[논문]3차원 EFDC-WASP 연계모델을 이용한 경인아라뱃길 수질 예측

윤진호; 서동일

doi:10.4491/ksee.2013.35.2.101

3차원 EFDC-WASP 연계모델을 이용한 경인아라뱃길 수질 예측
Water Quality Modeling of the Ara Canal, Using EFDC-WASP Model in Series 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.35 no.2, 2013년, pp.101 - 108

초록
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경인아라뱃길은 한강하류와 서해를 잇는 국내 첫 인공운하이다. 아라뱃길 내에는 한강갑문으로부터 유입되는 담수와 서해갑문으로부터 유입되는 해수가 혼합됨으로써 염분 분포 및 성층특성이 발달되면서 복잡한 수리동역학적 특성을 나타낼 수 있으며 그에 따라 수질 특성도 크게 영향을 받을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 운하 내의 염분 및 수온을 고려하여 3차원적인 수리동역학적 특성을 예측할 수 있는 EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code)모델과 이에 따른 수질현상을 고려할 수 있는 WASP (Water Quality Analysis and Simulation Program)모델을 연계하여 사용함으로써 갑문 운영에 따른 3차원 시공간적 수리 및 수질특성을 예측할 수 있는 시스템을 구축하였다. 해수가 유입되는 서해갑문 측의 수질은 대체적으로 양호한 것으로 나타났으나 한강갑문 방향으로 이동할수록 수질은 점점 악화되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 봄철 및 가을철에 경인아라뱃길 주운수로 내에서는 DO가 2 mg/L 이하로 감소되는 등 빈 산소층이 형성되었으며, 체류시간 증가에 의한 BOD에 의한 DO소모가 가장 큰 원인으로 작용하는 것으로 추정된다. 따라서 운하 내의 빈산소 현상을 제어하기 위해서 자체적으로 BOD 농도를 개선하기 어려운 경우 수체의 체류시간을 단축시켜서 운영하는 방법을 선택하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Ara Canal is the first artificial canal in Korea that connects the Han River and the Yellow Sea. Due to mixture of waters with different salinity and water quality, complicated hydrodynamic and water quality distributions are expected to occur inside the canal. An integrated hydrodynamic and water quality modeling system was developed using the 3 dimensional hydrodynamic model, EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code) and the water quality model WASP (Water Quality Analysis and Simulation Program). According to the modeling results, BOD, TN, TP and Chl-a concentrations inside the canal were lower at the West Gate side than the Han River side since influent concentrations of the West Gate side are significantly lower. Chemical stratification due to salinity difference were more evident at the West Gate side as vertical salinity difference were more pronounced in this area. On the other hand, Chl-a concentrations showed more pronounced vertical distribution at the Han River side as Chl-a concentrations were higher in this area. It was notable that Dissolved Oxygen concentrations can be lower than 2 mg/L occasionally in the middle part of the canal. While major factor affecting DO concentrations in the canal are inflows via both gates, the other important factor was found to be BOD decay in the canal due to extended hydraulic residence time. This study can be used to predict hydrodynamic conditions and water quality in the canal during the year and thus can be helpful in the development of gate operation method of the canal.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

대상 수역의 수리 및 수질 특성을 적절하게 모의하기 위해서는 적절한 수준의 격자 구성이 매우 중요하다. 격자의 크기가 작을수록 자세한 모의가 가능한 반면 계산에 필요한 시간이 증가되므로 운하내의 수리-수질특성을 적절하게 반영할 수 있는 최소한의 격자의 수를 선정하기 위한 별도의 연구를 진행하였다.³³⁾
본 연구에서는 Yin³³⁾의 연구를 바탕으로 선정된 아라뱃길의 수질 모의를 위한 적정 EFDC 격자 및 갑문운영 조건 등을 고려하여 산정한 수리동역학적 정보에 WASP 모델을 연계하여 경인아라뱃길 운영 시의 수질 모델링 시스템을 구축하였다. 또한 본 연구에서는 대표적인 갑문운영안에 대해 경계조건을 입력하여 수질을 모의하고 특히 주운수로 내 DO 감소 현상을 재현하고 원인을 분석하고 과학적인 수질관리 대책 및 의사결정에 효과적으로 반영할 수 있는 자료를 제공하고자 한다.
본 연구에서는 3차원 수리 · 수질 모델 EFDC-WASP을 연계 사용하여 경인아라뱃길 운영 시 수리동역학적 변화를 예측하고 이를 수질모델에 적용하여 운영 시 발생할 수 있는 수리 수질 상황에 대한 분석 및 관리대안 수립을 지원할 수 있는 시스템을 구축하였다.
본 연구에서와 같이 담수와 해수의 혼합이 복잡하게 발생하는 지역에 대하여는 자세한 수준의 모델이 특히 필요하나 이러한 지역에 대해 수리-수질 모델을 연계하여 적용한 예는 거의 찾아볼 수 없다. 본 연구에서는 Yin³³⁾의 연구를 바탕으로 선정된 아라뱃길의 수질 모의를 위한 적정 EFDC 격자 및 갑문운영 조건 등을 고려하여 산정한 수리동역학적 정보에 WASP 모델을 연계하여 경인아라뱃길 운영 시의 수질 모델링 시스템을 구축하였다. 또한 본 연구에서는 대표적인 갑문운영안에 대해 경계조건을 입력하여 수질을 모의하고 특히 주운수로 내 DO 감소 현상을 재현하고 원인을 분석하고 과학적인 수질관리 대책 및 의사결정에 효과적으로 반영할 수 있는 자료를 제공하고자 한다.
이 연구에서는 경인아라뱃길 갑문운영에 의한 염분농도 분포를 대상으로 수평방향으로 18개, 36개, 48개, 72개, 144개, 216개, 360개, 504개, 그리고 수직방향으로 3층, 5층, 10층, 15층, 20층, 30층으로 구성하고 적정격자를 결정하기 위한 시행착오적인 연구를 실시하였다. 연구결과 경인아라뱃길의 염분분포를 비교적 정확하게 예측하면서 수질모델을 적용하기 위해서는 최소 수평방향 48격자, 수직방향 10층으로 구성해야 한다는 결론을 도출하였다.

가설 설정

4는 본 연구에서 사용된 갑문의 유량 자료의 30일 분의 예를 보여 주고 있다. 서해에서 유입되는 해수의 염분농도는 30 psu (practical salinity unit)로 일정하다고 가정하였으며 기온, 일사량, 운량, 풍속, 풍향 등 기상자료는 서울시 2008년 기상청자료를⁴²⁾ 이용하여 구축하였다.
경인아라뱃길의 주요 유입원은 한강의 담수 및 서해로부터 유입되는 해수이다. 한강에서 일 평균 10 m³/sec가 유입되고 서해에서는 조석간만의 영향을 고려한 창조(漲潮)시 서해조위와 서해갑문의 높이 차를 이용하여 계산된 일 평균 20 m³/sec(최대 251 m³/sec)의 해수가 유입되고 낙조(落潮) 시 서해갑문을 통하여 배수 된다고 가정하였다. Fig.

제안 방법

5³⁵⁾가 사용되고 있다. 그리고 WASP5 이후부터 SWMM³⁶⁾과 같은 비점오염원 모의에 사용되는 유역모델과 연계가 가능하며, WASP6 이후부터는 EFDC와 같은 수리모델과 SWMM과 같은 유역모델의 연계사용이 가능하도록 구성되었다. WASP 모델은 Fig.
모델의 실행에 사용된 반응계수는 연구 대상 지역의 환경평가서¹⁾에서 경인아라뱃길 모의 시 사용했던 계수와 WASP 매뉴얼을 참고하여 적용하였다. Table 3은 본 연구에서 사용된 중요한 반응계수의 일부를 나타내고 있다.
본 연구에서는 Fig. 3에 나타난 바와 같이 경인아라뱃길의 CAD설계도면을 이용하여 표면격자를 구성하였고 운하 내 수리 특성을 분석하기 위해 구축된 HEC-RAS모델¹⁾을 구성한 파일자료를 이용하여 주운수로의 사변, 수심 등의 수치가 포함된 수직격자를 구성하였다. 대상 수역의 수리 및 수질 특성을 적절하게 모의하기 위해서는 적절한 수준의 격자 구성이 매우 중요하다.
7은 경인아라뱃길 내 수질모델링 결과를 나타낸다. 수질 모델링 결과는 Fig. 2에 동그라미로 표시한 바 대로 서해갑문, 주운수로(서해갑문에서 약 9 km), 한강갑문 등 3개 지점에 대해 정리하였다. 본 연구에서 선택한 주요 수질 항목은 BOD, T-N, T-P, Chl-a, DO이며, 각 지점에서 수직 방향으로 상층, 중층 하층에서의 1년간의 모의 결과를 나타내고 있다.

대상 데이터

경인아라뱃길의 수질 모의를 위한 한강의 수질 등 수질관련 경계조건은 가용자료의 시점을 통일하기 위해 2008년 1년을 대상으로 하였다. 한강의 수질은 환경부 측정지점인 행주(김포대교)지점의 2008년 자료를³⁸⁾ 사용하였고 서해갑문으로 유입되는 해수의 수질은 국립수산과학원 해양수질측정망³⁹⁾ 2008년 분기별 측정값을 평균하여 사용하였다.
한강의 수질은 환경부 측정지점인 행주(김포대교)지점의 2008년 자료를³⁸⁾ 사용하였고 서해갑문으로 유입되는 해수의 수질은 국립수산과학원 해양수질측정망³⁹⁾ 2008년 분기별 측정값을 평균하여 사용하였다. 기타 시천천, 목상천, 다남천 등 지천은 2008년 측정 자료가 없어서 가장 최근에 실측된 2004년 건설교통부 보고서에서⁴⁰⁾ 측정된 유량 및 수질 자료를 이용하였으며, 수도권 매립지 배출수의 수질 자료는 수도권매립지관리공사⁴¹⁾에서 제시한 2008년 침출수 원수 및 배출수 수질자료를 이용하였다.
2에 동그라미로 표시한 바 대로 서해갑문, 주운수로(서해갑문에서 약 9 km), 한강갑문 등 3개 지점에 대해 정리하였다. 본 연구에서 선택한 주요 수질 항목은 BOD, T-N, T-P, Chl-a, DO이며, 각 지점에서 수직 방향으로 상층, 중층 하층에서의 1년간의 모의 결과를 나타내고 있다. 그림에 나타난 바와 같이 경인아라뱃길 내 수질은 갑문운영에 따른 유입유량의 변화에 따라 민감하게 반응하는 것으로 분석 된다.
본 연구의 대상 범위는 Fig. 2에 나타난 바와 같이 인천 서구 오류동(서해)~서울 강서구 개화동(행주대교) 사이의 서해와 한강 하류를 연결하는 경인아라뱃길 18 km 구간이며 아라서해갑문(이하 서해갑문), 주운수로 및 아라한강갑문(이하 한강갑문) 등의 시설로 구성되어 있다. 서해갑문은 폭 300 m, 평균 수심은 약 8.
경인아라뱃길의 수질 모의를 위한 한강의 수질 등 수질관련 경계조건은 가용자료의 시점을 통일하기 위해 2008년 1년을 대상으로 하였다. 한강의 수질은 환경부 측정지점인 행주(김포대교)지점의 2008년 자료를³⁸⁾ 사용하였고 서해갑문으로 유입되는 해수의 수질은 국립수산과학원 해양수질측정망³⁹⁾ 2008년 분기별 측정값을 평균하여 사용하였다. 기타 시천천, 목상천, 다남천 등 지천은 2008년 측정 자료가 없어서 가장 최근에 실측된 2004년 건설교통부 보고서에서⁴⁰⁾ 측정된 유량 및 수질 자료를 이용하였으며, 수도권 매립지 배출수의 수질 자료는 수도권매립지관리공사⁴¹⁾에서 제시한 2008년 침출수 원수 및 배출수 수질자료를 이용하였다.

이론/모형

따라서 경인아라뱃길 내부의 DO농도 모의를 위한 재폭기 계수의 결정은 Fig. 5에 나타난 바와 같이 수체의 유속 및 수심의 변화에 따라 Owens, Churchill 및 O’Connor-Dobins식을 적절하게 적용하는 Covar method43)를 사용하였다.

성능/효과

1) BOD, T-N, T-P모의결과 한강과 서해에서 유입되는 수질의 영향으로 서해갑문은 대체적으로 수질이 양호하나 한강갑문 방향으로 이동할수록 수질은 점점 악화되는 것을 확인할 수 있었다. 조석간만의 영향 및 유입 염분의 밀도 차에 의해 서해갑문에서 수심 별 수질 차이가 있었으나 이러한 차이는 한강갑문 방향으로 이동할수록 점차 감소되는 경향을 나타내었다.
2) Chl-a 모의결과 한강갑문에서 높고 서해갑문 방향으로 이동 할수록 서해 유입수의 영향 및 염분농도의 영향으로 농도가 점차 감소되었다. 엽록소농도는 여타 수질 항목과 달리 한강측에서 상층이 높고 하층이 낮은 등 수직층 별 차이가 있었으며 서해 갑문 부근에서는 수질층별 차이가 두드러지게 나타나지 않았다.
3) 용존산소 모의결과 서해갑문, 한강갑문이 위치하는 운하의 양쪽 끝단 부분이 높고 중간지점이 낮게 나타났다. 또한 봄철 및 가을철에 주운수로 중앙부근에서는 DO가 2 mg/L 이하로 감소되는 등 빈 산소층이 형성되었다.
7 m의 수위를 유지하며 운영되고 있다. Fig. 6은 본 연구에서 수행 된 서해갑문의 30일간 수위모의 결과를 보여주고 있으며 해수 유입의 영향으로 1달에 2회 수위변동이 크게 발생하고 평시에는 약 2.7 m의 수위를 유지하는 것을 확인 할 수 있었다.
운하내의 용존산소농도는 유입수질의 영향으로 겨울철 높고 기타 계절에는 상대적으로 낮은 편이며 서해의 연간 수질 변화가 한강의 수질변화에 비하여 상대적으로 작으므로 한강 측의 유입수 BOD가 증가하는 경우 운하 내의 용존산소농도에 부정적인 영향을 미칠 우려가 있다. 수질 모델링 결과 또한 DO의 저감은 김포지역에서 유입되는 DO영향 및 BOD오염부하와 수로 내 체류시간에 의해 주로 영향을 받는 것으로 나타나고 있다. Table 3은 4월과 10월 주운수로 내 DO 변화에 영향을 미치는 요소의 월 평균에 대한 정량적 값을 보여주고 있다.
이 연구에서는 경인아라뱃길 갑문운영에 의한 염분농도 분포를 대상으로 수평방향으로 18개, 36개, 48개, 72개, 144개, 216개, 360개, 504개, 그리고 수직방향으로 3층, 5층, 10층, 15층, 20층, 30층으로 구성하고 적정격자를 결정하기 위한 시행착오적인 연구를 실시하였다. 연구결과 경인아라뱃길의 염분분포를 비교적 정확하게 예측하면서 수질모델을 적용하기 위해서는 최소 수평방향 48격자, 수직방향 10층으로 구성해야 한다는 결론을 도출하였다.
엽록소(Chl-a)농도는 한강갑문에서 높고 염분의 영향으로 성장 속도가 저하되어 서해갑문방향으로 이동 할수록 감소 되는 것으로 예측되었으며 전반적으로 여름철에 약간 증가되는 경향으로 나타났다. 운하 내에서 엽록소농도는 상층이 높고 하층이 낮은 경향을 나타냈으나 이러한 경향은 농도가 높은 한강갑문 측에서 두드러지게 나타나고 있다.
DO 농도는 비교적 포화상태의 용존산소농도를 보이는 유입수가 소통되는 운하의 양쪽 끝이 높고 중간지점이 낮은 경향을 나타내고 있다. 특히 운하의 중앙 부근에 해당하는 주운수로 지점에서는 봄철, 가을철의 용존산소농도가 2 mg/L 이하로 감소되는 것을 확인할 수가 있었으며 짧은 기간이기는 하나 간헐적으로 1 mg/L 이하의 수준을 보이는 경우도 있는것으로 확인되었다.

후속연구

또한 봄철 및 가을철에 주운수로 중앙부근에서는 DO가 2 mg/L 이하로 감소되는 등 빈 산소층이 형성되었다. 경인아라뱃길의 DO감소에 가장 큰 영향을 미치는 것은 유기물(BOD)의 분해에 의한 DO소모가 가장 큰 원인으로 분석되었으며 한강 측의 BOD농도 개선 및 체류시간을 고려한 적절한 갑문 조작이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3차원적 수질 모델링에 가장 널리 사용된 것은?	기존에 3차원적 수질 모델링에 가장 널리 사용된 것은 미국 환경부에서 개발되어 관리되고 있는 WASP모델6~10)이다. 이 모델은 자체에 수리학적 모듈이 존재하기는 하나 1차원적인 흐름 또는 수리학적으로 단순한 경우에만 사용될 수 있는 한계가 있어11~13) 조석간만의 영향을 크게 받고 염분유입에 의한 성층현상이 발생하는 경인아라뱃길과 같이 복잡한 수리모의가 필요한 경우에는 적합하다고 보기 어렵다.
	수리 및 수질 모델이란?	수리 및 수질 모델은 수체 내부에 일어나는 복잡한 물리, 화학 및 생물학적인 기작들을 수식으로 요약하여 표현함으로써 수리학적 및 수질관리를 위한 의사결정에 필요한 자료를 생성하는 기술을 의미한다. 최근 컴퓨터기술의 급격한 발달과 함께 하천 저수지, 하구 등의 수질관리를 위하여 복잡한 수준의 2차원 또는 3차원 수리․수질 모델이 활발히 적용되고 있으며 지속적인 발전에 따라 적용대상 범위가 크게 증가하고 복잡한 계산도 시간을 크게 단축하면서 수체에서 발생하는 현상들을 더욱 자세하게 예측할 수 있게 되었다.
	WASP모델의 단점은?	기존에 3차원적 수질 모델링에 가장 널리 사용된 것은 미국 환경부에서 개발되어 관리되고 있는 WASP모델6~10)이다. 이 모델은 자체에 수리학적 모듈이 존재하기는 하나 1차원적인 흐름 또는 수리학적으로 단순한 경우에만 사용될 수 있는 한계가 있어11~13) 조석간만의 영향을 크게 받고 염분유입에 의한 성층현상이 발생하는 경인아라뱃길과 같이 복잡한 수리모의가 필요한 경우에는 적합하다고 보기 어렵다. EFDC 모델14)은 수질모의 기능이 포함되어 있으나, 유기물 간의 상관관계에 있어서 BOD가 아닌 TOC로 모의하므로 아직까지 BOD를 주요수질항목으로 간주하고 측정하는 국내에서는 수질자료 구축이 어려운 등 문제점이 있다고 판단된다.

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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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