1. 서 론

최근 기후변화로 인한 극한 홍수의 빈도가 증가함에 따라 하천 유량을 신속하고 정확하게 관측하는 것은 매우 중요하다. 특히 홍수 흐름을 측정할 때에 신속하고 안전하게 측정하기 위해 비접촉식 표면유속계를 활용한 유량측정 기술의 활용이 확대되고 있다(Lee et al., 2025). 하천 흐름의 표면유속은 레이더 도플러 유속계(Welber et al., 2016) 또는 영상유속계와 같은 비접촉식 유속계를 이용하여 측정할 수 있다(Hauet et al., 2018). 최근 국내에서도 레이더 표면유속계(전자파표면유속계 포함)를 활용한 자동유량관측이 확대되고 있으며, 영상유속계 역시 중·소하천을 중심으로 사용되고 있다(Lee et al., 2025). 이러한 비접촉식 유속계는 주로 홍수 시 유량측정에 활용되지만 하천의 흐름특성에 따라 중·저유속 조건에서도 활용될 수 있다.

표면유속을 측정하여 유량을 산정하기 위해서는 표면유속을 단면평균유속으로 변환하거나 수심평균유속을 추정한 후 중간단면적법을 적용한다. 대표적인 방법으로는 자동유량측정시스템에서 널리 활용되는 지표유속법(Index Velocity Rating Curve Method, IVRC)이 있으며, 이는 흐름단면의 일부 구간에서 측정한 표면유속을 지표유속으로 이용하고 단면평균유속 간의 관계를 이용하여 평균유속을 산정하는 방법이다(Muste et al., 2020; KIHS, 2024; Lee et al., 2026). 표면유속으로부터 평균유속을 정확하게 산정하기 위해서는 표면유속과 연직유속분포와의 관계를 파악할 필요가 있으며, 연직유속분포에는 하상조도, 단면형상, 바람과 같은 다양한 요인이 영향을 미친다. 이 중 바람은 자유수면에 직접 작용하여 수면 전단응력을 발생시키고, 수체 내부로 운동량을 전달함으로써 표면유속과 연직유속분포를 변화시키는 주요 요인이다. 특히, 상류 방향으로 부는 바람은 표면유속을 감소시키고 하류 방향으로 부는 바람은 표면유속을 증가시킨다(Biggs et al., 2021). 따라서 바람의 영향을 고려하지 않을 경우 측정된 유속과 이를 기반으로 산정된 유량에도 오차가 발생할 수 있어(Fulton et al., 2020), 표면유속 기반 유량측정의 정확도를 확보하기 위해서는 바람영향을 고려하는 것이 중요하다(Hauet et al., 2018; Peña-Haro et al., 2020). 이에 ISO 748(ISO, 2021)에서는 표면유속계를 이용한 유속 측정 시 풍속과 풍향을 함께 관측하여 활용하도록 권고하고 있다. 그러나 국내 하천을 대상으로 바람이 표면유속에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고, 실제 유량측정에 적용한 연구는 아직 제한적인 실정이다.

표면유속 기반 유량측정의 정확도를 향상시키기 위해서는 바람에 의한 영향을 정량적으로 평가하고 보정할 필요가 있다. 바람에 의해 유도된 표면 표류속도(Wind drift)는 공기-수면 경계면에서 발생하는 전단응력에 의해 발생하며(Fulton et al., 2020), 표면유속 측정 오차의 주요 원인이 될 수 있다. 따라서 유속 및 유량을 정확하게 측정하기 위해서는 바람영향 보정이 필요하며, 이를 위한 보정계수 또는 보정식이 제안되고 있다(Motonaga et al., 2013; Fulton et al., 2020; Yoshimura. et al., 2024). Yoshimura et al. (2024)은 수치해석 연구에서 바람 응력이 증가할수록 표면유속의 변화뿐 아니라 수면 하부 유속구조의 변형이 동반되며, 특히 수심이 깊고 바닥 마찰의 영향이 상대적으로 작은 조건에서 그 영향이 크게 나타남을 확인하였다.

선행연구에서는 바람에 의해 유도되는 표면 표류속도가 풍속의 약 3~7% 수준으로 나타나는 것으로 보고되고 있다. Motonaga et al. (2013)은 풍속의 7.4%가 표면유속에 영향을 주는 것으로 분석하였으며, Ono et al. (2016)은 ADCP 측정자료와 레이다 유속계를 이용한 분석 결과 풍속의 4.93%가 표면유속에 영향을 미치는 것으로 제시하였다. Peña-Haro et al. (2020)은 영상기반 표면유속 측정기법을 적용한 연구에서 역풍 조건에서 최대 약 8%, 평균 풍속 2.3 m/s 조건에서는 약 3% 수준의 오차가 발생하는 것으로 분석하였다. Yoshimura et al. (2024)은 바람에 의해 유도된 표면 표류속도가 풍속의 약 3~4% 수준에 이르며, 바람보정계수를 상수로 적용하기보다 수리학적 조건과 풍향을 함께 고려하여 산정할 필요가 있다고 제시하였다. Fujita et al. (2024)은 최대 엔트로피 방법(Maximum entropy method)으로 표면유속에 대한 바람영향을 분석한 결과 Motonaga et al. (2013)이 제시한 바람보정계수 0.074는 과대 추정될 가능성이 있는 반면, 0.03은 비교적 합리적인 결과를 제공하는 것으로 평가하였다.

이상의 선행연구를 종합하면 바람은 표면유속과 연직유속분포를 변화시키는 주요 인자이며, 표면유속 기반 유량측정의 정확도에도 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 따라서 표면유속을 이용하여 유속 및 유량을 산정할 경우 바람영향을 적절히 고려할 필요가 있다. 또한 Biggs et al. (2021)은 경사가 급하고 유속이 빠른 하천에서는 난류 혼합으로 표층풍의 영향이 감소하는 반면, 상대적으로 유속이 느린 조건에서는 바람의 영향이 크게 발생한다고 보고하였다. Fujita et al. (2024) 역시 바람의 영향은 유속이 느릴수록 상대적으로 커지는 연구결과를 제시하였다. 이에 따라 평상시 중·저유속 조건에서의 바람영향을 정량적으로 평가하는 것은 표면유속 기반 유량측정의 정확도 향상을 위해 중요하다.

따라서 본 연구에서는 일반 하천에서 평상시에 발생하는 중·저유속 규모를 대상으로 바람이 표면유속에 미치는 영향을 분석하고, 이를 이용한 바람보정계수의 적용 가능성을 검토하고자 한다. 이를 위해 한국건설기술연구원의 안동하천실험센터 직선 실험수로에서 바람영향 실험을 수행하여 바람보정계수를 산정하였다. 또한 홍천강에 위치한 홍천군(홍천교) 지점을 대상으로 표면유속과 풍향․풍속 관측자료를 이용하여 실제 하천에서의 표면유속의 바람에 대한 영향을 분석하고, 바람영향 바람보정 전후의 유속의 변화를 비교함으로써 실제 하천에서의 적용성을 검토하였다.

2. 표면유속에 대한 바람영향의 이론적 배경

2.1 개수로 연직유속분포 및 바람의 영향

개수로에서 연직유속분포를 설명하는 대표적인 식은 Eq. (1)과 같다(Fujita et al., 2024).

여기서 u는 유속(m/s), u*는 마찰속도(m/s), 𝜅는 von Karman 상수(≈0.4), z는 하상으로부터 연직높이(m), z0는 조도높이(m)이다.

개수로에서의 연직방향 유속분포는 항상 일정하지 않고 바닥조건, 단면의 불규칙한 형태 그리고 수로의 곡률여부 등에 따라 변동되며, 연직방향의 최대유속은 일반적으로 수표면 바로 아래에서 발생한다(Chow, 1959). 또한 자유수면에 작용하는 바람은 수면 부근의 유속구조를 변화시키는 요인으로 작용하며, 이러한 영향은 수심이 깊고 유속이 느린 조건에서 상대적으로 크게 나타날 수 있다(Yoshimura et al., 2024). 바람에 의한 자유수면 풍응력(또는 전단응력)은 Eq. (2)와 같으며, 이 풍응력이 자유수면에 운동량을 전달하면서 수면 부근의 유속구조가 변형된다.

여기서 τw는 풍응력, ρa는 공기밀도, CD는 항력계수, Uw는 풍속이다.

바람이 흐름과 반대방향으로 부는 경우에는 표면유속을 늦추고, 흐름과 같은 방향으로 부는 경우에는 표면유속을 증가시킨다(Biggs et al., 2021). 흐름방향과 반대 방향으로 바람이 부는 경우에는 Fig. 1과 같이 수표면 근처의 유속이 감소하여 최대유속 위치가 아래로 이동되는 것이 강화되면서 연직유속분포를 변화시키게 된다(Yoshimura et al., 2024). 따라서 바람은 표면유속 자체뿐만 아니라 연직유속분포에도 영향을 미칠 수 있으며, 표면유속을 이용하여 평균유속 또는 유량을 산정하는 경우에는 이러한 영향을 고려할 필요가 있다.

Fig. 1.

Conceptual diagram of vertical velocity distribution with and without wind effects in an open channel

2.2 표면유속의 바람영향 보정

앞 절에서 설명한 바와 같이 바람은 표면유속에 직접적인 영향을 미치므로, 표면유속을 이용한 유량측정에서는 바람의 영향을 보정할 필요가 있다. 일반적으로 표면유속의 바람영향 보정은 Eq. (3)과 같이 풍속을 이용하여 수행한다(Fujita et al., 2024). 또한 풍향이 흐름방향과 일치하지 않을 경우에는 Eq. (4)와 같이 풍향각을 고려하여 보정한다.

여기서, uc : 바람 보정 후 표면유속(m/s), us : 측정 표면유속(m/s), 𝛼 : 바람보정계수, Uw10 : 10 m 높이의 풍속(m/s), 𝜃 : 풍향과 흐름방향의 사이각이다.

바람보정을 위한 풍속 관측은 일반적으로 수면으로부터 공칭 높이 10 m에서 관측하여 적용하며(Fulton et al., 2020; Fujita et al., 2024), 이때 바람보정계수 𝛼는 연구마다 다르지만 일반적으로 풍속의 약 3~5% 수준에 이르는 것으로 보고되고 있다. 하천의 수위는 시간에 따라 변동되기 때문에 수면으로부터 10 m 높이의 풍속을 고정적으로 관측하는 것은 어렵다. 이에 따라 풍속의 연직분포를 Eq. (1)의 Prandtl von Karman 속도분포식을 이용하여 임의의 높이에서 관측한 풍속을 10 m 높이의 풍속으로 환산하여 적용한다(Chow et al., 1988; Fulton et al., 2020). 이때 물의 표면 거칠기 높이는 0.01~0.06 cm이며(Chow et al., 1988), 본 연구에서는 선행연구와의 일관성을 확보하기 위하여 Fulton et al. (2020)이 적용한 것과 동일하게 표면 거칠기 높이 0.01 cm를 적용하였다. 다만 본 연구에서는 표면 거칠기 높이를 측정하지 않고 0.01 cm를 적용한 것과 Eq. (1)의 이론식을 바탕으로 10 m 높이의 풍속으로 환산하는 데에 따른 불확실성은 존재한다.

3. 표면유속에 대한 바람영향 분석 실험

3.1 실험방법

바람이 표면유속에 미치는 영향을 분석하기 위하여 한국건설기술연구원 안동하천실험센터의 직선수로(모래하상)에서 2025년 6월 10일에 실험을 수행하였다(Fig. 2). 실험수로의 흐름방향은 북쪽을 기준으로 110° 방향이었다. 레이더 표면유속계는 흐름 중앙부에 설치하였고, 3차원 풍향․풍속계는 레이다 표면유속계가 표면유속을 측정하는 영역에 수면으로부터 0.10 m 높이에 설치하였다. 풍향․풍속, 표면유속 및 수위는 2초 간격으로 측정하였다. 실험에는 자연적으로 발생한 바람(자연풍)을 이용하였으며, 실험기간 동안 공급되는 유량은 약 2.30 m³/s였다.

Fig. 2.

Experimental setup and channel conditions

3.2 실험결과

실험기간 동안의 수위, 표면유속 및 풍속 관측 결과는 Fig. 3과 같으며, 주요 통계값은 Table 1에 정리하였다. 실험기간 동안 실험수로의 수위는 0.68~0.70 m의 범위를 보였으나 대부분 0.69 m를 유지하여 유량의 변동은 없는 것으로 판단하였다. 이때 자연풍의 풍속 발생 범위는 0.15~3.76 m/s였고, Fig. 4와 같이 풍향은 흐름방향에 반대방향인 역풍이 주풍향으로 나타났다. 흐름방향과 동일한 순풍은 전체 실험기간 중 22초에 불과했다.

Fig. 3.

Experimental results (water level, surface velocity, wind speed) under natural wind conditions

Fig. 4.

Wind direction frequency in the experimental channel

표면유속은 풍속 변화에 따라 뚜렷한 변동을 보였으며, 바람의 세기가 강할수록 변동폭이 증가하고 풍속이 약해질수록 감소하는 경향을 보였다. 이는 수위가 일정한 조건에서도 표면유속이 풍속 변화에 따라 반응하고 있음을 보여주며, 바람이 표면유속 변동의 주요 요인으로 작용하고 있음을 시사한다. 실험기간 동안 표면유속은 0.54~0.87 m/s 범위에서 관측되었으며, 최대 0.33 m/s의 변동성을 보였다.

풍속에 따른 표면유속 변화를 정량적으로 분석하기 위하여 Eq. (4)를 이용하여 풍향을 흐름방향(방위각 110°)으로 보정하였다. 그 결과 평균 풍속은 -1.46 m/s (0.51~-3.76 m/s)로 나타났으며, 순풍은 양의 값, 역풍은 음의 값으로 표현하였다(Fig. 5). 본 연구에서 실험은 개방된 실험수로에서 수행하였기 때문에 바람이 없을 때의 표면유속을 기준유속으로 이용하는 데는 한계가 있었다. 따라서 실험기간 중 수면으로부터 0.10 m 높이에서 관측된 풍속 중 가장 느린 -0.04 m/s 조건(2025.06.10. 11:25:16)의 표면유속 0.87 m/s (실험기간 중 최대 표면유속임)를 기준유속으로 하여 바람에 따른 표면유속의 변동성을 검토하였다. 그 결과 Fig. 5와 같이 역풍의 강도가 강해지면 표면유속도 상대적으로 크게 감소하고, 반대로 역풍의 강도가 약해지면 표면유속의 감소 폭은 줄어드는 경향을 보였다. 실험기간 중 평균 표면유속은 0.79 m/s로 기준유속 0.87 m/s에 비해 평균적으로 0.08 m/s (0.00~0.33 m/s) 감소하였다. 이러한 결과는 역풍 조건에서 바람이 표면유속을 감소시키는 방향으로 작용하고 있음을 보여주며, 선행연구에서 보고된 경향과도 일치한다.

Fig. 5.

Water level, surface velocity, and wind speed corrected for wind direction (observation height: 0.10 m and converted height: 10 m)

바람보정계수 𝛼는 Eq. (5)와 같이 바람에 의해 발생된 표면유속의 변화량(Δus)과 수면으로부터 10 m 높이의 풍속(Uw10)의 비율로 산정한다.

Eq. (5)를 이용하여 바람보정계수를 산정하기 위해서는 수면 기준 10 m 높이의 풍속을 적용해야 하므로 수표면으로부터 0.10 m에서 관측된 풍속에 대해 Eq. (1)를 이용하여 10 m 관측 높이의 풍속으로 환산하였다. 그 결과 수표면으로부터 10 m 높이의 평균 풍속은 -2.44 m/s (0.85~-6.26 m/s)였다.

바람보정계수 𝛼는 실험기간 동안의 평균 풍속 및 표면유속의 평균 변화량을 이용하여 산정하였다. 바람에 의한 표면유속의 평균 변화량은 0.08 m/s였으므로 바람보정계수는 Eq. (5)에 의해 0.033으로 산정되었다. 본 연구에서 산정된 바람보정계수 0.033은 Yoshimura et al. (2024)가 제시한 풍속의 3~4% 수준과 유사한 범위에 해당한다. 또한 Fujita et al. (2024)가 제시한 0.03과도 근접한 값으로 나타나, 본 연구에서 산정된 바람보정계수는 기존 연구에서 제시된 범위 내에 있는 것으로 분석되었다.

4. 실제 하천 적용 결과

4.1 대상지점 및 분석기간

실험수로에서 산정한 바람보정계수의 현장 적용성을 검토하기 위하여 실제 하천에 적용하였다. 본 연구의 대상지점은 강원도 홍천군에 위치한 홍천강 본류의 자동유량관측소인 홍천군(홍천교) 지점이며, 하천정비가 잘 이루어져 있어 평상시 와류 등의 영향이 적고 비교적 균일한 흐름이 형성된다. 홍천군(홍천교) 지점은 Fig. 6과 같이 레이더 표면유속계를 이용한 자동유량측정시스템이 설치되어 매 10분 간격으로 수위, 표면유속이 관측되고 있으며, 레이더 표면유속계를 이용하여 일부 구역 유속(지표유속)을 실측하고, 지표유속-평균유속 관계식과 수위-단면적 관계식 수립을 통해 연속 유량을 산정하는 지표유속법(IVRC)을 적용한다. 또한 홍수특보지점으로서 ADCP 등으로 다수의 실측자료를 확보하여 안정된 수위-유량관계곡선(Stage-Discharge Rating Curve, HQRC)이 구축되어 있다(Fig. 7).

Fig. 6.

Location of the Hongcheon Station and installation of the radar surface velocimeter and wind gauge

Fig. 7.

Stage–discharge rating curve (HQRC) for Hongcheon Station (KIHS, 2025)

본 연구에서는 표면유속의 바람영향 보정 전·후의 평균유속(IVRC로 산정된 값) 변화를 비교하기 위하여 HQRC로 산정된 평균유속 및 유량을 기준자료로 활용하였다. 정확한 비교를 위해서는 HQRC로 산정한 값이 아닌 표면유속 측정과 동시에 ADCP 등을 이용하여 정밀 측정하고 비교하는 것이 필요하지만, 홍천군(홍천교) 지점의 HQRC가 본 연구의 대상 수위범위에서 ADCP로 측정한 자료를 기반으로 측정자료 간에 큰 산포 없이 안정되게 개발되어 있어 기준자료로 활용하는데 큰 무리가 없을 것으로 판단하였다. 홍천군(홍천교) 지점의 하류 약 200 m 지점에 보가 설치되어 있어 보 운영 조건에 따라 수위-유량(또는 유속) 관계가 변동될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 보 운영에 따른 영향을 배제하기 위하여 보가 운영되지 않은 기간을 대상으로 분석을 수행하였다.

실제 하천에서의 바람영향을 분석하기 위하여 Fig. 6과 같이 풍향풍속계를 레이더 표면유속계 관측 단면에 수면으로부터 1.48 m 높이에 설치하여 10시간 동안(2025.09.25. 11:00~21:00) 운영하였다. 바람의 영향은 일반적으로 홍수 시의 고유속 조건보다 평상시 중·저유속 조건에서 상대적으로 크게 나타난다. 또한 실험수로 실험 역시 중·저유속 및 역풍 조건에서 수행되었기 때문에 분석기간은 중·저유속이 발생하고 역풍이 우세한 기간으로 선정하였다.

4.2 바람영향 분석

일반적으로 수면 폭이 넓을수록 측벽의 영향이 줄어들어 바람 응력이 수면 전체에 전달되므로 바람의 영향이 상대적으로 증가하게 된다. 또한 바닥마찰속도가 작고 수심이 커질수록 바람의 영향에 민감하게 반응한다(Yoshimura. et al., 2024). 분석기간 동안 홍천군(홍천교) 지점의 하천 수위는 0.72~0.68 m로 0.04 m 하강하였으며, 이때 평균 수면 폭은 93.92 m, 평균수심은 0.89 m였다. 레이다 표면유속계로 표면유속을 측정하는 위치의 수심은 1.43 m로 바람의 영향을 검토할 수 있는 수리적 조건을 갖춘 것으로 판단하였다.

분석기간 동안 HQRC 기반 유량은 44.05~38.52 m³/s, 단면평균유속은 0.46~0.42 m/s 범위를 보였다. 레이더 표면유속계로 관측된 표면유속은 0.46~0.57 m/s였다(Table 2). 수표면으로부터 1.48 m 높이에서 관측된 풍향은 Fig. 8과 같이 흐름방향(방위각 110°)을 기준으로 할 때에 10분 주기로 관측된 풍속 자료 60개 중 흐름방향과 동일한 순풍(상류에서 하류방향)은 5개에 불과하였으며, 나머지 55개는 모두 흐름방향과 반대 방향인 역풍(하류에서 상류방향)이 발생하였다(Fig. 8). 이때 풍속은 0~3.30 m/s였으며, 평균 1.73 m/s였다.

Fig. 8.

Wind direction frequency distribution at Hongcheon Station

표면유속에 대한 바람의 영향을 분석하기 위하여 흐름방향을 기준으로 Eq. (4)를 이용하여 풍속을 보정하였다(음의 값은 역풍, 양의 값은 순풍). 하천의 수위는 Fig. 9와 같이 시간에 따라 0.72 m에서 0.68 m로 낮아지고 있으나 레이더 표면유속계로 관측된 표면유속은 바람의 영향을 받아 풍향 및 풍속에 따라 하천의 수위와 다른 경향을 보였다. 수위-유량관계가 1:1로 확립된 일반적인 하천에서는 수위가 낮아지면 유속도 동일하게 느려지게 된다. 하지만 홍천군(홍천교) 지점에서는 흐름과 반대방향의 바람 강도가 강해지면 표면유속은 감소하고, 바람의 강도가 작아지면 표면유속은 상대적으로 증가하는 등 바람의 강도 및 방향에 따라 변동되는 특성을 보여, 바람이 표면유속에 영향을 주고 있다는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 9.

Time series of stage, surface velocity, and wind speed (corrected for wind direction) observed at Hongcheon Station

레이더 표면유속계로 관측된 표면유속을 지표유속으로 이용하여 홍천군(홍천교) 지점의 2025년 IVRC (KIHS, 2025)를 이용하여 산정된 평균유속과 HQRC로 산정한 평균유속을 비교하였다. 그 결과 IVRC 기반 평균유속(평균 0.41 m/s)은 HQRC 기반 평균유속(평균 0.44 m/s)에 비해 평균 0.03 m/s 작게 산정되었다. 특히 바람의 강도가 강할수록 차이는 크게 발생(최대 0.08 m/s)하였으며, 수위의 변동 경향성과는 다르게 바람의 영향에 의해 수위가 높을 때가 유속이 느려지는 특성을 확인할 수 있었다(Fig. 10). 이는 표면유속을 이용한 평균유속 산정 시 바람의 영향을 고려하지 않을 경우 오차가 발생할 수 있음을 보여준다.

Fig. 10.

Comparison between HQRC-based and IVRC-based mean velocities

4.3 바람영향 보정 결과

본 절에서는 홍천군(홍천교) 지점에서 관측한 풍향 및 풍속자료를 이용하여 레이더 표면유속계로 측정한 표면유속을 보정하고, 이를 이용하여 IVRC 기반 평균유속 및 유량을 HQRC 결과와 비교하였다. HQRC로 산정한 평균유속 및 유량은 바람이 불더라도 하천의 수위는 크게 변동되지 않기 때문에 하천 수위 변화에 따른 유속과 유량을 일관되게 산정할 수 있어 기준값으로 활용하였다. 표면유속에 대한 바람영향을 보정하기 위하여 수면으로부터 높이 1.48 m에서 관측한 풍향 및 풍속자료를 이용하여 흐름방향 기준(상류에서 하류방향)으로 풍속을 보정하였으며(4.2절), 실험수로에서 산정한 바람보정계수 0.033을 적용하기 위하여 수면으로부터 10 m 높이의 풍속을 Eq. (1)를 이용하여 산정 및 적용하였다.

표면유속에 바람영향을 보정하지 않은 IVRC 평균유속은 Fig. 11과 같이 HQRC 평균유속보다 전반적으로 작게 산정되었으며, 수위 변동에 따른 유속의 변동 경향성을 찾기 어려웠다. 반면, 바람영향을 보정한 결과 IVRC 평균유속은 변동성은 있지만 HQRC 결과와 유사한 경향을 보였다. 두 자료 간의 경향성을 정량적으로 평가하기 위하여 제한된 유속범위이지만 HQRC의 평균유속과 바람영향 보정 전후의 IVRC의 평균유속 간의 결정계수(Coefficient of Determination, R²)를 산정하였다(Table 3). 그 결과 바람영향 보정 전의 R²은 0.0550, 보정 후는 0.8053으로 바람영향 보정 전에 비해 보정 후의 R²이 크게 개선됨을 확인할 수 있었다. 표면유속의 바람영향 보정 전에는 2025.09.25. 12:00~17:00 기간에 수위가 높은 시기이지만 상대적으로 강한 역풍에 의해 유속이 느려져 HQRC의 평균유속과 큰 차이를 보이고 있으며, 이후에는 역풍의 강도가 작아지면서 IVRC의 평균유속이 HQRC의 평균유속과 비슷해지면서 두 평균유속 간의 경향성이 일정하지 않아 R²이 매우 낮게 산정되었다. 바람영향 보정 후에는 보정된 IVRC의 평균유속에 진동은 있지만 수위 및 HQRC의 평균유속 변동 경향에 따라 높은 수위에서는 평균유속이 빠르고, 수위가 낮아지면서 평균유속도 낮아지는 경향을 보이기 때문에 R²이 높게 산정되었다.

Fig. 11.

Comparison of mean velocity before and after wind correction

HQRC 평균유속을 기준으로 바람영향 보정 전후의 IVRC 평균유속과의 절대편차율(Absolute Percentage Error, APE)을 산정하여 비교하였다. 바람영향 보정 전의 IVRC 평균유속의 APE는 1.95~17.89%(MAPE 8.36%)였으나 바람영향을 보정한 IVRC 평균유속의 절대편차율은 0.23~16.78% (MAPE 6.24%)로 감소하였다. 또한 평균제곱근오차(Root Mean Squared Error, RMSE)도 HQRC 평균유속을 기준으로 바람영향 보정 전의 IVRC 평균유속이 0.04 m/s, 보정 후가 0.03 m/s로 25% 감소되어 바람영향 보정이 평균유속 산정 정확도 향상에 기여할 수 있음을 보여준다. 이러한 결과를 유량으로 비교하면 바람영향 보정 전 유량은 평균 3.50 m³/s의 절대편차가 발생하였으나, 바람영향 보정 후에는 평균 2.60 m³/s로 0.90 m³/s의 감소하였다. 이는 실험수로에서 산정한 바람보정계수가 실제 하천에서도 적용 가능함을 보여준다.

5. 결 론

본 연구는 실험수로에서 표면유속에 대한 역풍 조건의 바람영향을 분석하고 바람보정계수를 산정하였다. 또한 홍천강 홍천군(홍천교) 지점을 대상으로 산정된 바람보정계수의 적용성을 검토하고, 바람영향 보정 전후의 IVRC 평균유속을 HQRC 평균유속과 비교하여 보정 효과를 검증하였다. 주요 결론은 다음과 같다.

(1)실험수로 실험 결과 바람의 영향이 거의 없을 때의 표면유속 0.87m/s 및 역풍 조건에서 표면유속은 10 m 높이 풍속(0.51~-3.76 m/s)의 평균 3.3% 수준의 영향을 받는 것으로 나타났으며, 이에 따른 바람보정계수는 0.033으로 산정되었다. 이는 기존 연구에서 제시된 범위와 유사한 수준으로 나타났다.

(2)홍천강 홍천군(홍천교) 지점에서는 바람의 영향으로 IVRC 기반 평균유속이 HQRC 기반 평균유속에 비해 최대 18%(0.08 m/s)의 편차를 보였다. 또한 역풍의 강도가 증가할수록 편차가 커지고, 풍속이 감소할수록 두 결과가 유사해지는 경향을 나타내어 바람이 표면유속에 영향을 미치고 있음을 확인하였다.

(3)실험수로에서 산정한 바람보정계수(0.033)를 적용한 결과, HQRC 평균유속과 IVRC 평균유속 간의 RMSE는 바람영향 보정 전에 0.04 m/s에서 보정 후에 0.03 m/s로 감소되었다. 이러한 결과는 바람이 부는 조건에서 표면유속 관측을 통한 유량측정 시 바람영향을 고려하지 않을 경우 평균유속 및 유량을 과대 또는 과소평가할 수 있음을 시사한다. 또한 실험수로에서 산정한 바람보정계수가 실제 하천에도 적용 가능함을 보여주었다.

본 연구는 실험수로에서 표면유속에 대한 바람영향을 정량적으로 분석하고 바람보정계수를 산정하였으며, 이를 실제 하천에 적용하여 바람영향 보정에 따른 평균유속 및 유량 산정 정확도를 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 다만 본 연구는 단일 규모의 유속 및 역풍 조건을 대상으로 실험 및 현장 적용성을 검토한 것으로 본 연구와 유사한 중·저유속, 풍속 및 풍향(역풍) 조건에서 적용이 가능할 것으로 판단된다. 향후 연구에서는 다양한 수리(유속, 수심, 수면폭 등) 및 기상(풍향, 풍속) 조건에 대한 추가 검증과 ADCP 등으로 표면유속 측정과 동시에 정밀 측정하여 검증하는 것이 필요하다. 다양한 유속, 풍속 및 풍향 조건에 대한 실험 및 검증, 현장 적용 연구가 수행된다면 표면유속계를 활용한 유속 및 유량측정의 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.