[논문]자동유량측정시설의 유량산정방법 개선

송재현; 김대영; 진환석; 노영신; 김치영

자동유량측정시설의 유량산정방법 개선
Improvement to the Methods of Discharge Computation for the Automated Real-time Discharge Measurement System 원문보기

송재현 (유량조사사업단 유량조사실) , 김대영 (유량조사사업단 유량조사실) , 진환석 (유량조사사업단 유량조사실) , 노영신 (유량조사사업단 유량조사실) , 김치영 (유량조사사업단 유량조사실)

자동유량측정시설은 연속적인 유량자료를 측정하기 위해 운영되는 실시간-무인화 유량측정 시스템이다. 현재 국내 외에서 유량측정을 위해 설치 및 운영되고 있는 자동유량측정시설은 대부분 초음파유속계를 이용하고 있는는데, 초음파유속계는 유속을 측정하는 방식에 따라 크게 도플러방식 초음파유속계(ADVM, Acoustic Doppler Velocity Meter)와 이동시간차방식 초음파유속계(UVM, Ultrasonic Velocity Meter)로 분류된다. 본 연구에서는 각 방식별로 유량산정방법을 개선하기 위해 설치 운영 중인 자동유량측정시설 중 고령교 지점의 ADVM 방식과 여주, 적성 지점의 UVM 방식을 대상으로 측정성과에 대한 문제점을 분석하고 통계적인 방법을 통해 오측유속을 제거하거나 방식별 또는 지점별 특성을 고려하여 적절한 유량산정방법을 적용하였다. 그 결과 3개 지점에 대한 검증유량과의 평균 상대오차율은 모두 10% 이내로 나타났다.

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문제 정의

본 연구에서는 현재 설치되어 운영 중인 자동유량측정시설 중 ADVM과 UVM 방식으로 적용되어 있는 3개 지점에 대하여 2009년 유량산정시 발생된 문제점을 분석하고 개선하였다. 또한, 각 지점별 개선사항을 적용하여 산정된 자동유량을 검증유량과 비교하기 위하여 상대오차율을 분석하였고, 그 결과 3개 지점 모두 평균 상대오차율이 10% 이내로 개선되었다.

제안 방법

2009년 여주 지점은 1∼2층 총 7개 회선은 정상적으로 측정이 되었으나, 3층 이상의 회선들은 교각 주변 기포 발생 및 부유물 걸림 등으로 정상적인 측정에 장애가 발생된 것으로 판단되어, 1∼2층 회선만을 대상으로 하였다. 그림 11에서 보는 바와 같이 1층 1회선의 수위별 최대 및 최소 경계유속을 설정하여 오측유속을 필터하였으며, 나머지 6개의 회선에 대해서도 동일한 방법으로 적용하였다. 수위별 최대 및 최소 경계유속은 수위별 측정유속들의 정규분포 95% 신뢰구간 범위로 산정하였다.
그림 3에서 보는 바와 같이 ADVM 센서의 셀별 신호강도와 유속값 분석을 통해 셀 1∼40번 중 정상적인 유속범위라고 판단되는 셀 번호 3∼30번으로 선정하고, 그 중 최대 및 최소 유속을 제거한 절사평균 값으로 셀 평균 유속을 산정하였다.
따라서 과대산정되는 유량을 개선하기 위해서 측정된 ADVM 셀 평균유속을 유속지수로 하여 유속지수와 평균유속과의 일정관계를 통해 유속을 산정하는 유속지수법을 적용하였다. 그림 3에서 보는 바와 같이 ADVM 센서의 셀별 신호강도와 유속값 분석을 통해 셀 1∼40번 중 정상적인 유속범위라고 판단되는 셀 번호 3∼30번으로 선정하고, 그 중 최대 및 최소 유속을 제거한 절사평균 값으로 셀 평균 유속을 산정하였다.
25m 이상, 적정 신호강도는 60 이상으로 설정하여 개선하였으나, 2008년은 고수위가 크게 발생하지 않았고, 어떤 특정한 기준 없이 시행착오법으로 최소 잠김깊이와 적정 신호강도의 범위를 설정하여 적용함에 있어 다소 무리가 있었다. 따라서, 2009년 발생한 회선별 유속과 신호강도를 재분석하여 회선별 오측유속을 필터하고, 회선별 최소 잠김깊이를 설정하였다.
본 연구에서는 현재 설치되어 운영 중인 자동유량측정시설 중 ADVM 방식으로 적용되어 있는 고령교 지점과 UVM 방식으로 적용되어 있는 여주, 중랑교 그리고 적성 지점을 대상으로 측정성과에 대한 문제점을 분석하고 개선방안을 적용하였으며, 적용결과를 검증측정유량과 비교하였다.
앞에서 각 지점별 개선사항을 적용한 결과를 분석하기 위하여 그림 20과 21에서 보는 바와 같이 각 지점별 검증유량과 자동유량을 비교하였다.
이는 흐름방향이 저수위에서는 좌안부로 편중되다가 수위가 상승함에 따라 중앙부로 변화하는 적성지점의 흐름특성 때문이며, 적성지점의 경우 수위변화에 따라 보정계수 k가 산정되어야 하지만 수위별 보정계수 k를 산정하여 적용하기가 매우 어렵고 복잡하다. 적성지점의 경우, 이와 같은 문제를 개선하기 위해 그림 7에서 보는 바와 같이 UVM 회선유속을 유속지수로 하는 유속지수법을 적용하였다. 실측된 평균유속과의 관계식으로 산정된 유속의 상관계수(R²)는 0.
회선별 최소 잠김깊이는 센서 제작사에서 권고하는 ① #( α : 센서 주파수에 따른 계수; L : 회선의 길이, m), ② ISO 6416에서 제시하는 회선 길이에 따른 최소 잠김깊이 범위 그리고 ③ 수위별 신호강도 분석을 바탕으로 3가지 중 최대값으로 설정하였다.

성능/효과

고령교 지점은 프라이스 유속계 및 이동 ADCP 모두 평균 10% 내외의 상대오차율을 나타냈으며, 전체 검증측정에 대한 평균 상대오차율에서는 최대 15.7%, 최소 0.9%, 평균 10.4%로 나타났다. 적성 지점은 프라이스 유속계와 부자 모두 평균 10% 이내의 상대오차율을 나타냈으며, 전체 검증측정에 대한 평균 상대오차율에서는 최대 9.
본 연구에서는 현재 설치되어 운영 중인 자동유량측정시설 중 ADVM과 UVM 방식으로 적용되어 있는 3개 지점에 대하여 2009년 유량산정시 발생된 문제점을 분석하고 개선하였다. 또한, 각 지점별 개선사항을 적용하여 산정된 자동유량을 검증유량과 비교하기 위하여 상대오차율을 분석하였고, 그 결과 3개 지점 모두 평균 상대오차율이 10% 이내로 개선되었다.
9%로 나타났다. 여주 지점은 프라이스 유속 계, 이동 ADCP 및 부자 모두 평균 10% 내외의 상대오차율을 나타냈으며, 전체 검증측정에 대한 평균 상대오차율에서는 최대 17.4%, 최소 2.9%, 평균 10.4%로 나타났다. 여주 지점의 경우 수위 4.
다층 단일회선 UVM 방식으로 설치된 적성 지점은 그림 6에서 보는 바와 같이 1개의 회선이 총 3개의 층으로 구성되어 있으며, 유량산정방법은 ISO 6416에서 제시하고 있는 측정유속과 평균유속의 관계를 나타내는 보정계수 k를 이용한 평균단면적법을 이용하고 있다. 적성 지점은 그림 7에서 보는 바와 같이 H-Q 관계식에 의한 환산유량보다 과대하게 산정되며, 이러한 오차는 특히 첨두에서 더욱 증가하는 것으로 나타났다.
4%로 나타났다. 적성 지점은 프라이스 유속계와 부자 모두 평균 10% 이내의 상대오차율을 나타냈으며, 전체 검증측정에 대한 평균 상대오차율에서는 최대 9.1%, 최소 3.8%, 평균 5.9%로 나타났다. 여주 지점은 프라이스 유속 계, 이동 ADCP 및 부자 모두 평균 10% 내외의 상대오차율을 나타냈으며, 전체 검증측정에 대한 평균 상대오차율에서는 최대 17.

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