KR101947790B1 - 수위예측을 위한 강우관측소용 수위계측기둥 조립체 - Google Patents

수위예측을 위한 강우관측소용 수위계측기둥 조립체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수위예측을 위한 강우관측소용 수위계측기둥 조립체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 국가, 광역 및 기초 자치단체, 국영기업들이 관측 기록하고 있는 하천의 강우사상으로부터 하천의 유역(river basin)내에 내리는 강우에 대한 유역반응을 확인하고, 유역반응으로부터 강우에 대응하기 위한 유역 반응시간을 알 수 있도록 수위곡선(timestage curve)을 모델링하여 하천의 수위를 예측할 때 수위계측기둥을 이용하여 수위 또는 수위와 함께 유속을 주기적으로 검출함으로써 검출효율과 정확도를 향상시킨 수위예측을 위한 강우관측소용 수위계측기둥 조립체에 관한 것이다.

Description

수위예측을 위한 강우관측소용 수위계측기둥 조립체{Water level measurement column assembly for rainfall observation for water level prediction}
본 발명은 수위예측을 위한 강우관측소용 수위계측기둥 조립체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 국가, 광역 및 기초 자치단체, 국영기업들이 관측 기록하고 있는 하천의 강우사상으로부터 하천의 유역(river basin)내에 내리는 강우에 대한 유역반응을 확인하고, 유역반응으로부터 강우에 대응하기 위한 유역 반응시간을 알 수 있도록 수위곡선(timestage curve)을 모델링하여 하천의 수위를 예측할 때 수위계측기둥을 이용하여 수위 또는 수위와 함께 유속을 주기적으로 검출함으로써 검출효율과 정확도를 향상시킨 수위예측을 위한 강우관측소용 수위계측기둥 조립체에 관한 것이다.
하천에 흐르는 유량이나 수위를 알기 위하여 일반적으로 수위계를 설치한다.
수위계는 일반적으로 하천을 횡단하는 구조물인 교량의 중앙지점에 설치한다.
왜냐하면, 그 지점은 대부분 하천의 유심부이므로 대표성을 갖고 있으리라 판단하기 때문이다.
과거에는 수표교처럼 교량의 교각에 축척을 표시하여 눈으로 수위를 관측하고 기록하였으나, 정보통신기술(information and communications technology)이 발달한 지금은 도 1과 같은 강우관측소를 설치하고 수위계측기둥을 수직으로 배치한 상태에서 수위검출센서를 통해 수위변화를 실시간으로 기록하거나 혹은 수위검출센서를 설치하기 곤란한 경우에는 초음파센서를 통해 초음파를 수면에 조사한 후 반사되어 수신되는 시간차를 이용하여 수위를 계측하고 있다.
이렇게 계측된 자료는 컴퓨터에 저장되어 있어 도 2와 같이 언제든지 해당기록을 확인하여 정리할 수 있다.
여기에서, 수위기록이 중요한 것은 강수(눈, 비)가 임의의 하천유역에 내렸을 때, 수위는 유역이 강우에 반응하는 유출(직접유출) 자료로서 매우 중요한 단서이기 때문이다.
통상, 수위기록은 하천을 관리하는 기관(국가, 광역 및 기초 자치단체, 국영기업)에서 관측, 기록하고 있으며, 오랜 기간은 아니어도 강우사상을 추출할 수 있을 정도의 자료는 축적되어 있다.
그러나, 수위자료가 있는 임의의 하천유역(계측유역을 의미)에서도 미계측 유역과 동일하게 간주하여 간접적인 유출량 산정법으로 홍수량을 산정하고, 유량의 규모와 수위를 예측하고 있다.
즉, 계측된 수위자료가 있는 하천에서도 축적된 유용한 자료를 활용하지 못하고 있다.
다시 말해, 강우에 반응하는 홍수량을 산정하기 위해서는 '토양의 조건', '유역의 개발정도', '강수의 차단 및 저류', '침투', '유역의 흐름조건(경사,시간)' 등 수많은 가정을 거쳐 홍수량을 산정해야 하는데, 이러한 방법은 수위를 예측하기 위해 간접적인 방법에 불과하며, 대부분의 하천 및 개수로(이하 '하천'에 포함됨)에서 수위를 예측할 때 이러한 방법으로 예측하기 때문에 오차가 매우 커 활용도가 떨어진다.
뿐만 아니라, 수위검출센서나 초음파센서를 이용하더라도 강물이 출렁거리기 때문에 수위검출 오류가 자주 발생하며, 수위검출센서의 경우는 전자식이다 보니 검출속도는 빠르지만 물과 상시 접촉하기 때문에 불량이나 고장이 자주 발생하고, 유속을 측정하는 유속측정계도 계속해서 물속에 침지된 상태로 있어야 하기 때문에 토사, 자갈 등에 의해 손상되기 쉬어 강우중 고장날 경우 비가 그칠 때 까지 기다려야 하므로 유지보수가 불가하여 사실상 계측불능에 빠지는 문제에 봉착되는 경우가 발생되고 있다.
아울러, 사람의 지문이 동일하지 않은 것처럼 유역마다 강우에 반응하는 것은 동일할 수 없다.
또한, 같은 유역일지라도 시간적(계절적), 기후적, 사회적, 경제적, 정책적 요인 등 수많은 원인에 의한 결과에 따라 유출의 양상은 각기 다르게 나타난다.
이렇듯이, 하천은 유역의 '고유한 특성(유역의 지형·지리적 특성)'을 갖고 있으며, 이 특성은 유출의 특성 중에서 많은 부분을 지배하는 것으로 볼 수 있다.
대한민국 특허 등록번호 제10-1447720호(2014.09.29.) '하천 수위 현황 및 최근 기간 강우량을 고려한 강우 및 수위 경보 시스템 및 그 운용 방법'
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 국가, 광역 및 기초 자치단체, 국영기업들이 관측 기록하고 있는 하천의 강우사상으로부터 하천의 유역(river basin)내에 내리는 강우에 대한 유역반응을 확인하고, 유역반응으로부터 강우에 대응하기 위한 유역 반응시간을 알 수 있도록 수위곡선(timestage curve)을 모델링하여 하천의 수위를 예측할 때 수위계측기둥을 이용하여 수위 또는 수위와 함께 유속을 주기적으로 검출함으로써 검출효율과 정확도를 향상시킨 수위예측을 위한 강우관측소용 수위계측기둥 조립체를 제공함에 그 주된 목적이 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 컨트롤러(120)를 갖춘 강우관측소(100)에 설치된 수위계측기둥(200)을 포함하는 수위예측을 위한 강우관측소용 수위계측기둥 조립체에 있어서; 상기 수위계측기둥(200)에는 길이방향으로 일정간격을 두고 다수의 반구형 돌기(210)와, 상기 반구형 돌기(210)와 간섭되지 않게 길이방향으로 따라 일정폭을 갖도록 형성된 슬라이드홈(220)과, 상기 수위계측기둥(200)에 삽입되어 유속에 따라 회전되는 원통형 계측기(300)와, 상기 원통형 계측기(300)에 조립되고 수위에 따라 상하로 슬라이딩되도록 상기 수위계측기둥(200)에 끼워지는 원통형 계측가이드(400)를 포함하며; 상기 컨트롤러(120)는 마이크로프로세서인 제어부(122)와, 상기 제어부(122)의 제어신호에 따라 정보수집서버 및 상기 원통형 계측기(300)에 설치된 무선통신모듈(WRL)과 무선통신하는 무선통신부(110)와, 상기 제어부(122)의 제어신호에 따라 검출값을 연산하여 수위 또는 유속을 산출하는 연산부(124)와, 상기 제어부(122)의 제어신호에 따라 검출값을 저장하고 갱신하는 메모리부(126)와, 상기 제어부(122)의 제어신호에 따라 상기 원통형 계측가이드(400)에 설치된 고도계(ATD)로부터 수신된 고도 정보를 제어부(122)로 출력하는 고도수신부(128)를 포함하고; 상기 원통형 계측기(300)의 둘레에는 90°간격을 두고 4개의 블레이드(310)가 일체로 형성되며, 상기 원통형 계측기(300)의 외주면 일부에는 계측홈(320)이 일정깊이 형성되고, 상기 계측홈(320)의 안쪽은 반원형상을 갖고 내경과 연통되게 뚫려 있으며; 상기 계측홈(320)에는 반원형상의 헤드를 갖는 접촉자(330)와, 상기 접촉자(330)를 탄성유동시키는 유동스프링(340)과, 상기 계측홈(320)에 나사결합되어 상기 유동스프링(340)을 고정하는 고정캡(350)이 순차 조립되고; 상기 접촉자(330)의 헤드는 상기 계측홈(330) 쪽에서 원토형 계측기(300)의 내경에 노출되게 배치되며, 상기 접촉자(330)의 헤드 반대면 중심에는 접촉돌기(332)가 돌출되고, 상기 고정캡(350)의 선단면 중앙에는 상기 접촉돌기(332)가 관통될 수 있도록 중앙구멍(352)이 형성되며, 상기 고정캡(350)의 후면에는 설치홈(HOM)이 요입 형성되고; 상기 설치홈(HOM)에는 리미트스위치(360)와, 상기 리미트스위치(360)의 접점과 상기 접촉돌기(332)의 접촉여부를 검출하는 제어보드(370)가 순차 조립 고정되며; 상기 제어보드(380)에는 축전지(380)가 탑재되고, 상기 무선통신부(110)로 검출신호를 송신하는 무선통신모듈(WRL)이 더 설치되며, 상기 원통형 계측기(300)의 둘레면중 상기 계측홈(320)과 상기 블레이드(310)를 제외한 부분에 다수의 태양전지(390)가 설치되고, 상기 태양전지(390)를 통해 집전된 전기는 상기 축전지(380)로 축전되게 구성된 것을 특징으로 하는 수위예측을 위한 강우관측소용 수위계측기둥 조립체를 제공한다.
본 발명에 따르면, 국가, 광역 및 기초 자치단체, 국영기업들이 관측 기록하고 있는 하천의 강우사상으로부터 하천의 유역(river basin)내에 내리는 강우에 대한 유역반응을 확인하고, 유역반응으로부터 강우에 대응하기 위한 유역 반응시간을 알 수 있도록 수위곡선(timestage curve)을 모델링하여 하천의 수위를 예측할 때 수위계측기둥을 이용하여 수위 또는 수위와 함께 유속을 주기적으로 검출함으로써 검출효율과 정확도를 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 수위계측을 위한 종래 강우관측소의 예시적인 사진이다.
도 2는 하천의 기간별 수위-강우를 예시적으로 보인 그래프이다.
도 3은 산출된 표준수위특성곡선의 예시도이다.
도 4는 유도된 수위-강우 관계곡선도이다.
도 5는 본 발명에 따른 수위계측과 관련된 강우관측소의 예시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 수위계측기둥 조립체를 구성하는 원통형 계측기와 원통형 계측가이드의 조립예를 보인 예시도이다.
도 7은 도 6의 요부를 단면처리하여 보인 예시도이다.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 설명되는 '표준수위특성곡선(standard timestage curve)'은 하천유역에 강수가 내렸을 때, 유역의 고유한 지형적, 지리적 특성에 따라 강우가 유출하여 형성된 하천수위를 분석하고, 수위의 상승시간과 하강시간을 평가하여 유역이 강우에 반응하는 '단위(unit) 시간분포곡선'을 의미한다.
보다 구체적으로, 본 발명은 표준수위특성곡선 유도단계, 기여 강우량 산정단계, 수위-강우 관계곡선식 유도단계, 수위-강우 관계곡선식에 의한 수위 예측단계로 이루어지는 수위예측방법을 포함한다. 다만, 이러한 수위예측방법은 본 발명에 따른 수위예측을 위한 강우관측소용 수위계측기둥 조립체에서 획득한 실시간 수위 및 실시간 유속 정보를 축적하여 활용되는 것이므로 이하 설명은 이러한 수위예측의 개념적인 설명과 함께 실시간 수위를 정확하게 계측할 수 있고 또한 실시간 유속도 정확하게 검출할 수 있는 수위계측기둥 조립체를 주된 특징부로 하여 부가 설명하도록 한다.
먼저, 수위예측과 관련된 표준수위특성곡선 유도단계는 동일 시간대의 강우와 수위자료 취득과정과, 평가지점에서의 면적강우량 결정과정, 대표 강우사상 추출 및 수위곡선 작성과정, 상승부 시간평가 과정, 하강부 시간평가 과정, 하강부 시간분포곡선 유도과정 및 표준수위특성곡선 결정과정으로 이루어진다.
여기에서, 동일 시간대의 강우와 수위자료 취득과정은 기관(국가, 광역 및 기초 자치단체, 국영기업)에서 관측, 기록하고 있는 강우와 수위자료를 추출할 때 강우와 수위 자료가 같은 시간 간격으로 구성되어야 한다는 것을 의미하며, 동일 시간대의 자료를 취득하는 과정이다.
그리고, 평가지점에서의 면적강우량 결정과정은 유역내 강우관측소의 지배면적으로 결정하는 과정이다.
또한, 대표 강우사상 추출 및 수위곡선 작성과정은 가능한 한 선행강우가 없는 단독호우만을 선정하여 선행강우의 영향이 없는 상태의 수위를 확인하는 과정이다.
아울러, 상승부 시간평가 과정은 평가지점을 유역의 출구점으로 한 매스 밸런스(mass balance)에 의한 유출체적(V1)과 하도를 통과하는 유출체적(V2)의 비율로 상승부 시간을 평가하는 과정이다.
뿐만 아니라, 하강부 시간평가 과정은 당 강우사상에서 상승전 수위와 하강후 수위가 같아지는 시간 기간이 강우에 의한 유출의 영향을 받는 시간으로 선정하는 과정이다.
그리고, 하강부 시간분포곡선 유도과정은 상승부, 하강부 초기 시간분포를 결정하는 과정이다.
마지막으로, 표준수위특성곡선 결정과정은 하강부 시간분포곡선 유도과정에서 얻어진 시간분포곡선을 유역반응 시간(도달시간, 유입시간)을 고려하여 곡선을 수정함으로써 표준수위특성곡선을 결정하는 과정이다.
예컨대, 표준수위특성곡선을 결정하는 예를 설명하자면, 시험유역으로 동시간대의 수위-강우자료를 확보하고 있는 경기도 동두천시의 신천(지방하천) 유역을 선정하였고, 자료기간은 2012.06.01.~2016.07.05.이었으며, 25개 호우사상을 추출하였다.
특히, 수위표 지점의 강우사상 중에서 선행강우의 영향이 없는 단독호우 사상을 [표 1]과 같이 선정하였다.
Figure 112018068493351-pat00001
그리고, 2015.09.02. 사상을 기준으로 상승부 시간평가 과정은 다음과 같다.
먼저, 최고수위시 유역의 기여율 산정은,
P=43.43㎜=0.04343m, A=201.20㎢=201,200,000㎡, V1=P×A=8,738,116㎥,
(이때, P는 강우량, A는 유역면적, V1은 유역의 출구점으로 한 매스 밸런스(mass balance)에 의한 유출체적)
상류 교량지점에서 하상경사=1.32/1,000, n=0.028(constant),
유출속도 v = 1/n × R⅔ × S½ = 1.51m/sec,
a(h=1.36 일 때의 통수단면적) = 99.9㎡,
유출량 Q2 = a × v = 150.8㎥/sec,
하도를 통과하는 유출체적 V2 = a × v × 60 × 60 × (도달+유입 시간) = 4,616,224㎥,
결국, 도달시간 t=유역길이/유출속도=25,535/v=16,911sec=4.7×(1/60)×(1/60)hr=4.7hr이 되며,
최대수위 발생 기여율 = V2 / V1 × 100 = 52.8% ≒평균값 51%를 적용할 수 있다. 여기에서, 오차를 최소화하기 위해 V2 / V1 비율이 최대 및 최소인 값을 제외한 나머지를 평균한 값으로 한다.
아울러, 하강부 시간평가 과정은 선택 강우사상에서 상승전 수위(H1)와 하강부 수위(H2)가 같아지는 시간 기간을 선택함으로써 하강시간별 수위 감소량을 평가하여 타임 스텝별로 점유비율을 도출하고, 이를 통해 [표 2]의 정보를 포함하는 초기 수위곡선을 유도하는 하강부 시간분포곡선 유도과정을 거치는데, 이때에는 유역의 도달시간, 유입시간은 고려되지 않는다.
Figure 112018068493351-pat00002
이때, 초기 수위특성곡선은 강우발생시 상승부 시간 간격(51%)이 길어 전반부에 유출이 크게 나타므로 유역의 반응시간(도달, 유입)을 산정하여 조정한다.
우선, [표 2]의 시간분포율을 조정하여 단일호우사상의 강우를 입력하고, 실제 유출에 기여하는 강우인 '기여 강우량'을 추정한다.
그리고, 추정된 '기여 강우량'으로 Q2'를 산정하여 Q2/Q2'가 20% 내외에서 나타난 강우사상만을 채택하여 [표 3] 및 도 3과 같이 최종적인 '표준수위특성곡선'을 결정한다.
이 경우, 표준수위특성곡선은 [표 1]의 단일호우 사상만을 대상으로 하여 복잡한 호우양상에 의한 영향이 최소화된 수위감소 특성을 나타낸다.
Figure 112018068493351-pat00003
아울러, 임의의 수위표지점(계측지점)에서 얻을 수 있는 표준수위특성곡선은 단위시간 동안 수위하강기간에 단계별로 감소하는 수위특성 분포를 특성화한 곡선이며, 이 곡선의 특징은 수위감소 경향은 고려하지만 감소크기는 고려하지 않으며, 감소하는 시간변화를 대표 강우사상(표 1)에서 추출하여 시간분포화 한 것이다.
이 곡선은 지표면에 내린 실측 강우와 연계하여 '수위상승을 유발시키는 기여강우량'을 결정하는데 사용한다.
한편, 기여 강우량 산정단계는 다음과 같다.
즉, 단일호우 사상중에서 최대수위가 발생할 때 유출에 기여하는 강우량은 선행강우의 영향과 유역의 반응을 고려하여 최대수위 발생 직전 강우량이 아닌 표준수위특성곡선에 의해 확인된 총 기여강우량으로 산정하는 단계이다.
예컨대, 하기 표 4와 도 3을 참고하면 단일호우 사상중 2015.10.28. 호우사상에서 최대수위가 1.01m 일 때 유출에 기여하는 강우량은 선행강우의 영향과 유역반응을 고려하여 최대수위 발생 직전의 강우량 25.79mm가 아닌 표준수위특성곡선에 의하여 총 기여강우량인 14.5mm를 산정하는 것을 예로 들 수 있다.
Figure 112018068493351-pat00004
참고로, 도 3에서 x축은 강우량을, y축은 수위를 나타낸다.
이 경우, 산정된 강우사상은 호우형태가 단일호우, 선행성 복합호우, 후행성 복합호우가 혼재되어 있어 호우형태별(단일, 선행성 복합, 후행성 복합) 기여강우량과 최대발생강우량의 비율을 산정할 필요가 있다.
이때, 산정된 비율은 복합호우시 단순호우로 산정된 수위를 보정하기 위한 계수로 활용되며, 25개 강우사상 중에서 호우의 시간분포 형태에 따라 단일호우(13개 사상), 선행성 복합호우(8개 사상), 후행성 복합호우(4개 사상)로 구분하였고, 단일호우 56.1%, 선행성 복합호우 74.8%, 후행성 복합호우 61.88%로 통계적 방식에 의해 산정됨이 바람직하고, 복합수위 보정계수는 선험적 자료를 바탕으로 계산한 결과 복합강우 수위 = 계산식 수위 × 1.218로 유지함이 가장 바람직하다.
이후, 수위-강우 관계곡선식 유도단계가 진행된다.
상기 수위-강우 관계곡선식 유도단계는 2차 다항식 또는 전대수지법 중 어느 하나를 통해 유도되는데, 회귀분석하여 오차가 적은 방법을 선택하여 수위를 계산하는 것이 바람직하지만 통계적 처리 결과 두 방법 모두 거의 오차가 없었다.
다만, 보다 오차가 적은 2차 다항식 계산법을 적용하는 것이 바람직하며, 설명상 두 방법 모두 소개하기로 한다.
예컨대, 2차 다항식 계산법은 H = -6×10-6 × P2 + 0.0178 × P +0.6758로 이루어지며, 전대수지법은 H = 0.032069(P+32)0.885로 이루어지며, 이때 H는 수위(m), P는 강우량(㎜), 1일 강우량 자료에 의한다.
이 경우, 시험유역에는 고위발생 자료가 전무하여 저수위 자료로만 수위-강우 관계곡선식을 유도할 경우 예측수위가 낮게 평가될 수 있으므로 하기한 [표 5]와 같이 해당 하천의 하천기본계획의 빈도별 수위자료를 고수위 자료로 활용하면 좋다.
예컨대, 고수위 발생시 적용한 확률강우량은 유역의 반응시간을 고려하여 선정하였으며, 적용된 고수위 발생시 대상 수위표지점의 강우량과 수위는 [표 5]와 같았다.
Figure 112018068493351-pat00005
그리고, 단일호우일 경우 2가지 방법을 통해 계산된 최대 강우일 때 수위와 실측 수위의 비교는 [표 6]과 같이 확인되었다.
Figure 112018068493351-pat00006
[표 6]을 통해 확인해 보면, 전대수지법 보다 2차 다항식 계산법에 의한 수위가 실측 수위에 더 근접함을 알 수 있다.
아울러, 유도된 수위-강우 관계곡선식에 따른 수위-강우 관계그래프는 도 4에 나타내었다.
이렇게 하여 수위-강우 관계곡선식이 유도되면, 이를 토대로 수위-강우 관계곡선식에 의한 수위예측 단계가 수행된다.
호우형태는 앞서 설명하였듯이, 단일호우, 선행성 복합호우, 후행성 복합호우가 존재하므로 이들의 상호 영향 때문에 단일호우를 보정해야 한다.
다만, 선행성 복합호우는 후행성 복합호우 보다 선행강우 영향이 비교적 적어 단일호우로 가정해도 무방하고, 선행성 복합호우에 대해서만 앞서 산출된 보정계수 1.218을 적용하여 수위를 결정하면 된다.
이것은 앞선 예, 즉 25개의 관측된 사상을 통계적으로 계산하고 확인된 수위 결과를 바탕으로 정해진 것이다.
이렇게 하여 수위를 예측해 보면, [표 7]과 같은 예측 수위를 얻을 수 있다.
Figure 112018068493351-pat00007
한편, 본 발명의 주된 특징부인 수위계측기둥 조립체는 도 5의 예시와 같이, 강우관측소(100)에 설치된다.
이때, 상기 강우관측소(100)는 주기적으로 계측된 정보를 정보수집서버(예. 국가수자원관리종합정보시스템 등)로 실시간 송수신할 수 있도록 무선통신부(110)와 연결된 안테나(ANT)를 구비한다.
이 경우, 상기 국가수자원관리종합정보시스템은 중앙재난안전대책본부와 연계하여 국가적 재난을 컨트롤할 수 있도록 구성됨은 당연하다 하겠다.
또한, 상기 강우관측소(100)에는 수위계측기둥(200)이 설치된다.
상기 수위계측기둥(200)은 강바닥면에 고정된 상태로 수직하게 배치된다.
그리고, 상기 수위계측기둥(200)에는 길이방향으로 일정간격을 두고 다수의 반구형 돌기(210)가 돌출된다.
이때, 상기 반구형 돌기(210)의 간격은 20cm가 될 수도 있고, 50cm가 될 수도 있으며, 1m가 될 수도 있는데 그것은 강의 크기, 유량, 수위변동 등을 고려하여 설계됨이 바람직하다. 다만, 관리의 편리상 10cm 간격을 유지함이 바람직하다.
상기 반구형 돌기(210)는 2mm 범위의 돌출높이를 갖도록 돌출됨이 바람직하다.
아울러, 상기 수위계측기둥(200)에는 상기 반구형 돌기(210)와 간섭되지 않게 길이방향으로 따라 일정폭의 슬라이드홈(220)이 길게 형성된다.
뿐만 아니라, 상기 수위계측기둥(200)에는 이를 따라 회전되는 원통형 계측기(300)와, 상기 수위계측기둥(200)을 따라 상하로 슬라이딩되는 원통형 계측가이드(400)가 더 설치된다.
또한, 상기 강우관측소(100)에는 컨트롤러(120)가 구비되는데, 상기 컨트롤러(120)는 마이크로프로세서인 제어부(122)와, 상기 제어부(122)의 제어신호에 따라 정보수집서버 및 상기 원통형 계측기(300)에 설치된 무선통신모듈(WRL, 도 7 참조)과 무선통신하는 무선통신부(110)와, 상기 제어부(122)의 제어신호에 따라 검출값을 연산하여 수위 또는 유속을 산출하는 연산부(124)와, 상기 제어부(122)의 제어신호에 따라 검출값을 저장, 갱신, 삭제하는 메모리부(126)와, 상기 제어부(122)의 제어신호에 따라 상기 원통형 계측가이드(400)에 설치된 고도계(ATD, 도 7 참조)로부터 수신된 고도 정보를 제어부(122)로 출력하는 고도수신부(128)를 포함한다.
한편, 상기 원통형 계측기(300)와 원통형 계측가이드(400)는 도 6 및 도 7의 예시와 같은 형태로 조립된다.
먼저, 원통형 계측기(300)는 수위계측기둥(200)에 조립된 상태에서 원활하게 회전될 수 있어야 하므로 내경 표면은 슬립성이 좋아야 한다. 따라서, 원통형 계측기(300) 자체를 슬립성이 좋은 합성수지물로 성형하는 것이 바람직하며, 이에 대해서는 후술한다.
아울러, 상기 원통형 계측기(300)의 둘레에는 적어도 하나 이상, 바람직하게는 90°간격을 두고 4개의 블레이드(310)가 일체로 형성되는데, 상기 블레이드(310)의 각 단부는 하방향으로 볼록하게 돌출된 블레이드돌출부(312)가 더 형성되어 있는 구조를 갖는다.
이렇게 블레이드돌출부(312)를 더 형성한 이유는 부력을 받아 원통형 계측기(300)가 수면 상에 잘 부상되도록 하면서 수면과의 접촉에 의한 마찰저항을 크게 하여 유속에 따라 잘 회전될 수 있도록 하기 위함이다.
뿐만 아니라, 상기 원통형 계측기(300)의 외주면 일부에는 계측홈(320)이 일정깊이 형성되는데, 상기 계측홈(320)의 안쪽은 반원형상을 갖고 내경과 연통되게 뚫려 있다.
그리고, 상기 계측홈(320)에는 반원형상의 헤드를 갖는 접촉자(330)와, 상기 접촉자(330)를 탄성유동시키는 유동스프링(340)과, 상기 계측홈(320)에 나사결합되어 상기 유동스프링(340)을 고정하는 고정캡(350)이 순차 조립된다.
이때, 접촉자(330)의 헤드는 상기 계측홈(330) 쪽에서 원토형 계측기(300)의 내경에 노출되게 배치되나 돌출되지는 않게 구비된다.
또한, 상기 접촉자(330)의 헤드 반대면 중심에는 접촉돌기(332)가 돌출된다.
아울러, 상기 고정캡(350)의 선단면 중앙에는 상기 접촉돌기(332)가 관통될 수 있도록 중앙구멍(352)이 형성되며, 상기 고정캡(350)의 후면에는 설치홈(HOM)이 요입 형성되고, 상기 설치홈(HOM)에는 리미트스위치(360), 상기 리미트스위치(360)의 접점 접촉여부를 검출하는 제어보드(370)가 순차 조립 고정된다.
여기에서, 상기 제어보드(380)에는 축전지(380)가 탑재되며, 상기 무선통신부(110)로 특정신호(검출신호)를 송신하는 무선통신모듈(WRL)이 더 설치되고, 상기 원통형 계측기(300)의 둘레면중 상기 계측홈(320)과 상기 블레이드(310)를 제외한 부분에 다수의 태양전지(390)가 설치되며, 상기 태양전지(390)를 통해 집전된 전기는 상기 축전지(380)로 축전된다.
이렇게 하면, 상기 원통형 계측기(300)를 반영구적으로 사용할 수 있는데, 이유는 상기 제어보드(380)가 검출하고, 무선통신하여 송출하는데 소요되는 전류는 밀리암페어 보다 더 적은 전류가 소모되기 때문에 상기 태양전지(390)를 통한 충전만으로도 충분하기 때문이다.
그리고, 상기 리미트스위치(360)는 상기 접촉돌기(332)가 이동하여 눌렀을 때와 떨어졌을 때, 즉 온/오프의 개념으로 신호를 발생시키는데, 이를 테면 온일 때 'HIGH' 신호를 출력하고, 오프일 때 'LOW' 신호를 출력하도록 제어보드(380)가 제어함으로써 상기 컨트롤러(120)의 연산부(124)는 이 신호에 따라 정해진 규칙에 의해 연산하게 된다.
예컨대, 원통형 계측기(300)를 설치했을 때의 수위에 해당하는 지점의 반구형 돌기(210)가 접촉자(330)를 눌렀을 때가 초기값이며, 이후 수위 변화에 의해 원토형 계측기(300)가 올라가 초기값보다 위에 있는 반구형 돌기(210)를 접촉자(330)가 접촉하게 되면 접촉하기 전까지는 'LOW'이고, 접촉하는 순간 'HIGH'이므로 연산부(124)는 초기값을 기준으로 몇 번 반복되었는지를 연산하여 반구형 돌기(210)는 일정간격으로 배치되어 있기 때문에 그 간격에 반복된 횟수를 곱하게 되면 초기값 대비 얼마만큼 수위가 높아졌는지를 산출할 수 있게 된다.
만약, 수위가 낮아진 경우라면 초기값에서 그 만큼 빼주면 낮아진 수위값이 나온다.
이때, 두 번째 수위산출값은 메모리부(126)에 저장되고, 그 값이 다음 수위 산출 때 기준값이 된다. 이와 같이, 기준값은 매 수위 측정신호가 수신될 때 마다 바뀌게 되므로 수위계산을 정확하게 산출될 수 있다. 특히, 상기 원통형 계측기(300)는 항상 수면상에 떠 있는 상태이고 강물을 항상 흐르고 있기 때문에 상기 원통형 계측기(300)는 거의 항상 회전하고 있는 상태라고 봐야 한다. 다만, 수위변화가 없으면 그 자리에서 회전하는 것이고, 수위가 상승하면 그에 맞취 회전하면서 같이 상승하며, 수위가 낮아지면 그에 맞춰 회전하면서 같이 하강하게 되는 것이다.
여기에서, 수위가 높아지는지 아니면 낮아지는지를 확인하기 위해 상기 원통형 계측가이드(400)의 둘레면 일부에는 고도계(ATD)가 설치되고, 상기 고도계(ATD)는 상기 고도수신부(128)와 유선으로 연결된다.
때문에, 상기 고도계(ATD)의 고도 측정값을 통해 수위가 높아졌는지 낮아졌는지를 확인할 수 있으며, 이 고도계(ATD)는 디지털 고도계가 바람직하고, 이 고도계(ATD)의 구동을 위해서 별도의 건전지나 축전지 등의 배터리를 요하지 않는다.
이것은 상기 원통형 계측기(300)와 달리 상기 원통형 계측가이드(400)는 회전할 필요가 없으므로 슬라이드홈(220)을 따라 승강될 수 있도록 원통형 계측가이드(400)의 내경 일부에는 상기 슬라이드홈(220)에 삽입되는 슬라이더(410)가 돌출된다. 때문에, 원통형 계측가이드(400)의 경우에는 상기 컨트롤러(120)와 유선 연결이 가능하다.
이 경우, 상기 원통형 계측기(300)는 회전하는 구조체임에 반해, 상기 원통형 계측가이드(400)는 회전하지 않는 구조체이므로 상호 간에는 회전가능한 구조를 가져야 한다.
이를 위해, 도 7의 예시와 같이, 상기 원통형 계측기(300)의 내경 상단부에는 베어링(BA)이 고정되고, 상기 원통형 계측가이드(400)의 하단이 상기 베어링(BA)의 내경에 억지끼움식으로 끼워져 고정된다.
이때, 상기 원통형 계측가이드(400)의 내경은 상기 원통형 계측기(300)의 내경보다 더 크게 형성되어야 이들을 관통하는 수위계측기둥(200)과의 마찰접촉을 줄여 원활한 유동이 가능하게 된다. 물론 원통형 계측기(300)의 내경도 상기 수위계측기둥(200)의 외경보다 약간 더 큰 것이 좋다.
이에 더하여, 유속까지 확인할 수 있도록 본 발명에서는 도 6과 같이, 원통형 계측가이드(400)의 외주면 일부에 근접센서(420)가 더 설치되고, 상기 근접센서(420)는 상기 컨트롤러(120)와 유선으로 연결되어 검출값을 송신함으로써 연산부(124)가 연산할 수 있도록 구성된다.
그리고, 상기 원통형 계측기(300)의 외주면 일부에는 고정바(BAR)가 돌출되고, 상기 고정바(BAR)의 상단에는 피검출자(430)가 고정된다.
이 경우, 상기 피검출자(430)는 상기 근접센서(420)와 동일 높이를 유지하여야 한다.
이렇게 하면, 원통형 계측기(300)는 강물이 흐르는 이상 블레이드(310)에 의해 항상 회전하게 되므로 상기 피검출자(430)는 상기 근접센서(420)를 두고 원근접을 반복하게 된다.
따라서, 원통형 계측가이드(400)의 외경은 알고 있는 값이고, 상기 근접센서(420)가 피검출자(430)를 검출하는데 걸리는 시간을 확인하면 연산부(124)는 상기 피검출자(430)의 회전속도를 산출할 수 있게 된다.
즉, 속도(v) = 거리(원통형 계측가이드의 외경) / 시간(피검출자가 1회전하는데 걸리는 시간)을 통해 쉽고 빠르게 산출할 수 있으며, 이 속도는 곧 강물의 유속이 된다.
이와 같이 구성함으로써 전자적인 오류나 결함을 일으키는 단순 센서 방식이 아니라, 반영구적인 기계적 구성들로 이루어진 센싱 방식을 채택함으로써 오류없이 정확한 수위 또는 유속 계측이 가능하게 된다.
덧붙여, 상기 원통형 계측기(300)의 부력을 향상시키기 위해 내부에 공기가 채워진 다수의 챔버(CH)를 적어도 하나 이상 가질 수 있으며, 상기 블레이드돌출부(312)에도 도시하지 않았으나 챔버가 더 형성될 수 있다.
이에 더하여, 앞서 설명하였듯이 본 발명에서는 상기 원통형 계측기(300)의 회전윤활성을 높이면서 내수성, 내침식성, 내화학성을 강화시킬 수 있도록 특정한 합성수지물로 성형될 수 있다.
이러한 합성수지물은 소이왁스로 전처리된 목분 2.5중량%와, 마그네슘실리케이트 2.5중량%와, 세레신 2.0중량%와, 폴리락트산 5.5중량%와, 니켈티타네이트 1.5중량%와, 퍼플루오로폴리에테르 10.0중량%와, 부틸메타크릴레이트 4.5중량%와, 스티렌수지 2.5중량% 및 나머지 PVC졸로 이루어진다.
이때, 목분은 소이왁스(soywax)로 전처리 되어야 하는데, 이는 목분의 표면을 소이왁스로 코팅하여 목분 세포질에 외부 수분의 흡수를 방지하고 수지와의 혼합성, 가공성을 높이기 위한 것이다.
그리고, 마그네슘실리케이트는 이온교환기의 특성을 유지하여 활택성을 증대시키면서 점도조절, 안티케이킹 기능 활성화를 위해 첨가된다.
또한, 세레신은 유화안정감을 높이고, 성분간 결합력을 증대시키면서 유연성을 유지하기 위해 첨가된다.
뿐만 아니라, 폴리락트산은 합성고분자 타입의 수지로서 내습성, 가공성, 인장강도가 우수한 물성이 있으며 용융온도는 150-200이고, 인장강도와 인열강도를 높이기 위해 첨가된다.
아울러, 니켈 티타네이트는 내침식성을 강화하기 위해 첨가된다.
그리고, 퍼플루오로폴리에테르(PFPE)는 슬립성을 증대시키기 위해 첨가된다.
또한, 부틸메타크릴레이트는 투명성과 내후성 및 성형성과 기계적 물성을 강화시키기 위해 첨가되며, 스티렌수지는 비닐기가 벤젠고리와 결합한 불포화수소로서 내수성, 방습성을 강화시키기 위해 첨가되고, PVC졸(Sol)은 내구성을 증대시키는 베이스 수지이다.
100: 강우관측소 200: 수위계측기둥

Claims (1)

  1. 컨트롤러(120)를 갖춘 강우관측소(100)에 설치된 수위계측기둥(200)을 포함하는 수위예측을 위한 강우관측소용 수위계측기둥 조립체에 있어서;
    상기 수위계측기둥(200)에는 길이방향으로 일정간격을 두고 다수의 반구형 돌기(210)와, 상기 반구형 돌기(210)와 간섭되지 않게 길이방향으로 따라 일정폭을 갖도록 형성된 슬라이드홈(220)과, 상기 수위계측기둥(200)에 삽입되어 유속에 따라 회전되는 원통형 계측기(300)와, 상기 원통형 계측기(300)에 조립되고 수위에 따라 상하로 슬라이딩되도록 상기 수위계측기둥(200)에 끼워지는 원통형 계측가이드(400)를 포함하며;
    상기 컨트롤러(120)는 마이크로프로세서인 제어부(122)와, 상기 제어부(122)의 제어신호에 따라 정보수집서버 및 상기 원통형 계측기(300)에 설치된 무선통신모듈(WRL)과 무선통신하는 무선통신부(110)와, 상기 제어부(122)의 제어신호에 따라 검출값을 연산하여 수위 또는 유속을 산출하는 연산부(124)와, 상기 제어부(122)의 제어신호에 따라 검출값을 저장하고 갱신하는 메모리부(126)와, 상기 제어부(122)의 제어신호에 따라 상기 원통형 계측가이드(400)에 설치된 고도계(ATD)로부터 수신된 고도 정보를 제어부(122)로 출력하는 고도수신부(128)를 포함하고;
    상기 원통형 계측기(300)의 둘레에는 90°간격을 두고 4개의 블레이드(310)가 일체로 형성되며, 상기 원통형 계측기(300)의 외주면 일부에는 계측홈(320)이 일정깊이 형성되고, 상기 계측홈(320)의 안쪽은 반원형상을 갖고 내경과 연통되게 뚫려 있으며; 상기 계측홈(320)에는 반원형상의 헤드를 갖는 접촉자(330)와, 상기 접촉자(330)를 탄성유동시키는 유동스프링(340)과, 상기 계측홈(320)에 나사결합되어 상기 유동스프링(340)을 고정하는 고정캡(350)이 순차 조립되고; 상기 접촉자(330)의 헤드는 상기 계측홈(320) 쪽에서 원통형 계측기(300)의 내경에 노출되게 배치되며, 상기 접촉자(330)의 헤드 반대면 중심에는 접촉돌기(332)가 돌출되고, 상기 고정캡(350)의 선단면 중앙에는 상기 접촉돌기(332)가 관통될 수 있도록 중앙구멍(352)이 형성되며, 상기 고정캡(350)의 후면에는 설치홈(HOM)이 요입 형성되고;
    상기 설치홈(HOM)에는 리미트스위치(360)와, 상기 리미트스위치(360)의 접점과 상기 접촉돌기(332)의 접촉여부를 검출하는 제어보드(370)가 순차 조립 고정되며;
    상기 제어보드(380)에는 축전지(380)가 탑재되고, 상기 무선통신부(110)로 검출신호를 송신하는 무선통신모듈(WRL)이 더 설치되며, 상기 원통형 계측기(300)의 둘레면중 상기 계측홈(320)과 상기 블레이드(310)를 제외한 부분에 다수의 태양전지(390)가 설치되고, 상기 태양전지(390)를 통해 집전된 전기는 상기 축전지(380)로 축전되게 구성된 것을 특징으로 하는 수위예측을 위한 강우관측소용 수위계측기둥 조립체.
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