[논문]강변여과에서 파일럿규모 수평집수관의 수두분포 연구

정재민; 박재영; 이종진; 김용운; 김승현

doi:10.4491/ksee.2013.35.5.334

강변여과에서 파일럿규모 수평집수관의 수두분포 연구
A Study on the Distribution of Hydraulic Head Along the Lateral in a Pilot-Scale Riverbank Filtration 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.35 no.5, 2013년, pp.334 - 339

정재민 (영남대학교 환경공학과) , 박재영 (한국수자원공사 사업기획실) , 이종진 (한국수자원공사 사업기획실) , 김용운 (한국수자원공사 사업기획실) , 김승현 (영남대학교 환경공학과)

초록
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강변여과용 수평집수관을 모사하는 파일럿 규모의 모래통 실험을 수행하였으며, 다양한 출구유속에 대한 수평집수관에서의 수두분포를 구하였다. Kim이 수행한 실험실 규모의 수평집수관에서의 손실수두에 Kim이 개발한 이론 즉, 작은 규모의 수평집수관에서의 손실수두로부터 큰 집수관의 손실수두를 계산하는 방법을 적용하여 본 연구의 관측치와 비교함으로써 Kim의 이론이 타당함을 알 수 있었다. 또한, 이들의 이론을 적용하여 본 연구에서의 관측치로부터 실규모 집수관에서의 수두분포를 구하는 방안을 예를 들어 설명함으로써 강변여과의 수평집수관 설계방법을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A pilot-scale sand-box experiment simulating a lateral of collector well used in riverbank filtration was performed, and hydraulic head distributions along the lateral were measured according to the various drawdowns at the well. The results of this experiment were compared to the predicted values obtained using a theory previously developed by Kim in order for its validation. This theory predicts the head loss in a large-scale lateral given the loss in a small-scale one, and to have actual values for comparison, the results from a lab-scale experiment previously performed by Kim were employed. Comparing the experimental values to the extrapolated value indeed confirmed the validity of the theory. A procedure to determine the hydraulic head distribution of a practical-scale lateral was also presented applying the theory to the experimental result of this study in an effort to show the process of lateral design for riverbank filtration.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 강변여과를 모사하는 파일럿 규모의 모래통 실험에서 다양한 출구유속에 대한 수평집수관에서의 수두분포를 관측하여, 작은 규모의 수평집수관 수두분포로부터 큰 규모의 집수관에서의 수두분포 즉, 마찰저항을 구하는 Kim²⁵⁾의 방법론을 검증하고 또한, 실규모의 수평집수관 설계에 대한 기초자료로 활용되도록 한다.

가설 설정

첫째로는 수평집수관이 지나는 블록의 투수 계수를 대수층 투수계수의 1,000~10,000배 정도의 큰 값으로 할당하는 것이다.¹⁴⁾ 이 방식은 적용이 쉽지만 이론적인 근거가 없고, 대입하는 투수계수의 크기도 자의적이어서 그 신뢰도가 떨어진다고 할 것이다. 또한, 집수관이 긴 경우 집수관 내부에서의 축방향 흐름에 대한 저항을 고려할 수 없는 단점도 있다.
16) 이 기법은 첫번째 방법에 비해 개량된 것이지만 수평집수관을 대수층의 일부로 ‘속여서’ 모델에 입력하므로 실용성은 있지만 이론적으로는 여전히 문제를 안고 있다고 보아야 할 것이다.

제안 방법

따라서 여과수의 집수관 유입시 저항은 문제되지 않을 것으로 판단되었다.⁶⁾ 수평집수관 외피에는 수두측정을 위해 마노메터를 설치하였다. 그 설치간격은 집수관 최상류의 한 구간에서는 70 cm로 그리고 나머지 구간에서는 모두 각각 50 cm씩으로 하였고, 내경 2 mm, 두께 0.
또한, 집수관이 긴 경우 집수관 내부에서의 축방향 흐름에 대한 저항을 고려할 수 없는 단점도 있다. 두번째는 앞의 방법과 유사한 개념을 적용하며 Chen 등이 개발하였다.¹⁵⁾ 이들은 수평집수관 내부의 흐름을 층류, 천이류, 난류의 3영역으로 나누고 출구에 다가갈수록 축방향 유량과 레이놀즈수가 증가하는 특성을 고려하여 점차로 큰 투수계수 값을 할당하였다.
0 m까지 실험을 수행하였다. 산출유량 측정은 초시계와 매스실린더를 사용하였으며, 실험은 2012년 11월 30일부터 3일간 수행하였다.
실험장치는 한국수자원공사 고령권 관리단의 야외공터에 설치하였고, 낙동강에서 취수한 정수장 유입원수를 실험에 사용하였다. 실험방법은 모래표면에 정수장 유입수를 지속적으로 공급하여 그 수심을 약 19 cm로 유지하면서 집수정의 2.25 m 높이의 배수구를 열어 집수정의 수위와 마노메터의 수두가 일정한 값으로 수렴한 후 산출유량과 집수관에 설치된 마노메터의 수두 값들을 관측하였다. 이후 집수정의 배수구 위치를 한 단계씩 낮추어 앞의 과정을 반복하였으며, 배수위치 1.
이 개발한 이론 즉, 출구유속이 같고 크기가 다른 두 수평집수관에서 작은 집수관의 손실수두 값으로부터 큰 집수관의 손실수두 값을 구하는 방법은 타당함을 알 수 있었다. 이들의 이론을 적용하여 본 연구에서 관측된 파일럿 규모의 수평집수관에 대한 수두분포 측정치를 이용하여 실규모 집수관에서의 수두분포를 구하는 방안을 예를 들어 설명함으로써 강변여과의 수평집수관 설계에 도움이 되도록 하였다.
25 m 높이의 배수구를 열어 집수정의 수위와 마노메터의 수두가 일정한 값으로 수렴한 후 산출유량과 집수관에 설치된 마노메터의 수두 값들을 관측하였다. 이후 집수정의 배수구 위치를 한 단계씩 낮추어 앞의 과정을 반복하였으며, 배수위치 1.0 m까지 실험을 수행하였다. 산출유량 측정은 초시계와 매스실린더를 사용하였으며, 실험은 2012년 11월 30일부터 3일간 수행하였다.

대상 데이터

5 mm인 비닐튜브를 사용하였다. 또한, 모래통의 한쪽 끝에서 1 m 이격하여 집수정을 설치하였으며, 집수정의 규격은 길이 1.0 m, 폭 1.5 m, 높이 3.0 m이었고 철판으로 제작하였다. 모래통과 집수정은 같은 수평면에 설치되었다.
00 m였다. 본 실험장치에 사용된 철판은 두께가 6 mm였으며, 구조적인 안정을 위하여 실험장치의 외곽에는 보강재를 추가하였다. 실험장치의 개요도는 Fig.
실험장치는 한국수자원공사 고령권 관리단의 야외공터에 설치하였고, 낙동강에서 취수한 정수장 유입원수를 실험에 사용하였다. 실험방법은 모래표면에 정수장 유입수를 지속적으로 공급하여 그 수심을 약 19 cm로 유지하면서 집수정의 2.
실험장치로 사용된 모래통은 길이 5.5 m, 폭 1.5 m, 높이 3.0 m였고, 철판으로 제작된 윗면이 없는 직육면체 구조물이었다. 이 모래통을 수평으로 설치한 후 낙동강의 칠곡군 석적읍에서 얻은 4대강사업 준설모래를 2.
모래통에 모래를 채우기 전에 수평집수관을 설치하였으며, 이 집수관의 설치위치는 모래통의 바닥면에서 10 cm, 그리고 한쪽 벽면에서 10 cm만큼 떨어진 곳이 집수관의 중심이 되도록 하였고,⁶⁾ 모래통의 길이방향으로 전체 길이에 걸쳐 설치하였으나 집수관의 최상류 80 cm 구간을 제외한 나머지 470 cm 구간에만 개공눈을 설치하였다. 집수관은 두께 4 mm인 폴리에틸렌 파이프로 제작하였고, 내경은 43.5 mm였으며, 개공률은 20%였다. 따라서 여과수의 집수관 유입시 저항은 문제되지 않을 것으로 판단되었다.

성능/효과

4에 나타내었다. 모든 경우에 출구에 다가갈수록 수평집수관 표면의 수두는 점점 더 심하게 감소 또는 왜곡되며, 출구유속이 클수록 이 현상이 더 심화됨을 알 수 있었다. 이는 집수관에서의 축방향 유량과 유속이 출구에 가까울수록 점차 증가하고 이에 따라 축방향 흐름에 대한 마찰손실이 더 커지기 때문이다.

후속연구

그러나 Kim²⁵⁾이 개발한 방법은 보다 큰 규모의 수평집수관에서의 실험을 통해 검증되지 않았으며, 따라서 실험실보다 큰 규모의 실험에서 이를 검증할 필요가 있다. 또한, 이들의 방법론을 적용하더라도 실험실 규모의 실험결과를 바로 실규모의 집수관으로 확장하는 것보다는 파일럿 규모의 실험자료를 확보하여 이를 실규모로 확대하는 것이 실규모의 수두분포를 보다 정확히 구하는데 더 유리하다고 할 것이다.
¹⁾ 우리나라에서도 1990년대 낙동강의 페놀오염사고 이후 이 방식이 도입되었고, 한국수자원공사와 여러 지자체에서 상수원수확보 또는 하천수질개선용으로 점차 널리 활용되고 있다. 보다 좋은 하천환경과 질 좋은 수돗물에 대한 요구는 계속될 것이므로 앞으로도 우리나라뿐 아니라 세계적으로 강변여과에 대한 수요가 지속될 것으로 예상된다. 한편, 강변여과에 사용되는 우물형태는 몇 가지가 있으며 물 웅덩이(pit well), 수직정, 집수정(collector well), 집수매거(infiltration gallery) 등으로 기술의 발달과 현장특성, 그리고 물 수요에 따라서 그 형태가 적응 또는 진화해 왔으며, 효율이 좋고 관리가 용이한 대용량의 집수정이 점차 널리 사용되고 있는 추세라 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강변여과에 대한 수요가 지속될 것으로 예상되는 이유는?	1) 우리나라에서도 1990년대 낙동강의 페놀오염사고 이후 이 방식이 도입되었고, 한국수자원공사와 여러 지자체에서 상수원수확보 또는 하천수질개선용으로 점차 널리 활용되고 있다. 보다 좋은 하천환경과 질 좋은 수돗물에 대한 요구는 계속될 것이므로 앞으로도 우리나라뿐 아니라 세계적으로 강변여과에 대한 수요가 지속될 것으로 예상된다. 한편, 강변여과에 사용되는 우물형태는 몇 가지가 있으며 물 웅덩이(pit well), 수직정, 집수정(collector well), 집수매거(infiltration gallery) 등으로 기술의 발달과 현장특성, 그리고 물 수요에 따라서 그 형태가 적응 또는 진화해 왔으며, 효율이 좋고 관리가 용이한 대용량의 집수정이 점차 널리 사용되고 있는 추세라 할 수 있다.
	강변여과에 대한 추세는?	보다 좋은 하천환경과 질 좋은 수돗물에 대한 요구는 계속될 것이므로 앞으로도 우리나라뿐 아니라 세계적으로 강변여과에 대한 수요가 지속될 것으로 예상된다. 한편, 강변여과에 사용되는 우물형태는 몇 가지가 있으며 물 웅덩이(pit well), 수직정, 집수정(collector well), 집수매거(infiltration gallery) 등으로 기술의 발달과 현장특성, 그리고 물 수요에 따라서 그 형태가 적응 또는 진화해 왔으며, 효율이 좋고 관리가 용이한 대용량의 집수정이 점차 널리 사용되고 있는 추세라 할 수 있다.2,3) 강변여과의 설계에서 산출유량을 정확히 계산하는 것은 매우 중요하며, 물 웅덩이나 수직정, 집수매거 등에 대해서는 지하수리학적인 이론에 근거하여 산출유량산정을 위한 해석해들이 개발되어 있다.
	우리나라에 강변여과가 도입된 때는?	강변여과는 유럽에서 150년 이상 상수원수 생산방식으로 널리 이용되어 왔으며, 미국에서도 안전한 상수원수 확보방식으로 점차 강변여과를 많이 이용하고 있다.1) 우리나라에서도 1990년대 낙동강의 페놀오염사고 이후 이 방식이 도입되었고, 한국수자원공사와 여러 지자체에서 상수원수확보 또는 하천수질개선용으로 점차 널리 활용되고 있다. 보다 좋은 하천환경과 질 좋은 수돗물에 대한 요구는 계속될 것이므로 앞으로도 우리나라뿐 아니라 세계적으로 강변여과에 대한 수요가 지속될 것으로 예상된다.

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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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