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1 K-water연구원 KIWE-WRRC The 2 nd Interim Report 시험유역을 활용한 수자원 관리 기술개발 연구(2차년도) Study on development of water resource management technology at experimental catchment(the 2 nd Interim Report) K-water 연구원

2 KOREA WATER RESOURCES CORPORATION

3 시 험 유 역 을 활 용 한 수 자 원 관 리 기 술 개 발 연 구 2 차 년 도

4 시험유역을 활용한 수자원 관리 기술개발 연구(2차년도) Study on development of water resource management technology at experimental catchment(the 2 nd Interim Report) K-water 연구원

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6 제 출 문 사 장 귀하 이 보고서를 2013년도 K-water연구원 수자원연구소에서 수행한 시험유 역을 활용한 수자원 관리 기술개발연구 의 2차년도 연구보고서로 제출합니다 연구책임자 : K-water연구원 선임연구원 임 광섭 연구수행자 : K-water연구원 수석연구원 황 만하 K-water연구원 수석연구원 채 효석 K-water연구원 책임연구원 이 요상 K-water연구원 위촉연구원 문 덕영 겸직연구원 : 기술안전처 차 장 하 좌근 금강통합물관리센터 과 장 김 선응

7 연구개발결과 활용보고서 [과제번호] KIWE-WRRC (1)연구과제명 시험유역을 활용한 수자원 관리 기술개발연구 성명 임광섭 (2)수행부서 K-water연구원 수자원연구소 (3)연구책임자 소속 K-water연구원 전화번호 (4)연 구 기 간 (6)협 동 기 관 ~ (총 36 개월) (5)총연구개발비 (천원) 총액 5,680백만원 정부 (7)참 여 기 업 기업 (8)기 술 분 야 (9)참여 연구원 6명 / 1년 (10)연구개발목표 1. 연구 총괄 최근 4대강 준설로 인하여 하상의 수심이 깊어지고 하상이 안정되어짐에 따라 하천에서의 흐름이 매우 약한 구역이 증가하고 있는 실정이며 이로 인해 흐름 이 정체된 구간에서의 온도상승에 따라 녹조 발생 및 수질악화 심화되었다. 또한, 현재 보 건설 이후 수질 조류 등의 발생에 영향을 주는 구간의 하천 유속 및 유량 변화의 시공간적 분석을 위한 실측 자료가 필요한 시점이다. 따라서 본 연구에서는 1차년도에서 개발된 자이로볼을 개선하고 이를 이용 하여 하천에서의 공간적 흐름특성을 파악하려한다. 주요 세부과제는 다음과 같다. - [1세부과제] 자이로볼 개선 - [2세부과제] 수체거동 가시화 모듈 개발 - [3세부과제] 하천의 공간적 수체흐름 특성 파악 (11)주요연구내용 위치정보센서 개선 및 알고리즘 개발 수체거동 가시화 모듈 개발 시간변화에 대한 3차원 공간분포 제시 자이로볼 현장적용을 통한 2차원 수리특성 파악

8 (12) 연구결과의 활용 2. 연구 성과 활용 유형 및 주요 연구 성과 구분 실용화 완료 기술실용화 실용화 추진중 실용화 보류(중단) 기타를 선택한 경우 구체적 활용실적 기재... (13) 주요 연구성과 및 기술 개발단계 기 술 명 : - 수자원기초조사 및 분석기술: 1 3차원 공간정보 해석 기술 2 수체거동 가시화 기술 기술특성 : - 시간변화에 따른 3차원 공간분포 제시 - 흐름특성 파악기술 개발 - 수체특성을 고려한 누적오차 보정 선행 연구 설계기준, 교육 및 지도 정책활용 시방서, 지침에 활용 기타 기술의 완성도 기초, 탐색연구단계 ( ), 응용연구단계 ( ), 개발연구단계 ( ) 기업화 준비단계 ( ), 상품화 완료단계 ( ) 기술 수명주기 기술개념 정립기 ( ), 기술 실험기 ( ) 기술적용 시작기 ( ), 기술적용 성장기 ( ) 기술적용 성숙기 ( ), 기술적용 쇠퇴기 ( ) (14) 현장적용실적 공사명 1 공사현장 정보 공사기간 물량 R&D (총물량) 발주기관 시공기관 참여자 역활 가. 현장명 3. 경제적 효과 2 공사 현장별 적용효과 구분 공사비 (백만원/m2) 1 유지관리비 (백만원/m2) 1 기타비용절감 (백만원/m2) 1 사고율 (명/UC) 기 존 (A) 개 선 (B) 단위효과 (C=A-B) 현장 총물량 (D) 향상도 적용현장 총효과 (C D) 고 용 (명/UC) 공 기 (일/UC) 내구성 ( 年 ) 개별 공사에 가장 적합한 척도 사용가능 ex) m2, km 적용 현장이 여러 곳일 경우 위 서식 복사해서 사용

9 (15) 기술개발목표 달성도 구분 지표명 (단위) 개발전 국내수준 당개발사업 최종목표치 개발결과 실제달성치 현재국내 기술수준 세계 최고 기술수준 기술 성능 지표 (16) 산업재산권 (발명특허 실용신안 의장 s/w ) 구분 명칭 출원국 출원 및 등록자 출원 등록 출원일 출원번호 등록일 등록번호 4. 기술적 효과 (17) 건설신기술 지정 명 칭 출 원 일 고 시 일 보호기간 지정번호 (18) 기타 등록 및 지정현황(상품, 서비스 등록, KT 마크 등) 명 칭 출 원 일 고 시 일 보호기간 기 타 (19) 국내외 전문학술지 게재 구분 논문제목 학술지명 국명 통권, 호 년,월 SCI 학술지 5. 학술적 효과 일반 학술지 (20) 학술회의 발표 논문제목 학술회의 명칭 국 명 연 도 호

10 (21) 법 제도 (설계기준, 시방서, 지침) 등에 활용 구분 명칭 및 조항 1) 시행일시 기 존 내 용 신 규 내 용 법 규정/지침 기준 시방서 (22) 정책수립에 활용 정책명 정책추진 실적 정책추진일시 담당부처 팀 기대효과 (23) 교육 및 지도에 활용 6. 공공적 효과 구분 교육명 교육내용 교육대상 교육시간 교육인원 교육회수 교육훈련 기술상담 현장기술지도 (24) 사회적 성과 ㅇ 경영혁신 측면 - 기여도 높은 기술 개발을 통해 수질, 조류 등 전사적 위기관리 능력 향상 ㅇ 기술혁신 측면 - 하천의 3차원 흐름특성 분석을 통한 시공간적 해석 기술의 개발 ㅇ 사업화 측면 - 국외의 대하천에 적용하여 광범위한 시공간적 하천 흐름 특성자료 확보 기술 수출 가능 ㅇ 대외위상 측면 - 단순한 시설관리기관이 아닌 첨단기술을 바탕으로 한 과학적인 물관리 기관으 로서 위상제고

11 요 약 문 1. 연구제목 시험유역을 활용한 수자원 관리 기술개발연구(2차년도) 2. 연구기간 ~ 연구목적 본 연구의 목적은 용담시험유역을 활용하여 수자원 기초조사와 관련된 기술을 체 계적으로 개발하는 것으로, 우리나라의 지형특성에 적합하며 한국형 수자원관리를 위한 기초조사 요소기술을 개발하는데 목적이 있다. 본 연구는 3개의 세부과제로 이루어져 있다. 제1세부과제는 3차원 수체거동 파악으로 1차년도에 개발한 자이로볼을 개선하여 하천 및 저수지의 수체거동을 파악하고 수체의 정체지점, 조류 및 수질악화 우려구 간을 제시하는데 그 목적이 있다. 제2세부과제는 수체거동 가시화 모듈개발로 자이로볼에서 취득한 자료를 별도의 Data변환과정 없이 이동경로를 도시하고 Google Map과 mapping하여 결과물을 쉽 게 파악할 수 있도록 한다. 또한 현장 조사에서 취득한 하천의 수리특성을 contour 로 확인할 수 있으며, 자이로볼의 경로와 중첩하여 볼 수 있다. 따라서 하천의 수리 특성과 자이로볼의 이동경로의 상관성 분석에 그 목적이 있다. 제3세부과제는 개선된 자이로볼을 실제하천에 적용 후 취득한 자료를 실측한 하천 의 수리특성들과 비교 검증하기 위해 현장조사 및 적용을 하는데 목적이 있다. 또한 현장에서 자이로볼 사용시 발생한 문제점들을 향후 자이로볼 개선사항으로 제시하 고자 한다.

12 4. 연구내용 용담시험유역을 대상으로 활용한 수자원관리 기술개발 연구는 KIWE연구원이 중 장기적인 시험유역의 운영을 통해 관련 한국형 요소기술을 개발하고 적용함으로써 지속적인 수자원 기술을 확보하고자 하는데 그 목적이 있다. 또한 연구 성과를 토 대로 한 신뢰도 높은 대국민 수자원 기초자료(수위, 유량, 수질) 제공 및 한국형 수자원 인자 개발 보급 은 우리나라 수자원 분야의 고질적인 문제를 해결함과 동시 에 국내 수자원 분야의 기술 개발을 선도하고 있는 우리 공사의 위상 제고에도 크 게 기여할 것이다. 수자원관리 기술 개발 연구를 통해 우리나라의 특성을 고려할 수 있는 한국형 관 리기술을 개발 적용하였으며, 연구과제의 세부내용은 다음과 같다. [표 1] 연구개발 목표 및 주요 연구내용 구 분 연구개발목표 연구개발내용 연구개발범위 [제1세부과제] 자이로볼 개선 정확도 높은 자료를 생 산하기 위한 보조센서 추가 - 보조센서(지자기 센서) 추가 - 궤적추적 알고리즘 개발 - 초기자세의 노이즈 제거 - 위치계산시의 누적오차 최소화 2차년도 (2013) [제2세부과제] 수체거동 가시화 모듈 개발 취득된 수리 자료를 보다 쉽게 파악할 수 있는 GUI개발 - Data의 2 3차원 그래프화 - Data의 Google Map mapping - 자이로볼을 이용한 2 3차원 수체거동 파악 - 자이로볼의 현장적용성 검토 [제3세부과제] 자이로볼을 적용한 실제 - 자이로볼의 현장적용을 통한 하천의 하천의 공간적 하천의 흐름특성 파악 정체구간 파악 수체흐름 Drifter를 이용한 흐름 - 실험결과를 반영한 조류, 수질 악화 특성파악 특성 및 성능개선 우려구간 예상 - 경인아라뱃길 유수소통시 유속변화

13 5. 연구결과 [제 1세부과제] 자이로볼 개선 ㅇ 제 1세부과제에서는 1차년도에 개발된 자이로볼을 개선하여 측정의 정확도를 향 상시키는데 그 목적이 있다. 1) 하드웨어 개선 미세전자제어기술(MEMS)과 지자기 센서가 동시에 탑재된 통합센서 적용 충전식 리튬폴리머 배터리를 2개 사용하여 사용시간 증가(최대 8시간) 10 Hz의 자료취득으로 누적오차 감소 센서 Data 저장 배터리 충전 및 소모전력 자이로스코프 Micro SD Card 소비전력 - FAT32 포맷 지원 - 대기 : 35 ma, 3.7 V - SPI 통신속도 - 동작 : 75 ma, 3.7 V : 최대 4 MHz 속도 - 테스트 샘플링 속도 리튬폴리머 충전지 가속도 센서 : 5 ~ 8 sps - 충전전압 : 4.2 V - 용량 : 2 GB - 평균전압 : 3.7 V - 10시간 이상 저장 - 동작온도 : 0~45 - 오차 : ±250 degree/s - Low pass Filter - 16Bit ADC sample - 오차 : ±2 g - 16Bit ADC sample 지자기 센서 - 오차 : ± Low pass Filter - 16Bit ADC sample 온도 센서 - 센서 자체 온도 [개선된 센서 및 부품 제원] 충전 컨트롤러 - 최대 충전전류 : 1 A - 배터리 셀 온도 모니터링 - 정전압 정전류 구동 정전압 레귤레이터 - 입력전압 : 2 ~ 5.5 V - 출력전압 : 5 V 400 ma 2) 초기자세결정 각 센서는 모두 Bias(튀는값)과 Noise(잡음)가 있으므로 보정 및 필터링 필요 각 센서가 인식하는 3축이 다르므로 사용자가 원하는 축으로 정렬 회전을 하여 자기장 값이 그리는 원의 중심 보정 자이로의 각도발산과 가속도의 외부신호 영향을 보상필터를 사용해 상호 보정

14 (a) x축 (b) y축 (c) z축 [보상필터를 이용한 자세각 안정화] 3) 가속도와 각속도를 이용한 3차원 공간정보 해석 수심 0.45 m, 유속 0.2 m/sec의 실내수조에서 고 중 저층(0.35, 0.25, 0.10 m)에 대해 실험 자이로볼 취득 Data를 선형가속도로 변환, 가속도를 이중적분하여 위치계산 실내 실험결과 분석구간 2 m에 대한 고 중 저층의 자이로볼 이동거리는 각각 2.13, 2.17, 2.10 m로 평균오차 6.24 %발생 오차의 발생은 경향이나 방향성은 없고 이동거리가 증가함에 따라 적분시 오차 누적 확인 (a) 3차원 공간정보 (b) x-y 평면 정보 (c) y-z 평면 정보 (d) x-z 평면 정보 [자이로볼의 공간정보 - 실내수조실험]

15 [제 2세부과제] 수체거동 가시화 모듈 개발 ㅇ 제 2세부과제에서는 GUI 개발을 통하여 자이로볼에서 취득된 자료를 후처리 과정 없이 Data를 변환하고 2 3차원 그래프화 및 Google Map에 mapping을 통한 자이 로볼의 이동경로를 확인할 수 있다. 또한 하천의 수리특성(유속, 수온, 수질 등) 을 contour와 자이로볼의 이동경로를 다중 가시화하여 상관관계를 판단할 수 있 도록 한다. 1) Data 변환 자이로볼 Data의 물리량 환산 알고리즘 개발 자이로볼 상대좌표의 위 경도 좌표변환 및 각 물리량을 Google Map의 지원 형식으로 변환 2) Data 가시화 자이로볼로 취득된 Data의 자동 후처리로 물리량 산출 각 시간에 대한 가속도, 속도, 거리 등의 2 3차원 그래프 가시화 (a) 자이로볼 이동경로의 Google Map mapping(다수의 자이로볼 선택가능 (b)) 실측된 유속 및 수온 contour와 자이로볼의 경로를 동시에 mapping하여 상관성 분석에 사용가능 (c, d) (a) 2 3차원 그래프화 (b) Google Map mapping (c) 유속 수온 contour (d) 다중 가시화 [수체거동 가시화 모듈 기능]

16 [제 3세부과제] 하천의 공간적 흐름특성 파악 ㅇ 제 3세부과제에서는 개발된 자이로볼의 성능을 확인하고 현장 실측을 통한 수 위, 수온 및 수질자료와의 상관관계를 알아보며, 자이로볼을 통한 정체구간을 파 악하였다. 또한 현장 적용시 발생하는 자이로볼의 하드웨어 및 소프트웨어적인 문제점을 알아보고 향후 개선사항을 파악한다. 1) 현장적용 대상지 선정 백제보 상류 1.5 km지점 우안(4대강사업 후 녹조발생 이력 有 ) 선정 생태공원 및 서식지가 있어 정체구간으로 예상되는 구간 인근에 K-water에서 운영하는 수위관측소 및 차량진입로가 있어 실험에 용이함 2) 자이로볼의 현장 적용성 검토 무게추를 사용하여 자이로볼의 비중을 1로 맞추어 중성부력 구현 실내 개수로에서 백제보 상류의 유속을 재현하여 중성부력 구현여부 확인 실내수로 내 고 중 저층에 대한 중성부력 구현 (a) 고층 (b) 중층 (c) 저층 [중성부력 구현] 3) 하천의 수리특성파악 백제보 상류 1.5 km 지점 상 하류 6단면(측간거리 20 m) 수심, 유속, 유량, 수온 조사(평 갈수기 대상 3회 , 21, 22) 전반적인 유속은 0.06 ~ 0.1 m/sec, 수온은 12 ~ 8.5 C의 분포, 유속과 수온의 역 상관관계 확인 유심은 중간에서 우안으로 변화, 유심부를 제외한 나머지 구간은 흐름이 거의 없는 정체상태로 확인

17 4) 하천의 흐름정체구간 제시 우안에서 유심부까지 등간격으로 5개의 자이로볼 투하 후 20분간 관측 자이로볼의 자료취득은 3회에 대해 각각 2, 3, 5개로 하드웨어의 개선사항 발견 유속분포도와 비교시 우안부는 정체, 유심부는 하천흐름방향으로 이동하는 경향 현재 백제보 상류는 전구간이 흐름이 적은상태, 상대적으로 수온이 높고 유속 느린 우안이 정체구간으로 판단되며 조류발생 및 수질악화 예상지역으로 판단 보상류의 특성상 전구간이 거의 정체상태이므로 과거 녹조발생 이력이 있으나, 유속이 더 빠른 대상지선정 후 실험 필요 [자이로볼 이동경로 1] [자이로볼 이동경로 2] [구역별 수심과 유속 비교] 5) Drifter를 이용한 흐름특성 및 성능개선 Drifter를 이용하여 경인아라뱃길 대상 유수소통시 유속변화 파악 2013년 4월 11일 18시부터 12일 10시까지 수심 3 m지점 유속 및 수위조사 서해방향으로의 유속은 cm/sec, 한강 방향으로의 주 유속은 cm/sec와 cm/sec로 해수출입 100 CMS 이하시 6 cm/sec이하, 100 CMS 이상시 15 cm/sec의 유속 나타남 [경인아라뱃길 유수소통량과 유속 비교] [Drifter 이동 경로 - 수심 3 m]

18 목 차 목 차 ⅰ 표 목 차 ⅲ 그림목차 ⅳ 제 1 장 서 론 연구배경 연구목적 연구내용 연구동향 연구수행 방법 7 제 2 장 자이로볼 개선 및 거동추적 알고리즘 개발 배경 및 목적 자이로볼 개선 하드웨어 초기자세 결정 가속도와 각속도를 활용한 3차원 공간정보해석 수체거동 가시화 모듈(GUI) 개발 수체거동 가시화 모듈 Data 변환 화면구성 및 GUI소개 자이로볼의 시 공간적 분석 초기자세 결과 실내수조 실험 시사점 29 제 3 장 하천의 공간적 수체흐름특성 파악 배경 및 목적 31

19 3.2 자이로볼의 현장적용 현장적용 대상지 선정 자이로볼의 현장 적용성 검토 하천의 수리특성 파악 하천의 흐름정체구간 제시 Drifter를 이용한 흐름특성 및 성능개선 실험 개요 일반 경향 분석 수체거동분석 시사점 59 제 4 장 결론 61 참 고 문 헌 62

20 표 목 차 [표 2.1] 센서 및 부품 제원 11 [표 2.2] RAW DATA 포맷 예 12 [표 2.3] RAW DATA 구성 12 [표 2.4] 물리량 Data시트(예) 22 [표 2.5] 물리량 Data시트(예) 계속 22 [표 2.6] 물리량 Data시트(예) 계속 23 [표 2.7] 물리량 Data시트(예) 계속 23 [표 2.8] 실내 수로실험장 규격 27 [표 2.9] 각 수심별 자이로볼 이동거리 28 [표 3.1] 백제보 녹조관련 언론보도 내용 32 [표 3.2] Rio Grande 제원 37 [표 3.3] HOBO U20 Water Level Logger 제원 38 [표 3.4] 자이로볼 현장 실험 야장 46 [표 3.5] 수심과 유속에 따른 흐름특성 구분 52

21 그 림 목 차 [그림 2.1] PCB 구성 및 케이스 9 [그림 2.2] 자이로볼 설계도 9 [그림 2.3] 자이로볼의 자료처리과정 10 [그림 2.4] 오일러 각과 중력가속도를 이용하여 roll, pitch각을 계산하는 수식 13 [그림 2.5] 보상필터를 이용한 센서 융합 알고리즘 15 [그림 2.6] 보상필터의 적용 결과 15 [그림 2.7] 선형가속도 계산 알고리즘 16 [그림 2.8] z축을 기준으로 Ψ만큼 회전한 단위 좌표변환의 개형 17 [그림 2.9] 임의의 두 좌표계 사이의 3차원 좌표변환 개형 18 [그림 2.10] 이동경로 그래프 가시화 알고리즘 21 [그림 2.11] 자이로볼 물리량 도시 그래프 화면 24 [그림 2.12] Google Map mapping 25 [그림 2.13] 보상필터 적용후의 자세각 안정화 26 [그림 2.14] 실내수조실험 27 [그림 2.15] 실내수조실험 결과 28 [그림 3.1] 현장답사 33 [그림 3.2] 현장조사 구역 및 자이로볼 투하지점 34 [그림 3.3] 중성부력 구현 과정 34 [그림 3.4] 무게추 제작과정 및 중성부력 TEST 35 [그림 3.5] 중성부력 구현 결과 36 [그림 3.6] 현장 조사단면 36 [그림 3.7] ADCP Workhorse Rio Grande 37 [그림 3.8] 다항목 수질계 37 [그림 3.9] 현장조사 37 [그림 3.10] 수온계 38 [그림 3.11] 써미스터 체인 설치 개략도 38 [그림 3.12] 수심 분포도 39 [그림 3.13] 유속 분포도 39 [그림 3.14] 수온 분포도 39 [그림 3.15] 횡단면별 수온, 유속, 수심 (2013년 11월 14일) 40 [그림 3.16] 횡단면별 수온, 유속, 수심 (2013년 11월 21일) 41

22 [그림 3.17] 횡단면별 수온, 유속, 수심 (2013년 11월 22일) 42 [그림 3.18] 수온프로파일 결과 43 [그림 3.19] ph 분포도 44 [그림 3.20] 클로리필-a 분포도 44 [그림 3.21] 전기전도도 분포도 44 [그림 3.22] 자이로볼 투하 지점 45 [그림 3.23] 자이로볼 투하 45 [그림 3.24] 자이로볼 수거 45 [그림 3.25] 자이로볼 이동경로와 하천수리특성 (2013년 11월 14일) 47 [그림 3.26] 자이로볼 이동경로와 하천수리특성 (2013년 11월 21일) 48 [그림 3.27] 자이로볼 이동경로와 하천수리특성 (2013년 11월 22일) 49 [그림 3.28] 과거 공주수위관측소의 유속 분포 (1998년 ~ 2007년) 50 [그림 3.29] 대상지역 영역 분할 51 [그림 3.30] 구역별 수심과 유속 비교 51 [그림 3.31] 수체거동 조사 지점 53 [그림 3.32] 부이의 Data 통신 체계도 54 [그림 3.33] 경인아라뱃길 유수소통량과 유속 비교 55 [그림 3.34] 경인아라뱃길 유수소통량과 수위 비교 55 [그림 3.35] 경인아라뱃길 유속과 수위 비교 56 [그림 3.36] 경인아라뱃길 수위 비교 56 [그림 3.37] Drifter 이동 경로 (수심 3 m) 57 [그림 3.38] 유입량과 유속변화 (수심 3 m) 57 [그림 3.39] 유속변화 Histogram (수심 3m) 58

23 제 1 장 서 론 1.1 연구배경 우리나라의 물관리는 주로 양적인 측면, 즉 수자원 확보와 홍수통제가 주요 관 심사였다(송재우, 1981). 최근 정부는 홍수예방, 수자원확보, 수질개선, 생태복원 등의 목적으로 4대강 살리기 사업을 실시하였다. 그 결과 4대강 살리기 사업의 주요 목표 가운데 하나인 기후변화에 대비하여 약 200년 빈도의 대규모 홍수에도 안전하도록 본류의 홍수조절능력을 향상시켰으며, 2012년 태풍 내습 때 본류 홍 수위 저감 효과를 확인할 수 있었다(국토해양부, 2012). 그러나 4대강 준설로 인하여 하천의 수심이 깊어지고 하상이 안정됨에 따라 하 천에서의 흐름이 매우 약한 구역이 증가하고 있는 실정이며, 이로 인해 흐름이 정체된 구간에서의 온도상승에 따른 녹조 발생 및 수질악화가 심화되고 있다. 2012년에는 녹조라떼 라는 신조어가 생길 정도로 4대강 전역에 녹조현상이 심각 한 가운데 심지어 간독성을 유발하는 남조류가 낙동강 중류인 달성보부터 합천 창녕보까지 광범위하게 퍼졌다. 이와 더불어 환경부 자료에 의하면 녹조현상으로 인한 수돗물 냄새 민원이 서울 인천 경기의 경우 총 340건이나 발생하였다. 이는 단순히 하천의 녹조문제를 넘어 국민의 먹는 물 안전을 위협하는 심각한 상황이 라고 볼 수 있다(대하천학회, 2012). 호주의 경우 주차원에서 조류관리를 주도하고 있으며, 뉴사우스웨일스(New South Wales)주는 시드니를 포함하는 호주의 남동쪽에 위치한 주로 총 9개의 RACC(Regional Algal Coordinating Committees)로 나누어 남조류 발생을 관리하 고 있다. 그 중 NSW주 중상류에 위치한 Murray RACC는 심각한 조류발생이 빈 번한 지역으로 남조류 발생에 따른 문제들을 물 이용자와 Murray RACC 회원들이 서로 협조하여 정보를 공유하도록 유도하고 있으며, 조류발생시 3단계로 구성된 조류경보에 따라 구체적인 대처방법을 따를 것을 제시하고 있다(홍문종, 2010). 4대강 사업을 통한 16개보의 건설로 금강뿐 만아니라 낙동강 등 대상하천의 수체흐름이 눈에 띄게 변하였다. 특히 4대강 보의 직상류에서 나타나고 있는 흐 름의 정체는 육안으로도 식별이 가능하다. 이러한 4대강 수체특성의 변화를 수 질악화라는 부정적인 견해로 볼지, 수자원확보 및 수변경관 조성이라는 긍정적인 - 1 -

24 시각으로 해석할지에 대해서는 아직도 의견들이 분분하다. 우리나라의 경우 아 직까지 녹조 발생의 원인을 명확히 파악하지 못하고 있고, 녹조발생 구간의 예 보나 관리가 되지 않고 있는 실정이다. 그러므로 과학적이고 정량적인 방법으로 흐름 특성을 규명하고, 수질개선 및 수자원확보에 일조할 수 있는 관리방안의 제시가 필요하다. 자이로볼은 하천에서의 흐름특성을 과학적이고 구체적으로 규 명하기 위한 목적으로 개발되었다(특허 제 호, 대한민국). 보 상류 구간 및 저수지의 녹조 발생, 수리구조물에 의한 생태 변화를 고려하기 위해서는 하천의 연속적인 3차원 흐름특성 조사가 필요하다. 따라서 개발된 자 이로볼을 이용하여, 현재 보 건설 이후 수질 조류 등의 발생에 영향을 주는 구 간의 하천유속 및 유량 변화의 시공간적인 흐름특성을 파악하고자 한다. 또한 하천의 정체구간을 제시하고 유속, 수온 및 수질과의 관계를 파악한다

25 1.2 연구목적 시험유역에서의 연구는 사회적 흐름이나 조직의 변화에 영향을 받지 않는 거 시적인 관점에서 수립되고 추진되어야 한다는 K-water의 요구에 따라 2009년 부터 시험유역 운영과 병행되어 추진하고 있다(수자원공사, 2012). 본 연구의 목적은 용담시험유역을 활용하여 수자원 기초조사와 관련된 기술을 체계적으로 개발하는 것으로, 우리나라의 지형특성에 적합하며 한국형 수자원 관리를 위한 기초조사 요소기술을 개발하는데 목적이 있다. 본 연구는 3개의 세부과제로 이루어져 있다. 최근 4대강 준설로 인하여 하상의 수심이 깊어지고 안정됨에 따라 하천에서의 흐름이 매우 약한 구간이 증가하고 있는 실정이다. 이로 인해 흐름이 정체된 구 간에서의 온도상승에 따른 녹조 및 수질악화가 발생되고 있다. 따라서 2단계 연 구에서는 1단계 연구에서 개발된 자이로볼을 개선 및 이용하여 하천구간에서의 흐름특성을 연구하고자 한다. 제1세부과제는 자이로볼 개선으로 1차년도에 개발한 자이로볼에 보조센서를 추가하여 오차를 최소화하고 자이로볼 이동거리를 계산하는 알고리즘을 제작하 여 오차의 크기를 파악한다. 제2세부과제는 수체거동 가시화 모듈개발로 자이로 볼에서 취득한 자료를 별도의 Data변환과정 없이 이동경로를 도시하고 Google Map과 mapping하여 결과물을 쉽게 파악할 수 있도록 한다. 또한 현장 조사에 서 취득한 하천의 수리특성을 contour로 확인할 수 있으며, 자이로볼의 경로와 중첩하여 볼 수 있다. 따라서 하천의 수리특성과 자이로볼의 이동경로의 상관 성 분석에 그 목적이 있다. 제3세부과제는 개선된 자이로볼을 실제하천에 적용 후 취득한 자료를 실측한 하천의 수리특성들과 비교 검증하기 위해 현장조사 및 적용을 하여 하천의 수체거동을 파악하고 수체의 정체지점, 조류 및 수질악 화 우려구간을 제시하는데 그 목적이 있다. 또한 현장에서 자이로볼 사용시 발 생한 문제점들을 향후 자이로볼 개선사항으로 제시하고자 한다. 이후 2014년도 3단계 연구에서는 1단계와 2단계에서 축적된 유입량 관측기술, 흐름특성 파악기술, 수체연직특성 조사기술 등을 토대로 수자원관리 기술을 현 업부서에 적극 적용시키며 축적된 관측기술을 매뉴얼(know-how)를 제공하여 기술 활용 및 전파를 목적으로 한다

26 1.3 연구내용 용담시험유역을 활용한 수자원관리 기술개발 연구는 KIWE연구원이 중 장기 적인 시험유역의 운영을 통해 한국형 관측 및 계측 요소기술을 개발하고 적용 함으로서 지속적인 수자원 기술을 확보하는데 그 목적이 있다. 또한 연구성과 를 토대로 한 신뢰도 높은 대국민 수자원 기초자료(수위, 유량, 수질) 제공 및 한국형 수자원 인자 개발 보급 은 우리나라 수자원 분야의 고질적인 문제를 해결함과 동시에 국내 수자원 분야의 기술 개발을 선도하고 있는 우리 공사의 위상 제고에도 크게 기여할 것이다. 수자원관리 기술 개발 연구를 통해 우리나라의 특성을 고려할 수 있는 한국형 관리기술을 개발 적용하였으며, 세부내용은 다음과 같다. 1) 자이로볼 개선 보조센서(지자기 센서) 추가 초기자세 노이즈 제거 자이로볼 궤적추적 알고리즘 개발 위치계산시 누적오차 최소화 2) 수체거동 가시화 모듈 개발 Data의 2 3차원 그래프화 Data의 Google Map mapping 자이로볼을 이용한 2 3차원 수체거동 파악 3) 하천의 공간적 수체흐름 특성파악 자이로볼 현장적용성 검토 자이로볼 현장적용을 통한 2차원 수리특성 파악 하천의 흐름정체구간파악 실험결과를 반영한 조류, 수질 악화우려구간 예상 경인아래뱃길 유수소통시 유속변화 파악 - 4 -

27 1.4 연구동향 눈으로 보이지 않는 물속에서의 흐름특성을 입체적으로 파악하기 위한 연구가 다양한 형태로 시도되었다(Drifter, PIV(Particle Image Velocity), 수치해석, 수 리모형실험 등). 최근 4대강 사업 이후 물고기에 센서를 부착하여 그 움직임을 모니터링 함으로서 수체흐름특성을 연구하였으나, 현재까지 정량적인 방법으로 하천의 흐름특성을 3차원적으로 규명한 사례는 아직까지 보고되지 않았다. K-water 연구원은 2012년 시험유역을 활용한 수자원 관리 기술 개발연구(1차 년도) 에서 3차원 수체거동을 알아보기 위해 관성항법장치(INS : Inertial Navigation System)를 이용한 자이로볼을 개발하였다. 관성항법장치는 관성측정장치(IMU : Inertial Measurement Unit)를 사용하여 외부의 도움없이 특정 개체의 위치를 파악하는 기술로 1950년대부터 발전되어 왔으며, 항공기, 선박, 로켓 등 군사적으로 사용되었다. 동작원리는 자이로스코 프에서 가속도를 구해 적분하여 속도를 구하고, 속도를 적분하여 이동거리를 구하는 것이다. 따라서 최초의 위치를 입력하면 이동한 위치를 추적할 수 있다. 악천후나 전파방해의 영향을 받지 않는다는 장점을 가지지만 장거리를 이동하 면 오차가 누적되어 커지므로 GPS의 보정을 더해 사용하는 것이 일반적이다. IMU는 각 센서의 크기가 매우 크고 가격도 비싸며, 상당히 뛰어난 성능을 가 지고 있다. 1990년대를 넘어서면서, 미세전자제어기술(MEMS : Micro-Electro Mechanical System)의 발달로 IMU에서 사용되는 센서가 소형화, 경량화 되어 10 mm이하로 제작 가능해지면서 활용분야가 넓어지고 있다. 소형화, 경량화 되면서 저하된 센서의 성능을 소프트웨어적인 기법으로 보정하는 것이 중요해 지면서 필터링 알고리즘과 Multiple Sensor Fusion 알고리즘 등이 활발하게 연 구되어지고 있다. MEMS는 센서가 작고 가벼울 뿐 아니라, 외부정보 없이 자신 의 위치를 파악할 수 있다는 이점을 이용하여 무인헬기, 로봇 등 기계에 부착 되어 많이 사용되어지고 있으며, 근래에는 사람의 움직임으로 넘어와 PNS(Pedestrian Navigation System), Game, Exit Path Guidance 등 많은 분야 에서 활용되어지고 있다. 그러나 MEMS 센서는 정확도가 떨어지는 문제로 단일 센서로는 사용하는 사례가 거의 없고 일반적으로 오차보정을 위한 다른 센서와 함께 사용되고 있다

28 INS를 이용하여 이아람 등2(2008), 소현석 등4(2010), 황정문 등3(2011)은 로봇의 위치추적 및 자세추정에 적용하였고, Davidson P. etc3(2008)는 차량용 위치추 적에 사용하였으며, DeGregoria A.(2010)는 항공기에 사용, Shala U. and Rodriguez A.(2011)는 스마트폰에서 GPS신호가 불가능할 때 핸드폰의 위치를 찾는 방법을 제안하였다. Morgado M. etc.(2006)는 INS, GPS와 UBSL을 통합 하여 수중물체의 네비게이션에 적용하였다. Sang Kyeong Park, Young Soo Suh(2010)는 보행자를 위한 네비게이션 시스템에 적용한 바 있다. 또한 김현수(2003)는 GPS, INS, CDMA망을 통합하여 복합적 항법시스템을 개발하였다. 이원진 등(2010)은 고도계와 전자나침반을 사용하여 GPS신호 단절 시 오차를 보정하였다. 그 외에도 다양한 방법으로 INS의 오차를 제거하기 위 한 기술개발이 활발히 이루어지고 있다

29 1.5 연구수행 방법 1차년도 시험유역을 활용한 수자원 기초조가 기술개발 연구 를 통해 개발된 실험용 자이로볼 은 단순한 MEMS 시스템을 적용하여 제작하였다. 센서 자체의 민감도 분석결과, 정지상태의 오차는 1 ~ 2 %로 양호하였으나 관측거리에 비례 하여 오차가 증가될 것으로 판단되었다. 실내수조실험을 통해 현장 적용성을 판 단한 결과 미세한 무게 차이로 인해 자이로볼이 상승, 하강되는 현상의 발생으 로 중성부력의 정량적 확보의 어려움이 있었다. 그러나 자이로볼 Data를 통한 이동 경로 분석은 수행하지 못하였다. 따라서 본 연구에서는 1차년도에서 개발된 자이로볼에 지자기 센서를 추가하고 자료취득 시간간격을 줄여 정밀도를 향상하는 방향으로 자이로볼을 개선하고, 가속도와 각속도로 3차원 궤적추적 알고리즘을 개발한다. 또한 자이로볼에서 취득된 자료검토의 편리성을 위해 수체거동 가시화 모듈(GUI)을 개발한다. 따 라서 자이로볼 Data의 후처리 없이 시간에 따른 자이로볼의 이동경로를 2 3차원 그래프로 가시화 할 수 있으며, Google Map에 mapping하여 하천에서 자이로 볼의 이동경로를 실측된 유속 및 수온 Data와 2차원으로 비교 할 수 있다. 또 한 이를 금강 백제보 상류에 적용하여 3차원 수체거동과 유속, 수온 및 수질측 정 결과와 비교하여 자이로볼을 활용한 하천의 수체거동을 파악한다. 그리고 수 체의 정체지점, 조류 및 수질악화 우려구간을 제시하는데 그 목적이 있다. 또한 현장적용 과정에서 자이로볼의 문제점을 파악하여 향후 자이로볼의 개선사항에 반영하고자 한다

30 제 2 장 자이로볼 개선 및 거동추적 알고리즘 개발 2.1 배경 및 목적 자이로볼은 수체의 3차원 흐름을 측정하기 위해 관성항법장치를 적용하여 제작 되었으며, x, y, z 각 3축의 가속도 및 각속도를 측정할 수 있다. 개선사항으로 지자기 센서가 추가되어 방위각이 발산하는 문제를 해결 할 수 있도록 하였으며, 누적오차를 줄이기 위한 방법으로 Data 전송속도를 증가시켰다. 각 측정 요소들은 개별적인 하나의 물리량이 가진 의미보다는 모든 Data의 융 합을 통해 얻어지는 수치해석적인 연산 결과가 수체의 흐름특성 파악에 결정적 인 자료를 제공하게 된다. 그러므로 자이로볼을 통해 얻어진 개별 취득 Data들을 융합하기 위한 Data 변환과정과 변환된 Data의 해석을 용이하게 해 줌으로써 수 체의 흐름을 보다 명확히 파악하고, 다른 하천수리특성과의 상관관계를 분석할 수 있게 한다. 자이로볼 Data를 위치정보로 변환시키는 알고리즘은 자이로볼 Data의 필터링과 오일러각 유도, 선형가속도 및 이동거리계산 과정으로 이루어지 며, 이후 수체거동 가시화 모듈에서 자동으로 처리된다. 수체거동 가시화 모듈은 측정된 Data를 물리량으로의 단위 변환과 물리량의 융 합을 통하여 이동경로를 산출한다. 최종적으로 각 물리량의 분석을 편리를 위해 2 3차원의 그래프로 가시화가 가능하며, 자이로볼의 이동경로의 Google Map mapping 기능을 가지고 있다. 즉, 자이로볼에서 취득한 Data를 후처리 없이 일 괄 처리가 가능하며 결과 분석이 용이하도록 개발 되었다

31 2.2 자이로볼 개선 하드웨어 자이로볼은 센서, 전원 및 기록장치 등 다양한 부품들로 구성되었으며 반구형태의 아크릴 케이스 2개가 고무패드를 사이에 두고 4개의 나사를 이용하여 고정하는 형태 이다(그림 2.1). 자이로볼의 보드는 IMU 센서가 위치한 센서보드, 배터리 충전 및 전 원관리를 하는 전원보드, 센서의 Data를 취득 저장하고 자이로볼을 제어하는 MPU보 드로 구성 되며, PCB는 적층형으로 제작되었다. PCB는 아크릴로 제작된 50 mm의 구형 케이스에 내장될 수 있는 크기로 설계되었다(그림 2.1 ~ 2). [그림 2.1] PCB 구성 및 케이스 [그림 2.2] 자이로볼 설계도 - 9 -

32 1) 센서 1차년도의 자이로볼은 자이로와 가속도 센서만을 사용하여 각도를 계산하게 되어 방위각이 누적 계산되는 문제점이 있었다. 2차년도에는 지자기 센서를 추 가하여 자이로 센서를 통하여 계산한 방위각이 발산하는 문제를 해결 할 수 있 도록 하였다. 2차년도 자이로볼에 적용한 센서는 Invensense 社 에서 개발한 스마트 기기용 MEMS 센서 모듈로 자이로 센서, 가속도 센서, 지자기 센서, 온도 센서를 하나 의 칩에 모아 놓은 제품이며, 스마트폰 등의 휴대용 기기 등에서 방향감지, 이 동추적, 자세제어 등에 널리 활용되고 있다. 센서의 출력은 I 2 C 통신을 통해서 마이크로 프로세서로 전달된다(그림 2.3). [그림 2.3] 자이로볼의 자료처리과정 2) 전원 기존의 150 ma의 용량에서 600 ma의 배터리를 사용하도록 변경되었으며 두 개의 배터리를 사용하였다. 최대 용량인 1200 ma를 사용하여 최대 8시간 동안 자이로볼을 사용할 수 있도록 개선되었다. 또한 리튬이온, 리튬폴리머 전지를 충전하는 배터리 충전 콘트롤러를 사용하여, 전류, 온도, 전압모니터링을 통해서 안정적으로 전지를 충전시킬 수 있다. 3) 프로세서 ATMEL사에서 제작한 저전력 고성능 프로세서를 사용하였으며, 자이로볼의 주 제어장치로 사용되는 마이크로 프로세서이다. MPU-9150, RTC(Real-time Clock, 디지털시계 IC), Micro SD카드를 제어하고, MPU-9150의 Data를 취득하여 Micro SD 카드에 저장하는 역할을 한다. 기존에 사용한 ARM-9 프로세서에 비 해 저전력 프로세서를 사용하여 사용시간이 늘어날 수 있도록 개선하였다

33 4) 케이스 1차년도의 케이스는 개발업체의 상용제품을 사용했으나, 2차년도에는 별도 제작 을 하였다. 형태는 날개가 있는 반구형 모양이며, 날개는 자이로볼이 수체내에서 층류의 흐름을 잘 따라가게 할 뿐만 아니라 자체의 움직임(회전)을 최소화 한다. 제작은 부력을 확보하기 위해 1차년도와 같은 아크릴 재질을 선택했으며, 수중에 서의 충격으로 인한 자이로볼의 손상을 방지하고자 두께 1 mm의 아크릴을 사용 하였다. 케이스는 외경 50 mm의 날개가 있는 반구모형물 사이에 방수가 가능하 도록 고무패드가 들어가며 4개의 플라스틱 볼트, 너트로 개폐가 가능하도록 제작 되었다(그림 2.1). [표 2.1] 센서 및 부품 제원 센서 Data 저장 배터리 충전 및 소모전력 자이로스코프 Micro SD Card 소비전력 - 오차 : ±250 degree/sec - Low pass Filter - 16Bit ADC sample 가속도 센서 - 오차 : ±2 g - 16Bit ADC sample 지자기 센서 - 오차 : ± Low pass Filter - 16Bit ADC sample 온도 센서 - FAT32 포맷 지원 - SPI 통신속도 : 최대 4 MHz 속도 - 테스트 샘플링 속도 : 5 ~ 8 sps - 용량 : 2 GB - 10시간 이상 저장 - 대기 : 35 ma, 3.7 V - 동작 : 75 ma, 3.7 V 리튬폴리머 충전지 - 충전전압 : 4.2 V - 평균전압 : 3.7 V - 동작온도 : 0 ~ 45 충전 컨트롤러 - 최대 충전전류 : 1 A - 배터리 셀 온도 모니터링 - 정전압 정전류 구동 정전압 레귤레이터 - 센서 자체 온도 - 입력전압 : 2 ~ 5.5 V - 출력전압 : 5 V 400 ma 초기자세 결정 모든 센서는 각각의 x, y, z축이 설정되어 있다. 즉, 각 센서의 3축이 임의로 정해 져 있어, 일반적으로 사용자가 원하는 3축과 다르다. 다시 말해 정지장태의 가속도 값이 우리가 예상하는 x=0, y=0, z=-9.81 m/sec 2 로 되어있지 않다는 것이다. 그러므 로 각각의 센서를 사용자가 원하는 x, y, z축으로의 정렬이 필요하다. 또한 모든 센 서는 자체의 Bias(튀는값)과 Noise(잡음)을 가지고 있으므로 센서를 안정시킬 수 있 는 보정 및 필터링이 필요하다. 1) Data 취득 MPU-9150의 Data 취득 속도는 최대 1 KSPS(kilo sample per second)이고, 필 터설정 여부에 따라 속도는 낮아질 수 있다. 통신 인터페이스와 Sensing 지연시 간 등을 고려하면 10 ~ 100 SPS까지 가능할 것으로 판단된다. Data 취득 속도는

34 전력소모와 연관이 있으므로 배터리 용량 및 자이로볼 운영시간을 고려하여 결 정되어야 한다. 자이로볼에서 취득하는 Data는 3축에 대한 가속도, 각속도, 지자기와 관성센서 자체의 온도로 총 10가지이다. 자이로볼에서는 자이로, 가속도, 지자기 및 온도 와 시간의 Data를 10 Hz의 속도로 SD카드에 CSV포맷으로 저장을 한다. SD카 드는 FAT32포맷을 사용하고, 파일명은 날짜, 시간 및 일련번호순으로 저장된다 (예 csv, csv, csv). 또한, 각 자이로볼의 Data 구분을 위해서 자이로볼의 일련번호와 기타 정보를 파일의 앞부분에 저장되도록 하였다(표 2.2). [표 2.2] RAW DATA 포맷 예 ID 0001 Latitude Nxx.xxxxx Longitude Exxx.xxxxx Date 자이로볼의 Data는 Microsoft 社 의 Excel이나 기타 텍스트 편집기를 이용하여 확인 할 수 있으며, 구성은 표 2.3과 같다. 한 시간 단위로 파일을 저장할 경우, 파일의 크기는 84 Bytes * 10(초당 샘플링 수) * 3600초 = 3 MB이다. [표 2.3] RAW DATA 구성 필드 샘플 번호 시간 가속도 X 내용,, (ex,1 ~ 80,000) (ex, ) ( ~ 32767) 필드 가속도 Y 가속도 Z 자이로 X 내용,,, ( ~ 32767) ( ~ 32767) ( ~ 32767) 필드 자이로 Y 자이로 Z 지자기 X 내용,,, ( ~ 32767) ( ~ 32767) (-4096 ~ 4095) 필드 지자기 Y 지자기 Z 온도 내용,,, (-4096 ~ 4095) (-4096 ~ 4095) (20.0) 필드 내용 \n \r 2) 오일러각 유도 가속도, 자이로, 지자기 센서는 각각 다른 물리량을 측정하지만, 각 센서가 측정 하는 물리량들을 이용하여 자이로볼의 자세각을 구할 수 있다. 가속도 센서는 중력가속도와 자이로볼의 속도가 변화하는 경우 발생하는 가속도 (이하 선형가속도)를 동시에 측정하는 센서이다. 이와 같은 특징으로 가속도 센서 의 속도가 변하지 않는 환경에서는 x, y, z축의 중력가속도 벡터 성분을 이용하여

35 가속도 센서가 관성 좌표계에서 얼마나 회전 하였는지를 나타내는 오일러 각의 roll(x축 회전각), pitch(y축 회전각)를 구하는 역할을 할 수 있다(그림 2.4). 그러나 가속도 센서는 등속도운동의 경우에만 정확한 roll, pitch각을 구할 수 있다는 단점을 가지고 있다. 만약 가속도 센서가 가속운동을 하는 경우에는 중 력가속도 이외의 선형가속도를 측정하게 되고 이 경우 각도를 구하는데 사용되 는 중력가속도 벡터의 크기와 방향이 달라져 정확한 roll, pitch각을 구할 수 없 는 문제가 발생한다. [그림 2.4] 오일러 각과 중력가속도를 이용하여 roll, pitch각을 계산하는 수식 (x-y-z 관성 좌표계, x -y -z 센서 좌표계) 자이로 센서는 각속도를 측정한다. 각속도를 적분하면 각도를 구할 수 있다. 그러나 각속도 Data의 노이즈는 적분 시 누적오차로 작용하여 자이로 센서를 이용하여 구한 각도는 측정시간이 길어질수록 참값과의 오차가 발생한다. 만약 발생하는 노이즈가 주기적인 경향성이 있다면 노이즈의 주파수를 찾아내어 해 당주파수의 샘플을 제거하는 방법을 통하여 누적오차의 원인을 제거할 수 있다. 그러나 이때 발생하는 노이즈의 크기와 시간은 경향성이 존재하지 않아 긴 시 간동안의 측정에서는 큰 누적오차를 발생시킨다. 또한 자이로 센서의 각속도 값을 단순히 적분한 결과는 초기 좌표계에 대한 오일 러각이 아니므로 자이로 센서로 부터 얻은 각속도에 변환 행렬을 곱하여 오일러각 속도를 구하고, 이를 적분하여 초기좌표계에 대한 오일러각을 구할 수 있다(식 1). sin tan cos tan cos sin (1) sin cos cos cos

36 여기서, 오일러각 이전 오일러각 축 회전 각속도 오일러각 이전 오일러각 축 회전 각속도 오일러각 이전 오일러각 축 회전 각속도 지자기 센서는 자북을 기준으로한 자기장 벡터를 측정한다. 측정한 자기장 벡 터의 x, y성분을 이용하여 진북의 방위각을 구하고 진북과 자북의 편각을 더하 여 진북의 방향을 구할 수 있다(식 2). tan -0.13(rad) (2) 가속도 센서와 지자기 센서는 지구의 특징으로 인해 주어지는 기본적인 벡터를 이용하여 자이로 센서와 달리 적분을 하지 않고도 각도를 구할 수 있다는 공통 점을 가지고 있다. 그러나 지자기 센서는 가속도 센서의 중력가속도에 비해 값이 매우 작아 외부 환경에 많은 영향을 받고 이로 인해 왜곡이 발생하고 정확성이 떨어지기 때문에 오차를 줄이기 위해서는 정확한 보정하는 절차가 필요하다. 지자기 센서는 왜곡이 존재하지 않는 평면에서 한 바퀴를 돌리는 경우, 중점이 (0,0)에 위치한 원이 나와야 한다. 그러나 외부 환경에 의해 왜곡이 발생할 경우 중심이 원점에 있지 않은 타원의 모양으로 자기장 벡터가 측정되며, 이 경우 최 소 자승법을 이용하여 타원 방정식의 계수들을 구하고 이후 타원의 회전각, 중 심 및 장 단축의 길이를 구하여 다시 원점에 중심이 위치한 원으로 변환하여 보 정하는 방식을 사용하였다(김태연 등, 2012). 세 가지 센서 각각의 단점을 보완하고 정확한 각도를 추정하기 위하여 센서 융 합을 시도하였다. 가속도 센서와 지자기 센서를 통하여 구하는 roll, pitch, yaw(z 축 회전각)는 진동, 노이즈로 인해 오차가 크지만 발산하지 않는 특성을 가지고, 자이로센서를 통하여 구하는 roll, pitch, yaw는 노이즈는 적지만 적분으로 인한 누적오차가 문제가 되어 서로 반대되는 특성을 가지고 있다. 보상필터는 같은 물리량에 대한 신호의 특성이 서로 상반되는 특성을 가지는 경우에 사용하는 필터이다. 보상필터는 노이즈가 많지만 절대각을 정확히 인식하 는 가속도, 지자기 센서와 노이즈는 상대적으로 적지만 발산하여 절대각을 구할 수 없는 자이로센서를 융합하기에 적합하다. 보상필터는 가속도 센서를 통하여 얻은 자세각과 자이로 센서를 적분하여 얻은 자세각 사이의 오차를 구한다. 이후 이 오차는 각도에서의 오차를 각속도의 보 정값으로 변환하는 비례적분기(K p, K I )로 입력되며 비례적분기의 출력을 퉁하여

37 자이로 각속도의 오차를 보정한다. 다시 말해, 자이로로 측정한 각속도에서 비례 적분기의 출력을 빼서 보정 각속도를 구하고 이후 적분을 통하여 최종각속도를 계산한다(그림 2.5). 그림 2.6을 보면 발산하는 가속도 센서와 노이즈가 발생하는 자이로 센서의 값들을 보상하여 발산하지 않고 노이즈가 적은 각도를 구하였다. [그림 2.5] 보상필터를 이용한 센서 융합 알고리즘 (a) 보상필터 적용 전 (b) 보상필터 적용 후 [그림 2.6] 보상필터의 적용 결과 3) 센서 초기 자세 정렬 자이로볼의 Data를 이용하여 위치를 계산하는 과정은 GPS처럼 절대적인 좌표를 구하는 것이 아닌 자이로볼의 초기 각도로부터 얼마나 각도가 변하였는가, 또 그 각을 이용하여 초기 위치로부터의 변위를 이용하여 상대적인 위치를 추정하는 과 정이다. 따라서 초기 자세각 및 초기 위치를 계산하는 것이 매우 중요하다. 먼저 초기 자세각을 정렬하는 과정은 아래 알고리즘 절차에 따라 정렬하였다. 우선 방위각을 정렬하는 과정이다. 방위각의 정렬 목적은 자이로볼이 위치한 곳 에서의 soft iron error 와 hard iron error를 제거하기 위한 목적으로 자이로볼을 투하하기 전에 수평 상태에서 한 바퀴 이상 돌려준다. 이상적인 상황에서는 자이 로볼을 한 바퀴 돌렸을 때 자기장 x와 자기장 y를 그래프화 하면 중심이 0에 있

38 는 이상적인 원이 나와야 한다. 그러나 오차가 존재하는 경우에는 중심이 0에 있 지 않은 타원의 형태가 나오게 되고 이를 바로잡기 위한 과정을 거쳐야한다. 이 는 스마트폰의 지자기 센서를 보정하는 방식과 같은 방식으로 실제 스마트폰의 나침반 센서의 경우 수평을 유지한 상태에서의 회전이나, 또는 8자 모양으로 센 서를 회전시키는 등의 방식을 통하여 지자기 센서를 보정한다. 타원이 형성되기까지의 Data를 이용하여 최소자승법을 이용하여 타원 방정식 의 계수를 계산하고 이를 이용하여 타원의 중심을 0에 두고 타원을 원의 형태 로 만들어 왜곡이 없는, (x, y축 자기장성분)을 계산한다. 이로써 초기 방 위각을 정렬하기 위한 준비를 수행한다. 이후 자이로볼을 투하 후 초기 10개의 가속도, 지자기 Data의 평균을 취하는 과 정을 거친다. 이때의 평균값을 센서의 초기 자세각으로 이용하여 이후 자이로 센 서와 가속도 센서, 지자기 센서를 융합하여 초기 자세 및 방위각을 기준으로 한 delta pitch, delta roll, delta yaw 각을 계산하여 현재 자세각으로 설정한다 가속도와 각속도를 활용한 3차원 공간정보해석 가속도 센서가 측정하는 가속도 중에서 중력이외의 외력에 의해 발생하는 가속 도를 선형가속도라 하며, 이 선형가속도를 이중적분 함으로써 위치를 계산할 수 있 다. 만약 가속도 센서가 수평 상태로 움직이고 있다고 가정하면 단순히 z축의 중력 가속도 성분만을 제거하면 되지만, 시간에 따라 자세각이 움직이는 경우 측정시간 의 자세각을 계산하여 기울어진 상태에서 중력가속도의 x, y, z성분을 구하여 가속 도 센서의 각축에서 제거하여 선형가속도를 얻게 된다. 자이로볼에서는 2.2.2절의 보상필터를 이용하여 자세각을 추정하였고 3차원 회전변 환을 통하여 Data를 초기 좌표계로 변환하여 선형가속도를 계산하였다(그림 2.7). [그림 2.7] 선형가속도 계산 알고리즘

39 1) Data 변환 선형가속도를 계산하기 위해서는 가속도 센서의 입력값을 처음 측정이 시작 되는 초기 좌표계로 회전시켜야 하는 과정이 필요하고 이를 위해서 자세각 행 렬을 가속도 센서의 각 성분에 곱하여 준다. 한 개의 기저벡터를 회전축으로 선택한 단위 좌표변환을 이해하기 위하여 아 래 그림과 같은 개형을 고려하였다. 그림에는 초기에 일치한 -좌표계와 -좌표 계에 대하여 -좌표계의 -축 및 -축 기저벡터들을 -축을 기준으로 만큼 회 전한 결과 나타나게 되는 두 좌표계 사이의 변환 개형을 나타낸다. 그림 2.8에 서 은 임의의 벡터를 나타내며 이 좌표값은 -좌표계에 대해서는 로 그리고 좌표계에 대해서는 으로 각각 표시되어 있다. 또한 동일한 벡터 의 서 로 다른 좌표계에 대한 좌표값 와 은 다음의 관계를 만족함을 알 수 있다. [그림 2.8] z축을 기준으로 Ψ만큼 회전한 단위 좌표변환의 개형 위 관계는, (3) 여기서, cos sin, sin cos, 식 3과 같이 표현 할 수 있으며, 위 식을 달리 표현하면 두 좌표값 사이에는 식 4의 관계가 성립함을 알 수 있다

40 cos sin, sin cos (4) 회전의 기준축을 달리하여 초기에 일치하였던 -좌표계와 -좌표계에 대하여 -좌표계의 두 기저벡터들을 -축을 기준으로 만큼 회전하면 위 그림과 유사 한 개형에 의하여 다음의 식 5의 관계를 확인할 수 있다., cos sin sin cos (5) 또한, 초기에 일치했던 -좌표계와 -좌표계에 대하여 -좌표계의 두 기저벡 터들을 -축을 기준으로 만큼 회전하면 위 그림과 유사한 개형에 의하여 다음 식 6의 관계를 확인할 수 있다., cos sin sin cos (6) 위 식에 나타난 각 기저벡터 축을 기준으로 2차원 단위 좌표변환하면, 일반적 인 두 좌표계 사이의 3차원 복합 좌표변환을 쉽게 표현할 수 있다. 그림 2.9는 이와 관련된 개형을 나타낸다. [그림 2.9] 임의의 두 좌표계 사이의 3차원 좌표변환 개형

41 그림 2.9에 나타난 바와 같이 임의의 자유도 3의 좌표변환 관계를 가지는 -좌 표계와 -좌표계가 주어진 경우 -좌표계의 기저벡터들을 -좌표계의 기저벡터 들과 일치시키기 위해서는 아래와 같이 단위 좌표변환을 수반한 회전이 특정 축을 기준으로 순서에 맞게 가해져야 한다. i) 축(혹은 축)을 기준으로 만큼의 회전 { } 기저벡터의 방향 결정 ii) 축(혹은 축)을 기준으로 만큼의 회전 { } 기저벡터의 방향 결정 iii) 축(혹은 축)을 기준으로 만큼의 회전 { } 기저벡터의 방향 결정 위에서 정리된 단위 좌표변환의 순서를 참고하면 -좌표계에서 -좌표계로의 복합 좌표변환행렬은 다음과 같이 구성됨을 알 수 있다. (7) 여기서, cos sin sin cos cos sin sin cos cos sin sin cos (8) 따라서 위 식들에 의하여 각 행렬들을 곱하고 그 결과를 정리하면 -좌표계에 서 -좌표계로의 복합 좌표변환행렬은 다음과 같이 구성됨을 알 수 있다. cos cos cos sin sin sin sin cos cos sin sin sin sin cos cos sin cos cos sin cos sin sin cos sin sin sin cos cos cos (9) 또한 이와는 반대로 -좌표계에서 -좌표계로의 좌표변환이 필요할 경우에는 다음의 관계식들이 활용된다

42 (10) 여기서, cos sin sin cos cos sin sin cos cos sin sin cos (11) 위 결과를 정리하면, cos cos sin sin cos cos sin cos sin cos sin sin cos sin sin sin sin cos cos cos sin sin sin cos sin sin cos cos cos (12) 로 된다. 2) 센서의 자세각을 이용한 위치계산 이론적으로 초기 좌표를 기준으로 계산된 선형가속도를 한번 적분하면 속도를 구할 수 있고, 속도를 다시 적분하면 자이로볼의 초기위치 (0, 0, 0)을 기준으로 이동한 3차원 상대좌표를 계산할 수 있다. 자이로볼의 Data 취득시간은 0.1초 이다. 따라서 다음의 수식을 통하여 속도와 위치를 계산하였다(식 13). (13) 위의 수식에서 아래첨자 x의 의미는 x축에 대한 계산에 해당하고, y축 및 z축 의 계산 과정 또한 위와 동일하다

43 2.3 수체거동 가시화 모듈(GUI) 개발 수체거동 가시화 모듈 수치해석 처리에 의해 최종적으로 얻어진 자이로볼의 이동 경로를 가시화하여 실제 수체의 흐름과의 상관성을 알아본다. 프로그램을 제작하기 위하여 사용한 툴 은 National Instrument에서 개발한 LabVIEW를 사용하였다. LabVIEW는 GUI 방식 의 인터페이스를 가지고 있어서 텍스트 기반의 프로그래밍을 통하여 제작하는 경우 보다 직관적이며, 기본적으로 수많은 공학 및 이학관련 함수를 모듈형태로 사용하 기 쉽게 제공하여 개발시간을 단축시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다. LabVIEW를 이용하여 제작된 수체거동 가시화 모듈에서는 시간에 따른 자이로볼 의 경로를 2 3차원 그래프로 가시화하며, 최근 온 오프라인에서 각광받고 있는 Google에서 제공하는 Google Map에 2차원 경로를 도시할 수 있도록 하였다. 또한 이 모듈은 자이로볼 경로뿐만 아니라 현장에서 측정한 유속, 수온, 수심 등의 자료 도 같이 비교하여 도시화 할 수 있게 제작되어 하천의 수리특성과 자이로볼 이동경 로의 연관성 분석에 사용될 수 있다 Data 변환 1) 2 3차원 그래프화 자이로볼 Data의 그래프화는 Raw Data에 대한 물리량 계산을 통하여 이루어진 다. 이 과정은 그림 2.10과 같이 크게 Data에 대한 전처리, 변환, 가시화의 세가지 단계를 통하여 이루어진다. [그림 2.10] 이동경로 그래프 가시화 알고리즘

44 첫 번째, Data 전처리 과정은 무의미한 Data를 제거하는 과정으로 자이로볼은 외 부조작이 불가능하므로 보드를 작동시킨 후 케이스를 닫고 실험하기 전까지는 무의 미한 Data를 수집하게 된다. 이 시점을 찾아내고 지자기 센서의 오차를 보정하기 위 하여 자이로볼을 투하 전 제자리에서 30초간 회전을 시킨다. 이때 지자기 Data는 원 을 그리게 되며, 이때 그려지는 Data에 원형 피팅을 수행하고 반지름을 계산하여 반 지름의 표준편차가 가장 작은 시점과 반지름이 기준치를 넘는 시점을 찾아 이 시점 이전의 Data를 잘라낸다. 이후 Data에서 사용자의 설정 값 이상의 특이점(튀는값)들 을 제거하는 과정을 거친 후 Raw Data로 저장된다. 두 번째, Data 변환 과정에서는 전처리 과정을 통해 얻은 Raw Data의 지자기, 자 이로, 가속도 Data를 보상필터를 이용하여 자세각을 계산한다. 이를 초기 위치로부터 의 회전각으로 판단하고 가속도 Raw Data에 회전행렬의 형태로 곱하여 초기 좌표계 로 회전시킨다. 다음 중력가속도 성분을 제거하여 선형가속도를 계산하고 이를 저주 파 통과 필터에 통과시킨 후 이중적분하여 위치를 계산한다. 이 과정에서 얻게 된 자 이로센서를 이용한 각도, 가속도 센서를 이용한 각도, 지자기 센서를 이용하여 계산한 각도 및 선형가속도, 속도, 위치 등의 모든 물리량들이 저장된다(표 2.4 ~ 7). 세 번째, Data 가시화 과정은 변환 된 Data 중 x, y, z의 위치 Data만을 읽어들여 사용자가 관점을 설정하여 2차원(x-y, y-z, x-z 평면) 및 3차원 그래프로 도시한다. [표 2.4] 물리량 Data시트(예) Time (s) ax_in (m/s 2 ) ay_in (m/s 2 ) az_in (m/s 2 ) wx_in (rad/s) wy_in (rad/s) wz_in (rad/s) mx_in (microt) my_in (microt) mz_in (microt) T (degc) [표 2.5] 물리량 Data시트(예) 계속 Phi_acc (rad) Theta_acc (rad) Psi_acc (rad) Phi_gyro (rad) Theta_gyro (rad) Psi_gyro (rad) Phi_com (rad) Theta_co m (rad) Psi_com (rad)

45 [표 2.6] 물리량 Data시트(예) 계속 ax_grav (m/s2) ay_grav (m/s2) az_grav (m/s2) ax_linear (m/s2) ay_linear (m/s2) az_linear (m/s2) vx (m/s) vy (m/s) [표 2.7] 물리량 Data시트(예) 계속 x (m) y (m) z (m) Long_IMU (degree) Lati_IMU (degree) vx_gp S (m/s) vy_gp S (m/s) X_GPS (m) Y_GPS (m) Long_GPS (degree) Lati_GPS (degree) ) Google Map mapping 자이로볼의 경로와 위 경도에 따른 유속 및 온도 등의 contour를 Google Map에 mapping하는 과정은 다음과 같다. 첫째, 변환된 자이로볼 Data에서 미터단위 x, y 위치좌표를 위 경도로 변환하고 GPS를 통하여 얻은 초기 위 경도에 더하여 자이로볼의 취득한 결과를 위 경도로 계 산한다. 위와 같이 계산된 위 경도 좌표를 Google Map에 도시하기 위해서는 Google에서 제공하는 KML형식의 파일 포맷으로 변환이 필요하다. KML은 XML과 유사하게, 구조화되어있는 Mark-up언어로써, Map의 전체 표시영역, 좌표 Layer구 분 등이 지원되어 여러 개의 자이로볼에 대한 경로 가시화가 가능하다. 가시화는 위 경도로 계산한 각각의 좌표에 빨간색 점을 올려놓는 방식으로 하였다. 둘째, 실측된 유속, 수온 및 수심 등의 자료를 contour로 Google Map에 가시화 하는 방식은 LabVIEW에서 제공하는 contour 함수를 이용하였다. 각각의 x, y 좌표 에 따른 물리량을 배열로 만들고, 각 행렬요소에 해당하는 Data를 계산하기 위하여 측정값 사이를 보간하였다. 보간방식은 해당 행렬요소를 원점으로 하는 4분면에서 각각 가장 가까운 점들을 참조하여 원점과의 거리에 가중치에 따른 방식이며, 가중 치는 평균값에 1/거리 a 값을 곱하도록 하였다. 이때 a값은 사용자가 설정할 수 있도 록 프로그램 되었으며, 기본값은 0.01로 설정되었다. 또한 4분면 안에 측정값이 없 는 경우에는 0을 넣도록 하여 측정부분 바깥영역을 계산하지 않아 측정을 수행한 영역만 contour로 나타날 수 있도록 하였다. 이후 각각의 위 경도 최대, 최소값을 설정하여 KML파일로 변환 후 Google Map에 mapping하는 방식을 취하였다

46 2.3.3 화면구성 및 GUI소개 1) 2 3차원 그래프 가시화 수체거동 가시화 모듈을 이용하여 자이로볼의 Raw Data 처리 및 시간에 따른 자이로볼의 물리량의 가시화가 가능하다. 전처리 프로그램에서는 자이로볼의 투하 지점 이전의 Data를 제거하고 특이점을 제거하는 수행할 수 있다. 이후 변환 프로 그램에서는 전 처리된 Raw Data를 위치정보로 변환하고 위치정보로 변환하는 과정 에서의 물리량들을 시간-물리량 그래프로 확인할 수 있다. 그래프를 가시화하기 위하여 프로그램 상의 추가버튼을 이용하여 자이로볼의 Data 를 추가할 수 있으며, 변환을 선택하는 경우 해당 Raw Data를 필요한 물리량으로 변 환하여 물리량이 저장되어 있는 시트를 제작할 수 있다. 이후 필요한 자이로볼의 파일 을 선택한 후 재생을 선택하면 해당하는 필요한 물리량을 확인 할 수 있다(그림 2.11). (a) 파일열기 (b) 물리량 (c) 2차원 이동경로 (d) 3차원 이동경로 [그림 2.11] 자이로볼 물리량 도시 그래프 화면

47 2) Google Map mapping Google Map mapping은 각각의 자이로볼 경로가시화뿐만 아니라 하천수리특성 (유속, 수심, 수온 등)을 contour로 가시화 할 수 있다. 또한 contour위에 자이로볼 의 경로를 중첩하여 각 수리특성들과 자이로볼 이동경로의 연관성 분석이 가능하도 록 하였다. Data의 로딩은 지정된 형식으로 저장된 자이로볼의 파일을 분석 디렉토리에 위 치시킨 후 선택창을 통해 읽어 들인다. 여러 개의 자이로볼이 동시에 투하될 경우 각 자이로볼의 초기 위치가 다를 수 있는데, 이때 각각에 대한 초기 좌표 입력이 요구된다. 나머지의 과정은 소프트웨어 내부적으로 처리하게 되며, 처리된 결과를 사용자가 원하는 방식으로 가시화 해 준다(그림 2.12). (a) 초기 좌표 입력 (b) Google Map mapping (c) 유속 수온 contour (d) 다중 가시화 [그림 2.12] Google Map mapping

48 2.4 자이로볼의 시 공간적 분석 초기자세 결과 자이로볼은 초기위치를 기준으로 상대적인 각도의 변화와 위치변화를 계산하여 위치를 나타낸다. 따라서 출발 전의 초기 위치와 각도를 계산하는 것이 매우 중요 하다. 자이로볼의 자이로센서를 이용하여 계산한 자세각은 누적오차로 인해 발산하 므로 정확한 출발각을 추정하기 힘들다. 그러나 2.2.2절에서 설명한 보상필터를 이용하 여 센서를 융합하게 되면 자이로볼을 투하 전 5초간의 정지상태를 통해 안정한 각도를 정지상태의 각도를 추정하게 된다. 보상필터의 결과로 자이로볼에서 취득한 각도의 각 성분을 다음에 도시하였다(그림 2.12). (a) x축 (b) y축 (c) z축 [그림 2.13] 보상필터 적용후의 자세각 안정화 위에 나타난 바와 같이 정지상태의 각도는 40번째(4초) 샘플 이후부터 안정화됨 을 알 수 있다. 이러한 이유로 자이로볼을 출발하기 이전에 10초 동안 정지상태를 유지하도록 하였으며 4초 이후의 5초간의 Data룰 평균하여 출발지점에서의 초기자 세로 간주하기로 하였다

49 2.4.2 실내수조 실험 제작된 자이로볼의 성능과 Data변환 알고리즘의 정확도를 검증하기 위해 실내 수조 실험을 수행하였다. 실내수조는 폭 1 m, 길이 10 m로 하류에 수위조절 수문 이 있어 유속 및 수심을 제어할 수 있다(표 2.8). 백제보 상류 평 갈수기 유속이 0.1 m/sec(금강통합물관리센터)인 것을 고려하여 최대한 비슷한 환경을 만들었다. 수심 과 유속 설정은 수문을 조절하여 수심 0.45 m, 유속 0.2 m/sec의 조건에서 고 중 저층의 3개 수위(0.35, 0.25, 0.10 m)에 대해 실험을 실시하였다. 실험수조는 폭이 좁 은 직선수로이므로 수체의 흐름은 층류이며 수로방향의 직선형태로 와류는 발생하 지 않는다. [표 2.8] 실내 수로실험장 규격 폭 (m) 높이 (m) 길이 (m) 수심 (m) 유속 (m/s) (a) 실내 수조 (b) 수위조절 수문 (c) 유속측정 [그림 2.14] 실내수조실험 자이로볼의 이동경로는 수로의 흐름이 가장 안정적인 2 m(4 ~ 6 m)구간에 대해 분 석하였다. 분석구간 결정은 유입부의 난류 및 중성부력 안정화구간(0 ~ 4 m)과 유출부 의 수위조절 수문의 배수위의 영향(6 ~ 10 m)을 고려하여 결정하였다. 자이로볼의 이 동거리는 고 중 저층에 대하여 각각 m, m, m로 나타났다(표 2.9)

50 [표 2.9] 각 수심별 자이로볼 이동거리 (단위 : m) 수위 x y z 총 이동거리 수심에 따른 이동거리의 평균오차는 x축 0.25 m, y축 m, z축 m의 오차가 발생하였다. 오차 발생의 방향성은 없었으며, 시간에 따라 오차가 누적되는 것을 알 수 있었다. 시간에 따른 오차는 x축 방향으로 초당 2.5 cm, y축으로 1.1 cm, z축으로 1.15 cm의 오차가 발생하였다. 이동거리에 따른 평균 오차는 6.24 %로 각 수심별 자이로볼의 경로를 잘 반영하는 것을 알 수 있었다(그림 2.15). (a) 3차원 공간정보 (b) x-y 평면 정보 (c ) y-z 평면 정보 (d) x-z 평면 정보 [그림 2.15] 실내수조실험 결과

51 2.5 시사점 2차년도의 자이로볼은 하드웨어에 지자기 센서의 추가 탑재 및 Data 전송속도 의 증가와 소프트웨어에 초기자세정렬, 지자기 보정 및 보상필터 적용으로 Data 변환 알고리즘을 적용하였고, 실내실험을 수행하여 그 정확도를 확인해보았다. 실험결과 2 m구간에서 평균 6.24 %의 이동거리오차가 발생하였다. 오차발생에 따른 원인을 분석한 결과는 다음과 같다. 첫째, 센서 자체가 가지고 있는 특징으로 MEMS는 좁은 공간에 가속도 센서, 자이 로 센서, 지자기 센서를 모두 포함하고 있다. 이러한 이유로 각 센서 간 간섭이 심하 여 노이즈가 크다는 특징을 가지고 있다. 일반적으로 노이즈를 최소화하기 위하여 200 Hz이상의 속도로 Data를 취득하고 1초간의 Data을 필터링 후 평균하여 유효한 Data로 간주하여 사용한다. 그러나 자이로볼은 실시간 Data 처리가 아닌 Data를 저 장 후처리 하는 방식으로써 200 Hz로 Data 취득 시 Data가 지연되거나 간헐적으로 끊기거나 동기화 불량의 이유로 10 Hz로 취득한 Data에 직접적인 오차보정을 시도 한 것이 오차 발생의 가장 큰 원인으로 판단된다. 둘째, 각도측정 시 발생하는 오차이다. 각도의 발산 문제를 해결하기 위하여 보 상필터를 사용하여, 상대적으로 노이즈는 적고 발산하지 않는 각도를 계산하였으 나 필터의 사용으로 인한 신호의 변조와 위상지연 등의 영향이 발생하여 실제 각도와 달라지는 문제가 발생하였다. 이는 선형가속도의 오차를 발생시켜 위치계 산에 큰 영향을 주었다. 이를 해결하기 위해서는 일반적으로 사용되는 칼만필터 의 적용과 쿼터니언 적분방법이 도입되어야할 것으로 판단되며, 이를 정확히 검 증하기 위해서 실제로 회전한 참값을 알 수 있는 짐벌 등의 장치를 이용하여 정 확한 오차에 대한 분석이 수행되어야 하겠다. 셋째, 가속도 센서가 가지고 있는 근본적인 한계점이다. 자이로볼의 경로추적은 가속도를 이중적분하여 계산된다. 그러므로 오차는 시간에 따라 누적되어 커지게 된다. 누적오차는 제거 할 수 없어 보정이 필요하다. 지자기 센서는 오차의 보정에 효과는 있으나, 절대적인 좌표보정은 할 수 없었다. 이러한 문제점을 해결하기 위 하여 일반적으로 MEMS는 GPS의 절대좌표로 위치보정을 한다. 그러나 자이로볼은 수중에서의 활용이 목적이므로 GPS 센서를 사용할 수 없어 위치를 보정해 줄 다 른 센서의 모색이 필요하다

52 수체거동 가시화 모듈은 자이로볼 Data의 자동 처리 및 가시화를 위해 제작되 었다. 가시화는 2 3차원 그래프 및 contour로 다중가시화가 가능하였다. 그러나 contour 가시화시, LabVIEW에서 지원하는 함수는 위 경도에 따른 Data를 2차원 배열로 만들어 contour화하는 방식은 측정한 영역과 측정하지 않은 영역사이의 값이 큰 차이가 난다. 따라서 좁은 영역에 등고선이 여러 개 중첩되는 현상으로 인하여 contour의 경계를 깨끗하게 나타내는데 한계점을 가지고 있어 본 연구에 서는 영상처리로 해결하였다. 그러나 영상처리를 하는 경우 측정하지 않은 부분 을 정확하게 잘라내는데 어려움이 있어 Google Map에 mapping을 시도하는 경 우 경계 값에 오차를 발생시킨다. 이를 보완하기 위해서는 Data 보간은 외부 프 로그램을 사용 후 수체거동 가시화 모듈로 불러오는 방법 등의 개선이 필요하다

53 제 3 장 하천의 공간적 수체흐름특성 파악 3.1 배경 및 목적 하천에서의 공간적 수체흐름특성을 파악하기 위한 방법으로 관성항법장치를 이 용한 이동경로 추적장치인 자이로볼이 개발되었다. 수체내에서 작동하는 장비의 특성상 중성부력의 개념이 도입되어 현장실험에 앞서 정량적인 중성부력 구현을 시도 하였으며, 육안확인을 위한 실내실험을 실시하였다. 실내실험에서 자이로볼의 성능이 어느 정도 검증되었다 하더라도, 최초 목적인 하천에서의 수체거동파악의 검증은 필수적이다. 따라서 과거 녹조발생 및 수질악 화 이력이 있는 대상지를 선정하여 유속, 수심, 수온 및 수질 등의 현장조사를 실시하고 자이로볼을 현장에 적용하여 실측 자료와 비교 검증함으로써 개발된 자 이로볼의 성능을 확인하며 정체구간의 파악이 가능한지를 알아보는데 현장실험 의 목적이있다. 또한 자이로볼은 현장에서의 중성부력 설정, 이동경로 추적에 동반되는 누적오 차의 보정, 자료취득 및 센서 제어의 문제점 개선 등 아직 많은 문제점이 내재되 어 있을 것이다. 이러한 문제점들을 현장에서 실제사용하며 문제점을 확인하고 개선 방향을 제시하기 위한 목적이 있다

54 3.2 자이로볼의 현장적용 현장적용 대상지 선정 자이로볼을 활용한 입체적인 흐름특성의 규명 및 예측은 현재 녹조 및 수질악 화의 근본적인 대책마련의 기초라고 판단된다. 그러므로 본 장비의 현장적용실험 을 과거 녹조의 발생 및 어류의 집단 폐사 등으로 집중적인 수질관리가 진행되 고 있는 금강 백제보 상류에서 실시하였다. 백제보 상류는 흐름의 정체로 각종 언론매체에서 매년 녹조발생에 대한 문제가 제기되고 있는 구간이며(표 3.1), 과 학적이고 구체적인 규명이 필요하다는 목소리가 높은 구역이다. [표 3.1] 백제보 녹조관련 언론보도 내용 -2013년 8월 22일 세계일보 비단물결 금강, 녹조물결 금강으로 22일 대전충남녹색연합은 금강의 녹조를 촬영한 항 공사진을 공개하고 정부는 수질예보제를 폐기하고 4대강 물길을 가로 막고 있는 보의 수문을 즉각 개 방하라 고 촉구했다. 녹색연합이 공개한 항공사진에 따르면 지난 13일부 터 확산하기 시작한 금강녹조는 상류인 세종시에서 부터 공주 부여 논산을 거쳐 금강하구언 서천까 지 구간 강 전역에서 발생했다. (이하생략) 국가습지 저석습지 녹조 점령 (부여읍 저석리) 국가습지목록(Inventory)에 포함되어 있는 부여 저 석습지는 4대강사업으로 하중도와 모래톱이 사라 지고 그 자리를 녹조로 채우고 있다 년 8월 22일 오마이 뉴스 금강 백제보 물고기 수만마리 집단폐사 세기의 4대강 살리기 사업의 하나인 금강 백제보 인근에서 원인모를 물고기들이 집단 폐사해 긴급 조사에 착수했다. 이에 부여군과 금강유역환경 청,K-water등은 떠오른 물고기의 사체를 수거해 사인분석과 함께 수질조사가 한창이나 부여권을 가로지른 청정수역 백마강의 어류폐사는 극히 이 례적인 사태로 알려진다. (이하생략) 환경방송

55 자이로볼의 현장적용대상지는 백제보 관리단과 상의 후 현장답사를 통해 접근성 및 중요성을 고려하여 왕진교에서 백제보까지 약 3 km구간으로 정하였다. 자이로볼 투하 지점은 직하류에 생태공원 및 서식지가 있어 정체구간이 발생할 것으로 판단되 고, 인근에 금강통합물관리센터에서 운영하는 수위관측소가 있을 뿐만 아니라 차량진 입로가 있어 장비의 진입이 용이하여 구간 정 중앙인 백제보 상류 약 1.5 km지점으 로 선정하였다. 그림 3.1은 현장답사 및 조사지점이며 그림 3.2는 현장조사 및 자이로 볼 적용구간을 나타내었다. (a) 현장실험 대상지역 답사 (b) 왕진교에서 바라본 조사지점(우안) (c) 조사지점에서 하류 백제보 방향 (d) 조사지점 우안에서 좌안 방향 (e) 조사지점인근의 수위관측소 (f) 조사지점의 차량진입로 [그림 3.1] 현장답사

56 [그림 3.2] 현장조사 구역 및 자이로볼 투하지점 자이로볼의 현장 적용성 검토 1) 중성부력 구현 수체의 3차원 흐름에 가장 이상적으로 연동할 수 있는 방법으로 중성부력 개념을 도입하였다. 중성부력이란 물체의 중량과 부력의 가 감을 통하여 양성부력과 음성부 력의 균형을 이끌어내는 상태를 의미한다. 중성부력에는 1 표면장력 2 표면의 거칠 기 3 수심별 압력변화에 대한 저항력 등에 의존한다. 자이로볼의 중성부력을 구현하 기 위해서는 자이로볼의 비중을 1로 맞추어야한다. 자이로볼은 현재 비중이 1보다 적 으므로 무게추를 넣어 무게를 추가 하는 방식을 채택하였다. 무게추는 비중이 11.34로 크고 성형이 쉬운 납을 사용하였다. 그림 3.3은 중성부력 구현 과정을 보여준다. 또한 그림 3.4는 성형된 무게추를 이용한 중성부력 구현 결과를 나타내고 있다. [그림 3.3] 중성부력 구현 과정

57 (a) 보드 중량측정 (b) 케이스 중량측정 (c) 추가무게 결정 (d) 무게추 성형 (e) 중성부력 TEST [그림 3.4] 무게추 제작과정 및 중성부력 TEST 무게추를 제작하여 비중을 1로 맞춘 자이로볼은 외경 20 cm, 내경 19 cm, 깊이 1 m의 아크릴 원통에서 실험한 결과, 자이로볼의 무게를 중성부력에 가깝도록 조정 하기 위한 설정기준을 도출할 수 있었다. 중성부력은 약 2분 이상 수면으로 나오지 않고 바닥에 닿지 않는 상태가 유지되는 경우 중성부력 상태라고 판단하였으며 2분 이 지난 후, 자이로볼이 떠오르거나 가라앉는 연직 이동 속도는 매우 느리게 나타 나 중성부력이 구현되고 있음을 확인할 수 있었다. 본 연구에 적용한 자이로볼은 반구의 케이스와 4개의 볼트, 너트 및 방수기능을 위한 고무패드 등 다양한 부품들의 조합으로 제작되었다. 그 결과 어느 수준 이상 으로 부력이 1에 가까워지면 자이로볼이 일정 시간이 경과 후 수면으로 떠오르거나 바닥으로 가라앉는 현상이 발생하였다. 이는 일반적인 부력을 고려할 경우 매우 특 이한 현상으로 상대적으로 복잡한 구조의 디자인에 기인한다고 판단된다. 중성부력 을 위한 중량조절은 상당히 민감하게 반응하였으나, 실제하천에서 층류의 흐름이 발생하게 되면 자이로볼은 그 층을 따라 계속 흘러가게 된다고 판단된다. 2) 중성부력 TEST 원통 수조에서 2분 동안의 중성부력을 구현한 자이로볼이 층류의 흐름특성에 연 동하는지 여부를 확인하기 위하여 실내실험을 실시하였다. 실내수조의 제원 및 층류 조건은 2.4.2절과 같다. 실내실험은 각각의 자이로볼을 수조 상류에서 연속적으로 투 하하는 방법으로 진행하였다. 각 수심별 자이로볼 투하 후 약 10 m의 거리를 이동하는 동 수심의 변화 없이 층류에 비교적 원활하게 연동하고 있음을 육안으로 확인할 수 있었다. 실내실험 결

58 과 원통 수조에서 약 2분간 중성부력을 유지하게 되면 대상지와 비슷한 조건의 개 수로에서 층류의 층을 따라 잘 흘러가는 것을 확인 할 수 있었다(그림 3.5). (a) 고층 (b) 중층 (c) 저층 [그림 3.5] 중성부력 구현 결과 하천의 수리특성 파악 자이로볼은 중성부력을 구현하여 수심별 수체거동을 따라가므로 유속을 파악 할 수 있으며, 또한 정체구간을 판단할 수 있다. 따라서 자이로볼의 성능을 확인하기 위 한 검증자료로 하천의 정체구간과 각 수리특성자료의 상관관계를 알아보는 것이 목 표이다. 현장조사는 대상지역의 유속 및 수온, 수질을 측정하였다. 평 갈수기 대상으 로 백제보 상류 1.5 km기준 상 하류 6단면(하폭 약 300 m, 측선간 거리 약 20 m)에 대해 1 ADCP를 이용한 유속 수온프로파일 관측 2 다항목수질관측장비를 이용한 표층 (수심 0.5 m이내)에서의 평면 2차원 수질 분포 조사 3 써미스터체인을 이용한 수온프로파일 모니터링 등의 현장조사를 3회( , 21, 22) 실시하였다. [그림 3.6] 현장 조사단면

59 1) ADCP를 이용한 유속 수온 프로파일 관측 대상구간에서의 유속 수온 프로파일 취득을 위해 Teledyne RDI 社 의 ADCP 600 KHz Workhorse Rio Grande를 사용하였다(그림 3.21, 표 3.2). ADCP는 수온센서가 부수적으로 장착되어있다. [표 3.2] Rio Grande 제원 항목 Frequency Data Output Rate-Typical Profile Resolution-Min Cell Size 제원 1200 / 600 (khz) 2 (Hz) 5 / 10 (cm) Number of Cells 128 / 255 [그림 3.7] ADCP Workhorse Rio Grande Minimum Profiling Range Maximun Profilling Range Internal Recording Capability 0.3 / 0.7 (m) 25 / 80 (m) Optional 2) 다항목 수질 관측 대상하천에서의 수질특성을 파악하기 위해 다항목수질계(Hydrolab DS5, Hach, Inc.)를 사용하였다(그림 3.8). Hydrolab의 관측항목은, 수심, 수온, ph, 클로로필-a, DO 및 전기전도도 등 6개항목이다. [그림 3.8] 다항목 수질계 [그림 3.9] 현장조사 3) 수온모니터링 일주일 이상 동일지점에서 수온 프로파일을 모니터링 하였다. 집중관측의 보조 자료 로서 꼭 필요하며, 이벤트가 아닌 연속적인 수체의 특성을 이해하는데 도움이 된다. 추 가로 기온과 풍향 풍속 일사량 등 다양한 인자가 요구되나, 본 조사에서는 생략되었다

60 수체의 연직특성을 파악하기 위해서 다수의 센서를 로프에 일렬로 설치하여 써미 스터 체인(Thermistor Chain)을 사용하였다. 써미스터 체인은 대상구간의 정중앙 수 심 약 6 m 지점에 표층으로부터 수심 0.5, 1, 2, 3 m 및 4 m의 5개 수심에 설치하였 다. 11월의 계절적 특성을 고려하여 수심 4 m와 앵커위치인 6 m에서의 수온차는 무 시할 정도라고 판단하였다. 수온 센서는 HOBO U20 Water Level Logger(Onset, Inc.) 로서 수심과 수온을 동시 측정할 수 있는 제품을 사용하였다(그림 3.10, 표 3.3). 써미 스터 체인은 약 20 kg의 스테인리스 앵커에 고정하였으며, 수면으로부터 약 0.5 m의 수심에 부력부이를 설치하고, 수면에 2개의 표시부이를 설치하였다(그림 3.11). [그림 3.10] 수온계 [그림 3.11] 써미스터 체인 설치 개략도 [표 3.3] HOBO U20 Water Level Logger 제원 제 품 명 구분 측 정 범 위 정확도 기 타 U 수온 -20 ~ at 20 배터리 : 5년, 사용자 교환 불가 수심 0 ~ 76 m (0~850 kpa) ±3.8 cm 소프트웨어 : HOBOware pro 4) 현장 관측결과 ADCP를 이용하여 대상구간에서의 평균유속, 표층수온 및 하상형상을 관측하였 다. 하상분포는 우안쪽 하상이 높고 상대적으로 좌안이 하상이 낮아서 좌안에 깊은 수심이 분포하고 있음을 알 수 있었다. 하상분포로부터 주수로부에 여울(Riffle)과 웅덩이(Pool)가 발달하여 울퉁불퉁한 하상을 보이고 있다. 수온분포는 전반적으로 11월 14일에서 22일까지 약 8 ~ 12 C에 분포하며, 좌 우 안의 차가 크지 않았다. 수심이 깊은 주수로부에서 수온이 낮게 나타나며, 상류보다 하류쪽에 비교적 저온의 수체가 분포하고 있었음을 알 수 있었다. 유속분포는 전반적으로 0.06 ~ 0.1 m/sec에 분포하고 있으며, 하상분포와 유사한 경향으로 우안부에 저유속, 좌안부에 고유속의 분포를 확인할 수 있었다. 수심이 낮 은 우안부에서는 저유속이 분포하였고, 좌안부에서 상대적으로 고유속이 분포하였

61 다. 유속분포는 불규칙한 하상분포로 인해 복잡한 분포형태를 보이고 있다. 1.5 km하류에 위치한 백제보의 방류량이 크지 않았던 현장여건으로 인해, 수리 특성 조사를 수행한 3일간의 유속은 약 0.1 m/sec이하로 나타났다. 즉, 하천구조물 의 영향으로 대상구간은 저류 상태를 유지하였던 것으로 판단된다. 유속과 수온분 포는 역상관 관계에 있었으며, 이는 하상형태에 기인한 것으로 판단된다. ADCP로 관측한 대상구간에서의 평균유속, 표층수온 및 하상형상은 다음과 같다. (a) 11월 14일 (b) 11월 21일 (c) 11월22일 [그림 3.12] 수심 분포도 (a) 11월 14일 (b) 11월 21일 (c) 11월22일 [그림 3.13] 유속 분포도 (a) 11월 14일 (b) 11월 21일 (c) 11월22일 [그림 3.14] 수온 분포도

62 다음은 각 날짜별로 각 항목의 관측결과이다. 조사구간 내 상 중 하의 횡단면 3 개를 추출하여 좌안에서 우안으로 거리별 관측결과로 나타내었다. 1 현장조사 1 (2013년 11월 14일) 현장조사 1의 결과, 수심이 낮은 곳에서는 유속이 느리게 나타났고 수심이 깊 은 저수로부에서는 높은 유속이 나타났다. 특히 횡단면 1의 좌안과 횡단면 2의 우안에서 사수역에 가까운 낮은 수심이 나타났고 유속 또한 아주 낮게 나타났 다. 반면 수온은 횡단면을 따라 큰 변화없이 일정한 것으로 나타났다. (a) 횡단면 1 (b) 횡단면 2 (c) 횡단면 3 [그림 3.15] 횡단면별 수온, 유속, 수심 (2013년 11월 14일)

63 2 현장조사 2 (2013년 11월 21일) 현장조사 2에서도 같은 횡단면상에서는 거의 비슷한 수온이 분포하였다. 우안 에 높은 하상이 분포하고 있어서 낮은 수심이 나타났다. 이로 인해 거의 사수 역에 가까운 구간이 발생하였고, 아주 낮은 유속이 나타났다. 하지만 저수로부 에서는 0.1 m/sec이상인 유속이 나타나기도 했다. 저수로에서 하상의 침식이 많이 발생할 확률이 높다고 판단된다. (a) 횡단면 1 (b) 횡단면 2 (c) 횡단면 3 [그림 3.16] 횡단면별 수온, 유속, 수심 (2013년 11월 21일)

64 3 현장조사 3 (2013년 11월 22일) 현장조사 3은 가장 낮은 수온이 나타났다. 수온은 물의 분자움직임에 영향을 미치는 주요인자이기 때문에 현장조사 당일의 물 분자는 적은 운동에너지를 가지고 있었을 것으로 판단할 수 있다. 이는 유속에 큰 영향을 미친다고 볼 수 는 없지만, 수체의 흐름 판단에 있어 완전히 무시할 수는 없다. 수심이 낮으면, 유속이 작게 나타나는 경향은 현장조사 1, 2의 측정결과와 동일하게 나타났다. (a) 횡단면 1 (b) 횡단면 2 (c) 횡단면 3 [그림 3.17] 횡단면별 수온, 유속, 수심 (2013년 11월 22일)

65 4 수온 프로파일 모니터링 (2013년 11월 14 ~ 22일) 대상지역에서 써미스터 체인을 이용하여 측정한 수온프로파일 결과는 수온에 의 한 자이로볼의 수심방향 이동을 예측할 수 있는 자료이다. 그림 3.18는 써미스터 체 인을 이용하여 수온 프로파일 자료를 취득한 것이다. 측정기간 중 대부분이 상층과 하층의 온도차가 크게 나타나지 않았지만, 11월 14일의 경우 수심 4.0 m구간에서 상층보다 높은 수온이 나타났다. 이는 하층의 고 온의 수온이 상층으로 이동하면서 수체 상 하층의 순환이 이루어지게 되었을 것이 고, 이로 인해 자이로볼의 상 하류 이동성을 가질 수 있는 조건이 형성되었을 것이 다. 반면 11월 16일과 11월 21일에 상층의 온도가 하층의 온도보다 높은 것으로 나 타났다. 이 기간에는 상층의 수온이 높기 때문에 상 하층의 물의 순환이 잘 이루어 지지 않았을 것으로 예상된다. 또한 이 시기에 자이로볼은 층류의 흐름에 따라 상 하류의 이동이 거의 없이 이동하였을 것으로 예상된다. [그림 3.18] 수온프로파일 결과 5 수질 모니터링 (2013년 11월 14 ~ 22일) 다항목수질계를 이용하여 측정한 수질자료는 수소 이온 지수인 ph, 식물의 녹색 색소에 관련되어 녹조류 형성정도를 파악할 수 있는 클로로필-a와 전자의 이동정도 를 나타내는 전기전도도(SpCond)이다. ph분포(그림 3.19)는 전반적으로 우안이 다소 높은 염기성을 나타내었으며, 11월 14일에 우안 상류쪽이 중성에 가깝게 나타났고, 우안 하류부에서는 염기성이 나타 났다. 11월 21일은 좌안과 우안에 큰 차이는 없지만 우안이 다소 높은 염기성을 나 타내고, 수심이 깊은 주수로부에 상대적으로 높은 염기성을 나타내고 있다. 11월 22 일에는 하류보다는 상류에서 다소 높은 염기성을 띄고 있으며, 우안에 비해 좌안에 서 높은 염기성을 나타나고 있다. 클로로필-a의 분포(그림 3.20)는 11월 14일에 상류가 낮게 나타났고, 하류는 높게 나타났다. 11월 21일은 우안이 낮게 나타났고, 좌안이 다소 높은 것으로 나타났다

66 특히 주수로부에서 많이 높게 나타나 녹조류의 형성이 우려된다. 11월 22일은 좌안 하류부에서 높게 나타났으며, 상류 우안으로 갈수록 낮게 나타났다. 전기전도도 분포(그림 3.21)는 11월 14일에는 전체적으로 불규칙적으로 나타났으 며, 우안이 좌안보다 상대적으로 높게 측정된 부분이 나타났다. 이는 산성, 염기성이 강할수록 전자의 이동성이 좋기 때문에 이런 결과가 나타난 것으로 판단된다. 11월 21일 역시 매우 불규칙적이지만, ph가 높은 주수로부에서 높게 측정된 부분이 나타 나고 있다. 11월 22일은 좌안에서 다소 높은 지점이 나타났다. (a) 11월 14일 (b) 11월 21일 (c) 11월22일 [그림 3.19] ph 분포도 (a) 11월 14일 (b) 11월 21일 (c) 11월22일 [그림 3.20] 클로리필-a 분포도 (a) 11월 14일 (b) 11월 21일 (c) 11월22일 [그림 3.21] 전기전도도 분포도

67 3.2.4 하천의 흐름정체구간 제시 1) 자이로볼 현장적용 3회에 걸친 현장적용 실험은 하천 좌 우안에 기준점을 설정하고, 우안으로부터 하천 의 유심부까지 횡방향으로 5개 지점에서 4척의 보트와 1인의 가슴장화를 신은 조사자 가 일렬로 정렬한 후 감독관의 지시에 따라 동시에 투하하는 방식으로 수행되었다(그 림 3.22 ~ 24). 각 실험인원은 야장을 준비하여 투하하는 센서의 번호, 투하 및 수거시 의 시간 및 GPS좌표를 기록하였다(표 3.4). GPS는 초기위치를 설정하기 위함이다. [그림 3.22] 자이로볼 투하 지점 [그림 3.23] 자이로볼 투하 [그림 3.24] 자이로볼 수거

68 [표 3.4] 자이로볼 현장 실험 야장 현장실험 년 11월 14일 (16 : 10 ~ 16 : 40) 투하지점 자이로볼 센서번호 투하지점 특이사항 경도 위도 자료취득 불가 방수실패 자료취득불가 자료취득 불가 현장실험 년 11월 21일 (15 : 30 ~ 15 : 50) 투하지점 자이로볼 센서번호 투하지점 특이사항 경도 위도 방수실패 자료취득불가 방수실패 자료취득불가 현장실험 년 11월 22일 (15 : 30 ~ 16 : 10) 떠오름 떠오름 투하지점 자이로볼 센서번호 투하지점 경도 위도 특이사항 떠오름 떠오름 떠오름 2) 현장적용 결과 현장적용실험을 통하여 취득한 자이로볼의 위치정보와 동시에 수리 수질 조사를 통하여 취득한 하상, 수온 및 유속 자료 등은 자체 개발된 수체거동 가시화 모듈 (GUI)을 이용하여 해석하였다. 1 현장실험 1 (2013년 11월 14일) 현장실험 1은 5개의 자이로볼 중 2개의 장치만이 자료취득에 성공하였다. 자료 취득에 실패했던 원인을 분석한 결과 다음과 같은 문제점을 알 수 있었다. 문제 점은 크게 두 가지로 요약되었다. 첫째로 중성부력을 위해 케이스 내부에 첨가 한 무게추가 메인보드에 접촉됨으로서 회로에 이상을 야기 시켰고, 둘째로는 방 수케이스의 닫힘 불량으로 인한 케이스 내부의 습도 증가가 보드작동에 오류를 발생시켰다. 자료 취득에 성공한 2기의 자이로볼의 이동경로는 그림 3.25에 나타내었다. 주수로에 투하한 자이로볼은 하상과 접촉하지 않고 상류에서 하류로 흐름에 연

69 동하여 이동한 것을 확인할 수 있었다. 한편 우안 최근거리에 투하한 자이로볼 은 수심 및 유속의 변화가 미미한 정체 수역의 영항으로 이동경로의 변화가 없 는 것으로 확인되었다. - 수심분포(그림 3.25 (a))는 좌안측이 상대적으로 우안측 보다 깊게 형성되었음 을 알 수 있었다. 이 구역은 다른 구역에 비해 하상이 평탄하여 여울이나 웅 덩이가 거의 없고, 깊은 수심이 확보됨에 따라 자이로볼이 원활하게 이동되었 다고 판단된다. - 수온분포(그림 3.25 (b))는 종단방향에 따라 온도변화를 확인할 수 있었다. 즉 상류보다 하류의 수온이 낮음을 알 수 있었다. 그림에 나타내었듯이 현재 자 이로볼의 이동은 온도분포가 거의 유사한 상류 구간에서만 관측되었으므로 온 도편차를 보이고 있는 하류부 까지 흐름이 진행되었을 경우, 속도의 둔화 및 방향의 변화가 예상된다. - 유속분포(그림 3.25 (c))는 주수로로 판단되는 지점의 유속이 높게 나타났으며, 하류와 상류를 비교하였을 경우 종방향으로 연속적인 고유속이 유지되고 있었 다. 이러한 분포는 자이로볼의 이동경로와 매우 높은 상관성을 보여주고 있다. (a) 수심 vs. 자이로볼 (b) 수온 vs. 자이로볼 (c) 유속 vs. 자이로볼 [그림 3.25] 자이로볼 이동경로와 하천수리특성 (2013년 11월 14일) 2 현장실험 2 (2013년 11월 21일) 현장실험 2에서는 현장실험 1을 통하여 파악 된 문제점을 보완하였다. 장치 내 부의 습도증가에 의한 오류를 제거하기 위하여 메인보드에 실리콘 코팅을 실시 하였으며, 무게추와 메인보드의 접촉으로 인한 오류를 방지하기 위하여 무게추 와 메인보드사이에 절연처리를 실시하였다. 상기의 보완이 이루어졌음에도 현장 실험에서는 5기의 자이로볼 중 3기의 장치만이 자료취득이 가능하였는데, 방수 케이스를 닫을 때 볼트를 조이는 과정에서 케이스 손상으로 판단되며, 향후 자 이로볼 개선 시 참고사항으로 확인되었다. 자이로볼의 이동경로는 그림 3.26과 같다. 예상된 상류로부터 하류로의 흐름 방향과는 별개로 우안으로부터 좌안으

70 로의 측방향 이동을 보여주고 있다. 이는 자료가 취득된 자이로볼의 중성부력 재현 실패가 원인이며, 강한 바람의 영향으로 수표면의 역류현상을 재현한 결과 라고 판단된다. 이러한 해석 결과는 향후 자이로볼의 활용에 관한 풍향 풍속 자 료의 필요성을 제시하고 있다. 그러나 자이로볼은 수중 수체의 거동의 파악이 주된 목적이므로 본 보고서에서는 수표면 수체거동에 대한 분석은 실시하지 않 는다. 한편 우안 최근거리에 투하한 자이로볼은 현장실험1의 경우와 마찬가지로 수심 및 유속의 변화가 미미한 정체 수역에 투하되어 이동경로의 변화가 없는 것으로 확인되었다. - 수심분포(그림 3.26 (a))는 현장실험 1에 비해 종단폭이 감소되었으나 좌안측 이 상대적으로 우안측보다 깊게 형성되어 있는 형상은 동일하다. 그러나 강한 바람의 영향으로 주수로부에 투하한 자이로볼은 하상의 구배 및 상류와 하류 의 흐름과 무관하게 우안으로부터 좌안으로 이동하였다. - 수온분포(그림 3.26 (b))는 현장실험 1의 조사결과와는 달리 종단방향에 따른 온도변화를 확인할 수 없었다. 그 이유로는 강한 바람의 영향이 유속에 기인 한 표면에서의 수온 차이를 상쇄시키는 역할을 수행했으리라 추정되어 자이로 볼의 이동은 수면에서의 수온과는 무관하게 바람의 방향에 따라 이동하였다. - 유속분포(그림 3.26 (c))는 하상분포와 유사한 흐름특성을 보여주고 있으나, 상기 기술한 내용과 동일하게 예상되는 이동경로와 무관한 횡방향의 이동을 확인할 수 있었다. 그 이유는 중성부력 상태의 자이로볼이 수면으로 부상함에 따라 유속의 영향보다는 바람의 영향을 더 크게 받은 결과라고 판단된다. (a) 수심 vs. 자이로볼 (b) 수온 vs. 자이로볼 (c) 유속 vs. 자이로볼 [그림 3.26] 자이로볼 이동경로와 하천수리특성 (2013년 11월 21일) 3 현장실험 3 (2013년 11월 22일) 현장실험 3은 전 실험과정에서 확인한 자이로볼의 문제점을 한층 더 보완하여 5개의 모든 이동경로 자료를 취득할 수 있었다. 그림 3.27로부터 상대적으로 유 속이 느린 투하지점 1 ~ 3은 중성부력구현의 실패로 바람의 영향에 따라 하

71 류로부터 상류로 역방향의 흐름결과를 보여주고 있다. 투하지점 4, 5의 이동 경로는 하상구배 및 흐름특성에 따라 상류로부터 하류로의 변화를 보여주고 있 다. 각 하상, 수온 및 유속분포에 따른 해석결과는 다음과 같다. - 수심분포(그림 3.27 (a))는 종단폭 및 조사지점이 현장실험 2와 매우 유사하므 로 수심분포 또한 큰 변화가 없다. 단, 조사당일은 현장실험 2에 비해 바람이 약해 수표면의 수체 역류현상이 적었다. - 수온분포(그림 3.27 (b))는 전일에 관측되었던 수온분포와는 상이하게 수체의 흐름과 유사한 분포를 보여주고 있다. 수심이 낮은 우안 측에서는 상대적으로 높은 수온분포를 확인할 수 있었으며, 주흐름 구역 및 우안보다는 수심이 깊 은 좌안 측에서는 상대적으로 낮은 수온분포를 확인할 수 있었다. 또한 보 구 조물의 영향으로 인한 흐름의 정체가 예상되는 하류구간에서는 전반적으로 상 류보다는 높은 온도분포를 보여주고 있다. - 유속분포(그림 3.27 (c))는 수심분포와 매우 유사하며, 상기 수온분포로 예측 했던 보 구조물로 인한 흐름의 정체는 나타나지 않았다. 그 이유는 하류에 위 치한 보의 수문방류에 따라 보와 가까워질수록 연직방향의 유속차이가 예상되 나 평균유속은 동일함을 보여주고 있다. 이미 유속이 약 0.1 m/sec정도로 느 리게 이동하고 있는 수체는 보의 영향으로 인한 수표면의 유속저하가 수온상 승으로 나타난 결과라고 판단된다. (a) 수심 vs. 자이로볼 (b) 수온 vs. 자이로볼 (c) 유속 vs. 자이로볼 [그림 3.27] 자이로볼 이동경로와 하천수리특성 (2013년 11월 22일) 3) 정체구간제시 수체 이동에 영향을 미치는 주요인자는 수심과 유속이다. 일반적인 자연형 하천 의 경우 수심이 깊은 주수로에서는 빠른 유속이 나타나고, 홍수터와 인접한 수변부 에서는 낮은 유속이 나타나며 일부 지역에서는 하상고에 의해 사유역이 발생하기도 한다. 금년 연구대상구간은 횡방향 하천구조물인 백제보가 설치되어 있는 상류지역 으로 하천구조물 설치전과 비교하여 높은 수심과 낮은 유속을 보여주고 있다

72 조사지점의 과거 및 현재의 흐름특성을 파악하기 위하여 백제보와 세종보의 중 간지점에 위치한 공주수위관측소의 유속자료를 분석하였다. 1998년부터 2007년 10 년간 관측된 유속을 홍수기와 갈수기로 구분하여 연도별 분포를 제시하였으며 그 결과는 그림 3.28와 같다. 백제보 설치 전의 공주수위관측소 평 갈수기 유속은 평균 0.56 m/sec로 본 연구대상지점의 평균유속인 0.1 m/sec를 상회하고 있다. 이러한 유속의 차이는 백제보의 건설 및 방류량 조절에 기인하고 있다고 추정된다. [그림 3.28] 과거 공주수위관측소의 유속 분포 (1998년 ~ 2007년) 기후변화로 인한 극심한 가뭄과 홍수의 발생이 예상됨에 따라 수자원의 안정적 인 활용을 위한 근원적인 대책 마련이 요구되었으며, 최근에 실시한 4대강 살리기 사업의 일환으로 금강에는 백제보, 공주보 및 세종보가 설치되었다. 3개보의 설치로 인해 약 0.5억 m 3 규모의 수자원을 확보할 수 있었으나, 준설로 인해 수심이 깊어지 고 유속이 느려진 보의 상류는 수체가 정체되는 현상이 발생하였다. 본 연구에서는 자이로볼의 궤적해석을 통해 수체의 이동경로를 입체적으로 파악 하고자 하였다. 백제보 상류의 현장실험구간을 8개의 구역으로 분할(그림 3.29)하여, 분할 구역별 수심과 유속의 상관관계를 알아보았다(그림 3.30). 수심과 유속은 상호 영향을 주고받으며 실시간으로 변화하고, 현장마다 특성이 다르기 때문에 수체흐름특성에 대해 동일한 기준을 적용할 수는 없다. 그러므로 본 연구에서는 현장실험 기간 동안 관측 된 자료와 현장에서의 육안판독을 통해 전체 수심을 깊고 낮음으로 구분할 수 있는 기준수심과 전체유속을 느리고 빠르다고 구 분할 수 있는 기준유속을 선정하였다. 선정된 기준유속과 기준수심은 그림 3.29에 나타낸 Site 2, 6과 Site 3, 7의 경계수심 및 유속으로 그림 3.30에 나타낸 바와 같이

73 각각 4 m와 0.08 m/sec으로 선정하였다. 수심과 유속의 기준에 따라 대상지역은 Zone A로부터 D까지 4개의 구역으로 구분할 수 있었으며, 각 Zone에 대한 상세한 설명은 표 3.5와 같다. 유속분포만을 고려했을 경우 Zone B, C는 유속이 빠른 구간 으로 수체의 흐름이 발생하는 곳이며, Zone A, D는 유속이 거의 없는 구간으로 정 체를 나타낸다. 각 Zone별로 특성을 살펴보면 다음과 같다. Zone B는 수심이 낮고 유속이 빠른 구간으로 하상의 변동이 생길 수 있는 영역이며, Zone C는 수심이 깊 고 유속이 빠른 구간으로 주 흐름이 발생하는 구간이다. 또한, Zone A는 수심이 낮 고 유속이 느리므로 사수역으로 판단되며, Zone D는 수심은 존재하나 느린 유속으 로 인해 Pool의 특성을 보여주고 있다고 사료된다. 상기 기술한 방법으로 연구대상 구간을 8개의 Site로 분할하여 각 Site를 Zone 특성으로 구분한 결과는 다음과 같 다. Site 1은 대부분 Zone A에 속하여 사수역으로 판단되고, Site 5는 Zone A와 Zone B에 분포하는 것으로 나타났다. Site 2 ~ 8은 대부분 Zone D에 분포하여 Pool에 가까운 흐름 특성을 보였다. [그림 3.29] 대상지역 영역 분할 [그림 3.30] 구역별 수심과 유속 비교

74 [표 3.5] 수심과 유속에 따른 흐름특성 구분 명칭 Zone A Zone B Zone C Zone D 특성 수심이 낮고 유속이 느려, 흐름이 거의 없는 구역 수심이 낮고 유속이 있어, 하상이 불안정한 구역 수심이 깊고 흐름이 있어, 주 흐름이 발생하는 구역 수심이 깊지만 흐름이 거의 없어 저수지와 같은 구역 백제보 상류에 위치한 연구대상지는 수문조절로 인해 흐름이 제어되는 구역으 로, 본 조사시점의 수체특성은 저수지와 유사하게 나타났으며, 전구간이 수질악화 및 녹조발생의 우려지역임을 확인할 수 있었다. 향후 자이로볼을 이용한 수체특성 해석기술을 녹조발생 이력이 있는 전 구역으로 확대 적용함으로써 자이로볼의 적용 성을 검토 할 필요가 있다고 판단된다. 향후 본 현장적용실험의 결과를 바탕으로 자이로볼의 개선을 통해 수자원관리 취약지점을 명확히 구분하고 과학적이고 체계 적인 맞춤형 관리가 실현되기를 기대한다. 또한 수체의 정체현상은 수자원을 활용하는 이수의 측면에서는 이점을 갖게 되 지만, 수질과 생태계의 측면에서는 악영향을 미칠 수 있다. 이에 금년 백제보의 상 류지역의 수체의 정체정도를 파악한 자료는 차후 연구될 수 있는 수질적, 생태학적 측면의 연구에 기초자료가 될 수 있을 것으로 판단된다