최근 기후변화로 인한 집중호우, 태풍 등의 영향으로 산사태가 빈번히 발생하고 있다. 산사태를 예방할 수 있는 효율적인 방법은 사방사업이다. 이러한 사방사업의 효율성을 높이기 위해서는 산지에서 유출되는 토사량에 대한 정량적 측정이 필요하다. 본 연구에서는 산지계류에 Load-cell 센서를 설치하고, 분동테스트를 통하여 계류에서의 적용성과 재하 형태에 따른 출력값을 비교하였다. 개별 및 복합 하중시험을 실시한 결과, Site 1에서 평균 0.4kgf, Site 2에서 평균 0.6kgf 차이로 재하 형태의 영향은 낮게 나타났다. 또한 측정값의 정확도를 높이기 위해 하중계수를 산정하였다. 하중계수를 Load-cell 측정 값에 적용하여 보정한 결과, 두 사이트에서 출력율이 각각 14.8%p, 24.6%p 상승하여 기준값에 근사하게 산정되었다. Load-cell 센서는 수위, 강우 등과 함께 시계열 분석을 통하여 산지 토사유출량을 정량적으로 산정할 수 있었다. 모니터링이 장기간 이루어진다면 산림유역에 대한 토사유출 매커니즘 구명에도 활용할 수 있을 것이다. 또한 Load-cell과 같은 센서를 산지 계곡에 적용함으로써 계측센서 등 관련분야 산업 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
최근 기후변화로 인한 집중호우, 태풍 등의 영향으로 산사태가 빈번히 발생하고 있다. 산사태를 예방할 수 있는 효율적인 방법은 사방사업이다. 이러한 사방사업의 효율성을 높이기 위해서는 산지에서 유출되는 토사량에 대한 정량적 측정이 필요하다. 본 연구에서는 산지계류에 Load-cell 센서를 설치하고, 분동테스트를 통하여 계류에서의 적용성과 재하 형태에 따른 출력값을 비교하였다. 개별 및 복합 하중시험을 실시한 결과, Site 1에서 평균 0.4kgf, Site 2에서 평균 0.6kgf 차이로 재하 형태의 영향은 낮게 나타났다. 또한 측정값의 정확도를 높이기 위해 하중계수를 산정하였다. 하중계수를 Load-cell 측정 값에 적용하여 보정한 결과, 두 사이트에서 출력율이 각각 14.8%p, 24.6%p 상승하여 기준값에 근사하게 산정되었다. Load-cell 센서는 수위, 강우 등과 함께 시계열 분석을 통하여 산지 토사유출량을 정량적으로 산정할 수 있었다. 모니터링이 장기간 이루어진다면 산림유역에 대한 토사유출 매커니즘 구명에도 활용할 수 있을 것이다. 또한 Load-cell과 같은 센서를 산지 계곡에 적용함으로써 계측센서 등 관련분야 산업 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
Landslides occur frequently due to the effects of heavy rainfall and typhoons caused by climate change. Erosion control measures are needed to effectively prevent landslide damage. In order to improve their efficiency, it is necessary to quantitatively measure the sediment discharge from the mountai...
Landslides occur frequently due to the effects of heavy rainfall and typhoons caused by climate change. Erosion control measures are needed to effectively prevent landslide damage. In order to improve their efficiency, it is necessary to quantitatively measure the sediment discharge from the mountain stream. In this study, a load cell sensor was installed in a mountain stream and the measured values were compared according to the applicability and load test type in the mountain stream. The result of the load test showed that the effect of the loading type (load test 1, 2) was low at average (loadings) of 0.4kgf and 0.6kgf at sites 1 and 2, respectively. The load factor was also derived by regression analysis to increase the accuracy of the measured values. According to the results of the load factor (normalized) to the load-cell measurement value, the output value increased by 14.8% and 24.6% in sites 1 and 2, respectively, and was calculated to be similar to the reference value. The load cell sensor enabled us to quantitatively estimate the amount of sediment discharge in the mountain stream through time series analysis with the water level and rainfall information. If the monitoring is carried out for a long time, it can be used to find the sediment discharge mechanism for the mountain stream. In addition, applying sensors such as load-cells to a mountain stream is expected to contribute to the development of related industries, such as the manufacturing of measurement sensors.
Landslides occur frequently due to the effects of heavy rainfall and typhoons caused by climate change. Erosion control measures are needed to effectively prevent landslide damage. In order to improve their efficiency, it is necessary to quantitatively measure the sediment discharge from the mountain stream. In this study, a load cell sensor was installed in a mountain stream and the measured values were compared according to the applicability and load test type in the mountain stream. The result of the load test showed that the effect of the loading type (load test 1, 2) was low at average (loadings) of 0.4kgf and 0.6kgf at sites 1 and 2, respectively. The load factor was also derived by regression analysis to increase the accuracy of the measured values. According to the results of the load factor (normalized) to the load-cell measurement value, the output value increased by 14.8% and 24.6% in sites 1 and 2, respectively, and was calculated to be similar to the reference value. The load cell sensor enabled us to quantitatively estimate the amount of sediment discharge in the mountain stream through time series analysis with the water level and rainfall information. If the monitoring is carried out for a long time, it can be used to find the sediment discharge mechanism for the mountain stream. In addition, applying sensors such as load-cells to a mountain stream is expected to contribute to the development of related industries, such as the manufacturing of measurement sensors.
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문제 정의
연구에 활용한 분동은 하중이 높을수록 부피가 커지기 때문에 실제하중과의 오차가 더 커지는 것으로 판단하였다. 따라서 본 연구에서는 오차율을 줄이기 위하여 Load-cell 계측값을 보정하여 실제하중과 유사한 결과를 도출할 수 있는 하중계수를 각각 산정하였다. 하중계수를 이용한 보정값 적용결과, 두 사이트에서 출력율이 각각 14.
본 연구에서는 현장에 설치된 Load-cell의 표준 분동(分銅, weights) 테스트를 실시하여 하중 계수를 산정하고, Load-cell을 이용한 정량적인 토사유출량을 산정하였다. 또한, Load-cell과 같은 측정 장치를 산지 계곡에 설치하여 산지 토사유출량을 모니터링 함으로써 관련 산업분야의 확대에도 기여하고자 하였다.
본 연구에서는 건축물 및 교각 등 구조물 하중계측에 일반적으로 많이 사용되고 있는 Load-cell을 산지 계곡에 설치하여 하류로 유출되는 토사량 측정에 대한 적용성 검토를 하였다.
제안 방법
Load test 1은 반복 시험으로 매번 분동의 위치가 변동되는 점을 고려해서 각 하중(1kg, 5kg, 10kg, 20kg, 40kg)별로 5회 반복 시험하였다. Load test 2는 반복 시험을 하더라도 분동의 위치가 변동되지 않으므로 각 하중(1kg, 5kg, 10kg, 15kg, 20kg, 25kg, 30kg, 35kg, 40kg, 50kg)별로 3회 반복 시험하였다.
Load test 1은 반복 시험으로 매번 분동의 위치가 변동되는 점을 고려해서 각 하중(1kg, 5kg, 10kg, 20kg, 40kg)별로 5회 반복 시험하였다. Load test 2는 반복 시험을 하더라도 분동의 위치가 변동되지 않으므로 각 하중(1kg, 5kg, 10kg, 15kg, 20kg, 25kg, 30kg, 35kg, 40kg, 50kg)별로 3회 반복 시험하였다.
Load-cell에 계측되는 값의 오차율을 줄이기 위하여 하중계수를 산정하고, 출력 값을 보정하였다. 하중계수산정에는 다양한 하중으로 시험한 Load test 2의 결과를 이용해 Site 1, 2에 대한 각각의 하중계수를 산정하였다.
Load-cell이 설치된 현장의 우량계와 수위계 센서를 함께 활용하여 산지 계곡에서 토사유출량 산정 활용성을 검토하였다. Site 1, 2 모두 반응성이 잘 나타났으며, 특히 강우 이벤트(2016.
본 연구에서 산정한 하중계수를 이용하여 3일간 Load-cell에 반응한 토사량을 추정하였다. Site 1에서는 9월 17일 06시부터 반응이 시작하여 총 24.
3과 같이 물과 함께 샘플러에 있기 때문에 계측값 분석에는 이를 고려해야 한다. 본 연구에서는 강우 이벤트 발생전의 로드셀 출력값을 기준으로 강우 발생후의 로드셀 출력값과의 차이를 통하여 강우로 인한 계측값으로 고려하였다. 또한, 분석에 이용된 강우는 Site 1, 2의 거리가 약 6.
Load-cell의 출력 값은 토사유출 모니터링 시스템의 Data Logger에 기본적으로 저장되지만, 무선통신(CDMA)을 이용하여 Web site에서도 모니터링 할 수 있다. 본 연구에서는 하중시험을 진행할 당시 프로그램에 연결하여 출력되는 값을 이용하였다.
본 연구에서는 현장에 설치된 Load-cell의 표준 분동(分銅, weights) 테스트를 실시하여 하중 계수를 산정하고, Load-cell을 이용한 정량적인 토사유출량을 산정하였다. 또한, Load-cell과 같은 측정 장치를 산지 계곡에 설치하여 산지 토사유출량을 모니터링 함으로써 관련 산업분야의 확대에도 기여하고자 하였다.
하중계수산정에는 다양한 하중으로 시험한 Load test 2의 결과를 이용해 Site 1, 2에 대한 각각의 하중계수를 산정하였다. 분동을 올려놓았을 때 Load-cell의 계측 값(독립변수, X)과 실제 하중(종속변수, Y)간의 선형관계를 분석하고, 아래와 같은 회귀식을 각각 유도하였다(Fig.8).
토사유출 모니터링 시스템의 우량계와 수위계 센서를 활용하여 강우에 의한 계곡의 수위변화와 Load-cell의 반응성을 분석하였다. Site 1, 2에서 특정 강우 이벤트(2016.
6). 토사의 퇴적형태 즉, 흙이 특정 방향으로 모이는 것에 따라 Load-cell의 출력 값이 달라지는지 여부를 확인하기 위해서 두 가지 하중시험으로 구분하였다.
Load-cell에 계측되는 값의 오차율을 줄이기 위하여 하중계수를 산정하고, 출력 값을 보정하였다. 하중계수산정에는 다양한 하중으로 시험한 Load test 2의 결과를 이용해 Site 1, 2에 대한 각각의 하중계수를 산정하였다. 분동을 올려놓았을 때 Load-cell의 계측 값(독립변수, X)과 실제 하중(종속변수, Y)간의 선형관계를 분석하고, 아래와 같은 회귀식을 각각 유도하였다(Fig.
5와 같다. 하중시험은 4개의 Load-cell 위에 각각의 분동을 올려놓는 개별 하중시험(Load test 1)과 4개의 Load-cell 중앙에 분동을 올려놓는 복합 하중시험(Load test 2)으로 구분하여 실시하였다(Fig.6). 토사의 퇴적형태 즉, 흙이 특정 방향으로 모이는 것에 따라 Load-cell의 출력 값이 달라지는지 여부를 확인하기 위해서 두 가지 하중시험으로 구분하였다.
대상 데이터
토사유출 모니터링 시스템의 우량계와 수위계 센서를 활용하여 강우에 의한 계곡의 수위변화와 Load-cell의 반응성을 분석하였다. Site 1, 2에서 특정 강우 이벤트(2016. 9. 16.-18.)를 선별하고, Load-cell을 이용한 정량적 토사유출량을 산정하였다. Load-cell은 Fig.
본 시스템에 설치된 Load-cell은 일본 KYOWA社의 Stainless Steel Load-Cell로 모델명은 LCTS-B Series이고(Fig.4(a)), 사용 환경은 Table 2, Load-Cell 최대 측정량 등 기본 사양은 Table 3과 같다.
연구대상지는 경상북도내의 김천시 증산면 유성리 지역(Site 1, 유역면적 128ha)과 성주군 금수면 영천리(Site 2, 유역면적 196ha)로 변성암 지역으로 동일하게 선정하여 토사유출 모니터링 시스템을 설치하였다(Fig.1). 설치된 유역의 임상은 혼효림, 산림영급은 4영급으로 각각 동일하다(Table 1).
데이터처리
또한, Load test 1, 2 각각에 중복되는 하중(1kg, 5kg, 10kg, 20kg, 40kg)과 Site 1, 2 각각의 계측 결과는 일원배치분산분석(One way ANOVA)을 통하여 4가지 계측결과의 평균값이 유의한 차이가 있는지 검증하였다.
성능/효과
Load test 1, 2를 통해서 분동의 재하형태에 따른 Load-cell 출력값 차이를 분석한 결과, Site 1에서 평균 0.4kgf, Site 2에서 평균 0.6kgf의 오차가 나타났다(Table 6, Fig.7). 또한, Site 1, 2와 Load test 1, 2에서 중복되는 하중의 평균값에 대한 분산분석결과, P-value 0.
Load-cell을 산지 계곡에서 이용하여 토사유출량을 모니터링 함으로써 전 국토의 63%를 차지하는 산지를 효과적으로 관리할 수 있을 것이다. 나아가 하류지역의 홍수로 인한 범람 등 하천관리에도 도움을 줄 수 있다.
Load-cell을 산지 계곡의 토사유출량 계측에 적용한 결과, 강우가 내리기 시작하고, 계곡의 수위가 상승하게 되면서 Load-cell 반응이 시작된 것을 확인할 수 있었다. 특히, 장기간 모니터링을 통하여 산지 계곡의 시계열 토사유출량 산정뿐만 아니라 유출특성을 구명하는데도 효율적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
개별 하중시험(Test 1)의 재하 하중에 따른 평균 출력율(실제무게에 대한 계측값의 비율)은 Site 1에서 실제하중의 85.1%, Site 2에서 74.1%로 나타났으며, 평균 오차율은 각각 14.9%, 25.9%로 나타났다. 복합 하중시험(Test 2)의 평균 출력율은 Site 1에서 81.
또한, Site 1, 2와 Load test 1, 2에서 중복되는 하중의 평균값에 대한 분산분석결과, P-value 0.24(p < 0.05)로 나타나 4개의 그룹에서 유의한 차이가 없는 것으로 나타났다.
9%로 나타났다. 복합 하중시험(Test 2)의 평균 출력율은 Site 1에서 81.7%, Site 2에서 79.9%로 나타났으며, 평균 오차율은 각각 18.3%, 20.1%로 나타났다. 또한, 오차는 Site 1, 2 및 Load test 1, 2에서 모두 하중이 높을수록 오차가 컸다.
분동테스트를 통하여 재하형태(Load test 1, 2)에 따른 출력값을 비교한 결과, Site 1에서 평균 0.4kgf, Site 2에서 평균 0.6kgf 차이로 재하형태의 영향은 낮게 나타났기 때문에 산지 계곡에서 토사가 유입되어도 토사량 측정이 가능한 것으로 판단된다.
Load test 2의 계측 값을 하중계수를 이용하여 보정한 결과는 Table 7과 같다. 실제 하중에 대한 보정 값이 Site 1에서 96.5%로 보정전보다 14.8%p 상승하고, 평균 오차율은 3.6%로 줄어들었다. Site 2에서는 104.
또한, Load-cell이 계곡 물속에 잠겨있기 때문에 수중에서 중량을 측정하는 현상과 동일하게 하중이 낮게 측정되었다. 연구에 활용한 분동은 하중이 높을수록 부피가 커지기 때문에 실제하중과의 오차가 더 커지는 것으로 판단하였다. 따라서 본 연구에서는 오차율을 줄이기 위하여 Load-cell 계측값을 보정하여 실제하중과 유사한 결과를 도출할 수 있는 하중계수를 각각 산정하였다.
이상에서와 같이 Load-cell의 실시간 계측 기능을 이용하여 산지 계곡에서 하류로 유출되는 토사량을 산정할 수 있었다. 그러나 현장 상황과 계곡 물에 의해 하중 값이 영향을 받기 때문에 본 연구에서 수행한 분동테스트를 통하여 하중계수를 산정하고 보정할 필요가 있다.
하중계수를 적용하여 Load-cell의 계측 값을 보정한 결과, Fig.9, 10에서와 같이 Site 1, 2 모두 실제 하중에 근사하였고, Load-cell에 가해지는 하중이 커질수록 계측 값의 정확도는 높아졌다.
후속연구
두 지점간의 토사량 차이는 유역면적, 계곡의 계상재료, 임상 등 다양한 원인이 있을 수 있으므로 현장조사를 통해 판단해야 한다. 그러나 본 연구의 목적인 Load-cell을 이용한 산지 계곡의 토사유출량 계측에는 충분한 활용 가치가 있는 것으로 판단된다.
이상에서와 같이 Load-cell의 실시간 계측 기능을 이용하여 산지 계곡에서 하류로 유출되는 토사량을 산정할 수 있었다. 그러나 현장 상황과 계곡 물에 의해 하중 값이 영향을 받기 때문에 본 연구에서 수행한 분동테스트를 통하여 하중계수를 산정하고 보정할 필요가 있다.
나아가 하류지역의 홍수로 인한 범람 등 하천관리에도 도움을 줄 수 있다. 또한, Load-cell과 같은 계측센서 및 산지 계곡에서 활용될 수 있는 각 종 센서분야 산업 발전에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
Load-cell을 산지 계곡의 토사유출량 계측에 적용한 결과, 강우가 내리기 시작하고, 계곡의 수위가 상승하게 되면서 Load-cell 반응이 시작된 것을 확인할 수 있었다. 특히, 장기간 모니터링을 통하여 산지 계곡의 시계열 토사유출량 산정뿐만 아니라 유출특성을 구명하는데도 효율적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
산사태란?
산사태란 산의 흙이 붕괴되는 현상이다. 좀 더 세부적으로는 산에서 흙이 유출되는 것을 산지 토사유출이라 하고, 많은 토사가 일순간에 붕괴되는 것을 산사태라고하며, 토석류, 땅밀림 등의 피해도 있다[2]. 이러한 피해는 민가나 농경지 또는 하천의 수위상승 등 하류에 피해를 미친다[3].
우리나라가 여름철에 풍수해가 많은 이유는?
최근 전 세계적 기후변화로 인한 자연재해가 빈번히 발생하고 있으며, 단순빈도뿐만 아니라 재해의 종류도 증가하고 있기 때문에 그에 대한 예방 등 재해관리가 중요한 관심사로 대두하고 있다[1]. 우리나라는 여름철에 태풍과 집중호우의 영향으로 풍수해가 빈번히 발생한다. 특히, 산에서 발생하여 인명과 재산에 막대한 피해를 미치는 산사태 피해가 대표적이다.
우리나라 풍수해 중 대표적인 것은?
우리나라는 여름철에 태풍과 집중호우의 영향으로 풍수해가 빈번히 발생한다. 특히, 산에서 발생하여 인명과 재산에 막대한 피해를 미치는 산사태 피해가 대표적이다. 산사태란 산의 흙이 붕괴되는 현상이다.
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