[논문]댐내 수온성층 파괴를 위한 산기식 수중폭기설비 성능향상 실증연구

박종호; 라병필

doi:10.5293/kfma.2014.17.5.037

댐내 수온성층 파괴를 위한 산기식 수중폭기설비 성능향상 실증연구
Positive Research About Water Aeration Improvement to Break Thermal Stratification of Dam 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.17 no.5, 2014년, pp.37 - 42

Abstract ▼ AI-Helper

In Korea while the dam or reservoir is an important water resource, the value of this water resource is deteriorating by thermal-induced stratification. To ameliorate the water quality of reservoir by breaking stratification the use of air diffuser system is now widespread in Korea. According to the previous research, dynamics of bubble plume and destratification efficiency depended upon two dimensionless groupings; Mh and Pn suggested by Asaeda et al (1993). However, these two variables only include Q, N, H, g, u. and installed Boryeong reservior in appropriate width of water aeration, air dose and number of installations after calculating by applying these figures. This paper is performed to find out effect analysis about water aeration improvement to break thermal stratification.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구를 통해 댐 특성 및 그간의 환경변화를 고려하여 호수의 수질개선에 필요한 산기식 수중폭기 설비의 산기량, 설치대수 및 설치간격을 산정하고, 댐 호소의 수온 및 용존 산소 등의 변화량을 측정하여 수질개선효과를 분석하고자 한다.
이에 그간의 해당 댐의 산기식 수중폭기 시설 운영현황을 분석하고 변화된 현장여건을 반영하여 수중폭기 장치의 최적 운영조건을 제시함과 동시에 실증플랜트를 통해 그 효과를 분석하고자 한다.

제안 방법

교체 후 수중폭기 효과분석을 실시한 3개의 장소를 선정하였으며, 수중폭기 10대 가동시, 20대 가동 (압축공기량 1/2 주입시), 20대 가동시(정상가동)의 수온차와 DO량 변화에 대하여 수질측정 장비를 사용하여 수심별 자료를 연속적으로 측정하였다.
본 연구에서는 호수의 수질개선을 위하여 설치되는 산기식 수중폭기 설비에 대한 적정 산기량 및 설치 위치 등을 고려하여 실제 수중폭기장치 설치 후 효과분석을 실시하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
비교를 위하여 Fig. 4와 같이 2개 지점을 선정하여 상층(표층 1 m 이하의 지점), 중층(수심 1/2 지점), 하층(바닥에서 1 m 이격지점)에서 조류개체수, DO, 수온, COD등에 대하여 측정하였다.
순환 시스템 설계 및 운영기술 표준화 결과에서 폭기기의 설치간격은 기존 문헌 조사를 통하여 평균수심의 1.5배일때 적절한 탈성층 조건으로 폭기기의 설치간격은 Fig. 8과 같이 40 m(1.5×30) 결정하였다.
정확한 비교실험을 위하여 교체 전 측정하였던 2개의 측정지점에 1개의 측정지점(취수탑)을 추가하였으며, 변화추이를 정확하게 확인하기 위하여 수질측정장비를 사용하여 수심별 자료를 연속적으로 측정하였다.
호수의 수질개선의 효과를 최대화하기 위하여 기존 문헌 조사에서 나타난 계산식을 활용하여야 하며, 이를 위하여 호소 환경 분석을 통한 성층강도 산정, 탈성층 효율반영으로 최적 산기량을 결정하였다.

성능/효과

2) 폭기장치에 의한 수질분석 결과 표층에서는 폭기 장치가동에 따른 조류 개체수의 뚜렷한 감소효과를 보였으나, 중층의 경우 개체수 일정치 않은 감소율을 보여 폭기장치에 의한 조류 감소율의 일관성 있는 효과는 보이지 않았다. 또한, 2기의 수중폭기 중앙부에서 (각 폭기기에서 20 m 이격된 지점)에서의 수온변화 분석결과 비영향권에 비해, 영향권에서 수심 15m 지역까지 탈성층이 진행되었음을 확인하였다.
3) 수중폭기설비 교체 후 3지점(폭기, 비폭기, 취수탑지점)의 수질변화를 분석한 결과, 수중폭기기 가동에 따라 폭기지점과 비폭기 지점의 수온 및 DO변화를 분석한 결과 폭기지점의 탈성층은 완벽하게 일어났으며, 수중폭기기 가동에 따라 수질개선의 효과를 입증할 수 있었다. 뿐만 아니라, 폭기지점이 아닌 취수탑인근의 지점에서는 폭기의 영향으로 탈성층이 일어나는 사실도 확인하였다.
4) 수중폭기기의 가동의 가장 주요 사항인 공급공기량의 변화를 주어 실험한 결과, 정상가동시가 탈성층이 완벽히 일어나 수질개선 효과가 가장 큰 사실을 확인하였다.
Fig. 5와 같이 수중폭기기 가동에 따라 대부분의 지점에서의 조류 개체수는 감소하는 경향을 보였으나, 일부 지점에서는 물의 순환으로 인하여 일부 증가하는 현상이 나타났으며, 폭기장치에 의한 순환으로 표층의 조류가 중층이하로 순환되면서 표층에서는 감소한 결과를 보이나, 중층에서는 상층부에서 하향 순환된 남조류로 인하여 증가하거나 감소율 폭이 적은 것으로 분석되었다.
또한 취수탑과 폭기 지점에서의 DO의 변화 경향이 비슷하게 나타나 취수탑에서 100 m 이격시켜 폭기기를 설치하였음에도 불구하고 폭기로 인한 탈성층의 영향반경에서 들어가는 것을 확인할 수 있었다.
또한 취수탑과 폭기지점에서의 수온차는 거의 보이지 않아 취수탑에서 100 m 이격시켜 폭기기를 설치하였음에도 불구하고 수중폭기기 가동으로 인한 폭기의 탈성층의 영향반경에서 들어가는 것을 확인하였다.
2) 폭기장치에 의한 수질분석 결과 표층에서는 폭기 장치가동에 따른 조류 개체수의 뚜렷한 감소효과를 보였으나, 중층의 경우 개체수 일정치 않은 감소율을 보여 폭기장치에 의한 조류 감소율의 일관성 있는 효과는 보이지 않았다. 또한, 2기의 수중폭기 중앙부에서 (각 폭기기에서 20 m 이격된 지점)에서의 수온변화 분석결과 비영향권에 비해, 영향권에서 수심 15m 지역까지 탈성층이 진행되었음을 확인하였다.
실험기간이 충분하지 않아 충분한 탈성층은 이루어 지지 않았으나 Fig. 6과 같이 2기의 폭기장치 중앙부에서(각 폭기기에서 20 m 이격된 지점)에서의 수온변화 분석결과 비영향권에 비해, 영향권에서 수심 15 m 지역까지 탈성층이 진행되었음을 확인하였다.
이를 통해 상층부를 취수하는 경우는 폭기장치 가동으로 인한 조류 개체수 감소효과를 기대할 수 있을 것으로 확인되었다.
전도현상의 영향으로 7월에 실시하였던 수중폭기설비 교체전과 비교하여 성층의 영역이 많이 줄었지만, Fig. 9에서 보여주듯이 수심이 가장 낮은 비폭기 지점의 30m를 기준으로 하여 수심 25 m까지는 3개의 지점이 유사한 수온변화를 보여주었지만, 심층(수심 25∼30 m)에서는 급격한 수온 저하가 나타났으며 폭기지점과 비폭기 지점의 수온차이가 약 5℃나타나 수중폭기 장치 가동에 따른 탈성층 효과를 확인할 수 있었다.
하절기에 비하여 전도현상의 영향으로 성층의 영역이 많이 줄었지만, Fig. 10에서 확인할 수 있듯이 폭기지점과 취수탑에서는 저층까지 DO가 일정하게 유지되었지만, 비폭기 지점의 경우 심층에 근접할수록 DO의 급격한 저감을 보여주였다. 뿐만 아니라 수심 15 m이후 폭기지점과 취수탑의 DO값과 비교하여 DO가 수심이 깊어질수록 차이가 점점 증가하는 등의 변화경향이 다르게 나타났다.
이는 공급공기량 1/2의 경우에도 같은 경향을 나타내였다. 하지만 정상 가동시의 수온의 변화는 수심이 깊어짐에도 불구하고 일정하게 유지되었으며 이로 인해 수중폭기의 가동 상태에 의한 탈성층 효과를 확인하였다.
이는 공급공기량 1/2의 경우에도 같은 경향을 나타내였다. 하지만 정상 가동시의 수온의 변화는 수심이 깊어짐에도 불구하고 일정하게 유지되었으며 이로 인해 수중폭기의 가동 상태에 의한 탈성층 효과를 확인하였다.

후속연구

5) 향후 실증플랜트 실험의 난이도와, 하절기에만 실험할 수 있는 시간적 제한, 강우기간에는 실험을 못하는 점등을 고려 연속과제로 수심별, 폭기강도 등의 조절을 통한 탈성층 효율을 분석하는 등의 향후 2∼3년간 같은 연구진행 필요할 것으로 사료된다.
이러한 현상은 전도현상이 일어나는 늦가을과 봄철에 흑수와 적수 발생은 물론 조류성장에 필요한 영양원을 표층으로 공급하게 되어 수질을 더욱 악화시킨다. 따라서 자연현상에 의해 계절적으로 발생하는 저수지의 성층 현상을 제어할 수만 있다면 상수원 수질은 크게 개선될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수질은 무엇에 의해 악화될 수 있는가?	5 %를 차지하고 있는 중요한 수자원이다. 그러나 대부분의 호소는 심각한 부영양화로 인한 조류의 과잉성장으로 여과지의 막힘 현상, 이취미의 발생 등과 같은 문제점이 발생하고 있으며, 수질은 외부에서 유입되는 오염물질의 영향이외에도, 성층화로 인한 상⋅하층간의 순환장애 등의 계절적 요인에 의해서도 악화되는 것으로 보고되고 있다.
	성층(Stratification)현상은 어떤 문제를 일으키는가?	우리나라 대부분의 호소는 5∼9월 사이에 상층부의 가열로 인해 온도에 의한 밀도차가 형성되어 표층수와 심층수로 수체가 각각 분리되어 수직적인 물의 순환을 방해하는 성층(Stratification)현상이 발생하고 있다. 이로 인한 산소 고갈로 심층수는 혐기성 상태가 되어 악취가 발생하고 철, 망간, 인 등이 용출된다. 이러한 현상은 전도현상이 일어나는 늦가을과 봄철에 흑수와 적수 발생은 물론 조류성장에 필요한 영양원을 표층으로 공급하게 되어 수질을 더욱 악화시킨다. 따라서 자연현상에 의해 계절적으로 발생하는 저수지의 성층 현상을 제어할 수만 있다면 상수원 수질은 크게 개선될 수 있을 것이다.
	호소에서 발생하는 문제는 무엇이 있는가?	5 %를 차지하고 있는 중요한 수자원이다. 그러나 대부분의 호소는 심각한 부영양화로 인한 조류의 과잉성장으로 여과지의 막힘 현상, 이취미의 발생 등과 같은 문제점이 발생하고 있으며, 수질은 외부에서 유입되는 오염물질의 영향이외에도, 성층화로 인한 상⋅하층간의 순환장애 등의 계절적 요인에 의해서도 악화되는 것으로 보고되고 있다.

참고문헌 (4)

K-water, 2010, 물순환시스템 설계 및 운영기술 표준화.
Asaeda, T., Imberger, J. & Ikeda, H., 1990, "Bubble plume behaviours in two-layered environments," Res. Rep. Dept Found. Engng, Saitama Univ., 20, pp. 19-32.
Asaeda, T., and Imberger, J., 1993, "Structure of bubble plumes in linearly stratified environments," J. Fluid Mech. 249, pp. 35-57.

상세보기
서동일, 석관수, 이병두, 정상기, 2004, "우리 나라 저수지의 수중 폭기 장치의 설계 방법 및 용량 분석," 상하수도학회, 13권, 3호, pp. 366-376.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증