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중·소하천의 수리 정보 구축을 위한 WIA & River-HQ 시스템
1. 머리말
체계적인 하천관리를 위해서는 신뢰성 있는 하 천 수리량 자료의 확보가 기본이 된다. 이에 우리 나라에서는 국가 하천의 주요 지점에 대하여 자동 측정 장비를 이용하여 수위, 유량 등의 하천 수리 정보를 원격으로 측정하거나, 인력을 투입하여 주 기적으로 하천 조사를 수행하고 있다. 반면에 우 리나라 대부분의 홍수 피해는 중·소하천에서 발생 하고 있지만, 중·소하천에 대한 수문조사는 상대 적으로 매우 미진한 실정이다.
이러한 중·소하천에 대한 수리 정보 조사의 가 장 큰 어려움은 인력 및 재원의 문제이다. 즉, 하 천 수리 정보를 조사하기 위해서는 많은 인력이
투입되거나 자동 측정이 가능한 고가의 장비가 투 입되어야 한다. 하지만 대부분의 중·소하천은 지 방자치단체에서 관리하고 있어 예산과 인력 지원 이 어려운 실정이다.
한편, 우리나라의 중·소하천에는 하상유지를 위한 낙차공과 용수 이용의 목적으로 보가 산재 해 있다. 이러한 보의 경우, 보의 유량 공식(weir equation)을 이용하고 월류 수심과 유량 계수 (discharge coefficient)의 산정을 통해 하천의 유 량을 간접적으로 추정할 수 있는 장점을 가진다.
또한, 하천 구간 내에 연속적으로 설치된 많은 보 를 이용할 경우, 각각의 보 지점에 대한 수위와 유 량을 추정할 수 있고, 이를 1차원 하천 모의 모형 의 경계 조건으로 활용하여 하천 구간 내의 많은 미계측 지점에 대한 하천 수리 정보를 추정해 낼 수 있다.
본 고에서는 중·소하천에 대하여 정확도 높 은 수리 정보를 저비용, 실시간으로 취득하기 위 해 개발하고 있는 WIA 시스템(wireless image acquisition system)과 River-HQ 시스템을 소개 하였다.
2. WIA 시스템
WIA 시스템은 하천의 수면을 촬영하고, 촬영된
강 태 욱 ●●●
경성대학교 산학협력단 학술연구교수 [email protected]
이 남 주 ●●●
경성대학교 건설환경도시공학부 교수 [email protected]
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영상을 실시간으로 서버로 자동 전송하는 시스템 이다. 해당 시스템은 그림 1과 같이 라즈베리 파이 (raspberry Pi)와 카메라, 태양광 발전 시스템, 스 마트폰 등으로 구성되어 있다.
라즈베리 파이는 하천 영상의 주기적인 촬영과 영상의 전송을 명령하는 등 WIA 시스템을 총괄 운영하는 초소형 컴퓨터이다. 영상 촬영을 위한 카메라에는 야간 및 안개 등으로 의해 하천의 식
별이 어려운 환경에서도 측정할 수 있도록 적외선 투광기가 장착되어 있다. 그리고 중·소하천의 경 우, 전기 공급이 되지 않는 지역이 대부분이기 때 문에 자체적으로 전원을 공급받을 수 있도록 태양 광 발전 시스템을 탑재하였다. WIA 시스템은 매 10분 간격으로 5~10초간의 동영상을 촬영하고, 스마트폰의 무선 통신망을 이용하여 촬영된 영상 을 River-HQ 시스템에 탑재된 서버로 자동 전송
그림 1. WIA 시스템에 장착된 주요 장비 (a) 라즈베리 파이
(e) 전원 보드
(b) 카메라
(f) 적외선 투광기
(c) 무선통신장치(스마트폰)
(g) 무선 모듈
(d) 서버
(h) 데이터 저장 장치
(b) WIA 시스템에 의해 촬영된 주간 영상
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된다.
현재, WIA 시스템은 한국건설기술연구원 하 천실험센터에 설치되어 성능을 검정 중에 있다.
WIA 시스템은 하천실험센터 내 직선수로의 상·
하류부에 각각 1개소가 설치되어 있는데, 그림 2 는 하류부에 설치된 WIA 시스템의 전경과 상류의 보 지점에 설치된 WIA 시스템에서 주·야간에 촬 영된 영상을 나타낸다.
3. River-HQ 시스템
연구에서는 WIA 시스템을 관심 하천 구간의 상·하류부에 각각 설치하여 측정하고, 하천 구간 내부의 미계측 지점에 대한 수리 정보를 1차원 하 천 모의 모형을 통해 분석하는 시스템을 개발하고 자 하였다. 이에 따라 River-HQ 시스템은 하천 수리 정보를 분석하는 프로그램들을 포함하고 있 다. 즉, WIA 시스템 설치 지점(계측 지점)의 수위 를 분석하기 위한 영상 분석 프로그램, 도출된 수 위를 유량으로 환산하기 위한 수위-유량 관계 곡 선(rating curve), 미계측 지점에 대한 하천 수
리 정보를 계산하기 위한 1차원 하천 모의 모형이 River-HQ 시스템에 포함된다. 또한, River-HQ 시스템에는 계측 및 분석된 하천 수리 정보를 사 용자에게 제공하기 위해 웹 기반의 데이터베이스 가 탑재되어 있다.
3.1 영상 분석 프로그램
WIA 시스템에 의해 촬영된 영상을 이용하여 수위를 분석하기 위해 영상 분석 프로그램을 개 발하였다. 영상 분석 기법은 CASTI(correlation analysis of spatio-temporal image) 기법을 이 용하고, 웹 기반의 River-HQ 시스템에 탑재하기 위해 JAVA 언어로 구성되었다.
표 1은 한국건설기술연구원 하천실험센터 내 직 선수로의 상·하류에 설치된 WIA 시스템에 의해 촬영된 영상이다. 직선수로 상류에는 보의 유량 공식을 이용하여 유량을 추정하기 위해 보 설치 지점에 WIA 시스템이 설치되었다. 표 1에 제시된 영상은 펌프시설을 이용하여 인위적으로 조절된 3 개의 유량 조건에 대한 것이고, 각각의 영상에 붉 은색 삼각형이 감지된 수면을 나타낸다.
구 분 유량 조건 1 유량 조건 2 유량 조건 3
상류 (보 지점)
하류
표 1. 영상 분석 프로그램을 이용한 하천 수위 판독
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3.2 보 지점의 수위-유량 관계
보는 수위를 높여 수심을 유지하거나 역류를 방 지하기 위해 하천을 횡단하여 설치되는 구조물이 다(한국수자원학회, 2009). 또한, 보는 수로를 가 로막은 단면 위로 물을 월류시켜 유량을 측정하는 장치로서 수위 증가, 유량조절 등의 목적으로 이 용되기도 한다(윤태훈, 2005). 본 연구에서는 이 러한 보의 유량 측정 기능을 이용하여 중·소하천 의 수리량 정보 구축에 활용하였다.
연구에서는 사용한 보의 유량공식은 식 (1)과 같다.
(1)
여기에서 는 유량(㎥/s), 는 유량 계수, 는 중력가속도(m/s2), B는 수로 폭(m), h는 월류 수심(보 상단부터 수면까지의 높이, m)을 나타낸 다. 한편, 연구에서는 보의 형상, 수심 등 다양한 조건에 대하여 실내 수리실험을 수행하였고(그림 3), 이에 따라 그림 4와 같이 유량 계수를 결정하 였다. 즉, WIA 시스템에 의해 보 지점에서 촬영된 영상 자료로부터 분석된 수위는 상기의 보 유량공 식 및 추정된 유량 계수를 이용하여 유량으로 환 산된다.
그림 3. 수리실험에 사용된 보의 형상
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3.3 1차원 하천 모의 모형
기 기술한 바와 같이 WIA 시스템은 관심 하천 구간의 상·하류에 각각 설치된다. 1차원 하천 모 의 모형은 WIA 시스템이 설치된 지점(계측 지점) 에 대하여 산정된 수위, 유량 정보를 하천 구간의 상·하류 경계조건으로 설정하여 하천 구간 내부 의 미계측 지점에 대한 수리 정보를 계산하기 위 한 프로그램이다. 일반적으로 하천의 부등류 계산 시 상류 경계에는 유량, 하류 경계에는 수위를 입 력하여 모의하므로 하천 구간 상류부의 WIA 시스 템 설치 지점은 전 절에서 기술한 수위-유량 관계 에 의해 유량을 추정할 수 있도록 보 설치 지점이 되어야 한다.
연구에서는 1차원 하천 모의 모형으로 미 공병 단에서 개발하여 오랜 기간 동안 충분히 검증되 어 안정적인 계산이 가능한 HEC-RAS(Brunner and CEIWR-HEC, 2010)를 이용하였다. 하지만 HEC-RAS는 소스 코드가 공개되어 있지 않고, 사용자 편의환경(GUI)이 갖추어져 있기 때문에 외 부 환경에서 HEC-RAS를 직접 제어하는 것이 어 렵다. 다만, HEC-RAS는 비주얼베이직(Visual
Basic) 기반으로 개발된 프로그램으로서, 비주얼 베이직의 라이브러리(library)를 통해 제어가 가능 하다(Goodell, 2014).
연구에서는 Goodell(2014)이 제시한 방법에 따 라 마이크로소프트 엑셀(Microsoft Excel)에 내장 되어 있는 비주얼베이직 어플리케이션(Microsoft Visual Basic for Application)을 이용하여 HEC- RAS의 제어 및 자동 실행 모듈을 개발하였다(그 림 5의 (a)). 한편, HEC-RAS 프로그램은 웹 기 반의 River-HQ에서 작동되어야 하므로 JAVA 언 어를 이용하여 엑셀 비주얼베이직 기반의 HEC- RAS 제어 및 자동 실행 모듈을 제어하는 프로그 램을 추가적으로 작성하였다(그림 5의 (b)).
그림 6은 HEC-RAS에 내장된 예제 하천인 Beaver Creak에 대하여 HEC-RAS 제어 및 자동 실행 모듈로 실행한 화면이다. 개발된 HEC-RAS 제어 및 자동 실행 모듈은 WIA 시스템에 의해 촬 영된 영상을 분석 후 도출되는 매 시각의 수위와 유량을 자동으로 상·하류 경계조건으로 입력하 고 실행되도록 구성되었다(그림 6의 (a)). 그리고 분석된 결과는 그림 6의 (b)와 같이 텍스트 파일로 저장된다.
(a) 엑셀 비주얼이직 어플리케이션을 이용한 HEC-RAS 제 어 및 자동 실행 모듈
(b) 엑셀 비주얼베이직 어플리케이션 제어를 위한 JAVA 코드
그림 5. HEC-RAS 제어 및 자동 실행을 위한 프로그램
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3.4 데이터베이스
River-HQ 시스템은 3.1~3.3절에서 기술한 영상 분석 프로그램, 수위-유량 관계에 의한 유 량 산정 알고리즘, HEC-RAS의 제어 및 자동 실 행 모듈을 정의된 시간 간격으로 순차적으로 운 영하는 시스템이다. 뿐만 아니
라 River-HQ 시스템은 웹 기반 의 데이터베이스를 포함하고 있어 하천 구간에 대하여 분석된 모든 수리 정보를 저장한다. 그림 7은 River-HQ의 웹 기반 데이터베이 스 서버 구축에 관한 시스템의 구 조를 나타낸다.
데이터베이스에는 WIA 시스템 이 설치된 계측 지점에 대한 정보 뿐만 아니라 미계측 지점에 대한 하천 정보까지 제공된다. 하천 단 면별로 제공되는 정보에는 유량, 유속, 수위, 에너지 경사, Froud
하고 있다. 한편, 데이터베이스의 자료는 하천명, 단면 번호, 측정 시간 등의 검색을 통해 권한을 부 여받은 사용자에 의해 온라인으로 내려 받아질 수 있도록 구현되었다. 그림 8은 예제 하천인 Beaver Creak에 대하여 분석된 결과를 제공하고 있는 River-HQ 시스템의 웹 화면을 나타낸다.
(a) HEC-RAS 자동 실행 (b) HEC-RAS 자동 실행 모듈 실행의 출력 파일
그림 6. HEC-RAS 제어 및 자동 실행 프로그램의 실행 및 출력 파일
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4. 맺음말
본 고에서는 중·소하천의 수리 정보를 실시간 으로 취득하기 위해 개발한 WIA 시스템과 River- HQ 시스템에 관하여 기술하였다. WIA 시스템은 하천의 영상을 촬영하고, 촬영된 영상을 실시간으 로 서버로 자동 전송하는 시스템이다. River-HQ 시스템은 WIA 시스템으로부터 전송된 영상을 이 용하여 수위를 분석하는 영상 분석 프로그램, 분 석된 수위를 유량으로 환산하기 위한 수위-유량 관계 곡선, 하천 구간 내 수리 정보를 계산하기 위 한 HEC-RAS의 제어 및 자동 실행 모듈, 데이터 베이스를 포함한다.
WIA 시스템과 River-HQ 시스템을 이용한 중·소하천의 수리 정보 조사 방법을 요약하면 다 음과 같다. 우선, WIA 시스템은 대상 하천에 대한 관심 구간의 상·하류에 설치되는데, 이때 중·소
하천에 산재한 보 지점이 WIA 시스템의 설치 대 상 지점이 된다. WIA 시스템에 의해 촬영된 영 상을 이용하여 수위를 분석하고, 보의 유량 공식 을 이용하여 유량을 간접적으로 추정한다. 그리고 WIA 시스템 설치 지점에 대하여 분석된 수리 정 보를 HEC-RAS 모형의 경계조건으로 입력하여 하천 구간 내 미계측 지점에 대한 수리 정보를 도 출한다. 끝으로 하천 구간에 대하여 분석된 모든 수리 정보는 데이터베이스에 저장되고, 온라인으 로 정보가 제공된다. 이때, 이러한 일련의 과정은 모두 자동으로 진행된다.
하천의 수위, 유량과 같은 수리 정보 조사에 는 많은 인력과 재원이 요구된다. 더욱이 우리나 라 대부분의 중·소하천은 예산 문제로 관리가 미 흡한 실정이다. 본 고에서 제시한 WIA & River- HQ 시스템은 저 비용으로 중·소하천의 하천 구 간에 대한 수리 정보를 실시간으로 조사할 수 있
그림 8. River-HQ 시스템에 의해 제공되는 하천 수리 정보의 예
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는 기술로서, 시스템의 안정성 및 현장 적용성 검 증을 통해 향후 하천 환경 관리와 홍수예경보 업 무 등에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
감 사 의 글
본 고는 국토교통부 물관리 연구사업의 연구비 지원(12기술혁신C02)에 의해 수행되었습니다.
참고문헌
1. 윤태훈 (2005). 수리학. 형설출판사, p. 585.
2. 한국수자원학회 (2009). 하천설계기준·해설. 국토해양부.
3. Brunner, G.W., and CEIWR-HEC (2010). HEC-RAS River Analysis System:
User’s Manual Version 4.1. Tech. Rep., US Army Corps of Engineers Institute for Water Resources Hydrologic Engineering Center (HEC), CA, USA.
4. Christopher R. G. (2014). Breaking the HEC-RAS Code: A User’s Guide to Automating HEC-RAS. H2ls, Oregon, USA.
5. Yu, K., Kim, S., and Kim, D. (2015). Correlation analysis of spatio-temporal images for estimating two-dimensional flow velocity field in a rotating flow condition. Journal of Hydrology, Vol. 529, pp. 1810-1822.