[논문]횡단방향 측선각도 변화에 따른 유량측정성과에 대한 실험 연구

이재혁; 석수원; 심은증; 김성훈; 김태웅

횡단방향 측선각도 변화에 따른 유량측정성과에 대한 실험 연구
An experimental study on discharge measurements according to the change of traverse direction sideline angle 원문보기

한국수자원학회 2011년도 학술발표회, 2011 May 19, 2011년, pp.330 - 334

이재혁 (유량조사사업단 유량조사실) , 석수원 (유량조사사업단 유량조사실, 서경대학교 대학원 토목공학과) , 심은증 (유량조사사업단 유량조사실, 서울시립대학교 대학원 토목공학) , 김성훈 (유량조사사업단 유량조사실) , 김태웅 (한양대학교 건설환경공학과)

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자연하천의 유량값은 일반적으로 횡단면의 면적과 이를 통과하는 유속의 곱으로 산정된다. 유량측정 방법은 하천의 형태와 저 평수기 및 홍수기의 수위에 따라 도섭법, 교량법, 부자법 및 보트를 이용한 ADVM 측정법 등 다양한 방법으로 실시된다. 그러나 현장 여건에 따라 흐름에 직각이 아닌 사교에서 측정이 이루어지는 경우에는 단면적의 오차를 포함할 가능성이 크기 때문에 횡단면의 측선 각도에 따라 각보정을 실시해야 한다. 현재 사교에서 유량 측정을 실시하는 경우, 흐름의 직각을 기준으로 처짐각을 측량하여 각 측선에 $cos{\theta}$를 적용하여 단면적을 보정하고 있는데, 이 처짐의 정도가 유량의 참값에서 어느 정도의 영향을 미치는지에 대한 검토가 요구된다. 본 연구에서는 한강수계 왕숙천에 위치한 퇴계원 지점에서 실시간 수위에 따른 유속을 측정하였으며, 횡단면에 직각인 측선을 기준값으로 제시하고, 처짐각의 정도를 $10^{\circ}$, $20^{\circ}$, $30^{\circ}$, $40^{\circ}$, $50^{\circ}$까지 늘려 산정된 유량값을 기준값과 비교 분석하였다. 본 연구에 쓰인 측정기기는 Price AA 유속계이고, 측정방법으로는 유량의 흐름 방향을 기준하여 직각으로 수면에서 0.6d 지점의 유량측정방법(1점법)을 적용하였다. 그 결과 유량의 흐름 방향을 기준하여 직각인 경우 $1.39m^3/s$의 유량에서 보정 전 각 $10^{\circ}$의 유량 $1.36m^3/s$, $30^{\circ}$의 유량 $1.49m^3/s$, $50^{\circ}$의 유량 $2.25m^3/s$로 각이 클수록 단면적이 크게 나타나며 유량 역시도 과대 산정됨을 알 수 있었다. 따라서 도섭법을 이용한 유량측정이나 사교에서의 교량법 등을 적용하여 유량측정을 실시할 경우 유량의 흐름방향을 기준으로 직각으로 유량측정을 실시하여 유량을 산정하되 부득이한 경우로 사교에서의 측정이 이루어 졌을 시 흐름 방향을 기준으로 각도를 측정하여 크게 나타나는 단면적에 처짐각을 보정하여 유량을 산정함이 오차를 줄일 수 있으며, 신뢰성 있는 유량자료 생산의 방법이 라 할 수 있겠다.

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문제 정의

본 연구는 자연하천에서 실험이 이루어 졌으며, 수위 변화를 실시간으로 파악하기 위하여 측정위치 상류에 보조 수위표를 설치하여 수위 모니터링을 하였고, 상류 400m에 위치한 퇴계원 수위관측소 수위를 비교 검토하였다. 본 연구에서는 평균수위 0.
본 연구는 자연하천에서의 유속을 측정하여 유량을 산정할 때 흐름에 직각방향이 아닌 측선에서의 유량측정이 얼마만큼의 오차를 발생시키는지 분석하고, 좀 더 정확한 유량측정을 통한 신뢰성 있는 유량자료 확보하는데 목적이 있다. 따라서 자연하천에서의 실험이 이루어지기에 신뢰성 있는 유량자료를 확보하기위해 실험 대상 위치가 중요하다.

제안 방법

따라서 본 연구결과는 흐름에 직각인 경우에 부합될 수 있도록 수면폭에 처짐각 만큼 cosθ를 곱하여 단면적을 보정하였다.
따라서 본 연구에서는 국내에서 일반적으로 사용하는 프라이스유속계(USGS Type AA Current Meter)를 사용하여 일정한 수위에서 유속을 측정하였으며, 횡단면에 직각인 경우를 기준으로 유량을 산정하고 처짐각을 10°～50°로 각도를 크게 하므로 횡단면에 직각이 아닌 경우의 유량을 기준값과 비교분석하였다.
본 연구는 국내에서 일반적으로 사용되고 있는 프라이스유속계를 사용하여 자연하천에서 유량측정을 실시하였다. 신뢰성과 정확도를 높이기 위해 도섭법으로 왕복측정을 실시하였고, 수면에서 0.
본 연구에서는 평균수위 0.315m 에서 왕복으로 유량측정 성과를 확보하였으며 흐름방향에서 직각인 측선을 기준으로 10°～50°의 각도를 제시하며 IOS기준 30개 이상의 측선수를 확보하여 유속을 측정하였다.
본 연구는 국내에서 일반적으로 사용되고 있는 프라이스유속계를 사용하여 자연하천에서 유량측정을 실시하였다. 신뢰성과 정확도를 높이기 위해 도섭법으로 왕복측정을 실시하였고, 수면에서 0.6d 지점의 유량측정방법(1점법)을 적용하였다. 자연하천에서의 유량측정은 측정방법과 기준, 식생, 풍속 및 파동 등의 특성으로 제약을 받는다.
유량측정에 있어 국내에서 일반적으로 사용되고 있는 프라이스유속계(그림 2)를 사용하여 실험을 실시하였으며, 그림 3～5에서 나타내는 바와 같이 각각의 측선에 신뢰성 있는 처짐각을 부여하기 위해 톱콘사의 토탈스테이션을 사용하여 흐름방향에 직각인 포인트를 시작으로 10°～50° 포인트의 각도를 제시하였다. 실험이 이루어지는 일정 유량의 판단을 확보하기 위해 보조수위표(그림 6)를 설치하여 실험 시작시간의 수위 확보와 종료시간의 수위확보를 실시하였다.
유량측정에 있어 국내에서 일반적으로 사용되고 있는 프라이스유속계(그림 2)를 사용하여 실험을 실시하였으며, 그림 3～5에서 나타내는 바와 같이 각각의 측선에 신뢰성 있는 처짐각을 부여하기 위해 톱콘사의 토탈스테이션을 사용하여 흐름방향에 직각인 포인트를 시작으로 10°～50° 포인트의 각도를 제시하였다.
횡단방향 측선의 라인은 일정한 간격으로 포인트하여 상 · 하 처짐각 없이 설치하며, 포인트를 기준으로 유량측정을 실시하여 성과를 확보하였다. 일반적인 유량측정의 방법으로는 도섭법(Wading Measurement)에 의하거나 케이블웨이(Cableway), 교량법(Bridge Measurement), 보트법(Boat Measurement)등이 있으나, 본 연구에서는 대상지점의 수심이 얕고 일정하여 측정의 정확도가 가장 높은 도섭법으로 수면에서 0.6d 지점의 유량측정방법(1점법)을 적용하였다.
토탈스테이션을 통해 유량의 흐름방향을 기준으로 직각 위치에 포인트 설치를 시작으로 각 10°의 포인트 20°, 30°, 40°, 50°의 포인트를 미리 측량을 통해 선정을 완료하였다.
횡단방향 측선의 라인은 일정한 간격으로 포인트하여 상 · 하 처짐각 없이 설치하며, 포인트를 기준으로 유량측정을 실시하여 성과를 확보하였다.

대상 데이터

본 연구는 자연하천에서 실험이 이루어 졌으며, 실험수로의 제원은 그림 1과 같이 수면폭 약 13m의 비교적 일정한 규격을 가진다. 또한 하상형태도 비교적 균일하다.
본 연구에서 사용된 측정기기는 프라이스유속계와 토탈스테이션(GPT-3002N)등의 기기이며, 프라이스유속계와 토탈스테이션 모두 표 1과 2에서 보여주는 바와 같이 각각이 제시하는 특성에 부합하여 측정이 이루어졌다.
따라서 자연하천에서의 실험이 이루어지기에 신뢰성 있는 유량자료를 확보하기위해 실험 대상 위치가 중요하다. 실험 대상 지점은 왕숙천에 위치한 퇴계원 수위관측소 하류 400m에서 실험이 이루어 졌다. 퇴계원 수위관측소는 유역면적 202.
2㎢의 비교적 작은 소유 역이며, 저수위시 수위 변화가 크게 일어나지 않는 지점이다. 실험대상 범위의 구간은 13m로 전 구간의 동일성이 확보되어 있으며, 하상형태는 자갈과 모래로 다져진 균일한 형태로 실험 조건에 적절한 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 국내에서 일반적으로 사용하는 프라이스유속계(USGS Type AA Current Meter)를 사용하여 일정한 수위에서 유속을 측정하였으며, 횡단면에 직각인 경우를 기준으로 유량을 산정하고 처짐각을 10°～50°로 각도를 크게 하므로 횡단면에 직각이 아닌 경우의 유량을 기준값과 비교분석하였다.

성능/효과

그 결과 직각 1.39m³/s이며, 10°(1.36m³/s), 20°(1.37m³/s), 30°(1.29m³/s), 40°(1.34m³/s), 50°(1.42m³/s)의 보정 전의 유량(Q)보다 안정적이며, 일정한 유량값을 얻을 수 있었다.

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