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문제 정의
- 본 연구에서는 1, 2차원 수질모형을 이용하여 수질오염사고를 모의하고 방제활동을 위한 시나리오분석을 수행하고자 한다. 2008년 김천 페놀사고 사례조사 보고서(환경부, 2008)에 수록된 페놀측정값을 이용하였으며, 개발된 1차원 수질해석 모형에 적용하여 반응계수를 시행착오법으로 산정하여 사고를 모의하고 시나리오 분석을 수행하였다.
가설 설정
- 이에 시나리오 2에서는 추가방류수의 유하시간을 고려하여 유출사고가 발생한 직후인 3월 1일 3시 반에 안동·임하댐에서 추가방류가 이루어지는 상황을 가정하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 1, 2차원 수질모형을 이용하여 수질오염사고를 모의하고 방제활동을 위한 시나리오분석을 수행하고자 한다. 2008년 김천 페놀사고 사례조사 보고서(환경부, 2008)에 수록된 페놀측정값을 이용하였으며, 개발된 1차원 수질해석 모형에 적용하여 반응계수를 시행착오법으로 산정하여 사고를 모의하고 시나리오 분석을 수행하였다. 1차원 모형의 적용 성과 재현성을 비교하기 위하여 EFDC 모형을 2차원으로 같은 사상에 적용하였다.
- 식 (4)의 좌변(이송항)은 4차의 정도를 가지는 Holly-Preissmann 방법을 사용해서 구한다. 그리고 여기에 우변의 둘째(횡방향 유입항), 셋째(감소항), 넷째항(용출소멸량)을 더한 후에 첫째(확산)항에 대해 음해법을 사용해서 구함으로써 전체적인 계산을 수행하게 된다.
- 기존 수질사고모의의 경우 1차원 또는 2차원 모형을 이용하여 사고의 모의나 분석에 중점을 두었으나 본 연구에서는 사고의 모의와 더불어 가상의 시나리오를 구성하여 향후에 발생 가능한 사고에 대해 예측을 해보았으며 1, 2차원 모형을 통한 분석으로 각 모형의 우수성에 대해서도 비교해보았다.
- 독성물질 유출사고를 모의하기 위하여 2008년 모의자료의 유량을 사용하였으며, 숭선대교, 구미광역 취수장, 구미대교의 실측자료를 이용하여 페놀의 반응계수를 시행착오법으로 산출하였다. Figure 2와 Table 1은 대상구간 내에 유량보정 지점으로 물환경 연구소의 7일 간격 실측자료와 비교한 자료로 1, 2차원 모형의 유량보정 결과는 비슷하게 산정되었으며 우수한 결과를 보인다.
- 동적 수리해석을 위해서는 FLDWAV 모형을 기반으로 불규칙한 단면과 다양한 흐름조건을 반영할 수 있도록 DyHYD 모형을 개발하여 낙동강에 건설된 보의 영향까지 반영할 수 있으며, 동적 수질해석을 위해서는 CE-QUAL-RIV1을 기반으로 DyHYD 모형의 수리계산을 반영하고 독성물질을 모의할 수 있도록 DyQUAL 모형으로 재구성하였다.
- 운동방정식에 동력학적으로 연결된 난류 운동에너지, 난류 길이스케일, 염도, 그리고 온도 이송 방정식 또한 함께 풀어진다. 또한 부유물질 또는 용존물질에 대한 Eulerian 이송 전환방정식도 동시에 해를 구한다. 이송 방정식의 이송항에 대해서는 중앙차분법을 사용하거나 positive definite upwind difference 방법을 사용한다.
- 본 연구에서는 1차원 모형을 이용하여 독성물질 오염사고를 모의하고 이를 바탕으로 시나리오 분석을 수행하였다. 개발된 1차원 모형은 2차원 모형인 EFDC 모형과 비교하였을 때 재현성이 높은 것으로 판단되며 모의 수행시간이 1분미만으로 빠른 모의 결과를 획득할 수 있어 신속한 방제활동에 도움을 줄 수 있을 것이다.
- 수질사고의 모의 외에 세 가지 시나리오를 더 구성하여 모의를 하였다. 유출사고를 그대로 재현한 모의는 오염물질의 반응계수를 추정하는 과정으로 사용되었으며 다른 시나리오와 비교하는 목적으로 시나리오 1을 사용하였다.
- 시나리오 2는 안동·임하댐의 추가방류를 사고 발생시간에 수행한 것으로 가정하여 플러싱 영향을 분석하였으며, 시나리오 3은 두 번째 시나리오에서 방류량을 2배로 늘려 모의하였다.
- 시나리오 2의 경우에서 사고 발생 시간에 추가방류를 실시했지만 숭선대교와 구미광역취수장의 첨두를 낮추지는 못하여 추가방류량을 2배로 늘려 140cms를 방류하는 조건으로 시나리오 3을 수행하였다. 시나리오 3에서도 시나리오 2와 같이 사고 발생시간에 추가방류량을 방류하는 조건으로 수행하였으며, 결과는 Figure 7에 나타내었다.
- 수질사고의 모의 외에 세 가지 시나리오를 더 구성하여 모의를 하였다. 유출사고를 그대로 재현한 모의는 오염물질의 반응계수를 추정하는 과정으로 사용되었으며 다른 시나리오와 비교하는 목적으로 시나리오 1을 사용하였다. 시나리오 2는 안동·임하댐의 추가방류를 사고 발생시간에 수행한 것으로 가정하여 플러싱 영향을 분석하였으며, 시나리오 3은 두 번째 시나리오에서 방류량을 2배로 늘려 모의하였다.
- 이에 다양한 방법으로 유출된 페놀을 처리하기 위하여 노력하였으며, 3월 2일 16시에 안동·임하댐에서 플러싱을 위하여 70cms의 추가방류수를 공급하였다.
대상 데이터
- 5km를 유하하여 감천과 합류되며, 합류점에서 낙동강 본류까지의 거리는 약 26km이다. 실측지점인 숭선대교는 감천과 낙동강의 합류점에서 약 5km 하류이며, 구미광역취수장은 숭선대교에서 약 4km 하류, 구미대교는 구미광역취수장에서 약 9km 하류에 위치하고 있다.
이론/모형
- 2008년 김천 페놀사고 사례조사 보고서(환경부, 2008)에 수록된 페놀측정값을 이용하였으며, 개발된 1차원 수질해석 모형에 적용하여 반응계수를 시행착오법으로 산정하여 사고를 모의하고 시나리오 분석을 수행하였다. 1차원 모형의 적용 성과 재현성을 비교하기 위하여 EFDC 모형을 2차원으로 같은 사상에 적용하였다.
- 수질오염사고는 초기대응이 중요하므로 수질모델링에서 소요되는 모의시간이 짧아야 하며, 갈수·저수조건, 동적상태의 댐 방류량, 지류 유입량, 보의 운영 등 다양한 하천조건을 반영하면서도 안정적인 모의가 가능하여야 한다. 본 연구에 적용된 1차원 모형은 DyHYD, DyQUAL 모형으로 위의 조건들에 부합하는 모형이다(권나영 둥, 2010).
- 수질오염사고를 모의하기 위해서 1차원 수리수질 해석 모형을 적용하였다. 수질오염사고는 초기대응이 중요하므로 수질모델링에서 소요되는 모의시간이 짧아야 하며, 갈수·저수조건, 동적상태의 댐 방류량, 지류 유입량, 보의 운영 등 다양한 하천조건을 반영하면서도 안정적인 모의가 가능하여야 한다.
- 여기서, Ks는 생화학적 생성소멸률계수, S는 생화학적 용출소멸량이다. 식 (4)의 좌변(이송항)은 4차의 정도를 가지는 Holly-Preissmann 방법을 사용해서 구한다. 그리고 여기에 우변의 둘째(횡방향 유입항), 셋째(감소항), 넷째항(용출소멸량)을 더한 후에 첫째(확산)항에 대해 음해법을 사용해서 구함으로써 전체적인 계산을 수행하게 된다.
- 또한 부유물질 또는 용존물질에 대한 Eulerian 이송 전환방정식도 동시에 해를 구한다. 이송 방정식의 이송항에 대해서는 중앙차분법을 사용하거나 positive definite upwind difference 방법을 사용한다. EFDC 모형은 유체의 이동, 염분 및 온도 모의 외에도 흡착성 또는 비흡착성 부유물질의 이동, 오염원유입에 의한 희석, 부영양화 기작, 독성 오염물질의 이동/반응 등에 대한 모의가 가능하다.
성능/효과
- 1차원 모형의 결과를 살펴보면 독성물질의 첨두값이 0.041mg/L에서 0.034mg/L로 약 17% 감소하였으며, 첨두 발생시간이 3월 2일 8시에서 6시로 2시간가량 단축되었다. 2차원 모형의 결과는 첨두값이 0.
- 034mg/L로 약 17% 감소하였으며, 첨두 발생시간이 3월 2일 8시에서 6시로 2시간가량 단축되었다. 2차원 모형의 결과는 첨두값이 0.040mg/L에서 0.036mg/L로 약 10% 감소하였으며, 첨두 발생시간 역시 3월 2일 9시에서 7시 30분으로 1시간 반 가량 단축시켜 플러싱과 희석 효과가 시나리오 2에 비해 우수한 것을 확인할 수 있었다. 구미광역취수장 지점의 변화를 살펴보면 1차원 모형에서 3월 2일 11시 30분에 첨두값이 0.
- 036mg/L로 약 10% 감소하였으며, 첨두 발생시간 역시 3월 2일 9시에서 7시 30분으로 1시간 반 가량 단축시켜 플러싱과 희석 효과가 시나리오 2에 비해 우수한 것을 확인할 수 있었다. 구미광역취수장 지점의 변화를 살펴보면 1차원 모형에서 3월 2일 11시 30분에 첨두값이 0.037mg/L로 모의되었던 시나리오 1의 결과가, 8시 30분에 0.031mg/L 으로 모의되어 첨두시간은 3시간 단축되었으며, 첨두값은 약 16% 감소되었다. 2차원 모형의 결과는 시나 리 오 1의 결 과 에 서 독 성 물 질 의 첨 두 값 이 0.
- 과거에 일어난 수질오염사고를 모의할 경우에는 모의시간이 오래 걸리더라도 도달 시간과 확산농도가 정확한 모형을 사용하는 것이 바람직하지만, 실제 사고 발생시 방제작업을 위해서는 모의결과의 적절한 신뢰성과 짧은 모의시간이 보장되어야한다. 본 연구에서 적용한 1차원 모형과 EFDC 모형을 이용하여 동일한 모의를 수행하였을 경우 각각의 모의시간이 5분과 8시간으로 나타나 방제활동에 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다(최현구, 2012).
- 모의결과 추가방류수의 첨두는 숭선대교 지점에서 3월 2일 17시 경에 도달하여 Figure 6(a), (d)와 같이 독성물질의 감소시에만 영향을 주는 것으로 나타났다. 숭선대교와 인접한 구미광역취수장도 숭선대교와 유사한 결과를 나타내었으며, 구미대교 지점에서는 추가방류수로 인하여 독성물질의 첨두가 실제 사고 보다 빨리 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과는 사고 시간에 안동댐과 임하댐에서 70cms의 추가방류량을 방류하더라도 구미지역의 독성물질 첨두량을 낮추는 것은 어려울 것으로 판단되나, 구미하류부에 위치하는 대구지역에서는 플러싱의 영향을 받을 수 있을 것이다.
- 구미대교의 실측 자료는 농도가 감소하는 자료만 측정되어 있었다. 실측자료의 증가와 감소하는 경향은 1차원 모형의 결과가 2차원 모형의 결과보다 더 잘 반영하고 있는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 본 연구에서는 1차원 모형을 이용하여 독성물질 오염사고를 모의하고 이를 바탕으로 시나리오 분석을 수행하였다. 개발된 1차원 모형은 2차원 모형인 EFDC 모형과 비교하였을 때 재현성이 높은 것으로 판단되며 모의 수행시간이 1분미만으로 빠른 모의 결과를 획득할 수 있어 신속한 방제활동에 도움을 줄 수 있을 것이다. 또한 낙동강에 8개 보가 신설된 후에도 보의 영향을 지형으로만 인식할 수 있는 EFDC 모형에 비해 보의 수위영향 까지 분석할 수 있어 활용성도 높을 것으로 사료된다.
- 개발된 1차원 모형은 2차원 모형인 EFDC 모형과 비교하였을 때 재현성이 높은 것으로 판단되며 모의 수행시간이 1분미만으로 빠른 모의 결과를 획득할 수 있어 신속한 방제활동에 도움을 줄 수 있을 것이다. 또한 낙동강에 8개 보가 신설된 후에도 보의 영향을 지형으로만 인식할 수 있는 EFDC 모형에 비해 보의 수위영향 까지 분석할 수 있어 활용성도 높을 것으로 사료된다.
- 향후 독성물질 뿐만 아니라 수질·조류 분석에서도 활용할 수 있으며, 보와 댐을 연계하는 시나리오 분석을 통해 국내에서 운영 중인 수질오염사고대응 예측시스템의 참고자료로 활용할 수 있을 것으로 생각된다.
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