1. 서론
하천수의 적정관리와 물관리시스템의 효율적인 운영을 위해서는 기존 수위관측소와 더불어 주요 취·배수시설을 포함한 유량자료의 수집이 필요하 다. 현재 이러한 하천취수량 정보가 실시간으로 관 리되지 못하고 있기 때문에 효과적인 물관리에 한 계가 있다. 현재 하천법에서는 일정 규모 이상을 취 수하는 사용자는 그 실적을 기록 보관하며 이를 홍 수통제소장에게 보고하도록 하고 있으며, 필요시
홍수통제소장은 하천수 사용시설에 계측기를 설치 하거나 하천수 사용량조사를 시행할 수 있도록 하 고 있다.
다만, 효과적인 물관리를 위해서는 현행 월단위로 실적을 보고하는 체계에서 하천수 실사용량을 일단 위의 실시간으로 수집 및 관리할 필요가 있으며, 이 를 위해서는 취방류 방법 및 규모 등 다양한 조건에 서 활용할 수 있는 계측 또는 산정방안이 필요하다.
따라서, 일정 규모 이상의 하천수 사용자의 취수 량 정보 및 하수처리장의 방류량 정보를 실시간으로 파악하기 위해 한강 수계의 여주~이포 구간을 대상 으로 시험유역을 선정하고, 현재 계측방법으로 이용 되고 있는 전력량, 펌프 가동시간을 이용한 간접적 인 측정방법을 포함하여 개수로용 초음파유속계 등 현장상황에 적합한 다양한 방법을 적용함으로써 효 율적인 물자료 수집방안을 마련하고 이를 평가하고 자 하였다(국토교통부 2011~2012).
시험유역 운영을 통해 기존의 간접적인 측정방법 에 대한 검증 및 평가와 더불어 자동유량측정시설 등 직접적인 측정방법에 대한 연구개발 및 적용성을 검토함으로써 하천수 사용량 등 실시간 수집방안을 마련하고 간접적인 측정방법에 대한 평가결과를 토 대로 향후 이에 대한 확대 추진이 가능할 것으로 기 대된다.
Issue
하천수 사용량 실시간 계측을 위한 03
시험유역 운영
노 영 신
한국수자원조사기술원 책임연구원 [email protected]
송 재 현
한국수자원조사기술원 선임연구원 [email protected]
차 준 호
한강홍수통제소 수자원정보센터 예보실장
2. 계측기술 현황
4대강 유역의 국가하천에 위치하는 사용량 보고 의무가 있는 취수시설물은 총 365개소로 조사된 바 있으며, 이 중 농업용수가 76%의 비중을 차지하고 있다. 이중 확인 가능한 약 300개소의 취수량 계측 현황을 살펴보면, 유량계를 이용하여 취수량을 계측 하는 시설물은 54개소에 불과하고, 대부분의 시설 은 전력량계를 이용한 방법으로 취수량을 산정하는 것으로 나타났으며, 이러한 시설물의 경우에도 전력 사용량을 바탕으로 취수량을 산정하기보다는 펌프 의 양수시간으로부터 취수량을 추정하는 것으로 파 악되었다(건설교통부, 2007). 또한 유량계가 설치되 어 있지 않은 시설물중 대부분이 전력량계가 설치되 어 있기 때문에, 경제적으로 실시간 취수량을 파악 하기 위해서는 유량계를 별도로 설치하는 것보다는 전력량계의 전력사용량 변화를 이용하는 방법을 검 토할 수 있을 것으로 판단된다.
이와 관련하여 김치영 등 (2008)은 영상을 이용한 하천수사용량 수집방법을 개발하여 한국중부발전, 일산복합화력, 백사양수장 및 이엔페이퍼에 영상장 비를 설치하였다. 이 기법은 유량계 혹은 전력량계 의 사용량 표출면을 CCTV 카메라를 이용 영상으로 취득하고, 문자인식 알고리즘을 활용하여 사용량을 수치 인식하여 사용량 수치값과 영상을 센터에 전송 하는 방식이다. 시험운영 결과, 저비용으로 하천수 사용량을 효과적으로 수집할 수 있는 것으로 평가되 었다. 다만 이러한 영상기법은 현장의 상황에 따른 영상의 질에 따라 정확도가 좌우된다.
최근에는 원격검침을 위한 디지털전력량계가 보 급됨에 따라 전력량을 실시간으로 전송이 가능해졌 기 때문에 전력량의 변화로부터 취수량을 적절하게 추정할 수 있는 방법이 마련되면 간단하게 실시간 취수량을 수집할 수 있을 것으로 판단된다.
전력량을 이용한 방법으로는,“강릉시 지하수 기 본현황조사 및 지하수 정보관리 시스템 구축”(한국 수자원공사, 2004~2005)과업과 “울산시 지하수
관리계획 수립”(한국수자원공사, 2005~2006)에서 전력 소비량과 양수량과의 상관성을 분석한 사례가 있다. 동시에 측정된 유량계값과 전력 사용량값을 회귀분석한 결과, 매우 높은 상관성을 보였으나 일 부 자료의 경우 펌프의 효율저하, 지하수위(양정고) 변화 등의 변수들에 의해 지하수 이용량이 영향을 받았거나 다른 용도의 전력 사용으로 인해 상관관 계가 떨어지는 것으로 나타났다. 따라서, 펌프의 용 량, 효율 및 지하수위 등의 지점마다의 변수 특성을 반영하면 전력량과 양수량 관계로 양수량을 적정하 게 산정할 수 있는 것으로 평가되었다(건설교통부, 2007).
3. 시험유역 운영 및 결과 3.1 시험유역 현황
하천수 사용량 수집을 위한 시험유역은 한강 충주 조정지댐 하류와 팔당댐 상류 구간 내의 여주-이포 수위관측소 사이에 위치하고 있다. 해당 유역은 주 요 댐 상·하류에 위치하여 물 관리상 중요하며 이 천시 및 여주군에 위치하여 농업용수 사용과 하이닉 스, 오비맥주 등 공업용수 사용이 활발하게 이루어 지는 구간이다.
시험유역 구간은 그림 1에서 보는 바와 같이 이포 수위관측소와 여주 수위관측소 구간 내에 위치하며 7개의 취수시설과 배수시설 2개소가 위치한다. 또 한 구간 내에 복하천, 양화천, 곡수천 등 3개의 지류 가 유입되며, 각 지류의 유출점 인근에 흥천, 율극, 양촌 등 3개소의 수위관측소가 위치하고 있다.
시험유역 내에 위치하고 있는 배수지점 및 취수지 점 현황은 다음 표 1과 같다. 표 1에서 보는 바와 같 이 농업용수 취수를 위한 양수장이 상백리, 상백2리, 능서1, 대신 양수장 등 모두 4개소가 위치하고 있으 며, 공업용수 취수를 위한 오비맥주, 베올리아워터 산업개발, 아이지엠 취수장 3개소가 위치하고 있다.
3.2 시험유역 계측시설 설치 현황
시험유역 내에 운영 중인 하천수사용량 측정시설 현황은 표 1과 같으며, 총 5개소를 운영하였다. 그림 2(a)와 같이 대신 양수장은 수위측정을 통한 수위- 유량 환산방법을 적용하였으며, 능서1 양수장은 그 림 2(b)와 같이 ADVM 방식과 UVM 방식의 초음파 유속계를 동시에 설치하여 유량을 직접 계측함으로 써, 그 밖의 수위-유량 환산방법, 전력량-유량관계 등 다양한 방식의 계측방법을 검증할 수 있도록 하 였다.
V-ADCP는 그림 2(b)와 같이 능서1 양수장 의 수로바닥 중앙에 설치되어 있어, 세 개의 센서 중 beam1과 beam2가 유속을 측정하고 beam3 에서 수위를 측정하게 된다. UVM 방식은 독일 Hydrovision사의 TD-200/18 센서로 200kHz 초
음파 주파수 대역을 사용하기 때문에 1~30m의 수 로폭을 가진 비교적 작은 하천에서 사용되는데, 능 서1양수장의 수로 폭이 4.4m이므로 측정에 적합하 다고 판단된다.
상백 1,2리 양수장은 전력량자료의 수집을 위한 지점으로 그림 2(c)의 전자식 전력량 전송장치를 설 치하여 취수에 따른 전력 사용량 자료의 실시간 전 송여부 및 활용가능성을 검토하였다.
3.3 시험유역 운영결과
본 시험유역은 다양한 환경에서 적용가능한 취수 량 계측방법 개발이 목적이므로, 하천수사용량 실적 보고자료, 수위-유량관계법에 의한 환산유량자료, 초음파 유속계 유량자료, 전력량-유량관계법에 의 한 환산유량자료 등 비교적 많은 자료가 취득된 능 그림 1. 여주-이포 구간 시험유역 위치도
표 1. 하천수 사용량 측정시설 설치 현황 및 주요내용
시설명 일허가량/처리량
(㎥/day)
수집
자료 설치현황 유량산정방법 비고
대신 양수장 110,000 수위 압력식 수위계 (STS-ATM/N) 수위-유량관계법 2009년
능서1 양수장 466,560
수위 압력식 수위계 (DS-30) 수위-유량관계법 2009년
유량
이동시간차방식 초음파 유속계 (Ultrasonic Velocity Meter, UVM)
회선유속 보정계수법
(ISO 6416, 2004) 2009년 도플러방식 연직 초음파 유속계
(Vertical-Acoustic Doppler Current Profiler, V-ADCP)
지표유속법 2009년
전력량 전력량 전송장치 (한국전력공사) 전력량-유량관계법 2011년
하이닉스
방류수로 수위 압력식 수위계 (STS-ATM/N) 수위-유량관계법 2009년
상백1/
상백2 양수장
6,600/
1,583 전력량 실시간 전력량 전송장치 2010년
(a) 수위계 설치(대신양수장)
그림 2. 취수량 산정을 위한 계측장비 설치 현황 (c) 전자식 전력량 전송장치(상백 1,2리 양수장)
(b) 초음파 유속계(능서1양수장)
서1양수장 지점을 대상으로 분석을 실시하였다.
자료활용 기간은 초음파 유속계 및 압력식 수위계 가 정상 작동한 2011년 4월 21일부터 9월 30일까지 로 하였다. 그림 3은 각 방법별 일유량 측정결과를 비교한 것이며, 표 2는 측정결과로부터 산정된 월별 취수량을 비교한 것이다. 측정결과를 검토한 결과, 각 방법별로 일 유량은 큰 차이를 보이지 않는 것으 로 나타났으며, 해당기간의 총유량도 각 방법별로 약 5% 범위 내에서 일치하는 것으로 나타났다.
능서1양수장 실적보고량은 펌프별 시간당 토출량 을 정하여 가동시간을 기록함으로써 산정되며 그 결 과를 사용량 실적으로 보고하는데, 2011년 능서1양 수장의 폄프별 시간당 토출량은 4,860 ton/hour로 자료 분석기간 동안 총 가동시간은 3,898 시간이며, 보고된 취수량은 18,944,280 ton으로 나타났다. 초 음파 유속계(UVM)에 의해 측정된 유량과 비교하면 표 2와 같이 동기간의 UVM 측정유량은 18,903,213 ton으로 하천수 사용실적 보고유량이 약 0.2% 크게
나타났다. 이는 하천수 사용량의 추정이 정확하다고 보기 보다는 전체 기간 동안의 오차 가감상쇄로 나 타난 결과이며, 최대오차 32.7%, 월평균 오차 8.7%
로 나타났다. 하지만 능서1 양수장의 펌프별 시간당 토출유량은 적절히 산정되어 있으므로, 가동시간의 기록이 정확히 이루어진다면 연유량 산정 시 활용 가능할 것으로 판단된다.
수위-유량관계를 활용한 방법은 환산유량의 오차 가 3.6%로 하천수 보고유량의 0.1%보다 크게 나타 났다. 이것은 하천수 보고유량은 가동시간에 따른 토 출량을 가지고 유량을 산정하기 때문에 하류단의 영 향을 받지 않지만, 수위-유량관계곡선 환산유량은 하류단 통제특성 변화에 따른 영향을 받기 때문인 것 으로 판단된다. 하류단에서 2, 3차 양수를 중단할 경 우 일반하천의 배수영향과 같이 수위는 상승하지만 유속은 느려져 전체적인 유량은 감소하게 되는데, 수 위-유량관계곡선 환산유량은 이러한 통제특성의 변 화를 적용하기 어려워 오차가 크게 발생하였다.
(a) 일별 환산유량 비교 (b) 월별 환산유량 비교
그림 3. 능서1양수장 방법별 측정결과 비교
표 2. 측정방법별 월유량(ton)
측정방법 4월 5월 6월 7월 8월 9월 합계
V-ADCP 645,694 8,655,242 5,061,947 724,117 684,279 2,785,948 18,557,286 UVM 660,603 8,931,818 5,140,673 737,876 685,117 2,747,126 18,903,213 H-Q 763,160 8,930,932 5,132,267 751,033 873,820 3,120,965 19,572,177 하천수보고 607,500 8,709,120 5,073,840 758,160 908,820 2,886,840 18,944,280
위의 결과로 미루어볼 때 농업용수 공급방식이 중 력유하식이 아닌 하류단 양수방식은 배수의 영향이 발생하므로 수위-유량관계곡선의 적용이 어려울 것 으로 판단된다.
전력량계를 이용한 유량산정방법은 간적접인 비교 측정방법으로, 어떤 물리량을 측정하는데 있어서 지 표가 되는 양과의 선형적인 관계를 이용하는 방법이 다. 취수 및 양수시설의 모터펌프의 전력량계를 통해 취득된 전력사용량과 펌프용량에 따른 펌프량과의 관계로부터 취수 및 양수량을 간접적으로 산정한다.
일반적으로 양수에 필요한 전력량은 다음 식 (1)과 같다.
(1)
여기서, 는 원동기 출력(kw), 는 여유율 (0.1~0.35), 는 펌프의 효율(55~85%), 는 펌프 의 전양정(m), 는 펌프의 토출유량(㎥/s) 이다. 위 식으로부터 양수량과 필요한 전력량간의 관계를 유 도하면 전력량으로부터 양수량을 산정할 수 있다.
실시간 전력량 수집을 목적으로 개발된 전자식 전 력량 전송장치는 펌프가동에 따른 전력사용량을 측 정하고 이를 실시간으로 전송한다. 그림 4는 상백2 리 양수장의 실시간 전력사용량 측정결과를 도시한 것으로, 전력량계의 펄스출력부의 고장으로 일부 결 측된 자료를 제외하면, 해당기간 동안 전력사용량
자료를 정상적으로 수집하였다. 서버전송데이터와 현장데이터의 비교를 위하여 현장에 웹카메라를 설 치하여 모니터링을 실시하였으며, 그림 4(b)와 같이 전송된 사용량과 모니터링을 통해 계측된 결과가 잘 일치하는 것으로 나타났다.
수집된 전력량 자료로부터 식(1)과 같이 양수량과 필요한 전력량간의 관계를 유도하기 위해 능서1 양 수장에서 직접 계측한 유량자료와 전력량과의 관계 식을 유도하였다. 다만, 개발된 전자식 전력량 전송 장치는 시험을 위해 비교적 규모가 작은 상백1, 2리 양수장에만 설치하였기 때문에 능서1 양수장의 전력 량 자료는 한국전력공사에서 제공하는 실시간 전력 량자료를 사용하였다. 능서1 양수장 지점은 2011년 3월부터 한국전력공사에서 Smart Grid 사업의 일 환으로 실시간 전력량자료를 수집하고 있으며, 수집 된 자료는 15분 단위 전력사용량, 최대수요 및 무효 전력 등 각종 전력정보를 포함하고 있다.
전력사용량과 계측유량간의 시차에 의한 오차를 상쇄하기 위하여 1시간 단위의 자료를 일자료로 변 환하여 그 관계를 그림 5(a)에 도시하였다. 일자료 로 환산된 전력사용량과 계측유량 간에는 일차적인 상관관계가 나타나지만, 양수기 최대 가동시 전력사 용량과 유량의 변화율이 달라짐을 볼 수 있다. 그림 5(b)는 전력사용량과 유량의 변화를 자세히 보기 위 하여 최대 가동이 이루어진 2011년 5월의 월별 전력 사용량 및 유량을 도시한 것으로 최대 가동에 이루
(a) 전력사용량 실시간 수집결과 (b) 누적전력량 및 현장계측 결과 비교
그림 4. 전자식 전력량계를 활용한 실시간 전력량 수집 결과
어진 일부 기간 동안 전력사용량은 일정하지만 유량 은 크게 변화하는 것으로 나타났다.
그림 6과 표 3은 개발된 전력량-유량관계식으로 환산된 유량을 UVM으로 측정된 유량과 월별로 비 교한 것으로, 월별 오차는 최대 8%, 평균 4%로 비 교적 잘 일치하는 것으로 나타났다. 수위-유량관계
에서 나타났던 하류단 추가양수에 의한 영향은 전력 사용량과는 상관이 없기 때문에 영향을 미치지 않았 다. 그 결과 하류단 양수방식의 수로에서는 수위-유 량관계보다 전력량-유량관계를 이용하는 것이 타당 할 것으로 판단된다.
표 3. 능서1양수장 지점 UVM 유량 및 전력량-유량관계곡선 환산유량 월별 자료(ton)
유량 4월 5월 6월 7월 8월 9월 총유량
UVM 660,603 8,931,818 5,140,673 737,876 685,117 2,747,126 18,903,213 전력량-유량관계
환산유량 (P-Q) 702,235 8,762,618 5,090,276 735,505 730,312 2,966,083 18,987,029 오차율
(UVM 기준) 6.0% 2.0% 1.0% 0.0% 7.0% 8.0% 0.4%
(a) 전력량-유량관계
그림 6. 능서1양수장 지점 UVM 유량 및 P-Q관계 환산유량 비교
(b) 일별 전력량 및 유량 변화 비교 그림 5. 전자식 전력량계를 활용한 실시간 전력량 수집 결과
5. 맺음말
하천수 사용량 실시간 계측을 위한 시험유역 운영 을 통해 기존의 간접적인 측정방법에 대한 평가를 실시하고, 초음파 유속계 유량측정 및 수위-유량관 계곡선, 전력량-유량관계 등의 직·간접적인 측정 방법에 대한 연구개발 및 적용성을 검토하였다.
각 방법별 측정결과를 비교한 결과 각 측정방법에 따른 연평균 오차율은 10% 미만으로 큰 차이를 보 이지 않는 것으로 나타났으며, 취수방식에 따라 적 절한 방법을 선택한다면 모든 방법이 하천수 사용량 파악에 있어 적용가능한 방법이라 생각된다.
초음파 유속계에 의한 방법은 수로의 통제특성 변 화에 따른 수위와 유속의 변화를 측정하므로 보다 정확한 유량 측정이 가능하다. 하지만 초기설치 비 용이 많이 들기 때문에 경제성 측면에서 불리한 조 건을 가지고 있다. 수위계측을 통한 수위-유량관계 곡선 환산유량은 초기 설치비용이나 운영비는 다소 적게 들지만 하류단 2,3차 양수 현황에 따른 통제특 성 변화를 반영하지 못하기 때문에 정확한 유량산정 에는 다소 어려움이 있다.
간접적인 계측방법인 가동시간을 유량으로 환산 하는 방법은 적절한 펌프별 시간당 토출유량을 산정
하고, 가동시간을 정확히 기록한다면 월총유량이나, 연총유량의 활용은 가능할 것으로 판단되지만, 실 시간 유량수집의 측면에서는 활용도가 떨어진다. 또 한, 전력량-유량관계는 하류단 양수의 영향을 받지 않으며 초기설치 비용 또한 줄일 수 있어, 관련 연구 를 계속 진행하여 충분한 검증이 이루어진다면 실시 간 하천수 사용량 자료수집에 있어 가장 타당한 방 법이 될 수 있으리라 기대된다.
현재 각 시설별로 취수방식과 형태가 매우 다양하 기 때문에 이를 계측할 수 있는 방법도 각 취수방식 에 따라 적절하게 사용할 수 있도록 제시되어야 한 다. 유량계나 초음파유속계와 같은 직접적인 계측방 법을 활용하는 것이 가장 좋은 방안이지만, 설치 및 향후 유지관리 등에 수반되는 비용을 고려하면, 간 접적인 계측방법이라 하더라도 객관적인 활용근거 가 마련된다면 좋은 대안이 될 수 있을 것으로 판단 된다. 따라서 본 시험유역 운영을 통해 검토된 각 방 법을 시설별 규모, 취수형태 및 사용자의 편의에 따 라 취사선택할 수 있도록 표준화된 활용방안과 지침 을 마련하다면 실시간 하천수 사용량을 수집하는데 있어 보다 경제적이고 정확한 자료를 수집하기 위한 방법으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
참고문헌
1. 건설교통부 (2006) 실시간 물관리시스템 구축 연구(1차) 보고서.
2. 건설교통부 (2007) 실시간 물관리시스템 구축 연구(2차) 보고서.
3. 건설교통부 (2007) 지하수 이용량 모니터링조사 보고서.
4. 건설교통부 (2007) 하천수사용 관리체계 개선(Ⅰ).
5. 국토해양부 (2008) 하천수사용 관리체계 개선(Ⅱ).
6. 국토해양부 (2011) 수문조사보고서.
7. 국토해양부 (2012) 수문조사보고서.
8. 김치영, 원유승, 차준호, 김원 (2008) 영상을 이용한 실시간 하천수 사용량 수집시스템 개 발, 한국수자원학회학술발표회논문집, 한국수자원학회, pp. 1843-1847.
