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팔당호에 유입된 비보존성 오염물질의 혼합거동
Mixing Characteristics of Nonconservative Pollutants in Paldang Lake 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, B. 수공학, 해안 및 항만공학, 환경 및 생태공학, v.29 no.3B, 2009년, pp.221 - 230  

서일원 (서울대학교 공과대학 건설환경공학부) ,  최남정 ,  전인옥 (서울대학교 공과대학 건설환경공학부) ,  송창근 (서울대학교 공과대학 건설환경공학부)

초록
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국내 주요 상수 취수원은 동일한 하천 및 호수에 하수 처리장이 위치해 있어 처리 방출수로 인한 악영향을 받게 된다. 또한 하천을 따라 건설된 도로나 교량에서 발생하는 교통사고나 수질 오염사고로 인한 하천 내의 오염물 유입은 취수장 운영에 큰 어려움을 주게 된다. 특히 우리나라 주요 상수원에 해당하는 팔당호의 경우 호수면적에 비해 유역면적이 상당히 크기 때문에 다양한 수질 오염사고에 노출되어 있다. 따라서 사전에 발생 가능한 수질사고를 모의하고 이에 대한 대책을 모색하는 일이 매우 중요하다. 본 연구에서는 팔당호 주변에서 발생할 수 있는 수질 오염사고에 대한 수질모의를 수행하였다. 2차원 수치모형을 이용하여 사고로 유입된 오염물질의 혼합거동을 모의하였고, 팔당호에 위치한 주요 취수장에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해서 2차원 흐름모형인 RMA-2를 이용하여 유속장을 모의하고, 이 결과를 2차원 하천수질 해석모형인 RAM4에 입력하여 오염물질의 시간에 따른 거동을 분석하였다. 갈수기 수질사고 발생시 저감방안으로써 남한강과 북한강의 유량증대에 따른 오염물질의 희석 및 수세 효과에 대해 분석하였다. 분석결과 유량증대에 따라 오염물질의 최대 농도는 더 높아지면서 더 빠르게 이동하는 현상을 관찰할 수 있었다. 따라서 오염물질이 주입된 지점에서의 초기 희석 효과보다는 빨라진 흐름에 의한 수세 효과가 훨씬 더 크게 나타난 것으로 판단된다. 이를 통해 독성 오염물질로 인한 수질사고 발생시 유량증대에 의한 수세 효과가 취수장 운영에 있어 유리한 대책이 될 수 있음을 확인할 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In Korea, many water intake plants are easily affected by effluents of sewage treatment plants because sewage treatment plants are usually located upstream or nearby the plants of the same riverine area. Furthermore, the inflow of harmful contaminants owing to pollutant spills or transportation acci...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 2차원 흐름모형인 RMA-2를 이용하여 팔당호의 갈수기 흐름조건에 대한 흐름모의를 수행한 후, 2차원 수질모형인 RAM4를 이용하여 다양한 수질오염 사고에 대해 모의하였다. 갈수기 수질사고 등으로 인해 질량 형태로 하천에 유입되는 비보존성 오염물질의 혼합특성 분석을 위해 양수대교와 용담대교에서 오염물질이 순간적으로 질량 주입되는 수질사고를 가정하여 이에 대한 모의를 수행하였다. 양수대교의 경우 교량의 좌안, 중앙, 우안에서 10 ton의 페놀을 주입하여 모의함으로써 오염물질 유입 위치에 따른 오염 물질 거동의 차이를 분석하였다.
  • 또한 수체에 질량형태로 유입되는 오염물질을 농도로 변환하지 않고 직접 입력할 수 있기 때문에 순간적인 오염물질 유입사고를 모의하기에 적합하다(서일원, 2008). 따라서 본 연구와 같이 수질사고로 인한 오염물질의 거동과 이에 따른 영향 검토에 적합하다고 판단된다. RAM4 모형의 특장점 및 RMA-4와의 비교 내용을 표 1에 수록하였다(서울대학교, 2004).
  • 본 논문에서는 2차원 흐름모형인 RMA-2를 이용하여 팔당호의 갈수기 흐름조건에 대한 흐름모의를 수행한 후, 2차원 수질모형인 RAM4를 이용하여 다양한 수질오염 사고에 대해 모의하였다. 갈수기 수질사고 등으로 인해 질량 형태로 하천에 유입되는 비보존성 오염물질의 혼합특성 분석을 위해 양수대교와 용담대교에서 오염물질이 순간적으로 질량 주입되는 수질사고를 가정하여 이에 대한 모의를 수행하였다.
  • 수질사고 등으로 인해 질량 형태로 하천에 유입되는 비보존성 오염물질의 혼합특성을 분석하기 위하여 팔당호에 위치한 양수대교와 용담대교에서 오염물질을 주입하는 조건으로 RAM4 모의를 수행하였다. 본 수치모의의 목적은 주요 상수원인 팔당호의 발생할 수 있는 수질사고에 대비하여 오염물질의 거동을 분석하고 나아가서 오염물질이 취수장에 미치는 영향을 검토하는 것이기 때문에 오염물질로서 독성이 강한 페놀을 가정하여 주입하였다. 페놀의 경우 낙동강 수질사고 등에서 나타났듯이 독성이 매우 강하기 때문에 우리나라의 경우 음용수 허용기준치가 0.
  • 본 연구에서는 팔당호 주변에서 발생할 수 있는 수질 오염사고에 대한 수질모의를 수행하였다. 2차원 수치모형을 통하여 사고로 유입된 오염물질의 혼합 거동을 모의하였고, 팔당호에 위치한 주요 취수장에 미치는 영향을 분석하였다.
  • 용담대교 수질사고 수치모의에서는 수질사고 저감방안으로 북한강과 남한강 유량 증대에 따른 오염물질의 희석 및 수세 효과에 대해 살펴보았다. 북한강과 남한강 유량을 갈수기 유량의 3.
  • 용담대교 수질사고의 경우 하천 유량증대로 인한 희석(dilution) 및 수세(flushing) 효과를 알아보기 위하여 북한강과 남한강의 유량을 400 m3/s로 증가시켜 오염운의 거동이 어떻게 변하는지 살펴보았다. 북한강과 남한강의 유량을 증가시켜 RMA-2를 모의한 결과, 북한강 유량증대의 경우 북한강의 유속이, 남한강 유량증대의 경우 남한강의 유속이 크게 증가하는 것으로 나타났다.

가설 설정

  • 양수대교와 마찬가지로 비보존성 오염물질인 페놀이 10 ton 투입되었을 경우를 가정하였으며 감쇠계수는 0.1 /day, 종·횡방향 분산계수는 각각 10 m2/s와 1m 2/s를 입력하였다.
  • RAM4의 모의조건으로서 종분산계수는 10 m2/s, 횡분산계수는 1 m2/s를 입력하였다. 유입되는 페놀의 질량은 10 ton으로 가정하였고, 페놀의 감쇠계수는 0.1 /day로 입력하였다. 이는 국내외 연구에서 제안한 자료를 바탕으로 한 것이다(Arutchelvan 등, 2005; Kumar 등, 2006).
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Lee와 Seo, 2007에 따르면, RAM4가 오염물질의 사고 유입을 모의하는 데에 매우 적합한 모형인 이유는? RAM4는 국내에서 개발된 2차원 하천 수질해석 프로그램으로서 사행하천에서의 오염물질의 혼합거동을 정확하게 재현하지 못하는 RMA-4의 단점을 보완한 모형이다(서일원, 2008). 또한 RAM4는 수질사고 등에 의해 순간적으로 유입되는 질량 형태의 오염물질을 모의영역의 경계와 내부 격자에 직접 입력할 수 있어서 오염물질의 사고 유입을 모의하는 데에 매우 적합한 모형이다(Lee와 Seo, 2007).
하천에서 오염물질이 유입되어 혼합되는 과정의 두 단계는 무엇인가? 하천에서 오염물질이 유입되어 혼합되는 과정은 크게 두 단계로 나누어 볼 수 있다. 첫 번째 단계는 근역혼합으로서, 유입되는 오염물질이 가지는 부력과 모멘텀이 혼합 과정에 큰 영향을 미치는 영역이다. 대부분의 하천의 경우, 수심이 상대적으로 작기 때문에 근역에서 수심 방향 혼합이 완료된다. 두 번째 단계는 원역혼합단계로서 근역혼합 후에 부력과 초기 모멘텀의 영향이 감소하면서 하천의 난류와 흐름에 따라 혼합이 진행되는 영역이다. 근역에서의 혼합거동을 살펴보기 위해서는 3차원 이송-확산 방정식이 필요하다.
본 연구에서, 갈수기 수질사고 등으로 인해 질량 형태로 하천에 유입되는 비보존성 오염물질의 혼합특성 분석을 위해 양수대교에서 오염물질이 순간적으로 질량 주입되는 수질사고를 가정하여 이에 대한 모의를 수행한 결과는 무엇인가? 갈수기 수질사고 등으로 인해 질량 형태로 하천에 유입되는 비보존성 오염물질의 혼합특성 분석을 위해 양수대교와 용담대교에서 오염물질이 순간적으로 질량 주입되는 수질사고를 가정하여 이에 대한 모의를 수행하였다. 양수대교의 경우 교량의 좌안, 중앙, 우안에서 10 ton의 페놀을 주입하여 모의함으로써 오염물질 유입 위치에 따른 오염 물질 거동의 차이를 분석하였다. 분석결과 좌안 및 중앙 주입의 경우 팔당 1~3 취수장의 최대 농도값이 0.14~0.15 mg/L인 반면 우안 주입의 경우 0.12 mg/L로 나타나, 좌안 및 중앙 주입이 우안 주입에 비해 팔당호 내 취수장에 미치는 영향이 크다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 첨두 농도 이후 하강곡선이 매우 완만하게 감소하면서 긴 꼬리를 형성하고 있어서 12.5일이 경과 후에도 페놀의 농도가 0.01 mg/L 이상을 유지하고 있음을 볼 수 있었다. 따라서 실제로 오염물질이 팔당호에 유입되었을 경우 수질이 회복되기 위해서 상당한 기일이 필요함을 예측할 수 있었다.
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참고문헌 (23)

  1. 건설교통부(2001) 경안천수계하천정비기본계획보고서. 

  2. 건설교통부(1992) 한강수계치수기본계획(하천정비기본계획). 

  3. 경기개발연구원(2008) 팔당호 수질사고 예경보 시스템 개발에 관한 기초연구. 

  4. 김형일, 이종설, 허준행, 조원철(1998) 한강하류부에서의 오염물질의 거동 특성 연구. 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, 제31권 제1호, pp. 85-93. 

  5. 박무종, 김중훈, 윤용남(1994) RMA-4에 의한 한강하류부에서의 오염물 확산 이송 특성연구. 대한토목학회 학술발표회 논문집, 대한토목학회, pp. 89-92. 

  6. 서울대학교(2004) 하천흐름 및 하상변동 해석기술 개발 1단계 최종보고서, 21세기 프론티어연구개발사업. 

  7. 서일원(2008) RAMS 적용. 21세기 프론티어연구개발사업. 

  8. 서일원, 이명은(2006) 유속장을 고려한 분산텐서를 포함한 2차원 이송-분산모형의 개발. 대한토목학회 논문집, 대한토목학회, 제26권 제2B호, pp. 171-178. 

  9. 서일원, 이명은(2007) 하천 오염확산 수치해석에서 생성항을 이용한 순간주입 모의. 대한토목학회 논문집, 대한토목학회, 제27권 제1B호, pp. 1-8. 

  10. 오정선, 서일원, 김영한(2004) 사행하천에서 오염물질의 2차원 거동특성 해석. 한국수자원학회 논문집, 제37권 제12호, pp. 979-992. 

  11. 이명은(2007) 오염물질 이동 해석을 위한 2차원 유한요소모형, 박사학위논문, 서울대학교. 

  12. 이명은, 서일원(2008) 순간 유입된 오염물질의 혼합 모의 시 질량 오차 산정. 대한토목학회 논문집, 대한토목학회, 제28권 제5B호, pp. 475-483. 

  13. 조성우, 전경수(2001) 사고에 의하여 자연하천으로 방류된 비보존성 오염물질의 종확산. 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, 제34권 제4호, pp. 289-301. 

  14. 환경부(1997) 수질종합관리 및 수질감시 기술: 수질감시 시스템 구축(시스템을 중심으로), 서울대학교. 

  15. 환경부(2004) 2003 상수도통계. 

  16. 환경부(2005a) 2004 하수도통계. 

  17. 환경부(2005b) 환경백서. 

  18. 환경부 물환경정보시스템(2009) http://water.nier.go.kr/weis. 

  19. Arutchelvan, V., Kanakasabai, V., Elangovan, R., Nagarajan, S. and 

  20. Fischer, H.B., List, E.J., Koh, R.C.Y., Imberger, J., and Brooks, 

  21. Gee, D.M. and Wilcox, D.B. (1985) Use of a Two-Dimensional 

  22. Kumar, A., Kumar, S., and Kumar S. (2005) Biodegradation kinetics 

  23. Lee, M.E. and Seo, I.W. (2007) Analysis of pollutant transport in 

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