[논문]이차원 수치모형을 이용한 준설 탁도플륨의 혼합거동 연구

박재현; 김영도; 이만수

doi:10.17663/jwr.2013.15.1.059

이차원 수치모형을 이용한 준설 탁도플륨의 혼합거동 연구
A Study on Mixing Behavior of Dredging Turbidity Plume Using Two-Dimensional Numerical Model 원문보기

한국습지학회지 = Journal of wetlands research, v.15 no.1, 2013년, pp.59 - 69

박재현 (인제대학교 토목도시공학부) , 김영도 (인제대학교 환경공학부(낙동강유역환경연구센터)) , 이만수 (현대건설(주) 해외사업본부)

초록
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본 연구에서는 충남 서산에 위치한 부남호에서 준설시 발생하는 탁도플륨의 이송 및 확산과정을 2차원 수치모형인 RMA2 모형과 RMA4 모형을 이용하여 예측하였으며, 다항목수질모니터링시스템(YSI6600EDS)을 이용해 측정한 탁도분포와 비교하였다. 현장조사에서는 부남호에서 준설작업이 진행됨에 따라 인근지점에서의 연직방향 탁도 분포를 측정하였으며 표층에서 거리에 따른 수평방향 탁도 분포를 측정하였다. 부남호 전 구간에 대해서 2차원 흐름해석 모형인 RMA2 모형을 적용하였고, 실제 준설작업이 이루어지는 2호지에 대해서 RMA2 모형과 RMA4 모형을 적용하였다. 준설지점의 초기 농도값에 대한 저수지 내 각 지점에서의 거리에 따른 농도비를 현장측정 결과와 비교한 결과, 수치해석에 의한 탁도플륨의 이송확산 모의 결과는 준설작업에 대한 환경영향 범위를 예측하는 데에 적용될 수 있는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The numerical simulations were performed to analyze the advection-diffusion processes of dredging-induced turbidity plume using RMA2 and RMA4 models in Bunam reservoir, Seosan, Chungnam. Field survey was also performed to measure the turbidity using the multi water quality monitoring system (YSI6600EDS). In the field survey, the vertical and horizontal distributions of the turbidity were measured during the dredging operation in Bunam reservoir. RMA2 model was used to simulate the velocity distributions in both the whole domain and the 2nd part of Bunam reservoir. RMA4 model was also used to simulate the concentration distribution in only the 2nd part of Bunam reservoir, where the dredging work were conducted. The comparison of the simulation results with the field data for the advection-diffusion of the turbidity plume using the concentration ratio concepts shows that the numerical model can be applied to analyze the environmental impact of dredging works.

주제어

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문제 정의

이에 충청남도는 수질개선을 통한 농업용수 확보와 태안기업도시에 필요한 성토재 공급을 위해 부남호 준설을 시행한 바 있다. 본 연구에서 현장 조사를 수행한 부남호에서의 시험준설은 준설사업 시행 인가조건에 따른 저니토 고화시험 및 준설공법을 검증하기 위해 시행되었다. 저니토를 고형화하여 재활용할 계획으로 검증절차를 이행하였고, 펌프흡입식 준설공법의 적정성을 분석하고 수질을 개선시키고자 하였다.
본 연구에서는 2차원 수치해석 모형을 이용하여 준설 시 발생하는 부유토사의 이송 및 확산과정에 따른 환경 영향 범위를 예측하고자 하였다. 또한 수치해석 결과와의 비교 및 검토를 위해 준설이 진행 중인 부남호에서 현장조사를 수행하였다.
63 CMS이다. 본 연구에서는 흐름이 크지 않은 호소 수역에서의 부유사의 이송 및 확산을 2차원 수치모형인 RMA2 모형과 RMA4 모형을 이용하여 모의하고, 이를 현장 조사결과와 비교 및 분석함으로써 준설에 따른 탁도플륨의 영향범위를 예측하고, 사용된 수치모형의 적용성을 검토하고자 하였다.
본 연구에서 현장 조사를 수행한 부남호에서의 시험준설은 준설사업 시행 인가조건에 따른 저니토 고화시험 및 준설공법을 검증하기 위해 시행되었다. 저니토를 고형화하여 재활용할 계획으로 검증절차를 이행하였고, 펌프흡입식 준설공법의 적정성을 분석하고 수질을 개선시키고자 하였다. Fig.

가설 설정

2차원 흐름을 예측하는 RMA2 모형의 주요 매개변수는 Manning의 조도계수와 와점성계수(eddy viscosity)이다. Manning 계수는 지형, 하상 구성물질의 종류, 식생, 흐름조건 등에 따라 상이한 값을 가지게 되는데, 본 연구에서는 Manning의 조도계수로 0.025를 사용하였으며, 와점성계수를 등방성이라 가정하고 2,000 N․s/m을 사용하였다. 이송확산모형인 RMA4 모형의 주요 매개변수로는 확산계수가 있다.

제안 방법

2차원 이송확산모형인 RMA4를 이용하여 준설 시 발생하는 부유토사의 혼합거동 모의를 수행하였다. Fig.
2차원 흐름모형인 RMA2를 이용하여 수심분포, 수위분포, 유속분포, 유속벡터를 분석하고 2차원 이송확산모형인 RMA4를 이용하여 준설 시 발생하는 부유토사의 혼합거동 모의를 수행하였다. 수치해석 결과 정체수역인 부남호는 부유토사가 물 흐름에 의한 이송보다는 확산에 의한 영향을 받는 것으로 분석되었다.
또한 2차원 수치해석 결과와의 비교를 위해 표층 탁도 분포는 준설선을 중심으로 우에서 좌로 이동하며 측정하였다(Fig. 7 참조). 표층 탁도 분포 역시 준설선의 커터헤드와 가까울수록 높은 탁도 분포를 나타내었으나, 흐름방향에 반대인 1, 2 지점은 준설선에서 가까워도 탁도가 낮은 것을 확인할 수 있었다(Fig.
본 연구에서는 2차원 수치해석 모형을 이용하여 준설 시 발생하는 부유토사의 이송 및 확산과정에 따른 환경 영향 범위를 예측하고자 하였다. 또한 수치해석 결과와의 비교 및 검토를 위해 준설이 진행 중인 부남호에서 현장조사를 수행하였다. 준설선 부근을 중심으로 이루어진 현장조사 결과, 연직방향 탁도분포는 준설선의 커터 헤드와 가까이 있는 지점일수록 높은 탁도분포를 나타내었다.
부남호 전체구간에 대한 흐름해석을 수행하여, 이 결과를 이용하여 준설작업이 이루어지고 있는 2호지의 상⋅하류 경계조건을 설정하였다.
차원 흐름모형인 RMA2 모형과 이송확산모형인RMA4 모형을 부남호에 적용하여 준설 공사 중 발생 가능한 부유토사 확산거동에 대해 분석하였다. 부남호 전체구간과 준설구간이 이루어지는 2호지 구간을 대상영역으로 설정하였다.
탁도 측정은 준설선을 중심으로 부유토사가 발생하여 퍼져 나가는 방향을 따라가며 커터헤드의 영향을 고려하기 위해 연직방향으로 측정하였으며, 수표면에서의 퍼짐 정도를 분석하기 위해 거리에 따른 표층에서의 탁도 측정을 수행하였다. 채집된 시료의 부유물농도(SS)에 대한 분석방법은 수질오염 공정시험법에 따라 미리 무게를 단 유리섬유 거름종이(GF/C)를 여과기에 부착하여 일정량의 시료를 여과 후 건조하여 무게를 달아 여과전․후의 유리섬유 거름종이의 무게차를 산출하여 SS의 농도를 구하였다.
4는 현장조사 시 촬영한 사진으로서 준설선과 부유토사 발생현황 및 탁도측정 모습을 나타낸 것이다. 탁도 측정은 준설선을 중심으로 부유토사가 발생하여 퍼져 나가는 방향을 따라가며 커터헤드의 영향을 고려하기 위해 연직방향으로 측정하였으며, 수표면에서의 퍼짐 정도를 분석하기 위해 거리에 따른 표층에서의 탁도 측정을 수행하였다. 채집된 시료의 부유물농도(SS)에 대한 분석방법은 수질오염 공정시험법에 따라 미리 무게를 단 유리섬유 거름종이(GF/C)를 여과기에 부착하여 일정량의 시료를 여과 후 건조하여 무게를 달아 여과전․후의 유리섬유 거름종이의 무게차를 산출하여 SS의 농도를 구하였다.
2와 같다. 현장 조사에서는 다항목수질모니터링시스템(YSI6600EDS)과 현장용 GPS를 이용하여 위치에 따른 탁도분포를 측정하였다(Fig. 3 참조). Fig.

대상 데이터

14는 준설작업이 시행되고 있는 부남호 2호지의 유한요소망이다. 모의에 필요한 매개변수 값들은 앞에서 설명한바와 같이 같은 값을 적용하였고, 유한요소는 삼각형 요소 2,440개, 절점의 수는 5039개이다. Fig.
차원 흐름모형인 RMA2 모형과 이송확산모형인RMA4 모형을 부남호에 적용하여 준설 공사 중 발생 가능한 부유토사 확산거동에 대해 분석하였다. 부남호 전체구간과 준설구간이 이루어지는 2호지 구간을 대상영역으로 설정하였다. 흐름 해석을 위한 상⋅하류 경계조건은 부남호 배수갑문 지점에서 측정된 2006년의 실측 수위 및 유량 값을 이용하였다.
1에 나타낸 구간 중에 2호지에 해당하며 평균압송거리는 500 m이다. 시험준설 물량은 150,000 m³로서 조립토가 90,000 m³이고 세립토가 60,000 m³이다. 시험준설에 사용된 준설선은 2,000HP급 조립준설선이며, 준설기간은 2008년 2월부터 6월까지이다.
시험준설 물량은 150,000 m³로서 조립토가 90,000 m³이고 세립토가 60,000 m³이다. 시험준설에 사용된 준설선은 2,000HP급 조립준설선이며, 준설기간은 2008년 2월부터 6월까지이다. 정체성 수역인 부남호는 1∼5호지로 구성되어있으며 갑문과 유사한 형태의 구조물로 연결되어 있다.
흐름 해석을 위한 상⋅하류 경계조건은 부남호 배수갑문 지점에서 측정된 2006년의 실측 수위 및 유량 값을 이용하였다.

이론/모형

국내에서는 Kang et al.(2004)이 준설선 인근에서 발생하는 탁도플륨의 근역혼합거동을 D-CORMIX를 이용하여 해석하였고, Jung etal. (2004)은 이와 같은 부유사의 확산거동에 관한 예측시스템을 개발하였다.
는 각각 x와 y방향의 종분산계수, σ는 물질의 질량 공급원, k는 생·화학적 반응에 의한 물질의 소멸율을 나타낸다. RMA4 모형도 RMA2 모형과 마찬가지로 수치기법으로 Galerkin방법을 사용한다.
형상함수는 유속에 대해서는 2차함수이며, 수위에 대해서는 1차함수이다. 공간적분방법으로는 Gauss적분법이 사용되며, 시간미분항은 비선형 유한차분 근사법이 사용된다. 수치기법은 완전음해법으로써, 각 시간 단계에서의 비선형 연립방정식을 Newton-Raphson 반복계산법을 사용하여 해를 구한다(EMRL, 2002).
본 연구에서는 부남호 저수지 내에서의 흐름 해석를 위해서 RMA2 모형을 사용하였고, 공사 중 발생하는 부유토사의 혼합거동 해석을 위해서 RMA4 모형을 사용하였다. RMA2 모형은 미공병단에서 1973년에 처음 개발된 이래로, 섬을 포함한 하천 수로구간의 흐름, 교각 부근의 흐름, 유수단면 확대 및 축소부를 포함한 하천구간의 흐름 등, 하천, 저수지, 하구의 수리동역학적 해석에 널리 쓰여 왔다.
공간적분방법으로는 Gauss적분법이 사용되며, 시간미분항은 비선형 유한차분 근사법이 사용된다. 수치기법은 완전음해법으로써, 각 시간 단계에서의 비선형 연립방정식을 Newton-Raphson 반복계산법을 사용하여 해를 구한다(EMRL, 2002).

성능/효과

준설선 부근을 중심으로 이루어진 현장조사 결과, 연직방향 탁도분포는 준설선의 커터 헤드와 가까이 있는 지점일수록 높은 탁도분포를 나타내었다. 또한 표층 탁도 분포를 준설선을 중심으로 우에서 좌로 이동하며 측정하였는데 표층 탁도 분포 역시 준설선의 커터헤드와 가까이 있을수록 높은 탁도 분포를 나타내었으며 준설선으로부터 멀어질수록 탁도가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.
2차원 흐름모형인 RMA2를 이용하여 수심분포, 수위분포, 유속분포, 유속벡터를 분석하고 2차원 이송확산모형인 RMA4를 이용하여 준설 시 발생하는 부유토사의 혼합거동 모의를 수행하였다. 수치해석 결과 정체수역인 부남호는 부유토사가 물 흐름에 의한 이송보다는 확산에 의한 영향을 받는 것으로 분석되었다. 준설지점의 초기 농도 값에 대한 저수지 내 각 지점에서의 거리에 따른 농도비를 현장측정 결과와 비교한 결과, 현장측정결과와 수치해석결과 모두 준설선에서 거리가 멀어질수록 급격히 농도가 낮아지는 경향을 나타내었다.
20에 도시된 바와 같이 준설이 이루어지는 지점을 따라 현장조사 시 준설선 인접지점에서 측정한 탁도를 초기농도로 설정하고, 부남호 2호지 내에서의 부유사 거동을 모의한 결과를 시간에 따라 (a)∼(d)에 도시하였다. 시간이 지남에 따라 넓게 퍼지는 것을 볼 수 있으며 물의 흐름에 의한 이송보다는 쌍방향으로 퍼지는 확산이 일어나는 것을 확인할 수 있다. 준설 시 발생하는 부유토사의 농도분포는 준설지점의 초기 농도값에 대한 저수지 내 각 지점에서의 거리에 따른 농도비(%)를 이용하여 나타내었다.
또한 수치해석 결과와의 비교 및 검토를 위해 준설이 진행 중인 부남호에서 현장조사를 수행하였다. 준설선 부근을 중심으로 이루어진 현장조사 결과, 연직방향 탁도분포는 준설선의 커터 헤드와 가까이 있는 지점일수록 높은 탁도분포를 나타내었다. 또한 표층 탁도 분포를 준설선을 중심으로 우에서 좌로 이동하며 측정하였는데 표층 탁도 분포 역시 준설선의 커터헤드와 가까이 있을수록 높은 탁도 분포를 나타내었으며 준설선으로부터 멀어질수록 탁도가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.
수치해석 결과 정체수역인 부남호는 부유토사가 물 흐름에 의한 이송보다는 확산에 의한 영향을 받는 것으로 분석되었다. 준설지점의 초기 농도 값에 대한 저수지 내 각 지점에서의 거리에 따른 농도비를 현장측정 결과와 비교한 결과, 현장측정결과와 수치해석결과 모두 준설선에서 거리가 멀어질수록 급격히 농도가 낮아지는 경향을 나타내었다. 수치해석 결과가 허용할 수 있는 오차범위안에서 현장측정값과 유사한 경향을 나타내고 있으므로 이와 같은 2차원 수치모형에 의한 이송․확산 모의 결과는 준설 탁도플륨의환경영향을 예측하는 데에 적용될 수 있는 것으로 판단된다.
7 참조). 표층 탁도 분포 역시 준설선의 커터헤드와 가까울수록 높은 탁도 분포를 나타내었으나, 흐름방향에 반대인 1, 2 지점은 준설선에서 가까워도 탁도가 낮은 것을 확인할 수 있었다(Fig. 8 참조).

후속연구

준설지점의 초기 농도 값에 대한 저수지 내 각 지점에서의 거리에 따른 농도비를 현장측정 결과와 비교한 결과, 현장측정결과와 수치해석결과 모두 준설선에서 거리가 멀어질수록 급격히 농도가 낮아지는 경향을 나타내었다. 수치해석 결과가 허용할 수 있는 오차범위안에서 현장측정값과 유사한 경향을 나타내고 있으므로 이와 같은 2차원 수치모형에 의한 이송․확산 모의 결과는 준설 탁도플륨의환경영향을 예측하는 데에 적용될 수 있는 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탁도플륨이 생태계에 악영향을 유발할 수도 있는 이유는?	, 2009). 이렇게 발생한 탁도플륨은 수 체흐름에 따라 이송 및 확산되며, 부유토사에는 퇴적토로부터 발생되는 유독성 오염물질을 포함할 수도 있으므로 인근 생태계에 악영향을 유발할 수도 있다. 따라서 준설작업에 있어 탁도플륨의 이송 및 확산의 범위를 사전에 예측하고 현장 여건에 알맞게 최적의 방지 대책을 수립하기 위해서는 수치해석에 대한 현장에서의 검증연구가 필요하다(Kim et al.
	부유토사의 발생과정은?	, 2011). 부유토사는 준설작업 시 커터헤드(cutter head)가 바닥면에 닿는 순간부터 작동을 멈출 때까지 계속하여 발생하며,이러한 과정들이 반복되면서 많은 양의 탁도플륨이 형성된다(Chae et al., 2009).
	준설작업에 있어 준설효율과 환경측면을 동시에 고려한 준설사업을 진행하기 위해서는 어떠한 노력을 해야 하는가?	, 2009). 또한 준설효율과 환경측면을 동시에 고려한 준설사업을 진행하기 위해서는 기계장비들의 노후와 운영체제의 미흡함으로 인하여 발생하는 어려움을 최적 준설공정 적용 및 장비운영 효율화를 통해 해결하기 위한 노력이 필요하다. 그러나 준설이 진행되고 있는 연안지역과 하천준설에 있어서 이와 같은 고효율 친환경 준설작업을 수행하기란 쉽지 않지 않다(Chae et al.

참고문헌 (17)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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