• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2007년도 학술발표회 논문집
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• pp.508-512
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• 2007

하천유량자료는 이수, 치수, 수질관리 등의 목적으로 널리 사용되기 때문에 여러 가지 수문관측 자료 중 가장 중요하다고 할 수 있다. 그러나 우리나라의 유량자료는 여러 가지 한계를 가지고 있어서 수문자료로서 제대로 사용되지 못하고 있는 실정이다. 특히 홍수기 부자측정 방법에 의해 산정된 유량자료는 측정 여건, 방법, 기기 등의 한계로 인해 그 정확도가 더욱 낮다. 부자에 의한 유량측정은 일정거리를 유하하는 부자의 유하시간을 측정하여 평균유속을 구하고, 사전에 측량된 횡단면으로부터 유하한 개별 부자의 해당 단면적을 구하여 부분 단면적을 구한다. 구해진 개별 부자의 평균유속과 부분 단면적을 곱하여 부분유량을 산출한 후, 각 부분유량을 합하여 전체 유량을 계산한다. 이와같은 부자법은 유속-면적법이 가지고 있는 흐름 단면적 계산, 평균유속 계산의 불확실도 이외에 유하경로에 의한 불확실도, 부자 유하 시간의 불확실도, 유속 보정 계수의 불확실도 등을 포함한다. 기존 홍수 유량측정에 사용하고 있는 부자법은 육안에 의해 부자의 위치를 파악하고, 가상의 횡단선을 통과할 때 육안으로 관측하여 유하시간을 측정하는 방법이기 때문에 정확한 유량측정에 한계가 있다. 뿐만 아니라 측정에 다수의 인원이 필요하며, 홍수시 많은 비가 내리거나, 야간에 측정하는 경우에는 부자의 식별이 곤란하고 측정 여건이 불량하기 때문에 측정에 큰 애로가 있다. GPS를 이용한 전자부자는 자동으로 유속을 측정하기 위해 기존 홍수유량 측정에 사용하던 부자에 전자장치를 추가하는 것을 말한다. 본 연구에서는 GPS와 RF를 기존 봉부자에 추가하여 봉부자의 유속과 봉부자의 괘적을 측정할 수 있는 전자부자를 개발하였다. 개발한 전자부자는 기존 육안에 의한 방식보다 자동으로 정확한 유속 측정이 가능하며, 동시에 여러 개의 봉부자 사용이 가능하여 측정시간 절감이 가능하고, 비가 내리거나 야간에도 자동으로 측정이 가능한 특징을 지니고 있다. 본 연구에서 개발된 전자부자는 3개 주파수 대역을 이용할 수 있도록 개발하여, 총 15개의 부자를 동시에 투하할 수 있도록 개발하였다. 전자부자 시험결과 50m, 100m 구간 유속을 검증한 결과 50m의 경우 최대 평균 5.97%, 평균 2.38%의 상대오차를 나타냈으며, 100m의 경우 최대 5.43%, 평균 1.9%의 상대오차를 나타냈다. 자연하천 유량측정 결과 댐 방류량 대비 기존방법의 경우 약 8.2%의 상대오차를 지니고 있었으며, 전자부자의 경우 약 2.8% 상대오차를 지니고 있어, 기존 부자법에 비해 전자부자법이 5.4%의 상대오차 개선효과를 지니고 있었다. 이와같은 오차의 범위는 실제 하천에서 전자부자를 이용하여 유속측정이 가능함을 나타내는 결과이다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2017년도 학술발표회
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• pp.72-72
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• 2017

하천의 유량 측정 자료는 수자원 개발 및 하천 방재의 중요한 기초 자료로 이용되며 정확한 유량 측정자료를 얻기 위해 많은 수자원 전문가들이 노력하고 있다. 그 결과 국내 하천 유량측정 기술들이 선진화되고 있으며 유량 측정 성과의 양적 측면에서의 개선이 이루어졌다. 하지만 유량 측정 결과에 대한 질적 평가 즉, 측정 불확도 평가에 대한 기준이 미흡하기 때문에 유량 측정 성과의 신뢰도 개선을 위한 연구가 필요한 실정이다. 일반적인 홍수 시 하천 유량측정 방법으로 가장 많이 사용하고 있는 부자법의 경우 유량 측정 불확도 평가방법이 ISO 748:2007 지침에 제시되어 있다. 구체적으로 ISO 748:2007 지침에서는 측선 수에 대한 불확도, 하폭 측정의 불확도, 수심 측정의 불확도 그리고 부자 유속계수, 유하경로 이탈, 유하시간 측정 등으로 발생하는 평균유속 측정 불확도를 고려하여 부자를 이용한 유량 측정 불확도를 평가한다. 하지만, 부자유속계수의 불확도, 유하경로 이탈에 따른 불확도, 유하시간 측정의 불확도를 평가할 수 있는 방법이나 정량적인 불확도에 대한 기준이 포함되어 있지 않아 실무에서는 이와 같은 불확도 인자들의 표준불확도를 무시하고 유량 측정 불확도를 제시하고 있어 실제 발생할 수 있는 유량 측정 불확도 보다 작게 제시하고 있는 문제가 있다. 이에 본 연구에서는 부자를 이용한 유량 측정 시 평균유속 불확도에 영향을 미치는 요인들 중 기여도가 크다고 판단되는 부자 유속계수에 대한 표준불확도를 실규모 실험을 통해 산정하였으며, 이 결과는 향후 부자를 이용한 유량 측정 불확도 평가를 위한 기준 마련에 도움이 될 것으로 기대한다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2016년도 학술발표회
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• pp.105-105
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• 2016

최근 기후변화 위기에 따른 대책으로 하천 유량 모니터링이 제시될 정도로 유량자료의 중요성이 확대되고 있다. 하천의 유량자료는 수자원개발 및 하천 방재의 중요한 기초자료로 이용되기 때문에 유량 산정 결과에 대한 신뢰도 즉, 측정 불확도를 정량적으로 제시하기 위한 연구는 오래 전부터 많은 연구자들에 의해 수행되었다. 1963 ~ 1970년에 영국 및 미국의 다수 하천의 유량 측정자료를 활용하여 국제표준화기구(ISO)에서 제시한 ISO 748이 대표적인 지침서이다. 현재 국내 유량조사 업무에서도 ISO 748의 측정 불확도 평가 방식을 이용하여 유량 측정 결과의 신뢰도를 제시하고 있다. 하지만 하천 유량조사는 현장 상황과 측정 인력의 경험 등에 따라 차이가 크게 발생할 수 있으며, 최근 첨단 센서를 활용한 유량 측정 기법들이 다수 개발되어 사용 중일 뿐만 아니라 측정 불확도 평가 체계를 GUM(Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement)으로 변화해가고 있는 추세 등을 고려하였을 때 기존의 ISO 748에서 제시한 유량 측정 불확도 평가 방법에 대한 재검토에 대한 요구가 증대되고 있다. 특히 국내에서 홍수 시 유량 조사 방법으로 가장 많이 사용하고 있는 부자법의 경우 ISO 748에서 제안한 방법으로 측정 불확도를 제시하고 있지만 실제적으로 현장 상황을 고려하지 못하고 있는 것이 사실이다. 예를 들어 육안으로 관측하기 어려워 부자의 유하거리를 직선으로 가정함에 따른 불확도를 포함하지 못하고 있고, 부자가 유하하는 동안 부자의 흘수가 일정하지 않음에 따른 불확도를 포함하지 못하고 있다. 특히 부자 투하 측선과 유량 측정 단면을 부자가 지나가는 측선이 다름에 따른 불확도는 반드시 포함되어야 하지만 고려할 방법이 없어 아직까지 반영되지 못하고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 부자를 이용한 유속 측정 불확도 산정에 있어서 그동안 ISO 748에서 정량적으로 고려하지 못한 불확도 인자들에 대하여 영상기법을 활용한 실험적 검토를 통해 정량적인 평가 기준을 제시하고자 한다. 이를 위해 실제 하천 규모의 흐름을 재현할 수 있는 안동하천실험센터의 직선수로에서 다양한 수리조건에 대한 부자를 이용한 유속 측정을 실시하여 측정 불확도를 산정하고자 한다. 본 연구 결과는 향후 부자를 이용한 유량 측정 불확도 평가 방법을 개선할 수 있고, 더 나아가 부자를 이용한 유량 측정 방법의 문제점을 개선할 수 있기 때문에 정확도를 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2017년도 학술발표회
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• pp.205-209
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• 2017

최근 우리나라의 수자원 관련 기술의 발전과 연구는 상당한 속도로 이루어지고 있다. 그 중 유량측정 분야는 모든 수자원계획과 관리의 근간이 되는 분야로 그 중요성이 상당한 부분을 차지한다. 대부분의 자연하천에서 저평수기는 물의 흐름이 비교적 안정된 정상류 흐름이므로 유속계를 통해 유속분포 및 평균유속의 비교적 정확한 측정이 가능하다. 반면, 홍수기 유량측정은 하천의 수리특성이 급변하고 인력, 장비, 안전 등의 문제로 소극적인 측정을 할 수 밖에 없는 것이 현실이다. 홍수기 유량 측정방법은 부자 측정방법과 전자파 표면유속계와 같은 비접촉식 측정방법에 의존하고 있다. 부자법과 전자파 표면유속계는 평균유속과 유량을 계산하기 위해 측정 유속의 보정계수를 활용하여 평균유속으로 환산하여 사용한다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2010년도 학술발표회
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• pp.1284-1288
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• 2010

부자의 보정계수를 결정하는 방법은 크게 다음과 같이 현행 방법과 WMO 제안 방법으로 구분할 수 있다. 현재 국내에서 적용하고 있는 방법으로 표면부자부터 4.0m부자까지 사용된 부자의 종류에 따라 사전에 정해진 보정계수를 적용한다. WMO에서 제안하고 있는 방법은 해당 하천의 수심과 사용된 부자 흘수(吃水)의 상대적 비로부터 산정되는 보정계수를 적용하는 방법이다. 본 연구는 국내 유량측정기술의 개선을 위한 선행연구로, '07~'08년의 국토해양부 부자 측정성과(86개 지점 788개 유량측정성과)를 현행 방법 및 WMO 제안 방법을 적용하여 산정된 유량을 비교 분석하였다. 분석 결과, WMO 방법을 이용하여 산정된 유량은 각 측정성과별로 현행 방법을 적용하여 산정한 유량 대비 -7.69~+7.20%의 차이를 보였으며, 평균 1.57% 작게 산정되었다. 각 수계별로 한강은 -5.90~+2.55% 범위에서 평균 -2.11%, 낙동강은 -7.69~+7.20% 범위에서 평균 -2.45%, 금강은 -7.39~+7.03% 범위에서 평균 -0.52%, 영산강은 -6.50~+2.58% 범위에서 평균 -1.59% 로 산정되었다. 또한 각 성과에 대해 각 지점의 주요 인자들과의 상관성을 검토한 결과, 산정된 유량의 차이는 지점의 수심에 매우 큰 상관성을 가지는 것으로 나타났다. 저수심에서는 WMO 방법이 상대적으로 크게 산정되었으며, 고수심에서는 현행 방법을 적용하여 산정한 유량이 상대적으로 크게 나타났다. 특히 약 8m 이상의 수심에서는 보다 큰 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2023년도 학술발표회
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• pp.449-449
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• 2023

유량은 도섭법, 보트법, 횡측선법, 교량법 및 부자법 등 다양한 방법으로 측정되는데, 이들 측정방법 모두 많은 수의 관측자를 필요로 한다. 이들은 하천에 직접 들어가서 측정하거나, 인공구조물인 교량과 재방에서 측정되는데, 도섭법, 보트법, 횡측선법이 전자이며, 고수위 및 고유속으로 하천에 들어가지 못하는 경우에는 교량법 및 부자법을 사용하여 유량을 측정한다. 최근 지구 온난화로 따른 이상 기후가 빈번히 발생하고 있으며, 이로 인한 많은 피해가 발생하고 있어, 하천 수위, 유속 모니터링에 대한 중요성이 더 커지고 있다. 2022년 1월부터 시행 중인 「중대재해처벌법」으로 집중호우 및 일몰 이후에는 안전상의 문제로 유량측정이 어려운 상황으로 필요한 시기에 유량 데이터를 확보에 제약이 있다. 이에 관측자 없이도 유량을 측정할 수 있는 방법을 이용하여 중대 재해의 위험성을 해소하고자 하였다. 유량측정 방법으로 설치 회수가 용이한 비접촉 방식에서 영상표면유속측정 방식과 레이더(전자파)표면 유속측정 방식 중, 집중호우 및 태풍 발생 중 가시성이 확보되지 않아도 측정이 가능한 레이더(전자파) 표면유속계를 이용한 다측점 유량측정 방법을 개발하였다. 비접촉 다측점 유량측정시스템 Master 1대에 8대의 Slave를 연결할 수 있어 총 9개의 측선을 측정할 수 있게 개발하였다. 특히, 하천 및 수로 등의 표면 유속을 비접촉으로 측정하고 하천 단면을 이용하여 유량측정이 가능한 장비로 별도의 수중 및 수상 주조물 작업이 필요 없고 장비의 손상 및 유실 가능성이 거의 없고 역류 상태에서도 측정이 가능하다. 유속은 24GHz의 레이더 주파수를 송수신하여 도플러 변이를 이용하여 측정하였고, 수위는 80GHz의 레이더 주파수를 사용하여 왕복 시간을 거리로 환산하여 측정하였다. 유량은 각각의 유속계에 단면을 입력해 놓으면 유속분포법, 중간단면적법 및 지표유속법을 적용하여, 각각의 측선에 대한유량과 총 유량을 산출하였다. 그 결과, 기존 방식 대비 상당한 개선 효과를 확인하였고, 향후 환경부 등 중앙부처의 수문조사 사업에서 그 역할이 기대된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2015년도 학술발표회
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• pp.79-79
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• 2015

현재 홍수 시 유량조사에 가장 많이 사용하고 있는 부자법은 측정 인력, 측정비용 및 위험성이 높다는 단점이 있다. 또한 교량에서 부자를 투하하고 측면에서 부자의 이동을 추적하기 때문에 평면상의 이동에 대한 정보를 얻기 어렵다는 한계가 있다. 이에 김서준 등(2014)은 PTV 기법을 이용한 부자 추적 알고리즘을 개발하였으나 부자가 회전하거나 물속에 잠기는 부분이 변화하여 수면 위로 확인되는 부자의 길이가 변할 경우 추적이 어렵다는 한계가 있었다. 이를 개선하고자 본 연구에서는 Template Match 알고리즘과 색상 기반 영상 처리 기법을 이용한 목표물 인식 방법인 Camshift 기법을 적용하여 부자를 추적할 수 있는 알고리즘을 개발하였다. Template Match 알고리즘의 경우는 입자가 많을수록 추적을 잘한다는 장점이 있지만 회전 및 변형에 취약하다는 단점이 있고, Camshift 영상 처리 기법의 경우 다수의 추적자가 존재할 경우 추적에 어려움이 있으나 추적자의 회전과 변형을 정확하게 추적할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 Template Match 알고리즘을 이용하여 이동 예상영역을 결정하고 Camshift 영상 처리 기법으로 추적을 하게되면 두 방법의 장점을 모두 살릴 수 있다. Camshift 영상 처리 기법을 실제 부자 추적에 적용해 본 결과 부자의 회전 및 변형에도 정확하게 추적할 수 있는 것을 확인하였다. 향후 부자법을 이용한 유량 조사에 본 연구에서 개발한 알고리즘을 적용한다면 현장에서 동영상 촬영만 하면 되기 때문에 측정 인원을 최소화 할 수 있어 매우 경제적이고, 홍수 시 위험성도 감소할 것으로 기대된다.

• 대한토목학회논문집
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• 제29권4B호
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• pp.329-337
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• 2009

본 연구에서는 GPS와 RF 통신을 이용하여 개발한 전자부자 시스템을 간략하게 설명하고 현장 실측 결과를 분석하고 제시 하였다. 개발된 시스템은 15개의 전자부자를 동시에 이용하여 유량측정에 활용할 수 있다. 전자부자는 GPS를 이용하여 실제 유하경로를 측정할 수 있으며, 이를 통해 기존 부자법에 비해 10% 정도의 유속 측정 정확도의 개선이 가능하였다. 또한 ADCP와 유속 측정값을 비교한 결과 대체로 일치하는 결과를 보였다. 전자부자와 일반 부자법에 의해 계산된 소단면별 단면적 차이는 -79~71%에 달하였으며, 특히 부자의 중앙 수렴 경향으로 인해 좌우안 부근의 단면적 차이가 증가하였다. 부자의 유하경로와 단면의 배치가 불규칙한 지점에서 전자부자는 댐 방류량 대비 5~6%의 유량 개선 효과를 가지는 것으로 나타났다. 전자부자는 GPS에 기반한 측위 정보를 제공함으로써 정확한 유속과 단면적 산정이 가능하며, 현장 여건과 관계없이 적은 인력으로 측정과 분석, 유량계산을 신속하게 실시간으로 수행함으로써 홍수 유량측정의 효율성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2021년도 학술발표회
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• pp.53-53
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• 2021

본 연구에서는 수심센서가 장착된 고성능 GPS 전자부자를 활용하여 하천 수리량 측정에 대한 방법과, 개발 된 고성능 GPS 전자부자의 성능 검증을 위해서 수리량 측정장비인 Flowtracker 측정데이터와 비교분석을 하고자 하였다. 국내 하천환경에서의 수리량 조사는 필수적인 요소이다. 최근 국내 첨단기술을 활용한 수리량 계측 기술들은 ADCP, ADV, UVM, SIV와 같은 많은 계측 기술들이 있다. 이러한 기술들은 장비가 매우고가이며, 많은 시간과 인력이 필요하고 상황에 따른 한계점들이 존재한다. 이러한 수리량 계측 기술들은 오일러리안 타입 계측 방식의 측정으로 계측 구간이 한정되어 있어 수질 오염사고와 같은 장구간의 지속적인 정보가 필요한 하천상황에 따라 라그랑지안 방식의 계측도 필요하다. 본 연구에서 개발 된 고성능 GPS 전자부자는 IoT 기술이 접목되어 실시간 데이터 활용이 가능하며 실시간 데이터 분석을 통해 라그랑지안 타입의 장구간 계측이 가능하다. 고성능 GPS 전자부자는 외경 197mm 지름 88mm, 무게 700g 이내로 간편하게 소지 및 사용 시 투척이 간단하여 인력 및 현장 접근성에 대한 장점을 가지고 있다. 또한 기존 선행 연구들의 GPS 전자부자들의 경우 홍수 발생 시에 유량 측정에서 어려움이 있었기 때문에 본 연구에서 개발된 고서은 GPS 전자부자의 경우 수심센서의 장착으로 유량까지 산정할 수 있기 때문에 홍수 발생이나, 오염물질 발생으로 인한 접근성이 어려운 하천상황에서 유용하게 사용될 수 있다. 고성능 GPS 전자부자를 활용하여 중·소하천인 경북 김천 및 구미시에 위치한 감천에서 성능 평가를 진행하였으며 Flowtracker 수리량 측정 데이터 대비 오차율이 10% 이내로 들어오는 것을 확인하였다. 이러한 성능 검증을 바탕으로 고성능 GPS 전자부자를 활용한 측정법을 제시하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2020년도 학술발표회
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• pp.158-158
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• 2020

국내외 기상이변으로 인한 하천허용유량의 초과가 많이 일어나고 있다. 이때 사람이 직접 도섭으로 하천의 정보 대한 정보를 취득하기 어렵기 때문에 간접적인 방법으로의 정보취득이 중요시 되어야 한다. 그에 따른 방법으로 주입식의 표면부자를 활용한 방법이나, PIV 기법을 활용한 표면영상유속계측법을 이용한 유속측정방법 등이 있다. 하지만 이런 표면영상유속계측법은 영상의 변위가 커지게 되어 시간간격 설정에 대한 어려움 등이 있고, 표면부자법의 경우 표면 유속을 대변 할 수 있을지에 대한 분석연구가 필요하다. 따라서 이러한 표면 영상 유속계측법과 표면부자의 수표면 유속 측정 능력 등을 분석하여 GPS 전자부자의 활용성을 확인해 보고자 하였다. Lab-Scale 수로에서 GPS전자부자를 입자로 활용하여 주입 후 흘러가는 부분을 영상촬영하고, LS-PIV 기법을 활용하여 분석한 후 검증이 된 전자유속계 (FlowTracker)의 데이터를 참값으로 비교 분석하였다. LS-PIV 기법을 통해서 GPS 전자부자의 표면 유속 측정 능력을 잘 검증해낸다면, 유속측정에 용이하고 접근성 및 안정성까지 확보할 수 있다. 더 나아가 홍수 시 사용뿐만 아니라, ADCP나 ADV로 측정이 불가능한 저수심·저유속의 중소하천에서도 적용할 수 있다. GPS전자부자의 지속적인 연구는 향후 하천 측정 시스템에 많은 도움을 줄 것으로 사료된다.