1. 서 론
부유사 자료는 유사이송해석에 필수적인 요소로 하천의 흐름 변화 및 하상 변동을 발생시키고, 하천 구조물의 설계, 수자원 개발 및 관리를 위한 하천계획의
전반에 있어 매우 중요한 자료이다(Woo et al., 2015). 부유사량을 산정하는 방법에는 수리량 및 하상토 특성 자료를 유사량 공식에 대입하여
계산하는 간접적인 방법(Woo and Yu, 1990)과 유사량을 직접 측정하는 방법으로 나뉜다. 현재 국내 유사량 관측은 유사량 채집기를 활용한
직접 조사 방식이 주로 활용되고 있는데(Jung, 2008), 유사량 채집기를 활용한 현장 계측이 매우 힘들고 많은 인력과 시간이 소모되어 동시 다지점
계측과 지속적인 계측이 어렵다는 한계점을 보이고 있다(Choi et al., 2007). 따라서, 홍수기에 하천의 접근 문제와 재래식 측정 방식의
한계로 인해 유사량 자료의 확보는 매우 미흡한 수준이다(Lee et al., 2008; Robert, 1985). 또한 국내 하천에서는 홍수기를 거치면서
하천의 수리학적 특성이 변화하는 경향을 보여주고 있어 대안으로 사용되는 유량-유사량 관계식은 신뢰도가 낮고 자주 갱신해야 한다는 어려움이 있다.
최근 해외에서는 음파의 도플러 효과를 이용하여 하천을 신속하게 횡단하면서 신속하고 효율적으로 유속과 유량을 측정할 수 있는 장비인 초음파도플러유속계(ADCP,
Acoustic Doppler Current Profiler)를 활용한 유량 측정이 보편적으로 활용되고 있다(David, 2002). 또한, 초음파도플러유속계는
유속 자료와 함께 초음파산란도(Backscatter, 혹은 신호대잡음비(SNR))를 부가적으로 제공하는데 이를 이용하여 직접 채집한 부유사 농도와의
관계식 구축을 통해 부유사 농도를 간접적으로 추정하는 방식으로 부유사 농도를 산정하는 연구가 시도되어 왔다(Thorne et al., 1997; Hoitink
et al., 2005; Wall et al., 2006; Gartner et al., 2004; Guerrero et al., 2015). 이러한
연구들은 일반적으로 부유사 농도가 높을 경우 방사된 초음파 중 유사에 부딪쳐 돌아오는 비율이 높아진다는 원리를 이용한다. 초음파산란도를 지표로 하는
부유사 농도(혹은 유사량)의 간접적 추정방식은 수평초음파도플러유속계(H-ADCP)를 활용할 경우 동일 횡단면에서 유사량을 지속적으로 측정할 수 있는
장점이 있다. 현재 유량조사사업단에서 2015년 현재 55개소의 자동유량측정소를 운용하는 등 수평초음파도플러유속계(H-ADCP)를 국내에서 활발하게
이용하고 있는 현실에 비추어 볼 때, 실용화 가능한 장비는 대규모로 운용되고 있다고 볼 수 있으나, 초음파 산란도를 활용한 부유사 농도의 지속적 관측에
대한 연구는 해외에 비해 상대적으로 미흡한 실정이다.
일반적으로 초음파 기반 부유사 산정 연구는 장거리용 H-ADCP에 기반하여 수행되어왔다(Thorne et al., 1997; Guerrero et
al., 2015). 그러나, 하천 규모가 10 m 내외인 중소규모의 1 m/s 미만의 상대적으로 저속 흐름의 하천의 경우, 1~2개의 셀만 측정
가능하여 단면 전체의 평균값만 제공되어 측정 신뢰도가 낮고, 낮은 주파수 및 신호처리방식의 제한으로 저속 흐름의 측정 정확도가 낮아, 소하천 규모의
현장에 적용되기 힘들다. 최근, 이러한 한계를 극복하기 위해, 5 m 내외의 소규모 하천에 128개의 지점에서 적용가능하고(최소 셀 크기, 4 cm),
3000 kHz로 상대적으로 높은 주파수가 적용되며, 저유속용 신호처리 방식인 Pulse-to-Pulse coherent 방식(Zedal, 2008)이
복합적으로 적용된 측정장비인 SL-3000이 등장하였다(SonTek, 2014).
이에 본 연구에서는 수평초음파도플러유속계(H-ADCP) 중 중·소하천용으로 최근에 활용되기 시작한 SonTek사의 SL-3000(SonTek, 2014)을
활용하여 공간적 및 시간적으로 정밀하고 소하천에서 적용 가능한 부유사량 지속적 관측 기법을 개발하고자 한다. 구체적으로 1) 기존 대하천에 적용된
초음파 흡수율 보정에 대한 이론을 부유사의 연직분포를 고려하고 빔의 확산을 무시할 수 있는 소하천용으로 일부 개선하고, 2) 실험적 연구를 통해 하천
단면에 공간적으로 불균등한 농도를 인위적으로 발생시켜 부유사의 공간적 분포의 산정 가능 여부를 검증하고, 3) 보정된 단면 평균 초음파 산란도와 실측된
부유사량의 관계식을 구축하여 높은 주파수와 Pulse-to-Pulse 방식으로 관측된 초음파 산란도의 부유사량 관측에의 적용 가능성을 점검하고, 4)
SL-3000과 연동하여 부유사 농도의 공간분포와 실측 부유사량과의 관계 구축 기능을 제공하는 소프트웨어를 개발하고자 한다.
2. SNR 보정식 개발
초음파도플러유속계의 경우 SNR 값은 수체를 통과하면서 물, 부유사 등에 의한 흡수 또는 산란, 그리고 초음파 신호의 퍼짐에 의해 진행거리에 따라
신호 손실(Transmission Loss)이 발생하여 동일한 유사 농도에서도 신호 진행과 함께 감소하는 경향을 보인다. 이 때 신호 손실은 초음파의
원천으로부터 전파되는 음향 압력파에 의해 누적되어 감소된 음향강도라고 정의된다(Anandalatchoumy et al., 2015). 초음파 신호
손실의 보정식은 소나방정식(Sonar Equation)에 기초하여 개발되었으며 소나방정식은 Eq. (1)과 같이 나타낼 수 있다(Urick, 1983).
(1)
여기서, SNR (Signal to Noise Ratio)은 신호대잡음비(dB), SL (Source Level)은 송신된 신호의 강도(dB), TL
(Transmission Loss)은 신호 손실(dB), TS (Target Strength)는 물체 표적 강도 (dB), NL (Noise Level)은
잡음 레벨(dB), AG (Array Gain)는 수신기의 신호 이득(dB)를 나타낸다(Son et al., 2013).
이 중 신호 손실은 여러 가지 원인에 의해 발생 할 수 있으며, 크게 퍼짐(Spreading)과 감쇠(Attenuation)로 나눌 수 있다. 신호
손실의 보정은 Eq. (2)의 식을 통해 할 수 있다.
(2)
여기서, R은 거리(m), 10log (R)은 송신기로부터의 거리에 따른 빔퍼짐에 의한 감쇠, α는 수체와 부유사에 의한 초음파의 흡수로 인한 감쇠계수(dB),
A는 이상신호로써 5 dB을 나타낸다. 본 연구에서는 퍼짐에 대한 보정은 SL-3000의 경우 중소하천에 적용되어 하천의 규모가 크지 않아 손실 값이
무시할 수 있을 만큼 작다고 가정하여 보정하지 않고 Eq. (3)과 같이 흡수에 의한 신호의 감쇠(Attenuation)에 대한 보정만 실시하였다.
일반적으로 Eq. (2)는 적용거리 100 m 이상에서 막음거리 1 m 이상인 장비에 적용 가능하도록 개발되었다. 본 연구에서 적용하려는 소하천용
SL-3000은 막음거리가 10 cm 이내로 짧고, 송신기로부터 1 m 이내에서도 4 cm 간격으로 조밀하게 측정하므로 이 경우 감쇠 보정값이 음의
값을 도출하게 되어 신호강도가 이 범위 내에서 감쇠를 보정한 후 오히려 보정신호가 관측신호에 비해 감소하는 모순이 발생한다(Fig. 1
참조). 그리고, 1 m 이후에는 양의 보정값으로 변환하여 위의 공식을 적용할 수 있으나, SL-3000의 경우, 관측거리가 5 m 내외로 짧고,
방사되는 빔의 확산 각도가 1.4°로 대하천용보다 작다. 따라서, 공식 적용의 복잡성을 피하고, SL-3000의 빔 퍼짐이 대하천용보다 작다고 판단되어
본 연구에서는 제외시켰다.
Fig. 1
The Attenuation in Signal-To-Noise Ratio Accordingly with Beam Spreading Along the
Distance from the Transducer Particularly for SL-3000
또한, Eq. (4)에서 적용된 부유사 입자에 의한 신호의 흡수에 대한 보정식은 유사의 농도분포가 연직방향으로 균질하다고 가정하였다(Coates,
2006).
(3)
(4)
여기서, R은 거리, f는 주파수(kHz), T는 온도(°C)를 나타낸다. Coates (2006)이 제시한 Eq. (3)은 Eq. (2)와 같이
통상적으로 사용되어온 이상신호 항(A)을 고려하지 않아 계기 별 송신신호 강도 차이를 고려하는 데 문제가 있다. 본 연구에서는 Eq. (2)를 Coates
(2006)의 Eq. (2)를 참고하여 Eq. (5)와 같이 제시하였다. 그리고 Coates (2006) 등 기존 연구에서 제안한 신호의 감쇠계수(α)는
유사농도가 연직방향으로 균일하다는 조건을 가정하고 있으나, 부유사 농도는 일반적으로 하상방향으로 증가하는 경향을 보인다. 따라서, 본 연구에서는 부유사
농도의 연직분포를 감쇠계수에 반영하기 위해 Eq. (6)과 (7)에서 제시된 바와 같은 Rouse 의 부유사 농도분포식(Woo et al., 2015)을
활용하여 Eq. (8)과 같이 감쇠계수를 제안하였다.
(5)
(6)
(7)
(8)
여기서, A는 이상신호, 는 라우스 수(Rouse Number), 는 침강속도, 는 운동량 교환계수와 입자 난류 혼합계수의 비율, 는 von Karman 상수, 는 실험수로의 조건을 반영하여 계산한 전단속도, C는 실측 부유사 농도, 는 참조 부유사 농도, h는 수심, z는 바닥으로부터의 높이, a는 점성저층의 두께, y는 수면으로부터의 깊이를 나타낸다.
SNR 값의 보정에 사용한 전체 식은 Eq. (9)와 같으며 α는 유사를 공급하지 않은 경우에는 Eq. (3)를, 유사를 공급한 경우에는 Eq. (4)를
적용하여 보정을 실시한다.
(9)
여기서, 는 신호 손실을 보정한 이후의 신호대잡음비(dB), 는 SL-3000을 이용하여 측정한 신호대잡음비(dB), TL은 신호 손실을 나타낸다.
3. 실험 내용
3.1 대상 구간 및 흐름 조건
본 연구는 Fig. 2와 같이 안동의 한국건설기술연구원 하천실험센터의 직선수로(A2)에서 수행하였다. 직선수로의 하상경사는 약 1/800이며, 저수부 폭은 3 m, 제방고가
2 m, 하안경사가 1:2, 만수위 시 최대 수면폭은 11 m인 사다리꼴 단면이며, 하상은 0.25~0.5 mm 입경의 사질토이다(Park et al.,
2011). 단면 사면의 경우 식생이 활착한 상태이고 저수부는 사질 하상으로 이동상이다. 유량은 인근 낙동강에 위치한 취수구를 통해 취수되어 공급되며
수로를 거친 후 다시 낙동강으로 유출되는 구조를 가지고 있다. 흐름의 안정화를 위해 고수조가 사용되었고 최대 공급 가능 유량은 약 10 m3/s이나, 본 실험에서는 유량 2.3 m3/s을 사용하였다. 본 실험의 흐름 조건을 요약하여 정리하면 다음 Table 1과 같다.
Fig. 2
Test Site for Measuring Suspended Sediment Concentration using SL-3000
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Table 1. Flow and Geometric Conditions for the Test Site
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3.2 측정 장비
본 연구에 사용한 H-ADCP는 Fig. 3(a) and 3(b)와 같이 SonTek 사에서 제작한 SL-3000을 사용 하였으며, 장비의 제원은 Table 2와 같다(SonTek, 2014). SL-3000은 Pulse-to-Pulse Coherent 방식(Zedel, 2008)을 도입하여 수평으로 5
m까지 유속의 공간분포를 측정할 수 있는 최신장비이며 셀의 크기는 최소 4 cm까지 설정 가능하고 단면 내 유속 측정 가능 지점수는 최대 128개까지
설정 가능한 중·소하천용 유속 측정 장비이다. SL-3000은 보통 하안에 고정되어 운용되며 실제 측정 빈도는 초당 1회이나 SonTek에서 제공하고
있는 소프트웨어에서는 보통 1~2분간 빈도로 측정자료를 평균하여 제공하고 있다.
Fig. 3
SonTek SL-3000 and its Installation in the Straight Channel of KICT River Experiment
Center
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Table 2. Specification of SonTek SL-3000
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본 실험의 경우, SL-3000의 측정 시 Fig. 3(c)와 같이 장비의 위치를 능동적으로 조절할 수 있는 사다리 형태의 거치대를 별도 제작하여 측정단면의 우안에 설치한 후 필요한 수심에 고정하여 사용하였다.
이때, 광파기를 이용하여 획득한 하상자료를 바탕으로 수면으로부터 0.13 m, 0.33 m, 0.43 m 측정 위치를 선정한 뒤, 각각의 위치에서
측정단면에 대한 유속과 SNR 자료를 1분 간격으로 측정하였다.
SL-3000을 이용하여 SNR을 측정하는 동시에 입경 별 실측 부유사 농도 값과 신호대잡음비 사이의 관계를 도출하고 그 경향을 분석하기 위해 Fig. 4와 같이 Sequoia 사에서 제작한 레이저부유사측정기(LISST: Laser In-Situ Scattering and Transmissometry)를
대차에 고정시켜 측정하여 실측 부유사 농도 자료를 획득하였다. LISST는 유사 입자의 크기와 모양에 따른 레이저에서 방사된 빛의 회절양이 상이함을
이용하여 입도 분포 및 지점 부유사량을 기존 재래식 샘플러에 비해 비교적 정확하고 신속하게 측정할 수 있는 장비이다(Sequoia, 2012; Thosteson,
1998; Traykovski, 1999; Gartner, 2001; Van Wigaaarden and Roberti, 2002; Thonon, 2005).
Fig. 4
Sequoia LISST-100X and its Installation with Other Measurement Devices in the Straight
Channel of KICT River Experiment Center
LISST-100X는 LISST의 일종으로 1~250 μm 사이의 입경에 대해 32구간으로 분할하여 입도 분포와 입도 구간별 체적농도, 전체 부유사
농도 자료를 초당 1회의 빈도로 측정 가능한 장비이다. LISST-100X는 무게 11 kg, 길이 87 cm, 직경 13.3 cm이고 수심과 온도를
부가적으로 제공하는 현장 운영이 가능하다(Fig. 4(b) 참조). 본 실험에서는 Fig. 4(c)와 같이 이동식 대차에 설치된 높이 조절이 가능한 장비인 설치봉에 고정시켜 운용하였다.
3.3 흐름 안정화 점검
실험이 진행되는동안 수위를 지속적으로 측정하여 흐름 안정화 여부를 점검하였다. 수위는 수위표를 측정단면 전후 하안 인근에 3개의 지점에 걸쳐 설치하여
변동량을 측정함으로써 시간에 따른 흐름의 추이를 확인하였는데 실험은 수위가 안정된 직후 시행되었으며 실험 기간 내 변동이 거의 발생하지 않음을 확인하였다.
Fig. 5는 수위표 수위값의 시간에 따른 변화를 나타낸다.
Fig. 5
Stage Height Variation Over Time to Check Out Flow Steadiness using Staffs
3.4 유속 및 부유사량 측정
3.4.1 SL-3000 유속 측정 및 장비 검증
본 실험에서 SL-3000은 부유사에 의한 산란도 취득을 위해 주로 활용되었으나 일반적으로는 유속측정을 주목적으로 한다. SL-3000은 최근인 2014년에
도입된 장비로 측정 정확도에 대한 검토가 미진한 상태로 측정된 산란도인 SNR 값을 사용하기 전에 우선 유속 측정 정확도를 ADCP 유속과 상호 비교
검토하였다. ADCP 장비로는 SonTek 사의 RiverSurveyor M9를 사용하였으며 고정식으로 운영하여 시간 평균된 유속 측정값을 확보하였다.
ADCP의 경우 수심 방향으로 SL-3000과 동일하게 3 MHz 측정 주파수 및 Pulse-to-Pulse Coherent 방식으로 신호처리하고
2 cm 간격으로 유속을 제공한다. ADCP의 유속 측정시간은 ISO 1088 (2007)에서 제시한 측정 정확도가 높은 측정 시간이라고 제시한 300초를
기준으로 ADCP의 측정 시간으로 결정하였고(Kim et al., 2015), SL-3000은 5분 측정한 결과를 평균한 값을 사용하여 비교를 실시하였다.
Kim et al. (2015)는 동일한 수로에서 River-Surveyor M9 유속 측정값를 ADV를 활용해 비교 검토하였으며 수표면 일부를 제외하고
M9이 비교적 정확한 평균 유속값을 제공한다는 사실을 보여주었다. Fig. 6은 SL-3000과 ADCP의 측정 위치를 보여주는 데 수심 0.13, 0.33, 0.43 m에서 SL-3000이 운용되었고 ADCP는 단면의 중앙
및 좌우에서 각각 측정을 실시하였다. 그림의 (x) 표식은 은 SL-3000의 위치를 나타낸다. 이때, 수심 0.13 m의 SL-3000 측정값은
ADCP (RiverSurveyor M9) 유속 측정 성과가 송신기 부근에서 실제보다 과소 측정되는 송신기 부근 편이(Near Transducer
Bias)를 보이므로(Muste et al., 2006; Kim et al., 2015) 비교 검토에서 제외하였다. RiverSurveyor M9의
측정은 횡단면의 중앙과 중앙을 기준으로 좌안으로 1 m지점, 우안으로 1 m지점에서 300초 동안 실시되었고 추후 시간 평균하였다.
Fig. 6
Measurement Scheme for Validating the Accuracy of Velocity Measurement Based on SL-3000
in Comparison of Fixed Point ADCP Measurements
Fig. 7(a)~(c)는 SL-3000을 활용하여 수심 별로 측정된 유속 분포를 보여준다. 유속 측정 개수는 수심이 깊어짐에 따라 사다리꼴 단면 형상으로 인해
횡방향 거리가 줄어들어 작아짐을 알 수 있다. 그리고, 장비가 설치된 좌안의 경우 저유속부는 막음거리(Blanking distance)로 인해 초반부
일부구간 유속이 측정되지 않았다. Fig. 7(d)~(f)는 RiverSurveyor M9으로부터 취득된 유속자료를 시간 평균한 유속의 수직분포이며 동일 지점에서 SL-3000 유속 측정값과
비교하였다. 이때, 두 계측방식을 통한 유속은 종방향 유속이다.
Fig. 7
Streamwise Velocity Comparison between SL-3000 and RiverSurveyor M9 for Different
Depth
비교 결과를 살펴보면 Table 3과 같이 SL-3000의 유속은 RiverSurebyor M9의 유속 결과와의 차이가 대부분 0.01 m/s (오차율 –5.07%) 이내로 비교적
유속을 정확하게 측정한다고 할 수 있지만 좌안 부근 수심 0.33 m에서 유속차이가 상대적으로 크게 나타나 추후 보다 엄밀한 검증이 요구된다고 하겠다.
그러나, 본 연구에서는 SL-3000에서 유속 대신 SNR을 주로 활용하므로 이 정도의 오차는 허용된다고 판단된다.
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Table 3. Difference in Streamwise Velocity Comparison between SL-3000 and RiverSurveyor
M9 for Different Depth
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3.4.2 유사 공급 및 부유사량 측정
유사는 Fig. 8(a)과 같이 측정 단면 약 7 m 상류에 대차를 위치시켜 인위적으로 모래를 투입시켜 유사를 공급하여 낙하운동이 침강속도에 미치는 영향을 최소화하려
하였다. 투입범위는 횡단면의 중앙부에 국한하였다. 공급된 유사로 입경 0.02~2 mm인 모래를 사용하였다. 최대한 일정한 주기로 모래를 투입하였고
투입 후 유사는 지그재그 형상을 보였다. 이때, SL-3000과 LISST-100X를 동시에 운용하여 유사를 공급하기 전․후 자료를 수집하였다. SL-3000은
25°로 기울어진 두 개의 빔에서 초음파가 상·하류 방향으로 진행하여 유속과 SNR을 측정하게 되는데 LISST-100X와 동시에 동일한 지점에서
시범 측정해 본 결과, LISST-100X에 의해 흐름이 교란되어 SL-3000의 하류 방향 빔에서는 교란된 결과값이 나타났다. 이러한 교란을 회피하기
위해 Fig. 8(b)과 같이 LISST-100X를 SL-3000의 측정범위와 겹치지 않을 만큼의 거리 (약 3.6 m)의 하류 지점에서 부유사 농도를 측정하였다.
SL-3000의 SNR 값이 1분 평균된 수치이므로 LISST-100X의 부유사 농도 값도 1분 평균된 값을 사용하여 관계식 구축 및 분석에 활용하였다.
즉 유사는 지그재그 형태로 투입되었으나 1분 동안 측정한 값을 평균하고 유사 투입이 대부분 일정한 양과 주기로 이루어졌다고 가정할 때 상호 비교가
가능할 것으로 판단된다.
Fig. 8
Sediment Supply in the Given Channel
4. 실험 결과 분석
4.1 SL-3000 SNR 측정 및 보정
유사 공급 전, 후에 LISST-100X와 동시에 측정한 SL-3000의 수심별 1분 평균된 SNR 측정 결과는 Fig. 9와 같다. SL-3000은 초음파 송신기가 2개로 산란도 수신량은 센서에 따라 약간의 차이가 보임을 알 수 있다. 유사 공급 전의 측정 결과(진한
검은색)를 보면 거리가 멀어짐에 따라 물 또는 부유하고 있는 유사에 의해 음파 진행방향으로 신호가 흡수되어 신호 손실이 발생하게 되고 결과적으로 SNR이
일정한 비율로 감소하는 것을 확인 할 수 있다. 단면 중앙부로 유사를 공급한 경우 물과 유사에 의한 신호 손실로 인해 SNR이 감소하다가 유사를 공급해
준 중앙부에서 유사농도가 증가하여 반사량이 증가하고 중앙부 고유사 영역을 통과한 이후에도 고유사 영역에서의 흡수로 SNR이 유사공급 전보다 감소함을
알 수 있다. 즉, 물 속에 부유하고 있는 유사에 의해 신호가 흡수되어 더 큰 신호 손실이 발생하게 되고 그 결과 유사 공급 지점을 통과한 이후에는
SNR 값이 더 크게 감소하게 된다.
Fig. 9
Raw SNR Distribution Along the Beam Path Before and After Sediment Supply for Each
Beam
또한, 수심 별로 SNR 값을 분석해보면 유사의 농도가 높지 않은 수표면 근처에서는 유사 공급 지점에서 유사에 의한 흡수가 많이 이루어지지 않아 유사
공급 지점을 통과한 이후에 SNR 값의 변화가 거의 없는 반면, 유사의 농도가 높은 하상 근처로 갈수록 유사에 의한 흡수가 많이 이루어져 유사 공급
지점을 통과한 이후에 SNR 값의 감쇠가 크게 발생하는 경향을 보임을 확인 할 수 있다.
Fig. 9에서 나타난 물과 유사에 의한 흡수로 인한 신호 손실이 반영된 SNR은 실제 부유사량의 지표로 사용할 수 없으므로 흡수량 보정식을 적용하여 보정해
주어야 한다. 예를 들어, 단면의 횡단 방향으로 부유사량의 변화가 없더라도 SNR값은 Fig. 9와 같이 감소하는데 정상적인 산란도는 감소되지 않은 수평적인 형상을 보여야 할 것이다. 본 연구에서는 개발한 흡수량 보정식을 적용하여 Fig. 10과 같이 측정 SNR을 보정하였다.
Fig. 10
Corrected SNR Distribution Along the Beam Path Before and After Sediment Supply for
Each Beam
유사를 공급하지 않았을 때에는 물에 의한 신호 흡수 또는 물 속에 기본적으로 부유하고 있는 물질에 의한 신호 흡수에 대한 보정을 수행하였으므로 횡방향으로
신호의 흡수에 의한 손실이 보정되었으며, 유사를 공급했을 때에는 횡방향으로 유사 공급 지점에서 일시적으로 SNR 값이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
또한 유사 공급 전․후의 보정된 값을 수심별로 비교해보면 유사의 농도가 높지 않은 수표면 근처에서는 유사 공급 지점에서 SNR의 값이 적게 증가하는
반면 유사의 농도가 높은 하상 근처로 갈수록 유사 공급 지점에서 유사 공급 전․후의 SNR 값의 차이가 커지는 경향을 보임을 확인 할 수 있다. 그리고
송신기 별로 비교해 볼 때, 1번 송신기의 SNR 수치가 2번 송신기의 수치보다 비교적 높게 나타남을 알 수 있다. 이러한 결과는 송신기의 기본 출력
전압의 차이에서 비롯된 것으로 판단된다.
본 연구에서는 SL-3000으로 측정된 SNR의 원시자료를 물과 유사에 대한 흡수량 보정 식 Eqs. (3)~Eq. (9)를 적용하여 Fig. 10과
같은 보정된 SNR로 편리하게 변환할 수 있도록 Fig. 11과 같이 자동화소프트웨어(SL_GH)를 개발하였다. 본 소프트웨어는 SL-3000의 유속 및 SNR 측정값을 표출하고 SNR을 보정하는 역할을 수행하며
분석된 결과를 추후 활용 가능하도록 ASCII 형태의 변환도 지원한다.
Fig. 11
A Newly Developed Software (Named SL_GH) Dedicated to Compensate Signal Attenuation
Driven by Ambient Water and Suspended Sediment for SonTek SL-3000
4.2 LISST-100X 측정 결과
단면의 중앙부에 유사를 공급하기 전, 후에 SL-3000과 동시간대에 LISST-100X를 이용하여 측정한 수심 별 부유사 농도의 변화의 예는 Fig. 12와 같다. 이 때, LISST는 5초 빈도로 부유사 농도를 측정하였으며 유사 공급 전에는 바닥 부근(수심 0.43 m)에 일시적인 부유사 농도 증가를
제외하면 대체적으로 일정하게 유지되고 또한 바닥으로 갈수록 부유사량의 절댓값이 증가함을 알 수 있다. 전체 측정기간을 기준으로 볼 때, 유사를 공급하기
전에는 측정시간을 2분으로 하였으며, 유사를 공급했을 때에는 측정시간을 5분으로 하였다. 유사 공급 전, 후의 수심 별 1분 평균 부유사 농도 결과
값을 정리 해놓은 Table 4를 보면, 유사를 공급하지 않았을 경우 평균 농도 값이 33~69 ppm의 범위를 나타냈으며 유사를 공급했을 경우에는 평균 농도 값이 127~361
ppm의 범위를 나타내는 것을 확인 할 수 있다. 또한 수심이 깊어질수록 부유사 농도의 값이 상대적으로 커짐을 알 수 있다. 이는 이론적인 Rouse의
농도분포에서 제시한 경우를 따르는 결과라 볼 수 있다(Woo et al., 2015). SL-3000의 SNR이 1분간 평균된 값이므로 동시간대에
측정된 LISST의 측정 농도도 동일 시간대 1분간 측정값을 평균하여 상호 비교하였다.
Fig. 12
A Newly Developed Software (Named SL_GH) Dedicated to Compensate Signal Attenuation
Driven by Ambient Water and Suspended Sediment for SonTek SL-3000
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Table 4. 1 Minute Averaged Suspended Sediment Concentration using LISST-100X Before
and After Sediment Supply for Different Flow Depth
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5. 부유사 농도와 SNR 관계 회귀식 개발
본 연구는 실시간 측정이 가능한 SL-3000의 SNR값을 물과 유사에 의한 흡수량을 보정한 후 그 결과를 부유사 농도 추정의 지표로 하여 부유사량의
실시간 관측을 목적으로 한다. 이를 위해 보정된 SNR과 동일한 지점에서 실측된 부유사량과의 관계식을 구성할 필요가 있다. LISST-100X와 SL-3000의
측정 결과를 통하여 부유사 농도와 보정된 SNR과의 관계를 나타내면 Fig. 13과 같다. 그 결과 2개의 송신기 모두 보정된 SNR과 실측 부유사농도는 서로 상관도가 높게 나타남을 알 수 있다. 즉, 부유사농도가 증가함에 따라
반사되는 SNR이 비례하여 증가하였음을 보여준다. 그러나, 송신기 별로 구분해 볼 때, 유사 공급 전․후의 보정된 SNR 값의 범위를 보면 유사를
공급하지 않았을 때 SNR1은 270.13~280.7 dB의 범위를 나타냈으며, SNR2는 253.07~261.45dB의 범위를 나타냈다. 그리고
유사를 공급했을 때 SNR1은 304.45~329.87 dB의 범위를 나타냈으며 SNR2는 285.49~306.95 dB의 범위를 나타냈다. 보정된
SNR 값을 서로 비교해보면 유사 공급 전, 후의 SNR2 (상류방향) 값보다 SNR1 (하류방향) 값의 범위가 전체적으로 높게 나오는 것을 확인
할 수 있으며, 선형회귀식을 도출한 결과 상관계수는 SNR1에 대한 부유사농도의 경우 0.88, SNR2에 대해서는 0.85로 전체적으로 높게 나왔다.
비교적 높은 상관계수를 볼 때, 본 연구를 통해 제시된 SNR-SSC 관계식으로부터 실시간 부유사량 측정이 SL-3000을 활용할 경우 가능함을 알
수 있다. 각 송신기 별 도출된 SNR-SSC 회귀식은 Eqs. (10) and (11)과 같다.
(10)
(11)
Fig. 13
SSC-SNR Relations for Both Beam 1 and 2 of SL-3000, Where SSC Observations Before
and After Sediment Supply were Considered to Build the Regression Lines
그리고, SL-3000은 횡단방향으로 SNR의 분포를 제공하므로 본 실험과 같이 유사의 분포가 횡단방향에서 차이가 있을 경우에도 농도분포의 공간적
분포를 측정할 수 있다. 또한, 측정주기가 분당 1회이므로 농도분포의 시간적 변화도 매우 정밀하게 측정가능한 장점이 있다. Fig. 12의 결과를 볼 때, SNR 측정값으로부터 부유사 농도를 일정한 오차 이내로 추정 가능함을 알 수 있다.
6. 토 의
초음파 도플러 유속계의 SNR을 지표로 한 부유사농도의 추정법은 제시된 바와 같이 높은 실용성에도 불구하고 가능성에도 불구하고 다음과 같은 한계가
나타났다. 첫째, SNR-SSC 관계식 구축을 위해 여전히 다양한 농도에 따라 부유사농도의 실측이 필요하다. 실제 홍수기에 다량의 유사가 발생하고
빠른 유속으로 인해 유사 실측이 어렵기 때문에 이러한 관계식 구축에 많은 비용을 수반할 수 있다. 둘째, 본 연구에서는 LISST를 사용하여 SNR과
상관도가 높은 결과를 도출할 수 있었으나 LISST의 경우 고유속의 현장에서 운용이 어렵운 측면이 있다. 또한, 본 실험에서 사용된 LISST의 측정범위가
입경 0.25 mm 이내로 제한되어 있으나, 투입된 사질토 입도분포가 0.02~2 mm로 투입 사질토가 모두 부유한다고 가정하였을 경우, 일부 구간만
측정하는 한계가 있을 수 있다. 비록 굵은 입자가 대부분 7 m 사전유입구간에서 강하되어 측정 단면에서는 상대적으로 작은 입경의 사질토가 부유한다고
가정할 수 있으나 현장 실험 환경에서 실제 부유하는 입도 분포를 현 실험에서는 특정하지 못한 한계가 있다. SL-3000이 측정 가능한 입도분포도
알려져 있지 않아 SNR-SSC 상관관계에 이와 관련된 불확도가 내포되었다고 볼 수 있다. 셋째, 초음파 신호 SNR은 유사 입자 분포에 따라 동일한
부유사량에 대해서도 상이한 결과를 제공할 수 있다(Guerrero et al., 2015). 이 경우, 다중 파장대로 측정하는 방식이 해결책이 될
수 있으나 상업화된 초음파도플러유속계 중 동일 지점을 다중 파장대로 측정할 수 없어 관련된 오차가 수반될 수밖에 없다. 그리고 본 실험에서는 유사
입경이 상대적으로 굵은 모래의 경우에 한정된 결과로 입경이 상대적으로 작은 점토의 경우 다른 관계 패턴을 보일 수 있다. 넷째, H-ADCP의 경우
일정한 수심에서 고정되어 운용되므로 부유사의 횡방향 분포을 파악하는데는 용이하나 수직분포를 알 수 없는 단점이 있다. 즉, 수심에 따라 유사분포가
현장 조건에 따라 상이한 경우가 많으므로 SL 측정 부유사 농도를 대푯값으로 규정하는 데 무리가 있어 결과적으로 전유사량을 산정하는 데 한계가 있다.
다섯째, 부유사의 연직분포를 고려한 감쇠계수 개선을 위해 Rouse 농도분포를 활용하였으나 유사농도 연직분포는 현장 조건에 따른 복잡성을 가지고 있어
Rouse 농도분포가 적용될 수 있는 범위는 제한될 수 있다. Rouse의 이론적 농도분포는 특정 지점의 난류의 크기가 흐름 전체에서 같은 균질난류로
보았고, 부유사 확산계수가 거리에 대해 일정하고 물의 운동량 확산계수와 비례한다고 가정한다. 또한, 전단응력 연직분포가 하상에서 최대가 되고 수심에
대해 선형적으로 줄어드는 2차원 정상등류 가정한다(Woo et al., 2015). 본 연구가 수행된 한국건설기술연구원 하천실험센터의 완경사수로의
경우, ADV를 활용하여 측정된 전단응력이 하상에서 최대가 되고 선형으로 줄어드는 경향을 보였으나, 난류의 경우, 전체 단면에서 균질난류로 나타난다고
보기 힘들어 Rouse 분포가 정확하게 적용되고 힘들다고 볼 있다. 더욱이, 일반적으로 흐름이 통제되지 않는 자연하천의 경우, 이러한 경향은 더 심할
것으로 판단된다. 여섯째, 순환수로가 아닌 현장 실험 조건의 한계로 측정단면 7 m 상류에서의 유사의 직접공급이 자연상태의 유사 연직분포를 구현하는데
한계가 있을 수 있어 본 연구에서 제시한 유사의 연직 분포가 일부 왜곡되었을 가능성이 있다. 마지막으로, 경우에 따라 SNR-SSC 관계식이 본 연구와
같이 선형관계가 아니라 비선형관계를 보일 수 있다. 비선형관계 규명을 위해 농도 구간에 따른 별도의 선형식을 도출하거나 유사 농도 분포에 영향을 주는
난류량 등 기타 수리량을 반영할 필요가 있다.
7. 결론 및 향후과제
본 연구에서는 자연 상태의 흐름조건에서 SNR을 측정 할 수 있는 SL-3000을 이용하여 1분 간격으로 간접적으로 부유사량 자료를 취득할 수 있는
방안을 제시하고자 하였다. 본 연구에서 얻은 성과를 요약하면 다음과 같다.
(1)SL-3000의 유속 측정 정확도를 살펴보기 위해 M9의 유속측정 결과와 비교해보면 최소 1.74%에서 최대 5.07%의 오차를 나타냈으며 평균
3.49%의 오차가 나타났다.
(2)SL-3000을 활용하여 측정한 SNR의 결과를 보면, 측정 거리가 멀어짐에 따라 신호의 감쇠가 발생하였고, LISST-100X로 측정한 부유사
농도 값과 비교해보면 수심이 깊어질수록 부유사 농도가 높아졌으며 농도가 높아짐에 따라 유사에 의한 신호흡수가 많이 이루어져 유사 공급 지점을 통과한
이후에 신호의 감쇠가 크게 발생하는 경향이 나타났다. 본 연구에서는 이러한 흡수로 인한 신호 감쇠를 보정할 수 있는 보정식을 SL-3000에 적합하도록
개발하였다.
(3)SL-3000의 SNR을 보정하는 공식을 적용한 소프트웨어를 통해 신호 손실을 보정하고 난 후 LISST-100X와 SL-3000의 관계를 분석한
결과, 상관계수 0.84~0.88로 보정된 SNR은 부유사농도와 밀접한 상관관계를 가짐을 확인할 수 있었다.
본 연구의 결과에 비추어 볼 때, 유속에 부가적으로 초음파 유속계로부터 제공되는 SNR 값을 적절히 보정해 사용할 경우, 실시간으로 부유사 농도를
추정할 수 있음을 알 수 있었다. 다만, SL-3000 기반 초음파를 활용한 유사량 추정 기술은 다음과 같은 추가적인 연구를 통해 개선이 필요하다고
하겠다. 첫째, 동일한 유사농도에서도 사질토 혹은 실트와 같이 입도분포가 상이한 경우 복수 주파수의 장비를 통해 입경에 따른 장비의 반사도에 대한
분석이 필요하다. 둘째, 부유사에 의한 초음파의 감쇠를 보정할 때 부유사의 연직분포를 Rouse 이론식이 아닌 보다 정확도 높은 식으로 대체할 필요가
있다. 셋째, SL-3000의 주파수로 측정 가능한 입경의 크기를 단일 입경의 유사를 다양하게 투입하여 측정 가능 범위를 확인할 필요가 있다. 이때,
LISST 중 상대적으로 굵은 입경을 측정할 수 있는 장비를 사용한 검증을 고려할 수 있다. 넷째, 소하천용 SL-3000의 경우, 빔의 확산으로
인한 감쇠는 무시할 만큼 작다고 가정하고 감쇠식에서 제외시켰으나 이와 관련된 정확한 실험을 통한 검증이 필요하다고 할 수 있다.