실규모 현장 실험 기반 H-ADCP 초음파 산란도 활용 소하천용 하천 부유사 농도 측정 기법 개발 Estimation of Suspended Sediment Concentration in Small Stream with Acoustic Backscatter from Horizontal ADCP based on Real-Scale Field Experiment원문보기
부유사 농도는 유사이송해석, 하천 및 구조물의 안정성 평가 등에 있어서 매우 중요한 자료라 할 수 있다. 그러나, 국내의 경우 주로 재래식 채집방식으로 유사량을 관측하고 있어 유사량 자료가 현저히 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 수평초음파도플러유속계(H-ADCP)에서 제공하는 신호대잡음비(SNR)와 레이저부유사측정기(LISST-100X)를 활용한 실측 부유사농도와의 상관관계를 구축하여 H-ADCP를 활용하여 공간 시간적으로 정밀한 유사량을 지속적으로 추정할 수 있는 기법을 개발하고자 한다. 이를 위해 H-ADCP의 신호대잡음비 보정식을 개발하였으며, 실규모 하천에서 유사를 인위적으로 공급하며 H-ADCP와 LISST를 활용하여 신호대잡음비와 부유사농도 자료를 계측하고, 개발된 보정식이 적용된 신호대잡음비-부유사농도(SNR-SSC) 관계식을 시범적으로 구축해 보았다. 구축한 SNR-SSC 관계로부터 상관계수 0.85~0.88의 상대적으로 높은 상관도를 가진 선형회귀식을 구성할 수 있었으며, 본 연구 결과는 자동유량측정장치로 사용되고 있는 H-ADCP를 적절히 활용할 경우 실시간 유사량 관측이 가능하다는 점을 시사한다.
부유사 농도는 유사이송해석, 하천 및 구조물의 안정성 평가 등에 있어서 매우 중요한 자료라 할 수 있다. 그러나, 국내의 경우 주로 재래식 채집방식으로 유사량을 관측하고 있어 유사량 자료가 현저히 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 수평초음파도플러유속계(H-ADCP)에서 제공하는 신호대잡음비(SNR)와 레이저부유사측정기(LISST-100X)를 활용한 실측 부유사농도와의 상관관계를 구축하여 H-ADCP를 활용하여 공간 시간적으로 정밀한 유사량을 지속적으로 추정할 수 있는 기법을 개발하고자 한다. 이를 위해 H-ADCP의 신호대잡음비 보정식을 개발하였으며, 실규모 하천에서 유사를 인위적으로 공급하며 H-ADCP와 LISST를 활용하여 신호대잡음비와 부유사농도 자료를 계측하고, 개발된 보정식이 적용된 신호대잡음비-부유사농도(SNR-SSC) 관계식을 시범적으로 구축해 보았다. 구축한 SNR-SSC 관계로부터 상관계수 0.85~0.88의 상대적으로 높은 상관도를 가진 선형회귀식을 구성할 수 있었으며, 본 연구 결과는 자동유량측정장치로 사용되고 있는 H-ADCP를 적절히 활용할 경우 실시간 유사량 관측이 가능하다는 점을 시사한다.
Suspended sediment concentration (SSC) is a crucial riverine parameter in terms that it can be utilized for analyzing sediment transport, stability assessment of river and structure and so on. However, in case of domestic, sediment discharge data are not enough because of using conventional sediment...
Suspended sediment concentration (SSC) is a crucial riverine parameter in terms that it can be utilized for analyzing sediment transport, stability assessment of river and structure and so on. However, in case of domestic, sediment discharge data are not enough because of using conventional sediment samplers. This study aimed at developing a practical technique for estimating suspended sediment concentration in high spatial and temporal resolution by building relationship between acoustic backscatter (or SNR) from H-ADCP with actually observed data using LISST-100X. In this regard, a dedicated correction algorithm was proposed particularly for the adapted H-ADCP (SonTek SL-3000). Then, a SNR-SSC relation was built based upon a real-scale field experiment, where both H-ADCP and LISST-100X were concurrently operated to observe SNR and SSC, respectively. The coefficient of determination for the developed regression equation of SNR-SSC relation was around 0.85~0.88, thereby the relation could be evaluated to be highly correlated. The result of this study might be potentially applied for real-time and simultaneous observation of SSC when H-ADCP could be applied.
Suspended sediment concentration (SSC) is a crucial riverine parameter in terms that it can be utilized for analyzing sediment transport, stability assessment of river and structure and so on. However, in case of domestic, sediment discharge data are not enough because of using conventional sediment samplers. This study aimed at developing a practical technique for estimating suspended sediment concentration in high spatial and temporal resolution by building relationship between acoustic backscatter (or SNR) from H-ADCP with actually observed data using LISST-100X. In this regard, a dedicated correction algorithm was proposed particularly for the adapted H-ADCP (SonTek SL-3000). Then, a SNR-SSC relation was built based upon a real-scale field experiment, where both H-ADCP and LISST-100X were concurrently operated to observe SNR and SSC, respectively. The coefficient of determination for the developed regression equation of SNR-SSC relation was around 0.85~0.88, thereby the relation could be evaluated to be highly correlated. The result of this study might be potentially applied for real-time and simultaneous observation of SSC when H-ADCP could be applied.
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문제 정의
이에 본 연구에서는 수평초음파도플러유속계(H-ADCP) 중 중· 소하천용으로 최근에 활용되기 시작한 SonTek사의 SL-3000(SonTek, 2014)을 활용하여 공간적 및 시간적으로 정밀하고 소하천에서 적용 가능한 부유사량 지속적 관측 기법을 개발하고자 한다. 구체적으로 1) 기존 대하천에 적용된 초음파 흡수율 보정에 대한 이론을 부유사의 연직분포를 고려하고 빔의 확산을 무시할 수 있는 소하천용으로 일부 개선하고, 2) 실험적 연구를 통해 하천 단면에 공간적으로 불균등한 농도를 인위적으로 발생시켜 부유사의 공간적 분포의 산정 가능 여부를 검증하고, 3) 보정된 단면 평균 초음파 산란도와 실측된 부유사량의 관계식을 구축하여 높은 주파수와 Pulse-to-Pulse 방식으로 관측된 초음파 산란도의 부유사량 관측에의 적용 가능성을 점검하고, 4) SL-3000과 연동하여 부유사 농도의 공간분포와 실측 부유사량과의 관계 구축 기능을 제공하는 소프트웨어를 개발 하고자 한다.
본 연구는 실시간 측정이 가능한 SL-3000의 SNR값을 물과 유사에 의한 흡수량을 보정한 후 그 결과를 부유사 농도 추정의 지표로 하여 부유사량의 실시간 관측을 목적으로 한다. 이를 위해 보정된 SNR과 동일한 지점에서 실측된 부유사량과의 관계식을 구성할 필요가 있다.
(2) SL-3000을 활용하여 측정한 SNR의 결과를 보면, 측정 거리가 멀어짐에 따라 신호의 감쇠가 발생하였고, LISST-100X로 측정한 부유사 농도 값과 비교해보면 수심이 깊어질수록 부유사 농도가 높아졌으며 농도가 높아짐에 따라 유사에 의한 신호흡수가 많이 이루어져 유사 공급 지점을 통과한 이후에 신호의 감쇠가 크게 발생하는 경향이 나타났다. 본 연구에서는 이러한 흡수로 인한 신호 감쇠를 보정할 수 있는 보정식을 SL-3000에 적합하도록 개발하였다.
본 연구에서는 자연 상태의 흐름조건에서 SNR을 측정 할 수 있는 SL-3000을 이용하여 1분 간격으로 간접적으로 부유사량 자료를 취득할 수 있는 방안을 제시하고자 하였다. 본 연구에서 얻은 성과를 요약하면 다음과 같다.
이에 본 연구에서는 수평초음파도플러유속계(H-ADCP) 중 중· 소하천용으로 최근에 활용되기 시작한 SonTek사의 SL-3000(SonTek, 2014)을 활용하여 공간적 및 시간적으로 정밀하고 소하천에서 적용 가능한 부유사량 지속적 관측 기법을 개발하고자 한다.
가설 설정
또한, Eq. (4)에서 적용된 부유사 입자에 의한 신호의 흡수에 대한 보정식은 유사의 농도분포가 연직방향으로 균질하다고 가정하였다(Coates, 2006).
Rouse의 이론적 농도분포는 특정 지점의 난류의 크기가 흐름 전체에서 같은 균질난류로 보았고, 부유사 확산계수가 거리에 대해 일정하고 물의 운동량 확산계수와 비례한다고 가정한다.
Rouse의 이론적 농도분포는 특정 지점의 난류의 크기가 흐름 전체에서 같은 균질난류로 보았고, 부유사 확산계수가 거리에 대해 일정하고 물의 운동량 확산계수와 비례한다고 가정한다. 또한, 전단응력 연직분포가 하상에서 최대가 되고 수심에 대해 선형적으로 줄어드는 2차원 정상등류 가정한다(Woo et al., 2015). 본 연구가 수행된 한국건설기술연구원 하천실험센터의 완경사수로의 경우, ADV를 활용하여 측정된 전단응력이 하상에서 최대가 되고 선형으로 줄어드는 경향을 보였으나, 난류의 경우, 전체 단면에서 균질난류로 나타난다고 보기 힘들어 Rouse 분포가 정확하게 적용되고 힘들다고 볼 있다.
여기서, R은 거리(m), 10log (R)은 송신기로부터의 거리에 따른 빔퍼짐에 의한 감쇠, α는 수체와 부유사에 의한 초음파의 흡수로 인한 감쇠계수(dB), A는 이상신호로써 5 dB을 나타낸다. 본 연구에서는 퍼짐에 대한 보정은 SL-3000의 경우 중소하천에 적용되어 하천의 규모가 크지 않아 손실 값이 무시할 수 있을 만큼 작다고 가정하여 보정하지 않고 Eq. (3)과 같이 흡수에 의한 신호의 감쇠 (Attenuation)에 대한 보정만 실시하였다.
제안 방법
유사는 Fig. 8(a)과 같이 측정 단면 약 7 m 상류에 대차를 위치시켜 인위적으로 모래를 투입시켜 유사를 공급하여 낙하운동이 침강속도에 미치는 영향을 최소화하려 하였다. 투입범위는 횡단 면의 중앙부에 국한하였다.
이러한 교란을 회피하기 위해 Fig. 8(b)과 같이 LISST-100X를 SL-3000의 측정범위와 겹치지 않을 만큼의 거리 (약 3.6 m)의 하류 지점에서 부유사 농도를 측정하였다. SL-3000의 SNR 값이 1분 평균된 수치이므로 LISST-100X의 부유사 농도 값도 1분 평균된 값을 사용하여 관계식 구축 및 분석에 활용하였다.
SL-3000은 최근인 2014년에 도입된 장비로 측정 정확도에 대한 검토가 미진한 상태로 측정된 산란도인 SNR 값을 사용하기 전에 우선 유속 측정 정확도를 ADCP 유속과 상호 비교 검토하였다. ADCP 장비로는 SonTek 사의 RiverSurveyor M9를 사용하였으며 고정식으로 운영하여 시간 평균된 유속 측정값을 확보하였다. ADCP의 경우 수심 방향으로 SL-3000과 동일하게 3 MHz 측정 주파수 및 Pulse-to-Pulse Coherent 방식으로 신호처리하고 2 cm 간격으로 유속을 제공한다.
(2015)는 동일한 수로에서 River-Surveyor M9 유속 측정값를 ADV를 활용해 비교 검토하였으며 수표면 일부를 제외하고 M9이 비교적 정확한 평균 유속값을 제공한 다는 사실을 보여주었다. Fig. 6은 SL-3000과 ADCP의 측정 위치를 보여주는 데 수심 0.13, 0.33, 0.43 m에서 SL-3000이 운용되었고 ADCP는 단면의 중앙 및 좌우에서 각각 측정을 실시하였다. 그림의 (x) 표식은 은 SL-3000의 위치를 나타낸다.
, 2015) 비교 검토에서 제외하였다. RiverSurveyor M9의 측정은 횡단면의 중앙과 중앙을 기준으로 좌안으로 1 m지점, 우안으로 1 m지점에서 300초 동안 실시되었고 추후 시간 평균하였다.
본 실험에서 SL-3000은 부유사에 의한 산란도 취득을 위해 주로 활용되었으나 일반적으로는 유속측정을 주목적으로 한다. SL-3000은 최근인 2014년에 도입된 장비로 측정 정확도에 대한 검토가 미진한 상태로 측정된 산란도인 SNR 값을 사용하기 전에 우선 유속 측정 정확도를 ADCP 유속과 상호 비교 검토하였다. ADCP 장비로는 SonTek 사의 RiverSurveyor M9를 사용하였으며 고정식으로 운영하여 시간 평균된 유속 측정값을 확보하였다.
본 실험의 경우, SL-3000의 측정 시 Fig. 3(c)와 같이 장비의 위치를 능동적으로 조절할 수 있는 사다리 형태의 거치대를 별도 제작하여 측정단면의 우안에 설치한 후 필요한 수심에 고정하여 사용하였다. 이때, 광파기를 이용하여 획득한 하상자료를 바탕으로 수면으로부터 0.
실험이 진행되는 동안 수위를 지속적으로 측정하여 흐름 안정화 여부를 점검하였다. 수위는 수위표를 측정단면 전후 하안 인근에 3개의 지점에 걸쳐 설치하여 변동량을 측정함으로써 시간에 따른 흐름의 추이를 확인하였는데 실험은 수위가 안정된 직후 시행되었으며 실험 기간 내 변동이 거의 발생하지 않음을 확인하였다.
이때, 광파기를 이용하여 획득한 하상자료를 바탕으로 수면으로부터 0.13 m, 0.33 m, 0.43 m 측정 위치를 선정한 뒤, 각각의 위치에서 측정단면에 대한 유속과 SNR 자료를 1분 간격으로 측정하였다.
43 m)에 일시적인 부유사 농도 증가를 제외하면 대체적으로 일정하게 유지되고 또한 바닥으로 갈수록 부유사량의 절댓값이 증가함을 알 수 있다. 전체 측정기간을 기준으로 볼 때, 유사를 공급하기 전에는 측정시간을 2분으로 하였으며, 유사를 공급했을 때에는 측정시간을 5분으로 하였다. 유사 공급 전, 후의 수심 별 1분 평균 부유사 농도 결과 값을 정리 해놓은 Table 4를 보면, 유사를 공급하지 않았을 경우 평균 농도 값이 33~69 ppm의 범위를 나타냈으며 유사를 공급했을 경우에는 평균 농도 값이 127~361 ppm의 범위를 나타내는 것을 확인 할 수 있다.
대상 데이터
SL-3000을 이용하여 SNR을 측정하는 동시에 입경 별 실측 부유사 농도 값과 신호대잡음비 사이의 관계를 도출하고 그 경향을 분석하기 위해 Fig. 4와 같이 Sequoia 사에서 제작한 레이저부유사 측정기(LISST: Laser In-Situ Scattering and Transmissometry)를 대차에 고정시켜 측정하여 실측 부유사 농도 자료를 획득하였다. LISST는 유사 입자의 크기와 모양에 따른 레이저에서 방사된 빛의 회절양이 상이함을 이용하여 입도 분포 및 지점 부유사량을 기존 재래식 샘플러에 비해 비교적 정확하고 신속하게 측정할 수 있는 장비이다(Sequoia, 2012; Thosteson, 1998; Traykovski, 1999; Gartner, 2001; Van Wigaaarden and Roberti, 2002; Thonon, 2005).
본 연구는 Fig. 2와 같이 안동의 한국건설기술연구원 하천실험센터의 직선수로(A2)에서 수행하였다. 직선수로의 하상경사는 약 1/800이며, 저수부 폭은 3 m, 제방고가 2 m, 하안경사가 1:2, 만수위시 최대 수면폭은 11 m인 사다리꼴 단면이며, 하상은 0.
최대한 일정한 주기로 모래를 투입하였고 투입후 유사는 지그재그 형상을 보였다. 이때, SL-3000과 LISST-100X를 동시에 운용하여 유사를 공급하기 전․후 자료를 수집하였다. SL-3000은 25°로 기울어진 두 개의 빔에서 초음파가 상·하류방향으로 진행하여 유속과 SNR을 측정하게 되는데 LISST-100X 와 동시에 동일한 지점에서 시범 측정해 본 결과, LISST-100X에의해 흐름이 교란되어 SL-3000의 하류 방향 빔에서는 교란된 결과값이 나타났다.
유량은 인근 낙동강에 위치한 취수구를 통해 취수되어 공급되며 수로를 거친 후 다시 낙동강으로 유출되는 구조를 가지고 있다. 흐름의 안정화를 위해 고수조가 사용되었고 최대 공급 가능 유량은 약 10 m3/s이나, 본 실험에서는 유량 2.3 m3/s을 사용하였다. 본 실험의 흐름 조건을 요약하여 정리하면 다음 Table 1과 같다.
데이터처리
ADCP의 경우 수심 방향으로 SL-3000과 동일하게 3 MHz 측정 주파수 및 Pulse-to-Pulse Coherent 방식으로 신호처리하고 2 cm 간격으로 유속을 제공한다. ADCP의 유속 측정시간은 ISO 1088(2007)에서 제시한 측정 정확도가 높은 측정 시간이라고 제시한 300초를 기준으로 ADCP의 측정 시간으로 결정하였고(Kim et al., 2015), SL-3000은 5분 측정한 결과를 평균한 값을 사용하여 비교를 실시하였다. Kim et al.
6 m)의 하류 지점에서 부유사 농도를 측정하였다. SL-3000의 SNR 값이 1분 평균된 수치이므로 LISST-100X의 부유사 농도 값도 1분 평균된 값을 사용하여 관계식 구축 및 분석에 활용하였다. 즉 유사는 지그재그 형태로 투입되었으나 1분 동안 측정한 값을 평균하고 유사 투입이 대부분 일정한 양과 주기로 이루어졌다고 가정할 때 상호 비교가 가능할 것으로 판단된다.
, 2015). SL-3000의 SNR이 1분간 평균된 값이므로 동시간대에 측정된 LISST의 측정 농도도 동일 시간대 1분간 측정값을 평균하여 상호 비교하였다.
성능/효과
(1) SL-3000의 유속 측정 정확도를 살펴보기 위해 M9의 유속측정 결과와 비교해보면 최소 1.74%에서 최대 5.07%의 오차를 나타냈으며 평균 3.49%의 오차가 나타났다.
(2) SL-3000을 활용하여 측정한 SNR의 결과를 보면, 측정 거리가 멀어짐에 따라 신호의 감쇠가 발생하였고, LISST-100X로 측정한 부유사 농도 값과 비교해보면 수심이 깊어질수록 부유사 농도가 높아졌으며 농도가 높아짐에 따라 유사에 의한 신호흡수가 많이 이루어져 유사 공급 지점을 통과한 이후에 신호의 감쇠가 크게 발생하는 경향이 나타났다. 본 연구에서는 이러한 흡수로 인한 신호 감쇠를 보정할 수 있는 보정식을 SL-3000에 적합하도록 개발하였다.
(3) SL-3000의 SNR을 보정하는 공식을 적용한 소프트웨어를 통해 신호 손실을 보정하고 난 후 LISST-100X와 SL-3000의 관계를 분석한 결과, 상관계수 0.84~0.88로 보정된 SNR은 부유사농도와 밀접한 상관관계를 가짐을 확인할 수 있었다.
SL-3000은 25°로 기울어진 두 개의 빔에서 초음파가 상·하류방향으로 진행하여 유속과 SNR을 측정하게 되는데 LISST-100X 와 동시에 동일한 지점에서 시범 측정해 본 결과, LISST-100X에의해 흐름이 교란되어 SL-3000의 하류 방향 빔에서는 교란된 결과값이 나타났다.
13과 같다. 그 결과 2개의 송신기 모두 보정된 SNR과 실측 부유사농도는 서로 상관도가 높게 나타남을 알 수 있다. 즉, 부유사농도가 증가함에 따라 반사되는 SNR이 비례하여 증가하였음을 보여준다.
즉, 부유사농도가 증가함에 따라 반사되는 SNR이 비례하여 증가하였음을 보여준다. 그러나, 송신기 별로 구분해 볼 때, 유사 공급 전․후의 보정된 SNR 값의 범위를 보면 유사를 공급하지 않았을 때 SNR1은 270.13~280.7 dB의 범위를 나타냈으며, SNR2는 253.07~261.45dB의 범위를 나타냈다. 그리고 유사를 공급했을 때 SNR1은 304.
또한 유사 공급 전·후의 보정된 값을 수심별로 비교해보면 유사의 농도가 높지 않은 수표면 근처에서는 유사 공급 지점에서 SNR의 값이 적게 증가하는 반면 유사의 농도가 높은 하상 근처로 갈수록 유사공급 지점에서 유사 공급 전․후의 SNR 값의 차이가 커지는 경향을보임을 확인 할 수 있다. 그리고 송신기 별로 비교해 볼 때, 1번송신기의 SNR 수치가 2번 송신기의 수치보다 비교적 높게 나타남을 알 수 있다. 이러한 결과는 송신기의 기본 출력 전압의 차이에서 비롯된 것으로 판단된다.
그리고 본 실험에서는 유사 입경이 상대적으로 굵은모래의 경우에 한정된 결과로 입경이 상대적으로 작은 점토의 경우 다른 관계 패턴을 보일 수 있다. 넷째, H-ADCP의 경우 일정한 수심에서 고정되어 운용되므로 부유사의 횡방향 분포을 파악하는데는 용이하나 수직분포를 알 수 없는 단점이 있다. 즉, 수심에 따라 유사분포가 현장 조건에 따라 상이한 경우가 많으므로 SL 측정 부유사 농도를 대푯값으로 규정하는 데 무리가 있어 결과적 으로 전유사량을 산정하는 데 한계가 있다.
즉, 수심에 따라 유사분포가 현장 조건에 따라 상이한 경우가 많으므로 SL 측정 부유사 농도를 대푯값으로 규정하는 데 무리가 있어 결과적 으로 전유사량을 산정하는 데 한계가 있다. 다섯째, 부유사의 연직분 포를 고려한 감쇠계수 개선을 위해 Rouse 농도분포를 활용하였으나 유사농도 연직분포는 현장 조건에 따른 복잡성을 가지고 있어 Rouse 농도분포가 적용될 수 있는 범위는 제한될 수 있다. Rouse의 이론적 농도분포는 특정 지점의 난류의 크기가 흐름 전체에서 같은 균질난류로 보았고, 부유사 확산계수가 거리에 대해 일정하고 물의 운동량 확산계수와 비례한다고 가정한다.
또한 유사 공급 전·후의 보정된 값을 수심별로 비교해보면 유사의 농도가 높지 않은 수표면 근처에서는 유사 공급 지점에서 SNR의 값이 적게 증가하는 반면 유사의 농도가 높은 하상 근처로 갈수록 유사공급 지점에서 유사 공급 전․후의 SNR 값의 차이가 커지는 경향을보임을 확인 할 수 있다.
또한, 수심 별로 SNR 값을 분석해보면 유사의 농도가 높지 않은 수표면 근처에서는 유사 공급 지점에서 유사에 의한 흡수가 많이 이루어지지 않아 유사 공급 지점을 통과한 이후에 SNR 값의 변화가 거의 없는 반면, 유사의 농도가 높은 하상 근처로 갈수록 유사에 의한 흡수가 많이 이루어져 유사 공급 지점을 통과한 이후에 SNR 값의 감쇠가 크게 발생하는 경향을 보임을 확인 할 수 있다.
여섯째, 순환수로가 아닌 현장 실험 조건의 한계로 측정단면 7 m 상류에서의 유사의 직접공급이 자연상태의 유사 연직분포를 구현하는데 한계가 있을 수 있어 본 연구에서 제시한 유사의 연직 분포가 일부 왜곡되었을 가능성이 있다. 마지막으로, 경우에 따라 SNR-SSC 관계식이 본연구와 같이 선형관계가 아니라 비선형관계를 보일 수 있다. 비선형관계 규명을 위해 농도 구간에 따른 별도의 선형식을 도출하거나 유사 농도 분포에 영향을 주는 난류량 등 기타 수리량을 반영할 필요가 있다.
보정된 SNR 값을 서로 비교해보면 유사 공급 전, 후의 SNR2 (상류방향) 값보다 SNR1 (하류방향) 값의 범위가 전체적으로 높게 나오는 것을 확인 할 수 있으며, 선형회귀식을 도출한 결과 상관계수는 SNR1에 대한 부유사농도의 경우 0.88, SNR2에 대해서는 0.85로 전체적으로 높게 나왔다.
본 연구의 결과에 비추어 볼 때, 유속에 부가적으로 초음파 유속계로부터 제공되는 SNR 값을 적절히 보정해 사용할 경우, 실시간으로 부유사 농도를 추정할 수 있음을 알 수 있었다. 다만, SL-3000 기반 초음파를 활용한 유사량 추정 기술은 다음과 같은 추가적인 연구를 통해 개선이 필요하다고 하겠다.
비교적 높은 상관계수를 볼 때, 본 연구를 통해 제시된 SNR-SSC 관계식으로부터 실시간 부유사량 측정이 SL-3000을 활용할 경우 가능함을 알 수 있다.
실험이 진행되는 동안 수위를 지속적으로 측정하여 흐름 안정화 여부를 점검하였다. 수위는 수위표를 측정단면 전후 하안 인근에 3개의 지점에 걸쳐 설치하여 변동량을 측정함으로써 시간에 따른 흐름의 추이를 확인하였는데 실험은 수위가 안정된 직후 시행되었으며 실험 기간 내 변동이 거의 발생하지 않음을 확인하였다. Fig.
전체 측정기간을 기준으로 볼 때, 유사를 공급하기 전에는 측정시간을 2분으로 하였으며, 유사를 공급했을 때에는 측정시간을 5분으로 하였다. 유사 공급 전, 후의 수심 별 1분 평균 부유사 농도 결과 값을 정리 해놓은 Table 4를 보면, 유사를 공급하지 않았을 경우 평균 농도 값이 33~69 ppm의 범위를 나타냈으며 유사를 공급했을 경우에는 평균 농도 값이 127~361 ppm의 범위를 나타내는 것을 확인 할 수 있다. 또한 수심이 깊어질수록 부유사 농도의 값이 상대적으로 커짐을 알 수 있다.
유사 공급 전의 측정 결과(진한 검은색)를 보면 거리가 멀어짐에 따라 물 또는 부유하고 있는 유사에 의해 음파 진행방향으로 신호가 흡수되어 신호 손실이 발생하게 되고 결과적으로 SNR이 일정한 비율로 감소하는 것을 확인 할 수 있다.
유사를 공급하지 않았을 때에는 물에 의한 신호 흡수 또는 물속에 기본적으로 부유하고 있는 물질에 의한 신호 흡수에 대한 보정을 수행하였으므로 횡방향으로 신호의 흡수에 의한 손실이 보정되었으며, 유사를 공급했을 때에는 횡방향으로 유사 공급 지점 에서 일시적으로 SNR 값이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 유사 공급 전·후의 보정된 값을 수심별로 비교해보면 유사의 농도가 높지 않은 수표면 근처에서는 유사 공급 지점에서 SNR의 값이 적게 증가하는 반면 유사의 농도가 높은 하상 근처로 갈수록 유사공급 지점에서 유사 공급 전․후의 SNR 값의 차이가 커지는 경향을보임을 확인 할 수 있다.
12와 같다. 이 때, LISST는 5초 빈도로 부유사 농도를 측정하였으며 유사 공급 전에는 바닥 부근(수심 0.43 m)에 일시적인 부유사 농도 증가를 제외하면 대체적으로 일정하게 유지되고 또한 바닥으로 갈수록 부유사량의 절댓값이 증가함을 알 수 있다. 전체 측정기간을 기준으로 볼 때, 유사를 공급하기 전에는 측정시간을 2분으로 하였으며, 유사를 공급했을 때에는 측정시간을 5분으로 하였다.
SL-3000의 SNR 값이 1분 평균된 수치이므로 LISST-100X의 부유사 농도 값도 1분 평균된 값을 사용하여 관계식 구축 및 분석에 활용하였다. 즉 유사는 지그재그 형태로 투입되었으나 1분 동안 측정한 값을 평균하고 유사 투입이 대부분 일정한 양과 주기로 이루어졌다고 가정할 때 상호 비교가 가능할 것으로 판단된다.
02~2 mm인모래를 사용하였다. 최대한 일정한 주기로 모래를 투입하였고 투입후 유사는 지그재그 형상을 보였다. 이때, SL-3000과 LISST-100X를 동시에 운용하여 유사를 공급하기 전․후 자료를 수집하였다.
후속연구
33 m에서 유속차이가 상대적으로 크게 나타나 추후 보다 엄밀한 검증이 요구된다고 하겠다. 그러나, 본 연구에서는 SL-3000에서 유속 대신 SNR을 주로 활용하므로 이 정도의 오차는 허용된다고 판단된다.
이때, LISST 중 상대적으로 굵은 입경을 측정할 수 있는 장비를 사용한 검증을 고려할 수 있다. 넷째, 소하천용 SL-3000의 경우, 빔의 확산으로 인한 감쇠는 무시할 만큼 작다고 가정하고 감쇠식에서 제외시켰으나 이와 관련된 정확한 실험을 통한 검증이 필요하다고 할 수 있다.
실제 홍수기에 다량의 유사가 발생하고 빠른 유속으로 인해 유사 실측이 어렵기 때문에 이러한 관계식 구축에 많은 비용을 수반할 수 있다. 둘째, 본 연구에서는 LISST를 사용하여 SNR과 상관도가 높은 결과를 도출할 수 있었으나 LISST의 경우 고유속의 현장에서 운용이 어렵운 측면이 있다. 또한, 본 실험에서 사용된 LISST의측정범위가 입경 0.
첫째, 동일한 유사농도에서도 사질토 혹은 실트와 같이 입도분포가 상이한 경우 복수 주파수의 장비를 통해 입경에 따른 장비의 반사도에 대한 분석이 필요하다. 둘째, 부유사에 의한 초음파의 감쇠를 보정할 때 부유사의 연직분포를 Rouse 이론식이 아닌 보다 정확도 높은 식으로 대체할 필요가 있다. 셋째, SL-3000의 주파수로 측정 가능한 입경의 크기를 단일 입경의 유사를 다양하게 투입하여 측정 가능 범위를 확인할 필요가 있다.
둘째, 본 연구에서는 LISST를 사용하여 SNR과 상관도가 높은 결과를 도출할 수 있었으나 LISST의 경우 고유속의 현장에서 운용이 어렵운 측면이 있다. 또한, 본 실험에서 사용된 LISST의측정범위가 입경 0.25 mm 이내로 제한되어 있으나, 투입된 사질토 입도분포가 0.02~2 mm로 투입 사질토가 모두 부유한다고 가정하였을 경우, 일부 구간만 측정하는 한계가 있을 수 있다. 비록 굵은입자가 대부분 7 m 사전유입구간에서 강하되어 측정 단면에서는 상대적으로 작은 입경의 사질토가 부유한다고 가정할 수 있으나 현장 실험 환경에서 실제 부유하는 입도 분포를 현 실험에서는 특정하지 못한 한계가 있다.
비교 결과를 살펴보면 Table 3과 같이 SL-3000의 유속은 RiverSurebyor M9의 유속 결과와의 차이가 대부분 0.01 m/s (오차율 –5.07%) 이내로 비교적 유속을 정확하게 측정한다고 할수 있지만 좌안 부근 수심 0.33 m에서 유속차이가 상대적으로 크게 나타나 추후 보다 엄밀한 검증이 요구된다고 하겠다.
둘째, 부유사에 의한 초음파의 감쇠를 보정할 때 부유사의 연직분포를 Rouse 이론식이 아닌 보다 정확도 높은 식으로 대체할 필요가 있다. 셋째, SL-3000의 주파수로 측정 가능한 입경의 크기를 단일 입경의 유사를 다양하게 투입하여 측정 가능 범위를 확인할 필요가 있다. 이때, LISST 중 상대적으로 굵은 입경을 측정할 수 있는 장비를 사용한 검증을 고려할 수 있다.
더욱이, 일반적으로 흐름이 통제되지 않는 자연하천의 경우, 이러한 경향은 더 심할 것으로 판단된다. 여섯째, 순환수로가 아닌 현장 실험 조건의 한계로 측정단면 7 m 상류에서의 유사의 직접공급이 자연상태의 유사 연직분포를 구현하는데 한계가 있을 수 있어 본 연구에서 제시한 유사의 연직 분포가 일부 왜곡되었을 가능성이 있다. 마지막으로, 경우에 따라 SNR-SSC 관계식이 본연구와 같이 선형관계가 아니라 비선형관계를 보일 수 있다.
첫째, SNR-SSC 관계식 구축을 위해 여전히 다양한 농도에 따라 부유사농도의 실측이 필요하다.
다만, SL-3000 기반 초음파를 활용한 유사량 추정 기술은 다음과 같은 추가적인 연구를 통해 개선이 필요하다고 하겠다. 첫째, 동일한 유사농도에서도 사질토 혹은 실트와 같이 입도분포가 상이한 경우 복수 주파수의 장비를 통해 입경에 따른 장비의 반사도에 대한 분석이 필요하다. 둘째, 부유사에 의한 초음파의 감쇠를 보정할 때 부유사의 연직분포를 Rouse 이론식이 아닌 보다 정확도 높은 식으로 대체할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
초음파 기반 부유사 산정 연구의 한계점은?
, 2015). 그러나, 하천 규모가 10 m 내외인 중소규모의 1 m/s 미만의 상대적으로 저속 흐름의 하천의 경우, 1~2개의 셀만 측정 가능하여 단면 전체의 평균값만 제공되어 측정 신뢰도가 낮고, 낮은 주파수 및 신호처리방식의 제한으로 저속 흐름의 측정 정확도가 낮아, 소하천 규모의 현장에 적용되기 힘들다. 최근, 이러한 한계를 극복하기 위해, 5 m 내외의 소규모 하천에 128개의 지점에서 적용가능하고(최소 셀 크기, 4 cm), 3000 kHz로 상대적으로 높은 주파수가 적용되며, 저유속용 신호처리 방식인 Pulse-to-Pulse coherent 방식(Zedal, 2008)이 복합적으로 적용된 측정장비인 SL-3000이 등장하였다(SonTek, 2014).
초음파도플러유속계와 같은 방법으로 부유사 농도를 산정하는 방법의 원리는?
, 2015). 이러한 연구들은 일반적으로 부유사 농도가 높을 경우 방사된 초음파 중 유사에 부딪쳐 돌아오는 비율이 높아진다는 원리를 이용한다. 초음파산란도를 지표로 하는 부유사 농도(혹은 유사량)의 간접적 추정방식은 수평초음파도플러유속계(H-ADCP) 를 활용할 경우 동일 횡단면에서 유사량을 지속적으로 측정할 수 있는 장점이 있다.
초음파도플러유속계는 어떤 장비인가?
최근 해외에서는 음파의 도플러 효과를 이용하여 하천을 신속하게 횡단하면서 신속하고 효율적으로 유속과 유량을 측정할 수 있는 장비인 초음파도플러유속계(ADCP, Acoustic Doppler Current Profiler)를 활용한 유량 측정이 보편적으로 활용되고 있다(David, 2002). 또한, 초음파도플러유속계는 유속 자료와 함께 초음파산란도(Backscatter, 혹은 신호대잡음비(SNR))를 부가적으로 제공하 는데 이를 이용하여 직접 채집한 부유사 농도와의 관계식 구축을 통해 부유사 농도를 간접적으로 추정하는 방식으로 부유사 농도를 산정하는 연구가 시도되어 왔다(Thorne et al.
참고문헌 (28)
Anandalatchoumy, S. and Sivaradje, G. (2015). "Comprehensive study of acoustic channel models for underwater wireless communication networks." International Journal on Cybernetics & Informatics, Vol. 4, No. 2, pp. 227-240.
Choi, G., Lee, H., Koo, B. and Seo, J. (2007). "Compare and analysis of the sediment formula measuring a nature river." Proceeding of Korea Water Resource Association Civil Expo, pp. 1293-1296 (in Korean).
Coates, R. (2006). "The Sonar Course vs. 3.1" Seiche Ltd., pp. 214-220.
David, S. Mueller. (2002). "Use of acoustic doppler instruments for measuring discharge in streams with appreciable sediment transport." USGS Conference Paper, pp. 250-260.
Gartner, J. W. (2004). "Estimating suspended solids concentrations from backscatter intensity measured by acoustic doppler current profiler in san francisco bay, California." International Journal of Marine Geology, Geochemistry & Geophysics, Marine Geology 211(2004), pp. 169-187.
Gartner, J. W., Cheng, R. T., Wang, P.-F. and Richter, K. (2001). "Laboratory and field evaluations of the LISST-100 instrument for suspended particle size determinations." International Journal of Marine Geology, Geochemistry & Geophyscics, Marine Geology 175(2001), pp. 199-219.
Guerrero, M., Szupiany, R. and Latosinski, F. (2015). "Multi-frequency acoustics for suspended sediment studies: an application in the Parana River." Journal of Hydraulic Research, Vol. 51, No. 6, pp. 696-707.
Hoitink, A. and Hoekstra, P. (2005). "Observation of suspended sediment from ADCP and OBS measurements in a mud dominated environment." Costal Engineering, Vol. 52, No. 2, pp. 103-118.
ISO 1088 (2007). "Hydrometry-velocity-area methods using currentmeters-collection and processing of data for determination of uncertainties in flow measurement." International Organization for Standardization, ISO 1088, Geneva, Switzerland.
Jung, S. (2008). "Current and future of hydrological survey center." Magazine of Korea Water Resources Association, Vol. 41, No. 8, pp. 10-14 (in Korean).
Kim, J. M., Kim, D. S., Son, G. S. and Kim, S. J. (2015) "Accuracy analysis of velocity and water depth measurement in the straight channel using ADCP." Journal of Korea Resource Association, Vol. 48, No. 5, pp. 367-377 (in Korean).
Lee, Y., Lee, J. and Lee, J. (2008) "Current state and future direction for river sediment discharge Survey in 2008." Magazine of Korea Water Resources Association, Vol. 42, No. 12, pp. 82-89 (in Korean).
Muste, M., Kim, D., Gonzalez-Castro, K., Burkhardt, A. and Brownson, Z. (2006). "Near-transducer errors in acoustic doppler current profiler measurements." World Environmental and Water Resource Congress, pp. 10-20.
Park, M. H., Yeo, H. G. and Yoon, K. S. (2011). "Instruction of korea institute of civil engineering and building technology river experiment center." Journal of Korea Water Resource Association, Vol. 44, No. 11, pp. 58-65 (in Korean).
Robert, B. T. (1985). "Measuring suspended sediment in small mountain streams." Pacific Southwest Forest and Range Experiment Station, General Technical Report PSW-83.
Sequoia (2012). LISST-100X User's Manual Version 5.
Son, H. S., Park, J. B. and Joo, Y. H. (2013). "Intelligent range decision method for figure of merit of sonar equation." Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol. 23, No. 4, pp. 304-309.
SonTek (2014). The new SonTek-SL (3G) Doppler flow meter.
Thonon, I., Roberti, H., Middelkoop, H., van der Perk, M. and Burrough, P. (2005). "In situ measurements of sediment settling characteristics in floodplains using a LISST-ST." Earth Surf. Processes 2005, Vol. 30, No. 10, pp. 1327-1343.
Thosteson, E. D. and Hanes, D. M. (1998) "A simplified method for determining sediment size and concentration from multiple frequency acoustic backscatter measurements." Journal of the Acoustical Society of America 1988, 104 Vol. 2, No. 1, pp. 820-830.
Thorne, P. and Hardscastle, P. (1997). "Acoustic measurement of suspended sediments in turbulent currents and comparison with in-situ samples." Journal of Acoustic Society and Atmosphere, Vol. 101, No. 5, pp. 2603-2614.
Traykovski, P., Latter, R. J. and Irish, J. D. (1999) "A laboratory evaluation of the laser in situ scattering and transmissometry instrument using natural sediments." International Journal of Marine Geology, Geochemistry & Geophysics, Marine Geology 1999, Vol. 159, pp. 355-367.
Urick (1983). "Principles of underwater sound 3rd edition." Peninsula Publishing Co, pp. 16-30.
Van Wijngaarden, M. and Roberti, J. R. (2002). "In situ measurements of settling velocity and particle distribution with the LISST-ST. In: Winterwerp, J.C., Kranenburg, C. (Eds.), Fine Sediment Dynamics in the Marine Environment." Elseiver Science B.V., Amsterdam, 2002, pp. 295-311.
Wall, G., Nystrom, E. and Litten, S. (2006) "Use of an ADCP to compute suspended sediment discharge in the Tidal Hudson River, New York." USGS Scientific Investigations Report 2006-5055.
Woo, H. and Yu, K. (1990) "Test and application of the modified einstein procedure to rivers in Korea: Estimation of Total Sediment Discharge." Korea Institute of Construction Technology Research Report (in Korean).
Woo, H., Kim, W. and Ji, W. (2015). "River Hydraulics 2nd edition." Cheong Moon Gak Publishing Co. (in Korean)
Zedal, L. (2008). "Modeling pulse-to-pulse coherent doppler sonar." Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 25, pp. 1834-1844.
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