2·3차원 준연계 모형을 이용한 남강댐 하류부 흐름 및 BOD 수송 해석 Analysis of Flow and BOD Transport at the Downstream of Nam River Dam Using 2-D and 3-D Semi-coupled Models원문보기
남강댐 하류는 부산 경남의 수자원 장기 계획에 중요한 지역이므로 지속가능한 지표수 관리 및 오염원 제어를 위해 흐름 및 수질 해석이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 2차원 수질모형인 RAM4와 3차원 수질모형인 WASP을 각각 수리모형인 RAM2 및 EFDC모형과 연계하여 2 3차원 준연계 모형을 이용한 남강댐 하류에서의 수리 및 수질을 해석하였다. 2차원 흐름해석 모형인 RAM2 적용 결과 만곡부 5개 횡단 측선에서의 유속의 증감경향이 ADCP 실측값과 잘 일치하였으며, 3차원 모형인 EFDC와 유속 분포 및 보 월류 유속이 유사하였다. 또한 정상상태 도달 후의 RAM2-RAM4 연계모의에 의한 BOD 농도와 EFDC-WASP 연계모의에 의한 BOD 농도장이 모의영역 전반에 걸쳐 유사하게 나타났다. 남강댐 하류부의 경우 수리 및 수질이 남강댐 방류량에 크게 좌우되며 남강댐의 수량은 하류부의 수질 및 연안 어업환경에 큰 영향을 미치므로 향후 이에 대한 정량적 분석 시 계산의 효율성 및 모형의 적용성 측면에서 2차원 준연계 모형을 적용하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
남강댐 하류는 부산 경남의 수자원 장기 계획에 중요한 지역이므로 지속가능한 지표수 관리 및 오염원 제어를 위해 흐름 및 수질 해석이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 2차원 수질모형인 RAM4와 3차원 수질모형인 WASP을 각각 수리모형인 RAM2 및 EFDC모형과 연계하여 2 3차원 준연계 모형을 이용한 남강댐 하류에서의 수리 및 수질을 해석하였다. 2차원 흐름해석 모형인 RAM2 적용 결과 만곡부 5개 횡단 측선에서의 유속의 증감경향이 ADCP 실측값과 잘 일치하였으며, 3차원 모형인 EFDC와 유속 분포 및 보 월류 유속이 유사하였다. 또한 정상상태 도달 후의 RAM2-RAM4 연계모의에 의한 BOD 농도와 EFDC-WASP 연계모의에 의한 BOD 농도장이 모의영역 전반에 걸쳐 유사하게 나타났다. 남강댐 하류부의 경우 수리 및 수질이 남강댐 방류량에 크게 좌우되며 남강댐의 수량은 하류부의 수질 및 연안 어업환경에 큰 영향을 미치므로 향후 이에 대한 정량적 분석 시 계산의 효율성 및 모형의 적용성 측면에서 2차원 준연계 모형을 적용하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
The downstream of the Nam River Dam is crucial region for long-term water resource planning for Busan and Gyeongnam Province. Thus, the analysis of flow behavior and water quality is necessary for the sustainable surface water management and the control of pollutant source. In this study, the flow f...
The downstream of the Nam River Dam is crucial region for long-term water resource planning for Busan and Gyeongnam Province. Thus, the analysis of flow behavior and water quality is necessary for the sustainable surface water management and the control of pollutant source. In this study, the flow field and BOD transport at the downstream of Nam River Dam were analyzed by incorporating 2-D water quality model, RAM4 and 3-D water quality model, WASP with the hydrodynamic model, RAM2 and EFDC, respectively. The application of 2-D flow analysis model, RAM2 showed that velocity distributions at the five transverse sections of the meandering part closely followed the measured values by ADCP, and the flow field and overflow characteristic at the submerged weir showed satisfactory performance compared with the result of 3-D EFDC model. In addition, the BOD concentration field obtained by RAM2-RAM4 coupled modeling was in good agreement with the result by EFDC-WASP model throughout the computational domain. The hydrodynamic characteristic and water quality at the downstream reach of Nam River Dam are mainly influenced by the Dam discharge, and the water quantity is closely related to the water quality control and fishery environment at the lower part of Nakdong River. Therefore, when further quantitative analysis is necessary regarding these issues, 2-D semi-coupled modeling is recommended in terms of computational effectiveness and model application aspect.
The downstream of the Nam River Dam is crucial region for long-term water resource planning for Busan and Gyeongnam Province. Thus, the analysis of flow behavior and water quality is necessary for the sustainable surface water management and the control of pollutant source. In this study, the flow field and BOD transport at the downstream of Nam River Dam were analyzed by incorporating 2-D water quality model, RAM4 and 3-D water quality model, WASP with the hydrodynamic model, RAM2 and EFDC, respectively. The application of 2-D flow analysis model, RAM2 showed that velocity distributions at the five transverse sections of the meandering part closely followed the measured values by ADCP, and the flow field and overflow characteristic at the submerged weir showed satisfactory performance compared with the result of 3-D EFDC model. In addition, the BOD concentration field obtained by RAM2-RAM4 coupled modeling was in good agreement with the result by EFDC-WASP model throughout the computational domain. The hydrodynamic characteristic and water quality at the downstream reach of Nam River Dam are mainly influenced by the Dam discharge, and the water quantity is closely related to the water quality control and fishery environment at the lower part of Nakdong River. Therefore, when further quantitative analysis is necessary regarding these issues, 2-D semi-coupled modeling is recommended in terms of computational effectiveness and model application aspect.
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문제 정의
이에 따라 댐, 수중보 등의 인공구조물과 지천을 포함하며 만곡흐름을 특징으로 하는 수심이 비교적 얕은 중규모 도시하천에서의 3차원 모형의 적용성을 검토할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 수질개선 방안과 오염원 저감 계획의 수립이 필요한 남강댐 하류를 모의대상 영역으로 선정하여 2차원 모형인 RAM2- RAM4와 3차원 모형인 EFDC-WASP를 준연계 모의하여 결과를 비교하고 모형의 적용성을 검토하였다. 이를 위해 ADCP를 이용하여 유속을 측정하고 시료채수에 의한 BOD 농도를 측정하여 수치모의를 위한 입력자료와 검증자료로 활용하였다.
본 연구에서는 남강댐 하류부에서의 흐름특성과 지천으로부터 유입되는 오염물질의 혼합 거동을 해석하기 위해 Fig. 1과 같이 현장실측과 2·3차원 수치모델링을 수행하였다.
제안 방법
EFDC 모의 후 3차원 유속과 수위 등의 수리학적 정보를 포함하고 있는 HYD 파일을 WASP의 유동 모듈로 대체하여 WASP7에 의한 BOD 수질모의를 수행하였다. 모델경계조건은 RAM4 모의 때와 동일한 현장조건을 입력하였다.
3차원 수리모형인 EFDC와 수질모형인 WASP을 연계 모의 하기 위해서는 EFDC에 의한 동수역학적 유동해석이 선행되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 EFDC Hydro version을 통해 WASP7의 입력자료로 이용되는 HYD 파일을 생성하였다. EFDC-WASP 연계모의 모식도는 Fig.
7m/s의 범위를 나타냈다. 또한 본류로 유입되는 독산천, 판문천, 나불천 등 3개의 지류에서 Valeport 사의 프로펠러 유속계를 사용하여 지류 유입량을 측정하였다. Table 1은 3개의 지천에서 측정된 유량 값을 나타낸 것이다.
RAMS는 복잡한 지형과 흐름 조건을 갖는 자연하천의 흐름, 오염물질의 이송·확산, 하상변동을 모의할 수 있는 SU/PG기법을 이용한 2차원 유한요소 수치해석 프로그램으로, 흐름해석 모형인 RAM2, 수질해석 모형인 RAM4, 하상변동해석 모형인 RAM6, 그래픽 사용자 환경의 전·후처리 모듈인 RAMS-GUI로 구성된다. 본 연구에서는 RAMS 모형 중 자연하천에서의 흐름 및 수질해석 모형인 RAM2와 RAM4를 남강댐 하류구간에 적용하였다.
는 Table 5와 같이 유속이 빠를수록 대기로부터 수체로 유입되는 산소량이 많아져서 높은 재폭기계수값을 가지게 된다. 본 연구에서는 남강댐 방류량과 모의구간의 유속을 고려하여 0.38/day를 입력하였다.
본 연구에서는 남강댐 직하류부터 남강수중보까지 총 8 km 이르는구간을 연구대상구간으로 선정하고 2차원 및 3차원 수치모형을 이용하여 자연하천에서의 수리 및 수질해석을 실시하였다. 수치모의를 위한 입력자료 및 모의결과의 검증자료를 얻기 위해 ADCP를 이용한 유속측정과 시료채수에 의한 수질측정을 수행하였다.
본 연구에서는 남강댐 직하류부터 남강수중보까지 총 8 km에 이르는 구간을 모의영역으로 선정하고 2차원 및 3차원 수치모형을 이용하여 자연하천에서의 수리 및 수질해석을 수행하였다. 2차원 수질모형인 RAM4와 3차원 수질모형인 WASP은 각각 동수역학 모형인 RAM2 및 EFDC와 연계하여 모의가 진행된다.
본류 유속측정은 Fig. 2와 같이 남강댐 하류부에 위치한 천수교로부터 하류 방향 약 2 km 구간의 5개 측선에서 ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler)를 이용하여 이루어졌다. Fig.
5와 같이 본류 5개 측선과 3개의 지천에서 수행되었다. 수질의 2차원 분포를 얻기 위해 본류에서 한 측선 당 3개의 시료를 채수하였다. W1 지점은 교량에서 채수를 하였으며, 나머지 W2～W5 지점은 배로 횡단하며 채수를 실시하였다.
본 연구에서는 남강댐 직하류부터 남강수중보까지 총 8 km 이르는구간을 연구대상구간으로 선정하고 2차원 및 3차원 수치모형을 이용하여 자연하천에서의 수리 및 수질해석을 실시하였다. 수치모의를 위한 입력자료 및 모의결과의 검증자료를 얻기 위해 ADCP를 이용한 유속측정과 시료채수에 의한 수질측정을 수행하였다. 이를 바탕으로 댐과 수중보에 의한 인공구조물과 지천유입구조, 만곡흐름 등을 특징으로 하는 중규모 도심구간의 하천에서 2·3차원 흐름 및 수질 모형의 적용성을 평가하였다.
이를 바탕으로 댐과 수중보에 의한 인공구조물과 지천유입구조, 만곡흐름 등을 특징으로 하는 중규모 도심구간의 하천에서 2·3차원 흐름 및 수질 모형의 적용성을 평가하였다.
따라서 본 연구에서는 수질개선 방안과 오염원 저감 계획의 수립이 필요한 남강댐 하류를 모의대상 영역으로 선정하여 2차원 모형인 RAM2- RAM4와 3차원 모형인 EFDC-WASP를 준연계 모의하여 결과를 비교하고 모형의 적용성을 검토하였다. 이를 위해 ADCP를 이용하여 유속을 측정하고 시료채수에 의한 BOD 농도를 측정하여 수치모의를 위한 입력자료와 검증자료로 활용하였다. 2차원 흐름해석 모형인 RAM2 적용 결과 남강댐 방류량이 평수기 방류량 50 m3/s보다 큰 136.
1과 같이 현장실측과 2·3차원 수치모델링을 수행하였다. 현장실측은 ADCP에 의한 남강 본류의 유속 및 유량측정과 본류 및 지류합류부에서의 수질분석을 위한 시료채수를 통해 수행되었으며, 수치해석을 위한 입력자료 및 모의결과의 검증자료로 사용되었다.
대상 데이터
1 m3/s을 사용하였으며, 수위는 수중보기립시의 수위 값인 EL. 19.55m를 사용하였다. 지류에서 유입되는 유량은 현장실측 자료인 Table 1의 값을 사용하였다.
모의구간인 남강댐 직하류부는 댐 방류량이 하류부의 유황에 지배적인 영향을 미치며, 남강댐 방류량이 적을 때에는 남강수중보에 의해 유량이 유지된다. 남강하천 기본계획(국토해양부, 2009)의 자료를 이용하여 Fig. 6과같이 2,971개의 요소망과 2,889개의 절점을 가지는 유한요소격자망을 구성하였으며, 대상구간 내에 위치해 있는 판문천, 독산천, 나불천 등 3개의 지류를 모두 포함하였다. 상·하류 경계조건으로 유량은 남강댐 방류량인 136.
W1 지점은 교량에서 채수를 하였으며, 나머지 W2～W5 지점은 배로 횡단하며 채수를 실시하였다. 지류 수질측정은 유량측정과 마찬가지로 대상구간 내에 유입되는 판문천(W6), 독산천(W7), 나불천(W8)의 대표지점에서 시료를 채수하였다. 채수한 시료의 수질분석 항목은 BOD로 국한하고 수질공정 시험법에 의해 분석하였다.
이론/모형
RAM4의 매개변수는 종·횡분산계수 및 BOD 감쇠계수이다. 종분산계수 및 횡분산계수의 경우 국내 하천에 대한 실측자료가 매우 부족하고, 국내 하천에 적합한 경험식이 존재하지 않으므로, 널리 사용되는 Elder와 Fischer의 경험식(Fischer 등, 1979)을 이용하여 다음과 같이 산정하였다.
지류 수질측정은 유량측정과 마찬가지로 대상구간 내에 유입되는 판문천(W6), 독산천(W7), 나불천(W8)의 대표지점에서 시료를 채수하였다. 채수한 시료의 수질분석 항목은 BOD로 국한하고 수질공정 시험법에 의해 분석하였다. Table 2는 본류와 지류의 수질실험 결과를 나타낸 것이다.
성능/효과
이를 위해 ADCP를 이용하여 유속을 측정하고 시료채수에 의한 BOD 농도를 측정하여 수치모의를 위한 입력자료와 검증자료로 활용하였다. 2차원 흐름해석 모형인 RAM2 적용 결과 남강댐 방류량이 평수기 방류량 50 m3/s보다 큰 136.1m3/s인 경우 만곡부 5개 횡단 측선에서의 유속의 범위는 0.2～0.5 m/s 정도였으며 하폭방향 유속의 증감경향이 ADCP 실측값과 잘 일치하였다. 또한 3차원 모형인 EFDC와 유속 분포 및 보 월류 유속이 유사하였다.
19는 모의 시작 후 24시간 동안의 WASP모의 결과를 나타낸 것이다. 나불천과 독산천으로부터 유입된 오염물질에 의해 12시간까지 종방향 혼합이 활발하게 진행되었으며 이후 농도장이 정상상태로 도달하는 것을 확인할 수 있다. 또한 24시간에서의 EFDC-WASP 연계모의에 의한 BOD 농도분포와 RAM2-RAM4 연계모의에 의한 BOD 농도장(Fig.
또한 3차원 모형인 EFDC와 유속 분포 및 보 월류 유속이 유사하였다. 정상상태 도달 후의 EFDC-WASP 연계모의에 의한 BOD 농도와 RAM2-RAM4 연계모의에 의한 BOD 농도장이 모의영역 전반에 걸쳐 1～2 ppm 정도로 유사하게 나타났다. 남강댐 하류부의 경우 하상경사가 매우 완만하고 유속이 비교적 느리며 성층 현상이 발생할 정도로 수심이 깊지 않으므로 수리 및 수질이 남강댐 방류량에 의한 수량에 크게 좌우된다.
후속연구
남강댐 하류부의 경우 하상경사가 매우 완만하고 유속이 비교적 느리며 성층 현상이 발생할 정도로 수심이 깊지 않으므로 수리 및 수질이 남강댐 방류량에 의한 수량에 크게 좌우된다. 남강댐 방류량은 하류부의 수질 및 연안 어업환경에 큰 영향을 미치므로 향후 이에 대한 정량적, 공학적 분석 시 계산의 효율성 및 모형의 적용성의 측면에서 2차원 준연계 모형을 적용하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
남강의 특징은 무엇인가?
남강은 진주시를 가로지르는 낙동강의 제1지천으로 남강댐, 남강수중보, 교량 등의 인공구조물과 만곡흐름을 특징으로 하는 하천으로서 하상경사가 매우 완만하고 유속이 비교적 느리므로 체류시간이 길어서 하천수질이 남강댐 방류량에 큰 영향을 받는다. 남강댐 하류구간의 합리적인 수질관리를 위해서는 수치모형을 이용한 남강댐 방류량 변화에 따른 동수역학적 수리해석 및 지천으로부터 유입되는 오염물질에 대한 이송확산 과정의 해석이 필요하다(경남발전연구원, 2010).
국내하천에서의 수질해석은 어떻게 이루어 지고 있는가?
국내하천에서의 수질해석은 과거 QUAL 계열의 1차원 분석 위주에서 최근 2차원이나 3차원 모형에 의한 해석이 주를 이루고 있다. 자연하천에서 2차원 오염물질 이송확산 해석에 가장 널리 사용되어 온 모형은 미연방 도로국(U.
RMA-4 모형의 한계는 무엇인가?
Federal Highway Administration)과 Brigham Young 대학의 Environmental Modeling Research Laboratory(EMRL)에서 Norton 등(1973)에 의해 개발된 RMA-4이다. 이 모형은 유한요소법이 수리학 분야에 적용되기 시작한 1970년대 초반에 개발된 모형으로 수치적으로 안정적인 결과를 도출하지만 최신 수치기법을 반영하지 못하고, 만곡부에서 오염원의 확산거동을 왜곡하므로 실제 자연하천에서의 적용성 측면에서 많은 제약이 있었다. 또한 모의 영역 내부 절점에 유입되는 오염원이나 수질사고에 의한 순간 질량주입에 의한 혼합거동을 해석할 수 없고, 수질모의 인자가 보존성 오염물질과 감쇠계수로 반응성이 조절되는 비보존성 오염물질의 해석에 국한되므로, BODDO 연계모의, 수온 모의, SS 모의 등에 있어서 많은 한계점을 가지고 있다. 따라서 이와 같은 제약점과 한계점을 극복하기 위해 순수 국내 기술로 개발되어 현재 상용화를 앞둔 RAMS (River Analysis and Modeling System)를 이용한 연구가 최근 활발하게 진행된 바 있다.
참고문헌 (31)
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