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문제 정의
- 점착성 퇴적물의 경우에, 퇴적물 자체의 물리·화학적 특성은 퇴적물의 침강속도와 기본적으로 관련이 있으므로 이러한 항목들에 대한 조사분석은 필수적 사항이라 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 경인 아라뱃길과 연결된 수역들에서 채취된 각각의 퇴적물 시료들에 대하여 물리화학적 특성의 대표인자인 입경분포 및 유기물 함량에 대한 실험이 수행되었다.
- 본 연구에서는 침/퇴적특성 예측/평가를 위한 기초자료 확보를 목적으로 대표적인 준 폐수로인 경인 아라뱃길 주운수로와 연결된 3개 수역(인천해역, 굴포천, 한강수역)에서의 점착성 퇴적물 각각에 대한 침강속도가 실내실험을 통하여 정량적으로 산정되었다. 각 수역별로 채취된 총 3개의 퇴적물 시료들에 대하여 각각 5회씩 총 15회의 침강실험이 수행되었으며, 각 실험별로 도출된 시간별 농도단면도 변화 데이터들을 Ross(1988)가 개발한 수치모형에 적용하여, 각 부유사 농도별 침강속도 값들이 산정되었다.
제안 방법
- 본 연구에서는 침/퇴적특성 예측/평가를 위한 기초자료 확보를 목적으로 대표적인 준 폐수로인 경인 아라뱃길 주운수로와 연결된 3개 수역(인천해역, 굴포천, 한강수역)에서의 점착성 퇴적물 각각에 대한 침강속도가 실내실험을 통하여 정량적으로 산정되었다. 각 수역별로 채취된 총 3개의 퇴적물 시료들에 대하여 각각 5회씩 총 15회의 침강실험이 수행되었으며, 각 실험별로 도출된 시간별 농도단면도 변화 데이터들을 Ross(1988)가 개발한 수치모형에 적용하여, 각 부유사 농도별 침강속도 값들이 산정되었다.
- 본 연구에서는 경인 아라뱃길 주운수로와 연결된 3개 수역, 즉 굴포천, 한강수역, 인천해역에서의 점착성 퇴적물의 현장 표본채취 및 실내 침강실험을 통하여 각 수역별 점착성 퇴적물의 침강속도를 정량적으로 산정하였다. 또한, 실험분석을 통하여 각 수역별 점착성 퇴적물의 물리화학적 특성(입경 분포, 유기물 함량) 및 수체(water body)의 특성을 정량적으로 조사한 후 이러한 특성들과 침강속도간의 상관관계 및 침강속도의 크기에 미치는 영향에 대해 해석하였다.
- 본 연구에서는 경인 아라뱃길 주운수로와 연결된 3개 수역, 즉 굴포천, 한강수역, 인천해역에서의 점착성 퇴적물의 현장 표본채취 및 실내 침강실험을 통하여 각 수역별 점착성 퇴적물의 침강속도를 정량적으로 산정하였다. 또한, 실험분석을 통하여 각 수역별 점착성 퇴적물의 물리화학적 특성(입경 분포, 유기물 함량) 및 수체(water body)의 특성을 정량적으로 조사한 후 이러한 특성들과 침강속도간의 상관관계 및 침강속도의 크기에 미치는 영향에 대해 해석하였다.
- 우선 각 정점별로 채취된 표본시료는 No. 200 체(ϕ = 75 µm)를 기준으로 습식체분석(wet-sieving)하여 분리되었고, No. 200 체를 통과한 시료의 입경분포는 비중계법으로 측정되었으며, 체에 남은 시료의 입경분포는 체 분석을 통하여 측정되었다.
- 일반적으로 입경분포는 체분석, 피펫법, 비중계법 등을 통하여 결정되는데, 본 연구에서 입경분포는 체분석과 비중계 법을 병행하여 분석되었다. 우선 각 정점별로 채취된 표본시료는 No.
- 중량 분석을 통하여 침강수주의 각기 다른 높이와 시간에서 채취된 탁수들의 부유사 농도가 측정되었고, 각 실험별로 농도 단면도가 작성되었으며, 이 농도단면도들은 Ross(1988)의 수치프로그램에 입력하여 침강속도가 산정되었다. 경인 아라뱃길 주운수로와 연결된 3개 수역(인천해역, 굴포천, 한강수역)에서의 점착성 퇴적물 각각에 대한 침강속도 산정결과 및 접합곡선은 Fig.
- 값 또한 Table 4에 주어진다. 효율적인 실험결과, 즉 가능하면 적은 수의 실험으로 고루 분포된 부유사 농도 영역에서의 침강속도 데이터를 얻기 위하여 Co는 실험별로 0.7 g/L에서 40.8 g/L까지 변화시켰다. 여기서 Co는 부유사의 농도가 전 수심에 대해 거의 균일하도록 충분히 잘 섞인 시점의 시간, 즉 시간 0에서의 부유사 농도를 나타낸다.
대상 데이터
- 경인 아라뱃길과 연결된 각 수역별 점착성 퇴적물의 물리화학적 특성 및 침강특성 분석을 위한 퇴적물 표본시료는 2009년 9월에 Fig. 2에 제시된 3개 정점에서 Grab sampler를 이용하여 채취되었다. 현장 수체 특성을 반영하기 위하여 퇴적물 표본시료가 채취되는 지점과 동일한 정점에서 해수(혹은 담수)가 채취되었으며, 채취된 해수(혹은 담수)는 본 연구에서 침강실험의 전 과정에서 사용되었다.
- 침강실험은 특수 제작된 높이 1.8 m의 침강수주를 이용하였으며, 수주 본체는 내경 17 cm의 plexiglass로 제작되었고, 직경과 길이가 각각 5 mm, 10 cm인 tap hose가 각기 다른 10개의 높이에서 측면에 부착되어 있다. 침강실험은 multi-depth 부유사 농도 채취방법으로 수행되었으며, 각 부유사 농도에서의 침강속도는 침강수주에서의 시간과 높이에 따른 농도변화 측정값들에 Ross(1988)가 개발한 침강속도 산정프로그램을 적용하여 결정되었다.
- 2에 제시된 3개 정점에서 Grab sampler를 이용하여 채취되었다. 현장 수체 특성을 반영하기 위하여 퇴적물 표본시료가 채취되는 지점과 동일한 정점에서 해수(혹은 담수)가 채취되었으며, 채취된 해수(혹은 담수)는 본 연구에서 침강실험의 전 과정에서 사용되었다. 한편, 퇴적물 표본시료 및 해수 (또는 담수)가 채취된 지점의 경위도 좌표는 채취 당시의 수층의 수온, 염도 및 수심 측정값과 함께 Table 1에 나타내었다.
이론/모형
- 는 연직방향 좌표 z의 함수이므로 미분 수행시에 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 Ross(1988)가 개발한 정지수면상의 각각의 수심과 시간에서의 부유사 침강속도 산정을 위한 수치모형을 사용하였다.
- 유기물 함량 실험은 해양환경공정시험법(MLTMA, 2010)에 따라 강열감량법으로 수행되었다. 우선, 각 수역별로 채취된 총 3개의 퇴적물 표본시료는 동결 건조 후에 곱게 분마되었으며, 곱게 분마된 시료 중 일정량(약 5 g)이 550℃의 전기로에서 약 2시간 동안 가열되었다.
- 8 m의 침강수주를 이용하였으며, 수주 본체는 내경 17 cm의 plexiglass로 제작되었고, 직경과 길이가 각각 5 mm, 10 cm인 tap hose가 각기 다른 10개의 높이에서 측면에 부착되어 있다. 침강실험은 multi-depth 부유사 농도 채취방법으로 수행되었으며, 각 부유사 농도에서의 침강속도는 침강수주에서의 시간과 높이에 따른 농도변화 측정값들에 Ross(1988)가 개발한 침강속도 산정프로그램을 적용하여 결정되었다. 침강수주의 제원, 침강실험 과정 및 Ross(1988)의 수치모형을 이용한 침강속도 산정방법 등에 대한 자세한 사항은 Kim(2012)에 주어진다.
성능/효과
- 각 수역별 점착성 퇴적물에 대한 침강속도 산정 결과는 전형적인 점착성 퇴적물의 침강특성 즉, 부유사 농도 C가 증가함에 따라 침강속도 Ws가 증가하는 응집침강 영역과 역으로 C가 증가함에 따라 Ws가 감소하는 간섭침강 영역이 명확히 나타남을 보여주었는데, 이는 C가 점착성퇴적물의 Ws를 지배하는 가장 중요한 인자이며 또한 응집 및 간섭침강 영역에서 Krone(1962) 식과 Kynch(1952) 식이 각각 유효함을 나타낸다.
- 각 시료별 측정 결과는 Table 3과 같으며 인천해역과 한강수역의 경우, 그 유기물 함량은 비교적 적은 3~4%로, 입경 분포와 마찬가지로 서로 유사한 값을 갖는 반면에, 굴포천의 경우에는 이들보다 약 3배 정도 더 큰 유기물을 함유하고 있는 것으로 나타났다.
- 따라서, 이러한 결과에 비추어, 약 5 µm 정도의 입경의 차이와 약 7% 정도의 유기물 함량의 차이는 침강속도의 큰 변화를 초래할 수 없는 상대적으로 미미한 수준의 값이었을 것으로 추정된다. 결론 적으로, 굴포천 및 한강수역 퇴적물과 인천해역 퇴적물간의 침강속도 곡선의 현저한 차이는 입경 혹은 유기물 함량의 차이 때문에 비롯되지는 않았다고 판단된다.
- 경인 아라뱃길과 연결된 각 수역별 침강속도 값들의 비교/분석 결과에 따르면, 굴포천과 한강수역 퇴적물의 침강속도는 전체 농도구간에 걸쳐 거의 동일한 값을 갖는 것으로 나타났으며, 인천해역 퇴적물의 침강속도는 응집침강영역에서 굴포천과 한강수역 퇴적물 보다 최대 10배 큰 값을 갖는 것으로 나타났다. 또한 퇴적물 자체의 물리화학적 특성(입경 및 유기물함량) 및 유체 특성(수온 및 염도)과 연계한 침강속도 값들에 대한 정성적 해석 결과에 따르면, 각 수역별 점착성 퇴적물의 침강속도 값의 이러한 현저한 차이는 수체의 염도 차이로부터 비롯된 것으로 해석되었다.
- 7에 제시된다. 그림에 도식된 바와 같이, 굴포천과 한강수역 퇴적물의 침강속도 곡선은 전체 농도구간에 걸쳐 거의 동일하나, 인천 해역 퇴적물의 침강속도곡선과는 크게 상이한 것으로 나타났다. 농도의 증가와 함께 침강속도가 증가하는 응집침강 영역 (혹은 저농도 구간 : C < 3 g/L)에서 인천해역의 침강속도는 평균적으로 굴포천 및 한강수역 퇴적물의 침강속도보다 약 3배정도 크며, 그 차이는 농도의 증가와 함께 감소한다.
- 점착성 퇴적물은 일반적으로 평균입경이 작을수록, 유기물 함량이 클수록 점착력이 증가하는 경향이 있는 것으로 알려지고 있다(Mehta, 2013). 따라서, 상대적으로 평균입경이 가장 작고, 유기물 함량이 가장 큰 굴포천 퇴적물이 한강수역이나 인천해역 퇴적물보다 점착력에 의한 침강효과가 가장 클 것으로 추정되나, Fig. 7은 이와는 다소 상이한 결과를 보여준다. 예를 들어, 굴포천 퇴적물은 한강수역 퇴적물보다 평균입경이 5.
- 따라서, 이러한 결과에 비추어, 약 5 µm 정도의 입경의 차이와 약 7% 정도의 유기물 함량의 차이는 침강속도의 큰 변화를 초래할 수 없는 상대적으로 미미한 수준의 값이었을 것으로 추정된다.
- 따라서, 이러한 염도에 의한 영향을 고려할 때에, 일반 해수의 염도를 갖는 인천해역 퇴적물은 굴포천 및 한강수역 퇴적물보다 상대적으로 더 큰 점착력을 띄게 되었고, 결과적으로 더 큰 침강효과를 갖게 되었을 것으로 추정된다. 이러한 해석은 응집침강 영역과 간섭침강 영역에서의 침강속도를 정량적으로 비교할 때에 그 타당성을 갖는다.
- 고농도 구간(C > 30 g/L)인 경우에는 중농도 구간과 마찬가지로 인천해역의 침강속도가 가장 작으며, 굴포천 및 한강수역 퇴적물의 침강속도는 대체적으로 유사한 값을 갖는다. 또한 인천 해역 퇴적물의 최대 침강속도는 부유사 농도가 약 4 g/L일 때 발생하고, 굴포천 및 한강수역 퇴적물의 경우에는 약 8 g/L의 부유사 농도에서 최대 침강속도를 갖는 것으로 나타났다. 이러한 침강속도의 차이를 퇴적물 자체의 물리·화학적 특성 및 수체 특성과 연계하여 해석하기 위하여, 경인 아라뱃길 연결 수역별 퇴적물 시료에 대한 물리·화학적 특성 및 수체 특성이 Table 6에 제시된다.
- 경인 아라뱃길과 연결된 각 수역별 침강속도 값들의 비교/분석 결과에 따르면, 굴포천과 한강수역 퇴적물의 침강속도는 전체 농도구간에 걸쳐 거의 동일한 값을 갖는 것으로 나타났으며, 인천해역 퇴적물의 침강속도는 응집침강영역에서 굴포천과 한강수역 퇴적물 보다 최대 10배 큰 값을 갖는 것으로 나타났다. 또한 퇴적물 자체의 물리화학적 특성(입경 및 유기물함량) 및 유체 특성(수온 및 염도)과 연계한 침강속도 값들에 대한 정성적 해석 결과에 따르면, 각 수역별 점착성 퇴적물의 침강속도 값의 이러한 현저한 차이는 수체의 염도 차이로부터 비롯된 것으로 해석되었다.
- 85 mm의 범위에 분포하며, 중앙입경 D50은 각 수역별로 12 µm에서 30 µm까지 변화한다. 또한, 각 수역별로 입경분포 곡선을 살펴보면, 굴포천의 퇴적물이 상대적으로 가장 세립질의 분포를 갖는 반면에, 인천해역 퇴적물은 한강수역 퇴적물과 비교적 유사한 값을 가지며 가장 조립질의 분포를 보인다.
- 본 연구에서 제시된 경인 아라뱃길 수역별 퇴적물들 간의 침강속도의 정량적 차이는, 앞서 제시된 유효 데이터의 분석 결과에 근거하여 볼 때에 수체의 염도차로 인한 것으로 추정되며, 결론적으로 수체의 대표적 특성 중의 하나인 염도가 입경분포 혹은 유기물 함량 등으로 대표되는 퇴적물의 물리·화학적 특성보다 침강속도에 있어서 더 큰 영향을 미쳤던 것으로 판단된다.
- 한편, 홍수시 굴포천 및 한강수역을 통하여 고농도의 부유토사가 담수와 함께 유입되는 순간에 주운수로 내의 일정 염도를 갖는 기존의 해수와 혼합이 발생함으로써, 홍수시 유입된 부유토사는 염수 조건에서 침강되는 효과가 발생될 수 있다. 본 연구에서는 굴포천 및 한강수역 퇴적물에 대한 염수 조건에서의 침강속도에 대한 직접적인 측정이 이뤄지지는 않았으나, 침강속도에 미치는 염도의 일반적인 효과를 고려해볼 때에, 이러한 혼합으로 인한 침강속도의 증가 효과는 상당히 클 것으로 여겨지며, 결과적으로 이는 대규모의 퇴적을 초래할 것으로 추정된다. 대표적인 준 폐수로인 경인아라뱃길에서의 타당성 있는 침/퇴적 모의 및 평가를 위해서는 이러한 침강속도에 미치는 염도 효과에 대한 연구 또한 필수적으로 요구되나, 이에 대한 체계적인 연구는 추후 연구과제로 남겨진다.
- 한편, 위의 표로부터 각 수역별 퇴적물들은 모두 실트질 (62.5 µm) 이하의 미세 퇴적물을 80% 이상 함유하고 있음을 알 수 있는데, 이는 경인 아라뱃길과 연결된 모든 수역에서의 퇴적물들이 입자간의 응집현상에 의해 그 침강속도가 크게 영향을 받는 미세 점착성 퇴적토로 되어 있음을 나타낸다.
후속연구
- 본 연구에서는 굴포천 및 한강수역 퇴적물에 대한 염수 조건에서의 침강속도에 대한 직접적인 측정이 이뤄지지는 않았으나, 침강속도에 미치는 염도의 일반적인 효과를 고려해볼 때에, 이러한 혼합으로 인한 침강속도의 증가 효과는 상당히 클 것으로 여겨지며, 결과적으로 이는 대규모의 퇴적을 초래할 것으로 추정된다. 대표적인 준 폐수로인 경인아라뱃길에서의 타당성 있는 침/퇴적 모의 및 평가를 위해서는 이러한 침강속도에 미치는 염도 효과에 대한 연구 또한 필수적으로 요구되나, 이에 대한 체계적인 연구는 추후 연구과제로 남겨진다.
- 7에 나타난 침강속도 크기에서의 차이(최대 약 10배)와 비교시에 상대적으로 아주 작은 값이라 하겠다. 물론, 모든 점착성 퇴적물에 대하여 정량적으로 더욱 정밀한 침강속도 값을 산정하기 위해서는 온도에 대한 보정기준이 필요하며, 이에 대한 체계적이고 구체적인 연구가 필수적으로 수행되어야 할 것이다.
- 본 연구를 통하여 도출된 경인 아라뱃길과 연결된 3개 수역 퇴적물들 각각에 대한 침강속도 산정결과는 향후 경인 아라뱃길에서의 퇴적물 이송에 대한 수치모형 실험시 필수 입력자료로 유용하게 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 수층 부유사 농도의 연직구조 변동 예측, 수질 및 퇴적물 오염저감을 위한 대책방안 수립 등 다양한 목적으로 크게 활용될 수 있을 것이다. 점착성 퇴적물의 경우에, 침강속도를 포함하는 제반 이송특성은 현장특성에 현저하게 의존하는 “site-specific”한 특성을 가지므로, Hwang(2000), Yang and Hwang(2008)에 의해 강조된 바와 같이, 타당성 있는 퇴적물 이송 예측/평가를 위해서는 해당 지역은 물론 연결 수역들을 포함하는 모든 퇴적물들에 대한 침강속도의 직접적인 산정이 필수적 사항이며, 현장관측이나 실내실험 없이 단지 수치모형실험만을 통한 해석 및 예측은 무의미하다고 하겠다.
- 특히, 거의 모든 침/퇴적 예측모형들이 퇴적물의 침강속도를 필수 입력 인자로 요구하고 있다는 점을 고려할 때에, 여러 제반이송 특성들 중에서도 침강속도에 대한 정량적 평가는 가장 기초적이면서도 중요한 사항이다. 한편, 경인 아라뱃길의 경우에 수로 내측에 퇴적되는 퇴적물은 대부분 외측 경계 수역으로부터 공급된다고 할 수 있으므로, 주운수로 내에서의 타당성 있는 침/퇴적 해석을 위해서는 수로 외측의 경계수역(Fig. 1 참조)인 굴포천, 한강수역 및 인천해역의 3개 수역에서의 모든 퇴적물들에 대한 각각의 침강속도의 측정이 요구된다.
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