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영린 빙
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1 Journal of Environmental Science International pissn: eissn: (4); 561~569; April ORIGINAL ARTICLE 도서지역하천의기저유출량산정을위한유량측정방법제안 이준호 양성기 * 정우열제주대학교토목공학과 A Proposal of Baseflow using Discharge Measurement Method in the Streams of Island Jun-Ho Lee, Sung-Kee Yang *, Woo-Yul Jung Department of Civil Engineering, Jeju National University, Jeju , Korea Abstract The water resources system of Jeju-do Island entirely depends on groundwater. This study is making a precision observation of baseflow, surface water, water shortage that might be vulnerable to climate change and drought in future. The field observation of baseflow discharges in Akgeuncheon stream has regularly been made with ADCP and ADC and Flowmate every two weeks for twenty-two (22) months (July 8, 2011 to April 27, 2013). This paper represent the results of calculating discharge of a number of hydraulic structures (broad-crested weirs) with comparing and has been calculated more accurate discharges with suitability of different observation methods. The average discharge has been observed m 3 /s, whereas the average ADC and Flowmate is m 3 /s. Meanwhile, stream discharge has been calculated m 3 /s through the broad-crested weir equation. The discharge has calculated with the weir equation greatly changed according to even a small change in the water level. However, it showed a similar trend to one of the observed discharge. Although, in past there were generating errors caused by observers strides, vertical and horizontal flow velocity distribution when the average flow velocity had been measured, non-prismatic flow, turbulent flow and others in ADC. This study comes up with the weir equation is more suitable for the characteristics of Jeju-do could be presented through an observations of baseflow discharge. Key words : ADCP, ADC, Flowmate, Broad-crested weirs. Baseflow 1. 서론 1) 수자원은인간생활과산업활동의기본요소로서우리나라에서는 1960년대부터국가산업의발전과경제성장을위해개발과용수공급을위한연구가진행되어왔다. 최근들어홍수, 가뭄등기후변화로인한물관련재해가빈번하게발생하고있으며 (Yang, 2011), 이에따른수자원관리중요성이증대되어하천의기저유출량에대한정밀한조사와유량산정은지표수자 원의확보와이용면에서매우중요하다. 제주도수자원관리종합계획에의하면연간수자원총량중직접유출및증발되는양의 55.5% 를제외한 44.5% 가지하수로함양되고있지만과거에비해직접유출량이증가하는것으로제시되고있다 (Jeju Special Self-Governing Province, 2013). 이러한현상은기후변화의영향으로인해강수량은지속적으로증가하는반면무강우일수가늘어나강우강도의증가추세를보이고있다. 따라서직접유출량의증가와 Received 31 December, 2013; Revised 17March, 2014; Accepted 3 April, 2014 * Corresponding author : Sung-Kee Yang, Department of Civil Engineering, Jeju National University, Jeju , Korea Phone: skyang@jejunu.ac.kr c The Korean Environmental Sciences Society. All rights reserved. This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

562 이준호 양성기 정우열 지하수함양량의감소로인하여수자원에대한효율적인이용과과학적인관리가중요한이슈로떠오르고있다 (Kang 등, 2013). 1960년대부터시작된제주도용천수유출량조사는용천수를상수원이나농업용수로개발하여제주도의심각한물문제를해결하는데필요한기초적인자료를얻기위해서였다.

2011~2012년제주도에서자체적으로 1일용출량이 500 m 3 이상되는 186개소를선정하여용출량조사를수행한결과평균용출량은 506,871 m 3 / 일을보였으며, 최소용출량과평균용출량의약 116% 에달하는것으로조사되었다 (Jeju Special Self-Governing Province, 2013).

Kang 등 (2013) 은제주도남부지역 ( 강정천, 악근천 ) 을대상으로 ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler) 를활용하여하천유량관측실시한결과강정천평균용출량 은 0.759 m 3 /s, 악근천은 0.754 m 3 /s로관측하였다.

2 562 이준호 양성기 정우열 지하수함양량의감소로인하여수자원에대한효율적인이용과과학적인관리가중요한이슈로떠오르고있다 (Kang 등, 2013). 1960년대부터시작된제주도용천수유출량조사는용천수를상수원이나농업용수로개발하여제주도의심각한물문제를해결하는데필요한기초적인자료를얻기위해서였다. 한국수자원공사 (Jeju Provinve와 K-water, 1993) 는기존조사된용천수에대한자료를수집 분석하고용천수 403개소의용출량을 1,110,129 m 3 / 일로제시하였으며, 제주도는 1998~1999년용천수의 701개소의용출량을측정하여 1일평균용출량을 1,083,363 m 3, 최대 1,608,342 m 3 으로보고한바있다. 2011~2012년제주도에서자체적으로 1일용출량이 500 m 3 이상되는 186개소를선정하여용출량조사를수행한결과평균용출량은 506,871 m 3 / 일을보였으며, 최소용출량과평균용출량의약 116% 에달하는것으로조사되었다 (Jeju Special Self-Governing Province, 2013). 제주도남 북사면과서부지역의해안변부근 ( 외도천, 옹포천, 강정천, 연외천 ) 을대상으로강우량에따른하천수위의변동특성을파악하고, 수위- 유량관계곡선을유도하여연간기저유출량의규모를파악한바있다 (Moon 등, 2005). Kang 등 (2013) 은제주도남부지역 ( 강정천, 악근천 ) 을대상으로 ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler) 를활용하여하천유량관측실시한결과강정천평균용출량 은 m 3 /s, 악근천은 m 3 /s로관측하였다. 제주도기저유출하천에대한정밀한관측은수자원의확보와이용및관리적인측면에서매우중요하며상시하천기저유출량의정확한관측과산정, 계절적및연변화에대한특성을규명하는것은매우필요한과제이다. 이연구에서는대상유역인악근천의기저유출량을 22개월 ( ~ ) 간 2주마다정기적으로 ADCP, ADC(Acoustic Digital Current Meter) 등에의한유속및유량의현장조사를통해기저유출량을측정하고수리구조물 ( 광정위어 ) 의유량산정결과를비교하여다양한관측방법의적합성을검토하였다. 이같은연구는현재제주도의수자원이전적으로지하수에의존하고있어, 향후용수문제를사전에대비하고, 보다능동적인수자원확보와가뭄에대처하기위한대책수립에기여할수있을것이다. 2. 재료및방법 2.1. 유량측정방식 ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler) 를이용한유량관측은 1980년말부터하천유량측정에도입된계측기이며 ADCP는 3차원유속과수심자료를매우효율적이고빠르게측정이가능하다 (Yang 등, 2011). ADCP를활용한유량관측은현존하는유량관측기법중매우정밀한기법으로알려져있고미국지리조 Fig. 1. Site measurement using ADCP.

도서지역하천의기저유출량산정을위한유량측정방법제안 563 사국 (USGS) 에서는약 57%

ADCP를선박에탑재하고하천을횡단하여단면의상세유속및수심을측정한후소프트웨어 (River

3 도서지역하천의기저유출량산정을위한유량측정방법제안 563 사국 (USGS) 에서는약 57% 의유량관측소에서수위- 유량곡선구성을선박, 케이블, 교량등에서실시한 ADCP 관측을통해이루어지며그비중은계속높아지고있다 (Muste 등, 2007). 본연구에서는 SonTek 사의 ADCP를선박에탑재하고하천을횡단하여단면의상세유속및수심을측정한후소프트웨어 (River Surveyor Live) 를이용하여유량을측정하였다. 도섭을이용한유량측정은 ADC와 Flowmate를이용하였으며 ADC는디지털방식으로교차상관관계방법을사용하여반사이미지와모든신호의유속을계산하는데사용되는시간의변화와함께두개의비 슷한유속을변환하여유속을환산한다 (Yoo, 2012). 본연구에서는 ADC(OTT) 를이용하여동일지점의대표유속을측정및기록하였으며, 유속측정시측정자가흐름에영향을주지않도록유속계로부터충분히떨어져측정하였다. Flowmate는 1974년에소개된실증된전자기센서이며, 유속을순간적으로읽어센서에접근할때자기장, 흐름의방향, 그리고전압은상호수직하게된다 (Yoo, 2012). 자기장을만드는전자기코일을가진기구로카본전극부분은운동자의속도에의해만들어진전압을측정하며, 여기에서운동자의속도라고하 Fig. 2. Site measurement using ADC. Fig. 3. Site measurement using Flowmate.

564 이준호 양성기 정우열 Table 1. Comparative table of measurement equipments Model Measure Manufacturer Measuring Accuracy Flowmate (Model 2000) Velocity Marsh-McBirney (1990) -0.

4 564 이준호 양성기 정우열 Table 1. Comparative table of measurement equipments Model Measure Manufacturer Measuring Accuracy Flowmate (Model 2000) Velocity Marsh-McBirney (1990) ~ 6m/s ±2% ADC Velocity OTT(2007) -0.2 ~ 2.4m/s ±1% ADCP (Riversurveyor M9) Velocity Discharge SonTek(2010) ±20m/s ±0.5% 는것은흐르는유체를말한다 (Fig. 3). 자기장분포의변형에의한오차를막기위해유속측정시측정자가유속계를중심으로하류방향으로최소한 10 cm 이상떨어지며, 옆방향으로는 45 cm 이상떨어져측정을실시하였다. 도섭법에의한유량측정은하천단면을여러개의구간으로나누고유속과수심을측정하여관측하고측선수에따른상대오차는측선수가 20개를초과하면상대오차가줄어들어불확실도가 5% 이내로측정이가능하다 (Kim 등, 1999). 본연구에서는측선수를 38 개배치하여정밀한유량관측을실시하였다. 위어 (Weir) 는하천의흐름을막아물을구조물위로흘러가게하여유량을측정할수있으며, 흐름의한지배단면을발생하여하류수위의영향을받지않는조건에서구조물을넘어흐르는수심과유랑의관계로부터유량을계산하게된다 (Fig. 4). 월류하는수심 과유량의관계는단일식으로나타내며이원리를이용하는것은위어를이용한유량측정방법이다 (Kim 등, 2004). 하지만하류수위가높아져위어가잠기는상황이되면단순한관계가성립되지않으며, 위어가잠기는경우에는하류수위의영향을받아위어의마루에서지배단면을유지할수없게되는상태가된다 (Kim 등, 2004) 연구대상유역제주도는우리나라최대의화산섬으로화산암을구성된독특한지형을이루며, 하천은한라산을중심으로방사형형태를이루고있어하천의상류는경사가급하며, 하천의하류로갈수록경사가완만하다 (Yang 등, 2011). 악근천은한라산서쪽능선에서발원하여남류하다가우안으로지방하천인영남천, 세초천을합류한후강정동해안으로유입되는지방하천 Fig. 4. Broad-crested weirs.

도서지역 하천의 기저유출량 산정을 위한 유량측정방법 제안 565 Fig. 5. Observational locations and topographic map. 이다.

이지만 하류는 지하수 용출 등으로 유수를 형성하고 있어 A-A` 지점에서 기저유출량 관측을 실시하였다 중간단면법은 수면을 따라 측정된 소단면의 수면 폭을 유속과 수심을 곱하여 계산하는 방법이므로 수 (Fig.

다음 측선까지 반을 더한 합으로 계산한다. 따라서 처 음과 마지막에 측정된 측선은 중간단면법이 계산에 2.3.

5 도서지역 하천의 기저유출량 산정을 위한 유량측정방법 제안 565 Fig. 5. Observational locations and topographic map. 이다. 상류는 유로 전체에 표면수가 흐르지 않는 건천 을 이용하여 유량을 산정하였다. 이지만 하류는 지하수 용출 등으로 유수를 형성하고 있어 A-A` 지점에서 기저유출량 관측을 실시하였다 중간단면법은 수면을 따라 측정된 소단면의 수면 폭을 유속과 수심을 곱하여 계산하는 방법이므로 수 (Fig. 5). 악근천의 유역면적은 km2, 유로연장은 면폭을 인접한 측선에서 계산되는 측선까지의 반과 km이며, 평균고도는 524 m, 형상계수는 0.08이다. 다음 측선까지 반을 더한 합으로 계산한다. 따라서 처 음과 마지막에 측정된 측선은 중간단면법이 계산에 2.3. 유량관측 방법 유량계산 방법은 크게 산술계산법, 등유속선법, 수 심-유속 적분법으로 나눠지며 산술계산방법으로는 중 간 단면법과 평균 단면법이 있다. 가장 많이 사용되는 유량 계산방법은 중간단면법으로 이 방법은 평균단면 법보다 정확한 결과를 나타내는 것으로 알려져 있다 활용될 경우 가능한 하안과 가깝게 측선을 배치해야 오차를 줄일 수 있다(kim 등,2004). 또는 (1) (Kim 등, 2004). 따라서 본 연구에서는 중간단면방법 Fig. 6. Flow calculation by mid-section method.

566 이준호 양성기 정우열 광정위어는위어단면이사다리꼴로만들어져있으며본연구대상인악근천은농업취수용으로사용되어있었다. 흐름방향으로상당한길이를가지는배수구조물로서위어상에서한계수심이발생하도록하여하천유량측정지침 (Kim 등, 2004) 에서제시한유량산정공식과방법을적용하여유량을산정하였다. (2) 여기서, C D 는유량계수, H는총수두, h은측정수두, b는위어유효폭이다.

6 566 이준호 양성기 정우열 광정위어는위어단면이사다리꼴로만들어져있으며본연구대상인악근천은농업취수용으로사용되어있었다. 흐름방향으로상당한길이를가지는배수구조물로서위어상에서한계수심이발생하도록하여하천유량측정지침 (Kim 등, 2004) 에서제시한유량산정공식과방법을적용하여유량을산정하였다. (2) 여기서, C D 는유량계수, H는총수두, h은측정수두, b는위어유효폭이다. 유량계수 (C D) 는전폭위어 (b/b=1.0) 에한하여다음과같은식에서구할수있다. (3) 여기서, h는측정수두, P는위어의높이이다. 해당하천에서는위와같은조건이맞지않아 Kim 등 (2004) 에서제시한 C D 값은다음조건에따라결정하였으며, 제시한조건에서는 0.08 h/l 0.33이고, 0.18 h/h+p 0.36이면 C D=0.848으로제시하였다. 그외다수조건들은다음 Table 2를보는바와같이유량계수인 C D 에보정계수인 F를곱하여유량계수를결정할수있다. Table 2. Correction factor of CD(F) h/l h/h+h d 결과및고찰 본연구에서는용천수의형태로유출되고있는기저유출현상을정기적으로정밀현장관측을실시하였으며 22개월 ( ~ ) 간 2주간격으로현장에서다양한최신정밀계측기와수리구조물을이용하여유출량을산정하였다. 정기적으로현장실측에의한횡단면도는다음 Fig. 7과같다. 정밀한기저유출량산정을위해매 2주간격으로현장정기관측을 44회실시하였으며, 유량관측은다양한최신정밀계측기인 ADCP, ADC 및 Flowmate 와수리구조물 ( 광정위어 ) 을이용하여측정하였다. 도섭법인 ADC와 Flowmate는유속측정방식이므로유량산정을위해측정한수위를적용한중간단면법을적용하여유출량으로산정하였다 (Table 3). (a) (b) Fig. 7. Cross section view using flow meter: a) ADCP, b) ADC.

7 도서지역하천의기저유출량산정을위한유량측정방법제안 567 Table 3. Comparison of stream baseflow discharge measurement method Date Broad-crested weirs Discharge(m 3 /sec) ADCP ADC & Flowmate Minimum Maximum ADCP 로관측한유출량은 ~ m 3 /s, ADC 및 Flowmate로관측값은 ~ m 3 /s이며, 광정위어공식을적용한유출량은 ~ m 3 /s 이다. 지속적인관측을실시한평균유출량은 ADCP 는 m 3 /s, ADC 및 Flowmate는 m 3 /s이며, 광정위어의평균유량은 m 3 /s로관측방법마다유량은크게차이는없었으나광정위어, ADCP, ADC 및 Flowmate 순으로기저유출량을관측하였다. Kang 등 (2013) 이악근천에서 2011년 7월부터 2012 년 4월까지 ADCP를사용하여조사한유출량은 m 3 /s로제시하였으나, 관측기간을늘려지속적 ( ~ ) 으로관측한결과 ADCP의평균유량은 m 3 /s로관측되었다. 기존연구관측값보다다소증가하여지속적인유량관측통해유출량의신뢰성을향상시킬수있었다. 악근천의기저유출량변화는현저한계절변화를보이고있으며유출량은풍수기인 7 ~ 9월사이에는증가하고있으나갈수기인 1 ~ 3월에는현저히줄어드는것을알수있었으며금회측정은연속사상이아니므로방법별단순비교를제시하였다 (Fig. 8). 풍수기인 7 ~ 9월에는 ADCP의유출량이최대 m 3 /s로관측하였으며, 갈수인 1 ~ 3월에는최소유량은 m 3 /s까지유량이감소하는것으로확인하였다. ADCP 는조밀한간격마다매우정확하게유속및수심을동시에관측하므로현존하는유량관측기법중매우정밀한기법으로알려져있어 (Yang 등, 2011), 관측방법에따른기저유출량비교 분석을위해 ADCP의관측값을기준으로선택하였다. ADCP와 ADC 및 Flowmate의유출량은일정한경향성을보이고있으나다소차이가나타내는지점도 Fig. 8. Comparison of stream baseflow discharge.

8 568 이준호 양성기 정우열 발견할수있었다. 이는도섭법유속계를적용할경우평균수심에서유속관측이용이하지않고수심관측의정확도저하, 관측자의보폭에의한오차및수직및수평유속분포 비직각흐름등에의한오차가발생했다는사실을의미한다. ADCP와 ADC 및 Flowmate 의평균제곱근오차 (RMSE) 는 0.382, 결정계수인 R 2 (R-squared) 는 0.88로분석되어지속적인관측을통해높은상관도를나타낼수가있었다 (Fig. 9). 광정위어의유출량은 ADCP의유출량변화폭이상대적으로크다는사실을알수있으며, 작은수위변화에도유량이크게변화하여실제하천의유출량을산정하기에는한계가있었다. ADCP와광정위어공식의평균제곱근오차는 0.661, 결정계수는 0.49로다소큰오차를보이며, 실측관측이아닌이론공식으로는도서하천의유량을산정하는것은아직무리가있음을확인할수있다. 향후수리구조물을이용한기저유출량산정을위해보다정밀한현장관측을통해해당유역에적합한광정위어공식을재산정할필요성이있음을확인하였다. 관측한유량은강우에의한지표면유출과기저유출이함께계산된것일수도있으나, 지하수수위가상승하여기저유출량이증가할수있다고보며, 금회측정은연속사상이아니라관측시기별관측방법비교로써해당유역의적합한관측방법과상대오차를제시하였다. 추가적으로지속적인유출량관측및연속사상을관측하여정확한수문곡선이제시된다면직접유출 과기저유출을분리하여정확한기저유출량을산정할수있을것이다. 4. 결론이연구에서는악근천의용천수형태로유출되고있는지하수의기저유출량을 22개월 ( ~ ) 간총 44회에걸쳐정기적으로다양한최신정밀계측기와광정위어를이용하여현장관측을실시한결과는다음과같다. ADCP로관측한유출량은 ~ m 3 /s, Flowmate 및 ADC로관측한값은 ~ m 3 /s이며, 광정위어공식을적용한유출량은 ~ m 3 /s이다. 관측방법마다유출량은크게차이는없으나광정위어의평균유출량이 m 3 /s로관측되어가장크게관측되었다. 또한, Kang 등 (2013) 의기존연구유량관측값보다다소증가한관측값을측정하여지속적인유량관측통해유출량의신뢰성을향상시킬수있었다. 악근천의기저유출량변화는뚜렷한계절변화를보이며유출량은풍수기인 7 ~ 9월사이에는증가하고있으나갈수기인 1 ~ 3월에는현저히줄어드는것을알수있었으며, 풍수기는 ADCP의유출량이최대 m 3 /s, 갈수기는최소유량은 m 3 /s까지유량이감소하는것으로확인하였다. ADCP와 ADC 및 Flowmate의평균제곱근오차는 Fig. 9. Analysis on RMSE error of actual measurement value and weir equation.

9 도서지역하천의기저유출량산정을위한유량측정방법제안 , 결정계수는 0.88로분석하였으며이는 ADC 및 Flowmate는도섭법유속계를적용할경우평균수심에서유속관측이용이하지않고수심관측의정확도저하, 관측자의보폭에의한오차및수직및수평유속분포 비직각흐름등에의한오차가발생했다는사실을확인하였다. ADCP와광정위어공식의평균제곱근오차는 0.661, 결정계수는 0.49로분석되어작은수위변화에도유량이크게변화하여실제하천의유출량을산정하기에는한계가있었다. 따라서실측관측이아닌수리구조물을이용하는방법으로는도서하천의유량을산정하는것은아직무리가있음을확인할수있으며향후지속적인기저유출량관측과분석을실시한다면제주도특성에적합한위어공식을제시할수있을것이다. 감사의글 본연구는국토해양부지역기술혁신사업 제주형물순환해석및수자원관리기반구축연구 (10지역기술혁신B02) 의지원으로수행되었습니다. 참고문헌 Jeju province, K-water, 1993, Report of hydrogeology and groundwater resources comprehensive survey Ⅲ. Jeju Special Self-Governing Province, 2013, Current water resource management in jeju special self- governing province. Kang, M. S., Yang, S. K., Jung, W. Y., Kim, D. S., 2013, Characteristics of runoff on southern area of jeju island, Korea, J. Environ. Sci., 22(5), Kim, W., Hong, I. P., 1999, The accuracy of discharge measurement methods, Korea Institute of Construction Technology. Kim, W., Yoon, G. S., Lee, Y. L., Kim, C. Y., Kim, D. G., Cha, J. H., Pack, Y. H., 2004, Streamflow measurement manual, Sustainable Water Resources Research Center. Marsh-McBirney, 1990, Flo-mate 2000 Electromagnetic Flowmate Brochure. Moon, D. C., Yang, S. K., Koh, G. W., Park, W. B., (2005), Estimation of baseflow discharge through several steams in jeju island, Korea, J. Environ. Sci., 14(4), Muste, M., Vermeyen, T., Hotchkiss, R., Oberg, K., 2007, Acoustic velocimentry for riverine environments, Journal of Hydraulic Engineering, 115, OTT, 2007, OTT ADC Brochure. SonTek, 2010, River Survyor M9/S5 Brochure. Yang, S. K., Kim, D. S., Jung, W. Y., Yu, K. K., 2011, Analysis and comparison of steam discharge measurements in jeju island using various recent monitoring techniques, J. Environ. Sci., 20(6), Yang, S. K., 2011, Hydraulics, Jeju water Industry Center, Yoo, H. J., 2012, Estimation of baseflow discharge through acrgeun stream basin, Jeju National University.

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 29, no. 10, Oct ,,. 0.5 %.., cm mm FR4 (ε r =4.4)

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2018 Oct.; 29(10), 799 804. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2018.29.10.799 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) Method