본 연구는 하상재료에 따른 ADCP의 측정 적합성을 평가하기 위해 하상 재료가 다른 자갈 하상과 모래 하상인 지점에서 ADCP의 유속, 수심 및 유량 자료를 ADV의 측정 결과와 비교 분석하였다. 연구결과 자갈 하상과 모래 하상에서의 ADV와 ADCP를 이용한 유속 분포와 수심 측정 자료는 비슷하게 나타났다. 유량측정 결과 자갈 하상에서 평균 3.5 - 4.8%, 모래 하상에서 평균 0.02 - 3.2%의 상대오차 범위를 나타내어 USGS에서 제시한 평균 오차 5%의 범위보다 작아 신뢰가 높은 결과인 것을 알 수 있었다. 이한 결과는 향후 ADCP의 하천 적용성에 대한 기초자료로 활용될 수 있으며 ADCP의 불확도 평가에 중요한 자료로 이용될 것으로 판단된다.
본 연구는 하상재료에 따른 ADCP의 측정 적합성을 평가하기 위해 하상 재료가 다른 자갈 하상과 모래 하상인 지점에서 ADCP의 유속, 수심 및 유량 자료를 ADV의 측정 결과와 비교 분석하였다. 연구결과 자갈 하상과 모래 하상에서의 ADV와 ADCP를 이용한 유속 분포와 수심 측정 자료는 비슷하게 나타났다. 유량측정 결과 자갈 하상에서 평균 3.5 - 4.8%, 모래 하상에서 평균 0.02 - 3.2%의 상대오차 범위를 나타내어 USGS에서 제시한 평균 오차 5%의 범위보다 작아 신뢰가 높은 결과인 것을 알 수 있었다. 이한 결과는 향후 ADCP의 하천 적용성에 대한 기초자료로 활용될 수 있으며 ADCP의 불확도 평가에 중요한 자료로 이용될 것으로 판단된다.
This research aimed at analyzing comparison results between in gravel and sand bed with respect to the detailed Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) measurement in a velocity, depth, and flow rate data based on Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) measurement result. Conclusionally, similar result...
This research aimed at analyzing comparison results between in gravel and sand bed with respect to the detailed Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) measurement in a velocity, depth, and flow rate data based on Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) measurement result. Conclusionally, similar results were shown for gravel and sand bed in velocity, depth and flow rate data using ADV and ADCP measurement. The results of the flow rate show a relative error mean of 3.5 - 4.8% in the gravel bed and 0.02 - 3.2% in the sand bed, which is better performance than the mean error of 5% suggested by United States Geological Survey (USGS). The results can be used as a basis data for the measurement of ADCP and potentially able to be utilized for the more detailed uncertainty analysis of ADCP flow rate measurement.
This research aimed at analyzing comparison results between in gravel and sand bed with respect to the detailed Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) measurement in a velocity, depth, and flow rate data based on Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) measurement result. Conclusionally, similar results were shown for gravel and sand bed in velocity, depth and flow rate data using ADV and ADCP measurement. The results of the flow rate show a relative error mean of 3.5 - 4.8% in the gravel bed and 0.02 - 3.2% in the sand bed, which is better performance than the mean error of 5% suggested by United States Geological Survey (USGS). The results can be used as a basis data for the measurement of ADCP and potentially able to be utilized for the more detailed uncertainty analysis of ADCP flow rate measurement.
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문제 정의
본 연구에서는 자갈 하상과 모래 하상의 특성을 나타내는 지점을 선정하였다. 하상재료가 자갈인 지점은 섬강의 말단지점에 위치한 섬강교 하류 400 m에서 유량 측정을 하였으며 하상재료가 모래인 지점은 황구지천 말단지점에 위치한 수입교 하류 200 m에서 유량측정을 하였다 (Fig.
본 연구에서는 하상재료에 따른 ADCP의 측정 적합성을 평가하기 위해 하상 재료가 다른 자갈 하상과 모래 하상인 지점에서 ADCP의 유속, 수심 및 유량 을 측정 하였다. ADCP의 측정 결과 자료를 비교하기 위해 국내 하천에서 많이 사용하고 측정 정확도가 높다고 알려진 ADV의 측정 결과값을 사용하였다.
따라서 ADCP의 측정 적합성을 평가하기 위해서는 다양한 하상재료에서 ADCP의 정밀한 측정을 통한 분석이 필요하다. 이에 본 연구에서는 자갈 하상과 모래 하상에서 ADCP의 측정 적합성을 평가하기 위해 ADCP의 유속, 수심 및 유량을 정밀하게 측정하였다. 그리고 ADCP 의 유속 측정 결과를 비교하기 위해 유속 측정 정확도가 높다고 알려진 ADV의 유속 측정 결과값을 사용하였다.
제안 방법
6에 나타냈다. ADV는 각 지점마다 설치된 30 - 35개의 측선에 대하여 수심 측정 스타프로 측정하였고, ADCP는 횡측선을 따라 측정된 연속적인 데이터를 사용하였다.
자갈 하상과 모래 하상에서 측정된 ADV와 ADCP 의 유량측정 결과를 비교하여 Table 2에 제시하였다. 각 지점별로 ADV 4회, ADCP 16회의 측정자료가 수집되었으며, 각 회차마다 동일한 시간 및 수위에서 진행하였다. 자갈 하상에서 ADV와 ADCP로 측정한 개별 자료의 경우 최소 2.
이에 본 연구에서는 자갈 하상과 모래 하상에서 ADCP의 측정 적합성을 평가하기 위해 ADCP의 유속, 수심 및 유량을 정밀하게 측정하였다. 그리고 ADCP 의 유속 측정 결과를 비교하기 위해 유속 측정 정확도가 높다고 알려진 ADV의 유속 측정 결과값을 사용하였다. 또한 동일한 측선에서 측정한 수심 결과를 바탕으로 ADCP의 수심 측정 적합성을 평가하였다.
USGS의 경우 조위의 영향을 받는 하천을 제외한 일반적인 하천에서는 최소 4회 이상의 측정을 권장 하고 있으며, 그 중 1개의 자료라도 평균 유량오차가 ±5%를 넘었을 경우 4회의 추가 측정이 바람직하다고 제안하였다 (Simpson 2001). 따라서 본 연구에서는 각지점마다 4회씩 측정하였으며 ADCP의 경우 1회차 마다 4회 측정한 수면폭, 수심, 면적 유량, ADV와 ADCP 유량 값의 상대오차를 Table 2에 제시하였다.
그리고 ADCP 의 유속 측정 결과를 비교하기 위해 유속 측정 정확도가 높다고 알려진 ADV의 유속 측정 결과값을 사용하였다. 또한 동일한 측선에서 측정한 수심 결과를 바탕으로 ADCP의 수심 측정 적합성을 평가하였다.
대상 데이터
측정 불가역의 범위가 클 경우 추정유량은 실제 유량에 비해 오차가 클 수 있으므로 도섭에 의한 유속-면적법 등 별도의 방법을 동원하거나 유량측정 전에 현장상황을 고려하여 측정을 해야 한다. ADCP와 ADV의 유량 값을 비교하기 위한 장비로 국내에서 일반적으로 사용되고 있고 유속 측정 정확도가 높다고 알려진 Sontek 사의 ADV의 FlowTracker를 사용하였다 (Fig. 4). FlowTracker는 초음파를 이용한 유속계로 얕은 수심, 저유속에서 정밀 하게 측정할 목적으로 고안되었다.
본 연구에서 유량을 측정하기 위한 유속계의 제원을 비교하여 Table 1에 제시하였다. ADCP의 종류에는 Rio Grande, StreamPro, RiverRay, RiverPro, RiverSurveyor S5, RiverSurveyor M9등이 있지만, 본 연구에서는 Sontek사의 RiverSurveyor M9을 이용하였다 (Fig. 3). RiverSurveyor M9의 장점은 협대역 시스템을 사용하며 기기 설정이 간편하고, 수심 셀에 대한 독립적인 유속 측정이 가능하므로 상하층간의 유속차가 큰 전단류 상황에서 유리하다.
본 연구에서는 하상재료에 따른 ADCP의 측정 적합성을 평가하기 위해 하상 재료가 다른 자갈 하상과 모래 하상인 지점에서 ADCP의 유속, 수심 및 유량 을 측정 하였다. ADCP의 측정 결과 자료를 비교하기 위해 국내 하천에서 많이 사용하고 측정 정확도가 높다고 알려진 ADV의 측정 결과값을 사용하였다.
2). 분석에 사용된 측정자료는 2017 년 1월 10일-13일에 섬강과 황구지천에서 각각 ADV 4 회, ADCP 16회를 측정하였다.
ADV의 유량측정 방법은 수질오염공정시험기준의 하천 유량측정 방법과 국토부에서 발간한 수문관측 매뉴얼에 있는 유량측정 방법 기준을 준용하였다. 유량측정 기준으로 국제표준기구 (International Organization for Standardization, ISO), 미국 지질조사국 (United States Geological Survey, USGS) 등의 유량측정기준에 관한 자료를 이용하였다.
본 연구에서는 자갈 하상과 모래 하상의 특성을 나타내는 지점을 선정하였다. 하상재료가 자갈인 지점은 섬강의 말단지점에 위치한 섬강교 하류 400 m에서 유량 측정을 하였으며 하상재료가 모래인 지점은 황구지천 말단지점에 위치한 수입교 하류 200 m에서 유량측정을 하였다 (Fig. 1). 섬강의 측정지점은 자갈로 이루어져 하상단면이 균일하지 않으며 황구지천의 측정지점은 모래하상으로 이루어져 하상단면이 균일한 특징을 가지고 있다 (Fig.
데이터처리
측정된 유속 분포 비교는 횡측선을 따라 측정된 모든 연직 유속 분포의 평균치로 산출하였다. ADV는 하천 폭에 따라 횡측선 상에서 30 - 35개 측선의 유속을 측정 하지만, ADCP의 경우 한번 횡단에 수백 개 이상의 연속적인 유속자료를 획득하므로 보다 세밀한 유속 분포를 나타냈다.
이론/모형
ADV의 유량측정 방법은 수질오염공정시험기준의 하천 유량측정 방법과 국토부에서 발간한 수문관측 매뉴얼에 있는 유량측정 방법 기준을 준용하였다. 유량측정 기준으로 국제표준기구 (International Organization for Standardization, ISO), 미국 지질조사국 (United States Geological Survey, USGS) 등의 유량측정기준에 관한 자료를 이용하였다.
정지측정법은 교량이나 횡측선이 설치되어야 하고, 교량에서 측정할 경우 수면에서 너무 높지 않아야 한다. 본 연구에서는 ADCP를 보트에 고정시켜 측정하는 횡측선법을 이용 하였다. USGS의 경우 조위의 영향을 받는 하천을 제외한 일반적인 하천에서는 최소 4회 이상의 측정을 권장 하고 있으며, 그 중 1개의 자료라도 평균 유량오차가 ±5%를 넘었을 경우 4회의 추가 측정이 바람직하다고 제안하였다 (Simpson 2001).
성능/효과
측정된 유속 분포 비교는 횡측선을 따라 측정된 모든 연직 유속 분포의 평균치로 산출하였다. ADV는 하천 폭에 따라 횡측선 상에서 30 - 35개 측선의 유속을 측정 하지만, ADCP의 경우 한번 횡단에 수백 개 이상의 연속적인 유속자료를 획득하므로 보다 세밀한 유속 분포를 나타냈다. 자갈 하상 (a)과 모래 하상 (b) 에서 측정한 ADV와 ADCP의 유속 분포 비교 자료 중 1 case를 Fig.
15%로 오차 범위가 감소한다. 따라서 ADCP를 이용하여 측정된 유량 값은 자갈 하상 과 모래 하상 모두 ADV의 결과값과 비교하여 큰 오차가 없는 것으로 판단된다.
모래 하상에서 ADV와 ADCP로 측정한 개별 자료의 경우 최소 0.07%, 최대 4.97% 의 오차가 나타났으며, 자갈 하상과 마찬가지로 4회의 평균값을 사용한다고 볼 때 오차는 0.02 - 3.15%로 오차 범위가 감소한다. 따라서 ADCP를 이용하여 측정된 유량 값은 자갈 하상 과 모래 하상 모두 ADV의 결과값과 비교하여 큰 오차가 없는 것으로 판단된다.
이는 자갈 하상의 경우 모래 하상 보다 난류의 발생이 커질 가능성이 있기 때문인 것으로 판단된다. 유량 측정 결과 자갈 하상에서 평균 3.5 - 4.8%, 모래 하상에서 평균 0.02 -3.2%의 상대오차 범위를 나타내어 USGS에서 제시한 평균 오차 5% 범위보다 작아 신뢰가 높은 결과로 판단된다. 이와 같은 연구결과는 향후 ADCP의 하천 적용성에 대한 기초자료로 활용될 수 있으며 ADCP의 불확도 평가에 중요한 자료로 이용할 수 있다.
후속연구
이와 같은 연구결과는 향후 ADCP의 하천 적용성에 대한 기초자료로 활용될 수 있으며 ADCP의 불확도 평가에 중요한 자료로 이용할 수 있다. 그러나 본 연구 에서는 저갈수기, 저유속의 안정적인 흐름조건 및 특정 현장 조건에 한정된 결과이므로 추후 홍수기, 고유속 등의 다양한 하천환경 및 기기종류에 따른 연구가 필요할 것으로 판단된다.
2%의 상대오차 범위를 나타내어 USGS에서 제시한 평균 오차 5% 범위보다 작아 신뢰가 높은 결과로 판단된다. 이와 같은 연구결과는 향후 ADCP의 하천 적용성에 대한 기초자료로 활용될 수 있으며 ADCP의 불확도 평가에 중요한 자료로 이용할 수 있다. 그러나 본 연구 에서는 저갈수기, 저유속의 안정적인 흐름조건 및 특정 현장 조건에 한정된 결과이므로 추후 홍수기, 고유속 등의 다양한 하천환경 및 기기종류에 따른 연구가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Acoustic Doppler Current Profiler 측정방법의 활용이 증가한 이유는 무엇인가?
특히 최근 기후변화에 따른 빈번한 집중호우와 하천환경 변화 등으로 인하여 회전식 유속계와 Acoustic Doppler Velocimeter(ADV) 등의 유량측정 장비들로 측정하기에는 한계가 있다. 국외에서는 1980년대부터 유량측정의 정확도와 수문관측의 비용 저감을 위해 초음파를 이용한 Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) 측정방법을 유량측정에 활용하고 있는 추세이다 (Gordon 1989, Adler and Nicodemus 2001, Yorke and Oberg 2002). 또한, 중대 규모 하천이나 난류 측정 (Stacey et al.
하상재료에 따른 ADCP의 측정 적합성을 평가하기 위해 어떤 시험을 진행했는가?
본 연구는 하상재료에 따른 ADCP의 측정 적합성을 평가하기 위해 하상 재료가 다른 자갈 하상과 모래 하상인 지점에서 ADCP의 유속, 수심 및 유량 자료를 ADV의 측정 결과와 비교 분석하였다. 연구결과 자갈 하상과 모래 하상에서의 ADV와 ADCP를 이용한 유속 분포와 수심 측정 자료는 비슷하게 나타났다.
실시간 하천 유량 측정에서 어려운 요소는 무엇인가?
이에 국내에서는 1990년대 후반부터 초음파 유속계와 유속지수법과 같은 실시간 하천 유량 측정 방법들을 도입하였다 (Kim 2008). 하지만 하천의 유량을 장기간 또는 연속적으로 관측하는 것은 쉬워 보이면서도 어느 정도의 정확도를 확보하면서 측정하는 것은 생각보다 어렵다 (Kim 2015). 특히 최근 기후변화에 따른 빈번한 집중호우와 하천환경 변화 등으로 인하여 회전식 유속계와 Acoustic Doppler Velocimeter(ADV) 등의 유량측정 장비들로 측정하기에는 한계가 있다.
참고문헌 (19)
Adler, M. and Nicodemus, U. 2001. A new computer model for evaluation of data from acoustic doppler current profiler. Physics and Chemistry of the Earth(C) 26(10-12): 711-715.
Brierley, A.S., Brandon, M.A., and Watkins, J.L. 1998. An assessment of the utility of an acoustic doppler current profiler for biomass estimation. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers 45(9): 1555-1573.
Geyer, W.R. and Signell, R. 1990. Measurements of tidal flow around a headland with a shipboard acoustic doppler current profiler. Journal of Geophysical Research: Oceans 95(C3): 3189-3197.
Gordon, R.L. 1989. Acoustic measurement of river discharge. Journal of Hydraulic Engineering 115(7): 925-936.
Ji, J.Y., Park, S.Y., Lee, G.W., Park, G.M., Hwang, S.H., Kim, D.H., and Lee, Y.J. 2013. Analysis and comparison of flow rate measurements using various discharge measuring instrument and ADCP. Journal of Environmental Science International 22(2): 251-257. (in Korean)
Kim, C.W., Lee, M.H., Yoo, D.H., and Jung, S.W. 2008. Discharge computation in natural rivers using Chiu's velocity distribution and estimation of maximum velocity. Journal of Korea Water Resources Association 41(6): 575-585.
Kim, D. 2012. Assessment of longitudinal dispersion coefficients using acoustic doppler current profilers in large river. Journal of Hydro-Environment Research 6(1): 29-39.
Kim, E.S., and Choi, H.I. 2009. Verification and application of velocity measurement using price meter and ADCP. Journal of The Korean Society of Hazard Mitigation 9(3): 101-106. (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 Water Resources Association 48(5): 367-377. (in Korean)
Lee, C.J., Kim, W., Kim, C.Y., and Kim, D.G. 2005. Velocity and discharge measurement using ADCP. Journal of Korea Water Resources Association 38(10): 811-824. (in Korean)
Lee, J.H., Lee, S.H., Jung, S.W., and Kim, T.W. 2010. Experimental comparison and analysis of measurement results using various flow meters. Journal of Korean Wetlands Society 12(1): 95-103. (in Korean)
Lu, Y., and Lueck, R.G. 1999. Using a broadband ADCP in a tidal channel. Part II: Turbulence. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology 16(11): 1568-1579.
Measuring Discharge with Flowtracker Acoustic Doppler Velocimeters, 2015.
Nystrom, E.A., Rehmann, C.R., and Oberg, K.A. 2007. Evaluation of mean velocity and turbulence measurements with ADCPs. Journal of Hydraulic Engineering 113(12): 1310-1318.
Reichel, G., and Nachtnebel, H.P. 1994. Suspended sediment monitoring in a fluvial environment: Advantages and limitations applying an acoustic doppler current profiler. Water Research 28(4): 751-761.
Simpson, M. 2001. Discharge measurement using a broad-band acoustic Doppler current profiler (p. 123). Reston: US Department of the interior, US Geological Survey.
Stacey, M.T., Monismith, S.G., and Burau, J.R. 1999. Observations of turbulence in a partially stratified estuary. Journal of Physical Oceanography 29(8): 1950-1970.
Yorke, T.H., and Oberg, K.A. 2002. Measuring river velocity and discharge with acoustic doppler profilers. Flow Measurement and Instrumentation 13(5-6): 191-195.
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