본 논문은 인천 해안에서 AQUASEA 모델을 적용한 오염부하량 할당 연구를 제시한다. 인천 해안의 복잡한 지형을 표현하기 위하여 유한요소격자망을 구성하였으며, 인천 해안 경계 지역의 13개 지점의 조위와 한강 유량이 조석조위 시뮬레이션을 위한 입력 조건으로 주어졌다. 또한, 해안으로 유입되는 모든 오염원의 부하량이 수질 시뮬레이션 입력 조건으로 주어졌다. 시뮬레이션된 변수는 조류와 화학적 산소요구량이며, 실측값을 이용하여 보정 및 검증되었다. 모델 결과는 대부분의 측정 지점에서 실측값과 적절한 일치를 이루었다. 시스템 분석 결과 한강에서 유입되는 오염물질은 염화수로에서부터 영흥도 북쪽 해역까지 수질에 영향을 미치며, 인천시에서 배출되는 오염물질은 영종도 아래에서부터 자월도 위쪽 해역까지 수질에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한 시화호에서 방류되는 물은 배출 수문에서부터 인천항까지의 수질에 영향을 보이며, 경기도 연안에서 배출되는 오염물질은 오이도 부근 해역의 수질에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 타당성이 검증된 모델의 오염부하량 분석을 통하여 효과적인 수질관리대책을 수립하였으며, 여기서 인천 해안의 수질기준치를 유지하면서 허용될 수 있는 오염부하량을 제시하였다.
본 논문은 인천 해안에서 AQUASEA 모델을 적용한 오염부하량 할당 연구를 제시한다. 인천 해안의 복잡한 지형을 표현하기 위하여 유한요소격자망을 구성하였으며, 인천 해안 경계 지역의 13개 지점의 조위와 한강 유량이 조석조위 시뮬레이션을 위한 입력 조건으로 주어졌다. 또한, 해안으로 유입되는 모든 오염원의 부하량이 수질 시뮬레이션 입력 조건으로 주어졌다. 시뮬레이션된 변수는 조류와 화학적 산소요구량이며, 실측값을 이용하여 보정 및 검증되었다. 모델 결과는 대부분의 측정 지점에서 실측값과 적절한 일치를 이루었다. 시스템 분석 결과 한강에서 유입되는 오염물질은 염화수로에서부터 영흥도 북쪽 해역까지 수질에 영향을 미치며, 인천시에서 배출되는 오염물질은 영종도 아래에서부터 자월도 위쪽 해역까지 수질에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한 시화호에서 방류되는 물은 배출 수문에서부터 인천항까지의 수질에 영향을 보이며, 경기도 연안에서 배출되는 오염물질은 오이도 부근 해역의 수질에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 타당성이 검증된 모델의 오염부하량 분석을 통하여 효과적인 수질관리대책을 수립하였으며, 여기서 인천 해안의 수질기준치를 유지하면서 허용될 수 있는 오염부하량을 제시하였다.
This paper presents a waste load allocation study for the Incheon coastal environment, where a computer model, called AQUASEA, was applied. A finite element mesh was constructed and refined to cover the complicated geometry of Incheon coastal sea. The tidal height at 13 places of Incheon coastal bou...
This paper presents a waste load allocation study for the Incheon coastal environment, where a computer model, called AQUASEA, was applied. A finite element mesh was constructed and refined to cover the complicated geometry of Incheon coastal sea. The tidal height at 13 places of Incheon coastal boundary and flow of the Han River were given as an input condition to the tidal simulation. All pollution sources that discharge into Incheon coast were given as input data to the water quality simulation. The modeled parameters include tidal flow and COD(Chemical Oxygen Demand). The model was calibrated and verified with the field measurements. The model results showed reasonable agreements with field measurements in both tidal flow and water quality. Systems analysis showed that the pollution load from the Han River caused recognizable impacts on the water quality of Incheon coast from Yeomhwa waterway to northern area of Younghungdo. The loads from Incheon City affected water quality from the area below Youngjongdo to the area above Jawalldo. The discharge from the Sihwa Lake caused discernible impacts on the coastal zone from the dike outlet to the Incheon harbor, and pollution loads from Kyungkido affected the sea near the Oido. An effective water quality management plan was developed from the waste load allocation analysis of the validated model, that the maximum waste loads can be discharged without violating the water quality standard given in the Incheon coastal environment.
This paper presents a waste load allocation study for the Incheon coastal environment, where a computer model, called AQUASEA, was applied. A finite element mesh was constructed and refined to cover the complicated geometry of Incheon coastal sea. The tidal height at 13 places of Incheon coastal boundary and flow of the Han River were given as an input condition to the tidal simulation. All pollution sources that discharge into Incheon coast were given as input data to the water quality simulation. The modeled parameters include tidal flow and COD(Chemical Oxygen Demand). The model was calibrated and verified with the field measurements. The model results showed reasonable agreements with field measurements in both tidal flow and water quality. Systems analysis showed that the pollution load from the Han River caused recognizable impacts on the water quality of Incheon coast from Yeomhwa waterway to northern area of Younghungdo. The loads from Incheon City affected water quality from the area below Youngjongdo to the area above Jawalldo. The discharge from the Sihwa Lake caused discernible impacts on the coastal zone from the dike outlet to the Incheon harbor, and pollution loads from Kyungkido affected the sea near the Oido. An effective water quality management plan was developed from the waste load allocation analysis of the validated model, that the maximum waste loads can be discharged without violating the water quality standard given in the Incheon coastal environment.
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문제 정의
유입되는 각 오염원별 기여도를 분석하였다. 또한, 현재 해역 기준등급을 만족하기 위해 필요한 오염부하량 감량 수준을 제시하고자 하였다.
본 논문은 인천 해안에 AQUASEA 모델을 적용하여 각 유입 오염원들이 연안 수질에 미치는 영향을 알아보고 현 해역등급을 만족시킬 수 있는 오염원의 감량수준을 제시하였다. 인천 연안으로 유입되는 오염원들을 1) 한강하구, 2) 인천광역시, 3) 경기도, 4) 시화호 오염원으로 구분하여 각 오염기여도를 분석해 본 결과, 한강 오염원은 다른 오염원에 비해 유입부하량 비율(59%)도 가장 클 뿐만 아니라, 공간적으로 영흥도 북방해역까지 가장 넓은 해역의 수질에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
수 있다. 본 연구에서는 이들 오염원이 인천 연안 수질에 미치는 오염기여도를 분석하기 위하여 각 오염원들이 제외되었을 경우 연안 수질의 변화를 측정 지점별로 비교하였으며, 그 결과를 Fig. 6과 Fig. 7에 제시하였다.
본 연구에서는 현재 해역수질환경기준을 초과하고 있는 인천 연안의 COD 농도가 수질기준을 만족시킬 수 있는 오염부하량 삭감 수준을 결정하기 위하여 시나리오 분석을 수행하였다. 시나리오 1과 2에서는 모든 오염원으로부터의 부하량이 각각 10%와 20%씩 동일하게 삭감되었다고 가정하였으며, 시나리오 3에서는 앞서 분석된 오염 기여도에 따라 오염원별로 삭감 수준을 다르게 설정하였다.
가설 설정
시나리오 1과 2에서는 모든 오염원으로부터의 부하량이 각각 10%와 20%씩 동일하게 삭감되었다고 가정하였으며, 시나리오 3에서는 앞서 분석된 오염 기여도에 따라 오염원별로 삭감 수준을 다르게 설정하였다. 시나 리오분석 결과는 오염부하량 삭감에 따른 16개 측정지점에서의 COD 농도 변화를 I, Ⅱ, Ⅲ 해역 등급별로 Fig.
따라서 시나리오 3에서는 이러한 오염기여도를 고려하여 오염원별로 감량수준을 다르게 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 즉 한강하구와 시화호의 방류수질이 각각 4 mg/L와 10 mg/L로 개선되었다고 가정하였으며, 선박과 어업시설 등 해양 오염원으로부터의 오염부하량은 50% 그리고 나머지 인천광역시의 육상오염원과 경기도 오염원은 동일하게 10%씩 삭감되었다고 가정하였다. 그 결과 II 등급 해역의 영종도 북방(St.
수질 모델 수행을 위한 경계 조건은 수리 모델과 동일하게 설정하였으며, 한강 하구와 외해의 COD 농도는 측정값에 기초하여 각각 7 mg/L과 1~2 mg/L로 유지되는 것으로 설정하였다. 한편 연안으로 유입되는 7개 유수지의 유량과 4개의 환경기초시설, 시화호의 방류 수량을 평수기 유량값으로 연속 유입되는 것으로 가정하였다(Table 1). 또한 연안으로 유입되는 오염원은 총 20여 개로 구분하여 입력하였으며, 이들 오염원의 유입지점과 부하량은 각각 Fig.
제안 방법
ll) 해역은 시화호 방류수질과 양식장 오염원의 영향을 많이 받는 것으로 나타났다. 따라서 시나리오 3에서는 이러한 오염기여도를 고려하여 오염원별로 감량수준을 다르게 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 즉 한강하구와 시화호의 방류수질이 각각 4 mg/L와 10 mg/L로 개선되었다고 가정하였으며, 선박과 어업시설 등 해양 오염원으로부터의 오염부하량은 50% 그리고 나머지 인천광역시의 육상오염원과 경기도 오염원은 동일하게 10%씩 삭감되었다고 가정하였다.
본 논문에서는 전산 모델을 인천 해역에 적용하여 조석 조류 현상과 수질 분포를 재현하고 이를 이용하여 해역으로 유입되는 각 오염원별 기여도를 분석하였다. 또한, 현재 해역 기준등급을 만족하기 위해 필요한 오염부하량 감량 수준을 제시하고자 하였다.
수위변화 경계조건은 인천항 부근 13개 조위 관측소의 수위변화 값을 사인함수로 재현하여 입력하였다. 수리모델 보정을 통해 바닥면 거칠기 계수와 확산계수를 각각 20~60, 400-4, 000 m2/sec 으로 결정하였다. 사용된 값은 해역에서 일반적으로 나타나는 값과 비교적 적절히 일치한다.
수심자료는 각 element에 입력되었으며, 해수가 유입되는 외해 경계의 node에는 수위변화에 대한 경계조건이 연안으로 유입되는 하천인 한강의 유입지점 node에는 유량 변화에 대한 경계조건을 입력하였다. 수위변화 경계조건은 인천항 부근 13개 조위 관측소의 수위변화 값을 사인함수로 재현하여 입력하였다. 수리모델 보정을 통해 바닥면 거칠기 계수와 확산계수를 각각 20~60, 400-4, 000 m2/sec 으로 결정하였다.
적용 수질은 해양 수질을 대표할 수 있는 화학적 산소요구량(COD; Chemical Oxygen Demand)으로 하였다. 수질 모델 수행을 위한 경계 조건은 수리 모델과 동일하게 설정하였으며, 한강 하구와 외해의 COD 농도는 측정값에 기초하여 각각 7 mg/L과 1~2 mg/L로 유지되는 것으로 설정하였다. 한편 연안으로 유입되는 7개 유수지의 유량과 4개의 환경기초시설, 시화호의 방류 수량을 평수기 유량값으로 연속 유입되는 것으로 가정하였다(Table 1).
수질 모델은 수리 모델을 통한 수체의 이동 변화 결과와 확산 기작에 기초하여 오염부하량과 위치 그리고 사멸계수 등의 자료를 바탕으로 시간에 따른 수질 분포를 예측한다. 수질 모델의 지배방정식인 2차원 이류확산식은 다음 식과 같다.
4(a)와 Table 2에 제시한 바와 같다. 수질모델은 수리해가 안정적이라고 판단되는 24시간부터의 수리모델 결과를 이용하였고 수질분포가 정상상태를 보이는 시간인 450시간까지 총 426시간 동안 시뮬레이션을 수행하였다. 안정한 해를 산출하기 위하여 계산시간 간격을 2분으로 설정하였다.
연구대상 해역을 AQUASEA 모델에 적합하도록 Fig. 3과같이 3, 933개의 node로 유한요소망을 구성하였다가) 수심의 변화가 크고 상세한 지형 표현을 요구하는 해안선과 조간대 부근은 격자를 조밀하게 구성하였고 수심이나 수 체 흐름 특성이 비슷한 해역부근은 비교적 크게 격자를 구성하였다. 수심자료는 각 element에 입력되었으며, 해수가 유입되는 외해 경계의 node에는 수위변화에 대한 경계조건이 연안으로 유입되는 하천인 한강의 유입지점 node에는 유량 변화에 대한 경계조건을 입력하였다.
대상 데이터
AQUASEA 모델의 보정을 위하여 인천보건환경연구원에서 측정한 1997년 3월의 측정자료를 이용하였으며, 해역 내 16개 측정 .지점의 위치는 Fig.
보정 과정에서 산출된 사멸계수를 그대로 적용하여 모델 검증을 수행하였으며, 검중을 위한 수질 자료는 Fig. 3에 제시된 16개 지점에서 1997년 5월과 11월에 측정된 수질 자료를 이용하였다. 모델의 검중 결과는 Fig.
1 km 내외이다. 본연구에서는 Fig. 1에 제시한 바와 같이 인천 연안을 포함 여 시화호 연안과 남서쪽으로 덕적도 부근까지 남동쪽으로 영흥도 하단 부근까지를 대상 해역으로 설정하였다. 연구대상 해역에서 대조승(Sp.
1에 제시한 바와 같이 인천 연안을 포함 여 시화호 연안과 남서쪽으로 덕적도 부근까지 남동쪽으로 영흥도 하단 부근까지를 대상 해역으로 설정하였다. 연구대상 해역에서 대조승(Sp. rise)과 소조승(Np. rise)은 각각 8.6과 6.4 m이며, 항내수심은 Fig. 1에서 보는 바와 같이 평균해면(MSL: Mean Sea Level)을 기준으로 약 2.0에서 약 20 m로 변화한다.'
재현하였다. 적용 수질은 해양 수질을 대표할 수 있는 화학적 산소요구량(COD; Chemical Oxygen Demand)으로 하였다. 수질 모델 수행을 위한 경계 조건은 수리 모델과 동일하게 설정하였으며, 한강 하구와 외해의 COD 농도는 측정값에 기초하여 각각 7 mg/L과 1~2 mg/L로 유지되는 것으로 설정하였다.
데이터처리
수질 시뮬레이션을 위한 수리 현상은 한강 하구의 순 유량과 외해역의 13개 조위관측소의 평균 조위값으로 경계 조건을 설정하고 보정된 바닥면 거칠기 계수와 확산계수 값을 이용하여 재현하였다. 적용 수질은 해양 수질을 대표할 수 있는 화학적 산소요구량(COD; Chemical Oxygen Demand)으로 하였다.
이론/모형
본 연구에서 사용된 AQUASEA 모델은 1992년 Vatnaskil Consulting Engineers에서 개발한 2차원 수리 및 수질 모델로 사용자에 의한 모델 활용 및 모델 결과의 공간적인 표현을 용이하게 하기 위하여 다양한 그래픽 전처리기와 후처리기가 포함되어 있다.' AQUASEA 모델은 갤러킨 잔차가중법 (Galerkin weighted residuals) 을 이용한 유한요소법 (finite element method)으로 계산을 하기 때문에 복잡한 해안선을 표현하기에 용이하고, 조간대 해역을 고려할 수 있으며 조위 변화가 크고 조류속이 빠른 해역에 적용하기 적합하다.
성능/효과
3) 경기도, 4) 시화호 오염원으로 구분하여 각 오염기여도를 분석해 본 결과, 한강 오염원은 다른 오염원에 비해 유입부하량 비율(59%)도 가장 클 뿐만 아니라, 공간적으로 영흥도 북방해역까지 가장 넓은 해역의 수질에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
Fig. 5(a)에서 보는 바와 같이 모델 보정 결과 총 16개의 지점 중 영종도 북방(St.l), 석모도 서방(St.16), 장봉도 서방(St. 15), 인천 남항(St.4), 영종도 동남방(St.6), 무의도 남방(St. ll), 덕적도 북방(St.14)에서는 모델값과 측정값의 차이가 -0.12~0.34 mg/L 이하로 거의 일치함을 보였으며, 만석동과 영종도 중간(St.3), 신공항 건설(St.5), 오이도 북방 (St.7) 지점에서는 모델값과 측정값의 차이가 1 mg/L 이하로 비교적 유사한 값을 보였다. 그러나, 화수부두 부근(St.
결과적으로 한강 오염원은 연안으로 유입되는 오염원 중 유입부하량 비율(59%)이 가장 클 뿐만 아니라, 공간적으로도 가장 넓은 해역의 수질에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 한편 시화호 오염원은 방류지점 부근과 오이도 북방지점뿐만 아니라 인천 남항 전면에서 무의도 남방까지 영향이 나타났다.
즉 한강하구와 시화호의 방류수질이 각각 4 mg/L와 10 mg/L로 개선되었다고 가정하였으며, 선박과 어업시설 등 해양 오염원으로부터의 오염부하량은 50% 그리고 나머지 인천광역시의 육상오염원과 경기도 오염원은 동일하게 10%씩 삭감되었다고 가정하였다. 그 결과 II 등급 해역의 영종도 북방(St.l) 지점에서 COD 농도가 2.2 mg/L까지 감소하였으며, Ⅲ 등급해역에서는 전 지점에서 수질기준을 만족시키는 것으로 나타났다. 또한 I 등급 해역에서도 COD 농도가 1.
1 mg/L로 감소하여 수질기준을 비교적 만족시키는 것으로 예측되었다. 그러나 I 등급 해역의 모든 지점과 II 등급 해역의 영종도 북방(St. 1)과 큰가리섬 서북방향(St.8), 용유도 서방(St. 13) 지점 그리고 Ⅲ 등급 해역의 화수부두 부근(St.2) 지점에서는 여전히 기준값을 초과하고 있는 것으로 나타났다. 특히 영종도 북방(St.
반면 경기도 오염원은 시화 하수 종말 처리장의 영향으로 인하여 상대적으로 좁은 해역에서만 그 영향이 나타나는 것으로 예측되었다. 그리고 인천광역시 오염원은 영종도 아래 해역에서 자월도 위해역까지 연안 수질에 전반적인 영향을 주는 것으로 나타났다. 따라서 인천 연안의 수질을 향상시키기 위해서는 한강 하구의 수질개선과 인천제철 유수지, 학익 배수구, 해양시설 등의 인천광역시 오염원 및 시화호의 방류수질 관리가 필수적이라고 판단된다.
2 mg/L까지 감소하였으며, Ⅲ 등급해역에서는 전 지점에서 수질기준을 만족시키는 것으로 나타났다. 또한 I 등급 해역에서도 COD 농도가 1.1 ~ 1.5 mg/L로 수질 개선이 이루어지는 것으로 예측되었다.
이는 화수부두 부근의 수질이 인천 제철 유수지에서 유입되는 오염원의 영향을 많이 받고, 오이도 북방에서 대부도 북단 해역의 수질은 승기 하수종말 처리장과 남동공단 유수지, 장수천 등의 오염원의 영향을 많이 받기 때문인 것으로 사료된다. 만석동과 영종도 중간(St.3) 지점의 COD 농도는 3.4 mg/L에서 3.2 mg/L로 감소되는 것으로 나타났고, 영종도 아래 해역에서 영흥도 북방 해역까지의 COD 농도는 평균 2.6 mg/L에서 2.2 mg/L로 약 0.4 mg/L가 감소하는 것으로 예측되었다 (Fig. 6(b), Fig.
모든 오염원의 부하량을 10% 삭감하는 경우 II 등급 해역인 영종동 동남방(St.6)과 대부도 북단(St.9) 지점에서의 COD 농도가 1.9 mg/L와 2.1 mg/L로 감소하였으며, Ⅲ 등급 해역인 영종도 중간(St.3) 지점에서의 COD 농도가 3.1 mg/L로 감소하여 수질기준을 비교적 만족시키는 것으로 예측되었다. 그러나 I 등급 해역의 모든 지점과 II 등급 해역의 영종도 북방(St.
1 mg/L로 기준값을 비교적 만족시키는 것으로 나타났다. 반면 전체 오염부하량을 20% 삭감하는 경우에도 I 등급 해역인 신공항건설 부근(St.5), 영흥도 북방 (St. 10), 무의도 남방(St. 11), 덕적도 북방(St. 14), 장봉도 서방(St. 15) 지점에서의 COD 농도는 1.3~ 1.8 mg/L로 여전히 기준값을 초과하고 있으며, II 등급 해역의 영종도 북방 (St.l) 지점에서의 COD 농도도 2.9 mg/L로 여전히 수질 기준을 초과하는 것으로 예측되었다.
시화호 오염원은 배출구 부근뿐만 아니라 오이도 북방과 인천항 내에까지 영향이 미치는 것으로 나타났다. 따라서, 연안의 수질을 향상시키기 위해서는 한강 하구의 수질 개선과 인천제철 유수지, 학익 배수구, 해양시설 등의 인천광역시 오염원 및 시화호 방류수질의 관리가 필수적이라고 사료된다.
7). 시화호 오염원을 제외했을 경우에는 시화호 근해 (St.8, St.9)와 오이도 북방(St.7) 지점의 COD 농도가 평균 2.4 mg/L에서 2.1 mg/L로 약 0.3 mg/L정도 감소하는 것으로 나타났으며, 영종도 아래 해역의 COD 농도도 약 0.2 mg/L 정도 감소하는 것으로 나타났다(Fig. 6(d), Fig.
인천광역시 오염원은 영종도 아래 해역에서 자월도 위 해역까지 연안 수질에 전반적인 영향을 주는 것으로 나타났으며, 경기도 오염원은 큰가리섬 서북 방향의 상대적으로 좁은 해역에서만 그 영향이 나타나는 것으로 예측되었다. 시화호 오염원은 배출구 부근뿐만 아니라 오이도 북방과 인천항 내에까지 영향이 미치는 것으로 나타났다.
전체 오염부하량을 20%씩 동일하게 삭감하였을 경우 II 등급 해역에서는 영종도 북방(St.l) 지점을 제외한 전 지점에서 수질기준을 만족하였으며, m 등급 해역에서의 COD 농도는 2.0~3.1 mg/L로 기준값을 비교적 만족시키는 것으로 나타났다. 반면 전체 오염부하량을 20% 삭감하는 경우에도 I 등급 해역인 신공항건설 부근(St.
후속연구
사료된다. 또한 각 오염원 감량에 대한 일반적인 비용함수가 제시된다면 경제성 분석을 통해 해역기준등급을 만족할 수 있는 최적 안을 선택할 수 있을 것으로 판단된다.
오염부하량 분석 결과를 이용하여 부하량이나 연안 수질변동 시 적절한 대책을 마련할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 각 오염원 감량에 대한 일반적인 비용함수가 제시된다면 경제성 분석을 통해 해역기준등급을 만족할 수 있는 최적 안을 선택할 수 있을 것으로 판단된다.
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