KR101209460B1 - 상재압력을 이용한 퇴적물 측정 시스템 및 퇴적물 측정 방법 - Google Patents

상재압력을 이용한 퇴적물 측정 시스템 및 퇴적물 측정 방법 Download PDF

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Abstract

저수지, 호수 또는 하천 내의 퇴적물 관리 구간에 적층된 퇴적물을 측정하는 퇴적물 측정 시스템은 센싱부, 데이터 처리부 및 데이터베이스부를 포함한다. 센싱부는 퇴적물 관리 구간 내의 복수의 측정 지점들에서 유체, 퇴적물 및 바닥 원지반에 의한 상재압력을 각각 측정하여 상재압력 데이터를 생성한다. 데이터 처리부는 상재압력 데이터를 기초로 복수의 측정 지점들 각각에서 퇴적물의 높이를 계산하여 퇴적물 높이 데이터를 생성하고, 퇴적물 높이 데이터에 기초하여 퇴적물 관리 구간에 적층된 퇴적물의 분포에 상응하는 퇴적물 분포 데이터를 생성한다. 데이터베이스부는 상재압력 데이터, 퇴적물 높이 데이터 및 퇴적물 분포 데이터를 저장한다.

Description

상재압력을 이용한 퇴적물 측정 시스템 및 퇴적물 측정 방법{SEDIMENT MEASUREMENT SYSTEM USING OVERBURDEN PRESSURE AND METHOD OF MEASURING SEDIMENT BY USING OVERBURDEN PRESSURE}
본 발명은 퇴적물 측정에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상재압력을 이용한 퇴적물 측정 시스템 및 퇴적물 측정 방법에 관한 것이다.
저수지, 호수, 하천 등과 같은 수자원에는 댐 및 보와 같은 수공구조물이 설치될 수 있다. 수공구조물 근처에는 정체성 수역 또는 사류지역(Dead Zone) 등이 형성될 수 있으며, 상류에서 흘러 내려오는 토사 및 점질·비점질의 오염물질들이 정체성 수역 또는 사류지역의 바닥에 침강·퇴적될 수 있다. 이에 따라 재부유에 의한 탁도 증가, 영양염류 용출, 심층산소 고갈, 이취미 유발, 저류유량 감소 등 심각한 사회적, 환경적, 생태적 문제가 발생될 수 있다. 한편, 기후변화에 따른 태풍 및 집중호우의 증가로 인하여 다량의 토사와 오염물질들이 수자원 내로 유입되고 있어 퇴적물로 인한 수자원 환경 문제가 더욱 증가할 수 있다.
수자원 환경을 개선하고자 저수지, 호수, 하천 등의 바닥에 적층된 퇴적물을 제거하고 이를 관리할 필요가 있다. 국내에서는 퇴적물 관리를 위한 방법으로 주로 준설공법이 많이 적용되고 있으며, 하천의 경우 횡단구조물의 하부에 위치한 배수문을 적절히 운영하여 퇴적물을 배제 및 관리하는 방법들도 적용되고 있다.
저수지, 호수, 하천 등의 바닥에 적층된 퇴적물은 수체에 의해 가려져 있어 육안으로 쉽게 관측될 수 없기 때문에, 퇴적물을 효과적으로 관리하기 위해서는 정확한 퇴적물 측정이 요구된다. 그러나 퇴적물 높이 및 분포에 대한 지속적이고 실시간적인 모니터링이 용이하지 않아 퇴적물 관리가 비효율적이고 과도한 비용과 시간이 수반되는 경우가 많다. 뿐만 아니라 퇴적물 제거 작업 관리나 평가가 제대로 이루어질 수 없어 수자원 관리자와 퇴적물 관리 작업자간의 분쟁 발생 우려도 있다. 따라서 저수지, 호수, 하천 바닥에 적층된 퇴적물을 지속적으로 정확하게 측정하는 방법이 필요하다.
종래에는 퇴적물 측정을 위하여, 퇴적물에 음파(초음파)를 입사하여 퇴적물 표면에 반사되어 되돌아오는 시간이나 음파의 파장을 비교 분석함으로써 퇴적 여부와 퇴적량을 측정하는 음파 이용 방법, 퇴적물에 적외선(열적외선)을 입사하여 그 광량을 측정하여 퇴적량을 측정하는 적외선 이용 방법, 방사선을 발사하여 그 파장의 차이를 분석 비교하여 퇴적 여부와 퇴적량을 측정하는 방사선 이용 방법, 및 전기력이나 자기력을 이용하는 방법 등이 이용되고 있다.
하지만, 상기 음파 이용 방법은 퇴적물에 의한 산란과 감쇠가 심하여 활용성이 낮고, 상기 적외선 이용 방법은 유체의 혼탁도가 심하거나 부유물이 많을 경우 측정치의 교란이 심하게 발생되고, 상기 방사선 이용 방법은 생물에 방사선 장애 및 유전적인 변이를 일으킬 소지가 있어 저수지, 호수, 하천 등의 수생태계에 치명적일 수 있으며, 상기 전기력이나 자기력을 이용하는 방법은 수중에 활용하기 곤란하다는 문제가 있다.
이와 같이 종래의 퇴적물 측정 방법들은 다양한 외부환경(바람, 열, 부유물질, 소음 등)이 존재하는 저수지, 호수, 하천 등에 적용되는 경우에 측정치 교란의 우려가 높으며, 시스템 구성이 복잡하여 설치가 제한적이고 비용이 많이 소요되어 퇴적물을 필요시에만 측정하는 경우가 많아 지속적인 퇴적물 측정 및 모니터링이 곤란하다. 또한 대부분의 측정이 퇴적물 위 또는 유체 표면에서 수행되기 때문에 상대적인 퇴적물의 높이를 측정할 수는 있으나, 퇴적물 관리고(준설 기준선)로부터 적층된 퇴적물 높이를 알 수 없어 퇴적물 관리 사업 및 비용 확보 등에 어려움이 많다. 그리고 종래의 퇴적물 측정 방법들을 이용한 퇴적물 측정 장치들은 대부분 하수관로 내에 적층된 퇴적물을 측정하는데 초점을 두고 있어 저수지, 호수, 하천 등의 바닥에 적층된 퇴적물을 측정하는 데에는 적절하지 않은 경우가 많다.
본 발명의 일 목적은 저수지, 호수 또는 하천 내의 퇴적물 관리 구간에 적층된 퇴적물을 정확하고 효율적이며 지속적으로 측정할 수 있는 퇴적물 측정 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 저수지, 호수 또는 하천 내의 퇴적물 관리 구간에 적층된 퇴적물을 정확하고 효율적이며 지속적으로 측정할 수 있는 퇴적물 측정 방법을 제공하는 것이다.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 저수지, 호수 또는 하천 내의 퇴적물 관리 구간에 적층된 퇴적물을 측정하는 퇴적물 측정 시스템은 센싱부, 데이터 처리부 및 데이터베이스부를 포함한다. 상기 센싱부는 상기 퇴적물 관리 구간 내의 복수의 측정 지점들에서 유체, 상기 퇴적물 및 바닥 원지반에 의한 상재압력(overburden pressure)을 각각 측정하여 상재압력 데이터를 생성한다. 상기 데이터 처리부는 상기 상재압력 데이터를 기초로 상기 복수의 측정 지점들 각각에서 상기 퇴적물의 높이를 계산하여 퇴적물 높이 데이터를 생성하고, 상기 퇴적물 높이 데이터에 기초하여 상기 퇴적물 관리 구간에 적층된 상기 퇴적물의 분포에 상응하는 퇴적물 분포 데이터를 생성한다. 상기 데이터베이스부는 상기 상재압력 데이터, 상기 퇴적물 높이 데이터 및 상기 퇴적물 분포 데이터를 저장한다.
상기 센싱부는 복수의 토압계들을 포함할 수 있다. 상기 복수의 토압계들은 상기 복수의 측정 지점들에 설치되어 상기 복수의 측정 지점들의 상기 상재압력을 측정할 수 있다.
상기 바닥 원지반은 상기 퇴적물 관리 구간의 상기 유체의 수위를 측정하는 기준인 기준고와 상기 퇴적물 관리 구간에 적층된 상기 퇴적물에 대한 준설 작업의 기준인 퇴적물 관리고 사이에 형성되고, 상기 퇴적물은 상기 바닥 원지반 상에 적층되고, 상기 유체는 상기 퇴적물 상에 위치할 수 있다. 상기 복수의 토압계들은 상기 기준고와 상기 퇴적물 관리고 사이의 상기 바닥 원지반 내에 설치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 퇴적물 측정 시스템은 복수의 보호공들을 더 포함할 수 있다. 상기 복수의 보호공들은 상기 복수의 토압계들을 각각 둘러싸도록 형성되고 상기 복수의 토압계들의 상재압력 측정 부분을 각각 노출시키도록 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수의 보호공들 각각은 윗면 및 아랫면이 원형 또는 다각형의 형상을 가지는 원기둥 또는 다각기둥의 형태를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수의 보호공들의 윗면의 넓이는 상기 복수의 보호공들의 아랫면의 넓이와 동일하거나 상이할 수 있다.
상기 데이터 처리부는 연산부 및 보간부를 포함할 수 있다. 상기 연산부는 상기 상재압력 데이터, 상기 유체의 단위중량, 상기 퇴적물과 상기 바닥 원지반의 평균 포화단위중량, 및 상기 유체의 수위 변화량에 기초하여 상기 퇴적물 높이 데이터를 생성할 수 있다. 상기 보간부는 상기 퇴적물 높이 데이터를 보간하고, 상기 보간된 데이터에 기초하여 상기 퇴적물 분포 데이터를 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 퇴적물 관리 구간의 상기 유체의 수위가 일정한 경우에, 상기 퇴적물 높이 데이터에 포함되고 상기 복수의 측정 지점들 중 제1 측정 지점에 상응하는 제1 퇴적물 높이 값은 하기의 [수학식 1]을 만족할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112012051812419-pat00001
상기의 [수학식 1]에서, hs는 상기 제1 퇴적물 높이 값, 상기 σ0은 상기 제1 측정 지점의 초기 상재압력, 상기 σ1은 상기 제1 측정 지점의 퇴적물 퇴적 후의 상재압력, 상기 γw는 상기 유체의 단위중량, 상기 γsat는 상기 퇴적물과 상기 바닥 원지반의 평균 포화단위중량을 나타낼 수 있다.
일 실시예에서, 상기 퇴적물 관리 구간의 상기 유체의 수위가 변경된 경우에, 상기 퇴적물 높이 데이터에 포함되고 상기 복수의 측정 지점들 중 제1 측정 지점에 상응하는 제1 퇴적물 높이 값은 하기의 [수학식 2]를 만족할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112012051812419-pat00002
상기의 [수학식 2]에서, hs는 상기 제1 퇴적물 높이 값, 상기 σ0은 상기 제1 측정 지점의 초기 상재압력, 상기 σ2는 상기 제1 측정 지점의 퇴적물 퇴적 후의 상재압력, 상기 γw는 상기 유체의 단위중량, 상기 γsat는 상기 퇴적물과 상기 바닥 원지반의 평균 포화단위중량, 상기 Δhw는 상기 제1 측정 지점의 상기 초기 상재압력의 측정 시의 수위와 상기 제1 측정 지점의 상기 퇴적물이 적층된 후의 상재압력의 측정 시에 상기 유체의 수위의 변화량을 나타낼 수 있다.
상기 퇴적물 측정 시스템은 정보 제공부를 더 포함할 수 있다. 상기 정보 제공부는 상기 유체의 단위중량, 상기 퇴적물과 상기 바닥 원지반의 평균 포화단위중량, 및 상기 유체의 수위 변화량에 대한 정보를 제공할 수 있다.
상기 보간부는 크리깅 보간, 역거리 보간, 선형 보간, 다항식 보간, 스플라인 보간, 최근린 보간, 불규칙 삼각망 보간 및 가우시안 보간 중에서 적어도 하나를 선택하여 상기 퇴적물 높이 데이터를 보간할 수 있다.
상기 퇴적물 측정 시스템은 모니터링부를 더 포함할 수 있다. 상기 모니터링부는 상기 퇴적물 높이 데이터 및 상기 퇴적물 분포 데이터를 도시, 분석 및 모니터링할 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 저수지, 호수 또는 하천 내의 퇴적물 관리 구간에 적층된 퇴적물을 측정하는 퇴적물 측정 방법에서는, 상기 퇴적물 관리 구간 내의 복수의 측정 지점들에서 유체, 상기 퇴적물 및 바닥 원지반에 의한 상재압력(overburden pressure)을 각각 측정하여 상재압력 데이터를 생성한다. 상기 상재압력 데이터를 기초로 상기 복수의 측정 지점들 각각에서 상기 퇴적물의 높이를 계산하여 퇴적물 높이 데이터를 생성한다. 상기 퇴적물 높이 데이터에 기초하여 상기 퇴적물 관리 구간에 적층된 상기 퇴적물의 분포에 상응하는 퇴적물 분포 데이터를 생성한다. 상기 상재압력 데이터, 상기 퇴적물 높이 데이터 및 상기 퇴적물 분포 데이터를 저장한다.
상기 상재압력 데이터를 생성함에 있어서, 상기 퇴적물 관리 구간의 상기 유체의 수위를 측정하는 기준인 기준고 및 상기 퇴적물 관리 구간에 적층된 상기 퇴적물에 대한 준설 작업의 기준인 퇴적물 관리고에 기초하여 토압계 설치고를 설정하고, 상기 복수의 측정 지점들에 상응하도록 상기 토압계 설치고를 따라 상기 바닥 원지반 내에 복수의 토압계들을 설치하며, 상기 복수의 토압계들을 이용하여 상기 유체, 상기 퇴적물 및 상기 바닥 원지반에 의한 상기 상재압력을 측정할 수 있다.
상기 퇴적물 측정 방법에 있어서, 상기 퇴적물 높이 데이터 및 상기 퇴적물 분포 데이터를 도시, 분석 및 모니터링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 퇴적물 측정 시스템 및 방법은, 퇴적물 관리 구간 내의 복수의 측정 지점들에서 유체, 퇴적물 및 바닥 원지반에 의한 상재압력을 근거리 또는 원거리에서 측정하는 복수의 토압계들을 이용하고 상기 측정된 상재압력에 기초하여 적층된 퇴적물 높이 및 분포를 산출함으로써, 유체의 상태에 따른 측정치의 교란 없이 상대적으로 정확하게 퇴적물 높이 및 분포를 산출할 수 있다.
특히 상기 복수의 토압계들이 기준고와 퇴적물 관리고 사이의 바닥 원지반 내에 설치되고 유무선 통신을 이용하여 근거리 또는 원거리에서 상기 측정된 상재압력을 수신함으로써, 설치 및 유지관리가 용이하고 실시간 및 지속적으로 퇴적물 높이 및 분포를 측정 및 모니터링할 수 있어 퇴적물 관리 사항 및 작업 등을 효과적으로 검토 및 계획할 수 있다.
또한 산출된 퇴적물 높이 및 분포를 데이터베이스에 저장하고 이를 모니터함으로써, 필요한 정보를 객관적으로 확인 및 검토할 수 있고 퇴적물 관리 효율을 향상시킬 수 있으며 수자원 환경 및 퇴적물 관리와 수공구조물 운영의 최적화를 도모할 수 있다. 상기와 같이 퇴적물 관리 작업 상황을 객관적으로 확인할 수 있어 수자원 관리자와 퇴적물 관리 작업자 간의 분쟁을 방지할 수 있다.
또한 상재압력 측정 방식은 수생태계에 미치는 영향이 없고 환경적으로 유해하지 않으며, 저수지, 호수, 하천 등에서 퇴적물로 인한 사회적·환경적·생태적 문제를 해결하는데 지원함으로써 효과적인 수자원 관리와 수생태계 복원, 수질 관리, 수변공간 조성 등에 크게 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 퇴적물 측정 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2, 3, 4a 및 4b는 도 1의 퇴적물 측정 시스템을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5a 및 5b는 도 1의 퇴적물 측정 시스템에 포함되는 토압계의 예들을 나타내는 도면들이다.
도 6은 도 1의 퇴적물 측정 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 8c, 9a, 9b, 9c, 10a, 10b 및 10c는 도 1의 퇴적물 측정 시스템에 포함되는 보호공의 예들을 나타내는 도면들이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 퇴적물 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 12는 도 11의 퇴적물 측정 방법에서 상재압력 데이터를 생성하는 단계의 일 예를 나타내는 순서도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 퇴적물 측정 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 퇴적물 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
한편, 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 퇴적물 측정 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 퇴적물 측정 시스템(100)은 센싱부(210), 데이터 처리부(310) 및 데이터베이스부(320)를 포함한다. 퇴적물 측정 시스템(100)은 정보 제공부(220)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 퇴적물 측정 시스템(100)은 저수지, 호수 또는 하천 등과 같은 수자원 내에 설정된 퇴적물 관리 구간에 적층된 퇴적물을 측정하고 이를 관리하기 위하여 이용될 수 있다. 상기 저수지, 호수 또는 하천 등의 수자원은 바닥 원지반, 퇴적물 및 유체를 포함하여 구성되며, 이에 따라 상기 퇴적물 관리 구간 역시 상기 바닥 원지반, 상기 퇴적물 및 상기 유체를 포함하여 구성될 수 있다.
센싱부(210)는 상기 퇴적물 관리 구간 내의 복수의 측정 지점들에서 유체, 퇴적물 및 바닥 원지반에 의한 상재압력(overburden pressure)을 각각 측정하여 상재압력 데이터(OPDAT)를 생성한다. 상재압력 데이터(OPDAT)는 상기 복수의 측정 지점들의 좌표 값들 및 상기 복수의 측정 지점들에서 측정된 상재압력 값들을 포함할 수 있으며, 상기 상재압력 값들은 초기 상재 압력 값들 및 상기 초기 상재압력 값들을 측정한 시점으로부터 기준 시간이 경과한 이후에 측정된 상재압력 값들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 센싱부(210)는 복수의 토압계들(212a, ..., 212n)을 포함할 수 있다. 복수의 토압계들(212a, ..., 212n)은 상기 복수의 측정 지점들에 설치되어 상기 복수의 측정 지점들의 상기 상재압력을 측정할 수 있다.
정보 제공부(220)는 상기 퇴적물의 높이를 계산하기 위한 부수적인 데이터(ADAT)를 제공할 수 있다. 부수적인 데이터(ADAT)는 상기 유체의 단위중량, 상기 퇴적물과 상기 바닥 원지반의 평균 포화단위중량, 및 상기 유체의 수위 변화량에 대한 정보를 포함할 수 있으며, 실시예에 따라서 토압계와 상기 유체의 표면 사이의 거리에 대한 정보를 더 포함할 수 있다.
데이터 처리부(310)는 상재압력 데이터(OPDAT)를 기초로 상기 복수의 측정 지점들 각각에서 상기 퇴적물의 높이를 계산하여 퇴적물 높이 데이터(HDAT)를 생성하며, 퇴적물 높이 데이터(HDAT)에 기초하여 상기 퇴적물 관리 구간에 적층된 상기 퇴적물의 분포에 상응하는 퇴적물 분포 데이터(DDAT)를 생성한다. 퇴적물 높이 데이터(HDAT)는 상기 복수의 측정 지점들의 좌표 값들 및 상기 복수의 측정 지점들의 퇴적물 높이 값들을 포함할 수 있다. 데이터 처리부(310)는 부수적인 데이터(ADAT)를 더 수신할 수 있으며, 상재압력 데이터(OPDAT) 및 부수적인 데이터(ADAT)에 기초하여 퇴적물 높이 데이터(HDAT)를 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 데이터 처리부(310)는 연산부(312) 및 보간부(314)를 포함할 수 있다. 연산부(312)는 상재압력 데이터(OPDAT) 및 부수적인 데이터(ADAT)(즉, 상기 유체의 단위중량, 상기 퇴적물과 상기 바닥 원지반의 평균 포화단위중량, 및 상기 유체의 수위 변화량)에 기초하여 퇴적물 높이 데이터(HDAT)를 생성할 수 있다. 보간부(314)는 퇴적물 높이 데이터(HDAT)를 보간하고, 상기 보간된 데이터에 기초하여 퇴적물 분포 데이터(DDAT)를 생성할 수 있다.
데이터베이스부(320)는 상재압력 데이터(OPDAT), 퇴적물 높이 데이터(HDAT) 및 퇴적물 분포 데이터(DDAT)를 저장한다.
센싱부(210) 및 정보 제공부(220)는 저수지, 호수 또는 하천 등의 수자원 내에 직접 설치되거나 상기 수자원과 관련된 데이터를 직접적으로 획득하기 위한 현장 시스템부(200)를 구성할 수 있다. 데이터 처리부(310) 및 데이터베이스부(320)는 상기 수자원 내에 직접 설치되지는 않지만 현장 시스템부(200)로부터 데이터(즉, 상재압력 데이터(OPDAT) 및 부수적인 데이터(ADAT))를 근거리 또는 원거리에서 수신하여 이를 처리 및 관리하기 위한 중앙관리 시스템부(300)를 구성할 수 있다. 중앙관리 시스템부(300)는 유무선 통신(예를 들어, 모뎀, 및 공중전화망 또는 인터넷망 등의 원격 통신망)을 통하여 현장 시스템부(200)에서 획득된 데이터를 근거리 또는 원거리에서 실시간으로 수신할 수도 있고, 사용자가 직접 입력하는 방식에 의하여 상기 획득된 데이터를 수신할 수도 있다.
이하에서는 도 2, 3, 4a 및 4b를 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 퇴적물 측정 시스템의 동작을 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 2, 3, 4a 및 4b는 도 1의 퇴적물 측정 시스템을 설명하기 위한 도면들이다.
도 2는 퇴적물 측정 시스템의 센싱부에 포함되는 복수의 토압계들(212)이 설치된 저수지, 호수 또는 하천 등과 같은 수자원 내의 퇴적물 관리 구간을 나타내는 평면도이다. 도 3은 I-I'에 의해 절단된 도 2의 퇴적물 관리 구간을 나타내는 단면도이다. 도 4a 및 4b는 II-II'에 의해 절단된 도 2의 퇴적물 관리 구간을 나타내는 단면도들이다. 도 4a는 적층된 퇴적물에 대한 준설 작업이 수행되기 전을 나타내며, 도 4b는 적층된 퇴적물에 대한 준설 작업이 수행된 후를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 저수지, 호수 또는 하천과 같은 수자원(10)에는 댐, 둑 또는 보와 같은 수공구조물(30)이 설치될 수 있다. 저수지, 호수 또는 하천과 같은 수자원(10) 내에 설정된 퇴적물 관리 구간에는 복수의 토압계들(212)이 설치된다. 복수의 토압계들(212) 각각은 복수의 측정 지점들 중 하나에 상응하도록 설치될 수 있다. 실시예에 따라서, 상기 복수의 측정 지점들은 일정한 간격으로 배치되거나, 일정하지 않은 간격으로 배치될 수 있다.
도 3을 참조하면, 수자원(즉, 퇴적물 관리 구간)은 바닥 원지반, 퇴적물 및 유체를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 바닥 원지반은 기준고(11)와 퇴적물 관리고(13)(즉, 준설 기준선) 사이에 형성될 수 있다. 기준고(11)는 상기 수자원(즉, 퇴적물 관리 구간)의 상기 유체의 수위를 측정하는 기준이며, 퇴적물 관리고(13)는 상기 수자원(즉, 퇴적물 관리 구간)에 적층된 상기 퇴적물에 대한 준설 작업의 기준일 수 있다. 기준고(11) 및 퇴적물 관리고(13)는 상기 수자원의 최초 설계 시에 설정되어 수자원 관리소 등에 의해 관리될 수 있다.
상기 퇴적물은 상기 바닥 원지반 상에 적층될 수 있다. 상기 수자원의 최초 설계 시에는 퇴적물 관리고(13)를 기준으로 준설 작업(즉, 퇴적물 관리 작업)을 수행하여 퇴적물 관리고(13)의 상부에 상기 퇴적물이 적층되지 않으나, 시간이 경과함에 따라 상류에서 토사 및/또는 오염물질들이 흘러 내려와서 상기 퇴적물로서 적층될 수 있다. 일반적으로 수공구조물(30) 근처에 정체성 수역 또는 사류지역 등이 형성될 수 있으며, 이에 따라 수공구조물(30)에서 멀리 떨어진 부분보다 수공구조물(30) 근처 부분에서 퇴적물의 높이가 더 높을 수 있다. 유체(예를 들어, 물)는 상기 퇴적물 상에 위치할 수 있다.
복수의 토압계들(212)은 기준고(11)와 퇴적물 관리고(13) 사이의 상기 바닥 원지반 내에 설치될 수 있다. 즉, 복수의 토압계들(212)은 기준고(11)와 퇴적물 관리고(13) 사이에 설정된 토압계 설치고(15)를 따라 상기 바닥 원지반 내에 매설될 수 있다. 복수의 토압계들(212)을 기준고(11)보다 높게 설치함으로써 상기 퇴적물의 높이를 계산하는데 있어서 토압계들(212)의 위치에서 상기 유체의 표면(19)까지의 거리를 용이하기 획득할 수 있으며, 복수의 토압계들(212)을 퇴적물 관리고(13)보다 낮게 설치함으로써 상기 준설 작업에 의하여 토압계들(212)이 분실되거나 토압계들(212)의 설치 위치가 변경되는 것을 방지할 수 있다. 도 6을 참조하여 후술하는 것처럼, 본 발명의 실시예들에 따른 퇴적물 측정 시스템은 토압계들(212)을 보호하기 위한 보호공을 더 포함할 수 있다.
복수의 토압계들(212)을 이용하여 상기 유체, 상기 퇴적물 및 상기 바닥 원지반에 의한 상기 상재압력을 근거리 또는 원거리에서 측정할 수 있다. 예를 들어, 복수의 토압계들(212)의 설치 초기(즉, 상기 퇴적물의 퇴적 이전)의 상재압력 및 복수의 토압계들(212)의 설치 후 일정 시간이 경과한 이후(즉, 상기 퇴적물의 퇴적 이후)의 상재압력을 측정할 수 있다. 상기 설치 초기의 상재압력이란, 복수의 토압계들(212)의 설치 후 토압계들(212)의 오작동 여부, 설치 위치의 고정, 성토된 바닥 원지반의 안정화 등을 고려하여 복수의 토압계들(212)을 설치한 날로부터 약 3~4일 후에 측정된 상재압력일 수 있다.
복수의 토압계들(212)이 설치된 상기 측정 지점들에 상응하는 좌표 값들 및 복수의 토압계들(212)에서 측정된 상기 상재압력 값들을 포함하는 상재압력 데이터(도 1의 OPDAT)가 데이터 처리부(도 1의 310)에 제공될 수 있다. 상술한 것처럼, 상재압력 데이터(도 1의 OPDAT)는 유무선 통신을 통하여 실시간으로 전송되거나 사용자에 의해 직접 입력될 수 있다.
연산부(도 1의 312)는 상재압력 데이터(도 1의 OPDAT)에 기초하여 상기 복수의 측정 지점들 각각에서의 상기 퇴적물의 높이를 계산하여 퇴적물 높이 데이터(도 1의 HDAT)를 생성할 수 있다. 토압계(212)에 의해 측정된 상재압력은, 토압계(212)의 상부에 존재하는 상기 유체, 상기 유체에 포화된 상기 퇴적물 및 상기 유체에 포화된 설치 편차(hd)만큼의 상기 바닥 원지반에 의한 전압력이며, 표준 대기압을 제외한 계기압력이 토압계(212)에 표시된다. 따라서, 토압계(212)에 의해 측정된 상기 상재압력은 하기의 [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112012051812419-pat00003
상기의 [수학식 3]에서, 상기 σv는 토압계(212)에서 측정된 상재압력(kg중/cm2)을 나타내고, 상기 γw는 상기 유체의 단위중량(kg중/cm3)을 나타내고, 상기 γsat는 상기 퇴적물과 상기 바닥 원지반의 평균 포화단위중량 (kg중/cm3)을 나타내고, 상기 hw는 상기 유체의 표면(19)에서 퇴적물(17)까지의 거리(cm), 즉 상기 유체의 수심을 나타내고, 상기 hd는 토압계 설치고(15)에서 퇴적물 관리고(13)까지의 거리(cm), 즉 토압계 설치 편차를 나타내며, 상기 hs는 퇴적물 관리고(13) 상부에 적층된 상기 퇴적물의 높이(cm)를 나타낸다.
상기의 [수학식 3]에서 상기 포화된 퇴적물과 바닥 원지반의 압력인 'γsat(hd+hs)'는 흙의 공극에 포화된 유체에 의한 간극수압과 흙 입자가 분담하는 유효응력의 합으로 나타낼 수 있으므로, 토압계(212)에 의해 측정된 상기 상재압력은 하기의 [수학식 4]와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112012051812419-pat00004
상기의 [수학식 4]에서, 상기 Hw(즉, hw+hd+hs)는 토압계 설치고(15)에서 유체의 표면(19)까지의 거리(cm)를 나타내며, 상기 γsub(즉, γsat-γw)는 수중단위중량(kg중/cm3), 즉 상기 퇴적물과 상기 바닥 원지반의 평균 포화단위중량과 상기 유체의 단위중량의 차이를 나타낸다.
상기의 [수학식 4]에 기초하여 퇴적물 높이 데이터(도 1의 HDAT)에 포함되는 복수의 퇴적물 높이 값들 중에서 상기 복수의 측정 지점들 중 제1 측정 지점에 상응하는 제1 퇴적물 높이 값은 다음과 같이 계산될 수 있다. 먼저, 토압계(212)의 설치 초기에 상기 퇴적물이 적층되지 않은 상태에서 측정된 상기 초기 상재압력(σ0)은 하기의 [수학식 5]와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112012051812419-pat00005
이후에, 상기 퇴적물 관리 구간의 상기 유체의 수위가 상기 초기 상재압력(σ0)의 측정 시와 실질적으로 동일하고 상기 퇴적물이 적층된 경우에 측정된 상재압력(σ1)은 하기의 [수학식 6]과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112012051812419-pat00006
따라서, 상기의 [수학식 6]에서 [수학식 5]를 감산하면, 상기 퇴적물 관리 구간의 상기 유체의 수위가 일정한 경우에 상기 제1 측정 지점에서 퇴적물 관리고(13)의 상부에 적층된 상기 퇴적물의 높이인 상기 제1 퇴적물 높이 값(hs)은 하기의 [수학식 7]과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112012051812419-pat00007
한편, 상기 퇴적물 관리 구간의 상기 유체의 수위가 상기 초기 상재압력(σ0)의 측정 시와 상이하고 상기 퇴적물이 적층된 경우에 측정된 상재압력(σ2)은 하기의 [수학식 8]과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112012051812419-pat00008
상기의 [수학식 8]에서, 상기 Δhw는 상기 초기 상재압력의 측정 시의 수위와 상기 퇴적물이 적층된 후의 상재압력의 측정 시의 수위의 변화량을 나타낸다.
따라서, 상기의 [수학식 8]에서 [수학식 5]를 감산하면, 상기 퇴적물 관리 구간의 상기 유체의 수위가 변경된 경우에 상기 제1 측정 지점에서 퇴적물 관리고(13)의 상부에 적층된 상기 퇴적물의 높이인 상기 제1 퇴적물 높이 값(hs)은 하기의 [수학식 9]와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112012051812419-pat00009
또는, 토압계 설치고(15)에서 상기 유체의 변화된 표면까지의 거리인 Hw'(즉, Hw+Δhw)를 이용하여, 상기의 [수학식 5]의 초기 상재압력이 하기의 [수학식 10]과 같이 표현되고 상기의 [수학식 8]의 퇴적물이 적층된 경우에 측정된 상재압력이 하기의 [수학식 11]과 같이 표현될 수 있다. [수학식 10] 및 [수학식 11]에 기초하여 상기 퇴적물 관리 구간의 상기 유체의 수위가 변경된 경우에 상기 제1 측정 지점에서 퇴적물 관리고(13)의 상부에 적층된 상기 퇴적물의 높이인 상기 제1 퇴적물 높이 값(hs)은 하기의 [수학식 12]와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112012051812419-pat00010
[수학식 11]
Figure 112012051812419-pat00011
[수학식 12]
Figure 112012051812419-pat00012
만약, 토압계 설치고(15)에서 퇴적물 관리고(13)까지의 거리인 토압계 설치 편차(hd)를 알고 있는 경우에는, 초기 상재압력(σ0)을 알지 못한다고 하더라도 퇴적물 높이 값을 계산할 수 있다. 예를 들어, 상기 퇴적물 관리 구간의 상기 유체의 수위가 일정한 경우에 상기 제1 퇴적물 높이 값(hs)은 상기의 [수학식 6]에 기초하여 하기의 [수학식 13]과 같이 표현될 수 있으며, 상기 퇴적물 관리 구간의 상기 유체의 수위가 변경된 경우에 상기 제1 퇴적물 높이 값(hs)은 상기의 [수학식 8]에 기초하여 하기의 [수학식 14]와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112012051812419-pat00013
[수학식 14]
Figure 112012051812419-pat00014
한편, 상기의 [수학식 7], [수학식 9], [수학식 12], [수학식 13] 또는 [수학식 14]와 같이 상기 퇴적물의 높이를 계산하기 위하여, 연산부(도 1의 312)는 정보 제공부(도 1의 220)로부터 수신된 부수적인 데이터(도 1의 ADAT)를 이용할 수 있다. 부수적인 데이터(도 1의 ADAT)는 상기 유체의 단위중량(γw), 상기 퇴적물과 상기 바닥 원지반의 평균 포화단위중량(γsat), 상기 유체의 수위 변화량(Δhw) 및 토압계 설치고(15)에서 유체의 표면(19)까지의 거리(Hw)에 대한 정보를 포함할 수 있다. 구체적으로, 저수지, 호수 또는 하천과 같은 수자원에는 수자원 관리를 위한 수자원 관리소가 위치해 있다. 상기 수자원 관리소는 기준고(11)를 기준으로 한 상기 유체의 수위 변화량(Δhw)을 실시간으로 측정하고 있으므로, 정보 제공부(도 1의 220)는 상기 수자원 관리소로부터 상기 유체의 수위 변화량(Δhw)에 대한 정보를 수신하여 연산부(도 1의 312)에 제공할 수 있다. 또한 정보 제공부(도 1의 220)는 기준고(11)에서부터 상기 유체의 표면(19)까지의 거리에서 기준고(11)에서부터 토압계 설치고(15)까지의 거리를 감산하여 토압계 설치고(15)에서부터 상기 유체의 표면(19)까지의 거리(Hw)에 대한 정보를 연산부(도 1의 312)에 제공할 수 있다. 상기 퇴적물과 상기 바닥 원지반의 평균 포화단위중량(γsat) 및 상기 유체의 단위중량(γw)은 상기 계산에 민감할 정도로 퇴적 구간의 시·공간적 값의 차이가 크지 않으므로, 정보 제공부(도 1의 220)는 토압계(212)의 설치 초기에 측정된 값 또는 주기적으로 측정된 값이나 저수지, 호수 또는 하천에서의 일반적인 평균값을 가정하여 연산부(도 1의 312)에 제공할 수 있다.
보간부(도 1의 314)는 퇴적물 높이 데이터(도 1의 HDAT)를 보간하고, 상기 보간된 데이터에 기초하여 퇴적물 분포 데이터(도 1의 DDAT)를 생성할 수 있다. 보간부(도 1의 314)는 퇴적물 높이 데이터(HDAT)에 포함되는 상기 복수의 측정 지점들의 좌표 값들 및 상기 복수의 측정 지점들의 퇴적물 높이 값들에 기초하여 상기 보간 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 보간부(도 1의 314)는 크리깅 보간, 역거리 보간, 선형 보간, 다항식 보간, 스플라인 보간, 최근린 보간, 불규칙 삼각망 보간 및 가우시안 보간 등과 같은 다양한 데이터 보간 기법들 중에서 적어도 하나를 선택하고 상기 선택된 보간 기법에 기초하여 상기 보간 동작을 수행할 수 있다. 퇴적물 분포 데이터(도 1의 DDAT)는 상기 퇴적물 관리 구간의 전체적인 퇴적물 분포에 상응할 수 있다.
일 실시예에서, 도 1의 중앙관리 시스템부(300)는 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하는 분석 컴퓨터의 형태로 구현될 수 있다. 상기 분석 컴퓨터는 상술한 계산방식을 통해 상기 복수의 측정 지점들의 퇴적물의 높이를 계산하는 알고리즘을 포함하고, 상기 복수의 측정 지점들의 좌표 값과 상기 계산된 퇴적물의 높이를 이용하여 상기 퇴적물 관리 구간의 퇴적물 분포를 계산하는 보간 알고리즘을 포함하며, 데이터들을 저장하는 데이터베이스를 포함할 수 있다.
도 4a를 참조하면, 상기 적층된 퇴적물에 대한 준설 작업이 수행되기 이전에는 퇴적물(17a)이 다수 적층되어 있다. 이러한 퇴적물(17a)에 의하여 재부유에 의한 탁도 증가, 영양염류 용출, 심층산소 고갈, 이취미 유발, 저류유량 감소 등의 사회적, 환경적, 생태적 문제가 발생할 수 있다. 도 4b를 참조하면, 상기 적층된 퇴적물에 대한 준설 작업이 수행된 이후에는 퇴적물(17b)이 퇴적물 관리고(13)에 상응하도록 관리되어 있다. 따라서 수자원 환경이 개선될 수 있다.
도 5a 및 5b는 도 1의 퇴적물 측정 시스템에 포함되는 토압계의 예들을 나타내는 도면들이다.
도 5a 및 5b를 참조하면, 토압계에 작용하는 전압력(상재압력), 즉 상기 유체의 수압, 상기 바닥 원지반의 간극수압, 및 상기 퇴적물과 상기 바닥 원지반의 토압력을 동시에 측정할 수 있도록 설계·제작된 상용 토압계들이 도시된다. 도 5a의 토압계는 상대적으로 외형이 튼튼하고 측정범위가 비교적 넓은 진동현식 다이아프램 구조의 토압계이며, 도 5b의 토압계는 상대적으로 외형이 유연하게 휘어질 수 있고 크기가 소형이며 측정범위는 비교적 작은 FlexiForce 토압계이다. 측정되는 토압력의 범위, 퇴적토사의 특성, 설치 위치 및 간격, 퇴적물 측정구간의 범위 등을 고려하여 도 5a의 토압계 및 도 5b의 토압계 중에서 하나가 선택될 수 있으며, 실시예에 따라서 다른 형식의 토압계가 선택되어 사용될 수도 있다.
도 6은 도 1의 퇴적물 측정 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 퇴적물 측정 시스템의 센싱부에 포함되는 복수의 토압계들(212)이 설치된 저수지, 호수 또는 하천 등과 같은 수자원 내의 퇴적물 관리 구간을 나타내는 평면도이다.
도 6을 참조하면, 저수지, 호수 또는 하천과 같은 수자원(10)에는 댐, 둑 및 보와 같은 수공구조물(30)이 설치될 수 있다. 수자원(10) 내에 설정된 퇴적물 관리 구간에는 복수의 측정 지점들에 상응하도록 복수의 토압계들(212)이 설치될 수 있다. 또한 상기 복수의 토압계들을 둘러싸는 복수의 보호공들(214)이 설치될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따른 퇴적물 측정 시스템은 상기 복수의 토압계들을 각각 둘러싸도록 형성되는 복수의 보호공들(214)을 더 포함할 수 있다.
복수의 보호공들(214)을 더 포함하는 것을 제외하면, 퇴적물 측정 시스템의 구성 및 동작은 도 2 및 3을 참조하여 상술한 것과 실질적으로 동일하다.
도 7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 8c, 9a, 9b, 9c, 10a, 10b 및 10c는 도 1의 퇴적물 측정 시스템에 포함되는 보호공의 예들을 나타내는 도면들이다.
도 7a는 보호공의 일 예를 나타내는 사시도이다. 도 7b 및 7c는 각각 도 7a의 보호공을 나타내는 평면도 및 측면도이다. 도 8a는 보호공의 다른 예를 나타내는 사시도이다. 도 8b 및 8c는 각각 도 8a의 보호공을 나타내는 평면도 및 측면도이다. 도 9a는 보호공의 또 다른 예를 나타내는 사시도이다. 도 9b 및 9c는 각각 도 9a의 보호공을 나타내는 평면도 및 측면도이다. 도 10a는 보호공의 또 다른 예를 나타내는 사시도이다. 도 10b 및 10c는 각각 도 10a의 보호공을 나타내는 평면도 및 측면도이다.
도 7a, 7b 및 7c를 참조하면, 토압계(212)는 보호공(214a)의 상부에 고정하여 장착된다. 즉, 보호공(214a)은 토압계(212)를 둘러싸도록 형성되고, 토압계(212)의 상재압력 측정 부분을 노출시키도록 형성될 수 있다. 보호공(214a)은 토압계(212)의 유실을 방지하고 토압계(212)에 의한 상재압력의 측정위치를 고정시킬 수 있다. 예를 들어, 보호공(214a)은 토압계(212) 상부의 상재압력을 견딜 수 있고 외부환경으로부터 보호될 수 있도록 콘크리트나 철의 재질로 제작될 수 있다.
일 실시예에서, 보호공(214a)은 윗면 및 아랫면이 다각형(예를 들어, 사각형)의 형상을 가지는 다각기둥(예를 들어, 사각기둥)의 형태를 가질 수 있다. 보호공(214a)의 윗면의 넓이는 아랫면의 넓이와 상이할 수 있으며, 예를 들어 아랫면이 윗면보다 넓을 수 있다. 보호공(214a)의 무게와 주변 마찰력에 의해 퇴적물 관리 작업시 토압계(212)가 분실 및 이격되는 현상을 방지할 수 있다. 실시예에 따라서, 보호공(214a)의 옆면의 조도를 높일 수 있도록 요철을 형성함으로써, 주변과의 마찰력을 증가시킬 수 있다.
한편, 보호공(214a)은 측정된 데이터를 외부로 전송하기 위한 통신선(216) 또는 원격 통신망 장비를 설치할 수 있도록 제작될 수 있다. 토압계(212)와 보호공(214a)은 수중과 같은 조건의 포화 원지반에 매설되므로, 통신선(216) 또는 원격 통신망 장비와의 연결부위는 상재압력과 유체 속에서도 기능을 유지할 수 있도록 내구성 있게 설계 및 제작될 수 있다.
도 8a, 8b 및 8c를 참조하면, 토압계(212)는 보호공(214b)의 상부에 고정하여 장착된다. 즉, 보호공(214b)은 토압계(212)를 둘러싸도록 형성되고, 토압계(212)의 상재압력 측정 부분을 노출시키도록 형성될 수 있다. 도 8a, 8b 및 8c의 보호공(214b)은 윗면의 넓이와 아랫면의 넓이가 실질적으로 동일한 것을 제외하면, 도 7a, 7b 및 7c의 보호공(214a)과 실질적으로 동일할 수 있다.
도 9a, 9b 및 9c를 참조하면, 토압계(212)는 보호공(214c)의 상부에 고정하여 장착된다. 즉, 보호공(214c)은 토압계(212)를 둘러싸도록 형성되고, 토압계(212)의 상재압력 측정 부분을 노출시키도록 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 보호공(214c)은 윗면 및 아랫면이 원형의 형상을 가지는 원기둥의 형태를 가질 수 있다. 보호공(214c)의 윗면의 넓이는 아랫면의 넓이와 상이할 수 있으며, 예를 들어 아랫면이 윗면보다 넓을 수 있다. 한편, 보호공(214c)은 측정된 데이터를 외부로 전송하기 위한 통신선(216) 또는 원격 통신망 장비를 설치할 수 있도록 제작될 수 있다.
도 10a, 10b 및 10c를 참조하면, 토압계(212)는 보호공(214d)의 상부에 고정하여 장착된다. 즉, 보호공(214d)은 토압계(212)를 둘러싸도록 형성되고, 토압계(212)의 상재압력 측정 부분을 노출시키도록 형성될 수 있다. 도 10a, 10b 및 10c의 보호공(214d)은 윗면의 넓이와 아랫면의 넓이가 실질적으로 동일한 것을 제외하면, 도 9a, 9b 및 9c의 보호공(214c)과 실질적으로 동일할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 퇴적물 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1 및 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 저수지, 호수 또는 하천 내의 퇴적물 관리 구간에 적층된 퇴적물을 측정하는 퇴적물 측정 방법에서는, 상기 퇴적물 관리 구간 내의 복수의 측정 지점들에서 유체, 상기 퇴적물 및 바닥 원지반에 의한 상재압력을 각각 측정하여 상재압력 데이터(OPDAT)를 생성한다(단계 S100). 예를 들어, 센싱부(210)는 복수의 토압계들(212a, ..., 212n)을 이용하여 상기 복수의 측정 지점들의 좌표 값들 및 상기 복수의 측정 지점들에서 측정된 상재압력 값들을 포함하는 상재압력 데이터(OPDAT)를 생성할 수 있다.
상재압력 데이터(OPDAT)를 기초로 상기 복수의 측정 지점들 각각에서 상기 퇴적물의 높이를 계산하여 퇴적물 높이 데이터(HDAT)를 생성한다(단계 S200). 예를 들어, 데이터 처리부(310)에 포함된 연산부(312)는 도 3을 참조하여 상술한 [수학식 7], [수학식 9], [수학식 12], [수학식 13] 또는 [수학식 14]를 이용하여 상기 복수의 측정 지점들의 좌표 값들 및 상기 복수의 측정 지점들의 퇴적물 높이 값들을 포함하는 퇴적물 높이 데이터(HDAT)를 생성할 수 있다. 연산부(312)는 정보 제공부(220)로부터 연산에 필요한 부수적인 데이터(ADAT)를 더 수신할 수 있으며, 상재압력 데이터(OPDAT) 및 부수적인 데이터(ADAT)에 기초하여 퇴적물 높이 데이터(HDAT)를 생성할 수 있다.
퇴적물 높이 데이터(HDAT)에 기초하여 상기 퇴적물 관리 구간에 적층된 상기 퇴적물의 분포에 상응하는 퇴적물 분포 데이터(DDAT)를 생성한다(단계 S300). 예를 들어, 데이터 처리부(310)에 포함된 보간부(314)는 다양한 데이터 보간 기법들 중에서 적어도 하나를 선택하여 퇴적물 높이 데이터(HDAT)를 보간하고, 상기 보간된 데이터에 기초하여 상기 퇴적물 관리 구간의 전체적인 퇴적물 분포에 상응하는 퇴적물 분포 데이터(DDAT)를 생성할 수 있다.
상재압력 데이터(OPDAT), 퇴적물 높이 데이터(HDAT) 및 퇴적물 분포 데이터(DDAT)를 데이터베이스부(320)에 저장한다(단계 S400). 상기 저장된 데이터들은 다양하게 활용될 수 있다.
도 12는 도 11의 퇴적물 측정 방법에서 상재압력 데이터를 생성하는 단계의 일 예를 나타내는 순서도이다.
도 1, 3, 11 및 12를 참조하면, 상재압력 데이터(OPDAT)를 생성함에 있어서, 기준고(11) 및 퇴적물 관리고(13)에 기초하여 토압계 설치고(15)를 설정할 수 있다(단계 S110). 기준고(11)는 상기 퇴적물 관리 구간의 상기 유체의 수위를 측정하는 기준이며, 퇴적물 관리고(13)는 상기 퇴적물 관리 구간에 적층된 상기 퇴적물에 대한 준설 작업의 기준일 수 있다. 예를 들어, 토압계 설치고(15)는 기준고(11)와 퇴적물 관리고(13)의 사이에 위치하도록 설정될 수 있다.
상기 복수의 측정 지점들에 상응하도록 토압계 설치고(15)를 따라 상기 바닥 원지반 내에 복수의 토압계들(212)을 설치할 수 있다(단계 S120). 즉, 복수의 토압계들(212)은 기준고(11)와 퇴적물 관리고(13) 사이에 설정된 토압계 설치고(15)를 따라 상기 바닥 원지반 내에 매설될 수 있다.
복수의 토압계들(212)을 이용하여 상기 유체, 상기 퇴적물 및 상기 바닥 원지반에 의한 상기 상재압력을 측정할 수 있다(단계 S130). 이후에 상기 복수의 측정 지점들의 좌표 값들 및 상기 복수의 측정 지점들에서 측정된 상재압력 값들에 기초하여 상재압력 데이터(OPDAT)를 생성할 수 있다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 퇴적물 측정 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 13을 참조하면, 퇴적물 측정 시스템(100a)은 센싱부(210), 데이터 처리부(310) 및 데이터베이스부(320)를 포함하며, 정보 제공부(220) 및 모니터링부(330)를 더 포함할 수 있다.
도 13의 퇴적물 측정 시스템(100a)은, 모니터링부(330)를 더 포함하는 것을 제외하면 도 1의 퇴적물 측정 시스템(100)과 실질적으로 동일할 수 있다. 즉, 도 13의 센싱부(210), 정보 제공부(220), 데이터 처리부(310) 및 데이터베이스부(320)는 도 1의 센싱부(210), 정보 제공부(220), 데이터 처리부(310) 및 데이터베이스부(320)와 각각 실질적으로 동일할 수 있으며, 도 2, 3, 4a 및 4b를 참조하여 상술한 것처럼 동작할 수 있다.
모니터링부(330)는 퇴적물 높이 데이터(HDAT) 및 퇴적물 분포 데이터(DDAT)를 도시, 분석 및 모니터링할 수 있다. 예를 들어, 모니터링부(330)는 퇴적물 관리를 위한 사항들(예를 들어, 퇴적물 관리 시기, 위치, 준설 작업량, 비용 등)을 확인 및 검토하고 퇴적물 관리 작업 계획 및 작업 성취도를 평가하기 위해 퇴적물 관리 구간의 퇴적물 높이 및 분포 변화를 근·원거리에서 지속적으로 측정 및 모니터링할 수 있다. 또한 모니터링부(330)는 필요시 시간, 장소, 담당자별로 원하는 자료들을 모니터 및 출력하여 보도록 할 수 있다.
데이터 처리부(310), 데이터베이스부(320) 및 모니터링부(330)는 현장 시스템부(200)로부터 데이터(즉, 상재압력 데이터(OPDAT) 및 부수적인 데이터(ADAT))를 수신하여 이를 처리 및 관리하기 위한 중앙관리 시스템부(300a)를 구성할 수 있다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 퇴적물 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 13 및 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 저수지, 호수 또는 하천 내의 퇴적물 관리 구간에 적층된 퇴적물을 측정하는 퇴적물 측정 방법에서는, 상기 퇴적물 관리 구간 내의 복수의 측정 지점들에서 유체, 상기 퇴적물 및 바닥 원지반에 의한 상재압력을 각각 측정하여 상재압력 데이터(OPDAT)를 생성하고(단계 S100), 상재압력 데이터(OPDAT)를 기초로 상기 복수의 측정 지점들 각각에서 상기 퇴적물의 높이를 계산하여 퇴적물 높이 데이터(HDAT)를 생성하고(단계 S200), 퇴적물 높이 데이터(HDAT)에 기초하여 상기 퇴적물 관리 구간에 적층된 상기 퇴적물의 분포에 상응하는 퇴적물 분포 데이터(DDAT)를 생성하며(단계 S300), 상재압력 데이터(OPDAT), 퇴적물 높이 데이터(HDAT) 및 퇴적물 분포 데이터(DDAT)를 저장한다(단계 S400). 도 13의 단계 S100, S200, S300 및 S400은 도 11의 단계 S100, S200, S300 및 S400과 각각 실질적으로 동일할 수 있다.
퇴적물 높이 데이터(HDAT) 및 퇴적물 분포 데이터(DDAT)를 도시, 분석 및 모니터링한다. 예를 들어, 모니터링부(330)는 퇴적물 관리를 위한 사항들을 확인 및 검토하고 퇴적물 관리 작업 계획 및 작업 성취도를 평가하기 위해 퇴적물 관리 구간의 퇴적물 높이 및 분포 변화를 근·원거리에서 지속적으로 측정 및 모니터링할 수 있으며, 필요시 시간, 장소, 담당자별로 원하는 자료들을 모니터 및 출력하여 보도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 퇴적물 측정 시스템 및 방법은 저수지, 호수 또는 하천 등과 같은 수자원 내에 적층된 퇴적물을 측정 및 관리하는 시스템 등에 유용하게 이용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (16)

  1. 저수지, 호수 또는 하천 내의 퇴적물 관리 구간에 적층된 퇴적물을 측정하는 시스템으로서,
    상기 퇴적물 관리 구간 내의 복수의 측정 지점들에서 유체, 상기 퇴적물 및 바닥 원지반에 의한 상재압력(overburden pressure)을 각각 측정하여 상재압력 데이터를 생성하는 센싱부;
    상기 상재압력 데이터를 기초로 상기 복수의 측정 지점들 각각에서 상기 퇴적물의 높이를 계산하여 퇴적물 높이 데이터를 생성하고, 상기 퇴적물 높이 데이터에 기초하여 상기 퇴적물 관리 구간에 적층된 상기 퇴적물의 분포에 상응하는 퇴적물 분포 데이터를 생성하는 데이터 처리부; 및
    상기 상재압력 데이터, 상기 퇴적물 높이 데이터 및 상기 퇴적물 분포 데이터를 저장하는 데이터베이스부를 포함하고,
    상기 데이터 처리부는,
    상기 상재압력 데이터, 상기 유체의 단위중량, 상기 퇴적물과 상기 바닥 원지반의 평균 포화단위중량, 및 상기 유체의 수위 변화량에 기초하여 상기 퇴적물 높이 데이터를 생성하는 연산부; 및
    상기 퇴적물 높이 데이터를 보간하고, 상기 보간된 데이터에 기초하여 상기 퇴적물 분포 데이터를 생성하는 보간부를 포함하며,
    상기 퇴적물 관리 구간의 상기 유체의 수위가 일정한 경우에, 상기 퇴적물 높이 데이터에 포함되고 상기 복수의 측정 지점들 중 제1 측정 지점에 상응하는 제1 퇴적물 높이 값은 하기의 [수학식 15]를 만족하는 퇴적물 측정 시스템.
    [수학식 15]
    Figure 112012083074829-pat00041

    상기의 [수학식 15]에서, hs는 상기 제1 퇴적물 높이 값, 상기 σ0은 상기 제1 측정 지점의 초기 상재압력, 상기 σ1은 상기 제1 측정 지점의 퇴적물 퇴적 후의 상재압력, 상기 γw는 상기 유체의 단위중량, 상기 γsat는 상기 퇴적물과 상기 바닥 원지반의 평균 포화단위중량을 나타냄.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 센싱부는,
    상기 복수의 측정 지점들에 설치되어 상기 복수의 측정 지점들의 상기 상재압력을 측정하는 복수의 토압계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 퇴적물 측정 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 바닥 원지반은 상기 퇴적물 관리 구간의 상기 유체의 수위를 측정하는 기준인 기준고와 상기 퇴적물 관리 구간에 적층된 상기 퇴적물에 대한 준설 작업의 기준인 퇴적물 관리고 사이에 형성되고, 상기 퇴적물은 상기 바닥 원지반 상에 적층되고, 상기 유체는 상기 퇴적물 상에 위치하며,
    상기 복수의 토압계들은 상기 기준고와 상기 퇴적물 관리고 사이의 상기 바닥 원지반 내에 설치되는 것을 특징으로 하는 퇴적물 측정 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 토압계들을 각각 둘러싸도록 형성되고 상기 복수의 토압계들의 상재압력 측정 부분을 각각 노출시키도록 형성되는 복수의 보호공들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 퇴적물 측정 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수의 보호공들 각각은 윗면 및 아랫면이 원형 또는 다각형의 형상을 가지는 원기둥 또는 다각기둥의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 퇴적물 측정 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 보호공들의 윗면의 넓이는 상기 복수의 보호공들의 아랫면의 넓이와 동일하거나 상이한 것을 특징으로 하는 퇴적물 측정 시스템.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체의 단위중량, 상기 퇴적물과 상기 바닥 원지반의 평균 포화단위중량, 및 상기 유체의 수위 변화량에 대한 정보를 제공하는 정보 제공부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 퇴적물 측정 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 보간부는,
    크리깅 보간, 역거리 보간, 선형 보간, 다항식 보간, 스플라인 보간, 최근린 보간, 불규칙 삼각망 보간 및 가우시안 보간 중에서 적어도 하나를 선택하여 상기 퇴적물 높이 데이터를 보간하는 것을 특징으로 하는 퇴적물 측정 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 퇴적물 높이 데이터 및 상기 퇴적물 분포 데이터를 도시, 분석 및 모니터링하는 모니터링부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 퇴적물 측정 시스템.
  13. 저수지, 호수 또는 하천 내의 퇴적물 관리 구간에 적층된 퇴적물을 측정하는 방법으로서,
    상기 퇴적물 관리 구간 내의 복수의 측정 지점들에서 유체, 상기 퇴적물 및 바닥 원지반에 의한 상재압력(overburden pressure)을 각각 측정하여 상재압력 데이터를 생성하는 단계;
    상기 상재압력 데이터를 기초로 상기 복수의 측정 지점들 각각에서 상기 퇴적물의 높이를 계산하여 퇴적물 높이 데이터를 생성하는 단계;
    상기 퇴적물 높이 데이터에 기초하여 상기 퇴적물 관리 구간에 적층된 상기 퇴적물의 분포에 상응하는 퇴적물 분포 데이터를 생성하는 단계; 및
    상기 상재압력 데이터, 상기 퇴적물 높이 데이터 및 상기 퇴적물 분포 데이터를 저장하는 단계를 포함하고,
    상기 퇴적물 높이 데이터를 생성하는 단계는, 상기 상재압력 데이터, 상기 유체의 단위중량, 상기 퇴적물과 상기 바닥 원지반의 평균 포화단위중량, 및 상기 유체의 수위 변화량에 기초하여 상기 퇴적물 높이 데이터를 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 퇴적물 분포 데이터를 생성하는 단계는, 상기 퇴적물 높이 데이터를 보간하고, 상기 보간된 데이터에 기초하여 상기 퇴적물 분포 데이터를 생성하는 단계를 포함하며,
    상기 퇴적물 관리 구간의 상기 유체의 수위가 일정한 경우에, 상기 퇴적물 높이 데이터에 포함되고 상기 복수의 측정 지점들 중 제1 측정 지점에 상응하는 제1 퇴적물 높이 값은 하기의 [수학식 16]을 만족하는 퇴적물 측정 방법.
    [수학식 16]
    Figure 112012083074829-pat00042

    상기의 [수학식 16]에서, hs는 상기 제1 퇴적물 높이 값, 상기 σ0은 상기 제1 측정 지점의 초기 상재압력, 상기 σ1은 상기 제1 측정 지점의 퇴적물 퇴적 후의 상재압력, 상기 γw는 상기 유체의 단위중량, 상기 γsat는 상기 퇴적물과 상기 바닥 원지반의 평균 포화단위중량을 나타냄.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 상재압력 데이터를 생성하는 단계는,
    상기 퇴적물 관리 구간의 상기 유체의 수위를 측정하는 기준인 기준고 및 상기 퇴적물 관리 구간에 적층된 상기 퇴적물에 대한 준설 작업의 기준인 퇴적물 관리고에 기초하여 토압계 설치고를 설정하는 단계;
    상기 복수의 측정 지점들에 상응하도록 상기 토압계 설치고를 따라 상기 바닥 원지반 내에 복수의 토압계들을 설치하는 단계; 및
    상기 복수의 토압계들을 이용하여 상기 유체, 상기 퇴적물 및 상기 바닥 원지반에 의한 상기 상재압력을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 퇴적물 측정 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 퇴적물 높이 데이터 및 상기 퇴적물 분포 데이터를 도시, 분석 및 모니터링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 퇴적물 측정 방법.
  16. 저수지, 호수 또는 하천 내의 퇴적물 관리 구간에 적층된 퇴적물을 측정하는 시스템으로서,
    상기 퇴적물 관리 구간 내의 복수의 측정 지점들에서 유체, 상기 퇴적물 및 바닥 원지반에 의한 상재압력(overburden pressure)을 각각 측정하여 상재압력 데이터를 생성하는 센싱부;
    상기 상재압력 데이터를 기초로 상기 복수의 측정 지점들 각각에서 상기 퇴적물의 높이를 계산하여 퇴적물 높이 데이터를 생성하고, 상기 퇴적물 높이 데이터에 기초하여 상기 퇴적물 관리 구간에 적층된 상기 퇴적물의 분포에 상응하는 퇴적물 분포 데이터를 생성하는 데이터 처리부; 및
    상기 상재압력 데이터, 상기 퇴적물 높이 데이터 및 상기 퇴적물 분포 데이터를 저장하는 데이터베이스부를 포함하고,
    상기 데이터 처리부는,
    상기 상재압력 데이터, 상기 유체의 단위중량, 상기 퇴적물과 상기 바닥 원지반의 평균 포화단위중량, 및 상기 유체의 수위 변화량에 기초하여 상기 퇴적물 높이 데이터를 생성하는 연산부; 및
    상기 퇴적물 높이 데이터를 보간하고, 상기 보간된 데이터에 기초하여 상기 퇴적물 분포 데이터를 생성하는 보간부를 포함하며,
    상기 퇴적물 관리 구간의 상기 유체의 수위가 변경된 경우에, 상기 퇴적물 높이 데이터에 포함되고 상기 복수의 측정 지점들 중 제1 측정 지점에 상응하는 제1 퇴적물 높이 값은 하기의 [수학식 17]을 만족하는 것을 특징으로 하는 퇴적물 측정 시스템.
    [수학식 17]
    Figure 112012083074829-pat00043

    상기의 [수학식 17]에서, hs는 상기 제1 퇴적물 높이 값, 상기 σ0은 상기 제1 측정 지점의 초기 상재압력, 상기 σ2는 상기 제1 측정 지점의 퇴적물 퇴적 후의 상재압력, 상기 γw는 상기 유체의 단위중량, 상기 γsat는 상기 퇴적물과 상기 바닥 원지반의 평균 포화단위중량, 상기 Δhw는 상기 제1 측정 지점의 상기 초기 상재압력의 측정 시의 수위와 상기 제1 측정 지점의 상기 퇴적물이 적층된 후의 상재압력의 측정 시에 상기 유체의 수위의 변화량을 나타냄.
KR1020120070042A 2012-06-28 2012-06-28 상재압력을 이용한 퇴적물 측정 시스템 및 퇴적물 측정 방법 KR101209460B1 (ko)

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