회전식유속계와 ADCP를 이용한 연직유속분포 측정 및 평균유속 산정에 관한 연구 A Study on Mean Velocity Computation from Vertical Velocity Distribution Measurements using Flow Meter and ADCP원문보기
자연하천에서 단위구간(측선)의 연직선상 평균유속산정을 위한 일반적인 측정방법으로는 표면유속법, 1점법, 2점법, 3점법, 4점법, 5점법, 6점법, 연직 유속분포법 등이 있으며, 본 연구에서는 지난 1년간 낙동강유역 이안, 신풍, 성덕(무계), 성덕(보현)지점에서 회전식유속계로 측정한 유속자료를 이용하여 측선별 연직분포곡선을 작성한 후 측정지점 횡단면상 수심이 얕은 양안과 상류 제약조건(수풀 또는 돌출된 바위 등)으로 인해 측선의 흐름이 왜곡되는 지점을 제외한 측선별 연직유속분포곡선을 평균하여 지점별 대표 연직유속분포곡선을 작성하였다. 지점별 대표 연직유속분포 곡선을 작성하여 평균유속을 산정한 값을 기준으로 하천유량 측정시 일반적 평균유속 산정방법인 1, 2, 3점법 및 표면유속법에 대한 변동계수를 분석한 결과 1점법은 0.064, 2점법은 0.027, 3점법은 0.043, 표면유속법은 0.126으로 1, 2, 3 점법에서는 지점별 변화가 비교적 작게 나타났으며 표면유속법에서는 유량측정 지점별 변화가 큰 것으로 나타났다. 또한, 낙동지점에서 ADCP를 이용한 유량측정시 수집된 측선별 연직유속분포자료를 이용, 측정지점의 유량별 대표 연직유속분포 곡선을 작성, 실제 하천유량측정에 널리 쓰이고 있는 평균유속 측정방법을 비교 분석하였다. 분석결과, 1점법에서는 평균유속대비 1.076, 2점법에서는 1.026, 3점법에서는 0.051로서 2, 3점법이 대체로 양호한 결과를 보이며 이는 Hulsing 등의 연직유속분포곡선을 이용하여 계산한 1점법에서 1.020, 2점법, 1.010, 3점법 1.015의 결과 추세와도 일치하였다.
자연하천에서 단위구간(측선)의 연직선상 평균유속산정을 위한 일반적인 측정방법으로는 표면유속법, 1점법, 2점법, 3점법, 4점법, 5점법, 6점법, 연직 유속분포법 등이 있으며, 본 연구에서는 지난 1년간 낙동강유역 이안, 신풍, 성덕(무계), 성덕(보현)지점에서 회전식유속계로 측정한 유속자료를 이용하여 측선별 연직분포곡선을 작성한 후 측정지점 횡단면상 수심이 얕은 양안과 상류 제약조건(수풀 또는 돌출된 바위 등)으로 인해 측선의 흐름이 왜곡되는 지점을 제외한 측선별 연직유속분포곡선을 평균하여 지점별 대표 연직유속분포곡선을 작성하였다. 지점별 대표 연직유속분포 곡선을 작성하여 평균유속을 산정한 값을 기준으로 하천유량 측정시 일반적 평균유속 산정방법인 1, 2, 3점법 및 표면유속법에 대한 변동계수를 분석한 결과 1점법은 0.064, 2점법은 0.027, 3점법은 0.043, 표면유속법은 0.126으로 1, 2, 3 점법에서는 지점별 변화가 비교적 작게 나타났으며 표면유속법에서는 유량측정 지점별 변화가 큰 것으로 나타났다. 또한, 낙동지점에서 ADCP를 이용한 유량측정시 수집된 측선별 연직유속분포자료를 이용, 측정지점의 유량별 대표 연직유속분포 곡선을 작성, 실제 하천유량측정에 널리 쓰이고 있는 평균유속 측정방법을 비교 분석하였다. 분석결과, 1점법에서는 평균유속대비 1.076, 2점법에서는 1.026, 3점법에서는 0.051로서 2, 3점법이 대체로 양호한 결과를 보이며 이는 Hulsing 등의 연직유속분포곡선을 이용하여 계산한 1점법에서 1.020, 2점법, 1.010, 3점법 1.015의 결과 추세와도 일치하였다.
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제안 방법
【그림 1, 2, 표 4】 이 때, ADCP를 이용하여 측정된 연직유속분포는 순간적인 유속을 수집한 자료이므로 수평방향 5개 셀을 평균한 값을 적용하여 순간 유속이 갖는 변동성을 완화 하였다. 그리고 자연하천에서 연직유속분포곡선은 수위변화 즉 유량의 크기에 따라 그 특성이 달라지므로 유량에 따른 연직유속분포 변화를 분석하였다.
또한, ADCP의 측정성과를 이용하여 작성한 측정지점의 유량별 대표 연직유속분포 곡선을 활용하여 실제 하천유량측정에 널리 쓰이고 있는 평균유속 산정방법들을 비교 분석하였다.
여기에서는 먼저 지난 1년간 낙동강유역의 5개 조사지점에서 회전식유속계로 측정한 유속자료를 이용하여 측정지점의 측선별 연직분포곡선을 작성한 후, 측정지점 횡단면상 수심이 얕은 양안과 상류 제약조건(수풀 또는 돌출된 바위 등)으로 인해 측선의 흐름이 왜곡되는 지점을 제외한 측선들의 연직 유속분포곡선을 평균하여 대표 연직 유속분포곡선을 작성하였다.
연직유속분포곡선의 작성은 ADCP 장비특성상 실측구간이 많아질 수 있도록 하폭과 수심이 비교적 큰 낙동지점 ADCP 유량측정에서 수집된 측선별 연직유속분포자료중 수심이 비슷한 하천 중심부 60% 구간의 단위 연직유속분포 자료를 평균하여 수심별(8~ 9개) 대표 유속을 산정한 후 2 차 곡선형으로 연직유속분포곡선을 작성하였다.【그림 1, 2, 표 4】 이 때, ADCP를 이용하여 측정된 연직유속분포는 순간적인 유속을 수집한 자료이므로 수평방향 5개 셀을 평균한 값을 적용하여 순간 유속이 갖는 변동성을 완화 하였다.
지난 2005년 낙동강수계 낙동, 이안, 신풍, 성덕(무계), 성덕(보현) 등 5개지점에서 시행된 유량측정 자료 중 측선별로 정밀(5point 이상)하게 측정된 유속측정 자료를 이용, 분석대상 지점의 측선별 연직유속분포곡선을 작성하여 [작성예, 표 11] 연직유속분포법에 의해 산정된 평균유속을 기준으로 각 평균유속 산정방법별 상대오차를 분석[표 2] 하였다.
성능/효과
그리고 대표 연직유속분포곡선을 이용하여 표면유속보정계수를 산정 결과 [표 2, 3] 과 같이 하천 규모가 커질수록 표면유속이 평균유속에 비해 작아지는 추세를 보이며, 표면유속보정 계수가 0.63으로 나타난 성덕 보현천 지점(측정 수심이 40cm정도로 얕고 하상에 호박돌이 산재해 흐름이 평균유속대비 상대유속왜곡되는 것으로 판단됨)을 제외하면 0.75 ~ 0.90 정도의 분포를 보였다. 따라서 홍수기 유량측정에서 있어 효율적이고, 사용에 안전한 전자파표면유속계, LSPIV(Large-scale Particle Image velocimetry)등의 장비를 사용할 경우 지점별 표면유속보정계수의 산정이 필요할 것으로 판단된다.
따라서, ADCP와 달리 측선상 몇 개의 점유속을 측정하는 회전식 유속계, 전자기식(마그네틱) 유속계, 전자파표면유속계, 부자등은 측정장비의 정확도도 중요하지만 이러한 성과를 이용한 평균유속 산정의 중요성은 더더욱 크다는 것을 알 수 있다.
본 연구에서 기존의 평균유속 산정에 대한 기준 및 연구성과를 회전식 유속계와 ADCP 장비를 이용하여 국내의 다양한 하천에 직접 적용하여 비교 검증한 결과, 일반적인 추세는 유사하나 하천 규모에 따라 또는 동일 하천에서도 유량규모별로 변화됨을 알 수 있다.
자연하천의 유량측정에서 평균유속산정을 위해 일반적으로 이용하는 1점법, 2점법, 3점법을 적용 하였을 경우, 유량별 평균유속에 대한 상대유속 정도를 분석한 결과【표 5] , 1점법에서는 평균유속대비 1.076, 2점법에서는 1.026, 3점법에서는 1.051 로 나타나 2, 3점법이 대체로 양호한 결과를 보이며 이는 Hulsing 등의 연직유속분포곡선을 이용하여 계산한 1점법에서 1.020, 2점법 1.010, 3점법 1.015의 결과 추세와도 일치하였다.
지점별 대표 연직유속분포곡선을 작성하여 평균유속을 산정한 후 이를 기준으로 하천유량 측정 시 일반적 평균유속 산정방법인 1, 2, 3점법 및 표면유속법에 대한 변동계수 분석결과, 【표2】 와 같이 1점법은 0.064, 2점법은 0.027, 3점법은 0.043, 표면유속법은 0.126로 1, 2, 3 점법에서는 지점별 변화가 비교적 작게 나타났으며 표면유속법에서는 유량측정 지점별 변화가 큰 것으로 나타났다.
후속연구
90 정도의 분포를 보였다. 따라서 홍수기 유량측정에서 있어 효율적이고, 사용에 안전한 전자파표면유속계, LSPIV(Large-scale Particle Image velocimetry)등의 장비를 사용할 경우 지점별 표면유속보정계수의 산정이 필요할 것으로 판단된다.
따라서, 하천규모 및 형상, 유량규모등에 관계없이 획일적인 평균유속 산정공식 적용은 유량 측정값의 불확실도를 증가시키는 요인이 될 수 있어, 본 연구성과를 활용하여 측정 지점별특성에 적합도록 평균유속을 산정하여 할 것이다.
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