• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.225-225
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• 2021

하천 유량측정을 위한 영상유속계는 비접촉식 방식이기 때문에 현장에서의 측정이 간편하고, 비교적 안전하기 때문에 비접촉 측정방식의 활용방안 마련에 대한 연구개발 등이 꾸준히 진행되어 왔다. 다만, 이러한 비접촉식 유속계는 표면의 유속을 측정하기 때문에 유량산정을 위해서는 평균유속으로의 환산이 필요하지만, 현재까지는 평균유속 환산계수를 사용하여 표면유속을 평균유속으로 환산하는 방법이 유일하게 활용되고 있다. 하지만, 실제 하천에서는 단면 및 하도형태, 하상조건, 수리특성 및 유속분포 등의 다양한 조건에 따라 환산계수가 결정되기 때문에 이를 단순히 일률적으로 적용하는 것은 곤란하며, 이로 인해 과거 오랫동안 표면유속을 평균유속으로 환산하기 위한 다양한 연구가 진행되었지만, 실제 다양한 조건의 하천에 적용할 수 있는 표준화된 방법은 아직까지 제시되지 못하고 있다. 현재까지, 고정식으로 설치된 유속계로부터 측정된 유속을 평균유속으로 환산하는 방법으로는 국내외적으로 지표유속법과 유속분포법이 대표적이며, 초음파유속계를 활용한 자동유량측정시설의 유량산정방법으로 활용되고 있다. 이러한 방법들은 고정된 유속계의 측정유속을 지표유속으로 하여 다양한 범위의 실측된 평균유속과의 관계를 개발하여 활용하거나, 지표유속을 매개로 개수로 단면의 이론적인 유속분포를 추정하여 평균유속을 산정한다. 또한, 기존의 표면유속을 측정하는 방법을 활용하여 유량을 산정하기 위해서 표면유속과 평균유속과의 비를 나타내는 환산계수(K = 0.85)를 활용하고 있다(Rantz, 1982). 이러한 환산계수는 대상지점의 수리특성, 하도 및 단면형태에 따라 달라지지만 적절한 환산계수를 산정하는 것은 매우 어렵기 때문에 표면유속을 활용한 유량산정에 한계가 있다. 따라서, 연구에서는 비접촉식 표면유속계의 고정식 유량측정 활용성 및 적용성을 검토할 목적으로 환산계수를 활용한 방법(이하 환산계수법)을 포함하여 지표유속법 및 유속분포법 등 표면유속을 활용한 유량산정방법을 검토하였다. 이를 위해 한강 지류 탄천의 서울시(대곡교) 지점을 대상으로 영상유속계 등 비접촉식 유속계를 적용하여 표면유속을 측정하였다. 다양한 유량조건에서 측정한 표면유속을 토대로 세가지 유량산정방법을 적용하여 유량을 산정하였으며, 산정된 유량을 기존 수위-유량관계 곡선식의 환산유량과 비교하여 표면유속의 지표유속 활용성을 검토하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2018.05a
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• pp.273-273
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• 2018

하천유량을 산정하는 전통적인 방법은 수위-유량관계(stage-discharge relation)를 이용하는 것이며, 최근에는 하천특성에 따라 연속적으로 유속을 직접 측정하고 지표유속법(index velocity method) 또는 유속분포법(velocity profile method)을 이용하는 방법도 적용되고 있다. 연속으로 유속을 측정하는 방법에는 전자파 또는 영상이미지를 이용하여 표면유속을 측정하는 방법과 수중에 초음파 유속계를 설치하여 수중의 유속을 측정하는 방법이 있으며, 국내에서는 초음파 유속계를 이용하는 방법이 주로 활용되고 있다. 본 연구에서는 전자파표면유속계(MU2720)로 측정된 표면유속과 지표유속법을 이용하여 하천유량 산정방법을 검토하였다. 본 연구는 홍천강의 홍천군(반곡교)와 홍천군(홍천교), 한탄강의 철원군(한탄대교) 수위관측소에서 2016년도에 전자파표면유속계로 측정된 43개의 자료(평균유속 0.61~2.56m/s)를 이용하였다. 전자파표면유속계에 의한 유속측정은 한 지점에 고정하여 측정하지 않고 여러 개의 측선을 분할하여 표면유속을 측정하였으며, 단면 평균유속(Vm)과 가장 상관성이 높은 측선(지점)의 유속을 지표유속으로 하여 지표유속(vi)과 평균유속과의 관계식을 작성하고, 이를 통해 유량을 산정하였다. 여기서 평균유속은 전자파표면유속계로 측정한 유속을 이용하여 산정한 값이다. 그 결과 지표유속과 평균유속관계식의 결정계수($R^2$)는 0.9874~0.9976이었으며, 측정 평균유속과 지표유속관계식으로 산정된 평균유속과의 평균 편차율은 2.26~3.80%로 표면유속과 지표유속법을 이용한 유량산정 방법의 적정성을 확인할 수 있었다. 따라서 현재 국내에서 자동유량측정시스템에 초음파유속계만 상용화되고 있으나 향후에는 하천특성에 따라 전자파표면유속계를 이용하는 방법도 고려해 볼 필요가 있을 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2022.05a
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• pp.259-259
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• 2022

하천에서 측정된 표면유속을 이용하여 유량을 산정하는 방법은 전통적으로는 여러 개의 측선에서 표면유속을 측정하고 해당 단면적을 적용하여 전체의 유량을 산정한다. 이러한 방법은 조사자가 직접 표면유속계를 이용하여 이동하면서 측정해야 하며, 측정에 상당한 시간이 소요된다. 또한 사람이 직접 교량 위, 케이블 등을 통해 측정해야 하므로 위험에 노출될 수 있다. 따라서 실시간 표면유속을 측정하여 무인으로 유량을 산정할 수 있는 방안이 필요하다. 본 연구에서는 최대유속이 발생하는 하나의 지점에서 측정된 표면유속을 이용하여 전체의 유량을 산정할 수 있도록 지표유속법(index velocity method)과 유속분포법(velocity distribution method)을 적용하여 비교하고자 한다. 지표유속법은 최대유속과 평균유속과의 관계식을 작성하여 유량을 산정하는 방식이며, 유속분포법은 Chiu(1987, 1988)의 엔트로피 개념의 유속분포법(개수로 단면에서의 2차원적 유속분포)을 적용하고자 한다. 연구를 위해 사용되는 자료는 8개 지점에서 전자파표면유속계로 측정된 유속 및 유량자료를 이용하였다. 본 연구결과를 활용하여 표면유속을 이용한 자동유량측정시스템을 도입한다면 자동유량측정시설의 설치 및 운영에 있어 기존 수중에 센서를 설치하여 운영하는 것보다 효율적일 것으로 판단된다. 또한 단면형상 및 흐름이 복잡하지 않는 하천에서 활용도가 높을 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2023.05a
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• pp.298-298
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• 2023

전자파표면유속계는 홍수량 측정을 위해 사용되는 비접촉식 유속계로, 전자파를 발사한 후 수표면에 반사되는 전자파의 도플러 효과를 이용하여 표면유속을 측정하는 기기이다. 국제적으로 1980년대부터 홍수량 측정의 어려움을 극복하기 위해 하천 유량측정 업무에 활용하였다. 전자파표면유속계를 이용하여 정확한 표면유속을 측정하기 위해서는 측정 위치, 방향, 노출시간, 환경 등을 고려해야 한다. 여기서 노출시간은 표면유속 측정을 위해 전자파를 흐름 상태의 수표면에 노출시키는 시간을 의미한다. 특히, 노출시간은 유속에 따라 결정되며, 빠른 유속일수록 측정에 필요한 노출시간이 짧아진다. 그러나 노출시간이 너무 짧으면 측정 유속값이 부정확하거나 불안정해질 수 있으며, 반대로 너무 길면 수위 등 측정조건이 변화하여 측정값이 부정확해질 수 있다. 따라서 홍수량 측정을 위해 전자파표면유속계의 표면유속 측정의 적정한 노출시간을 설정해야 한다. 본 연구에서는 전자파표면유속계의 적정한 노출시간 검토를 위해 안동하천실험센터에서, 표면유속 최대 4.92 m/s에서 최소 0.457 m/s 범위의 19개 유속 조건에서 노출시간을 10초에서 40초까지 5초 간격으로 변화시키며 표면유속을 측정하였다. 현재 국내외 가이드라인에서 권고하고 있는 노출시간 30초에서 측정된 표면유속과 각 노출시간에서 측정된 표면유속의 정확도 검증을 통해 유사한 값을 가지는 표면유속을 검토하여, 수위변화에 대응하여 홍수량 측정을 위한 최소 노출시간을 검토하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2020.06a
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• pp.230-230
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• 2020

하천 유량측정을 위한 표면유속계는 비접촉식 방식이기 때문에 현장에서의 측정이 간편하고, 비교적 안전하기 때문에 홍수시 유량측정에 널리 이용되고 있다. 비접촉식 유속계가 가지고 있는 이러한 장점으로 전자파표면유속계의 활용이 점차 증가하고 있으며, 영상유속계와 같은 비접촉 측정방식의 활용방안 마련에 대한 연구개발 등이 꾸준히 진행되어 왔다. 최근에는 고정식으로 상시 운영이 가능한 표면유속계 등이 출시되어 소규모 하천이나 수로에서의 상시 유량측정에 활용되고 있다. 다만, 이러한 비접촉식 유속계는 표면의 유속을 측정하기 때문에 유량산정을 위해서는 평균유속으로의 환산이 필요하지만, 현재까지는 평균유속 환산계수를 사용하여 표면유속을 평균유속으로 환산하는 방법이 유일하게 활용되고 있다. 하지만, 실제 하천에서는 단면 및 하도형태, 하상조건, 수리특성 및 유속분포 등의 다양한 조건에 따라 환산계수가 결정되기 때문에 이를 단순히 일률적으로 적용하는 것은 곤란하며, 이로 인해 과거 오랫동안 표면유속을 평균유속으로 환산하기 위한 다양한 연구가 진행되었지만, 실제 다양한 조건의 하천에 적용할 수 있는 표준화된 방법은 아직까지 제시되지 못하고 있다. 현재까지, 고정식으로 설치된 유속계로부터 측정된 유속을 평균유속으로 환산하는 방법으로는 국내외적으로 지표유속법(Index Velocity Method)과 유속분포법(Velocity Profile Method)이 대표적이며, H-ADCP (Horizontal-Acoustic Doppler Velocity Profiler) 또는 UVM(Ultrasonic Velocity Meter) 등과 같은 초음파유속계를 활용한 자동유량측정시설의 유량산정방법으로 활용되고 있다. 이러한 방법들은 고정된 유속계의 측정유속을 지표유속(V_i)으로 하여 다양한 범위의 실측된 평균유속과의 관계를 개발하여 활용하거나, 지표유속을 매개로 개수로 단면의 이론적인 유속분포를 추정하여 평균유속을 산정한다. 이러한 지표유속을 활용하는 방법들에서 공통적으로 중요한 것은 하천단면의 최대유속(V_max)이 가장 좋은 지표유속이라는 것이다. 따라서 국제기준에서는 지표유속을 측정하는 유속계의 가장 바람직한 위치로 유심부(core flow)를 권장하고 있다. 하지만, 접촉식 유속계의 경우 유심부 설치가 매우 어렵고 많은 비용이 들기 때문에, 비접촉식 유속계를 활용하여 하천단면의 최대유속을 측정할 수 있다면, 가장 효율적인 고정식 측정방법이 될 수 있을 것이다. 따라서, 본 연구에서는 비접촉식 표면유속계의 고정식 유량측정 활용성 및 적용성을 검토할 목적으로 표면유속에 대한 유량산정방법을 검토하였다. 이를 위해 24GHz의 주파수를 갖는 레이다표면유속계인 Sensoflow를 낙동강 수계 길안천에 위치한 안동시(대사3교)에 고정설치하여 표면유속을 지표유속으로 수집하였다. 다양한 유량규모에서 측정한 실측 표면유속과 수집된 표면유속을 지표유속으로 활용하여 지표유속관계를 개발하였으며, 산정된 유량을 기존 수위-유량관계곡선식의 환산유량과 비교하여 표면유속의 지표유속 활용성을 검토하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2010.05a
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• pp.1921-1925
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• 2010

개수로의 흐름을 측정하는 유속계는 유체역학 및 수리학적 연구와 유량 측정 등의 업무에 필수적인 장비이다. 그동안 국내에서는 일부 전자파표면유속계(이상호 등, 1997)와 영상처리 기반의 LSPIV(김영근 등, 2004)와 같은 비접촉식 유속측정 장치가 개발되어 활용되고 있지만, 유속 및 유량 측정에 보다 널리 사용되고 있는 수중 투입식 유속계의 경우 거의 개발되지 않았다. 특히 유속 분포를 측정하는데 활용될 수 있는 초음파 방식 유속 프로파일러는 거의 전적으로 외국제품에 의존하고 있다. 일반 유속계가 점유속을 측정하는데 비해 유속 프로파일러는 센서가 지향하는 방향선을 따라 공간적인 유속분포를 동시에 획득할 수 있으므로 측정 효율성이 높다는 장점을 지닌다. 본 연구에서는 국내 기술로 개수로 흐름 측정에 활용할 수 있는 초음파 유속 프로파일러를 개발하였다. 이 유속 프로파일러는 초음파 펄스를 반복적으로 송수신하는 PRF 기법을 이용하여 개발하였다. 개발된 유속 프로파일러는 직사각형 수로에서 유속 분포를 측정하기 위해 적용하였으며, 기존의 2차원 유속계와 그 결과를 비교하였다. 본 연구에서 개발한 유속 프로파일러는 실제 하천에 활용하기에는 측정 가능한 유속 및 수심 범위의 한계가 있으나 PRF 기법의 한계 범위에서는 실측 유속분포를 비교적 잘 재현하는 것으로 나타났다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2022.05a
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• pp.424-424
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• 2022

홍수기 유량측정시 안전성을 이유로 비접촉식인 전자파 표면유속계의 활용도가 증가하고 있다. 전자파 표면유속계는 기존의 수심에 따라 유속을 측정하는 방법과 달리 표면유속을 대표유속으로 측정하는 장비로 평균유속을 산정하기 위해서는 환산 보정계수를 산정하여 유속을 보정해야 한다. 국제표준화기구(ISO 748)에 따르면 표면유속 측정 시 보정계수는 0.84~0.90으로 권장하고 있으며 국내에서는 통상적으로 표면유속 측정시에는 0.85를 일괄 적용하고 있다. 이에 본 연구에서는 초음파 유속계인 ADCP(Acoustic Doppler Current Profile)로 측정된 평균유속 자료를 활용하여 전자파 표면유속계에서 측정된 표면유속 자료와 비교 검토하였고, 검토된 자료를 이용하여 대상지점의 수리특성을 반영한 보정계수를 산정하였다. 이러한 결과는 하천에서 전자파 표면유속계를 이용할 경우 평균유속 환산 보정계수를 산정하는데 큰 도움이 될 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2012.05a
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• pp.614-614
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• 2012

개수로에서 혹은 수리구조물 주변에서의 흐름 및 난류 특성을 파악하기 위해서는 연직유속분포 및 수심별 평면유속분포의 측정이 필요하다. 유속분포를 측정하기 위한 방법은 음파 도플러 유속계(ADV:Acoustic Doppler Velocimetry)를 사용하는 방법과 PIV 기법을 이용하는 방법이 있다. 일반적으로 ADV는 한 지점의 유속을 시간변화에 따라 연속적으로 측정할 수 있어 난류특성의 정량적인 해석에 장점이 있으나 동시간에 여러 지점을 측정할 수 없기 때문에 난류의 공간적인 문제를 해석함에 있어서 한계가 있다. 그러나, 입자영상유속계(PIV:Particle Image Velocity)는 측정하고자 하는 단면에서 연직 횡단면의 유속분포 및 수심별 평면 유속분포 흐름장 측정이 가능하여 난류흐름의 공간적인 문제를 해석하는데 효과적일 뿐만 아니라 영상간의 시간간격을 짧게 하고, 촬영시간을 충분히 길게 한다면 개수로 내 난류특성 분석도 가능하다. 이에 본 연구의 목적은 PIV 기법을 이용하여 매끄러운 하상의 개수로에서 연직유속분포를 측정하고 그 특성을 정량적으로 분석하고자 한다. 본 연구에서는 첫째, PIV 기법을 이용하여 측정한 연직유속분포와 3차원 전자식 유속계를 이용하여 측정한 연직유속분포를 비교 분석하였다. 둘째, 후류법칙에 의해 계산된 연직유속분포와 PIV 기법을 이용하여 측정한 연직유속분포의 비교를 위해 각각의 무차원 유속분포(지점 유속/지점 마찰속도)를 계산하고 비교하였다. 마지막으로 각 흐름 조건에 따라 수심의 변화를 주어 연직유속분포를 PIV 기법으로 측정한 후 개수로의 수심변화에 따른 연직유속의 특성을 분석하였다. 분석 결과, PIV 기법을 이용하여 측정한 연직유속 성분에 비해 3차원 전자식 유속계로 측정한 연직유속 성분이 작게 나타났고 바닥에서부터 0.2h 지점까지는 무차원 유속분포(지점 유속/지점 마찰속도)가 후류법칙과 잘 맞는 경향을 보였으나 0.2h 지점부터 수표면까지는 유속이 감소하는 현상이 나타났다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2022.05a
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• pp.16-16
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• 2022

영상유속계는 영상을 이용한 비접촉식 유속계로 하천과 같은 넓은 범위의 유속 및 유량을 간편하게 측정할 수 있다는 장점이 있어 현재 국내외에서 영상유속계의 실용화 연구가 수행되고 있다. 특히 유속 및 유량을 측정하기 위해 카메라 외에 별도의 측정 장비가 필요없기 때문에 드론에 장착하여 표면유속을 측정하는 연구 또한 활발히 이루어지고 있다. 기존 드론 영상을 이용한 표면유속 측정 연구에서는 드론을 측정하고자 하는 하천 영역 위에서 정지하여 영상을 촬영하여 표면유속을 측정하고 있다. 이때 한 화면에 하폭이 다 담기지 않는 넓은 하천의 경우 촬영 위치를 옮겨서 다시 영상을 촬영하거나 하폭이 담길 때까지 비행 고도를 높여 촬영하고 있다. 하지만 촬영 위치를 옮겨 촬영하는 방식의 경우 넓은 하천을 다 담기 위해 여러 번의 촬영을 하고 이를 정합하는 과정이 필요하다는 단점이 있으며 비행 고도를 높여 촬영하는 방식의 경우 촬영 품질 저하로 인해 측정한 유속의 불확도가 크게 산정된다는 단점이 있다. 이에 본 연구에서는 드론을 이동하며 촬영한 연속적인 영상을 이용하여 하천의 표면유속을 측정하는 방법에 대한 연구를 수행하였다. 하천을 가로질러 비행하며 촬영한 드론 이동영상을 활용하면 폭이 넓은 하천의 경우도 간편하게 유속 분포를 측정할 수 있다. 이동영상을 이용하여 유속을 측정하기 위해서는 연속된 이동영상 내에서 지표면의 공통된 특징점을 찾아 흔들림 보정 알고리즘을 적용하여 유속을 산정하는 방법과 드론의 이동 속도를 이용하여 영상의 수표면 이동속도와 벡터연산을 적용하는 두가지 방법을 사용할 수 있다. 이 두가지 방법 중 영상 분석에 필요한 전처리 과정이 적고 지표면의 고정점이 필요 없는 드론의 이동속도를 이용한 벡터 연산을 적용하는 방법을 실제 흐름에 적용하였다. 측정한 수표면의 유속을 전자파표면유속계로 측정한 유속과 비교한 결과 평균 5 % 이내의 차이를 보이는 것을 확인하였다. 향후 다양한 흐름 조건과 드론의 비행속도를 변경하여 측정하는 등의 유속 측정 적용성을 검토하는 연구가 수행된다면 하폭이 넓은 하천 등 다양한 조건에서 드론 영상을 이용한 유속 측정이 가능할 것으로 기대한다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2009.05a
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• pp.1841-1844
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• 2009

일반 하천에서의 유량측정 방법은 하천 조건에 따라 다르다. 전통적인 방법으로는 구조물에 의한 방법, 유속계 측정에 의한 유속-면적법, 부자에 의한 방법, 그리고 희석법 등이 있다. 그러나 이러한 방법들은 측정 위험성을 가지고 있다. 홍수시 발생되는 고유속과 심한 난류, 거대한 부유물질들은 하천 접근에 어려움을 가져오고, 측정 기기의 파손 위험성뿐만 아니라 인명피해까지 발생시킬 가능성이 있다. 최근 기존 방법들의 문제점을 해결하기 위하여 음파, 초음파, 레이더 등을 이용한 유량 측정 방법과 장비들이 개발되었다. 본 연구에서 사용한 레이더 유속계는 하천의 표면유속을 측정하는 비접촉식 센서로 홍수기 전 미리 유속 측정 단면 측량을 실시한다면 홍수시에도 비교적 신속하고 안전하게 유속을 측정할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 레이더 유속계를 충청북도 괴산군 달천에 위치한 수전교에 설치하여 괴산댐 방류량 및 동시유량 측정 성과와 비교하였다. 2007년 7월부터 2008년 8월까지 $36m^3/s\;\sim\;821m^3/s$의 사상에서 총 10회 측정한 결과, 레이더 유속계를 사용하여 측정한 유량의 상대오차는 댐방류량 대비 -3.3% $\sim$ 27.5%로 나타나 평균11.8%의 상대오차를 보였다. 레이더 유속계 측정과 동시에 실시한 유속-면적법 측정, ADCP법 측정의 상대오차는 각각 평균 5.7%, 6.5%로 나타난 것과 비교한다면 다소 높은 오차를 보였다. 그러나 측정 시간의 경우 수위에 따라 다소 차이는 있지만 레이더 유속계를 이용하면 30분 정도의 시간이 소요되었으며, 유속면적법은 1시간 이상, ADCP법은 40분의 시간이 소요되었다. 이와 같이 레이더 유속계는 다른 방법에 비해 정확성은 다소 떨어지지만 측정 속도와 안정성 면에서는 우수하다고 판단된다. 문제점으로 지적되는 정확도 측면의 경우 레이더 유속계로 측정되는 표면유 속과 평균 유속 사이의 보정계수 문제를 보완한다면 보다 정확한 측정이 가능할 것으로 판단된다.