ADCP 초음파 산란도를 활용한 하천 부유사량 산정 기법 개발

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 초음파 유속계(ADCP; Acoustic Doppler Current Profiler)의 후방 산란 신호를 활용하여 하천 및 호소 내 부유사(suspended sediment)의 시· 공간적 분포를 정량적으로 산정하고 이를 통해 부유사 농도(SSC) 및 유사량 산정 기법의 현장 적용 가능성을 검증하는 것을 목적으로 하였다. 부유사는 수질, 생태계, 그리고 하천 안정성에 중대한 영향을 미치는 핵심 인자로서 정밀한 시·공간적 관측은 수리학적 의사결정의 기초가 된다. 그러나 기존의 채집 기반 측정 방식은 공간적 대표성과 시간적 연속성이 부족하여 실시간 모니터링에 한계가 있다. 이를 해결하기 위하여 본 연구에서는 ADCP 후방산 란 강도를 보정하여 부유사 농도를 산정하는 절차를 확립하고 우선 통제된 환경에서의 장비 검증을 수행한 후 실제 하천 및 호소로 적용 범위를 확장 하였다. 그 결과, 안동하천실험센터의 인공수로에서 서로 다른 입경 조건의 부유사를 주입한 후 ADCP M9(3 MHz), AquaSCAT 1000R(0.5–5 MHz), LISST-200X를 동시에 운용하여 주파수별 산란 및 감쇠 특성을 검증하였으며 이를 통해 ADCP 신호의 보정 절차를 확립하고 LISST 실측 농도와의 높은 상관관계(R²>0.8)를 확인하였다. 또한, 낙동강 칠곡군 ‘호국의 다리’ 구간 에서 이동식 ADCP 관측을 수행하여 단면 유속과 후방산란 강도를 기반으로 부유사 농도 및 유사량을 산정한 결과 채집 시료 분석과의 평균 오차율이 약 10% 이내로 나타나 현장 적용성이 입증되었다. 더 나아가, 소양호에서는 ADCP 공간분포 분석을 통해 중층 탁수층의 깊이(약 4–8 m)와 두께 변화를 연속적으로 추적하였으며 LISST-200X 연직 측정 결과와의 교차 검증을 통해 탁수층의 실제 성층 구조를 정확히 규명하였다. 이러한 결과를 종합하면 ADCP 후방산란 신호는 하천뿐 아니라 호소 환경에서도 부유사 농도와 탁수 층의 공간적 변화를 정량적으로 표현할 수 있는 효과적인 수단임을 확인하 였다. 특히 본 연구는 국내에서 Down-looking ADCP를 이용하여 부유사량을 직접 산정한 최초의 사례로서 그 의의가 크며 향후 보정식과 경험식이 더욱 정교화될 경우 기존 유량 측정을 위해 축적된 ADCP 자료들을 부유사량 산 정에 재활용할 수 있는 가능성을 제시하였다. 따라서 본 연구는 국내 하천 및 호소의 장기 유사 수송 특성 분석과 수질·퇴적 관리 체계의 고도화에 중요한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구배경 및 필요성 1
• 1.2 연구목표 7
• Ⅱ. 방법론 8
• 2.1 하천 유사이송 이론 8
• 2.2 음향 기반 계측 원리 11
• 2.2.1 ADCP 계측 원리 11
• 2.2.2 소나 방정식과 산란 이론 13
• 2.3 ADCP 기반 부유사농도 공간분포 맵핑 알고리즘 15
• 2.3.1 Landers 알고리즘 15
• 2.3.2 Szupiany 알고리즘 22
• 2.3.3 다중주파수 기반 알고리즘 26
• 2.3.4. ADCP 원시자료 필터링 및 공간 평균 기법 30
• 2.4. ADCP 기반 부유사량 산정 34
• 2.4.1. 부유사량 산정식 34
• 2.4.2. 미계측 부유사량 추정식 35
• 2.5. VMS – 부유사 농도맵핑 & 부유사량산정 38
• Ⅲ. 이동식 ADCP 기반 부유사량 산정 41
• 3.1 칠곡군(호국의다리) 사례 분석 41
• 3.1.1. 연구 개요 41
• 3.1.2. 연구 내용 42
• 3.1.2.1 연구 지역 42
• 3.1.2.2 측정 장비 및 계측 방법 43
• 3.1.3. 분석 결과 46
• 3.1.3.1 자료 선정 및 자료 전처리 46
• 3.1.3.2 부유사농도 공간 분포 및 채집 자료와 비교 50
• 3.1.3.3 부유사량 공간 분포 및 채집 자료와 비교 54
• 3.1.3.4 ADCP Backscatter, 농도, flux 간 분포 차이의 원인 분석 57
• Ⅳ. ADCP 기반 유사농도 시공간 분포 58
• 4.1 고정식 초음파 기반 유사농도 시간분포 58
• 4.1.1 안동하천실험센터 사례 분석 연구 개요 58
• 4.1.2 연구 내용 59
• 4.1.2.1 연구 대상 지역 59
• 4.1.2.2 측정 장비 및 실험 설정 61
• 4.1.3 분석 결과 65
• 4.1.3.1 LISST-200x를 통한 시료 입도 분포 분석 65
• 4.1.3.2 주파수별 세립질 부유사 후방산란 강도 특성 확인 67
• 4.1.3.3 AQUAscat 1000R을 활용한 부유사 입경 분포 73
• 4.1.3.4 ADCP M9, Aquascat 1000R, LISST-200x 농도 측정 비교 77
• 4.1.3.5 ADCP M9과 AQUAscat 1000R 농도 분포 비교 80
• 4.2. 이동식 초음파 기반 부유사 농도 공간 분포 82
• 4.2.1 소양호 사례 분석 연구 개요 82
• 4.2.2 연구 내용 84
• 4.2.2.1 연구 대상 지역 84
• 4.2.2.2 측정 장비 및 계측 방법 86
• 4.2.3 분석 결과 88
• 4.2.3.1 ADCP M9 후방산란도 공간 분포를 통한 탁수 성층화 확인 88
• 4.2.3.2 공간분포와 LISST-200x 연직자료를 통한 결과 비교 92
• Ⅴ. 결론 및 향후연구 94
• 5.1. 결론 94
• 5.2. 향후 연구 97
• 참고문헌 98
• Abstract 103