[논문]하상오염물 제거에 의한 수질개선효과 수치모델링

이남주

문제 정의

그렇지만, 대상영역 전체적인 관점에서 볼 때, 수문과 펌프장은 상당히 인접해 있기 때문에 수문과 펌프장을 같은 지점에서 방류하는 조건을 사용하더라도 국 부적인 유속장의 차이가 전체적인 흐름장에 미치는 영향은 무시할 수 있는 정도라고 판단하였다. 따라서 이 연구에서는 녹산배수펌프장의 방류량을 녹산수문에서 배수하는 것으로 수치모의하였다
그렇지만, 퇴적물로부터의 용출현상을 고려한 이차원 모델링에 대한 연구와 이런 결과를 사용한 수질개선방안 평가에 대한 연구는 찾아보기 어려운 상황이다. 이 연구는 대저 수문, 맥도수문, 녹산배수펌프장을 연계하여 운영하는 서낙동강 흐름복원대책(이남주 등, 2009)을 적용할 경우에 대하여 평면 이차원 수치모형을 사용하여 오염된 하상토 제거 후의 수질개선효과를 평가할 목적으로 수행하였다.

가설 설정

96 mg/L를 사용하였다. BOD 농도분포 예측결과는 하상퇴적물로부터의 용출을 고려하지 않고, 오염물질인 BOD 를 보존성 물질로 가정하고 정상상태로 계산하였다.

제안 방법

1) RMA4 모형의 경우 바닥에서 용출되는 현상을 고려할 수 있는 방법이 없기 때문에, 용출현상에 의해 증가되는 농도를 초기조건에 모의기간별로 반영하고, 각각의 초기 BOD 농도에 대해 해당 모의기간에 대해 수치모의하는 방법을 사용하였다.
2) 오염된 퇴적토의 준설에 의한 수질개선효과 검토를 위한 수치모의조건은 서낙동강, 평강천, 맥도강 전체에 수질개선효과가 나타나는 조건 중에서 MDDJ-1, MDDJ-3, MDDJ-5을 사용하였으며, 서낙동강, 평강천, 맥도강을 대표하는 지점으로써 강동교, 울만교, 맥도강 지점에 대해 분석하였다.
MDDJ-5을 사용하였다. RMA4 모형의 경우 바닥에서 용출되는 현상을 고려할 수 있는 방법이 없지만, 이 연구에서는 용출현상에 의해 증가되는 농도를 초기조건에 모의기간별로 반영하고, 각각의 초기 BOD 농도에 대해 해당 모의기간에 대해 수치모의하는 방법을 사용하였으며, 이방법을 사용한 기존의 연구 사례는 발견하지는 못하였다. 이 방법은 용출이 전체적인 영역에서 발생한다는 가정, 그리고 용출의 지속성을 정확하게 반영할 수 없다는 한계는있지만, 수리학적 모형을 사용한 적용상의 변법으로써의 가치는 충분하다고 판단된다.
표 2의 내용과 녹산배수펌프장의 상황을 고려하여 설정한 수치모의조건을 정리하면 표 4와 같다. 대저수문(dj-G)과 맥도수문(MD-G)에서 유입 시키고, 녹산펌프장(NS-P)과 녹산수문(NS-G)에서 유 출하는 조합으로 모의조건을 선정하였으며, RMA2와 RMA4 모형은 10가지 조건에 대하여 수치모의하였다. 국 부적 인 흐름모델링 관점 에서는 녹산배수펌프장 방류량과 녹산수문 방류량은 별도로 지정하여 계산해야 정확한 수치 해를 얻을 수 있다.
표 4에 설정한 모의조건에 대한 흐름 경향은 유속의 차이가 있기는 하지만 대부분 유사한 특징을 보였다. 따라서 유속이 가장큰 경우에 대한 흐름장을 도시하였다. 서낙동강의 경우는 통수능에 비해 유량이 상당히 작기 때문에 서낙동강 전체영역에 대해서 수위의 변화가 거의 없는 것으로 나타났다.
서낙동강, 평강천, 맥도강으로 유입하는 지천을 고려할 경우 RMA4 모형에 의해 예측되는 농도장이 비현실적인 결과를 보이는 것으로 나타났기 때문에, 그리고 각 지천의 유량은 방류량과 비교할 때 상당히 작기 때문에 가장 큰 지류인 조만강만을 고려하여 흐름과 농도를 예측하였다. 표 4에 설정한 모의조건에 대한 흐름 경향은 유속의 차이가 있기는 하지만 대부분 유사한 특징을 보였다.
오염된 퇴적토의 준설에 의한 수질개선효과 검토를 위한 수치모의조건은 서낙동강, 평강천, 맥도강 전체에 수질개선효과가 나타나는 표 4의 조건(MDDJ) 중에서 MDDJ-1, MDDJ-3, MDDJ-5을 사용하였다. RMA4 모형의 경우 바닥에서 용출되는 현상을 고려할 수 있는 방법이 없지만, 이 연구에서는 용출현상에 의해 증가되는 농도를 초기조건에 모의기간별로 반영하고, 각각의 초기 BOD 농도에 대해 해당 모의기간에 대해 수치모의하는 방법을 사용하였으며, 이방법을 사용한 기존의 연구 사례는 발견하지는 못하였다.
영양염류는 물리적 용출이 일어남과 동시에 생분해 및 재흡착 등에 의해 수중농도의 감소가 일어난다. 이 연구에서는 용출속도를 계산하기 위해 30일 동안 용출된 영양염 용출 결과를 평균하여 사용하였다.
이금찬 등(2009)은 동일한 영역에서 RMA2와 RMA4 모 형에서 사용하는 매개변수들에 대한 민감도 분석을 수행한 바 있으며, 이 결과를 사용하여 모형의 매개변수를 보정한 바 있다. 이 연구에서는 이금찬 등(2009)이 결정한 RMA2와 RMA4 모형의 매개변수 값(Manning 계수 0.025, 난류 교환계수 1,000 Pa-s, Peclet 수 20, RMA4 모형의 확산계 수 1.0 m2/s)을 사용하여 수치모델링을 수행하였다
이 연구에서는 주어진 수치모의 기간 동안 하상에서 용출된 BOD 부하량을 초기 BOD 농도에 더한 값을 초기조건으로 설정하는 방법을 사용하였다. 따라서, 모의기간별 초기 BOD 농도 C는 다음 식 ⑹과 같이 표현할 수 있다.
분포도는 도시하지 않았다. 준설에 의한 수질 개선 효과 분석은 그림 3에 표시된 6개의 지점 중 서낙동강, 평강천, 맥도강을 대표하는 지점을 하나씩 선택하여, 강동교 (Point-1), 울만교(Point-5), 맥도강(Point-6) 지점에 대해 분석하였다.
표 4에 설정한 각각의 모의조건으로 수치모델링한 경우에 대하여 서낙동강의 수질변화경향을 분석하기 위하여 본류에 3지점, 지천에 3지점을 선정하여 100일 동안의 농도변화를 분석하였다. 그림 3은 분석에 사용한 격자점의 위치도이다.

대상 데이터

그림 3은 분석에 사용한 격자점의 위치도이다. 본류의 김해교, 강동교, 녹산수문과 지사천의 둔치2 교는 수질측정망이 있는 곳이며, 평강천과 맥도강은 수질 측정망이 없어 수질의 변화를 쉽게 볼 수 있는 중간 지점을 선정하였다. 서낙동강의 초기 BOD 농도와 지천 유입수의 BOD는 10년간(1997년~2006년) 서낙동강 본류 수질 측정망들의 평균치 인 7.
서낙동강의 하상은 완만하여 경사는 1/24,000~ 1/30,000 정도이며, 수치모형의 지형은 서낙동강 하천정 비기본계획 (부산지방국토관리청, 2001) 의 하천측량자료를 이용하여 구축하였다. 하상이 가장 깊은 곳의 표고는 EL.
5 m로 조정하였다. 수치모형에 사용한 평면 이차원 유한요소망은 삼각형 요소를 사용하였으며, 유한요소의 개수는 5,351개 이며, 격자점의 수는 12,070개이다. 표 3은 지천과 낙동강 본류에서 유입되는 BOD 농도 경계조건을 정리한 것이다.
오염된 하상에서 용출되는 BOD 용출률 BODflux 은 2008년과 2009년에 서낙동강, 평강천, 맥도강에서 조사한 값인 46.7 mg/mTd를 사용하였다. 모의시간 Tday 동안 하상으로부터 용출된 BOD 농도 0dd는 다음 식 (5)와 같이 계산할 수 있다.

이론/모형

서낙동강, 평강천, 맥도강의 하상에 퇴적되어 있는 오염된 토사를 제거할 경우 준설이 수질개선에 기여하는 정도를 RMA4 모형을 사용하여 검토하였으며, 준설 영향에 대한 수치모델링 결론을 정리하면 다음과 같다.

성능/효과

3) 대저수문에서 3.0 m₃/s, 맥도수문에서 1.0 m_3/s를 유입시키는 경우에 강동교, 울만교, 맥도강 지점에 대한 50일 후의 평균 수질개선효과는 3.08%로 나타났으며, 대저 수문에서 6.0 m ₃/s, 맥도수문에서 3.0 m 3/s 를 유입시키는 경우에 강동교, 울만교, 맥도강 지점에 대한 50일 후의 평균 수질 개선 효과는 1.25%로 나타났다. 대저수문에서 13.
4) 서낙동강, 평강천, 맥도강의 하상에 퇴적되어 있는 오염된 토사를 제거할 경우 준설이 수질개선에 기여하는 정도는 최대 10.0% 이하의 범위에 있을 것으로 판단된되며, 준설을 할 경우 초기에는 준설에 의한 수질개선효과가 나타나지만, 수체 교환을 지속적으로 수행할 경우 그 효과는 점차 감소함을 알 수 있다.
구분하여 도시한 것이다. MDDJ-1의 경우 평균적인 20일 후의 BOD 농도는 준설전이 5.46 mg/L, 준설 후가 5.25 mg/L로 3.74%(준설전 농도에서 준설후 농도를 빼서 준설전 농도로 나눈 값)의 개선효과가 있는 것으로 나타났으며, MDDJ-3의 경우 평균적인 50일 후의 BOD 농도는 준설전이 2.96 mg/L, 준설 후가 2.96 mg/L로 0.00%의 개선효과가 있는 것으로 나타났으고, MDDJ-5의 경우 평균적인 50일 후의 BOD 농도는 준설전이 2.96 mg/L, 준설후가 2.96 mg/L로 0.00%의 개선효과가 있는 것으로 나타났다. 그림 13를 보면 준설을 할 경우 초기에는 준설에 의한 수질개선효과가 나타나지만, 수체 교환을 지속적으로 수행할 경우 그 효과는 점차 감소함을 알 수 있다.
도시한 것이다. MDDJ-1의 경우 평균적인 50일 후의 BOD 농도는 준설전이 3.29 mg/L, 준설 후가 3.27 mg/L로 0.40%(준설전 농도에서 준설후 농도를 빼서 준설전 농도로 나눈 값)의 개선효과가 있는 것으로 나타났으며, MDDJ-3의 경우 평균적인 50일 후의 BOD 농도는 준설전이 2.96 mg/L, 준설 후가 2.96 mg/L로 0.00%의 개선효과가 있는 것으로 나타났으며, MDDJ-5 의 경우 평균적인 50 일 후의 BOD 농도는 준설전이 2.96 mg/L, 준설 후가 2.96 mg/L로 0.00%의 개선효과가 있는 것으로 나타났다. 그림 14를 보면 준설을 할 경우 초기에는 준설에 의한 수질개선효과가 나타나지만, 수체 교환을 지속적으로 수행할 경우그 효과는 점차 감소함을 알 수 있다.
전후로 구분하여 도시한 것이다. MDDJ-1의 경우 평균적인 50일 후의 BOD 농도는 준설전이 3.88 mg/L, 준설후가 3.52 mg/L로 9.24%(준설전 농도에서 준설후 농도를 빼서 준설전 농도로 나눈 값)의 개선효과가 있는 것으로 나타났으며, MDDJ-3의 경우 평균적인 50일 후의 BOD 농도는 준설전이 2.97 mg/L, 준설 후가 2.97 mg/L로 0.00%의 개선효과가 있는 것으로 나타났으고, MDDJ-5의 경우 평균적인 50일 후의 BOD 농도는 준설전이 2.96 mg/L, 준설후가 2.96 mg/L로 0.00%의 개선효과가 있는 것으로 나타났다. 그림 12를 보면 준설을 할 경우 초기에는 준설에 의한 수질개선효과가 나타나지만, 수체 교환을 지속적으로 수행할 경우 그 효과는 점차 감소함을 알 수 있다.
정체수역인 호소형 하천의 수질이 저하되는 원인은 상류에 위치한 점오염원과 비점오염원의 오염물질 유입과 하류에 위치한 수문 등에 의하여 수체가 장기간 정체되기 때문이다. 현재 서낙동강의 상황은 다음과 같이정리할 수 있다: i) 대저수문과 녹산수문에 의해 수체가 정체되어 자정능력이 저하된 상태에서, ii) 부산 강서구 지역의 개발과 김해시 지역의 도시화로 인해 유입되는 오염물질이 크게 증가하였고, ⅲ) 오염물이 하천의 자정능력을 초과하였고, ⅳ) 유입된 오염물질이 하천의 바닥에 쌓이게 되어수체와 하상토가 심하게 오염된 상황이다.
25%로 나타났다. 대저수문에서 13.0 m 3/s, 맥도수문에서 6.0 m 3/s 를 유입시키는 경우에 강동교, 울만교, 맥도강 지점에 대한 50일 후의 평균 수질 개선 효과는 0.13 %로 나타났다.

후속연구

서낙동강의 흐름이 복원되면, 가장 큰 효과는 수체의 수질개선이겠지만, 하상토의 오염 역시 저감 또는 개선될수 있다. 현재와 같이 흐름이 단절된 상황에서는 유역에서 유입된 오염물이 지속적으로 하상에 퇴적되지만, 서낙동강에 지속적으로 물이 흐를 경우는 오염물질의 퇴적 현상이 현저히 줄어들며, 또한 현재 퇴적된 오염물이 수체로 용출됨에 따라 장기적으로는 퇴적토의 질 역시 충분히 개선될 것으로 기대된다.

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