하저 또는 해저 퇴적오염물질 처리 및 제거는 준설과 매립에 의해 활발히 진행되었다. 그러나 준설과 매립은 준설과정에서 발생하는 퇴적오염물질의 교란, 매립지 선정문제, 고비용 공사비 등으로 인한 많은 제약이 따르고 있다. 이러한 문제로 인해 협소한 지역의 퇴적오염물질에 대해서는 오염물질의 용출 저감을 위한 현장 캡핑이 근래 들어 많이 사용되고 있다. 현장 캡핑에 따른 오염물질 이동에 관해서는 분자확산에 의한 영향이 지배적으로 해석되어 왔으나, 근래 들어 보다 정확한 모사를 하기 위하여 이류-확산을 복합적으로 해석할 필요성이 제기되었다. 퇴적물은 초기 함수율이 높은 슬러지(sludge)상태로 비교적 적은 상재하중과 자중에 의한 압밀이 발생하고, 압밀 과정에서 발생한 간극수 흐름의 변화는 오염물질의 이류에 의한 이동에도 영향이 미친다. 본 연구에서는 기존의 연구에서 수행된 압밀 과정에서 오염물질의 이동뿐만 아니라 압밀 후 간극비의 감소에 따른 오염물질 이동의 변화에 대하여 분석하고자 한다.
하저 또는 해저 퇴적오염물질 처리 및 제거는 준설과 매립에 의해 활발히 진행되었다. 그러나 준설과 매립은 준설과정에서 발생하는 퇴적오염물질의 교란, 매립지 선정문제, 고비용 공사비 등으로 인한 많은 제약이 따르고 있다. 이러한 문제로 인해 협소한 지역의 퇴적오염물질에 대해서는 오염물질의 용출 저감을 위한 현장 캡핑이 근래 들어 많이 사용되고 있다. 현장 캡핑에 따른 오염물질 이동에 관해서는 분자확산에 의한 영향이 지배적으로 해석되어 왔으나, 근래 들어 보다 정확한 모사를 하기 위하여 이류-확산을 복합적으로 해석할 필요성이 제기되었다. 퇴적물은 초기 함수율이 높은 슬러지(sludge)상태로 비교적 적은 상재하중과 자중에 의한 압밀이 발생하고, 압밀 과정에서 발생한 간극수 흐름의 변화는 오염물질의 이류에 의한 이동에도 영향이 미친다. 본 연구에서는 기존의 연구에서 수행된 압밀 과정에서 오염물질의 이동뿐만 아니라 압밀 후 간극비의 감소에 따른 오염물질 이동의 변화에 대하여 분석하고자 한다.
Dredging and disposal is a conventional method to remove contaminated sediments. However, there are some problems in dredging and disposal, such as disturbance of contaminated sediments, disposal site determination, and high construction cost. Recently, in-situ capping which overcomes the problems o...
Dredging and disposal is a conventional method to remove contaminated sediments. However, there are some problems in dredging and disposal, such as disturbance of contaminated sediments, disposal site determination, and high construction cost. Recently, in-situ capping which overcomes the problems of dredging and disposal is widely applied to isolate local contaminated sites. Numerical studies, which have been conducted to simulate contaminant transport during in-situ capping, have been concerned mainly with diffusive transport. However, contaminated sediments experience large strain consolidation induced by self-weight because of initially high moisture content of sediments, and contaminant transport results from advection and diffusion. Previous studies focus on contaminant transport during consolidation, but have neglected consolidation effect on long-term contaminant transport in sediments. This study presents numerical simulation results of consolidation effect on long-term contaminant transport in sediments.
Dredging and disposal is a conventional method to remove contaminated sediments. However, there are some problems in dredging and disposal, such as disturbance of contaminated sediments, disposal site determination, and high construction cost. Recently, in-situ capping which overcomes the problems of dredging and disposal is widely applied to isolate local contaminated sites. Numerical studies, which have been conducted to simulate contaminant transport during in-situ capping, have been concerned mainly with diffusive transport. However, contaminated sediments experience large strain consolidation induced by self-weight because of initially high moisture content of sediments, and contaminant transport results from advection and diffusion. Previous studies focus on contaminant transport during consolidation, but have neglected consolidation effect on long-term contaminant transport in sediments. This study presents numerical simulation results of consolidation effect on long-term contaminant transport in sediments.
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문제 정의
하지만 지금까지는 압밀 과정에서 발생하는 오염물질 이동에 관한 영향에 대해서만 집중적 연구가 진행 되었고, 압밀 후 장기적 오염물질 이동에 관한 연구는 미흡하였다. 따라서 본 연구에서는 압밀이 오염물질 이동에 미치는 장기적 영향을 수치해석 모델을 이용하여 분석하고자 하였다.
가설 설정
복합층의 구분은 오염 유무에 의해 결정되고, 압밀 해석에 필요한 물성치는 전체 복합층에서 동일한 것으로 간주하였다. 또한, 하저 또는 해저로 유입되는 지하수 흐름의 특성을 고려하여 압밀이 발생하지 않을 경우 복합층 하부에서 상부방향으로 지하수가 이동한다고 가정하였다.
제안 방법
CST2 모델 검증(Fox and Lee 2008; Lee and Fox 2009)에서 압밀이 일어나지 않는 경우의 오염물질 이동은 상용화된 기존의 수치해석 모델들과 이론을 바탕으로 다양하게 비교 검토 되었으며, 대변형 압밀과 병행한 오염물질 이동은 실내실험 결과와 비교 검토 되었다. 이와 같은 일련의 검증 결과를 바탕으로 CST2는 대변형 압밀과 오염물질 이동을 정확히 해석 가능한 모델로 입증되었다.
CST2를 이용한 수치해석에서 대변형 압밀 해석에는 간극비(e)-유효응력(σ′)과 간극비(e)-투수계수(k)의 관계가 필요하며, 이들 관계를 측정하기 위해 압밀시험을 실시하였다.
압밀이 오염물질 이동에 미치는 장기적 영향을 분석하기 위해 그림 1에서 보는 바와 같이 하저 또는 해저에 침전된 오염되지 않은 퇴적층 위에 일정 기간 오염물질이 퇴적된 가상지역에서의 현장 캡핑을 적용하여 살펴보았다. 오염되지 않은 퇴적층의 두께는 1.
CST2를 이용한 수치해석에서 대변형 압밀 해석에는 간극비(e)-유효응력(σ′)과 간극비(e)-투수계수(k)의 관계가 필요하며, 이들 관계를 측정하기 위해 압밀시험을 실시하였다. 우선 하중을 재하하고 시간에 따른 침하량과 과잉간극수압을 측정하였다. 측정된 침하량과 과잉 간극수압을 바탕으로 압밀 완료 시점을 확인한 후 시료 바닥의 밸브를 열고 주사기펌프(syringe pump)를 이용 하여 일정한 유량으로 물을 하부에서 상부로 투과시키며 수압을 측정하였다.
압밀 후에는 간극비와 전체 복합층 높이 변화에 따른 동수경사의 변화로 침투유속이 초기와는 다른 값을 나타낸다. 정량적 해석을 위해 압밀과 오염물질 이동 해석에서 오염된 퇴적물의 10cm위(캡핑층 내부)에 위치한 관측 점(그림 2)에서 침투유속과 오염물질의 농도(c) 변화를 관찰하였다. 그림 3(b)는 침투유속을 보여주고 있다.
투수 시험 중에 침하량 변화를 주의 깊게 살폈으며 침투압으로 인한 침하량의 변화는 없었다. 측정된 수압과 주사기 펌프에서 공급되는 일정한 유량을 이용하여 투수계수를 결정하였다. 투수계수 시험이 끝나면 다음 하중을 재하하고 압밀 종료시점에서 다시 투수계수 시험을 실시하는 반복 작업을 통해 간극비-유효응력과 간극비-투수 계수의 관계를 도출하였다.
우선 하중을 재하하고 시간에 따른 침하량과 과잉간극수압을 측정하였다. 측정된 침하량과 과잉 간극수압을 바탕으로 압밀 완료 시점을 확인한 후 시료 바닥의 밸브를 열고 주사기펌프(syringe pump)를 이용 하여 일정한 유량으로 물을 하부에서 상부로 투과시키며 수압을 측정하였다. 이때 물을 하부에서 상부로 투과 시키는 이유는 물의 투과에 따른 침투압으로 발생하는 압밀(seepage consolidation)을 방지하기 때문이다.
측정된 수압과 주사기 펌프에서 공급되는 일정한 유량을 이용하여 투수계수를 결정하였다. 투수계수 시험이 끝나면 다음 하중을 재하하고 압밀 종료시점에서 다시 투수계수 시험을 실시하는 반복 작업을 통해 간극비-유효응력과 간극비-투수 계수의 관계를 도출하였다. 이들 관계는 Grand Calumet River(Gary, Indiana, U.
대상 데이터
압밀이 오염물질 이동에 미치는 장기적 영향을 분석하기 위해 그림 1에서 보는 바와 같이 하저 또는 해저에 침전된 오염되지 않은 퇴적층 위에 일정 기간 오염물질이 퇴적된 가상지역에서의 현장 캡핑을 적용하여 살펴보았다. 오염되지 않은 퇴적층의 두께는 1.5m, 오염 퇴적층은 0.5m, 오염되지 않은 퇴적토를 활용한 현장 캡핑은 1m로 전체 복합층의 두께는 3m로 설정하였다. 복합층의 구분은 오염 유무에 의해 결정되고, 압밀 해석에 필요한 물성치는 전체 복합층에서 동일한 것으로 간주하였다.
성능/효과
(1) 압밀이 오염물질 이동에 미치는 영향은 압밀 초기와 진행 과정에서 뿐만 아니라 압밀 종료 후 장기적인 측면에서도 반드시 고려되어야 한다. 압밀은 공극 감소에 따른 투수계수의 감소와 침투유속의 급격한 감소를 초래한다.
(2) 압밀로 인한 퇴적토의 밀도 증가에 따른 오염물질과의 수착 증가와 더불어 압밀과정에서 간극비의 불균질로 인해 오염물질 이동에서 tailing 효과가 발생하여 오염물질의 장기 배출이 예상된다.
(3) 현장 캡핑 과정에서 발생하는 오염물질의 이동은 압밀을 고려한 해석이 필요하다. 현장 캡핑 과정에서 발생하는 압밀은 단기적으로 오염물의 이동을 가속 시키고 장기적인 측면에서 오염물질 이동을 감속시켜 오염물질 처리 전과정에 걸쳐 영향을 미친다.
하지만, 오염된 퇴적층에 캡핑이 적용될 경우, 오염물질의 거동은 매질의 자중과 퇴적물 자체의 높은 초기 함수율로 인해 발생하는 압밀현상과 병행하여 일어난다(Peter and Smith 2002; Alshawabkeh and Rahbar 2006; Fox 2007b; Lee and Fox 2009). 따라서 오염물질의 이동을 해석할 때에 압밀에 의한 영향을 같이 고려하여야만 기존의 이동방정식을 바탕으로 한 분자확산에 의한 해석보다 정확한 결과를 얻을 수 있다. 압밀에 의한 오염물질 이동은 하중 작용시 발생하는 과잉간극수압으로 인한 동수경사로 시간에 따라 간극수의 흐름에 변화가 발생하는 것이 기존의 오염물질 분자확산으로 인한 이동과 가장 큰 차이점이다.
지금까지 진행되어 온 압밀이 오염물질 이동에 미치는 영향은 초기 압밀 진행과정에서 오염물질 이동과의 관계를 중점적으로 연구하였다. 본 연구에서도 압밀 과정에서 간극수 흐름이 오염물질 확산에 의한 이동 방향과 동일한 경우 오염물질의 이동이 가속 되는 경향을 볼 수 있었다. 이밖에도 수치해석을 이용한 사례연구를 통한 결과는 다음과 같다.
이와 같은 일련의 검증 결과를 바탕으로 CST2는 대변형 압밀과 오염물질 이동을 정확히 해석 가능한 모델로 입증되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현장 캡핑이란?
현장 캡핑은 기존 퇴적층 위에 오염되지 않은 새로운층의 모래, 퇴적토, 또는 자갈과 같은 재료를 포설하여 오염물질이 상부 수층으로 이동하는 것을 제한하는 기술로서, 오염된 퇴적물을 상부수층과 물리적으로 분리하거나 퇴적토를 안정화하여 유해물질이 저서생물 또는 상부 수층으로 이동하는 것을 감소시키는 역할을 한다. 지금까지의 현장 캡핑이 사용될 경우, 분자확산(diffusion)에 의한 오염물질의 거동만 주로 해석되었다.
협소한 지역의 오염퇴적토에 대해서 오염물질의 용출 저감을 위한 현장 캡핑(in-situ capping)이 근래 들어 많이 사용되고 있는 이유는?
세계적으로 환경문제에 관한 관심이 높아짐에 따라 하저 또는 해저 오염퇴적토 처리 및 제거가 큰 이슈가되었다. 오염퇴적토 처리 기법으로 준설 및 매립에 의한 방법이 일반적으로 많이 이용되고는 있지만, 준설과정에서 발생하는 퇴적층의 교란, 매립지 선정문제, 고비용 공사비 등으로 인한 많은 제약이 따르고 있다. 이러한 문제로 인해 협소한 지역의 오염퇴적토에 대해서는 오염물질의 용출 저감을 위한 현장 캡핑(in-situ capping)이 근래 들어 많이 사용되고 있다.
압밀에 의한 오염물질 이동 해석의 필요성은 언제 등장하였는가?
압밀에 의한 오염물질 이동은 하중 작용시 발생하는 과잉간극수압으로 인한 동수경사로 시간에 따라 간극수의 흐름에 변화가 발생하는 것이 기존의 오염물질 분자확산으로 인한 이동과 가장 큰 차이점이다. 압밀에 의한 오염물질 이동 해석의 필요성은 1990년대 중반부터 수행된 원심재하장치(geotechnical centrifuge)를 이용한 실내 실험의 결과를 바탕으로 압밀이 오염물질의 이동을 가속시킨다는 사실이 밝혀지면서 등장하였다(Potter et al. 1994 and 1997; Moo-Young et al.
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