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문제 정의
- 본 연구에서는 2001년 5월에 고리 원전에서 수 행된 야외 확산실험 자료를 기초로 개발된 대기 확산모델을 검증하였다. 고리 원전은 남해 및 동 해의 해안을 따라 위치하고 있어 뚜렷한 해륙풍 현상을 보이며, 또한 주변의 복잡한 지형에 의해 복잡한 바람형태를 보이고 있다.
- 변분법 원리[기에 기초한 diagnostic 바람장 모 델은 일부 지점에서 관측된 바람장을 이용하여 질량보전 방정식을 만족하는 함수가 최소 값을 갖도록 하여 계산의 전 영역에서 바람장을 구하는 방법이다. 본 연구에서는 지표면 부근에서의 바람장 분포의 오차를 최소화하고 바람장을 좀더 정확하게 산정하기 위하여 지형을 따르는 좌표계 (terrain-following coordiantes or sigma coor- dinates) 에 대한 바람장 모델을 개발하였다. Lagrange multiplier이론을 이용하여 연속방정식 은 변분원리 (variational techniques)에 의해 적분 함수를 최소화하도록 구성되어져 있는데 수학적 으로 최소화 함수는 다음과 같다.
제안 방법
- 바람장 발생을 위한 범위로 방출점을 기준으로 서쪽으로 7 km, 동쪽으로 8 km, 남쪽으로 2 km, 북쪽으로 13 km의 범위로 동서방향 15 km, 남북방향 15 km의 영역을 대상으로 하였다. 3차원 바람장 계 산을 위한 X, y 방향의 격자 크기는 500 이로, 수 직 방향의 격자 크기는 100 m로 분할하여 지상 으로부터 1 knm까지 계산하도록 하였다. 계산영역 에 대해 X, y, z방향으로 30 X 30 X 10의 격자망 을 구성하였다.
- Chernobyl 사고[1] 이후 원전 사고 시 대기로 방출되는 방사성 물질로부터 주변 주민 및 환경 을 보호하고 방사선 피해를 최소화할 수 있는 비 상대응 체제를 개발. 개선하기 위한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되어 왔다[2, 3, 4].
- 풍속계에 (이후 nova 자료로 명명함)의해 바람을 관측하였다. Fig. 2에서와 같이 관측된 바람장이 위치에 따라 풍향과 풍속이 서로 다르게 나타나고, 또한 Briggs chart로부터 구한 난류항과 관측 바람장 으로부터 직접 구한 난류항을 이용한 경우에 계 산된 농도 값이 관측된 농도 값과 유사한 형태를 보이는 가를 알아보기 위해 6개 경우에 대한 수 치실험을 수행하였고 이들의 결과를 통계 변수 값에 의해 제시하였다 (Table 2).
- 실험을 위해 SF6 가 스를 추적자로 이용하여 원전 부지내 기상탑 58 이의 높이에서 가스를 방출하였다. 가스의 포집은 자체 제작된 가스 포집기를 이용하여 지정된 지 점에서 10분씩 6회 포집하였다. 포집점은 가스 방 출점을 중심으로 반경 3 km(A line)에 57개와 12km(B line)에 83개를 설치하여 총 140개의 지점 을 선정하여 포집기를 배치하였다.
- 농도분포 모사를 위한 대상범위는 바람장 발생 범위와 동일하게 동서방향 15 km, 남북방향 15 km로 주었고, 농도장 계산을 위한 X, y 방향의 격자 크기는 포집점이 한 개의 계산 격자내로 반영될 수 있도록 50 m로, 수직 방향의 격자 크기는 100 m로 분할하여 1 km까지 계산하도록 하였다. 계산영역에 대해 X, y, z방향으로 300 X 300 X 10의 격자망을 구성하였다 계산의 가장 중요한 입력변수인 바람분포는 바람 장 모형에 의해 계산하여 시간의 함수로 입력하 였고, 바람장 모형의 계산시간과 동일하게 계산을 수행하였다. 또한 확산모형에 입력되는 난류장 성 분인 확산계수는 통상적으로 Briggs의 식으로부터 구한 것과, 야외 확산실험을 통하여 관측한 풍 속자료를 이용하여 부지 특성이 반영된 확산계수 를 구하여 관측 값과 상호 비교하였다.
- 농도의 계산 값과 관측 값의 비교를 위하여 바 람장 모델을 이용하여 바람장을 산정한 후 이를 확산모델의 기본 입력자료로 이용하였다. 바람장 발생을 위한 범위로 방출점을 기준으로 서쪽으로 7 km, 동쪽으로 8 km, 남쪽으로 2 km, 북쪽으로 13 km의 범위로 동서방향 15 km, 남북방향 15 km의 영역을 대상으로 하였다.
- 대기 중으로 방출된 오염물의 농도분포를 예측 하여 주민과 환경에 미치는 피해를 신속히 평가 하기 위하여 바람장 및 확산모델을 개발하였다. 모델의 불확실성을 최소화하고 국내 부지 환경 특성을 고려할 수 있는 대기 확산모형의 검증 및 개선을 위하여 복잡한 지형상인 고리 원전 주변 에서 야외 확산실험을 수행하였다.
- 본 연구에서 개발된 3차원 바람장은 일부 지점에서 관측된 바람자료를 이용하여 계산되어지므로 관측된 바람장의 분포가 중 요하다. 따라서 여러 지점에서 관측된 바람장 자료를 이용하여 수치모사를 수행하였는데, 여기에 바람장 변화에 따른 확산모델의 계산 농도 값을 관측 값과 비교하기 위하여 통계분석이 이용되었다. 통계분석에 이용된 식은 NMSE(Normalized Mean Square Error), Bias, RMSE(Root Mean Square Error), FB(Fraction Bias), FA2(Factor of two), FA5(Factor of fiue)로 그 정의는 다음과 같다.
- 야외 확산실험을 통하여 얻어진 마찰속도로부터 직접 각 방향의 확산계수 #를 구하여 관측된 농도 값과 상호 비 교하였다. 마찰속도는 실험 기간중 지표면에서 관 측한 바람장을 이용하여 구하였고[9] 대기가 불안 정한 경우에 마찰속도, Monin-Obukhov length 및 Lagrangian time scale를 이용한 플륨의 표준 편차 #와 확산계수 #를 구하였다[10].
- 대기 중으로 방출된 오염물의 농도분포를 예측 하여 주민과 환경에 미치는 피해를 신속히 평가 하기 위하여 바람장 및 확산모델을 개발하였다. 모델의 불확실성을 최소화하고 국내 부지 환경 특성을 고려할 수 있는 대기 확산모형의 검증 및 개선을 위하여 복잡한 지형상인 고리 원전 주변 에서 야외 확산실험을 수행하였다. 확산실험을 통하여 관측된 바람자료를 이용하는 바람장 수치모 형에 의해 3차원 바람장을 발생하였고, 이들 바람 장 자료를 이용하여 확산 수치모델에 의해 오염 물의 농도분포를 계산하였다.
- 바람장의 변화에 따른 농도장의 변화를 살펴보 기 위해 바람장 모델에 Table 1과 같이 관측된 바람을 이용하여 여러 수치실험을 수행하였다. 야 외 확산실험 기간 중 원전 부지내 기상탑 10m 와 58 이의 자료와 대상 영역내 5개 지점(N2, N4, N6, SI, N5)에서 간이 풍향.
- 97 kg을 방출하였다. 실험 기간동안 부지내 기상탑 과 일부 포집지점에서 지상 기상 관측을 수행하 였고, 방출점 인근에서 SODAR를 이용한 고공 기상관측을 수행하였다. Fig.
- 각 방향에 대한 #는 플륨의 표준편 차로부터 구할 수 있는데, 플륨의 표준편차는 풍 하거리와 대기안정도 등급의 함수로 주어진다. 이는 일반적으로 Pasquill-Gifford나 Briggs[8]의 곡선으로부터 구할 수 있는데 본 연구에서는 고 전적인 Briggs chart로부터 구한 것과 야외 확산 실험을 통하여 얻어진 마찰속도로부터 직접 각 방향의 확산계수 #를 구하여 관측된 농도 값과 상호 비교하였다.
- 1에 나타내었다. 추적자 가스는 오후 12시 30분에 방출을 시작하여 오후 4시까지 총 3시간 30분 동안 방출하였고, 가스는 포집점에서 마지막 1시간 동안에 포집하였다. 기상탑 58 m에서 SF6 가스를 시간당 75.
- 풍속자료는 확산실험시 가스 방출시간동안 부지내 기상탑 10 m, 58 m 높이와 반경 3 km 및 12 km에 설치한 간이 풍향 . 풍속계로부터 관 측한 자료를 15분 평균하여 시간의 함수로 입력 하였다. 입력된 바람 성분은 주로 지표면에서 관 측된 것으로 수직 방향으로는 상사이론(similarity theory) [9]에 의해 외삽하였고, 수평방향으로는 방출점, 반경 3 km 및 8 km에서 관즉자료로부터 수직 외삽된 값들을 다시 내삽한 후 최종적으로 변분법에 의해 질량보존식을 만족하는 바람장 값 들을 계산하였다.
- 야 외 확산실험 기간 중 원전 부지내 기상탑 10m 와 58 이의 자료와 대상 영역내 5개 지점(N2, N4, N6, SI, N5)에서 간이 풍향. 풍속계에 (이후 nova 자료로 명명함)의해 바람을 관측하였다. Fig.
- 고리 원전은 남해 및 동 해의 해안을 따라 위치하고 있어 뚜렷한 해륙풍 현상을 보이며, 또한 주변의 복잡한 지형에 의해 복잡한 바람형태를 보이고 있다. 확산 모사를 위하여 여러 지점에서 관측된 바람자료를 이용하여 바람장을 생성하고 이에 따른 농도분포를 여러 수 치실험을 통하여 계산하여 관측 값과 비교하였다. 또한 확산모델의 난류 항을 고전적 방법의 Briggs 식을 이용한 것과 현장에서 관측한 자료로부터 플 륨의 표준편차를 직접 구한 값을 이용하여 계산을 수행하여 관측 값과 비교하였다.
- 모델의 불확실성을 최소화하고 국내 부지 환경 특성을 고려할 수 있는 대기 확산모형의 검증 및 개선을 위하여 복잡한 지형상인 고리 원전 주변 에서 야외 확산실험을 수행하였다. 확산실험을 통하여 관측된 바람자료를 이용하는 바람장 수치모 형에 의해 3차원 바람장을 발생하였고, 이들 바람 장 자료를 이용하여 확산 수치모델에 의해 오염 물의 농도분포를 계산하였다. 계산된 농도 값은 야외 실험을 통하여 얻어진 관측 값과 상호 비교 되었는데, 실험기간 중 관측된 바람자료를 전부 고려하여 계산한 경우(run 5)가 관측 값에 가장 근접하였다.
대상 데이터
- 입력된 바람 성분은 주로 지표면에서 관 측된 것으로 수직 방향으로는 상사이론(similarity theory) [9]에 의해 외삽하였고, 수평방향으로는 방출점, 반경 3 km 및 8 km에서 관즉자료로부터 수직 외삽된 값들을 다시 내삽한 후 최종적으로 변분법에 의해 질량보존식을 만족하는 바람장 값 들을 계산하였다. 농도분포 모사를 위한 대상범위는 바람장 발생 범위와 동일하게 동서방향 15 km, 남북방향 15 km로 주었고, 농도장 계산을 위한 X, y 방향의 격자 크기는 포집점이 한 개의 계산 격자내로 반영될 수 있도록 50 m로, 수직 방향의 격자 크기는 100 m로 분할하여 1 km까지 계산하도록 하였다. 계산영역에 대해 X, y, z방향으로 300 X 300 X 10의 격자망을 구성하였다 계산의 가장 중요한 입력변수인 바람분포는 바람 장 모형에 의해 계산하여 시간의 함수로 입력하 였고, 바람장 모형의 계산시간과 동일하게 계산을 수행하였다.
- 대기 확산모델의 검증을 위하여 부산광역시 기 장군 장안읍에 위치한 고리 원전 주변에서 2001년 5월 31일에 야외 확산실험을 수행하였다. 고리 원전은 남동 해안가에 위치하여 낮동안에는 해륙 풍의 영향으로 동풍 및 남풍이 내륙지방으로 불 어오며 주변의 복잡한 지형에 의해 복잡한 바람 형태를 나타내는 지역이다.
- 농도의 계산 값과 관측 값의 비교를 위하여 바 람장 모델을 이용하여 바람장을 산정한 후 이를 확산모델의 기본 입력자료로 이용하였다. 바람장 발생을 위한 범위로 방출점을 기준으로 서쪽으로 7 km, 동쪽으로 8 km, 남쪽으로 2 km, 북쪽으로 13 km의 범위로 동서방향 15 km, 남북방향 15 km의 영역을 대상으로 하였다. 3차원 바람장 계 산을 위한 X, y 방향의 격자 크기는 500 이로, 수 직 방향의 격자 크기는 100 m로 분할하여 지상 으로부터 1 knm까지 계산하도록 하였다.
- 고리 원전은 남동 해안가에 위치하여 낮동안에는 해륙 풍의 영향으로 동풍 및 남풍이 내륙지방으로 불 어오며 주변의 복잡한 지형에 의해 복잡한 바람 형태를 나타내는 지역이다. 실험을 위해 SF6 가 스를 추적자로 이용하여 원전 부지내 기상탑 58 이의 높이에서 가스를 방출하였다. 가스의 포집은 자체 제작된 가스 포집기를 이용하여 지정된 지 점에서 10분씩 6회 포집하였다.
- 가스의 포집은 자체 제작된 가스 포집기를 이용하여 지정된 지 점에서 10분씩 6회 포집하였다. 포집점은 가스 방 출점을 중심으로 반경 3 km(A line)에 57개와 12km(B line)에 83개를 설치하여 총 140개의 지점 을 선정하여 포집기를 배치하였다. 실험 지역의 지형도 및 포집점의 위치를 Fig.
- 풍속자료인데 풍향.풍속자료는 확산실험시 가스 방출시간동안 부지내 기상탑 10 m, 58 m 높이와 반경 3 km 및 12 km에 설치한 간이 풍향 . 풍속계로부터 관 측한 자료를 15분 평균하여 시간의 함수로 입력 하였다.
데이터처리
- 확산 모사를 위하여 여러 지점에서 관측된 바람자료를 이용하여 바람장을 생성하고 이에 따른 농도분포를 여러 수 치실험을 통하여 계산하여 관측 값과 비교하였다. 또한 확산모델의 난류 항을 고전적 방법의 Briggs 식을 이용한 것과 현장에서 관측한 자료로부터 플 륨의 표준편차를 직접 구한 값을 이용하여 계산을 수행하여 관측 값과 비교하였다.
- 계산영역에 대해 X, y, z방향으로 300 X 300 X 10의 격자망을 구성하였다 계산의 가장 중요한 입력변수인 바람분포는 바람 장 모형에 의해 계산하여 시간의 함수로 입력하 였고, 바람장 모형의 계산시간과 동일하게 계산을 수행하였다. 또한 확산모형에 입력되는 난류장 성 분인 확산계수는 통상적으로 Briggs의 식으로부터 구한 것과, 야외 확산실험을 통하여 관측한 풍 속자료를 이용하여 부지 특성이 반영된 확산계수 를 구하여 관측 값과 상호 비교하였다.
- 각 방향에 대한 #는 플륨의 표준편 차로부터 구할 수 있는데, 플륨의 표준편차는 풍 하거리와 대기안정도 등급의 함수로 주어진다. 이는 일반적으로 Pasquill-Gifford나 Briggs[8]의 곡선으로부터 구할 수 있는데 본 연구에서는 고 전적인 Briggs chart로부터 구한 것과 야외 확산 실험을 통하여 얻어진 마찰속도로부터 직접 각 방향의 확산계수 #를 구하여 관측된 농도 값과 상호 비교하였다.
이론/모형
- 풍속계로부터 관 측한 자료를 15분 평균하여 시간의 함수로 입력 하였다. 입력된 바람 성분은 주로 지표면에서 관 측된 것으로 수직 방향으로는 상사이론(similarity theory) [9]에 의해 외삽하였고, 수평방향으로는 방출점, 반경 3 km 및 8 km에서 관즉자료로부터 수직 외삽된 값들을 다시 내삽한 후 최종적으로 변분법에 의해 질량보존식을 만족하는 바람장 값 들을 계산하였다. 농도분포 모사를 위한 대상범위는 바람장 발생 범위와 동일하게 동서방향 15 km, 남북방향 15 km로 주었고, 농도장 계산을 위한 X, y 방향의 격자 크기는 포집점이 한 개의 계산 격자내로 반영될 수 있도록 50 m로, 수직 방향의 격자 크기는 100 m로 분할하여 1 km까지 계산하도록 하였다.
- 따라서 여러 지점에서 관측된 바람장 자료를 이용하여 수치모사를 수행하였는데, 여기에 바람장 변화에 따른 확산모델의 계산 농도 값을 관측 값과 비교하기 위하여 통계분석이 이용되었다. 통계분석에 이용된 식은 NMSE(Normalized Mean Square Error), Bias, RMSE(Root Mean Square Error), FB(Fraction Bias), FA2(Factor of two), FA5(Factor of fiue)로 그 정의는 다음과 같다.
성능/효과
- 또한 계산 영역내 기상자료를 관측하지 못한 곳에서의 바람 형태, 즉 계산 영역의 전반적인 바람형태가 기상 탑의 58 m의 바람자료보다는 기상탑의 10 이의 바람자료의 형태를 더 많이 보인 것으로 생각된다. run 3의 조건을 이용하여 Briggs chart로 난 류항을 계산한 run 5와 현장 관측 바람장 자료로 부터 난류항을 직접 계산한 run 6의 경우를 비교 해 보면 계산 결과에 큰 차이를 보이지는 않지만 run 5의 결과가 관측 농도 값과 좀더 일치함을 알 수 있다. 이는 첫째로 복잡한 지형에 의한 국 지적 난류 성분이 강하게 나타나고 바람장을 관 측한 지점의 개수가 부족하여 이 지역의 난류 성 분을 대표하지 못하는 것으로 생각된다.
- 확산실험을 통하여 관측된 바람자료를 이용하는 바람장 수치모 형에 의해 3차원 바람장을 발생하였고, 이들 바람 장 자료를 이용하여 확산 수치모델에 의해 오염 물의 농도분포를 계산하였다. 계산된 농도 값은 야외 실험을 통하여 얻어진 관측 값과 상호 비교 되었는데, 실험기간 중 관측된 바람자료를 전부 고려하여 계산한 경우(run 5)가 관측 값에 가장 근접하였다. 그러나 전반적으로 계산 값과 관측 값은 어느 정도 차이를 보이고 있는데, 이는 해당 지역의 해륙풍 및 산곡풍 등에 의한 복잡한 바람 변화에 의한 것으로 생각되며, 좀더 정확한 바람 장이 재현되지 못하였기 때문이라고 생각된다.
- 이는 첫째로 복잡한 지형에 의한 국 지적 난류 성분이 강하게 나타나고 바람장을 관 측한 지점의 개수가 부족하여 이 지역의 난류 성 분을 대표하지 못하는 것으로 생각된다. 둘째는Briggs chart가 여러 번의 추적자 실험을 토대로 작성된 실험결과이기에 관측 자료가 충분치 않은 불확실성이 내재된 지역의 경우 난류항을 재현하 는데 더 적합한 것으로 생각된다.
후속연구
- 그러나 전반적으로 계산 값과 관측 값은 어느 정도 차이를 보이고 있는데, 이는 해당 지역의 해륙풍 및 산곡풍 등에 의한 복잡한 바람 변화에 의한 것으로 생각되며, 좀더 정확한 바람 장이 재현되지 못하였기 때문이라고 생각된다. 추 후 야외 확산 실험시에는 미시규모 관점에서 좀 더 충분한 기상관측이 수행되어야 할 것으로 생각된다.
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