• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집
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• pp.1807-1811
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• 2009

홍수기 유량측정에 있어서 가장 큰 어려움이었던 유속측정의 정확성을 확보하고 실무자의 안전성을 보장하기 위한 기본 취지에서 1993년 시작된 "대하천 유량 자동측정 설비개발"이라는 연구 주제하에 비접촉식 유속측정 기법에 대한 연구를 수년간 연구개발을 거듭한 결과물인 전자파표면유속계를 1999년도에 상품화하여 현재 국내에서 홍수유속측정 설비로 이용되어지고 있다. 현장에서 유량측정업무에 종사하는 실무자들은 홍수유량측정에 비하여 훨씬 간편함을 몸소 느끼게 되었고, 상품화보급이 시작된지 수년이 지난 상태에서는 더욱 성능이 개선된 전자파표면유속계가 개발되기를 기대하였다. 무엇보다도 홍수기에 유량측정시 기존의 유속측정 방법과 같은 방식으로 각 측선마다 전자파표면유속계를 설치해야하는 번거로움을 피력하였다. 기존의 전자파표면유속계는 하천을 가로지르는 교량위에서 흐름방향에 나란히 측정하는 조건을 고려하였기 때문에 이와 같은 편각인 상태의 유속측정은 검토하지 않았다. 이와 같은 사용자의 요구에 대하여 한국수자원공사에서는 홍수기 유량측정시의 사용자 편의성을 증대하기 위하여 성능개선 작업에 착수하여 편각측정용 전자파표면유속계를 개발하였다. 편각측정의 주된 목적은 전자파표면유속계를 모든 측선에 설치하지 않고 한 지점에서 편각(oblique angle)으로 여러 측선의 유속을 측정함으로써 유속측정의 효율성을 증대시키는 것이다. 전자파표면 유속계에서의 편각 측정은 하천의 유속 방향을 기준으로 정면에서 측정하면 수평 편각이 0도가 되며 좌우로 안테나를 회전하여 움직인 각도가 측정 편각으로 결정된다. 전자파의 물리적 특성 때문에 편각이 증가하면 반사된 신호의 수신 크기가 감소하여 측정이 불가능하게 된다. 이러한 문제를 최대한 극복하는 것이 본 연구의 중점 개선사항이다. 이를 통하여 전자파표면유속계를 교량의 임의 지점에 설치하여 좌우로 편각 $20^{\circ}$에 이르는 범위의 유속을 측정하고자 목표로 하였다. 홍수시의 현장 측정 환경은 열악하기 때문에 정확한 측정을 조건으로 측정자에게 최대한의 편리함과 신속한 측정 환경을 제공해야 효과적인 업무수행이 가능하다. 이러한 편각 측정을 가능토록 하기 위해서는 유속측정시 송신되는 전자파의 출력을 기존의 시스템보다 보다 높게 발사하여야 하며 안테나의 수신감도 및 지향성이 개선되어야 한다. 이를 위해서 안테나 형태에 있어 기존 전자파표면유속계와의 차이점은 기존안테나는 파라볼릭 형상이었으나 신규 제작된 안테나는 평면안테나로 이러한 형태의 개선를 통해 안테나 특성 및 구조적인 차이를 유도하였다. 두 가지 안테나 사양 각각 장단점이 있으나 가장 큰 차이점은 빔폭 특성에서 평면 안테나가 우수하며 수신 감도를 향상시킬 수 있다는 강점이 있다. 특히 Tx/Rx 분리의 평면안테나 구조는 파라볼릭 안테나에서 불가능한 기능으로서 편각측정으로 인한 수신감도의 저하의 문제를 해결하기 위한 개선조치이었다. 성능개선 제작된 편각측정용 전자파표면유속계를 이용하여 일반하천의 홍수유속에 대한 편각측정 실험을 안성천에서 실시한 결과 유속 약 1.7 m/s 인 상황에서 편각 $20\;^{\circ}$ 까지 편각 $0\;^{\circ}$일때와 유사한 측정 성능을 보였다.

• 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 2009년도 학술발표회 초록집
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• pp.1781-1786
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• 2009

최근 들어 하천의 자동유량측정에 많이 활용되고 있는 고정식 음파도플러유속계는 여러 개의 셀 유속 자료를 제공한다. 이러한 유속 자료들은 단면의 특정 위치에 고정되어 있어 수심 변화에 따라 변화하는 최대유속 구역을 직접 측정할 수 없으므로 최대유속과 평균유속 사이의 단순한 관계를 활용하여 유량 산정을 하기는 곤란하다. 다만, 단면상의 여러 지점에 대한 유속 측정치를 얻을 수 있다는 점을 이용하여 모의된 유속분포와 결부하면 유량을 산정하는데 활용 가능하다. 본 연구에서는 Chiu(1988)가 제안한 단면의 무차원적 유속분포를 모의하는 확률론적 유속분포 공식과 고정식 ADVM의 유속자료를 활용하여 유량을 산정하는 방법을 검토하였다. 유속분포 공식의 주요 매개변수 중에서 최대유속과 평균유속의 관계를 나타내는 �� 은 ADVM이 설치된 단면 및 인접 단면에서 ADCP로 측정한 자료를 이용하여 도출하였으며, $\beta$와 h는 국내 하천에 대한 자료 분석을 통해 얻어진 값을 사용하였다. 2006년부터 2007년까지의 유량이 비교적 안정된 11개 케이스의 댐 방류량 조건 및 동일한 지점에서 개발된 유속지수법 유량과 상호 비교하였으며, 그 결과 댐방류량 대비 상대오차가 평균 6.44%로 유속지수법의 7.43%에 비해 약간 크지만 유량 산정이 비교적 정확하게 이루어짐을 확인할 수 있었다. 또한 연속 유량 측정 결과 여수로 방류량에 대해서 약 10.6%의 오차를 나타내고 있었다. 한편, 보다 고유속 구역을 측정할 목적으로 2008년에 기존의 ADVM에 추가로 1.25m 높은 위치에 홍수 측정을 위한 저주파 ADVM을 설치하여 운영할 경우 2008년의 4개 케이스에 대해 댐방류량 대비 2.1%의 상대오차를 나타내어 3.9%의 유속지수법에 비해 약간의 개선효과가 있었으며, 이 역시 유량을 비교적 잘 산정하는 것으로 나타났다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2007년도 학술발표회 논문집
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• pp.916-920
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• 2007

ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)는 유수의 흐름을 방해하지 않으면서 물 속으로 일정 주파수의 초음파를 전송하고, 부유하는 입자들에 의해 산란되어 돌아오는 반향을 수집, 도플러효과를 이용하여 유속을 측정하는 장비이다. ADCP는 하천을 횡단하면서 순간적인 유속을 측정하므로 시간평균한 평균유속과의 차이가 발생하지만 1초에 1회 이상의 빠른 속도로 연직유속분포를 수집하면서 이를 공간적으로 평균함으로써 순간유속이 갖는 변동성을 완화시키는 특징을 갖는다. 본 연구에서는 ADCP를 활용하여 사행하천에서 수평방향 2차원 유속분포를 측정하고자 하였다. 만곡부가 교호적으로 나타나는 사행하천의 흐름구조는 매우 복잡하다. 특히 주 흐름의 수직인 단면에 나선형의 2차류가 관찰되는데, 이는 원심력과 횡방향의 수면경사 및 난류의 상호작용으로 발생된다. 주 흐름의 유속과 다른 분포를 나타낸다. 본 연구에서는 이찬주 등(2005)이 제시한 공간평균기법과 이동경로 수정을 통하여 측선별 2차원 유속분포를 측정하여 기 개발된 RAMS(서울대학교, 2007)를 적용하고 이를 검증하기 위한 자료를 확보하고자 하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2020년도 학술발표회
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• pp.52-52
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• 2020

영상을 이용하여 하천유속과 유량을 측정하는 방법은 신속하고 간결하게 유속을 측정할 수 있는 방법으로 주목을 받고 있다. 또한 새로운 기술인 드론을 활용하여 하천의 유속과 유량을 측정하는 방법도 다양하게 시도되고 있다. 본 연구는 드론을 정지영상과 동영상을 이용하여 별도의 측량이나 복잡한 과정없이도 하천의 유속분포를 추정할 수 있는 방안을 제시하였다. 이 때, 중소하천의 유속 측정에 보다 쉽게 활용할 수 있도록 카메라 보정을 통한 카메라 내부변수 획득과 정지영상에 수록된 드론의 위치와 자세에 대한 EXIF 자료를 이용하는 방안, 약간의 흔들림이 있는 영상에서도 유속을 추정하는 방안을 제안하였다. 먼저, 드론의 카메라 보정을 위한 프로그램을 작성하고, 카메라의 내부 변수를 추정하였다. 드론의 위치와 자세에 대한 정보는 정지영상(JPG 파일)에 수록된 EXIF 정보를 이용하여 드론의 위치(GPS)와 자세(자이로스코프)를 알아내었다. 이를 이용하여 현장의 참조점에 대한 위치 정보를 확인하고, 또 수면촬영을 위한 정지비행시의 카메라의 대략의 위치와 자세 정보를 확인하였다. 이 자료들은 실제 유속측정에 이용하는 동영상에서 나타나는 참조점의 위치 정보를 결정하기 위한 것이다. 그리고 연이어 촬영된 동영상에서 시공간영상분석법으로 측정 단면의 유속분포를 분석하였다. 이 때, 동영상 내에 있는 약간의 흔들림은 FFT 분석으로 적절히 보완할 수 있다. 개발된 방법을 밀양강의 단장천 대리 수위표 지점 인근에서 시험한 결과 기존의 유속계로 측정한 방법과 상당히 근사한 결과를 얻을 수 있었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2012년도 학술발표회
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• pp.697-697
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• 2012

하나의 측선에 대해 3점법으로 세 지점의 유속을 동시에 측정할 수 있는 장치를 고안하였으며, '다수심 유속계'라 명명하였다. 본 장치는 5단의 관절부를 이용하여 등수심을 유지하며, 표면에서 수심을 측정하는 동시에 피그미 유속계를 이용하여 3지점의 유속 (V0.2, V0.6, V0.8)을 취득할 수 있다. 다수심 유속계의 현장 적용 실험을 실시하였다. 프로펠러 유속계와 다수심 유속계를 이용하여 유량을 측정한 결과, 거의 유사한 유량을 확인할 수 있었다. 하지만 측정시간의 경우 프로펠러 유속계는 약 1시간, 다수심 유속계는 약 30분으로 약 2배에 가까운 차이를 확인할 수 있었다. 한편 현재 개발 단계에 있는 다수심 유속계는 25cm 이상의 수심에서 3점자료 취득이 가능함으로써 하천 형상에 따른 유체 흐름 파악에 적합하며, 관측 자료의 신뢰도 향상에 기여할 수 있다고 판단된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2010년도 학술발표회
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• pp.1926-1930
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• 2010

표면영상유속계(SIV, Surface Image Velcimetry)는 수표면의 영상분석을 통해 유속을 측정하는 도구이다. SIV는 하천의 유속을 매우 간편하게 측정할 수 있기 때문에, 야외 실험이나 하천의 유속 측정에 매우 유용한 장비이다. 그러나, SIV를 이용하여 유량을 산정하고자 할 경우, 하천 표면의 평면 측량 자료와 하천의 단면 측량 자료가 반드시 필요하다. 그러나, 측량 작업 특히 강우 중의 측량 작업은 매우 번거롭기 때문에, SIV의 간편성과 유용성에도 불구하고, 이용자들로 하여금 SIV를 쉽게 이용하기 어렵다는 그릇된 인식을 줄 수 있다. 만일 번거로운 측량을 거치지 않고도 효율적이고 간편하게 하천의 평면을 추정할 수 있다면, SIV를 마치 일반적인 프로펠러 유속계처럼 쉽게 이용할 수 있을 것이며, 그 적용성도 크게 증진될 것이다. 본 연구는 카메라 영상 모형을 유도하는 것이다. 이 카메라 모형을 이용하여 번거로운 측량 작업이 없이 평면의 좌표점을 추정할 수 있게 되며, 유속장 측정을 자동화할 수 있을 것이다. 이를 위하여 평면 좌표와 참조점을 관련짓는 사영 변환과 회전 변환 등 사진 측정 기법을 도입하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2019년도 학술발표회
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• pp.291-291
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• 2019

하천에서 식생은 자연적으로 존재하는 수생식물의 집단을 의미하기도 하지만 자연 저항체로서 하천의 평균 흐름을 교란하고 변화시킨다. 식생의 성장은 흐름 저항을 발생시켜 일시적으로 수위유량관계의 전이(shift)를 유발한다. 이러한 수위-유량관계의 전이는 식생의 성장 및 전도와 소멸로 발생하는 식생의 구조변화에 따라 측정 단면에 대한 평균유속의 변화를 발생시킨다. 본 연구에서는 식생의 구조변화에 따른 평균유속 특성의 변화를 사례를 통해 살펴보았다. 고령군(귀원교) 지점은 하천 좌우안 식생의 흐름 저항을 받아 측정 평균유속의 영향을 받는 지점으로, 식생 변화에 대한 모니터링 결과를 토대로 수리특성을 분석하여, 식생의 활착 및 전도에 따른 평균유속의 변화를 분석하였다. 고령군(귀원교) 지점의 수위-평균유속 관계는 식생의 활착 또는 전도에 따라 서로 다른 형태의 고리형태(loop)를 보이는 것으로 확인되었다. 식생이 활착 후 전도되면서 측정된 유속성과는 수위하강시 유속이 증가하는 역 고리형태(loop)를 보이는 것으로 관찰되었다. 식생이 전도된 이후의 측정성과는 수위가 상승함에 따라 유속이 증가하는 정상적인 수위-유속의 고리형태(loop)를 보인다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집
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• pp.426-430
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• 2009

본 연구에서는 ADCP 측정자료를 효율적으로 활용할 수 있도록 ADCP 이동측정법 자료의 후처리 프로그램을 개발하였다. 먼저, 측정된 ensemble과 방위별 유속으로 표시되던 단면유속분포를 한 눈에 알아볼 수 있도록 좌표를 정리하고 주흐름방향 유속을 출력하는 등, Sontek과 RDI 자료 취득 소프트웨어의 ascii 파일을 사용자가 쉽게 알아보고 가공할 수 있도록 변형하였다. 또한, 기존 ADCP 사용과 관련하여 발표된 screening 및 smoothing 기법을 적용하여 유효한 유속자료를 선별하고 단면의 평균 흐름에 근접한 유속자료를 제공하도록 하였다. 멱함수를 이용한 외삽으로 측정불가역의 유속 및 유량을 추정하였으며, 총 53개 측정자료의 유량을 추정한 결과 ADCP 소프트웨어가 제공하는 유량과 평균 1.33 %의 오차를 보였다. 마지막으로, 정리된 ADCP 자료로부터 하천의 주요 수리학적 특성을 추정하도록 하여 하천단면을 횡단하는 간단한 ADCP 측정만으로도 많은 시간과 노력을 들여 측정하던 하천의 특성을 신속히 파악할 수 있도록 하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2021년도 학술발표회
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• pp.78-78
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• 2021

영상유속분석법은 비접촉식으로 유속을 측정하는 방법으로 특히 홍수시 하천의 표면유속을 안전하게 계측할 수 있어서 경제적이고 안전한 하천유속 측정 방법 중 하나이다. STIV는 영상의 휘도 정보를 시간 방향으로 나열하여 작성된 STI(Space-Time Image)에 나타나는 패턴의 기울기를 이용하여 유속을 산정하는 방법이다. 특히 STIV(Space-Time Image Velocimetry)는 기존 입자군의 상호상관법에 기초한 입자영상유속계와 달리 표식자의 유무와 상관없이 유속을 측정할 수 있어 적용성과 안정성이 확보된다. 하지만 영상의 상태가 불량한 경우 정확한 유속 측정이 난해하며 야간에는 별도의 조명 추가 및 태풍과 같은 악기상에서는 빗방울이 카메라에 맺히거나 수면의 진동, 구조물의 진동에 의한 영상의 상태가 불량하게 되어 측정 정도가 떨어진다. 이처럼 영상을 이용한 유속 계측에 있어 다양한 연구 및 기술개발이 요구되는 시점이다. 따라서 본 연구에서는 영상을 이용한 정확한 유속측정을 위해 STIV와 인공지능을 융합하여 정확한 유속 평가를 목적으로 한다. 우선 기존 STI에 의한 기울기 추정방법을 확장하여 딥러닝(CNN)에 의한 기울기 추정방법을 도입하였다. CNN은 일반적으로 이미지의 특성을 추출하는데 유용한 방법으로서 STI의 2차원 Fourier변환 이미지를 사용하여 패턴의 기울기를 감지하도록 학습하였고 적용 결과 기울기에 대한 인식율은 매우 양호하였으며 이를 이용한 실제 관측 영상에 적용한 결과 유속에 대한 정밀도도 매우 양호하게 나타났다. 또한 딥러닝을 적용한 STIV는 노이즈(진동, 화면 불량 등)가 있는 영상에서도 안정적으로 유속을 산정할 수 있으며 전파유속계를 이용한 실제 하천의 표면유속 관측치와 비교 검토 결과 매우 양호하게 유속을 평가하고 있는 것으로 나타났다.