하는 계수인 0.3535는 삼각형을 기준으로 제안된 값이기 때문에 제방 경사를 고려할 수 있도록 다양하게 제안할 필요가 있는 것으로 나타났다.
- 9)와 비교하여 수표면과 하상 근처 영역 및 제방 근처에서 미계측 영역이 좀 더 커진 것을 확인할 수 있다. 좀 더 구체적으로 Fig. 11과 같이 수표면 근처(I구간)와 하상 근처(III구간)에서 각각 전체 수심의 약 20%정도는 ADCP로 유속 측정이 어려운 것으로 나타났고, Fig. 10과 같이 약 0.5 m 이하의 수심을 갖는 제방 근처 영역에서는 유속 측정이 어려운 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 ADCP 수심방향 유속분포를 Fig.
- 19는 제외)에서 하상 가까이 갈수록 유속이 크게 산정되는 경향을 나타냈다. 즉, ADCP로 측정한 유속을 이용하여 미계측 영역의 유속분포를 외삽함에 있어 수표면 부근에서는 유속을 작게 산정하였고, 하상 근처에서는 크게 산정하는 경향을 보였다.
- 1과 같이 하천의 횡단면을 기준으로 크게 세 부분의 미계측 영역이 존재한다. 첫 번째로 ADCP의 잠김 깊이(submerged depth)와 음파의 공백거리(blanking distance)를 포함한 수표면 근처 미계측 영역(top zone)에서는 유속을 측정할 수 없다. 왜냐하면 ADCP가 유속을 측정하기 위해서는 음파 송수신기가 수면 아래 잠겨 있어야 하고, ADCP는 음파의 송·수신으로 변경하는 과정에서 음파를 수신하지 못하기 때문에 유속 측정이 어렵다.
- 최외측 측선 변화에 따른 제방 근처 유량의 정확도를 분석한 결과 Table 6과 같이 좌안측 미계측 영역의 경우는 앞서 살펴본 바와 같이 No. 5와 No. 6의 유속분포 측정 결과의 정확도가 낮기 때문에 유량 산정 오차가 매우 크게 나타났으며 No. 7을 최외측 측선으로 결정할 경우 약 4%의 오차를 나타내어 신뢰할 수 있는 정확도를 보였다. 또한 우안측에서도 마찬가지로 No.
- 그 결과 1/6 멱법칙을 적용한 경우는 기본적으로 하상 근처의 유속분포를 형태를 고정시켰음에도 불구하고 평균적으로 약 80% 정도 유량을 크게 산정하였으며, 대수 법칙을 적용한 경우는 평균적으로 약 38% 정도 유량을 크게 산정하는 것으로 나타났다. 특히 1/6 멱법칙은 최대 124%의 오차를 보였으며, 대수 법칙은 최대 90%의 오차를 보였기 때문에 ADCP의 유량 측정 정확도를 높이기 위해서 II구간 하단부의 ADCP유속 측정 결과에 대한 필터링이 필요할 것으로 생각한다.
- 또한 대수법칙을 적용할 경우는 전체적으로 1/6 멱법칙을 적용한 경우보다 정확도가 높은 것으로 나타났다. 특히 No. 10, No. 11, No. 13, No. 14 및 No. 19와 같이 하상 근처의 유속이 정확하게 측정된 측선의 경우에는 대수 법칙을 적용하면 정확도 높은 수심방향 유속분포를 얻을 수 있음을 확인하였다. 이와 같이 기본적으로 1/6 멱법칙을 적용할 경우는 하상 근처와 수표면 근처의 미계측 영역 내 유속분포의 오차가 큰 것을 확인하였고, ADCP 측정 결과가 정확할 경우 대수 법칙을 적용할 경우 미계측 영역의 유속분포를 정확도 높게 외삽할 수 있었다.
- 2%의 오차를 보여 대수 법칙이 전반적으로 오차가 작은 것으로 나타났다. 한편 ADCP로 유속 측정이 가능한 II구간의 유량 정확도를 살펴보면 Table 2와 같이 평균 -1.6%의 오차를 나타내어 매우 정확한 것으로 나타났다. 또한 측선별로 유량 오차의 범위는 -6.
- 한편 전체 수심이 0.6 m 이하인 최외측 측선(No. 5, No. 6 및 No. 22)의 경우는 ADCP 유속 측정 결과의 정확도가 많이 떨어져 외삽을 수행한 결과 역시 측정 정확도가 낮은 것으로 나타났다. 이는 제방 근처 미계측 영역의 유량산정 정확도에 직접적으로 영향을 미칠 수 있기 때문에 정확도 개선을 위해 ADCP 측정 최소 수심을 0.
후속연구
- 그 이유는 ADCP의 최하단 유속 측정 결과가 다소 크게 측정되었기 때문이다. ADCP의 유량 측정 정확도를 높이기 위해서는 ADCP 유속 측정 결과에서 상단부의 유속감소 현상과 하단부의 유속증가 현상을 고려한 필터링 방법에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 생각한다.
- 또한 전체적으로 1/6 멱법칙과 대수 법칙을 적용할 경우의 측선별 유량 측정 오차의 경향은 유사하게 나타나는 것으로 보아 ADCP의 유속 측정 가능 영역(II구간)의 유속 측정 정확도가 미계측 영역의 유량 측정 정확도에 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 ADCP의 유량 측정 정확도를 높이기 위해서는 II구간의 유속 측정결과에서 상단부의 유속감소 현상과 하단부의 유속증가 현상을 고려한 필터링 방법에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 생각한다.
- 본 연구를 통해 ADCP의 미계측 영역의 유량 산정에 있어 ADCP로 측정한 유속 측정 결과의 정확도가 직접적으로 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 향후 ADCP 유속 측정 결과에 대한 다양한 필터링 기법의 적용을 통해 미계측 영역의 유량 정확도를 개선하기 위한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 생각한다. 또한 본 연구에서는 고정식 ADCP 유량 측정에 대한 정확도를 분석하였지만 실제 하천에서는 보트를 이용하여 측정하는 경우가 대부분이기 때문에 ADCP를 보트에 부착한 상태로 측정한 유속자료들을 이용하여 미계측 영역의 유량 산정 정확도를 평가하기 위한 연구도 필요할 것으로 생각한다.
- 따라서 향후 ADCP 유속 측정 결과에 대한 다양한 필터링 기법의 적용을 통해 미계측 영역의 유량 정확도를 개선하기 위한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 생각한다. 또한 본 연구에서는 고정식 ADCP 유량 측정에 대한 정확도를 분석하였지만 실제 하천에서는 보트를 이용하여 측정하는 경우가 대부분이기 때문에 ADCP를 보트에 부착한 상태로 측정한 유속자료들을 이용하여 미계측 영역의 유량 산정 정확도를 평가하기 위한 연구도 필요할 것으로 생각한다.
- 따라서 정확도 높은 ADCP 유속 측정 결과만을 이용하여 대수 법칙을 적용하는 것이 고정식 ADCP 유량 측정의 정확도를 높일 수 있는 방법임을 확인하였다. 특히 수표면 근처 미계측 영역의 경우 전체적으로 과소 측정되고 있기 때문에 수표면 근처의 ADCP 측정 결과에 대한 필터링이 필요할 것으로 생각된다.
- 6%로 신뢰할 수 있는 유량 측정 정확도를 보인다고 생각된다. 하지만 II구간에서는 Muste et al. (2010)의 연구에서와 마찬가지로 센서 근처에서의 울림현상(ringing)과 신호의 비상관성 등으로 인한 영향으로 수표면 근처의 유속분포가 감소하는 경향을 나타내어 유량이 작게 산정하기 때문에 향후 이에 대한 개선이 필요할 것으로 판단된다. 특히 II구간의 유속 감소 현상은 측정 구간의 유속이 빠를수록 더 크게 영향을 받는다고 하였기 때문에 홍수 시 ADCP를 이용한 유량 측정 시 이에 대한 보정이 필요할 것으로 생각한다.
- 6%의 오차를 나타내어 매우 정확하게 유량을 측정함을 확인하였다. 하지만 센서 근처에서의 울림현상(ringing)으로 인한 영향으로 수표면 근처의 유속분포가 감소하는 경향이 나타남으로 인해 유량이 작게 산정되는 것은 향후 개선이 필요할 것으로 판단된다. 마지막으로 하상 근처의 미계측 영역에 대한 유량 측정 정확도를 평가한 결과 1/6 멱법칙을 적용한 경우는 기본적으로 하상 근처의 유속분포를 형태를 고정시켰음에도 불구하고 평균적으로 약 80% 정도 유량을 크게 산정하였으며, 대수 법칙을 적용한 경우는 평균적으로 약 38% 정도 유량을 크게 산정하는 것으로 나타났다.
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