[논문]이동시간차 방식 자동유량측정시설의 대하천 운영 및 검증

노영신; 박현근; 송재현; 정성원

[국내논문] 이동시간차 방식 자동유량측정시설의 대하천 운영 및 검증
Operation and Verification of Real-time Discharge Measurement Using UVM in Large River 원문보기

노영신 (유량조사사업단 연구개발실) , 박현근 (유량조사사업단 유량조사실) , 송재현 (유량조사사업단 연구개발실) , 정성원 (유량조사사업단)

현재 하천의 유량측정을 위해 국내외에서 설치, 운영되고 있는 자동유량측정시설은 대부분 초음파유속계를 이용한 실시간 하천유량측정시스템이다. 이러한 초음파유속계는 도플러 방식 초음파유속계(ADVM)와 이동 시간차 방식 초음파유속계(UVM)로 구분되는데, 한강대교 등에 적용된 ADVM 방식에 비해 UVM 방식은 초음파 도달거리의 특성으로 인해 대부분 중소규모의 하천에 적용되어왔다. 이러한 UVM 방식을 하폭이 넓고 홍수시 수위변화가 심한 대규모하천에 적용하기 위해서는 여러 회선을 다층으로 구성하여 설치할 필요가 있는데, 한강의 여주지점은 16개의 회선을 5개의 층으로 구성하여 측정의 정확도를 높이고 홍수시 수위상승시에도 다양한 회선으로 유속을 측정할 수 있도록 하였다. 본 연구에서는 여주지점에 설치되어 운영 중에 있는 이동 시간차 방식 자동유량측정시설의 운영결과를 검토하고 측정치에 대한 검증을 위해 2008년 1월부터 12월까지의 유량측정결과를 검토하였다. 평 저수시는 유속계와 ADCP 이동보트를 이용한 연속측정결과와 비교하였으며 홍수시에는 봉부자 측정결과와 비교하였다. 기존 실측은 2008년 2월부터 12월까지 저수위 및 중 고수위에 걸쳐 실시하였으며, 프라이스유속계 22회, 이동식 ADCP 6회 그리고 부자를 이용한 방법 6회등, 총 34회가 이루어졌으며, 비교 결과 수위 1.5m 이하의 저 평수기에 평균 5.5%의 오차를 보였으며, 홍수시 검증측정유량과의 비교결과 7.6%의 오차를 보였다.

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문제 정의

본 연구에서는 대하천인 여주 지점에 적용된 UVM 방식의 자동유량측정시설의 유량측정성과를 검토하였다.

제안 방법

여주 지점 자동유량측정시설의 유량측정성과를 검증하기 위해 프라이스 유속계 부자 및 이동 ADCP를 이용한 유량측정을 수행하여 동일시간대의 자동유량측정결과와 비교하였다. 여주 지점의 검증유량측정은 총 34회가 실시되었으며 이중 프라이스 유속계는 22회 부자법은 6회 이동 ADCP법은 6회를 수행하였다 검증측정성과와 UVM측정유량의 비교결과는 표 1과 같다.
여주 지점 자동유량측정시설의 유량측정성과를 검증하기 위해 프라이스 유속계 부자 및 이동 ADCP를 이용한 유량측정을 수행하여 동일시간대의 자동유량측정결과와 비교하였다. 여주 지점의 검증유량측정은 총 34회가 실시되었으며 이중 프라이스 유속계는 22회 부자법은 6회 이동 ADCP법은 6회를 수행하였다 검증측정성과와 UVM측정유량의 비교결과는 표 1과 같다. 저·평수기 검증측정유량과 자동유량측정시설로부터 측정된 유량과의 상대오차 범위는 0.

데이터처리

측정성과의 검토는 평·저수 및 홍수시 실시간 유량측정성과를 대상으로 하였으며, 2008년 개발된 여주 지점 수위-유량관계곡선식과의 비교와 실측을 통한 수동유량측정결과와 비교하였다.

이론/모형

여주 지점의 유량산정 방식은 단면 최대유속을 유량산정의 지표로하여 유량을 계산하는 지표유속법을 사용하였으며, Chiou(1998)의 엔트로피 개념을 적용하여 유도한 무차원 단면유속분포를 도입하였다(김창완 등, 2008).

성능/효과

2008년 여주 지점 자동유량 측정시설은 1월 1일부터 12월 31일까지 운영되었다. 10분 간격으로 측정이 이루어지기 때문에 연간 총 52,560회의 측정이 이루어지지만 통신상의 오류나 전기적인 오류로 인해 부분적인 결측이 발생하여 총 51,744회의 측정이 이루어졌으며 98.2%의 운영률을 기록하였다. 그림 3은 여주 지점 자동유량측정시설의 2008년도의 측정성과를 도시한 것으로 저·평수기 및 홍수기 기간동안 자동유량측정시설에서 안정적인 유량측정이 이루어졌으며 홍수기 운영기간 동안 최대 3,625m³/s의 유량이 측정되었다 (그림 4).
그림 4에서 보는 바와 같이 자동유량측정시설의 유량측정결과는 2008년 개발된 수위-유량관계 곡선식의 유량변화 경향과 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났으며 상류의 충주조정지댐 방류량의 증감에 따라 여주 지점의 유량이 변화하는 것을 확인할 수 있다.
또한 측정된 유량은 기존 수위-유량관계곡선 및 저·평수기 충주댐 방류량의 변화와 비교적 잘 반영하는 것으로 나타났다.
그림 4에서 보는 바와 같이 자동유량측정시설의 유량측정결과는 2008년 개발된 수위-유량관계 곡선식의 유량변화 경향과 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났으며 상류의 충주조정지댐 방류량의 증감에 따라 여주 지점의 유량이 변화하는 것을 확인할 수 있다. 또한 홍수기 측정성과를 살펴보면 수위상승에 따른 유량증가 시에는 수위-유량관계곡선식과 비교적 잘 일치하지만 수위하강시, 유량의 감소변화는 차이를 보이는 것으로 나타났으며 이는 수위상승과 하강에 따른 환형(loop) 수위-유량관계에 의한 것으로 판단된다. 그림 5는 7월 19일~25일에 발생한 호우 사상에 대한 수위-유량관계를 도시한 것이다.
저·평수기 검증측정유량과 자동유량측정시설로부터 측정된 유량과의 상대오차 범위는 0.3%~13.4%이인 것으로 나타났으며, 홍수기 부자를 이용한 검증유량측정 값과의 상대오차는 0.7~13.5%의 범위를 보였다.
첨두유량이 발생한 시점부터 하강시 유량을 비교해 보면 부자법으로 측정된 유량은 2,513m3/s, 2,436m3/s이며, 자동측정유량은 2,494m3/s, 2,391m3/s로 측정되었고, 수위 유량관계곡선식으로 산정된 유량은 각각 2,736m3/s 2,763m3/s으로 부자법으로 실측한 유량보다 크게 산정 된 것을 확인할 수 있다.
또한 측정된 유량은 기존 수위-유량관계곡선 및 저·평수기 충주댐 방류량의 변화와 비교적 잘 반영하는 것으로 나타났다. 측정성과의 검증을 위해 실측한 수동유량측정값과의 비교결과, 평균 5.5%의 상대오차를 나타냈으며 저평수기 및 홍수기 측정치에 대한 상대오차 평균이 각각 5.5%, 7.6%인 것으로 나타났다 또한 수위-유량관계곡선식이 환형 수위-유량관계를 반영할 수 없는 반면에 연속측정이 이루어지는 자동유량측정시설의 유량측정성과는 환형 수위-유량관계를 현상을 잘 나타내고 있다.

후속연구

자동유량측정시설에 의한 유량측정은 무인으로 운영될 뿐만 아니라 매 10분 간격의 실시간 연속으로 이루어지기 때문에 측정의 효율성과 연속성을 확보할 수 있어 측정성과의 활용도가 기존 수위 유량관계를 이용한 유량환산방법보다 더 클 것으로 기대된다.

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