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문제 정의
- 서낙동강의 목표수질(낙본N 지점 BOD: 4.3 mg/L 이흐卜)올 달성하기 위한 서낙동강의 수질 개선대책 중 '수문연계운영을 통한 정체수역해소' 방안에 대한 정량적인 검토를 목적으로 수행하였다. 서낙동강의 수질변화를 예측하기 위해서 서낙동강의 수리 .
- 이 연구는 서낙동강의 수질문제를 해결하기 위해서, 가장 기본적인 방안으로서 '수문연계운영을 통한 정체수역 해소'를 선택하고, 평면 이차원 흐름 및 수질 예측 수치모형인 RMA2 모형과 RMA4 모형을 사용하여 다수의 수문운영 조건에 대해 대저수문과 녹산수문의 유수 소통능력을 수리학적으로 평가하고, 서낙동강의 수질개선을 위한 적절한 유량 및 수문 연계운영 효과를 검토하였다.
가설 설정
- 지배 방정식으로 사용한다. ① 수직 방향의 속도와 가속도는 무시한다. ② 하천바닥은 시간에 대해 변하지 않는다.
- ① 수직 방향의 속도와 가속도는 무시한다. ② 하천바닥은 시간에 대해 변하지 않는다.
- 지사천 배수구역의 4개 대배수구역을 사용하였다. 또한 평강천과 맥도강의 유입구는 각각 3개의 배수암거로 나뉘어 유입되는 것으로 설정하였다. 대저수문의 유입량의 경우 서낙동강 수질개선종합대책에서 낙본N 지점의 목표 수질을 달성하기 위해 기준유량보다 20% 증대시켜 제시한 6 n?/s와 10, 30, 50 m%에 대해 수치모의하였다.
제안 방법
- 서낙동강관계기관합동에 의한 ''서낙동강 수질 개선 종합대책''에서 낙동강수계 오염총량관리 대상오염물질인 BOD를 기준으로 서낙동강 유역의 수질 변화를 검토하였으며, 환경부의 물환경 정보시스템 (WEIS) 자료를 사용하여 서낙동강 본류의 최근 10 년간 BOD 변화를 지점별로 정 리 하면 Table 3과 같다. BOD 농도를 기준으로 서낙동강 본류의 연평균 수질은 2000년 김해시 화목하수처리장이 건설된 이후 개선되고 있으나, 서낙동강 유역 기준지점(낙본 N, 녹산수문)의 목표수질인 BOD 4.
- 다른 의미를 갖는다. RMA2 모형은 지역별로 Manning 계수와 난류교환계수의 입력이 가능하지만, 서낙동강 하천 정비 기본계획에 명시된 서낙동강 본류와 평강천, 맥도강 구간의 조도계수가 동일하여 서낙동강 전체구역에 일괄적으로 동일하게 적용하여 수치모의 하였다.
- 025를 사용하는 것이 무난할 것으로 판단하였다. RMA4 모형의 매개변수는 확산계수가 있으며, 서낙동강에 적합한 확산계수를 결정하기 위해 민감도 분석을 수행하였다. 수치모의 정확도 향상을 위해 현장관측 결과를 사용하여 수치모형에서 적용할 확산계수를 결정하는 경우가 있다.
- 52% 작게 추정된다. 따라서 양산천 유역의 유황분석 결과를 사용하여 서낙동강 각 지천하구에서의 유황분석을 수행하였다.
- BOD 농도변화를 예측하였다. 또한, 각 모의조건별 평면 이차원 BOD 농도를 수치모의할 때 사용할 계산시간 간격과 수치모의시간(Table 4)을 설정하였으며, 각 모의조건별 유속장 예측결과를 바탕으로 유속이 느릴수록 계산시간 간격과 수치모의 시간을 길게 설정하였다 Fig. 9는 각 모의조건별로 나타난 서낙동강에서의 BOD 농도분포를 도시한 것이다.
- 있다. 서낙동강에 알맞은 RMA2 모형의 매개변수를 결정하기 위해 Manning 계수, 난류교환계수, Peclet 수에 대한 민감도를 분석하였다.
- 분석하였다. 서낙동강에 적합한 평면 이차원 흐름 및 수질 예측모형의 매개변수를 민감도 분석을 통해 결정하였고' 수문 운영에 대한 각 모의조건을 설정하여 서낙동강의 BOD 농도분포를 예측하였다. BOD 농도분포 예측 결과는 하상퇴적물로부터의 용출을 고려하지 않고, 오염물질인 BOD를 보존성 물질로 가정하여 계산한 결과로서, 실제 현상과는 다소 차이가 있을 것으로 판단된다.
- 서낙동강에서 실측을 통해 얻은 확산계수가 없는 관계로 선행연구들에서 사용한 값을 토대로 하였으며, 일반적인 하천과 하구와 인접해 있는 하천에서의 확산계수 값을 기초로 하여 RMA4 모형에 사용할 확산계수의 개략적인 범위를 설정하고, 민감도 분석은 확산계수 변화에 따른 모형의 결과를 통해 분석하였다. 선행연구를 통해 설정한 서낙동강에 적용 가능한 확산계수의 범위는 0.
- 서낙동강의 수질변화를 예측하기 위해서 서낙동강의 수리 . 수문 및 수질 현황을 조사 . 분석하였다.
- 흐름의 변화가 크게 나타나는 세 지점을 선택하여 민감도분석을 실시하였으며, Fig. 2는 민감도 분석에 사용된 격자점의 위치를 표시한 것이다. 민감도 분석에 사용된 격자점은 서낙동강 본류의 두 지점 (Point-1, Point-2)과 서낙동강 본류와 평강천이 합류하는 곳의한 지점(Point-3)을 사용하였다.
대상 데이터
- RMA2/RMA4 모형의 지형입력자료는 부산지방국토관리청 ' 의 서낙동강 하천정비기본계획 하천측량자료를 사용하였다. 하상이 가장 깊은 곳의 표고는 El.
- Table 1은 유황분석결과를 정리한 것이며, 환경관리공단 2)에 서 발행 한 “서낙동강 수질 개 선 방안 타당성 조사 보고서”의 서 낙동강 하천유역면적 을 사용하였다. 안동댐과 양산천 유역면적 및 유황자료는 국가수자원 관리종합시스템(WAMIS) 자료를 사용하였다
- Table 2의 농도 값을 사용하다. 대감천의 BOD 농도 자료는 김 등6)이 김해시에 대해 수행한 수질오염 총량 관리 제도 이행평가 수질자료 중 2006년의 평균 즉정값을 사용하였다. 대저수문을 통해 유입되는 낙동강 본류의 BOD 농도는 서낙동강과 가장 근접한 구포에서 측정한 10년간(1999년~2008년)의 평균값을 사용하였다.
- 대감천의 BOD 농도 자료는 김 등6)이 김해시에 대해 수행한 수질오염 총량 관리 제도 이행평가 수질자료 중 2006년의 평균 즉정값을 사용하였다. 대저수문을 통해 유입되는 낙동강 본류의 BOD 농도는 서낙동강과 가장 근접한 구포에서 측정한 10년간(1999년~2008년)의 평균값을 사용하였다.
- 2는 민감도 분석에 사용된 격자점의 위치를 표시한 것이다. 민감도 분석에 사용된 격자점은 서낙동강 본류의 두 지점 (Point-1, Point-2)과 서낙동강 본류와 평강천이 합류하는 곳의한 지점(Point-3)을 사용하였다.
- 수치모형 에 사용한 평면 이차원 유한요소 망은 삼각형 요소를 사용하였으며, 정삼각형에 가깝도록 결정하였다. 사용한 삼각형 유한요소의 개수는 5,299개이며, 격자점의 수는 12,070개이다.
- 안동댐과 양산천 유역면적 및 유황자료는 국가수자원 관리종합시스템(WAMIS) 자료를 사용하였다
- 경계조건은 대저수문의 유입량과 지천 유입량으로 좌안측의 평강천 및 맥도강 배수구역, 우안측에 대감천, 예안천, 주중천, 신어천 배수구역, 조만강 배수구역. 지사천 배수구역의 4개 대배수구역을 사용하였다. 또한 평강천과 맥도강의 유입구는 각각 3개의 배수암거로 나뉘어 유입되는 것으로 설정하였다.
데이터처리
- 각 매개변수의 민감도 분석 범위로 Manning 계수는 0.02~0.1, 와점성계수는 1,000~15,000 Pa - s, Peclet 수는 5~45의 범위를 각각 다섯 단계로 변화시켜가며 분석하였으며, 분석대상이 아닌 매개변수는 RMA2 모형의 기본값을 사용하였다.
- 서낙동강에 적합한 RMA4 모형의 확산계수를 결정하기 위해 민감도분석을 수행하였다. 선행연구를 통해 설정한 서낙동강에 적용 가능한 확산계수의 범위는 0.
이론/모형
- RMA2 모형은 다음과 같은 천수가정을 사용하여 3차원 Reynolds 방정식과 연속방정식을 수심 적분한 천수 방정식을 지배 방정식으로 사용한다. ① 수직 방향의 속도와 가속도는 무시한다.
- RMA2 모형의 지배방정식은 가중잔차 Galerkin 방법을 사용한 유한요소법으로 계산하고, 유한요소는 1차원 또는 2차원 사각형, 삼각형이 될 수 있으며, 곡선이 한 변으로 사용될 수 있다. 형상 함수는 유속에 대해서 2차함수이며, 수심에 대해서는 1차 함수이다.
- 화학적 반응에 의한 오염물질의 소멸계수이다. RMA4 모형의 수치 기법으로 Galerkin 방법을 사용하며, RMA4 모형 의 계산 결과는 SMS의 후처리 기능을 사용하여 여러 형태의 그림으로 표시하여 검토할 수 있다.
- RMA4 모형의 확산계수에 대한 민감도분석에 사용한 RMA2 모형의 흐름 조건은 RMA2 모형의 민감도 분석과 동일한 경계 조건을 사용하였고, 난류교환계수는 1,000 Pa - s, Peclet 수는 20, Manning 계수는 0.025를 사용하였다. Fig.
- 형상 함수는 유속에 대해서 2차함수이며, 수심에 대해서는 1차 함수이다. 공간에 대한 적분법은 Gaussian 적분법이 사용되었으며, 에 에 대한 미분은 비선형 유한 차분 근사법에 의해 계산된다. 수치기법은 완전 음해법으로서, 각 시간 단계에서의 비선형 연립방정식을 Newton-Raphson 반복계산법을 사용하여 해를 구한다.
- 서낙동강 하류단인 녹산수문의 방류량 분석은 가능하지만, 유출이 수문 운영에 의해 제어되는 특징을 가지고 있어서 유황분석에 직접 활용할 수 없다. 따라서 다음 식과 같은 비유량법을 사용하여 서낙동강의 유황분석을 수행하였다.
- 공간에 대한 적분법은 Gaussian 적분법이 사용되었으며, 에 에 대한 미분은 비선형 유한 차분 근사법에 의해 계산된다. 수치기법은 완전 음해법으로서, 각 시간 단계에서의 비선형 연립방정식을 Newton-Raphson 반복계산법을 사용하여 해를 구한다.
- 확산계수가 커짐에 따라 오염물질의 이동 거리가 증가하고, 농도분포의 공간확산 규모가 더 커지는 것을 알 수 있었다. 일반적인 하천에서는 1 m2/s 이하의 확산계수를 가지는 것으로 추정되며, 이 연구에는 1.0 m%를 RMA4 모형의 확산계수로 사용하였다.
성능/효과
- 5일과 4일의 시간이 필요함을 알 수 있었고(Fig. 9(c)-11(d)), 이는 현재 대저수문과 녹산수문은 조위의 영향을 고려하여 5물~11물에 최대 7일 정도 수문을 개방하는 것을 고려할 때 현실적인 수문운영 개방상황으로써도 서낙동강의 목표수질을 달성할 수 있는 것으로 예측되었다. 그리고 목표수질을 적정 시간에 달성하기 위해서는 30 m3/s 이상의 대저수문 유입유량이 필요한 것으로 나타났다.
- 3 mg/L 이하)을 달성하는데 30일의 시간이 필요함을 알 수 있었다. 이는 유입유량이 6 n?/s로 서낙동강 수질 개선종합대책에서 수질개선을 위해 설정한 대저수문 유입 유량으로써, 이 연구의 모의조건에 의한 분석 결과 현실적 수질개선효과를 얻기에는 상당히 긴 시간이 필요할 것으로 예측되었다. 또한 Case-2의 경우도 분석결과 목표수질을 달성하는데 18일 이상의 시간이 필요한 것으로 나타났다(Fig.
- 서낙동강에 적합한 평면 이차원 흐름 및 수질 예측모형의 매개변수를 민감도 분석을 통해 결정하였고' 수문 운영에 대한 각 모의조건을 설정하여 서낙동강의 BOD 농도분포를 예측하였다. BOD 농도분포 예측 결과는 하상퇴적물로부터의 용출을 고려하지 않고, 오염물질인 BOD를 보존성 물질로 가정하여 계산한 결과로서, 실제 현상과는 다소 차이가 있을 것으로 판단된다.
- 또한 Case-2(10 m3/s 유입)의 경우도 분석결과 목표수질을 달성하는데 18일 이상의 시간이 필요한 것으로 나타났다. Case-3(30 m3/s 유입)과 Case-4(50 m3/s 유입)의 BOD 농도분포 분석결과 6.5일과 4일의 시간이 필요함을 알 수 있었고, 이는 현재 대저수문과 녹산수문은 조위의 영향을 고려하여 5물~11물에 최대 7일 정도 수문을 개방하는 것을 고려할 때 현실적인 수문 운영 개방상황으로써도 서낙동강의 목표수질을 달성할 수 있는 것으로 예측되었다. 그리고 목표 수질을 적정 시간에 달성하기 위해서는 30 m3/s 이상의 대저 수문 유입유량이 필요한 것으로 나타났다.
- 서낙동강의 경우 Peclet 수의 경우는 수치모형의 결과에 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. Manning 계수 값이 클수록 수위는 증가하고 유속은 작아지는 일반적인 경향을 보였으며, Manning 계수를 과대산정하지 않는다면 수치해에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 예측되었다. 따라서, 이 연구에서 난류교환계수는 1, 000 Pa .
- Manning 계수의 민감도분석을 실시한 결과 흐름 저항을 표현하는 물리량이기 때문에, 값이 클수록 수위는 증가하고 유속은 작아지는 일반적인 경향을 나타내고 있으나, Maiming 계수를 0.10으로 과대 산정한 경우에는 수위가 급격히 증가하는 현상을 보였다. 따라서 Manning 계수를 과대산정하지 않는다면, 모의결과가 민감하게 반응하지 않으므로, 서낙동강 하천정비기본계획에서 제시한 Manning 계수 0.
- RMA2 흐름 모형에 대한 민감도분석 결과, 난류 교환계수가 클수록 수위는 증가하고 유속은 줄어드는 일반적인 형태를 나타내고 있으나, 1,000~3,000 사이에서는 유속이 민감한 반응을 보였다. 난류 교환계수의 변화에 대한 모형의 결과값들은 특별한 진동 없이 일반적인 형태를 보였다.
- RMA4 모형에 적용한 BOD 초기농도는 서낙동강본류 수질측정망들의 BOD 농도 평균치인 6.55 mg/L를 사용하였고, BOD 농도분포 예측결과는 하상퇴 적물로부터의 용출을 고려하지 않고, 오염물질인 BOD를 보존성 물질로 가정하여 계산한 결과이다.
- 각 모의조건에 의한 서낙동강의 수질변화예측 결과 현재 대저수문과 녹산수문은 조위의 영향을 고려하여 5물~11물에 최대 7일 정도 수문을 개방하므로 대저수문을 통해 30 m3/s 이상을 서낙동강으로 유입한다면 현실적인 수문운영 개방상황으로도 서낙동강의 목표수질을 달성할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 평강천과 맥도강의 경우 대저수문을 통해 낙동강의 물을 유입시키더라도 수질개선 효과는 미 미하였으며, 특히 맥도강의 경우 흐름이 거의 발생하지 않아 실직적 인 BOD 농도분포를 고려하기에 어려운 상황이다.
- 그러므로 확산계수는 완전히 혼합된 거리에 큰 영향을 주고 있음을 확인할 수 있었다. 서낙동강에 적용할 확산계수의 민감도분석 결과, 일반적으로 하구나 연안과 같이 난류의 영향이 큰 지역에서 사용하였던 10 m2/s 이상의 확산계수는 흐름이 거의 발생하지 않는 평강천과 맥도강에서 서서히 확산을 발생 시켜 수질이 개선되는 양상을 보였고, 100 m2/s 이상의 확산계수에 의해서는 신어천과 조만강에서 유입되는 BOD 농도를 과도하게 확산시켜 서낙동강 본류의 BOD 농도변화를 적절히 나타내지 못하였다 5 mF의 경우 지천들의 BOD 유입에 따른 서낙동강 본류의 BOD 농도 분포를 적절히 나타내지 못하는 것으로 판단된다.
- 9(c)-11(d)), 이는 현재 대저수문과 녹산수문은 조위의 영향을 고려하여 5물~11물에 최대 7일 정도 수문을 개방하는 것을 고려할 때 현실적인 수문운영 개방상황으로써도 서낙동강의 목표수질을 달성할 수 있는 것으로 예측되었다. 그리고 목표수질을 적정 시간에 달성하기 위해서는 30 m3/s 이상의 대저수문 유입유량이 필요한 것으로 나타났다.
- 9(c)-11(d)), 이는 현재 대저수문과 녹산수문은 조위의 영향을 고려하여 5물~11물에 최대 7일 정도 수문을 개방하는 것을 고려할 때 현실적인 수문운영 개방상황으로써도 서낙동강의 목표수질을 달성할 수 있는 것으로 예측되었다. 그리고 목표수질을 적정 시간에 달성하기 위해서는 30 m3/s 이상의 대저수문 유입유량이 필요한 것으로 나타났다.
- 난류교환계수와 Peclet 수의 민감도분석을 실시한 결과 난류교환계수는 흐름 저항을 표현하는 물리량이기 때문에 값이 클수록 수위는 증가하고 유속은 줄어드는 일반적인 형태를 나타내고 있으나, 1, 000-3, 000 사이에서의 유속은 민감한 반응을 보였다. 난류교환계수의 변화에 대한 모형의 결과값은 특별한 진동없는 일반적인 형태를 나타냄으로써 서낙동강에 적용할 난류교환계수는 모형에서 추천하는 난류교환계수의 범위 중 서낙동강 흐름 특성에 적합한 범위내의 값인 1,000 Pa・ s로 결정하였다.
- 10으로 과대 산정한 경우에는 수위가 급격히 증가하는 현상을 보였다. 따라서 Manning 계수를 과대산정하지 않는다면, 모의결과가 민감하게 반응하지 않으므로, 서낙동강 하천정비기본계획에서 제시한 Manning 계수 0.025를 사용하는 것이 무난할 것으로 판단하였다. RMA4 모형의 매개변수는 확산계수가 있으며, 서낙동강에 적합한 확산계수를 결정하기 위해 민감도 분석을 수행하였다.
- Table 4의 모의조건에 대하여 정상류 흐름을 수치모의하였다. 서낙동강 흐름예측에서 서낙동강 상류 좌안으로 합류하는 평강천 유입부의 경우 Case-1~3의 모의조건에서는 평강천 상류에서 서낙동강으로 흐름이 발생하였으며, 대저수문을 통한 유입량이 50 m3/s(Case-4) 정도가 되면 서낙동강에서 평강천 상류쪽으로 미세한 흐름이 발생함을 알 수 있었다(Fig. 7). 이런 현상은 대저수문 유입유량 증가로 인한 영향이 평강천 흐름변화에는 그다지 영향을 주지 못하는 것으로 판단되며, 비록 평강천 하류 단에서 서낙동강 본류쪽으로 흐름 발생한다.
- 평면 이차원 흐름 분석결과, Case-1 ~3의 모의조건에서는 평강천 상류에서 서낙동강쪽으로 흐름이 발생하였으며, 대저수문을 통한 유입량이 50 m3/s (Case-4) 정도가 되면 서낙동강에서 평강천 상류 쪽으로 미세한 흐름이 발생함을 알 수 있었다. 이런 현상은 대저수문 유입유량 증가로 인한 영향이 평강천 흐름변화에는 그다지 영향을 주지 못하는 것으로 판단되며, 비록 평강천 하류단에서 서낙동강본류 쪽으로 흐름 발생 한다하더라도, 서낙동강 본류의 흐름을 평강천 상류쪽으로 원활하게 유입시키지 못한다면 평강천에서 수문운영에 의한 수질개선 효과는 매우 낮을 것으로 판단되었다.
- Fig. 6(a)~(f)는 확산계수 변화에 따른 서낙동강의 농도분포를 도시한 것으로 확산계수가 커짐에 따라 오염물질의 이동거 리가 증가하고, 농도분포의 공간확산 규모가 더 커지는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 각 모의 조건별 평강천과 맥도강의 수질개선 효과는 거의 없었으며, 특히 맥도강의 경우 흐름이 거의 발생하지 않아 실직적인 BOD 농도분포를 고려하기에 어려운 상황이며, 맥도강의 수질개선 효과를 위해서는 수체교환방식으로 수문개방 일정을 고려 한 맥 도배 수펌 프장과 신포배 수펌 프장의 가동을 검토해야 할 것으로 판단된다.
- 각 모의 조건별 평강천과 맥도강의 수질개선 효과는 거의 없었으며, 특히 맥도강의 경우 흐름이 거의 발생하지 않아 실직적인 BOD 농도분포를 고려하기에 어려운 상황이며, 맥도강의 수질개선 효과를 위해서는 수체교환방식으로 수문개방 일정을 고려 한 맥 도배 수펌 프장과 신포배 수펌 프장의 가동을 검토해야 할 것으로 판단된다.
- 어려운 상황이며, 맥도강의 수질개선 효과를 위해서는 수체교환방식으로 수문개방 일정을 고려 한 맥 도배 수펌 프장과 신포배 수펌 프장의 가동을 검토해야 할 것으로 판단된다.
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