1. 서 론
2. 연구방법
2.1 실내 실험 구축
2.2 탁도 및 부유사 측정 방법
2.3 탁도-부유사 관계 산정 방법
3. 연구결과
3.1 분율 조건에 따른 변동성 분석
3.2 PRM 모듈 적용성 평가
3.3 PRM 기반 탁도-SS 관계의 농도별 적용성 평가
4. 결 론
1. 서 론
장마와 태풍에 의한 집중 강우로 하천 내 다양한 토사가 유입되면서 수중 탁도가 급격히 상승하고, 이로 인해 부유 퇴적물이 하류 저수지로 이동하여 고탁수 및 탁수 장기화 문제가 발생한다(Jansen and Teuling, 2019; Kerr, 1995). 2002년 ‘루사’, 2003년 ‘매미’, 2006년 ‘에위니아’ 등 과거 태풍들은 심각한 탁수 문제를 야기하였다. 이후 최근 기후변화로 인해 국지성 집중호우와 같은 이상강우의 발생 빈도가 증가함에 따라 고탁수 문제의 심각성이 더욱 대두되고 있다. 탁수 문제를 해결 및 예방하기 위해 정부 및 K-water에서 꾸준히 관리하였으나 2020년 연속으로 발생한 태풍 ‘마이삭’, ‘하이선’에서도 탁수 문제가 발생하였다(Chung and Oh, 2006).
집중강우로 저수지에 유입된 유사는 고밀도 탁수층을 형성하여 확산되며, 방류가 장기화될 경우 수자원 활용 저하와 수질・생태・경관 악화 등 사회적 문제를 유발한다(Jun et al., 2021). 특히 한국은 물 사용량이 하천 및 저수지에 치중되어 있어 고탁수 발생은 농업 및 공업 등 다양한 문제를 야기시킨다(Kim and Jung, 2007; Chung et al., 2008). 탁수 문제 관리를 위해 정부 및 기관에서는 탁수 모니터링을 진행하고 있으며, 탁수를 평가하는 지표 로 사용되는 탁도와 부유사 농도를 측정한다. 탁도는 관측이 용이하여 국가관측망에서도 실시간으로 제공되는 대표 수질 지표이지만, 입자 구성 및 광물학적 특성에 따라 분광 응답이 상이하게 나타날 수 있다. 이러한 한계로 인해 부유사 농도 역시 주기적인 현장 계측과 병행할 필요가 있다. 현재 국가측정망에서의 부유사 농도 관측은 주 1회에서 월 1회 간격으로 이뤄지지만, 탁도는 한국수자원공사가 운영하는 자동측정망을 통해 10분 또는 1시간 주기로 훨씬 더 짧은 간격으로 수집되고 있다. 탁수의 발생 현황과 거동을 파악하고 대응 방안을 마련하기 위해 다양한 예측 모델이 활용되고 있다(Jun et al., 2021). 이러한 모델은 저감 대책의 효과를 평가하는 데 핵심적이며, 예측 정확도 향상을 위한 연구가 지속적으로 수행되어왔다(Kim et al., 2022).
부유사 농도(SS)는 탁수 예측 모델에서 가장 중요한 입력 변수로 활용된다. 전통적으로 SS는 Vandon 채수를 통한 실험실 분석으로 측정되었으나, 이 방법은 시간 해상도가 낮아 예측 모형 적용에 한계가 있다. 이를 보완하기 위해 과거에는 유량과 부유사의 관계 곡선을 구축하여 유량을 통해 부유사를 간접 추정하는 방법이 널리 사용되었다(Kim et al., 2006). 홍수기 동안의 하상변동과 유사 물성의 변화로 인해 관계식의 주기적 갱신이 필요하다. 최근에는 탁도 자료를 활용한 부유사 추정이 더 높은 정확성을 보인다는 결과가 제시되면서, 탁도-부유사 관계식의 적용이 점차 확산되고 있다(Murillo-Bermúdez et al., 2023). 이를 토대로 탁수 예측을 위한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 여러 예측 모델이 활용되고 있다. 그중 Aquaic Ecology Model 3D (AEM3D)와 Delft3D-WAQ 모델은 입자 크기별 분율에 따른 농도를 입력값으로 활용하며, 이는 수체 내에서 미세 입자가 우세할 경우 탁도가 상대적으로 높게 나타나 탁도-부유사 관계가 달라질 수 있음을 보여준다. 이러한 특성을 반영한 관련 연구 또한 지속적으로 수행되고 있다(Bright and Mager, 2020; Bright et al., 2020; Landers and Sturm, 2013; Eads and Lewis, 2007; Sehgal et al., 2022). 그러나 강우사상이나 현장 조건에 따라 탁도-부유사 관계식의 정확도가 저하되는 한계를 보완하기 위해서는 입자 종류(점토, 실트, 모래)별 분율을 고려한 산정이 필요하다. 이러한 접근은 부유사 추정의 신뢰성을 높이고 탁수 예측 모델의 적용성을 확장하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
최근에는 부유사 모니터링을 위해 Laser In-Situ Scattering and Transmissometry (LISST-200X, Sequoia)와 같은 센서 기반 계측이 주목받고 있으며, 관련 연구도 증가하는 추세이다(Kim et al., 2012; Kwak et al., 2017). 기존 채수·실험실 분석과 달리 연속적이고 실시간성이 확보된다는 장점으로 인해, LISST를 활용한 검·보정 기법 개발, 입경 기반 Suspended Sediment Concentration (SSC) 추정, Particle Size Distribution (PSD) 활용성 검토 등 다양한 연구가 수행되고 있다(Ehrbar et al., 2017; Haun et al., 2013; Mikkelsen and Pejrup, 2001). LISST-200X는 입도 분포와 부유사 농도를 동시에 측정할 수 있어 부유사 모니터링 연구에서 널리 활용되고 있다. LISST-200X는 670 nm 레이저를 시료수에 통과시켜 발생하는 작은 각도의 전방 산란 신호를 다중 링 검출기로 수집하고, 이를 산란 이론 기반의 scattering kernel과 역산 과정을 통해 부유입자의 입도분포(PSD)와 체적농도(VC)로 환산하는 장비이다(Sequoia Scientific, Inc., 2022). 그러나 고탁도 조건에서는 광학 경로 내에서 다중 산란(multiple scattering)이 발생하여 검출 신호가 왜곡되며, 그 결과 농도와 입도가 과대 추정되는 한계가 있다(Kim et al., 2025). Kim et al.(2025)은 실내 실험을 기반으로 입도 분율에 따른 탁도-SS 관계식을 제시하였으나, 기본 LISST-200X 자료를 활용함으로써 고탁도 조건에서 발생하는 다중 산란 효과를 충분히 제거하지 못해 약 50-80 FNU 이상의 구간에서는 적용성이 급격히 저하되는 한계가 나타났다. 이러한 점은 입도 분포별 특성을 밝히는 데 의의가 있으나, 고탁수 영역에서 관계식을 확장하거나 센서 기반 보정 기법을 적용하는 단계까지는 나아가지 못했다. 본 연구에서는 동일한 실내 순환수로 조건을 기반으로 하되, 기존 연구에서 한계로 지적된 다중 산란 문제를 해결하기 위해 광 경로를 줄여주는 Path Reduction Module (PRM)을 장착한 LISST-200X를 적용하여 고탁수 조건에서의 적용성을 검토하였다.
본 연구에서는 실험 조건에 맞는 탁도 및 분율 조건을 유지할 수 있는 시스템을 구축하여 실내 순환수로에서 실험을 진행하였다. 실험 조건은 LISST-200X로 측정된 분율을 기반으로 특정 분율과 탁도를 설정하였다. LISST-200X와 YSI-EXO2 센서를 함께 활용하여 탁도와 부유사 농도를 동시에 측정하였다. 특히, 기존 LISST-200X가 고탁수 조건에서 다중 산란으로 인한 과대 산정과 측정 범위 제한이라는 한계를 가지는 점을 고려하여, 이를 보완하고 적용 가능 범위를 확장하기 위해 PRM 모듈을 장착하여 동일 조건에서 성능을 비교·평가하였다. 나아가 본 연구는 실험 기반 환경에서 센서 구성에 따라 탁도-SS 관계가 어떻게 변화하는지를 정량적으로 제시함으로써 기존 연구와 차별성을 갖는다. 특히 PRM을 적용한 LISST-200X는 고탁수 구간에서 다중 산란을 효과적으로 억제하여 기본 장비에서 신뢰성이 확보되지 않던 50-250 FNU 구간의 적용 가능성을 새롭게 확인하였다. 이러한 개선된 관계식은 집중호우·태풍과 같은 극한 강우 시 발생하는 고탁수 문제에 대응하는 데 있어 실시간 모니터링의 신뢰도를 높이고, 수자원 관리 현장에서의 운영 기준을 보다 정교화하는 데 기여를 할 것으로 기대된다.
2. 연구방법
2.1 실내 실험 구축
본 연구는 고탁수 조건에서의 부유사 농도 모니터링을 위한 실험을 목적으로 실내 순환수로에서 실험을 진행하였으며, 수로의 모식도는 Fig. 1과 같다. 해당 수로는 저수조, 펌프, 정류지로 구성된다. 저수조에 실험 조건에 맞게 제작된 시료를 투입하고 펌프를 통해 Settling Basin 물이 공급되고 수로를 통해서 다시 저수조로 흘러서 유입되는 순환 시스템을 구축하였다. 수로의 제원은 길이 12 m, 가로 0.3 m, 세로 0.3 m, 저수조는 가로 2.5 m, 세로 2.5 m, 높이 1.2 m로 이루어져 있다. 수로의 수위는 Tail Gate를 이용하여 20 cm로 고정하여 실험을 진행하였다. 본 연구에서는 토양 분류를 위해 Unified Soil Classification System (USCS)를 적용하였다. USCS에 따르면 토양은 입경 분포와 물리적 특성을 기준으로 세립질과 조립질로 구분되며, 입경 범위는 Clay (<0.005 mm), Silt (0.005~0.075 mm), Sand (0.075~4.75 mm)로 정의된다. 또한 소성 지수와 액성 한계와 같은 지반공학적 지표가 함께 고려되어 토양의 공학적 특성이 규정된다. 본 연구는 Clay, Silt, Sand의 분율 기준을 입경 크기로 분류하였다. 시료 제작의 경우 시중에서 구매할 수 있는 체 거름 시료를 구매하여 이용하였다. 사용된 시료들의 입자 크기는 Clay의 경우 0.001~0.01 mm, Silt의 경우 0.045 mm, Sand의 경우 0.125~0.18 mm 크기의 입자들을 활용하여 분율별 시료를 제작하였다. 입자 크기별 분율 기준은 소양호 상류 지점에서 취득한 입도 자료를 기반으로 하였으며, 주요하게 나타난 분율 특성을 반영하여 네 가지 Case로 구분하여 제작하였다(Table 1).
Table 1.
Particle size distribution proportions under high turbidity conditions
2.2 탁도 및 부유사 측정 방법
본 연구에서는 고탁수 환경에서의 측정을 위해 LISST-200X의 Path Reduction Module (PRM)을 장착하였다. PRM은 광학 경로 길이를 25 mm에서 5 mm로 단축하여 다중 산란을 저감하고, 이에 따라 측정 가능한 부유사 농도 범위를 약 5배 확대한다(Sequoia Scientific lnc., 2018)(Table 2). 장착 후 LISST-200X 전용 소프트웨어(LISST-SOP200X)에서 PRM 사용 옵션을 활성화하여 경로 길이 변경이 데이터 처리에 반영되도록 설정하였다. PRM 장착 시 기본 배경(Background) 보정 값을 사용하지 않으며, 증류수를 활용하여 배경을 재취득하였다(Fig. 2). 배경 취득전・후에는 광학 창 및 PRM 석영 실린더를 세정・건조하고, 기포 유입 및 오염물 부착을 점검하였다.
Table 2.
Measurable concentration according to LISST optical path length
분율 Case에 따른 부유사 농도 및 탁도 측정은 기존 LISST-200X와 LISST-200X에 PRM 모듈을 결합 및 YSI-EXO2를 이용하여 측정하였다(Table 3). 수로 내 일정한 수위를 유지하기 위해 Tail Gate를 사용하여 수위를 20 cm로 고정하였으며, 이때 유속은 0.42 m/s로 유지하였다. LISST-200X와 YSI-EXO2의 측정 위치는 수면이 안정화되는 구간을 고려하여 수로 6m 지점에서 대차를 제작하여 고정된 상태로 측정하였다. 또한 센서 측정 높이는 이상치, 도수 현상 등의 발생 가능성을 고려하여 바닥면에서 7~10 cm 높이에 위치하도록 구축하였다. 시료 제작은 저수조의 용량을 계산하여 투입량을 입자 종류별로 산정하였다(Table 4). 시료의 입자 종류별 투입량은 전자저울을 활용하여 계산된 투입량 만큼 제작하였다(Fig. 3). 각 실험 Case에서 투입량은 일정한 탁도 구간에서 측정하기 위해 25 ppm~300 ppm을 투입하여 LISST-200X와 PRM 모듈이 장착된 LISST-200X의 측정 가능 농도까지 측정하였다. 실험 Case별로 초기에는 탁도가 5~7FNU만큼 상승하도록 투입량을 조절하였으며, 기본 LISST-200X 센서 빛의 전송율이 0.1 이하로 떨어진 경우에는 15FNU 씩 상승하도록 투입하였다. 기본 LISST-200X는 레이저 회절 기반 산란 및 투과율을 통해 측정하는 원리로 평균 입경 크기에 따라 측정 가능 농도가 상이하다. 일정 탁도 이상 조건에서의 부유사 농도 측정 시 빛의 전송율 저하가 발생하게 되며, 빛 전송율 0.1 이하의 경우 입자 크기 및 농도가 과대 산정되어 정확도가 떨어진다(Kim et al., 2025). 부유사 농도 측정은 동일 조건을 유지하기 위해 두 단계로 진행하였다. 먼저 기본 LISST-200X를 사용하여 시료 투입 조건에서 농도를 측정한 뒤, 동일 장비에 PRM 모듈을 장착하여 순차적으로 재측정하였다. 실험 Case 간 이상치를 줄이기 위해 매 회차 전 저수조를 세척하여 잔존 유사와 이물질을 제거하였다.
Table 3.
Sensor specifications
Table 4.
Fractions and input quantities by experimental case
2.3 탁도-부유사 관계 산정 방법
탁도-부유사 관계에 있어서 입자의 이동으로 인한 변동성으로 인해 전처리 과정이 필수적이다. 먼저 청수 상태에서 선행 측정을 수행하여 Base 자료를 구축하였다. 이후 모든 측정 결과에서 Base 값을 차감하여 잔존 유사의 영향을 최소화하였다.
부유사 데이터에서 농도별 편차가 발생하는 경우, 탁도-부유사 관계식에 변동성을 반영하기 위해 데이터 완화 기법과 시간 평균 기법을 활용하여 보정을 수행하였다. 또한 시간 평균은 부유사의 농도 특성상 발생하는 변동성을 고려하여 표준편차와 허용 오차율(5%)을 기준으로 권장 평균 시간을 산정한 뒤, 해당 시간 간격으로 평균값을 적용하였다(Eq. (1)). 탁도와 부유사 간에 뚜렷한 선형성이 나타남에 따라, 해석이 용이하고 직관적인 단순 직선 방정식으로 표현할 수 있는 선형 회귀 분석을 통해 관계식을 산정하였다.
해석이 용이하고 직관적인 단순 직선 방정식으로 선형 회귀 분석을 수행하여 관계식을 산정하였다. 이 분석을 통해 동일 조건에서 측정된 기본 LISST-200X와 PRM 장착 LISST-200X 결과를 비교함으로써 두 장비의 성능 차이를 정량적으로 평가하고, 적용 가능 범위를 제시하였다.
여기서, 는 평균화에 적용된 시간 창의 길이, S는 데이터의 변동성을 정량화한 표준편차, e는 지정된 허용 오차율(오차 한계)을 의미한다.
데이터 smoothing 기법으로는 Median filter를 적용하였으며, 이는 주어진 구간 내 중앙값을 사용하여 급격한 변동이나 이상치를 완화하는 비선형 필터링 기법으로, 이상치에 대한 강건성과 단기적 변동 억제를 통해 데이터의 일반적 경향을 명확히 파악할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 median filter의 윈도우 길이 N은 각 실험 구간별 SSC의 표준편차 S와 허용 오차율 e를 이용하여 다음과 같이 산정하였다(Eq. (2)).
산정된 윈도우 길이 N을 중심으로, 각 시계열 에 대해 median filter의 출력 는 다음과 같이 정의된다(Eq. (3)).
동일 구간 내 측정값을 정렬한 뒤 중앙값을 대표값으로 사용하는 rolling median을 적용함으로써, 데이터 길이와 시간 순서를 보존하면서도 순간적인 이상치를 효과적으로 제거하였다.
3. 연구결과
3.1 분율 조건에 따른 변동성 분석
동일한 조건에서 LISST-200X와 PRM 모듈이 장착된 LISST-200X 및 YSI-EXO2 센서를 활용해 부유사 농도(SSC) 및 탁도 측정을 진행하였다. 각 실험 Case에서 안정적인 데이터 취득을 위해 유사 투입 후 약 3분간 1Hz로 데이터를 연속적으로 수집하였다. LISST-200X 센서를 활용하여 취득한 부유사 농도 데이터의 안정성을 평가하기 위해 각 분율 Case별로 데이터 변동성을 확인하였다(Fig. 4). 분율 Case별로 부유사 농도가 증가하였으며, 낮은 농도에서는 변동성이 낮게 나타나는 것을 확인하였다. 부유사 농도가 증가할수록 이상치가 자주 발생하였으며, 변동성이 증가하는 경향이 나타났으나 전체적인 경향은 일관성 있다고 판단된다. 이는 실험 조건에서 안정적으로 데이터 취득이 이루어졌음을 의미한다. PRM 모듈을 장착한 LISST-200X 센서를 활용한 측정에서는 저농도에서 안정적으로 데이터가 취득되었으며, 고농도에서도 일관된 데이터 확보가 가능함을 확인하였다(Fig. 5). 해당 Case에서는 고농도 구간에서도 신뢰성 있는 데이터 확보가 가능하였고, 실제로 더 높은 주입 농도까지 안정적으로 취득됨을 확인하였다.
3.2 PRM 모듈 적용성 평가
Fig. 6는 LISST-200X 센서를 활용하여 측정한 탁도-부유사 관계를 나타낸다. Fig. 6(a)는 분율 Case에 따라 분류하기 전 4가지 Case를 모두 포함하여 탁도-부유사 관계를 나타낸다. 대체적으로 선형 관계를 보였으며, 기울기는 0.263, y절편은 14.147로 나타났다. R2 값은 0.858로 높은 상관관계를 보여준다. 분산된 분포는 퇴적물 입자 크기에 따른 변화 또는 광학적 산란 효과 그리고 입자가 LISST-200X 광학 경로를 통과할 때의 침강 거동 차이에서 기인한 것으로 판단된다. 이는 모든 상황에서 하나의 탁도-부유사 관계식을 활용하는 것이 적절하지 않다는 것을 의미한다. 입자 크기 분율에 따른 데이터 세분화는 퇴적물 조성이 탁도-부유사 농도 관계에 미치는 영향을 더욱 선명하게 보여준다. 분율 분류를 적용하지 않는 일반적인 탁도-부유사 관계식은 신뢰성이 낮은 반면, 입자별로 구분할 경우 선형성이 크게 향상되는 것으로 확인된다. 이러한 결과는 LISST-200X 기반 연구에서 탁도 기반 부유사 농도 추정 모델을 정교화하는 데 중요한 근거를 제공한다. 분율별 Case에서 결정계수의 경우 최소 0.883에서 0.929 사이로 높은 정확도를 보여준다(Fig. 6(b)). 그러나 분율 Case에 따라서 부유사 농도 데이터의 변동성이 상당히 크게 나타났으며, 이를 해결하기 위해 Figs. 6(c) and 6(d)와 같이 시간 평균화 기법과 median filter 기법을 적용하였다. 표준 편차와 허용 오차율을 기준으로 평균 시간을 산정하여 순차적으로 시간 평균법을 적용한 Fig. 6(c)의 경우 전반적으로 상승한 결졍계수 결과를 나타냈다. 그러나 저농도 구간에서 데이터의 수가 급격하게 감소하는 경향을 보였다. median filter의 경우 Fig. 6(d)에서 볼 수 있듯이 이상치 제거와 중심값 강조를 통해 변동성을 효과적으로 줄였다. 시간 평균 기법을 활용한 결과와 비교를 통해 데이터 수를 안정적으로 보존하면서 부유사 농도 변동성을 효과적으로 개선하는 것을 확인하였다. 따라서 median filter 방법이 시간 평균 방법보다 부유사 농도 데이터에 더 효과적임을 확인하였으며, 이 기법이 최적의 보정 방법으로 판단하였다. Fig. 6(d)에서 탁도-부유사 관계는 점토 입자 분율이 높을수록 동일한 SSC에서 높은 탁도 경향을 보였다. 분율별 Case에 따라서 결정계수 값이 0.982에서 0.994로 높게 나타났다. 한편, 0.30:0.56:0.13 분율은 0.32:0.50:0.17 분율보다 clay 비율은 적지만 silt 비율이 증가하고 sand 비율이 감소함에 따라, 동일한 농도 대비 탁도에 더 크게 반응하는 경향을 보였다. 이러한 특성은 탁도-부유사 관계식의 민감도를 결정짓는 중요한 요인으로 작용하며, 본 연구 결과는 입도 분포를 고려한 관계식 정립의 필요성을 뒷받침한다. 최대 측정 농도에서 탁도 대비 부유사 농도가 높게 나타나는 경향이 관찰되었는데 이는 LISST-200X의 최대 농도 부근에서 높은 탁도로 인해 다중 산란이 발생하여 과대 산정된 것으로 판단된다.
Fig. 7은 PRM 모듈을 장착한 LISST-200X 센서를 활용하여 측정한 탁도-부유사 관계를 나타낸다. 기본 LISST-200X 결과(Fig. 6)는 분율에서 차이를 보였다. 이는 PRM 적용으로 광학 경로가 25 mm에서 5 mm로 단축되면서, 센서를 통과하는 입자의 체류 시간이 짧아지고 산란 신호가 형성되는 조건이 변화하기 때문이다. 특히 입경이 큰 Sand 입자는 레이저 광로 중심을 안정적으로 통과하기 어렵고, 짧아진 경로에서 충분한 산란 패턴을 생성하지 못해 측정 기여도가 감소하는 경향을 보인다. 반면 미세입자인 Clay와 Silt는 작은 관성과 넓은 산란각 특성으로 인해 단축된 광학 경로에서도 비교적 안정적으로 신호를 형성하므로, PRM 적용 시 전체 분율에서 Clay·Silt 비중이 상대적으로 높게 나타나는 것으로 판단된다. 이에 따라 Clay와 Silt의 상대적 비중이 높게 나타난 것으로 해석된다. Fig. 7(a)는 분율 Case에 따라 분류하기 전 4가지 Case를 모두 포함하여 탁도-부유사 관계를 나타낸다. 대체적으로 선형 관계를 보였으며, 기울기는 0.269, y절편은 46.662로 나타났다. R2 값은 0.870로 높은 상관관계를 보여준다. median filter의 경우 Fig. 7(d)에서 볼 수 있듯이 이상치 제거와 중심값 강조를 통해 변동성을 효과적으로 줄였다. 시간 평균 기법을 활용한 결과와 비교를 통해 데이터 수를 안정적으로 보존하면서 부유사 농도 변동성을 효과적으로 개선하는 것을 확인하였다. 따라서 median filter 방법이 시간 평균 방법 보다 부유사 농도 데이터에 더 효과적임을 확인하였으며, 이 기법이 최적의 보정 방법으로 판단하였다. Fig. 7(d)에서 탁도-부유사 관계가 입자 크기가 작을수록 탁도로 치우치는 경향을 보였다. 분율별 Case에 따라서 결정계수 값이 0.970에서 0.986로 높게 나타났다. PRM 모듈을 장착한 LISST-200X Case의 경우 낮은 농도에서는 비선형적인 관계성이 보여 저농도 구간의 데이터는 신뢰성이 떨어진다고 판단된다. 그러나 부유사 농도의 최대 측정 농도가 약 5배 이상 상승하는 것을 확인할 수 있다. 이는 Table 2에서 제시된 바와 같이 PRM 장착 시 광학 경로가 25 mm에서 5 mm로 단축되면서, 입자 크기별 측정 가능 농도가 일괄적으로 약 5배 확장되는 결과와 유사하게 나타났다.
3.3 PRM 기반 탁도-SS 관계의 농도별 적용성 평가
Fig. 8(a)는 PRM 모듈을 장착한 LISST-200X의 결과를, 기본 LISST-200X에서 신뢰할 수 있다고 판단된 탁도 구간(Fig. 6)에서 시각화한 것이다. 탁도는 약 0~50 FNU 범위로 나타났으며, 모든 분율에서의 신뢰성을 확인하기 위해 최소값인 50FNU를 기준으로 분석하였다. 그 결과, 분율에 따른 뚜렷한 특성은 확인되지 않았고, 일부 분율에서는 결정계수(R2)가 0.9 이하로 감소하는 경향이 나타났다. 따라서 50FNU 이하의 저탁도 조건에서는 기존 LISST-200X (Fig. 6(d))를 활용하는 것이 더 효과적일 것으로 판단된다. Fig. 8(b)는 PRM 모듈을 장착한 LISST-200X의 결과를, 신뢰할 수 있다고 판단된 탁도 구간(Fig. 7)에서 시각화한 것이다. 탁도는 약 50-250 FNU 범위로 나타났으며, 모든 분율에서의 신뢰성을 확인하기 위해 최소값인 250FNU를 기준으로 하였고, 최소 범위는 앞서 비교한 50FNU 이상으로 설정하였다. 그 결과, 기존 저탁도 조건에서 관찰된 비선형적 경향이 해소되었으며, 모든 분율에서 결정계수(R2)가 0.97 이상으로 개선된 결과를 보였다. 따라서 Fig. 8의 결과는 저탁수 및 고탁수 환경에서 센서를 유동적으로 활용하는 것이 효과적임을 보여준다.
4. 결 론
본 연구는 기후변화로 인한 집중호우 및 태풍으로 빈번히 발생하는 고탁수 문제를 모니터링하기 위한 방법론적 개선을 목적으로 수행되었다. 기존의 탁도 기반 부유사 농도 추정은 간편성과 실시간성의 장점이 있으나, LISST-200X 센서의 입자 조성에 따른 산란 특성 및 다중 산란 문제로 인해 고탁수 조건에서 적용성이 낮다는 한계가 존재하였다. 이를 보완하기 위해 본 연구는 LISST-200X와 PRM 모듈을 활용하여 고탁수 조건에서의 적용성을 실험적으로 검증하고 평가하였다.
본 연구는 고탁수 조건에서의 부유사 농도 측정을 위해 실내 순환수로를 구축하고, 분율별 Case 4가지 조건을 설정하여 실험을 수행하였다. 동일 조건에서 기본 LISST-200X와 PRM 모듈을 장착한 LISST-200X를 활용하여 부유사 농도를 순차적으로 측정하였으며, YSI-EXO2 센서를 활용하여 탁도를 측정하였다. 각 Case에 대한 실험은 시료 투입 후 안정화 구간에서 3분 정도의 연속적 데이터를 취득하였다. 취득한 데이터는 입자 크기 분율에 따라 세분화하여 분석하였으며, 표준 편차와 오차율 기준 시간 평균화와 median filter 기법을 적용하여 변동성을 보정하였다.
실험 결과, 기본 LISST-200X는 입경분포에 따라 50 FNU 이하에서 신뢰성 있는 농도 측정이 가능했으나, PRM 모듈을 장착한 경우 광 경로 단축을 통해 다중 산란 영향을 효과적으로 저감하여 측정 범위가 약 250~300 FNU 이하까지 확장되는 것을 확인하였다. 이는 기존의 한계를 넘어 고탁수 조건에서도 안정적인 모니터링이 가능함을 의미한다. 특히, 본 연구에서 고려한 분율 조건 전 범위에서 적용 가능한 신뢰성 기준을 탁도로 구분할 수 있어, 약 50FNU 이하는 기본 LISST-200X, 50 FNU 이상에서 250 FNU 이하는 PRM 장착 LISST-200X로 유동적으로 적용할 수 있다는 점에서 현장 활용성이 높다. 또한, 입자 크기 분율에 따른 데이터 세분화는 탁도-부유사 관계의 선형성을 크게 확장시켰으며, 분율별 결정계수는 0.970 이상으로 나타나 단일 관계식보다 높은 신뢰성을 확보하였다. 특히 median filter 기법을 적용한 경우 이상치 제거와 변동성 저감 효과가 두드러져, 데이터 안정성과 모델 정밀도가 개선되는 것으로 나타났다.
이러한 결과는 저농도 구간에서는 기존 LISST-200X를 사용하는 것이 합리적이며, 탁도 50FNU 이상 고탁수 구간에서는 PRM 모듈을 장착한 LISST-200X가 부유사 농도 측정의 실질적 대안이 될 수 있음을 보여준다. 또한 본 연구는 고탁수 조건에서 LISST-200X와 PRM 모듈을 적용하여 부유사 농도 측정의 한계를 보완할 수 있음을 확인하였다. 이는 기존 채수·실험실 분석에 의존하던 방식이나, 고탁수 상황에서 다중 산란으로 인해 측정이 제한되던 기술적 한계를 개선하였다. 따라서 향후에는 다양한 현장 조건과 혼합 매질을 고려한 추가 검증을 통해 본 연구의 적용성을 확장하고, 실제 현장 적용을 통한 성능 평가를 병행함으로써 고탁수 모니터링 및 관리 체계의 고도화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서 기본 LISST-200X는 저탁도 환경에서, PRM 장착 LISST-200X는 고탁도 환경에서 각각 안정적인 관계식을 가지는다는 것을 확인하여 다양한 현장 조건에서의 센서 선택 및 운용 기준을 제안한다는 의의를 갖는다.
