Research Article

Journal of Korea Water Resources Association. 30 November 2021. 903-913
https://doi.org/10.3741/JKWRA.2021.54.11.903

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 연구 방법

  •   2.1 측정 장비

  •   2.2 표면유속 측정

  •   2.3 이상치 제거

  •   2.4 유량 산정

  • 3. 드론과 전자파표면유속계를 이용한 유량산정

  •   3.1 대상 지점

  •   3.2 표면유속 측정

  •   3.3 평균유속환산계수 산정

  •   3.4 적용성 평가

  • 4. 결 론

1. 서 론

드론은 과거 정찰이나 표적타격 등 군사적인 목적으로 개발되었다. 그러나 최근에는 농업, 기상관측, 통신, 방송, 물류운송, 항공측량 등 광범위한 분야에서 활용하고 있으며, 드론을 이용한 산업은 지속적으로 확장되고 있다. 수자원 분야에서도 드론을 이용한 연구가 활발히 진행되고 있으며 그 중 하천측량 분야가 대표적이라 할 수 있다(Lee et al., 2020).

유량조사에 관한 연구로는 드론의 비행능력을 활용하여 ADCP를 견인하여 유량조사를 실시한 연구(Lee and Lee, 2015)도 있으나, 국내·외 대부분 드론에 장착된 카메라로부터 동영상을 촬영하여 표면유속장을 측정하는 방법인 PIV (Particle Image Velocimetry) 기법이 대표적이다. 국외의 경우 Fujita et al. (2015)은 공중에서 높은 정확도로 촬영한 이미지를 안정화하는 새로운 방법을 개발하여 2014년 우오노 강의 융설에 의한 홍수를 조사하기 위해 적용하였다. Detert et al. (2017)은 스위스의 Murg River라는 작은 하천에서 드론을 이용해 완전히 비접촉식으로 수행 한 최초의 유량 측정방법이다. 국내의 경우 Yu and Hwang (2017)은 실험수로에서 드론에 장착된 비디오 카메라를 이용하여 표면영상유속측정법(Surface image velocimetry)을 적용하여 표면유속을 측정하였다. Lee et al. (2020)은 중랑천 및 영동천에서 드론을 일정높이의 정지상태(Hovering)에서 수표면을 3초 간격으로 정사 촬영하고 하도 내 유하하는 부자 또는 부유물의 3초 간격 위치를 GRS80 TM좌표계를 적용하여 좌표 분석을 통해 이동거리를 평균유속으로 산정하고 유량을 산정하였다.

전자파표면유속계는 전자파를 발사한 후 수표면에 반사되는 전자파의 도플러효과를 이용하여 표면유속을 측정하는 유속계이다. 국제적으로 1980년대부터 홍수유량측정의 어려움을 극복하고자 전자파표면유속계에 대한 연구가 활발히 진행되었다. 일본에서는 1986년 이후로 토목연구소를 중심으로 전자파표면유속계를 개발하여 하천 유량측정 업무에 적용하였으며 이를 확장하여 교량에 고정식으로 설치하여 실시간 홍수량 측정에 적용하고 있다(Yamaguchi, 1992). 미국의 경우 U.S. Geological Survey (USGS)에서 교량, 케이블웨이, 제방, 헬리콥터, 비행기 등 전자파표면유속계의 측정 위치에 따라 주파수 범위를 달리하며 유속을 측정하는 연구가 진행되었다. 교량에서의 측정은 24 GHz 주파수를 이용하여 점(point) 유속을 측정하였고, 케이블웨이 방식은 24 GHz 주파수를 이용하여 수평선(profile) 유속 분포를 측정하였다. 제방에서의 측정은 10 GHz 주파수를 이용하여 수평선(profile) 유속 분포를 측정하였고, 헬리콥터 및 비행기를 이용한 측정은 9.36 GHz 주파수를 이용하여 수평선(profile) 또는 면(map) 유속 분포를 측정하였다(Plant et al., 2005). 국내의 경우 한국수자원공사(K-water)는 홍수기에 정확하고 안전한 유량측정을 통하여 물관리에 필요한 기초수문자료를 확보하고자 1993년부터 대하천을 중심으로 하천유량측정 신기술 개발을 위한 연구를 시작하였다(K-water, 1994). Lee et al. (1997)은 전자파표면유속계를 이용하여 남한강 여주대교 500 m 구간에 대하여 23개 측선에서 측정한 유량과 부정류 계산에 의해 산정된 유량과 ±2%의 편차를 보여 전자파표면유속계 사용의 실용성을 확인하였다. 이 외에도 하천의 측정위치, 전자파표면유속계의 측정각 및 평균유속환산을 위한 환산계수 산정 등 전자파표면유속계를 이용한 많은 연구가 수행되고 있다. 하지만 전자파표면유속계를 드론과 결합하여 실제 하천에서 표면유속 측정에 활용한 연구는 아직 진행된 바가 없는 것으로 조사되었다.

본 연구는 수자원 유량측정 분야에서 이용하고 있는 드론과 전자파표면유속계 두 장비를 결합하여 홍수기 하천에서의 유량측정 방법의 실용성을 검증하고자 하였다. 기존 홍수기 유량측정은 교량 및 제방과 같은 구조물에 사람이 진입하여 전자파유속계, ADCP 및 부자 등을 이용한 유량측정을 수행하고 있지만 교량에서 측정공간 부족으로 안전사고에 취약한 경우나 측정지점이 만곡부에 위치하여 흐름특성이 불안정한 경우 구조물 유무에 관계없이 측정의 어려움이 발생한다. 따라서 측정인원의 교량 진입을 원천에 차단하여 안전을 확보하고 흐름이 안정된 위치를 찾아 유량측정을 수행 할 수 있는 새로운 유량측정방법의 필요성이 대두되었다. 따라서 최소 인력이 드론과 전자파표면유속계를 이용하여 단시간 간편하게 유량을 측정할 수 있는 방법을 개발하였다.

2. 연구 방법

2.1 측정 장비

본 연구는 드론을 이용하여 홍수기 하천유량을 측정하는데 있어서 가장 먼저 해결해야 할 과제로 바람, 강우 등 기상 상황에 제약 없이 비행 가능한 드론이 필요하였다. 따라서 드론의 기계적 한계를 극복하고 활용성 증대를 위해 IP56 등급의 방진방수 성능 및 최대 36 km/h의 풍속에서 안정적인 비행능력과 최대 10 kg의 탑재 중량을 확보한 드론을 자체 개발하였다. 전자파표면유속계는 교량위에서 사람이 측정을 수행하는 목적으로 개발된 Mutronics사의 MU2720모델을 사용하였다. 사용주파수는 24 GHz로 유속측정 범위 0.03 ~ 20.0 m/s, 방진방수 등급 IP67, 무게 3.3 kg으로 드론 및 유속계의 자세한 제원은 Table 1에 정리하였다. 또한 드론과 전자파표면유속계의 연결부인 댐퍼플레이트를 개발하였다.

댐퍼플레이트는 드론과 전자파표면유속계의 측정 오차를 최대한 줄이기 위해 외부 환경에 의한 드론의 순간적인 기울어짐 현상 발생에도 측정위치 고정과 모터로부터 전달되는 기계적 진동을 완화시켜주는 기능을 한다. 댐퍼플레이트의 진동 완화 성능을 검토하기 위해 드론에 댐퍼플레이트 장착 전후에 대하여 무선 블루투스 진동계를 장착하여 실험을 실시하였다. 진동계는 RECOVIB TINY 모델로 충격 및 진동을 3축(X, Y, Z축)의 가속도와 주파수를 값으로 측정한다. 진동계와 댐퍼플레이트에 장착한 모습을 Fig. 1에 도시하였다.

Table 1.

Specifications of measuring equipment

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kwra/2021-054-11/N0200541105/images/kwra_54_11_05_T1_1.jpg Weight about 11 kg (with battery)
Maximum flight limit 500 EL.m
Flight time 30 min
Maximum take-off weight 20 kg
Max speed (s-mode) 72 km/h
Max Wind Resistance 10 m/s
Satellite positioning systems GPS+GLONASS
Dustproof and waterproof grade IP56
https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kwra/2021-054-11/N0200541105/images/kwra_54_11_05_T1_2.jpg Weight about 3.3 kg
Velocity measurement range 0.03 ~ 20.0 m/s
Vertical angle range 0° ~ 50°
Horizontal angle range ±40°
Measuring distance max 100 m (velocity < 0.5 m/s)
max 200 m (velocity > 0.5 m/s)
Measurement accuracy ±0.01 m/s or ±10% (velocity < 0.1 m/s)
±0.01 m/s or ±5% (0.1 < velocity < 0.5 m/s)
±0.03 m/s or ±3% (velocity > 0.5 m/s)
Velocity resolution ability min 0.001 m/s
frequency resolution ability : min 0.1 Hz
Use frequency K-band (24 GHz)
beam width Horizontal 9° / Vertical 5°
Dustproof and waterproof grade IP67

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Fig. 1.

Vibration measurement experiment of damper-plate

Fig. 2에는 댐퍼플레이트 장착 유무에 따른 비행시간 동안의 X축, Y축, Z축의 가속도 변화를 도시하였다. 가로축은 시간을 나타내며 단위는 (sec), 세로축은 가속도이며 단위는 (m/s2)이다. X축은 댐퍼플레이트를 장착하지 않은 경우 최소 –18.12 m/s2에서 최대 +16.38 m/s2로 최대최소 범위가 +34.50 m/s2, 장착하였을 경우 최소 –6.76 m/s2에서 최대 –2.26 m/s2로 최대최소 범위가 +4.50 m/s2로 계측되었다. Y축은 댐퍼플레이트를 장착하지 않은 경우 최소 –18.15 m/s2에서 최대 +19.42 m/s2로 최대최소 범위가 +37.58 m/s2, 장착하였을 경우 최소 –1.21 m/s2에서 최대 +2.00 m/s2로 최대최소 범위가 +3.21 m/s2로 계측되었다. Z축은 댐퍼플레이트를 장착하지 않은 경우, 최소 –23.35 m/s2에서 최대 +23.28 m/s2로 최대최소 범위가 +46.63 m/s2, 장착하였을 경우 최소 –5.26 m/s2에서 최대 +19.48 m/s2로 최대최소 범위가 +24.74 m/s2로 계측되었다. 계측결과 댐퍼플레이트 장착을 통해 전자파표면유속계로 전달되는 진동이 X축 87.0%, Y축 91.5%, Z축 46.9%의 감소효과를 확인하였다. Z축은 실제 계측된 가속도의 극치값이 앞서 제시한 수치보다 큰 값이지만 표출과정의 오류로 감소효과가 X, Y축에 비하여 작게 산정되었다.

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Fig. 2.

Comparison of the acceleration of each axis according to the presence or absence of the damper-plate

2.2 표면유속 측정

홍수기 하천에서 유량측정을 위한 대표적인 비접촉식 방식으로 전자파표면유속계를 이용한다. 전자파표면유속계에 의한 유량측정은 상류방향으로 전자파를 발사한 후 수표면에서 반사되는 전자파의 도플러효과를 이용하여 표면유속을 측정하고 미리 산정한 보정계수에 의해 평균유속으로 변환하여 유량을 산정한다.

반사 신호의 주파수 성분은 물표면 이동속도에 비례하는 도플러 주파수가 변이되어 나타나며, 수학적으로 다음 식 1과 같이 표현된다.

(1)
fd=2vλcosθ

여기서, fd는 측정된 도플러 주파수이고, v는 물체의 속도,λ는 전파의 파장, 그리고 θ는 물체의 속도 방향과 전파의 진행방향이 이루는 각으로 30 ~ 50° 사이의 각을 이용한다.

표면유속은 도플러 주파수와 송신파장에 비례하며, 송신안테나 기울기 각도에 반비례한다. 전자파표면유속계는 유속으로 인해 나타나는 초고주파 센서의 출력 즉, 도플러 신호의 주파수(fd)를 판별하고 이를 다음 식 2를 이용하여 표면유속(v)을 계산한다.

(2)
v=λ2cosθfd

DSVM을 운용한 하천유량측정의 개념도는 다음 Fig. 3과 같이 나타내었다. 일반적으로 표면유속을 측정하고 유량산정을 위해 환산계수 0.85를 적용하여 평균유속을 산정하고 있다. 환산계수 0.85는 하천의 각 횡측선 수심-유속분포를 일반적인 분포로 가정하고 표면유속에 0.85를 곱하여 평균유속을 산정한다(Rantz, 1982). 그러나 하천의 측정위치 및 흐름특성에 따라 유속분포가 변화하기 때문에 국외 많은 연구에서 환산계수의 범위를 0.72에서 1.72까지 제시한 바 있다(Johnson and Cowen, 2017). 따라서 환산계수 0.85의 일률적인 적용은 부정확한 유량산정을 초래할 수 있어 측정위치에 적절한 환산계수 산정이 필요하다.

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Fig. 3.

Schematic diagram of DSVM measurement method

2.3 이상치 제거

전자파표면유속계로부터 측정된 표면유속에 포함된 이상치(Outlier)는 Tukey (1977) 방법을 적용하여 각 측선별로 제거하였다. Tukey (1977) 방법은 단변량 통계치에 대하여 도표로 보여주는 대표적 방법으로 Fig. 4와 같이 중앙값, 사분위, 최솟값, 최댓값 등을 표현할 수 있다. 사분위수를 사용하기 때문에 평균과 표준편차보다 이상치에 대하여 영향을 덜 받는다. 사분위수범위는 Q1(제1사분위수)과 Q3(제3사분위수) 사이의 범위(Inter Quartile Range, IQR)로 정의하며, 사분위수 범위를 활용하여 범위 밖의 관측치를 이상치로 정의한다.

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Fig. 4.

Box plot

(3)
Max=Q3+c×IQRMin=Q1-c×IQR

여기서, IQR = Q3Q1, c는 상수로서 일반적으로 1.5 또는 3.0을 적용한다.

Tukey (1977)에서 제안한 1.5와 3.0은 정규분포 형태뿐만 아니라 편향된 분포에서도 적용 가능한 장점이 있다.

2.4 유량 산정

표면유속의 이상치를 제거하고 평균유속환산계수를 적용하여 산정한 평균유속을 중간단면적법(Mid-section method)에 적용하여 유량을 산정하였다. 중간단면적법(Mid-section method)은 횡단면을 각 측선별 연직선으로 구분되어 여러 개의 소구간으로 나누어진 것으로 간주한다. v·d의 변화를 직선으로 가정하고 각 측선(단면)에서의 유량은 수표면을 따라 측정된 측선별 단면의 하폭에 v·d를 곱하여 계산한다. 이 하폭은 인접한 연직선에서 v·d가 계산되는 연직선까지의 하폭의 반과 이 연직선으로부터 반대편에 있는 인접한 연직선까지 하폭의 반을 더한 합으로 간주한다. 제방의 바로 옆에 있는 두 개의 절반-하폭에서 v·d에 대한 값은 0으로 간주한다. 이러한 이유로 인해서 처음과 마지막에 관측된 측선들은 중간단면방법을 적용할 경우 가능한 제방과 가깝게 하여야 한다. 하상이 고르지 않고 시간과 비용이 허용되는 경우 Fig. 5에 표시된 주석이 달린 수직선 사이의 중간 지점에서 수심을 결정하면 각 측선의 단면적을 보다 정확하게 결정할 수 있다(ISO 748, 2007).

이 방법의 경우 각 측선의 유량은 다음과 같이 계산된다.

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Fig. 5.

Diagram illustrating the mid-section method (ISO 748, 2007)

(4)
q=vndnbn+1-bn-12

여기서 v는 연직유속 분포의 평균유속이다.

각 측선의 유량은 연직선에 대해 계산되며 전체 단면을 통과하는 유량은 다음 식과 같이 부분 유량들을 합산하여 구할 수 있다.

(5)
Q=vndnbn+1-bn-12

3. 드론과 전자파표면유속계를 이용한 유량산정

3.1 대상 지점

본 연구의 대상지점은 금강의 제1지류인 봉황천에 위치한 금산군(황풍교) 지점을 선정하였다. 금산군(황풍교) 지점은 유역면적은 122.5 km2이고 금강 합류점으로부터 약 7.4 km 상류에 위치하고 있다. 2019년 12월 수위관측소가 신설되어 2020년 유량측정을 통해 수위-유량관계곡선식을 개발하였다. DSVM을 운용한 측정위치는 Fig. 6(a)에 도시한 바와 같이 (구)황풍교 하류 약 10 m에 위치한 횡단면을 선정하였다. 수면폭의 변화는 홍수터 월류여부에 따라 Fig. 6(b)와 같이 약 63 ~ 132 m 정도의 흐름이 발생하였다.

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Fig. 6.

Measurement location

3.2 표면유속 측정

2020년 7월 12일과 13일 발생한 호우사상에 대해서 DSVM을 운용하여 Fig. 7(a)에 도시한 바와 같이 표면유속을 측정하였다. 기상청 금산 강우관측소에 일 강우는 약 114.8 mm가 관측되었고, 13일 오전 8시경부터 시간당 약 16 mm 강우가 발생하여 하천 수위가 평저수위 대비 약 3 m 가량 급격하게 상승하였다. Fig. 7(b)에 보는 바와 같이 최고수위는 3.26 m를 기록하였고, DSVM을 운용하여 첨두부근 3.23 m를 시작으로 하강부에서 측정을 실시하였다. DSVM을 운용한 측정의 정확도 및 평균유속환산계수 산정을 위해 ADCP와 동시측정을 시도하였으나, 유출특성상 탁도가 심해 ADCP 측정이 불가하였다. 이후 하강부에서 DSVM을 운용하여 5회의 측정을 실시하였다. DSVM과 ADCP 측정성과의 측정시간 및 수위는 Table 2에 정리하였다. ADCP 측정이 가능한 조건에 대해서 동시 측정한 성과는 DSVM 측정성과 3번 ~ 6번, ADCP 측정성과 13번, 15번 ~ 17번을 동시에 측정하였다. 동시측정 성과별 측정 시작시간이 약 3 ~ 7분의 시간차가 발생하였으나, 홍수통제소 관측주기 10분을 감안하면 동시측정으로 판단하여 정확도 및 평균유속환산계수 산정 및 분석에 문제가 없을 것으로 판단하였다.

각 측정성과별 표면유속은 16 ~ 17개 측선에 대하여 측정하였다. 측선별 표면유속 측정시간은 30초 동안 약 1.76초 간격으로 17개의 순간표면유속을 측정하고 Tukey (1977) 방법을 통해 이상치를 제거한 평균표면유속을 산정하였다. Fig. 8에 6개 측정성과에 대해서 성과별 측선에 대한 box-plot을 도시하였다. 이상치 제거에 있어서 최솟값, 최댓값을 벗어나는 관측치에 대해서 이상치로 정의하였고, 동일 값인 경우에는 정상치로 정의하여 평균표면유속을 산정하였다.

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Fig. 7.

DSVM and ADCP measurement results at the same time

Table 2.

Comparison of drone (radar) and ADCP measurements at the same time

River Station Measurements using Drone (radar) Measurements using ADCP
no. Date Stage (m) no. Date Stage (m)
Geum river
-Bonghwang
stream
Geumsan-gun
(Hwangpoonggyo)
1 2020-07-13 10:40 3.23 - -
2 2020-07-13 11:52 3.06 - -
3 2020-07-13 13:00 2.84 13 2020-07-13 13:03 2.82
4 2020-07-13 13:54 2.65 15 2020-07-13 14:00 2.65
5 2020-07-13 14:45 2.49 16 2020-07-13 14:38 2.52
6 2020-07-13 17:30 2.12 17 2020-07-13 17:26 2.14

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Fig. 8.

Review of outliers in drone (radar) measurements

3.3 평균유속환산계수 산정

측정된 표면유속으로부터 유량을 산정하기 위해서는 평균유속환산계수를 적용하고 있으며, 일반적으로 사용되는 환산계수 0.85를 일률적으로 적용할 경우 부정확한 유량을 산정할 수 있으므로 측정위치에 따른 환산계수 산정이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 DSVM을 운용하여 측정한 표면유속으로부터 이상치를 제거하고 산정한 평균표면유속과 ADCP를 이용하여 동시 측정한 평균유속과 비교하고, 평균유속환산계수를 재산정하여 평균유속 환산의 정확도를 높이고자 하였다. Fig. 9(a)에 같은 위치에서 DSVM과 ADCP를 이용하여 동시에 측정하는 상황을 도시하였다. Fig. 9(b)는 측정위치 하류 약 590 m에서 콘크리트 고정보 영향에 의한 통제현상을 도시하였다.

평균유속환산계수 산정에 있어 DSVM 측정한 성과 중 ADCP와 동시 측정한 4개의 성과와 비교·검토하였다. 각 ADCP 성과의 평균유속은 DSVM을 운용하여 표면유속을 측정하는 시간동안 좌우안 왕복한 2개의 성과를 Fig. 10과 같이 비교하여 환산계수를 산정하였다.

측정성과별 수면폭은 수위에 따라 약 70 ~ 130 m의 범위로 측선수는 수면폭을 고려하여 16 ~ 17개 측선에서 표면유속을 측정하였다. 홍수터로 월류하여 비정상흐름이 발생한 측선은 제외하고 측선별 환산계수는 0.66에서 1.09의 범위로 나타났고, 4개의 측정성과별 환산계수의 평균치는 0.90에서 0.93 범위로 일반적인 수치보다 환산계수가 높게 산정되었다. 이는 측정위치 하류 약 590 m에 위치한 콘크리트 고정보의 영향이 통제 구조물이 없는 유출에 의한 수면경사 보다 완경사가 발생함으로써 수위-유속분포에 영향을 미쳐 높게 산정된 것으로 판단된다. 따라서 평균유속환산계수는 4개 성과의 환산계수의 평균치인 0.92를 산정하였다.

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Fig. 9.

Flood discharge measurement conditions using DSVM

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Fig. 10.

Comparison of mean surface velocity and mean velocity

3.4 적용성 평가

DSVM으로 측정한 표면유속으로부터 산정된 유량과 지점별 당해 년도 수위-유량관계곡선식으로부터 산정된 유량을 비교, 분석하여 정확도를 평가하였다. 금산군(황풍교) 지점(ME, 2020)은 2020년 ADV, ADCP 및 봉부자 등을 이용하여 43회 측정을 통해 수위-유량관계곡선을 개발하였다. 개발된 곡선식의 평가를 위해 표준오차 및 불확도를 검토한 결과 아래 Table 3에 제시한 바와 같이 수위-유량관계곡선식의 전 수위 범위의 표준오차는 6.34%, 곡선식 불확도는 최소 2.12%에서 최대 4.27%, 평균 2.81%로 산정되었다. 드론을 이용한 측정수위 범위인 1.62 m에서 6.56 m 범위 중고수위 곡선식의 경우 표준오차 2.71%, 곡선식 불확도는 최소 0.92%에서 최대 2.54%, 평균 1.37%로 매우 정교하게 개발되었다고 판단된다. 따라서 DSVM을 이용하여 측정한 유량을 Fig. 11의 수위-유량관계곡선에 산입하여 측정성과의 정확도를 확인할 수 있다.

Table 4에는 수위-유량관계곡선식으로부터 산정된 환산유량과 DSVM으로 측정한 표면유속에 평균유속환산계수 적용에 있어 일반적으로 사용하는 0.85와 본 연구에서 산정한 0.92를 적용하여 산정한 유량에 대해 비교·검토하였다. 검토한 결과 환산계수 0.85를 적용한 경우 수위 3.23 m에서 측정유량이 367.91 m3/s, 환산유량이 408.73 m3/s로 -9.93%의 최대 편차율이 발생하였고 수위 2.12 m에서 측정유량이 110.08 m3/s, 환산유량이 112.30 m3/s로 -1.95%의 최소 편차율이 발생하였다. 따라서 환산계수 0.85를 적용한 결과 전체적으로 과소하게 산정되는 것으로 나타났다. 환산계수 0.92를 적용한 경우는 수위 2.12m에서 측정유량이 119.17 m3/s, 수위-유량관계곡선식 환산유량이 112.30 m3/s로 6.12%의 최대 편차율이 발생하였고 수위 2.49 m에서 측정유량이 177.46 m3/s, 수위-유량관계곡선식 환산유량이 179.38 m3/s로 -1.07%의 최소 편차율이 발생하였다. 전체적인 편차율이 평균 ±3.50%로 ±5% 미만의 편차율이 산정되어 측정위치의 흐름특성을 고려한 적절한 평균유속환산계수를 적용한 것으로 판단된다.

Table 3.

Uncertainty of rating curve

Geumsan-gun (Hwangpoonggyo)
Range (m) se (standard error, %) Uncertainty (%)
max. min. aver.
0.73 ~ 1.62 6.34 4.27 2.81 2.81
1.62 ~ 6.56 2.71 2.54 0.92 1.37

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kwra/2021-054-11/N0200541105/images/kwra_54_11_05_F11.jpg
Fig. 11.

Stage-Discharge rating curve (Geumsan-gun (Hwangpoonggyo) Station)

Table 4.

Comparison of computation and measurement flow

River Station Stage
(m)
Rating curve flow
(m3/s)
Mean velocity conversion coefficient
0.85 0.92
Measurement flow
(m3/s)
Error
(%)
Measurement flow
(m3/s)
Error
(%)
Kum River
-Bonghwang
stream
Geumsan-gun
(Hwangpoonggyo)
3.23 408.73 368.16 -9.93 398.48 -2.51
3.06 345.48 332.66 -3.71 360.05 4.22
2.84 265.22 259.26 -2.25 280.61 5.80
2.65 213.22 194.50 -8.78 210.51 -1.27
2.49 179.38 163.96 -8.59 177.46 -1.07
2.12 112.30 110.11 -1.95 119.17 6.12

4. 결 론

본 연구는 드론과 전자파표면유속계 결합한 DSVM을 개발하고, 금강의 제1지류인 봉황천 금산군(황풍교) 지점에 적용하여 유량측정을 수행하였다. 바람, 강우 등의 영향을 받는 상황에서도 측정이 가능하도록 방수드론을 제작하였고, 전자파표면유속계 측정의 주요 제한요소인 진동을 제거하기 위해 결합부인 댐퍼플레이트를 자체 개발하였다. 전자파표면유속계로부터 측정한 표면유속의 이상치 제거를 통해 평균표면유속을 산정하고, ADCP와 동시 측정한 평균유속과의 비교·검토를 통해 산정된 평균유속환산계수 0.92를 적용하여 평균유속을 산정하였다. 또한 기측량된 통수단면적에 평균유속을 적용하여 측정유량을 산정하였다. 최종적으로 측정 지점의 수위-유량관계곡선식으로부터 산정된 환산유량과 DSVM으로 측정한 유량과 비교하여 평균 약 ±3.50% 오차를 확인하여 측정의 정확도를 검증하였다. 따라서 드론과 전자파표면유속계를 결합한 유량측정방법에 대한 실용성을 확인하였고, 측정위치의 흐름특성을 고려한 평균유속환산계수 적용을 통해 측정유량의 정확도를 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.

따라서, 홍수기 하천 유량측정을 위해 드론과 전자파표면유속계를 결합하여 중규모 이상의 강우발생 시에도 유량변화에 대응하여 신속하고 간편하게 유량측정을 수행할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 측정인원이 교량 및 제방에 진입하지 않고 측정장비 및 안전장비 등 업무방법을 간소화하여 측정인원을 사고위험으로부터 보호하고, 교량 유무 및 흐름특성 등 현장 여건에 제약없이 DSVM 운용으로 그간 측정하지 못했던 중요지점에서 유량측정이 가능하여 홍수량 자료의 품질이 향상될 것으로 기대된다.

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