KDS 설계기준 51 12 20 유량 조사

2024년 07월 24일 건설엔지니어

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1. 일반사항

1.1 목적

본 기준은 하천, 수로 등에서 유량 조사를 위해 필요한 사항을 제시하는 것을 목적으로 한다.

1.2 적용 범위

본 기준은 유량 조사에 관한 표준적인 방법을 정한다.
유량 조사에 필요한 수위 조사 부분은 KDS 51 12 15(수위 조사)를 따른다.
일반 하천의 유량 조사 시는 홍수, 평수, 저수, 갈수 시의 유량 측정 방법과 감조 하천의 유량 측정 원칙을 정한다.
유량 측정은 홍수 관리, 하천 상시 유량 관리, 수질 관리에 적용되도록 상·하류 또는 지류 측정값과 연관되도록 하여야 한다.

1.3 참고 기준

본 기준을 적용할 때 관련 기준과 법규 및 규정을 고려하여야 한다.
- 관련 기준:
  - KDS 51 12 10 강수량 조사
  - KDS 51 12 15 수위 조사
- 관련 법규:
  - 수자원의 조사·계획 및 관리에 관한 법률(환경부)
  - 하천법 시행령(국토교통부)
- 관련 규정:
  - 수문조사시설의 설치환경 및 유지․관리와 수문자료의 품질관리 기준(환경부)
  - 수문(水文)자료의 공인 및 저장 배포 활용 기준(환경부)
  - 수문조사업무규정(환경부)

1.4 용어 정의

유량: 하천의 횡단면을 단위시간에 통과하는 물의 부피
수위-유량곡선: 동일 지점, 동일 시점에서의 측정 수위와 관측 유량의 관계를 회귀 분석하여 결정한 곡선
최대유량: 일정한 기간을 통하여 나타난 최대의 유량
최소유량: 일정한 기간을 통하여 나타난 최소의 유량
평균유량: 1년을 통하여 185일은 이보다 많은 유량
저수유량: 1년을 통하여 275일은 이보다 많은 유량
갈수량: 1년을 통하여 355일은 이보다 많은 유량
일평균유량: 1일을 통하여 1시부터 24시까지 매시 유량의 합을 24로 나눈 유량
연평균유량: 1년을 통하여 일평균유량의 합을 당해 연도의 일수로 나눈 유량

1.5 기호의 정의

내용 없음.

1.6 시설물의 구성

내용 없음.

2. 조사 및 계획

2.1 관측소의 배치 및 설치

2.1.1 관측소의 배치

유량 관측소는 수계 전체의 적정한 관측망을 고려하여 하천 및 수자원 등의 계획 및 시공 관리상 중요한 지점에 배치한다.
구체적인 배치 장소는 다음과 같다.
- 중요한 지파천(支派川) 분류 또는 합류부의 전후
- 보, 유수지, 호소, 저수지의 상·하류
- 하도가 직선화되어 있는 협곡
다음과 같은 장소는 피하는 것이 좋다.
- 대하천과 합류되는 지천의 직상류 등과 같이 본류 수위의 영향으로 수위-유량곡선의 정확도가 떨어지는 지점
- 하구에서 감조 구간
수위-유량곡선을 작성하기 위하여 유량 관측소에는 반드시 수위 관측소를 병설 운용한다.

2.1.2 관측소의 위치 선정

유량 관측소는 관측망, 지형도, 하천의 종횡단도 등을 이용하여 도상 검토한 다음 현지 답사를 통해 다음 조건을 만족하는 장소를 선정한다.
- 수위 관측소가 설치된 장소이거나 병설할 수 있는 장소
- 유량 관측을 안정하게 할 수 있는 장소
- 유지 관리가 쉬운 장소
- 유로나 하상의 변동이 적은 장소
- 안전한 장소
- 그 외 다음 조건을 만족하는 장소
  - 저수 유량 관측 및 홍수 유량 관측을 동일 장소 또는 가능한 한 가까운 장소에서 실시하는 장소
  - 하상 변동이 적은 장소
  - 대안 및 관측 구간을 한눈에 볼 수 있는 장소
부자에 의한 유량 관측 시에는 상기의 조건 이외에 다음의 조건을 충족시켜야 한다.
- 유수의 직선 거리를 확보할 수 있는 장소
- 단면이나 하폭에 큰 변화가 없는 장소
- 관측 구간의 직상류부에 교량이 있거나 부자 투하 시설을 설치할 수 있는 장소
- 유수의 장해가 없는 장소

2.2 관측 설비 및 방법

2.2.1 유량 관측소 횡단선

유량 관측소에서는 유심에 직각 방향으로 유량 관측소 횡단선을 설정하고 해당 횡단선의 위치를 표시할 수 있는 횡단선 표지를 설치한다.
횡단선의 수 및 간격은 관측 방법에 따라 다르며 다음 표를 활용한다.

| 관측 방법 | 횡단선수 | 간격 |
|—|—|—|
| 일반 유속계법, 이동 초음파 유속계법 | 1개소 | |
| 부자법 | 2개소 | 50m 이상 |
| 전자파 표면 유속계법 | 1개소 | |
| 희석법 | 2개소 | 50m 이상 |
| 위어 측정법 | 1개소 | |
| 고정 초음파 유속계법 | 이동식 시간차 방식 | 2~3개소 (유수에 직각 방향 1개소, 유수에 경사 방향 1~2개소) |
| 고정 초음파 유속계법 | 도플러 방식 | 1–3개소 |

2.2.2 유량 관측소 횡단선의 횡단 측량

유량 관측소 횡단선을 설정할 때는 횡단선을 따라서 횡단 측량을 실시하여 유량 관측소의 횡단 도면을 작성해야 한다. 이 경우 횡단 도면은 하천의 하류를 향하여 작성한다.
유량 관측소의 횡단 도면은 매년 우기 전에 정기적으로 횡단 측량을 실시하고 동일한 축척으로 작성하여 보정한다.
홍수로 인하여 하상에 변동이 생겼다고 판단될 경우에는 신속히 횡단 측량을 재차 실시하고 같은 방법으로 보정해야 한다.

2.2.3 표지

유량 관측소 부근에는 관측소명, 수계명, 하천명, 설치자명, 설치 연월일, 관측소 소재지, 표고(수위표의 영점 표고)를 기입한 표지를 세운다.
하구 또는 지천에 대해서는 합류점으로부터의 거리 및 관측소 번호를 기록한 표지판을 세우고, 필요한 경우에는 주위에 울타리를 설치한다.

2.2.4 대장

관측소를 설치하여 유량 조사를 하고 있거나 기존 관측소에 관측을 위촉한 경우, 유량 조사를 시행하는 기관은 유량 관측소 대장 및 관련 자료를 작성하여 보관한다.
유량 관측소 대장 및 관련 자료는 KDS 51 12 15 수위 조사의 2.2.8을 참조한다.

2.2.5 관측 횟수

원칙적으로 홍수, 평수, 저수 시 모두에 대하여 수위를 정확하게 유량으로 환산할 수 있는 수위-유량곡선을 작성하도록 유량 관측을 실시해야 한다. 따라서 가능하면 모든 수위에 걸쳐 유량을 관측함으로써 관측소에서 가장 정확한 유량을 얻을 수 있도록 하여야 한다.
저수 유량 관측과 같이 정기적인 관측은 연간 36회 이상 관측하되 계절이나 순별로 하여야 한다. 또한 우기에는 수시로 현지에 나가 가능한 많이 관측하여야 한다.

2.2.6 기자재의 관리

유량 관측에 사용하는 기자재는 소정의 성능을 유지할 수 있도록 사용 및 보관에 있어서 세심한 주의와 철저한 관리가 필요하다.
유량 관측의 정확도 향상, 안정성 강화 등을 위하여 초시계, 와이어, 줄자, 윈치, 배, 고무보트, 부자, 보통수위표, 열쇠, 전지 용량 등을 점검한다.

2.2.7 관측 수칙

유량 관측을 시행하는 기관은 관측 수칙을 정하여 관측원에게 교부해야 한다.
관측 수칙에는 관측의 목적과 의의를 알기 쉽게 구체적으로 명기한다.
각 유량 관측소마다 고유의 문제점이 있으므로 이를 포함해서 모든 관련 사항을 기술해 두어야 한다.
기자재의 고장 처리와 연락 체계, 이상치가 관측되었을 때의 통보 체계 등을 구체적으로 명시해 둔다.

2.2.8 야장

관측을 실시할 때는 매 관측 시마다 관측 연월일, 시각, 관측 유량, 관측 유량의 산출 방법, 그 밖에 필요한 사항을 야장에 기재해야 한다.
야장의 양식은 각 관측 방법에 따라 별도로 정한다.

2.3 일반 유속계에 의한 유량 측정

2.3.1 일반 사항

수심 측정은 원칙적으로 동일 횡단선상을 왕복해서 2회 실시하고, 유속 측정은 횡단선상의 각 측점에서 1회 실시한다. 다만 과거 측정 결과와 현저한 차이가 발생하는 경우에는 원인 파악 및 재측정을 실시한다. 홍수 시와 같이 수위 및 유속이 급격하게 변화하는 경우에는 수심 측정 및 유속 측정을 1회만 실시할 수 있다.
유속 측선은 원칙적으로 횡단선을 포함한 연직면상에서 횡단 방향으로 등유량의 원칙을 적용하여 선정한다. 구간별 유량은 전체 유량 대비 5~10% 범위가 되도록 노력한다.
수면폭에 따른 유속 측선 수는 표 2.3-1과 같이 하고 횡단면의 형상 및 유속 분포가 복잡한 곳에서는 측선 수를 증가시킬 수 있다.

| 수면폭(m) | 유속측선 수 |
|—|—|
| 0-0.5 | 3-4 |
| 0.5-1 | 4-5 |
| 1-3 | 5-8 |
| 3-5 | 8-10 |
| 5~10 | 10-20 |
| 10 이상 | 20 이상 |

1점법 또는 2점법을 선정하는 경계는 75 ㎝의 수심으로 한다. 수심이 75 ㎝보다 작으면 1점법, 크면 2점법을 선정한다. 45 ㎝ 이하의 경우에는 유속계가 흐름에 영향을 미치지 않도록 주의해야 하며, 필요한 경우 피그미 유속계와 같은 저수심용 유속계를 사용해야 한다.
수심이 1 m 이상 되는 곳과 비정상적인 유속 분포를 보이는 경우에는 3점법으로 유속을 측정한다.
회전식 유속계의 경우 유속 측정 시 최소 측정 시간은 0.20 m/s 미만의 경우 120초 이상 측정하고, 0.20 m/s 이상의 경우 40초 이상 측정해야 한다.

2.3.2 유속계의 검정

유속계는 국가가 공인하는 유속계 검정소에서 2년에 1회 이상 반드시 검정을 실시하고 유속계로부터 측정된 유속을 보정하기 위하여 검정된 계수를 정확하게 정해 두어야 한다.
유속계는 사용하기에 앞서 수시로 유속계 계수를 검정하여 사용하도록 한다.

2.3.3 유속계의 사용

유속계는 소정의 깊이에 올바르게 위치시켜야 한다. 소정의 깊이라 함은 수면으로부터의 심도를 말한다.
유속계를 올바르게 위치시킨다는 것은 유속계 기계의 방향이 유속 방향과 일치해야 하며, 와이어가 기울어져 있어도 측심이 정확히 측점에 도달해 있는 것을 의미한다.
유량 관측 중에도 수위가 변화하는 일이 있으므로 유속 관측을 시작할 때와 끝날 때의 수위를 반드시 관측해야 한다. 특히, 유속을 측정하는 동안 수위의 변화가 일정하지 않거나 크게 변화하는 경우에는 지속적으로 수위 관측을 해야 한다.

2.3.4 정밀 측정

수위 관측소에서는 저수 시에 수시로 정밀 측정을 실시하여 유량 측정의 높은 정확도를 유지하여야 한다. 특히, 감조 하천 및 하구 부근 등과 같이 염수 침입 등의 밀도층이 보이는 곳에서는 정밀 측정을 해야 한다.

2.3.5 유속계 측정법에 의한 유량의 산출 방법

유속계를 이용하는 경우 1점법, 2점법, 3점법, 또는 구분 단면을 이용하여 평균 유속을 구하고 횡단면적을 곱하여 유량을 산출한다.

2.4 부자에 의한 유량 측정

2.4.1 일반 사항

부자(浮子)에 의한 유량 관측은 일정 구간에서 부자가 유하하는 데 소요된 시간을 측정하여, 그 구간의 평균 유속을 구하는 방법이다.
부자에 의한 유량 관측 시 부자가 유수에 의해 적절히 유하하기 위해서는 직선 구간이 필요하며, 보조 구간과 측정 구간으로 나누어진다.
보조 구간은 부자를 투하하는 위치에서 제1측정 단면까지의 구간이며, 이 구간 내에서 부자가 흘수(吃水)를 유지할 수 있도록 한다. 이 구간의 길이를 보조 거리라 하며, 30m 이상이 되도록 한다.
측정 구간은 제1측정 단면에서 제2측정 단면까지의 구간으로 유하 시간을 계측하기 위해서 필요하며, 이 구간의 길이를 유하 거리(또는 측정 간격)라고 한다. 유하 거리는 원칙적으로 50m 이상으로 한다.

2.4.2 부대 설비

부자를 사용하여 유량을 측정하는 관측소에서는 부자와 수위표 이외에 부자 투하 장치, 제1횡단면 시준 말뚝, 제2횡단면 시준 말뚝 등의 부대 설비를 둔다.

2.4.3 유속 측선

유속 측선은 제1횡단면과 제2횡단면 사이에 제1횡단면으로부터 흐름 방향을 따라 선정해야 한다. 수면폭과 부자 유속 측선 간격과의 표준 비율은 제1횡단면에서 원칙적으로 표 2.4-1에 따라 정한다.

| 수면폭(m) | 부자 유속측선수 |
|—|—|
| 50미만 | 6 |
| 50∼100 | 8 |
| 100∼200 | 16 |
| 200 ~ 400 | 10 |
| 400 ~ 800 | 12 |
| 800 초과 | 14 |

홍수 시 유속 관측을 급히 실시해야 할 경우에는 위의 표준에 따르지 않고 표 2.4-2에 따른다.

| 수면폭(m) | 부자 유속측선수 |
|—|—|
| 50미만 | 3 |
| 50∼100 | 4 |
| 100∼200 | 5 |
| 200∼400 | 6 |
| 400∼800 | 7 |
| 800초과 | 8 |

2.4.4 부자의 종류

부자 측정법에 사용되는 부자는 막대(棒)부자 또는 표면 부자로 한다. 야간에는 어둠 속에서도 충분히 추적할 수 있도록 특별히 고안한 부자를 사용하여야 한다.
부자의 길이는 수심에 따라서 선택하나 수심, 막대 부자의 길이 및 보정 계수의 관계는 대단히 복잡하다. 실용적인 목적을 위해서는 다음과 같은 표 2.4-3을 기준으로 하며, 막대 부자 4종, 표면 부자 1종을 준비해서 수심의 크기에 맞추어 사용한다.

| 부자종류 | 표면부자 | 막대부자(1) | 막대부자(2) | 막대부자(3) | 막대부자(4) |
|—|—|—|—|—|—|
| 수 심(m) | 0.7이하 | 0.7∼1.3 | 1.3∼2.6 | 2.6∼5.2 | 5.2이상 |
| 흘 수(m) | 표면 | 0.5 | 1.0 | 2.0 | 4.0 |
| 보정계수 | 0.85 | 0.88 | 0.91 | 0.94 | 0.96 |

2.4.5 부자에 의한 유량 측정

부자는 한쪽 하안으로부터 정해진 측선 간격으로 차례로 투하하며, 투하 위치를 기록해 두어야 한다.
각 측선에서 하천 수위와 횡단면도를 이용하여 수심을 구하고 적절한 부자를 투입한다.

2.4.6 부자 측정법에 의한 유량의 산출

하나의 유속 측선의 평균 유속은 앞 절의 부자의 사용에서 제시한 바와 같이 부자의 유하 속도에 보정 계수를 곱한 값이다.
제1횡단면과 제2횡단면을 산술 평균한 값을 구분 횡단면적으로 한다. 이 경우의 수위는 각 단면 관측의 전후에 측정된 수위의 산술 평균치로 한다.
유량은 평균 유속과 구분 횡단면적의 곱을 전체 유속 측선에 대해서 합한 것이다.

2.5 표면 유속계에 의한 유량 측정

2.5.1 전자파 표면 유속계에 의한 유량 측정

전자파 표면 유속계는 하천의 표면 유속을 비접촉식으로 측정하는 유속 측정 장비이다.
전자파 표면 유속계에 의한 유량 관측은 하천의 횡단 방향으로 전자파 표면 유속계를 일정하게 설치하고 상류 방향으로 전자파를 발사한 후, 물 표면에서 반사되는 전자파를 이용하여 표면 유속을 측정한다.
하천의 횡단 시설물 상에 전자파 표면 유속계를 흐름 방향과 나란하게 설치하여야 한다.
하천 횡단 시설물이 없는 경우에는 측정하고자 하는 하천의 양안에서 주 유속 방향과 일정한 편각을 주어 표면 유속의 측정이 가능하다. 그러나 편각이 15° 이상이 되면 오차가 커지므로 가급적 15° 이내로 작게 주는 것이 바람직하다.

2.5.2 표면 영상 유속계에 의한 유량 측정

표면 영상 유속계는 비디오 카메라, CCTV, 열 영상 카메라 등을 이용하여 촬영된 하천의 영상을 분석하여 하천의 표면 유속을 측정하는 장비이다.
돌발 강우 또는 댐 방류, 보 방류 등으로 인하여 유속이 매우 빠르고 수위가 급변하는 경우나 측정 현장에 접근이 어려운 경우 표면 영상 유속계를 사용하여 유량을 측정할 수 있다.

2.6 초음파 유속계에 의한 유량 측정

2.6.1 고정 초음파 유속계에 의한 유량 측정

고정 초음파 유속계에 의한 유량 측정은 이동 시간차 방식과 도플러 방식으로 분류된다.
이동 시간차 방식은 하천의 측정 횡단면을 포함하는 양안에 초음파 유속계를 고정적으로 설치하여 초음파의 이동 시간차를 이용하여 유속을 측정하는 방식이다. 이 방법은 유량을 측정하고자 하는 지점의 수위가 안정적으로 확보될 수 있고 양안의 거리를 고려하여 초음파의 도달 시간에 의해 유속이 측정될 수 있는 지점에 적용할 수 있다.
도플러 방식은 초음파의 도플러 변이를 이용하여 유속을 측정하는 방식이다. 이 방법은 하천의 하폭이 넓어서 이동 시간차 방법을 적용할 수 없는 지점에 적용할 수 있고 장기간 측정에 의해 지표 유속과 유량의 관계를 획득할 수 있는 지점에 적용할 수 있다.
고정 초음파 유속계를 이용한 유량 측정 방법에서는 연속적으로 측정된 수위로부터 산출된 유수 단면적과 유속계로부터 측정된 유속값을 이용하여 산정된 평균 유속을 곱하여 연속 유량을 계산한다.

2.6.2 이동 초음파 유속계에 의한 유량 측정

이동 초음파 유속계에 의한 유량 측정 방법은 초음파 유속계(Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP)를 측정용 보트에 탑재하여, 하천을 횡단하면서 연속적으로 수심과 유속을 측정하여 유량을 산출하는 방법으로 흔히 이동 보트법이라고도 불려지고 있다.

2.7 기타 유량 측정법

2.7.1 희석법에 의한 유량 측정

계류(溪流)나 소하천 그리고 저수 시의 일반 하천에서는 운반 토석이나 얕은 수위 때문에 유속계를 사용할 수 없는 경우에는 앞에서 제시된 유량 측정법 이외에 희석법에 의한 유량 측정법을 사용할 수 있다. 그러나 이 방법은 용액과 하천수의 혼합에 매우 민감하여 정밀한 유량 측정을 위해서는 엄밀한 검토가 요구된다.
주입한 용액이 하천수와 완전히 혼합할 수 있도록 충분한 거리의 하류 지점에서 시료수를 채취하는 것이 가장 중요하다. 이 때 혼합이 거의 완전하게 되는 지점까지의 거리를 혼합 거리라고 하며, 그 거리는 하천의 조건을 고려하여 신중히 결정해야 한다.

2.7.2 위어에 의한 유량 측정

위어 측정법에서 완전 월류하는 직사각형 위어의 경우에는 다음 공식을 이용한다.

Q = Cd * B * H^1.5

위어 측정법의 경우에 위어 형상에 따라 월류 형태가 완전 월류, 불완전 월류 및 수중 월류 등으로 달라지고 이에 따라 수위와 유량의 관계식도 달라지므로 판단에 신중해야 한다. 또한 가동 수문을 가지는 위어는 더욱 복잡하므로 가능하면 수리 모형 실험에 의하여 수위-유량 관계를 산출한다.

2.7.3 경사면적법에 의한 유량 측정

대규모의 홍수가 발생할 경우 앞 절에서 살펴 본 점 유속의 측정에 따른 첨두 홍수량의 산정은 실질적으로 불가능한 경우가 많으므로 경사면적법(slope-area method)과 같은 간접적인 방법으로 추정할 수 있다.
경사면적법은 홍수가 지나간 후 현장 조사를 통해 획득한 위치, 표고, 횡단면적 등 홍수 흔적(flood marks)을 가지고 홍수량의 추정을 가중하게 하여, 가장 많이 이용되고 있다.

2.8 자료의 정리

2.8.1 일반 사항

유량 조사 자료의 정리 방식, 정리 서식 및 보존 방법 등은 엄격하게 관리되어야 한다.
유량 관측 및 수위-유량곡선 작성은 정해진 서식에 따라야 한다. 정리 서식에는 유량 측정 일람표, 수위-유량 곡선 계산서, 수위-유량 곡선도, 일유량 년표, 일유량 연도, 유황 계산서, 횡단면도 등이 있다.

2.8.2 수위 및 유량 관측 자료의 정리

수위 및 유량 관측 자료의 정리를 위해 유량 측정 년표, 수위-유량 곡선도, 일유량 년표, 홍수표, 유황표 등을 작성한다.

2.8.3 유량 측정 결과의 불확도 평가

유량 자료를 공식화하기 위해서는 불확도 평가 결과를 동시에 제시하는 것이 바람직하며, 불확도의 평가는 국제적으로 공인된 GUM(Guide to the expression of Uncertainty in Measurement) 표준안을 원칙으로 하고, 구체적 적용 방안은 JCGM(Joint Committee for Guides in Metrology)100:2008을 참고한다.

3. 재료

내용 없음.

4. 설계

내용 없음.

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