[공학저널 전찬민 기자] 최근 기후변화로 인한 국지성 집중호우, 태풍 등으로 재해 발생률이 높아지면서 수자원 계획 수립과 홍수 예·경보를 위한 지속적이고 신뢰성 있는 하천 유량 계측의 필요성이 증대되고 있다.
하천을 효율적으로 이용하고 집중호우로 인한 하천의 침수피해를 방지하기 위해서는 기초자료인 하천의 유량을 알아야 할 필요가 있다.
특히, 유량자료는 수자원의 효율적인 계획과 관리, 오염총량관리, 수공 구조물 설계, 홍수 예·경보 업무 등 이수, 치수, 수질 관리를 위해 가장 중요한 자료로 이용되고 있다.
예를 들어, 하천의 홍수가 발생하는 것을 예측하는 ‘홍수 예·경보’는 먼저 ‘강수량’을 추정하거나 측정하는 것부터 시작해 특정지역의 침수대책을 세우거나 지난번 발생한 침수 피해를 분석하려면 적어도 그 침수가 발생했을 때의 강수량이 얼마나 되는지를 알아야 한다. 또한, 비가 지상에 내려서 하천으로 흘러갈 때, 우리가 관심을 가진 지점에서의 얼마의 ‘수위’로 얼마의 ‘유량’이 흘러갈 것인지도 알아내야 한다.
이 두 자료는 홍수를 다룰 때에 가장 기본이 되는 자료로써 이러한 수위와 유량은 컴퓨터프로그램을 이용해 계산해 낼 수는 있지만, 프로그램 입력 자료와 보정 및 검증 자료로 직접 측정을 한 수위, 유량 자료가 있어야 한다.
일반적인 하천 유량 계측 방법은 측정 인력이 회전식 유속계, 전자식 유속계, 초음파 유속계 등 점 유속계를 가지고 직접 하천에 들어가서 계측하거나 홍수기에는 교량에서 부자를 이용해 유량을 계측하는 방법들이 주로 이용됐다. 홍수기 유량 측정의 경우, 연속적인 측정을 통해 하천의 첨두유량을 측정해야 향후, 이 유량을 반영해 하천 구조물 설계에 적극 반영이 가능하다.
하지만, 사람이 현장에 직접 가서 수동으로 측정하는 기존의 하천 유량 측정 방식으로는 측정 시점을 맞추기 어려워 첨두 유량 측정에 실패하는 경우가 종종 있었다.
현재 유량을 산정하는 방법은 유속과 수심 측정 지점을 기준으로 중앙단면적법을 이용해 측정하고 있다. 중앙단면적법에서 핵심은 하천의 횡단측선을 일정한 간격으로 분할해 각 단면에 해당하는 유속을 동시에 측정해야 정확한 유량측정이 가능하다. 하지만 기존의 인력 측정방식으로는 동시 측정이 아니기 때문에 측선을 이동하며 유속을 측정하는 과정에서 시간차가 발생하며 그만큼 유속측정의 불확도는 커지게 될 수밖에 없다.
점에서 매우 위험하고 측정 시 많은 인력이 필요하다는 문제점을 가지고 있으며 과거에도 유량 측정 시 인명피해가 난 사례가 있다. 이처럼 기존의 하천 유량 측정방식은 많은 인력과 비용이 필요하며 홍수 시 인명사고 등의 위험성이 크다는 한계가 있다.
이에 따라 기존의 인력중심의 하천 유량계측 기술의 한계를 극복하고자 최근 실시간으로 하천의 수위, 유속, 유량을 자동으로 계측하고 서버로 전송해 모바일 기기에서도 결과 확인이 가능한 CCTV 영상 기반의 실시간 하천 자동유량측정 기술이 개발돼 화제가 되고 있다.
CCTV 기반 하천 자동유량계측 기술은 영상을 이용해 표면유속을 산정하는 기술이 핵심이다. 이 기술은 ㈜하이드로셈 연구진이 2000년도 초반, 캠코더 영상을 이용한 하천의 표면유속 측정 알고리즘 개발을 시작으로, 최근에는 CCTV 영상과 수위계 자료를 이용한 실시간 하천 유속과 유량 산정 기술 개발에 성공하게 됐다.
이러한 하이드로셈의 영상 기반 실시간 하천자동유량계측 기술은 비접촉식으로 흐름 전영역의 유속을 동시에 측정이 가능하기 때문에 유량이 급변하거나 흐름이 복잡한 상황에서도 안전하게 유량계측이 가능하다는 것이 장점이다. 또한, CCTV 영상촬영부터 유량계측과 결과 전송까지 전 과정을 자동화했으며, 실시간으로 현장 상황을 영상으로 확인할 수 있기 때문에 별도의 현장조사 인력이 필요 없는 등 매우 경제적으로 유량계측이 가능하다.
특히, 영상분석 과정을 획기적으로 개선해 현재 10초 평균 유량을 2분 간격으로 계측할 수 있도록 자동화해 유량이 매우 급변하는 소하천의 유량계측도 가능하다는 것 또한 장점으로 손꼽힌다. 이는 실시간 하천 자동유량계측시스템의 전 과정을 자체 개발했기 때문에 기술 업그레이드와 유지관리가 가능하고, 기존하천 유량계측 기술 대비 약 30% 정도의 비용으로 설치·운영이 가능해 매우 경제적인 기술이다.
이와 더불어 계측한 수위, 유속, 유량 자료를 실시간 서버로 전송해 컴퓨터뿐만 아니라 스마트폰 등의 모바일 기기를 통해 하천의 수위, 유속, 유량의 정보를 손쉽게 확인 가능해 사용성 또한 높인 혁신적인 기술로 평가되고 있다.
하이드로셈 윤병만 대표이사(사진)는 “현재 하천의 유량은 하천에 직접 들어가 도섭으로 측정하거나 수위 상승 시 보트·교량 등을 이용해 측정하고 있어 위험성이 높을 뿐만 아니라 많은 인력이 필요하고, 휴일, 야간 측정이 어려워 홍수량 자료 확보가 현실적으로 어려움이 있다”며 “소하천의 경우, 국가·지방하천에 비해 홍수피해 발생빈도가 높음에도 불구하고 안전관리에 필수적인 계측 시설이 절대적으로 부족한 실정이며 홍수 도달시간이 짧기 때문에 계측인력이 현장에 도착하기 전에 유출이 끝나는 경우가 많아 무인 자동유량 측정장치의 개발이 절실했다”고 말했다.
그는 이어 “또한, 기존 유량조사 결과들을 살펴보면 고수위 홍수량 측정이 위험하고 어렵기 때문에 인력중심의 저수위와 중수위 유량조사 결과가 대부분이어서 고수위 외삽을 통해 홍수량을 추정하고 있어 홍수관리에 어려움이 많았다”며 “이와 같은 문제들을 해결하기 위해 하이드로셈은 무인으로 안전하게 실시간 연속측정이 가능한 영상 기반의 실시간 하천자동유량계측 기술을 개발하게 됐으며, 기존기술로 유량측정이 불가능하거나 어려운 지점에서도 유량측정이 가능하고 실시간 유속분포를 매우 짧은 시간간격으로 측정해 급변하는 홍수사상에서도 유량 계측이 가능하게 됐다”고 덧붙였다.
이렇게 측정된 양질의 유량 자료는 앞으로 실측자료 기반의 수자원 계획 수립과 관리, 치수계획 수립, 홍수 예·경보 시스템의 고도화 등에 활용될 수 있으며, 부가적으로 실시간 현장상황을 모니터링 할 수 있어 재난안전 업무에도 활용이 가능할 것으로 기대되고 있다.
한편, 국내외 물관리 문제들을 과학적으로 해결하기 위한 실증적인 수자원, 방재 분야의 첨단 기술 개발을 목적으로 2018년 6월에 명지대학교 내 실험실 창업을 통해 설립된 하이드로셈은 실험실 창업 이후 3년여 만에 방재신기술과 영상 유량 계측분야의 국내·외 특허를 다수 취득했다. 특히, ‘CCTV 기반 실시간 자동유량계측 기술’은 한국공학한림원이 2021년 주요 산업기술로 선정, 소개하는 등 자타가 공인하는 기술로 인정받고 있다.
윤 대표는 “이러한 다년간의 수자원, 방재 분야의 조사, 실험, 해석 기술들에 대한 많은 경험을 바탕으로 하이드로셈은 앞으로 국내 물관련 현안들을 해결하고 수리계측 분야의 지속적인 발전을 위해 최선의 노력을 다할 예정”이라며 “특히, IT 기술과 수자원 관련 기술들을 융합해 계측 기술 개발과 정보화시스템 구축, 최신 실험, 해석 기술 적용 등을 통해 4차 산업혁명 시대에 수자원, 방재 분야의 발전을 위해 최선을 다 할 것”이라고 말했다.
